Ingeniería Hidráulica: Conceptos Fundamentales en Diseño y Gestión de Embalses

Regulación Hídrica: Abastecimiento Urbano vs. Riego

¿Siendo iguales los caudales promedio de demanda de abastecimiento de un núcleo urbano y los de una extensión de riego, cuál de los dos requeriría un mayor volumen de regulación para un mismo sitio de presa?

R: Dado que la demanda de riego presenta una variabilidad temporal mucho mayor (concentración estacional) en comparación con la demanda relativamente constante del abastecimiento urbano, la extensión de riego requerirá un mayor volumen de regulación para un mismo caudal promedio de demanda. Esto se debe a que la presa debe ser capaz de almacenar suficiente agua durante los periodos de abundancia para cubrir los picos de demanda durante la temporada de riego, cuando el caudal natural del río o la fuente de agua puede ser insuficiente. En contraste, el abastecimiento urbano, con una demanda más uniforme, requerirá una regulación principalmente para hacer frente a variaciones de menor escala (diarias, semanales) y a periodos de sequía de duración variable, pero no a una ausencia casi total de demanda en ciertas épocas del año.

Nivel Mínimo de Operación (NMO) en Embalses

¿Qué importancia, en términos de diseño de obras hidráulicas, tiene conocer el nivel mínimo de operación de un embalse? ¿Siempre se debe considerar un nivel adicional al mínimo de operación?

R: Es importante conocer el nivel mínimo de operación (NMO) para poder fijar una posible toma, la cual debe estar por encima del NMO. Además, este nivel permite conocer, junto con las curvas de cota vs. volumen vs. área, el volumen muerto del embalse, así como el comienzo del volumen útil. El NMO define la cota mínima a la cual el agua debe mantenerse para asegurar el correcto funcionamiento de las estructuras de toma para diferentes usos (abastecimiento, riego, hidroelectricidad, etc.). Si el nivel desciende por debajo del NMO, las tomas pueden quedar sin capacidad de captación o funcionar de manera ineficiente, comprometiendo el suministro o la generación de energía. También afectaría la estabilidad de la presa, ya que un descenso prolongado por debajo del NMO podría afectar las presiones de poros y la estabilidad.

Nivel Adicional al Mínimo de Operación

Nivel adicional al mínimo de operación: Es conveniente implementar un volumen muerto adicional, primeramente, como factor de seguridad. Además, permite elevar la obra de toma, aumentar la energía y trabajar por gravedad aguas abajo de la obra de embalse en caso de necesitarlo por alguna PP que se encuentre ubicada en la misma cota del NMO.

Mencione dos casos en que se requiera un nivel mínimo de operación (NMOp) en un embalse, superior al Nivel de Aguas Muertas (NAM).

R:

  • Plantas hidroeléctricas que requieren una carga mínima para operar eficientemente.
  • Un sistema de abastecimiento por gravedad, donde un NMOp más alto puede eliminar la necesidad de un sistema de bombeo.

Caracterización y Volumen de Embalses

¿Puede una curva de área vs. capacidad caracterizar la forma de un vaso de almacenamiento?

R: Sí puede, ya que si esta curva es de forma francamente ascendente, se trata de una garganta estrecha, donde el volumen se gana con importantes incrementos de altura. Si la curva presenta pequeños incrementos de cota, con tramos asintóticos con la horizontal en la curva de volumen, se trata de una garganta amplia, donde el volumen se gana principalmente con el área de la lámina.

Si el NMOp es mayor que el Nivel de Aguas Muertas (NAM), ¿sobre qué nivel se almacena el volumen útil del embalse?

R: Sobre el NMOp.

Volumen Muerto de un Embalse

Dos datos básicos para calcular el volumen muerto de un embalse cuando no hay medición de sedimentos en el río.

R:

  • Utilizar datos de ríos cercanos o cuencas con estudios semejantes.
  • Considerar la vida útil de diseño del embalse y datos de embalses similares con varios años de funcionamiento.

Indique las consideraciones de diseño que se hacen en la determinación del volumen muerto.

R:

  • Tipo de partículas (sedimentos): La granulometría y densidad de los sedimentos influyen en su tasa de acumulación.
  • Concentración de sólidos suspendidos: La cantidad de material en suspensión que transporta el río afecta directamente el volumen de sedimentos depositados.
  • Años de vida útil del embalse: Se considera la cantidad de material que puede acumularse con el tiempo para evitar la pérdida de volumen útil.
  • Ubicación de las tomas de agua: Se debe asegurar que estén por encima del volumen muerto (VM) para evitar la succión de sedimentos.

¿Por qué conviene ajustar con el tiempo el peso unitario de la mezcla de sedimentos para el cálculo del volumen muerto de un embalse?

