370100MTE011_Memorando Técnico 1

HIDROELÉCTRICA DEL RÍO SAN JUAN S.A. E.S.P.

ESTUDIO DE PREFACTIBILIDAD PARA EL DESARROLLO HIDROELÉCTRICO DEL RÍO SAN JUAN

MEMORANDO TÉCNICO NO. 01

CAUDALES MEDIOS Y DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROYECTO

DOCUMENTO 370-100-MTE-01

Versión: 1

MEDELLÍN, SEPTIEMBRE DE 2010

ESTUDIO DE PREFACTIBILIDAD PARA EL DESARROLLO HIDROELÉCTRIO DEL RÍO SAN JUAN

HIDROELÉCTRICA DEL RÍO SAN JUAN S.A E.S.P.

Versión: 1 Fecha: 05/10/2010 MEMORANDO TÉCNICO No. 01 iii

370-100-MTE-01 370100MTE011_Memorando Técnico 1.doc

CONTENIDO

Pág.

1. GENERALIDADES................................................................................................1-1

2. LOCALIZACIÓN DEL ÁREA DEL PROYECTO.....................................................2-1

3. CARTOGRAFÍA ....................................................................................................3-1

4. ESTUDIO HIDROLÓGICO ....................................................................................4-1 4.1 CAUDALES MEDIOS............................................................................................4-1 4.1.1 Información hidrometeorológica.............................................................................4-2 4.1.2 Caracterización de la cuenca y parámetros Geomorfológicos ...............................4-4 4.1.3 Estimativo del caudal medio multianual en el sitio de bocatoma............................4-7 4.1.4 Curva de duración de caudales medios diarios para el proyecto .........................4-16 4.2 CAUDALES MÍNIMOS Y CAUDAL ECOLÓGICO................................................4-19 4.2.1 Caudal ecológico.................................................................................................4-19

5. ESQUEMA PRELIMINAR DE APROVECHAMIENTO HIDROELÉCTRICO DEL RÍO SAN JUAN .....................................................................................................5-1

5.1 CONSIDERACIONES GENERALES.....................................................................5-1 5.2 CRITERIOS Y CONCEPTOS APLICABLES A LOS DIFERENTES

SUBSISTEMAS.....................................................................................................5-2 5.3 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA HIDROELÉCTRICO DEL RÍO SAN JUAN ...........5-5 5.3.1 Fase 1 - Subsistema de generación San Juan ......................................................5-6 5.3.2 Fase 2 - Subsistema de generación Pedral 1 ......................................................5-10 5.3.3 Fase 3 – Subsistema de generación Tapartó ......................................................5-14 5.3.4 Fase 4 - Subsistema Pedral 2 .............................................................................5-17



Versión: 1 Fecha: 05/10/2010 MEMORANDO TÉCNICO No. 01 iv


LISTA DE TABLAS

Tabla No. Descripción Pag.

Tabla 4-1. Comparación de caudales medios estimados mediante el balance hídrico de largo plazo y el registrado en las estaciones del IDEAM..........................4-11

Tabla 4-2. Estimativo del caudal medio multianual (m3/s) en los sitios de captación y de posible aprovechamiento. ........................................................................4-14

Tabla 4-3. Características hidrológicas de las cuencas hasta los sitios de captación ....4-24

Tabla 4-4. Resumen estimativo del caudal ecológico por diferentes metodologías........4-26

LISTA DE FIGURAS

Figura No. Descripción Pag.

Figura 2-1. Localización general del área del proyecto. ....................................................2-2

Figura 4-1. Estaciones hidrometeorológicas en la zona de la cuenca del río San Juan. ...4-5

Figura 4-2. Cuencas de los ríos San Juan, Tapartó, Guadualejo, Pedral y Bolívar hasta los posibles sitios de aprovechamiento. ................................................4-6

Figura 4-3. Curva estimada de duración de caudales medios diarios para el Río San Juan hasta el sitio de captación (cota 1.080 msnm)......................................4-17

Figura 4-4. Curva estimada de duración de caudales medios diarios para el Río Tapartó hasta el sitio de posible aprovechamiento (cota 1.490 msnm). ........4-17

Figura 4-5. Curva estimada de duración de caudales medios diarios para el Río Guadualejo hasta el sitio de posible aprovechamiento (cota 1.105 msnm). ..4-18

Figura 4-6. Curva estimada de duración de caudales medios diarios para el Río Pedral hasta el sitio de captación para Pedral 1 (cota 1.100 msnm). ............4-18

Figura 4-7. Curva estimada de duración de caudales medios diarios para el Río Bolívar hasta el sitio de posible aprovechamiento (cota 810 msnm). ............4-19



Versión: 1 Fecha: 05/10/2010 MEMORANDO TÉCNICO No. 01 1-1


1. GENERALIDADES

La empresa Hidroeléctrica del Río San Juan S.A. E.S.P., actualmente en proceso de conformación, está interesada en estudiar y desarrollar un proyecto que aproveche las aguas del río San Juan y sus ríos afluentes Tapartó y Pedral para la generación hidroeléctrica. Para el efecto, dicha Empresa ha solicitado a Hidramsa S.A. la realización de los estudios tendientes a establecer las características básicas que tendrían los proyectos aparentemente más atractivos por desarrollar en dicha cuenca, a nivel de prefactibilidad, de tal forma que con base en los resultados de este estudio inicial puedan tomarse decisiones adecuadas por parte de los inversionistas sobre la conveniencia de ejecutar estudios adicionales, tendientes al desarrollo y la posible construcción del proyecto.

Respecto a otros estudios realizados anteriormente en la cuenca del río San Juan, para efectos del alcance de este estudio se excluye la posible utilización de las aguas de los ríos Bolívar y Barroso.

En este Memorando Técnico se presenta la información recopilada y analizada para el estudio de caudales medios en cada uno de los sitios de aprovechamiento, y la descripción preliminar del proyecto de acuerdo con el avance actual de los estudios del mismo.

En el capítulo 2 de este informe se presenta la localización general de la cuenca del río San Juan y del área del estudio; en el capítulo 3 se hace un recuento de la cartografía disponible utilizada para este estudio; en el capítulo 4 se presentan los estudios hidrológicos realizados para estimar el caudal medio de los ríos San Juan, Pedral y Tapartó en los sitios en los que sería atractivo su aprovechamiento, así como de los ríos Guadualejo y Bolívar en los sitios de interés para el estudio; y en el capítulo 5 se describen las cuatro fases planteadas para el aprovechamiento hidroeléctrico en la cuenca del río San Juan, incluyendo las consideraciones y resultados obtenidos en lo referente al estimativo preliminar de potencia instalada y energía media anual para mercado que se generaría en cada una de las fases del proyecto.

En este estudio se plantean cuatro fases para el aprovechamiento hidroeléctrico de los ríos San Juan, Pedral y Tapartó, los cuales se describen de manera resumida a continuación (véase el plano No. 370-100-PF-01):

Fase 1 - Subsistema San Juan: utilizará las aguas captadas de los ríos San Juan y Tapartó y las conducirá a través de un túnel hasta una casa de máquinas superficial ubicada sobre la margen izquierda del río San Juan, al que serán descargadas las aguas turbinadas. El subsistema San Juan aprovecharía una caída bruta de 360 m y un caudal de diseño para las obras de conducción y generación de 41,591 m3/s. Las características





del sitio permiten instalar 119,3 MW y producir una energía media anual para mercado de 628,2 GWh.

Fase 2 - Subsistema Pedral 1: Aprovechará las aguas captadas en el río Pedral, las cuales serán trasvasadas a través de un túnel hasta una casa de máquinas localizada en la margen derecha del río Bolívar, para luego descargar las aguas turbinadas a dicho río. El subsistema Pedral aprovecharía una caída bruta de 290 m y un caudal de diseño para las obras de conducción y generación de 3,786 m3/s. Las características del sitio permiten instalar 8,97 MW y producir una energía media anual para mercado de 45,84 GWh.

Fase 3 - Subsistema Tapartó: utilizará las aguas captadas del río Tapartó, las cuales serán trasvasadas a través de un túnel hasta una casa de máquinas localizada en la margen derecha del río Guadualejo, desde donde las aguas turbinadas serán transportadas por una tubería de baja presión hasta entregarlas al túnel de conducción del Subsistema San Juan construido en la Fase 1. El subsistema Tapartó aprovecharía una caída bruta de 390 m y un caudal de diseño para las obras de conducción y generación de 5,280 m3/s. Las características del sitio permiten instalar 17,02 MW y producir una energía media anual para mercado de 87,01 GWh.

Fase 4 - Subsistema Pedral 2: Aprovechará las aguas captadas en el río Pedral en la cota 1.420 msnm, las cuales serán conducidas a través de un túnel y un tramo final en tubería de GRP hasta una casa de máquinas localizada en la margen derecha del río Pedral en la cota 1.230 msnm, donde serán descargadas las aguas turbinadas. El subsistema Pedral 2 aprovecharía una caída bruta de 190 m y un caudal de diseño para las obras de conducción y generación de 3,325 m3/s. Las características del sitio permiten instalar 5,3 MW y producir una energía media anual para mercado de 26,5 GWh.

Bajo este planteamiento, el sistema hidroeléctrico del río San Juan tendría una capacidad instalada de 150,6 MW, los cuales producirían una energía media anual para mercado de 787,6 GWh.





2. LOCALIZACIÓN DEL ÁREA DEL PROYECTO

La cuenca del Río San Juan constituye uno de los sistemas hidrográficos más importantes del departamento de Antioquia cuya área tributaria representa aproximadamente el 2,2% de la extensión territorial del Departamento. Se ubica en la región suroeste e integra los municipios de Jardín, Andes, Hispania, Betania, Ciudad Bolívar y Salgar, y una pequeña fracción de los municipios de Pueblorico y Tarso, muy cerca de la desembocadura del río San Juan al río Cauca. Véase la Figura 2-1.

El río San Juan fluye en sentido sur-norte y nace al suroeste del Departamento con las quebradas La Mesenia, El Silencio, La Revesa y El Jordán en la cota 3.000 msnm en la cuchilla de Paramillo, y a él confluyen en la parte alta de la cuenca un gran número de corrientes provenientes de ambas vertientes, generando un aporte balanceado. Luego de recorridos los primeros 20 km del río, la divisoria oriental de la cuenca se acerca considerablemente al río y corre de manera paralela al mismo hasta su desembocadura, por lo que el aporte de esta vertiente al caudal del río es relativamente bajo. Caso contrario ocurre sobre la vertiente occidental, en la que la divisoria corre igualmente de manera paralela al río en sentido sur-norte, conformada por los farallones de Citará (3600 msnm), pero con una extensa franja entre ambos. A lo largo de dicha franja existen importantes ríos que vierten al río San Juan en dirección predominante oeste-este, como son el río Tapartó, río Guadualejo, río Pedral, río Bolívar y río Barroso. En la parte baja de la cuenca, en el extremo norte de la misma, el río San Juan desemboca al río Cauca en la cota 530 msnm, cerca del corregimiento de Peñalisa del municipio de Salgar.

Desde el punto de vista político-administrativo, la divisoria de la cuenca del río San Juan conformada al sur por la Cuchilla de Paramillo y la Cuchilla La Raya, representa el límite departamental de Antioquia con Risaralda y Caldas. La divisoria occidental de la cuenca, conformada por los Farallones de Citará representa el límite departamental con el Departamento del Chocó, mientras que la divisoria oriental representa límites municipales como ha sido anteriormente establecido.

El acceso al área del proyecto se realiza desde la ciudad de Medellín, capital del Departamento de Antioquia, mediante vías de buenas especificaciones, pavimentadas en la mayor parte de su longitud, como es la carretera Medellín – Caldas – Amagá – Bolomboló – Peñalisa (Municipio de Salgar), desde donde se toma la llamada vía Troncal del Café que lleva hasta los municipios de Andes y Jardín, desde la cual se accederá a los diversos puntos de las obras de los subsistemas que conforman el sistema hidroeléctrico del río San Juan, por vías de segundo y tercer orden, en algunos casos sin pavimentar.





Figura 2-1. Localización general del área del proyecto.





3. CARTOGRAFÍA

Se consultó la cartografía existente con el fin de obtener la información mínima necesaria y adecuada para esta etapa de los estudios del proyecto. No se realizó ninguna actividad de toma de fotografías aéreas, restituciones aerofotogramétricas, ni levantamientos topográficos de campo durante el desarrollo del estudio.

La cartografía existente y consultada en esta etapa fue la siguiente:

Planchas 165, 166, 185, 186 en escala 1:100.000 con equidistancia entre curvas de nivel de 50 m en el área del proyecto, del Instituto Geográfico “Agustín Codazzi”.

Planchas 186-III-(A-B), 186-I-(A-B-C-D), 166-III-(A-C-D), 166-I-(A-C), 165-IV-(B-D), 165-II-(B-D), 146-III-C y 145-IV-D en escala 1:25.000 con equidistancia entre curvas de nivel de 50 m en el área del proyecto, del Instituto Geográfico “Agustín Codazzi”. Con base en estas planchas se determinó el área tributaria de las cuencas hasta los posibles sitios de captación.

Planchas 145-IV-D-(3-4) en escala 1:10.000 con equidistancia entre curvas de nivel de 50 m en el área del proyecto. Departamento de Antioquia, Secretaría de Hacienda, División de Catastro, 1987. Restitución a partir de fotografías aéreas de 1983.

Para los estudios más detallados tendientes al posible desarrollo y construcción del proyecto, se deben realizar trabajos de levantamiento de campo que permitan obtener la información topográfica detallada sobre las áreas de obras de la bocatoma, desarenador, sistema de conducción, sitio de casa de máquinas y al alineamiento de las líneas de conexión para cada una de las fases del proyecto.





4. ESTUDIO HIDROLÓGICO

4.1 CAUDALES MEDIOS

La cuenca del río San Juan se ubica en la vertiente oriental de la cordillera Occidental; hasta la desembocadura al río Cauca la cuenca posee un área tributaria de 1.430 km2, una altura promedio de 1.900 m, y temperatura media de 17 ºC. Aunque los regímenes de precipitación presentan variaciones importantes dentro de la cuenca, con mayores niveles de precipitación en la parte alta y en la vertiente occidental de la cuenca, un valor promedio de la misma es de 2.450 mm/año para toda la cuenca.

El sistema hidroeléctrico del río San Juan consta de cuatro subsistemas, los cuales se describen brevemente a continuación con el propósito de emplear una terminología de referencia sencilla y tener claridad sobre los sitios de captación en las distintas corrientes y la estimación de los caudales medios (véase el plano No. 370-100-PF-01):

El subsistema de generación San Juan (Fase 1) utilizará las aguas captadas en el río San Juan en la cota 1.080 msnm, aguas abajo de la desembocadura del río Tapartó, y las turbinará en una casa de máquinas superficial ubicada en la margen izquierda del río San Juan en la cota 720 msnm, aguas arriba de la desembocadura del río Bolívar.

El subsistema de generación Pedral 1 (Fase 2) utilizará las aguas captadas del río Pedral en la cota 1.100 msnm y las turbinará en una casa de máquinas localizada en la margen derecha del río Bolívar al que luego serán descargadas.

