Manejo de Sedimentos en Sistemas Hidroeléctricas

Colegio de Ingenieros, Lima, Perú 21 de febrero de 2013

Dr. Gregory L. Morris, P.E.

San Juan, Puerto Rico www.gmaeng.com

Represa Romana (Harbaque, Síria). Abandonado más de 1000 años y los sedimentos aún están intactos.

Clases de Impactos Debido a los Sedimentos

IMPACTOS EN LA CASA DE MAQUINAS •  Erosión de las compuertas •  Erosión de las turbinas •  Obstrucción del sistema de enfriamiento IMPACTOS EN EL EMBALSE •  Pérdida de capacidad •  Obstaculización de la bocatoma •  Abrasión de obras hidráulicas •  Acumulación en conductos

Los sedimentos normalmente ocasionan la abrasión gradual de los equipos hidromecánicos

•  Pero en casos extremos pueden ocasionar daños catastróficos

Abrasión turbina Francis

Abrasión de wicket

Una abrasión catastrófica ocurrió cuando el embalse fue operado a un nivel bajo durante una crecida, lo cual socavó arena desde la zona de delta y lo llevó hacia la bocatoma. La central estuvo fuera de servicio 25 días para reparación. Después se estableció un sistema de monitoreo de la concentración de sedimentos.

1180

1200

1220

1240

1160

1140

1120

1260

Max. Operating Level 1277 m

Delta, coarse sediment, will destroy turbines

Turbidity current deposits. Fine sediments, can pass

thru turbines

100 km upstream of dam 5 15 20

Profile 2010Profile 2006Profile 2004Profile 2002Profile 1997

Min. Operating Level 1190 m

Ejemplo de erosión de elementos en unidades pelton de 125 MW c/u con 800m de carga

Válvula esférica 6 válvulas de aguja Turbinas Pelton

Válvula de aguja en buen estado

Deflector Aguja Asiento del válvula

Desgaste luego de 10,000 horas de operación normal

Patrón de desgaste superficial sobre la aguja

Desgaste en el punto de cierre contra el asiento de la válvula

Desgaste ocasionado en <24 hrs de operación con arena

Desgaste del asiento del válvula en <24 hrs de operación con arena

Válvula esférica

Alternativas: instalar estructura para elevar el nivel de la bocatoma para evitar la entrada de

sedimento

3

Sequence of the advance of delta deposits over the top of fine sediments.

1

2

Fine sediments deposited by turbid density currents

Max. Pool

Min. Pool

La vida útil del embalse se puede prolongar al pasar sedimento fino por las turbinas, para así maximizar el volumen disponible para atrapar

arena y posponer la llegada de arena a la bocatoma. Aumenta el nivel mínimo operacional con el tiempo para atrapar arenas aguas arriba en

el embalse.

3

Sequence of the advance of delta deposits over the top of fine sediments.

1

2

Fine sediments deposited by turbid density currents

Max. Pool

Min. Pool

Factores que influyen la tasa de abrasión

Factores No podemos controlar

Factores SI podemos controlar

Concentración y tamaño de sedimento en el río

Tamaño máximo entregado a las turbinas

Minerología (dureza y angularidad del sedimento)

Dureza superficial (revistida)

Carga hidráulica Deseño de turbinas y otras componentes

Escala Mho: Dureza de acero en turbinas ≈ 4.7 Dureza cuartzo ≈ 7.0

Estrategias para Minimizar el Desgaste Factoes SI podemos controlar

Estrategias de Control

1.  Diseño de turbinas y otras componentes

•  Seleccionar diseño de turbinas que reduce la abrasión

•  Diseñar partes sujeto a desgaste para facilitar su re-emplazo

2. Tamaño máximo de sedimentos que llegan a las turbinas

•  Optimizar la configuración de la bocatoma para reducir entrada de sedimento

•  Optimizar diseño y operación de desarenador para maximizar eficiencia de remoción (ej. eliminar corte-circuito hidráulica)

•  Reducir caudal durante crecidas con alta concentración de sedimento

•  En embalses, controlar nivel mínimo operacional

3. Dureza del superficie del metal

•  Aplicar revistimiento a la turbina

El tamaño máximo del grano de sedimento es un parámero MUY importante

•  Tasa de erosión del metal es proporcional al número de golpes por los granos (la concentración de sedimentos en suspensión)

•  Tasa de erosión es proporcional al momento de particula que golpea el metal (masa x velocidad) –  La masa de la particulada es proporcional su volumen –  Volumen de un esfera = 4/3 π (d/2)3

Erosión se relaciona al CUBO DEL DIAMETERO

La concentración de los granos de mayor tamaño es el factor de mayor importancia en el control de la abrasión del metal.

