Autores:ALDANA, MAYRA.

LÓPEZ, CHRISTOPHER.Prof.: Ing. Uribe Leonardo

CARACAS, JUNIO DE 2015

Proyecto Socio-Tecnológico para aprobar la unidad Proyecto IV

I.U.T. “Dr. Federico Rivero Palacio”Departamento de Construcción Civil

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAMINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIÓN UNIVERSITARIA

DISPONIBILIDADES DEL AGUAREGULACIÓN Y CONTROL DE LAS AGUAS

DISPONIBILIDADES DEL AGUA

El conocimiento de las disponibilidades no sólo es indispensable para la correcta definición de un proyecto hidráulico, sino que además es el dato más importante, pues él, conjuntamente con las demandas, son las variables determinantes de las dimensiones de los proyectos.

Toda disponibilidad de agua, independientemente de la fase del ciclo hidrológico a la cual pertenece, para su apropiada determinación debe ser definida así: cantidad o volumen disponible, lugar donde se encuentra, cronología de ocurrencia y calidad física, química y bacteriológica. Es decir, la determinación de las disponibilidades va más allá de una cuantificación volumétrica.

Disponibilidad bruta: es equivalente al término disponibilidad antes definido y se establece tanto en volumen como en calidad, así como en su distribución espacial y cronológica. De aquí en adelante se denominará simplemente disponibilidad.

Disponibilidad neta: conocida como aprovechable, es aquella realmente factible de ser utilizada en beneficio del hombre. Esta depende de varios factores, entre los cuales merece destacar: la factibilidad física de hacer uso del agua, la factibilidad económica de aprovecharla, la tecnología existente y la calidad del agua; factores, todos que están interrelacionados entre sí. La limitación, en principio, más importante es la económica, pues teóricamente las limitaciones físicas, tecnológicas y de la calidad del agua, podrían subsanarse con tiempo y dinero.

Exceso: es aquella disponibilidad cuya existencia en cantidad, lugar, oportunidad o calidad ocasiona daños, causando en consecuencia, la necesidad de un uso de protección. Su determinación depende de varios factores básicamente relacionados con la cuantificación de los daños causados.

Disponibilidad real u oferta: es aquella disponibilidad neta o el exceso, que realmente son controlados por el hombre. Este concepto implica, en consecuencia, la existencia de uno o unos proyectos hidráulicos determinados, que permitan controlar en un momento dado las disponibilidades netas o el exceso existentes.

EJEMPLO ILUSTRATIVOEsquema de una cuenca

Datos del ejemplo:

Aprovechamientos existentes y en Funcionamiento: Embalses N° 1 y 2

Aprovechamientos existentes y en proceso de Estudio: Embalses N° 3, 4 y 5. Volumen medio anual disponible en la Cuenca, medidos en la salida del río

al mar, es igual a 1300 millones m3 .. La calidad del agua implementando tratamientos usuales, la hace utilizable

para cualquier uso de aprovechamiento.

El acuífero P1 tiene un rendimiento anual de 40 millones m3 , en donde sólo se están operando una cantidad de hasta 20 millones m3 , sin embargo existe una capacidad instalada para 30 millones m3 .

En el acuífero P2 no existe una capacidad instalada, por lo tanto está inexplotado.

Resolución:Según estudios realizados se obtienen los siguientes volúmenes aprovechables:

Disponibilidad bruta =1300 millones de m3 .Disponibilidad neta existente = 840 millones de m3 .Oferta (Embalse 1 y 2) = 250 millones de m3 .

• Embalse N° 1: 180 millones de m3 . • Embalse N° 2: 70 millones de m3 .• Embalse N° 3: 80 millones de m3 .• Embalse N° 4: 190 millones de m3 .• Embalse N° 5: 320 millones de m3 .

Total: 840 millones de m3

Determinación de disponibilidades en la cuenca:

Disponibilidades agregando aguas subterráneas:

Disponibilidad bruta = 1300+40+60= 1400 millones de m3

Disponibilidad neta existente = 840+40+60= 940 millones de m3

Oferta= 250+30= 280 millones de m3

Observaciones:

El embalse N°7 fue desechado, debido a que puede inundar lechos de yeso, provocando que el agua adquiera altos contenidos de sales. Sin embargo, sí en el futuro las condiciones económicas y tecnológicas permiten su uso. Este embalse puede aportar 140 millones de m3 a la disponibilidad neta.

Existen dos problemas de exceso en la cuenca, uno en la zona inundable cerca del poblado A el cuál se desea expandir hasta dicha zona y el otro caso la inundaciones causadas en el poblado B debido al río, lo cual genera la solución de la construcción de un dique marginal. Para este último caso al estar controlado el exceso, se considera como oferta.

Se cuentan con dos lagunas de oxidación una en cada poblado, las cuales impiden el exceso debido a la mala calidad de las aguas.

CLASIFICACIÓN DE LAS AGUAS

Una de las clasificaciones más usuales es según su estado físico, es decir, Sólido (Hielo o nieve), líquido y gaseoso (vapor de agua). Generalmente la utilización y control que se hace del agua tanto de aprovechamiento como de protección, ocurre en el estado líquido.

Otra forma de clasificarlas es en aguas continentales y aguas marinas. Las primeras agrupan cuerpos de agua que están en contacto con el suelo y pueden estar en cualquier estado físico, dicho de otra manera, están compuestas por aguas superficiales y subterráneas primordialmente. Las aguas marinas por otra parte, son aquellas que ocupan los mares y océanos.

ESQUEMA GENERAL DE CLASIFICACIÓN DE LAS AGUAS

REQUERIMIENTOS DE INFORMACIÓN

Todo proyecto hidráulico para poder ser apropiadamente definido requiere del conocimiento de las disponibilidades que él va a modificar. Por lo tanto de acuerdo con sus fines y objetivos requiere que la disponibilidad le sea suministrada en una forma apropiada para realizarlos.

Para poder interpretar lo antes expuesto, será presentado un esquema que estipula las formas usuales en que la disponibilidad debe ser definida. Por supuesto, no entran en este esquema los casos especiales que pueden llegar a presentarse. Es imperante tener el conocimiento de ciertas definiciones para la mejor comprensión del esquema, las mismas serán expuestas a continuación:

Volúmenes escurridos: Son los volúmenes de agua que escurren en el río o quebrada, que actúa como fuente de abastecimiento al proyecto de aprovechamiento respectivo. Su conocimiento debe indicar la variabilidad con el tiempo y con el espacio. De especial importancia es la selección de la unidad apropiada de tiempo (Instantáneos, diarios, mensuales y anuales).

Gastos mínimos: Comprende el conocimiento de los períodos de sequía en el escurrimiento superficial; es decir, de los valores mínimos de los gastos en el río o quebrada correspondiente, en un determinado lapso (Período de verano, meses, semanas o diarios).

Gastos máximos: También se denominan gastos pico, que son los máximos valores de gastos instantáneos en un período de tiempo suficientemente largo.

Volúmenes máximos: Se refieren a las máximas cantidades de agua que se aportan en un determinado lapso y se definen de acuerdo con una unidad usual (día, mes, varios meses o año).

Calidad de las aguas: Salvo en contados casos (proyectos de hidroelectricidad o navegación) el conocimiento de la calidad es indispensable para la definición de las disponibilidades. El grado de detalle de este conocimiento depende del uso a dársele al agua.

Nivel de las aguas: Consiste en la definición de la disponibilidad, no en términos de volúmenes o gastos, sino en alturas alcanzadas por las aguas.

Capacidad de los acuíferos: En proyectos que hacen uso de aguas subterráneas, es indispensable el conocimiento del gasto promedio y extremo que se pueden extraer del acuífero o fuente de agua subterránea. El gasto promedio o capacidad, es el gasto que puede extraerse durante un cierto período de tiempo, sin que ello conlleve un agotamiento irreversible de la fuente.

Nivel de la mesa de agua: Es la altura que alcanzan las aguas en el subsuelo en diferentes instantes del tiempo. La unidad de tiempo es el mes o el año. En los casos de proyectos de aprovechamiento se hace necesario además conocer los niveles mínimos. En proyectos de protección, los niveles máximos son también de importancia.

