ESTRUCTURAS HIDRÁULICAS. GENERALIDADES ME GUEVARA

ESTRUCTURAS HIDRÁULICAS. GENERALIDADES
M. E. GUEVARA
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ESTRUCTURAS HIDRÁULICAS
1. Aspectos Generales
Las estructura hidráulicas son las obras de ingeniería necesarias para lograr el aprovechamiento de los recursos
hídricos y controlar su acción destructiva. Trabajan en la mayoría de los casos en combinación con elementos y
equipos mecánicos. Se construyen en beneficio del hombre y el desarrollo de la humanidad.
Un nudo hidráulico es el conjunto de
estructuras hidráulicas localizadas en
un
sitio
y
trabajando
interconectadamente.
Figura 1.1 CHE Itaipú. (Brasil, Paraguay).
Al proyectar una obra hidráulica se debe buscar en lo posible que su utilización sea de uso múltiple para beneficiar
varios sectores de la economía, entre los cuales están:
1. Hidroenergía: utilización de la energía de las aguas fluviales o marítimas.
2. Transporte acuático: utilización de las aguas fluviales, de lagos y mares para la navegación y flotación de
madera.
3. Mejoramiento hídrico: utilización de aguas para irrigación de tierras y para la extracción de aguas excesivas de
tierras sobresaturadas.
4. Suministro de agua para el consumo humano
5. Control de avenidas e inundaciones
6. Recreación
7. Utilización de otras reservas hídricas: cría de peces, extracción de minerales, sales, algas, etc.
8. Control de contaminación ambiental
El ingeniero hidráulico tiene entre otros, los siguientes objetivos:
· Proyectar, diseñar, calcular y construir obras hidráulicas económicas y seguras.
· Transformar y regular el régimen natural de la fuente de agua: río, lago, mar, aguas subterráneas.
· Crear depósitos y corrientes artificiales de agua: embalses, conducciones.
· Crear equipos o estructuras especializadas: esclusas de navegación, edificios de centrales hidroeléctricas,
estaciones de bombeo, elevadores de peces, etc.
· Considerar los efectos desfavorables y los cambios ambientales que puedan generarse por la construcción de
obras hidráulicas de forma que se prevean las medidas necesarias para contrarrestarlos.
2. Historia de las estructuras hidráulicas
La Ingeniería Hidráulica es tan antigua como la civilización misma. Esto es evidente si se piensa en la lucha del
hombre por la supervivencia, que lo obligó a aprender a utilizar y a controlar el agua. Por ésto, las civilizaciones
antiguas se desarrollaron en las proximidades de los grandes ríos que constituían un camino fácil para la
comunicación y eran fuente de agua para riego y para consumo humano. Desde muchos siglos antes de la era
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cristiana, pueblos como los Asirios, Caldeos y Egipcios, se dedicaron con afán a buscar los beneficios que el agua les
ofrecía. Qué sería de la humanidad sin los ríos Nilo, Ganges, Yant Tse Kiang, y sin ir tan lejos sin los ríos
Magdalena y Cauca?.
En tiempos prehistóricos, alrededor del año 12,000 a.C., aparecieron las primeras formas de agricultura y ganadería, al
tiempo que empezaban a crearse las primitivas villas agrícolas.
Los canales pueden ser considerados la primera obra hidráulica de la humanidad ya que el hombre necesitó hacer
excavaciones para conducir el agua desde los ríos hasta sus zonas de vivienda, cultivo o pastoreo. El material excavado
era depositado a los lados de la zanja, dando así lugar a los diques. Posteriormente, el hombre vio cómo, colocando el
material dentro del cauce de los ríos, podía construir presas y dar lugar a embalses para almacenar agua durante el
invierno y suplir sus necesidades en épocas de sequía.
Las presas de mampostería no cementado se construyeron desde el año 4000 a.C. y se tiene conocimiento de obras
de riego que datan del 3200 a.C. atribuidas al Faraón Menes, fundador de la Dinastía Egipcia. En Holanda se han
construido diques desde el año 2000 a.C. para protegerse de los ataques del Mar del Norte. Posteriormente, los
egipcios, no contentos con las posibilidades de riego y navegación que les ofrecía el río Nilo, abrieron grandes canales
para unir al Mar Rojo con el Mediterráneo, cuyas aguas usaban para irrigación de sus campos.