Bocatomas Filo de Agua

Teoría de un Tanque de Sedimentación 1.  La zona de sedimentación tiene flujo paralelo y uniforme.

2.  Las zonas de turbulencia en la entrada y salida no son parte de la zona de sedimentación.

Zona Almacenaje de Sedimentos

Zona de Entrada

Zona de Salida

Zona de Sedimentación

Partículo con 100% de remoción bajo condiciones ideales

Compuerta de purga

Compuerta flujo ambiental

Azud y toma

1

2

3

4

5

5 entradas en la bocatoma

Rejilla #1

Mucho flujo

Rejilla #5

Poco flujo

Patrones de Flujo Observados

Salida

A - Tanque con mayor flujo

B - Tanque con menor flujo

Curva en canal de entrada diriga mayor flujo al tanque A que el tanque B

Flujo alta velocidad establece corrientes y recirculación del flujo, reduciendo el tamaño de la zona de sedimentación.

Sobrande del fluijo descargada al río

Mayor flujo Menos flujo

Flujo no es dividida igualmente entre los dos tanques de sedimentación

Canal con curva

División de flujo entre los dos tanques de

sedimentación no es igual

Mayor flujo Menor flujo

Alta turbulencia en desarenador

Recirculación de flujo Flujo concentrato en el lado derecho del tanque

Salida del tanque El exceso del flujo se descarga después del tanque de sedimentación, resultando en una sobrecarga del desarenador y reducción en la eficiencia de remoción.

Material atrapado en el desarenador

Consecuencias de una pobre operación del desarenador: la turbina fue dañada en su primer año de operación

Salida de sedimento por el eje

Sedimento acumulado en el piso de la casa de máquina

Patrón de flujo observado (La Vuelta) Entrada no es centralizada en el tanque

Efecto de una Barrera Permeable en mejorar la distribución del flujo

Pobre Condición Hidráulica (turbulencia y vortices)

Barrera Permeable

Condición Deseada(flujo uniforme y paralela)

Utilización de barrera permeable para mejorar la distribución del flujo en la entrada del tanque.

Requiere pérdida de energía para romper y distribuir el chorro de flujo del canal de entrada

Desarenador Marsyangdi Bajo (Nepal)

Desarenador Marsyangdi Bajo Al ubicar el vertedero en el lado derecho, se distorciona el flujo hacia la

derecha y crea zona muerta en el lado izquierdo.

Zona Muerta

Bocatoma

Hacia Turbinas

Vertedero de Salida - Sumergida

Compuerta de Purga

Flujo está dirigido hacia la derecha del sedimentador debido a la localización de vertedero de salida.

Espacio muerto - volumen inefectivo para el proceso de sedimentación

Alas sumergidas para orientar flujo

Sedimentación de Embalses Embalse Camaré, Venezuela: totalmente sedimentado en 14 años.

Sedimentos y la Sostenibilidad de los Embalses

•  Nuestro sociedad es hidráulica – depende de grandes cantidades de agua. Sobre 80% de los usos consumptivos son para producir alimentos, y 20% de la electricidad a nivel mundial proviene de hidro.

•  Los embalses son una clase de infraestructura única en cuanto que depende de una combinación favorable de factores de hidrología, topografía, geología y uso de terreno.

•  Se puede re-construir la represa, pero no el embalse. Son pocos los sitos para embalses, y no están fabricando más sitios.

•  Una vez sedimentado un embalse, es muy deficil y costoso recuperar la capacidad perdida, particularmente para las embalses más grandes.

OBJETIVO: Permitir la operabilidad de la infraestructura de los embalses por un tiempo indefinido mediante el manejo de la sedimentación.

Escorrentía anual Volumen embalse Capacidad:influjo =

Cuenca no-embalsada

Embalse

Cuales embalses tendrán problemas más rápidos? 1.  Embalses de menor tamaño hidrológico 2.  Cuencas con mayor tasa de erosión y rendimiento

de sedimento

El tamaño hidrológico se representa por la razón Capacidad:Influjo

Curva “Brune”: Indica el porcentaje del sedimento atrapado por un embalse de operación convencional. En general, los embalses son muy eficientes en atrapar sedimentos.

Cuando se experimentan problemas por la sedimentación?

•  En general, con la pérdida de 50% de la capacidad el embalse va a tener serios problemas para cumplir su función de su diseño original.

•  Muchos embalses experimentan problemas al perder muy poca capacidad si la sedimentación está enfocada en zonas críticas.

–  Ejemplo: Corrientes de turbiedad que depositan sedimentos a la zona de la toma.

•  Muchos embalses experimentan tasas de sedimentación mayor que lo anticipado en el diseño original.

