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anales científicos
de la Universidad
Nacional Agraria La Molina
Año 2007 Vol. 68 (4)
ISSN versión electrónica 1995-7246
Hecho el depósito legal 2003-0311
Anales Científicos
ISSN versión electrónica 1995-7246
Copyright 00431-2011
Publicación de La Universidad Nacional Agraria La Molina
Editor(a): Dra. Carmen Velezmoro Sánchez
investigació[email protected]
Oficina Académica de Investigación
Telf.348 5917 Anexo: 181-182
Apartado: 12-056, Lima 1.
www.lamolina.edu.pe/investigacion
Los artículos publicados son de entera responsabilidad de sus autores. Se permite la
reproducción parcial siempre y cuando se cite la fuente y se envíe a la editorial un
ejemplar de la publicación que incluye el texto reproducido de Anales Científicos
Vol.68 (4).
AUTORIDADES UNIVERSITARIAS
Dr. Jesús Abel Mejía Marcacuzco RECTOR
Dr. Jorge Aliaga Gutiérrez
VICERRECTOR ACADÉMICO
Mg. Sc. Efraín Malpartida Inouye VICERRECTOR ADMINISTRATIVO
DECANOS
Mg. Sc. Javier Arias Carbajal AGRONOMÍA
Mg. Sc. Diana Quinteros Carlos
CIENCIAS
Mg. Sc. Milo Bozovich Granados CIENCIAS FORESTALES
Mg. Sc. Fernando Rosas Villena ECONOMÍA Y PLANIFICACIÓN
Dr. David Campos Gutiérrez
INDUSTRIAS ALIMENTARIAS
Mg. Sc. Rosa Miglio Toledo INGENIERÍA AGRÍCOLA
Ing. M.S. Anibal Verastegui Maita
PESQUERIA
Mg. Sc. Víctor Hidalgo Lozano ZOOTECNIA
Dr. Félix Camarena Mayta
DIRECTOR EPG
2007
ANALES CIENTÍFICOS
UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA LA MOLINA
Volumen 68, Número 4, 2007 ISSN: 0255-0407
Contenido
Páginas
Ingeniería Agrícola
1. Análisis del rendimiento de un pool de maquinaria para el movimiento de
tierras aplicado en operaciones de encauzamiento y defensa ribereña del río
Chancay – Huaral
MANUEL OBANDO V., OSCAR D. VARGAS C.
2. Diseño del depósito de relaves La Molina por el método de aguas abajo
CARLOS CONDORI S., TERESA VELÁSQUEZ B
3. Alternativas de diseño del sistema de regulación horario del reservorio San
Diego para el afianzamiento de la central hidroeléctrica Cañón del Pato
IREYDIZA CASTRO P., TERESA VELÁSQUEZ B.
4. Análisis de los efectos del flujo subsuperficial a través de las cimentaciones de
las estructuras de regulación ubicadas en San Diego – central hidroeléctrica
del Cañón del Pato
FERNANDO CHIOCK CH., TERESA VELÁSQUEZ B.
5. Represamiento a nivel de prefactibilidad de las lagunas Shallap y Rajucolta
para afianzar la generación de energía y potencia de la central hidroeléctrica
Cañon del Pato
FERNANDO VEGAS G., TERESA VELÁSQUEZ B.
6. Propuesta de ampliación de la minicentral eléctrica Frías – Piura
ISAMEL ALVARADO L., TERESA VELÁSQUEZ B.
7. Estudio y diseño a nivel de factibilidad del embalse de regulación diaria
Yanacocha
LUÍS A. AGUILAR H., TERESA VELÁSQUEZ B.
8. Modelamiento geoespacial para el análisis de la vulnerabilidad ambiental, bajo
diferentes escenarios de manejo agrícola: caso La Encañada
LILIANA SÁNCHEZ CHACÓN
9. Propuesta de un método de identificación y valoración de pasivos
ambientalesCaso: Rehabilitación de la carretera Yupash-Huaraz
LÍA RAMOS F., RICARDO APACLLA N.
10. Propuesta de un método de valoración ambiental para rehabilitación de
carreteras: caso Pariacoto-Yupash
LIA RAMOS F., RICARDO APACLLA N.
11. Evaluación del concreto autocompactante utilizando aditivo súper plastificante
para uso en obras rurales
CARLOS BRAVO A., PATRICIA GALARZA V.
12. Modelo para estimar la evapotranspiracion en la molina
CAYO LEONIDAS RAMOS TAIPE
1 – 10
11 – 22
23 – 34
35 – 43
44 – 53
54 – 65
66 – 76
77 – 85
86 – 100
101 – 115
116 – 124
125 – 136
13. Metodología para determinar el rendimiento hídrico en cuencas con escasa
información y su aplicación en la cuenca del río Cunas para el diseño de una
presa
TITO MALLMA C., TERESA VELÁSQUEZ B.
14. Efecto de la época de siembra de los genotipos donadores de anteras en la
capacidad de producción de plantas dobles haploides de cebada (Hordeum
vulgare L.) mediante el cultivo in vitro de anteras
ANA EGUILUZ D.L.B., LUZ GÓMEZ P.
15. Uso de la goma de tuna como impermeabilizante en morteros de tierra
MAGNO MOLINA C., MARISSA VALDIVIA V.
16. Diseño e implementación de módulo de máscara y compuertas hidromecánicas
en el canal Llicuar, valle Sechura - Piura
RICHARD MORENO P., TERESA VELÁSQUEZ B.
17. Efecto ambiental y social por la variación de los niveles del lago Junín en las
comunidades campesinas aledañas y su efecto en el costo de la energía eléctrica
en el Perú
TERESA VELÁSQUEZ BEJARANO
18. Simulación numérica de propagación de ondas de avenidas en el río Tumbes
mediante el modelo UNET-HECRAS
CAYO RAMOS TAIPE
19. Evaluación del comportamiento físico mecánico del adobe estabilizado con cal
y goma de tuna
CARLOS BRAVO A., JOCELYN ROMSAY
20. Análisis del comportamiento del concreto con incorporación de fibras de
polipropileno
CARLOS BRAVO A., JUAN VIDAL P.
21. Evaluación de la calidad de concreto utilizado en la obra sede administrativa
central de la Universidad Nacional Mayor de San Marcos en Lima – Perú
CARLOS BRAVO A.1, PAUL BAEBER O.
22. Análisis comparativo de los sistemas: convencional y fotovoltaico para el
suministro de energía eléctrica de poblaciones rurales
JOSÉ ALVA YANCE
23. Evaluación de la potencia, torque, consumo de combustible y emisión de
particulados en un motor empleando petróleo diesel y biodiesel
AUGUSTO ZINGG R., JOSÉ CALLE M.
24. La mecanización agrícola en la pequeña agricultura: Evaluación técnica y
propuesta de organización a la decisión para los planes de mecanización de los
agricultores en el valle de Pisco-Perú
JAIME VÁSQUEZ CÁCERES
25. Implementación de un banco de prueba de bombas centrífugas y verificación
de sus curvas características
JOSÉ ARAPA QUISPE
26. Incorporando la dimensión física del paisaje en el ordenamiento territorial
VÍCTOR L. PEÑA GUILLÉN
137 – 145
146 – 151
152 – 161
162 – 174
175 – 186
187 – 195
196 – 207
208 – 218
219 – 229
230 – 238
239 – 246
247 – 253
254 – 260
261 – 270
An cient. UNALM 68(4), 2007 Recibido: 06/07/2006
ISSN 0255-0407 Aceptado: 04/10/2006
Análisis del rendimiento de un pool de maquinaria para el movimiento de
tierras aplicado en operaciones de encauzamiento y defensa ribereña del río
Chancay – Huaral
Manuel Obando V. 1, Oscar D. Vargas C.
Resumen
El trabajo de investigación se realizo a través del seguimiento y monitoreo al Programa de Encauzamiento de Ríos y
Protección de Estructuras de Captación-PERPEC III del río Chancay-Huaral, en los sectores de San José de
Miraflores, Santo Domingo y Cuyo-Lumbra; entre el periodo enero a diciembre del año del 2000, seguimiento que
se realizo en forma diaria y precisa. Además, cabe mencionar que se analizó los parámetros principales que
interviene con mayor frecuencia en las actividades de la obra, siendo: La producción horaria (m3/hora), Eficiencia
de trabajo(%), Costo horario de inversión ($/hora) y Ciclos de trabajo de las siguientes maquinas (seg): Bulldozer
Komatsu D-375-A(B-084) y Excavadora Hidráulica Komatsu PC-300 (E-010) y el Camión Volquete NL-12 (V-
149) Roquero Volvo. Como conclusión final de la investigación se obtuvo que la producción horaria y la eficiencia
de trabajo de las maquinas no son las más adecuadas, debido a una mala operación de las unidades, estado de la
maquina y sobre todo el exceso de tiempos en pérdidas por el operador. El costo horario se realizo a través del
seguimiento del tiempo de vida de los accesorios, consumo de combustible, financiamiento y gastos de reparación
de las unidades dando como resultados valores muy cercanos a los del mercado nacional. Como recomendación
principal se plantea que para mejorar el sistema de trabajo en las obras de PERPEC se tendría que realizar
necesariamente una evaluación general a todo el personal que interviene en el proyecto, sobre todo a los operadores
y choferes que son los que mas retrasan la obra.
Palabras clave: Rendimiento, maquinaria, tierras, Río Chancay – Huaral.
Abstract
The investigation work one out through the pursuit and monitored to the Program of Encauzamiento of River and
Protection of Structures of Reception-PERPEC III of the one Chancay-Huaral laughed, in the sectors of San José of
Miraflores, Sacred Domingo and Whose-Lumbra; among the period January to December of the year of the 2000,
pursuit that one carnes out in daily and precise form. It is also necessary to mention that you analyzes the main
parameters that it intervenes with more frequency in the activities of the work, being: The production horary
(m3/hora), work Efflciency (%), Cost schedule of Inversion ($/hora) and Cycles of work of the following maquinas
(seg): Bulldozer KOMATSU D..375-A (B-084) and Hydraulic Digger KOMATSU PC-300 (E-010) and the Truck
Volquete NL-12 (V-149) VOLVO. As final conclusion of the investigation it was obtained that the production
horaria and the work efficiency of you scheme them they are not those but appropriate, due to a bad operation of the
units, state of it schernes it and mainly the excess of voluntary time outs that presented the operator. The cost
schedule of investment one carnes out through the pursuit of the time of life of the accessories, consumption of fuel,
financing and expenses of repair of the units giving as results very near values to those of the national market. As
main recommendation he/she thinks about that to improve the work system in the works of PERPEC he/she would
necessarily have to be carried out a general evaluation mainly to the whole personnel that intervenes in the project,
to the operators and chauffeurs that are those that but they retard the work.
Key words: Output, machinery, land, Chancay-Huaral laughed.
1. Introducción
Es de conocimiento general que, por las
condiciones actuales de excesiva colmatación del
cauce de los ríos y por las ocurrencias fluviales que
producen anualmente perdidas de terrenos de cultivo,
desbordes, inundaciones, etc. Estas se incrementan
cuando se producen eventos extremos, como el
ocurrido durante 1997-1998 (Fenómeno el niño).
Para controlar y prevenir estos problemas El
Ministerio de Agricultura crea el Programa de
Encauzamiento de Ríos y Protección de Estructuras
de Captación - (PERPEC) a lo largo del país, este
programa esta ubicado en la provincia de Chancay-
Huaral, compuesto por un pool de maquinaria
pesada: cuatro bulldozer, dos excavadoras
1 Facultad de Ingeniería Agrícola, Universidad Nacional Agraria
La Molina. Lima, Perú.
E-mail: [email protected].
hidráulicas, un cargador frontal y seis camiones
volquete para realizar trabajos de defensa ribereña.
Por otro lado, con la necesidad de analizar el
funcionamiento de este programa, se desarrolla la
investigación en puntos muy importantes como: la
producción horaria, eficiencia y el análisis de costo
del bulldozer D-375-A(B-084), Excavadora PC-
300(E-O1O), Volquete NL-12(V-149).
El seguimiento y monitoreo del programa se
realizó en forma diaria a través de métodos prácticos
de medición; se consideró la producción horaria del
bulldozer, se determinó la pendiente el terreno con un
eclímetro y se calibró la hoja del bulldozer. La
eficiencia de trabajo esta constituida por el
coeficiente general y por el coeficiente horario. El
coeficiente general (adaptación y utilización) se
realizó con la calificación de los diversos parámetros
que la están afectando, por otro lado el coeficiente
horario se realizo con la acumulación de los tiempos
Análisis del rendimiento de un pool de maquinaria para el movimiento de tierras aplicado en operaciones de
encauzamiento y defensa ribereña del río Chancay – Huaraz
2
muertos que están ocasionando las unidades
estudiadas. Para obtener la producción horaria de los
volquetes se cúbico la cantidad de roca que acarreaba
durante todo sus ciclos de trabajo. Además, se llevo
el seguimiento del desgaste de los accesorios de
trabajo de las maquinas estudiadas.
Se plantea como objetivos de la investigación:
- Analizar de los ciclos de trabajo de las maquinas
empleadas en el carguío y transporte de roca, así
como las utilizadas en el cauce.
- Calcular del rendimiento de las maquinarias
(m3/hora).
- Analizar de costos de adquisición y operación.
- Analizar las eficiencias de trabajo en sus tres
componentes (horaria, de utilización, y adaptación).
2. Revisión literatura
2.1 Eficiencia de trabajo (et) Al planificar un trabajo de movimiento de tierras,
la producción horaria de las unidades en obra está
siendo afectada por un factor que se denomina
eficiencia de trabajo y factor esta constituido por dos
parámetros Coeficiente horaria y Coeficiente general.
El coeficiente horario (EH), son todos los
imponderables independientes de lugar, época y tipo
de maquina; como son los imprevistos: pequeñas
reparaciones, paros del operador y otros, que hacen
que una maquina no pueda funcionar 8 o 24 horas
continuadas.
El coeficiente general (EG), esta constituido por
la adaptación y utilización de la unidad, siendo el
producto de estos el que da origen al coeficiente
general.
Tabla 1. Eficiencia de trabajo (Komatsu).
2.2 Producción horaria Para la realización del cálculo de producción
horaria existe un sin número de métodos para su
cálculo, desde procedimiento con alta tecnología
hasta procedimiento práctico; pero no hay ninguno
que sea exacto, debido que este parámetro es muy
variado.
donde:
Q : Producción por hora (m3/hora).
q : Producción por ciclos (m3).
Cm : Tiempo del ciclo (en minutos).
E : Eficiencia del trabajo.
2.3 Costo de inversión Se han propuesto diferentes métodos para calcular
los costos de propiedad y operación de los equipos.
Pero el método presentado aquí ha ganado amplia
aceptación y produce una buena estimación
promedio.
En esencia, el método considera un uso anual de
2 000 horas en relación a los años de vida útil, se
basa en las condiciones para tractores sobre carriles y
accesorios y para tractores con neumáticos de caucho.
2.3.1 Costo de adquisición Depreciación: el propósito de la depreciación será
establecer un fondo de reserva, en relación directa al
uso, para la compra de un nuevo equipo al final del
periodo de depreciación, o cuando el equipo se ha
desgastado totalmente. Naturalmente, la cantidad de
depreciación variara con la vida pronosticada del
equipo, la que se determina por su desgaste o por
considerarse anticuado.
En la práctica, se deberá depreciar el equipo antes
de que se cumpla la vida máxima pronosticada; por
consiguiente, el equipo tendrá cierto valor después de
haber sido completamente depreciado. El valor
residual de la maquina original se entrega como pago
inicial. El costo de reemplazo de los neumáticos se
deduce del precio de compra de la maquina cuando se
calcula la depreciación. Puede comprarse dos o tres
juegos de neumáticos durante la vida de la maquina
por consiguiente, los neumáticos se consideran como
un costo de operación.
Deberá incluir flete, derechos de aduana, impuestos
a las ventas, etc.
2.3.2 Intereses, seguros e impuestos Interés, Impuesto y Seguros = Factor * Precio de
Entrega *Tasa anual/Uso de horas anual.
Datos:
Factor: 1 — (n-1)(1-r)12n n : Depreciación
Periódica
r: Valor de la tasa Comercial = Precio de la
maquina anual / Precio de entrega
Ejemplo:
Precio de entrega: $100,000
Tasa anual (internacional): 15%
Horas anuales de trabajo: 2 000 hrs
Valor de la tasa comercial: 25,000
Depreciación periódica: 4 años
Solución:
R = 25,000/100,000 = 0,25
Factor: 1 — (4-1) *(1º25)/2*4 = 0.72
También se puede usar la tabla**
Interés, impuesto y seguro = 0,719*100000*0.15 /
2000 = $5.39
Intereses: Se basan en la suma que el contratista
debe pagar por prestamos a corto plazo o pagarés
mensuales por el equipo en posesión de la compañía
financiera
Seguros: Incluyen el costo de las pólizas que
cubren riesgos tales corno incendio y robo. (El seguro
contra responsabilidad civil se toma generalmente en
la tarea completa; por consiguiente, el mismo forma
parte de los gastos generales).
E.T=E.H*E.G
Q = q x 60/cm*E
Manuel Obando V., Oscar D. Vargas C.
An cient. 68(4) 2007, pp. 01-10 3
Impuestos: No incluye los impuestos sobre las
rentas estatales o generales o los impuestos
personales en el valor imponible del equipo, o los
impuestos de la compañía en los valores de capital
del equipo.
2.4 Mecánica de suelos
2.4.1 Granulometría Es posible deducir las propiedades mecánicas de
los suelos a partir de su distribución granulométrica o
descripción granulométrica o descripción por
tamaños.
Solamente en los suelos gruesos, cuya
granulometría puede determinarse por mallas, la
distribución por tamaños puede revelar algo de lo
referente a las propiedades físicas del material; en
efecto, la experiencia indica que los suelos gruesos
bien graduados, o sea co0n amplia gama de tamaños
tiene un comportamiento ingenieril más favorable.
Sistema de clasificación internacional: con las
nuevas técnicas fue posible efectuar el trazo de
curvas granulométricas, contando con agrupaciones
de las articulas del suelo en mayor numero de
tamaños diferentes. Actualmente se puede ampliar
notablemente ¡as curvas en los tamaños finos, gracias
a la aplicación de técnicas de análisis de suspensión.
En las normas internacionales: Se consideran los
tamices
Granos gruesos: Tamiz (Mallas) 3”;
2”,3/4”,1/2”,3/18”,1/4”, Malla N-4.
Granos finos: Tamiz (mallas) N-1 0, N-20, N-30,
N-40, N-50, N-1 00, N-200.
2.4.2 Peso específico El peso específico relativo de la mayoría de las
partículas minerales constituyentes de un suelo, varia
entre límites estrechos (2.6-2.9).
3. Resultados
3.1 Bulldozer marca Komatsu modelo D-375-
A-3 (B-084)
3.1.1 Producción horaria (m3/hora)
San Jose de Miraflores, progresiva
(13+000...14+700) mayo-agosto 2000.
Producción real de trabajo
P = producción horaria (m
3/hora)
S = pendiente (1 a 7%)
E = eficiencia de trabajo en campo (59,65%)
Cuyo-Lumbra, progresiva (34+300...35+700)
septiembre-diciembre 2000.
Santo Domingo, progresiva (38 + 900... 39 + 750)
agosto – setiembre 2000.
Tabla 2. Variables que afectan la producción (método Backgard).
Tabla 3. Variables que afectan la producción.
P = p * S * E
Análisis del rendimiento de un pool de maquinaria para el movimiento de tierras aplicado en operaciones de
encauzamiento y defensa ribereña del río Chancay – Huaraz
4
Tabla 4. Variables que afectan a la producción (método Backgard).
3.1.2 Coeficiente horaria Intervalo de confianza (95.00%) unidad %.
Tabla 5. Coeficiente horaria DE D-375 A-3 (B-084).
3.1.3 Eficiencia de trabajo
Tabla 6. Eficiencia de trabajo de bulldozer.
Manuel Obando V., Oscar D. Vargas C.
An cient. 68(4) 2007, pp. 01-10 5
3.1.4 Ciclos de trabajo
Tabla 7. Ecuación de los ciclos de trabajo.
3.1.5 Costos de inversión horaria El costo horario de inversión esta constituido por:
Costo de adquisición y costo de operación.
Condiciones:
- Precio lista de la maquina: $ 674037.075
- Tiempo de vida útil: 15 000 horas
- Tasa anual: 15%(sistema financiero) a rebatir -
- Horas de trabajo por año: 2 500 horas.
- Depreciación de la maquina: 6 años.
- Seguros: 1.2% del costo de la maquina. (Seguros
el Rimac)
La depreciación tiene un valor de
(674037.075/15000) = 44.936 $/hora, el
financiamiento es a rebatir (amortizar) saliendo un
interés de 45% a pagar en los cinco años, entonces el
valor del financiamiento es horario
(674037*1.45/(15000) = 65.157$/hora, el seguro es el
1,2% del costo de la máquina por año en función de
la depreciación anual 1.887$/hora (6744037/15000).
Sumando estos tres parámetros se obtienen el costo
de adquisición siendo esto 111.980 $/hora.
El Costo de operación: Se basa en la división del
precio del accesorio entre su tiempo de vida.
- Lubricantes 1.046$/hora.
- Filtros 0.773$/hora.
- Accesorio de trabajo: (cuchillas, cantoneras y
punta de Ripper) 4.647$/hora.
- Tren de rodamiento: (rueda dentada, eslabones,
rodillos, rueda tensora, zapatas, Pm y bujes) el
tiempo de vida de estos accesorios se baso en función
de la empresa RECAGSA y KOMATSU.
- Combustible: Es el que presenta el valor más alto
en la estimación (11.45% del total).
Se basa en el consumo promedio por hora del
motor bajo condiciones diferentes de trabajo; en el
sector San José de Miraflores (zona baja) 14.314
galones / hora, en Santo Domingo (zona alta) 10.879
galones/hora y en Cuyo-Lumbra (Media-alta) 12.582
galones/hora; estas diferencias se debieron
fundamentalmente a las condiciones del suelo
(compacidad relativa y granulometría).
Reserva por reparaciones: Incluye el costo de
mano de obra, repuestos de piezas, por
reacondicionamiento, tales como: bomba de
inyección, arrancador, turbo, Joystick, controlador y
otros. El Ministerio de Agricultura considera 13.75
$/hora (mano de obra 25% y repuestos 75%).
Costo de Servicios: Operador, Vigilante,
Controlador y traslados. Los valores de los primeros
items es respectivamente 1.408, 0.98, 0.98 $/hora.
El último punto influye directamente a la reserva
de reparaciones y Tren de Rodamiento debido que la
maquina en esta etapa se traslada autopropulsándose
las largas distancias que se encuentran los sectores de
trabajo; como ejemplo podemos indicar que la
maquina se traslado en una velocidad de 27 km (San
José de Miraflores a Santo Domingo) y le origino un
desgaste de 9% de las zapatas
En nuestro análisis asumiremos que se utilizo cama
baja para el traslado de la maquinaria 0.872$/hora.
Sumando todos los valores obtenemos como costo de
inversión 177.10$/hora, si comparamos este valor con
lo propuesto por La Cámara Peruana de la
Construcción (138.67$/hora) observamos que nuestro
análisis es mayor debido a las condiciones extremas
donde se trabajo.
3.2 Excavadora hidráulica marca Komatsu
modelo PC-300-5(E-010)
3.2.1 Producción horaria
Tabla 8. Producción horaria de la PC – 300 (E-
010).
Intervalo de confianza (95.00%) unidad m3/hora
Análisis del rendimiento de un pool de maquinaria para el movimiento de tierras aplicado en operaciones de
encauzamiento y defensa ribereña del río Chancay – Huaraz
6
3.2.2 Coeficiente horario
Tabla 9. Coeficiente horario de la PC-300 -5
Komatsu (E-010).
3.2.3 Eficiencia de trabajo
Tabla 10. Eficiencia de trabajo de la PC-300-5
Komatsu (E-010).
3.2.4 Análisis del ciclo de trabajo (cargado de
roca).
El ciclo esta constituido por:
Tc: Tiernpo de cargado.
Tg: Tiempo de giro cargado.
Td: Tiempo de descarga.
Tv: Tiempo de giro yació.
Tcl: Tiempo de ciclo total
3.2.5 Ciclos de trabajo de la pc – 300-5
komatsu (e-010)
Tabla 11
3.2.6 Costos de inversión horaria El costo horario de inversión esta constituido por:
costo de adquisición y costo de operación.
Condiciones:
- Precio lista de la maquina: 263966 $.
- Tiempo de vida útil: 10 000 Horas.
- Tasa Anual: 15% a rebatir (Sistema Financiero
Nacional).
- Horas de trabajo por año: 2 500 horas.
- Seguros: 1.2% anual (seguros nacionales).
- Depreciación: 4 años.
- Obteniendo como costo de depreciación 26.397
$/hora (263966/10000), financiamiento se da en 4
años a reabatir 36.295 $/hora 263966*1.3751 (10
000) y seguro es el 1,2% del precio de la maquina en
función de su depreciación es así que el pago por
seguro horario es 1.029 $/hora (10294.674/10 000).
- Sumando estos tres valores se tiene 63.721
$/hora.
- El costo de operación se basa en la división del
costo del accesorio entre su tiempo de vida.
- Lubricantes: 0.629 $/hora.
- Filtros: 0.401 $/hora.
- Elementos de desgaste: Son los accesorios
(cuchillas, cantoneras y pasadores) que la maquina
utiliza para realizar sus trabajos, se llevo un control
estricto del tiempo de vida de los elementos como las
uñas, 350horas, cantoneras 500horas. Obteniéndose
un valor de 3.364 $/hora.
- Tren de rodamiento (rueda dentada, eslabones,
rodillos, rueda tensora, zapatas, Pm y bujes) a las 7
000 horas todo el sistema presento un desgaste
promedio de 85-95% y obteniéndose un valor de 5.83
$/hora.
- Combustible: Es el que presenta el valor mas alto
en la estimación con 11.567% del costo total. En el
análisis se obtuvo que cuando la maquina desquincha
(extracción de roca) llega a tener un consumo de 7.5
g a l/hora y cuando carga tiene un valor de 7.00 gal
hora.
En nuestro análisis se esta tomando el promedio
(7.186 ga1/hora) de los consumos.
- Reserva de reparaciones: Incluye el costo de
mano de obra y piezas de repuestos como bomba de
inyección, arrancador, turbo, joystick, gobernador,
controlador, mandos de giro y otros. Es así que se
considera valores que considera el Ministerio de
Manuel Obando V., Oscar D. Vargas C.
An cient. 68(4) 2007, pp. 01-10 7
Agricultura (mano de obra 30% y repuestos 70%)
obteniéndose 9.00 $/hora.
- Operación y servicios: Esta constituida por:
operador, vigilante, controlador y los traslados. En
los tres primeros están en función de sus salarios.
En el caso de traslados influye directamente a la
reserva de reparación y tren de rodamiento. Cabe
mencionar que la maquina no hizo uso de cama baja
en su traslado incrementando de esta manera sus
costos (la maquina se traslado hasta 15 km por su
propia autopropulsión).
En nuestro análisis asumiremos que se utilizó el
servicio de cama baja (transporte de maquinaria)
obteniéndose un valor de 0.436 $/hora.
Por lo tanto, el costo total de la maquina es 97.889
$/hora, si comparamos este valor con lo propuesto
por La Cámara Peruana de Construcción (99.091
$/hora) encontramos que es muy similar.
3.3 Volquete marca Volvo modelo NL-12
Roquero (V-149)
3.3.1 Producción horaria.
Tabla 12. Producción horaria del NL-12 Volvo (V-
149).
3.3.2 Coeficiente horario
Tabla 13. Coeficiente horario del camión volquete.
3.3.3 Eficiencia de trabajo
Tabla 14
Análisis del rendimiento de un pool de maquinaria para el movimiento de tierras aplicado en operaciones de
encauzamiento y defensa ribereña del río Chancay – Huaraz
8
3.3.4 Ciclos de trabajo
Tabla 15. Ciclos de trabajo del NL-12 VOLVO (V-149).
El ciclo de trabajo del camión volquete se analizó
por intermedio de una regresión lineal múltiple (por
el método Backgard), teniendo como variable:
Tc: tiempo de cargado.
Ta : tiempo de acarreo.
Tv: tiempo de vaciado.
Tr: tiempo de retorno.
Te: tiempo de espera.
Peso especifico de la roca: 2543,25 kg 1m3
San José de Miraflores
TCI (hrs) 6,473E-04 + 1,002 Tc ÷ 1,00 Ta +1,000
Tv + O,999 Tr + 1,000 Te
El tramo fue afectado por: tiempo de cargado,
tiempo de acarreo, tiempo de vaciado, tiempo de
retorno y tiempo de espera.
Tiempo de cargado: El tiempo es afectado
principalmente cuando la Excavadora Hidráulica
carga rocas mayores a 1.5 m3 no pudiéndolo hacer
con la mayor versatilidad, debido al peso excesivo
que la máquina esta cargando, llegando a realizar
maniobras peligrosas para cumplir con este ciclo de
trabajo, tiempo promedio es 5’ 48”.
Tiempo de acarreo: Es influenciado por el camino
rugoso, volumen que acarrea (estable), fuertes
pendientes (15 - 35%) y la distancia que recorre
(23.00 km), tiempo promedio es 46’ 02”.
Tiempo de vaciado: Es afectado regularmente
cuando el volquete comienza a retirar su carga, las
rocas se obstruyen entre si, originando que la parte
delantera de la maquina se levante, debido al
contrapeso que esta afectando a la parte trasera de la
tolva, teniendo que pedir ser auxiliado por otra
unidad (excavadora) para salir de ese estado.
Tiempo de vaciado promedio 2’ 46”
Tiempo de retomo: Como en el tiempo de acarreo
es afectado por el camino y la pendiente, tiempo
promedio 41’ 20”
Tiempo de espera: Es el que presenta el mayor
tiempo pérdido, debido a la Excavadora Hidráulica
no le carga (abastece) en su debido momento (exceso
de tiempos muertos) tiempo promedio 33’ 05”.
Siendo el ciclo promedio de 2 hrs 9 min y teniendo
un gasto de combustible de 7.30 galones.
Santo Domingo
TC1(hrs) = - L8OE-03 + 1.Ol9Tc + 1.O98Ta +
1.O97Tv + O.852Tr + O.987Te
Tiempo de cargado: El tiempo esta en función de
la cantidad de roca que le carga la Excavadora
Hidráulica.
Tiempo de acarreo: El tiempo de acarreo es el que
presenta el menor valor (promedio 13’ 53”)
comparado con los otros dos sectores debido a su
menor distancia (1.50 km).
Es afectado solamente al cruzar el río (caudales de
30 m3/seg.)
Tiempo de vaciado: El problema de la obstrucción
de las rocas se da con mayor frecuencia debido al
material que están cargando es demasiado
voluminoso y redondeado, debido que esta siendo
extraída sin la voladura correspondiente, tiempo
promedio 5’ 34”
Tiempo de retorno: Como en el tiempo de acarreo
es afectado por la pendiente y el caudal del rió,
tiempo promedio 9’19”.
Tiempo de espera: Es afectado fundamentalmente
por los tiempos muertos que tiene la presenta la
unidad que le abastece, tiempo promedio 31’ 25”.
Cuyo-Lumbra
TCI (hrs) = -0.217 +1.38OTc + 3.463Tr + 0.786Te
En el sector Cuyo-Lumbra el ciclo es afectado por:
el tiempo de cargado, tiempo de retomo y tiempo de
espera.
Tiempo de cargado: Como en las otras zonas este
tiempo esta en función del volumen que carga la
unidad que le abastece y la condiciones de sus
accesorios de trabajo tiempo promedio 7’ 39”.
Tiempo de retorno: Es influenciado en un tramo
del camino (300 m) donde hay solo una vía para un
camión, es así cuando un volquete yació retornaba y
nos encontrábamos el cargado tenia la preferencia,
tiempo promedio es 14’ 15”.
Tiempo de espera: Es similar a la zona de Santo
Domingo y adicionalmente con un mayor sus
condiciones de los neumáticos, que ocasionaba
mayores tiempos muertos.
Tiempo promedio 33’ 47”.
El tiempo del ciclo total del volquete 1 hora
2lminutos y con un gasto de combustible por ciclo de
0.4764 galones.
3.3.5 Costos de inversión horaria El costo horario de inversión esta constituido por:
costo de adquisición, costo de operación.
Condiciones:
- Precio lista de la maquina: 128 030 $
- Tiempo de Vida Útil: 15000 Horas
- Tasa anual: 15% (sistema financiero) a rebatir.
- Horas de trabajo por año: 2 500 horas.
- Depreciación de la maquina: 6 Años.
Manuel Obando V., Oscar D. Vargas C.
An cient. 68(4) 2007, pp. 01-10 9
- Seguros: 1.2% del costo de la maquina (Seguros
el Rimac).
3.3.6 Costo de adquisición El costo de depreciación es 8.535 $/hora (128
030/15 000) el financiamiento se dio en 5 años y a
rebatir (amortización), siendo un total de interés
acumulado de 45% y dividiendo la cantidad prestada
con el tiempo de vida de la maquina 12.376$/hora
(128030*1.45/(15000). Además, el seguro es el 1,2%
del costo de la máquina en función de la depreciación
anual (28309.551/15000) es 0.358 $/hora y sumando
estos valores se tiene un valor de 21 .269 $ l hora.
3.3.7 Costo de operación - Lubricantes Los costos por hora de lubricación y
aceites hidráulico se determina en base al consumo
horario que propone el fabricante y el costo de estos
en las unidades correspondientes; obteniéndose un
valor de 1,143 $/h.
- Filtros Como en el caso anterior los cambios de
filtros se realizan similarmente, siendo su valor
1.031$/hora.
- Neumático Se observo que las llantas no eran las
mas apropiada para el tipo de terreno que recorre los
volquetes, debido que las llantas que se adquirieron
últimamente tuvo un tiempo de vida de 23 779 km (2
200 hrs), pero las llantas que llegaron con la maquina
del fabricante tuvieron una duración de 46470.5 km
(4 200 hrs).
El juego de neumático, cámara y poncho protector
es de $ 2 800 tomaremos como dato el tiempo de vida
del primer caso que fue analizado en nuestro estudio
y obteniendo un valor de 1.2727 $/hora.
Se recomienda para próximas adquisiciones
comprar las que importa el fabricante volvo.
- Combustible: Se basa en el consumo promedio
por hora del motor, siendo este valor 3.35
galones/hora y con respecto al total viene a ser el
16.9% de costo total de la maquina.
Además cabe mencionar que el consumo de
combustible se divide en dos, el primero cuando
recorre por pista asfaltada 8-10 km/galón y cuando lo
realizaba por el cauce del rió o suelo afirmado tenia
4-5 galones/hora.
- Reserva de reparaciones: Incluye el costo de
piezas y mano de obra por reacondicionamiento
como: bomba de inyección, arrancador, turbo,
embrague y otros (mano de obra 25% y repuestos
75%) el Ministerio de Agricultura considera
17.840$/hora como reserva para volquetes de este
tipo.
- Servicios: Estos costos esta constituido por el
salario del: operador, vigilante, controlador.
Ahora sumando el costo de adquisición y operación
se obtiene 54.267 $/hora. Este análisis se realizó en
condiciones extremas de trabajo. Además, según
CAPECO el costo aproximado de este tipo de
volquetes es de 64.125 $ 1 hora.
4. Conclusiones
1. La eficiencia de trabajo es afectado
fundamentalmente por los tiempos muertos,
condiciones de la maquina, mala planificación de los
trabajos y la disponibilidad de combustible que nos
origina que la maquina tenga constantes
paralizaciones. Siendo sus valores promedio en los
tres sectores: Bulldozer B-084 (60.0%) Excavadora
Hidráulica E-010 (42.53%) y Camión Volquete
roquero V-1 49(50.70%).
2. La producción y eficiencia de trabajo del volquete
es afectada principalmente por el operador de la
excavadora hidráulica E-010, que presenta un exceso
de tiempos muertos e involucrándolo indirectamente
al rendimiento del volquete.
3. El costo de inversión obtenido en la investigación
son mayores a las que propone el Ministerio de
Agricultura (Programa de Maquinaria Agrícola,
Agroindustrial y Pesada) debido que sus cálculos lo
realizaron en condiciones promedio, mientras en
nuestro caso se realizó en condiciones extremas de
trabajo.
4. La producción horaria del bulldozer esta en
función de: pendiente, desgaste de zapata (80%),
desgaste de cuchillas, distancia de acarreo, tipo de
terreno (granulometria, compacidad relativa)
5. Es así en el sector Santo Domingo se presento la
mayor producción horaria: Formación de Talud
(149.5— 196.3 m3/hora.) y Refinado (102.7—133.4
m3/hora), debido a la menor distancia de acarreo que
presento (40 m) y su terreno que al ser removido
presento el mayor espacio muerto entre cantos
rodados (menor compacidad relativa)
6. El ciclo de la Excavadora Hidráulica E-010 es
afectada cuando carga rocas de 1.50 m3, debido que
esta sobrepasando la fuerza de izaje de la maquina.
Además cabe mencionar que el tipo de roca que se
encuentra en la cantera tiene una densidad de 2456
kg/m3 y es del tipo granito.
7. En la obra se requiere a un Ingeniero Asistente,
debido que el profesional encargado de la obra no
podía realizar las múltiples actividades que se le
asignaron como: expedientes técnicos, rendiciones,
informes, convenios y realizar las supervisiones en la
obra.
8. El consumo promedio trabajando de las unidades
son: B-084(12.6 galones / hora), E-010 (7.2 gal/h) V-
149 (5.9 km/galón). Además, cabe mencionar que el
consumo de combustible del bulldozer se
incrementará en función si su longitud de acarreo
también aumente, en caso del volquete el consumo se
incrementara si el lugar por donde acarrea el material
tiene mayor irregularidad y con respecto a la
excavadora su consumo se incrementara cuando
empiece a cargar rocas mayores de 1.50 m3 (granito).
9. El análisis de mecánica de suelos se realizo por lo
general en el mismo cauce del rió y siendo solamente
llevado muestras finas y pedazos de roca de cantera
para sus respectivos análisis. En el caso de la roca se
supo que es una roca del tipo granito y una densidad
de 2483.566 kg/m3.
5. Referencias bibliográficas
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Mantenimiento de Máquina de Movimiento de
Análisis del rendimiento de un pool de maquinaria para el movimiento de tierras aplicado en operaciones de
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10
Tierras, 5ta. Editorial CATERPILLAR, EE. UU.
1997.
KOMATSU, Manual de Especificaciones y
Aplicaciones, 17 va. Edición. Editorial
KOMATSU, TOKIO – JAPON. 1996.
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Maquinaria Agrícola. 1era. Edición, editorial
Hemisferio sur S.A. Argentina 1977.
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de Excavación. 8va. Edición. Editorial CECSA.
México.- 1981.
RECAGSA S.R.L., Mantenimiento y más Larga Vida
del Tren de Rodamiento. 1era. Edición. Editorial
RECAGSA, CHICLAYO – PERÚ. 2000.
SATECCI., Manual de Mantenimiento y Reparación
de Tolvas de Volquetes. 1era. Edición. Editorial
SATECCI, LIMA – PERÚ. 1998.
An cient. UNALM 68(4), 2007 Recibido: 13/09/2006
ISSN 0255-0407 Aceptado: 16/10/2006
Diseño del depósito de relaves La Molina por el método de aguas abajo
Carlos Condori S. 1, Teresa Velásquez B.
2
Resumen
La presente investigación fue propuesta en el estudio del almacenamiento de relaves por parte de la Compañía
Minera La Molina S.A. y su desarrollo constituye el trabajo de la presente investigación. La compañía desarrolla sus
labores de operación de acuerdo a la Ley General de Minería, y opera actualmente una planta con una capacidad de
300 TMS/día (concentrados de Zn y Pb). Para el almacenamiento de los relaves cuenta con un depósito de relaves en
operación denominadas canchas A y B. Considerando la próxima ampliación de la planta (500 TMS/día), se ha
decidido la ejecución de un nuevo depósito de relaves localizado en la quebrada Poderosa, distrito de Huachocolpa,
provincia y departamento de Huancavelica. El proyecto comprende el diseño de una presa para almacenar relaves y
acumular agua industrial, y fue diseñada como una estructura para almacenamiento de agua. Los objetivos de la
presente investigación son los siguientes: 1) Diseño de una presa de relaves por el método de aguas abajo y obras
hidráulicas auxiliares, 2) Desarrollar los estudios básicos para proporcionar los elementos necesarios para el diseño
del nuevo depósito de relaves “La Molina”, 3) Determinar los impactos ambientales provocados al medio natural y
socioeconómico que tendrá la construcción, operación y abandono del depósito de relaves propuesto, 4) Presentar
los procedimientos constructivos y especificaciones técnicas que conllevan a la construcción del depósito de relaves
propuesto.
Palabras clave: Relaves, minería, planta de tratamiento, presa, impacto ambiental.
Abstract
This research had been proposed for the studies of the miner’s deposits storages of The La Molina Miner Company
S.A., details to conduct the deposits on the deposits storage constitute the main target of this work. The Company
develop its operations duties acording to the the General Miner Law and actually The Company operates a Plant
with 300 TMS/day of capacity (concentrated Zn and Pb). In order to get the storages of the miners deposits, the
Miner Company had provided a miner deposit operation named knack A and B. Considering the next increased Area
of the Plant (500 TMS/day), The Company had decided the execution of a new miner deposit storage located in La
PODEROSA Mountain, Huachocolpa, Huancavelica. The Project reach the Dam Design to storage the new amount
of miner deposits and industrial water discharges, in fact it was designed as a water storage structure. The main
targets of the research are the folowing: 1) To made the Dam design for miner deposits taking into account below
water method and hydraulics structures, 2) To develop the basic studies to made the mentioned design, 3) Determine
the Impacts due to the new situation on the natural, social and economic environment during the cbuilt of the
project, 4) Submit the built steps and especifications to develop the coinstrucction.
Key words: Relaves, mining industry, plant of processing, dam, environmental impact.
1. Introducción
La investigación “Diseño del depósito de relaves
La Molina por el método de Aguas Abajo”, fue
propuesta en el estudio del almacenamiento de
relaves por parte de la Compañía Minera La Molina y
su desarrollo constituye el trabajo de la presente
investigación.
La Compañía Minera La Molina S.A. desarrolla
sus labores de operación en el Marco Jurídico
establecido en la Ley General de Minería, por el
Decreto Legislativo 109 y su reglamento aprobado
por Decreto Supremo 025-82-EM/VM.
La Compañía Minera La Molina S.A. opera
actualmente una planta de beneficio con una
capacidad instalada de 300 TMS/día (Toneladas
Métricas secas por día), produciendo concentrados de
Zn y Pb. Para el almacenamiento de los relaves
cuenta con un depósito de relaves en operación
denominados canchas A y B.
Las características del relave generado en la planta
como consecuencia de la explotación del plomo y
zinc son de tallados en la Tabla 1.
1, 2 Facultad de Ingeniería Agrícola, Universidad Nacional Agraria
La Molina. Lima, Perú. E-mail: [email protected]
Considerando la próxima ampliación de la planta
concentradora para operar con una capacidad de 500
TMS/día, y dado que el volumen del depósito
operativo tiene una capacidad límite; la compañía
minera ha decidido la ejecución de un nuevo depósito
de relaves localizado en la quebrada Poderosa, paraje
Camihuara, distrito de Huachocolpa, provincia de
Huancavelica, departamento de Huancavelica.
El proyecto comprende básicamente el diseño de
una presa que permita almacenar relaves que se
generan en la planta concentradora y acumular agua
industrial requerida para la operación minera.
Considerando dichas funciones, la presa debe ser
diseñada como si fuera una estructura para
almacenamiento de agua.