El subsistema de generación Tapartó (Fase 3) utilizará las aguas captadas del río Tapartó en la cota 1.490 msnm y las turbinará en una casa de máquinas localizada en la margen derecha del río Guadualejo, para luego transportarlas por una tubería de baja presión hasta entregarlas al túnel de conducción del Subsistema San Juan construido en la Fase 1.

El subsistema de generación Pedral 2 (Fase 4) utilizará las aguas captadas del río Pedral en la cota 1.420 msnm y las turbinará en una casa de máquinas localizada en la margen derecha del río Pedral, en la cota 1.230 msnm, al que luego serán descargadas.





4.1.1 Información hidrometeorológica

4.1.1.1 Información sobre caudales

Dentro de la cuenca del río San Juan el IDEAM tiene instaladas tres estaciones limnigráficas, que cuentan con más de 30 años de registros. Estas estaciones son:

Estación Campamento, ubicada sobre el río San Juan, aguas arriba de la confluencia con el río Tapartó.

Estación El Remolino, ubicada sobre el río San Juan, aguas abajo de la confluencia con el río Bolívar.

Estación Brasilia, ubicada sobre el río Bolívar.

Estas estaciones serán empleadas para evaluar la calidad de los resultados del modelo hidrológico aplicado y para la estimación de los caudales medios anuales en algunos de los sitios de captación. Las siguientes son las características más relevantes de estas tres estaciones limnigráficas.

Elevación (msnm) Área (km2) Qm (m3/s) L.R. (años)

Brasilia 800 238,83 7,86 36

Campamento 1160 507,96 25,78 31

El Remolino 620 1135,78 54,62 35

La ubicación de la estación limnigráfica Brasilia corresponde con el sitio de un posible aprovechamiento del río Bolívar y se encuentra en el mismo sitio donde se descargarían las aguas turbinadas en el subsistema Pedral 1, y la estación Campamento se encuentra localizada aguas arriba de la captación sobre el río San Juan, por lo que la estimación de los caudales medios en estos sitios podría acometerse de manera directa con los registros de dichas estaciones, sin embargo para los restantes sitios de aprovechamiento estudiados en los ríos Tapartó, Guadualejo y Pedral no es posible hacer esta estimación de manera directa por lo que debe recurrirse a métodos indirectos. Bajo estas consideraciones, para la estimación de los caudales medios en los sitios de posible aprovechamiento se aplicará el modelo de balance hídrico de largo plazo, y la confiabilidad de los caudales estimados será evaluada con base en los registros de las tres estaciones limnigráficas mencionadas.





4.1.1.2 Información sobre precipitación media multianual

Para obtener la precipitación media multianual en cada una de las cuencas en estudio hasta los sitios de aprovechamiento, se consultó el mapa de isoyetas de la Cartilla Hidrológica de Antioquia, pero el tamaño limitado de las cuencas relativo a la escala del mapa presentado en la Cartilla y el número relativamente escaso de estaciones en la región del suroeste de Antioquia utilizado en el estudio realizado para dicha publicación, indicaron la conveniencia de estimar el campo de precipitaciones con otra metodología. Una primera opción es construir un mapa de isoyetas para esta región de Antioquia, con base en los registros de precipitación de las estaciones pluviométricas que el IDEAM, y EPM posee en esta región.

Para el efecto se recopiló la información sobre localización y precipitación media multianual registrada en las siguientes estaciones del suroeste de Antioquia y del noroeste de los departamentos de Caldas y Risaralda:

Operadas por el IDEAM: Pueblorrico (Pueblorrico), La Pradera (Caramanta), Ita Andes (Andes), Concordia (Concordia), Piamonte (Fredonia), Granja La Nacional (Támesis), Hacienda Túnez (Valparaíso), La Plata (Venecia), Rosario (Venecia) y Caramanta (Caramanta) en el departamento de Antioquia; Riosucio (Riosucio) e Inst. Los Fundadores (Riosucio) en el departamento de Caldas; y Mistrató (Mistrató) en el departamento de Risaralda.

Operadas por la Federación Nacional de Cafeteros: El Trapiche (Bolívar), El Porvenir (Jericó), Miguel Valencia (Jardín), Virgen de Oro (Támesis), La Cristalina (Támesis) en el departamento de Antioquia; El Descanso (Marmato), La Argentina (Riosucio), Rafael Escobar (Supía), La Manuelita (Riosucio), Cuatro Esquinas (Aguadas), Guaymaral (Aguadas), Salineros (Aguadas), San José (Aguadas) y Cenicafé (Chinchina) en el departamento de Caldas; y Ospirma (Guática), El Barranco (Mistrató) y Buenos Aires (Guática) en el departamento de Risaralda.

Operadas por Empresas Públicas de Medellín: Cachipay (Hispania) en el departamento de Antioquia.

La localización de las estaciones consultadas para la cuenca del río San Juan y sus alrededores se presenta en la Figura 4-1.

Tras un proceso de investigación, prueba y comprobación, se planteó y utilizó como segunda opción para la determinación del campo de precipitación la implementación del software HidroSIG, desarrollado por el Postgrado en Aprovechamiento de Recursos Hidráulicos de la Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín, en el que es posible aplicar el modelo de balance hídrico de largo plazo de manera distribuida. Simultáneamente con el desarrollo de este software, en el mismo postgrado y a través de tesis dirigidas de grado se han elaborado mapas de precipitación promedio multianual para toda Colombia, empleando una completa base de datos que fue creada con los





registros de precipitación pertenecientes a diversas entidades y que han sido analizadas y preparadas para la elaboración de dichos mapas.

La modelación de mapas continuos de precipitación fue realizada con modernas técnicas de interpolación geoestadística y fueron sometidos a pruebas de bondad de ajuste para determinar la calidad e incertidumbre asociada a la estimación de campos de precipitación.

Dado que para algunas de las estaciones consultadas la precipitación media multianual fue obtenida de los Anuarios y revistas publicadas por las entidades antes citadas, para dichas estaciones no se dispuso de las series completas de precipitación y no fue posible incluirlas en un análisis profundo de la calidad y confiabilidad de los registros, y debido a las ventajas que representa el software Hidrosig, como ya ha sido mencionado y será ampliado más adelante, se optó por emplear estos mapas de precipitación en lugar del mapa de isoyetas elaborado.

4.1.2 Caracterización de la cuenca y parámetros Geomorfológicos

Las cuencas de los ríos estudiados hasta los sitios probables de aprovechamiento se clasifican como cuencas pequeñas y medianas, siendo la cuenca del río San Juan, luego de recibir todos los afluentes estudio del aprovechamiento, considerada como una cuenca grande. Véase la Figura 4-2. La intervención humana ha ocasionado un importante grado de deforestación en las partes medias y bajas de las cuencas; situación que genera una respuesta rápida en la formación de avenidas y aumento en las desviaciones de los caudales medios entre los meses de verano e invierno por la disminución en la capacidad de regulación y retención. Algunos de los parámetros geomorfológicos más significativos y que son necesarios para el estudio hidrológico son los siguientes:

Cota (msnm)

Cuenca A (km2) P (km) Lc (km) Max Mín

S0 Kc Rf

Río San Juan 508.93 111.04 27.24 2550 1080 0.054 1.38 0.97

Río Tapartó 67.52 60.90 29.15 3090 1490 0.055 2.08 0.13

Río Guadualejo 38.12 35.89 10.20 2800 1105 0.166 1.63 0.39

Río Pedral (1) 52.16 48.38 22.99 3310 1100 0.096 1.88 0.15

Río Bolívar 238.83 69.89 21.88 1980 810 0.053 1.27 0.76

En donde:

A área de la cuenca.





Figura 4-1. Estaciones hidrometeorológicas en la zona de la cuenca del río San Juan.





Figura 4-2. Cuencas de los ríos San Juan, Tapartó, Guadualejo, Pedral y Bolívar hasta los posibles sitios de aprovechamiento.





P perímetro de la cuenca.

Lc longitud del cauce principal de la cuenca.

So pendiente promedio del cauce principal.

Kc índice de compacidad

Rf factor de forma de la cuenca, definido por Horton como el cociente entre la superficie de la cuenca y el cuadrado de su longitud.

De los parámetros estimados se concluye además que la forma de las cuencas de los ríos Tapartó y Pedral son alargadas, mientras las cuencas restantes son más achatadas y de forma más regular, por lo que sus hidrógramas de respuesta a crecientes serán más uniformes y concentrados.

4.1.3 Estimativo del caudal medio multianual en el sitio de bocatoma

4.1.3.1 Métodos Utilizados

Cada uno de los métodos usados en hidrología para estimar caudales mínimos, medios o máximos, al igual que los utilizados para otros propósitos en esta ciencia, corresponden a aproximaciones que entrañan un cierto nivel de incertidumbre. Por esta razón, en los estudios hidrológicos realizados casi con cualquier propósito, aun en cuencas en las que se cuenta con registros tomados directamente en la propia cuenca, se utilizan varios métodos hidrológicos y de acuerdo con los resultados obtenidos se adoptan los caudales o los valores por considerar en los diseños. Algún nivel de incertidumbre hidrológica subsiste necesariamente, pero se reduce en la medida en que mediante diferentes aproximaciones se obtengan resultados relativamente cercanos que permitan confirmar las hipótesis y parámetros de cada uno de los métodos usados, y en la medida en que se identifiquen las razones por las que alguno o algunos de los métodos utilizados arrojan resultados alejados de los demás, en el caso en que así fuere.

Con el fin de estimar el caudal medio aprovechable en los sitios de bocatoma propuestos a nivel de este estudio y en los demás sitios de posible aprovechamiento, se utilizó inicialmente el método que se describe a continuación, y que es de los más usados entre los que se presentan y recomiendan en la literatura técnica especializada cuando se requiere estimar caudales medios en cuencas medianas o grandes con carencia total o escasez de información hidrológica.





4.1.3.1.1 Método del balance hídrico de largo plazo

El método de balance hídrico o hidrológico de largo plazo puede utilizarse en una cuenca de manera distribuida o con parámetros agregados. En la medida en que la cuenca sea de mayor tamaño, se hace necesario considerar la variabilidad espacial de la precipitación y de la evapotranspiración real en el área de la cuenca mediante la aplicación de modelos distribuidos, pues la hipótesis de que ambas variables puedan considerarse uniformes en toda la cuenca e iguales a su valor promedio puede inducir a un error mayor en el estimativo de los caudales medios por el método de balance hídrico. Por el contrario, en cuencas pequeñas la aplicación con parámetros agregados es aceptada y no conlleva a errores significativos.

El método de balance hidrológico de largo plazo para estimar caudales medios no tiene restricciones de aplicación en cuanto al tamaño de la cuenca; se ha aplicado y probado, y se recomienda su aplicación tanto para cuencas muy grandes como para cuencas muy pequeñas. Precisamente, la teoría utilizada para la aplicación del método de balance hídrico mediante modelos distribuidos, considera la subdivisión de la cuenca en celdas relativamente pequeñas en las cuales se aplica la diferencia entre la precipitación media y la evapotranspiración real media en cada celda, para finalmente estimar el caudal medio de escorrentía en toda la cuenca como la sumatoria de los caudales aportados por cada una de las celdas. Teóricamente, en la medida en que dichas celdas sean más pequeñas y se tenga información realmente representativa de las variables (precipitación y evapotranspiración) en dichas celdas, diferenciada de la información de sus vecinas, los resultados tendrán menor error.

Así por ejemplo, el modelo HidroSIG elaborado por la Universidad Nacional de Colombia (Sede Medellín), específicamente para el estudio inicialmente realizado en el proyecto Balances Hidrológicos de Colombia, fue construido con base en mapas de precipitación y evapotranspiración con celdas de cinco minutos de arco (aproximadamente 9 km * 9 km = 81 km2 de área), y posteriormente fue detallado para el proyecto Balance Hidrológico y Atlas Digital de Antioquia utilizando celdas de 30 segundos de arco (aproximadamente 0,9 km * 0,9 km = 0,81 km2 de área) [Vélez et al, 2002]. Estudios posteriores sobre la incertidumbre asociada con el método de balance hídrico de largo plazo [Alvarez et al, 2007], indican que parte de la incertidumbre de la aplicación del método de balance hídrico en el HidroSIG está asociada con la incertidumbre del modelo digital de elevaciones (MDE) utilizado, tanto por la construcción del modelo GTOPO30 (USGS) usado, como por el proceso de remuestreo utilizado para transformar su resolución de 900 m a 4 km, que correspondería a celdas de 16 km2 de área.

Incluso, el procedimiento de remuestreo antes citado para transformar la resolución de las celdas tiene una fuerte incidencia en la incertidumbre asociada a la estimación de variables como la temperatura, el punto de rocío, la presión atmosférica y la humedad relativa, las cuales son evaluadas en el modelo HidroSIG mediante ecuaciones a partir de la altura, y por lo tanto en la estimación de la evapotranspiración como lo expone Alvarez et al [2007]: “Los valores más inciertos de evapotranspiración se presentan en las zonas





elevadas en las cordilleras, donde los valores del modelo de elevaciones original pueden llegar a variar bastante localmente”.

Otro ejemplo importante de citar es el modelo Duberdicus utilizado por Corantioquia, en el que los estimativos de caudales medios se realizan por el método de balance hídrico [Corantioquia, 2008].

Es importante anotar que los mayores errores en la estimación de los caudales medios por el método de balance hídrico a largo plazo con el modelo HidroSIG se han reportado para cuencas pequeñas. Al respecto debe tenerse en cuenta lo expuesto por Alvarez et al [2007], en el sentido que: “El cálculo de la incertidumbre asociada con la estimación del área de la cuenca depende exclusivamente del número de celdas mediante las cuales se representa y de una relación entre el perímetro y el área de la cuenca… La incertidumbre asociada con la medición del área de la cuenca, para un MDE con un tamaño de celda de 4 km, es considerable para las cuencas con áreas menores de 100 km2, mientras que, para cuencas mayores, es casi despreciable si se compara con los aportes de la precipitación y la evapotranspiración”.

Por lo tanto, alguna posible dificultad con las cuencas pequeñas no radica en el método de balance hídrico, ni en su aplicabilidad a tal tamaño, sino en la resolución del modelo digital del terreno usado para simular la cuenca con un modelo distribuido, y en la disponibilidad de información confiable sobre precipitación y evapotranspiración para alimentar dicho modelo con el nivel de resolución empleado.

Con base en la discusión anterior, para las cuencas de los ríos objeto de este estudio se aplicó el método de balance hídrico con parámetros distribuidos, empleando el HidroSIG, pero debido al tamaño relativamente pequeño de algunas de las cuencas fue necesario investigar e implementar un modelo digital de terreno de mayor resolución, como se describe a continuación.

De los modelos digitales de terreno (MDT) presentes en la base de datos de la versión 3.1 Beta del HidroSIG, el de mayor resolución corresponde a un tamaño de celda de 2 minutos de arco, es decir 3,7 km (13,7 km2), que al ser empleado para la delimitación de las cuencas en estudio genera una alta desviación en el cálculo del área, lo que afecta de manera directa la estimación de las demás variables y en particular del caudal medio en la cuenca. Por este motivo se orientaron los esfuerzos a la adquisición de un modelo digital de terreno con mejor resolución, en el que fuera posible delimitar la cuenca de manera más precisa. Tras un proceso de investigación y consulta fue posible obtener modelos digitales de terreno elaborados y suministrados de manera gratuita por la NASA, denominados SRTM3 (Shuttle Radar Topography Mission), con una resolución de 3 segundos de arco, es decir 90 m (0,0081 km2), y con áreas de cobertura de un grado por un grado.