Durante el Imperio Romano (siglo V a.C. – siglo V d.C.), al lado de los centros urbanos se desarrollaron embalses
de suministros, acueductos, canales, bocatomas, presas de mampostería, carreteras, puentes y el arco como
elemento estructural. Solo hasta la edad media se empieza a hacer un desarrollo más teórico de la hidráulica.
Como se ve, el desarrollo de la Hidráulica como tal, está muy ligado al florecimiento de la cultura humana; su aplicación
empírica data de la más remota antigüedad. En cambio, el origen de la hidráulica científica o teórica, puede situarse en el
descubrimiento del principio de Arquímedes, (287 a 212 a de J.C.), y las leyes sobre flotación derivadas por este
geómetra y matemático griego.
Ya en el siglo XVI (Renacimiento) se desarrollaron los principios de la hidráulica con científicos como Keppler y
Torricelli. Alrededor del año 1800 Newton, Bernouilli y Euler perfeccionaron dichas teorías.
El primer modelo físico hidráulico fue construido en el año 1795 por el ingeniero Luis Jerónimo Fargue sobre un
tramo del Río Garona (España). En el año 1885, Reynolds construyó un modelo del río Merssey, cerca de
Liverpool. El primer laboratorio hidráulico fue fundado en Dresden (Alemania), en 1891, por el Profesor Engels.
En la época moderna y con la revolución industrial (siglos XVIII y XIX) aparecen las termoeléctricas y después las
hidroeléctricas. Ya en la época contemporánea (siglo XX) se proyectan grandes embalses y centrales
hidroeléctricas, centrales nucleares y maremotrices.
La época dorada de las investigaciones con modelos físicos para obras hidráulicas en el mundo, transcurrió entre las
décadas de los treintas y los sesentas del siglo XX. En la década de los setenta, la modelación física dio paso a los
modelos matemáticos que resultaron muy favorecidos por la llegada de los computadores personales en la década
de los ochenta, facilitando la expansión de este tipo de herramientas. La modelación física es ya una actividad
rutinaria que en Europa y Norteamérica está actualmente limitada a casos muy específicos debido a su alto costo.
Países del tercer mundo cuentan con laboratorios y personal preparado para suplir sus necesidades de modelación
física, especialmente para proyectos de gran envergadura.
Desde finales del siglo XX, la nueva moda es la hidroinformática en que las herramientas computacionales han
agilizado los procedimientos mecánicos y han permitido la concepción y ejecución de grandes proyectos. Por
ejemplo, no es raro hablar de presas de diversos materiales y alturas de 335 m como es Rogún en Tajikistán, de
vertederos evacuando caudales del orden de los 62.200 m3/s como es el de la CHE de Itaipú (Brazil - Paraguay) y
embalses tan grandes como el de las Tres Gargantas en China con áreas de inundación de 632 km2 de donde se
tomará el agua para generar 18.2 millones de KW. La presa de este proyecto, empezada a construir sobre el río
Yangtze en 1993 y cuya finalización se espera para el año 2009, será la presa mas larga y alta del mundo.
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Los múltiples usos de grandes volúmenes de agua requieren de una planificación total, para lograr conservar y
optimizar el aprovechamiento de los recursos hidráulicos.
Referencias:
http://www.infoplease.com/ipa/A0113468.html
http://www.cnn.com/SPECIALS/1999/china.50/asian.superpower/three.gorges/
http://poseidon.unalmed.edu.co/PARH/Lab_hca/historia.html
http://www.planetaorganico.com.br/enhistor.htm.
Jacques J. P. The Role of Practitioners. IAHR. Newsletter 2. Volume 19.2002.
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3. Clasificación de las estructuras hidráulicas
3.1 Según su función
3.1.1 Estructuras de contención.
Mantienen un desnivel entre aguas arriba y aguas abajo. Son en general presas que interceptan la corriente de los
ríos en los cañones o valles fluviales elevando el nivel de aguas arriba y generando un embalse en el vaso
topográfico natural.