RELACIÓN DE DISPONIBILIDAD BRUTA Y TIPO DE PROYECTO

Todo proyecto hidráulico tiene una vida de servicio en la cual se supone que debe cumplir con los objetivos para los cuales fue concebido. Durante esa vida, los proyectistas deben conocer la probabilidad de ocurrencia de las disponibilidades que se le suministran como información básica. Sólo así, se podrá establecer el riesgo que existe de que esos objetivos no se logren. La veracidad de cálculo de ese riesgo, depende de la longitud del período de tiempo representativo de las disponibilidades: a mayor longitud menor error.

ANÁLISIS DE PROBABILIDADES DE LAS DISPONIBILIDADES

En definitiva lo mencionado anteriormente tiene suma importancia en la planificación de proyectos hidráulicos, ya que, no sólo determina la seguridad de que el proyecto cumpla sus objetivos, sino también permite fijar la confiabilidad física de las estructuras hidráulicas que conforman parte del proyecto.

DEFINICIONES BÁSICAS:

Evento aislado: Se refiere a un fenómeno hidrológico limitado en el tiempo, por ejemplo el escurrimiento de una crecida o la conformación de una sequía.

Evento extremo: En algunos casos sólo es necesario determinar la magnitud máxima o mínima; por ejemplo, el pico de la creciente o el gasto mínimo instantáneo de un período de sequía.

Evento secuencial: El evento secuencial es la representación de los volúmenes escurridos del río o hidrograma, bien sea anual, mensual, diario o instantáneo.

Probabilidad de ocurrencia: Es una medida de la frecuencia con que ocurre un fenómeno hidrológico (evento). La probabilidad de ocurrencia en un año cualquiera se designa p y se expresa en porcentaje, mientras que la probabilidad de no ocurrencia j se determina a partir de la siguiente expresión.

j = 1 - p (3.1)

La probabilidad de ocurrencia J de que un evento sea igualado o excedido en un período de N años, se determina a través de la siguiente expresión:

J =1-(1-p)N (3.2)

La diferencia entre p y J es que la primera se refiere a la probabilidad de que un evento sea igualado o superado en un año cualquiera, mientras que la segunda mantiene el mismo criterio modificando la medida de tiempo en un período de N años.

RELACIÓN DISPONIBILIDAD-PROBABILIDAD:

La información básica que debe suministrarse a nivel de probabilidad puede dividirse en función al tipo de evento correspondiente:

Volúmenes escurridos: Los volúmenes escurridos son eventos secuenciales, por lo que estimar su probabilidad de ocurrencia resulta demasiado complejo e innecesario. La asignación de probabilidades en estos casos corresponde a la disponibilidad neta, y se hace usualmente mediante técnicas que hacen uso de modelos matemáticos, las cuales arrojan las llamadas trazas sintéticas, que son cada una de ellas un evento secuencial con los mismos parámetros estadísticos de la serie histórica, pero diferentes magnitudes y ordenamiento.

Gastos mínimos: Sería semejante al de volúmenes escurridos, pero sólo para una secuencia de gastos de verano o período de sequía (evento aislado).

Gastos máximos: Generalmente habría que suministrar la probabilidad de ocurrencia de un determinado gasto pico (evento extremo), sin consideración de su lugar preciso en el tiempo real. En ciertos casos es necesario estimar un evento aislado con su cronología respectiva.

Volúmenes máximos y niveles de las aguas: Se tratan en forma semejante al de gastos máximos.

Capacidad de los acuíferos y nivel de la mesa de Agua: Generalmente se reducen los análisis a estimaciones de condiciones medias y mínimas de rendimiento del acuífero y a niveles mínimo, máximo o medio de la mesa de agua, sin acompañarlos de una probabilidad de ocurrencia.

Calidad de las aguas: Aunque rigurosamente hablando sería ideal disponer de una información probabilística, este tema aplicado a la calidad de las aguas no ha sido analizado, razón por la cual en su consideración se hace uso de valores medios y máximos(mayor o menor contaminación), sin ningún señalamiento probabilístico.

Cuando se habla de probabilidades en disponibilidades brutas existen cuatro tipo de informaciones que deben ser suministradas:

Probabilidades de eventos secuenciales: Son aquellas que deben considerar el ordenamiento cronológico de los eventos, o sea de las magnitudes involucradas: volúmenes escurridos y en algunos casos, gastos mínimos, máximos o niveles de agua superficiales.

Probabilidades de eventos aislados: Se refieren exclusivamente a la probabilidad de un evento como por ejemplo, una creciente o una sequía.

Probabilidades de eventos extremos: Comprenden la estimación de que un determinado valor extremo (máximo o mínimo) no sea excedido.

Sin definición de probabilidades: Son aquellas donde no se realiza análisis probabilístico; serían todo lo relacionado con aguas subterráneas y calidad de las aguas.

Toda estimación de las disponibilidades debe analizar previamente las implicaciones que los proyectos hidráulicos correspondientes tendrán sobre el ciclo hidrológico de control histórico y hacer las modificaciones del caso, o bien analizar las alteraciones de otra índole que puedan ocurrir en el futuro sobre el espacio donde sucedió ese ciclo de control.

Probabilidades de eventos extremos

Los eventos extremos usualmente analizados en materia de disponibilidades brutas, son:Gastos picos de crecientes.Gastos promedios máximos (diarios, mensuales o anuales, pueden ser

expresados también en unidades de voIúmenes). Precipitaciones máximas (anuales, mensuales, diarias, horarias y duraciones

menores).

Entre las herramientas aplicables al estudio de las probabilidades de los eventos antes mencionados se tienen:

Curvas de frecuencia: Las cuales son una representación gráfica de la probabilidad de ocurrencia p, contra la magnitud del evento; es decir, es una curva que para un valor determinado de un evento, indica la probabilidad que tiene de ocurrir en un año cualquiera. Generalmente término p es reemplazado por otro, denominado período de retorno (Tr) expresado en años, que viene dado por:

Tr = 1 / p (3.3)

Con lo expresado anteriormente, la probabilidad de no ocurrencia se determina de la siguiente manera:

j = 1 – (1/ Tr ) (3.4)

Todo proyecto tiene una vida útil de servicio y, es durante este período de tiempo definido que se hace necesario conocer la probabilidad de ocurrencia dada por la Ecuación 3.2, expresada anteriormente:

J =1-(1-p)N

En donde N es la vida útil del proyecto; J debe interpretarse como la posibilidad de que el evento cuya probabilidad de ocurrencia en un año cualquiera es igual o mayor que p, pudiendo ser esta excedida al menos una vez durante los N años.

Sí se conoce que la probabilidad de ocurrencia (p) de un evento es mayor o igual al 1%, ¿Cuál sería el período de retorno?.

Tr = 1 / p = 1/0,01= 100 años

La vida útil de un proyecto se definió para 10 años, sí la probabilidad de ocurrencia de un evento es del 1%, ¿Cuál es la probabilidad de que p sea excedida durante los 10 años de servicio?

J =1-(1-p)N = 1- (1-0,01)10 = 0,956 ≈ 10%

EJEMPLO ILUSTRATIVO

Curvas de duración: En algunos casos, las curvas de frecuencia se representan en forma de curvas de duración. Este tipo de representación es utilizada usualmente para gastos promedios (diarios o mensuales). En ella se indican los valores de los gastos promedios, contra el porcentaje del tiempo en que un determinado valor promedio puede ser excedido. La curva de duración no está asociada a eventos extremos, sino a todos los eventos por encima o debajo de un valor.

Selección de datos:

Es indispensable tener una muestra representativa y suficientemente extensa, para alcanzar niveles aceptables de precisión en los estudios de frecuencia. La representatividad concierne mayormente a que los valores seleccionados sean reflejo del fenómeno que se quiere analizar. En este sentido son útiles varias recomendaciones:

Verificación de la procedencia de la serie de datos; por ejemplo si ha sido verificada y comprobada por el organismo competente. En caso contrario se debe ir a la fuente original y hacer la medición en el campo.

Correspondencia entre la serie de datos y el problema; por ejemplo, si se desea estudiar el aliviadero de un embalse que tiene que ser proyectado para un gasto pico, los valores que deben ser seleccionados son los picos de las crecientes.

Verificar que todos los datos son compatibles, por ejemplo, de que no hayan sido afectados durante ciertas épocas por usos hechos por el hombre.