Para la delimitación de cuencas y el posterior modelamiento hidrológico, el MDT debe ser sometido a un “Procesamiento” en HidroSIG, pero debido a innumerables inconvenientes técnicos en las etapas de conversión de formatos, unión, proyección y procesamiento de





los modelos digitales de terreno, fue necesario implementar la nueva versión de este programa (HidroSIG 4).

HidroSIG 4, a diferencia de HidroSIG 3.1 Beta, representa una aplicación del software MapWindow, lo que lo hace más flexible, estable y eficiente que la versión anterior, la cual no estaba soportada por ningún otro software. Sin embargo, la nueva versión de Hidrosig presenta ciertas desventajas ante su predecesora, como es la ausencia de una base de datos con mapas digitales de terreno e hidrológicos para Colombia, y la imposibilidad de calcular algunos parámetros fisiográficos de las cuencas, entre otros.

Sobre el nuevo HidroSIG 4, fue posible superar los obstáculos presentados durante el uso del HidroSIG 3.1 Beta y obtener los mapas necesarios para la delimitación de cuencas y para realizar la modelación hidrológica.

Para estimar el caudal medio, el HidroSIG aplica el balance hídrico de largo plazo sobre cada una de las celdas del modelo digital del terreno, para lo que es necesario disponer de mapas de precipitación, temperatura y evapotranspiración.

Los mapas de precipitación empleados fueron tres, dos de ellos elaborados en el Postgrado de Aprovechamiento de Recursos Hidráulicos (PARH) de la Universidad Nacional (Sede Medellín) para el proyecto Balances Hidrológicos de Colombia, aplicando métodos de interpolación geoestadísticos como es el método de kriging con deriva externa con un tamaño de celda de 5 minutos de arco. El otro mapa de precipitación empleado fue obtenido como resultado de un trabajo de maestría del año 2007 en la institución antes mencionada, llamado: “Cuantificación de la Incertidumbre para la Estimación de Campos Hidrológicos. Aplicación al Balance Hídrico de Largo Plazo“, que presenta un tamaño de celda de 1 minuto de arco.

El mapa de temperatura fue obtenido mediante la ecuación propuesta para la zona Andina de Colombia en función de la altitud por Chávez y Jaramillo [1998], por lo que con base en el MDT y la herramienta del HidroSIG “Algebra de mapas” es construido y posee la misma resolución del modelo digital del terreno (MDT).

El mapa de evapotranspiración fue calculado con base en la expresión de Turc que junto con las expresiones de Penman y Morton son las más aceptadas para el territorio nacional y emplea los mapas de precipitación y temperatura.

La aplicación de modelos hidrológicos y el uso de la herramienta de algebra de mapas no requieren que el tamaño de las celdas de los mapas empleados sean de la misma resolución, pues el software automáticamente realiza un “remuestreo” para poder así unificar los tamaños de celda de los mapas.

Como resultado de la aplicación del método de balance hídrico de largo plazo con parámetros distribuidos, se estiman los caudales medios en los puntos de aprovechamiento de cada corriente para el Proyecto San Juan, utilizando independientemente cada uno de los tres mapas de precipitación antes citados.





Para verificar la validez de los caudales estimados en los diversos sitios, y para adoptar los caudales medios para el diseño del sistema San Juan, se realizaron estimaciones del caudal medio en los tres puntos de la cuenca en los que se encuentran instaladas las tres estaciones limnigráficas Campamento, El Remolino y Brasilia, cuyas características principales han sido descritas previamente.

Es pertinente anotar que la localización de dichas estaciones no es muy precisa, debido a que la ubicación geográfica indicada en los reportes del IDEAM tiene precisión tan solo al minuto. En la tabla siguiente se presentan los valores de caudal medio multianual estimados (m3/s) a través del HidroSIG y los registrados por el IDEAM para cada una de las tres estaciones.

Tabla 4-1. Comparación de caudales medios estimados mediante el balance hídrico de largo plazo y el registrado en las estaciones del IDEAM.

Brasilia % Campamento % El Remolino %IDEAM 7.86 100% 25.78 100% 54.62 100%PARH 1 10.28 131% 26.61 103% 55.31 101%PARH 2 10.57 134% 29.25 113% 56.46 103%

TDG 2007 18.36 234% 27.14 105% 73.31 134%

Como se observa, las estimaciones de caudal medio multianual obtenidas por medio del mapa aquí denominado PARH 1 (kriging con deriva externa) presentan una alta correspondencia con los caudales registrados en las estaciones Campamento y El Remolino, mientras que para la estación Brasilia, a pesar de presentar una alta desviación, sigue siendo el mapa que permite obtener el valor más cercano al registrado en la estación del IDEAM.

Las estimaciones obtenidas por medio del mapa denominado TDG 2007 presentan una alta desviación de los caudales registrados en las estaciones Brasilia y El Remolino, por lo que su aplicabilidad es poco confiable y por tanto se prescindirá de los estimativos obtenidos con este mapa de precipitación.

Otro factor de comprobación, que en este caso reduce la incertidumbre asociada al modelo digital de terreno empleado, es la comprobación del área de las cuencas, ya que esta fue medida sobre planchas IGAC en escala 1:25.000 y la mayor desviación respecto a las obtenidas empleando el modelo digital fue de 5% para la cuenca del río Bolívar, pero para las demás cuencas esta diferencia no superó el 1%.

De estos análisis podemos concluir finalmente que: el mapa de precipitación elaborado con la técnica geoestadística kriging con deriva externa empleado para el balance hídrico de largo plazo presenta una buena correspondencia con el comportamiento de la precipitación en la zona estudiada; que el MDT usado como base posee una resolución





apropiada para la delimitación de las cuencas; y por último, se puede concluir que la aplicación del modelo de balance hídrico de largo plazo con las estimaciones de temperatura y evapotranspiración tal como fueron indicadas arroja un estimativo aceptable del caudal medio.

4.1.3.1.2 Modelos de regionalización de caudales medios en Antioquia

La necesidad de cuantificar la disponibilidad del recurso hídrico o de valorar la ocurrencia de eventos extremos en determinadas cuencas carentes de registros hidrométricos y pluviométricos, conducen a la aplicación de técnicas de regionalización.

La regionalización se apoya en el concepto fundamental de homogeneidad estadística de un determinado comportamiento en una región cuyas características topográficas, climáticas, orográficas, hidrológicas, entre otras, sean similares. El objetivo de la regionalización de las características medias es inferir la respuesta hidrológica de la cuenca a partir de sus características geomorfológicas y climáticas [Mesa et al, 2002].

En este estudio se utilizaron dos modelos de regionalización que se han usado para otros proyectos hidroeléctricos y que fueron obtenidos durante los estudios y diseños de los proyectos hidroeléctricos La Vuelta y La Herradura a partir de la información disponible de lluvias y caudales en 19 de las cuencas mejor instrumentadas del Departamento de Antioquia [Revista Empresas Públicas de Medellín, Volumen 15 – Nº2, 2004]. Dichos modelos corresponden a ecuaciones empíricas de la forma:

Q = a Ab Pc (1)

donde Q es el caudal medio multianual en m3/s, A es el área de drenaje en km2, P es la precipitación media multianual en mm/año, y las constantes a, b y c son parámetros de calibración para cada modelo que se presentan a continuación:

Modelo a x 10-7 b c r2 gdlI 5.94 0.9952 1.4447 0.9938 17II 146.97 0.9427 1.0753 0.9818 7

Las estaciones de medida de la precipitación utilizadas en la regionalización son: Abriaquí (PG – 2.027 mm/año), Guasabra (PM – 1.420 mm/año), La Clarita (PG – 2.324 mm/año), Musinga L.G. (PG – 2.989 mm/año), Musinga (CO – 2.067 mm/año), Normal Santa Teresa (PM – 2.614 mm/año), Frontino (PM – 3.127 mm/año), Cañasgordas (CO – 2.393 mm/año), Hacienda Piunti (CO – 1.405 mm/año) y Giraldo (PM – 1.891 mm/año).

De acuerdo con esta información, las precipitaciones promedias multianuales registradas en las estaciones utilizadas para la regionalización varían entre 1.405 y 3.127 mm, por lo que su orden de magnitud es similar a las que se presentan en las cuencas de estudio que de acuerdo con el mapa de precipitación seleccionado para este estudio varían entre 2.098 y 3.964 mm/año.





Las cuencas utilizadas en la regionalización cubren diferentes zonas del Departamento de Antioquia y sus áreas tributarias varían entre 22 y 1.687 km2. Es de resaltar los excelentes coeficientes de correlación (0,9938 y 0,9818) obtenidos para los dos modelos de regionalización utilizados, a pesar de la relativa dispersión en cuanto a su localización en el Departamento de Antioquia y de la amplia variación del tamaño de las cuencas consideradas.

Las cuencas utilizadas en la regionalización son las siguientes:

Corriente Estación

hidrométrica Área de

drenaje (km2)

Río Negro RN-1 167 Qda. La Honda RN-8 22 Río Negro RN-4ª 842 Río Nare RN-5 1.250 Río Nare RN-6 1.500 Río Nare RN-13 1.687 Río San Carlos RN-11 203 Río Guatapé RN-10 590 Río Grande RG-7 330 Río Grande RG-8 1.056 Río Guadalupe G-8 276 Río Guadalupe G-1-2 415 Río Tenche TC-2 91 Río Concepción TC-4 125 Río Dolores TC-6 89 Río Pajarito TC-7 70 Río San Juan Campamento 539 Río Nus Caramanta 310 Río Sonsón Sonsón 54 Río Sucio El Añil 717

También es necesario resaltar que la estación Campamento, empleada en el modelo de regionalización, está ubicada sobre el río San Juan en la zona de estudio para este proyecto. Por este motivo, las características de las cuencas estudiadas están contenidas de manera intrínseca en las expresiones regionales y deberían conducir a unos buenos estimativos del caudal medio multianual.

La metodología aplicada en el estudio de regionalización utilizado no tiene hipótesis diferentes a la simple consideración del área de drenaje de la cuenca, de la precipitación media multianual promedia en cada cuenca y del caudal medio multianual registrado en cada una de las estaciones de medida. Con base en lo anterior, tratándose de una regionalización para obtener caudales medios a nivel multianual y no caudales mínimos u





otra variable hidrometeorológica cuyo comportamiento pudiera estar fuertemente afectado por otras características diferentes, se considera que la aplicación de los modelos de regionalización utilizados a la subcuencas contenidas en la cuenca del río San Juan es adecuada.

4.1.3.2 Resultados de los métodos utilizados

En la Tabla 4-2 se presentan y comparan los resultados del estimativo del caudal medio multianual calculado por los dos métodos descritos en los numerales anteriores para los sitios de captación en los ríos San Juan y Pedral (Pedral 1), y para los sitios de posible aprovechamiento en los ríos Tapartó, Guadualejo y Bolívar.

Tabla 4-2. Estimativo del caudal medio multianual (m3/s) en los sitios de captación y de posible aprovechamiento.

VALORES ESTIMADOS POR DIFERENTES MÉTODOS PARA EL

RÍO SAN JUAN (COTA 1.080 msnm) Parámetro Balance

hídrico PARH 1

Balance hídrico PARH 2

Modelo reg. I Antioquia

Modelo reg. II Antioquia

Caudal Adoptado

Caudal medio (m3/s): 26,772 29,31 23,97 23,71 26,772

% respecto al caudal medio adoptado: 100% 109% 90% 89% 100%

Rendimiento promedio (l/s/km2): 53 58 47 47 53


RÍO TAPARTÓ (COTA 1.490 msnm) Parámetro Balance

hídrico PARH 1




Caudal Adoptado

Caudal medio (m3/s): 4,224 3,961 3,610 3,850 4,224








RÍO GUADUALEJO (COTA 1.105 msnm) Parámetro Balance

hídrico PARH 1




Caudal Adoptado

Caudal medio (m3/s): 1.707 1.617 1.767 2.017 1.707



Parámetro VALORES ESTIMADOS POR DIFERENTES MÉTODOS PARA EL

RÍO PEDRAL (COTA 1.100 msnm) – Pedral 1





Caudal Adoptado

Caudal medio (m3/s): 3.029 2.794 2.71 2.95 3.029




RÍO BOLÍVAR (COTA 810 msnm) Parámetro Balance

hídrico PARH 1




Caudal Adoptado

Caudal medio (m3/s): 10,279 10,571 10,450 10,970 7,860



Con base en la información resumida en la Tabla 4-2 se presentan los siguientes comentarios sobre el caudal medio estimado en los sitios de captación y de posible aprovechamiento:

Gracias a la bondad de ajuste y baja incertidumbre que generaron los estimativos del caudal medio multianual con el método del balance hídrico de largo plazo para el mapa de precipitación modelado con el método de kriging con deriva externa (KDE), tal y como fue sustentando anteriormente, se adopta para este estudio como caudal medio multianual de los ríos San Juan, Tapartó, Guadualejo y Pedral (Pedral 1) hasta el sitio de captación los valores estimados con dicho mapa. Mientras que los caudales





estimados con las técnicas regionales se emplean como referencia y punto de comparación.

En el caso particular del río Bolívar, en el que la estación de registro se encuentra ubicada en el lugar de posible aprovechamiento de este río y que fue justamente para esta estación donde se presentó una mayor desviación del caudal estimado con el registrado (7,86 m3/s), se adopta como cierto este último, pues el registro directo por más de 36 años consecutivos brinda una mayor confiabilidad que cualquier modelo de simulación.

Respecto a los caudales medios adoptados, los valores estimados de manera individual por cada uno de los métodos presentan pequeñas desviaciones, lo que indica que realmente los resultados obtenidos por los diferentes métodos presentan diferencias relativamente pequeñas entre ellos.

4.1.4 Curva de duración de caudales medios diarios para el proyecto

Para estimar la curva de duración de los caudales medios diarios en los diversos sitios estudiados, se emplearon los registros de caudales a nivel diario de la estación Campamento, ubicada en la parte media de la cuenca del río San Juan, y se elaboró una curva de duración adimensionalizada. Dicha curva, por pertenecer a una de las estaciones ubicadas en el interior de la cuenca del río San Juan y muy cercana de los demás sitios de captación, se asumió como representativa de la variación de los caudales medios diarios a lo largo de un período dado, para las cuencas hidrológicamente similares.

Estas curvas se utilizan en este estudio para los cálculos relativos a la energía media anual que generaría cada uno de los subsistemas con operación a filo de agua. Desde la Figura 4-3 hasta la Figura 4-7 se presentan las curvas de duración adoptadas para cada sitio de estudio.





Figura 4-3. Curva estimada de duración de caudales medios diarios para el Río San Juan hasta el sitio de captación (cota 1.080 msnm).

0.00

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

120.00

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

Probabilidad de excedencia

Cau

dal m

edio

dia

rio (m

3 /s)

Figura 4-4. Curva estimada de duración de caudales medios diarios para el Río Tapartó hasta el sitio de posible aprovechamiento (cota 1.490 msnm).