Figura 3.1. Presa de contención.
Novak, P., Moffat, A.I.B., Nalluri, C. y Narayanan, R. 1990.
3.1.2 Estructuras de regulación.
Deben controlar la acción erosiva de las corrientes en el fondo y orilla de los cauces.. Las estructuras reguladoras
no crean como regla general embalses sino que actúan sobre la dirección y la magnitud de las velocidades de flujo.
Pueden pertenecer a este grupo los diques, las baterías de espolones, los azudes, etc. Además de su función
protectora pueden garantizar las profundidades y condiciones necesarias para navegación y flotación de maderas,
crear condiciones para captación de aguas en los ríos, ganar tierras al mar, etc.
1.
2.
3.
4.
5.
Banca del río
Dique
Espolones
Traviesas
Presas de cierre
Figura 3.2. Obras de regulación de cauces.
Novak, P., Moffat, A.I.B., Nalluri, C. y
Narayanan, R. 1990.
3.1.3 Estructuras de conducción del agua.
Transportan el agua de un punto a otro, o unen dos fuentes de caudales.
· Canales: cauces artificiales hechos en el terreno superficial y funcionando por gravedad.
· Tuberías: conducciones que funcionan a flujo libre o a presión. Su construcción implica la desmantelación de las
capas superiores del terreno y son preferibles a un canal en topografías difíciles o con vegetación tupida.
· Túneles: conducciones que funcionan a flujo libre o a presión. No producen el desmantelamiento de las capas
superiores del terreno y se usan en topografías de alta montaña.
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Figura 3.3 Conductos con flujo a
presión y flujo libre.
Azevedo N., J. M. y Acosta A., G.,
1975.
3.1.4 Estructuras de evacuación de aguas de exceso
Son los vertederos, rebosaderos o aliviaderos que sirven para evacuar el agua sobrante en forma controlada durante
épocas de creciente. En algunos casos estas estructuras se construyen en el cuerpo de la presa y en otras
separadamente.
Figura 3.4. Vertederos de rebose.
Novak, P., Moffat, A.I.B., Nalluri, C. y
Narayanan, R. 1990.
3.1.5 Obras de toma de agua.
Captan el agua para conducirla al sitio de consumo.
Figura 3.5. Bocatomas.
Novak, P., Moffat, A.I.B., Nalluri, C. y
Narayanan, R. 1990.
3.1.6 Obras de disipación de la energía del agua.
Tienen por fin amortiguar el poder erosivo del agua evitando su acción destructora. Pueden ser las canaletas
amortiguadoras, salto de trampolín sumergido, salto de squi, bafles, etc.
6
Figura 3.6.
Disipadores de energía.
Novak, P., Moffat, A.I.B.,
Nalluri, C. y Narayanan, R. 1990.
3.1.7 Estructuras hidráulicas especiales
Sirven a uno o varios sectores de la economía hidráulica pero no a todos. Están aquí incluidos los edificios de
centrales hidroeléctricas, pozos de carga, almenaras, esclusas navegables, elevadores de barcos, muelles,
sedimentadores, redes de distribución para riego o drenaje, colectores, estaciones de bombeo, plantas de
tratamiento, pasos para peces, etc.
Figura 3.7.
Pasos para peces.
Novak, P., Moffat, A.I.B., Nalluri, C.
y Narayanan, R. 1990.
3.2 Estructuras principales, auxiliares o temporales
3.2.1 Estructuras principales
Garantizan el trabajo normal del nudo hidráulico para cumplir con la función para la cual fue proyectado: presa,
vertedero, bocatoma, disipador de energía.
3.2.2 Estructuras auxiliares
Son necesarias para realizar la operación de las principales. A estas corresponden los campamentos, talleres, vías
terrestres, acueductos, iluminación, telecomunicaciones, etc.
3.2.3 Estructuras temporales
Necesarias mientras se construyen las principales: son las ataguías y conducciones de desvío.
3.3 Según su localización en el sistema fluvial
Las estructuras pueden estar localizadas en el curso alto, medio o bajo de un río. Según la altura de carga que crean
en el río se llaman también de alta, media o baja presión.
