1 estudio hidrologico

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MARISA SILVA DAVILA 1

BIBLIOGRAFIA

1. Rocha; RECURSOS HIDRAULICOS; 1993; Colección del Ingeniero Civil; CIP; Perú.2. Linsley y Franzini; INGENIERIA DE LOS RECURSOS HIDRAULICOS; 1967; Edit. Cecsa

3. Linsley, R.; Kohler, M.; Paulhus, J.; HIDROLOGIA PARA INGENIEROS"; Ed. Mc Graw HillLatinoamericana; Bogotá, Colombia, 1977.4. Gupta, Ram; "HIDROLOGY & HYDRAULIC SYSTEMS"; Ed. Prentice Hall; USA; 1989.5. Helweg; RECURSOS HIDRAULICOS, PLANEACION Y ADMINISTRACIÓN; 1992; Ed.Limusa-Noriega Editores; México.6. ___________; "EVALUACION DEL POTENCIAL HIDROELECTRICO NACIONAL";Ministerio de Energía y Minas; Perú; 1979.

ESTUDIO HIDROLOGICO

El estudio hidrológico del proyecto debe proporcionar los siguientes resultados para efectosde diseño y dimensionamiento de las obras:- la disponibilidad espacial y temporal de agua para el proyecto.- el análisis de máximas avenidas- reconocer y cuantificar el transporte de sedimentos.

Los trabajos a realizar para el estudio de disponibilidad hídrica pueden agruparse en dosfases que consisten en el diagnóstico y luego el análisis de la información con laconsiguiente determinación de los parámetros de diseño.

1.- FUENTES DEL RECURSO HIDRICO

Los recursos hídricos disponibles como oferta de agua para proyectos hidráulicos sepueden dividir en los siguientes grupos: precipitación, aguas superficiales, aguassubterráneas, aguas salinas, aguas atmosféricas, recursos provenientes de la prevención ycontrol de la contaminación y de la economía del recurso así como de la reutilización de lasaguas.

a) Precipitación: Los recursos debidos a la precipitación en el país son variados, dada lavariedad de climas y la presencia de la Cordillera de los Andes, la Corriente de Humbold, lacorriente de El Niño y el Lago Titicaca. Ello da lugar a una variabilidad espacial muypronunciada. Los patrones de precipitación existentes en el país son del tipo convectivo enla región de la costa norte y en la selva, y luego del tipo orográfico en el flanco oriental de lacordillera de Los Andes, y también combinaciones de ambos patrones.

Desde el punto de vista de ingeniería las variaciones de la precipitación en el tiempo,

pueden ser más importantes que las variaciones regionales. Un caso es la presencia deavenidas y sequías. Para estas últimas se ha planteado como una posible solución la




estimulación de lluvias. En algunos casos se origina la necesidad de almacenar agua enembalses superficiales para cubrir los periodos de escasez.

b) Aguas superficiales: Estas han sido utilizadas desde el comienzo de la civilización

humana, con el paso del hombre cazador y recolector al hombre agricultor, se hizo necesarioel regadío, luego con la construcción de ciudades el abastecimiento de agua, y con elincremento del comercio y la industria las necesidades de transporte y generación deenergía se resolvieron principalmente usando recursos superficiales.

Sin embargo, el agua superficial representa solamente el 0,009% del agua en la tierra.Además la distribución del agua superficial es también variada en tiempo, y en espacio,estando en muchos casos alejados de los puntos de consumo. Se presenta unaincompatibilidad entre la disponibilidad del agua y las intensidades de población. Ello

debido a razones culturales o de atractivo climático o a restricciones políticas, sociales oeconómicas. Existen muchas cuencas con recursos escasos o limitados, aunque tambiénhay otras cuencas con exceso de agua, que pueden ser utilizadas como cuencas cedentes,requiriéndose la ejecución de proyectos de transvase.

La variación respecto al tiempo es bastante similar a la de la precipitación, pero modificadapor características de los suelos, geológicas y otros factores. El inadecuado uso del recursosuperficial ha dado lugar en algunos casos a problemas de drenaje inadecuado, e incluso aprocesos de deforestación y desertificación. La erosión producida en algunos ríos de fuertependiente ha dado y da lugar a procesos de sedimentación aguas abajo, con el respectivoperjuicio de las obras.

En el caso de la disponibilidad temporal inadecuada se pueden consideraralmacenamientos de agua superficial, algunos de ellos naturales como los lagos y lagunasexistentes, pantanos y puquios, así como embalses construidos por el hombre. Es deresaltar el aprovechamiento de los recursos superficiales como fuente de energía barata y nocontaminante.