0.00

4.00

8.00

12.00

16.00

20.00

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%


Cau

dal m

edio

dia

rio (m

3 /s)





Figura 4-5. Curva estimada de duración de caudales medios diarios para el Río Guadualejo hasta el sitio de posible aprovechamiento (cota 1.105 msnm).

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%


Cau

dal m

edio

dia

rio (m

3 /s)

Figura 4-6. Curva estimada de duración de caudales medios diarios para el Río Pedral hasta el sitio de captación para Pedral 1 (cota 1.100 msnm).

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

14.00

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%


Cau

dal m

edio

dia

rio (m

3 /s)





Figura 4-7. Curva estimada de duración de caudales medios diarios para el Río Bolívar hasta el sitio de posible aprovechamiento (cota 810 msnm).

0.00

6.00

12.00

18.00

24.00

30.00

36.00

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%


Cau

dal m

edio

dia

rio (m

3 /s)

4.2 CAUDALES MÍNIMOS Y CAUDAL ECOLÓGICO

4.2.1 Caudal ecológico

En este numeral se presentan algunas consideraciones sobre la magnitud del caudal remanente (también denominado ecológico, ambiental o de garantía ambiental) que debería garantizarse aguas abajo de cada uno de los sitios de captación de las aguas para generación en el sistema hidroeléctrico del río San Juan, con el fin de mantener unas condiciones mínimas de los ecosistemas localizados en los cauces hasta los sitios de restitución del flujo aprovechado.

Estrictamente, para definir el caudal remanente que debe mantenerse en un cauce sería necesario conocer los efectos que la reducción de caudal ocasiona aguas abajo sobre los medios biótico y abiótico, así como en el uso del agua en aprovechamientos existentes o proyectados aguas abajo (acueducto, riego, etc.). Dichos efectos consisten en la alteración: del régimen de caudales, del patrón de transporte de sedimentos, de las posibilidades de uso del agua por las comunidades asentadas en el tramo afectado, del hábitat para las especies animales de peces y macroinvertebrados, del suministro de





nutrientes para las especies vegetales, de las características fisicoquímicas y bacteriológicas del agua en el sitio de captación y aguas abajo, etc. [Mejía, 1998].

Por lo tanto, la definición del caudal remanente en cada sitio debería hacerse mediante la aplicación de metodologías que permitan cuantificar y modelar las perturbaciones que pueden sufrir los ecosistemas y aprovechamientos existentes y proyectados aguas abajo, de tal manera que sea posible lograr una compatibilidad entre los criterios ambientales, hidrológicos y de utilización del recurso hídrico.

Los métodos más utilizados para definir los caudales remanentes se pueden clasificar en cuatro categorías: índices y normas generalmente de tipo hidrológico y algunas veces complementados con índices de tipo ecológico; análisis de series de datos existentes de tipo hidrológico, hidráulico y ecológico; métodos de análisis funcional, que desarrollan una comprensión de los vínculos funcionales entre los aspectos de la hidrología y la ecología del sistema fluvial; y métodos de modelación de hábitats [Dyson et al, 2003].

En nuestro medio se ha propuesto una metodología [Greco, 2005] que pondera la calificación dada a un grupo de diez variables ambientales representativas que se pretende preservar o garantizar en el tiempo, para aplicar tal calificación ponderada a la serie de caudales mínimos instantáneos mensuales multianuales registrada en el sitio del proyecto, para obtener la serie de caudal mensual de garantía ambiental que debe ser proporcionada aguas abajo del sitio del proyecto mediante el caudal de recuperación (compuesto básicamente por los afluentes aguas abajo, reboses del vertedero e infiltraciones en la presa) y los caudales adicionales que debe aportar o dejar correr el proyecto. Es importante resaltar que ésta y otras metodologías consideran que realmente no debe garantizarse un caudal remanente constante a lo largo del tiempo, sino que se debe tratar de reproducir las variaciones naturales del caudal en el cauce analizado.

4.2.1.1 Legislación y criterios de referencia

La legislación ambiental vigente actualmente en Colombia no define claramente un criterio para la determinación del caudal remanente, aunque el proyecto de la Ley de Aguas “por la cual se establecen medidas para orientar la planificación y administración del recurso hídrico en el territorio nacional” contemplaba en la propuesta del Artículo 21 lo relativo al caudal ecológico de las corrientes superficiales en los siguientes términos:

“Entiéndase por caudal ecológico de las corrientes superficiales los caudales mínimos que, de acuerdo con los regímenes hidrológicos, deberán mantener las corrientes superficiales en sus diferentes tramos, a fin de garantizar la conservación de los recursos hidrobiológicos y de los ecosistemas asociados.

El caudal ecológico para cada corriente superficial o tramo de la misma será establecido por las autoridades ambientales competentes, de acuerdo con los





lineamientos técnicos que para el efecto establezca el Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales - IDEAM.

Hasta tanto se establezcan los lineamientos a que se refiere este artículo, se considerará como tal el caudal de permanencia en la fuente durante el 90% del tiempo, sin perjuicio de que se respeten los derechos adquiridos mediante concesiones vigentes.”

En relación con el texto anterior, debe tenerse en cuenta que el proyecto de la Ley de Aguas fue archivado. Desde el punto de vista de utilización de los recursos hidroenergéticos, el criterio de definición del caudal ecológico utilizado en el proyecto de Ley es bastante restrictivo, si se tiene en cuenta que tradicionalmente los conceptos de potencia firme y energía firme, por lo menos en proyectos a filo de agua y de baja regulación, se han calculado con base en el caudal garantizado en el sitio durante el 95% del tiempo, es decir, con base en un caudal inferior al que se utilizaría para definir el caudal ecológico según el citado proyecto de Ley. Por lo tanto, de aplicarse el criterio citado sobre el caudal ecológico del Proyecto de Ley de Aguas, la potencia firme y la energía firme de los proyectos hidroeléctricos antes mencionados serían nulas, aun en el caso en que se tomara el caudal firme como el que puede garantizarse durante el 90% del tiempo.

Algunas Corporaciones como Corantioquia y Cornare han incorporado en algunas de las resoluciones de concesión de aguas en sus jurisdicciones, una cláusula que condiciona la concesión a dejar un remanente equivalente al 10% de la oferta mínima de la fuente en cuestión. La usanza reiterada de este condicionamiento le ha impuesto fuerza de ley a la necesidad de dejar siempre un caudal remanente en los recursos hídricos explotados para cualquier fin. Por lo demás, no existe ninguna reglamentación en Colombia que imponga explícitamente una determinada cantidad como caudal remanente [Mejía, 1998].

Estudios desarrollados en los últimos años sobre el recurso hídrico a nivel nacional y departamental, como los realizados por IDEAM y Corantioquia han presentado algunos criterios para la estimación del caudal ecológico, en los que además se introduce el concepto del índice de escasez, impulsado por el Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial (MAVDT), a partir del cual se tiene previsto definir un procedimiento general para estimar el caudal ecológico en el país [Zapata, 2008].

Estos criterios para definir el caudal remanente, así como los propuestos por algunos autores y legislaciones de otros países se citan a continuación de manera resumida:

Cuinat y Roussel (1981) proponen que el caudal remanente no debe ser inferior al caudal excedido 355 días al año, es decir, el caudal mínimo que permanece el 97% del tiempo; y además que dicho caudal no debe ser en ningún caso menor al caudal medio del mes más seco del año.

Algunas referencias indican que en Francia se toma el caudal ecológico como el 10% del caudal medio anual calculado al menos sobre 5 años de registro.





El Ministerio de Obras Públicas y Transporte de España (MOPT, 1989) establece que el caudal ecológico deber ser siempre superior al caudal medio del mes más seco y como mínimo el 10% del caudal medio del río.

La Ley de Aguas de España (1985) impone un caudal ecológico equivalente a la media del caudal natural cada mes o a 2 l/s/km2 de cuenca hidrográfica; sin embargo las autoridades pueden exigir un caudal ecológico mayor.

El Departamento Nacional de Aguas y Energía Eléctrica (DNAEE) en Brasil establece un caudal mínimo ecológico no inferior al 80% del menor valor promedio mensual, durante el periodo de observación disponible.

La provincia de Bolzano en Italia exige un caudal ecológico de 2 l/s/km2, mientras que la región de Piamonte, también en Italia, exige el 10% del caudal instantáneo.

En Escocia, el caudal ecológico puede variar entre el 5% y el 25% del caudal máximo(?) anual, aunque el 10% es lo habitual.

En Inglaterra y País de Gales, el caudal ecológico se fija caso por caso por la National River Authority cuando se solicita una licencia, pero nunca es inferior al 95% del caudal excedente.

Con un enfoque bastante diferente, Milhous (1992) sugiere que el criterio más importante para distribuir el agua debe estar basado en los beneficios que reciba la comunidad, por lo que debe demostrarse: el beneficio existente que produce el agua reservada como caudal ecológico; que el caudal ecológico no es un desperdicio; y que el caudal ecológico es el mejor uso posible para esa porción de agua.

El IDEAM en el Estudio Nacional del Agua (2000) propone como caudal mínimo ecológico el caudal promedio multianual de mínimo 5 a máximo 10 años que permanece el 97,5% del tiempo “y cuyo período de recurrencia es de 2,33 años” (?, sic).

En el mismo estudio el IDEAM propone un segundo criterio en el que el Caudal Ecológico corresponde al 25% del valor medio mensual multianual más bajo de la corriente en estudio.

El MAVDT ha impulsado el concepto del índice de escasez para la determinación del caudal ecológico, cuya metodología de cálculo fue definida en el documento “Metodología para el cálculo del índice de escasez de agua superficial” elaborada por el IDEAM en el año 2004. Sin embargo proponen para su estimación los criterios establecidos por el IDEAM en el estudio del año 2000.

Corantioquia, en su publicación “El Recurso Hídrico en la jurisdicción de Antioquia” (2006), presenta el modelo Duberdicus de administración del recurso hídrico con el





listado de parámetros y criterios que emplea el software, entre los que se incluyen dos criterios para la determinación del caudal ecológico: el primer criterio estima el caudal ecológico como el 25% del caudal mínimo estimado de la cuenca, pero no indica para que período de retorno ni el tipo de función de distribución de probabilidad utilizada en el modelo. El segundo criterio incluido en el Duberdicus es el propuesto por el MAVDT, que a su vez corresponde con los ya citados propuestos por el IDEAM en el año 2004.

Todos estos criterios anteriores son denominados métodos hidrológicos puesto que se basan en las series hidrológicas registradas o estimadas en la corriente en estudio, a través de los cuales, el caudal ecológico se establece a partir del resultado de algún parámetro estadístico supuestamente representativo. Estos métodos han sido ampliamente difundidos y en algunos países son los que deben usarse para la determinación del caudal ecológico. Sin embargo, cada vez han tomado más fuerza los métodos que toman en consideración tanto las componentes hidrológicas e hidráulicas que gobiernan el comportamiento de la corriente estudiada, como los componentes bióticos y abióticos del ecosistema, denominados métodos hidrobiológicos.

Uno de estos métodos hidrobiológicos creado por la Agencia Ambiental del Reino Unido y denominado RAM por sus iniciales en inglés (Resource Assessmant and Management Framework), involucra variables tan importantes del ecosistema lótico tales como Macroinvertebrados, Macrofitos y peces, analizados desde el punto de vista de su sensibilidad ante la disminución de caudal en el afluente.

Este método evalúa cuatro elementos del ecosistema: Características físicas, peces, macrofitos y macro-invertebrados, a los que se les asigna un puntaje RAM entre 1 y 5 (1 menos sensible a disminuciones en caudal, 5 más sensible), y luego se combinan dichos puntajes para clasificar la corriente en una de las cinco Franjas de Peso Ambiental, en las que la Franja A (5) es la más sensible (puntaje promedio de 5) y E es la menos sensible (puntaje promedio de 1). Para cada franja de sensibilidad, el método establece los porcentajes de extracción de caudal permisibles.

En el siguiente numeral se presenta la aplicación de estos criterios para la estimación del caudal ecológico en los puntos de captación y en los puntos de posible aprovechamiento, y algunas consideraciones relacionadas con el aprovechamiento hidroeléctrico y los regímenes de caudal en las corrientes inmediatamente aguas abajo de los sitios de captación, según el caudal ecológico adoptado.

4.2.1.2 Determinación del caudal ecológico

Para la aplicación de los diversos criterios listados para la determinación del caudal ecológico se parte del estudio de caudales medios y de la curva de duración de caudales medios diarios estimada para cada sitio de bocatoma. El caudal (Qx) que puede





garantizarse en los sitios de bocatoma durante un cierto porcentaje del tiempo (x), de acuerdo con la curva de duración de caudales medios diarios a nivel multianual, corresponde a los siguientes valores y porcentajes del caudal medio multianual (Qm):

Q90 Q90/Qm Q95 Q95/Qm Q97 Q97/Qm San Juan 11,09 41,4% 9,06 33,8% 8,21 30,7% Tapartó 1,75 41,4% 1,43 33,8% 1,30 30,7% Guadualejo 0,71 41,4% 0,58 33,9% 0,52 30,7% Pedral 1 1,25 41,4% 1,03 33,8% 0,93 30,7% Bolívar 3,26 41,4% 2,66 33,8% 2,41 30,7%

(1) El caudal Q90 corresponde al criterio considerado en el proyecto de Ley de Aguas y es excesivamente conservador si se compara con cualquiera de los demás.

(2) El caudal Q95 correspondería al que tradicionalmente es utilizado para definir los conceptos de potencia firme y energía firme en proyectos hidroeléctricos a filo de agua y de baja regulación.

Hasta los sitios previstos de aprovechamiento, las cuencas de los ríos San Juan, Tapartó, Guadualejo, Pedral y Bolívar presentan las características indicadas en la Tabla 4-3, punto de partida para la aplicación de los métodos y criterios.

Tabla 4-3. Características hidrológicas de las cuencas hasta los sitios de captación

San Juan Tapartó Guadualejo Pedral 1 Bolívar Área de la cuenca hasta el sitio de bocatoma (km2): 508,93 67,52 38,12 52,16 238,83

Precipitación media multianual en la cuenca hasta el sitio de bocatoma (mm/año):

2.513 2.725 2.464 2.667 2.382

Caudal medio multianual en el sitio de bocatoma (m3/s): 26,772 4,224 1,707 3,029 7,86

Caudal medio mensual multianual más bajo - Febrero - (m3/s): 17,11 2,70 1,091 1,936 5,023

Caudal medio mensual más bajo - Febrero/77 - (m3/s): 6,411 - - - 1,925

Caudal excedido durante el 95% del tiempo en la curva de duración de caudales medios diarios (m3/s):

9,062 1,430 0,578 1,025 2,661

Media estimada anual de los caudales mínimos - Zona 3 de Antioquia [Bolaños, 1995] - (m3/s)

7,059 1,091 0,405 0,835 3,257

Desviación estándar estimada anual de los caudales mínimos - Zona 3 de Antioquia [Bolaños, 1995] - (m3/s)

2,180 0,260 0,097 0,198 0,983





Los resultados obtenidos al aplicar las diferentes metodologías se presentan en la Tabla 4-4, en la que se incluye además como parámetro de comparación el porcentaje del caudal medio estimado que representa el caudal ecológico obtenido por cada uno de los criterios.

