SEDIMENTACIÓN EN EMBALSES

Los  problemas ocasionados por los sedimentos son especialmente difíciles en Colombia por causa de las condiciones geológicas, topográficas, meteorológicas, de suelos y vegetación en extensas zonas del país, lo  que significa que debe darse gran énfasis a las investigaciones sobre el tema. En varios embalses construidos en Colombia han ocurrido problemas por efecto de la sedimentación durante operación, que en parte se debieron a la falta de investigaciones adecuadas en la etapa de estudios y preparación de diseños para las obras. 

Para proyectos hidroeléctricos  se requiere el embalse lleno hasta el máximo nivel, con el fin de que  produzca  la máxima cantidad de energía;  la cual se ve afectada al disminuir su capacidad debido  a la carga de sedimentos que le llegan.

La carga sedimentologica  del río se ve forzada a detener igualmente su marcha, acumulándose en forma de depósitos, hasta que habiendo colmatado  casi  la totalidad del vaso,  permite al  flujo adquirir la velocidad  necesaria  para transportarla sobre la presa.

Cualquiera que sea el tamaño del embalse  o el uso final que se le dé al agua, la principal  función de  este  es la de estabilizar el flujo de agua, para regular el suministro  en una corriente natural o para satisfacer  una  variada demanda por parte de los consumidores.

VIDA DE UN EMBALSE

Es el tiempo que continuara almacenando cantidad  útil de agua, se determina por la rapidez con la que se acumula el sedimento año tras año y no se quita del embalse  ni por acción natural ni por trabajo del hombre.

Para poder determinar  la disminución de la capacidad efectiva del embalse se necesitan datos  sobre la carga de sedimentos  que los afluentes aportan al embalse. Solamente  los sedimentos gruesos reducirán esta capacidad; los materiales en suspensión se sedimentaran   cerca de l a presa lo cual no influye  directamente en la  capacidad del  embalse.

La producción de sedimentos incide directamente  sobre el costo de la inversión inicial, al exigir mayores alturas de presa para albergar espacios muertos destinados  a la conmutación dado que resulta prácticamente imposible  remover los sedimentos por el altísimo costo. 

Eficiencia de retención:

La vida útil de un  embalse  depende de la cantidad de sedimentos que este es capaz de retener;  no depende únicamente, de los sedimentos que son aportados si no también  de la proporción de ellos que son retenida.  La relación entre la retención y el aporte recibe el nombre de eficiencia de retención.

La eficiencia de retención  depende de la velocidad  de caída de las partículas que constituyen el sedimento,  y del caudal que fluye a través del embalse.

Aun  cuando la eficiencia de retención  de un embalse disminuye  con el almacenamiento progresivo,  no es práctico calcular la eficiencia para periodos menores  de 10 años  ya que las variaciones anuales en los aportes de sedimentos  pueden  producir distorsiones en el análisis  cuando se usan periodos muy cortos.

ALGUNOS CONCEPTOS BÁSICOS.

Material de lecho: Es la mezcla de materiales que componen el lecho de La corriente.

Transporte o carga del material de lecho: Es la parte del transporte total de sedimentos compuesto por tamaños de granos existentes en el material del lecho de la Corriente.

Material fino: Es el material transportado por la corriente, principalmente en suspensión, compuesto por tamaños de granos más pequeños que aquellos que componen él material de lecho.

Transporte de material fino o carga lavada: Es la parte del transporte total de sedimento compuesto de granos menores a los encontrados en el material de lecho  de la corriente. En su mayor parte proviene de la Hoya hidrográfica.

Sedimento de fondo: Es el que se mueve por saltacion, rodamiento, y Deslizamiento sobre o cerca al lecho de la  corriente. Proviene del material de lecho.

Sedimento suspendido: Es el que permanece en suspensión en la corriente por intervalos apreciables de tiempo, Por efecto de la turbulencia del flujo. El sedimento en suspensión se compone de Material fino y material de lecho en suspensión.

Zona no muestreada: Es la distancia desde el lecho de la corriente hasta el punto mas bajo a que puede llegar la boquilla de un muestreador  de sedimento suspendido.

Denudación:  Desgaste progresivo de la superficie de la tierra como resultado de varios procesos naturales, tales  como la  meteorizacion, erosión, movimientos masivos y acarreo.

Tasa de denudación: Es la tasa promedio de desgaste de la superficie de la hoya, considerada uniforme  en el área, expresada como milímetros de roca por año.

Erosión: La erosión es el desgaste y remoción de tierra y roca por un proceso natural especifico, tal como el flujo de una corriente.