Los objetivos de la presente investigación son los
siguientes:
- Diseño de una presa de relaves por el método de
aguas abajo y obras hidráulicas auxiliares
- Desarrollar los estudios básicos para
proporcionar los elementos necesarios para el diseño
del nuevo depósito de relaves “La Molina”.
- Determinar los impactos ambientales provocados
al medio natural y socioeconómico que tendrá la
construcción, operación y abandono del depósito de
relaves propuesto
Diseño del depósito de relaves La Molina por el método de aguas abajo
12
- Presentar los procedimientos constructivos y
especificaciones técnicas que conllevan a la
construcción del depósito de relaves propuesto.
Tabla 1. Características de relave generado por la explotación de plomo y zinc.
MATERIAL TMS/Día % DENSIDAD GRAV. % AGUA RELAC. VOLUM. VOLUM.
Peso (Ton/m3) ESPEC. SOLIDOS (m3/dia) LIQ/SOL HUM. SECO
(m3/dia) (m3/dia)
Feed 415.85 100.0 1.180 2.8 23.7 1131.26 3.21 / 1.00 352.42 346.54
Gruesos 158.02 38.0 1.600 - - - - 98.76
U/F
Finos O/F 257.83 62.0 1.350 - - - - 190.99
2. Revisión de literatura
A continuación se presentan una serie de conceptos
básicos asociados a la explotación minera y al diseño
de depósitos para el almacenamiento de relaves:
2.1 Relaves Los relaves se definen como partículas de roca
trituradas que son producidas o depositadas en forma
de pulpa (pasta con agua). Esta definición involucra
una gran mayoría de desechos provenientes del
procesamiento mineral.
En la minería y en la metalurgia extractiva el
principal énfasis está en la extracción de los valores
minerales; considerando que los relaves son
simplemente un producto de desecho con
características físicas y químicas propias. De otro
lado, la disposición de relaves es comúnmente
identificada con el más importante recurso de
impacto ambiental por muchos proyectos mineros.
2.1.1 Procesamiento del mineral Para una compresión de la naturaleza de los relaves
es fundamental un conocimiento básico de como
ellos son producidos. La extracción de los valores del
mineral requiere procedimientos tan diversos como
los metales procesados, pero algunos pasos
fundamentales en los procesos son comunes en
muchos minerales, como es el caso de la trituración,
molienda, concentración, separación por gravedad,
separación magnética, flotación espuma, lixiviación,
desecación.
2.1.2 Manejo de relaves y retorno del agua
Transporte del relave y descarga: los relaves
colectados del espesador son transportados en forma
de pulpa hacia los almacenamientos de relave, dado
que los relaves en la planta ya están mezclados con
agua y un adicional desecado para un manejo de
relaves secos es económicamente prohibitivo. El
transporte de los relaves se hace por canaletas, pero
comúnmente se hace por tuberías con o sin bombeo.
Decantación del pondaje de agua: luego de la
descarga de los relaves en el área de
almacenamiento, gran porcentaje de las partículas
de relaves gruesos se asientan cerca del punto de
descarga. De otro lado, las partículas gruesas
remanentes, partículas finas y partículas coloidales
son transportadas hacia el pondaje de agua o pondaje
de decantación donde eventualmente sedimentan. El
pondaje de agua viene a ser el volumen de agua
ubicado en la cola del depósito de relaves como
resultados del balance hídrico, el cual deberá ser
captado y evacuado fuera del depósito.
2.1.3 Tipos de relaves
La naturaleza de los relaves varía de acuerdo con el
mineral tratado en planta y las operaciones del
procesamiento de las partículas. Los relaves son
caracterizados por sus propiedades índice que
incluyen la granulometría, gravedad específica y
plasticidad. Así, por ejemplo, se tiene relaves de
plomo-zinc, relaves de oro y plata, relaves de cobre,
relaves de molibdeno.
2.1.4 Clasificación de los tipos de relaves
Los relaves se dividen en cuatro categorías
generales de acuerdo con la granulometría y la
plasticidad.
a. La primera categoría. Son los relaves de roca
blanda que han sido obtenidos principalmente de
rocas mineralizadas arcillosas, incluyendo carbón
fino.
b. La segunda categoría. Se relaciona con relaves
de roca dura donde usualmente predominan las
arenas. Los relaves corresponden a plomo-zinc,
cobre, oro-plata, molibdeno y níquel.
c. La tercera categoría. Son los relaves finos que
contienen poca o ninguna cantidad de arena e
incluyen arcillas fosfáticas, limos rojos de bauxita,
relaves de toconita fina.
d. La cuarta categoría. Son los relaves gruesos
cuyas características son determinadas sobre el total
de la fracción de arena de tamaño grueso. Este grupo
incluye la fracción gruesa de relaves de uranio,
taconita gruesa y arena de fosfato.
2.1.5 Naturaleza de los efluentes líquidos de
relaves La naturaleza líquida de los relaves no puede ser
considerada separadamente de las características
químicas del efluente líquido asociado a la planta. El
diseño de los depósitos de relave es influenciado por
la naturaleza de los sólidos, sino también por la
naturaleza de los efluentes.
Los efluentes se definen en categoría de acuerdo:
- De acuerdo al pH, en neutral, alcalino u ácido.
- De acuerdo a la toxicidad.
- De acuerdo a la oxidación de la pirita.
Carlos Condori S., Teresa Velásquez B.
An cient. 68(4) 2007, pp. 11-22 13
2.1.6 Propiedades físicas, resistencia,
compresibilidad y permeabilidad de los
relaves Las propiedades físicas, resistencia,
compresibilidad y permeabilidad de los relaves esta
relacionado con las características de deposición, la
densidad, densidad relativa, la permeabilidad, efectos
de anisotropía, efectos de la distancia de descarga,
efectos de la relación de vacíos, la compresibilidad, la
consolidación, su resistencia al corte drenado, su
resistencia al corte no drenado, resistencia cíclica,
etc.
2.2 Métodos de disposición de relaves La disposición superficial de los relaves emplea
presas de varios tipos para tomar el depósito que
contenga los relaves y el agua proveniente de la
concentración del mineral.
Existen dos clases generales de estructuras de
retención: presas de tierra y/o enrocamiento y presas
de relaves.
2.2.1 Las presa de tierra y/o enrocamiento Esta presas son diseñadas y construidas de acuerdo
con las técnicas usuales de presas para retención de
agua, con la única excepción que los taludes aguas
arriba no están adecuados para experimentar el
vaciado rápido. Las presas de este tipo son
construidas hasta su altura final, antes de que
empiece la descarga de la deposición de los relaves.
2.2.2 Las presa de relave La construcción de estas presas es efectuada por
etapas durante la vida del depósito. Se define tres
métodos de crecimiento de una presa de relave: (a)
método de aguas arriba, (b) método de aguas abajo y
(c) método de la línea central.
a. Método de aguas arriba. El método de
crecimiento aguas arriba presenta un dique de
arranque, el cual, una vez construido permite que los
relaves sean descargados periféricamente desde su
cresta para formar una playa. La playa formada viene
a ser la fundación para un segundo dique perimentral.
Este proceso continua a medida que se incrementa la
altura de la presa. Como regla general, es necesario
no menos de 40 – 60 de arena del total de relaves
descargados. Este método es limitado a condiciones
específicas por factores que incluyen el control del
nivel freático, capacidad de depósito del agua y la
susceptibilidad a la licuación sísmica.
b. Método de aguas abajo. Las etapas de
crecimiento del método aguas abajo, indican que la
presa es construida colocando relleno sobre el talud
aguas abajo del levantamiento previo. Este método
permite incorporar medidas estructurales dentro del
cuerpo de la presa como, por ejemplo, núcleos
impermeables y drenes internos para un control
positivo del nivel freático. La mayor desventaja del
método de crecimiento aguas abajo es el gran
volumen de relleno de presa requerido y el
correspondiente alto costo.
c. Método de la línea central. El método de la
línea central es un término medio entre los métodos
de aguas arriba y aguas abajo en muchos aspectos.
Este método empieza inicialmente con un dique de
arranque, desde cuya cresta es distribuido el relave en
todo su perímetro para formar el depósito. Los
subsecuentes levantamientos son construidos
colocando el relleno encima de la playa y del talud
aguas abajo previamente levantado. Este depósito no
puede ser usado como deposito permanente de
grandes profundidades de agua.
En las Tablas 2 y 3, se comparan las características
de los diferentes tipos de presas para almacenamiento
de relaves.
Tabla 2. Comparan las características de los diferentes tipos de presas para almacenamiento de relaves (I).
TIPO DE PRESA REQUERIMIENTOS REQUERIMIENTOS ADECUADO
RELAVES DESCARGA DEPOSITO AGUA
Materiales Adecuado para Adecuado para Bueno
Convencionales cualquier tipo cualquier
(tierra) de relaves descarga
Aguas Arriba Al menos 40% a Descarga periférica y No adecuado para
60% de arena en el una necesaria playa depósito de agua
total de relaves. bien controlada significante
Densidad Pulpa
baja para promover
segregación de los
tamaños de granos.
Aguas Abajo Adecuado para Varia de acuerdo a Bueno
cualquier tipo de detalles de diseño
relaves
Línea central Arenas o limos de Descarga periférica y No recomendable
baja plasticidad como depósito
permanente.
Depósito de flujo
temporal aceptable
con apropiados
detalles de diseño
Diseño del depósito de relaves La Molina por el método de aguas abajo
14
Tabla 3. Comparan las características de los diferentes tipos de presas para almacenamiento de relaves (II).
TIPO DE PRESA RESISTENCIA RESTRICCIO REQUERIMIENTO COSTO
SISMICA CRECIMIENTO RELLENO DE PRESA RELATIVO
PRESA
Materiales Presa completa Suelo natural
Convencionales Bueno construida préstamo Alto
(tierra) inicialmente
Mayormente
Pobre en áreas deseable entre 5 Suelo natural
Aguas Arriba de alta 10 maño. arena de relaves o Bajo
sismicidad Es peligroso para desechos de mina
mayores de
15 maño
Arena de relaves
Aguas Abajo Bueno Ninguno o desechos de mina
si la producción es Alto
suficiente o suelo
natural
Restricciones de Arenas de relaves
altura para o desechos de mina
Línea central Aceptable levantamientos si la producción es Moderado
individuales suficiente o suelo
natural
2.3 Análisis de estabilidad de presas de relave Los procedimientos para el análisis de estabilidad
en presas de relaves del tipo aguas abajo, difieren
muy poco de aquellos empleados para presas de
retención de agua. Se considera que para presas de
relaves, el deslizamiento inicial de tipo rotacional, es
el mecanismo que origina la falla de la mayor parte
de los taludes (con excepción de aquellos inducidos
por licuación); desarrollándose después como
deslizamiento de flujo.
La estabilidad de las presas de relaves se analizan
en las siguientes condiciones: al final de la
construcción, en la construcción por etapas y a largo
plazo.
El análisis de la estabilidad sísmica, como se sabe,
durante el fuerte movimiento sísmico se generan
presiones de poro internas, que hacen disminuir
gradualmente la resistencia interna de las partículas,
hasta alcanzar el estado de licuación en todo o parte
de la presa, conduciendo a la falla por deslizamiento
del tipo flujo. Existen varias técnicas para el análisis
de estabilidad sísmica de rellenos no compactados,
entre los que están la evaluación empírica, el análisis
de evaluación simplificada, métodos pseudostáticos y
análisis dinámico total.
La evaluación empírica, es útil una evaluación
preliminar de la estabilidad sísmica, en base al
comportamiento de las presas de relaves durante los
terremotos, considerando las experiencias de presas
de relaves aguas arriba de Chile, La liga (1965),
sobrevivieron aceleraciones menores de 0.15 g;
mientras, que las presas aguas abajo, fallan con
aceleraciones mayores a 0.20 g.
3. Materiales y métodos
3.1 Fase de campo Instrumentos de topografía (Teodolito marca
Wild T1A, Nivel marca PENTAX, Mira de fibra de
vidrio, 1 juego de jalones, wincha, estacas, etc.).
Investigaciones geotécnicas (Palas, picos,
barretas, bolsas, tarjetas de identificación, parafina,
muestreadores, 1 cono de arena de 12”).
Útiles adicionales (Libretas de campo, cámara
fotográfica).
Instrumentos de aforo (Microcorrentómetro).
3.2 Fase de gabinete Equipos y programas de cómputo
Útiles de escritorio
Hidrología
Recopilación y análisis preliminar de datos
meteorológicos e hidrométricos.
Análisis de datos pluviométricos.
Determinación de la capacidad del depósito.
Análisis de avenidas extraordinarias para
diferentes periodos de retorno.
Tránsito de avenidas extraordinarias en el
depósito
Cartografía y topografía
Recopilación y análisis de la información
cartográfica y topográfica.
Planos topográficos expeditivos para
implantación de la presa y obras auxiliares.
Estudios de geología, geotecnia y sismicidad
Recopilación y análisis de la información
geológica y geotécnica disponible.
Reconocimiento geológico de superficie y
sismología general de la zona.
Elaboración de mapas geológicos y evaluación
de las características geológicas para la
cimentación del vaso y presa del depósito.
Programa de investigaciones geotécnicas.
Riesgo sísmico.
Análisis de alternativas y selección del tipo de
presa
Selección del tipo de presa.
Comparación de alternativas de depósitos para
almacenamiento de relaves.
Carlos Condori S., Teresa Velásquez B.
An cient. 68(4) 2007, pp. 11-22 15
Diseño de la presa y obras hidráulicas auxiliares
Diseño de la presa y cimentación.
Diseño del cuerpo de la presa para la alternativa
seleccionada.
Diseño del vertedero de demasías.
Impacto ambiental
Determinación de los impactos potenciales
predecibles.
Programa de manejo ambiental.
Programa de monitoreo.
Programa de contingencia y abandono del área.
Cronograma de construcción
Especificaciones técnicas
Costos y presupuesto
3.3 Ubicación del proyecto La zona del proyecto se ubica en el paraje
Camihuara, perteneciente al distrito de Huachocolpa,
provincia y departamento de Huancavelica, ver Plano
1 (Figura 1).
La ubicación en coordenadas U.T.M. es:
E 501,400 - E 502,000
N 8’ 555,700 - N 8’ 557,300
Acceso al proyecto
El acceso es por vía terrestre y las distancias de
recorrido para llegar a la Concesión Minera se
muestra en la Tabla 4.
Figura 1. Ubicación de la zona del proyecto.
Tabla 4. Acceso a la concesión minera.
451afirmada24Cruce para mina- mina La Molina
427afirmada20Santa Inés- cruce para mina
407afirmada45Rumichaca- Santa Inés
362asfaltada134Pisco- Rumichaca
228asfaltada228Lima- Pisco
Distancia
acumulada (Km.)
Tipos de
carreteraDistancia (Km.)Tramo de Carretera
451afirmada24Cruce para mina- mina La Molina
427afirmada20Santa Inés- cruce para mina
407afirmada45Rumichaca- Santa Inés
362asfaltada134Pisco- Rumichaca
228asfaltada228Lima- Pisco
Distancia
acumulada (Km.)
Tipos de
carreteraDistancia (Km.)Tramo de Carretera
Diseño del depósito de relaves La Molina por el método de aguas abajo
16
3.4 Estudios básicos
3.4.1 Recopilación y análisis preliminar de datos meteorológicos e hidrométricos La información meteorológica ha sido obtenida de las estaciones mostradas en la Tabla 5.
Tabla 5. Estaciones hidrometeorológicas utilizadas en el estudio.
1966-199574º 51’ O12º 23’ S1966MeteorológicaPampas
1969-199574º 49’ O12º 29’ S2700MeteorológicaMantacra
1969-199574º 55’ O12º 31’ S2799MeteorológicaMejorada
1965-199575º 05’ O12º 56’ S4500PluviográficaAstobamba
1965-199575º 03’ O12º 21’ S3650PluviográficaAcostambo
1965-199575º 23’ O12º 01’ S3280PluviográficaAngasmayo
1965-199575º 36’ O12º 10’ S4500PluviográficaChichicocha
1965-199575º 43’ O11º 48’ S3550PluviográficaPachacayo
1965-199575º 54’ O11º 57’ S4375PluviográficaYauricocha
1965-199575º 31’ O 12º 33’ S4760MeteorológicaHuichicocha
1965-199576º 16’ O11º 59’ S3500MeteorológicaColpa
PERIODO
REGISTROLONGITUDLATITUDALTITUD (msnm)
TIPO DE
ESTACIÓNESTACIÓN
1966-199574º 51’ O12º 23’ S1966MeteorológicaPampas
1969-199574º 49’ O12º 29’ S2700MeteorológicaMantacra
1969-199574º 55’ O12º 31’ S2799MeteorológicaMejorada
1965-199575º 05’ O12º 56’ S4500PluviográficaAstobamba
1965-199575º 03’ O12º 21’ S3650PluviográficaAcostambo
1965-199575º 23’ O12º 01’ S3280PluviográficaAngasmayo
1965-199575º 36’ O12º 10’ S4500PluviográficaChichicocha
1965-199575º 43’ O11º 48’ S3550PluviográficaPachacayo
1965-199575º 54’ O11º 57’ S4375PluviográficaYauricocha
1965-199575º 31’ O 12º 33’ S4760MeteorológicaHuichicocha
1965-199576º 16’ O11º 59’ S3500MeteorológicaColpa
PERIODO
REGISTROLONGITUDLATITUDALTITUD (msnm)
TIPO DE
ESTACIÓNESTACIÓN
3.4.2 Análisis de los datos pluviométricos
De acuerdo a los registros pluviométricos
disponibles, se tomó atención a su análisis
detallado, empleándose registros consistentes,
completos y con una extensión mínima.
Se realizó un análisis de consistencia para
asegurar que reflejen las condiciones existentes.
Posteriormente, se realizó un análisis de
correlación con estaciones cercanas y de
altitudes similares que cuenten con registros
completos.
3.4.3 Infiltración
El vaso del depósito de relaves está conformado
por suelos coluvial y fluvioaluvial,
sobreyaciendo el basamento rocoso.
La presa estará apoyada sobre el basamento
rocoso, y no existirá infiltración de las aguas del
depósito en la cimentación del vaso.
A través del cuerpo de la presa, sí existe
infiltración del agua de pondaje, captada por el
filtro, conducida y evacuada por drenes.
3.4.4 Balance hídrico El resultado del balance hídrico en el depósito
proyectado es 24.2 l/s, ver Tabla 6 y Figura 2.
Tabla 6. Balance hídrico en el depósito proyectado.
Mes
x
Precip
(mm)
x
Escorr
(mm)
x
Evap
(mm)
x
Infiltr
(mm)
x
Relaves
(mm)
Balance
(mm)
Volumen
(m3)
Caudal
medio
(l/s)
Ene. 94.0 994.7 75.1 259.2 1852.5 2606.8 39397.0 15.2
Feb. 99.2 1050.7 67.0 259.2 1852.5 2676.2 40446.1 15.6
Mar. 96.6 1022.7 67.6 259.2 1852.5 2645.0 39973.7 15.4
Abr. 62.1 657.6 70.0 259.2 1852.5 2243.0 33899.1 13.1
May. 36.2 383.8 70.9 259.2 1852.5 1942.4 29355.9 11.3
Jun. 35.5 375.5 70.9 259.2 1852.5 1933.3 29218.9 11.3
Jul. 34.9 369.2 81.2 259.2 1852.5 1916.2 28959.6 11.2
Ago. 54.1 572.5 83.6 259.2 1852.5 2136.3 32286.7 12.5
Set. 92.0 973.9 76.8 259.2 1852.5 2582.4 39028.7 15.1
Oct. 150.1 1589.0 89.2 259.2 1852.5 3243.2 49014.5 18.9
Nov. 189.3 2003.9 94.5 259.2 1852.5 3691.9 55796.8 21.5
Dic. 228.6 2419.8 86.4 259.2 1852.5 4155.3 62799.1 24.2
Total Anual 1172.5 12413.2 933.3 3110.4 22230.0 31772.1 480176.1 24.2
Carlos Condori S., Teresa Velásquez B.
An cient. 68(4) 2007, pp. 11-22 17
BALANCE HIDRICO EN EL DEPOSITO DE RELAVESBALANCE HIDRICO EN EL DEPOSITO DE RELAVES
RELAVERELAVE
ESPALDONESPALDON
PERMEABLEPERMEABLE
PONDAJEPONDAJE
AGUAAGUA
Esco
rrentía
Esco
rrentía
NU
CL
EO
NU
CL
EO
RO
CA
S Y
RO
CA
S Y
SUELOS PERMEABLES
SUELOS PERMEABLES
MATERIALES DE FUNDACION IMPERMEABLESMATERIALES DE FUNDACION IMPERMEABLES
1
FLUJOS DE ENTRADAFLUJOS DE ENTRADA
5
7
8
PrecipitaciónPrecipitación
Pulpa de RelavePulpa de Relave
EscorrentíaEscorrentía
ManantialesManantiales
FLUJOS DE SALIDAFLUJOS DE SALIDA
22
33
44
6
9
10
EvaporaciónEvaporación
InfiltraciónInfiltración
Retorno AguaRetorno Agua
A MinaA Mina
Infiltración Cuerpo Infiltración Cuerpo
de Presade Presa
Flujo a través del Flujo a través del
DentellónDentellón
Flujo de la CimentaciónFlujo de la Cimentación
1
22
5
6
9
8
7 44
Retorno
Agua a Mina
10
3
Figura 2. Balance hidrológico en el depósito de relaves.
3.4.5 Avenidas extraordinarias para
diferentes periodos de retorno Para estimar el caudal de avenidas extraordinarias
de 500 años de retorno, se emplearon tres métodos,
que se presentan en la Tabla 7.
Tabla 7. Método para el cálculo de máximas
avenidas.
Método Subcuenca Caudal
(m³/s)
Método Racional Río Escalera 65
Quebrada Poderosa 10
Método del U.S. Soil
Conservation Service
Río Escalera 23
Quebrada Poderosa 6
Método Regional o de
Creager
Río Escalera 45
Quebrada Poderosa 2
3.4.6 Tránsito de avenidas en vasos (método
de la piscina nivelada)
El tránsito de avenidas sirve para determinar el
hidrograma de salida de una presa dado un
hidrograma de entrada. El caudal de salida para el
río Escalera y la Qda Poderosa es de 23 m3/s.
3.4.7 Sismisidad
Se ha evaluado el peligro sísmico en el área de
estudio para períodos de retorno de 150 y 500 años,
ver Tabla 8.
Sobre este particular, Marcuson (1981) sugirió que
para las aceleraciones básicas de diseño, deben
aplicarse coeficientes entre 1/3 y 1/2 a los valores de
la aceleración máxima para el diseño.
En consecuencia, los valores de las aceleraciones
básicas de diseño son:
a básica de diseño = 0.6 g (para período de
retorno 150 años).
a básica de diseño = 0.20 g (para período de
retorno 500 años).
Tabla 8. Características de sismos para diferentes períodos de retorno.
Lugar Periodo de retorno en años
Mina La Molina -
Huachocolpa
30 50 100 150 200 400 500 1000
Intensidad MM
(Gutemberg y
Richter)
VIII VIII VIII VIII IX IX IX IX
Aceleración
máxima (cm/seg2)
176.50 211.85 266.92 310.00 334.31 415.77 445.15 548.87
Aceleración
máxima (g)
0.18 0.22 0.27 0.32 0.34 0.42 0.45 0.56
Diseño del depósito de relaves La Molina por el método de aguas abajo
18
3.4.8 Investigaciones geotécnicas En el perfil geológico a lo largo del eje de la presa,
se presenta la estratigrafía de los suelos y rocas. En
consecuencia, la presa y obras hidráulicas auxiliares
cimentarán en roca en toda su extensión, con buenas
condiciones geotécnicas.
Las investigaciones geotécnicas realizadas en
campo y laboratorio permitieron determinar los
parámetros de resistencia de los suelos y rocas que
conforman la cimentación de la presa, vertedero,
toma y canal de derivación, ver Tabla 9.
Tabla 9. Parámetros de suelos y rocas de la
cimentación de presa, vertedero, toma y canal de
derivación.
Material
Densidad
Húmeda
t/m3
Densidad
Saturada
t/m3
Cohesión
C’ (t/m2)
Angulo de
Fricción
’
(grados)
Cimentación
Presa de arranque
Cuerpo de presa
2.30
1.80
1.70
2.30
1.90
1.80
10.0
1.0
0.0
45
34
36º
Relaves finos 1.40 1.60 1.0 18
3.5 Diseño de la Presa y Obras Auxiliares
3.5.1 Selección del metodo de construccion a. Método de crecimiento: aguas abajo.
- Permite incorporar medidas estructurales dentro
del cuerpo de la presa (núcleos impermeables y
drenes internos para controlar el nivel freático).
- Permite almacenar volúmenes significantes de
agua directamente contra el talud aguas arriba y en
otros casos el empleo de un apropiado sistema de
descarga perimetral.
- Permite controlar el nivel freático sin la necesidad
de zonas impermeables.
b. Método de crecimiento: de la línea central.
- No satisface los volúmenes de almacenamiento
esperados para un periodo de vida del depósito de 9
años.
c. Método de crecimiento: aguas arriba.
Es limitado a condiciones específicas por factores
que incluyen el control del nivel freático, capacidad
de depósito y la susceptibilidad a la licuación
sísmica.
En la Figura 3 se presenta la comparación de los
volúmenes de las presas construidas con los métodos
antes descritos, también ver Figuras 4, 5 y 6.
3.5.2 Selección del eje de la presa Para seleccionar el eje de presa se empleó la razón
de eficiencia de relleno (Re). Para aplicar esta
metodología se han estudiado 2 ejes de presa.
El eje 2 posibilita almacenar sólo el 80% del
volumen requerido con un bajo valor de razón de
eficiencia (Re); mientras que el eje 1 almacena el
volumen requerido con un buen valor de razón de
eficiencia (Re).
Figura 3. La comparación de los volúmenes de las presas construidas con los métodos (a) aguas arriba, (b)
aguas abajo y (c) línea central.
Carlos Condori S., Teresa Velásquez B.
An cient. 68(4) 2007, pp. 11-22 19
Figura 4. Vista de la presa de arranque y de la construcción de la primera etapa del terraplén con el método
de aguas abajo.
Figura 5. Depósito de relaves aguas arriba con taludes 45% en las márgenes derecha del río Marañón, por las
altas temperaturas del sitio, el pondaje de agua de decantación es despreciable.
Figura 6. Las pulpas de relaves es ciclonada, separando el relave grueso para formar el dique con el método
de la línea central.
Las 2 presas fueron analizadas con las siguientes
características:
Ancho de la corona : 4.0 m
Altura del borde Libre : 2.0 m
Talud aguas arriba : 1.0 (V): 2.0 (H)
Talud aguas Abajo : 1.0 (V): 2.5 (H)
Altura de presa : variable
Volumen de almacenamiento : 976,320 m3
Cota nivel almacenamiento : 4 213.00 msnm
3.5.3 Diseño de la presa de relaves El diseño de la presa de relaves considera los
siguientes análisis:
Análisis contra desbordamiento.
Análisis contra flujo incontrolado.
Análisis contra deslizamiento.
Análisis contra licuefacción.
La presa de relaves ha sido diseñada para
ejecutarse en tres etapas, ver Tabla 10, Figura 7.
Diseño del depósito de relaves La Molina por el método de aguas abajo
20
Tabla 10. Características de las etapas de construcción de la presa de relaves.
Características Presa de arranque 1ra etapa 2da etapa 3ra etapa
Nivel de Corona
Nivel Máx. del Deposito
Altura Máxima
Longitud de Presa
Talud aguas abajo
Talud aguas arriba
Volumen de almacenamiento
Volumen de presa
4 205 msnm
4 203 msnm
13.00 m
88.578 m
2.5H : 1V
2:0H : 1V
168,007 m3
18,075 m3
4 207 msnm
4 205 msnm
15.00 m
212.725 m
2.5H : 1V
2:0H : 1V
270,300 m3
26,600 m3
4 211 msnm
4 209 msnm
19.00 m
222.918 m
2.5H : 1V
2:0H : 1V
548,850 m3
64,532 m3
4 215 msnm
4 213 msnm
23.00 m
222.526 m
2.5H : 1V
2:0H : 1V
888,710 m3
130,072 m3
Figura 7
3.5.4 Obras hidráulicas auxiliares a. Sistema de drenaje de decantación
Es del tipo quena, conformado por un dren
principal que se conecta con drenes secundarios de
menor diámetro.
b. Toma y canal de derivación del río Escalera
Las aguas del río Escalera serán derivadas por un
canal, para evitar su ingreso al depósito de relaves.
Las obras de toma consisten de una presa vertedora,
que eleva el nivel del río Escalera para facilitar la
captación.
c. Vertedero de demasías
Carlos Condori S., Teresa Velásquez B.
An cient. 68(4) 2007, pp. 11-22 21
Para el control de las avenidas extraordinarias con
períodos de retorno de hasta 500 años en la fase de
operación y abandono, se ha proyectado un vertedero
para una capacidad de 33 m3/s.
3.5.5 Impacto ambiental De acuerdo con la Matriz de Impactos, las obras
del proyecto, en general tendrán impactos
negativos mínimos y de importancia variada de
acuerdo al componente ambiental y a la etapa del
proyecto.
No se consideran relevantes los efectos que
pudiera tener el proyecto sobre los recursos
naturales, además, de ser muy escasos no
significan especies en peligro de extinción ni de
interés científico.
4. Resultados y discusión
4.1 Del diseño de la presa de relaves El diseño de la presa por el método de aguas abajo
fue proyectado para una vida de 9 años, como una
estructura para almacenamiento de agua.
Permite incorporar medidas estructurales en el
cuerpo de presa para controlar el nivel freático.
Los métodos aguas arriba y de línea central han
sido descartados ya que no satisfacen los volúmenes
de almacenamiento.
Para seleccionar el eje de presa se empleó la razón
de eficiencia (Re). De los dos ejes estudiados, sólo el
eje 1 cumplía con lo solicitado.
Se han efectuado los análisis de estabilidad de la
presa aplicando el método Bishop Modificado con el
programa XSTABL. Los factores de seguridad
indican que la presa es estable estática y
sísmicamente.
4.2 De las obras hidráulicas auxiliares
1. Para el control de las avenidas extraordinarias
(500 años), se ha proyectado un vertedero de
demasías con caudal de diseño de 33m3/s.
2. La toma del río Escalera ha sido diseñada para
captar un caudal de 23 m3/s, (500 años de retorno).
3. El río Escalera será captado y evacuado por un
canal de derivación. El caudal de diseño
corresponderá al de la avenida de 500 años (23 m3/s).
4. Del análisis del balance hídrico en el depósito de
relaves, se determinó el caudal de pondaje igual a
24.2 l/s, el cual será evacuado mediante un sistema de
drenaje de las aguas de decantación.
4.3 De los estudios básicos
4.3.1 Hidrología 1. Los resultados del análisis de consistencia de los
datos pluviométricos son de buena calidad.
2. Los registros de precipitación media mensual
han sido completados y correlacionados con respecto
a la altura.
3. Del análisis del balance hídrico en el depósito de
relaves proyectado, se obtuvo un caudal de pondaje
igual a 24.2 l/s.
4. De las pruebas Chi-Cuadrado y Kolmogorov-
Smirnov, se obtuvo que la distribución Gumbel es la
que mejor se ajusta a la distribución de la
precipitación máxima en 24 horas.
5. El caudal de avenidas extraordinarias para un
periodo de retorno de 500 años en el río Escalera y la
quebrada Poderosa es igual a 33 m3/s.
6. Del tránsito de avenidas se observó que el pico
del caudal de entrada para el río Escalera es 23 m3/s y
se reduce a 19.2 m3/s. Mientras, que la entrada para la
quebrada Poderosa es 10 m3/s y se reduce 3.7 m
3/s.
7. El caudal para el vertedero de demasías será
igual a 33 m3/s.
4.3.2 Sismicidad Los valores de las aceleraciones básicas de diseño
fueron muy cercanos a ½ de su aceleración máxima:
a básica de diseño = 0.16 g (para período de
retorno 150 años)
a básica de diseño = 0.20 g (para período de
retorno 500 años)
4.3.3 Geología En el área del proyecto se observaron pocas
evidencias de fenómenos naturales de geodinámica
externa, principalmente acarreo de material suelto en
temporadas lluviosas.
4.3.4 Geotecnia De acuerdo con la evaluación de los resultados de
las investigaciones geotécnicas en campo y
laboratorio, se estimaron los parámetros geotécnicos
de resistencia para el cuerpo de la presa y
cimentación.
4.3.5 De los impactos ambientales
De acuerdo con la matriz de impactos, las obras del
proyecto, en general tendrán impactos negativos
mínimos y de importancia variada de acuerdo al
componente ambiental y a la etapa del proyecto.
5. Conclusiones
Del Diseño de la presa de relaves y obras
auxiliares
La presa ha sido diseñada como si fuera una
estructura para almacenamiento de agua, donde los
taludes aguas arriba no están adecuados para
experimentar el vaciado rápido.
El diseño se basó en la investigación de los
materiales disponibles y áreas de préstamo, para
garantizar una estructura segura y económica.
El método elegido para el crecimiento de la presa
fue el de aguas abajo. Se han descartado los métodos
de la línea central y el de aguas arriba.
La presa y obras hidráulicas auxiliares han sido
configuradas, dimensionadas y diseñadas bajo
análisis de estabilidad estático y sísmico.
La presa, así como sus estructuras conexas deberán
cumplir con las exigencias técnicas del estudio, con
el fin de evitar que colapsen y afecten al río Escalera.
Del los estudios básicos
Según la legislación del sector minero, las avenidas
extraordinarias deben calcularse para un período de
retorno de 500 años, y con ella diseñar las obras de
protección cuando se abandone el lugar.
La presa cimentará en roca de buenas condiciones
geotécnicas en toda su extensión.
Diseño del depósito de relaves La Molina por el método de aguas abajo
22
Las estructuras auxiliares de la presa, conformadas
por el vertedero de demasías, canal de derivación,
obra de toma y el sistema de drenaje de decantación,
también cimentarán en rocas volcánicas con buenas
condiciones geotécnicas.
Del los impactos ambientales De acuerdo a la Matriz de Impactos, las obras del
proyecto, en general tendrán impactos negativos
mínimos y de importancia variada de acuerdo al
componente ambiental y a la etapa del proyecto.
Los impactos negativos serán de poca magnitud e
importancia.
Las zonas trabajadas que haya perdido la escasa
cobertura vegetal, deberán ser resembradas con los
mismos pastos nativos.
Se recomienda la confirmación de la neutralización
de las aguas ácidas de la quebrada Poderosa, de lo
contrario deberá de construirse una planta de
neutralización.
Cuando se haya concluido la explotación de la
mina, el depósito de relaves deberá tener un
tratamiento con el fin de garantizar su estabilidad y
evitar posibles efectos sobre el medio natural.
El proyecto considera la generación de empleo
directo, incluyendo beneficios socioeconómicos
durante la etapa de construcción del nuevo depósito.
En virtud del análisis de los componentes
ambientales, los detalles del proyecto, las
interacciones o impactos identificados, se llega a la
conclusión que el proyecto “Diseño del depósito de
relaves La Molina por el Método de Aguas Abajo” es
ambientalmente viable.
6. Referencias bibliográficas
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Committee on Mine and Industrial Tailinngs Dane,
Paris.
ICOLD, 1982. Manual of tailings Dams and Dumps,
Bulletin 25, Paris
ISSMFE, 1987. Report of Filters, International
Society of Soil Mechanics and Fundations
Engineering, Technical Committee, London.
SEED, H. 1987; POULOS, S. 1988. Stability of Earth
and Rockfill Dams during Earthquakes, Wiley,
USA.
SHIO, UTO FUYUKI AND IWASAKI, 1975. Cyclic
Strength of Tailings materials, Soil and
Fuundations, Vol. 20, USA.
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(1986), Engineering and Design – Seepage Analisis
and Control for Dams, USA.
BUREAU Of RECLAMATION, 1966. Diseño de
Presas Pequeñas, Washington, D.C., USA.
MARSAL RAÚL, 1975. Presas Pequeñas (Notas
sobre diseño y construcción), México.
CHOW VEN TE, MAIDMENT DAVIS, MAYS
LARRY, 1987. Hidrología Aplicada, Austin,
Texas.
APARICIO MIJARES, F. 1997. Fundamentos de
Hidrología de superficie, México, D.F.
An cient. UNALM 68(4), 2007 Recibido: 13/09/2006
ISSN 0255-0407 Aceptado: 16/10/2006
Alternativas de diseño del sistema de regulación horario del reservorio San
Diego para el afianzamiento de la central hidroeléctrica Cañón del Pato
Ireydiza Castro P.1, Teresa Velásquez B.
2
Resumen
La presente tesis muestra alternativas posibles para el diseño de un Sistema de Regulación denominado Reservorio
San Diego; que permitan almacenar aguas de la cuenca del río Santa para utilizarlas en las horas punta de la Central
Hidroeléctrica Cañón del Pato incrementando la energía y la potencia firme. Este sistema de regulación horario será
parte del afianzamiento hídrico del río Santa que reúne obras de regulación en su cuenca. La zona de estudio se
encuentra localizada en el departamento de Ancash, provincia de Huaraz, distrito de Caraz y a una altitud promedio
de 2 005 msnm, en las terrazas adyacentes a la margen derecha del río Santa. Para realizar este estudio, se analizaron
dos casos: El primero considera la construcción de un reservorio siendo, además, necesario proyectar una bocatoma
móvil, un canal de conducción y obras hidráulicas que garanticen la entrega y descarga de aguas. La segunda
alternativa considera dos reservorios conectados mediante un túnel y las estructuras hidráulicas antes mencionadas.
La elección de alternativas se realizó mediante la determinación del máximo volumen a ser embalsado de acuerdo
con los criterios topográficos y geológicos, en cada alternativa. Para la primera se estableció la Toma de Captación
sobre una elevación de 1 992 msnm, con un volumen de almacenamiento de 446 800 m3. Para la segunda se definió
la Toma de Captación sobre una elevación de 2 004 msnm, con un volumen de almacenamiento de 565 450 m3.
Luego de evaluar las alternativas y compararlas entre sí, se concluye que la segunda alternativa resulta factible
porque presenta un mayor volumen de almacenamiento y se aprovechan las estructuras proyectadas para el primer
reservorio. El diseño a nivel de Pre-factibilidad de la alternativa seleccionada consta de las siguientes estructuras:
estructura de captación, canal de conducción, estructura de carga, dos reservorios de almacenamiento, Túnel de
conducción y Estructura de descarga. Este sistema de regulación horario tendrá un costo total de S/. 37’ 375,147.00
Nuevos Soles. Es importante, además, tomar en cuenta las diferentes elevaciones para la toma de captación y los
niveles máximos de agua en los reservorios ya que influyen en el diseño del sistema de regulación, así como en los
costos de inversión.
Palabras clave: Reservorio, central hidroeléctrica, hidráulica, embalse, captación de agua.
Abstract
The present Thesis shows two possible alternatives for designing of hourly regulation system called San Diego
reservoir. The purpose of the regulation system is to store water from Santa river, in order to use it st the hours in
which the water is more required by Cañón del Pato Hydroelectric Central, in order to increase the production of
energy and firm power. This regulation system is going to be part of a major regulation system that involves all
Santa River’s Valley. The study zone is located in Ancash Deparment, Huaraz Province, Caraz District and at an
average altitude of 2 005 meters in the near terraces to left row of Santa river. In this study, two cases are analyzed:
the first one, involves the construction one storage reservoir, a diversion gated weir, a waterway and the
complementary hydraulic constructions. The second alternative involves the construction of two storage reservoirs
connected through a tunnel and same complementary hydraulic structures of first alternative. The maximun storage
capacity, topographical criterion and geological criterion, were used to determinate which of the alternatives
preiously established was the best selection. For the fisrt alternative, the intake was located over an altitude of 1 992
meters with a storage capacity of 446 800 m3. For the second alternative, the intake was located over an altitude of
2 004 meters with a volume of storage of 565 450 m3. In conclusion, the second alternative is feasible because it has
more storage capacity and is possible to use the structures designed for the first alternative. This design was made at
a pre-feasibility level and is composed by the following structures: a intake facility, a main channel, a diversion
gated weir, an inflow structure, two storage reservoirs, a conduction tunnel and a discharge structure. This regulation
system will have a total cost of S/. 37’375, 147.00 nuevos soles. Is important to take in consideration the different
elevations of the intake facility and the maximun level of water at the reservoirs because they are closely related
with the design and the cost of the inversion.
Key words: Reservoir, hydroelectric power station, hydraulics, collecting of water.
1. Introducción
Actualmente las Centrales Hidroeléctricas
producen el 22% del total de electricidad en el
mundo, una proporción que, según se prevé
aumentará seis veces para el año 2020.
En el Perú, a lo largo de la segunda mitad del siglo
1 Facultad de Ingeniería Agrícola, Universidad Nacional Agraria La Molina. Lima, Perú. 2 Facultad de Ingeniería Agrícola, Universidad Nacional Agraria
La Molina. Lima, Perú. E-mail: [email protected]
XX, las necesidades de desarrollo impulsaron la
proporcione electricidad a las diversas ciudades del
país; así, como por ejemplo, la Central Hidroeléctrica
Cañón del Pato; que utiliza las aguas de la cuenca del
río Santa. Esta Central Hidroeléctrica se proyectó en
sus inicios para una generación de 150 Mw con un
caudal de 48 m3/s, pero años más tarde ha sido
repotenciada a 240 Mw con un caudal de 72 m3/s.
Esto se debe principalmente a dos razones:
primero, los caudales en la época de estiaje en la zona
Alternativas de diseño del sistema de regulación horario del reservorio San Diego para el afianzamiento de la central
hidroeléctrica Cañón del Pato
24
de la bocatoma tienen valores menores que los
requeridos y segundo, la demanda de energía
eléctrica se ha incrementado en forma proporcional al
crecimiento poblacional; por lo tanto, se ejerce una
mayor presión sobre los gobiernos para adoptar
políticas que impliquen un mayor aumento en la
oferta de agua.
Es así, que se vio la necesidad de efectuar obras de
regulación en la cuenca del río Santa que garanticen
volúmenes adecuados para satisfacer la demanda
energética y ofrecer la generación de potencia
durante la época de ausencia de lluvias y horas punta.
Ante lo mencionado, el presente estudio se orienta
a investigar las mejores alternativas para un sistema
de regulación en la zona de San Diego con la
finalidad de obtener la alternativa más adecuada.
El objetivo general es: definir alternativas de
operación del sistema de regulación horaria en San
Diego para afianzar el aporte hídrico de la Central
Hidroeléctrica Cañón del Pato, con la finalidad de
incrementar la energía en horas punta y aumentar la
potencia firme.
Los objetivos específicos son:
- Determinación de los volúmenes a ser
embalsados en los reservorios, considerando la
variación en la elevación de la captación y de acuerdo
con cada alternativa planteada.
- Definir la alternativa para la ejecución del sistema
de regulación.
- Diseñar el sistema de regulación horario a nivel
de Pre-factibilidad.
2. Revisión de literatura
2.1 Máximas avenidas El diseño y la planeación de las obras hidráulicas
están siempre relacionados con eventos hidrológicos
futuros; por esto es necesario conocer para
determinar las dimensiones de la obra. La
complejidad que tiene lugar en la generación de una
avenida hace que sea imposible la estimación de la
misma por métodos basados en las leyes de la
mecánica o la física porque estos pueden ser
insuficientes o el modelo matemático resultante sería
exageradamente complicado. Por lo tanto, el análisis
estadístico es el camino obligado en la solución de
los problemas.
2.2 Transporte de sedimentos El río Santa y sus afluentes, como son ríos con
características de montaña presentan pendientes
bastantes pronunciadas. Además, existen muchas
vertientes desprovistas de vegetación y constituidas
por material erosionable durante la ocurrencia de
lluvias (huaycos). Por otro lado, el aporte de sólidos a
los ríos es excesivamente incrementado por las
avalanchas, producidas por diversos factores, entre
ellos movimientos sísmicos.