3.3.1 Estructuras en el curso alto
Generan por lo regular cargas o presiones altas, donde la altura sobrepasa los 40 metros. Se dan en cañones
estrechos, con buenas cimentaciones; las presas son rígidas; altas y esbeltas, y los embalses pequeños y profundos.
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PLANTA 1. Presa
4. Bocatoma
7. Túnel auxiliar 10. Cámara de válvulas
Pre-ataguía
5. Túnel de desviación
8. Túneles rebosadero
3. Ataguía
6. Galería de desviación 9. Túnel de carga 12. Cantera de roca
7
2.
Figura 3.8. Planta de la zona de presa. Central hidroeléctrica del Guavio. EEEB.
3.3.2 Estructuras en el curso medio
Generan cargas o alturas de presión medias con alturas desde 8 a 40 metros. Los ríos corresponden a zonas
meándricas y entrenzadas, con cañones amplios y sedimentación en los cauces. Los embalses son medianos y
grandes, las subpresiones son apreciables. Las presas son por lo regular de gravedad y de tipo flexible.
3.3.3 Estructuras de cauce bajo
En ellas el nivel normal de contención no sobrepasa los 8 metros. Las presas son de tipo rígido en concreto
reforzado; las subpresiones son altas, los vertederos van incorporados a la estructura principal de contención, los
valles son aluviales y bastante amplios.
8
Figura 3.9. Río Mississippi en Mineapolis.
4. Sistema fluvial
El sistema fluvial está conformado por la franja por donde transcurre un río desde que nace hasta que muere en el
mar, un lago o en otro río. Por simplicidad y conveniencia el sistema fluvial se ha dividido en tres zonas por las que
pasa un río al menos una vez a lo largo de su recorrido, (Figura 1.):
• La zona 1 o curso alto, de montaña o de juventud de un río. Corresponde a la parte más alta de la cuenca
hidrográfica en donde se originan el caudal y los sedimentos. Está caracterizada por tener fuertes pendientes,
velocidades altas y caudales bajos. El cauce transcurre por relieves escarpados y estratos rocosos principalmente. La
energía del río se consume en profundizar el cauce.
• La zona 2 o curso medio, de madurez de un río. Es la de transferencia o transporte de agua y sedimentos de la
zona 1 a la zona 3. La energía del río se consume en profundizar y ampliar el cauce. El río forma meandros y
entrenzamientos.
• La zona 3 o curso bajo, aluvial o de vejez de un río. Corresponde a la parte baja en donde el sedimento se
deposita. Se caracteriza por tener pendientes bajas, velocidades bajas y altos caudales. El cauce transcurre en
estratos aluviales de gran espesor. La tendencia del cauce es a ampliarse.
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Figura 4.1. Sistema fluvial. Adaptada de Schumm.
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5. Recursos hidráulicos y su aprovechamiento de las obras hidráulicas
El agua es vital para todos los procesos de la supervivencia y el desarrollo. De allí la importancia de las estructuras
hidráulicas, que correctamente proyectadas, diseñadas y construidas permiten el mejor aprovechamiento de los
recursos hídricos poniéndolos en función de las necesidades del hombre y su entorno.
Los recursos de agua sobre la tierra son colosales, habiendo sido estimados en 1385 Millones de Km3 considerando
el volumen total de agua sobre la tierra (Marín, R. 1992). Este volumen de agua se encuentra distribuido así:
• Agua salada 97.5% (1350 MKm3)
3
Total 1385 M Km
100%
• Agua dulce 2.5% (35 MKm3)
·En cascos polares y glaciares 69.55 % (24.4 MKm3)
· En aguas subterráneas
30.11 % (10.5 MKm3)
· En ríos y lagos
0.30 % (105710 Km3)
· En la atmósfera
0.04 % (12900 Km3)
El caso de Colombia es privilegiado a nivel mundial ocupando el cuarto lugar en riqueza hídrica después de la exUnión Soviética, Canadá y Brasil. Colombia tiene mas de 16000 cuerpos de agua que proporcionan un volumen de
25000 Mm3.
Colombia, de su perímetro total de 9242 Km. tiene una tercera parte sobre costas distribuidas así: 1700 Km. de
costas en el mar Caribe y 1300 Km. en el Océano Pacífico. Así mismo, Colombia ejerce jurisdicción en mar
territorial sobre 988.000 Km2 (lo que representa el 87% del país en tierra firme).
