XSeminarioSostenibilidad-Medellin-WalterSilva-19 …...Puerto Rico “La Isla del Encanto” Title...
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Modelación Hidráulica para la Extracción Sostenible de Agregados para Construcción provenientes de Ríos Aluviales Dr. Walter F. Silva Araya Catedr á tico Departamento de Ingeniería Civil y Agrimensura Recinto de Mayagüez Universidad de Puerto Rico Francisco Rodríguez Santos Bachiller en Ingeniería Ambiental Estudiante de Maestría en Ing. Civil. Recinto de Mayagüez Universidad de Puerto Rico
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ModelaciónHidráulicaparalaExtracciónSostenibledeAgregadosparaConstrucción
provenientesdeRíosAluviales
Dr. Walter F. SilvaArayaCatedráticoDepartamento de Ingeniería Civil y AgrimensuraRecinto de MayagüezUniversidad de Puerto Rico
Francisco Rodríguez SantosBachiller en Ingeniería AmbientalEstudiante de Maestría en Ing. Civil.Recinto de MayagüezUniversidad de Puerto Rico
Agenda1. PuertoRico2. Balancedesedimentos yefectos deextracción de
materiales en losríos3. Problemática actual4. CasodePuertoRico5. ¿Qué entendemos porextracción sostenible?6. Metodología propuesta7. Modelo paratransporte desedimentos8. Simulación deoperaciones deextracción9. Casodestudio10. Conclusiones
PuertoRico
• Menor delasAntillas Mayores• Incluye dosislas más:ViequesyCulebra• Tercera isla más grande delosEstados Unidos• 580kmdecosta• Area:9,104km2
Hidrografía dePuertoRico• Ríosquedrenan hacia elnorte:
– GrandedeLoíza(65km)– Bayamón(40km)– LaPlata(80km)– GrandedeArecibo(55km)
• Ríosquedrenanhaciaelsuryoeste:– Culebrinas(45km)– GrandedeAñasco(65km)– Guanajibo(36km)
• Tiene15lagos,todosconstruidos– Generacion hidroeléctrica– Irrigación– 14,000kmderíos
Precipitación
76,2
55,88
5,842 9,398
154,94
111,76 114,3
134,62 134,62139,7
147,32
119,38
Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Setiembre Octubre Noviembre Diciembre
PrecipitacionPromedio (mm)
Precipitación
Equilibriodesistemasfluviales• Sistemafluvialenequilibriodinámico:– Ancho,pendiente,profundidadsontalesquepermiten quenoocurran cambios significativosen unperiododetiempo largo.
– Elequilibrio sepierde porcambios en elcaudal,lapendiente,ladescarga desedimentos oeltamaño delossedimentos.
– Estos cambios sereflejan enerosión,sedimentación ocambios en lageometría
• Loscambios sepropagan...
Balancenaturaldesedimentos• Intervienen las fuentes desedimentos
ycapacidad detransporte derío• Suplidores:Lacuenca yerosión río
arriba• Capacidad detransporte:
– Tamañodelsedimento– Caudal– Geometría decanal– Hidráulica delcanal
• Degradación (erosión):– Salemás sedimento deloque entra
• Agradación (Deposición):– Entramás sedimento delque sale
Entradadeaguaysedimentos
Salidadeagua ysedimentos (volume)
Cambioen volumen =Entrada– SalidaNegativo:erosiona materialPositivo:sedimenta material
Equilibriodesistemasfluviales
https://www.as.uky.edu/sites/default/files/blogs_images/lanescale.png
• Inestabilidad en elsistema fluvial=perturbacion delequilibrio (Lane,1955)
Balancedesedimentos conintervención humana
• Factores humanos– Cambios oalteraciones enelrío:• Dragado• Canalizaciones• Limpieza• Cortesdemeandro
– Extracción demateriales– Represas yembalses– Cambios eneluso delatierra– Carreteras ypuentes producenalteraciones locales
Hablaremosdelaextraccióndematerialesdelosríosquesonusadoscomoagregadosparaelhormigónoparaaumentarcapacidaddelcauce.
Efectoshidráulicosdelaextracción
Efectoshidráulicosdelaextracción
• Excesodeextracciónpuedeocasionarquelarazónalaqueseextraeexcedalarazóndematerialdepositadonaturalmente
• Aumentalaposibilidaddesocavaciónenestructuras(pilastrasyestribosdepuentes)
Socavación en pilotes delPuentesobre elRíoInabón en carretera PR-52
Efectosambientales• Aumentosdeturbiedadimpacta
oeliminaelcrecimientodeplantasacuáticasporevitarpenetracióndelaluzsolar
• Laturbiedadaumentalatemperaturadelagua,reducelosnivelesdeoxigenodisueltoypuedecausarlamuertedelospecesysuslarvas
• Remocióndelsustratoporlamaquinariaafectaladiversidadacuáticaincluyendolugaresdedesovedepeces
Problemáticaactual• La problemática relacionada con la extracción de materiales y
dragado de ríos abarca muchos países• La industria de la construcción es una fuente importante de
ingresos en muchos países.• La extracción de materiales de ríos para agregados de hormigón
suple una necesidad• Las leyes y reglamentos ambientales enfocan ésta problemática• Sin embargo:
– Pocos casos son documentados– No se hacen cumplir las leyes– Los reglamentos y guías son muy generales– Métodos cuantitativos de ingeniería que se proponen son muy
aproximados o no se incluyen del todo
CasodePuertoRico
• En Diciembre de 2016 elDepartamento de Recursos Naturalesy Ambientales de Puerto Rico adoptólas Guías para la Elaboración deEstudios de Transporte de Sedimentospara la Extracción de Materiales delos ríos de Puerto Rico.