2.2.1 Cálculo del transporte sólido Las partículas son transportadas fundamentalmente
de dos maneras diferentes; las de mayor tamaño
ruedan sobre el fondo constituyendo el transporte
sólido de fondo y las más finas van en suspensión.
2.3 Socavación Es un fenómeno natural que se debe exclusivamente a
la capacidad de transporte de material sólido que
tiene una corriente. Esta capacidad de transporte está
en función de la velocidad de la corriente. Un
obstáculo colocado en el cauce modifica las
condiciones de escurrimiento y, por tanto, la
socavación.
2.3.1 Socavación general del cauce Es el descenso que sufre todo fondo de un río
cuando se presenta una avenida, debido a la mayor
capacidad que tiene la corriente de arrastrar material
sólido en suspensión el cual toma del fondo y lo
levanta. Este fenómeno ocurre a lo largo de todo el
río y no es privativo de las secciones con estructuras.
Para sus cálculos según Juárez y Rico, se
recomienda utilizar el método de Lischtvan-
Lebediev, el cual está basado en determinar la
condición de equilibrio entre la velocidad media de la
corriente y la velocidad media del flujo que se
requiere para erosionar un material de diámetro y
densidad conocidos. Se aplica tanto si la distribución
del material del subsuelo es homogénea como si es
heterogénea.
2.4 Diseño del sistema de regulación
2.4.1 Estructura de captación (bocatoma) Se define así a la estructura que tiene la finalidad
de derivar parte o el total del caudal que discurre en
un río, para irrigar un área bajo riego o generar
energía mediante su utilización en una central
hidroeléctrica.
a) Componentes de la bocatoma
1. Bocatoma convencional, es una bocatoma
común que consiste de un dique vertedero (barraje)
que cierra el cauce del río y capta las aguas por un
orificio o vertedero lateral.
Partes:
- Dique o barraje fijo.
- Zampeado (poza de disipación o colchón de
agua).
- Compuerta de purga de material sólido grueso
(gravas, cantos, boleos, etc.) o barraje móvil.
- Ventana de captación.
- Cámara de tranquilización.
- Sistema de entrega de aguas.
- Transición de entrada al canal.
2. Bocatoma Tirolesa o caucasiana
Partes:
- Tramo en la orilla.
- Tramo central con la rejilla.
- Tramo hueco.
2.4.2 Reservorio Clasificación según el uso
Los reservorios se pueden clasificar de acuerdo con
la función más general que van a desempeñar, como
de almacenamiento, de derivación, o regulación.
Estas clasificaciones se pueden ampliar cuando se
consideran las funciones específicas.
2.4.3 Obras anexas a) Aliviadero de demasías
Ireydiza Castro P., Teresa Velásquez B.
An cient. 68(4) 2007, pp. 23-34 25
Es una estructura de protección que permite
evacuar los excedentes del caudal cuando el nivel de
las aguas en el canal pasa del límite adoptado.
b) Canal de conducción
Estructura que conduce las aguas de la transición a
la entrega en el reservorio. En algunos diseños se
observa un canal de purga, perpendicular al eje de
este que arrastra sedimentos existentes en el canal de
conducción.
c) Estructura de carga
El ingreso al reservorio se hace por medio de un
canal de llegada.
d) Estructura de descarga
Esta estructura sirve para dar salida al agua
almacenada en un reservorio. El agua que fluye por la
estructura de descarga se encuentra a presión; por lo
tanto, a la salida de estas es necesario emplear
estanques amortiguadores para disipar la energía.
2.4.4 Túnel de conducción Los túneles son obras de conducción subterránea
que se excavan siguiendo su eje.
Los túneles pueden trabajar a gravedad o a presión
según si tienen una superficie libre a presión
atmosférica como los canales abiertos o si llenan toda
la sección como las tuberías.
2.5 Planteamiento del problema En la actualidad, las condiciones climáticas están
variando notablemente debido a fenómenos cuya
intensidad se viene incrementando paulatinamente y
estos son el fenómeno de invernadero y la
disminución de la capa de ozono.
Estos fenómenos traen como consecuencia el
calentamiento ambiental y a su vez una alteración de
los ciclos hidrológicos.
La mayor parte de los grandes aprovechamientos
del recurso hídrico se encuentran en los valles cuyas
cuencas altas tienen o tenían glaciares. Cuando un
glaciar es grande, la nieve que cae a elevadas
altitudes durante la época de lluvias se acumula. Esta
se derrite durante la época de estiaje, pero
proporciona agua de los ríos y deja el manto de hielo
mayormente intacto. Los glaciares ya no se están
recuperando durante la época de lluvias debido a que
el clima es más cálido y se desgastan durante la época
de estiaje. Este problema es irreversible por el
momento.
Ante la variación climática, los ciclos hidrológicos
ya no tienen la continuidad de tiempos anteriores; por
ejemplo, el río Santa durante la época de lluvias
transportaba el 80% del volumen total anual y
durante la época de estiaje únicamente el volumen
restante. Pero esto viene variando paulatinamente tal
como se puede observar en los gráficos adjuntos.
En la Figura 1, se muestra la variabilidad de
volúmenes anuales que transporta el río Santa con los
datos que se toman en la Estación la Balsa durante el
período 1956 - 1993, se puede ver que el volumen
viene disminuyendo anualmente. Esto se atribuye a
una disminución de las precipitaciones pluviales y
probablemente a la disminución del área glaciar de la
cuenca alta, aunque este factor incide más en la época
de estiaje, cuando el mayor aporte al río Santa
proviene del deshielo.
El mayor volumen transportado por el río Santa
proviene de la época húmeda o de lluvias desde el
mes de octubre en que se produce el cambio de
estación, hasta el mes de abril. De acuerdo con las
estadísticas que se tienen de las mediciones
hidrométricas, la relación entre los volúmenes de la
época lluvias y el volumen anual total y a partir de
esto se observa que esta relación esta disminuyendo
con el paso de los años.
El volumen transportado por el río Santa en la
época de estiaje versus el volumen total anual. En
este caso se puede observar que la tendencia a la
disminución de la relación es bastante notoria y que
el aporte de la cuenca durante la época de estiaje está
disminuyendo considerablemente.
Anomalías de los volúmenes anuales del río Santa
-2.5
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
1956 1959 1962 1965 1968 1971 1974 1977 1980 1983 1986 1989 1992
AÑOS
AN
OM
AL
IAS
Figura 1. Anomalías de los volúmenes anuales del río Santa.
Alternativas de diseño del sistema de regulación horario del reservorio San Diego para el afianzamiento de la central
hidroeléctrica Cañón del Pato
26
Por lo tanto, se concluye que:
- Debido a la disminución de la masa glaciar, su
aporte que es producto del deshielo es menor.
- El mayor retroceso de las masas glaciares es
debido al incremento de la temperatura del medio
ambiente.
- Aunque hay mayor deshielo y por lo tanto mayor
caudal procedente de los glaciares, ello no es
suficiente como para mantener estable la relación
volumen época de estiaje versus volumen total anual.
- Además, se debe reconocer que el incremento del
déficit se debe no solamente a la disminución de los
volúmenes anuales sino al incremento de la demanda.
Por lo tanto, el motivo principal de este proyecto es
el afianzamiento del río Santa para la generación de
energía y potencia firme.
2.6 Descripción general del proyecto
2.6.1 Antecedentes La posibilidad de diseñar un Sistema de
Regulación Horario fue planteada por EGENOR con
la finalidad de obtener una mayor generación de
energía y potencia en horas punta. Con este propósito
sus especialistas iniciaron un estudio en la región
para ubicar la zona que reuniera las condiciones
necesarias para desarrollar el proyecto de regulación
horaria.
El estudio de alternativas estuvo orientado a
determinar la posibilidad más factible para el
desarrollo de un Reservorio de Regulación Horario
con capacidad de 500,000 a 700,000 m3 y un sistema
de operación hidráulica que considere un caudal de
captación diaria media de 20 m3/s y un canal de
descarga de 50 m3/s.
De este modo se encontró sobre la margen derecha
del río Santa, en la zona de San Diego, un área con
características aparentemente idóneas para la
realización del proyecto. En el área de San Diego, se
identificaron dos terrazas, con áreas aproximadas de
60,000 m2 y 25,000 m
2 respectivamente, la terraza de
menor extensión se ubica aguas arriba de la de mayor
área.
2.6.2 Ubicación El área del proyecto se ubica a 20 km de la ciudad
de Caraz en la zona de San Diego, distrito de Caraz,
provincia de Huaylas, departamento de Ancash
(Figura 2), a una altitud promedio de 2 005 msnm en
las terrazas. La zona se encuentra en abandono
aparente, mostrando signos de haber sido explotada
en alguna oportunidad como pequeñas áreas de
cultivo. El acceso se efectúa por vía terrestre desde
Lima mediante la carretera Panamericana Norte hasta
el desvío de Pativilca, luego se continúa a través de la
carretera Pativilca - Caraz, de esta ciudad se prosigue
a la zona de la comunidad de Colcas distante a 20
km; aproximadamente hasta el km 283 de la carretera
a Huallanca.
Figura 2. Ubicación del proyecto.
Ireydiza Castro P., Teresa Velásquez B.
An cient. 68(4) 2007, pp. 23-34 27
3. Materiales y métodos
3.1 Materiales
3.1.1 Topografía El plano topográfico del área del proyecto a escala
1:1000 ha sido elaborado por EGENOR S.A., el cual
ha servido de base para los análisis de las alternativas
planteadas para el desarrollo del Reservorio de
Regulación Horario San Diego.
3.1.2 Geología Las diferentes formaciones líticas que conforman el
paisaje accidentado están representadas
principalmente por las siguientes unidades:
- Rocas sedimentarias volcánicas.
- Depósitos cuaternarios.
Condiciones morfológicas y litológicas del
área del reservorio La terraza de San Diego tiene en planta la forma de
una media luna alargada a irregular; en dirección al
eje mayor (N-S) la superficie del terreno es ondulada
y en dirección de la orilla de la terraza hacia la ladera
del cerro (O-E) presenta un declive cerca del borde
de la terraza, de cerca de 10°, luego va
incrementándose progresivamente hasta alcanzar 25°,
cerca de la ladera, los cerros en la medida que
aumentan de altitud también aumentan de declive de
30 a más de 45°, en estos sectores, las rocas afloran
casi en forma continua. La terraza en dirección al eje
mayor tiene una longitud mayor de 600 m y ancho de
60 m a más de 150 m en la parte media. Hacia el río
Santa tiene un borde irregular con escarpas con
alturas variables de 3 a 7 m localmente subverticales
y escalonadas.
El río Santa en el lugar tiene un curso definido,
meándrico, acanalado y pendiente estimada mayor a
10°. Hacia la margen izquierda, el río Santa está
delimitado por una ladera constituida por depósitos
proluviales antiguos cuyas pendientes son variables
desde subverticales hasta menores a 30°. En los
tramos subverticales, se observan huellas de
deslizamientos localizados causados por la erosión
fluvial que debilita el talud inferior y es agravado por
las aguas de riego que existen en el lugar.
La terraza San Diego es de origen aluvial, cuya
edad abarca desde Pleistoceno superior hasta el
Holeoceno; este período ha sido tapizado por
depósitos aluviales, aluvionales y proluviales.
Haciendo una reconstrucción de los eventos que
originaron la terraza, se asume que es el resultado del
inicio del encañonamiento del valle, cuya geoforma
ha sido alcanzada y tapizada por los últimos
aluviones que se han generado aguas arriba del área
en mención; localmente esta superficie también ha
sido parcialmente tapizada por el cono deyectivo, y
como consecuencia de esta superposición de
materiales la geoforma y pendiente es irregular.
El contacto entre los depósitos de cobertura y la
roca basamento se asume que en la parte media de la
terraza se encuentra después de 30 a 40 m, este
contacto hacia la ladera es irregular y aumenta
progresivamente el declive hasta alcanzar los actuales
afloramientos.
La obra de toma probablemente se emplazará en el
cauce actual del río, constituido por depósitos
aluviales y fluviales cuyos componentes determinan
básicamente suelos de granulometría muy gruesa con
relleno de gravas y arenas; estos mismos suelos
ocurren en la terraza contigua a la orilla; en estos
mismos tipos de suelos probablemente se iniciará el
canal de conducción; aguas abajo el canal cruzará una
ladera rocosa cuya superficie es irregular con
pendientes de 30 a 50°, donde la roca aflora
medianamente alterada, de muy fracturada a
fracturada; cerca de la terraza, estas rocas se
encuentran cubiertas por depósitos aluviales antiguos.
3.1.3 Hidrología
a) Estudio hidrológico
El comportamiento del régimen hídrico del río
Santa se ha determinado sobre la base de los datos
históricos de la Estación La Balsa, en la cual se
registra los caudales del río Santa cuyas aguas son
alimentadas por los tributarios, así como las que salen
de la laguna Conococha, donde tiene su origen. Esta
estación hidrográfica se encuentra ubicada en el curso
principal del río Santa, entre las coordenadas UTM
9010720 Norte y UTM 1888095 Este, a una altitud de
1 880 msnm.
b) Máximas avenidas
Para la determinación de los valores pico para
diferentes períodos de retorno, en la estación La
Balsa, se usaron los métodos Log-Normal, Gumbel y
Log - Pearson III.
Para la elección del método más adecuado se
utilizan el Método del Error Cuadrado Mínimo, las
pruebas Chi-Cuadrado y Kolmogorov-Smirnov,
siendo el método Gumbel el escogido.
c) Transporte de sedimentos
- Arrastre o acarreo de fondo
De acuerdo a la información recogida de las
Investigaciones geotécnicas elaboradas por
GEOTECNIA, se determinó la curva granulométrica
y mediante la fórmula de Meyer-Peter y Müller se
calculó la variación del gasto sólido de fondo.
- Suspensión
La información recibida de los estudios de
sedimentos HIDROSERVICE ha determinado que el
volumen de sólidos que se desplazan anualmente
sobre el punto de Toma tiene una concentración
promedio de 0.233 g/l en época de estiaje y 1.72 g/l
en época de avenida. Considerando una captación de
20 m3/s para los días que trabaje el sistema (184 días,
en época de estiaje) se obtiene un transporte de
sólidos en suspensión de 3086.78 tn. Proyectándose
en época de avenidas se tendría un transporte de
sólidos de 22,793.184 tn.
d) Clima
- Temperatura media anual de 20 °C.
- Vientos con velocidad de 16 km/hora (brisa débil
o moderada) de sur a norte.
- Humedad relativa promedio de 59%.
- Precipitación promedio anual de 500 mm/año.
Alternativas de diseño del sistema de regulación horario del reservorio San Diego para el afianzamiento de la central
hidroeléctrica Cañón del Pato
28
- Evaporación promedio al año de 1 400 mm.
- Nubosidad promedio anual observada es de 5/8.
e) Hidrogeología
La cuenca del río Santa es una unidad
hidrogeológica conformada por aguas de diferente
naturaleza y que presenta diversos efectos sobre los
suelos y rocas por donde circula o se almacenan; su
régimen esta determinado por el volumen de
precipitación y la infiltración de las lagunas que
existen en el ámbito de la Cordillera Blanca.
f) Usos de las aguas
En el área donde se ha visto emplazar el reservorio,
así como aguas abajo del mismo, se desarrolla
actividad agrícola, cuyos requerimientos de agua, son
satisfechos en la mayoría de los casos con caudales
de las quebradas laterales, así como por las
precipitaciones pluviales que se registran en la zona.
g) Condiciones ecológicas
Debe garantizarse como mínimo deseable el caudal
de estiaje, lo cual garantizará un mínimo de
condiciones para el mantenimiento del ecosistema.
En el caso peruano convendrán determinaciones de
este tipo en los ríos de sierra y selva.
La información hidrológica existente relacionada al
caudal del río Santa para el aprovechamiento
hidroeléctrico propuesto, permite asegurar el
mantenimiento del caudal ecológico en más de 5
m3/s.
3.2 Metodología
3.2.1 Definición del esquema hidráulico Para la ubicación del Sistema de Regulación
Horario se consideraron alternativas de captación a
lo largo del río Santa. De las alternativas planteadas
en esta primera etapa, se eliminaron aquellas en las
cuales las condiciones topográficas y geológicas de
las terrazas impedían el desarrollo de los reservorios.
3.2.2 Planteamiento de las alternativas La metodología para el planteamiento de los
esquemas hidráulicos del sistema de regulación se
realiza de la siguiente manera:
- A partir de los cortes topográficos y geológicos
de la terraza, se diseñará las secciones transversales
del reservorio obteniendo el volumen del mismo.
- Definir el nivel de aguas en el reservorio de
acuerdo al máximo volumen de aguas ha almacenar.
- Ubicar la toma de captación en función al nivel de
aguas en el reservorio.
- Determinar la elevación de la ventana de
captación.
- Definir la línea de conducción, tomando en
cuenta una variación apropiada entre la toma y la
entrada del reservorio.
- Determinar la variación de altura entre la salida de
descarga del reservorio y el punto de entrega de
aguas al río. (Figuras 3 y 4).
Figura 3
Ireydiza Castro P., Teresa Velásquez B.
An cient. 68(4) 2007, pp. 23-34 29
Figura 4
3.2.3 Desarrollo del proyecto Esquemas planteados para el almacenamiento
horario
Luego de analizar las condiciones topográficos y
geológicos de la zona de San Diego, se plantearon
dos alternativas las cuales abarcaban la máxima área
disponible en las terrazas.
a) Primera alternativa-Plano 2 (Figura 5)
Esta alternativa proyecta un sistema de regulación
con un solo reservorio, como se observa en el
esquema, obteniéndose las siguientes características:
• El máximo volumen de agua ha almacenar es de
446,800 m3, con 991,300 m
3 de tierra, 244,950
m3 de roca suelta y 211,200 m
3 de relleno.
• La cota máxima de las aguas en el reservorio está
sobre la elevación 1 992.6 msnm y la cota de la
corona de 1 994 msnm.
• La toma de captación se encontrará sobre la
elevación 1 992 msnm.
• La ventana de captación se ubica sobre una
elevación 1 993 msnm con una altura de 1.0 m
respecto al fondo del río.
• La línea de conducción entre la captación y el
reservorio tiene una longitud de 220 m con una
pendiente de 0.0018.
• La salida de la descarga del reservorio se
encuentra sobre la elevación 1983.82 msnm y el
punto de entrega de agua al río sobre la elevación
1 980.0 msnm.
b) Segunda alternativa - Plano 3 (Figura 6)
Esta alternativa incorpora un reservorio adicional
al planteamiento anterior ubicado aguas arriba de
este, como se observa en el esquema, obteniéndose
las siguientes características:
• El máximo volumen de agua ha almacenar en
ambos reservorios es de 565 450 m3, con 1 330
809 m3 de tierra, 239 100 m
3 de roca suelta y
210 500 m3 de relleno.
• La cota máxima de las aguas en el primer
reservorio está sobre la elevación 2 004.6 msnm
y la cota de la corona de 2 006 msnm.
• La toma de captación se encontrará sobre la
elevación 2 004 msnm.
• La ventana de captación se ubica sobre una
elevación 2 005 msnm con una altura de 1,05 m
respecto al fondo del río.
• La línea de conducción entre la captación y el
reservorio tiene una longitud de 300 m con una
pendiente de 0.0015.
• La salida del primer reservorio se encuentra
sobre la elevación 1 996.7 msnm y el agua llega
al segundo sobre la elevación 1994 msnm.
• La cota máxima de las aguas en el segundo
reservorio está sobre la elevación 1 999.6 msnm
y la cota de la corona de 2001 msnm.
• La salida de la descarga del reservorio se
encuentra sobre la elevación de 1990.82 msnm y
el punto de entrega de agua al río sobre la
elevación 1 980 msnm.
Elección de alternativas
Para la determinación de la alternativa más
adecuada se consideró que el volumen de
almacenamiento requerido debe estar entre los
500,000 a 700,000 m3
con un caudal de captación de
20 m3/s y de descarga de 50 m
3/s.
Es así, que se plantean dos alternativas para el
diseño; la primera, propone un sistema de regulación
con un reservorio y la segunda con dos reservorios.
Observando la Tabla 1 cada alternativa presenta
diferentes cotas para la Tomas de Captación
Alternativas de diseño del sistema de regulación horario del reservorio San Diego para el afianzamiento de la central
hidroeléctrica Cañón del Pato
30
obteniéndose mayor volumen de almacenamiento, de
excavación y de relleno, en la segunda a comparación
de la primera.
Esta diferencia de los volúmenes se da porque la
primera alternativa se ubica en la terraza de mayor
extensión y la segunda incorpora un reservorio
adicional, en la terraza de menor extensión, aguas
arriba del primero.
De la Tabla 2, apreciamos que el volumen de
almacenamiento del segundo reservorio en la segunda
alternativa es menor. Esto sucede porque la cota de
fondo de este reservorio se encuentra a mayor
elevación y como la terraza en la que se encuentra
tiene una forma alargada y en media luna, a mayor
elevación se reduce el volumen de almacenamiento.
Además, de la Tabla 2 se observa que los tiempos
de carga y descarga, para la primera alternativa son
menores a diferencia de la segunda.
En reservorios horarios es favorable un menor
tiempo de carga, pero no es así para el tiempo de
descarga pues lo ideal es dar al río mayor caudal
durante el mayor tiempo posible incrementando la
energía en horas punta.
En base a lo antes mencionado, la segunda alternativa
se aproxima mejor a los requerimientos para su
diseño a nivel de pre-factibilidad con un volumen
adicional de 118 650 m3 con respecto a la primera.
Figura 5
Ireydiza Castro P., Teresa Velásquez B.
An cient. 68(4) 2007, pp. 23-34 31
Figura 6
Alternativas de diseño del sistema de regulación horario del reservorio San Diego para el afianzamiento de la central
hidroeléctrica Cañón del Pato
32
Operación y mantenimiento del sistema de
regulación Los reservorios horarios operarán normalmente en
los meses de estiaje de mayo a noviembre, los otros
seis meses del año no será utilizado porque el caudal
del río Santa es normalmente mayor a los requeridos
por la Central Hidroeléctrica. Además, serán llenados
con un caudal de 20 m3/s y se dejará pasar un caudal
mínimo de 5 m3/ s por el río para no afectar el
balance hidrológico.
El agua ingresará al sistema de regulación a través
de las ventanas de captación ubicadas lateralmente al
río, seguidamente será conducida mediante el canal
de conducción hacia la parte superior del primer
reservorio donde la estructura de carga entregará el
agua para ser almacenada.
Al presentar dos reservorios estos estarán
interconectados mediante un túnel de conducción.
El agua captada será conducida del primer
reservorio hasta la parte inferior del segundo. Una
vez que se complete la capacidad del segundo
reservorio, la compuerta del primero se cerrará y se
terminará el llenado.
Dentro del reservorio, la pendiente transversal y
longitudinal del fondo generaran un mayor volumen
de almacenamiento y facilitarán la limpieza de los
sedimentos. La acumulación de sedimentos en toda el
área del reservorio, considerando dichas pendientes,
se desplazarían hacia las zonas inferiores donde sería
evacuado por la estructura de descarga.
En la etapa de mantenimiento, el túnel permitirá la
conducción del sedimento acumulado del primero
hacia el segundo y de ahí se eliminaría por la
estructura de descarga.
El agua almacenada, diariamente será descarga en
horas de mayor demanda de energía a razón de 50
m3/s. Dicho caudal será captado por la bocatoma de
la central incrementando su potencia.
4. Resultados
Consideraciones previas al diseño Las alternativas antes mencionadas presentan un
sistema de regulación con barraje móvil; por lo tanto,
los siguientes puntos justifican su elección:
1. Cuando se requiere aprovechar en estiaje el
máximo nivel que se puede elevar el remanso, y este
nivel no puede darse en el vertedero del barraje
móvil, porque en crecidas inundaría terrenos o
perjudicaría aprovechamientos de aguas arriba. En
cambio, con el barraje móvil se consigue que el
remanso llegue al límite superior admisible; al
sobrevenir aumento de caudal, puede conservarse
aquel nivel abriendo las compuertas lo necesario y
pudiendo llegar en avenidas a dejar libre de ellas el
cauce. De modo que con la solución de un barraje
móvil se obtiene mejor aprovechamiento.
2. Cuando el río lleva mucho caudal sólido que se
depositará antes del barraje, amenazando invadir el
canal como en el barraje fijo, y no se juzguen
suficientes los desagües de fondo para arrastrar los
sedimentos depositados, y conviene, por ello, dejar
libre, en todo o en parte el cauce del río en época de
avenidas, para que estas arrastren los sedimentos.
Además, el diseño del sistema de regulación
considera los siguientes aspectos:
1. El río Santa presenta un régimen uniforme y un
flujo subcrítico, salvo en algunos tramos donde
ocurre un cambio de flujo debido a los
estrechamientos del cauce y a la variación de su
pendiente de fondo.
2. La elección del tipo de reservorio, en este caso
de tierra es evidente, debido a que el más económico
es con frecuencia aquel para el que se encuentran
materiales en suficiente cantidad y dentro de las
distancias razonables al lugar.
3. La avenida de diseño adoptada es de 1 140 m3/s
que corresponde a la avenida máxima instantánea
para un período de retorno de 100 años y el caudal
promedio en estiaje es 20 m3/s.
4. El dimensionamiento de las estructuras se ha
realizado tomando dos condiciones básicas, la
primera es asegurar el nivel del agua necesario para
captar 20 m3/s en mínimas, lo que conduce al diseño
de las ventanas de captación, altura necesaria para el
barraje; la segunda condición es el nivel que se
alcanza en máximas lo que conduce al diseño de la
altura de las pilas del barraje, la poza de disipación,
los muros de encauzamiento y a establecer el nivel de
la corona del dique de almacenamiento.
5. El valor del coeficiente de rugosidad de
Manning, del cauce del río, considerando los factores
que la afectan como el material de fondo,
irregularidad del cauce, variaciones de la sección
transversal, etc; ha sido estimada en n = 0.05.
6. De acuerdo con la información topográfica
obtenida se determinó que la pendiente promedio del
río para alternativa elegida es S = 0.014.
7. El ancho del cauce del río en la zona donde se
emplaza la bocatoma es de 31 m.
8. En los cálculos se ha considerado las pérdidas de
carga que se generarán en el paso del flujo a través de
todos los elementos proyectados en las estructuras. El
total de pérdidas que se tiene es de 1.0 m
9. Para mejorar la impermeabilización de los
reservorios se colocará geosintéticos.
Diseño hidráulico del sistema de regulación
horario Las aguas del río Santa son captadas mediante la
Toma ubicada sobre la elevación 2 004 msnm a la
margen derecha del río, donde durante las avenidas se
ha estimado la formación de tirantes de 5.9 m.
La Toma lateral estará compuesta por cuatro
ventanas de 3.80 m de ancho y 0.95 m de largo,
apoyadas sobre dos muros adyacentes y tres pilares
intermedios de 0.70 m de ancho, 3.40 m de largo y
3.40 m de alto.
A continuación, las aguas serán conducidas a una
transición de 25.3 m para la conexión con el canal de
conducción. En la parte final del canal de transición,
se ubicarán el aliviadero de demasías que trabajará
para un caudal máximo de 41.31 m3/s con una
longitud de 4.80 m y un conducto de purga para un
Ireydiza Castro P., Teresa Velásquez B.
An cient. 68(4) 2007, pp. 23-34 33
caudal de 1 m3/s con un diámetro de 0.55 m que
evacuaría la acumulación de material sedimentado
depositado a los pies del escalón.
El barraje móvil estará ubicado aguas debajo de las
ventanas constará de seis compuertas de 2.20 m de
ancho y 7.00 m de alto, pilares principales de 1.25 m
de ancho y pilares auxiliares de 0.60 m de ancho y
2.50 m de alto. La última compuerta ubicada a la
margen derecha actuará, además, como un canal
desrripiador porque presenta un muro de protección
ante la toma lateral, evitando así la entrada de piedras
de mayor tamaño.
El canal de conducción llevará un caudal de 20
m3/s hacia la estructura de ingreso al reservorio,
tendrá una longitud de 300 m y una cota de entrada
de 2 005.05 msnm y una cota de salida de 2 004.6
msnm. La sección de diseño es de 2.0 m de ancho
por 4.0 m de alto.
La estructura de carga cuenta con un canal de
fuerte pendiente y un estanque amortiguador. El canal
tendrá una longitud de 12.52 m, una diferencia de
nivel de 5.6 m. El estanque amortiguador, el cual
aliviará el impacto de la caída de agua al reservorio,
es de tipo III y tiene una longitud de 11.5 m.
El primer reservorio proyectado tiene una longitud
de 372 m y encierra un volumen de 125 600 m3. Los
diques previstos tendrían una altura que varía desde
los 7.0 m hasta los 7.9 m. El fondo del reservorio
tiene una pendiente de fondo de 0.5% tanto
transversal como longitudinal.
El túnel de conducción llevará las aguas captadas
del primer reservorio hacia el segundo, tendrá una
sección tipo baúl con diámetro de 2.4 m, dimensión
suficiente para conducir hasta 20 m3/s de caudal. La
longitud total del túnel es de 420 m, con una
pendiente de 0.006 y se inicia en la elevación 1
996.70 msnm del primer reservorio y finaliza en la
elevación 1 994 msnm del segundo reservorio.
El segundo reservorio proyectado tiene una
longitud de 597 m y encierra un volumen de 439 850
m3. Los diques previstos tendrían una altura que varía
desde los 7.0 m hasta los 10.18 m definidos por una
pendiente de fondo de 0.5% tanto transversal como
longitudinal.
La elevación de la coronación del dique será de
2001 msnm, la elevación máxima de aguas en el
reservorio será de 1 999.6 msnm y las bases variarían
en elevación desde 1 994 msnm hasta 1 990.82
msnm.
En la estructura de descarga se ha proyectado un
conducto de descarga y un estanque amortiguador. La
estructura tiene una compuerta de control para la
operación del reservorio, este conducto tiene una
longitud de 44.5 m, una dimensión de 1.8 m por 1.8
m y la elevación de salida de 1 990.6 msnm. Para la
carga máxima en el reservorio, que es de 8.78 m, se
tendrá una velocidad de descarga de 16.18 m/s y un
caudal de descarga de 50 m3/s.
La velocidad obtenida es alta por lo cual un
trampolín tipo estriado aliviará el impacto de la caída
de 10.4 m y enseguida se conectará con el canal de
descarga el cual tendrá una pendiente de 0.002
entregando las aguas en el cauce del río a una
elevación de 1 980 msnm.
Costos de inversión El presupuesto del sistema de regulación horario
tiene un costo total de S/. 37’ 375,147.00 Nuevos
Soles considerando Gastos Generales y Utilidades de
25% e imprevistos de 8%.
5. Discusión
Los cálculos hidráulicos para el dimensionamiento
de las diferentes partes funcionales del Sistema de
Regulación se han desarrollado en base a los
resultados del estudio hidrológico, geológico y
topográfico de acuerdo al alcance del proyecto.
Por lo tanto, se tiene que:
1. En el barraje, para determinar la profundidad de
las cimentaciones se consideraron el riesgo de
socavación tanto del cauce como de los pilares y el
caudal de avenidas.
2. Debido al gran desnivel que se origina en la
transición es necesario para recuperar altura, elevar el
nivel del fondo del canal. Para evitar la acumulación
de sedimentos se ha previsto colocar una compuerta
de purga para la eliminación de estos.
3. La diferencia de taludes y la altura del dique de
almacenamiento se establecen en función al análisis
de estabilidad de taludes. Además se toma en cuenta
que en roca firme puede permitirse inclinaciones de
1:5 a 1:1.
4. El factor de seguridad para diferentes alturas de
diques en algunos casos es menor a 1.5, estos valores
no son comúnmente aceptados pero si se toma en
cuenta que el dique de la margen derecha se apoya en
el flanco rocoso y el reservorio será
impermeabilizado con geosintéticos se favorece a la
estabilidad de los taludes.
5. El volumen de almacenamiento estaría
determinado por los taludes de los diques, la
pendiente de fondo longitudinal y transversal y
limitado lateralmente por el flanco rocoso como se
observa en los cortes geológicos.
6. La elevación de los reservorios se definió en
base a los tirantes de máximas avenidas ya que con
esto se evitaría la inundación de los reservorios.
7. La salida de la estructura de descarga presenta un
desnivel el cual ha sido determinado considerando
una pendiente adecuada para el canal de descarga
evitándose así la erosión en el punto de entrega de
aguas al río.
6. Conclusiones
1. Se definieron dos alternativas para el diseño del
Sistema de Regulación; la primera cuenta con un
reservorio de almacenamiento y la segunda incorpora
un reservorio adicional aguas arriba del primero.
2. Los volúmenes máximos posibles de almacenar
para la primera y la segunda alternativa son 446 800
y 565 450 m3 respectivamente.
3. La Segunda Alternativa presenta mayor
posibilidad para ser ejecutada porque se obtiene
mayor volumen de almacenamiento y se aprovechan
las estructuras proyectadas para el primer reservorio.
Alternativas de diseño del sistema de regulación horario del reservorio San Diego para el afianzamiento de la central
hidroeléctrica Cañón del Pato
34
4. El diseño hidráulico del Sistema de Regulación a
nivel de Pre-factibilidad considera las siguientes
estructuras : Estructura de Captación con cuatro
ventanas para una capacidad de hasta 21 m3/s (1 m
3/s
para el conducto de purga), Canal de conducción de
300 m y de 20 m3/s de capacidad, Estructura de
Carga con un estanque amortiguador tipo III de una
longitud de 11.5m, dos reservorios de
almacenamiento, Túnel de conducción de 420 m de
longitud y una pendiente de 0.006 y finalmente, una
Estructura de descarga con un conducto de descarga
de 50 m3/s de capacidad y un trampolín tipo estriado
de radio 4.0m.
5. La zona de San Diego es aparente y
suficientemente extensa para desarrollar el proyecto
del Sistema de Regulación Horario. Además,
presenta una adecuada diferencia entre las
elevaciones de las estructuras de captación y
descarga.
6. La zona de San Diego está constituida por suelos
granulares estableciéndose condiciones geotécnicas
favorables para el apoyo de las estructuras dada su
estabilidad y capacidad portante.
7. Las máximas avenidas esperadas, en el lugar de
la Toma de captación, para un período de retorno de
100 años es de 1 140 m3/s la cual generaría un tirante
de 5.9 m.
8. Los volúmenes de material impermeable y de
roca en las áreas de préstamo indican que se
obtendrán los volúmenes requeridos en obra.
9. El Sistema de Regulación Horario tendrá un
costo total de S/. 37’375,147.00 Nuevos soles
considerando gastos generales, utilidades del 25% e
imprevistos del 8%.
Tabla 1. Comparación de las alternativas de diseño propuestas
Características Primera Alternativa Segunda Alternativa
Primer reservorio Segundo reservorio
Elevación de la Toma de Captación 1 992.0 msnm 2 004.0 msnm
Volumen de Almacenamiento 446 800 m3 125 600 m3 439 850 m3
Volumen de Excavación
Tierra
Roca Suelta
991 300 m3
244 950 m3
338 500 m3
114 500 m3
990 545 m3
239 100 m3
Volumen de relleno 211 200 m3 106 750 m3 210 500 m3
Caudal de Captación 20 m3/s 20 m3/s
Caudal de Descarga 50 m3/s 50 m3/s
Tiempo de Carga 8 horas 9 horas
Tiempo de Descarga 3 horas 4 horas
7. Referencias bibliográficas
BERRY P; REID D. 1997. Mecánica de Suelos.
Editorial McGraw- Hill / Interamericana de
México. México. Tercera Edición.
CASTRO, I. 2001. Alternativas de Diseño del
Sistema de Regulación del Reservorio San Diego
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Cañón del Pato. Tesis para optar el Título de
Ingeniera Agrícola – UNALM. Lima, Perú.
CHOW, VEN TE, 1982. Hidráulica de Canales
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GEOTÉCNICA, 1999. Regulación Diaria de la C. H.
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IGLESIAS CELSO, 1997. Mecánica de Suelos.
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MARSAL R; RESÉNDIZ D., 1979. Presas de Tierra
y Enrocamiento. Editorial Limusa. México. 1era
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STREETER, VICTOR L., 1995. Mecánica de los
Fluidos. Editorial McGraw- Hill / Interamericana
de México. México. Tercera Edición.
An cient. UNALM 68(4), 2007 Recibido: 13/09/2006
ISSN 0255-0407 Aceptado: 16/10/2006
Análisis de los efectos del flujo subsuperficial a través de las cimentaciones de
las estructuras de regulación ubicadas en San Diego – central hidroeléctrica
del Cañón del Pato
Fernando Chiock Ch. 1, Teresa Velásquez B.
2
Resumen
La presente tesis muestra el análisis realizado para determinar los efectos del flujo subsuperficial a través de las
cimentaciones de las estructuras de regulación horaria ubicadas en la zona de San Diego. Debido a la cercanía de las
obras al cauce principal del río Santa y teniendo en cuenta los grandes perjuicios que pueden llegar a ocasionar las
fuerzas de subpresión y el fenómeno de la tubificación sobre las estructuras hidráulicas, se realizó primero un
análisis de los posibles efectos del flujo subsuperficial sobre las estructuras hidráulicas; y seguidamente se
plantearon las alternativas para el control de estas. Los efectos analizados fueron las fuerzas de subpresión y la
tubificación; para la cuantificación de estos se emplearon dos métodos: el método gráfico y el método de las
relajaciones. Luego de realizar los análisis respectivos se determinó que las estructuras del proyecto se encontrarán
sometidas a fuerzas de subpresión bastante altas (entre 4 y 7 m de carga hidráulica), motivo por el cuál fue necesario
se plantear los sistemas necesarios para el control de las subpresiones. De los planteamientos realizados se concluyó
que los sistemas de drenaje son los más adecuados para contrarrestar los efectos nocivos de las fuerzas de
subpresión, ya que estos sistemas disminuyen las cargas hidráulicas que generan a las fuerzas de subpresión.
Palabras clave: Flujo subsuperficial, hidráulica, subpresión, drenaje.
Abstract
The present thesis shows the analysis realized to determine the effects of seepage through the foundations of the
regulation structures located in the area of San Diego. Due to the proximity of the works to the main bed of the river
Santa and keeping in mind the big damages that can end up causing uplift pressure and piping on the hydraulic
structures, was carried out an analysis of the possible effects of seepage, first on the hydraulic structures; and
subsequently the alternatives for the control of these were designed. The analyzed effects were the uplift pressure
and piping; for the quantification of these, two methods were used: the graphic method and the method of the
relaxation. After carrying out the respective analyses it was determined that the structures of the project will be
subjected to quite high uplift pressures (between 4 and 7 m of hydraulic head), it motivated the necessity of
designing the necessary systems for the control of the seepage and uplift pressure. From the different systems of
control designed, it was concluded that the drainage systems are the most appropriate to counteract the noxious
effects of the uplift pressure, since these systems diminish the uplift pressures generated by seepage.
Key words: Sub superficial flowl, hydroelectric power station, hydraulics, sub pressure, drainage.
1. Introducción
Dentro de los registros históricos existe evidencia
que el hombre ha temido y respetado la fuerza
destructiva del agua. Afuera en áreas abiertas, en
forma de grandes olas o inundaciones, el agua es una
de las mayores fuerzas de la naturaleza. Escondida en
las fisuras de las rocas y los poros de los suelos, el
agua demuestra tener una increíble fuerza que trae
abajo laderas de montañas y destruye trabajos de
ingeniería.
A través del tiempo se ha podido observar que
efectivamente un flujo de agua en el subsuelo no
controlado puede generar inestabilidad en las
cimentaciones de múltiples estructuras; generando el
levantamiento y fractura de losas de concreto,
generando el deslizamiento de taludes de presas o
terraplenes, o erosionando el subsuelo generando
túneles y galerías que inestabilizan las cimentaciones
de las estructuras.
Con lo expuesto anteriormente han quedado
establecidas las posibles consecuencias de un flujo
subsuperficial descontrolado y la necesidad de ser
1, 2 Facultad de Ingeniería Agrícola, Universidad Nacional Agraria
La Molina. Lima, Perú. E-mail: [email protected]
tomada en cuenta en el diseño y construcción de
trabajos de ingeniería para evitar que estas se
deterioren o fallen.
De los estudios previos realizados para determinar
la posibilidad de elaborar el proyecto de regulación
horaria San Diego, se ha concluido que el problema
más importante que podría afectar la cimentación de
las estructuras está ligado al flujo de agua a través de
esta, debido principalmente a la cercanía de las
estructuras proyectadas al cauce del río y las altas
cargas hidrostáticas que suelen presentarse
estacionalmente en este.
Es por esto que es necesaria la cuantificación y
determinación de los efectos del flujo subsuperficial
en la estabilidad y seguridad de las obras
proyectadas, para cada alternativa planteada en el
proyecto.
Los objetivos de la investigación son los
siguientes:
a) Analizar las variaciones del flujo subsuperficial
ante la posibilidad de cargas hidrostáticas variables
en la margen derecha del río Santa, en la zona
prevista para el Reservorio de Regulación Horario
San Diego.
b) Elaborar las redes de flujo de agua a través de
las cimentaciones de las estructuras y reservorios
Análisis de los efectos del flujo subsuperficial a través de las cimentaciones de las estructuras de regulación
ubicadas en San Diego – central hidroeléctrica del Cañón del Pato
36
diseñados; y analizar los efectos del flujo
subsuperficial en éstas.
c) Determinar las condiciones de diseño que deben
cumplir las obras de encauzamiento, protección,
derivación y diques.
2. Revisión de literatura
2.1 Esfuerzos efectivos en el suelo
2.1.1 Esfuerzos en un sistema de partículas Para un elemento de suelo de forma cúbica de lado
a se pueden definir los esfuerzos sobre este como
(Lambet y Whitman, 1993):
2a
Nvv
, 2a
Nhh
, 2a
Tvv
, (1)
2a
Thh
, wwhv zuuu (2)
Donde: Nv y Nh son las fuerzas normales en
dirección vertical y horizontal; Tv y Th son
respectivamente las fuerzas tangenciales en
direcciones vertical y horizontal; u es la presión del
agua; zw es la profundidad;
del agua; y v, h, h representan los esfuerzos
correspondientes (Figura 1).
2.1.2 Esfuerzos geostáticos Los esfuerzos en el interior de un suelo está
producidos por las cargas exteriores aplicadas al
mismo y por el peso propio del suelo. Entonces:
ztv (3)
donde:
s = peso específico del suelo.
Z = profundidad.
Figura 1. Esfuerzos en el terreno.
2.1.3 Principio de esfuerzos efectivos [11] El esfuerzo efectivo se define como aquellos
esfuerzos normales que gobiernan los cambios
volumétricos o la resistencia del suelo y es igual al
esfuerzo total menos la presión intersticial.
u (4)
2.1.4 Ley de Darcy Darcy encontró experimentalmente la siguiente
relación (Lambet y Whitman, 1993):
kiAAd
hhkQ 21 (5)
donde:
k = coeficiente de permeabilidad de Darcy.
h1 = altura, sobre el plano de referencia, que
alcanza el agua en un tubo colocado a la entrada de la
capa filtrante.
h2 = altura, sobre el plano de referencia, que
alcanza el agua en un tubo colocado a la salida de la
capa filtrante.
d = longitud de la muestra.
A = área total interior de la sección transversal
del recipiente que contiene la muestra.
i = gradiente hidráulico.
Figura 2. Experimento de Darcy.
2.1.5 Flujo de agua en terrenos no
homogéneos [11] Cuando el agua fluye a través de dos suelos
diferentes, la línea de flujo sigue la dirección que le
ofrece menor resistencia. Cuando el agua pasa de un
suelo de baja permeabilidad a un suelo de alta
permeabilidad el agua recorre la mayor distancia
posible, mientras que cuando el agua pasa de un suelo
de alta permeabilidad a un suelo de baja
permeabilidad la trayectoria del agua realiza un
menor recorrido.