La comparación de los valores de caudal ecológico obtenidos al aplicar los diferentes criterios hidrológicos indica que existe una amplia variación entre ellos, no sólo en términos absolutos sino también en el porcentaje que representan respecto al caudal medio diario multianual.

Entre los diferentes métodos y criterios aplicados, sobresalen tres por arrojar valores considerablemente altos y muy por encima de los demás: el criterio que era considerado en el Proyecto de Ley del Agua (2005) y que fue archivado en el Senado de Colombia, basado en el Q90 y que para las corrientes en estudio corresponde al 41,4% de los caudales medios; el primer criterio del Estudio Nacional del Agua de 2000 que establece como caudal ecológico aquel que permanece el 97,5% y que corresponde al 29,7% de los caudales medios estimados; y por último el criterio expuesto por el IDEAM en el Estudio Nacional del Agua de 2008, basado en el Q75 que para los diversos sitios de captación corresponde 57,7% de los caudales medios, y que además de resultar exagerado es poco claro y ambiguo en su enunciado, pues los valores que establece en cuanto a probabilidad de excedencia, período de retorno, “caudal probable mínimo anual” y “volúmenes anuales en condiciones de oferta media” no son correspondientes entre sí, dejando amplias dudas respecto a su aplicación.

Excluyendo igualmente el criterio de la Ley de Aguas de España (1985) definido con base en un índice de 2 l/s/km2, el cual resulta comparativamente bajo (desde el 3,8% del caudal medio para el río San Juan hasta el 6,1% del caudal medio para el río Bolívar), todos los demás criterios aplicados arrojan resultados entre 6,5 y el 16,0% del caudal medio, rango dentro del cual parece lógico seleccionar el caudal de garantía ambiental o ecológico.

Algunas metodologías para la estimación de un caudal de garantía ambiental, como la de Cuinat y Roussel y la del departamento Nacional de Aguas y Energía Eléctrica en Brasil, tan sólo pudieron ser aplicadas para los sitios de captación en el río San Juan y el río Bolívar por ser los únicos que cuentan con registros de caudal medio mensual. Igualmente, la metodología RAM no fue evaluada pues para su correcta aplicación se deben acometer estudios e investigaciones, tanto en campo como en laboratorio, que demandan importantes recursos económicos y un lapso de tiempo considerable, en el que sea posible monitorear las diversas variables estudiadas bajo diferentes estados y condiciones.

Aquellas metodologías relacionadas con el estudio de caudales medios y con la curva de duración específicamente, arrojan resultados similares en relación con el caudal medio de cada una de las corrientes, esto se debe a que todas las curvas de duración para los diversos ríos fueron construidas con base en la elaborada a partir de los registros de la estación limnigráfica Campamento para el río San Juan.

ESTUDIO DE PREFACTIBILIDAD PARA EL DESARROLLO HIDROELÉCTRIO DEL RÍO SAN JUAN HIDROELÉCTRICA DEL RÍO SAN JUAN

S.A E.S.P.



Tabla 4-4. Resumen estimativo del caudal ecológico por diferentes metodologías.

NOMBRE DEL MÉTODO DESCRIPCIÓNValor (m3/s)

% respecto a Q medio multianual

Valor (m3/s)


Valor (m3/s)


Valor (m3/s)


Valor (m3/s)


Cuinat y Roussel (1981) No debe ser inferior al caudal excedido 355 días al año, es decir, el caudal mínimo que permanece el 97% del tiempo; y además que dicho caudal no debe ser en ningún caso menor al caudal medio del mes más seco del año

8.209 30.7% - - - - - - 2.410 30.7%

Porcentaje fijo del caudal medio interanual. Ley Francesa de Aguas

El Caudal Ecológico es el 10% del caudal medio interanual calculado para un período mínimo de 5 años 2.677 10.0% 0.422 10.0% 0.171 10.0% 0.303 10.0% 0.786 10.0%

Porcentaje fijo del caudal medio interanual. Dirección General de Obras Hidráulicas de España

El Caudal Ecológico será el 10% del caudal medio interanual 2.677 10.0% 0.422 10.0% 0.171 10.0% 0.303 10.0% 0.786 10.0%

La Ley de Aguas de España (1985) El Caudal Ecológico equivale a la media del caudal natural cada mes o a 2 l/s/km2 de cuenca hidrográfica 1.018 3.8% 0.135 3.2% 0.053 3.1% 0.104 3.4% 0.478 6.1%

Departamento Nacional de Aguas y Energía Eléctrica (DNAEE) en Brasil

Está reglamentado por una norma que establece un caudal mínimo ecológico no inferior al 80% del menor valor promedio mensual, durante el periodo de observación disponible

5.129 19.2% - - - - - - 1.540 19.6%

Estudio Nacional del Agua (IDEAM, 2000), primer criterio

Propone como caudal mínimo ecológico el caudal promedio multianual de mínimo 5 a máximo 10 años que permanece el 97,5% del tiempo y cuyo período de recurrencia es de 2,33 años (?)

7.943 29.7% 1.253 29.7% 0.506 29.7% 0.899 29.7% 2.332 29.7%

Estudio Nacional del Agua (IDEAM, 2000), segundo criterio

El Caudal Ecológico es el 25% del valor medio mensual multianual más bajo de la corriente en estudio 4.278 16.0% 0.675 16.0% 0.273 16.0% 0.484 16.0% 1.256 16.0%

7.943 29.7% 1.253 29.7% 0.506 29.7% 0.899 29.7% 2.332 29.7%4.278 16.0% 0.568 13.4% 0.273 16.0% 0.438 14.5% 1.436 18.3%

Duberdicus, primer criterio. [Ref.: El Recurso Hídrico en la Jurisdicción de Corantioquia. Corantioquia. 2006].

"Se calcula como el 25% del Caudal mínimo estimado de la cuenca", pero no indica para que período de retorno ni el tipo de función de distribución de probabilidad utilizada. A continuación se calcula con base en la media estimada anual de los caudales mínimos, que corresponde al criterio más conservador.

1.765 6.6% 0.273 6.5% 0.101 5.9% 0.209 6.9% 0.814 10.4%

7.943 29.7% 1.253 29.7% 0.506 29.7% 0.899 29.7% 2.332 29.7%4.278 16.0% 0.568 13.4% 0.273 16.0% 0.438 14.5% 1.436 18.3%

Proyecto de Ley del Agua (2005) archivado (no aprobado) en el Senado de Colombia

El Caudal Ecológico es el que permanece en la fuente el 90% del tiempo 11.088 41.4% 1.749 41.4% 0.707 41.4% 1.255 41.4% 3.255 41.4%

Estudio Nacional del Agua (IDEAM, 2008)

Propone estimarlo "a partir de la curva de duración de caudales medios diarios, considerando el caudal que permanece en la corriente durante 75% del tiempo y que representa el mínimo que podría fluir por el cauce una vez se realicen las captaciones". Y continúa diciendo el IDEAM: "Este caudal tiene a su vez un período de recurrencia de 2,33 años (?) y es el caudal probable mínimo anual, ...". En el párrafo siguiente al anterior criterio, el IDEAM continúa: "El caudal ecológico en esta aproximación corresponde al 25%(?) de los volúmenes anuales en condiciones de oferta media". Es importante anotar que teóricamente los dos últimos conceptos no corresponden con el primero. El cálculo se presenta para el primer criterio.

15.438 57.7% 2.436 57.7% 0.984 57.7% 1.747 57.7% 4.532 57.7%

Resolución 865 de 2004 del MAVDT

Calcula el índice de escasez de agua y lo establece de la misma manera que el IDEAM en su estudio del año 2000, los mismos dos criterios

Duberdicus, segundo criterio. [Ref.: El Recurso Hídrico en la Resolución 865 de 2004 del MAVDT, ya aplicada arriba

Río BolívarRío San Juan Río Tapartó Río Guadualejo Río Pedral





4.2.1.3 Consideraciones a tener en cuenta para la selección del caudal ecológico en cada una de las corrientes

Si se adopta un caudal ecológico relativamente alto, se castigaría la energía que pudiera generarse e incluso podría llegarse a desistir del desarrollo del proyecto en razón de su no viabilidad económica, sin que se haya identificado el beneficio real que produciría el caudal reservado en exceso como caudal ecológico en el tramo aprovechable de cada uno de los ríos.

Por el contrario, si se adopta un caudal ecológico muy bajo, se podría afectar a los usuarios localizados aguas abajo y/o a los ecosistemas existentes en los tramos de cauce en los que los caudales serán reducidos respecto a los caudales naturales.

De acuerdo con lo anterior, es necesario analizar las condiciones específicas existentes en cada uno de los tramos que serán afectados por la reducción de caudales por la operación del proyecto.

4.2.1.3.1 Evaluación de usos actuales y potenciales en el tramo de aprovechamiento

Al definir el caudal ecológico es importante tener en cuenta los usos actuales y potenciales del agua en los tramos de los cauces afectados por el aprovechamiento hidroeléctrico.

Tal como se ha establecido en los recorridos realizados a lo largo de la zona del proyecto, sobre las corrientes principales por utilizar para el aprovechamiento hidroeléctrico no se tiene proyectado ningún tipo de desarrollo o aprovechamiento, ni existen actualmente otros usuarios que hagan uso del agua; por lo tanto, se considera en principio que este punto de vista no es crítico para la selección del caudal ecológico.

4.2.1.3.2 Condiciones de restitución del caudal utilizado en el aprovechamiento

El caudal captado en el sitio de bocatoma sobre el río San Juan será restituido en su totalidad al mismo río en la cota 720 msnm, mientras que los caudales captados en el río Pedral serán transvasados hasta el río Bolívar. Para la fase 3, el caudal captado en el río Tapartó será trasvasado a la cuenca del río Guadalejo y transportado por tubería hasta el túnel de conducción del sistema San Juan (Fase 1). En todos los casos las condiciones de calidad de las aguas turbinadas y posteriormente descargadas al río San Juan y Bolívar respectivamente, son prácticamente similares a las del agua captada.





4.2.1.3.3 Incidencia del aprovechamiento a filo de agua y del tipo de obras de bocatoma seleccionadas para el proyecto

Cada una de las captaciones que conforman el sistema hodreléctrico del río San Juan operará “a filo de agua”, sin embalse ni ninguna otra posibilidad de almacenamiento temporal del flujo para su aprovechamiento posterior de manera concentrada en el tiempo, por lo que su efecto es el mínimo posible sobre la distribución temporal del caudal en cada río, y su operación no afectará el régimen natural del flujo en los ríos aguas abajo de las obras del proyecto, aunque sí lo hará, en alguna medida, en los tramos de caudal reducido entre las obras de bocatoma y el sitio de restitución al cauce.

El hecho de que el proyecto no tenga embalses, significa que los caudales en los tramos de caudal reducido serán en todo momento estrictamente iguales a los caudales naturales de los ríos menos el caudal derivado para el sistema de generación, sin que pueda existir ninguna afectación en el tiempo como ocurre en los proyectos con embalse.

Con la ayuda de las curvas de duración de caudales medios diarios de los ríos aprovechados, y dado que estas provienen de la misma serie adimensionalizada, pueden sacarse las siguientes conclusiones, aplicables a todos los puntos de captación; teniendo en cuenta que el caudal nominal o de diseño del sistema de generación sería como máximo el 125% del caudal medio, y el caudal ecológico o de garantía ambiental del orden del 10% del caudal medio:

Durante aproximadamente el 22% del tiempo, los caudales medios diarios exceden la suma del caudal máximo de generación y el caudal ecológico, por lo que durante dicho tiempo el caudal que continuará por los ríos, aguas abajo de las obras de bocatoma, será mayor que el caudal ecológico; y será tanto mayor en la medida que el caudal natural así lo sea.

Durante aproximadamente el restante 78% del tiempo, en los sitios de bocatoma se dejará correr y continuar por los ríos hacia aguas abajo la suma del caudal ecológico y del caudal utilizado para la purga de sedimentos del desgravador y del tanque desarenador, por lo que sólo podrá utilizarse para generación el resto del caudal de los ríos, cifra que será menor que el caudal nominal de diseño del sistema de conducción y generación.

Adicionalmente, debe tenerse en cuenta que las curvas de duración de caudales medios corresponden a una representación de la variación del caudal medio a nivel diario, y no representan completamente la variación de los caudales a nivel instantáneo al no incluir los picos máximos de las crecientes en los ríos a lo largo del tiempo. En razón de lo anterior, cuando se presenten crecientes ordinarias o extraordinarias en los ríos, con caudales muy por encima de los máximos presentados en la curva de duración de caudales medios diarios, tales crecientes continuarán por los ríos hacia aguas abajo de la bocatoma, reducidas únicamente en el caudal derivado hacia el sistema de conducción y generación, el cual será poco representativo respecto a la gama de caudales a lo largo del período de ocurrencia de la creciente.





En razón de lo anterior, puede afirmarse que el sistema de operación a filo de agua, sin ningún tipo de embalse de regulación, es el que permite aprovechar el recurso hídrico con el menor efecto sobre la sucesión natural de caudales altos y bajos de los ríos, y por ende con el menor impacto posible sobre el medio ambiente.

De igual manera, debido al tamaño de las centrales hidroeléctricas pequeñas, la alteración que producen sobre el régimen de transporte del material del lecho es mínimo [ESHA, sin fecha]. Lo anterior es especialmente cierto en las centrales hidroeléctricas pequeñas cuyo esquema no incluya un embalse, como es el caso de cada uno de los subsistemas previstos para el aprovechamiento hidroeléctrico del río San Juan.

Igualmente el efecto de remanso producido aguas arriba por la construcción de las obras de bocatoma es mínimo, debido a la baja altura del azud previsto para cada subsistema.

En el caso de los ríos Pedral y Tapartó, donde se prevé la construcción de captaciones del tipo con rejilla de fondo, una vez terminada la construcción de los azudes de captación mediante los cuales se derivarán los caudales captados, el pequeño pondaje generado aguas arriba de cada azud se irá llenando de sedimentos por un proceso natural y se espera que muy poco tiempo después se encuentren colmatados completamente. A partir de este momento, el proceso natural de transporte de sedimentos a lo largo de cada uno de los ríos recomenzará automáticamente. Para este tipo de captación no se prevé la instalación en el azud de ningún tipo de compuerta de purga de sedimentos para tratar de evitar la colmatación del pondaje generado aguas arriba del azud, puesto que el tipo de captación de fondo seleccionado no se ve afectado por dicha colmatación. Por lo tanto, el régimen de transporte de material del lecho no se modificará de forma notoria por la construcción del azud, una vez se llene el pondaje y se alcance nuevamente el estado de equilibrio. En efecto, de acuerdo con la literatura, las bocatomas de fondo favorecen la preservación de la continuidad (continuum) de la quebrada [ESHA, sin fecha].

