LA SEDIMENTACIÓN EN EMBALSES DE CENTRALES

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LA SEDIMENTACIÓN EN EMBALSES DE
CENTRALES HIDROELÉCTRICAS, gran problema
con solución - AES CHIVOR desarrolla modelos de medición y
transporte de sedimentos en los embalses Tunjita y la Esmeralda
E
n foros como el celebrado en Kioto-Japón en 2003, el Third
World Water Forum e investigaciones académicas recientes, se
ha resaltado la gestión de sedimentos como el reto inmediato
a ser enfrentado por los generadores de energía alrededor
del mundo. En los embalses de la Esmeralda y Tunjita que proveen de
recurso hídrico a la central hidroeléctrica de Chivor y la pequeña central
hidroeléctrica Tunjita, se logra una adecuada gestión de los sedimentos
con acciones, programas y metodologías que servirán de base para el
manejo de los mismos en otros embalses del país.
La acumulación de sedimentos en los embalses es una de las problemáticas que más aquejan a las centrales hidroeléctricas en las
últimas décadas. Pese sus grandes beneficios por ser una fuente
sustentable de generación de energía con una mínima generación
de emisiones y una alta sostenibilidad al largo plazo, los sedimentos transportados progresivamente por las corrientes de río que
las alimentan, pueden llegar a obstruir las bocas de toma en las
presas y generar efectos abrasivos en las turbinas de generación,
en sus componentes de operación y en las estructuras de concreto; aunado llega a disminuir la capacidad de almacenamiento de
recurso hídrico en el embalse por acumulación de sedimentos en
el fondo del reservorio, lo que finalmente incrementará los costos
asociados a su operación.
De no tomar acciones preventivas, el nivel de sedimentación podría
llegar a hacer inviable la operación de centrales hidroeléctricas
debido a la acumulación excesiva de sedimentos que obstaculizarían
el fluir regular del agua a las turbinas o aumentaría a tal medida la
abrasión en las mismas que volvería inoperante el sistema de generación. Esta preocupante situación ha motivado grandes esfuerzos
de investigación aplicada y ha generado recursos y políticas públicas
lideradas por el Banco Mundial, para lo que se ha denominado una
eficiente gestión de los sedimentos en el diseño de presas y embalses desde el punto de vista de ingeniería en los cuales se puede
enmarcar un reservorio. (World Bank, 2003). La primera es la denominada “Vida de Diseño” en el que se diseña una presa y central de
generación teniendo en cuenta que durante la vida de operación de
la presa se recuperará la inversión realizada y al final puede quedar
inoperante la presa sea por acumulación de sedimentos u otros factores; y, la segunda a través de la “Gestión del ciclo de vida” propone
diseñar las presas y reservorios para un uso sostenible incorporando
los planes de gestión de sedimentos y la utilización a largo plazo de
la infraestructura.
Se estima que cada año se pierde en el mundo el 0.5% de la capacidad de almacenamiento de los embalses por la acumulación de
sedimentos, haciendo que los inventarios de infraestructuras para la
generación hidroeléctrica se vuelvan poco sostenibles para futuras
generaciones, ya que se tendría que adicionar anualmente 45 Km3
de capacidad a los embalses lo que costaría más de 13.000 millones
de dólares por año más el impacto ambiental relacionado (White,
2001). Por tanto, la implementación de planes para el manejo de
sedimentos es adecuado para evitar estas inversiones excesivas
y optimizar los recursos existentes para la generación de energía
alrededor del mundo.
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DISTRIBUCIÓN GRANULOMÉTRICA DE LOS SEDIMENTOS
DEPOSITADOS EN UN EMBALSE
Cuando una corriente superficial con su carga de sedimentos entra
a un embalse, su velocidad y turbulencia se reducen sustancialmente, dando lugar al depósito en la entrada del embalse, debido
a las partículas transportadas por arrastre de fondo, originando por
acumulación, la formación de un delta de sedimento no consolidado y
saturado, denominado barra de sedimento grueso.
Transcurrido un tiempo y en función de la tasa de aporte de
sedimentos del río, este fenómeno de acumulación en la cola del
embalse va progresando, generando la elevación del lecho y por
tanto la elevación de los niveles de agua naturales del río. Este
fenómeno ocurre en todas las colas del embalse. Los sedimentos
más finos pueden mantenerse en suspensión dentro del embalse
en trayectorias relativamente largas y pueden ser transportados
en forma de corrientes de densidad hasta el pie de la presa. A
medida que la corriente de fondo se va desplazando por el lecho
del embalse, va depositando su carga en suspensión a causa
de la disminución de la turbulencia a lo largo del recorrido. En la
mayoría de los casos, sobre todo cuando se trata con sedimentos
muy finos (limos, arcillas), tan sólo una mínima componente vertical de la turbulencia es suficiente para mantener estas partículas
en suspensión, razón por la cual, se observa que una fracción
importante del total de sedimentos transportados llega al pie de la
presa. A medida que se avanza hacia la presa sobre el depósito de sedimento en el cuerpo del embalse, se espera encontrar
que la distribución granulométrica disminuye de diámetro debido
a la pérdida de capacidad de transporte por la disminución de
velocidad.