Estudios Batimétricos: Determinar la Tasa de Sedimentación Determinar patrón de sedimentación (Embalse El Cajón, Honduras)

Curvas de volumen y área: Problema del nivel de precisión de los datos

!"#$!!!"%!$!!!"%#$!!!"&!$!!!"&#$!!!"'!$!!!"'#$!!!"(!$!!!"(#$!!!"#!$!!!"

%!&!"

%!'!"

%!(!"

%!#!"

%!)!"

%!*!"

%!+!"

!" &!!$!!!" (!!$!!!" )!!$!!!" +!!$!!!" %$!!!$!!!" %$&!!$!!!"

!"#!$%&'()*+$

#,#-

!./01$%2))3+$

4!5!4/.6$%&'()72))3+$

89:;$")<=9;<$")*)(>9?($

,-.,"/,0,/123"

%4)'"567898:;<="

&!!*"

%!'4">"26?"6@"A6:BC7D;E6:"?66<"

%!&!">"F6?"6@"8:;AEDC"?66<"

%!)+">"26?"6@"G66H"?66<"

Patrones de Sedimentación: • Zonas de deposición

–  Material grueso en la delta

–  Material fino aguas abajo de la delta

–  Varía mucho de un embalse a otro

• Consecuencias –  Pérdida de capacidad

–  Obstrucción de compuertas y tomas

–  Gasto de equipo por turbinar agua con sedimentos (nogami eqn.)

–  Problemas aguas abajo del embalse

–  Problemas aguas arriba de delta

Patrones de Deposición de Sedimento

Depósito por corrientes de turbiedad (material fino)

Depósito de fondo (material fino)

Depósito en delta (material grueso)

Delta con sedimento fino Emblase Playas, Colombia

Delta con sedimento grueso Embalse Yeso, Chile

ARENA (transportada por crecida)

FINOS

FINOS

Los sedimentos no son uniformes, particularmente en la zona cercana a la delta

Embalse Folsom, California

Depósito de Sedimentos

Finos cercano a la represa

Embalse Sri Rama Sagar, Andhra Pradesh, India

Lago Prieto, Puerto Rico

El sedimento fino llena primero la parte mas profunda de la sección transversal, creando así un lecho llano.

Acumulación de Sedimento

Lecho Sedimentado es horizontal

Elev. vertedero

Fondo original

Embalse Elephant Butte, New Mexico, USA

Corriente de Turbiedad Puede crear un “lago de fango” y depósitos horizontales

Delta

Lago de Fango y un lecho que extiende horizontalmente aguas arriba de la represa

Punto de Sumergencia Cambio en color, confluencia del influjo y la contra-corriente, acumulación de material flotante.

Agua clara

Corriente túrbia

Contra-corriente inducida

Turbiedad aguas debajo de la represa

Agua turbia entrando al embalse

Agua clara superficial dentro del embalse

Represa

Represa Dos Bocas Puerto Rico

Ejemplo de una corriente de turbiedad pasando por un pequeño embalse hidroeléctrico.

Punto de sumergencia de corriente de turbiedad Embalse Playas, Colombia

Material flotante acumulado en punto de sumergencia Embalse Salvajinas, Colombia

Impactos de la Sedimentación: • Aguas Arriba

–  Puede depositar sedimentos aguas arriba del nivel del lago

–  Aumentar nivel del río: inundaciones, saturación de suelos

• Dentro del Embalse –  Pérdida de volumen

–  Obstrucción de compuertas y tomas

• Aguas Abajo de la Represa –  Gasto de equipo por turbinar agua con sedimentos gruesos

–  Falta de sedimento grueso aguas abajo de la represa resulta en socavación del cauce del río, erosión acelerada de riberas

–  La descarga de sedimentos puede producir daños económicos y ambientales

Impactos de la Sedimentación

Inundación

Zona de Erosión

Pérdida de Almacenaje

Zona de Acumulación

Soca

vaci

ón

Toma de riego cegado por la acumulación de sedimento en la zona deltaica.

(Embalse Rosarios, Sudan)

Incisión del lecho del río resulta en erosión de ribera acelerada

Socavación de pilastras de puentes aguas debajo de una represa

Año

Des

carg

a Pr

omed

io D

iaria

(m3 /s

)

Impacto del embalse en los flujos aguas abajo: (Reducción en magnitud de crecidas reduce el transporte de sedimento)

El proceso del aporte de sedimentos: • La mitad de los sedimentos transportados en 2 días al año

• Variabilidad en el tiempo –  Variación de año en año

–  Variación diaria dentro de cada año

–  Variación durante la crecida

• Variabilidad en las zonas de origin –  20% de la cuenca contribuya 80% de los sedimentos –  Enfocar control en las áreas de la cuenca más vulnerables

Conocimiento de los procesos de aporte permite el desarrollo de estrategias efectivas en manejar los sedimentos

La mayoría de los sedimentos son transportadas por crecidas grandes.