Tasa de erosión: Es la tasa promedia de remoción de tierra y roca del  terreno por causa de algún proceso natural especifico expresada en metros cúbicos por día o año o en milímetros por año (suponiendo una distribución uniforme sobre la hoya). La erosión puede ser geológica o normal, o sea la que a sufrido el terreno durante intervalos de tiempo a escala geológica por los procesos  naturales.

PROBLEMAS OCASIONADOS POR LOS SEDIMENTOS

Los sedimentos tienen una gran influencia  sobre la factibilidad técnica y económica  y sobre la operación de proyectos  de recursos hídricos  y estructuras hidráulicas. La evaluación precisa de esta influencia  se hace difícil porque normalmente  existen limitaciones  significativas en la información básica disponible.  De  hecho,  los  sedimentos influyen sobre los embalses en varias formas  como se indica a continuación

a)    Depositación de sólidos en los embalses con la consiguiente  disminución del volumen útil y obstrucción de tomas, estaciones de bombeo, descargas de fondo,  etc.  Este es el aspecto mas conocido de la acción de los sedimentos en relación  con los embalses,  que puede resultar muy significativo desde el punto de vista económico, especialmente cuando la operación del proyecto depende  en gran medida  de la regulación provista por el embalse.

b)   Calidad de agua  que entra a las torres de toma en cuanto a la concentración  y tipos de sedimentos  que contiene, lo cual influye sobre la operación de las plantas de tratamiento,  desgaste de las conducciones  y estructuras  y abrasión   de la maquinaria  hidráulica.

c)    Degradación en el curso del río y  sus tributarios  aguas arriba del embalse con los consiguientes efectos en las tierras, vías, puentes,  viviendas y estructuras adyacentes y mayores costos requeridos para los diques.

d)   Degradación en el cauce del río debajo de la presa por efecto de la descarga  de agua con mayor capacidad de  arrastre de sólidos, lo que puede  ocasionar problemas  en la operación  de la central hidroeléctrica  si es de pie de presa en las vías,  tierras  y estructuras  aguas  abajo.

e)    Impacto ambiental causado por los sedimentos acumulados en el embalse.

Para la evaluación adecuada de los efectos descritos, se requiere contar con estimativos suficientemente precisos del tipo, magnitud y variación del transporte de sólidos por las corrientes de agua que llegan al embalse. Además, esto es necesario para planear las medidas de control de erosión en la cuenca del embalse y para anticipar los efectos de modificaciones en la hoya sobre la producción de sedimentos.

Los problemas ocasionados por los sedimentos pueden llegar a tener influencia significativa sobre la factibilidad económica de un proyecto de aprovechamiento hídrico, lo que significa que en tales casos críticos seria necesario estimar la magnitud del transporte con gran precisión. Sin embargo, tanto en estos casos críticos como en la generalidad de los proyectos, es frecuente que la información básica sobre el transporte de sólidos sea muy deficiente en cuanto a su calidad, representatividad y duración. El caso general ha sido que cuando va a efectuarse el estudio de factibilidad para un proyecto, no se cuenta con datos de transporte de sedimentos en el sitio de interés y para efectos del estudio, la información disponible es la que se obtiene durante el curso del mismo, normalmente un intervalo de uno a dos años. Esta situación no es exclusiva de Colombia u otros países en vía de desarrollo sino también de muchas presas en países desarrollados.

Esto indica la dificultad que se tiene para definir la factibilidad de un proyecto, cuando depende fundamentalmente de la apreciación correcta del acarreo de sedimentos al embalse. En otros proyectos el transporte de sedimentos no es el aspecto mas crítico para evaluar su viabilidad, sin embargo, son contenciales los desarrollos de recursos hídricos cuyos beneficios potenciales y operabilidad no sean afectados por el transporte de sedimento.

CASO DE COLOMBIA

Las consideraciones anteriores, de índole general, obviamente son aplicables a nuestro país, pero además con algunos factores específicos que complican aun más los procesos de producción y transporte de sedimentos. Estos factores son los siguientes:

a.      Meteorología: En el país hay extensas regiones bastante lluviosas si se comparan con otras zonas del mundo. Además, las precipitaciones normalmente ocurren con fuertes intensidades al comienzo de la tormenta y son frecuentes las sucesiones de aguaceros fuertes a intervalos cortos durante las estaciones lluviosas. La precipitación excesiva es un elemento básico en los procesos erosivos que ocurren en las cuencas hidrográficas.

b.     Topografía: El país tiene una porción significativa de su zona montañosa con preponderancia de desfiladeros, angostos valles, cañones y altas montañas en vez de extensas mesetas. Esta característica, combinada con las precipitaciones intensas, contribuye a la generación de crecientes rápidas con altas descargas.