• Objetivo: Minimizar los daños alambiente y reducir los impactosocasionados por esta actividad.
• Propósito: Contribuir a la protecciónde los recursos asociados a losecosistemas acuáticos y laconservación de los ríos donde seproponen o se lleva a cabo estasactividades.
¿Qué entendemos porunaextracciónsostenible?
• La operación de extracción es una sosteniblesi el tramo de río impactado es capaz derecuperar su condición natural conaportación del material transportado por elcauce.
• Esto implica que la extracción de materialesdebe hacerse a una razón tal que no seexceda el umbral más allá del cual lareposición del mismo no será posible.
Metodologíapropuesta
Estudio geomorfológico delaestabilidad verticaldellecho
Estudio detallado detransporte desedimentos
¿Esviablela
operación?
Realizar ajustes en plandeextracción ymanejo o
desistir
SI
NO
Modeloparatransportedesedimentosyextraccióndematerial
• Modelo HEC-RAS5.0oposterior
Modeloparatransportedesedimentosyextraccióndematerial
• Recolección deinformación– Caudales– Secciones transversales delrío obatimetría en lazonadelProyecto– Temperatura delagua– Granulometría delossedimentos– Selección delarelación detransporte desedimentos– Límites yplandeejecución delaoperación deextracción– Volumenes opesosdematerialqueseextraerá– Tiempo deduración delpermiso deextracción
Simulación deoperaciones deextracción dematerial
Modelar Operaciones deextracción de materiales:
• HEC-RAS permite elmodelaje de operaciones deextracción o dragado desedimentos.
• Se ha utilizado mayormentepara dragadode ríos
• Las Guías de Puerto Ricoextienden esta aplicaciónpara evaluar operaciones deextracción de materialespara construcción
Extracción demateriales delRíoLoízaen SanLorenzo,PuertoRico
Simulacion deoperaciones deextracción dematerial
1. Preparar un modelo de transporte de sedimentos2. Calibrar y verificar ese modelo (de ser possible !)3. Incluir la operación de extracción.4. En HEC-RAS existen varias formas de hacerlo
a) Especificando las estaciones entre las cuáles serealiza la operación y la profundidad del lechoque se quiere extraer (Left Sta – Right Sta. Elev.)
b) Especificando el ancho de cauce y la profundidadde la extracción
c) Especificando la masa de material que seproponeextraer
Simulación deoperaciones deextracción dematerial
Límiteizquierdodeextracciónpropuesta
Límite derechodeextracciónpropuesta
Volumen removidoElevación delcorte
Sección delrío después deextraermaterial
CasodeestudioRíoGrandedeLoíza:• SuCuencaeslademayortamaño
enPuertoRico.(751km2)• FlujoPromedioAnual:– 236,890acreft/yr
• Largode67km.• Cauce principal:– ComienzaenSanLorenzo.– TerminaenLoíza.
DRNA- CuencadelRíoGrandedeLoíza
CasodeestudioRíoGrandedeLoíza:SuCuencaeslademayortamañoenPuertoRico.
• Se utiliza la estación del USGS 50051800.– Cuenta con datos de caudal diario desde 1990.
– No datos de sedimentos de fondo
– Cuenca hasta proyecto: 117.85 km2
Casodeestudio
CasodeEstudio
• Largo del tramo con permisode extracción: 1.32 km
• A partir del año 2004 doscompañías de extracciónpara agregados hantrabajado en el sitio:
– Compañía 1 (2006-actual)
– Compañía 2 (2004-2009)
• El material principal extraídodel río es la grava.
Granulometríarepresentativa
InvestigaciónPreliminar
• Serealizóunanálisispreliminardetransportedesedimentoutilizandoseccionessometidasparaelpermisodeambascompañías.
• FlujospromediosdiariosajustadosdelaestacióndelUSGS
Ortoimagen(TIF)obtenidadefotogrametríausandodrone
CasodeEstudio
Levantamientofotogramétricocondrone
CasodeEstudioInvestigaciónPreliminar
• Extracción por dos años enun tramo de 440 m
• Se corrió el modelo desde el21 enero de 2002 al 16 desetiembre de 2004.
• El permiso especifica unmetro de profundidad deextracción
• La pendiente de río semodificó para reflejarcondiciones previas a lasoperaciones.