SITUACIÓN LA ESMERALDA - TUNJITA
AES CHIVOR construyó una represa en arco para embalsar el río
Tunjita y sus afluentes y desviar agua a una toma tipo vertedero hacia el embalse La Esmeralda mediante un túnel. El caudal promedio
anual del desvío es de aproximadamente 12 m3/s. En el margen
derecho del Río Tunjita, aproximadamente 50 m aguas arriba del
vertedero y justamente en la confluencia de la quebrada El Pino con
el río, se construyó un túnel como descarga de fondo de 70 m de longitud. Debido al volumen limitado del embalse Tunjita, es necesaria
la reubicación y remoción de sedimentos para evitar la acumulación
excesiva de sedimentos en la zona de la toma. La entrada del túnel
de desagüe está controlada por una compuerta plana.
Los estudios realizados anualmente por la empresa (Fig. 1 y Fig 2)
demuestran que, el aporte de sedimento registrado en la batimetría
del 2010 en el embalse La Esmeralda se comporta con un patrón
normal para la zona, aún cuando fue mayor durante el año 1997. A
pesar de la variabilidad en la tasa de sedimentación entre un año
y otro, los datos apuntan a una tasa de sedimentación total anual
promedio del orden de los 5.0 Mm3/año, una pérdida de 0.66% del
volumen total anualmente, es decir, la pérdida de capacidad en el
embalse La Esmeralda al año 2012 había ocasionado la pérdida del
20% de su volumen original.
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CÓMO MEDIR LOS SEDIMENTOS
Acumulación de Sedimento, La Esmeralda
VOLUMEN ( Mm³ )
Los proyectos hidroeléctricos generalmente se construyen bajo el
concepto de “vida útil a 50 años” en infraestructura. Sin embargo,
normalmente no aplica, porque no se pueden reemplazar o reconstruir, ya que no es posible recuperar la utilidad del lugar una vez
el embalse está lleno de sedimentos. Este fenómeno se presenta,
debido a que la sedimentación de un embalse implica cambio de configuración en la superficie del terreno, y resulta muy difícil o inviable
financieramente el retiro del sedimento con maquinaria.
DESCARGA
DE
SEDIMENTOS
EN
SUSPENSIÓN
Directo
ió
tac
en
S
im
ed
Indirecto
Directo
ARRASTRE
DE
CARGA
Indirecto
A través de imágenes de satélite, comparando con
las medidas de campo simultáneas, para la
calibración de los grandes ríos.
Muestreo en varios puntos de la sección transversal.
Se busca determinar su peso en seco, la granulometría y el cálculo de la descarga de arrastre. El
medidor se fija en la cama de 2 minutos a 2 horas
(para recibir de 30 a 50% de su capacidad).
Se recoge el sedimento durante el tiempo en que
se abren las grietas de cama.
De las muestras recolectadas, se realiza un
análisis granulométrico, se hace medición de
pendientes, de parámetros hidráulicos de
temperatura y a través de fórmulas se realiza
el cálculo de la descarga de arrastre y carga
de fondo. A través del uso de un ecobatímetro
con alta resolución, se mide el volumen de
desplazamiento de la duna.
Tabla 1. Métodos de aforo de sedimentos
Fuente: Adaptado de ANEEL Agencia Nacional
de Energia Electrica de Brasil, 2000
Esta medición, directa (o in situ) o indirecta, se realiza con el propósito de analizar posteriormente, en laboratorio, todos los sedimentos
para identificar en cada muestra (mezcla de agua-sedimentos) los
elementos, sus densidades y tamaños.
Existen varios modelos de gestión que dependen de la condición
propia del embalse.
• HEC-6 modelo de flujo unidimensional, de frontera móvil y canal
abierto, que calcula erosión y la deposición de sedimentos mediante
la simulación de la interacción entre el sistema hidráulico de la
corriente y la tasa de transporte de sedimentos. Se ha usado en
análisis de río y el comportamiento de la represa a largo plazo.
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AÑO
Fig. 1. Tasa de sedimentación promedio y su variabilidad en el Embalse La Esmeralda.
Fuente: GML Engineering COOP, 2012
Medición de concentración u otra variable
(turbidez, ultrasonido, etc.) directamente en la
corriente.