El manejo de sedimentos tiene que enfocar en el manejo de estos eventos.

Des

carg

a (p

ies3

/s)

Turb

idez

(UN

T) Turbiedad alta al principio de un

evento de escorrentía. Producida por la alta disponibilidad de sedimento erosionada de la cuenca al inicio de la lluvia.

La turbiedad está relacionado principalmente a los sedimentos finos derivados por la erosión de suelos por la lluvia.

La concentración de sedimentos es también variable durante una crecida

Cottonwood River, Kansas 754 mi2

1200 UNT @ 800 cfs

300 UNT @ 1600 cfs

Variabilidad en Tiempo

1 mg/L

500 mg/L

Variabilidad de Concentración en el Tiempo: La alta variabilidad en la concentración con el tiempo se refleja en la relación de sólido-líquido.

Río Reventezón 10 a.m. (aguas claras)

Río Reventezón 5 p.m. (aguas túrbias)

El Concepto de “Manejo de Sedimentos” • Lograr un “Balance de Sedimentos”

–  Carga de sedimentos entrando el embalse es igualada por la descarga de sedimentos aguas abajo.

–  Muy deficil de lograr para todos los tamaños de sedimentos (el componente más deficil de balancear son los sedimentos gruesos).

–  Típicamente requiere un tamaño hidrológico pequeño.

• Reducir la Tasa de Pérdida en Capacidad –  Prolongar la “vida útil” para preservar los beneficios del diseño original.

–  Cambiar operación para lograr uso al largo plazo, a pesar de la sedimentación, con beneficios diferentes ó reducidas.

• Protejer Compnentes Críticas (eg. tomas)

• Minimizar Daños Ambientales

ALTERNATIVAS DE MANEJO: • Hay varios sistemas de clasificación

• Hay una variedad de alternativas

• Varias alternativas pueden ser aplicadas simultáneamente

Sedi

men

t Man

agem

ent S

trat

egie

s

Sediment yield

Reduction Non-

seasonal

Catchment, River US of

reservoir

Afforestation and Vegetation practices

Settling and off-stream storage basins Sabo Area, Changing from sediment check dams

to sediment control dams

Slope and bank protection, River regulation End of

reservoir Sediment check dams

Miwa, Koshibu, Nagashima Beninar

Sediment Routing

Seasonal

End of reservoir Sediment bypass

Asahi, Miwa, Koshibu, Yokoyama,

Egschi, Rempen, Palagnedra

Inside of reservoir

Sediment sluicing

Gated outlets Sabaishigawa, Dshidaira, Unazuki Luzzone, Livigno

Gatless outlets Masudagawa Orden, Ligistbach

Turbidity current venting

Bottom outlet Koshibu, Futase,

Kigawa Luzzone

None-gate & curtain wall Katagiri Glockner-Kaprun

Selective withdraw inlets Yahagi Tourtemagne

Submerged dam, groynes Grimsel

Sediment Removal

Seasonal Inside reservoir

Drawdown flushing flushing outlet Dashidaira, Unazuki Bodendorf, Gebidem,

Verbois

Partial flushing

Sediment scoring gate Senzu, Yasuoka Feistritz, Edling

Sediment scoring pipe Ikawa Annabrucke

Non-seasonal

End of reservoir Mechanically

Dry excavation

Sediment Replenishment

Nunome, Akiba, Futase, Murou Margaritze, Emosson

Recycling for concrete aggregate

Miwa, Yasuoka, Hiraoka Bodendorf, Genissiat

Dredging Miwa, Yanase Margaritze, Sylvenstein, Forni

Inside reservoir Hydraulically

Sediment siphoning Sakuma Luzzone

Sediment redistribution Sakuma Pieve di Cadore

Technique Timing Place Methods and details of sediment control measures

Examples of dams in Japan

Examples of dams in Europe

Sumi & Kantoush

Reduce Sediment Inflow from Upstream Route or Redistribute Sediments Increase or Recover Volume

