7/27/2019 Almacenamiento y Transito en Vasos y Cauces1

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ALMACENAMIENTO Y TRANSITO EN VASOS Y CAUCES

Para el diseo de vasos y trnsito de avenidas en cauces, es necesario conocer losconceptos hidrolgicos fundamentales, los cuales, aunque relativamente simples, son degran importancia en la hidrologa pues en gran parte constituyen las bases sobre las que

se sustenta el dimensionamiento de las presas y otras obras de aprovechamiento yproteccin contra inundaciones.

TIPOS DE ALMACENAMIENTO Y SUS CARACTERSTICAS

En la siguiente descripcin se refiere a los tipos de almacenamiento y sus caractersticasde inters en la hidrologa. Los detalles restantes corresponden a otras materias, comoobras hidrulicas e hidrulica fluvial.

VASO DE ALMACENAMIENTO: sirve para regular los escurrimientos de un rio, paraalmacenar el volumen de agua que escurre en exceso en las temporadas de lluvia para

posteriormente usarlo en las pocas de sequa, cuando los escurrimientos son escasos. Enla figura 1 se muestra un ejemplo en forma esquemtica, el hidrograma anual deescurrimiento en un rio y una demanda. En la grfica se puede observar que la demanda,es constante todo el ao, es mayor de lo que aporta el rio en los meses de enero a junio,pero menor de lo que aporta el rio de julio a noviembre. Es necesario, entonces, almacenarel volumen sobrante para poder satisfacer la demanda cuando el escurrimiento en el riono es suficiente, para lo cual se requiere un vaso de almacenamiento.

Un vaso de almacenamiento puede tener uno o varios de los siguientes propsitos:

a) Irrigacinb) Generacin de energa elctrica.c) Control de avenidas.d) Abastecimiento de agua potable.e) Navegacin.f) Acuacultura.g) Recreacin.h) Retencin de sedimentos.

Fig. 1

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COMPONENTES DE UN VASO DE ALMACENAMIENTO

DESCRIPCIN:a) NAMINO (nivel de aguas mnimas de operacin): Es el nivel ms bajo con el que puede

operar la presa.b) VOLUMEN MUERTO: Es el que queda bajo el NAMINO O NAMin, es un volumen del que

no se puede disponer.c) VOLUMEN DE AZOLVES: Es el que queda bajo el nivel de la toma y se reserva para

recibir el acarreo de solidos por el rio durante la vida til de la presa. Es convenientehacer notar que el depsito de sedimentos es una presa no se produce como esa

mostrando en la fig. 2-con un nivel horizontal-sino que los sedimentos se reparten a lolargo del embalse, tenindose los ms gruesos al principio del mismo y los ms finoscerca de la cortina.

d) EL NAMO es el mximo nivel con el que puede operar la presa para satisfacer lasdemandas.

e) El NAME (nivel de aguas mximas extraordinarias) es el nivel ms alto que debealcanzar el agua en el vaso bajo cualquier condicin. El volumen que queda entre estenivel y el NAMO, llamado super almacenamiento, sirve para controlar las avenidas quese presentan cuando el nivel en el vaso esta cercano al NAMO.

f) BORDO LIBRE: Es el espacio que queda entre el NAME y la mxima elevacin de lacortina (corona) y est destinado a contener el oleaje y la marea producidos por elviento, as como a compensar las reducciones en la altura de la cortina provocadas porsus asentamientos.

En resumen, existen cuatro volmenes principales en toda presa que es necesariodeterminar para disear el vaso: el volumen de azolves, el volumen muerto, el volumentil y el volumen de superalmacenamiento. A continuacin se estudiarn mtodos paraevaluar el volumen til que debe tener una presa para satisfacer las demandas y elvolumen de superalmacenamiento necesario para que la presa no corra peligro.

Fig. 2 Principales componentes de un vaso

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ESTIMACIN DEL VOLUMEN TIL Y EL NAMO

Existen dos grupos bsicos de datos necesarios para el diseo de un vaso dealmacenamiento: planos topogrficos y registros hidrolgicos. Los primeros proporcionanla relacin que hay entre los volmenes, reas y elevaciones del vaso, y los segundos

sirven para estimar los volmenes o gastos que llegarn al vaso durante su operacin. Losdatos topogrficos se sintetizan mediante curvas elevaciones- volmenes y elevaciones-reas, como se muestra en la figura 3.