La forma en la que las líneas de flujo se desvían
cuando atraviesan una frontera entre suelos de
diferente permeabilidad es mostrada en la Figura 3.
Las líneas de flujo se rigen bajo la siguiente relación:
2
1
tan
tan
k
k (6)
Figura 3. Flujo a través de suelos no homogéneos.
Fernando Chiock Ch., Teresa Velásquez B.
An cient. 68(4) 2007, pp. 35-43 37
Simultáneamente, las áreas formadas por las líneas
interceptadas se alargan o acortan de acuerdo a la
siguiente relación
1
2
k
k
d
c (7)
2.1.6 Flujo de agua en terrenos anisótropos La ecuación de Laplace, se basaba en que la
permeabilidad era la misma en todas las direcciones.
Para suelos anisótropos la ecuación (5) se puede
transformar en:
0)/( 2
2
2
2
z
h
xkk
h
xz
(8)
Y reducirse a la forma:
02
2
2
2
z
h
x
h
T
(9)
donde:
xk
kx
x
zT
2/1)( (10)
Entonces, para poder dibujar una red de flujo en
suelos anisótropos es necesaria la previa
transformación de las dimensiones x de la sección
transversal y emplear la permeabilidad efectiva.
zxe kkk (11)
3. Materiales y métodos
3.1 Materiales - Materiales de escritorio.
- Materiales de dibujo.
- Planos topográficos del área, escala 1/1 000.
- Mapa geológico, escala 1 / 1000.
- Programa de Investigación Geotécnica en la zona
de San Diego, Geotécnica 1999.
- Estudios básicos del Proyecto del Reservorio
Horario San Diego para la central hidroeléctrica del
Cañón del Pato.
- Estudios de alternativas para el Proyecto de
Almacenamiento Horario en la zona de San Diego
para la Central Hidroeléctrica del Cañón del Pato
- Materiales de campo: libreta de campo, cámara
fotográfica.
Equipo de Cómputo y Software:
- Computadora Pentium MMX 200 MHz, 64Mb
RAM, DD 2.1 Gb
- Software: HEC-RAS (versión 3.0.1)
- AutoCad R14 (software de dibujo)
- Microsoft excel (hoja de cálculo)
- Microsoft word (procesador de texto)
- Impresora
3.2 Metodología
3.2.1 Análisis de la información básica A. Topografía
La zona en estudio se encuentra políticamente
ubicada en la región Chavín, departamento de Ancash
y provincia de Caraz (Figura 4). Geográficamente el
área en estudio se encuentra ubicado entre las
coordenadas: 77º 50’ 32”, 77º49’11”, Longitud
Occidental 8º 56’ 39”, 8º 57’ 44”Latitud Sur. El
área del proyecto abarca un área aproximada de 166
912 m2, la cual se encuentra distribuida a lo largo de
la margen derecha del río Santa. La longitud del
tramo de río que abarca el proyecto es de
aproximadamente 2 100 m. El acceso al sitio del
proyecto, partiendo de Lima es mediante la carretera
Panamericana Norte hasta el distrito de Pativilca,
luego se continúa a través de la carretera Pativilca –
Caraz, de esta ciudad, se sigue por la carretera que
une Caraz – Huallanca, el lugar de estudio está
ubicado a la altura del kilómetro 18 de dicha
carretera.
Figura 4. Plano de la ubicación del proyecto.
Análisis de los efectos del flujo subsuperficial a través de las cimentaciones de las estructuras de regulación
ubicadas en San Diego – central hidroeléctrica del Cañón del Pato
38
B. Geología y geotecnia
La información se obtuvo de un reconocimiento
geológico y exploraciones efectuadas en el área de
San Diego (Geotecnica, 1999). Las investigaciones
geotécnicas del subsuelo se basan en las
excavaciones ejecutadas en ambas terrazas del área
de San Diego (Figura 5).
Los parámetros geotécnicos en los estratos de
cimentación son:
Zona de cimentación de reservorios
- Clasificación SUCS : GW - GM
- Peso específico : 2.10 g/cm3
- Coeficiente de permeabilidad : 1.92 10-3
cm/s
Zona de cimentación de barrajes móviles
- Clasificación SUCS : GM
- Peso específico : 2.02 g/cm3
- Coeficiente de permeabilidad : 2.28 10-3
cm/s
Figura 5. Plano, secciones geológicas.
C. Hidrología e hidráulica fluvial
Este capítulo corresponde a un resumen de las
características hidrológicas e hidráulicas del río
Santa. Toda la información presentada en este
capítulo pertenece a estudios realizados tanto para
este proyecto como para otros ubicados en la misma
zona (Castro, 2001).
El caudal máximo obtenido del análisis de
máximas avenidas corresponde a un período de
retorno de 100 años. Para este periodo de retorno
corresponde un caudal de 1 140 m3/s; el cuál ha sido
hallado a partir de los caudales máximos
instantáneos.
C.1 Descripción de las estructuras
En el proyecto de regulación horaria San Diego, se
plantearon dos diferentes alternativas (Castro, 2001).
Alternativa 1
Esta alternativa contempla la construcción de un
reservorio en la terraza mayor cuya capacidad será de
446 800 m3; la coronación del reservorio se encuentra
en la cota 1993.6 msnm. La altura de los diques está
comprendida entre 5 y 10 m; el largo del reservorio
es de 525 m siendo su ancho máximo de 130 m y el
ancho mínimo de 68 m (estas longitudes no
consideran las bases de los diques).
La bocatoma está ubicada en la progresiva 1+165,
el barraje tiene una altura de 2,15 m siendo las cotas
de su cresta y fondo, 1994,15 msnm y 1992,00 msnm
respectivamente. Está compuesta por 8 compuertas
de 4,9 m de longitud cada una, siendo su longitud
total de 46 m. La ventana de captación es la misma
para ambas alternativas, la cual esta compuesta por 4
ventanas de 1.0 m de altura por 3.9 metros de
longitud cada una (Figura 6).
Alternativa 2
Esta alternativa contempla la construcción de dos
reservorios, un reservorio ubicado en la terraza
mayor y otro ubicado en la terraza menor, teniendo
una capacidad final de 565 450 m3; la coronación de
los reservorios son 1 996 y 2 006 msnm
respectivamente. Los reservorios están conectados a
través de un túnel. La altura de los diques en el
reservorio mayor varía entre 5 y 10 m, mientras, que
en el reservorio menor varían entre 6 y 9 m. El largo
del reservorio mayor es de 525 m siendo su ancho
máximo de 130 m y el ancho mínimo de 68 m;
mientras, que el largo del reservorio menor es de 325
m siendo el ancho máximo de 65 m y el ancho
mínimo de 25 m (Figura 7).
Fernando Chiock Ch., Teresa Velásquez B.
An cient. 68(4) 2007, pp. 35-43 39
La bocatoma está ubicada en la progresiva 2+065,
el barraje tiene una altura de 2.20 m siendo las cotas
de su cresta y fondo, 2 006,20 msnm y 2 004,00
msnm respectivamente. Está compuesta por 6
compuertas de 4.3 m de longitud cada una, siendo su
longitud total de 31 m.
Figura 6. Plano del perfil del Río Estiaje y Avenidas – Alternativa 1.
Figura 7. Plano del perfil del Río Estiaje y Avenidas – Alternativa 2.
Análisis de los efectos del flujo subsuperficial a través de las cimentaciones de las estructuras de regulación
ubicadas en San Diego – central hidroeléctrica del Cañón del Pato
40
C.2 Análisis de la variación de los niveles
hidrostáticos
El análisis de la variación de los niveles
hidrostáticos a lo largo del tramo del río en estudio,
se realizó empleando el software de análisis de ríos
HEC-RAS.
C.3 Definición de los casos particulares a ser
analizados
a) Definición de los casos críticos para cada
alternativa
Luego de haber analizado el efecto de las
variaciones hidrostáticas en el río sobre las diferentes
estructuras que componen el sistema de regulación,
se selecciona las estructuras que estarían afectadas
por dichas variaciones y se analiza la forma como
serían afectadas.
b) Determinación de las condiciones de frontera para
cada alternativa
Una vez identificadas las estructuras que podrían
verse afectadas por el flujo subsuperficial; se procede
a elaborar un perfil de la estructura en el cuál se
especificarán las condiciones de frontera del caso a
analizar.
Las condiciones de frontera serán determinadas a
través de:
- Planos de las estructuras; para elaborar el perfil
de la estructura.
- Perfiles del río; para identificar las cargas
hidrostáticas que afectan a las estructuras.
- Perfiles geológicos; para determinar la ubicación
del límite impermeable inferior y los diferentes
estratos en el suelo.
- Estudios geotécnicos; para determinar los valores
del coeficiente de permeabilidad y pesos específicos
de los estratos de suelo.
C.4 Análisis de los efectos de la subpresión y
fuerzas de filtración
Se realiza el análisis de los efectos de la subpresión
y fuerzas de filtración en las estructuras del sistema
de regulación.
En el caso del barraje se analiza la estabilidad de
este a las fuerzas de subpresión; así como, la
seguridad contra la tubificación en la cimentación.
Para el caso de los reservorios, se analiza el efecto
de las subpresiones sobre el fondo del reservorio y la
seguridad contra la tubificación en la cimentación.
Las subpresiones se determinan directamente de las
redes de flujo, mientras, que el factor de seguridad
contra la tubificación y los caudales de infiltración se
determinan con las ecuaciones respectivas.
La estabilidad de los barrajes a las fuerzas de
subpresión, está referida a la capacidad de la
estructura (losas y columnas) a resistir las fuerzas de
levante producto de las subpresiones originadas bajo
la estructura.
C.5 Diseño de alternativas para el control del flujo
subsuperficial y subpresiones
Se diseñan los diferentes sistemas para el control
del flujo y subpresiones; y se analiza la viabilidad de
cada uno de ellos. Los diseños se elaboran para cada
estructura de cada alternativa de diseño que presenta
el proyecto. Estos sistemas son:
Diseño del espesor adecuado de la losa.
Diseño de delantales y dentellones.
Diseño de sistemas de drenaje.
4. Resultados
4.1 Niveles hidrostáticos Alternativa 1 Estiaje Avenidas
Cota de fondo (msnm) 1992.00 1 992.00
Cota de la cresta del barraje (msnm) 1994.15 1 994.15
Cota de agua sobre el barraje (msnm) 1994.40 1 998.40
Carga sobre la cresta (Hd, m) 0.25 4.25
Alternativa 2 Estiaje Avenidas
Cota de fondo (msnm) 2004.00 2 004.00
Cota de la cresta del barraje(msnm) 2006.20 2 006.20
Cota de agua sobre el barraje (msnm) 2006.50 2 010.80
Carga sobre la cresta (Hd, m) 0.30 4.65
4.2 Casos a ser analizados Los casos a ser analizados son:
Para la Alternativa 1
Barraje móvil en estiaje.
Barraje móvil en avenidas.
Reservorio en estiaje.
Reservorio en avenidas.
Para la Alternativa 2
Barraje móvil en estiaje.
Barraje móvil en avenidas.
Reservorio Nº 2 en avenidas.
Reservorio Nº 1 en avenidas.
4.3 Efectos de las fuerzas de subpresión y
fuerzas de filtración A.) Alternativa 1
Barraje Reservorio
Subpresion (m) 5.50 6.8
Coeficiente de
seguridad contra la
tubificacion
4.64 102.0
B.) Alternativa 2
Barraje Reserv.
Nº 1
Reserv.
Nº 2
Subpresion (m) 5.90 5.46 5.95
Coeficiente de
seguridad contra la
tubificacion
4.63 ---- 48.57
4.4 Descripción del diseño final Barrajes
A.) Alternativa 1
El sistema de drenaje está compuesto por un dren
ubicado transversalmente al final de la losa de la poza
disipadora del barraje. El dren tiene una capacidad de
drenaje de 4.2 m3/día, lo cual implica que el material
filtrante tendrá un coeficiente de permeabilidad de
2.2 10-1
cm/s. El agua será drenada al río a través de
una tubería de 4” de diámetro.
Fernando Chiock Ch., Teresa Velásquez B.
An cient. 68(4) 2007, pp. 35-43 41
B.) Alternativa 2
El sistema de drenaje está compuesto por un dren
ubicado transversalmente al final de la losa de la poza
disipadora del barraje. El dren tiene una capacidad de
drenaje de 3.8 m3/día, lo cual implica que el material
filtrante tendrá un coeficiente de permeabilidad de
2.3 10-1
cm/s. El agua será drenada al río a través de
una tubería de 4” de diámetro.
Reservorios
A.) Alternativa 1
El diseño final propuesto para esta alternativa
consiste en una manta permeable que se extiende
sobre el fondo y taludes de los diques del reservorio,
cuyos espesores son de 0.3 y 0.2 m respectivamente;
y un dren al pie del dique del lado izquierdo del
reservorio. Las permeabilidades de las mantas,
multiplicadas por un factor igual a 10, serán de 193
cm/s y 6 cm/s respectivamente. La descarga del agua
se hará a través de un sistema de tres tuberías que
estarán dispuestas longitudinalmente a lo largo del
reservorio con una pendiente de 0.01 m/m siguiendo
la pendiente longitudinal del fondo del reservorio;
una al centro y una al pie de cada uno de los diques
del reservorio. El diámetro de la tubería central es de
40 pulgadas, mientras que las tuberías laterales son
de 32 pulgadas. La tubería colectora tiene un
diámetro de 54 pulgadas; sale del reservorio por
debajo de la obra de descarga del mismo, teniendo
una longitud aproximada de 180 y su desembocadura
tienen una cota de 1 981 msnm.
B.) Alternativa 2
Reservorio Nº 1
El diseño final propuesto para esta alternativa
consiste en una manta permeable que se extiende
sobre el fondo y taludes de los diques del reservorio,
cuyos espesores son de 0.3 y 0.2 m respectivamente;
y un dren al pie del dique del lado izquierdo del
reservorio. Las permeabilidades de las mantas,
multiplicadas por un factor igual a 10, serán de 193
cm/s y 6 cm/s respectivamente. La descarga del agua
se hará a través de un sistema de tres tuberías que
estarán dispuestas longitudinalmente a lo largo del
reservorio; una al centro y una al pie de cada uno de
los diques del reservorio. El diámetro de la tubería
central es de 34 pulgadas, mientras que las tuberías
laterales son de 28 pulgadas. La tubería colectora
tiene un diámetro de 46 pulgadas; sale del reservorio
por debajo de la obra de descarga del mismo,
teniendo una longitud aproximada de 290 m y su
desembocadura tienen una cota de 1 995 msnm.
Reservorio Nº 2
El sistema de drenaje para este reservorio es igual
al del reservorio Nº1, diferenciándose en los
diámetros de tuberías y el sistema colector de aguas.
El diámetro de la tubería central es de 40 pulgadas,
mientras que las tuberías laterales son de 32
pulgadas. La tubería colectora tiene un diámetro de
54 pulgadas, teniendo una longitud aproximada de
185 m y su desembocadura tienen una cota de 1 980
msnm.
5. Discusión
5.1 De las variaciones hidrostáticas en el río Los niveles que alcanza el agua en el río Santa en
períodos de avenidas a la altura del área del proyecto
son bastante altos, alcanzando valores de hasta casi 7
m de profundidad; esto se debe al gran caudal de
agua que discurre a través de este (1 140 m3/s para un
período de retorno de 100 años) y principalmente a
la forma de su cauce, el cual es angosto y se
encuentra limitado por las grandes paredes que
conforman el Cañón del Pato.
El incremento de los niveles del agua y el efecto de
represamiento que se produce por la obstrucción
ocasionada por las compuertas, no ocasionan
perjuicios graves aguas arriba del área del proyecto,
debido a que aguas arriba no existen zonas
inundables ni centros poblados que puedan verse
afectados.
Para el análisis de la Alternativa 2 en el cual se
carece de información topográfica, el efecto aguas
arriba del barraje se asume igual que en la Alternativa
1, debido a que las condiciones topográficas
registradas visualmente son similares a las
condiciones topográficas aguas arriba del barraje de
la Alternativa 1.
5.2 De la geología Los suelos de cimentación de las estructuras son
principalmente de origen aluvial no consolidados,
que presentan gran cantidad de gravas y escasa
cantidad de material fino; lo que determina que los
suelos tengan una buena permeabilidad de los suelos.
5.3 De las redes de flujo Los valores de subpresión obtenidos en las redes de
flujo trazadas en las bocatomas y reservorios de
ambas alternativas, demuestran que los las estructuras
estarán sometidas a fuertes subpresiones, sobre todo
en periodos de avenidas.
Los valores obtenidos de las subpresiones están
relacionados directamente con las altas cargas
hidrostáticas que se producen en el río. Precisamente,
debido a que existen altas cargas hidrostáticas tanto
aguas arriba como aguas debajo de las estructuras, es
que existen fuertes subpresiones a lo largo de las
cimentaciones de estas.
Durante el período de estiaje las subpresiones en
los barrajes no serán muy altas. Sin embargo, los
coeficientes de seguridad contra la tubificación al pie
de los barajes son los menores, siendo según el
método de las relajaciones de aproximadamente 4.6
para ambas alternativas.
En período de estiaje el reservorio de la Alternativa
1, se ve afectado por las subpresiones en una longitud
aproximada de 130 m, con un valor de subpresión
promedio máxima de 1.9 m. Esta subpresión estaría
generando sobre el fondo del reservorio una fuerza de
levante peligrosa especialmente durante el vaciado
del reservorio.
En la Alternativa 2 los reservorios no se ven
afectados durante el estiaje debido a que el nivel
freático no está en contacto con el fondo de los
reservorios.
Análisis de los efectos del flujo subsuperficial a través de las cimentaciones de las estructuras de regulación
ubicadas en San Diego – central hidroeléctrica del Cañón del Pato
42
Sin embargo, en período de avenidas las
subpresiones bajo los reservorios en ambas
alternativas son muy altas, debido al gran incremento
en los niveles del agua en el río.
Con respecto a la seguridad contra la tubificación,
los coeficientes de seguridad indican que no existe
riesgo de erosión al pie de la losa ni de los diques de
los reservorios; a excepción del barraje de la
Alternativa 2, que durante el período de estiaje
presenta un valor bastante bajo, según los resultados
del método de las relajaciones.
5.4 De las alternativas para el control del
flujo subsuperficial y subpresiones Para el control de las subpresiones en el barraje se
consideran tres alternativas:
Diseñar el espesor de la losa de manera que el
peso del concreto sea ligeramente mayor que la
fuerza de subpresión.
Disminuir la subpresión aumentando la caída de
potencial hidráulico en la cimentación, mediante
el empleo de mandiles y dentellones.
Disminuir las subpresiones por medio de un
sistema de drenaje.
De la primera alternativa obtenemos que el espesor
de la losa está comprendido entre 3.1 y 2.6 m, lo que
implica el empleo de un volumen de concreto muy
grande para la construcción de la losa.
En la segunda alternativa obtenemos, espesores de
losa ligeramente menores que alternativa anterior.
Pero el volumen de concreto que se ahorraría al
disminuir el espesor de la losa es casi equivalente al
volumen de concreto que se emplearía en la
construcción del mandil y del dentellón y además
teniendo en cuenta el proceso constructivo del
dentellón esta opción sería más costosa que la
anterior.
La tercera opción considerada, el sistema de
drenaje, es la opción más efectiva, debido a que es la
opción que nos permite tener el menor espesor de
losa (1.4 m) y, además, es la opción que sí disminuye
de manera efectiva el valor de las subpresiones.
La segunda alternativa para el control de las
subpresiones corresponde al criterio de mantener el
agua lejos de los lugares donde esta pueda causar
daño, mientras que la tercera corresponde al criterio
de controlar el flujo a través de métodos de drenaje.
En el primer caso no es posible reducir la
subpresión a un valor menor que la carga mínima en
el punto de salida, lo que significa que por más largo
que sea el mandil y profundo que sea el dentellón
siempre se tendrá un valor de subpresión alto.
En el segundo caso, el sistema de drenaje hace que
la carga hidráulica en el punto de salida sea cero, lo
cuál origina altos valores en la caída del potencial
hidráulico y generando una disminución de las
fuerzas de subpresión a lo largo de la cimentación de
la estructura.
En el caso de emplear un sistema de drenaje para
eliminar las subpresiones bajo la losa del barraje se
elimina automáticamente el riesgo por tubificación al
pie de la losa, debido a que el flujo es interceptado
por el dren.
La opción de mantener llenos los reservorios en
forma permanente durante el período de avenidas no
se consideró como una alternativa para el control de
las subpresiones debido a que esto trae como
consecuencia la imposibilidad de realizar trabajos de
mantenimiento en el reservorio durante ese período,
lo que obligaría a realizar estos trabajos durante el
período de operación obstaculizando probablemente
las labores de operación del sistema.
El diseño de drenes al pie de los diques elimina las
subpresiones bajo el reservorio, debido a que
intercepta y de esta manera evita el flujo de agua bajo
el reservorio.
5.5 Sobre los métodos empleados
Los resultados de las subpresiones obtenidos por el
método gráfico y por el método de las relajaciones
son en algunos casos muy similares y en otros casos
presentan diferencias significativas.
En este estudio no es posible determinar cuál de los
dos métodos es más preciso, ya que para ello sería
necesaria la comparación con datos de campo.
Para el diseño de las diferentes alternativas de
control del flujo y subpresiones se trazaron las redes
de flujo empleando el método gráfico, debido sólo a
su facilidad de uso y rapidez en la obtención de los
resultados.
6. Conclusiones
1. La elevación del nivel del agua en el río
originada por la presencia de las estructuras no
ocasionará perjuicios en las zonas ubicadas aguas
arriba de las estructuras.
2. Las cargas hidrostáticas en el río generarán altas
subpresiones bajo las estructuras hidráulicas. Los
valores están comprendidos entre los 4 y 7,2 m de
carga hidráulica.
3. Es necesario tomar todas las medidas necesarias
para controlar las subpresiones y sus efectos nocivos.
4. Los sistemas de drenaje son la mejor opción para
el control de las subpresiones.
5. El sistema de drenaje en los barajes elimina el
riesgo por tubificación al pie de la losa de estos.
6. Los sistemas de drenaje para la Alternativa Nº1
deberán tener la siguiente capacidad de descarga:
Barraje : 8.1 m3/h
Reservorio : 2.6 m3/s
7. Los sistemas de drenaje para la Alternativa Nº2
deberán tener la siguiente capacidad de descarga:
Barraje : 4.9 m3/h
Reservorio Nº1 : 1.6 m3/s
Reservorio Nº2 : 2.6 m3/s
Sugerimos: considerar en el diseño la colocación
de una batería de piezómetros para monitorear el
flujo de agua subsuperficial a través de las
cimentaciones de las estructuras y verificar el
correcto funcionamiento de los sistemas de drenaje.
Fernando Chiock Ch., Teresa Velásquez B.
An cient. 68(4) 2007, pp. 35-43 43
7. Referencias bibliográficas
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México. México. Tercera Edición.
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Sistema de Regulación del Reservorio San Diego
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Ingeniera Agrícola – UNALM. Lima, Perú.
CEDERGREEN, H. 1977. Seepage, Drainage, and
Flow Nets. John Wiley & Sons. New York. 2da
Edición.
CHOW, VEN TE, 1982. Hidráulica de Canales
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Edición.
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LAMBE T; WHITMAN R. 1993. Mecánica de
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Edición.
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An cient. UNALM 68(4), 2007 Recibido: 13/09/2006
ISSN 0255-0407 Aceptado: 16/10/2006
Represamiento a nivel de prefactibilidad de las lagunas Shallap y Rajucolta
para afianzar la generación de energía y potencia de la central hidroeléctrica
Cañon del Pato
Fernando Vegas G. 1, Teresa Velásquez B.
2
Resumen
La Central Hidroeléctrica Cañón del Pato se encuentra ubicada en el departamento de Ancash y pertenece a la
Empresa de Generación Eléctrica del Norte S.A.A. (EGENOR S.A.A.). Esta Central ha sido re-potenciada de 150
MW a 240 MW y su producción está garantizada en época de avenidas (diciembre a abril), captándose hasta 72
m3/seg, no siendo así en época de estiaje donde los caudales del río Santa son mucho menores al caudal de Diseño
de la Central. Actualmente en el estiaje la generación de Potencia y Energía de la Central depende directamente del
Recurso disponible en el río Santa y de los caudales regulados en las Presas existentes en Parón y Cullicocha, que no
cubren el caudal de diseño de la central. Este hecho a motivado que EGENOR S.A.A. busque otras alternativas de
nuevos represamientos para poder incrementar el recurso hídrico en época de estiaje y de esta manera poder
incrementar el recurso hídrico la generación de Energía y Potencia en la central Hidroeléctrica Cañón del Pato. En la
presente investigación de estudiará la posibilidad de contar con los represamientos de las Shallap y Yanacocha. El
análisis contemplará el estudio hídrico y los volúmenes posibles de ser represados en ambos casos. Así mismo, se
efectuarán los diseños a nivel de Pre-Factibilidad de los represamientos citados con la finalidad de obtener los costos
de inversión y determinar su rentabilidad técnico económico para ser consideradas dentro del sistema eléctrico
nacional.
Palabras clave: Represa, central hidroeléctica, recursos hídricos, estíaje.
Abstract
The Cañon del Pato Hydropower es located in Ancash department, and belons to North Generation Hydroelectric
Company (EGENOR S.A.A.A). The Power of this Hidro-Station has been increased from 150 MW to 240 MW, and
its Production has been guaranteed during flood season when is possible to take up to 72 m3/seg from the Santa
River. This situation is not the same in others months of the year, during dry season, here the discharges are below
30 m3seg on Santa River. Actually during dry season the Powre Generation depends directly from the available
discharges resources existing on Santa River and the regulations resources from Cullicocha and Paron Reservoirs,
but those discharges are not enough to cover the requierements of the Power Station System. This fact has motivated
to the EGENOR S.A.A. to found new alternatives all over the Santa river Basin, although this alternative include
small or medium reservoirs, to increase the water resource during dry season and produce increments on Energy and
Power generation. This research had been comtemplated the Hydrological studies of the Sallap and Rajucolta Lakes
in order to determine its water resources and Storage Volumes. Likewise, the design had been developed on Pre-
Feasibility level with the purpose of obtaining the Cost of the investment and to determine their technical –
economic profitability, both had been considered inside the National Electrical System.
Key words: Dam, hydroelectric power station, water resources.
1. Introducción
La Central Hidroeléctrica Cañón del Pato se
encuentra ubicada en el departamento de Ancash,
provincia de Huaylas, distrito de Huallanca, y
pertenece a la Empresa de Generación Eléctrica del
Norte S.A.A. (EGENOR S.A.A.) (Figura 1).
Las características técnicas de la central son las
siguientes:
- Potencia instalada actual : 240 MW
- Caudal de diseño actual : 72 m3/s
- N° de grupos : 6
- Potencia unitaria : 40 MW
- Tipo de turbina : Pelton
En la presente tesis se investigará la posibilidad de
contar con los represamientos de las lagunas Shallap
y Rajucolta para el afianzamiento hídrico de la
Central Hidroeléctrica Cañón del Pato en época de
estiaje.
1, 2 Facultad de Ingeniería Agrícola, Universidad Nacional Agraria
La Molina. Lima, Perú. E-mail: [email protected]
Las lagunas Shallap y Rajucolta se encuentran
ubicadas en la Cuenca del Río Santa, en la vertiente
Occidental de la Cordillera Blanca en su parte Sur-
Central, hacia el Este de Huaraz, en el departamento
de Ancash. Ambas Lagunas también se encuentran
dentro del Parque Nacional Huascarán.
Las primeras Obras llevadas a cabo en las Lagunas
de la Cordillera Blanca estuvieron encaminadas a la
seguridad de las poblaciones, comprometidas a los
efectos de los aluviones y desbordes por encontrarse
emplazadas en las zonas de influencia de estos.
Estas Obras consistieron en rebajar los niveles de
aquellas Lagunas que por tener contacto con glaciares
o existir glaciares colgantes, representaban un peligro
de aluviones (por el desborde que pudieran originar
los desprendimientos de bloques de hielo sobre las
Lagunas).
En la actualidad, ante la evolución regresiva de los
glaciares, muchas lagunas que se consideraban
peligrosas han dejado de serlas.
Para el caso de la Laguna Shallap, en que por
razones de seguridad, se redujo el nivel original del
Fernando Vegas G., Teresa Velásquez B.
45
espejo de agua, pero hoy en día al haberse alejado
ostensiblemente frente glaciar del espejo de agua con
el que contaba, las condiciones han variado
favorablemente a la probabilidad de considerarse
como una alternativa de embalse.
Para el caso de la Laguna Rajucolta, la alternativa
de embalse se ha considerado con una sobreelevación
del terraplén por encima del nivel actual de la Laguna
no mayor de 5.0 metros obedeciendo a las
restricciones precisadas por la Dirección de Medio
Ambiente del Instituto Nacional de Recursos
Naturales (INRENA).
2. Revisión de literatura
2.1 Evaluación de una cuenca hidrográfica El procedimiento general para la evaluación de una
cuenca tiene como objetivos:
- Analizar y determinar la situación actual y
potencial de la cuenca.
- Recopilar el material básico preparando una
síntesis de datos existentes realizando un control de
todos los datos recopilados considerando, además,
que los datos pueden o no ser correctos.
- Analizar e interpretar los datos mediante la
identificación del problema teniendo en cuenta sus
influencias en el manejo de la cuenca (uso
energético, agrícola, pecuario, poblacional, etc.).
- Determinación del desarrollo potencial de la
cuenca efectuando un reconocimiento general de la
zona y la factibilidad del desarrollo de zonas
especificas. (Willian, 1969)
“La superficie de la cuenca es un parámetro
geomorfológico importante, debido a que sobre la
base de ella se establecen relaciones fisiográficas. Su
magnitud repercute directamente sobre la captación
de las precipitaciones y los escurrimientos
superficiales”. (Willian, 1969)
“El área de una cuenca, es el área plana en
proyección horizontal, encerrada por su divisoria.
Usualmente se reporta en kilómetros cuadrados,
excepto para cuencas pequeñas las cuales se expresan
en hectáreas”
Figura 1. Plano de la ubicación del proyecto.
“Una cuenca pequeña puede ser definida como
aquella que es sensible a lluvias de alta intensidad y
corta duración y en la cual predomina las
características físicas del suelo con respecto al
cauce”. (Chow, 1975)
2.2 Las presas reguladoras Se construyen para retardar el escurrimiento de las
avenidas y disminuir el efecto de las ocasionales. Las
presas reguladoras se dividen en dos tipos. En uno de
ellos, el agua se almacena temporalmente, y se
descarga por una obra de toma con un gasto que no
exceda la capacidad del cauce de aguas abajo. En el
otro tipo, el agua se almacena tanto tiempo como sea
posible y se deja infiltrar en las laderas del valle o por
los estratos de grava de la cimentación. A este último
tipo se le llama algunas veces de distribución o dique,
porque su principal objeto es recargar los acuíferos.
Las presas reguladoras también se construyen para
Represamiento a nivel de prefactibilidad de las lagunas Shallap y Rajucolta para afianzar la generación de energía y
potencia de la central hidroeléctrica Cañon del Pato
An cient. 68(4) 2007, pp. 44-53
46
detener los sedimentos. A menudo a éstas se les llama
presas de arrastres.
2.3 Diseño del terraplén El problema de proyectar un terraplén de tierra es
determinar la sección transversal que cuando se
construya con los materiales disponibles, cumpla con
las funciones para las cuales se proyecta con la
debida seguridad al costo mínimo.
Los métodos empleados en la determinación de la
sección transversal necesaria de un terraplén consiste
en copiar las características de las presas que han
dado buenos resultados y considerando la
disponibilidad de este en la zona, haciendo estudios
analíticos y experimentales en las condiciones
anormales, y controlando rigurosamente la selección
y colocación de los materiales del terraplén. A
continuación, en la Tabla 1, 2 y Figura 2,
podemos observar diferentes taludes del núcleo de la
presa así como de los espaldones de acuerdo con los
materiales que los conforman. (Bureau of
Reclamation, 1966)
TABLA 1. Taludes recomendados para presas de tierra homogéneas.
Objetivo Suelo
Talud
Aguas arriba Aguas abajo
Sedimentación o
almacenamiento
GC, GM, SC, SM, CL, ML,
CH, MH
2.5:1
3:1
0.5:1
2:1
2.5:1
2.5:1
Almacenamiento GC, GM, SC, SM, CL, ML,
CH, MH
3:1
3.5:1
4:1
2:1
2.5:1
2.5:1
OL Y OH no recomendables
Tabla 2. Taludes recomendados para presas pequeñas de sección compuesta.
Tipo Objeto Terraplen Nucleo Talud
Aguas arriba Aguas abajo
Núcleo
Mínimo “A” Cualquiera
Enrocado, GW,
GP, SW, SP
GC, GM, SC,
SM, CL, ML,
CH, MH
2:1 2:1
Núcleo
Máximo “B”
Sedimentos o
almacenamiento
Enrocado, GW,
GP, SW, SP
GC, GM, SC,
SM, CL, ML,
CH, MH
2:1
2.25:1
2.5:1
3:1
2:1
2.25:1
2.5:1
3:1
Núcleo
Máximo “C” Almacenamiento
Enrocado GW, GP,
SW, SP
GC, GM,
SC, SM,
CL,ML,
CH, MH
2.5:1
2.5:1
3:1
3.5:1
2:1
2.25:1
2.5:1
3:1
Figura 2. Variación de tamaños de los núcleos impermeables para terraplenes compuestos.
3. Materiales y métodos
3.1 Cartografía y topografía
La información cartográfica para el desarrollo de la
presente tesis fue adquirida en el Instituto Geográfico
Nacional (IGN).
- Cartas nacionales 1/100000: Carhuaz (19-h),
Huari (19-i), Huaraz (20-h), Recuay (20-i).
- Cartas nacionales 1/25000: 19i – III SE, 19i – III
SO, 21i – IV NO, 21i – IV NE
- Fotografías aéreas del área.
- Fotografías de campo.
Fernando Vegas G., Teresa Velásquez B.
47
3.2 Batimetría Los planos batimétricos de las Lagunas Shallap y
Rajucolta a escala 1:2500 fueron obtenidos de la
Unidad de Hidrología y Geología de
ELECTROPERU S.A., y ha servido de base para
elaborar las curvas área-altura-volumen de cada
Laguna (Figura 3 y 4).
Tabla 3. Volumen actual en las lagunas Shallap y
Rajucolta. Laguna Volumen total (m3) Área superficial (m2)
Shallap 6’850000 275000
Rajucolta 23’260000 577240
EL
EV
AC
ION
ES
(m
.s.n
.m)
4275Nivel Actual de la Laguna
AREA (Km )
4230
4235
4240
4260
4245
4250
4255
4265
4270
0.5 0.42
0.3
VOLUMEN
Altura de Regulación (m)
0.2 0.1
MMC = Millones de metros cúbicos
4.85
3.85
2.45
Volumenes Regulados (MMC)
AREA4277 - 4260
4277 - 4265
4277 - 4270
Elevaciones (m.s.n.m)
17
12
7
0
Nivel Máximo de Regulación Recomendado
VOLUMEN (MMC)
FIGURA 4.1 : CURVA ALTURA - AREA - VOLUMEN LAGUNA SHALLAP
0 1
4280
4285
432 65
1.4 MMC
987
2.45 MMC
1110 12
1.0 MMC1.0 MMC
Figura 3. Curva, altura, área, volumen – Laguna Shallap.
4280 - 4275
4285 - 4275
4285 - 4270
4280 - 4270
MMC = Millones de metros cúbicos
Elevaciones
(m.s.n.m)
VOLUMEN (MMC)
FIGURA 4.2 : CURVA ALTURA - AREA - VOLUMEN LAGUNA RAJUCOLTA
AREA (Km )
EL
EV
AC
ION
ES
(
m.s
.n.m
) 4280
4210
4220
4230
4240
4250
4260
4270
0.6 0.5
8.20
5.70
VOLUMEN
Volumenes Regulados
(MMC)
3.50
6.00
4290
Nivel Actual de la Laguna
2 4 6 8 10 12
8.2 MMC
AREA
0.30.4
10
15
0.2
6.0 MMC
Altura de Regulación
(m)
10
5
5.7 MMC
3.5 MCC
0.1 0
Nivel Máximo de Regulación Recomendado
2014 16 18 22 24 26 3028
Figura 4. Curva, altura, volumen – Laguna Rajucolta.
3.3 Geología y geomorfología
3.3.1 Geología y geomorfología de las lagunas Para el presente estudio, nos interesa el modelado
del relieve que corresponde a la Laguna y Quebrada
Shallap; ambas geoformas son de valles de
cordilleras con precipitaciones superiores a los 400
mm (Nieve) con temperaturas mínimas entre –10 º y
–20 º.
La quebrada se formo durante las crisis climáticas
pluvio glaciares del cuaternario cuyo modelado
favoreció la formación de la laguna, aguas arriba de
morrenas frontales con presencia de morrenas
laterales.
El principal proceso geomorfológico fue la acción
glaciar por limadura, corración atrición y transporte
de los materiales por tracción y/o suspensión.
Represamiento a nivel de prefactibilidad de las lagunas Shallap y Rajucolta para afianzar la generación de energía y
potencia de la central hidroeléctrica Cañon del Pato
An cient. 68(4) 2007, pp. 44-53
48
El valle formado por la acción glaciar es de la
forma típica de valles en “U”, donde la erosión
glaciar a actuado en rocas intrusivas y areniscas
(rocas de basamento).
Es notable la geoforma: morrenas terminales y
laterales; así como depósitos del cuaternario reciente
o depósitos coluviales o escombros de talud y
depósitos aluviales.
3.4 Volúmenes de las lagunas
Tabla 4. Volumen de la Laguna Shallap.
Cuenca de la Laguna Shallap Vol. medio anual
(MMC)
Método Soil Cons. Service 13.2
Método de Holdrigde 9.9
Método deficit Escorrentia 8.2
Método regional 13.8
Relación de volúmenes 15.0
Tabla 5. Volumen de la Laguna Rajucolta. Cuenca de la laguna Rajucolta Vol. medio anual
(MMC)
Método del Soil Cons. Service 16.9
Método de Holdrigde 12.7
Método déficit de Escorrentia 10.5
Método regional 18.2
Relación de volúmenes 20.4
4. Resultados y discusión
4.1 Planteamiento de alternativas en la
Laguna Shallap
4.1.1 Alternativa 1 Esta alternativa contempla proyectar una presa
zonificada; con el eje de salida de la obra de toma en
la Cota 4 270 msnm, lo cual seria el nivel de
aprovechamiento actual de la laguna, y una altura de
coronación en la cota 4 278 msnm, lo cual nos da una
altura de presa de 8 metros y un volumen de
aprovechamiento de 2.5 MMC.
Esta obra seria colocada sobre la estructura de
descarga la cual constara de un conducto cerrado que
trabajará a presión en el tramo ubicado aguas arriba
de la compuerta de operación y emergencia. Para esta
alternativa solo se requerirá de un rajo de 1.5m de
profundidad y una longitud de 42 m sobre material
morrénico, con la finalidad de colocar la obra de
toma, con características de base 2 m, altura variable
según terreno, talud de las paredes las características
consideradas para 1:1, y pendiente 0.005.
En el caso del canal de descarga proyectado aguas
arriba y aguas abajo de la presa, se considera muy
apropiado utilizar un revestimiento de emboquillado
de piedra, por ser este material utilizado en la
mayoría de canales de descarga de Lagunas
controladas en la Cuenca del Río Santa. Se ha
considerado un canal de sección trapezoidal, de base
2m, talud 1:0.5 y se ha considerado una altura de 1,5
aguas arriba y aguas abajo de la presa. La estructura
de alivio se ha diseñado para un caudal de avenidas
de 12.58 m3/s, el cual corresponde a un periodo de
retorno de 1:500 años.
4.1.2 Alternativa 2 Esta alternativa proyecta un rajo en el eje de salida
de la Laguna Shallap, profundizando hasta en 5,00 m.
Este corte implica ubicar la descarga de la toma sobre
la elevación 42 650 msnm, es decir, 5.0 m bajo el
nivel de la laguna.
Este planteamiento origina una excavación sobre
material morrénico en la boquilla en una longitud de
215.0 m, con características de base 2 m, altura
variable según terreno, Talud de las paredes las
características consideradas para 1:1, y pendiente
0.005. Sobre el eje de la Boquilla de la Laguna, esta
alternativa proyecta considerar una presa zonificada
de 13.00 m de altura, es decir, la coronación en este
caso alcanza la elevación de 4 278 msnm. Con esta
consideración sería posible almacenar hasta 3.85
MMC. La obra de toma, canal de descargas y
aliviadero poseen características similares a la
Alternativa 1, variando la longitud del canal de
descarga.
4.1.3 Alternativa 3 Esta alternativa proyecta un rajo en el eje de salida
de la Laguna Rajucolta, profundizando hasta en 10.0
m. Este corte implica ubicar la descarga de la toma
sobre la elevación 4 260 msnm, es decir, 10.0 m bajo
el nivel de la laguna.
Este planteamiento origina una excavación similar a
la de la Alternativa 2, es decir, sobre material
morrénico en la boquilla en una longitud de 305.0 m,
las características consideradas para el rajo son las
mismas que se mencionan en la Alternativa 2. Sobre
el eje de la boquilla de la laguna, esta alternativa
proyecta considerar una presa zonificada de 170.00 m
de altura, es decir, la coronación en este caso alcanza
la elevación de 4 277msnm. Con esta consideración
sería posible almacenar hasta 4.85 MMC. La obra de
toma, canal de descargas y aliviadero poseen
características similares a la Alternativa 1, variando
la longitud del canal de descarga.
Tabla 6. Resumen de las características de la presa Shallap para las alternativas planteadas. Tipo de presa : zonificada
Ancho de corona : 3m
Talud núcleo : 1:1
Talud espaldón : 1:2.5
Alternativa Nivel de toma NAMIN NAMO NAME Coronación Altura Volumen
msnm msnm msnm msnm msnm m Regulado
MMC
Fernando Vegas G., Teresa Velásquez B.
49
1 4 265 4 267 4 277 4 277.65 4 278 13 3.85
2 4 260 4 262 4 277 4 277.65 4 278 18 4.85
3 4 255 4 257 4 277 4 277.65 4 278 23 5.85
Los costos de inversión de las alternativas
planteadas son los siguientes:
Alternativa 1: Altura de presa 8 m, volumen de
almacenamiento 2.45 MMC, costo total de
S/.1’056,931.95 (US$ 301,980.56 dólares
americanos), que equivale a un costo unitario de
metro cúbico de agua almacenada de 0,12 US$/m3.
Alternativa 2: Altura de presa 13 m, volumen de
almacenamiento 3,85 MMC, costo total de
S/.5’668,260.59 (US$ 1’619,503.02 dólares
americanos), lo cual equivale a un costo unitario de
metro cúbico de agua almacenada de 0.42 US$/m3.
Alternativa 3: Altura de presa 18 m, volumen de
almacenamiento 4,85 MMC, costo total de
S/.8’188,959.52 (US$ 2’339,702.72 dólares
americanos), lo cual equivale a un costo unitario de
metro cúbico de agua almacenada de 0.48 US$/m3.
(Figura 5)
4.2 Planteamiento de alternativas en la
Laguna Rajucolta
4.2.1 Alternativa 1 Para la presente alternativa se proyecta la
posibilidad de considerar un rajo en el eje de salida
de la Laguna Rajucolta, profundizando hasta en 5,00
m. Este corte implica ubicar la descarga de la toma
sobre la elevación 4 275 msnm, es decir, 5,0m bajo el
nivel de la laguna.