En cuanto a precipitación se tienen los siguientes promedios:
Colombia
3000 mm/año
América Sur
1600 mm/año
Promedio mundial 900 mm/año
Colombia tiene una extensión total de aproximadamente 1´141,748 km2, que constituye el 0.77% del área
continental de todo el globo y aporta el 4% de la escorrentía total. Considerando una evaporación media en
Colombia de 1150 mm/año, la escorrentía resultante es de 1850 mm/año, equivalente a 66978 m3/s.
5.1 Usos del agua en Colombia
El consumo de agua en Colombia se estima en 3284 m3/s, que representa un total del 5% de la escorrentía total
disponible de 66978 m3/s, según el libro “Estadísticas sobre el Recurso Agua en Colombia” publicado por el
HIMAT en 1992 y cuya autoría es del Ing. Rodrigo Marín Ramírez. A continuación se resumen algunas de estas
estadísticas:
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a. Consumo humano (100 m3/s)
Para 1991 se consideraba que la población contaba con un 61% de cubrimiento en servicios de acueducto y con un
43% de cubrimiento en alcantarillados. Esta cobertura se resume a continuación para 1987.
Tabla 5.1. Cobertura de servicios de acueducto y alcantarillado. Marín R. 1992.
Tipo de población
Acueducto %
Alcantarillado %
Grandes ciudades
96.0
76.3
Intermedias
71.9
53.9
Menores
62.7
48.0
Pequeñas
52.1
35.5
Rurales
26.8
13.4
b. Consumo agrícola (1000 m3/s)
Del total del territorio colombiano, se tienen 6.6 Mhas con vocación agrícola inmediata. Solo 750473 has (11.4%)
tienen adecuación de riego o drenaje. El 38% del total en adecuación son realizaciones estatales y el resto (62%)
realizaciones del sector privado. Aproximadamente el 40% del área adecuada en Colombia corresponde a los
Departamentos del Valle del Cauca y Tolima. A continuación se dan algunos datos del inventario nacional de áreas
con riego (cifras de 1991).
Tabla 5.2. Extractos del inventario nacional de áreas de riego. Marín, R. 1992.
Departamento
Amazonas
Atlántico
Cauca
Nariño
Tolima
Valle del Cauca
SI: sin información
Sector público (ha)
SI
24618
SI
SI
55790
10700
Sector privado (ha)
SI
1206
34496
40
25700
202113
Área total (ha)
SI
25824
34496
40
81490
212813
Tabla 5.3. Riego en Colombia y otros países. Marín, R. 1992.
País
Surinam
Perú
Chile
Ecuador
Colombia
Argentina
Brasil
Tierras cultivadas (miles
de ha)
47
3430
5828
2615
5600
35000
40720
Tierras regadas
(miles de ha)
32
1180
1320
520
295
1540
1100
Porcentaje
68.1
34.4
22.6
19.9
5.3
4.4
2.7
c. En la industria y termoenergía (184 m3/s)
El consumo de agua por la industria es de 40 m3/s. El agua dulce usada en termoeléctricas es 96 m3/s y la de mar es
48 m3/s. El 90% del agua captada por las termoeléctricas se usa en refrigeración. La termoenergía aportaba en 1989
una capacidad nominal de 1709 MW.
d. Hidroenergía (2000 m3/s)
El potencial hidroeléctrico técnicamente aprovechable estimado es de 93.085 MW que serian obtenidos en 308
sitios considerando centrales de mas de 100 MW. Finalizando 1990 el país contaba con una capacidad instalada de
12
8370 MW. Esta cifra significa un 9% del potencial total. El potencial total instalable esta distribuido en 6 regiones
que cuentan con los siguientes recursos:
Tabla 5.4. Potencial hidroenergético instalable por regiones. Inventario Nacional de Recursos
Hidroeléctricos. 1979.