c.      Geología: La zona Andina del país es relativamente joven desde el punto de vista geológico histórico con la consiguiente inestabilidad de los taludes y cañones de los ríos y quebradas. Esta misma inestabilidad estimula la formación de grandes depósitos coluvies y aluviales recientes, poco consolidados, que a su vez constituyen importantes fuentes de sedimentos.

d.     Suelos: Las condiciones meteorológicas de lluvias intensas combinadas con las temperaturas altas y uniformes, típicas de la zona ecuatorial  y las clases de rocas en extensas  zonas  de suelos residuales  en dichas zonas.  Estos gruesos horizontes  de suelos residuales, normalmente poco cohesivos, constituyen una significativa fuente de  erosión,  especialmente sí se desestabilizan  por las construcciones o la   deforestación.

e.     Bosques: El país ha sido sometido a una intensa y antitécnica deforestación con lo que se ha incrementado la acción de la erosión; gran parte de las tierras deforestadas, incluyendo  algunas  muy pendientes, se han dedicado

a cultivos  que requieren mantener limpio el terreno  o a un intenso pastoreo, lo que favorece  aun más la  erosión  laminar.

Por otra parte, las actividades de medida,  recolección de muestras y mantenimiento de registros de transporte de sedimento hay  sido muy limitada excepto en algunos ríos  y durante los últimos  10 años. Con pocas excepciones,  los registros se han  obtenido en  el curso de los  estudios  de factibilidad  de presas  y únicamente en los sitios de interés. Sin embargo,  se han  efectuado  algunos estudios  de tipo general  que abarcan  toda  o parte substancial  de la hoya  de  un río  importante.

Todos estos aspectos, o sea las dificultades inherentes  a los estudios  de sedimentos, las condiciones especificas del país  en lo relativo a la erosión  y al  acarreo  de sólidos por las  corrientes de agua  y la falta de registros largos y confiables de su transporte, han  limitado el alcance de los estimativos de transporte de sedimento para la mayor  parte de las presas  construidas anteriormente  en Colombia,  por lo que  en  algunas de ellas  se han presentado  serias dificultades por esta causa.

CARACTERISTICAS  DEL SEDIMENTO  QUE LLEGA  AL EMBALSE:

- La distribución granulométrica  es importante  porque  permite asignar  un valor de la eficiencia  de atrape del  embalse, predecir la distribución

 Espacial  de sedimentos depositados  y predecir el espacio requerido. Para la acumulación  de material  sólido en un tiempo  determinado.

- La erosión  laminar produce  sedimento granular fino, la erosión del canal  aporta  sedimento  granular  fino y grueso  por las altas velocidades del flujo  concentrada que mantiene una fuerza trataba  mayor, mientras  que la erosión eólica  produce sedimento  limitado  o partículas menores de 0.5mm de diámetro. En el transporte desde el sitio de su  producción  hasta el embalse, el sedimento  esta  sujeto procesos de abrasión  y selección hidráulica.

- Otra característica muy importante de determinar es  la relación  vol.- peso del deposito, el peso especifica varia con la consolidación, otro factor  que  afecta el peso especifico es la operación del embalse porque los depósitos de sedimento  granular fino  sujetos al  aire  desarrollan  pesos unitarios  más altos  que los depósitos  constantemente  sumergidos.

TIPOS DE SEDIMENTACION.

a) Sedimentación de partículas discretas.

Las partículas  presentes en suspensiones diluidas ( de baja concentración de sólidos) sedimentan en forma  tal que las  interacciones  entre las partículas  son consideradas despreciables.

El análisis  matemático de este tipo  de sedimentación se realiza desacuerdo las leyes de la mecánica de fluidos de newton y estofes.

b) Sedimentación de partículas     floculadas.

En este tipo de sedimentación  se considera  que las partículas  presentes  en la solución  sedimentan  interactuando  con las partículas  adyacentes, es decir,  las partículas  que sedimentan  con mayor  velocidad chocan  con las de menor velocidad, formándose una partícula nueva  de mayor

Tamaño  y que sedimenta  a mayor  velocidad  que  las partículas  originales.

El análisis matemático de este tipo  de sedimentación es mucho más  complejo  que el del tipo anterior. 

 DISTRIBUCIÓN  DE SEDIMENTOS  EN EMBALSES:

La depositación depende de varios factores  como la naturaleza del sedimento,  las relaciones de entrada y salida del agua,  la forma del embalse  y su operación.

El movimiento de sedimentos en un embalse  esta gobernado  por 2 fuerzas dinámicas. 1)  Una componente en la dirección  del flujo debida al movimiento  del agua ,  2)  una componente  vertical  debida a la gravedad  y a la turbulencia del agua .