A través de la acumulación de sedimentos en un
dispositivo de medición (ej. tubo de ensayos graduado)
Recolección de sedimentos por muestreo de mezcla
de agua y sedimentos: se mide concectración y se
hace análisis de granulometría y para realizar cálculos en la descarga de sedimentos.
ño
³/a
Estudios
batimétricas
Embalse La Esmeralda
Inicio de Llenado
Junio 1975
VOLUMEN ( Mm³ / año)
DESCARGA
DE
SEDIMENTOS
DESCRIPCIÓN DE LA MEDICIÓN
ro
np
m
di
me
Una publicación de la Agencia Nacional de Energia Electrica de
Brasil- ANEEL, describe algunos de los métodos existentes para
medir tanto sedimentación en carga de fondo como los sedimentos
suspendidos o carga total.
TIPO
M
o5
(A) Tasa promedio
anual 1996 - 1997
Tasa de sedimentación
promedio anual entre cada
estudio de batimetría
(B) Tasa promedio de
sedimentación desde
llenado
AÑO
Fig. 2. Tasa de sedimentación promedio y su variabilidad en el Embalse La Esmeralda.
Fuente: GML Engineering COOP, 2012
•
GSTARS es un modelo de flujo unidimensional, no uniforme
•
TABS es un conjunto de los programas informáticos generaliza-
y estable, que simula aspectos de flujo bidimensional (usa el
concepto tubo de corriente para cálculos hidráulicos). Tiene la
posibilidad de usar ecuaciones como Manning, Darcy-Weisbach,
o la ecuación Chezy para realizar los cálculos, los cuales adicionalmente pueden ser realizados a través de flujos tanto sub-críticos como supercrítico sin interrupciones.
dos y códigos de servicios integrados en un sistema de modelado
numérico para el análisis hidráulico de dos dimensiones, transporte y
problemas de sedimentación en ríos, embalses, bahías y estuarios.
Se compone de tres elementos: RMA-2 computa hidráulica bidimensional, STUDH calcula el transporte de sedimentos y RMA-4, que
calcula parámetros de calidad del agua.
PREDECIR EL FUTURO
Una vez elaboradas las mediciones, es necesario elaborar un modelo
que permita pronosticar el comportamiento futuro del embalse. La
exactitud del modelo dependerá finalmente del cambio climático,
al período de toma de mediciones, al tipo de sedimentación, entre
otras (Morris & Fan, 1998). Probablemente se debe hacer frente a
problemas como rendimiento de agua y sedimentos de la cuenca; rango
y patrón del desplazamiento de sedimentos, disposición y recorrido a lo
largo de la represa bajo diferentes normas de funcionamiento; patrones
localizados de deposición y erosión cercanas a las estructuras hidráuwww.ingesocios.com
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licas; y, erosión, desplazamiento y deposición de sedimentos en el río
debajo de la presa. El modelado de sedimentos es usualmente realizado
usando una curva de medición de sedimentos, modelación de erosión o
procedimientos relacionados (Morris & Fan, 1998).
PLANES PARA APOYAR LA PRODUCCIÓN ENERGÉTICA
DURANTE EL ESTIAJE
A CORTO PLAZO (2 AÑOS)
•
MODELO Y RESULTADOS
Existen varios modelos o prototipos para simular flujos de ríos (Morris
& Fan, 1998), siendo los unidimensionales los que tienen más exactitud, por encima de los bidimensionales o los tridimensionales, debido
que son más robustos y usan menor tiempo para su cómputo y datos
para su calibración. En este estudio A Gregory L. Morris PE., PhD,
hizo parte integrante del grupo desarrollador del proyecto de investigación, siendo uno de los grandes expertos en manejo de sedimentos
a nivel mundial.
•
•
•
Perfil del delta
Mantener operación actual con nivel mínimo operacional en 1210 m
ELEVACIÓN (m)
•
•
2027
2042
2012 A&W
Original
DISTANCIA DE LA REPRESA (m)
•
Fig. 3. Simulación del avance del delta al mantener el nivel mínimo operacional en 1210
mnsm.
Inicialmente se partió de los datos disponibles de hidrología y
sedimentos, del embalse y sus afluentes, datos batimétricos, planos
y demás, y mediante el uso del software GSTARS3 3.0 que tiene en
cuenta las partículas no retenidas por el tamiz #200 (Arcillas y limos),
se observa que al seguir con la operación actual, con un nivel mínimo
operacional de 1210 msnm, solamente se requiere 15 años para que
el delta avance hasta 3 a 4 km de la bocatoma y 15 años más, la
bocatoma estará sepultada con arena, haciendo inviable la operación
de generación en la central de Chivor. (Fig. 3)
Este modelo incluyó una simulación con varias ecuaciones de
transporte a 100 años utilizando un nivel mínimo operacional de
1210 msnm. De acuerdo con la metodología planteada, la calibración
del modelo se hizo tomando la información histórica registrada de
acuerdo a las batimetrías levantadas en los años 1997, 2002, 2004
y 2007, muestras de sedimentos en 11 puntos diferentes, series
hidrológicas de caudales mensuales desde 1978 hasta 2006, aforos
de sedimentos en suspensión (frente a la toma y el canal de fuga)
y el registro de niveles históricos en el embalse desde el año 1978
hasta el 2006. Y se seleccionó la ecuación de transporte de Ackers y
White por presentar el mejor ajuste en relación con los parámetros de
calibración seleccionados.
