Embalse de Doña Aldonza, Alto

Actas de las
IV Jornadas de Ingeniería del Agua
Evolución morfosedimentaria de la transformación de
un embalse en un humedal (Embalse de Doña Aldonza,
Alto Guadalquivir) – Estimación de la degradación
específica de la cuenca
Julio Calero, José David Del Moral, F. García-García
Departamento de Geología.
Universidad de Jaén. Campus Las Lagunillas, s/n. 23003 Jaén
Patricio Bohórquez
Departamento de Ingeniería Mecánica y Minera.
Universidad de Jaén. Campus Las Lagunillas, s/n. 23003 Jaén
1. Introducción
El aterramiento de embalses es un proceso producido por la sedimentación continuada de
las partículas que transporta una masa de agua al entrar en contacto con la masa de agua
embalsada. La velocidad de la masa de agua entrante al embalse se reduce drásticamente
perdiendo la capacidad para transportar sedimentos, depositando inmediatamente los
sedimentos más gruesos y distribuyendo los sedimentos de tamaño intermedio por el
vaso del embalse en función de las corrientes del mismo (Cobo et al,. 2008).
Los efectos directos de esta problemática se han descrito a nivel global con una reducción
del 1% anual en la capacidad de almacenamiento de agua en los embalses. El coste de las
actuaciones que se llevan a cabo para minimizar dicha problemática y evitar la
inutilización final de la presa, tales como dragado por succión o actuaciones mecánicas,
afecta tanto a la rentabilidad inicial de la obra como a la explotación de la misma.
En España se ha estudiado la pérdida de la capacidad de acumulación de agua por
aterramiento en 109 embalses, cuya superficie de las cuencas vertientes es el 45% del
área del país. En 98 de ellos se ha demostrado que tienen una pérdida anual inferior al 1%,
estando 12 embalses entre 1-5% de pérdida anual de acumulación de agua por lo que se
3
3
habrían perdido a fecha 2002 4.335 hm sobre un total de 51.653 hm (Avendaño el al.,
2002). Las estimaciones futuras reflejan que hacia el año 2025 se habrán perdido 6.384
3
3
hm sobre 51.653 hm (Cobo el at., 2008) por lo que progresivamente se irá disminuyendo
la capacidad de acumulación de agua de nuestras presas agravando los efectos
comentados anteriormente y aumentando el coste para minimizar dichos efectos.
Los embalses de Puente de la Cerrada, Doña Aldonza y Pedro Marín se construyeron en la
década de los cincuenta del pasado siglo en el curso alto del río Guadalquivir (provincia de
Jaén, Fig. 1) con el doble objetivo de su explotación hidroeléctrica y el abastecimiento de
A.8.
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la demanda de agua para cultivo de regadío. Desde entonces han experimentado un
proceso de aterramiento hasta encontrarse hoy en día colmatados prácticamente en su
totalidad, y transformados en humedales de alto valor ecológico, lo que les ha valido la
catalogación conjunta de zona protegida con la figura de ‘Paraje Natural del Alto
Guadalquivir’. El alto porcentaje de pérdida anual de capacidad del embalse de Doña
Aldonza (4,43% pérdida anual de capacidad según datos de Cobo, 2008), muy por encima
de la media nacional (inferior al 1%), con una merma del 98% de su capacidad original de
3
almacenamiento de agua (22,439 Hm en 1955) ha motivado este estudio dirigido a
analizar la evolución del proceso de aterramiento, las relaciones entre los procesos
erosivos de la cuenca vertiente y la sedimentación en el embalse y, finalmente, discutir los
factores hidroclimáticos y de uso del suelo que han controlado la acelerada sedimentación
en el embalse.
Figura 1. Comparativa visual de los embalses del Alto Guadalquivir entre su estado inicial de
máxima capacidad de almacenamiento de agua en 1956 hasta su situación actual
prácticamente aterrados
A.8.
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2. Métodos y materiales
2.1. Trabajo de gabinete
El trabajo de gabinete ha comprendido dos aspectos: la cartografía geomorfológica a
partir de ortofotografías aéreas y el cálculo de la pérdida de suelo de la cuenca vertiente
del embalse.
(1) La cartografía geomorfológica de la distribución de ambientes deposicionales en
el embalse a partir de una serie de ortofotografías con la ayuda de estereóscopos
de espejos o la herramienta de superposición de imágenes históricas digitalizadas
a la imagen de Google Earth, que abarcan un periodo de 70 años (1945-2010): la
serie A del vuelo Americano (marzo 1945), serie B del vuelo Americano (julio
1956), vuelo Interministerial (1977), vuelo Nacional (marzo 1985), Plan Nacional
de Ortofotografía Aérea (años 1999, 2004 y 2007) y la imagen base del software
Google Earth (octubre 2010). El largo periodo de tiempo sin ortofotografías
comprendido entre 1956 y 1977 ha supuesto una importante limitación para
reconstruir la secuencia de procesos deposicionales pues la notable reducción
areal de lámina de agua observable entre ambas ortofotografías pone de
manifiesto la alta dinámica sedimentaria en el embalse durante ese periodo de
20 años.