Hasta  hace algún tiempo  se creía que el sedimento siempre se depositaba  en las partes mas profundas del embalse . sin embargo esto no es así , se deposita en dos formas características.

a) barras en forma de delta :

Se encuentran en las cabeceras del embalse  compuestas de gravas y arenas  con algo de limos,  pertenecientes a la carga de fondo. La formación de los depósitos en  delta  tiene como consecuencia una elevación  de la curva de remanso en las cabeceras. Esta degradación produce problemas  como  aguas estancadas , saturación de la tierra ,  aumento de  concentración  de sedimentos.

Usando las formulas de transporte se puede establecer  la pendiente en la cual no hay transporte, para que comience  así la formación del delta . La pendiente del delta  es  aproximadamente  6.5 veces la pendiente de aguas arriba.

b) Depositación de sedimentos  en suspensión

Se extiende en todo el   embalse  sin tener  aparentes concentraciones.

en casos donde la pendiente del fondo  esta disponible, se forman corrientes  de densidad que llevan el material  fino  a mayor profundidad 

En el embalse si la pendiente  es mas pronunciada pude llegar hasta la presa. En algunas áreas se pueden formar depósitos  masivos  de  material fino  que se mueva dentro del embalse  por gravedad y se han notado  con altos los de arcillas.

El canal se derivara  en una  parte de localizaciones  en las cabeceras del embalse  por una serie  de separaciones  que ocurren cuando el fondo es agradado a un nivel mas alto  que las áreas adyacentes , lo que aumenta el ancho de los depósitos.

METODOS DE PREDICCION  DE LA DISTRIBUCIÓN  DE SEDIMENTOS.

Los métodos se basan  en que el volumen de sedimentos  que se han acumulado  en un embalse  se calcula restando  la capacidad  medida  de la capacidad original , generalmente  a una elevación  igual   a la superficie  normal  del  agua.

Para determinar el volumen que el sedimento ocupa en un embalse, es necesario conocer su peso específico. El peso especifico de un deposito de sedimento se define como el peso del material sedimentario seco por unidad de volumen. Por existencia de vacío entre los granos, el peso especifico de un deposito de sedimento es siempre menor que el de las partículas que lo componen.

Los factores que determinan el peso especifico de una deposición son la composición mecánica del sedimento, el ambiente en el que se acumulan las deposiciones y el tiempo.

El ambiente en que se encuentra ubicado el sedimento tiene también mucha influencia sobre su peso especifico; si el material queda ocasionalmente expuesto al aire y se seca, se acelera el proceso de compactación. La exposición del sedimento depende del nivel de la  superficie libre y éste a su vez es función del modo de operación del embalse. Este efecto es más importante en la compactación de los limos y arcillas que en las de gravas y arenas.

TRANSPORTE DE SEDIMENTOS

Dificultades para su estimación

El transporte de sedimentos por las corrientes esta controlado, por una parte por las características hidráulicas y de los materiales del cauce del río y por otro lado, por las condiciones hidrometereologicas, topográficas, de suelos, de vegetación y otras de la cuenca. Estos factores pueden resumirse en dos funciones básicas inherentes a la hoya y al río, una de ellas esta relacionada con la cantidad de material disponible para ser acarreado por las corrientes de agua y la obra indica la capacidad de transporte de tales corrientes. Teóricamente estas funciones podrían expresarse, para un flujo y una sección determinados de un río, como curvas relacionadas con el diámetro representativo de las partículas sólidas, tal como se muestra en la figura. Las dos funciones tienen un punto común para un diámetro Ds, que separa la denominada carga lavada o material fino, para diámetros inferiores a Ds, del transporte de material de lecho o carga gruesa, para tamaños mayores. Esto significa que el transporte real de sedimento estará controlado por la función de disponibilidad, o sea por las condiciones hidrometereologicas y físicas de la hoya tributaria, en el rango de la carga fina y por la función de transporte , o sea las condiciones hidráulicas y de los materiales en el cauce del río, para el rango de diámetros más gruesos que constituyen el material de lecho.

Teóricamente es posible calcular la capacidad de transporte de material de lecho por un río aplicando los principios de la mecánica de fluidos. Esto no significa que el problema este completo y satisfactoriamente resuelto, ya que existen vacíos importantes en aspectos tales como la definición del diámetro representativo del material de lecho, el efecto de acorazamiento y protuberancia de las partículas mayores, las corrientes secundarias, la influencia de los finos en suspensión, etc., de ahí que se cuenta con soluciones definitivas a cuestiones tales como el rango de aplicabilidad y condiciones en que puede utilizarse un método dado y a la definición de las variables que influyen sobre ciertas constantes empíricas que aparecen en  las diferentes formulas o procedimientos.