En la mayoría de los casos el caudal disponible se mide utilizando una relación de nivel-

caudal. Esta se construye trazando los valores medidos de caudal y los niveles de lasuperficie de agua en el río, al tiempo de realizar el aforo.

c) Aguas subterráneas: Estas representan el 97% del agua dulce disponible se hallancontenidas en formaciones geológicas denominadas acuíferos. Representanalmacenamientos de agua muy grandes, cuya variación de volumen está sujeta a la recargade agua proveniente de la infiltración en el suelo no saturado.

En este caso es necesario superar muchas ideas erróneas respecto al uso del recurso,

pudiéndose incluso considerar el almacenamiento subterráneo como una alternativabastante competitiva con los grandes almacenamientos superficiales sujetos a altas tasasde evaporación.




Debe tenerse precauciones para evitar el peligro de la sobre-explotación y la contaminación.Los contaminantes por lo general se difunden a muy bajas velocidades por lo que los gravesproblemas de contaminación de los acuíferos son detectados en algunos casos tardíamente.

d) Aguas salinas: Estas son una solución en zonas áridas de escasos recursos hídricos. Enestos casos debe controlarse su calidad en cuanto al contenido de sales, a mayor aridez dela zona se encuentra mayores contenidos de sal. Los bicarbonatos y sulfatos de Calcio ymagnesio son los más nocivos, inutilizando las aguas que lo contienen.

Se ha considerado en algunos casos el empleo de desalinizadoras basadas en diversosprincipios, aunque su costo es elevado. Se plantea en algunos casos su uso sin desalinizarpara el uso de inodoros.

El agua de mar también representa una fuente de energía a través de las mareas.

e) Aguas atmosféricas son nieblas condensadas, que vienen siendo utilizadas en las lomascosteras utilizando atrapanieblas de polipropileno.

f) Otros recursos: Hay que destacar los recursos provenientes de la prevención y control dela contaminación, debiendo entenderse y difundirse que cuidar es aumentar el recurso.

La economía en el consumo es también una manera de aumentar el recurso hídricodisponible, aumentar la eficiencia de almacenamiento, conducción y distribución de losproyectos redundará en una mayor cantidad de agua disponible para el consumo. Por ellose recomienda la reducción de fugas y desperdicios y de las pérdidas por evaporación.

La reutilización de las aguas o el uso de aguas servidas, previamente tratadas, es unaalternativa recomendable por dos razones: para incrementar el agua disponible y para darsalida no contaminante a las aguas servidas.

En general, se debe concluir que dada la limitación de los recursos hídricos y su inadecuada

disponibilidad en tiempo y espacio, es urgente tomar conciencia de la exigencia de su usoracional.2. FASE DE DIAGNOSTICO

En esta fase se selecciona las estaciones hidrometeorológicas dentro del ámbito delproyecto, cuya información será utilizada para cumplir los fines del estudio. Posteriormentese selecciona, revisa y prepara la información para la siguiente fase.

Contemplando esta fase del estudio se presentan por lo general los siguientes planos y

cuadros:. Plano de ubicación del Proyecto - escala 1:1000000.




. Plano de ubicación de las estaciones hidrometeorológicas, aquí se delimitan las cuencasde interés, indicando claramente la red fluvial, las divisorias de aguas y puntos geográficosnotables - Escala 1:100000. Plano de ubicación del esquema hidráulico - Escala 1:50000

. Plano de zonas de vida del ámbito del proyecto mostrando los puntos de interés - Escala1:50000. Cuadro que permita la visualización del estado de las estaciones hidrometeorológicas,indicando su ubicación tanto política como geográfica, el tipo de información proporcionada,año de instalación y período de funcionamiento, tiempo de operación y período analizado.

a) Se hace una recopilación documental y estadística de toda la información existente dentrode la zona del proyecto. Se recopila la información pluviométrica, evaporación ehidrométrica existente (media y máxima), correspondiente a la cuenca en estudio.

b) Se analiza la consistencia de la información hidrometeorológica con la finalidad de tenerun banco de datos histórico homogéneo y válido para el análisis siguiente. Se debe haceruso de las técnicas estadísticas adecuadas, comprendiendo las siguientes fases:

- Análisis gráfico, se visualizan los hidrogramas con la finalidad de detectar lapresencia de saltos y/o tendencias.