R: Conviene ajustar el peso unitario de la mezcla de sedimentos porque, conforme pasan los años, este cambia debido a fenómenos de consolidación. Los sedimentos del volumen muerto sufren transformaciones físicas y químicas que afectan su densidad y distribución. Con el paso del tiempo, los sedimentos acumulados en el fondo del embalse se compactan por la presión de nuevas capas depositadas. Inicialmente pueden tener alta porosidad, pero a medida que se consolidan, su peso unitario aumenta y su volumen ocupado disminuye.

Impactos Ambientales y Alteraciones de Cuencas

Dos posibles impactos negativos que puede ocasionar un embalse en el ambiente local.

R:

  • Daños ecológicos en cuanto a la flora y fauna.
  • Inundación de áreas de posible aprovechamiento agrícola y expropiación de tierras aledañas para la construcción del embalse, que podrían ser usadas con fines de producción.

Efectos que pueden ocurrir en un tramo de un río (posible sitio de presa) si se altera la cuenca tributaria con acciones humanas.

R: Provocar una crecida abrupta en un tiempo menor o periodos de sequía más severos. La deforestación cerca de la cuenca tributaria desequilibra el ciclo hidrológico.

Condiciones favorables del valle de un río para ser usado como vaso de almacenamiento de un embalse.

R:

  • Que posea una cuenca tributaria con bajo aporte de sedimentos.
  • Una buena topografía que permita el almacenamiento eficiente del agua sin requerir grandes volúmenes de excavación o construcción.
  • Poca infiltración, es decir, un valle con suelos impermeables que evite pérdidas significativas de agua hacia el subsuelo.

Balance Hídrico y Gestión de la Demanda

Un dato básico del suelo necesario para realizar el balance hídrico de una zona de riego. ¿Cuál es el resultado del balance?

R: La capacidad de almacenamiento de agua del suelo. El resultado del balance hídrico es la demanda neta de riego (expresada en milímetros de agua).

Dos causas de pérdida de agua en el sistema de abastecimiento de una población.

R:

  • Tomas ilegales, mal aprovechamiento del agua por parte de los usuarios, fugas en tuberías por falta de mantenimiento o bajas presiones, y malas juntas.
  • Agua no contabilizada: Pérdida no física, es decir, agua que se suministra y ha llegado a los grifos pero no está registrada ni pagada.

¿El valor de Demanda Neta de Riego (DNR) se puede asumir más bien como una dotación de riego, es decir, como un requerimiento de agua de un cultivo, o más bien como un caudal a suministrar a la parcela para el abastecimiento de ese cultivo?

R: Sí, se puede asumir como una dotación, ya que es una cantidad de agua, es decir, el requerimiento básico del cultivo.

¿Qué significado tiene el término evapotranspiración potencial en el balance hídrico y en qué caso se podría hacer equivalente a la demanda neta de riego?

R: La evapotranspiración potencial (ETp) representa la cantidad máxima de agua que podría ser transferida a la atmósfera desde una superficie cubierta completamente por vegetación de crecimiento activo y uniforme. La ETp es una referencia climática de la demanda de agua. La Demanda Neta de Riego (DNR) es la necesidad real de riego de un cultivo específico en un lugar y momento dados, y es el valor que debe utilizarse para el diseño y manejo de sistemas de riego en un balance hídrico adecuado. Solo en condiciones muy específicas se podría considerar que la ETp se aproxima a la DNR.

Indique y justifique al menos tres factores que puedan hacer variar un valor de dotación para el cálculo de la demanda promedio urbana.

R:

  • Condiciones climáticas y estacionales: En zonas con climas cálidos, el consumo de agua tiende a ser mayor debido a la necesidad de hidratación. Además, en temporadas de sequía, la demanda de agua puede incrementarse, mientras que en periodos lluviosos disminuye al aprovechar fuentes alternativas.
  • Pérdidas en la red: Si la red de distribución tiene fugas, el agua disponible para los usuarios puede ser menor, afectando el cálculo de la dotación global.
  • Nivel de desarrollo urbano y socioeconómico: En ciudades con infraestructura avanzada, el acceso a agua potable es más eficiente, pero el consumo puede ser alto debido a piscinas, sistemas de riego y uso industrial. En comunidades con menores ingresos, el consumo puede ser restringido por falta de acceso o costos elevados del servicio.

Diseño y Operación de Obras Hidráulicas

¿Contra qué tipo de evento hidrológico se realizan obras de protección? Indique un ejemplo de ese tipo de obra.

R: Lluvias extremas con periodos de retorno altos, inundaciones, deslizamientos y avenidas torrenciales. Ejemplo de obra: Diques de contención contra inundaciones o aliviaderos (CAC) en presas capaces de asumir las tormentas.

Datos requeridos para realizar el movimiento de embalse analítico.