Reduce Sediment Production

Soil Erosion Control

Streambank Erosion Control

Sediment Trapping Above Reservoir

Onstream Structures

Forests

Pasture

Farms

Construction sites and

Developed Areas

Dispersed structures

Sediment Bypass

Sediment Pass-Through

Turbid Density Currents

Flood

Seasonal

Mechanical Excavation

Dry Excavatio

n Dredging

Hydraulic Excavation

Empty Flushing

Pressure Scouring

Siphon Dredge

Hydraulic Dredge

Air Lift Dredge

Bucket Dredge

Sediment Redistributio

n

Estrategias de Manejo: Clasificados por Técnica

Non- structural measures

Raise the Dam

Flood Bypass

Offstream Reservoirs

Drawdown Routing

Sediment Re-distribution

G. Morris

Reducir el Influjo de Sedimentos

Rastrear Sedimentos: Minimizar Deposición

Remover Sedimentos una vez Depositados

Reducir el Influjo de Sedimentos • Control de erosión en la cuenca

–  Trabajando con hasta miles de propiedades

–  Trabajando con terrenos abandonados

–  Incertendumbres: fuego, seguridad, condiciones económicos

• Construcción de Obras para Atrapar Sedimentos –  Embalses aguas arriba

–  Trampas de sedimentos

–  Miles de charcas agrícolas

Inicio del proceso de erosión por el impacto de gotas de lluvia.

La cobortura vegetal es el factor más importante en el control de erosión.

Movimiento de tierra para la construcción hace el suelo particularmente susceptible a erosión

Erosión por la concentración de flujo (Colombia) Erosión por un sendero

Cárcavas

•  Erosión ocasionado por la concentración del flujo

•  Empiezan pequeños, y entonces crecen

Patrón Longitudinal de una Cárcava

Zona de erosión al pie de una pared vertical

Zona de transporte del material erosionado

Zona de deposición del material erosionado

Este patón es típica de la gran mayoría de las cárcavas

Crecimiento

Zona de raíces

Cárcavas Los suelos altamente erosionables no requieren de mucho agua para ocasionar la creación de cárcavas.

Zona embalse Tacagua, altiplano de Bolivia

Suelo aluvial superior protegido por raíces.

Suelo aluvial inferior más débil y susceptible a la erosión.

Crecimiento de cárcavas iniciadas por sobrepastoreo y senderos

Sedimentación del cauce del río

Río Aragvi, República de Georgia

Pequeñas obras para el control de cárcavas son costosos y poca efectivas al largo plazo, sin mantenimiento.

La mejor estrategia es establecer vegetación.

Zona Río Arque Cochabamba, Bolivia

Erosión por el lado de la estructura con escape de los sedimentos atrapados.

El objeto de las obras debe ser de permitir estabilización con vegetación.

Rastrear Sedimentos y Minimizar Deposición • Pasar sedimentos alrededor del embalse.

• Pasar sedimentos através del embalse, minimizando deposición.

• Enfocar deposición de sedimentos en zonas de menor impacto. • Remover sedimentos de zonas criticas.

Crecida con sedimentos sigue por el cauce natural

Embalse fuera de cauce

Embalse Fuera de Cauce

Pasar sedimentos por embalses fuera de cauce (Puerto Rico, Taiwan)

•  Pasa >90% de los sedimentos suspendidos

•  Pasa ~100% de la carga de arrastre

Embalse Fuera de Cauce Río Fajardo, Puerto Rico

Toma del río

Presa Tubería Gravedad

Embalse

CaritePatillasGuajatacaDos BocasGarzasCidraCaonillasLucchettiPrietoYahuecasGuayoLoizaToa VacaLa PlataCerrillosFajardoRio Blanco

1900 1950 2000 2250 2300 23502050 2100 2150 2200 2400 2450 2500 2550 2600 2650 2700 2750 2800 2850 2900 2950 32003000 3050 3100 3150 3250 3300 3350 3400 3450 3500 3550 3600 3650 3700 3750 3800 3850 3900 3950

Hoy

Embalses fuera de cauce

Años requerídos en perder 50% de la capacidad del embalse, Puerto Rico

Embalses convencionales

Embalse : Carga de arrastre desviado aguas abajo

•  Requiere condiciones topográficos apropiados

•  Utilizable en ríos de alta pendiente y embalses relativamente cortos

•  Transporte de la carga de arrastre ocurre durante eventos frecuentes, porque el túnel o canal tipicamente no cuenta con la capacidad hidráulica suficiente para pasar una crecida grande.

Sedimentos gruesos pasan alredador del embalse por canal o túnel

Pasar sedimentos gruesos alrededor del embalse (Represa Asahi, Japón)

Desvio de la carga de arrastre para mantener el abasto de sedimentos aguas abajo de la represa. Objetivo: preservación ambiental. Asahi dam, Osaka, Japan

Estructura para desviar flujo

Entrada al túnel

Pasar sedimentos por el embalse •  Se pasan los sedimentos a través del embalse con un mínimo de

deposición. –  Corrientes de turbiedad –  Reducción en nivel (vaciado) durnate una crecida –  Reducción en nivel (vaciado) durante estación de crecidas

•  Descarga de sedimentos por ríos es muy variable en el tiempo –  Varia de año en año

–  Varia de día dn día

–  Varia durante eventos de crecida

•  El objetivo es aprovechar de la variabilidad en concentración de sedimentos: almacenar el agua limpia y pasar el agua túrbia.