Por otro lado, la mayor parte del transporte de sedimentos (de fondo y en suspensión) ocurre durante las crecientes y durante los meses de invierno, períodos durante los cuales buena parte del caudal y del sedimento pasará sobre el azud y continuará su tránsito aguas abajo por el cauce. Durante dichos eventos de crecientes y en los períodos de invierno, el manejo de los sedimentos transportados por el flujo derivado y su evacuación a través de las compuertas de purga del desgravador y del tanque desarenador, puede realizarse aprovechando la mayor disponibilidad de caudal para su purga, alcanzando diluciones aceptables y contando para su transporte aguas abajo no sólo con los caudales de purga sino con los caudales en exceso que pasan sobre el azud y los que sean vertidos por el vertedero lateral de excesos localizado al inicio del canal de aducción.

Por el contrario, durante los períodos de caudales medios y bajos, las concentraciones y el transporte total de sedimentos son relativamente bajos, por lo que es necesario y aceptable utilizar caudales menores para la purga continua o incluso, en períodos de muy bajo caudal con cargas mínimas de sedimento, realizar sólo purgas intermitentes durante períodos muy cortos que no afectan en forma notoria el régimen natural de transporte de sedimentos.





4.2.1.3.4 Variación de los caudales medios aguas abajo del sitio de captación

Se debe hacer énfasis en que los caudales medios diarios naturales no estarán gobernados por un régimen de escurrimiento constante igual al caudal ecológico, sino que por el contrario, el régimen de escurrimiento responde a las fluctuaciones propias del caudal natural. Sin embargo, en épocas de sequía, generadas por fenómenos tales como El Niño, causas estacionales o por factores locales, al reducirse los caudales de los ríos se presentará de manera más frecuente un caudal aguas abajo de las captaciones igual al caudal ecológico.

4.2.1.4 Propuesta de selección del caudal ecológico para el sistema hidroeléctrico San Juan

Con base en lo expuesto anteriormente y en los resultados obtenidos al aplicar los diferentes criterios y metodologías, puede concluirse que el caudal ecológico mínimo para los ríos en los tramos aguas abajo de los sitios de aprovechamiento para el sistema hidroeléctrico San Juan debería seleccionarse en el rango entre el 6,5 y el 16,0% del caudal medio multianual.

Finalmente y dadas las características de los ríos en los tramos que serían afectados por la reducción de caudales para el aprovechamiento hidroeléctrico, se adopta de manera preliminar un caudal ecológico correspondiente al 10% del caudal medio diario multianual, porcentaje que se encuentra en el rango antes citado y que está de acuerdo con los criterios utilizados por CORANTIOQUIA en el modelo Duberdicus para definir el caudal ecológico en las corrientes de su jurisdicción.





5. ESQUEMA PRELIMINAR DE APROVECHAMIENTO HIDROELÉCTRICO DEL RÍO SAN JUAN

5.1 CONSIDERACIONES GENERALES

Con base en las visitas de campo realizadas a la zona del proyecto, en la cartografía disponible, en los estudios geológicos preliminares realizados a este nivel de estudio por Geominas S.A. (véase el documento GV 186.01 – “Proyecto Hidroeléctrico Río San Juan – Estudio Preliminar Geología para Ingeniería”, Marzo de 2009) y en imágenes digitales de la zona, se plantea el aprovechamiento hidroeléctrico de los ríos San Juan, Pedral y Tapartó como el conjunto de cuatro subsistemas o fases. Los siguientes son los principales criterios técnicos que condicionaron y definieron el esquema de aprovechamiento planteado a este nivel del estudio:

Las condiciones hidrológicas de la región en estudio determinan parcialmente la magnitud del aprovechamiento y por ende la viabilidad de la inversión en dicho proyecto.

Las condiciones topográficas y geológicas gobiernan el planteamiento de cualquier proyecto de esta naturaleza, ya que la topografía del terreno determina la factibilidad de emplazar las obras de captación, desarenador y casa de máquinas a costos razonables, mientras la geología determina la estabilidad y permite cuantificar el riesgo o la probabilidad de falla de una estructura durante su vida útil, la cual repercute en pérdidas económicas y en posible pérdida de vidas humanas. Por otro lado, la topografía influye sobre el tipo de aprovechamiento más conveniente, en el sentido de lograr la mayor diferencia de niveles entre el sitio de captación y el de generación, con el menor distanciamiento horizontal entre dichos puntos. Es por esto que en el presente estudio, dos de las fases o subsistemas planteados corresponden a trasvase de un río a otro.

La geología condiciona además el trazado de los sistemas de conducción, ya sean estos túneles, tuberías, o pozos, pues la presencia de fallas o lineamientos en los trazados encarece los proyectos y agrega un alto componente de riesgo de falla. Por último, la geología en conjunción con agentes antrópicos pueden alterar la cantidad del recurso hídrico aprovechable, así como la calidad del mismo, como por ejemplo su composición química y el volumen de sedimentos transportado, que puede afectar el correcto funcionamiento de las obras y de los equipos para la generación hidroeléctrica.

Las condiciones de accesibilidad a los sitios de las obras son otro factor importante en la concepción del proyecto, ya que puede llegar a representar un porcentaje





importante de su costo, hasta el punto de hacerlo inviable, así las condiciones geográficas y geológicas sean favorables.

El sistema hidroeléctrico del río San Juan aprovechará las aguas de los ríos San Juan, Pedral y Tapartó a través de cuatro fases o subsistemas. A continuación se presenta una descripción general de cada subsistema planteado a este nivel de estudio y en los subcapítulos posteriores se realizará una descripción detallada de cada uno de ellos.

Fase 1 - Subsistema San Juan: utilizará las aguas captadas del río San Juan, aguas abajo de su confluencia con el río Tapartó y las conducirá a través de un sistema de túneles y sifones hasta una casa de máquinas superficial ubicada en la margen izquierda del río San Juan, al que serán descargadas las aguas turbinadas.

Fase 2 - Subsistema Pedral 1: Aprovechará las aguas captadas en el río Pedral, las cuales serán trasvasadas a través de un túnel hasta una casa de máquinas localizada en la margen derecha del río Bolívar, para luego descargar las aguas turbinadas a dicho río.

Fase 3 - Subsistema Tapartó: utilizará las aguas captadas del río Tapartó, las cuales serán trasvasadas a través de un túnel hasta una casa de máquinas localizada en la margen derecha del río Guadualejo, desde donde las aguas turbinadas serán transportadas por una tubería de baja presión hasta entregarlas al túnel de conducción del Subsistema San Juan construido en la Fase 1.

Fase 4 - Subsistema Pedral 2: Este subsistema se ubica aguas arriba del subsistema Pedral 1 y aprovechará las aguas captadas del río Pedral, las conducirá a través de un sistema de conducción conformado por un tramo en túnel y un tramo final en tubería, ubicado sobre la margen derecha del río pedral, hasta una casa de máquinas superficial ubicada donde el lecho del río presenta una cota de 1.230 msnm.

5.2 CRITERIOS Y CONCEPTOS APLICABLES A LOS DIFERENTES SUBSISTEMAS

Como se ha mencionado, el sistema hidroeléctrico del río San Juan se compone de cuatro fases o subsistemas de generación en cuyo planteamiento se tuvieron en cuenta los siguientes criterios y/o se definieron las siguientes características comunes, que se resumen a continuación para no repetirlas al describir cada uno de los subsistemas:

Los subsistemas planteados fueron concebidos para operar a filo de agua (sin embalse de regulación) y con azudes de la altura mínima necesaria sobre el lecho del río para posibilitar la captación del caudal de diseño. La construcción del azud se realizará por etapas, desviando el flujo hacia el costado del cauce opuesto a aquel en el que se estén construyendo las obras, y durante el período de operación, el caudal ecológico junto con el caudal para otros usos será descargado mediante una estructura de entrega construida en el desgravador adyacente a la estructura de captación.





La construcción y operación de cada subsistema a filo de agua, sin embalse ni ninguna otra posibilidad de almacenamiento temporal del flujo para su aprovechamiento posterior de manera concentrada en el tiempo, permite aprovechar el recurso hídrico con el menor efecto posible sobre la sucesión natural de caudales altos y bajos del río, y por ende con el menor impacto posible sobre el medio ambiente.

El vertimiento de los excesos de agua se realiza sobre el azud diseñado para descargar la creciente con período de retorno de 100 años con un borde libre adecuado.

Dado el tipo de captaciones de fondo por utilizar en los subsistemas de los ríos Pedral y Tapartó no se considera necesaria la construcción de descargas de fondo para la operación de los proyectos, constituyendo el tipo de bocatoma menos impactante desde el punto de vista ambiental, al no disponer de compuertas sobre la cresta ni de compuertas de purga en el azud que permitirían realizar aperturas súbitas y generar crecientes artificiales aguas abajo, no motivadas por la ocurrencia natural de lluvias en la cuenca. Para el subsistema San Juan, en el que se plantea la instalación de una obra de captación lateral, debido a la magnitud de su caudal, se hace necesaria la instalación de una estructura de purga, equipada con una compuerta radial de control que se abrirá durante las crecientes para ayudar a la limpieza del lecho del río, buscando la menor afectación en los regímenes naturales del río.

Para cada subsistema se considera un desarenador con el número de celdas en paralelo (mínimo dos unidades) y de las dimensiones requeridas para retirar las partículas de sedimento mayores que el diámetro crítico adoptado como 0,2 mm para la correcta operación de los equipos de generación en el caso de turbinas tipo Pelton y de 0,5 mm en el caso de turbinas tipo Francis. El desarenador se diseñaría con el concepto de remoción continua de sedimentos.

El tipo de subsistemas así planteados es el que permite la utilización del recurso hídrico con la mínima alteración posible sobre el régimen de transporte del material del lecho del río, como consecuencia de la operación a filo de agua y de la baja altura de los azudes para derivación del caudal, que genera un pondaje de mínimo volumen aguas arriba.

Para los subsistemas de los ríos Pedral y Tapartó que cuentan con tramos de conducción en tubería y hasta donde es posible su utilización, se preselecciona la tubería GRP por ser más económica que la tubería de acero, de fácil instalación por su bajo peso en relación con otros materiales, no requiere de la utilización de soldadura ni de protección contra corrosión y en la actualidad se fabrica en nuestro país hasta presiones nominales de trabajo de 32 bares (320 m) y un margen del 40% de sobrepresión permisible por efectos de flujo no permanente..

Toda la tubería de conducción en GRP se instalaría enterrada, mientras que la tubería de acero se instalaría preferiblemente aérea o enterrada con las previsiones necesarias para protegerla contra la corrosión, en ambos casos con los drenajes, anclajes y previsiones necesarias para su estabilidad a largo plazo.





Donde es posible de acuerdo con las características de cada proyecto y dentro de costos razonables, se prefiere la utilización de turbinas Pelton sobre las de tipo Francis por la facilidad para realizar labores de mantenimiento, y por las menores sobrepresiones resultantes por golpe de ariete debido a la posibilidad de operar rápidamente los deflectores de los chorros y cerrar lentamente las válvulas de aguja tras un rechazo de carga, ventaja que es especialmente importante en el caso de conducciones relativamente largas como las de los subsistemas planteados. Adicionalmente, se prefieren los grupos de eje horizontal a los de eje vertical, siempre que la combinación de caudal y caída lo permita, por facilidad de acceso al rodete de la turbina para mantenimiento y menores costos de las obras civiles.

Para los subsistemas Pedral 1, Pedral 2 y Tapartó se prefiere la instalación de dos unidades de generación en lugar de una sola unidad, con el fin de lograr mayor flexibilidad y una mayor eficiencia promedia en la operación de la central, así los costos de construcción, equipos y operación sean un poco mayores.

Para calcular la energía media generada en cada proyecto en los estudios de potencia y energía se realizó la integración del área bajo la curva de potencia elaborada a partir de la curva de duración de caudales medios diarios, utilizando el caudal nominal o de diseño (Qdis) y considerando el caudal ecológico o remanente como el 10% del caudal medio en el sitio de captación.

Para este cálculo, el área bajo la curva de duración de caudales medios diarios se limitó al valor adoptado para el caudal de diseño (Qdis), de tal forma que cuando la diferencia entre el caudal del río y la suma del caudal ecológico y del caudal reservado para otros usos es igual o superior al caudal de diseño, el caudal turbinado es igual al caudal de diseño y el exceso se vierte; y cuando tal diferencia es menor que el caudal de diseño, el caudal turbinado se toma igual a dicha diferencia respetando el criterio de preservar el caudal remanente definido y el caudal para otros usos.

Adicionalmente, teniendo en cuenta el número de unidades definido para cada proyecto, se consideró que cuando la diferencia de caudales antes citada sea menor que el 10% del caudal nominal de una unidad tipo Pelton, o no permita generar como mínimo el 40% de la potencia nominal para una unidad tipo Francis, el caudal existente en el río no es suficiente para la correcta operación de la turbina y el caudal turbinado es nulo.

Como resultado de la integración se obtuvo el caudal turbinado promedio anual (Qt), así como el factor de planta calculado como el cociente Qt/Qdis, y la energía media anual disponible para mercado.

La potencia generada para cada caudal se calculó con la ecuación:

P = K * Q * Hb

donde:

P : Potencia generada expresada en kW para cada caudal Q (m3/s).





K : Factor para el cálculo de potencia, considerando las pérdidas en el sistema de conducción y la eficiencia estimada para los grupos turbogeneradores. Este factor se consideró como el producto de 9,81 * ec * et * eg. Donde ec es la eficiencia de conducción, que varía de acuerdo con el estimativo de pérdidas de energía en toda la conducción para cada caudal evaluado; et es la eficiencia de la turbina; y eg es la eficiencia del generador. Para los dos últimos valores se consideró su variación aproximada con la relación entre el caudal turbinado y el caudal nominal, con base en curvas características típicas de los equipos preseleccionados para cada proyecto a este nivel del estudio.

Hb: Caída bruta del proyecto expresada en metros.

La energía media anual disponible para mercado se calculó como la integral del área bajo la curva de potencia generada, afectada por un factor de disponibilidad de la central y de la línea de conexión para el cual se supuso un valor de 0,95 y un factor de eficiencia por pérdidas en transformación de voltaje en la subestación del proyecto y a lo largo de la línea de conexión hasta la frontera comercial, para el cual se supuso un valor de 0,975 que corresponde a unas pérdidas del 2,5%.

De acuerdo con el avance actual de los estudios, para efectos de este informe se adopta un caudal nominal o de diseño para el sistema de conducción y generación de cada uno de los subsistemas igual al 125% del caudal medio disponible en la fuente o fuentes por aprovechar. Este criterio deberá confirmarse o modificarse de acuerdo con los resultados de los estudios de optimización de la capacidad instalada que se realice para cada uno de los subsistemas que conforman el proyecto.

Como se ha mencionado anteriormente, al realizar los estudios de potencia y energía para cada uno de los proyectos, el caudal ecológico se ha definido como el 10% del caudal medio del río estimado en el sitio de bocatoma, con un criterio conservador y amigable con el medio ambiente en comparación con otros proyectos hidroeléctricos en el Departamento de Antioquia donde se ha definido valores tan bajos como el 2 al 3% del caudal medio del río.