Región
Magdalena-Cauca
Orínoco-Catatumbo
Sierra Nevada-Guajira
Atrato-Sinú
Vertiente del Pacífico
Amazonía
Total
Número de proyectos
132
79
10
10
44
33
308
Capacidad (MW)
35478
27324
631
5556
12078
12018
93085
Tabla 5.5. Ejemplos de proyectos hidroeléctricos en Colombia.
Adaptada del Inventario Nacional de Recursos Hidroeléctricos. 1979.
Región
I
Nombre
Betania *
Florida II *
Julumito ***
Salvajina *
La Miel *
Guavio **
Urrá I ***
Micay ***
II
IV
V
* Terminado
** Terminado en primera fase
*** Estudios
PP: pie de presa
AC: alta caída
Capacidad
MW
667
24
53
180
375
1600
710
352
Caudal
m3/s
445
213
39
142
160
72
282
295
Volumen útil
Mm3
1050
50
620
600
976
14300
400
Caída neta
m
69
110
125
92
209
1091
135
92
Tipo de
proyecto
PP
AC
AC
PP
AC
AC
AC
PP
e. Navegación fluvial
El país cuenta con 9 cuencas hidrográficas:
Ríos con navegación comercial
Magdalena
Amazonas
Orinoco
Atrato
San Juan
Ríos con navegación menor
Patía y Mira
Baudó
Sinú
Catatumbo
Se considera que en Colombia existen 18144 km de vías navegables, de las cuales el 37% de su longitud pertenece a
la intendencia fluvial del Orinoco.
f. Recreación
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El mayor aprovechamiento turístico se encuentra en los grandes embalses o represas naturales o artificiales tales
como: Tota, Cocha, Cumbal, Calima, Prado.
Tabla 5.6. Resumen de la inversión en el desarrollo de los recursos hídricos. Marín R. 1992.
Proyecto
Hidroenergía
Acueducto y alcantarillados
Riego y drenaje
Obras hidráulicas
Conservación de cuencas
Reglamentación y control
Hidrometeorología
Recursos hidrobiológicos
Regulación de corrientes
Embalses
Aguas subterráneas
*Año de 1990
US$ Millones *
656
352
47.5
12.9
11.6
5.5
4.7
4.2
2.3
0.4
0.1
%
60.0
32.2
4.34
1.18
1.1
0.5
0.4
0.38
0.21
0.04
0.01
El siguiente mapa resume aproximadamente el consumo del recurso agua en los diversos sectores de la economía
hidráulica en Colombia. Este mapa muestra un consumo total aproximado de 3.500 m3/s, lo que representa un 5%
de la escorrentia total disponible que es de aproximadamente 66.000 m3/s.
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CONSUMO HUMANO
PRINCIPALES CIUDADES
MA
RC
AR
IBE
42
m³ /seg
URBANO
85
m³ /seg
RURAL
15
m³ /seg
OCEANO PACIFICO
VENEZUELA
40
m³ /seg
CONSUMOS
1000
m³ /seg
CONSUMOS
CONSUMO INDUSTRIAL
CONSUMO AGRICOLA
BRASIL
ECUADOR
AGUA DULCE
96 m³ /seg
AG.SALADA
48 m³ /seg
PERU
20000
TERMOENERGIA
2000
m³ /seg
HIDROENERGIA
millones
de m³
CONSUMO RACIONAL
CONSUMO DE ENERGIA ELECTRICA
Figura 5.1. Consumo del agua en los diversos sectores en Colombia. (m3/s). Marín R. 1992.
6. Problemática del recurso agua
El suministro de agua es constante a los largo del tiempo, no así la demanda que aumenta de día a día por el
crecimiento poblacional. Afortunadamente, el suministro de agua no es estático sino que existe un reciclaje natural
dado por el ciclo hidrológico. Otro problema radica en que la distribución del agua sobre el globo terráqueo es
desigual en el tiempo y en el espacio variando en cantidad y calidad. De ésto se infiere la necesidad de proyectar las
obras de ingeniería necesarias para lograr el mejor aprovechamiento de las aguas, buscando su encausamiento y
evitando la acción erosiva.