(2) La pérdida de suelo en la cuenca vertiente se ha estimado en base al Mapa de
pérdidas de suelo medias anuales correspondiente al Inventario Nacional de
Suelo 2002-2012, Provincias de Jaén (INES, 2004) y Granada (INES, 2007), que
emplearon el modelo RUSLE:
A = R ∙ K ∙ LS ∙ C ∙ P [1]
-1
-1
Siendo A la pérdida de suelo por unidad de superficie y año (t∙ha ∙año ), R la
erosividad de la lluvia, K la erosionabilidad del suelo, LS el factor topografía,
incluyendo el factor longitud de ladera (L) y el factor pendiente (S), C el factor de
cubierta del suelo y P el factor de prácticas de protección del suelo.
2.2. Trabajo de campo
Se realizó una campaña de muestreo de sedimentos en la superficie del embalse
emergida. La estrategia para posicionar los puntos de muestreo estuvo condicionada por
el previo estudio de ambientes deposicionales a partir de las ortofotografías. Las 3
muestras recogidas (JD-01, JD-02, JD-03) son representativas de diferentes ambientes de
depósito y se localizan tanto en las proximidades de la presa (JD-01), como hacia la cola
del embalse, próxima al canal (JD-02) y en la zona lagunar (JD-03) (Fig. 2). La toma de
muestras inalteradas se llevó a cabo utilizando cilindros de aluminio (Eijkelkamp 09.02) 5
cm de diámetro x 5 cm de altura (Fig. 3).
A.8.
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Figura 3. Toma de muestras usando el
cilindro Kopecky
Figura 2. Localización de las muestras
2.3. Trabajo de laboratorio
El análisis mecánico de la fracción tierra fina (< 2 mm) ha seguido el procedimiento
descrito en Soil Conservation Service (1972), separando arenas por tamizado y limo y
arcilla por sedimentación y extracción con pipeta de Robinson. La granulometría de las
arenas se estableció por tamizado mecánico, atendiendo a los siguientes límites de
tamaño de partícula: i) arena muy gruesa: fracción de la tierra fina retenida por el tamiz de
1000 m; ii) arena gruesa: fracción constituida por las partículas de tamaño de grano
entre 1000 y 500 m; iii) arena media: entre 500 y 250 m; iv) arena fina: entre 250 y 100
m; y v) arena muy fina: entre 100 y 50 m. En función de los porcentajes de arena, limo y
arcilla se estimó la clase textural del sedimento según USDA (1998).
La densidad aparente del sedimento se calculó a partir de los cilindros inalterados
tomados en campo, tal como especifican Blake y Hartge (1986). A partir de la densidad
aparente de los sedimentos y del volumen del embalse se calculó la masa de sedimentos
contenida en el mismo. Mediante la siguiente expresión (Avendaño et al., 1993) se calculó
la degradación específica (DE) de la cuenca que se define como la masa de sedimento
2
(SAE, t) acumulada en un embalse (Ae, km ) durante su tiempo de funcionamiento (Tf,
2
años) en relación con la superficie de la cuenca vertiente (Ac, km ):
DE= SAE / Tf · (Ac-Ae) [2]
2
2
La cuenca vertiente del embalse se redujo de 12.477 km a 8.600 km en 1985 por la
construcción aguas arriba del río Guadiana Menor del embalse del Negratín. Esta
corrección se ha tenido en cuenta en los cálculos.
-1
-1
La estimación de la degradación específica (DE, t·ha ·año ) asume que sólo una parte de
-1
-1
la pérdida de suelo de la cuenca vertiente (RUSLE, t·ha ·año ), proporción dependiente
A.8.
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del coeficiente de entrega de sedimentos (CES, %) que representa el porcentaje de
sedimento que sale de la cuenca y viene dado por la siguiente expresión (Glymp et al.,
1954; Bodoque et al., 2011):
CES= DE/RUSLE [3]
3. Resultados
3.1 Evolución histórica de la distribución de ambientes deposicionales
(1945-2010)
El análisis granulométrico (tabla 1) es coherente con el tipo de ambiente deposicional
definido en base a la ortofotografía y el estudio en campo: arcilloso en el caso de los
materiales de decantación (JD-01 y JD-03), y franco limoso -rico en arenas finas y muy finasen el caso de los depósitos de levee (JD-02).