5.3 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA HIDROELÉCTRICO DEL RÍO SAN JUAN

El esquema básico de cada una de las fases o subsistemas planteados para el aprovechamiento del potencial hidroeléctrico del río San Juan se realiza de acuerdo con lo observado durante las visitas de campo y con la información disponible en esta etapa del estudio. Los esquemas y las características de cada una de las obras que componen los proyectos deberán verificarse, y confirmarse o modificarse, de acuerdo con la información más detallada y con los resultados de las investigaciones de campo con los que se cuente en las etapas subsiguientes de los estudios necesarios para el desarrollo de los proyectos.

El esquema básico del sistema hidroeléctrico del río San Juan se presenta en planta y perfil en los Planos No. 370-100-PF-01 y 370-100-PF-02 respectivamente, y está





compuesto por las cuatro fases o subsistemas de generación que se describen a continuación.

5.3.1 Fase 1 - Subsistema de generación San Juan

El esquema general del subsistema San Juan consta de una bocatoma localizada donde el lecho del río San Juan se encuentra aproximadamente en la cota 1.080 msnm, aguas abajo de la desembocadura del río Tapartó al río San Juan, un conducto corto de aducción y un tanque desarenador, ubicados sobre la margen izquierda del río San Juan; en la que igualmente se ubica el sistema de conducción, conformado por tres tramos en túnel y dos en sifón en tubería para el cruce de los ríos Guadualejo y Pedral, para una longitud total de 15.116 m hasta una casa de máquinas superficial, ubicada sobre la margen izquierda del río San Juan, donde su lecho se encuentra aproximadamente en la cota 715 msnm.

5.3.1.1 Obras de bocatoma

El subsistema San Juan estaría compuesto por un sistema de derivación, localizado sobre el lecho del río San Juan en la cota 1.080 msnm, constituido por un azud en concreto de aproximadamente 25 m de ancho y 6,0 m de altura y por una estructura de descarga equipada con una compuerta radial de control que se abrirá durante las crecientes para ayudar a la limpieza del lecho del río.

La estructura de captación sobre el río San Juan sería del tipo lateral, consistente en muros de concreto de aproximadamente 10 m de longitud y 11 m de altura, en los que se instalarán dos compuertas planas deslizantes para regulación del caudal. Desde la estructura de captación el agua es conducida a través de un canal de aducción que empalma con el desarenador que estaría compuesto por seis tanques en paralelo cuya zona útil de sedimentación tendría aproximadamente 3,5 m de profundidad, 8 m de ancho y 40 m de longitud considerando una partícula con diámetro crítico de diseño de 0,5 mm para un proyecto con turbinas Francis.

5.3.1.2 Obras de conducción

El sistema de conducción previsto para el subsistema San Juan se muestra de manera general en planta y perfil en los planos No. 370-100-PF-01 y 370-100-PF-02, respectivamente.

El sistema de conducción está compuesto por tres tramos en túnel y dos tramos intermedios en sifón en tubería para el cruce de los ríos Guadualejo y Pedral, que totalizan una longitud de 15.116 m incluyendo la altura de un pozo vertical. A continuación se presenta la descripción detallada de las características de cada uno de estos tramos:





El primer tramo de conducción está conformado por un túnel de baja presión de 3.924 m de longitud, 3.800 mm de diámetro hidráulico y pendiente constante del 0,5%, alcanzando presiones hidrostáticas en este tramo hasta de 20 m aproximadamente, por lo que no se considera necesario el revestimiento del túnel si la roca presenta propiedades geotécnicas favorables.

El segundo tramo corresponde a un sifón en tubería de acero con instalación enterrada, para efectuar el cruce del río Guadualejo, esta tubería será de 499 m de longitud y 3.200 mm de diámetro. Al inicio y final de este tramo se proyecta la instalación de válvulas ventosa y en el tramo final la instalación de una válvula de purga. El empalme de los extremos del sifón con los tramos en túnel se acometerá a través de tapones en concreto.

El tercer tramo de conducción está conformado por un túnel de baja presión de 4.676 m de longitud, 3.800 mm de diámetro hidráulico y pendiente constante del 0,2%, alcanzando presiones hidrostáticas en este tramo hasta de 64 m aproximadamente, por lo que no se considera necesario el revestimiento del túnel si la roca presenta propiedades geotécnicas favorables.

El cuarto tramo corresponde a un sifón en tubería de acero con instalación enterrada, para efectuar el cruce del río Pedral, esta tubería será de 329 m de longitud y 3.200 mm de diámetro. Al inicio y final de este tramo se proyecta la instalación de válvulas ventosa y en el tramo final la instalación de una válvula de purga. El empalme de los extremos del sifón con los tramos en túnel se acometerá a través de tapones en concreto.

El quinto y último tramo de conducción está conformado por un túnel de 3.800 mm de diámetro hidráulico, iniciando con un tramo de 2.285 m de longitud y pendiente de 0,2%, seguido de un pozo vertical de 294 m, y finalizando con un tramo de 3.109 m, cuyos últimos 1.000 m llevarán blindaje de acero.

Se ha previsto la posibilidad de construir una almenara inmediatamente aguas arriba del pozo vertical, con el fin de reducir la magnitud de las sobrepresiones por los efectos de flujo no permanente, limitar en lo posible su efecto al tramo de más alta presión, y mejorar las condiciones de estabilidad de la central ante las variaciones de carga. Dicha almenara consistiría en un pozo vertical hasta la superficie del terreno natural y tendría su extremo superior abierto a la presión atmosférica a un nivel por encima de las máximas oscilaciones de la columna de agua y debidamente protegido para evitar la entrada de personas o cualquier otro material. El requerimiento de esta almenara, sus dimensiones y sus cotas inferior y superior tendrían que definirse en la etapa de diseño del proyecto.

Dada la baja pendiente que presenta el sistema de conducción hasta la almenara, las presiones hidrostáticas y las posibles sobrepresiones son bajas, por lo que la necesidad de refuerzo de los tramos en túnel dependerá de las características geotécnicas de la roca. Aguas abajo de la almenara, en el tramo de mayor presión, se proyecta el recubrimiento en concreto del pozo vertical y del túnel hasta el punto de inicio del tramo final en blindaje.





5.3.1.3 Casa de máquinas, equipos electromecánicos y descarga

La casa de máquinas del subsistema San Juan será superficial de tipo convencional y estará localizada sobre la margen izquierda del río San Juan, aproximadamente en la cota 720 msnm.

La casa de máquinas tendrá las dimensiones adecuadas para alojar los equipos de generación, las válvulas de admisión a las turbinas, el puente grúa, las celdas, transformadores, interruptores, servicios auxiliares y demás instalaciones eléctricas; y los espacios necesarios para la sala de montaje, sala de control, oficina, cocineta y servicios sanitarios.

Las evaluaciones realizadas a este nivel de estudio indican que las dimensiones para la casa de máquinas son de aproximadamente 35 m de longitud por 10 m de ancho y 16 m de altura entre la cota inferior de los tubos de aspiración y la cubierta.

Teniendo en cuenta las características físicas del proyecto y la variación de los caudales del río San Juan es posible utilizar tres turbinas Francis de eje vertical, provistas cada una de las siguientes características: un generador sincrónico de 12 polos, con velocidad de rotación de 600 rpm y potencia nominal de 39,77 MW, para una potencia total de 119,30 MW. La energía media anual para mercado sería aproximadamente de 628,2 GWh, teniendo en cuenta que la potencia mínima para la cual podría operarse las turbinas Francis seleccionadas sería aproximadamente el 40% de la potencia nominal o de diseño de cada una de ellas.

Como se ha mencionado anteriormente, a nivel de este estudio y en el caso particular del subsistema San Juan se prefiere la instalación de tres unidades de generación en lugar de dos o una sola unidad, con el fin de lograr mayor flexibilidad y una mayor eficiencia promedia en la operación de la central, así los costos de construcción, equipos y operación sean un poco mayores. Por lo tanto, para efectos de este estudio se selecciona esta opción, pero se recomienda realizar un análisis más detallado en los estudios posteriores del proyecto, de acuerdo con los resultados de consultas a diferentes fabricantes y considerando las ventajas de operación y mantenimiento de cada una de las opciones.

El agua turbinada se descarga por medio de un canal con flujo a superficie libre al río San Juan en la cota 715 msnm, aproximadamente 1 km aguas arriba de la desembocadura del río Bolívar.

5.3.1.4 Acceso a los sitios de las obras

El acceso a la zona de las obras de captación y al portal de entrada del túnel sobre el río San Juan se realizará a través de la Troncal del Café, a 6,5 km del cruce de dicha vía con el río Guadualejo en dirección al municipio de Andes, desde donde se proyecta la construcción de un tramo de vía de aproximadamente 1.000 m de longitud y pendiente igual al 8,0%.





Para el acceso a las obras de casa de máquinas y portal de salida del túnel de conducción se proyecta la construcción de un tramo de vía de aproximadamente 400 m de longitud y pendiente no superior al 8%, desde la vía Troncal del Café, aproximadamente 600 m aguas arriba del cruce de dicha vía con el río Bolívar.

Dadas las características del sistema de conducción se tendrán cinco ventanas o frentes de avance en la construcción de túneles. El acceso a los puntos extremos del sistema de conducción corresponde con los accesos al sitio de captación y al de casa de máquinas respectivamente.

El acceso al portal de salida del primer tramo en túnel se realiza desde la vía Troncal del Café, avanzando desde la partida para el municipio de Betania hacia el municipio de Ándes aproximadamente 650 m y tomando a la derecha un camino carreteable existente sin pavimentar en un trayecto de 640 m, donde se ubica el portal de salida contiguo al carreteable.

Para acceder al portal de entrada del segundo tramo en túnel se toma la vía de tercer orden que de la Troncal del Café conduce al municipio de Betania en una longitud de 900 m, donde se ubica el portal de entrada a este tramo contiguo a la vía.

El acceso al portal de salida del segundo tramo en túnel se localiza a 1 km del municipio de Hispania, tomando la vía de tercer orden sin pavimentar que conduce al municipio de Betania. El portal se encuentra contiguo a dicha vía.

Para acceder al portal de acceso del tercer tramo de túnel se toma el camino carreteable sin pavimentar que parte de la Troncal del Café, aproximadamente 470 m antes del cruce de la troncal con el río Pedral. Tras un recorrido de 1,6 km se llega a una hacienda desde la que se deberá construir una vía de 300 m de longitud con una pendiente menor del 6%.

5.3.1.5 Potencia instalada y energía media generada

Con el fin de definir la potencia por instalar y de estimar la energía media generada se utilizó el procedimiento y criterios expuestos al inicio de este capítulo. Para obtener el factor para el cálculo de la potencia instalable, la eficiencia máxima de las turbinas para este subsistema se consideró igual a 0,933 y la eficiencia de los generadores de 0,978 de acuerdo con las características de los equipos preseleccionados a este nivel del estudio.

Con base en los resultados de estos cálculos se adoptó un caudal nominal o de diseño para el sistema de conducción y generación del subsistema igual al 125% del caudal medio del río San Juan, es decir, se adoptó un caudal nominal de diseño de 41,59 m3/s. Tomando las consideraciones expuestas sobre el caudal ecológico en el capítulo anterior, para este subsistema se adopta como el 10% del caudal medio, esto es, de 3,3 m3/s.

Se debe aclarar que el caudal ecológico en el sitio de captación del río San Juan corresponde al 10% de la suma de los caudales medios aportados por la cuenca del río Tapartó ubicada aguas arriba del sitio de captación, y por la cuenca del río San Juan hasta el sitio de captación.





Para este caudal de diseño y la cabeza bruta de 360 m, se obtuvo una cabeza neta de 320,44 m y una capacidad instalada de 119,30 MW. El caudal turbinado promedio anual sería de 25,81 m3/s y la energía media anual producida para mercado sería aproximadamente de 628,2 GWh.

A continuación se presenta el resumen de los resultados obtenidos: Cabeza bruta total - H (m): 360,0 Caudal medio multianual – Qm (m3/s): 33,273 Caudal turbinado promedio anual - Qt (m3/s): 25,81 Caudal remanente o de garantía ambiental - Qe (m3/s): 3,33 Caudal nominal de diseño - Qdis (m3/s): 41,591 Eficiencia máxima de las turbinas: 0,933 Eficiencia máxima de los generadores: 0,978 Potencia nominal en los bornes de salida del generador (MW): 119,3 Energía media anual para mercado (GWh): 628,2 Factor de planta considerando reducción por disponibilidad equipos y línea: 0,590

5.3.1.6 Conexión al sistema

La subestación del subsistema San Juan estará anexa a la casa de máquinas y desde ella saldrá la línea de transmisión a 115 kV y aproximadamente 2 km de longitud, para conexión del proyecto con la línea a 115 kV que desde la subestación Bolombolo alimenta al departamento del Chocó. Este aspecto, junto con la conexión de los demás subsistemas que conforman el proyecto, deberá analizarse de manera detallada en los estudios de conexión por realizar posteriormente.

5.3.2 Fase 2 - Subsistema de generación Pedral 1

El esquema general del subsistema Pedral 1 corresponde a un azud de derivación localizado donde el lecho del río Pedral se encuentra aproximadamente en la cota 1.100 msnm, un conducto corto de aducción, un tanque desarenador, una tubería de conducción de baja presión en GRP de 1.200 mm de diámetro, un túnel de conducción presurizado de sección mínima constructiva y 1.767 m de longitud en el que en su parte final se instalaría un tramo de tubería de GRP en galería de 1.200 mm de diámetro y 400 m de longitud, un tramo final de la tubería de presión en GRP de aproximadamente 515 m de longitud y 1.100 mm de diámetro, una casa de máquinas localizada aproximadamente en la cota 810 msnm sobre la margen derecha del río Bolívar, una subestación, y la línea de conexión a 44 kV. Véanse los Planos No. 370-100-PF-01 y 370-100-PF-02.






Este subsistema tendría una obra de derivación constituida por un azud en concreto de aproximadamente 20 m de ancho y 3 m de altura sobre el lecho del río Pedral, localizado en la cota 1.100 msnm.

La estructura de captación sería del tipo de fondo, mediante una reja instalada sobre la cresta del azud por la cual pasaría el flujo hacia el canal recolector de aproximadamente 1,30 m de ancho localizado en el cuerpo del azud, y desde éste entraría a un desgravador y una aducción corta por la cual se transportaría el caudal al desarenador, requerido para retirar las partículas de sedimento mayores que el diámetro crítico para la correcta operación de los equipos de generación (0,2 mm). El desarenador se localizará sobre la margen izquierda del río Pedral, se diseñaría con el concepto de remoción continua de sedimentos y estaría compuesto por dos tanques en paralelo cuya zona útil de sedimentación tendría aproximadamente 2,5 m de profundidad, 7 m de ancho y 33 m de longitud.


El sistema de conducción previsto se muestra de manera general en planta y perfil en los planos No. 370-100-PF-01 y 370-100-PF-02, respectivamente. Como sistema de trasvase, el sistema de conducción parte de la orilla izquierda del río Pedral y cruza la divisoria de la cuenca hasta la margen derecha del río Bolívar. El sistema de conducción estaría compuesto por:

una tubería de conducción de baja presión en GRP de 1.200 mm de diámetro y 70 m de longitud inclinada;

un túnel de conducción que se excavaría con sección mínima constructiva y se revestiría como mínimo con concreto lanzado reforzado con fibra de acuerdo con las características geotécnicas y mecánicas de la roca y con las presiones que deberá resistir a lo largo de su longitud, tendría una longitud aproximada de 1.767 m y una pendiente del 8,0%, y operaría con flujo a presión hasta un tapón de concreto por construir aproximadamente 400 m antes del portal de salida, a partir del cual se instalaría una tubería de GRP de 1.200 mm de diámetro en galería y apoyada sobre silletas hasta el portal de salida;

y un tramo final en tubería de GRP de 515 m de longitud y 1.100 mm de diámetro.