La Nación Colombiana se ha visto afectada por problemas naturales y que tienen origen en:
1. Desastres naturales de origen hidrometeorológico
1.1. Sequía y estaciones secas
1.2. Desertificación
1.3. Inundaciones
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2. Deterioro y contaminación de las aguas causado porque son incapaces por si mismas de absorber y neutralizar
los efectos de las descargas de aguas contaminadas.
2.1. Desagües de aguas negras e industriales
2.2. Descargas sólidas y radioactivas.
2.3. Zonas de alta concentración de agroquímicos
2.4. Derrames de hidrocarburos
2.5. Transporte de sedimentos
2.6. Catástrofes naturales o inducidas
7. Datos necesarios para hacer la concepción del proyecto de un nudo hidráulico
Las obras hidráulicas que se eligen para un emplazamiento (presa, embalse, vertedero, toma, etc.) dependen
principalmente de las condiciones topográficas, hidrológicas, climáticas y geológicas.
Cuando se puede utilizar mas de un tipo de estructura hidráulica, se realizan presupuestos económicos de las
diferentes alternativas, y teniendo en cuenta factores técnicos, ambientales y sociales, se escoge la más ventajosa.
La seguridad y el correcto funcionamiento de las estructuras son los requisitos indispensables, pero a menudo la
selección final se ve afectada por las comparaciones económicas, el impacto ambiental y el tiempo necesario para la
construcción.
Para hacer la proyección de un nudo hidráulico se requiere de recolección de información y de investigaciones
previas que en la mayoría de los casos resultan costosas y largas. En general, se requiere en mayor o menor
magnitud de la siguiente información:
A) Finalidad del nudo hidráulico
B) Clase del nudo hidráulico: marítimo, fluvial, etc.
C) Mapas topográficos y fotografías aéreas
Indican las características de la superficie del valle y la relación de las curvas de nivel con los diferentes
requisitos de las estructuras. Las investigaciones topográficas consisten en la recolección y/o preparación de
mapas topográficos y fotografías aéreas. Las escalas usadas dependen de la magnitud del proyecto y del grado
de precisión requerido. Escalas usuales son: 1:5000 con curvas de nivel cada 5 o 10 m, 1:1000 con curvas de
nivel cada 1 m o topografías más detalladas para la zona de las estructuras. La información topográfica permite:
• Localización general del proyecto.
• Localización de fuentes de agua. Posibilidad de trasvases.
• Determinación de las características de la cuenca hidrográfica: área de drenaje, parámetros morfométricos del
río.
• Localización de obras existentes afectadas por el proyecto.
• Localización posible de oficinas y campamentos.
• Localización de carreteras, ferrocarriles, servicios públicos y posible reubicación de los mismos.
• Localización de estaciones de aforo y muestreo.
• Utilización de la tierra.
• Avalúo catastral de los predios afectados por el proyecto.
D)
Datos Hidrológicos
El estudio hidrológico permite por un lado, determinar las avenidas pasadas y esperadas con el fin de
determinar la cantidad de agua a desviar, la capacidad del vertedero y por otra parte, lleva a determinar el agua
con que se cuenta para el sistema de abastecimiento cualquiera que sea su fin. Datos típicos son:
• Registro de precipitaciones de varias estaciones diseminadas dentro de la cuenca con observaciones diarias
durante varios años.
• Registro de aforos con datos de descargas diarias, mensuales, anuales y caudales máximos durante varios años.
· Estudio de avenidas pasadas y esperadas.
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• Registro de niveles característicos observados en el río.
• Temperatura máxima y mínima
• Intensidad de la evaporación
• Dirección y velocidad del viento
• Espesores de hielo
• Cantidad y calidad de sedimentos.
· Materiales en suspensión
· Carga de lecho o arrastre de fondo. Usualmente se toma un % del anterior por ser tan
difícil su medición
• Estudios sanitarios
• Derecho nacional e internacional sobre las aguas.