Sta Distancia Volumen (m3) Masa (kg) Masa (metricton)1124.191072.6 51.59970.6 102909.83 60.77 2735 7232329 7232847.6 62.23 2800 7406086 7406796.27 51.33 2310 6108860 6109745.3 50.97 2294 6066016 6066680 65.3 2939 7771451 7771
623.05 56.95 2563 6777705 6778572.16 50.89 2290 6056495 6056524.31 47.85 2153 5694700 5695472.24 52.07 2343 6196929 6197409.73 62.51 2813 7439409 7439358.22 51.51 2318 6130282 6130
TOTALES = 27557 72880262 72880
CasodeEstudioInvestigaciónPreliminar
1124.19
1072.60
970.51
909.83
847.60
796.27
745.30
680.00
623.05
572.16
524.31
472.24
409.73
358.22
300.12 250.10 200.08
150.06
100.04 50.02 0
Dragado1 Plan: MovAve7 10/14/2018 Legend
WS 21Feb2004 0000
Ground
Bank Sta
Modelo deltramo delrío
Elevación deinvertida (sinextracción)Secciones 909,745,572y409
Caudales (pcs)
Toneladas dematerialextraído ensecciones 909,745,572y409
Porcion deunasección transversalconcorte pormaterialextraído
-20 0 20 40
68
69
70
71
524.31
Station (m)
Elev
atio
n (m
)
Legend
31May2002 2000
16Jul2003 1600
Materialpasando poreltramo delrío
80000
90000
100000
110000
120000
130000
140000
150000
3/29/2003 0:00 7/7/2003 0:00 10/15/2003 0:00 1/23/20040:00 5/2/20040:00 8/10/20040:00 11/18/20040:00
Masapasandopore
ltramo(acumulado,tons)
Fechasdeoperacion deextraccion
Secciontransversal909
Sinextraer materialdelrio
Conextraccion dematerialdelrio
Perfiles delfondo antes,durante ydespués deextracción
0 200 400 600 800 1000 120067.0
67.5
68.0
68.5
69.0
g:\River Mining\Modelo para Extraccion\Dragado1.sed12
Main Channel Distance (m)
Ch In
vert
El (
m)
Legend
16JUN2002 22:00:00-Ch Invert El (m)
31DEC2002 22:00:00-Ch Invert El (m)
Rio Grd de Loiza-Canal Principal
16Junio200231Diciembre 2002
0 200 400 600 800 1000 120067.0
67.5
68.0
68.5
69.0
g:\River Mining\Modelo para Extraccion\Dragado1.sed12
Main Channel Distance (m)
Ch In
vert
El (
m)
Legend
31DEC2002 22:00:00-Ch Invert El (m)
17JUN2003 00:00:00-Ch Invert El (m)
Rio Grd de Loiza-Canal Principal
Perfiles delfondo antes,durante ydespués deextracción
16Junio200331Diciembre 2002
Perfiles delfondo antes,durante ydespués deextracción
16Junio200331Diciembre 2002
0 200 400 600 800 1000 120067.0
67.5
68.0
68.5
69.0
g:\River Mining\Modelo para Extraccion\Dragado1.sed12
Main Channel Distance (m)
Ch In
vert
El (
m)
Legend
17JUN2003 22:00:00-Ch Invert El (m)
17JUN2004 20:00:00-Ch Invert El (m)
10SEP2004 00:00:00-Ch Invert El (m)
Rio Grd de Loiza-Canal Principal
Perfiles delfondo antes,durante ydespués deextracción
16Junio200331Diciembre 2002
0 200 400 600 800 1000 120067.0
67.5
68.0
68.5
69.0
g:\River Mining\Modelo para Extraccion\Dragado1.sed12
Main Channel Distance (m)
Ch
Inve
rt E
l (m
)
Legend
17JUN2002 22:00:00-Ch Invert El (m)
16SEP2004 00:00:00-Ch Invert El (m)
Rio Grd de Loiza-Canal Principal
Conclusiones
• Lametodología propuesta permite evaluar,concriteriosdeingeniería,losefectos delasoperaciones deextracción dematerialen tiempo yespacio.
• Elcaso deestudio muestra que,paraelscenariopresentado,elrío recupera elmaterialluego deunañodeterminada laextracción.
• Requiere estudio decampodetallado ybuen manejo demodelosdetransporte desedimentos.
• Elprocedimiento incrementa lasostenibilidad demuchoscauces utilizados paraextraer materiales deconstrucción.
Aspectos parainvestigar..
• Respuestarápida durantecrecidas delrío
• Efectos delosmeandros• Efectos en estructuras• Umbrales geomorfológicos• Determinación deunIndicedeSostenibilidad
Referencias:• Silva-Araya,W.,RiveraSantos,J.,Guíasparala
ElaboracióndeEstudiosdeTransportedeSedimentosparalaExtraccióndeMaterialenlosRíosdePuertoRico,PublicadoporelDepto.deRecursosNaturalesyAmbientalesdePuertoRico,Diciembre,2016.
• Silva-Araya,W.,RiveraSantos,J.GuíasparalaElaboracióndeEstudiosHidrológicos/Hidráulicos enPuertoRico,JuntadePlanificación,OficinadelGobernador,Junio,2016.http://jp.pr.gov/Plan-Fisica/Guías
PuertoRico“LaIsladelEncanto”