El número n de valores de la muestra se selecciona generalmente tomando como base tres criterios diferentes:

Series anuales: consiste en elegir únicamente un solo valor por año de registro el máximo o el mínimo, según fuese el objeto del estudio.

Series parciales: selecciona más de un valor por año, por encima o por debajo según fuese el caso, de una cifra determinada.

Series totales: toman en cuenta todos los valores en un determinado período de tiempo.

DEFINICIÓN DE LA CURVA DE FRECUENCIA

Existen diversas fórmulas para calcular tanto p y Tr , sin embargo una de las más utilizadas es la de Wiebull, cuya expresión es:

P = m/(n+1) o Tr = (n+1)/m

La variable m corresponde al nro de orden, generalmente se eligen de los registros existentes el valor máximo, estos se ordenan de mayor a menor o viceversa dependiendo de la magnitud del evento que se evalue, al mayor se le asigna el número de orden 1 y al segundo el número de orden 2. n por su parte es el número de valores.

Por lo general es necesario a recurrir a curvas de teóricas frecuencia que permiten hacer extrapolaciones, debido a que el método anterior a pesar de que da valores razonables, tiene ciertas limitaciones cuando existen ausencias de registros o bien el tiempo de registro es corto.

Estás curvas tienen su fundamento en las curvas de distribución de probabilidades de los valores seleccionados (gastos máximos, mínimos, promedios o precipitaciones). En el eje abscisas de las van dichos valores y en las ordenadas el número de veces que aparece ese valor en la muestra seleccionada (Frecuencia). Según Chow en la gran mayoría de los casos la forma de las curvas de distribución de probabilidades se ajusta a la siguiente ecuación:

XI = X+ Ki σ

En donde Ki es el factor de frecuencia, el cual es función de la propia forma de la curva, o sea del nivel de probabilidad del evento XI y X son todos los registros.

Curvas teóricas de frecuencia

Entre los tipos de distribución (Ki) en que basan la diferentes curvas teóricas se tienen: Normal: denominada campana de Gauss, que consta de una distribución

simétrica. Se ha demostrado que a nivel anual, las evaporaciones o el escurrimiento de grandes cuencas, pueden dar resultados razonables.

Logarítmica normal: Está distribución se adapta bien a escurrimientos mensuales en ríos pequeños.

Pearson Tipo III: Es una distribución tipo gamma. Es usada en USA para estudios de frecuencia de gastos máximos anuales.

Extrema de Gumbel: Es una distribución básicamente similar a la logarítmica normal y se aplica sólo a valores extremos.

En cuanto a que curva de frecuencia teórica se debe elegir, no existe un criterio definido. En Venezuela se ha implementado el método de Gumbel debido a los buenos resultados que este tiene, en cuanto a los gastos picos.

ESTIMACIÓN DE LAS DISPONIBILIDADES

La estimación de volúmenes escurridos anuales, mensuales o diarios, o bien de precipitaciones para períodos semejantes o aún menores, utilizando sistemas tradicionales, presenta serias limitaciones, y las hace por lo común sólo apropiadas para estimaciones preliminares. En este caso se pueden presentar varias situaciones:

Eventos secuenciales. Métodos tradicionales.

Ríos con registros: Cuando el período de tiempo abarcado por los registros no es suficiente en magnitud respecto a la vida útil del proyecto. Se puede extender el mismo, suponiendo que los datos del registro se repiten indefinidamente. Otra metodología es alargar la serie de valores de escurrimientos, para poder utilizar esta metodología se necesitan conocer la relaciones lluvia-escurrimiento. Las mismas se definen en:

Relaciones de varias variables de eventos aislados, generalmente precipitaciones, duración de la lluvia, semana del año donde ocurrió la lluvia, condiciones, antecedentes de humedad y escurrimiento. Requieren de una buena información. Los valores anuales, mensuales y diarios provendrían de la suma de todos los eventos.

Relaciones directas, que por lo general solo serían aplicables a valores anuales de escorrentía y precipitación, por lo cual se haría necesario hacer posteriormente una desagregación a nivel mensual o diario, según fuese el caso. Estas desagregaciones utilizando técnicas tradicionales, no tienen mayor fundamento y arrojan una pobre correlación.

Ríos sin registros: En estos casos debe generarse un registro que conforme un período histórico de valores, para poder proceder en forma similar al caso anterior. Generalmente se pueden trabajar con las relaciones de precipitación y escorrentía, se pueden establecer relaciones directas con cuencas que tengan registros de las condiciones hidrográficas, topográficas, de cobertura vegetal y climatológicas semejantes.

En ambos casos salvo que existan registros disponibles que sean bastante mayores que la vida útil del proyecto respectivo, estas técnicas no deben emplearse sino a nivel preliminar, con el fin de formarse una idea del rango de valores involucrados. Estás técnicas pueden ser aplicada también en los casos siguientes:

Proyectos donde las demandas estén muy por debajo de las disponibilidades netas, al menos durante un período suficientemente largo.

Cuando el proyecto sea muy pequeño y pueda dársele dimensiones generosas sin mayor costo adicional.

Eventos extremos. Métodos tradicionales.

Existen numerosos métodos tradicionales para estimar eventos extremos, que se podrían clasificar en directos o indirectos. Los primeros hacen uso solamente de los datos de escorrentía y en los segundos se obtiene la escorrentía en base a precipitaciones.

Método directo: Sólo puede ser aplicado cuando existe una serie suficientemente larga de valores registrados o generados mediante métodos no tradicionales Este método consiste en la determinación de la curva de frecuencia de gastos máximos o mínimos.

Métodos Indirectos (Determinación de gastos picos):

Método racional: Este método supone que toda la cuenca receptora tiene unas características topográficas, fisiográficas y geológicas similares; asimismo, implica una distribución uniforme de las lluvias en toda el área y en el tiempo. Su uso debe limitarse a áreas pequeñas (menores a 100 hectáreas) y preferiblemente con un alto porcentaje de cubrimiento impermeable (áreas urbanizadas) y para lluvias de duración no superior a unos 15 minutos. Se expresa de la siguiente manera:

Q = A*i*c

El gasto pico es directamente proporcional al producto del área de la cuenca por la intensidad de la lluvia. La constante de proporcionalidad, llamada coeficiente de escurrimiento, cubre según la fórmula, todos los otros factores involucrados en el ciclo hidrológico.

Método del área efectiva: El método tiene su origen en la necesidad de obviar algunas limitaciones del método racional (tamaño de la cuenca, uniformidad de la lluvia y tomar en cuenta el tránsito de las crecientes). Su base original consiste en subdividir el área en otras pequeñas para poder aceptar las suposiciones de condiciones homogéneas y uniformes de las lluvias.

Método del escurrimiento superficial modificado: En su aplicación práctica, pueden definirse tantas subáreas contribuyentes al cauce como se desee, tomando en cuenta las diferentes características de topografía y cobertura de cada una de ellas. Este método conserva la identidad entre probabilidad de lluvia y de escurrimiento y puede entregar un hidrograma representativo. Requiere de una tormenta de diseño y su aplicación es apropiada en cuencas de mediano tamaño o pequeñas, en áreas no urbanas.

Curvas envolventes (Craiger): Permite estimación somera del rango de los posibles gastos máximos en una cuenca, este consiste en dibujar en papel logarítmico los gastos máximos registrados en todo el lugar, contra el área drenada correspondiente, trazando una curva envolvente superior.

Métodos regionales: Se pueden realizar a través de las curvas regionales que no son más que curvas de frecuencia establecidas en forma adimensional. El procedimiento para construirlas consiste en seleccionar ríos o estaciones pluviométricas cercanas, según fuera el caso, donde existan suficientes datos para desarrollar apropiadamente sus curvas de frecuencia.

Eventos aislados. Métodos tradicionales.

Los dos eventos aislados mayormente requeridos son: la tormenta y el hidrograma de una crecida. El primer evento es útil por ser frecuentemente necesario para definir los hidrogramas, tanto cuando se utilizan metodologías tradicionales como con modelos matemáticos de un solo evento.

Hidrograma unitario: Es el hidrograma generado por una lluvia uniformemente repartida en el tiempo sobre toda el área de la cuenca receptora, cuya magnitud sea tal que genere un escurrimiento unitario ( 1mm ).