E)
Estudios de demanda
Depende del tipo de proyecto:
Abastecimiento de agua para consumo (acueductos)
Generación de energía hidráulica (centrales hidroeléctricas)
Irrigación de campos agrícolas
Drenaje vial, urbano y rural
Control de inundaciones
Hidráulica fluvial
Hidráulica marítima y de costas
Navegación
Máquinas hidráulicas (turbinas, bombas, arietes)
Hidroinformática
Modelación hidráulica e hidrológica
Hidrología de aguas superficiales y subterráneas
Impacto ambiental de obras hidráulicas
Industria
Recreación
Calidad de agua
Tratamiento de agua potable y residual
F)
Datos geológicos
La información geológica determina el tipo y la ubicación mas favorable para las obras principales y auxiliares
teniendo en cuenta sus condiciones de cimentación y de estanqueidad. Los materiales de cimentación condicionan el
tipo de estructura a usarse, pero las limitaciones pueden compensarse con un proyecto adecuado. La geología
colombiana tiene una zona andina fuertemente afectada por movimientos orogénicos y una zona oriental cubierta en
su mayoría por sedimentos recientes. Nuestra geología se caracteriza por una serie de fallas y fracturas que originan
inestabilidad en los taludes y que han sido la causa de graves problemas de construcción y operación de algunas
obras hidráulicas. Usualmente se requiere de la siguiente información:
• Apiques y según la magnitud del proyecto, perforaciones profundas que permitan la determinación del perfil
estratigráfico, de la dirección y buzamiento de las capas, diaclasamientos, etc.
• Análisis de laboratorio para establecer las características físico-químicas de los suelos.
• Análisis de permeabilidad in situ
• Niveles freáticos
• Presencia de materiales perjudiciales (depósitos de sal, calizas)
• Materiales disponibles de construcción (roca, grava, arena, arcilla), características, volúmenes, distancia
de acarreo, canteras.
• Perfil y secciones transversales geológicas
• Zonificación de la tectónica regional.
G)
Estudios sanitarios
Su importancia es determinada por el grado en que la contaminación del agua constituye un limitante en el uso de la
obra propuesta, requiriéndose de análisis físico-químicos y bactereológicos de las aguas de la cuenca de captación.
ESTRUCTURAS HIDRÁULICAS. GENERALIDADES
M. E. GUEVARA
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H) Tiempo y época disponible para la construcción
I) Presupuesto y financiación
J) Investigaciones ecológicas y ambientales
Se debe considerar el efecto de las obras sobre el ambiente tanto aguas arriba como aguas debajo de la zona de
proyecto.
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8. Impacto ambiental de proyectos de aprovechamiento de recursos hidráulicos
La construcción de obras hidráulicas impone la alteración del conjunto de la cuenca hidrográfica en la que se
asienta. Esto supone alteraciones de tipo ambiental que deben ser estudiadas y evaluadas desde el punto de vista
técnico, ambiental y económico.
El estudio de efecto ambiental está orientado a determinar y valorar la trascendencia de las modificaciones
ocasionadas en el medio por la construcción de la obra hidráulica. Preguntas básicas que debe resolver un estudio de
impacto ambiental son:
· Qué elementos constituyen el proyecto ?
· Qué elementos constituyen el ecosistema potencialmente afectado ?
· Cuál será el impacto de las obras sobre los elementos constitutivos del ecosistema ?
· Qué medidas tomar para minimizar o mitigar los efectos ambientales negativos ?
· Qué pasó realmente ?
La información sobre el proyecto incluye:
· Localización
· Descripción del proyecto
· Obras constitutivas
· Estado legal del proyecto
La información ambiental comprende:
· Componente biótico
Fauna
Flora
· Componente abiótico
Suelos
Agua
Aire
Paisaje
· Componente humano
Condiciones de vida de la población
Servicios públicos
Patrones culturales
Recursos históricos
El impacto de las obras sobre el ecosistema se debe evaluar para determinar los efectos directos e indirectos sobre el
ecosistema, especificando si son positivos, negativos o no representan incidencias sobre la zona estudiada.
Referencias:
Azevedo N., J. M. y Acosta A., G., Manual de Hidráulica. Sexta edición. Harla, S. A. de C. V. México. 1975.
Novak, P., Moffat, A.I.B., Nalluri, C. y Narayanan, R. Hydraulic Structures. Unwin Hyman Ltda. London, UK.
1990.
Villamizar C., A. Diseño de Presas de Tierra para Pequeños Almacenamientos. HIMAT. 1989.