Pasar Sedimentos por Corriente de Turbiedad Corriente de turbiedad puede pasar sedimentos finos

Delta

Lago de Fango

Punto de Sumergencia Cambio en color, confluencia del influjo y la contra-corriente, acumulación de material flotante.

Agua Clara

Corriente túrbia

Agua túrbia

Nivel del vertedero

Corriente de Turbiedad

Liberación de Corrientes de Turbiedad: A pesar de tener corrientes de turbiedad, de turbinar los sedimentos finos asociados con la corriente de turbiedad, no se desarrolla el patrón de sedimentación de un lecho horizontal cercano a la represa, ya que las aguas turbias están liberadas.

Atrapando Sedimento: Al mantener el nivel de agua alto, la velocidad es bajo y se atrapa el sedimento.

Pasar Sedimento: Velocidad alta minimiza el potencial para deposición de sedimento. Este método no necesariamente puede lograr un balance con los sedimentos gruesos.

Velocidad Alta

Velocidad Baja

Pasar Sedimento através del Embalse Bajar el nivel dentro del embalse durante crecidas para aumentar velocidad y minimizar deposición de sedimentos.

Operación convencional, nivel alto y baja velocidad.

Abre compuerta para minimizar nivel y maximizar velocidad.

Pasar Sedimento por Reducción en Nivel Reducción en nivel durante crecidas •  Requiere predicción hidrológica de la inundación

•  Limitar flujo durante el vaciado inicial para no aumentar crecida aguas abajo

•  Re-llenar embalse al final del evento.

Lago Loíza Puerto Rico

Impacto de Manejar Compuertas en la velocidad del flujo através del embalse durante crecidas.

Mayor Velocidad = Menos Sedimentación

10,000 20,000Distancia Aguas Arriba de la Represa (pies)

Velo

cida

d (p

ies/

seg) 10

5

0

Velocidad de Flujo con un caudal de 10,000 pies3/seg

Compuertas completamente abiertas

Compuertas parcialmente abiertas

Ancho del Embalse

Q

Hours0 24

A. Normal Operation

Volume in Reservoir = 100

Sediment

Volume in Watershed < 10Q

Hours0 24

Q

Hours0 24

A. Normal Operation

Volume in Reservoir = 100

Sediment

Volume in Watershed < 10 Q

Hours0 24

B. Begin Drawdown

Volume in Reservoir = 70

Partial Gate Opening

Volume in Watershed = 30Q

Hours0 24

Q

Hours0 24

B. Begin Drawdown

Volume in Reservoir = 70

Partial Gate Opening

Volume in Watershed = 30

Q

Hours0 24

Gates Fully Open

C. Full Drawdown

Volume in Reservoir = 10Volume in

Watershed > 90Q

Hours0 24

Q

Hours0 24

Gates Fully Open

C. Full Drawdown

Volume in Reservoir = 10Volume in

Watershed > 90 Q

Hours0 24

D. Refill Reservoir

Gates Closed

Volume in Reservoir = 10Volume in

Watershed = 90Q

Hours0 24

Q

Hours0 24

D. Refill Reservoir

Gates Closed

Volume in Reservoir = 10Volume in

Watershed = 90

Secuencia de Operaciones: Pasar una Crecida

Pasando Sedimentos Por Vaciado Prolongado (Embalse Sanmenxia,Río Amarillo, China) Embalse está vaciado cuando empiezan los meses de flujo alto Se cierre a mitad de la estación húmeda para llenar el embalse

Crest =702 m

Sanmenxia Configuración de compuertas de fondo

Compuertas de fondo 12 - 3x2 m Compuertas de fondo

8 - 3x2 m

Bocatomas Convertidas para pasar sedimentos

Túneles

Pasando Sedimentos Durante Crecidas Embalse Sanmenxia, Río Amarillo, China

Compuertas de Fondo

Flujo

Pasando Sedimentos Durante Crecidas Embalse Sanmenxia, Río Amarillo, China

Remoción de Sedimentos: (Remover sedimentos una vez depositados)

Lavado de Sedimentos (“flushing”) • Requiere vaciar el embalse

• Mantiene un volumen limitado

• Impactos ambientales dependen de cada circunstancia

Dragado • No requiere vaciado del embalse

• No sustentable a menos que hay sitio de disposición “permanente”

•  Vaciado parcial es inefectivo. Se requiere un vaciado completo para desarrollar un flujo de alta velocidad a lo largo del embalse y através de la compuerta de fondo.