Este planteamiento origina una excavación sobre
material morrénico en la boquilla en una longitud de
152.0 m con características consideradas de base de
2.0 m, altura variable según terreno, talud de las
paredes 1:1, pendiente de 0.005. Sobre el eje de la
boquilla de la laguna, esta alternativa proyecta
considerar una presa de enrocado de 5.00 m de altura,
es decir, la coronación en este caso alcanza la
elevación de 4 281 msnm. Con esta consideración
sería posible almacenar hasta 3.5 MMC.
Esta obra seria colocada sobre la estructura de
descarga la cual constara de un conducto cerrado que
trabajará a presión en el tramo ubicado aguas arriba
de la compuerta de operación y emergencia. En el
caso del canal de descarga proyectado aguas arriba y
aguas debajo de la presa, se considera muy apropiado
utilizar emboquillado de piedra por este material
utilizado en la mayoría de canales de descarga de
lagunas controladas en la Cuenca del Río Santa. Se
ha considerado un canal de descarga de sección
trapezoidal, de base 2 m, talud 1:0.5 y se ha
considerado una altura de 1,8m aguas arriba y aguas
abajo de la presa.
La estructura de alivio se ha diseñado para un
caudal de avenidas de 14.36 m3/s, el cual corresponde
a un periodo de retorno de 1:500 años.
4.2.2 Alternativa 2 Esta alternativa proyecta un rajo en el eje de salida
de la Laguna Rajucolta, profundizando hasta en 10.00
m. Este corte implica ubicar la descarga de la toma
sobre la elevación 4 270 msnm, es decir, 10.0 m bajo
el nivel de la laguna.
Este planteamiento origina una excavación sobre
material morrénico en la boquilla en una longitud de
208.0 m, las características consideradas para el rajo
son las mismas que se mencionan en la Alternativa 1.
Sobre el eje de la boquilla de la laguna, esta
alternativa proyecta considerar una presa de enrocado
de 10.00 m de altura, es decir, la coronación en este
caso alcanza la elevación de 4 281msnm. Con esta
consideración sería posible almacenar hasta 6,0
MMC. Las características de la estructura de descarga
y alivio son similares a las propuestas en la
Alternativa 1, variando las dimensiones del canal de
descarga.
4.2.3 Alternativa 3 Esta alternativa proyecta un rajo en el eje de salida
de la Laguna Rajucolta, profundizando hasta en 5.00
m. Este corte implica ubicar la descarga de la toma
sobre la elevación 4 275 msnm, es decir, 5.0m bajo el
nivel de la laguna.
Este planteamiento origina una excavación similar
a la de la Alternativa 1, es decir, sobre material
morrénico en la boquilla en una longitud de 152.0 m,
las características consideradas para el rajo son las
mismas que se mencionan en la Alternativa 1.
Sobre el eje de la boquilla de la laguna, esta
alternativa proyecta considerar una presa de enrocado
de 10.00 m de altura, es decir, la coronación en este
caso alcanza la elevación de 4 286 msnm. Con esta
consideración sería posible almacenar hasta 5.7
MMC. Las características de la estructura de descarga
y alivio son similares a las propuestas en la
Alternativa 1 variando las dimensiones del canal de
descarga.
4.2.4 Alternativa 4 Esta alternativa proyecta un rajo en el eje de salida
de la Laguna Rajucolta, profundizando hasta en 10.00
m. Este corte implica ubicar la descarga de la toma
sobre la elevación 4 270 msnm, es decir, 10.0m bajo
el nivel de la laguna.
Este planteamiento origina una excavación similar
a la de la Alternativa 1, es decir, sobre material
morrénico en la boquilla en una longitud de 208.0 m,
las características consideradas para el rajo son las
mismas que se mencionan en la Alternativa 1.
Sobre el eje de la boquilla de la laguna, esta
alternativa proyecta considerar una presa de enrocado
de 15.00 m de altura, es decir, la coronación en este
caso alcanza la elevación de 4 286 msnm. Con esta
consideración sería posible almacenar hasta 8,2
MMC.
Las características de la estructura de descarga y
alivio son similares variando las dimensiones del
canal de descarga.
Los costos de inversión de las alternativas
planteadas son los siguientes:
Represamiento a nivel de prefactibilidad de las lagunas Shallap y Rajucolta para afianzar la generación de energía y
potencia de la central hidroeléctrica Cañon del Pato
An cient. 68(4) 2007, pp. 44-53
50
Alternativa 1: Altura de presa de 6 m, volumen de
almacenamiento 3.5 MMC, costo total de
S/.670,296.87 (US$ 194,288.947 dólares
americanos), lo cual equivale a un costo unitario de
metro cúbico de agua almacenada de 0.0555
US$/m3.
Tabla 7. Resumen de las características de la presa Rajucolta para las alternativas planteadas. Tipo de presa : Enrocado
Ancho de corona : 3 m
Talud del núcleo : 1:1
Talud de los espaldones : 1:2.5
Alternativa Nivel de toma,
msnm
NAMIN,
msnm
NAMO,
msnm
NAME,
msnm
Coronación,
msnm.
Altura
(m)
Volumen
regulado
MMC
1 4 275 4 277 4 280 4 280.71 4 281 6 3.5
2 4 270 4 272 4 280 4 280.71 4 281 11 6
3 4 275 4 277 4 285 4 285.71 4 286 11 5.7
4 4 270 4 272 4 285 4 285.71 4 286 16 8.2
Alternativa 2: Altura de presa de 11 m, volumen
de almacenamiento 6.0 MMC, costo total de
S/.2’583,141.58 (US$ 748,736.691 dólares
americanos), lo cual equivale a un costo unitario de
metro cúbico de agua almacenada de 0.1248
US$/m3.
Alternativa N°3: Altura de presa 11 m, volumen
de almacenamiento 5.7 MMC, S/.868,340.89 (US$
251,639.012 dólares americanos), lo cual equivale a
un costo unitario de metro cúbico de agua
almacenada de 0.0442 US$/m3.
Alternativa N°4: Altura de presa 16 m, volumen
de almacenamiento 8.2 MMC, S/.2’749,891.34 (US$
797,069.953 dólares americanos), lo cual equivale a
un costo unitario de metro cúbico de agua
almacenada de 0.0972 US$/m3. (Figura 6)
Figura 5. Plano, alternativa N° 3, presa Shallap.
Fernando Vegas G., Teresa Velásquez B.
51
Figura 6. Plano, alternativa N° 4, presa Rajucolta.
4.3 Análisis económico de las alternativas
planteadas
1. Los costos de inversión para el embalse Shallap
es de S/. 1’056,931.95 costos referidos a agosto del
2000, y esta prevista a realizarse en los años 2003 y
2004.
2. Los costos de inversión para el embalse
Rajucolta es de S/. 868,340.89, costos referidos a
agosto del 2000, y esta prevista a realizarse en los
años 2003 y 2004.
3. La inversión referida a los estudios faltantes
(estudios de factibilidad y estudio definitivo), esta en
el orden de S/. 350,000.00, asumiéndose que se
llevara a cabo en los años 2001 y 20002,
respectivamente.
4. Los costos de operación y mantenimiento
(O&M) de los embalses Shallap y Rajucolta se han
asumido que son del orden del S/. 1’000,000.00, en el
cual están incluidos los costos de mantenimiento de
los caminos de acceso a cada embalse. Estos costos
se harán efectivos a partir del año 2005, donde
entraran en operación comercial los embalses antes
señalados anteriormente.
5. Los ingresos del proyecto están constituidos por
la venta de energía y potencia producida por la
Central Hidroeléctrica Cañón del Pato debido al
efecto de la operación de los embalses Shallap y
Rajucolta.
6. Venta de energía y potencia.
En la Tabla 7, se ha determinado que los
incrementos de potencia anual y energía anual en la
Central Hidroeléctrica Caño del Pato, son del orden
de 10.6 MW-año y de 7.36 GWh, respectivamente.
Las tarifas de venta de energía eléctrica (potencia y
energía) se han tomado conforme a la tarifa vigente al
4 de noviembre del 2000 para la barra de la
subestación base Huaraz, expresados en dólares y
nuevos soles, los cuales son:
Tarifa de energía en bloque: 4.432 Ctvs
US$/Mwh (0.1008 S/./kwh)
Tarifa por potencia : 43.7 US $/Kw-
año (99.2 S/./kw-año)
Resultados de la evaluación económica.
Represamiento a nivel de prefactibilidad de las lagunas Shallap y Rajucolta para afianzar la generación de energía y
potencia de la central hidroeléctrica Cañon del Pato
An cient. 68(4) 2007, pp. 44-53
52
Tabla 8. Incremento de potencia y energía por efecto de los embalses de Shallap y Rajucolta.
Tabla 9. Análisis económico del efecto de los embalses de regulación Shallap y Rajucolta.
5. Conclusiones
De las inspecciones de campo efectuados a los
sitios de emplazamiento de los embalses Shallap y
Rajucolta se ha determinado que estos sitios cuentan
con las características topográficas y geológicas
buenas para el emplazamiento de las presas y de los
vasos reguladores de los embalses mencionados
anteriormente.
El estudio hidrológico de las cuencas colectoras de
los embalses Shallap y Rajucolta ha determinado los
siguientes resultados:
Tabla 10 Cuenca
laguna
Área
colectora
km2
Q medio
anual m3/s
Volumen
medio anual,
MMC
Shallap 15.00 0.33 10.43
Rajucolta 15.00 0.42 13.37
Considerando el costo unitario del agua
almacenada (US Ctvs $/m3) como el factor para
determinar la alternativa de menor costo para las
presas de los embalses Shallap y Rajucolta, se ha
arribado a los siguientes resultados para las
alternativas de menor costo:
Tabla 11 Embalse Altura de
Presa
(m)
Volumen
Reservorio
(MMC)
Longitud de descarga Costo
( Us$ )
Costo unitario
del agua
( US Ctvs $/m3) Conducto
cerrado (m)
Canal
abierto
(m)
Shallap 8 2.42 42 0 301,980.00 0.1200
Rajucolta 10 5.7 52 101 251,067.00 0.0440
El incremento de energía y potencia en la Central
Hidroelectrica Cañon del Pato por la operación de los
embalses de Shallap y Rajucolta es de 10.6 Mw-año y
7.36 Gwh.
Fernando Vegas G., Teresa Velásquez B.
53
Los embalses de Shallap y Rajucolta afianzaran la
producción de energía y potencia de la Central
Hidroeléctrica Cañón del Pato en época de estiaje, en
vista que en esta época el caudal del río Santa a la
altura de la toma de la central son mucho menores el
caudal del diseño de 72 m3/s.
Los resultados de la evaluación económica, luego
de la actualización del flujo de costos y beneficios
anuales a inicios del año 2001, se han determinado
los siguientes valores
Tabla 12
Índice Casos Shallap y
Rajucolta
B/C e 2.11
VAN e 7.58
TIR e 26%
Los indicadores económicos indican que el
proyecto es económicamente factible.
Se recomienda efectuar los estudios de factibilidad
– definitivo de las presas Shallap y Rajucolta. Los
estudios deben profundizar las investigaciones
geológicas y también aspectos concernientes a la
operación óptima de los embalses.
Como medida inmediata se recomienda instalar por
lo menos dos estaciones de aforo, la primera se
ubicara aguas abajo del desagüe de la Laguna Shallap
sobre la quebrada Shallap, sub cuenca del rió
Quillcay, la otra estación se ubicara aguas debajo de
la Laguna Rajucolta sobre la quebrada Pariac.
6. Referencias bibliográficas
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Perú.
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Hidrología de Superficie. Editorial Limusa.
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Enrocado. Colegio de Ingenieros del Perú. Lima –
Perú. 1996.
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Pequeñas Presas. Editorial Continental. México.
1966.
CHEREQUE, MORÁN A. 1990. Hidrología para
estudiantes de Ingeniería Civil. Lima – Perú. 1990
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MAYS, LARRY W. 1980. Hidrología Aplicada.
Mc Graw Hill Interamericana S.A. Colombia.
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PAULHUS, JOSEPH L.H. 1977. Hidrología para
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MEJÍA, M. ABEL, 1999. Análisis de Máximas
Avenidas. DRAT, UNALM. Lima – Perú.
MINISTERIO DE AGRICULTURA, 1981.
Regresión y Correlación Estadística, Boletín
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MINISTERIO DE ENERGÍA Y MINAS, 1982.
Evaluación del Potencial Hidroeléctrico Nacional
Volumen V. Lima – Perú.
Molina. Hidrología. Publicaciones DRAT. Lima –
Perú. 1977.
MONSALVE, SÁENZ G. 1999. Hidrología en la
Ingenieria. Bogotá Colombia.
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de Fenómenos en Hidrología. DRAT. Lima – Perú.
REMENIERAS, C. 1965. Hidrología del Ingeniero.
Instituto del Libro. La Habana-Cuba.
TORRES, H. FRANCISCO. Obras Hidráulicas.
Editorial Limunsa. México
VALLARINO, E. Tratado Básico de Presas. Tomo I.
VELASQUEZ, B. TERESA - VELASQUEZ, B.
JULIO, 1999. Manual Práctico de Diseño de
Pequeñas Presas de Tierra. DRAT. UNALM.
WILLIAM S.T. 1969. Principios de Geomorfología.
Moreno Buenos Aires.
An cient. UNALM 68(4), 2007 Recibido: 26/09/2006
ISSN 0255-0407 Aceptado: 16/10/2006
Propuesta de ampliación de la minicentral eléctrica Frías – Piura
Isamel Alvarado L. 1, Teresa Velásquez B.
2
Resumen
En la actualidad existen Minicentrales Hidroeléctricas que no son aprovechados eficientemente, sobre todo en las
zonas alto andinas de nuestro país debido a las características orográficas los regímenes de lluvias son variados,
presentando carencias de recurso hídrico entre los meses de abril a noviembre, lo que reduce las posibilidades de
aprovechamiento para la generación de energía eléctrica; y usualmente, el almacenamiento y/o regulación de
pequeños volúmenes de agua superficial provenientes de manantes y riachuelos, contribuyen en alguna medida a
satisfacer las necesidades de energía eléctrica. En el departamento de Piura, sub cuenca Challe Grande, localidad de
Frías, existe una Minicentral Hidroeléctrica, el cual tiene una caída de 61.0 metros y genera energía eléctrica para
las poblaciones de Frías y El Común, que dado lo limitado del recurso hídrico, su funcionamiento es deficiente
produciendo una potencia de 70 KW como máximo, siendo las necesidades para ambas poblaciones en el presente
año de 129.7 kw. Con el fin de hallar una posible solución a la situación mencionada, se plantea el estudio
“Propuesta para la ampliación de la capacidad instalada en la Minicentral Hidroeléctrica Frías“, en el cual se
evaluará la oferta del recurso hídrico con fines de regular y/o almacenar un volumen de agua y garantizar la potencia
de acuerdo con las necesidades poblacionales, así mismo se evaluará la infraestructura hidráulica y electromecánica
existente, con el fin de garantizar un adecuado funcionamiento. Se han recabado informaciones de campo y
gabinete, como la topografía, geología y pluviométrica e hidrométrica de zonas aledañas.
Palabras clave: Minicentral hidroeléctica, hidraúlica, recursos hídricos, hidrometría.
Abstract
Actually there are several mini hydropower Stations are not working eficiently, specially on the mountains on our
country. Usuallly due to the Topographical and weather caracteristics which produce variables regimens of
discharges between April to November, this behavior reduce the posibilities of constants Electrical generation and
usually a storage of differents sources of water help to satisfy the electrical demand. On Piura, Challe Basin, Frias
Village, exist a small electrical hydropower generation with 61.0 m of fall to generate electrical electricity for Frias,
El Común Villages. But due to the limitation on water resources, its operation had been very limited, its Power
generation was 70 Kw but the demand reach up to 129.7 Kw. To get the target on the electrical demand generated
by the nimi hydropower station, this study made a proposal “Increment of the Electrical hydropower install
capacity”, in this study the resources amount was evaluated with the purpose of storage convenient water volumes
and guaranty the power generation according to the demand of the villages, also the hydraulics structures and
electrical system were evaluated. The study had review the available information related to topography, geology,
rainfall and discharges of the Project Area and surrounded.
Key words: Hydroelectric power station, hydraulics, water resources, hydrometry.
1. Introducción
1.1 Generalidades Las Minicentrales Hidroeléctricas (MCCHH)
permiten satisfacer las necesidades de energía a
poblaciones descentralizadas que dentro del
planeamiento de electricidad son consideradas como
centros aislados. En la actualidad existen
Minicentrales Hidroeléctricas que no son
aprovechadas eficientemente sobre todo en la sierra
de nuestro país, primero: debido a que las
características orográficas hacen que los regímenes
de lluvias en dicha zona sean claramente marcados y
estaciónales, presentando carencias de recurso hídrico
en muchos meses del año, lo que reduce las
posibilidades de aprovechamiento para la generación
de energía eléctrica; segundo: la existencia de recurso
hídrico pero su utilización es reducida debido a la
falta de un adecuado manejo y mantenimiento de las
estructuras civiles y electromecánicas que ocasiona
pérdidas a las instituciones que la conducen.
El almacenamiento y/o regulación de pequeños
volúmenes de agua superficial provenientes de 1, 2 Facultad de Ingeniería Agrícola, Universidad Nacional Agraria La Molina. Lima, Perú. E-mail: [email protected]
manantes y riachuelos, ha contribuido en alguna
medida a satisfacer las necesidades de energía
eléctrica en zonas alto andinas de nuestro país.
En este contexto el presente estudio se desarrolla en
el departamento de Piura, sub cuenca Challe Grande
y río Challe Grande lugar donde se ubica la
Minicentral Hidroeléctrica Frías en la que se evaluará
la oferta del recurso hídrico con fines de regular y/o
almacenar un volumen de agua y garantizar una
determinada potencia. Se involucra en el mismo la
evaluación de las obras civiles y electromecánicas
con fines de garantizar un adecuado funcionamiento.
(Figura 1)
Objetivo general
- Evaluación y determinación de la capacidad
instalada de la Minicentral Hidroeléctrica Frías –
Piura.
Objetivos específicos
- E valuación de la información hidrológica en la
Quebrada Challe Grande.
- Evaluación de la demanda eléctrica en las
localidades Frías y El Común.
- Evaluación de las obras civiles y electromecánicas
existentes para garantizar el óptimo funcionamiento
de la Minicentral Hidroeléctrica.
Isamel Alvarado L., Teresa Velásquez B.
55
Figura 1. Plano de la ubicación del proyecto.
2. Revisión de literatura
2.1 Recursos hídricos El conjunto de obras que constituyen los llamados
proyectos hidráulicos, en la cual el agua se controla y
se regula para ser aprovechada en una amplia gama
de propósitos y para evitar que cauce daños y
provoque pérdidas económicas y/o vidas humanas.
Ello se logra a través de los proyectos hidráulicos de
aprovechamiento y de control.
(Santana, 2000)
Los recursos hídricos superficiales constituyen, un
factor limitante del desarrollo nacional, por el
irregular comportamiento de los ríos sobre todo de la
vertiente del pacífico, que no permiten el
abastecimiento adecuado de las diferentes demandas
de agua.
La variabilidad e irregular distribución espacial de
los recursos hidráulicos se trata de corregir a través
de obras hidráulicas de trasvase (túneles
Transandinos) y la variabilidad e irregular
distribución temporal, mediante las obras de
regulación como represamiento de lagunas y
construcción de embalses.
Para el aprovechamiento de los recursos hídricos se
requiere de la concepción, planeamiento, diseño,
construcción, operación y mantenimiento de obras
para controlar y utilizar el agua, para diferentes
necesidades existentes. (Santana, 2000)
Uno de los problemas más frecuentes que se
presentan actualmente en el manejo de los recursos
hídricos es la falta de estructuras hidráulicas de
medición y control del agua y la falta de operación y
mantenimiento adecuado de los sistemas hidráulicos.
(Santana, 2000)
2.2 Minicentral hidroeléctrica en derivación Este tipo de planta generalmente es a filo de agua,
y se caracteriza por no disponer de un embalse que
permita reservar agua para usarla en épocas de menor
caudal; en tal sentido el caudal es tomado
directamente del río mediante una bocatoma que se
comunica con un canal, encargado de conducir el
caudal con una pequeña pendiente hasta el lugar
donde se obtiene la caída necesaria para obtener la
potencia requerida; en este lugar se encuentra un
tanque de presión, y un desarenador que unen el canal
con la tubería de presión, encargada de llevar el
caudal hasta la turbina. (Ortiz, 2001)
2.3 Potencia y energía La energía de una Minicentral Hidroeléctrica
(MCH), se obtiene aprovechando la energía potencial
que adquiere el caudal, al final de una caída, la cual
es transformada por una turbina de energía mecánica
Propuesta de ampliación de la minicentral eléctrica Frias – Piura
An cient. 68(4) 2007, pp. 54-65
56
y posteriormente en energía eléctrica por el
generador, para el cálculo se toman en consideración
los siguientes parámetros (Figura 2).
Figura 2. Representación esquemática de la altura aprovechable.
Altura total (Ht): es el desnivel entre la cota
máxima normal de la toma y la de desagüe al río.
Altura bruta (Hb): es la diferencia de nivel entre
la superficie del agua en la cabecera o cámara de
carga y el final del tubo de aspiración.
Altura neta (Hn): si al asalto bruto para la
situación donde se restan las pérdidas de carga para
un determinado caudal, se obtiene el salto neto para
un desnivel y caudal.
El salto neto es el que opera realmente para obtener
la potencia al multiplicarlo por el caudal (Vallarino,
2001).
La potencia es la energía generada en un segundo,
el peso del agua turbinaza en ese tiempo es: pgQ,
siendo Q el caudal, p = 1 000 kg/m3 la densidad del
agua y g = 9.8 m/s2 la aceleración de la gravedad,
luego la potencia máxima que reciben las turbinas
será:
P = 9.8 HbQ ( J/S = W)……………(1)
La turbina transforma esa potencia hidráulica en
mecánica de giro, pero en la transformación sufre
perdidas y la potencia efectiva viene afectada por un
factor corrector nt, (rendimiento) comprendido entre
0.82 y 0.94.
La turbina entrega esta potencia al rotor común con
el alternador, y este la convierte en eléctrica, con un
rendimiento ng entre 0.92 y 0.98, por lo que:
P = 9.8 ntngHbQ (KW)…………...……..(2)
Para el caso de minicentrales hidroeléctricas se
considera (Castromonte, 4).
Nt = 0.83, ng = 0.92
Por lo que finalmente se tendrá:
P = 7.5 HbQ (KW) ………………....(3)
Por otra parte, un aprovechamiento hidroeléctrico
no puede caracterizarse completamente solo por su
potencia, sino además, y en forma muy importante,
por el tiempo en que esta puede utilizarse.
A este concepto se le llama energía y representa el
trabajo desarrollado en un cierto tiempo; esto es, el
producto de la potencia por dicho tiempo que
generalmente se expresa en horas aprovechadas, es
decir:
Energía = Potencia x Tiempo en horas…………(4)
Al especificar la energía producida en una planta,
es necesario indicar en que periodo se produce: un
mes, un año, etc. (Gardea, 1992).
2.4 Demanda eléctrica
2.4.1 Demanda actual Con el fin de identificar la demanda actual de una
comunidad rural a la cual se suministrara energía, se
debe conocer la información que refleje el consumo
energía energético. Para obtener una visión
preliminar se recomienda inicialmente recolectar la
siguiente información:
Número de habitantes.
Número de familias.
Número de casas.
Industrias agrícolas, mineras, pesqueras,
madereras u otras.
Con esta información preliminar puede conocerse
la demanda actual aproximada, asignándole un
consumo en Kwh por familia, habitantes o casa y
multiplicándolo por el número de estos; así se
obtendrá una visión previa del consumo de la
comunidad (Ortiz, 2001).
2.4.2 Demanda potencial La demanda potencial refleja el uso de los
instrumentos eléctricos durante un día preventivo,
indicando dentro de un horario de uso, y reflejándose
Isamel Alvarado L., Teresa Velásquez B.
57
como el consumo día. Para mayor ilustración,
algunos de estos datos promedios se inician en la
Tabla 1.
2.4.3 Demanda futura La demanda futura es el pronóstico del crecimiento
de la demanda potencial en energía y potencia en un
periodo “t” preestablecido por el diseñador de la
minicentral, en ella se considera: la demanda
industrial, comercial y servicios públicos. Dentro de
la demanda industrial y comercial se consideran
necesidades como las indicadas en la Tabla 2, y en
los servicios públicos son destinadas a materia de
salud, educación, alumbrado y comunicaciones entre
otros. La demanda futura se determina sumando el
total de la demanda residencial, industrial y pública.
Tabla 1. Potencia media de algunos equipos
eléctricos domésticos. Residencial Potencia (W)
Televisor 100
Grabadora 40
Equipo de sonido 100
Licuadora 200
Ventilador 100
Máquina de coser 100
Plancha 1000 – 1500
Radio – teléfono 100
Estufa eléctrica(cada boquilla) 1000 – 1500
Nevera 250
Fuente: Ortiz (2001).
Tabla 2. Potencia media de algunos equipos
eléctricos agroindustriales.
Equipo agroindustrial Potencia (kw)
Aserrio 30 – 60
Carpintería 3 – 15
Trapiche 10 – 20
Telares 2 – 6
Molinos de granos 2 – 20
Beneficiadores de café 5 – 30
Molinos de canteras 6 – 30
Fábricas de hielo 6 – 60
Fuente: Ortiz (2001).
El crecimiento de esta debe calcularse de forma
cuidadosa, ya que se realiza con base en estimados
de. Natalidad, mortalidad, migración, emigración y
perspectivas de desarrollo e incrementándola en un
porcentaje que cubra la migración hacia la
comunidad con energía eléctrica como cargas
especiales. (Ortiz, 2001).
En áreas rurales para la estimación de la demanda
eléctrica se asume potencias instalados per cápita
entre 30 W – 60 W por habitante, la estimación de la
demanda futura, se puede proyectar para periodos
entre 5 – 10 años (Velásquez, 1999).
3. Materiales y métodos
3.1 Información de campo
3.1.1 Ubicación
La Minicentral Hidroeléctrica Frías se encuentra
políticamente en:
Localidades : Frías, El Común
Distrito : Frías
Provincia : Ayabaca
Departamento : Piura
Geográficamente entre las coordenadas UTM
9’458,000 N y 616,500 E; a una altitud aproximada
de 1 650 msnm.
3.1.2 Accesos
El acceso a la zona del estudio se realiza desde la
ciudad de Piura, por vía terrestre, cubriendo la
siguiente ruta.
Piura – Chulucanas Carretera asfaltada 60.00 km
Chulucanas – Frías Trocha carrozable 40.00 km
Frías – El Común Trocha carrozable 6.00 km
3.1.3 Población y principales actividades
Dentro del área de influencia del proyecto se
encuentran el caserío El Común y la localidad de
Frías contando entre estas dos localidades con
proyecciones realizadas para este año con un total de
2 340 habitantes y 585 viviendas.
La actividad principal en la zona es la agricultura,
destacándose como los cultivos más representativos,
el maíz, papa, yuca, fríjol, trigo, cebada entre los
productos de pan llevar; los frutales como, mango,
limonero, papaya, plátano y ganadería dentro de estos
tenemos los caprinos, ovinos, vacunos en menor
proporción y aves domésticas.
3.1.4 Usos del agua
Básicamente el uso del agua es para la agricultura,
dado que la actividad se orienta principalmente al
cultivo de productos alimenticios para su
autoconsumo familiar, desconociendo además los
métodos y técnicas de riego para el uso eficiente de
este recurso, no existe una distribución y
cuantificación de las demandas de agua para uso
agrícola, encontrándose en la actualidad el riego
racionalizado en el día, entre las horas 06 h 00 a 18 h
00.
3.1.5 Características geomorfológicas de la
cuenca
Las principales características geomorfológicas
hasta el emplazamiento de la bocatoma y las diversas
obras civiles y electromecánicas se resume en la
Tabla 3 y Figura 3.
Tabla 3. Geomorfología de la cuenca. Área de la cuenca (km2) 26.1
Cota mas alta (msnm) 3 350
Cota mas baja (msnm) 1 650
Altitud media (msnm) 2 600
Pendiente del cauce principal
(%)
18
Propuesta de ampliación de la minicentral eléctrica Frias – Piura
An cient. 68(4) 2007, pp. 54-65
58
Longitud del cauce principal
(km)
8
Fuente: Elaboración propia.
Figura 3. Plano - geomorfología de la cuenca.
3.1.6 Geología El área de estudio se encuentra emplazada en el
Batolito de la costa delante de la Cordillera
Occidental Norte y es parte del Sistema Hidrográfico
del río Piura en la vertiente del pacífico. Las obras se
emplazan en rocas graníticas y depósitos de cobertura
tales como fluviales y efluvio coluviales. En general
el terreno es accidentado sometidos a intensa erosión
aerolar, configurando quebradas, rápidas, caídas y
cañadas.
3.1.7 Geotecnia Las obras de captación (bocatoma), conducción
(canales, cámara de carga y tubería de descarga) y las
casas de maquinas están asentadas en bloques
graníticos y suelos gravosos por lo que su capacidad
portante según análisis realizados, se obtuvieron
valores mayores a 1.5 kg/cm2. (SAE SA, 1997)
3.1.8 Transporte de sedimentos El lecho principal del río Challe Grande en toda su
longitud presenta materiales de diferentes diámetros
los cuales están en función de la pendiente de dicho
cauce y de los tributarios que alimentan dicho río, en
este sentido se observa tramos con material de
diverso tamaño abarcando diámetros que van desde
10 cm hasta 1 metro.
El transporte de sedimentos es mínimo durantes las
épocas de avenidas dado la vegetación existente. El
transporte de fondo arrastraría partículas de 0.04 mm
de diámetro medio y el transporte de suspensión es
despreciable, las aguas del río como es característico
de las zonas andinas no permanece turbulento.
3.2 Información de gabinete
3.2.1 Información topográfica - Cartas Nacionales elaboradas por el Instituto
Geográfico Nacional (IGN) a escala 1/100,000.
- Mapa del catastro rural elaborado por el
Ministerio de Agricultura a escala 1/25,000.
- Mapa físico político del Perú a escala
1/1’000.000.
- Levantamiento topográfico del área.
Isamel Alvarado L., Teresa Velásquez B.
59
3.2.2 Información hidrometeorológica Generalidades
En la sub – cuenca de la quebrada Challe Grande
donde se ubica la MCH Frías, no existe información
climatológica propia, tales como la Hidrométrica y
Pluviométrica que es de interés para nuestro estudio.
Por lo que se tendrá que utilizar informaciones de
otras cuencas y áreas cercanas haciendo uso de los
métodos indirectos con la información disponible
para poder estimar la oferta del recurso hídrico que es
actualmente utilizado por la minicentral.
Información pluviométrica
En el año de 1997, la Empresa SAE S.A., por
encargo del Ministerio de Energía y Minas (MEN) a
través de su departamento de elaboración de
proyectos, procedió a al revisión de la información
existente en la cuenca del río Piura.
En la cuenca del río Piura se disponen de 21
estaciones, siendo una de las más importantes por su
ubicación la estación Frías ubicada a una altitud de 1
700 msnm. En lo referente a la información
pluviométrica de las demás cuencas de los ríos Chira
y Huancabamba, se utilizó la información existente
para completar la elaboración de la distribución
espacial de precipitación en la cuenca del río Piura,
sobre la base de esta información completada se
procedió a la elaboración del plano de Isoyetas. En la
Figura 4, se presenta el plano de isoyetas
correspondiente a la cuenca del río Piura que es de
interés para el presente estudio.
Información hidrométrica
Se efectúo la recopilación de la información
hidrométrica correspondiente a 13 estaciones que
cuentan con registros de diferentes periodos desde
1965 hasta 1993, siendo la más importante para el
presente estudio los datos de la estación Charanal por
su cercanía a la sub-cuenca Challe Grande. La
información disponible de esta estación cubre
periodos de 1965 a 1993, respectivamente. Los datos
de dicha estación, servirá finalmente de base para la
transposición de los caudales medios mensuales a la
estación conveniente para nuestro estudio.
4. Resultados
4.1 Evaluación hidrometereológica
4.1.1 Evaluación pluviométrica Con el mapa de isoyetas, Figura 4, se ha
determinado las precipitaciones medias anuales en el
área de interés, para nuestro caso para la sub-cuenca
Challe Grande, se tiene en promedio una
precipitación de 1 200 mm.
Figura 4. Plano - isoyetas en la cuenca.
Propuesta de ampliación de la minicentral eléctrica Frias – Piura
An cient. 68(4) 2007, pp. 54-65
60
4.1.2 Análisis hidrométrico
Tabla 4. Caudales medios mensuales extendidos (m3/s) - estación tomas Frías - coeficiente de transposición =
0.268. Año Ene. Feb. Mar. Abr. May. Jun. Jul. Ago. Set. Oct. Nov. Dic. Prom.
1965
1966
1967 1968
1969
1970 1971
1972
1973 1974
1975
1976 1977
1978 1979
1980
1981 1982
1983
1984 1985
1986
1987 1988
1989
1990 1991
1992
1993
0.12
0.25
0.31 0.15
0.10
0.18 0.11
0.28
0.93 0.37
0.22
0.34 0.27
0.64 0.34
0.20
0.27 0.13
0.13
0.13 1.80
0.56
0.71 0.13
0.20
0.20 0.20
0.13
0.13
0.19
0.49
0.63 0.15
0.18
0.22 0.31
0.64
2.77 0.69
0.39
0.38 0.40
1.47 0.86
0.30
0.25 0.23
0.48
0.25 1.07
1.07
0.28 0.56
0.68
0.43 1.04
0.28
0.35
2.15
1.00
0.69 0.20
0.88
0.35 1.58
1.34
1.80 0.57
1.42
0.92 2.69
2.13 2.04
1.04
0.99 0.88
1.25
0.81 3.10
1.64
0.95 1.06
1.81
0.82 1.97
0.79
1.06
2.12
0.54
0.34 0.11
0.70
0.24 1.43
1.35
2.29 0.26
0.73
0.62 1.78
1.07 1.51
1.02
0.62 0.67
0.77
0.56 1.59
0.82
0.79 1.05
1.02
0.59 1.14
0.56
0.76
1.01
0.34
0.25 0.07
0.34
0.19 0.47
0.71
0.79 0.18
0.49
0.36 0.86
0.53 0.77
0.41
0.77 0.36
0.41
0.31 0.61
0.40
0.73 0.62
0.55
0.32 0.64
0.29
0.30
0.54
0.21
0.19 0.03
0.16
0.16 0.28
0.57
0.71 0.09
0.38
0.29 0.45
0.53 0.66
0.29
0.12 0.16
0.16
0.08 0.78
0.53
0.37 0.45
0.33
0.08 0.62
0.08
0.08
0.26
0.12
0.07 0.03
0.09
0.07 0.17
0.27
0.062 0.065
0.22
0.22 0.30
0.34 0.34
0.19
0.08 0.08
0.08
0.04 0.37
0.48
0.08 0.37
0.37
0.22 0.30
0.08
0.04
0.19
0.09
0.09 0.06
0.07
0.08 0.09
0.15
0.43 0.03
0.13
0.15 0.23
0.21 0.17
0.12
0.08 0.10
0.08
0.08 0.19
0.24
0.08 0.15
0.12
0.10 0.13
0.08
0.08
0.12
0.05
0.04 0.02
0.07
0.02 0.09
0.15
0.22 0.03
0.08
0.09 0.11
0.11 0.09
0.07
0.06 0.06
0.06
0.06 0.26
0.11
0.07 0.07
0.07
0.07 0.10
0.06
0.06
0.09
0.05
0.03 0.03
0.03
0.08 0.09
0.09
0.18 0.03
0.07
0.08 0.12
0.08 0.06
0.06
0.05 0.05
0.05
0.05 0.05
0.05
0.36 0.12
0.06
0.05 0.06
0.05
0.05
0.10
0.03
0.04 0.12
0.05
0.07 0.08
0.09
0.19 0.03
0.08
0.08 0.13
0.10 0.08
0.08
0.06 0.06
0.06
0.06 0.40
0.11
0.06 0.06
0.08
0.06 0.06
0.06
0.06
0.08
0.04
0.05 0.01
0.08
0.05 0.15
0.22
0.21 0.03
0.09
0.13 0.13
0.09 0.13
0.09
0.04 0.04
0.04
0.04 1.04
0.23
0.04 0.04
0.09
0.04 0.04
0.04
0.04
0.58
0.27
0.23 0.08
0.23
0.14 0.41
0.49
0.93 0.20
0.36
0.31 0.62
0.61 0.59
0.32
0.28 0.23
0.30
0.21 0.94
0.52
0.38 0.39
0.45
0.25 0.53
0.21
0.25
Prom. 0.33 0.59 1.31 0.93 0.49 0.32 0.20 0.13 0.08 0.08 0.09 0.12 0.39
Máx. 1.80 2.77 3.10 2.29 1.01 0.78 0.62 0.43 0.26 0.36 0.40 1.04 1.24
Min. 0.10 0.15 0.20 0.11 0.07 0.03 0.03 0.03 0.02 0.03 0.03 0.01 0.07
Fuente: Elaboración propia.
4.1.3 Máximas avenidas Dado que en el emplazamiento de la bocatoma, no
se cuenta con registros propios de máximas avenidas,
se realizo la estimación en forma indirecta. Ante esta
carencia de información, la Cooperación Técnica
Peruana-Alemana y la ex-Oficina Nacional de
Evaluación de Recursos Naturales (ONERN) en el
proyecto de Evaluación del Potencial
Hidroenergético Nacional, elaboraron el análisis
regional de avenidas usando la curva envolvente de
Creager.
Tabla 5. Máximas avenidas estación toma Frías
(a). Periodo de retorno
(años)
Caudal
(m3/s)
10 83.5
15 98.2
20 108.6
25 116.7
50 141.8
Tabla 6. Máximas avenidas estación tomas Frías
(b).
Método
Caudal
máximo
(m3/s )
INERHI 31.06
SAE SA. 68.90
Evaluación Potencial hidroeléctrico 98.20
En resumen se presenta los valores de máximas
avenidas estimadas para el presente estudio, para un
periodo de retorno de 15 años.
4.2 Evaluación de la demanda eléctrica
4.2.1 Situación actual Actualmente la minicentral hidroeléctrica
suministra energía eléctrica en forma restringida a las
localidades de Frías y El Común, siendo en las
épocas de avenidas (enero-marzo) durante las noches
de 18 h 00 a 22 h 00, permaneciendo el resto del año
inactivo.
En la actualidad la localidad de Frías, cuenta con
552 usuarios que reciben el suministro de energía
eléctrica en forma restringida, existiendo además
unas 50 viviendas que no cuentan con este servicio.
Las demandas públicas de esta localidad lo
constituyen:
- Centros Educativos (primario, secundario).
- Oficinas de la Policía Nacional.
- Juzgado de Paz.
- Centro de salud.
- Iglesia.
Isamel Alvarado L., Teresa Velásquez B.
61
- Hotel.
Normalmente las viviendas cuentan en promedio
con 3 y 4 focos de 50 Watts y un televisor.
En la localidad El Común, igualmente cuenta con
un servicio restringido, contando en la actualidad con
44 usuarios que reciben el suministro de energía
eléctrica en forma restringida, existiendo además
unas 10 viviendas que no cuentan con este servicio.
En este caserío la demanda de energía es
domestica, existiendo un mínimo de cargas especiales
como son los centros educativos (inicial y primario) y
algunas bodegas pequeñas.
4.2.2 Demanda eléctrica proyectada La demanda de energía eléctrica se proyecta para
un horizonte de 10 años, tiempo en el cual se prevé
que llegue el sistema interconectado. Para el caso
específico de la presente tesis, la demanda eléctrica,
se tomo como referencia el estudio efectuado por la
firma Consultora Díaz. Deustua Ingenieros S.A. en el
año de 1997, dado que se efectúa con todas las
consideraciones del caso para zonas rurales.
En dicho cuadro se tiene:
- Para la localidad de Frías la máxima demanda en
la actualidad es de 124.6 KW.
- Para la localidad de El Común, la máxima
demanda en la actualidad alcanza el 5.1 KW,
mientras que para el año 2013 la máxima demanda
alcanzará el 6.1 KW.
Finalmente, se obtiene una demanda total de 157.8
KW.
4.3 Evaluación de alternativas
4.3.1 Alternativa 1 De acuerdo al diagrama cronológico efectuado, se
tiene que en los meses de marzo y abril, existe un
excedente del recurso hídrico.
Dado esta oferta, como primera alternativa se
propone el embalse de las aguas en dichos meses
(Figura 5).
a) Como primera aproximación se plantea el
funcionamiento de la MCH Frías durante 24 horas,
por lo que se descuenta el caudal demandado,
obteniéndose un caudal neto de 0.475 y 0.225 m3/s,
en la cual se tiene un volumen total de embalse
durante dichos meses de 1 814 400 m3/año = 1.81
MMC (Ver Tabla 7, Columnas 3 y 5).
b) Como segunda aproximación se plantea el
funcionamiento de la MCH Frías durante 12
horas/día, por lo que se dispondrá de mayor volumen
de embalse, se asume que el caudal demandado estará
disponible 12 horas/día, disponiéndose netamente
para el embalse. Se obtiene un volumen de 2 708 640
m3/año = 2.7 MMC (Ver Tabla 7, Columnas 5 y 8).
c) La tercera alternativa trayando de optimizar la
capacidad de embalse se tiene un funcionamiento real
de la MCH de 4 horas diarias (18 h 00 – 22 h 00)
Mayor en este caso de 20 horas diarias, el volumen
de embalse será aun mayor que la anterior, siendo de
3 304 800 m3/s = 3.3 MMC (Ver Tabla 7, columnas 5
y 10). Así mismo se plantea la distribución de los
volúmenes de embalse según las necesidades durante
los meses subsiguientes, alcanzando hasta el mes de
setiembre, si se utiliza durante 4 horas diarias de
funcionamiento de la MCH, ver Columnas 4, 6, 7, 9,
11. Cabe destacar que en esta etapa no se toma en
cuenta en el cálculo, ni la evaporación desde el
embalse, ni la precipitación sobre este. Efectuadas el
reconocimiento de campo y debido a la topografía de
la zona, no existe un lugar donde se pueda emplazar
un embalse con dicha capacidad para ninguna de las
aproximaciones planteadas, por lo tanto esta
alternativa es descartada.
Propuesta de ampliación de la minicentral eléctrica Frias – Piura
An cient. 68(4) 2007, pp. 54-65
62
Figura 5. Hidrograma de caudales medios mensuales al 80% de persistencia.
Tabla 7. Cálculo de la regulación de volúmenes mensuales (minicentral hidroeléctrica Frías).
1 era. Aprox. 24 Hr. de
Funcionamiento
12 Hr. de
Funcionamiento
4 Hr. de
Funcionamiento
Tiempo
(meses)
Caudal
Med.M
ensual Oferta
do por
la cuenca
Challe
Grande
Caudal
Deman.
Por la MCH.
Al año
2013
Caud
al
Exceso m3/s
Caudal
Deficita
rio m3/s
Volume
n
Ofertado
Volumen
Deficitari
o
Volumen
Vertido
Volumen
Ofertado
Volumen
Vertido
Volumen
Ofertado
Volumen
Vertido
ENE FEB
MAR ABR
MAY
JUN JUL
AGO
SET OCT
NOV
DIC
0.18 0.25
0.82 0.57
0.29
0.17 0.09
0.08
0.05 0.04
0.05
0.09
0.345 0.345
0.345 0.345
0.345
0.345 0.345
0.345
0.345 0.345
0.345
0.345
0 0
0.475 0.225
0
0 0
0
0 0
0
0
- 0.165 - 0.095
0 0
- 0.055
- 0.175 - 0.255
- 0.265
- 0.295 - 0.305
- 0.295
- 0.255
0 0
1231200 583200
0
0 0
0
0 0
0
0
-427680 -246240
0 0
-142560
-453600 -660960
-686880
-764640 -790560
-764640
-660960
0 0
0 0
-142560
-453600 -660960
-557280
0 0
0
0
0 0
1678320 1030320
0
0 0
0
0 0
0
0
0 0
0 0
-142560
-453600 -660960
-686880
-764640 0
0
0
0 0
1976400 1328400
0
0 0
0
0 0
0
0
0 0
0 0
-142560
-453600 -660960
-686880
-764640 -596160
0
0 1814400 -5598720 -1814400 2708640 -2708640 3304800 -3304800
(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) (11)
(3) = (1) – (2); (4) = (1) – (2); (5) = (3)*30*24*3600; (6) = (4)*30*24*3600; (7) = (5) (es lo que se vierte cada mes de acuerdo a las necesidades); (8) = (5) + (2)*30*12*3600 (La MCH funciona solo 12 horas por lo que las otras horas se adiciona al embalse); (9) = (8); (10) =
(5) + (2)*30*20*3600; (11) = (10).