- Análisis de doble masa, para verificar la homogeneidad de la información eidentificar la presencia de quiebres. La curva de doble masa se traza graficando valoresanuales en cada estación versus los valores de una estación índice de validez demostradaen estudios previos.

- Análisis estadístico, que permita analizar la significancia de los quiebres y lacorrección de la información en caso necesario.

c) Las series incompletas de información a nivel mensual valiosa - principalmenteprecipitación, evapotranspiración, y caudales- deben ser completadas y extendidas paraobtener un conjunto de datos homogéneo y consistente.

Un problema común en los estudios hidrológicos es encontrar registros hidrométricos de

corta longitud en el punto de interés de un proyecto hidráulico. Esto resta confiabilidad en losresultados obtenidos a partir de ellos, puesto que la estadística aplicada a la Hidrologíaseñala que mientras la muestra de eventos disponible sea de mayor longitud, mayor será laconfiabilidad en las apreciaciones que se hagan sobre ellas.

En la mayoría de cuencas hídricas del país las series de registros son muy cortas oinexistentes, por lo que se hace necesario extrapolar los registros existentes o estimarlos enbase a datos de cuencas con registros. Estos caudales serán representativos siempre ycuando se haya elegido para la extensión una cuenca con características similares. Es

necesario entonces determinar de todas las cuencas de la región que cuentan con registros,cual es la más representativa y verdaderamente refleja las condiciones reales de la cuencaestudiada.




En el desarrollo de un proyecto hidráulico es muy importante la determinación del recursohídrico para asegurar la representatividad de la serie de caudales predicha respecto a laexperimentada durante la vida económica del proyecto. De ser inadecuada la serie prevista

podrían producirse pérdidas económicas cuantiosas, capaces de inhabilitar todo elproyecto; y aún más, pérdidas de vidas humanas.

d) Los estudios de precipitación involucran la elaboración de mapas de isoyetas anuales.Esto permite definir claramente el patrón de precipitaciones y su variabilidad paracaracterizar la ocurrencia de fuentes de agua.

Se analiza la variabilidad de precipitaciones en tiempo y espacio y se determina la

precipitación media en las cuencas de interés.

Esta información podrá ser utilizada para generar caudales en los puntos de interés que nocuenten con registros.

e) Se realizan los estudios de evaporación, evapotranspiración y climatología. Para ello sehace un estudio comparativo de métodos de cálculo de evaporación de embalses y secalculan las series de evapotranspiración correspondientes. Se hace un análisis climáticogeneral.

f) Se debe realizar una visita de campo de campo inicial para observar el estado y situaciónde las estaciones disponibles, así como para determinar las características generales de lascuencas situadas en el área del proyecto. Además se deben realizar visitas mensuales encondiciones normales y quincenales en periodos de avenidas, para realizar los aforos en lospuntos de interés asi como las mediciones directas de transporte de sedimentos.

3.- FASE DE ANALISIS DE INFORMACION Y DETERMINACION DE PARAMETROSDE DISEÑO

En esta fase se utilizará la información consistente, homogénea, debidamente completada yextendida en las estaciones utilizadas para analizarla con los fines del estudio a fin dedeterminar los parámetros de diseño requeridos. Esta fase comprende las siguientestareas:

a) Estudio de disponibilidad del recurso hídrico

Se analizan las fuentes de agua superficiales y se revisa la información hidrométricarestituyendo la información al régimen natural. Se genera información en los puntos de

interés que no cuentan con registros.Para generar información se revisa la posibilidad de hacer una transposición de caudalespor relaciones de áreas y precipitaciones, considerándolas como subcuencas. En caso de




no ser adecuado este procedimiento se procede a generar información hidrométricautilizando la información pluviométrica y de evapotranspiración.

Se miden los en los puntos de interés que no cuenten con registros. Para ello, se instalan

miras para el control de niveles en los puntos de interés, que permitirán tener los niveles anivel diario. Con aforos realizados durante las visitas de campo se obtendrá las curvas degasto, lo cual, en conjunto, permitirá tener los caudales a nivel diario, con fines deverificación.

Con fines de tener la información disponible para una posible simulación posterior delsistema se puede analizar también los caudales correspondientes así como la posibilidadde derivaciones de cuencas vecinas.

Se determina la disponibilidad del recurso hídrico utilizando las series de caudalesmensuales completadas y extendidas, con la finalidad de obtener los valores con lapersistencia requerida en el punto de toma del proyecto, usando las curvas de duración.