La ocurrencia de sobrepresiones en el sistema de conducción por los efectos de flujo no permanente sería controlada utilizando deflectores de chorro en la entrada a las turbinas Pelton, e incrementando los tiempos de cierre y apertura de las válvulas de control en la entrada a las mismas.






La casa de máquinas del subsistema Pedral 1 será superficial de tipo convencional y estará localizada sobre la margen derecha del río Bolívar, aproximadamente en la cota 810 msnm.


Teniendo en cuenta las características físicas del proyecto y la variación de los caudales del río Pedral, es posible utilizar dos turbinas Pelton de eje horizontal, provistas cada una de las siguientes características: un rodete y dos chorros, acoplada directamente al eje de un generador sincrónico de 14 polos, con velocidad de rotación de 514,3 rpm y potencia nominal de 4,49 MW, para una potencia total de 8,97 MW. La energía media anual para mercado sería aproximadamente de 45,84 GWh, teniendo en cuenta que la potencia mínima para la cual podría operarse las turbinas Pelton seleccionadas sería aproximadamente el 10% de la potencia nominal o de diseño de cada una de ellas.

Como se ha mencionado anteriormente, a nivel de este estudio se prefiere la instalación de dos unidades de generación en lugar de una sola unidad, con el fin de lograr mayor flexibilidad y una mayor eficiencia promedia en la operación de la central, así los costos de construcción, equipos y operación sean un poco mayores. Por lo tanto, para efectos de este estudio se selecciona esta opción, pero se recomienda realizar un análisis más detallado en los estudios posteriores del proyecto, de acuerdo con los resultados de consultas a diferentes fabricantes y considerando las ventajas de operación y mantenimiento de cada una de las dos opciones.

El agua turbinada se descargará al río Bolívar mediante un canal corto de sección transversal rectangular.


El acceso a la zona de las obras de captación para el subsistema Pedral 1 se realizará a través de la vía de tercer orden sin pavimentar que comunica a los municipios de Hispania y Betania, tomando el desvío que conduce al primer puente vial sobre el río Pedral; desde donde se plantea la construcción de un tramo de vía paralelo al río y sobre la margen izquierda de aproximadamente 100 m de longitud hasta el sitio de captación, mientras la vía existente servirá de acceso al sitio del portal de entrada al túnel.

Para acceder al sitio previsto para la casa de máquinas del subsistema Pedral 1 se toma la vía de segundo orden pavimenta que desde la vía Troncal del Café conduce al municipio de Ciudad Bolívar en una longitud de 4,1 km, hasta un camino carreteable sin pavimentar que cruza el río Bolívar, y desde donde se proyecta la construcción de un





corto tramo de vía no mayor a 100 m hasta el sitio de emplazamiento de la casa de máquinas.

El acceso al portal de salida del túnel de conducción requiere de la construcción de un tramo de vía de aproximadamente1.880 m y de pendiente aproximada del 10,0%, que iniciaría en el sitio de casa de máquinas.



Con base en los resultados de estos cálculos se adoptó un caudal nominal o de diseño para el sistema de conducción y generación de la central igual al 125% del caudal medio del río Pedral, es decir, se adoptó un caudal nominal de diseño de 3,786 m3/s.


A continuación se presenta el resumen de los resultados obtenidos: Cabeza bruta total - H (m): 290 Caudal medio multianual – Qm (m3/s): 3,029 Caudal turbinado promedio anual - Qt (m3/s): 2,359 Caudal remanente o de garantía ambiental - Qe (m3/s): 0,303 Caudal nominal de diseño - Qdis (m3/s): 3,786 Eficiencia máxima de las turbinas: 0,891 Eficiencia máxima de los generadores: 0,963 Potencia nominal en los bornes de salida del generador (MW): 8,97 Energía media anual para mercado (GWh): 45,84 Factor de planta considerando reducción por disponibilidad equipos y línea: 0,592


La subestación estará anexa a la casa de máquinas y desde ella saldrá la línea de transmisión de circuito sencillo a 44 kV y aproximadamente 5 km de longitud, para conexión del subsistema Pedral 1 a la subestación de Hispania, de acuerdo con los estudios de conexión detallados por realizar posteriormente. No obstante, es factible que





en las etapas más avanzadas de los estudios del proyecto se identifique otra alternativa de conexión más favorable para el proyecto.

5.3.3 Fase 3 – Subsistema de generación Tapartó

El esquema general del subsistema Tapartó consta de una bocatoma localizada donde el lecho del río Tapartó se encuentra aproximadamente en la cota 1.490 msnm, un conducto corto de aducción y un tanque desarenador, ubicados sobre la margen izquierda; una tubería de conducción corta, que al salir del desarenador conduce el agua a un túnel de sección mínima constructiva de aproximadamente 4.848 m de longitud, una casa de máquinas localizada aproximadamente en la cota 1.100 msnm sobre la margen derecha del río Guadualejo, aprovechando una caída bruta de 390 m.


Este subsistema tendría una obra de derivación constituida por un azud en concreto de aproximadamente 25 m de ancho y 3 m de altura sobre el lecho del río Tapartó, localizado en la cota 1.490 msnm, aproximadamente 300 m aguas abajo del puente que cruza sobre el río a la altura del corregimiento de Tapartó.

La estructura de captación sería del tipo de fondo, mediante una reja instalada sobre la cresta del azud por la cual pasaría el flujo hacia el canal recolector de aproximadamente 1,50 m de ancho localizado en el cuerpo del azud, y desde éste entraría a un desgravador y una aducción corta ubicada sobre la margen izquierda por la cual se transportaría el caudal al desarenador, requerido para retirar las partículas de sedimento mayores que el diámetro crítico para la correcta operación de los equipos de generación (0,2 mm). El desarenador se diseñaría con el concepto de remoción continua de sedimentos y estaría compuesto por tres tanques en paralelo cuya zona útil de sedimentación tendría aproximadamente 6 m de ancho y 35 m de longitud.


El sistema de conducción previsto para el subsistema Tapartó se muestra de manera general en planta y perfil en los Planos No. 370-100-PF-01 y 370-100-PF-02, y se compone en su totalidad de un túnel de conducción. Este sistema parte de la margen izquierda del río Tapartó y cruza la divisoria de las cuencas de los ríos Tapartó y Guadualejo hasta la margen derecha de este último.

El túnel tendrá un diámetro hidráulico de 2.400 mm y estará conformado por un tramo inicial de 750 m y pendiente del 1,0%, seguido de un tramo de 2.400 m y pendiente del 0,5%, continuando con un pozo vertical de 304 m, y un tramo final de alta presión de 1.884 m y pendiente del 1%. El túnel operaría con flujo a presión hasta un tapón de concreto por construir aproximadamente 960 m antes del portal de salida, a partir del cual





se instalaría una tubería de acero de 1.300 mm de diámetro en galería, con espesores teóricos variables entre 14 y 19 mm, y apoyada sobre silletas hasta el portal de salida.


La casa de máquinas del subsistema Tapartó será superficial de tipo convencional y estará localizada sobre la margen derecha del río Guadualejo, aproximadamente en la cota 1.100 msnm.


Teniendo en cuenta las características físicas del proyecto y la variación de los caudales del río Tapartó, se considera que es posible utilizar dos turbinas Pelton de eje horizontal, provistas cada una de las siguientes características: un rodete y dos chorros, acoplada directamente al eje de un generador sincrónico de 12 polos, con velocidad de rotación de 600 rpm y potencia nominal de 8,51 MW, para una potencia total de 17,02 MW. La energía media anual para mercado sería aproximadamente de 87,01 GWh, teniendo en cuenta que la potencia mínima para la cual podría operarse las turbinas Pelton seleccionadas sería aproximadamente el 10% de la potencia nominal o de diseño de cada una de ellas.


El agua turbinada se descargará a una cámara direccionadora de flujo provista de las compuertas y mecanismos necesarios para conducir el flujo al sistema de conducción del río Guadualejo, que entregará las aguas captadas en dicho río y las turbinadas del subsistema Tapartó a través de una tubería de baja presión al subsistema San Juan, inmediatamente antes del portal de entrada del segundo tramo en túnel.


El acceso a la zona de las obras de captación se realizaría a través de la vía de tercer orden pavimentada que desde la vía Troncal del Café conduce al corregimiento de





Tapartó, Municipio de Andes, hasta el cruce con el río Tapartó, y desde allí se avanza un pequeño tramo por una vía sin pavimentar que corre paralela a la margen izquierda del río hacia aguas abajo, hasta el sitio identificado para la construcción de las obras de captación, desarenador y portal de entrada al túnel de conducción.

El acceso a casa de máquinas y al portal de salida del túnel se realizaría por la vía que desde la Troncal del Café conduce al municipio de Betania hasta la hacienda Barlovento, ubicada a 6,6 km desde la Troncal del Café, donde se toma a la izquierda un camino carreteable sin pavimentar que cruza el río Guadualejo, desde donde se proyectaría la construcción de un tramo de vía de 500 m hasta la localización del portal de salida del túnel y de la casa de máquinas, la cual tendría una pendiente longitudinal menor al 3% y una banca de 5 m de ancho.



Con base en los resultados de estos cálculos se adoptó un caudal nominal o de diseño para el sistema de conducción y generación de la central igual al 125% del caudal medio del río Tapartó, es decir, se adoptó un caudal nominal de diseño de 5,280 m3/s.


A continuación se presenta el resumen de los resultados obtenidos: Cabeza bruta total - H (m): 390 Caudal medio multianual – Qm (m3/s): 4,224 Caudal turbinado promedio anual - Qt (m3/s): 3,289 Caudal remanente o de garantía ambiental - Qe (m3/s): 0,422 Caudal nominal de diseño - Qdis (m3/s): 5,280 Eficiencia máxima de las turbinas: 0,897 Eficiencia máxima de los generadores: 0,968 Potencia nominal en los bornes de salida del generador (MW): 17,03 Energía media anual para mercado (GWh): 87,03 Factor de planta considerando reducción por disponibilidad equipos y línea: 0,592






La subestación estará anexa a la casa de máquinas y desde ella saldrá la línea de transmisión de circuito sencillo a 44 kV para conexión del subsistema Tapartó a la subestación de Hispania, de acuerdo con los estudios de conexión detallados por realizar posteriormente. No obstante, es factible que en las etapas más avanzadas de los estudios del proyecto se identifique otra alternativa de conexión más favorable para el proyecto.

5.3.4 Fase 4 - Subsistema Pedral 2

El esquema general del subsistema Pedral 2 corresponde a un azud de derivación localizado donde el lecho del río Pedral se encuentra aproximadamente en la cota 1.420 msnm; un conducto corto de aducción; un tanque desarenador ubicado sobre la margen izquierda del río Pedral; un sifón sobre el río para cruzar hacia la margen derecha; un túnel de conducción con una longitud inclinada total de 2.278 m; un tramo final en tubería de GRP, que alimentaría los equipos de generación, alojados en la casa de máquinas localizada aproximadamente en la cota 1.230 msnm en la margen derecha del río Pedral, aprovechando una caída bruta de 190 m; y un canal de descarga al río Pedral. Véase el Plano No. 370-100-PF-01.


Este subsistema tendría una obra de derivación constituida por un azud en concreto de aproximadamente 20 m de ancho y 4 m de altura sobre el lecho del río Pedral, localizado en la cota 1.420 msnm.

La estructura de captación sería del tipo de fondo, mediante una reja instalada sobre la cresta del azud por la cual pasaría el flujo hacia el canal recolector de aproximadamente 1,20 m de ancho localizado en el cuerpo del azud, y desde éste entraría a un desgravador y una aducción corta ubicada sobre la margen izquierda por la cual se transportaría el caudal al desarenador, requerido para retirar las partículas de sedimento mayores que el diámetro crítico para la correcta operación de los equipos de generación (0,2 mm). El desarenador se diseñaría con el concepto de remoción continua de sedimentos y estaría compuesto por dos tanques en paralelo.


El sistema de conducción previsto para el subsistema Pedral 2 se muestra, de manera general en planta y perfil en los Planos No. 370-100-PF-01 y 370-100-PF-02, compuesto en su parte inicial de un sifón en tubería de GRP para el cruce del Río Pedral hacia la margen derecha, en donde se ubica el portal de entrada a un túnel de sección





constructiva mínima, un diámetro hidráulico de 2.400 mm, de pendiente uniforme del 1% y una longitud aproximada de 2.278 m. El sistema de conducción cuenta en su tramo final con una tubería en GRP de 519 m aproximadamente hasta el sitio de ubicación de la casa de máquinas, igualmente emplazada en la margen derecha del río Pedral.


La casa de máquinas del subsistema Pedral 2 será superficial de tipo convencional y estará localizada sobre la margen derecha del río Pedral, aproximadamente en la cota 1.230 msnm.


Teniendo en cuenta las características físicas del proyecto y la variación de los caudales del río Pedral, se considera que es posible utilizar dos turbinas Francis de eje horizontal, provistas cada una de las siguientes características: un generador sincrónico de 6 polos, con velocidad de rotación de 1.200 rpm y potencia nominal de 2,65 MW, para una potencia total de 5,30 MW. La energía media anual para mercado sería aproximadamente de 26,5 GWh, teniendo en cuenta que la potencia mínima para la cual podría operarse las turbinas Francis seleccionadas sería aproximadamente el 40% de la potencia nominal o de diseño de cada una de ellas.


El agua turbinada se descargará al río Pedral mediante un canal corto de sección transversal rectangular.


Con el fin de definir la potencia por instalar y de estimar la energía media generada se utilizó el procedimiento y criterios expuestos al inicio de este capítulo. Para obtener el factor para el cálculo de la potencia instalable, la eficiencia máxima de las turbinas para





este subsistema se consideró igual a 0,92 y la eficiencia de los generadores de 0,956 de acuerdo con las características de los equipos preseleccionados a este nivel del estudio.

Con base en los resultados de estos cálculos se adoptó un caudal nominal o de diseño para el sistema de conducción y generación de la central igual al 125% del caudal medio del río Pedral, es decir, se adoptó un caudal nominal de diseño de 3,325 m3/s.

Para este caudal de diseño y la cabeza bruta de 190 m, se obtuvo una cabeza neta de 183,8 m y una capacidad instalada de 5,3 MW. La energía media anual producida para mercado sería aproximadamente de 26,5 GWh.


La subestación estará anexa a la casa de máquinas y desde ella saldrá la línea de transmisión de circuito sencillo a 44 kV para conexión del subsistema Pedral 2 a la subestación de Hispania, de acuerdo con los estudios de conexión detallados por realizar posteriormente. No obstante, es factible que en las etapas más avanzadas de los estudios del proyecto se identifique otra alternativa de conexión más favorable para el proyecto.

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370100MTE011_Memorando Técnico 1