4.3.2 Alternativa 2
Se plantea una regulación diaria, para tal caso se
asume que el caudal medio mensual es repetido
durante todos los días del mes correspondiente.
Además, se considera que la MCH Frías operara con
toda su capacidad durante 4 horas siendo entre las 18
h 00 a 20 h 00. Según la necesidad en zonas rurales.
De acuerdo ha este análisis se garantiza el
funcionamiento de la MCH durante 6 meses
continuos de enero a junio ya que en este tiempo se
dispone de mayor oferta de caudal. El análisis puede
verse en la siguiente Tabla 8.
Como primer paso para el análisis de esta
alternativa, se considera que la utilización del agua
solo será permitida en las noches de 18 h 00 a 06 h
00, durante 7 días a la semana, 4 semanas al mes ya
que durante el día el agua es empleado para el riego
agrícola.
Isamel Alvarado L., Teresa Velásquez B.
63
En el análisis se tiene un embalse neto durante las
horas 22 h 00 a 06 h 00 y de 18 h 00 a 20 h 00 el
caudal es vertido directamente al canal de aducción.
En la Columna 1 tenemos el caudal medio mensual
al 80% de persistencia por el río Challe grande.
En la Columna 2 el caudal demandado por la MCH
Frías, en la Columna 3 nótese el déficit de caudales,
existiendo solo un exceso en los meses de marzo y
abril, en lo que no sería necesario el embalse.
En la Columna 4 se realiza el cálculo del embalse
en función del caudal ofertado, así como en la
Columna 5 se tiene el volumen demandado por la
MCH frías durante 4 horas de funcionamiento.
En la Columna 6 se encuentra el volumen
embalsado durante 12 horas y es utilizado durante 4
horas, obteniéndose los volúmenes de exceso y
notándose que durante 6 meses al año se dispone de
suficiente volumen para llevar a cabo el embalse de
regulación diaria.
Tabla 8. Calculo de la regulación de volúmenes diarios para el uso en la MCH Frías.
Tiempo
(meses)
Caudal
Ofert. (m3/s)
Caudal Deman al
año 2013
(m3/s)
Caudal
Deficitario (m3/s)
Vol. Almacen. En 12 Horas
(6.0pm-
12.0pm)
Volumen Utilizado por la Durante 4 Horas. Por
la MCH
(6.0pm-10.0pm)
Oferta de
Volumen Exceso/déficit
Ene.
Feb.
Mar. Abr.
May.
Jun. Jul.
Ago.
Set. Oct.
Nov.
Dic.
0.180
0.250
0.820 0.570
0.290
0.170 0.090
0.080
0.050 0.040
0.050
0.090
0.345
0.345
0.345 0.345
0.345
0.345 0.345
0.345
0.345 0.345
0.345
0.345
- 0.165
- 0.095
0.475 0.225
- 0.055
- 0.175 - 0.255
- 0.265
- 0.295 - 0.305
- 0.295
- 0.255
7.776
10.800
35.424 24.624
12.528
7.344 3.888
3.456
2.160 1.728
2.160
3.888
4.968
4.968
4.968 4.968
4.968
4.968 4.968
4.968
4.968 4.968
4.968
4.968
2808
5832
30456 19656
7560
2376 - 1080
- 1512
- 2808 - 3240
- 2808
- 1080
Exceso
Exceso
Exceso Exceso
Exceso
Exceso Déficit
Déficit
Déficit Déficit
Déficit
Déficit
(1) (2) (3) (4) (5) (6) (8)
(4) = (1)* 3600*12 (tiempo de embalse); (5) = (2)*3600*4 (tiempo de embalse); (6) = (4) – (5)
En la Columna 6 tenemos que en el mes de enero
se dispone de un volumen de 2 808 m3 de exceso la
que es posible embalsar para su utilización durante el
día siguiente. En el mes de febrero tenemos que el
volumen que se dispone en 12 horas es dos veces el
volumen demandado para el funcionamiento en 4
horas; por lo que el volumen de embalse será menor
que 2 808 m3, de la misma manera en el mes de
mayo. En el mes de junio se tendrá un volumen de 2
366 m3 para ser embalsado para el día siguiente.
Dado que el mes de enero el volumen de embalse
para el día siguiente es mayor que en el mes de junio
será considerado como el volumen máximo a
embalsar.
Finalmente, en la Columna 6 se nota que a partir
del mes de julio no se dispone de suficiente volumen
de embalse que comparado con el volumen utilizado
(Columna 5) da un resultado negativo lo que significa
que no existe suficiente recurso para el pleno
funcionamiento de la MCH, continuando esta
deficiencia hasta el mes de diciembre.
Evaluada esta condición y según observaciones de
campo, se recomienda tomar en cuenta esta
alternativa, ya que existe suficiente terreno disponible
que puede facilitar el emplazamiento del reservorio
diario.
Para tal caso analizado se plantea un mejoramiento
de las diversas obras civiles y electromecánicas.
4.4 Evaluación de las obras civiles
4.4.1 Generalidades Para la evaluación de las diversas obras y
electromecánicas se tomará en consideración el
caudal garantizado de 0.345 m3/s entre los meses de
enero a junio durante 4 horas diarias habilitadas por
el reservorio de regulación horaria de capacidad 2
808 m3.
El salto bruto o salto disponible, que es la
diferencia de niveles de agua entre la cámara de
presión y el final del tubo de aspiración que en
nuestro caso tiene una altura de 61 metros.
Se prevé que durante los meses de marzo y abril no
se hace uso del reservorio dado que existe suficiente
caudal que satisface la demanda para la MCH, por lo
que el agua es captada directamente del río Challe
Grande.
5. Conclusiones
Debido a que no existe información hidrométrica
en la sub cuenca Challe Grande, se tuvo que efectuar
la transposición de datos de caudales medios
mensuales desde la estación mas cercana, siendo la
Estación Charanal; dicha estación cuenta con datos
de aforo de un periodo de 29 años, y es colindante
con la sub cuenca Challe Grande, ambas cuencas
presentan características geomorfológicos
semejantes, determinándose el coeficiente de
transposición mediante 3 métodos indirectos,
promediándose sus valores obteniendo como
resultado un coeficiente de transposición de 0,268.
La información pluviométrica se obtuvo con base
en un análisis regional en la cual se tiene datos de 40
estaciones incluyendo las cuencas de los ríos Chira y
Huancabamba, obteniéndose finalmente el plano de
isoyetas, determinándose la precipitación promedio
anual en la cuenca Challe Grande de 1 200 mm.
La evaluación de las máximas avenidas se tomo en
consideración el caudal máximo determinado a través
Propuesta de ampliación de la minicentral eléctrica Frias – Piura
An cient. 68(4) 2007, pp. 54-65
64
de fórmulas empíricas, obteniéndose un promedio de
68.9 m3/s, para un periodo de retorno de 15 años.
Para la sub cuenca Challe Grande se efectuó el
cálculo de la curva de duración al 80% de
persistencia de los caudales medios mensuales cuyos
valores en m3/s obtenidos fueron:
Tabla 9. Caudales medios mensuales de la sub - cuenca Challe Grande (m3).
ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SET OCT NOV DIC
0.18 0.25 0.82 0.57 0.29 0.17 0.09 0.08 0.05 0.04 0.05 0.09
Efectuado el diagrama cronológico de caudales
medios mensuales al 80% de persistencia, se obtiene
un excedente en los meses de marzo y abril,
disponiéndose en estos meses un volumen total de:
1’814,400 m3, que no pueden ser utilizados al no
existir en la zona de estudio lugares para el
emplazamiento de un reservorio con dicha capacidad.
Por lo que esta posibilidad fue descartada.
Dado el bajo régimen de caudales medios
mensuales en la quebrada Challe Grande, se optó por
una regulación diaria, en la que se toma en
consideración el uso agrícola de 06 h 00 a 18 h 00
(día) y para la utilización en regulación diaria para la
MCH Frías durante 12 horas de 18 h 00 a 06 h 00
(noche).
Luego de las evaluaciones efectuadas de demanda
eléctrica para el año 2013 se obtienen que para las
localidades de Frías 151.7 kw. El Común, 6,1 kw
totalizando 157.80 kw, se calculó el caudal de
demanda hallándose un valor de 0.345 m3/s,
planteadas como condiciones: caída, 61.0; eficiencia
turbina, 0.83, eficiencia generador, 0.92.
El caudal es captado directamente del río Challe
Grande los meses de marzo y abril, optándose los
meses de enero, febrero, mayo y junio mediante un
embalse de regulación diaria, determinándose un
valor de 2 808 m3/día con un uso de 4 horas/día entre
las 18 horas y 22 horas.
En los meses de julio a diciembre no se hace uso de
la MCH Frías por no existir suficiente caudal que
satisfaga las horas de uso planteadas y ser
insuficiente para el embalse de regulación diaria.
En la evaluación de las obras civiles se comprobó
las dimensiones existentes, en la que soportaría el
caudal de 0.345 m3/s empezando de la bocatoma,
desarenador canal aductor, cámara de carga, tubería
de presión, casa de maquinas.
Para la elección de la turbina se tomó en
consideración el caudal de 0.345 m3/s y salto neto de
61 m siendo la elegida una turbina tipo Francis, por
ser comercial y encontrarse en el mercado local.
La propuesta económica para la construcción del
reservorio de regulación diaria con una capacidad de
2 808 m3 con geomembrana es de s/ 335 797.29
nuevos soles.
De acuerdo con los análisis efectuados y resultados
obtenidos se concluye que es técnicamente factible la
ejecución de la ampliación de la capacidad instalada
con la implementación de un reservorio de regulación
diaria para incrementar la generación de potencia y
energía de la MCH Frías.
En la evaluación económica del proyecto, se
considera que la inversión para la construcción del
proyecto con una tasa de oportunidad del 12%,
además, este análisis se realizó bajo el supuesto de
que los precios de potencia y energía durante toda la
vida útil del proyecto permanecen constantes.
Económicamente la implementación del proyecto
no es factible, pero en su implementación se debe
tener en cuenta los beneficios sociales a generarse
como el aumento de ocupación, evitar la migración
etc.
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ISSN 0255-0407 Aceptado: 16/10/2006
Estudio y diseño a nivel de factibilidad del embalse de regulación diaria
Yanacocha
Luís A. Aguilar H. 1, Teresa Velásquez B.
2
Resumen
Actualmente nuestro país cuenta con dos sistemas eléctricos para cubrir los incrementos de demanda eléctrica a
corto y mediano plazo, estos sistemas son el Sistema Interconectado Centro Norte y el Sistema Interconectado Sur,
siendo el primero de ellos el más importante. Cada uno de estos sistemas interconectados, están conformados por
Centrales Hidroeléctricas y Centrales Térmicas, las cuales generan su propia energía. Esta generación es importante
desde el punto de vista que el mayor requerimiento de energía a nivel diario se produce entre las 18 h 00 – 11 h 00,
tiempo que se denomina “horas de máxima demanda”, en el cual las centrales hidráulicas y centrales térmicas tienen
que generar su máxima potencia instalada o de diseño. Con la finalidad de cubrir la demanda del sistema y no
incurrir en un desabastecimiento de la misma, que afectaría a los usuarios, a los industriales, en pesquería, minería y
otros, provocando con ello grandes pérdidas económicas, por la interrupción de los distintos procesos industriales y
por ende de la producción. Dentro de este contexto, que la Central Hidroeléctrica Cañón del Pato, administrada por
la Empresa de Generación Eléctrica del Norte (EGENOR S.A.A.), que pertenece al Sistema Interconectado Centro
Norte, ha visto la necesidad de estudiar la posibilidad de efectuar el represamiento de la Laguna Yanacocha
mediante la construcción de una presa pequeña, para usarla como un embalse horario con el fin de incrementar el
caudal diario a ser captado por la bocatoma de la central ubicada sobre el río Santa, en horas de máxima demanda y
así poder incrementar su generación de energía y potencia a ser entregada al Sistema Interconectado Centro Norte.
Por lo indicado anteriormente la presente investigación tiene por finalidad determinar si es técnica y
económicamente factible la ejecución del embalse horario Yanacocha. Finalmente, de acuerdo con los análisis
efectuados y resultados obtenidos se concluye que es técnica y económicamente factible la ejecución del proyecto
del embalse horario de la laguna Yanacocha para incrementar la generación de potencia y energía de la Central
Hidroeléctrica Cañón del Pato, para el abastecimiento de la demanda en horas de máxima demanda del Sistema
Interconectado Centro Norte del Perú.
Palabras clave: Represa, central hidroeléctrica, Yanacocha, bocatoma, sistema interconectado.
Abstract
For the supply of the electric demand, at the moment our country has a National Interconnected System (SINAC),
the same one that was interconnected by means of the Line of Transmission Mantaro-Socabaya starting from
November of the 2000, uniting to the Systems Interconnected Center North (SICN) and the System Interconnected
South (SISUR). Also, the National Interconnected System, this conformed for Central Hydroelectric and Central
Thermal, which generate their own energy. This generation is important from the point of view that the biggest
energy requirement at daily level takes place among 18:00 o-clock al 23:00 hours, time is denominated hors of
maxim demands, in which the thermal hydraulic and central power stations have to generate its maximum installed
power of design. With the purpose of to try cover the demand of the system and that would not affect the users, as
well as to industrial, is fishery, mining an other, causing with it big economic losses, of the interruption of the
different industrial processes and for ended of the production. Inside this context, the Power Station Hydroelectric
Canyon of the Duck, administered by the Company of Electric generation of the North (EGENOR S.A.A.) that
belongs to the national Interconnected System, it has seen the necessity to study the possibility to make the storage
of the Lake Yanacocha by means of the construction of a small prey, to use it as a reservoir schedule with the
purpose of increasing the daily flow to be captured by intake of the power station located on the river Santa, in hours
of maxim it demands and this way to be able to increase their energy generations and power to be given to the
National Interconnected System. For that indicated the present Work of Thesis previously it has for purpose to
determine if it is technical and economically feasible the execution of the daily reservoir Yanacocha, at the level of
Perfectibility.
Key words: Dams, hydroelectric power station, Yanacocha, inlet, interconnected system.
1. Introducción
El crecimiento de la demanda eléctrica en nuestro
país en los últimos años ha sido irregular,
especialmente durante la última década, en que ha
variado acorde al comportamiento de la actividad
económica. El crecimiento promedio anual de la
demanda eléctrica durante la década de los 70
(1971 a 1979 ), de los años 80 (1980 a 1989 ), el
1, 2 Facultad de Ingeniería Agrícola, Universidad Nacional Agraria La Molina. Lima, Perú. E-mail: [email protected]
primer lustro de la presente década (1990 a 1994) y
en los años (1996 y 1997) ha sido de 5.90%, 3.23%,
4.74% y 4.2% respectivamente.
Para el abastecimiento de la demanda eléctrica
nuestro país cuenta con dos sistemas eléctricos
interconectados, el Sistema Interconectado Centro-
Norte (SICN) y El Sistema Interconectado Sur
(SISUR), los cuales a partir de noviembre del 2000 se
interconectarán mediante la línea de transmisión
Mantaro – Socabaya en actual construcción, y de esta
Luís A. Aguilar H., Teresa Velásquez B.
67
manera se formara un único sistema denominado
Sistema Interconectado Nacional (SINA).
La Empresa de Generación Eléctrica del Norte S.A.
(EGENOR S.A.A.) forma parte del SICN, y es la
propietaria de las centrales hidroeléctricas Cahua (40
Mw), Carhuaquero (75 Mw) y Cañón del Pato (240
Mw), así como de las Centrales Térmicas Chimbote,
Trujillo, Chiclayo, Piura, Sullana y Paita, que en su
conjunto tienen una potencia instalada de 77 Mw.
La C.H. Cañón del Pato ha sido repotenciada de
150 Mw a 240 Mw, para alcanzar esta nueva potencia
es necesario turbinar un caudal de 72 m3/s. El caudal
de 72 m3/s necesario para la generación de potencia y
energía de la C.H. Cañón del Pato depende
directamente del recurso disponible en la bocatoma
de la central ubicada sobre el Río Santa. Este caudal
es solo abastecido en época de avenidas (diciembre –
abril), mientras, que época de estiaje no se cuenta con
él. El caudal captado en la bocatoma tiene el efecto
de la regulación de los embalses anuales existentes
Parón y Cullicocha, que en conjunto almacenan
aproximadamente 38 MMC, ambos reservorios
afianzan el recurso hídrico del río Santa solo en
época de estiaje (mayo – noviembre).
La C.H. Cañón del Pato no cuenta con un embalse
de regulación horaria que afiance el recurso hídrico a
ser turbinado por la central en horas de máxima
demanda (horas de punta). El contar con un embalse
de estas características sería de mucha importancia
para la generación de la central y un factor
económico favorable para EGENOR S.A.A. en vista
que el pago por generación de potencia en horas de
máxima demanda o horas de punta (18 h 00 – 23 h
00) es tres veces mayor que el pago por la generación
en las horas fuera de máxima demanda o horas fuera
de punta (00 h 00 – 17 h 00).
Como una posible solución a esta situación, se
plantea en la presente investigación el “Estudio y
diseño a nivel de prefactibilidad del embalse de
regulación horaria Yanacocha”, ubicada en la laguna
del mismo nombre y que se encuentra situada aguas
abajo del embalse existente Cullicocha.
Son objetivos del presente trabajo los siguientes:
a) El análisis de la operación del sistema hidráulico
asociado a la Central Hidroeléctrica Cañón del Pato,
para determinar el aporte hídrico para la regulación
horaria del futuro embalse Yanacocha.
b) Determinación del volumen máximo a ser
embalsado en el reservorio horario Yanacocha.
c) Diseño de la presa de concreto-gravedad y las
obras complementarias, a nivel preliminar.
d) Realizar el análisis económico para la alternativa
elegida y determinar la rentabilidad económica del
embalse Yanacocha.
2. Revisión de literatura
2.1 Selección del tipo de presa Las presas se pueden clasificar en diferentes
categorías, que depende del objeto de la clasificación.
Para el objetivo de este trabajo se considerara tres
amplias clasificaciones de acuerdo: el uso, el
proyecto hidráulico, o los materiales que forman la
estructura.
La clasificación según el uso es en presas de
almacenamiento, presas de derivación y presas
reguladoras. De otro lado la clasificación según el
proyecto hidráulico es en presas vertedoras y presas
no vertedoras. Según el material de que están echas
las presas estas se clasifican en presas de tierra,
presas de enrrocamiento, presas de concreto tipo
gravedad, presas de concreto de tipo arco, presas de
concreto de tipo de contrafuertes.
2.2 Factores físicos que gobiernan la selección
del tipo de presa Los factores que gobiernan la selección del tipo de
presa están constituidos por la topografía, las
condiciones geológicas y la cimentación
(cimentaciones de roca sálisa, cimentaciones de
grava, cimentaciones de limo o de arena fina,
cimentaciones de arcilla, cimentaciones irregulares).
Los materiales para las presas de varios tipos, que
pueden encontrarse algunas veces cerca o en el lugar,
son:
- Suelos para los terraplenes.
- Rocas para los terraplenes, y para enrocamiento.
- Agregados para concreto (arena, grava, piedra
triturada).
2.3 Criterios metodológicos para el diseño
hidráulico y análisis de estabilidad de la presa
2.3.1 Criterios hidráulicos Los criterios podológicos para el diseño hidráulico
están dirigidos al aliviadero de demasías, al diseño
hidráulico del vertedor de demasías, las obras de
toma (circulación libre en las obras de toma),
pérdidas de agua en la circulación del agua en los
conductos forzados.
2.3.2 Análisis de estabilidad de la estructura La función principal de una presa es elevar el nivel
del agua por tanto, la fuerza externa principal que
deben resistir las presas es la presión del agua
embalsada. Sin embargo, también actúan otras
fuerzas en la estructura. Estas fuerzas (Figura 1), son:
- La presión interna y externa del agua.
- Presión de los azolves.
- Presión del hielo.
- Fuerzas sísmicas.
- Estabilidad de la presa concreto gravedad
cimentada sobre roca.
- Estabilidad de la presa concreto gravedad
cimentada sobre roca.
El proyectista de cualquier presa debe hacer
suposiciones básicas con respecto a las condiciones
de su emplazamiento y sus efectos en la estructura
que se proponga. Las investigaciones en el
emplazamiento proporcionan al ingeniero mucha
información para evaluar estas suposiciones, que son
las bases para hacer un proyecto seguro de la presa.
Algunas suposiciones importantes para el proyecto
de presas pequeñas incluyen la subpresión, las
medidas para controlar las filtraciones, la
degradación del canal y la erosión del pie de la presa
del lado de aguas abajo, las condiciones de la
cimentación y la calidad de la construcción. Se hacen
suposiciones adicionales sobre las cargas producidas
Estudio y diseño a nivel de factibilidad del embalse de regulación diaria Yanacocha
An cient. 68(4) 2007, pp. 66-76
68
por el azolve, la presión del hielo, las aceleraciones
sísmicas, y las fuerzas de las olas. El grado en que
afectan estos factores el proyecto, depende
principalmente del tipo de presa, de las presiones
máximas del agua, y del carácter del material de
cimentación. El proyectista debe evaluar estos
factores para cualquier presa tomando en cuenta
amplios factores de seguridad.
Figura 1. Ilustración de las fuerzas que obran en una presa.
Los ingenieros usan tres procedimientos para
evaluar la seguridad de una presa contra el
deslizamiento en dirección de la corriente. Los tres
tienen algunos méritos y, en general, se utilizan las
mismas relaciones entre las fuerzas. Aunque los
valores calculados son seguros, son muy diferentes.
Los tres procedimientos son: (1) el coeficiente de
seguridad contra deslizamiento, (2) el coeficiente de
seguridad, y (3) coeficiente de seguridad por corte y
rozamiento. Deberán apreciarse bien las diferencias
entre estos tres procedimientos. El objeto principal de
cada uno de ellos es obtener un coeficiente de
seguridad, que cuando se excede, pone en peligro a la
presa de ser empujada aguas abajo.
En la Tabla 1, se dan valores de seguridad para el
coeficiente de deslizamiento para diferentes
materiales de cimentación.
Tabla 1. Coeficiente de deslizamiento para las diferentes condiciones de la cimentación.
Material Coeficiente de seguridad contra
deslizamiento, f
Coeficiente mínimo de seguridad que se
sugiere, Fs
Coeficiente por rozamiento y corte,
CRC
Concreto sobre concreto 0.65-0.8 1-1.15 4
Concreto sobre roca profunda, superfície limpia e
irregular 0.8 1-1.15 4
Concreto sobre roca, algunas laminaciones 0.7 1-1.15 4
Concreto sobre grava y arenas gruesas. 0.4 2.5 -
Concreto sobre arena 0.3 2.5 -
Concreto sobre esquistos 0.3 2.5 -
Concreto sobre limo y arcilla * 2.5 * -
Fuente: Portland cement association.
Se requieren pruebas para determinar la seguridad
- Esfuerzos en el concreto
Los esfuerzos unitarios en el concreto y en los
materiales de la cimentación deben mantenerse
dentro de los valores máximos prescritos, para evitar
fallas. En las presas pequeñas normalmente se
desarrollan esfuerzos dentro del concreto que son
menores que la resistencia real que puede
desarrollarse si se usa la mezcla adecuada en el
concreto. Las mezclas que producen un concreto
durable, normalmente tienen resistencia suficiente
para proporcionar un coeficiente de seguridad
adecuado contra el exceso de esfuerzos.
En la Tabla 2 se sugieren valores para las
capacidades de carga para estudios iniciales y guías
para proyectar presas pequeñas de concreto. Si existe
alguna duda con respecto a la clasificación y la
Luís A. Aguilar H., Teresa Velásquez B.
69
bondad de los materiales de cimentación, se
determinarán por medio de pruebas en el campo y en
el laboratorio las capacidades de carga admisibles.
Sin embargo, en la mayor parte de las presas
pequeñas las presiones unitarias de apoyo sobre los
materiales rocosos de cimentación serán
considerablemente menores que los valores dados en
la Tabla 2.
Puede evitarse el vuelco y los esfuerzos de
compresión excesivos si se elige la forma y sección
transversal correctas para la presa. Los esfuerzos de
trabajo típicos empleados en el proyecto de las presas
de concreto son de 42.2 a 70.3 kg/cm2 en compresión
y de 0 a 7.03 kg/cm2 en tensión. En general, se evitan
los esfuerzos en tensión manteniendo todas las
fuerzas resultantes dentro del tercio medio de la base
de la sección que se estudia. La base es la distancia
del paramento de aguas arriba al de aguas debajo de
un bloque; para el cálculo, se supone que el bloque
tiene una anchura de 1 metro.
Tabla 2. Relaciones pesadas de corrimiento y valores de capacidad de carga de los materiales de cimentación.
Material
Relaciones de
corrimiento
pesadas*
Según Lane
Coeficiente
de Bligh*
Capacidades de carga
admisibles en
Ton/m2
Arena muy fina o limo 8.5 18 29.3 densa
Arena fina 7.0 15 9.8 suelta
Arena media 6.0 - 29.3 3
Arena gruesa 5.0 12 29.3 3
Grava fina 4.0 - 48.8 5
Grava media 3.5 - 48.8 5
Grava y arena 3.0 9 48.8 5-10 97.6
Grava gruesa incluyendo cantos 3.0 - 48.8 5-10 97.6
Boleo con algo de cantos y grava 2.5 - 97.6 10
Boleo, grava y arena - 4-6 48.8 5
Arcilla blanda 3.0 - 9.8 1
Arcilla media 2.0 - 39.06 5
Arcilla dura 1.8 - 58.6 6
Arcilla muy dura o toba 1.6 - 97.6 10
Roca buena - - 976.5 100
Roca laminada - - 341.8 35
Fuente: Portland cement association.
*Para usarse en el análisis de las cimentaciones blandas.
3. Materiales y métodos
3.1 Cartografía Se realizó un reconocimiento de la cuenca alta del
río Los Cedros, que ha involucrado a las lagunas
Cullicocha, Rajucocha (actualmente represadas) y la
laguna Yanacocha. Para lo cual se programó un
mínimo de investigaciones básicas que tienen por
objeto obtener toda la información necesaria para
efectuar el diseño de la presa proyectada
considerando que estos estudios son a nivel de
prefactibilidad.
Se han realizado los siguientes trabajos:
- Ubicación del proyecto a escala indicada (Figura
2).
- Topografía del vaso y la boquilla a escala.
- Morfología de la cuenca a escala 1/ 50 000.
- Geología del vaso y la boquilla a escala 1/ 2000.
- Planta - perfil longitudinal – sección transversal a
escala indicada.
- Detalles: aliviadero - canal de descarga a escala
indicada.
3.2 Batimetría El plano batimétrico de la Laguna Yanacocha a
Escala 1:2500 fue proporcionada por la Unidad de
Hidrología y Geología de ELECTROPERU S.A., y
ha servido de base para elaborar las curvas Area-
Elevación-Volumen.
3.3 Topografía Se ha efectuado el levantamiento topográfico del
vaso y de la boquilla de la laguna Yanacocha,
también de la zona de desembocadura aguas abajo, y
las zonas aledañas al proyecto, lo que ha permitido
ver la posibilidad de proyectar rajos de diversas
profundidades, para el mejor aprovechamiento de la
laguna. Se debe tener en cuenta que la laguna
Yanacocha se ubica en una zona primitiva del Parque
Nacional Huascarán, situación que limita la altura de
presa hasta como máximo 6.0 metros.
3.4 Hidrología Las lagunas Cullicocha, Azulcocha y Yanacocha
forman un sistema encadenado de embalses naturales,
ubicadas en la margen izquierda del río Los Cedros.
La laguna Cullicocha, actualmente represada, se
encuentra a una altitud de 4 600 msnm, y tiene una
cuenca de 8.20 km2, Figura 3.
Para el estudio hidrológico de la laguna Cullicocha
y Yanacocha han sido necesarios contar con
información cartográfica siguiente:
Estudio y diseño a nivel de factibilidad del embalse de regulación diaria Yanacocha
An cient. 68(4) 2007, pp. 66-76
70
- Plano catastral (1/25 000).- Fuente: Ministerio de
Agricultura.
-Cartas nacional (1/100 000).- Fuente: I.G.N.
Corongo hoja 18-h
- Cartas nacionales (1/25 000) hoja 18 h - III SE.
- Fotografías aéreas del área.
- Fotografías de campo.
- Mapa ecológico (1/350 000).- Fuente ONERN.
La información cartográfica utilizada en el
desarrollo de la presente tesis fue adquirida en el
Instituto Geográfico Nacional (IGN).
Figura 2. Plano de ubicación del proyecto.
Figura 3. Plano de ubicación de la laguna Yanacocha.
Luís A. Aguilar H., Teresa Velásquez B.
71
3.4.1 Climatología La información hidrometeorológica utilizada en la
presente tesis fue proporcionada por el Servicio de
Hidrometereología de la Empresa de Generación
Eléctrica del Norte S.A. dentro del área de estudio no
se cuenta con información hidrometeorológica, por
que se ha asumido que los parámetros
hidrometeorológicos como temperatura y
evaporación están representados por los datos
registrados en la estación meteorológica Safuna
(4 275 msnm), que operado desde 1969 a 1976.
3.4.2 Precipitación En lo que respecta a la precipitación en el área de
estudio esta ha sido determinada en función del plano
de isoyetas, los resultados se exponen en la Tabla 3.
Tabla 3. Precipitaciones medias en las cuencas
estudiadas.
Cuenca Precipitación media (mm)
Yanacocha 850
Cullicocha 970
Río Los Cedros 1120
3.4.3 Escurrimiento superficial Al no existir información hidrometeorológica en
las cuencas de las lagunas Cullicocha y Yanacocha,
se determinaron los volúmenes anuales aportados por
estas cuencas aplicando el método de Soil
Conservation Service (SCS), método de L.R.
Holdridge y método del Déficit de Escurrimiento, los
resultados se muestran en la Tabla 4.
Tabla 4. Volúmenes anuales obtenidos para las
cuencas lagunas Cullicocha y Yanacocha.
Laguna
Cullicocha
Laguna
Yanacocha
SCS 7.4 2.4
Defici.t Esc. 4.7 1.4
Holdridge 6 1.8
Promedio 6 1.9
Metodo
Volumen
(MMc)
3.4.4 Escurrimiento en las Lagunas
Cullicocha y Yanacocha En función de los resultados obtenidos en el ítem
anterior, y considerando los datos de la estación
hidrométrica Cedros, y utilizando un factor igual a
la relación de volúmenes (V Laguna / V cedros), se
obtuvo los volúmenes mensuales afluentes a la
laguna Cullicocha y Yanacocha, ver Tabla 5.
Tabla 5. Resumen de los volúmenes y caudales aportados por la cuenca de la laguna Cullicocha y Yanacocha.
N°. Días MES
Volumen Caudal Volumen Caudal Volumen Caudal
( MMC ) ( m3/s ) ( MMC ) ( m3/s ) ( MMC ) ( m3/s )
31 E 11,37 4,26 0,63 0,24 0,20 0,07
28 F 11,37 4,68 0,63 0,26 0,20 0,08
31 M 13,77 5,13 0,77 0,29 0,24 0,09
30 A 11,44 4,38 0,64 0,25 0,20 0,08
31 M 8,43 3,13 0,47 0,17 0,15 0,06
30 J 6,55 2,53 0,36 0,14 0,11 0,04
31 J 6,28 2,32 0,35 0,13 0,11 0,04
31 A 6,60 2,44 0,37 0,14 0,12 0,04
30 S 6,48 2,48 0,36 0,14 0,11 0,04
31 O 7,65 2,85 0,43 0,16 0,13 0,05
30 N 8,30 3,21 0,46 0,18 0,15 0,06
31 D 9,91 3,71 0,55 0,21 0,17 0,06
Sumatoria 5.99 2,29 1,89 0,72
Estación Cedros Cullicocha ( f =0,0556) Yanacocha ( f =0,0175 )
Volumen total disponible en Yanacocha = 5,99+1,89 = 7,88 MMC.
3.4.5 Máximas avenidas
La máxima avenida es el mayor caudal de
escorrentía superficial que se puede presentar en una
zona específica. En la zona del proyecto es necesario
contar con esta información para el diseño de las
estructuras hidráulicas. Se ha usado el análisis
regional de descargas máximas, que relaciona el
promedio de los máximas avenidas anuales (Qpmax) y
el área de cuenca de cada estación (A), utilizándose
diferentes estaciones del cuenca del río Santa,
obteniéndose los resultados mostrados en la Tabla 6.
Tabla 6. Método regional caudales de máximas
avenidas - cuenca laguna Yanacocha.
Período de
Retorno
( años)
Factor de
crecimiento
( F.C )
Cuenca Laguna
Yanacocha
Qpmax
( m3/s)
Q ( T )
( m3/s)
10 1.50 2.08 3.12
20 1.65 2.08 3.43
50 1.89 2.08 3.93
100 2.05 2.08 4.26
500 2.40 2.08 4.99
1000 2.60 2.08 5.41
Estudio y diseño a nivel de factibilidad del embalse de regulación diaria Yanacocha
An cient. 68(4) 2007, pp. 66-76
72
3.5 Planteamiento de la operación del
reservorio Cullicocha y aportes hídricos al
embalse horario Yanacocha Actualmente la Central Hidroeléctrica Cañón del
Pato ha incrementado su potencia efectiva de 150
Mw a 240 Mw, y de igual forma su caudal de diseño
de 48 m3/s a 72 m
3/s, que solo se cuenta en época de
avenidas (diciembre a abril), mientras, que en época
de estiaje el caudal en el río Santa es en promedio del
orden de 30 m3/s.
La situación antes mencionada se agudiza en horas
de máxima demanda diaria (18 h 00 – 23 h 00) donde
la Central Cañón del Pato debería de generar su
máxima potencia para poder contribuir al cubrimiento
de la máxima demanda de potencia del Sistema
Interconectado Centro-Norte (SICN) del cual forma
parte.
Actualmente, el sistema hidráulico asociado a esta
central, lo conforman los embalses anuales de Parón
(31 MMC) y Cullicocha (7.9 MMC), los cuales
sirven para afianzar el recurso hídrico del río Santa
en época de estiaje, aportando un caudal constante
entre los meses de mayo a noviembre, ver Figura 4 -
Diagrama topológico del actual Sistema Hidráulico
de la C.H. Cañón del Pato.
Como ya se ha indicado, actualmente, el embalse
estacional Cullicocha aporta un caudal constante
entre los meses de mayo a noviembre, forma de
operación que será modificada de existir el embalse
horario Yanacocha, en vista que sus caudales
desembalsados constituirían los caudales de ingreso
al futuro embalse horario Yanacocha incrementados
por los caudales aportados por la cuenca intermedia
entre estas dos lagunas.
Figura 4. Diagrama topológico del sistema hidráulico asociado a la C.H. Cañón del Pato – situación actual
más el embalse Yanacocha.
3.5.1 Definición del volumen horario a ser
almacenado en el embalse horario Yanacocha El volumen a ser almacenado en el embalse horario
de Yanacocha dependerá de los resultados de los
estudios Topográficos, Geológicos -Geotécnicos,
Batimétricos y de los diseños de la presa Yanacocha,
resultados que modificarán la futura operación del
embalse existente Cullicocha, situación que influirá
en el volumen horario a ser almacenado y por lo tanto
en el caudal a ser descargado en horas de máxima
demanda y en el tiempo de operación del embalse
horario Yanacocha, estos aspectos serán tratados en
detalle en el en puntos expuestos mas adelante.
3.6 Geología y geotecnia El estudio geológico y geotécnico para la zona de
estudio comprende lo siguiente:
- Observaciones geológicas in situ del
emplazamiento de la cuenca, vaso y boquilla.
- Mapeo geológico del vaso y boquilla.
- Elaboración de los perfiles estratigráficos.
- Localización de los materiales de construcción.
El programa consistió en la excavación de pozos a
tajo abierto y el respectivo muestreo dentro del
programa de las investigaciones geotécnicas dentro
del área de estudio. La geología regional de la
Cuenca del Río Santa comprende una secuencia de
rocas sedimentarias, volcánicas e intrusivas cuyas
edades varían desde el jurásico superior hasta el
cuaternario reciente. Geomórficamente se han
identificado tres macro unidades: pampas costaneras,
flanco occidental de los andes y altiplano. Asimismo
estas unidades se subdividen en: ribera litoral, llano
aluvial-pampa costanera, estribaciones del frente
andino, altiplanicies y área glaciada.
3.6.1 Estabilidad de taludes Los taludes naturales o laderas, tanto de los suelos
y rocas que conforman el vaso, se considera estables
por no presentar geodinámica interna tanto en las
condiciones actuales sin represamiento o cuando la
carga hidráulica aumenta llenando el vaso,
incluyendo en ambos casos ocurrencia de sismos, no
existen zonas de inestabilidad. En la zona de la
boquilla, frente aguas debajo de las morrenas
Luís A. Aguilar H., Teresa Velásquez B.
73
terminales o frontales conserva un talud de 57% lo
que permite que la zona sea de una excelente
estabilidad.
3.6.2 Litología En base al trabajo de campo se logró elaborar un
plano geológico de la zona del vaso de la laguna
Yanacocha, donde se tiene las siguientes unidades
litológicas:
- Depósitos morrénicos, constituidos por clastos
heterométricos sub-angulosos, con matriz cohesiva y
en reposo estable (Q-mo).
- Depósitos fluvio-glaciaricos, grava y arena con
incipiente estratificación, escasa cohesión y en reposo
estable (Q-fg).
- Depósitos coluviales, clastos heterometricos
angulosos, sin cohesión, formando escombreras (Q-
co).
- Cuerpo intrusivo tonalitico, basamento rocoso
(Qti-to).
3.6.3 Sismicidad y riesgo sísmico Los fenómenos de geodinámica expresado en
sismos han sido evaluadas después del terremoto del
año 1970, así la Misión de Reconocimiento
Sismológico de la UNESCO-SERESIS llegó a la
consideración de que la intensidad de los sismos es
alta entre los 8 ° a 11 ° de latitud Sur. En el caso del
proyecto de embalse horario Yanacocha se encuentra
dentro de este rango o sea 08°52’11”, de latitud Sur.
El sismo de esta magnitud ocurren en el Perú por lo
menos una vez cada decenio. El valor del coeficiente
de aceleración de la gravedad es de 0.15 g. Las ondas
sísmicas tienen un rumbo NW-SE.
3.6.4 Materiales de construcción Debido a lo accidentado que es el trayecto hacia la
obra es necesario disponer el uso mínimo de
materiales transportados, para lo cual se usarán
materiales propios al ámbito del proyecto. Se puede
extraer materiales finos de una cantera ubicada al
Norte del vaso, a unos 65 m de la orilla, se observa
que es una cantera muy homogénea pero superficial
material morrénico con suficientes contenidos de
finos.
Los materiales gruesos se ubican también al Norte
del vaso de la laguna Yanacocha a partir de la orilla
misma del agua, son de buena calidad, muy
homogéneos, buen peso específico de sólidos. La
cantera de rocas, el depósito coluvial del flanco
derecho existen cantos y bolonería de naturaleza
intrusiva o del afloramiento granítico en un radio de
200 a 400 metros.
4. Resultados y discusión
4.1 Diseños de almacenamiento de la
regulación de la laguna Yanacocha
4.1.1 Ubicación del eje de la presa Las diferentes alternativas de aprovechamiento,
han sido planteadas teniendo en consideración las
siguientes limitantes:
- En virtud a las recomendaciones del geólogo
especialista, donde especifica como altura máxima de
represamiento 7.0 m por encima del nivel actual de la
laguna (3 994.5 msnm a 4 001.5 msnm).
- El recurso hídrico disponible en la laguna
Yanacocha y de los aportes del embalse Cullicocha, o
sea la oferta del recurso hídrico a ser embalsado. Por
lo tanto, se comprueba que la altura de la presa no
sobrepasara el nivel máximo. Los volúmenes a
almacenar y las alturas consideradas para cada
alternativa se pueden apreciar en la curva area-altura-
volumen (Figura 5).
- Otra restricción para la altura del embalse, radica
por el lado de la Dirección del Medio Ambiente del
Instituto Nacional de Recursos Naturales (INRENA),
ya mencionadas anteriormente.
Figura 5. Curva área – elevación – volumen de la laguna Yanacocha.
Estudio y diseño a nivel de factibilidad del embalse de regulación diaria Yanacocha
An cient. 68(4) 2007, pp. 66-76
74
Alternativa I
Diseño del cuerpo de la presa.- La presa
proyectada será construida de concreto ciclópeo en su
totalidad, con un talud 0,5:1 en paramento seco y con
un talud vertical en el paramento húmedo.
La altura total de la presa proyectada es de 4
metros, entre el nivel de la toma en la cota 3 994.5
msnm, y la coronación en la elevación 3 998.5 msnm,
con una longitud de la cortina de 71.0 metros, con
una base de 3.0 metros y un ancho de coronación de
1.5 metros.
El volumen útil que se lograría con esta altura de
presa seria de 50,000 m3.
Aliviadero de demasías.- Esta estructura se
encuentra ubicada en la margen izquierda del eje del
dique, con un ancho de 5.5 metros.
La solución que se plantea para el aliviadero es un
canal de 1.5 metros de base y 1.7 metros de altura,
proyectada como una estructura de alivio rústica,
también en concreto ciclópeo f´c=210 kg/cm2. El
canal se propone con la finalidad de asegurar que en
esta zona del estribo izquierdo de la presa, no haya la
posibilidad de arrastre de material de haber una
avenida no esperada.
El aliviadero descarga el agua de avenida y la
estructura de control se encuentra en la elevación 3
997.5 msnm, coincidente con el Nivel de Aguas
Máximas Ordinarias (NAMO). El canal descarga
desde la elevación 3 996.5 msnm a la elevación 3
992.0 msnm, o sea el nivel del río. Se han proyectado
dos juntas de dilatación a lo largo de su recorrido,
presentando dos pendientes de acuerdo al desarrollo
del terreno, dichos cambios irán con juntas de
dilatación y water stop.
El arrastre de sedimentos es bajo en la cuenca y por
lo cual éstos serán fácilmente controlados por la
misma profundidad de la presa.
Obra de descarga.- Esta estructura atraviesa la
presa, constara de un conducto cerrado que trabajara
a presión en el tramo ubicado aguas arriba de la
compuerta de operación.
Esta obra de descarga tendrá su eje de salida en la
Cota 3 994.5 msnm, lo cual seria el nivel de
aprovechamiento actual de la laguna. Tendrá una
sección cuadrada de 0.5 m x 0.5 m, para evacuar un
caudal de 2.8 m3/s, o sea los 50,000 m
3 durante las 5
horas punta. El conducto se construirá de concreto
reforzado fc´=210 kg/cm2, y protegida con un
blindaje entre la toma y la compuerta. Luego de la
compuerta funcionara a pelo libre con una sección de
0.8 m x 0.8 m, y tiene una longitud de 12 metros.
La obra de toma, estará colocada sobre la zapata de
cimentación de la presa con una longitud de 5 metros
sobre material morrénico, con características de base
1.5 metros, altura variable según terreno, talud de las
paredes las características consideradas para 1:1, y
pendiente 0.005.