Esta hipótesis parte de la idea de que dos o más lluvias de diferente magnitud pero de igual distribución en el espacio y en el tiempo, generan hidrogramas cuyas ordenadas son proporcionales entre sí, siempre y cuando las pérdidas tengan también distribuciones similares.

Suponiendo esto, la configuración del hidrograma depende solamente de la configuración de la cuenca y la magnitud de la lluvia efectiva, la cual no es más que la lluvia total menos las pérdidas debida a la evaporación, infiltración, transpiración, entre otras.

Tormenta de diseño: La tormenta es la distribución espacial y cronológica de las precipitaciones generadoras de los hidrogramas. El procedimiento más utilizado para definir tormentas de diseño se basa en seleccionar el evento máximo de precipitación para una duración igual o mayor al tiempo de concentración de la cuenca, y desglosarlo en el tiempo de acuerdo a patrones históricos registrados o a valores obtenidos de curvas frecuencia-duración, ordenadas según las secuencias más desfavorables. Es usual utilizar varios esquemas o alternativas, tanto cronológicas como espaciales, para definir la tormenta de diseño, eligiendo al final la que arroje el mayor gasto máximo o volumen máximo, según sean los objetivos de estudio.

Pérdidas: son aquellas cantidades de aguas precipitadas que no se reflejan en el escurrimiento, al menos dentro de un período de tiempo razonable, en lo que se refiere a eventos aislados. Su conocimiento es indispensable para transformar la tormenta de diseño en escurrimiento o lluvia efectiva y ésta, a su vez, en un hidrograma.

Las técnicas de relación precipitación-escurrimiento, son el camino más idóneo de estimación de pérdidas; sin embargo, se pueden aplicar los siguientes métodos:

Método porcentual: consiste en asignar un porcentaje constante de pérdidas a la precipitación total. Este porcentaje puede fijarse tomando como base el análisis de tormentas registradas y de sus correspondientes hidrogramas. Este método supone una distribución uniforme de las pérdidas en el tiempo, lo cual no es correcto.

Método basado en curvas empíricas de infiltración: Se aplica utilizando un componente de fórmulas que permite estimar las cantidades infiltradas y su variación en el tiempo. Datos que permiten la construcción de la curva

Eventos máximos factibles

Un evento de esta naturaleza no puede ligarse a ninguna probabilidad de ocurrencia y su estimación requiere del concurso de meteorólogos especialistas en el tema.

MODELOS HIDROLÓGICOS

Un modelo hidrológico, es la simulación del ciclo hidrológico, mediante un conjunto de suposiciones y ecuaciones matemáticas de índole compleja. Teoricamente se clasifican en:

Modelos determinísticos: Son aquellos que representan el ciclo hidrológico con sentido físico, es decir, haciendo uso de las variables que intervienen en él, no contienen ningún elemento probabilístico. La representación puede ser de parte o de la totalidad del ciclo.

Modelos estocásticos: Enfocan el problema desde un punto de vista estadístico y no físico. Actúan basándose en series de datos hidrológicos (escorrentía, precipitación, evaporación etc.) y no en el fenómeno físico en sí. Sin embargo, el modelo estocástico con todas sus complicaciones, considera el ordenamiento secuencial de las series involucradas.

En la práctica la mayoría de los modelos no son ni absolutamente determinísticos ni tampoco totalmente de pureza estocástica. Dicho esto es más apropiado clasificar los modelos en:

Modelos lluvia-escorrentía: Requieren del conocimiento simultáneo en el tiempo de un conjunto de variables hidrológicas y climatológicas para poder reproducir la variable dependiente; es decir, la escorrentía. Estos modelos no siempre pueden generar series de largo período.

Modelos de generación sintética: Pueden ampliar la longitud de las series manteniendo las características históricas, es decir, pueden extender los períodos históricos siempre y cuando las series históricas disponibles de datos sean suficientemente representativas.

Modelos lluvia-escorrentía

Representación de los algoritmos: Se entiende por algoritmos, las ecuaciones y procedimientos que vinculan las diferentes variables.

Modelos de investigación: Tienen una rigidez matemática absoluta para la definición de los algoritmos involucrados en el modelo, es decir, no aceptan simplificaciones.

Modelos conceptuales: Permiten la demarcación de los algoritmos mediante relaciones empíricas para descubrir el proceso físico. Esta simplificación se hace para darles una aplicación práctica, pues permite salvar obstáculos y acelerar el logro de soluciones .

Representación del área receptora

Modelos homogeneizados: Consideran que toda el área de captación de las aguas tiene las mismas características y está sujeta a una lluvia uniforme, sin que ello signifique que no pueda considerar varias áreas.

Modelos heterogéneos: Consideran variación espacial de las características lo cual hacen manejando muchas pequeñas subáreas. Tienen una lógica física mucho mayor que los anteriores, pero la limitación de datos, es decir, la capacidad de darle toda la información necesaria, los hace mayormente aplicables con fines investigativos.

Representación en el tiempo

Modelos continuos o secuenciales: Son aquellos concebidos para representar los escurrimientos para un largo período. Algunos modelos pueden hacer representaciones de gastos instantáneos, pero otros sólo los hacen para valores promedios diarios o mensuales.

Modelos de eventos aislados: Son capaces de generar la respuesta de un evento aislado especial, como es el caso del hidrograma de una tormenta. A efecto de su posterior consideración en el análisis de frecuencias, la probabilidad del escurrimiento es prefijada por la de la precipitación.

Campo de aplicación

Modelos generales: Son o han sido desarrollados para cualquier tipo de área receptora.

Modelos específicos: Únicamente son aplicables al área o cuenca para el cual fueron desarrollados.

En hidrología, los modelos de generación sintética más utilizados no son realmente estocásticos puros pues no consideran valores en su totalidad aleatorios, es decir, por lo general establecen una cierta dependencia entre un evento y otro, porque no consideran a los valores completamente independientes entre sí.

Las diferencias entre unos y otros radican en la selección de los parámetros estadísticos de la serie histórica que desean conservar, en el tipo de distribución probabilística que adoptan y en si se acepta o no cierta dependencia entre valores.

Modelos de generación sintética.

Las cinco variables principales para seleccionar la metodología apropiada para realizar un estudio hidrológico son:

SELECCIÓN DE LA METODOLOGÍA APROPIADA

La calidad y cantidad de la información disponible.

Los objetivos de estudio.

La etapa de planificación.

El costo del estudio.

La disponibilidad de facilidades de recursos humanos y de computación.

Riesgos Aceptables

La concepción de un proyecto hidráulico se hace dentro de un marco de referencia que tiene a cierta probabilidad de ocurrencia, o sea, que supone un riesgo. Las características del riesgo de estimación de las demandas tiene una naturaleza diferente a las de las disponibilidades.

En el caso de las demandas no se calcula un valor o valores numéricos que midan el riesgo involucrado, sino que se establecen hipótesis y se estructura el proyecto de acuerdo con la más desfavorable, o bien se concibe éste por etapas para hacerlo adaptable al acontecer futuro.

Las disponibilidades sí van irremediablemente atadas a un o unos valores que midan el riesgo, los cuales, a su vez, representan en mayor o menor grado la realidad, dependiendo de la representatividad y extensión de la muestra histórica.

Todo riesgo supone que existirá una pérdida o daño si no se cumplen las disponibilidades estimadas. Estos daños pueden ser de dos tipos: materiales y humanos . En el caso de los humanos, se toman medidas preventivas para que si llegase existir un caso de falla, se evite grandes pérdidas humanas.

Desde el punto de vista de daños materiales, se establecen niveles aceptables de riesgo, a través de estudios económicos para analizar los beneficios y los costos para diferentes grados de los mismos.

Calidad de las aguas

La estimación de las disponibilidades va irreversiblemente ligada a la calidad de las aguas. Cantidad y calidad están íntimamente unidas. La calidad viene comúnmente definida en tres aspectos o características: físicas, químicas y biológicas. El grado de conocimiento previo de cada grupo de características depende del uso que se vaya a dar al agua.

Características principales

Características físicas

Contenido de sólidos: Pueden encontrarse disueltos o suspendidos en el agua. Se usa como medición el peso sólido por unidad de volumen de agua.