–  Gasto del agua para vaciar el embalse

–  Ancho del canal de socavación está limitado

–  La energía requerída para un lavado efectiva no es siempre disponible •  Aprovechar eventos de influjo natural, ó •  Liberar agua de un embalse aguas arriba

–  Flujo puede ser limitado por la capacidad de las compuertas de fondo

–  Impactos •  Ecosistemas fluviales y costaneros

•  Terceros (tomas de agua, otros embalses, navegación, recreo y turismo, pesca)

•  Costo de oportunidad del agua utilizada (valor de un uso alterna, como la producción de energía)

Lavado de Sedimentos Vaciado completo para socavar sedimento

Nivel Embalse Lleno

Ancho del canal pre-embalse.

Nivel de sedimento previo al lavado

Acumulación de sedimento sigue sobre planicie inundable sumergida. No se remueve por el lavado.

Canal de Lavado

Acumulación por corrientes de turbiedad son removidas durante el lavado.

•  El ancho del canal dentro del embalse está limitado, aproximadamente, a la dimensión del cauce del río previa a la construcción de la represa.

•  Capacidad de transporte de sedimento grueso está limitado por el caudal y duración del flujo durante el lavado de sedimentos.

•  Muy efectivo en remover sedimento fino acumulado dentro del canal de lavado durante periodo operacional, pero no se puede remover sedimento depositado sobre la planicie inundable sumergida.

Lavado de Sedimentos (Embalse Cachí, Costa Rica)

Cachí Durante Vaciado

Cachí Durante Vaciado

Sedimentos acumulados sobre la planicie sumergida no son removidas mediante el proceso de lavado

Embalse Cachí, Costa Rica

Canal aguas arriba de la presa, ancho limitado.

Agua de lavado, concentración máxima de ~400,000 mg/l)

Caudal y duración durante el lavado es

insuficiente para transportar mucho de la

carga de arrastre.

Toma para hidro

Socavación de sedimentos

Vaciado Re-llenado del Embalse

Conc. Sedimentos Suependidos aguas abajo.

Nivel de agua en el embalse

Tiempo

Con

cent

raci

ón, N

ivel

Concentración máx. > 100 g/L

Lavado produce concentraciones muy elevados de sedimentos en suspensión aguas abajo de la presa

Balance de Sedimentos, Embalse Sujeto a un Lavado Annual de 3-días de Duración (Embalse cachí, Costa Rica)

Sediment Distribution Tons/year % of total

Sediment through-flow 148,000 18%

Deposited on Terraces 167,000 21%

Bed load trapped in Reservoir 60,000 7%

Turbidity current deposits removed by flushing 432,000 54%

Total 807,000 100%

El lavado generalmente no puede transportar todo el sedimento: • Sedimento grueso sigue acumulando en la zona de delta

• Sedimento fino sigue acumulando sobre planicies inundadas.

28% del influjo de sedimentos queda atrapados

Gebidem, Suiza Embalse hidroelécrico con lavado anual

Se puede mantener capacidad original mediante lavado solamente en embalses estrechos.

Vista aguas arriba de la represa

Massa Gorge Sedimentos depositados resultante al lavado del embalse Gebidem

Gebidem, Suiza Embalse hidroelécrico con lavado anual

Reducción en Nivel en Kali Gandaki, Nepal (6 horas duración)

Yahuecas, Puerto Rico

Excavación manual e hidráulica

Tubería (con estaciones de bombeo adicionales si fuera necesario)

Descarga de sedimento

Dragado Hidráulica – Factores Limitantes: 1. Costo de la operación

2. Donde disponer del material

•  Area de disposición

•  Río abajo de la represa

4

2

5

3

7

8

9

1

6

10

1112

13

13 14 15

Deposits after dredging

Componentes de un Sistema de Dragado

Draga Hidráulica

Area Disposición

Draga Hidráulica

Cortadora

Bomba adicional

Dragado continuo con descarga al río aguas debajo de la presa: • Minimice problemas ambientales porque nunca descarga una cantidad masiva de sedimentos. • Otro factor favorable es que hay poco sedimentos finos.

Bajo Anchicayá, Colombia

Draga de Sifón, Embalse Valdesia, República Dominicana

Embalse Valdesia, República Dominicana

Descarga de fondo de la draga de Sifón

Análisis de Utilización al Largo Plazo

Embalse Peligre, Haití

Estrategia para los Próximos 100-años Embalse Peligre, Haití

Dominican Republic Haiti

Caribbean Sea

Atlantic Ocean

Irrigation Area

Cuenca Peligre 6480 km2

Zona de riego, Valle del Artibonite

Represa Peligre

Embalse Peligre, Haiti: Hidroeléctrica, suplido de riego, control de inundaciones

Influjo diaria hacia el embalse

Variación en el Nivel del Embalse Resultante de Operaciones Hidroeléctricas

En 2008, luego de 52 años de operación, el embalse había perdida 50% de su volumen original.