Alternativa II
Diseño del cuerpo de la presa.- De igual manera
que la Alternativa I, la presa será construida de
concreto ciclópeo en su totalidad, con un talud 0.5:1
aguas abajo y con un talud vertical aguas arriba.
La altura total de la presa proyectada es de 4.8 m,
entre el nivel de la toma en la cota 3 994 msnm, y la
coronación en la elevación 3 998. 8 msnm, con una
longitud de la cortina de 73.0 m, con una base de 3.2
metros y un ancho de coronación de 1.5 metros.
El volumen útil que se lograría con esta altura de
presa seria de 100,000 m3.
Aliviadero de demasías.- Esta estructura posee
similares características que la Alternativa I.
La estructura de control del aliviadero se encuentra
en la elevación 3 997.8 msnm. El canal descarga
desde la elevación 3 996.8 msnm a la elevación 3
992.0 msnm, o sea el nivel del río.
Obra de descarga.- Esta estructura atraviesa la
presa, y se proyecta un rajo de 0.80 metros en el eje
de salida de la laguna Yanacocha. Este corte implica
ubicar la descarga de la toma sobre la elevación 3
994.0 msnm.
De igual forma que la Alternativa I, tendrá una
sección cuadrada de 1.0 m x 1.0 m, para evacuar un
caudal de 5.6 m3/s o sea los 100,000 m
3 durante las 5
horas punta. Considerando las características de la
anterior alternativa. Luego de la compuerta
funcionara a pelo libre con una sección de 1.0 m x
1.5 m, y tiene una longitud de 16 metros. La obra de
toma y el canal de descargas poseen características
similares a la Alternativa I, variando tan solo la
longitud del canal de descarga.
Alternativa III
Diseño del cuerpo de la presa.- También se
considera el total del cuerpo de la presa de concreto
ciclópeo, con los taludes iguales a los mencionados
en la Alternativa I.
La altura total de la presa proyectada es de 5.3
metros, entre el nivel de la toma en la cota 3993.0
msnm, y la Coronación en la elevación 3 998.3
msnm, con una longitud de la cortina de 70.0 metros,
con una base de 3.7 metros y un ancho de coronación
de 1.5 m.
El volumen útil que se lograría con esta altura de
presa seria de 150,000 m3.
Aliviadero de demasías.- La ubicación será igual a
la considerada en la Alternativa I, con un ancho de
5,5 metros.
La estructura de control del aliviadero se encuentra
en la elevación 3 997.3 msnm. El canal descarga
desde la elevación 3 996.3 msnm al nivel del río, o
sea a la elevación 3 992.0 msnm. Este canal tendrá
una longitud de todo su recorrido de 50 metros. Se
tiene en cuenta las especificaciones mencionadas en
la Alternativa I.
Obra de descarga.- Esta estructura proyecta un
rajo en el eje de salida de la laguna Yanacocha,
profundizando hasta 1.5 metros. Este corte implica
ubicar la descarga de la toma sobre la elevación 3
993.0 msnm, es decir, 1.5 metros por debajo del nivel
de la laguna.
Teniendo en consideración la Alternativa I, se
proyectará una sección cuadrada de 1.5 m x 1.5 m
que trabajará a presión, para evacuar un caudal de
8.33 m3/s o sea los 150,000 m
3 durante las 5 horas
punta. Aguas abajo de la compuerta funcionara a pelo
Luís A. Aguilar H., Teresa Velásquez B.
75
libre con una sección de 1.7 m x 1.7 m, y tiene una
longitud total de 19 metros.
La obra de toma y el canal de descargas poseen
similares características a la Alternativa I, solo
variará la longitud del canal de descarga.
De acuerdo con las recomendaciones de los
estudios geológicos, donde se especifica como altura
máxima de represamiento de 7.0 m por encima del
nivel actual de la laguna.
Las características de las alternativas de regulación
planteadas en la presente investigación, se presentan
en la Tabla 7. En la Tabla 8 se muestra las
características económicas de las tres alternativas de
represamiento de la laguna Yanacocha.
Tabla 7. Resumen de las características de la presa Yanacocha. Tipo de presa: concreto – gravedad Ancho de corona : 1,5 m
Talud aguas arriba: vertical Talud Espaldón : 0,5: 1.0
Alternativa Nivel de toma
( msnm )
NAMIN
(msnm)
NAMO
(msnm)
NAME
(msnm)
Coronación
(msnm)
Altura
( m )
Volumen
regulado
(Miles m3)
1 3 994.5 3 996.0 3 997.5 3 998.1 3 998.5 4,00 50
2 3 994.0 3 995.5 3 997.8 3 998.4 3 998.8 4,80 100
3 3 993.0 3 994.5 3 997.3 3 997.9 3 998.3 5,30 150
Tabla 8. Características económicas de la presa Yanacocha.
Alternativa
N°
Volumen
almacenado
(m3)
Inversión Total
(US $ ) (US $ )/ m3
1 50,000 202,550.92 4.05
2 100,000 228,992.10 2.29
3 150,000 236,550.87 1.58
4.2 Evaluación económica de la alternativa
optima En esta evaluación se ha tomado en cuenta la
alternativa seleccionada en función del menor costo
de agua embalsada, para el embalse Yanacocha. Es
decir, para la Alternativa 3, con la cual se tendrá un
volumen embalsado de 150,000 m3. Asimismo se ha
considerado el mayor incremento de energía y
potencia generada por la operación del embalse en
horas punta en la Central Hidroeléctrica Cañón del
Pato. La evaluación económica del proyecto del
embalse de regulación horaria Yanacocha, se efectúa
sobre la base de su correspondiente flujo de costos y
beneficios. De acuerdo con la evaluación económica,
luego de la actualización del flujo de costos y
beneficios anuales a inicios del año 2001, se han
determinado los siguientes indicadores económicos:
- Valor actual neto económico de: VANE =
1´509,871 Nuevos Soles.
- Tasa Interna de retorno económico: TIRE = 32%
- Relación beneficio- Costo económico: B/Ce =
2,13
5. Conclusiones
1. El nivel de estudio alcanzado en el presente
trabajo es el de Prefactibilidad.
2. Técnicamente es factible realizar la obra, puesto
que no existen problemas de índole geológico,
geotécnico ni hidráulico.
3. El embalse horario proyectado para la laguna
Yanacocha, almacenará un volumen total de 150 000
m3, y será utilizado para incrementar el caudal en
horas de máxima demanda en la bocatoma de la C.H.
Cañón del Pato, ubicada en el río Santa.
4. El transporte de materiales de construcción hacía
el sitio de la obra, se realizará en lomo de mula, por
no contar con una trocha carrozable, en vista que la
construcción de dicha trocha carrozable representaría
un alto costo debido a la topografía accidentada del
lugar y, además, a las restricciones impuestas a la
zona del proyecto, por encontrarse en el Parque
Nacional del Huascarán.
5. La información hidrometereológica utilizada en
el estudio fue proporcionada por la Empresa de
Generación Eléctrica del Norte EGENOR S.A.A.,
proveniente de las estaciones bajo su control en la
cuenca del río Santa.
6. Los estudios hidrológicos se han realizado con
base en ecuaciones de regionalización y fórmulas
empíricas, debido a la falta de información
hidrometereológica en la cuenca de estudio.
7. Los cálculos hidráulicos y el análisis de
estabilidad, para el dimensionamiento de las
diferentes partes funcionales de la presa Yanacocha
han sido simplificados en base a los resultados de los
estudios hidrológicos y geológicos, en razón de que
la magnitud de la obra no requiere de análisis
sofisticados.
8. De los estudios geológicos realizados en la zona
de construcción del proyecto, los estribos se
cimentarían sobre material morrénico, mientras, que
la base lo haría directamente sobre roca mediante una
excavación de poca profundidad.
Estudio y diseño a nivel de factibilidad del embalse de regulación diaria Yanacocha
An cient. 68(4) 2007, pp. 66-76
76
9. Se llego a la conclusión de elegir una presa de
concreto ciclópeo, porque de acuerdo a la teoría son
factibles cuando son cimentadas sobre roca. Además
los volúmenes de materiales utilizados no son
excesivos y no existe problemas en la disponibilidad
de materiales necesarios para la ejecución en la zona
de estudio.
10. Las alternativas de represamiento para la
laguna Yanacocha fueron tres (03), donde los costos
de US$/m3 son de 4,05 para la Alternativa 1, de 2,29
para la Alternativa 2 y del 1,58 para la Alternativa 3.
11. El parámetro para elegir la mejor alternativa de
represamiento de la laguna Yanacocha fue el menor
costo de inversión por metro cúbico almacenado, por
lo tanto la alternativa seleccionada fue la Alternativa
3, que cuenta con un volumen de almacenamiento de
150 000 m3, con un costo total de S/. 816,100.51
Nuevos Soles., equivalente a US $ 236,550.86
Dólares Americanos. Esta alternativa cuenta con una
presa de concreto de 5,3 m de altura.
12. De acuerdo con los análisis efectuados y
resultados obtenidos se concluye que es técnica y
económicamente factible la ejecución del embalse
horario Yanacocha (Alternativa 3) para incrementar
la generación de potencia y energía de la Central
Hidroeléctrica Cañón del Pato para el abastecimiento
de la demanda de horas de máxima demanda del
Sistema Interconectado Centro Norte del Perú.
6. Referencias bibliográficas
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VALLARINO, E. “Tratado Básico de Presas”.
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TORRES, H. FRANCISCO. Obras Hidráulicas.
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An cient. UNALM 68(4), 2007 Recibido: 16/12/2005
ISSN 0255-0407 Aceptado: 22/12/2005
Modelamiento geoespacial para el análisis de la vulnerabilidad ambiental,
bajo diferentes escenarios de manejo agrícola: caso La Encañada
Liliana Sánchez Chacón 1
Resumen
El presente documento describe las herramientas utilizadas en el modelamiento y el manejo de la información para
la evaluación de la vulnerabilidad ambiental. Comprende un caso estacional de cultivos donde el tipo de cultivo y el
manejo del mismo ocasionan en diferente grado lixiviación de nitratos y erosión del suelo, lo cual, fue simulado para
toda la microcuenca, La Encañada. Un modelo de crecimiento del cultivo que incluye un balance de nitrógeno
(utilizando papa, cebada y trigo como ejemplos) y un modelo de erosión, basado en procesos, fueron usados para
simular la dinámica de una campaña de cultivo. Dichos modelos fueron integrados espacialmente tomando en cuenta
las micro variaciones del suelo, del paisaje y las variables climáticas. Los escenarios analizados se centran en tres de
las más importantes variables de decisión reconocidas por los agricultores locales en esa estación de cultivo: a) que
cultivo debe ser sembrado, b) cuando debe ser plantado el cultivo y c) que nivel de fertilizante nitrogenado debe ser
utilizado. La integración de los resultados en tiempo y espacio fueron combinadas en los mapas de Evaluación de la
Vulnerabilidad Ambiental (EVA). Los mapas para toda la microcuenca La Encañada, tienen una resolución espacial
de 30 x 30 m y son: 1) producción de cultivos, en función a la fecha de siembra, la variedad del cultivo, el nivel de
fertilización nitrogenada y las condiciones climáticas 2) erosión del suelo, en función de la fecha de siembra, tipo de
suelo, pendiente, prácticas de manejo, tipo de cultivo y condiciones climáticas, y 3) lixiviación de nitratos en
función a la fecha de siembra, tipo de suelo, pendiente, prácticas de manejo, tipo de cultivo y condiciones
climáticas.
Palabras clave: Herramientas de modelamiento, escenarios de manejo agrícola, análisis de vulnerabilidad.
Abstract
The present document thoroughly describes the modeling tools that were used and the handling of the data to
environmental vulnerability assessment. It involves a case comprising one cropping season in which crop yields and
crops management induce nitrate leaching and soil erosion which were simulated for the entire sub-watershed of La
Encañada. A crop growth model which include a nitrogen balance – using potato, barley and wheat as examples –
and a soil erosion process-based model, were used to simulate the dynamics for a complete cropping season. These
models were integrated geo-spatially by taking into account the micro variations of soil, landscape and climatic
variables. The scenarios analyzed focused on three of the most important decision variables faced by local farmers
each cropping season: a) what crop should be grown, b) when should the crop be planted, and c) what level of N-
fertilizer should be used. The integration of the results in time and space were combined into Environmental
Vulnerability Assessment (EVA) maps. Maps for the entire sub-watershed, with pixels of 30 m x 30 m showed: 1)
crop yield as a function of planting date, crop variety, nitrogen fertilization level and climatic conditions 2) soil
erosion as a function of planting date, soil type, slope, management practice, crop and climatic conditions, and 3) N-
leaching as a function of planting date, soil type, slope, management practice, crop and climatic conditions.
Key words: Modeling tools, agricultural handling scenes, vulnerability assessment.
1. Introducción
En la actualidad, uno de los problemas que afronta
la agricultura a nivel nacional es la variabilidad en el
manejo agrícola, principalmente en lo que respecta al
manejo agronómico, que trae como consecuencia una
producción deficiente en desmedro de la economía de
los agricultores, así como, diferentes niveles de
riesgo potencial de erosión y contaminación del agua.
Esto causa mucha preocupación por la magnitud que
algunos eventos pueden ocasionar, frente a ello, el
análisis del riesgo ambiental constituye una etapa que
debe estar incorporada al planeamiento de los
proyectos, sobre todo en aquellos de gran
envergadura. En tal sentido, la formulación de planes
de prevención en base al uso de herramientas que
involucran modelos biofísicos, basados en procesos,
tales como los modelos DSSAT y WEPP, que
posibilitan la simulación puntual del crecimiento de
1 Facultad de Ingeniería Agrícola, Universidad Nacional Agraria La Molina. Lima, Perú.
E-mail: [email protected]
los cultivos y la pérdida de suelo, así como,
herramientas como el GABP – lab que integra los
modelos puntuales con la información espacial
proporcionada por los formatos SIG, abre nuevos
horizontes para la planificación ambiental y la
conservación de los recursos naturales.
Este trabajo plantea como objetivo presentar una
propuesta metodológica para la evaluación de la
vulnerabilidad ambiental, utilizando el modelamiento
geo espacial.
2. Revisión de literatura
2.1 Sistema de apoyo a las decisiones para la
transferencia de agro tecnología (DSSAT)
Es un modelo de simulación, basado en procesos
biofísicos, que fue desarrollado bajo los auspicios de
la Red Internacional de Sitios piloto para la
Transferencia de Agrotecnología (IBSNAT, siglas en
inglés). Este modelo de cultivo que simula
crecimiento, desarrollo y rendimiento como función
de la genética de las plantas, el clima, condiciones del
Modelamiento geoespacial para el análisis de la vulnerabilidad ambiental, bajo diferentes escenarios de manejo
agrícola: caso La Encañada
78
suelo y las selecciones de manejo del cultivo, permite
a los usuarios ajustar los requerimientos biológicos
de los cultivos a las características físicas y químicas
del suelo, pudiendo determinar sus niveles óptimos
de producción y manejo. Los modelos desarrollados
para ser aplicados en condiciones diferentes a los
experimentos, usualmente sólo requieren de datos de
clima y suelo que son ampliamente disponibles
(Hoogenboom et al., 1999).
2.2 Proyecto para la predicción de la erosión
hídrica (WEPP)
Es un modelo de simulación continua que fue
desarrollado bajo los auspicios del USDA
(Departamento de Agricultura de los Estados Unidos)
en el año 1995. El WEPP es un programa que calcula
escorrentía y erosión diaria. El proceso de erosión
puede ser simulado a nivel de parcelas de escorrentía
o a nivel de una pequeña cuenca. Los “inputs” para
correr el programa, necesitan ser especificados en
cuatro campos de información: un campo de clima,
un campo de pendiente, un campo de suelo y un
campo de manejo (Flanagan et al., 1995).
El modelo WEPP, describe matemáticamente el
proceso de separación, transporte y deposición de las
partículas del suelo debido a la hidrología y fuerzas
mecánicas que actúan sobre un perfil de un terreno
con pendiente (Favis-Mortlock et al., 1996).
2.3 Integración de SIG y modelamiento
biofísico (GABP-Lab)
El Laboratorio de Modelamiento Biofísico y SIG
(GABP-Lab, siglas en inglés) (Baigorria et al.,
2001ª), es una interfase que integra no sólo el modelo
biofísico de cultivos (DSSAT), sino también al
modelo de erosión de suelo basado en procesos
(WEPP). La interfase hace uso de las capacidades de
ambos modelos con el propósito de analizar no solo
la producción del cultivo sino también el riesgo
envuelto en el proceso de producción así como
también sus impactos ambientales, a fin de valorar la
sostenibilidad del sistema agrícola.
3. Materiales y métodos
3.1 Área de estudio
El área de estudio es la microcuenca de La
Encañada, la cual se encuentra localizada en la sierra
norte del Perú, a 40 km al este de la ciudad de
Cajamarca. Geográficamente está ubicada entre los
7 00’21” - 7 08’02” de latitud sur, y, 78 11’22” -
78 21’31” de longitud oeste.
La altitud de la microcuenca varía entre los 2 950 –
4 100 msnm, casi el 80% del área total está por
encima de los 3 200 msnm, habiendo una
predominancia de laderas altas (53,1%) con una
altitud que varía entre los 3 200 – 3 600 msnm.
3.2 Materiales
3.2.1 Modelos validados
DSSAT (Decisión Support System for
Agrotechnology Transfer): Modelo de cultivos.
Jones, 1990.
WEPP (Water Erosion Prediction Proyect):
Modelo de Erosión de Suelos (Flanagan, 1995).
GABP-LAB (GIS and Bio-Physical Modeling
Laboratory): Herramienta de integración y
visualización de la información (Baigorria, 2001).
3.2.2 Mapas generados por simulación GAB –
Lab, (mapas base para la evaluación de la
vulnerabilidad ambiental) Mapas de fechas óptimas de siembra.
Mapas de concentración de nitratos en el agua
subsuperficial.
Mapas de Erosión.
3.2.3 Software SPSS (Statistical Pakcage for the Social Sciences),
MINITAB, ARC VIEW.
3.3 Metodología La propuesta metodológica considera dos etapas
básicas: a) Identificación de los escenarios de
simulación y b) Evaluación de la vulnerabilidad
ambiental debido a la optimización de la producción
agrícola.
3.3.1 Identificación de los escenarios de
simulación Los escenarios de simulación son aquellos factores
antrópicos relacionados con el manejo de los cultivos
(particular de cada zona), que son parte del proceso
productivo, pero no son constantes en el espacio y
tiempo (dependen de la decisión del agricultor). Su
variación causa un cambio en el nivel de
vulnerabilidad de la microcuenca.
Los escenarios de mayor influencia fueron
determinados en campo a partir de una Evaluación
Rural Participativa, realizada con 248 agricultores
representativos del universo de pobladores de la
microcuenca, La Encañada. La muestra evaluada se
encuentra distribuida de la siguiente manera:
Tabla 1. Distribución de la población muestral.
Caserío Nº Agricultores
50
Quinuamayo 22
Quinuayoc 26
Chagmapampa 39
Magmamayo 40
Palpata 19
Potrerillo 24
Lloctarapampa 28
Total 248
3.3.2 Evaluación de la vulnerabilidad
ambiental generada por el desarrollo de
actividades agrícolas
Generación de los mapas diferenciales Los mapas diferenciales se obtuvieron a partir de
los mapas base generados por simulación GAB –
Lab. En la simulación GAB Lab, los modelo DSSAT
y WEPP toman información puntual (píxel de 30 x 30
Liliana Sánchez Chacón
An cient. 68(4) 2007, pp. 77-85 79
m) de los factores de producción físicos y antrópicos
(se simularon dos escenarios de fertilización
nitrogenada), para generar información de de
producción, nitrógeno lixiviado y erosión. Esta
información es integrada espacialmente por el GAB
Lab, analizada y procesada para obtener los mapas: a)
producción óptima, b) erosión y c) N lixiviable, bajo
condiciones de alta y baja fertilización nitrogenada.
Estos mapas generados bajo dos escenarios de
fertilización se restaron para generar los mapas
diferenciales. Los mapas diferenciales muestran la
variación de la producción (∆ de producción (tn/ha),
de la concentración de nitratos en el agua sub
superficial (∆ de concentración de nitratos en el agua
subsuperficial (mg NO3-/l)) y de la erosión (∆ de
erosión (tn/ha) debido al cambio de escenario de
fertilización nitrogenada.
Generación de los mapas de evaluación de la
vulnerabilidad ambiental (EVAs) Los mapas de Evaluación de la Vulnerabilidad
Ambiental (EVAs) evalúan: a) la variación de la
producción debido al cambio de escenarios de
fertilización nitrogenada, b) el incremento de la
erosión del suelo debido al incremento de la
producción generada por el cambio de escenario de
fertilización nitrogenada y c) el incremento de la
lixiviación de nitratos en el agua sub superficial
debido al incremento de la producción generada por
el cambio de escenario de fertilización nitrogenada.
Los EVAs fueron obtenidos de la siguiente manera:
- Incremento de la producción debido al cambio de
escenario de fertilización.
∆ de producción (tn/ha) = produc. alta fertilización–
produc. baja fertilización
- Incremento de la pérdida de suelo (Tn/ha) debido
al incremento de la producción (tn/ha).
∆ de erosión (tn/ha) = tn/ha de erosión
∆ producción (tn/ha) tn/ha de producción
- Incremento de la contaminación de agua
subterránea por nitratos (mg de NO3/l) debido al
incremento de la producción (tn/ha).
∆ de lixiviación de nitratos (mg NO3-/l) = mg de NO3
-/l
∆ producción (tn/ha) tn/ha de produce
4. Resultados y discusión
4.1 Escenarios de simulación La evaluación rural participativa, permitió
determinar los escenarios que serían relevantes para
el proceso de simulación de la vulnerabilidad a la
erosión y a la contaminación por nitratos en la
microcuenca, La Encañada, siendo éstos: a) cultivos
predominantes, b) fechas de siembra y c) niveles de
fertilización nitrogenada.
Respecto a los cultivos de mayor preferencia se
determinó que éstos serían: papa, trigo y cebada.
Existen más de dos estaciones de siembra en La
Encañada para papa, la más grande es la de mayo-
junio y la segunda más grande es la de octubre–
diciembre. Para la simulación, se seleccionó la
estación de octubre–diciembre, por ser la época en
que también se siembra cebada y trigo,
coincidiendo además, con la temporada de mayores
precipitaciones, lo cual, es requerido para el análisis
de vulnerabilidad puesto que la erosión y la
lixiviación de nitratos se incrementa durante este
período.
Los niveles de fertilización nitrogenada utilizados
por los agricultores de La Encañada, han sido
evaluados por el proyecto “Relaciones de intercambio
entre agricultores y medio ambiente (Valdivia,
2002)”, el cual, viene siendo ejecutado desde el año
1997 por la Universidad del Estado de Montana, la
Universidad de Wageningen y el Centro Internacional
de la Papa. Los escenarios seleccionados para la
simulación fueron los valores máximos y mínimos de
fertilización nitrogenada registrados por dicho
proyecto, para los cultivos de papa, cebada y trigo.
En la Tabla 2 se muestran los escenarios.
Tabla 2. Escenarios para la simulación
geoespacial.
Cultivo Meses de Siembra
* Fertilización
Nitrogenada
(kg/ha)
Papa
Octubre 25
100
Noviembre 25
100
Diciembre 25
100
Cebada
Noviembre 20
80
Diciembre 20
80
Enero 20
80
Trigo
Noviembre 20
80
Diciembre 20
80
Enero 20
80
* Rangos de fertilización utilizados por los
agricultores de la zona, que fueron evaluados por el
proyecto “Relaciones de intercambio entre
agricultores y medioambiente”, desde el año 1997
a la actualidad, por la universidad del estado de
Montana, la universidad de Wageningen y, el CIP
(base de datos no publicada)
4.2 Mapas de evaluación de la vulnerabilidad
ambiental (EVA)
4.2.1 Incremento de la producción debido al
cambio de escenario de fertilización
Estos mapas fueron obtenidos a partir de la resta de
los mapas de fechas óptimas de siembra con alta y
baja fertilización nitrogenada. A partir de ellos, fue
posible evaluar, en los diferentes sectores de la
microcuenca, las ventajas económicas de pasar de un
sistema de baja fertilización nitrogenada, a uno de
alta fertilización nitrogenada, pudiendo determinarse,
a priori, el incremento de la producción (tn/ha) del
cultivo debido al cambio de escenario.
Modelamiento geoespacial para el análisis de la vulnerabilidad ambiental, bajo diferentes escenarios de manejo
agrícola: caso La Encañada
80
Los mapas de Evaluación de la Vulnerabilidad
Ambiental (EVA) obtenidos para el presente trabajo
de investigación, se muestran en las figuras 1a, 2a y
3a. Para su interpretación se localizaron 3 parcelas en
los puntos 1, 2 y 3 (ver localización en los mapas).
Para el caso de la producción de papa (Figura 1a),
en el punto 1 el cambio de escenario de fertilización
no implica ganancia alguna para el agricultor, al
contrario, el agricultor estaría perdiendo recursos
económicos puesto que estaría invirtiendo más en
fertilizante y la producción no se incrementaría. En la
parcela 2, bajo escenarios de alta fertilización
nitrogenada las plantas crecen más y por ende
requieren de mayor cantidad de agua, dado que en la
Encañada no hay riego y no habiendo suficiente
precipitación, la plantación en dicho sector muere (no
habrá producción); y, bajo escenarios de baja
fertilización nitrogenada, la plantación tendrá mayor
posibilidad de sobrevivir, sin embargo, la producción
sería menor a 5 tn/ha. El EVA muestra que el cambio
de escenario de baja a alta fertilización nitrogenada
generaría una pérdida (-5 tn/ha). En la parcela 3 el
cambio de escenario de fertilización va ha
incrementar la producción de papa entre 10 a 15
tn/ha.
Para el caso de la producción de cebada (Figura
2a), para las mismas parcelas evaluadas en el caso de
papa, en las parcelas 1 y 2, debido a las condiciones
climáticas, disponibilidad de agua y tipo de
variedades utilizadas en la simulación, el cultivo no
tendría posibilidad de crecer, por lo que el mapa
muestra como resultado suelo desnudo. En la parcela
3, el cambio de escenario de fertilización
incrementaría la producción de cebada entre 5 y 10
tn/ha.
Para el caso de la producción de trigo (Figura 3a),
en las parcelas 1 y 2 el cambio de escenario de
fertilización incrementaría la producción de trigo
entre 5 y 10 tn/ha. En la parcela 3, el incremento de la
producción de trigo debido al cambio de escenario de
fertilización estaría entre 0 y 5 tn/ha, lo cual no sería
significativo y constituiría una inversión innecesaria
para el agricultor.
4.2.2 Incremento de la pérdida de suelo
(Tn/ha) debido al incremento de la
producción (tn/ha) Para evaluar el incremento de la erosión debido al
incremento de la producción, se dividieron los mapas
∆ de erosión (tn/ha) entre los mapas ∆ producción
(tn/ha).
∆ de erosión (tn/ha) = tn/ha de erosión
∆ producción (tn/ha) tn/ha de producción
De este modo es posible evaluar la pérdida de suelo
debido al incremento de la producción de los cultivos
de papa, cebada y trigo, para las condiciones óptimas
de siembra. Para ilustrar la interpretación del mapa,
se continuará evaluando las mismas parcelas 1, 2 y 3
analizadas para los mapas de incremento de la
producción debido al cambio de escenario de
fertilización.
Para el caso de producción de papa (ver Figura 1b),
en la parcela 1 el cambio de escenario de fertilización
incrementaría la producción de papa, pero a su vez,
habría un incremento de la erosión entre 10 y 100
tn/ha debido principalmente a la remoción del suelo
durante la cosecha. En el caso de la parcela 2, el
cambio de escenario de fertilización hace que la
producción muera debido a un déficit de agua, esto
evitaría una pérdida de suelo entre 100 y 1 000 tn/ha,
debido a que no habrá remoción del suelo por la
cosecha. Para el caso de la parcela 3, el cambio de
escenario de fertilización no solo incrementaría la
producción de papa, sino que en cierto modo, se
estaría reduciendo los niveles de erosión (debido al
incremento del área foliar) hasta en 10 tn/ha por cada
tn/ha de incremento de la producción.
Para el caso de la producción de cebada (ver Figura
2b), en las parcelas 1 y 2, la erosión no sería causada
por el cultivo puesto que en ambos sectores el cultivo
no crecería. En el caso de la parcela 3, el cambio de
escenario de fertilización no sólo incrementaría la
producción de cebada, sino que a su vez, estaría
reduciendo la pérdida de suelo (debido al incremento
del área foliar) hasta en 10 tn/ha por cada tn/ha de
incremento de la producción.
Para el caso de la producción de trigo (ver Figura
3b), en las parcelas 1 y 2 el cambio de escenario de
fertilización incrementaría la producción de trigo, y a
su vez, el incremento de el área foliar estaría
disminuyendo los niveles de erosión hasta en 10
tn/ha, por cada tn/ha de incremento de la producción.
En el caso de la parcela 3, el incremento de la
producción de trigo no es tan significativa, sin
embargo, el incremento del área foliar debido al
cambio de escenario de fertilización estaría
disminuyendo la erosión del suelo hasta en 10 tn/ha
por cada tn/ha de incremento de la producción.
4.2.3 Incremento de la contaminación de agua
subterránea por nitratos (mg de NO3/l)
debido al incremento de la producción (tn/ha) Para evaluar el incremento de la contaminación por
nitratos del agua subsuperficial, debido al cambio de
los escenarios de fertilización, se dividieron los
mapas ∆ de lixiviación de nitratos (mg NO3-/l) entre
los mapas ∆ producción (tn/ha):
∆ de lixiviación de nitratos (mg NO3-/l) = mg de NO3/l
∆ producción (tn/ha) tn/ha de produc
Para el caso de La Encañada, se evaluó el
incremento de la contaminación por nitratos del agua
de precolación, debido al incremento de la
producción de los cultivos de papa, cebada y trigo
bajo condiciones optimas de siembra. Para ilustrar la
interpretación de los mapas, se continuará analizando
las mismas parcelas 1, 2 y 3 evaluadas en los casos
anteriores. Para el caso de la producción de papa (ver
Figura 1c), para la parcela 1, el cambio de escenario
de fertilización incrementaría la concentración de
nitratos hasta en 50 mg/l por cada tn de incremento
de la producción, valor que estaría por encima de los
Liliana Sánchez Chacón
An cient. 68(4) 2007, pp. 77-85 81
niveles permisibles para el consumo de acuerdo al
estándar de la USEPA que establece que el límite
máximo permisibles es de 10 mg/l de N – NO3-. Para
el caso de la parcela 2, el cambio de escenario de
fertilización haría que la producción muera por
déficit de agua, evitándose de este modo la
incorporación de fertilizantes nitrogenados, de este
modo se estaría reduciendo la concentración de
nitratos en el agua sub superficial hasta en 500 mg/l
por cada tn de incremento de la producción. En el
caso de la parcela 3, el cambio de escenario de
fertilización incrementaría el área foliar, y la
disponibilidad de agua permitiría el desarrollo de
plantaciones más robustas con mayores
requerimientos de nitrógeno (que bajo escenarios de
baja fertilización), evitando de este modo, el
incremento de la concentración de nitrógeno en el
agua sub superficial. Para el caso de la producción de
cebada (ver Figura 2c), en las parcelas 1 y 2, la
producción no se logra, bajo ninguno de los
escenarios de fertilización, por ende, no tendrían que
utilizarse fertilizantes nitrogenados. Para el caso de la
parcela 3, el cambio de escenario de fertilización
estaría incrementando la concentración de nitratos en
el agua sub superficial hasta en 50 mg/l (valor que
supera el límite máximo permisible para el consumo).
Para el caso de la producción de trigo (ver Figura 3c),
En las parcelas 1 y 2, el cambio de escenario de
fertilización permitiría un mayor desarrollo de las
plantas, lo que generaría que la plantación demande
mayores cantidades de nitrógeno, evitándose de este
modo un incremento de la concentración de nitratos
en el agua sub superficial. En el caso de la parcela 3,
el cambio de escenario de fertilización incrementaría
la concentración de nitratos hasta en 500 mg/l por
cada tn/ha de incremento de la producción, este valor
superaría ampliamente al estándar permisible
establecido por la USEPA.
Figura 1. Evaluación de la vulnerabilidad ambientar para la producción de papa.
Modelamiento geoespacial para el análisis de la vulnerabilidad ambiental, bajo diferentes escenarios de manejo
agrícola: caso La Encañada
82
Figura 2. Evaluación de la vulnerabilidad ambiental para el cultivo de cebada.
Figura 3. Evaluación de la vulnerabilidad ambientar para la producción de trigo.
An cient. UNALM 68(4), 2007 Recibido: 16/12/2005
ISSN 0255-0407 Aceptado: 22/12/2005
5. Conclusiones
En el presente trabajo de investigación se muestra
la capacidad de análisis, manejo de información e
integración de diversas herramientas, para la
simulación del impacto de una campaña agrícola en
la producción de cultivos, en la contaminación del
agua subsuperficial por nitratos y, en la erosión de los
suelos. Uno de los aspectos importantes es que se
incluye en el análisis la variabilidad microclimática,
microedáfica, microtopográfica y de manejo a nivel
de parcela, permitiendo el análisis no sólo a nivel
espacial, sino también, temporal; así mismo, se
incluyen modelos de simulación dinámicos para el
crecimiento de cultivos y pérdida de suelo.
La simulación se realizó para el corto plazo (para
campañas agrícolas individuales), determinándose
que el manejo agronómico que hacen los agricultores,
constituye la mayor posibilidad de cambio, por lo
que, se seleccionaron como escenarios: a) tipos de
cultivo, b) fechas de siembra, y c) niveles de
fertilización nitrogenada, por ser los de mayor
relevancia en la zona de estudio. Sin embargo, es
posible hacer un análisis secuencial (de varias
campañas agrícolas) con el propósito de poder
evaluar el impacto de las actividades agrícolas en el
largo plazo; así mismo, es posible simular otros
escenarios, tales como: pronóstico estacional del
clima, cambio climático, riego, variación de cultivos,
variedades, manejo, etc.
Existen algunas limitaciones en el modelo que
deben ser consideradas en trabajos posteriores: a) el
modelo considera escenarios de monocultivo, lo cual
no es real, puesto que los sistemas agrícolas
altoandinos se caracterizan por poseer una diversidad
de cultivos. Sin embargo, esta es una primera
aproximación que muestra la posibilidad de análisis
de las interacciones entre los sistemas naturales y
antrópicos utilizando herramientas modernas;
posteriormente, el modelo se ira perfeccionando hasta
lograr un mayor acercamiento al escenario real; b) la
calidad de los resultados no solo dependen de la
calidad del modelo, sino además, de la calidad de la
información, esto hace que el proceso sea costoso y,
c) en la simulación se utiliza un pronóstico climático,
el que a su vez, tiene una probabilidad de error.
Los resultados obtenidos en la simulación (mapas
de Evaluación de la Vulnerabilidad Ambiental
(EVA)), muestran que la incorporación de nuevos
niveles tecnológicos y nuevas demandas del mercado,
en la producción de cultivos, no siempre resulta en
beneficio para los agricultores, muchas veces, el
cambio de los escenarios agrícolas, causan el
deterioro y la pérdida de los recursos naturales y
económicos y, constituye, uno de los principales
factores que contribuyen al incremento de los niveles
de pobreza y a la pérdida de la calidad de vida de los
pobladores. Sin embargo, muchas de las decisiones
agrícolas tomadas por los agricultores, son
promovidas a nivel institucional o gubernamental, sin
una valoración del costo ambiental que implica. En
tal sentido, la Evaluación de la Vulnerabilidad
Ambiental (EVA), constituye una herramienta de
apoyo a la toma de decisiones, tanto a nivel
institucional como a nivel del agricultor, puesto que
permite evaluar a priori, la sensibilidad de los
sistemas naturales frente a la acción de factores
externos de estrés.
Finalmente, podemos concluir que el deterioro de
los recursos naturales debido a la actividad agrícola,
es uno de los problemas ambientales de relevancia en
las zonas altoandinas y, contribuye al incremento de
los niveles de pobreza de miles de pobladores en la
región. En tal sentido, la simulación geoespacial
constituye una herramienta básica para la
formulación de planes de prevención y abre nuevos
horizontes para la planificación ambiental y la
conservación de los recursos naturales.
En la actualidad, el deterioro de los recursos
naturales y la pérdida de la calidad de vida de miles
de agricultores de las zonas altoandinas, constituye,
uno de los problemas relevantes que tienen que
afrontar los gobiernos locales, regionales y
nacionales. Frente a ello, el uso de nuevas
herramientas de apoyo a la toma de decisiones y a la
formulación de planes de prevención, representa un
avance significativo que favorecen las relaciones
medioambiente-agricultura-sociedad. En tal sentido,
se recomienda:
- Difundir las herramientas mostradas a través, de
seminarios y publicaciones.
- Implementar programas de desarrollo basados en
una evaluación a priori de la vulnerabilidad del
sistema natural, que incluya una valoración del costo
ambiental del cambio de escenario, antes de la
implementación de un proyecto de desarrollo
agrícola. Para ello pueden utilizarse los mapas de
Evaluación de la Vulnerabilidad Ambiental (EVA).
- Perfeccionar el modelo mostrado con el propósito
de lograr una mayor similitud con los escenarios
reales. Puesto que la calidad de los resultados estarán
directamente relacionados con la calidad de
información, es importante que se destinen fondos a
nivel gubernamental e institucional para el acopio de
información al nivel requerido por el modelo.
- Desarrollar nuevas herramientas que permitan a su
vez determinar rangos de error generados por los
pronósticos climáticos.
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An cient. UNALM 68(4), 2007 Recibido: 01/02/2005
ISSN 0255-0407 Aceptado: 09/01/2006
Propuesta de un método de identificación y valoración de pasivos ambientales
Caso: Rehabilitación de la carretera Yupash-Huaraz
Lía Ramos F. 1, Ricardo Apaclla N.
2
Resumen
En la literatura relacionada a la valoración de impactos ambientales, existen diversos métodos que pueden ser
aplicados a diversos usos, pero aun existe poca información documentada que pueda ser aplicada a los impactos
generados durante la rehabilitación de carreteras. El presente trabajo de investigación se orienta a establecer un
método sistemático adaptado a las condiciones propias de proyectos de rehabilitación de carreteras que permita
valorar los impactos ambientales ocasionados durante las etapas de construcción, como posteriormente durante la
fase de operación de la carretera. Esta metodología será aplicada para el caso específico de la carretera Pariacoto-
Yupash ubicada en el departamento de Ancash. En la valoración de impactos, se distinguen los enfoques objetivos
(cambio en la productividad, costo de enfermedad, costo de oportunidad, costo evitado o de reemplazo); y los
subjetivos (gastos preventivos, método del costo de viaje, método de los precios hedónicos, valoración contingente).
La elección de los métodos de valoración más apropiados depende de la naturaleza del problema, de la
disponibilidad de información y de las restricciones presupuestarias para realizar la valoración. La metodología
adoptada para la selección del método de valoración más apropiado consistió del análisis de los métodos de
valoración ambiental existentes; del análisis de los impactos generados por el proyecto de rehabilitación,
identificando las actividades, sus acciones inducidas y las medidas correctivas; del análisis de los programas del
Plan de Manejo Ambiental y de la comprensión del entorno socioeconómico. Los resultados muestran que para
valorar las medidas correctivas relacionadas a impactos generados por la contaminación del aire y de cobertura
vegetal, como conformación y perfilado de taludes y revegetación, se puede aplicar el método del costo evitado. En
tanto que, para valorar el riego para mitigar la producción de polvo, se puede aplicar el método del gasto preventivo.
Para la valoración de las medidas correctivas para mitigar los impactos producidos por la planta de asfalto y
explotación de canteras, como contaminación del suelo y del aire, se puede aplicar el método del gasto preventivo.
La valoración de los terrenos agrícolas y viviendas asentados dentro del derecho de vía, pueden ser efectuados a
precio de mercado por el Método de Costo de Oportunidad. En el caso de reubicación de un canal de riego que se
encuentra dentro del derecho de vía, es posible aplicar el Método del Costo de Reubicación. Se concluye que la
valoración de los impactos es fundamental para conseguir la preservación del medio ambiente ocasionado por la
rehabilitación de la vía. Sin embargo, esta debe ser una valoración cuantitativa y no subjetiva y debe estar
consignada en el presupuesto de obra. El método de valoración ambiental que más se puede aplicar para valorar los
impactos generados por la rehabilitación de la carretera Pariacoto-Yupash, es el de gasto preventivo. Sin embargo,
también se pueden aplicar los métodos de Costo Evitado, Costo de Oportunidad, Costo de Reemplazo y Costo de
Reubicación, dependiendo de la actividad. Finalmente, se recomienda que la aplicación de un método de valoración
ambiental debe ser tratado holísticamente, considerando no solo el entorno ambiental, sino principalmente tomando
en cuenta el entorno social de la población beneficiada.
Palabras clave: Pasivos ambientales, métodos de indentificación, rehabilitación, carretera, impacto ambiental.
Abstract
In the literature related to the valuation of environmental impacts, diverse methods that can be applied to diverse
uses exist, but it even exists little documented information that can be applied to the impacts generated during the
rehabilitation of highways. The present investigation work is guided to establish a systematic method adapted to the
characteristic conditions of projects rehabilitation highways that allows valuing the environmental impacts caused
during the construction stages, later on during the phase of operation highway. This methodology will be applied for
the specific case of the highway Pariacoto-Yupash located in the department of Ancash. In the valuation of impacts,
they are distinguished the Objective focuses (Change in the Productivity, Cost of Illness, Cost of Opportunity,
Avoided Cost or of Substitution); and the Subjective ones (Preventive Expenses, Method of the travel cost, Method
of the Prices Hedónicos, Contingent Valuation). The election of the most appropriate methods of valuation depends
on the nature of the problem, of the readiness of information and of the budgetary restrictions to carry out the
valuation. The methodology adopted for the selection of the most appropriate method of valuation consisted of the
analysis of the existent methods of environmental valuation; of the analysis of the impacts generated by the
rehabilitation project, identifying the activities, their induced actions and the corrective measures; of the analysis of
the programs the Plan of Environmental Handling and of the understanding of the socioeconomic environment. The
results show that to value the corrective measures related to impacts generated by the contamination of the air and of
vegetable covering, as conformation and profiled of can be applied banks and vegetation, a method of the avoided
cost. As long as, to value the watering to mitigate the powder production, you can apply the method of the
preventive expense. For the valuation of the corrective measures to mitigate the impacts taken place by the asphalt
plant and exploitation of quarries, as contamination of the floor and of the air, you can apply the method of the
preventive expense.
1 Facultad de Ingeniería Agrícola, Universidad Nacional Agraria La Molina. Lima, Perú. E-mail: [email protected] 2 Facultad de Ingeniería Agrícola, Universidad Nacional Agraria La Molina. Lima, Perú. E-mail: [email protected]
Lía Ramos F., Ricardo Apaclla N.
87
The valuation of the agricultural lands and housings seated inside the right side of via, can be made to price of
having bought by the Method of Cost of Opportunity. In the case of relocation of a watering channel that is inside
the right side of via, it is possible to apply the Method of the Cost of Relocation. In conclusion the valuation of the
impacts is fundamental to get whereas preservation the environment caused by the rehabilitation of the road. It
should be a quantitative and not subjective valuation and it should be consigned in the work budget. The method of
environmental valuation that more you can apply to value the impacts generated by the rehabilitation of highway the
Pariacoto-Yupash, it is that of Preventive Expense. Althought the methods of Avoided Cost can be applied, Cost of
Opportunity, Cost of Substitution and Cost of Relocation, depending on the activity. Finally it is recommended that
the application of a method of environmental valuation should be treated holístic, not considering alone the
environmental environment, but mainly taking into account the benefitted population’s social environment.