Turbidez: Es producida por los sólidos de pequeño tamaño y es medida del grado de claridad del agua.

Color : Este es producido por sustancias disueltas.

Olor y Sabor: Provienen de la descomposición de sustancias orgánicas o químicas volátiles.

Temperatura: Es medible y tiene especial importancia en aguas subterráneas o efluentes de ciertos procesos industriales

pH: Mide el grado de acidez o alcalinidad del Agua.

Cationes y aniones disueltos: Cationes tales como calcio, magnesio, potasio y sodio; y aniones como el bicarbonato, los carbonatos, los cloruros, hidróxidos, nitratos y sulfatos.

Alcalinidad y acidez

Contenido de dióxido de carbono

Dureza: por lo general. especialmente dirigido a la resistencia a la disolución del jabón.

Conductividad: Capacidad de actuar como conductor eléctrico, principalmente necesario con fines de comprobación de otras propiedades.

Características químicas

Características Biológicas

Contenido de bacterias

Organismos coliformes

Microorganismos

Desalinización y reutilización de las aguas

La desalinización es un proceso físico-químico utilizado para eliminar los minerales del agua, por lo que es apta para el consumo humano. Entre los métodos aplicados tenemos:

Ósmosis inversa: Es la transformación de una sustancia salada a una purificada. Este proceso consiste en la separación del agua y la sal a través de la presión sobre el líquido. Una planta utilizando el proceso de ósmosis inversa necesita hasta tres veces la cantidad del agua producida.

Congelación: Para la desalinización por congelación, se pulveriza agua de mar en una cámara refrigerada y a baja presión, con lo que se forman unos cristales de hielo sobre la salmuera. Estos cristales se separan y se lavan con agua normal. Y así se obtiene el agua dulce.

Destilación:  Se realiza mediante varias etapas, en cada una de las cuales una parte del agua salada se evapora y se condensa en agua dulce.

Principales dificultades

Altos costos en los procesos. Requerimientos altos de energía. Gran dependencia a las energías fósiles.

Desventajas

Se interrumpe el ciclo natural de organismos marinos. Introducción de nuevo contaminantes al ambiente, derivados del proceso.

En Venezuela la reutilización de las aguas servidas tiene limitaciones si se desea aplicar para el consumo humano, pues resulta una tarea compleja eliminar el contenido viral que las mismas contienen, es por ende que la mejor calidad obtenida en este proceso se usa para riego. Parte de estas limitaciones residen en los gastos económicos que conllevan los procesos a parte de las limitaciones tecnológicas que hoy día existen.

REGULACIÓN Y CONTROL DE LAS AGUAS

Evasión de daños, causados por la acción destructora de las aguas

MODALIDADES Almacenar en los períodos donde las disponibilidades son mayores que las demandas, de forma que se cubran éstas en los períodos donde sucede lo contrario.Debidamente, de forma tal

que se impidan posibles daños.

Encauzar

OBRAS

Diques y canalizaciones Estanques y embalsesTIPOS DE REGULACIÓN Y CONTROL

Pueden ser con fines de:

Aprovechamiento de las aguas

El desarrollo de un proyecto hidráulico, tiene como objetivo lograr un balance en el tiempo y espacio entre la oferta, la demanda y excesos de agua; tal que la oferta sea siempre igual o mayor que la demanda o el exceso

REGULACIÓN Y CONTROL DE LAS AGUAS CON FINES DE APROVECHAMIENTO

Exceso Déficit

DB

RP2

RP1

Gas

tos

Tiempo (años)

Exceso DéficitCU

RP

Gas

tos

Tiempo (años)

Disponibilidades DB y demandas promedios anuales RP

En el caso de la demanda RP1 la disponibilidad está siempre por encima de la demanda y no se requiere regulación. Cuando la demanda es RP2, existen épocas donde la demanda es mayor que la disponibilidad; haciendo necesario el retener o almacenar agua en las épocas de exceso para cubrir los déficit.

La curva CU representa la demanda real instantánea, se puede apreciar que CU y RP difieren lo que demuestra que se hace necesario guardar agua en los momentos en que RP es mayor que CU, para poder cubrir los momentos de déficit.

Consumo CU y demandas promedio RP

Casi siempre en la práctica es necesaria una regulación y esta puede tener lugar bien sea en la fuente, conducción o en la distribución del agua, o mediante cualquier combinación de ellas.

REGULACIÓN EN FUENTENecesaria siempre que la disponibilidad de

agua no iguale o supere a la demanda promedio requerida.

Según el almacenamiento de las aguas, esta puede ser de:

Corto período

Largo período

Anuales

Interanuales

En ningún caso, las cantidades de agua regulables (disponibilidades netas) pueden superar a las disponibilidades o en otras palabras, no se pueden extraer, de un embalse o de un estanque, durante un largo período, más agua de la que le entra.

DISPONIBILIDAD NETA (DN)

DN = DB- DNNDonde:

DB: Disponibilidad bruta

DNN: Disponibilidad no aprovechable

Las regulaciones en fuente afectan a todo el proyecto hidráulico, mientras que las regulaciones en conducciones o distribución, influyen en partes del proyecto por lo que en estas pueden aceptarse riesgos mucho mayores de falla.

(4.1)

Generalmente se toma un año

REGULACIÓN Y CONTROL DE LAS AGUAS CON FINES DE PROTECCIÓN

Directamente ligada a un nivel de riesgo admisible (expresado en términos de gastos, volúmenes o niveles), pues él es el que fija el exceso.

Disponibilidad ≤ Nivel de daños

Depende de la magnitud de los daños que el exceso puede causar, y

Exceso = 0 No es necesario un proyecto de protección

NIVEL DE RIESGO

EJEMPLO:

En un área agrícola determinada no se puede admitir un riesgo de inundación superior al 10% durante los próximos 20 años; ello supone que la probabilidad de ocurrencia de la creciente en ese período, no puede ser mayor del 10%.

1. Probabilidad de ocurrencia p

𝑱=𝟏− (𝟏−𝝆 )𝑵 𝝆=𝑵√𝟏− 𝑱 −𝟏Despejando

𝝆=[𝟐𝟎√𝟏−𝟎 ,𝟏𝟎−𝟏 ]∗𝟏𝟎𝟎=𝟎 ,𝟓𝟐𝟓%2. Periodo de retorno Tr

Variables a determinar:

𝑻 𝒓=𝟏𝝆

=𝟏

𝟎 ,𝟓𝟐𝟓∗𝟏𝟎𝟎=𝟏𝟗𝟎𝒂ñ𝒐𝒔

está condicionado a una probabilidad de ocurrencia. La única forma de impedir todos los daños, es decir, cero riesgo, es que el proyecto de protección sea capaz de controlar el evento máximo probable de escurrimiento.

(3.2)

(3.3)

Para concluir la idea anterior, cualquier creciente con un periodo de retorno inferior o igual a 190 años debe ser controlada para evitar causar daños.

EXCESO

Existen situaciones en agricultura, donde el daño es causado más por la duración de la inundación que por la inundación en sí. Cuando el exceso se controle se convierte en oferta.

Si el período de retorno TR correspondiente al nivel de riesgo aceptable es TRA y el nivel que no causa ningún daño es RA, entonces el exceso DE se define como:

DE = DB - RA

Donde:

DB: creciente (disponibilidad) correspondiente a un periodo TRA

RA: riesgo aceptable para no causar daños

Expresados como gastos, unidades de volúmenes, niveles de agua o bien tiempos de inundación.

EJEMPLO:

Gas

tos

Tiempo

RA

DE

DB(4.2)

GENERALIDADES DE EMBALSES Y ESTANQUES

EMBALSES Su capacidad física es función de la topografía natural, por lo cual su almacenamiento es mucho mayor al de los estanques.

Las aguas aportadas a los embalses provienen directamente de un río o quebrada.

Embalse de Camatagua, capacidad de 1543 millones de metros cúbicos de agua.

ESTANQUES

Su capacidad física necesaria es determinada y construida. Los gastos afluentes, han sido previamente regulados o

controlados, por lo cual tienen un bajo o prácticamente nulo contenido de sedimentos.

Estanque de agua potable, capacidad 2000 metros cúbicos.

DESCARGAS DE FONDO: están destinadas a evacuar sedimentos y facilitar el vaciado total del embalse en caso de emergencia.