Por otra parte, para estimar el volumen til que se requiere para satisfacer unadeterminada demanda, se deben tener datos de volmenes escurridos por el ro duranteun tiempo relativamente largo. Desde luego, entre mayor sea el lapso de registros, msconfiable ser la estimacin del volumen til. En general, un registro de 20 aos o msproporciona una buena estimacin.

Es recomendable determinar el volumen til de una presa en dos pasos: el primeroconsiste en hacer una primera estimacin usando datos mensuales de aportaciones ydemandas e ignorando factores de menor importancia, como la evaporacin yprecipitacin directa en el vaso; el segundo es simular el funcionamiento del vaso para unperiodo largo, tomando en cuenta las variaciones mensuales y anuales de aportaciones ydemandas y todos los dems factores que intervienen la cantidad de agua almacenada enun determinado instante. Cuando se desea hacer una primera estimacin del volumen tilse pueden usar dos mtodos. El primero, llamado de la curva masa o diagrama de Rippl,desarrollado en 1883, es til cuando las demandas son constantes, y el segundo, conocido

como algoritmo del pico secuente, es conveniente cuando las demandas varan en eltiempo.

Curva E-V Curva E-A

0

0 250 500 750

20

40300020001000

40

20

0

Volumen ,10^3 m^3

Area, en ha

Elevacion,enm

Figura 3

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Una curva masa es una representacin grfica de volmenes acumulados contra eltiempo. En la figura 4, se muestra una parte de una curva masa. Supngase que, en el casode la figura 4, se tiene una demanda constante de agua de 56.3 m3/s.

La pendiente de la curva masa de escurrimiento es el gasto que pasa por el sitio; entonces,

cuando la pendiente de la curva de demanda ag es mayor que el de la curva deescurrimiento af, el gasto demandado es mayor que el aportado por el ro y viceversa.Obviamente, e los puntos en que la curva de escurrimiento tiene una pendiente de 56.3, elgasto de aportacin es igual al de la demanda, como sucede en lo puntos b, cy ede la figura

Ahora bien, supngase que el vaso se encuentra lleno en el punto a. Entonces, se observalo siguiente:

a) Entre el punto a y b la demanda es menor que la aportacin, por lo que el vasopermanece lleno y el agua sobrante sale por la obra de excedencias.

b) Hasta el punto b, en diciembre del primer ao, se ha derramado un volumen igual a ladiferencia de ordenadas entre los puntos by h, que, en el caso de la figura 4, es deaproximadamente 1 175 106 m3 .

c) Del punto bal cel gasto de aportacin es menor que el de demanda, por lo que, eneste lapso, el volumen almacenado, y por lo tanto tambin el nivel del agua en el vaso,disminuye.

d) En el punto c se llega al nivel mnimo en el vaso; la mxima diferencia entre elvolumen de aportacin y el de demanda del puntobal c est dado por la diferenciade ordenadas S entre una recta tangente al punto by el puntoc.

e) Del punto cal e el gasto de aportacin es nuevamente mayor que el de demanda y elvolumen almacenado aumenta otra vez.

5000

4500

4000

3500

2500

2000

1500

1000

500

3000

Escurrimientos en el ro

paralelas a la

curva masa

Demandas=56.3 m^3/s

S

Volumenacumulado10

^6m^3

J J A S O N D E F M A M J J A S O N D E F M A M

Meses

a

b

h

c

d

ef

g

i

j

Fig. 4

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f) Para que durante el lapso indicado por la figura 4 no se tenga dficit, es decir, paraque no se deje de cumplir con la totalidad de la demanda, el volumen til mnimonecesario es S (vase inciso d). De esta manera, dado que la presa est llena en elpunto b, al llegar al punto cel nivel es el del NAMINO. En estas condiciones, del puntoc al d se incrementa nuevamente el volumen almacenado y en el punto d la presa

vuelve a estar llena.g) Entre el puto dy el ela presa permanece llena y se vuelven a tener derrames.h) Del punto een adelante el gasto de aportacin es otra vez menor que el de demanda

y el volumen almacenado disminuye.i) La lnea abdees una curva masa de salidas totales de la presa (esto es, salidas para

cubrir las demandas ms derrames) que tiene una pendiente de 56.3 m3/s.