TEXTURA
%Arcilla (<
0.002 mm)
71
CLASE TEXTURAL (USDA)
62
2
franco limosa
22
68
arcillosa
JD-01
% Arena (20.05 mm)
5
%Limo (0.050.002 mm)
24
JD-02
36
JD-03
11
MUESTRA
arcillosa
GRANULOMETRÍA ARENAS
%AF
%AG (1-0,5
%AM (0,5(0,25-0,10
mm)
0,25 mm)
mm)
0,34
0,28
0,73
MUESTRA
%AMG (2-1
mm)
JD-01
0,68
JD-02
0,43
0,25
1,17
17,48
17,11
JD-03
0,15
0,40
0,96
6,06
3,43
%AMF (0,10-0,05 mm)
2,99
Tabla 1. Granulometría de las muestras estudiadas.
Por otra parte, las densidades
aparentes medidas (tabla 2), menores
-3
de 1,40 g cm , son coherentes con
depósitos de granulometría mediafina aún no consolidados.
A continuación se narra la historia de
distribución de ambientes de
sedimentación o depósito en el
embalse (Fig. 4).
A.8.
DENSIDAD APARENTE
-3
MUESTRA
g cm
JD-01
1,32
JD-02
1,24
JD-03
1,26
Media
1,27
Tabla 2. Medidas de densidad aparente de los
sedimentos del embalse muestreados.
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1945
El tramo de río antes de la construcción de la presa muestra un trazado muy sinuoso con un
meandro casi abandonado (futura área lagunar) por un proceso de estrangulamiento (neck
cut-off).
1956-1977
En 1956 se reconocen barras arenosas subacuosas en la desembocadura del Guadalquivir en
la cola del embalse (delta axial). En un proceso combinado de construcción deltaica hacia el
norte y migración lateral del canal también hacia el norte por construcción de barra de
meandro y levee o mota natural arenosa-limosa (muestra JD-02), se produce la
individualización de un área lagunar en el sector oriental del embalse (1977). Algunos
lóbulos de desbordamiento del canal principal se depositan en la laguna durante alguna
avenida ocurrida en este periodo. En el sector occidental del embalse, el Arroyo de la Choza
que vierte al embalse desde el margen norte construye en su desembocadura un delta (delta
transversal) con morfología asimétrica elongado en el sentido del flujo principal que
redistribuye parte del sedimento deltaico. Este delta transversal constriñe la zona embalsada
hacia la presa, donde domina la sedimentación arcillosa de decantación de partículas finas
en suspensión (muestra JD-01).
1977-1985
La zona lagunar de la cola del embalse está desconectada completamente del resto del
embalse que va alargando y estrechando la zona bajo lámina de agua recuperando la
morfología canaliforme característica de un río. La zona lagunar bajo lámina de agua se va
reduciendo por la aportación de los arroyos que vierten a la misma Arroyo de la Minilla
que depositan gran carga de sedimento en forma de pequeños deltas que desplazan la
línea de costa de la laguna hacia el centro de la misma (muestra JD-03).
1985-actualidad
La zona embalsada se ha reducido a la zona lagunar central hacia donde han avanzado los
lóbulos deltaicos formados en la desembocadura de los arroyos (Fig. 5A, B) mientras que
el resto del embalse aparece representado por un canal estable después de una
característica dinámica meandriforme de migración lateral, y limitado por una ancha y
vegetada llanura de inundación (Fig. 5C-E). La zona embalsada ha quedado reducida a un
sector próximo a la presa (Fig. 5F).
A.8.
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Figura 4. Evolución de la distribución de ambientes sedimentarios a lo largo de la historia de
aterramiento del embalse (1945-2010) interpretada a partir de una serie de ortoimágenes
obtenidas a partir de fotografías aéreas restituidas (Fuente: Servicio Cartografía de la Junta
de Andalucía y Google Earth)
A.8.
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3.2 Cuantificación de los procesos de erosión-sedimentación
El valor medio de pérdida de suelo de la cuenca vertiente del embalse estimado por RUSLE
-1
-1
es de 15,7 t·ha ·año . Teniendo en cuenta que gran parte de la cuenca estudiada presenta
usos del suelo de baja intensidad (forestal o de reserva natural, incluyendo el Parque
Natural de la Sierra de Cazorla), supone un valor medio relativamente alto. Un factor
importante para explicar este hecho es la elevada erosión de los suelos de olivar
convencional. Así, los valores medios de pérdida de suelo por municipio (INES, 2004) son
especialmente destacables en las zonas eminentemente olivareras de las comarcas de La
-1
-1
Loma y la Campiña baja: Úbeda (41,9 t·ha ·año ), Villanueva del Arzobispo (78,4 t·ha
1
-1
-1
-1
-1
-1
·año ), Villacarrillo (58,5 t·ha ·año .) o Torreperogil (57,1 t·ha ·año ). Tales pérdidas de
suelo son del orden de las estimadas en olivar convencional por otros autores como
Gómez et al. (2003), Álvarez et al. (2007) o Wanwallenghen et al. (2011).