Interrogante: Para cuanto tiempo podrá funcionar el central hasta que su operación está imposibilitada por la sedimentación.

Peligre, Haiti, durante vaciado

Peligre, Haiti, durante vaciado Mirando aguas arriba de la presa

Tope 175.55 m

Nivel Normal 172 m

Compuertas de Fondo

Bocatomas

Vertedero El. 167 m

Uno de las problemas en Peligré es que la ubicación de las compuertas de fondo no limpian la zona frente las bocatomas

Secciones Transversales para Estudio Batimétrica

Presa

GPS en canoa de tronco

Trabajo de campo de batimetría para determinar el patrón de sedimentación actual

Acceso realizado a pie, por canoa, y balsa inflable

120

130

140

150

160

170

180

0 5 10 15 20 25 30

Elevation  (m

)

Distance  Above  Dam  (km)

19802008

XS-2

3

XS-2

2

XS-2

1

XS-2

0

XS-1

9

XS-1

8

XS-1

7

XS-1

6

XS-1

5 XS

-14

XS-1

3

XS-1

2 XS

-11

XS-1

0

XS-9

XS-8

XS

-7

XS-6

XS-4

XS

-2

XS-1

Perfil de sedimentos

año1980

Perfil de sedimentos año 2008

Pérfiles de Sedimentación

Sedimentos avanzando hacia el

embalse

PRESA

Presa

Depósitos de sedimentos 22 km aguas arriba de la presa (foto tomado durante reducción en nivel, mayo 2008)

La mayor sedimentación ocurre

en las riberas del canal.

La planicie de sedimentos se utiliza para agricultura

durante la reducción annual en nivel.

Depositos de sedimentos 15 km aguas arriba de la presa (foto tomado durante la reducción en nivel, Mayo 2008)

Mucho menos sedimentación a medida que se aleja del canal.

Menos sedimento cercano a la represa (foto durante reducción en nivel, mayo 2008)

Represa

Efecto de floculación de arcilla en modificar el diámetro efectivo de sedimentación de los sólidos suspendidos en el embalse Peligre. Muestra dividida analizada por método de hidrómetro, uno con agua del embalse y otro con defloculante en agua destilada (método normal de laboratoria para el análisis de suelos).

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.0010.010.11

Percen

t  Passin

g  (%

)

Diameter  (mm)

Sand Silt Clay

Muestra analizada con defloculante y agua destilada Muestra

analizada en agua del embalse sin defloculante

0.0

50.0

100.0

150.0

200.0

250.0

300.0

350.0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Stor

age

(Mm³)

Simulation Time (Yr)

Peligre Reservoir Storage Volume Variation (Mm³)

Normal Operation

Sediment Flushing Raise Dam with Normal Operation

Raise dam with Flushing

Cambio en Volumen con el Tiempo: Tasa de sedimentación se reduce según disminuya el volumen.

Tiempo (años)

Volu

men

(Mm

3 )

Potencial de estabilizar la capacidad

Figure 33: Projected variation in trap efficiency with time, per sediment transport simulations.

Dam Raise with Normal Operation Model

Normal Operation Model

Dam Raise with Sediment Flushing Model

Sediment Flushing Model

XS-1

XS-2

XS-3

XS-4

XS-5

XS-6

XS-7

XS-8

XS-9

XS-1

0

XS-1

1

XS-1

2

XS-1

3

XS-1

4

XS-1

5

XS-1

6

XS-1

7 XS

-18

XS-1

9

120

130

140

150

160

170

180

0 5 10 15 20 25 30

Elevation  (m)

Distance  Above  Dam  (Km)

Peligre  Reservoir  Projected  Sediment  Accumulation2008  Bathymetry 10  Yr 20  Yr 30  Yr 45  Yr 60  Yr 100  Yr

Normal Pool Elevation 172 m

Predicción de Perfiles, Simulación de 100 años (modelo SRH-1D, USBR)

Perfil 2008

Presa

Perfil 2028

Perfil año 2108

Modificación de nivel mínimo operacional: • Enfocar sedimentación más lejos de la bocatoma • Aumentar carga hidráulica para producción de energía

Nivel mínimo operacional actual = 153 m

Nivel mínimo operacional propuesto = 160 m

Gregory L. Morris gmorris@gmaeng.com

www.gmaeng.com

PDF del libro de 748 páginas Reservoir Sedimentation Handbook McGraw-Hill Book Co., New York

www.reservoirsedimentation.com

Recurso Técnico - Gratis