La dificultad para calcular la carga de lecho es aun mayor en los ríos de montaña, con flujo torrentoso y que a veces transporta bloques de roca de varios metros cúbicos; en estos ríos las condiciones hidráulicas son difíciles de definir y el material de lecho es muy grueso y heterogéneo.

la determinación teórica del transporte de material fino no es posible en la actualidad, ya que no depende exclusivamente de los principios hidráulicos, sino de aspectos complejos, difícilmente cuantificables, tales como la hidrometereologia, topografía, geología, suelos y vegetación de la cuenca. Pero además, en la mayoría de los ríos de nuestro país, teniendo en cuenta las condiciones metereologicas y físicas, es preponderante el transporte el transporte de material fino con respecto al total, lo que significa que no es muy productivo concentrar los esfuerzos en la determinación del método mas preciso para calcular el transporte de material de lecho, especialmente el que se mueve como sedimento de fondo, sino que se requiere efectuar un extenso programa de mediciones de campo para conocer con suficiente grado de confianza la magnitud y variación espacial y temporal de la carga fina.

Una alta proporción del transporte de sedimento fino se realiza durante las crecientes, que coinciden con lluvias intensas sobre la cuenca, o durante eventos esporádicos y rápidos, como son los grandes deslizamientos. Para obtener un buen registro del transporte de material fino es

necesario intensificar las mediciones de campo en periodos de invierno o después de la ocurrencia de deslizamiento u otros eventos similares significativos, utilizando métodos y equipos adecuados para obtener muestras representativas y con suficiente frecuencia.

Teniendo en cuenta las limitaciones en cuanto a la calidad y extensión espacial y temporal de los registros de acarreo de material fino es fundamental considerar procedimientos alternativos a los métodos convencionales  para evaluar el transporte total de sedimentos. Entre los procedimientos alternativos vale la pena mencionar al que se basa en los estudios geomorfológicos y de geología histórica de la cuenca como se describe en mayor detalle mas adelante.

Medidas de campo

Ante la necesidad de contar con registros suficientemente largos y bien distribuidos en la cuenca del transporte de material fino, es fundamental considerar las estaciones automáticas de registro continuo y los muestreadores de sedimento para aguas altas. Esto es más importante si se tiene en cuenta la dificultad y el costo de la ejecución de los aforos sólidos convencionales.

En Colombia se han instalado algunos equipos automáticos del tipo de bombeo denominado PS-69. El muestreador PS-69 puede tomar hasta 72 muestras de sedimento suspendido y puede operar a intervalos predeterminados o cuando el nivel del flujo llega a cierto nivel o de acuerdo con los cambios en la descarga del río.

En cuanto a los muestreadores para aguas altas se ha utilizado con éxito en varios sitios del país el de botella tipo I-25. Este muestreador se coloca en el sitio de interés y toma una muestra de sedimento en suspensión cuando el nivel del agua llega a la boquilla del aparato.

Estos dos tipos de equipo únicamente toman una muestra puntual, instantánea y razonablemente representativa del sedimento en suspensión. De ahí que las concentraciones medidas por los equipos descritos deban correlacionarse con las concentraciones promedias de la corriente en la sección considerada, determinadas mediante aforos de sólidos completos; además deben investigarse el punto mas adecuado para instalación del muestreador o de la boquilla.

CONCLUSIONES

La evaluación del transporte de sedimentos constituye un aspecto fundamental de los estudios para proyectos de presas por su influencia en la colmatacion de los embalses, la calidad del agua captada, los procesos de agradacion aguas arriba del lago y degradación aguas debajo de la presa y el control de erosión en la cuenca.

En la mayoría de los ríos de Colombia el transporte de material fino es preponderante en relación con el total y ocurre en mayor proporción durante las crecientes y periodos de aguas altas. De ahí la necesidad de concentrar la mayor parte de las campañas de aforos durante los periodos de invierno y operar registradores automáticos y que tomen muestras en crecientes y sitios de difícil atención.

Teniendo en cuenta las limitaciones en la duración y la calidad de los registros de sedimentos es fundamental aplicar métodos alternativos para estimar el transporte de sólidos a largo plazo. En este sentido son muy útiles los estudios de geomorfologia y geología histórica y las observaciones de colmatacion en embalses ya construidos.

Es fundamental hacer conocer oportunamente los registros sobre magnitud y distribución de los sedimentos acumulados en embalses existentes.

                                                                                           Lenin Alberto Sepúlveda