-1
-1
2
El valor medio de 15,7 t∙ha ∙año , para una extensión de la cuenca de 8.500 km , arroja
6
-1
un total de 13,345∙10 t año . Por otra parte, la masa de sedimento que almacena el
-3
embalse, calculada a partir de una densidad media aparente del sedimento de 1,27 g·cm
3
6
(tabla 2) y el volumen del mismo (23 Hm ) es de 29,2·10 t. La degradación específica de la
cuenca (DE, ecuación 2) estimada a partir de la medida directa del aterramiento es de 46,2
-2
-1
t·km ·año , y el coeficiente de entrega de sedimentos (CES, ecuación 3) es de 3%. Al
asignarse a todo el sedimento del embalse la densidad de los sedimentos superficiales no
compactados donde se realizó el muestreo, la masa de sedimento es infravalorada
respecto a la real, luego los valores de degradación específica y de entrega de sedimentos
estimados se sitúan en la parte baja del rango previsible.
El valor de degradación específica de la cuenca vertiente de Doña Aldonza es inferior a
embalses de áreas montañosas en la vertiente atlántica (Bodoque et al., 2001) e inferior a la
media de los obtenidos en embalses de otras cuencas del ámbito mediterráneo como la del
Segura y Ebro –vertiente pirenaica- (Sanz et al., 1998; 2002), superior a la vertiente
meridional del Ebro (Batalla y Vericat, 2011), y coincidente con los valores obtenidos en
áreas montañosas del sureste peninsular (Bellin et al., 2011).
La equiparación de la degradación específica del embalse estudiado con la obtenida en
embalses de otras grandes cuencas mediterráneas, en vertientes con características
pluviométricas, orográficas-geológicas y de uso del suelo comparables (p.ej. vertiente
meridional de la Cuenca del Ebro) apunta al aspecto hidroclimático, topográfico-geológico y
de uso del suelo como los factores que controlan la degradación específica de la cuenca. El
valor inferior de degradación específica de la cuenca estudiada respecto a cuencas con ríos
de mayor pendiente y menor recorrido (p.ej. Cuenca del Segura) y de cuencas con mayor
pluviometría (vertiente septentrional del Ebro) también apunta al control que sobre el
coeficiente de entrega de sedimentos tiene la orografía y pluviometría. Así, condiciones
hidroclimáticas mediterráneas, donde los ríos tienen baja capacidad de transferir la carga
de sedimento entre sectores de diferente orden dentro de una misma cuenca (Batalla y
Vericat, 2011), el aterramiento de los embalses será favorecido por cuencas de mayor
pendiente y menor recorrido. El análisis cualitativo y cuantitativo de los procesos de
sedimentación en el embalse e, indirectamente, los procesos de erosión en su cuenca
vertiente confirma el protagonismo principal de los arroyos laterales (mayor pendiente y
A.8.
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menor recorrido que el río principal) que vierten directamente al embalse respecto al papel
secundario del principal efluente en la historia de aterramiento de los embalses en la Cuenca
del Guadalquivir, ya apuntado por Viseras et al. (2009). En nuestro embalse, este fenómeno
se plasma en el rápido proceso de acreción deltaica del Arroyo de la Minilla, cuya cuenca
vertiente drena, además, una zona con una tasa media de erosión particularmente elevada:
el olivar sobre materiales margosos del municipio de Torreperogil.
Actualmente, cuando uno de los retos que la Unión Europea plantea a las confederaciones
hidrográficas como la del Guadalquivir, es la reducción de las altas tasas de erosión, debían
considerarse estos estudios a la hora de diseñar planes de deceleración de la erosión e,
indirectamente, del aterramiento de los embalses.
5. Conclusiones
El estudio pone en evidencia la complejidad del relleno sedimentario de los embalses y
confirma la importante contribución que en el aterramiento de los mismos tienen los
arroyos laterales (alta pendiente, corto recorrido) vertientes directamente al embalse en
regiones mediterráneas, así como pone de manifiesto la necesidad de implementar
prácticas efectivas de control de la erosión del suelo en las zonas limítrofes de los
embalses.
Agradecimientos
Este trabajo se integra dentro de los proyectos IBP-0617-0280-29 “Paleohidrología de
inundaciones en la cuenca alta y medio de los ríos Guadalquivir y Segura” y “Modelado
multifásico de procesos de colmatación de embalse: impacto sobre la producción
hidroeléctrica, abastecimiento de agua y riesgos geológicos” financiados por la
Universidad de Jaén-Fundación Caja Rural de Jaén.
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