VASO DE ALMACENAMIENTO Y OBRAS DE EMBALSE.

El vaso de almacenamiento es el espacio físico que va a ser ocupado por las aguas del embalse.

Obras hidráulicas que conforman el embalse:

PRESAS: son los obstáculos que se interponen en los ríos, represando las aguas para generar los embalses.

TAPONES: son estructuras similares a las presas, pero construidas fuera de los lechos de los ríos. Su objetivo es cerrar los botaderos naturales de los vasos de almacenamiento.

Guri, Ubicada en el Río Caroní, es una presa de más de 7km de longitud

TOMAS: son las obras destinadas a permitir la extracción en forma regulada de las aguas del embalse, con el propósito de satisfacer las demandas o controlar los excesos.

ALIVIADEROS: son aquellas estructuras hidráulicas destinadas a dar salida a los excesos de agua del embalse, diferencias entre las disponibilidades brutas y netas. Generalmente, los alivios correspondientes están sometidos a algún tipo de control.

OBRAS DE DESVÍO : son aquellas obras cuyo propósito es desviar provisionalmente las aguas del río, con el fin de permitir la construcción de las obras de embalse.

OBRAS MISCELÁNEAS : serían aquellas de diversa índole, como, por ejemplo, muelles para uso recreativo, estructuras para facilitar el paso de peces y obras de protección contra la erosión.

Obras hidráulicas que conforman el embalse:

Aliviaderos del Embalse Guri,

Túneles de desviación o

Canales abiertos

FACTORES QUE DETERMINAN LA UBICACIÓN DEL EMBALSE:

Uso y valor de la tierra. El uso actual y potencial de las tierras a ser inundadas puede influir en los costos considerablemente.

Configuración topográfica del vaso de almacenamiento

Características geológicas del vaso de almacenamiento. Los vasos impermeables son la mejor selección, pero no siempre es posible. Deben evitarse lugares donde exista la posibilidad de formación de cavernas.

Localización de las obras que conforman el embalse. Vasos económicamente más apropiados para ubicar las obras descritas. Especial importancia tiene la localización de la presa, por ser la estructura más costosa.

Factores climatológicos. La evaporación y el viento son variables que se deben considerar.

Consideraciones ecológicas. La influencia que el embalse puede tener en el sistema ecológico circundante, es un elemento de juicio imprescindible, especialmente en embalses grandes.

ESTANQUES, TIPOS SEGÚN SU MATERIAL:

METÁLICOS : son también versátiles, casi siempre de acero, siendo las formas más usuales la cilíndrica y la esférica. Su mejor adaptabilidad es para capacidades pequeñas y medianas, con localizaciones similares a los de concreto. Su mayor inconveniente son los costos de mantenimiento.

.

TIERRA: que pueden ser excavados, conformados por diques, o bien combinación de ambos. Usados para grandes volúmenes, en comparación a otros tipos de estanques. Sus principales problemas son: garantizar la impermeabilidad, el costo de mantenimiento; posibles pérdidas por infiltración y evaporación.

CONCRETO : son los más utilizados, los hay de diversas formas, pero los cilíndricos y los rectangulares son los más comunes, con techo o sin él. Pueden ser de concreto armado tradicional o pretensados, e inclusive de partes prefabricadas. Poseen capacidades pequeñas y medianas, hasta de unos 80.000 m3. Localizados en el suelo, subterráneos o elevados. Tienen bajo costo de mantenimiento.

OTROS TIPOS: como plásticos, para capacidades muy pequeñas.

CAPACIDAD TOTAL DE EMBALSE (CT) CT =CM +CO =CS +CMA +CN +CC

Donde:Capacidad muerta (CM): esta situada por debajo del nivel mínimo de operación, es decir, de la cota

de toma más baja del embalse. No es utilizable y tiene dos componentes: Capacidad para sedimentos (CS): destinada a recibir los sedimentos que se van depositando Capacidad muerta adicional (CMA): crea un nivel mínimo de operación más alto que el que

existiría si CM fuese igual a CS.

Capacidad normal de operación (CN): necesaria para balancear las disponibilidades brutas y las demandas de usos de aprovechamiento.

Capacidad de control (CC): función similar a la anterior, pero destinada a usos de protección.

Capacidad total de operación (CO): espacio dentro del cual se mueven las aguas y tiene dos componentes:

(4.3)

Nivel de aguas máximas

Nivel de alivioCAC

CC

CN

CMA

CS

AlivioCO = CN + CC

CM = CS + CMA

Esquema de los componentes de la capacidad total (Cl) de un embalse

Capacidad adicional de control (CAC): es un volumen no computable dentro de la capacidad total comprendido entre el nivel de alivio y el nivel máximo que alcanzan las aguas en el embalse.

Nivel de alivio: es aquel a partir del cual, el agua comienza a rebosar por el aliviadero y deja de ser aprovechable. Este nivel coincide con el borde superior del aliviadero cuando no existen compuertas.

NOTA:

Según el uso del

embalse:

Aprovechamiento

Protección

CC = 0

CN = 0

CAPACIDAD TOTAL DE ESTANQUES

Si las aguas contienen sedimentos, habrá que dejar una previsión para CS. Aunque estos casos, la mayoría de los estanques tienen facilidades de drenajes de sedimentos, y CS sería cero. También, existen CAC, pero no como control, sino como una capacidad de rebose de emergencia.

CT = CNGeneralmente (4.4)

Nivel de aguas máximas

Nivel de alivioCAC

CC

CN

CMA

CS

AlivioCO = CN + CC

CM = CS + CMA

Esquema de los componentes de la capacidad total (Cl) de un embalse

DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD NORMAL DE OPERACIÓN (EMBALSES)

MÉTODOSDeterminísticos

EstocásticosToman en cuenta cálculos probabilísticos, es decir, garantizan que una determinada disponibilidad, pueda cumplir con unas demandas.

No toman en cuenta cálculos probabilísticos

El método tradicional para realizar estos balances es a través de la curva de masas, también conocida como curva de gastos o volúmenes acumulados, consiste en la representación gráfica de la sumatoria de las disponibilidades en función del tiempo. Normalmente se utilizan como disponibilidades los volúmenes escurridos mensuales.

La demanda debe también ser expresada en forma compatible con las disponibilidades.

Parámetros relevantes de la curva La pendiente de la tangente a una curva de masas es el

valor de la disponibilidad, expresada en unidad de gasto, en el punto de tangencia.

BALANCES SECUENCIALES DETERMINÍSTICOS

Curva de masas para volúmenes mensuales acumulados y la correspondiente de demandas

Si a la curva de gastos acumulados se le agrega una ordenada inicial (volumen inicial almacenado Vo), toda ella se traslada paralelamente a Vo.

Del origen 0 al punto a entra menos agua de la que sale y el espacio se va vaciando.

En i las cantidades totales aportadas y retiradas acumuladas son iguales.

A partir de i entra más agua de la que sale; donde sino existe espacio para disponerla, será aliviada hacia el río.

En b el espacio sigue estando lleno y se ha aliviado una cantidad Al.

Ningún VN (volúmenes retirados) alcanza a ser Vo es decir, el espacio nunca se vacía totalmente.

Parámetros relevantes de la curva

Curva de masas para volúmenes mensuales acumulados y la correspondiente de demandas

1. Se trazan rectas (---) paralelas a la curva de demandas acumuladas,

2. Se pasan estas rectas haciéndolas tangente por la curva de volúmenes acumulados en sus

puntos máximos señalados (O),3. La distancia mayor entre estas tangentes y la

primera de las curvas, según las ordenadas, es la capacidad necesaria de regulación.

En otras palabras la capacidad normal necesaria (CN) vendrá dada por la fórmula:

Curva de masas para volúmenes mensuales acumulados y la correspondiente de demandas

Capacidad normal de operación

CN = VNM

Donde:VNM es el máximo valor de VN

(4.5)

ECUACIÓN GENERAL DEL BALANCE O DE OPERACIÓN DE UN EMBALSETodos los métodos tienen su fundamento en la ecuación general de balance de un embalse

VF = VO +AP - EX

Donde: VF: es el volumen almacenado al final de un

intervalo de tiempo Δt AP: todos los aportes al embalse en el intervalo Δt

(basada en la ecuación de continuidad)

Vo: el volumen al comienzo de él EX : las extracciones correspondientes al mismo

período.