R:

  • Caudal de entrada: Volumen de agua que ingresa al embalse, esencial para determinar la capacidad de almacenamiento y regulación.
  • Precipitación en la cuenca: Contribuye al aumento del almacenamiento disponible y varía según la época y el clima de la zona.
  • Evaporación: Representa la pérdida de agua por las condiciones atmosféricas y puede reducir el volumen útil del embalse, por lo que es importante su monitoreo.

¿Cómo se debe escoger o categorizar la información de una traza hidrológica (en términos de caudales diarios promedio, mínimo o máximo) para la construcción de una curva de duración de caudales y en qué caso aplica utilizar la data que resulta de procesar la traza?

R: Se deben escoger caudales promedio diarios, ya que esto permite capturar la variabilidad natural del río a lo largo de los días, meses y estaciones. Permite conocer qué caudal se puede esperar durante un determinado porcentaje de tiempo. Por ejemplo, el caudal que es excedido el 90% del tiempo (Q90) es un indicador de caudal bajo, útil para el diseño de tomas de agua en periodos secos o para determinar la confiabilidad del suministro. El caudal excedido el 10% del tiempo (Q10) indica condiciones de alto flujo.

En un análisis consuntivo de agua para un parcelamiento agrícola que se abastece de una fuente superficial (cauce permanente), ¿cómo se descartaría la necesidad de regulación? ¿Con qué información del balance hídrico se trabajaría? ¿Con qué información de disponibilidad se trabajaría y cómo se procesaría para hacer los descartes de regulación?

R: El descarte de la necesidad de regulación se realiza comparando la disponibilidad de agua del cauce con la demanda de agua del parcelamiento, generalmente a una escala temporal mensual y a un nivel de confiabilidad aceptable (por ejemplo, 95% y 98% del tiempo).

  • Información del balance hídrico: Demanda bruta de riego y Demanda Neta de Riego (DNR), que es la cantidad de agua que el cultivo necesita.
  • Información de disponibilidad y procesamiento: Se necesita una serie de tiempo larga y continua de caudales diarios promedio del cauce en el punto de derivación para el parcelamiento. Cuantos más años de registro, mejor. Con esta información, se construyen curvas de duración de caudales o se realiza un balance hídrico mes a mes para verificar si la disponibilidad cubre la demanda con la confiabilidad deseada.

Desarrolle cuáles son las consideraciones relacionadas con la información básica hidrológica que, a su juicio, deben considerarse para el diseño de un tanque de almacenamiento de agua para riego, tal que pueda cubrir una contingencia temporal de abastecimiento.

R:

  • Caudal de diseño del sistema: La Curva de Duración de Caudales (CDC) permite determinar el caudal que está disponible con una cierta probabilidad de tiempo.
  • Hidrogramas: Permiten identificar los años secos, ya que el tanque debe asegurar el suministro en estos periodos.
  • Variación horaria y diaria: Es crucial considerar las fluctuaciones de la demanda a lo largo del día y la semana.
  • Variaciones climatológicas: Pueden generar periodos de sequía o abundancia, afectando la disponibilidad y la demanda.
  • Duración de la contingencia: Definir por cuántas horas o días se desea cubrir una interrupción. Esto requiere evaluar la probabilidad y duración de fallas comunes.
  • Margen de seguridad: Añadir un margen de seguridad para eventos de interrupción inesperados o de mayor duración.

Comportamiento de Sedimentos y Morfología del Vaso

¿Justifique si tiene sentido no considerar la variación del peso específico a lo largo de la vida útil de un embalse para el caso de grava aluvional y por qué no se toma en cuenta esa grava en la mezcla de sedimentos dentro de la ecuación de Lane y Koeltzer?

R: Sí tiene sentido no considerar la variación del peso específico para la grava aluvional. Mientras que los sedimentos finos (arcillas y limos) sí pueden experimentar cambios en su peso específico con el tiempo debido a la consolidación, la grava es mucho más estable en este aspecto, ya que se compone de partículas relativamente grandes y densas. Por lo tanto, no experimenta compactación significativa por consolidación a lo largo del tiempo. No se toma en cuenta en la mezcla de sedimentos para ecuaciones como la de Lane y Koeltzer porque se transporta predominantemente por rodadura o arrastre a lo largo del lecho del río, requiriendo altas velocidades y turbulencias para moverse, y su comportamiento es diferente al de los sedimentos en suspensión.

Características de Vasos de Almacenamiento

Vasos de almacenamiento:

  • Vaso estrecho: Presenta una curva de área-capacidad francamente ascendente. Por su forma, el volumen se gana con importantes incrementos de altura.
  • Vaso amplio: Muestra un incremento apreciable de volumen con pequeños incrementos de cota, con tramos asintóticos con la horizontal en la curva de volumen. Es posible tener grandes espacios inundables, ya que el área de la lámina de agua es la que predomina en el volumen. Se caracteriza por una garganta amplia y no tan entallada, no cerrada. Pequeños incrementos de altura implican grandes incrementos de volumen.