Se inició la simulación con la geometría original del embalse (Con
datos de 1978), digitalizada de los planos originales de AES Chivor.
El modelo incorporó datos de granulometría de sedimentos para
definir las características del lecho del embalse; estos datos fueron
obtenidos de los análisis granulométricos a las muestras recopiladas
en la fase de muestreo realizada en Junio de 2013.
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•
•
Abrasión de turbinas. Posibilidad de hacer una prueba
IN-SITU con mayores concentraciones de sedimentos finos, para
confirmar su reacción ante una mayor concentración.
Estaciones de aforo. Instalación de estaciones de aforo aguas
arriba y abajo de la represa que incluyan medidas de concentración de sedimentos en invierno por aforo líquido y sólido, turbidímetro, muestreo por bombeo y análisis de granulometría.
Balance de sedimentos. Construir un balance sedimentológico con información actual y nueva recopilada, para identificar
la carga de sedimentos finos y gruesos, y definir el aporte de
las quebradas laterales en relación al aporte de los principales
afluentes.
Batimetrías anuales. Con el procesamiento de datos para presentar
información restituida en SIG/AutoCad para medir el volumen de crecimiento de los depósitos finos y del delta cada año.
Estudios ambientales. Estudios de línea base aguas abajo de
la presa, y la confluencia con otros afluentes, con el propósito de
evaluar los impactos de la descarga de sedimentos aguas abajo,
por el lavado del embalse (flushing) o por el dragado.
Actualización de las normas. Promover legislación o modificación de las normas para apoyar el manejo adecuado de los
sedimentos. Involucrar el gremio Acolgen, Ministerio del Medio
Ambiente, e instituciones como Sociedad Colombiana de Ingenieros,
Instituto Humbolt, Departamento de Biología de la Unal, y ONG´s
como Conservación Internacional.
Plan de Manejo Sostenible de Sedimentos. Que incluya estudios de apoyo como las Alternativas de operación del embalse
(impacto en generación e ingreso); Adecuación de las instalaciones entre la cuales se puede evaluar la alternativa de modificar
la actual bocatoma del embalse permitiendo la captación del
recurso hídrico a diferentes niveles; Formulación y evaluación
de alternativas para disposición de sedimentos con el dragado u
obras de ingeniería de dispositivos de descarga de sedimentos
(diferentes configuraciones y operaciones de dragado); y, Caracterización de sedimentos a descargar (parámetros físicos-químicos relacionado a sus impactos aguas abajo, por ejemplo,
demanda de oxígeno, evolución de amoniaco, etc.).
Sensibilización social. Iniciar procesos con las comunidades
una vez se tenga definido el (los) proyecto(s) a implementar
luego de su fase de prefactibilidad.
Permisos. Iniciar formalmente el proceso de obtención de
permisos.
PLAN DE ACCIÓN A LARGO PLAZO (5 AÑOS)
Se debe llevar a cabo la implementación de las medidas de un “Plan
de Manejo Sostenible de Sedimentos”. Las alternativas pueden
incluir: Dragado, Flushing, Optimización de Reglas operacionales,
Manejo de cuencas y Monitoreo ambiental y operacional.
También se puede considerar la posibilidad de aprovechamiento hidroeléctrico mediante una PCH de requerir una descarga de caudales
para dilución aguas abajo de la represa como medida de mitigación.
Solicite artículo y bibliografía completa a AES CHIVOR Bogotá
por e-mail: [email protected].
Artículo original: “MODELACIÓN Y MEDICIÓN DEL TRANSPORTE DE SEDIMENTOS EN
LOS EMBALSES TUNJITA Y LA ESMERALDA”, Autores: Ing. Civil Germán Becerra e Ing.
Civil William Alarcón de AES CHIVOR, Bogotá – Colombia; Adm. Juan Salavarrieta e Ing.
Ind. Hermann Fuquen de COLINNOVACION SAS, Bogotá-Colombia, publicado en Revista
Investigaciones Aplicadas | ISSN 2011-0413 | Medellín – Colombia (http://revistas.upb.edu.
co/index.php/investigacionesaplicadas)
Edición: Redacción IngeSOCIOS
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