Este mtodo se aplica a todo el periodo de datos, y la mxima diferencia que seencuentre entre una tangente a los puntos tales como el b y el e y otra tangente a los

puntos tales como el c ser el volumen til mnimo necesario para satisfacer la demanda,si se repitieron exactamente las aportaciones que se usan como datos . Es obvio que nuncaesto sucede, por lo que el volumen til, as calculado, no garantiza que no haya algndficit durante la operacin de la presa es su vida til.

Cuando la demanda no es constante, si bien es posible aplicar el mtodo anterior, es msconveniente hacer el anlisis numricamente e lugar de hacerlo en forma grfica. Elalgoritmo del pico secuente(referencia 5), que se presenta a continuacin, se basa en lamisma idea de Rippl, pero tiene la ventaja de que es ms fcil de usar, especialmentepara demandas variables. Este mtodo se ilustrar con un ejemplo.

Ejemplo 5. Dada una serie de volmenes d entrada al vaso X f y de salida Di para satisfacerla demanda durante un lapso de T semanas, meses, aos, etc. (columnas 2 y 3 de la tabla1, respectivamente), el algoritmo del pico secuente consiste en:

a) Calcular la entrada neta al vaso (Xf Di) para i = 1, 2,., 2T (columna 4) y laentrada neta acumulada

para i = 1, 2,,2T

b) (Columna 5).Encontrar el primer pico (valor mximo) de las entradas netasacumuladas, P1,el cual es equivale a la diferencia de ordenadas entre los puntos by h de la figura 4. En el ejemplo de la tabla 1, P1 = +175 x 103 m3.

c) Localizar el pico secuente, P2, esto es, el siguiente pico mayor que P1, el cual esequivalente a la diferencia de ordenadas entre los puntos e y j de la figura 4 y, en elcaso de la tabla 1, P2 = +260 x 103 m3.

d) Entre el primer par de picos, P1 y P2, hallar el valor ms bajo de la columna 5 de latabla 1. Este valor corresponde a la diferencia de ordenadas entre los puntos ceide la figura 4 y, por lo tanto, la diferencia T1 P1 equivale al volumen S en la figuracitada. Dela tabla 1, T1 = -845 X 103 m3 entonces: S = P1 - T1 = [ ]

e) Buscar el pico secuente P3 mayor que P2.f) Encontrar el valor mnimo T2 que se encuentre entre P2 y P3 y calcular P2 - T2.g) Repetir los pasos e y f para todos los picos secuentes de los 2T intervalos de

tiempo.

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En los ejemplos de la figura 4 y la tabla 1 no es necesario realizar los pasos e, fy g, puessolo tienes dos picos. No obstante, pueden aparecer ms picos en un registro ms largo. Lacapacidad til mnima necesaria para que no se tenga dficit en el periodo de los datos es,como en el caso de la curva masa:

Nuevamente, dado que el periodo de datos nunca se repetir exactamente igual durante lavida til de la presa, este volumen til no garantiza que no habr dficit.

En el ejemplo de la tabla 1 el volumen til es P1 T1 = 1020 X 103 m3.

En la columna 6 de la misma tabla se han escrito los volmenes que contendra el vaso sise presentaran los escurrimientos y demandas sealados en las columnas 2 y 3 y si el vasoest lleno al principio del mes 1. Obsrvese que el mes 5 del segundo ao, el vaso se vacatotalmente, pero no hay ningn dficit en la satisfaccin de la demanda.

Tabla 01.

1 2 3 4 5 6 7 8

mes Vol. Derrame

Estado del vaso1 120 220 -100 -100 9202 130 250 -120 -220 8003 115 305 -190 -410 6104 125 480 -355 -765 2555 140 305 -165 -930 906 325 250 +75 -855 1657 450 220 +230 -625 395

8 590 180 +410 -215 8059 380 150 +230 +15 1020 15 Lleno10 280 150 +130 +145 1020 130 Lleno11 190 160 +30 +175 1020 30 lleno12 110 200 -90 +85 9301 120 220 -100 -15 8302 130 250 -120 -135 7103 115 305 -190 -325 5204 125 480 -355 -680 1655 140 305 -165 -845 0 vaco6 325 250 +75 -770 75

7 450 220 +230 -540 3058 590 180 +410 -130 7159 380 150 +230 +100 94510 280 150 +130 +230 1020 55 Lleno11 190 160 +30 +260 1020 30 lleno12 110 200 -90 +170 930