La curva de duración de caudales, llamada también de persistencia, indica el porcentaje detiempo en que el caudal es igual o mayor a un determinado valor. Generalmente se presentaesta curva en un gráfico con las magnitudes como ordenadas y los porcentajes de tiempocomo abscisas. A partir de ella se pueden obtener los caudales garantizados en diferentesporcentajes de tiempo. Así, por ejemplo el caudal garantizado al 75% o de 75% depersistencia es el caudal igualado o excedido el 75% del tiempo.

La forma de la curva de duración tiene gran dependencia con el período de tiempo deobservación usado en el análisis. Los datos medios diarios darán lugar a una curva másempinada que los datos anuales en la medida que estos últimos tienden a alisar lasvariaciones existentes en el intervalo de un día. La curva de duración indica la disponibilidady también la variabilidad de los recursos de agua, permitiendo visualizar rápidamente lascaracterísticas del escurrimiento.

Para evaluaciones cuantitativas útiles es necesario construir la curva de duración en base a

la descarga media diaria con fines de proyectos hidroenergéticos o de abastecimientopoblacional, aunque para proyectos de riego puede ser suficiente trabajar en base adescargas mensuales. El caudal de diseño de las obras de derivación, en proyectos sinregulación, se considera como el valor garantizado el 90 o 95% del tiempo para proyectoshidroenergéticos o de abastecimiento poblacional, y el 70 o 75% para proyectos de riego.

La bibliografía menciona como defecto de la curva de duración, el no presentar elescurrimiento en su secuencia natural en el tiempo, lo cual limita su aplicación en la

determinación de capacidades de almacenamiento a estudios preliminares.

b) Caracterización hidrológica y balance hídrico




Se analizará las características de relieve, suelo, vegetación, geológicas e hidrogeológicaspara realizar el balance hídrico en toda el área de influencia del proyecto, precisandocuantitativamente: precipitaciones, posibles aportes de otras cuencas, tanto a nivelsuperficial como subterráneo; salidas hacia otras cuencas; derivaciones existentes y

futuras; y variaciones de los almacenamientos.

c) Operación de embalses de regulación

En el caso de presentarse necesidades de regulación, primeramente se caracterizan losembalses requeridos, definiendo sus características y las particularidades de la cuenca encuanto a sus aportes hídricos: factor de escurrimiento y evaporación anual.

Se debe determinar el volumen útil o capacidad mínima del reservorio para satisfacer los

requerimientos del proyecto, también se puede determinar el rendimiento o descargaconstante a la salida del embalse para una capacidad dada. Para este fin, se pueden utilizarlos análisis de la curva masa, o de la curva masa residual, o una simulación de la operación.

En algunos casos se hace necesaria la simulación de operación del sistema, especialmenteen proyectos de uso múltiple con uno o más repertorios. Mediante esta simulación sedeterminan las capacidades recomendables en los embalses del proyecto, para producir elmáximo rendimiento disponible en el río, o las producciones adecuadas para cada usuario ose analizan las reglas de operación del reservorio. Se pueden hacer gráficos mostrando lacurva de caudales regulados, la curva de regulación y la curva de rendimientos adicionales.

En caso de que la inversión del proyecto lo justifique, se estiman los volúmenes reales deagua disponible en los puntos de interés del sistema, para el periodo de existencia delproyecto, mediante una generación estocástica que preserve los parámetros estadísticos delos valores históricos. De esta manera se pueden determinar las probabilidades deocurrencia durante la vida útil del proyecto, para seleccionar los valores adecuados deacuerdo a los objetivos.

La determinación de capacidad máxima de los embalses se revisará en el análisis de

avenidas.

d) Estudio de Transporte de SedimentosEn las visitas de campo se hace la medición directa del transporte de sedimentos en lospuntos de interés.También se realiza una determinación analítica para estimar el volumen anual de transportede sedimentos en suspensión y por arrastre y total por diferentes métodos concluyendo en elmás apropiado.

Se determinan los parámetros de diseño, principalmente los valores del volumen muerto delos embalses y la forma en que podrían afectar el buen funcionamiento de las tomas.




e) Calidad del agua

f) Recomendaciones para instalar nuevas estacionesDespués de una revisión del estado y equipamiento de las estaciones hidrometeorológicas

dentro del ámbito del proyecto el Consultor recomendará la ubicación de nuevas estaciones,de modo que en el futuro se pueda verificar los parámetros que se asumieron durante losestudios.

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