AP = DB + TR + PD Donde:

A su vez:

DB: son las disponibilidades de los cursos de agua que descargan en el embalse

TR: son trasvases provenientes de otras fuentes PD: es la precipitación directa que cae sobre el

embalse

EX = R + EVD + I

A su vez:

R: es la suma de todas las demandas a suplir por el embalse

EVD la evaporación directa proveniente del espejo de agua

I: el agua infiltrada del embalse hacia el subsuelo.

Donde:

(4.5)

(4.6) (4.7)

Sustituyendo 4.6 y 4.7 en la ecuación 4.5:

VF = VO + DB + TR + PD - R - EVD - I (4.8)

BALANCES SECUENCIALES ESTOCÁSTICOS Permiten establecer la probabilidad de ocurrencia

Se recomienda este por ser el más preciso, ya que la curva de masas no considera todas las extracciones y está también el método de déficit mayor, no descrito es el presente material debido al alcance.

del balance, es decir, qué seguridad existe de que una determinada capacidad normal de operación (CN) sea suficiente para garantizar (R).

Técnica mas utilizada:Consiste en realizar los balances para un conjunto de secuencias de

eventos de escurrimiento, evaporación y precipitaciones, obtenidas de acuerdo con modelos hidrológicos de generación sintética.

Puede realizarse el balance utilizando cualquier método

determinístico preferiblemente el de la Ecuación (4.8)

La ecuación (4.8) es de desarrollo complejo aún con computadoras, entonces, puede utilizarse un sistema de aproximaciones donde los primeros métodos serían para estimar un valor CN más cercano al final, obtenido por la citada ecuación.

Observación

Estos métodos se desarrollan a través de graficas, en donde generalmente se fija un valor sea R o VN y se generan trazas, por ello, su precisión es función del número de trazas y de la longitud (número de años) de cada una de ellas. La longitud total de la gráfica debe ser al menos la vida útil del proyecto. Si se tiene una longitud pequeña, por más trazas y balances que se realicen los resultados serán tan confiables como los de un balance determinístico.

Precisión

DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD NORMAL DE OPERACIÓN (ESTANQUES)

El uso de estanques es común en proyectos de abastecimiento urbano y con menos frecuencia en proyectos de riego e hidroeléctricos.

Como se mencionó con anterioridad los aportes de los estanques ya han sufrido una regulación previa, por ello, se busca adaptar este aporte ya regulado al requerimiento a nivel de usuario. Sabiendo esto además de las características del espacio y que el estanque es usualmente techado, se obtiene la ecuación:

Donde: RP: es la demanda promedio, que proviene de la

regulación previa (aporte) CU: el consumo real del usuario.

Normalmente el volumen inicial (VO) se supone cero y la ecuación se aplica en forma similar a lo descrito en cuanto a la ECUACIÓN GENERAL DEL BALANCE O DE OPERACIÓN DE UN EMBALSE, considerando el día más desfavorable, con un Δt horario.

VF = VO + RP- CU (4.9)

SELECCIÓN DEL MÉTODO APROPIADO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD NORMAL DE OPERACIÓN

Los métodos determinísticos: son de gran utilidad para ubicar rangos y reducir el empleo de tiempo de computación; pueden ser útiles también a nivel de estudios preliminares.

Los métodos estocásticos: aplicados a la determinación de las disponibilidades netas o el exceso, es recomendable aplicarlos desde el comienzo del proyecto, pues aún a nivel preliminar pueden cometerse errores apreciables, que pueden llevar al descarte prematuro de alternativas, que a la larga sean aconsejables.

Los dos puntos más importantes para seleccionar la metodología apropiada para

determinar la capacidad de operación de un embalse, son: El objetivo que se persigue

La calidad de los datos

Debe hacerse uso de la técnica que genere mas confianza:

Los balances secuenciales estocásticos para proyectos de aprovechamiento Los eventos aislados obtenidos con modelos de generación sintética para proyectos de protección. De esta forma: Se recomienda el uso de la ecuación (4.8) con un número suficiente de trazas. El uso de técnicas estocásticas conjuntamente con métodos de optimización como programación lineal o dinámica

es, también, aconsejable.Finalmente

DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD DE CONTROL (CC)

Función de CC: Garantizar que el valor de las disponibilidades DB expresadas ya sea en gastos, volúmenes o niveles, no sobrepasen los valores correspondientes a los niveles de daños aceptables RA; lo cual equivale a eliminar el exceso DE (Ver ecuación 4.2).

Casos generales para la determinación de la capacidad de control o almacenamiento CC:

1. El control de volúmenes: es menos frecuente que el segundo, en donde se limita el volumen aliviado para impedir que una zona aguas abajo sobrepase su capacidad de almacenamiento y se inunden áreas, causándose daños.

El cálculo de la capacidad de almacenamiento CC controlando volúmenes, consiste únicamente en establecer la diferencia entre la disponibilidad DB que es el volumen aportado por la naturaleza, y el volumen tolerado RA para no causar daños, su determinación se muestra a través de la siguiente ecuación:

CD = DE = DB –RA (4.10)Control de volúmenes Determinación de CC

Donde: t1: es el tiempo que transcurre entre el inicio de los aportes y el

comienzo de los alivios.

2. El control de gastos y niveles: en este caso el daño es causado por el gasto máximo de la crecida, o bien por el nivel de aguas correspondiente.

Existe una retención total de la crecida, es decir, las aguas DB se almacenan en su totalidad y luego se dejan salir controladamente sin sobrepasar el nivel tolerable de gastos y alturas, entonces:

es función de los siguientes subcasos:Metodología:

2.1

Donde: Δt: diferencial de tiempo DB: componente del gasto base, comúnmente este valor es

despreciable en comparación con la creciente de entrada.

Las aguas DB se retienen parcialmente y se permite su salida (alivios), antes de que finalicen los aportes de la crecida, de esta manera CC esta dado por :

2.2

Es una variante del anterior, se permite que las aguas se vayan aliviando durante un período de tiempo de tal forma que esos alivios coincidan con los gastos de entrada DB. Nuevamente CC es cero.

2.3

2.4

No hay retención alguna de las aguas; éstas comienzan a aliviarse al iniciarse los aportes. El valor de CC, es por lo tanto, cero.

(4.11)

(4.12)

DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD MUERTA (CM)

Esta implica la estimación de sus componentes, la capacidad para almacenamiento de sedimentos CS y capacidad muerta adicional CMA, su importancia radica, en la localización de las obras de toma para que estas capten la menor cantidad de sedimentos.

Datos para la determinación de CS:

Capacidad para sedimentos CS

La acumulación de sedimentos en los embalses influye en la determinación sus vidas útiles, pues una vez que los sedimentos han llenado CS, comenzarán a ocupar la capacidad normal de operación CN, afectando, el rendimiento garantizado del embalse.

Disminución de la capacidad de almacenamiento, debido al aumento de sedimentos

Cantidades de sedimentos aportados al embalse. Sedimentos realmente captados por el embalse. Densidades y granulometría de los sedimentos

aportados.

Distribución de los sedimentos en el embalse.

Facilidades de extracción de sedimentos.

Sedimentos en suspensión (SSA):

El método mas apropiado para calcular los sedimentos en suspensión aportados a un embalse, es mediante un proceso de integración, sin embargo, este requiere de cierta información que usualmente no se dispone ni en el sitio de embalse, ni en sus cercanías. En estos casos, se puede aplicar la siguiente ecuación:

Donde: A: área de la cuenca tributaria al embalse SUC: es un valor promedio de aporte anual de sedimentos en suspensión por unidad de área to : la vida útil del embalse expresada en años.

Comparando con cuencas semejantes que tengan información; es decir, cuencas con condiciones hidrológicas, geomorfológicas, cobertura vegetal y topografía similares.

Por cálculos de estimación de erosión en la cuenca. Una vía posible es la realización de batimetrías en embalses con varios años en operación que permitan

conocer los volúmenes de sedimentos acumulados.

La estimación de SUC:

SAT = SSA + SAA Sedimento aportado total (SAT):Agregando el sedimento de arrastre SAA de forma que:

(4.13)

(4.14)

La estimación de SAA es más problemática que SSA, particularmente en países como Venezuela, donde casi no existe información al respecto, pues no hay toma sistemática de muestras de arrastre de sedimentos.

Este valor es necesario para transformar SAT (ecuación 4.15) y conocer la capacidad de sedimento CS.

La variación del peso específico con el tiempo de permanencia en el embalse

Fórmula de Lane y Koelzer:

Donde: : es el peso específico al cabo de un tiempo t : es el peso específico para un año de permanencia de los sedimentos en el embalse K : es una constante

𝛾𝑠𝑒𝑡=𝛾𝑠𝑒𝑜+16,02𝐾 𝑙𝑜𝑔𝑡

La capacidad para sedimentos (CS) es que debe preverse en un embalse

(4.15)

(4.16)

La vida útil de un embalse está teóricamente ligada a consideraciones de tipo económico; sin embargo, es práctica común fijar un número determinado de años; en Venezuela se utiliza un valor de to de 100 años

Donde: to: vida útil del embalse expresada en años

Capacidad muerta adicional (CMA)

Proveer altura para generar una mayor cantidad de energía hidroeléctrica. La fijación de dicha altura se hace, principalmente, sobre la base de criterios económicos.

En aprovechamientos hidroeléctricos debe garantizarse una variación de los niveles de agua en el embalse, de forma tal que éste no sea mayor que el rango de alturas de trabajo de las turbinas.

Un nivel de aguas mínimas más alto puede significar, por ejemplo, el abastecimiento urbano o riego, una conducción a presión de menores dimensiones, o quizás la eliminación de sistemas de bombeo.

En embalses de pequeño o mediano tamaño podría darse la circunstancia de ser necesario crear una capacidad muerta adicional para preservar la vida animal y vegetal en el embalse.

La calidad de las aguas puede ser causa de la necesidad de proveer una capacidad muerta adicional. Ejemplo de esta situación, sería un embalse cuyas aguas poseen un alto contenido de sales y necesitan un volumen mínimo de disolución.

Su utilidad es como ganancia de nivel de aguas mínimas, es decir, energía potencial, por lo tanto, su determinación no corresponde a un balance volumétrico de disponibilidades y demandas.

Casos usuales que necesitan capacidad muerta adicional:

ALTURA DE LAS PRESAS

Las alturas de las presas que forman los embalses deben garantizar la capacidad total CT y la capacidad adicional de control CAC, a demás de que no peligre la integridad física de las presas, lo cual se previene mediante un borde libre apropiado, que impide el rebose de las aguas por encima de sus crestas.

Determinación de los diferentes niveles

Nivel de sedimentos: es la altura correspondiente a la capacidad para sedimentos CS. Suponiendo una distribución de los estratos de sedimentos horizontales.

Nivel de aguas mínimas: representa la cota mínima de toma correspondiente a la capacidad muerta CM.Nivel de aguas normales: es la altura compuesta por las capacidades normal y muerta CN y CM.

A través de la curva de áreas-capacidades

Nivel de alivio: representado por la altura de la capacidad total CT (CO+CC+CM). Este nivel es el que garantiza la apropiada operación del embalse. El nivel fija la cota de la cresta del aliviadero, cuando éste no tiene mecanismos de control, como compuertas. Cuando estas últimas existen, la cresta del aliviadero estará por debajo del nivel de alivio

Nivel de aguas máximas: es la altura para de las capacidades total CT y de control CAC.Nivel de la cresta de la presa: al nivel anterior se le agrega, un borde libre para fijar la altura

total de la presa, este garantiza que la presa no será sobrepasada por las aguas en situaciones excepcionales.

Borde libre

Este efecto se calcula sobre la base de experiencias acumuladas en diques, que se resumen en la fórmula

El viento actúa de dos maneras diferentes sobre la masa líquida almacenada en el embalse:

1. Creando un efecto de marea que incrementa la elevación del agua a sotavento y la disminuye a barlovento

Generando olas, las cuales al romper sobre las presas o tapones, deslizan sobre sus caras, creando una sobreelevación adicional.

2.

Donde: SM: es la altura en metros de la marea sobre el nivel horizontal de referencia Vv: es la velocidad del viento en K/h F: es la longitud en km del espejo de agua expuesta al viento D: es la profundidad media medida en metros del agua en el embalse, medida a lo largo de F

(4.17)

Donde: hp: en metros, es la altura promedio de las olas más altas Vv : es la velocidad del viento en K/h F: es la longitud en km del espejo de agua expuesta al viento

Altura de las olas:

Existen diversos métodos sin embargo el que se presenta a continuación es el más común:

La velocidad del viento, es medida a unos 6 metros sobre la superficie del agua. Con fines de proyecto es necesario predecir esa velocidad en base a mediciones hechas en tierra. Los valores Vv sobre agua son mayores que sobre tierra, debido a una menor rugosidad.

Las olas que son determinantes para la fijación del borde libre, son aquellas que ocurren cuando el nivel de aguas es máximo.

La altura de diseño de la ola corresponde a hd , puede ser cualquier valor entre hp y la altura máxima de la ola.

Es costumbre que se adopten, dependiendo del tipo de presa, bordes libres mínimos. En Venezuela, generalmente los valores mínimos están entre 2,5 y 3 metros.

Observaciónes

(4.18)

OTROS ASPECTOS RELATIVOS A EMBALSES

Efectos de los embalses en los ríos:

Degradación: aguas abajo debido al control de sedimentos por el embalse aumenta la capacidad de erosión del agua limpia en el cauce principal, aumentando la capacidad hidráulica del río aguas abajo, pero puede crear problemas de erosión indeseables en las márgenes y fondo del río que, por ejemplo, afecten a embalses o ciudades situadas aguas abajo.

La construcción de un embalse interfiere en el río afluente, rompiendo el equilibrio que este ha alcanzado a través de los años y por ende modifica su capacidad de transporte de sedimentos.

Fenómenos que se producen: Agradación: es la deposición de

material sólido en el río, lo cual ocasiona una disminución de su capacidad hidráulica, esto puede ocasionar inundaciones y otros problemas aguas arriba del embalse, que deben ser considerados oportunamente.

Control de sedimentos: Como se mencionó anteriormente la acumulación de sedimentos en los embalses es la variable más importante en la fijación de su vida útil.

Descargas de fondo: que se colocan dentro de la capacidad para sedimentos CS, afectan en un área limitada circundante a la descarga; en consecuencia, únicamente pueden ser efectivas para eliminar sedimentos en embalses pequeños o estanques.

Procedimientos de control:

Regulación del uso de la tierra en la cuenca tributaria. Deben impedirse usos agrícolas y urbanos reñidos con las prácticas conservacionistas.

Conservación de la cuenca afluente contra la erosión. Protección de las márgenes del embalse. Si el vaso de

almacenamiento tiene laderas despreciables, éstas deben ser protegidas, en especial contra la acción del oleaje en el embalse.

Dragado: Cuando el material a ser extraído puede ser vendido, puede ser factible económicamente.

Dragado convencional en embalses

Descargas de fondo

Control de evaporación:

Se han tratado de desarrollar técnicas mediante el empleo de sustancias químicas o pelotas huecas para reducir las pérdidas por evaporación; sin embargo, su uso no se ha extendido, por ser poco práctico y efectivo.

El crecimiento de vegetación acuática, afectan la operación de los embalses e influyen sobre la calidad de las aguas. Con alguna frecuencia, el vaso de almacenamiento es deforestado antes de ser llenado pero rara vez es justificable

Control de vegetación:

desde un punto de vista económico. La existencia de árboles por encima del nivel del agua, o cercano a él, afecta el uso del embalse con fines de recreación. En Venezuela, normalmente se deforestan los embalses que van a ser utilizados

La inundación de las áreas ocupadas por los embalses pueden ocasionar la muerte de la fauna existente. Si el embalse es pequeño o tiene escapatorias fáciles para los animales, esta situación posiblemente no se presente; pero si es grande o se generan islas, se debe tener cuidado. Un ejemplo de control es el Embalse de Guri, sobre el río Caroní en Venezuela, de un tamaño muy grande, en donde se han hecho operaciones especiales de salvamento, para conservar la fauna terrestre existente en el vaso.

Conservación de la fauna:

Pelotas huecas “bird balls” para disminuir la evaporación