Key words: Passive environmental, methods of identification, rehabilitation, highway, environmental impact.
1. Introducción
A lo largo del tiempo, las diferentes actividades
humanas han provocado la degradación del ambiente
en sus diferentes factores: agua, aire y suelo. En
algunos casos estos han sido irrecuperables, mientras,
que en otros este proceso va creciendo por efecto
acumulativo, pudiendo transformarse en el futuro, en
nuevos casos irrecuperables.
El pasivo ambiental que generalmente se presenta
en las carreteras está constituido por los impactos
sobre terceros que fueron generados por la existencia
del camino y por los impactos generados por terceros
sobre la misma. Dado que este último caso, los
terceros no pueden ser siempre identificados y
responsabilizados, es necesario corregir estos pasivos
ambientales sobre todo en los casos de riesgo contra
la infraestructura vial y los usuarios.
En la literatura relacionada a los pasivos
ambientales, existen diversos métodos que pueden ser
aplicados a diversos usos, pero aun existe poca
información documentada que pueda ser aplicada a
los pasivos que se presentan en la rehabilitación de
carreteras.
El presente trabajo de investigación se orienta a
establecer un método de identificación y valoración
de pasivos ambientales, adaptado a las condiciones
propias de la rehabilitación de la carretera Yupash-
Huaraz, que permita incorporar en el presupuesto de
obra, el costo de la restauración de los pasivos.
La identificación y valoración de los pasivos
ambientales, buscan vincular su restauración a las
actividades propias de la rehabilitación de la carretera
e incluirlas en el presupuesto de obra. Para lograr este
efecto vinculante el presente trabajo de investigación
se plantea los siguientes objetivos:
- Identificación y caracterización del pasivo
ambiental.
- Valoración del pasivo ambiental.
- Vinculación de la valoración ambiental al
presupuesto de obra.
2. Revisión de literatura
Según Leyson et al. (2003), mencionan que un
pasivo ambiental es una deuda que se tiene por efecto
de una degradación del ambiente y que en algún
momento se debe emplear energía para solventar esa
deuda. La definición de pasivo ambiental alcanza dos
perspectivas mensurables desde dos puntos de vista:
el natural y el antrópico. Desde el punto de vista
natural definen al pasivo ambiental asociado al
deterioro de los ecosistemas, a través del impacto
generado por cuestiones naturales. A partir de
reconocer una contaminación natural y una de origen
humana, el pasivo ambiental es de origen antrópico
cuando se mide con identificadores antrópicos, es
decir, dinero necesario para revertir los casos de
contaminación y deterioro de los recursos naturales.
Kochen & Cunha (2004), hallaron en las Rodovías
SP-122 y SP-31 en la Región San Pablo del Brasil,
que los principales pasivos ambientales encontrados
estaban directamente asociados a los periodos
lluviosos y estaban referidos a:
- Taludes de cortes: por deslizamientos
superficiales, ruptura del suelo o alteración de roca,
inestabilidad de bloques de roca.
- Taludes de terraplén (relleno): por ruptura de
borda, erosión superficial del terraplén.
- Áreas de préstamo y botadores abandonados:
sujetos a la erosión.
Gestión Ambiental Consultores (GAC) en 1996,
realizó la evaluación del pasivo ambiental de la red
vial pavimentada de Uruguay, diseñando una ficha de
caracterización y efectuando el recorrido por gran
parte de la red vial. Los pasivos identificados se
esquematizaron, localizaron en cartografía, se
cuantificaron y caracterizaron medidas correctivas
recomendadas y se preparó un borrador de Términos
de Referencia para su realización. Entre los pasivos
ambientales reconocidos están las alteraciones
morfológicas generadas por la explotación de
canteras y la acumulación de sedimentos en los ríos,
en las cercanías de los puentes.
En el Perú, los pasivos ambientales de carreteras
referidos a inestabilidad de taludes, se ubican
generalmente dentro del área del derecho de vía
(Tabla 1).
Gloria Campian (2002), en el Estudio Definitivo
del Camino Rural Hornomachay-Yanañahui, ubicado
en Junín, identificaron los pasivos que se muestra en
la Tabla 2.
CAEM en el Estudio de Factibilidad de la
Carretera Cuzco-Ollantaytambo-Quillabamba en el
2005, indican que en el tramo Cuzco-Ollantaytambo
los pasivos son mínimos ya que es una vía asfaltada
en constante uso y mantenimiento periódico. En
cambio en el tramo Ollantaytambo-Quillabamba se
identificaron principalmente los pasivos que se
indican en la Tabla 3.
An cient. UNALM 68(4), 2007 Recibido: 01/02/2005
ISSN 0255-0407 Aceptado: 09/01/2006
An cient. 68(4) 2007, pp. 86-100 88
Tabla 1. Ancho mínimo de derecho de vía.
Tipo de carretera Mínimo
deseable (m)
Mínimo
absoluto
(m)
Autopistas 50 30
Multicarriles o
Duales
30 24
Dos carriles (1ra y
2da. Clase)
24 20
Dos carriles (3ra.
Clase)
20 15
Fuente: MTC, Manual de Diseño Geométrico de Carreteras (2001).
Tabla 2. Pasivos ambientales del camino rural Hornomachay-Yanañahui, Junín.
Pasivo Ambiental Solución
No hay sistema de drenaje ni estabilización de taludes naturales,
iniciándose erosión con pérdida de la cobertura vegetal
Repoblación de cubierta vegetal entre Km
14+500 al 16+500 para prevenir posibles
deslizamientos
En cruces de quebradas no existen badenes ni alcantarillas y en algunos
lugares donde el flujo de agua es abundante ha invadido plataforma
ocasionando erosión y difícil tránsito vehicular
Construcción de sistemas de drenaje,
cunetas, alcantarillas y badenes, para
anular escorrentía superficial Fuente: Elaborado con información de Gloria Campian-PROVIAS Departamental-MTC (2002).
Tabla 3. Pasivos ambientales de la carretera Cuzco-Ollantaytambo-Quillabamba. Pasivo Ambiental Solución
Presencia de cementerio dentro de derecho de vía en Prog.
160+000Desvío de trazo para evitar cementerios
Alteración de patrimonio arqueológico Ollantaytambo debido a que
vehículos pasan muy cerca de recintos incas
Proyectar vía de evitamiento paralela a margen derecha de Río
Vilcanota para preservar patrimonio arqueológico
Cementerio dentro de derecho de vía, lado izquierdo en Prog.
190+350. Ampliación de sección de plataforma y cercanía de
tumbas con eje de diseño afectará parte de cementerio
Reubicar tumbas afectadas en la parte posterior del predio,
realizando ampliación del cementerio
Ocupación de derecho de vía en población Carrizales en Prog.
141+900
Viviendas deben ser reubicadas, según plan de compensación y
reasentamiento
Cementerio dentro de derecho de vía, lado derecho en Prog.
186+970
Zona de visibilidad limitada entre Prog. 116+500 y 126+500 que
afecta seguridad de circulaciónInstalar postes delineadores, bordes alertadores y guarda vías
En diseño de eje, ubicar puente nuevo de 15m de luz con eje
apartado al lado izquierdo; con esto se evita afectación de
cementerio.
Presencia de cementerio dentro de derecho de vía en Prog.
163+500Reubicación de cementerio por ampliación de plataforma de vía
En Prog. 173+169: lado izquierdo, ruinas arqueológicas de
Huamanmarca, y en talud derecho cementerio vecinal. Segmento
de vía se encuentra en curva horizontal.
Eje pase por centro de puntos críticos mediante rediseño de
curva horizontal y sobreancho de curva. Recortar talud derecho
una prof de 2m para dar comodidad a procesos constructivos.
Fuente: Elaborado con información de CAEM-PROVIAS Departamental-MTC (2005).
El Reglamento de la Ley 28245, Ley Marco del
Sistema Nacional de Gestión Ambiental, en su
artículo 62 indica que los tratamiento de pasivos
están dirigidos a remediar impactos ambientales
originados por una o varias actividades pasadas o
presentes. Además, cualquier acción que realice el
Estado para atender problemas vinculados a pasivos
no exime a los responsables o a aquellos titulares de
bienes o de derechos sobre las zonas afectadas por los
pasivos, de cubrir los costos de los mismos.
Preinversión y el Banco mundial en el 2005, indica
que una herramienta de gestión ambiental que
comúnmente se aplica a proyectos y que fueron
ejecutados en el pasado, es la Auditoria Ambiental, la
que permite identificar pasivos ambientales que
fueron producto de la operación de los proyectos en
el pasado. Asimismo, indica que las actividades que
se requerirán para recuperar los pasivos identificados
será responsabilidad del concesionario.
2. Materiales y métodos
2.1 Ubicación
La carretera Yupash-Huaraz se ubica políticamente
en los distritos de Pira, Independencia y Huaraz,
provincia de Huaraz en el departamento de Ancash.
Forma parte de la carretera de penetración Casma–
Yautan–Huaraz (km 0+000 en Casma), que
corresponde a la ruta 14-A, de la red vial nacional.
Geográficamente se ubica entre las coordenadas
9º34’12’’ Latitud Sur y 77º41’14’’ Longitud Oeste,
Lía Ramos F., Ricardo Apaclla N.
89
en el centro poblado de Yupash punto inicial del
tramo y, como punto final el nuevo puente a construir
sobre el río Santa, que conectará con la prolongación
de la Av. Raymondi (ciudad de Huaraz) con
coordenadas 9º32’15’’ Latitud Sur y 77º32’7’’
Longitud Oeste.
2.2 Descripción del proyecto
La actual vía entre Yupash y Huaraz se caracteriza
por mostrar laderas de moderada pendiente
(aproximadamente 4%), cortes bajos que atraviesan
escasos riachuelos y quebradas de régimen irregular y
que, consecuentemente transportan moderado caudal
y escaso material de arrastre en época de avenida. Se
sube abruptamente la Cordillera Negra en territorio
accidentado, hasta alcanzar el paso obligado del abra
Punta Callán (4 185 msnm), para luego descender
hasta la ciudad de Huaraz a una altitud de 3 016
msnm, ubicada en el fondo del valle del Callejón de
Huaylas.
Los terrenos agrícolas existentes son en secano y
bajo riego (cebada, trigo, habas, maíz y otros). El
escurrimiento de las aguas de irrigación viene
influenciando negativamente sobre los tramos de
carretera adyacente.
La carretera presenta una transitabilidad regular, de
ómnibus de mediana capacidad que van a Chimbote y
microbuses que llegan al distrito de Pira. En el tramo
Urpay – Huaraz, transitan combis en ambos sentidos
de la vía. A lo largo del tramo existen centros
poblados colindantes con la vía, tales como Yupash,
caserío Tinco, caserío Escalón y el centro poblado
menor Canshan, pertenecientes al distrito de Pira y
los caseríos de Urpay, Cochac y Los Olivos en el
distrito de Independencia.
Entre el caserío Urpay y el puente Calicanto se
desarrolla una zona urbana con construcción de
viviendas a ambos lados de la carretera, sin respetar
el derecho de vía. La densidad de construcciones y
servicio de saneamiento, eléctrico, telefónico, etc., es
mayor, conforme la vía se aproxima a la ciudad de
Huaraz. En algunos sectores la plataforma ha
reducido su ancho hasta 3.0 m y la pendiente de 10%
a 12%, lo cual dificulta el tráfico de vehículos y
peatones por lo que se hace necesario la construcción
de una variante.
2.3 Materiales
Los materiales utilizados para la identificación,
caracterización, evaluación, medidas restauradoras y
valoración de los pasivos ambientales de la carretera
Yupash-Huaraz, son los siguientes:
2.3.1 Diagnóstico ambiental
El análisis de las variables naturales en el área de
influencia directa del proyecto sirve para determinar
los pasivos ambientales generados por la carretera
sobre el medio ambiente y viceversa, y así poder
establecer las previsiones técnicas. Se conoce como
“área de influencia directa” al área donde se
construirán las diversas obras para la rehabilitación
de la carretera y donde ocurrirá la mayor afluencia de
vehículos y tránsito de maquinaria y el mayor grado
de afectación por el movimiento y traslado de
materiales, entre otros aspectos. Para el caso de la
carretera Yupash - Huaraz, está área fue definida
como una franja de 400 metros de ancho, 200 metros
para cada lado del eje, a lo largo de la carretera. Los
centros poblados que se encuentran en este ámbito
son: Yupash, Tinco y Escalón en el distrito de Pira; y
Canshan, Urpay, Cochac y Los Olivos en el distrito
de Independencia de la provincia de Huaraz. El
medio físico y biológico: se resume en la Tabla 4 y 5.
Tabla 4. Caracterización del medio físico.
Variables Climáticas: (media anual)
Temperatura: 0-16 ºC Horas de sol: 2700 hr
Precipitación: 735 - 804 mm Evaporación: 1400 mm
Humedad relativa: 55-80 % Nubosidad: 5/8 - 3/8
Clasificación Climática msnm
Árido sin precipitación en el año cálido-seco. 2000-3000
Semi seco, con otoño invierno. Primavera seco, microtermal húmedo. 3000-4000
Semi seco, invierno seco, frío húmedo. > 4000
Hidrografía: cuenca Casma: 2775 km2
Hidrografía: cuenca Santa: 12200 km2
Fisiografía : Presencia de grandes paisajes de: Llanura Aluvial, Llanura Fluvio Glacial y Montañoso.
Río Casma nace en la cordillera negra con el nombre de Pira hasta la zona de Chacchán. Desde este lugar
hasta Pariacoto se denomina Canchan, luego toma el nombre de río Grande hasta su confluencia con el río
Yaután, en el que adopta el nombre de río Casma hasta su desembocadura.
En el tramo de la carretera, se identifican los siguientes afluentes: quebradas Laboruri, Quita Punta,
Pumahuain y Cochac
Río Santa nace en la laguna Conococha en dirección S-N hasta el Cañón del Pato donde cambia de dirección
a E–O hasta su desembocadura, con un recorrido de 316 Km, pendiente de 1,4%. Hasta el puente Calicanto
(ciudad de Huaraz) la cuenca tiene un área de 2047 Km2.
En el tramo de la carretera, se identifican los siguientes afluentes: la quebrada Yupanca y la quebrada
Tincorios.
Fuente: Elaborado con información de campo, SENAMHI e INRENA.
Tabla 5. Caracterización del medio biológico.
Propuesta de un método de identificación y valoración de pasivos ambientales Caso: Rehabilitación de la carretera
Yupash-Huaraz
An cient. 68(4) 2007, pp. 86-100 90
Flora: 492 especies en la Ecoregión de la Sierra Esteparia y
259 especies en la Ecoregión Puna.
Sobre los 3800 msnm, las familias mejor representadas son: Asteraceae,
Poaceae, Caryophillaceae, Scrophularaceae, Fabaceae, Valerianaceae,
Gentiaceae, Malvaceae, Gerianaceae y Urticaceae.
Fauna: 88 especies
(12 reptiles, 3 anfibios, 56 aves y 17 mamíferos)
Destacan las especies de las familias Asteraceae, Poaceae,
Scrophularaceae, Solanaceae y Carypphyllaceae .
Destacan: Dicrodon holmbergi y Microlophus tigris (reptiles); Atelopus
peruensis (anfibios); Tinamotis pentlandii, Vultur gryphus, Poospiza
alticola y Poospiza rubecula (aves); Hippocamelus antisiensis y Lagidium
peruanum (mamíferos). Fuente: Elaborado con información de ONERN 1985.
2.4 Método
Para establecer la metodología más apropiada que
permita identificar los pasivos ambientales y su
valoración, así como su vinculación con las medidas
mitigadoras expresadas en el presupuesto de obra; se
siguió la siguiente secuencia que comprende
actividades de campo y gabinete:
- Identificación y caracterización del pasivo
ambiental
- Comprensión del entorno socioeconómico
- Elaboración de la matriz de evaluación
- Propuesta de medidas correctivas
- Valoración ambiental de la restauración de los
pasivos
- Vinculación con el presupuesto de obra
El diagrama de flujo siguiente resume la
metodología utilizada y que se describe a
continuación.
- Localización
- Entorno ambiental
- Caracterización del Pasivo
- Causa y/o Origen
Comprensión del Entorno Socioeconómico
Matriz de
Evaluación
Valoración
Ambiental
Medida
correctiva
Cuantificación
del Pasivo Identificació
n y
Cara
cte
rizació
n
Figura 1
Identificación y caracterización
La identificación y caracterización de los pasivos
ambientales se realizó mediante trabajo de campo, es
decir, observación directa de los pasivos durante el
recorrido de los 55,2 km de la carretera, e incluyó lo
siguiente:
- Localización: especifica la progresiva del pasivo
identificado y la referencia con respecto a la
carretera (lado derecho o izquierdo).
- Entorno ambiental: breve descripción de las
características más resaltantes del entorno
ambiental.
- Caracterización del pasivo ambiental: explica los
efectos que genera el pasivo ambiental
identificado, sobre la carretera o viceversa,
acompañado de una vista fotográfica.
- Causa/origen: identifica las acciones u obras
civiles que generan efectos perjudiciales sobre la
carretera, o que la carretera genera sobre terceros.
Se incidió en el tipo de proceso de degradación del
pasivo, es decir, si fue:
- Deslizamientos y derrumbes.
- Hundimientos.
- Inestabilidad de taludes.
- Erosión, sedimentos.
- Obstrucción del cauce.
- Botaderos y/o basurales laterales.
- Daños ecológicos y/o paisajísticos en zonas
frágiles.
- Áreas degradadas por explotación de canteras,
apertura de caminos, campamentos u otros.
- Accesos, caminos vecinales y calles de poblados
interrumpidos por vía.
- Daños a fuentes de agua de poblados y/o a
canales de riego.
- Ocupación de derecho de vía.
2.4.1 Matriz de evaluación del pasivo
El análisis de los datos recolectados en la etapa de
campo se plasmaron en una Matriz, que permitió la
evaluación sistemática de los pasivos ambientales
identificados.
Los atributos que permiten valorar el pasivo han
sido considerados tomando en cuenta las dimensiones
Lía Ramos F., Ricardo Apaclla N.
91
de espacio y tiempo, las que definen el tipo de
importancia que presentará el pasivo, pudiendo
calificarse como alto, moderado y ligero, a fin de
plantear su restauración. Estos atributos son:
- Intensidad: grado de destrucción, pudiendo ser
baja, media o alta.
- Extensión: es local cuando produce un efecto
localizado, regional cuando tiene una incidencia
apreciable en el medio y extraregional cuando se
detecta en una gran parte del medio considerado.
- Momento: de mediano y largo plazo cuando su
efecto se manifiesta al cabo de cierto tiempo desde
el inicio de la actividad que lo provoca, e inmediato
cuando el tiempo entre el inicio de la acción y el de
manifestación del efecto es nulo.
- Persistencia: dependiendo de la duración del efecto
del pasivo en el medio ambiente se clasifica en
fugaz, temporal o permanente.
- Reversibilidad: cuando la alteración puede ser
asimilada por el entorno de forma medible, será
considerada de corto o mediano plazo. Por otro
lado, será irreversible cuando su efecto supone la
imposibilidad de retornar, por medios naturales, a
la situación anterior a la acción que lo produce.
- Sinergia: cuando el efecto conjunto de la presencia
simultánea de varios agentes o acciones supone una
incidencia ambiental mayor que el efecto suma de
la incidencia individual de cada pasivo ambiental.
- Acumulación: dependiendo de la prolongación del
efecto en el tiempo, podrá ser simple o
acumulativo.
- Efecto: se considera directo o indirecto
dependiendo de la incidencia inmediata en los
factores ambientales.
- Periodicidad: será continuo cuando su efecto se
manifiesta, a través de alteraciones regulares en su
permanencia, discontinuo cuando su efecto se
manifiesta a través de alteraciones irregulares en su
permanencia y periódico cuando su efecto se
manifiesta con un modo de acción intermitente.
- Recuperabilidad: dependiendo de su capacidad de
recuperación podrá clasificarse como recuperable,
mitigable o irrecuperable.
2.4.2 Medidas restauradoras Las medidas restauradoras son propuestas de
solución del pasivo ambiental existente. Para ello fue
necesario hacer el levantamiento topográfico de la
zona donde se localiza el pasivo y propuesta del
diseño de la solución.
2.4.3 Valoración ambiental de pasivos El mayor desafío de la valoración ambiental de los
pasivos es proponer las medidas restauradoras para su
solución e incorporarlos al presupuesto de obra del
proyecto.
Se debe presentar un cuadro resumen que
contemple la descripción, cuantificación y valoración
en unidades monetarias de las soluciones planteadas,
indicando la unidad de medida, el metrado
correspondiente, precio unitario, precio parcial y
costo total.
3. Resultados y discusión
3.1 Identificación de pasivos ambientales Los principales pasivos ambientales identificados
son los siguientes:
1. Afectación a plataforma de vía y obstrucción
debido a deslizamientos en talud de corte.
2. Se ubica entre las progresivas km 96+000 hasta
el km 96+230 (lado izquierdo), mostrando un talud
de corte realizado durante la construcción de la vía
existente, con problemas de deslizamiento de
material granular deleznables, debido a que no ha
sido protegido de la erosión pluvial mediante
revegetación. Presenta escasa cubierta vegetal que
creció en forma natural. Este deslizamiento puede
ocasionar obstrucción de la vía, dificultando tránsito
fluido en este sector (Figura 2).
3. Alteración de calidad paisajística en áreas
aledañas a la vía actual por inadecuada restauración
de áreas de explotación de cantera.
4. Se ubican en los progresivos km 107+450 (lado
derecho), km 110+130 (lado derecho) y km 115+800
(lado derecho), se observaron zonas de explotación
de canteras abandonadas las que no fueron
debidamente restauradas, impactando negativamente
el entorno ambiental (Figura 3 a 5).
5. Posible ocurrencia de accidentes de tránsito
debido al alineamiento inadecuado de la carretera
actual:
6. En el progresivo km 98+080 (lado izquierdo) se
observa una curva que dificultad la visibilidad
vehicular originado por un corte de talud durante la
construcción de la vía actual que puede originar
posibles accidentes de tránsito (Figura 6).
7. Interrupción de tránsito vehicular y ocurrencia
de accidentes en los poblados de Urpay y Cochac.
8. En los progresivos km 137+200 y 139+800 se
encuentran los pontones Urpay y Cochac
respectivamente, que presentan fallas en su
estructura. Dichos pontones podrían fallar debido al
tránsito de vehículos de carga pesada entre ambos
poblados. En el trazo de mejoramiento de la ruta
actual está contemplada la construcción de nuevos
pontones, por tanto, los pontones actuales deben ser
clausurados ó limitados solo para uso de vehículos
ligeros (Figura 7 y 8).
3.2 Fichas de pasivos ambientales La identificación de los pasivos ambientales
existentes en la zona de estudio se resume en Fichas
de Caracterización con el fin de agilizar el proceso de
recopilación de los detalles de cada pasivo ambiental
identificado.
La Ficha incluye la matriz de evaluación del
pasivo, diseño de la solución propuesta y la vista
fotográfica del lugar (Figuras 2 a 8).
Propuesta de un método de identificación y valoración de pasivos ambientales Caso: Rehabilitación de la carretera
Yupash-Huaraz
An cient. 68(4) 2007, pp. 86-100 92
Talud inestable
A Huaraz
1. LOCALIZACIÓN Progresiva desde Km. 96+000 hasta Km. 96+230. Lado Izquierdo de carretera
2. BREVE DESCRIPCIÓN AMBIENTAL Sector ubicado adyacente a vía, en centro poblado Yupash. En el entorno se puede apreciar escasa vegetación arbustiva, típica de zona de vida estepa-montano. En partes superiores hay presencia de áreas agrícolas con cultivos estacionales. 3. DESCRIPCIÓN DE PASIVO AMBIENTAL
Inestabilidad de talud izquierdo de carretera, provocando deslizamiento de material que puede interrumpir la
transitabilidad vehicular e incomodar a usuarios de la vía. Tiene una longitud
de 230 m. aproximadamente.
4. CAUSA / ORIGEN Cortes de talud inadecuados efectuados durante construcción de actual carretera.
5. MATRIZ DE EVALUACION: INTENSIDAD EXTENSION MOMENTO PERSISTENCIA REVERSIBILIDAD IMPORTANCIA
Baja Local Largo Plazo Fugaz Corto Plazo
Media Regional Medio Plazo Temporal Medio Plazo
Alta Extraregional Inmediato Permanente Irreversible
SINERGIA ACUMULACION EFECTO PERIODICIDAD RECUPERABILIDAD
Sin sinergismo Simple Indirecto Discontinuo Recuperable
Sinérgico Acumulativo Directo Periódico Mitigable
Muy sinérgico Continuo Irrecuperable
MODERADO
6. CROQUIS DE SOLUCIÓN:
7. MEDIDA DE MITIGACIÓN
Cortes de talud en este sector tomando en cuenta ángulos de reposo de material, así como revegetar superficie de taludes, colocando capa de suelo orgánico y especies de flora típica de la zona.
Figura 2. Afectación a plataforma de vía.
Lía Ramos F., Ricardo Apaclla N.
93
1. LOCALIZACIÓN Progresiva: Km. 107+450. Lado Derecho de la carretera
2. BREVE DESCRIPCIÓN AMBIENTAL
Caracterizada por zona de vida páramo muy húmedo-subalpino, por lo cual en los alrededores se puede aprecia vegetación tipo ichu. En terrenos adyacentes existen pasturas naturales. Escasa presencia de fauna silvestre (algunas aves, reptiles y arácnidos), dado que zona se encuentra intervenida.
3. DESCRIPCIÓN DEL PASIVO AMBIENTAL
Alteración de paisaje, por presencia de cantera
abandonada. Tiene una longitud de 35 m. y ocupa una
superficie de 0.017 Ha, aproximadamente.
4. CAUSA / ORIGEN
No se realizó el cierre de cantera luego de finalizada su explotación.
5. MATRIZ DE EVALUACION
INTENSIDAD EXTENSION MOMENTO PERSISTENCIA REVERSIBILIDAD IMPORTANCIA
Baja Local Largo Plazo Fugaz Corto Plazo
Media Regional Medio Plazo Temporal Medio Plazo
Alta Extraregional Inmediato Permanente Irreversible
SINERGIA ACUMULACION EFECTO PERIODICIDAD RECUPERABILIDAD
Sin sinergismo Simple Indirecto Discontinuo Recuperable
Sinérgico Acumulativo Directo Periódico Mitigable
Muy sinérgico Continuo Irrecuperable
MODERADO
6. CROQUIS DE SOLUCIÓN
7. MEDIDA DE MITIGACIÓN Proceder al cierre de cantera, modificando el alineamiento horizontal, realizando cortes del talud tomando en cuenta ángulos de reposo del material y colocar capa de cobertura vegetal para facilitar el crecimiento de vegetación nativa.
Figura 3. Alteración de calidad paisajística.
Propuesta de un método de identificación y valoración de pasivos ambientales Caso: Rehabilitación de la carretera
Yupash-Huaraz
An cient. 68(4) 2007, pp. 86-100 94
1. LOCALIZACIÓN
Progresiva: Km. 110+130. Lado Derecho de la carretera
2. BREVE DESCRIPCIÓN AMBIENTAL
Caracterizada por zona de vida páramo muy húmedo-subalpino. En los terrenos adyacentes existen pasturas naturales. Escasa presencia de fauna silvestre (algunas aves, reptiles y arácnidos), dado que la zona se encuentra intervenida.
3. DESCRIPCIÓN DEL PASIVO AMBIENTAL
Alteración del paisaje, por
presencia de cantera abandonada. Tiene una longitud
de 15.2 m. y ocupa una superficie de 0.014 Ha,
aproximadamente.
4. CAUSA / ORIGEN
No se realizó el cierre de cantera luego de finalizada su explotación. 5. MATRIZ DE EVALUACION
INTENSIDAD EXTENSION MOMENTO PERSISTENCIA REVERSIBILIDAD IMPORTANCIA
Baja Local Largo Plazo Fugaz Corto Plazo
Media Regional Medio Plazo Temporal Medio Plazo
Alta Extraregional Inmediato Permanente Irreversible
SINERGIA ACUMULACION EFECTO PERIODICIDAD RECUPERABILIDAD
Sin sinergismo Simple Indirecto Discontinuo Recuperable
Sinérgico Acumulativo Directo Periódico Mitigable
Muy sinérgico Continuo Irrecuperable
MODERADO
6. CROQUIS DE SOLUCIÓN
7. MEDIDA DE MITIGACIÓN
Utilizar la depresión existente como un depósito de material excedente. El excedente debe ser dispuesto realizando el tendido, nivelado y compactación por capas. Sobre la superficie del depósito se deberá colocar una capa de cobertura vegetal para facilitar el crecimiento de vegetación nativa.
Especificaciones: Capacidad: 35.8 m3. Área : 104.32 m2. Compactación del material con pizón
Talud con pendientes de 23º. Cobertura vegetal: ichu. Banquetas de 25 cm. de alto y 50 cm. de ancho.
Figura 4. Alteración de calidad paisajística.
Lía Ramos F., Ricardo Apaclla N.
95
Huaraz
Área
intervenida
1. LOCALIZACIÓN
Progresiva: Km. 115+800. Lado Derecho de la carretera
2. BREVE DESCRIPCIÓN AMBIENTAL
Caracterizada por la zona de vida páramo muy húmedo-subalpino. En los terrenos adyacentes existen pasturas naturales. Existe escasa presencia de especies de fauna silvestre (algunas aves, reptiles y arácnidos), dado que la zona se encuentra intervenida.
3. DESCRIPCIÓN DEL PASIVO AMBIENTAL
Alteración del paisaje, por
presencia de cantera abandonada. Tiene una
longitud de 115 m, aproximadamente.
4. CAUSA / ORIGEN
No se realizó el cierre de cantera luego de finalizada su explotación.
5. MATRIZ DE EVALUACION
INTENSIDAD EXTENSION MOMENTO PERSISTENCIA REVERSIBILIDAD IMPORTANCIA
Baja Local Largo Plazo Fugaz Corto Plazo
Media Regional Medio Plazo Temporal Medio Plazo
Alta Extraregional Inmediato Permanente Irreversible
SINERGIA ACUMULACION EFECTO PERIODICIDAD RECUPERABILIDAD
Sin sinergismo Simple Indirecto Discontinuo Recuperable
Sinérgico Acumulativo Directo Periódico Mitigable
Muy sinérgico Continuo Irrecuperable
MODERADO
6. CROQUIS DE SOLUCIÓN
7. MEDIDA DE MITIGACIÓN
Perfilado de talud y colocar una capa de cobertura vegetal para facilitar el crecimiento de vegetación nativa.
Figura 5. Alteración de calidad paisajística.
Propuesta de un método de identificación y valoración de pasivos ambientales Caso: Rehabilitación de la carretera
Yupash-Huaraz
An cient. 68(4) 2007, pp. 86-100 96
A Huaraz
Obstrucción de la
visibilidad
1. LOCALIZACIÓN
Progresiva: Km. 98+080. Lado Izquierdo de carretera
2. BREVE DESCRIPCIÓN AMBIENTAL
En las proximidades a este sector se aprecia escasa vegetación arbustiva, característica de la zona de vida estepa– montano. En partes altas, se evidencia áreas cuyo uso actual es de cultivos estacionales.
3. DESCRIPCIÓN DEL PASIVO AMBIENTAL
El alineamiento horizontal de la actual carretera
desarrolla curvas cerradas que origina falta de
visibilidad y que podrían ocasionar accidentes de
tránsito, poniendo en riesgo la vida de los usuarios de la
vía.
4. CAUSA /ORIGEN
La falta de banquetas de visibilidad durante la construcción de carretera actual.
5. MATRIZ DE EVALUACION
INTENSIDAD EXTENSION MOMENTO PERSISTENCIA REVERSIBILIDAD IMPORTANCIA
Baja Local Largo Plazo Fugaz Corto Plazo
Media Regional Medio Plazo Temporal Medio Plazo
Alta Extraregional Inmediato Permanente Irreversible
SINERGIA ACUMULACION EFECTO PERIODICIDAD RECUPERABILIDAD
Sin sinergismo Simple Indirecto Discontinuo Recuperable
Sinérgico Acumulativo Directo Periódico Mitigable
Muy sinérgico Continuo Irrecuperable
LIGERO
6. CROQUIS DE SOLUCIÓN
9. MEDIDA DE MITIGACIÓN
Modificación del alineamiento horizontal, ampliando el radio de la curva.
Figura 6. Posible ocurrencia de accidentes de tránsito.
Lía Ramos F., Ricardo Apaclla N.
97
1. LOCALIZACIÓN
Progresiva: Km. 137+200. El nuevo trazo de la carretera, contempla una variante desde antes del pontón Urpay hasta Huaraz, por lo cual el pontón Urpay no se encuentra considerado. Lado: Aguas abajo de la quebrada Pumahuain
2. BREVE DESCRIPCIÓN AMBIENTAL
El pontón “Urpay” es una estructura que permite el cruce de la quebrada Pumahuain. Permite transportar productos agrícolas como olluco, arveja, vainita, entre otros, hacia la ciudad de Casma y Chimbote.
3. DESCRIPCIÓN DEL PASIVO AMBIENTAL
Posible falla estructural del pontón Urpay, pues no se descarta la posibilidad que continúen circulando algunos vehículos pesados por la ruta Yupash-Urpay-Huaraz, para extracción de productos agrícolas de este sector hacia Casma y Chimbote.
4. CAUSA / ORIGEN
La estructura del pontón se encuentra en mal estado de conservación; las maderas están fatigadas y la capacidad de carga esta limitada a vehículos ligeros.
5. MATRIZ DE EVALUACION
INTENSIDAD EXTENSION MOMENTO PERSISTENCIA REVERSIBILIDAD IMPORTANCIA
Baja Local Largo Plazo Fugaz Corto Plazo
Media Regional Medio Plazo Temporal Medio Plazo
Alta Extraregional Inmediato Permanente Irreversible
SINERGIA ACUMULACION EFECTO PERIODICIDAD RECUPERABILIDAD
Sin sinergismo Simple Indirecto Discontinuo Recuperable
Sinérgico Acumulativo Directo Periódico Mitigable
Muy sinérgico Continuo Irrecuperable
ALTO
6. CROQUIS DE SOLUCIÓN
7. MEDIDA DE MITIGACIÓN
Colocar al inicio y fin del pontón la señalización donde se indique la máxima capacidad de carga que soporta el pontón “Urpay”. Además, colocar al inicio y final de la variante carteles que indiquen restricción a la circulación de camiones pesados por la ruta Urpay – Huaraz.
PONTON URPAY
CAPACIDAD MÁXIMA:
LONGITUD: NO
CAMIONES
PO NTO N
CAPACIDAD
LO NGITUD
Figura 7. Interrupción de tránsito vehicular.
Propuesta de un método de identificación y valoración de pasivos ambientales Caso: Rehabilitación de la carretera
Yupash-Huaraz
An cient. 68(4) 2007, pp. 86-100 98
1. LOCALIZACIÓN
Progresiva: Km. 139+800. El nuevo trazo de la carretera, contempla una variante desde antes del pontón Urpay hasta Huaraz, por lo cual el pontón Cochac no se encuentra considerado dentro del proyecto. Lado: Aguas abajo de la quebrada Cochac
2. BREVE DESCRIPCIÓN AMBIENTAL
El pontón “Cochac” es una estructura que permite el cruce de la quebrada Cochac. Asimismo, permite transportar los productos agrícolas que produce hacia las ciudades de Casma y Chimbote.
3. DESCRIPCIÓN DEL PASIVO AMBIENTAL
Posible falla estructural del pontón Cochac, pues no se descarta la posibilidad que continúen circulando algunos vehículos pesados por la ruta Yupash-Urpay-Huaraz, para extracción de productos agrícolas de este sector hacia Casma y Chimbote.
4. CAUSA / ORIGEN
La estructura del pontón se encuentra en mal estado de conservación; las maderas están fatigadas y la capacidad de carga esta limitada a vehículos ligeros.
5. MATRIZ DE EVALUACION
INTENSIDAD EXTENSION MOMENTO PERSISTENCIA REVERSIBILIDAD IMPORTANCIA
Baja Local Largo Plazo Fugaz Corto Plazo
Media Regional Medio Plazo Temporal Medio Plazo
Alta Extraregional Inmediato Permanente Irreversible
SINERGIA ACUMULACION EFECTO PERIODICIDAD RECUPERABILIDAD
Sin sinergismo Simple Indirecto Discontinuo Recuperable
Sinérgico Acumulativo Directo Periódico Mitigable
Muy sinérgico Continuo Irrecuperable
ALTO
6. CROQUIS DE SOLUCIÓN
7. MEDIDA DE MITIGACIÓN
Colocar al inicio y fin del pontón la señalización donde se indique la máxima capacidad de carga que soporta el pontón “Cochac”. Además, colocar al inicio y final de la variante carteles que indiquen restricción a la circulación de camiones pesados por la ruta Urpay – Huaraz.
A Yupash
NO
CAMIONES
PONTON COCHAC
CAPACIDAD MÁXIMA:
LONGITUD: PO NTO N
CAPACIDAD
LO NGITUD
Figura 8. Interrupción de tránsito vehicular.
An cient. UNALM 68(4), 2007 Recibido: 01/02/2005
ISSN 0255-0407 Aceptado: 09/01/2006
An cient. 68(4) 2007, pp. 86-100 99
3.3 Valorización ambiental de la restauración
de los pasivos La matriz de evaluación y la cuantificación del
pasivo ambiental son elementos de juicio que
facilitaron un análisis profundo sobre las medidas
correctivas propuestas.
El costo final es producto del metrado de la medida
correctiva multiplicado por su valor unitario. Los
metrados son medidos en los planos y los valores
unitarios son el resultado de tomar en cuenta: jornales
de mano de obra, precios de insumos, rendimientos
de equipos y personal, distancia de transporte y
alquiler de equipo mecánico.
La valoración final a tomar en cuenta todas las
medidas correctivas, se resumen en la Tabla 6, las
cuales deben integrarse al presupuesto general de las
obras de ingeniería.
Tabla 6. Valoración ambiental de restauración de pasivos.
Nº Partida Unidad Metrado C.U. Parcial
1.0 Afectación de Plataforma de Vía en Km 96+000 a Km 96+230
- Perfilado de talud m3 230 12.76 2935
- Revegetación de talud Ha 0.276 1506.81 416
2.0 Alteración de la Calidad Paisajista en Km 107+450
- Perfilado de talud m3 35 12.76 447
- Revegetación de talud Ha 0.017 1506.81 26
3.0 Alteración de la Calidad Paisajista en Km 110+130
- Reacondicionamiento de depósito de material excedente Ha 0.014 2170.76 30
- Revegetación de talud Ha 0.014 1506.81 21
4.0 Alteración de la Calidad Paisajista en Km 115+800
- Perfilado de talud m3 115 12.76 1467
- Revegetación de talud Ha 0.06 1506.81 90
5.0 Ocurrencia de Accidentes de Transito en Km 96+080
- Corte de talud izquierdo m3 1800 15.40 27720
- Perfilado de talud m3 150 12.76 1914
- Transporte a botadero m3-km 1800 0.74 1332
6.0 Interrupción de tránsito vehicular en Km 137+200
- Señales informativas unid 4 569.33 2277
7.0 Interrupción de tránsito vehicular en Km 139+800
- Señales informativas unid 4 569.33 2277
40953 Total S/.
4. Conclusiones
Los principales pasivos ambientales que se
presentan en carreteras están referidos a
deslizamientos de taludes de corte y al abandono de
canteras por no haber realizado el plan de cierre y
abandono.
Cualquier acción que realice el Estado para atender
problemas vinculados a pasivos no exime a los
responsables o a aquellos titulares de bienes o de
derechos sobre las zonas afectadas por los pasivos, de
cubrir los costos de los mismos.
La invasión del derecho de vía constituye pasivos
que realizan terceros sobre la vía y que luego tienen
que ser asumidos por el Estado.
La revegetación posterior de la obra constituye una
de las operaciones que mejor puede contribuir a
devolver las condiciones iniciales del paisaje que
fueron disturbadas por acción de cortes en taludes. Su
eficacia se basará en la selección adecuada de
especies nativas propias de la zona y en el correcto
diseño de su distribución.
La metodología más adecuada para identificar y
valorar los pasivos ambientales para la rehabilitación
de la carretera Yupash-Huaraz, debe seguir la
secuencia mostrada en la Figura 1.
La valoración para la restauración de los pasivos
identificados para la Rehabilitación de la carretera
Yupash-Huaraz, asciende a S/. 40953.00 tal como se
detalla en la Tabla 7.
Tabla 7. Valoración para la restauración de pasivos identificados.
Partida Parcial
Perfilado de talud 6763
Revegetación de talud 553
Reacondicionamiento de depósito de material excedente 30
Corte de talud izquierdo 27720
Transporte a botadero 1332
Señales informativas 4555
Total S/. 40953
Propuesta de un método de identificación y valoración de pasivos ambientales Caso: Rehabilitación de la carretera
Yupash-Huaraz
An cient. 68(4) 2007, pp. 86-100 100
5. Referencias bibliográficas
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Quillabamba. PROVIAS NACIONAL. MTC.
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la Red Vial Pavimentada de Uruguay. Ministerio
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KOCHEN R., CUNHA M. 2004. Un Enfoque
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Medio Ambiente. Brasil.
LEYSON V., GUILLÉN V. 2003. Evaluación
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Corredor Integración Vial PPP: Tramo Divisa-
Santiago-Pajal. BID. Panamá.
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28245: Ley Marco del Sistema Nacional de
Gestión Ambiental del 28.01.05. Diario El
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COMUNICACION, VIVIENDA Y
CONSTRUCCIÓN, 2001. Manual de Diseño
Geométrico de Carreteras. Subsector Transporte.
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Social. Guarantee Facility Project Perú. 04 Abril.
An cient. UNALM 68(4), 2007 Recibido: 02/02/2005
ISSN 0255-0407 Aceptado: 09/01/2006
Propuesta de un método de valoración ambiental para rehabilitación de
carreteras: caso Pariacoto-Yupash
Lia Ramos F. 1, Ricardo Apaclla N.
2
Resumen
En la literatura relacionada a la valoración de impactos ambientales, existen diversos métodos que pueden ser
aplicados a diversos usos, pero aun existe poca información documentada que pueda ser aplicada a los impactos
generados durante la rehabilitación de carreteras.
El presente trabajo de investigación se orienta a establecer un método sistemático adaptado a las condiciones propias
de proyectos de rehabilitación de carreteras que permita valorar los impactos ambientales ocasionados durante las
etapas de construcción, como posteriormente durante la fase de operación de la carretera. Esta metodología será
aplicada para el caso específico de la carretera Pariacoto-Yupash ubicada en el departamento de Ancash.
En la valoración de impactos, se distinguen los enfoques objetivos (cambio en la productividad, costo de
enfermedad, costo de oportunidad, costo evitado o de reemplazo); y los subjetivos (gastos preventivos, método del
costo de viaje, método de los precios hedónicos, valoración contingente). La elección de los métodos de valoración
más apropiados depende de la naturaleza del problema, de la disponibilidad de información y de las restricciones
presupuestarias para realizar la valoración.
La metodología adoptada para la selección del método de valoración más apropiado consistió del análisis de los
métodos de valoración ambiental existentes; del análisis de los impactos generados por el proyecto de rehabilitación,
identificando las actividades, sus acciones inducidas y las medidas correctivas; del análisis de los programas del
Plan de Manejo Ambiental y de la comprensión del entorno socioeconómico.
Los resultados muestran que para valorar las medidas correctivas relacionadas a impactos generados por la
contaminación del aire y de cobertura vegetal, como conformación y perfilado de taludes y revegetación, se puede
aplicar el método del costo evitado. En tanto, que para valorar el riego para mitigar la producción de polvo, se puede
aplicar el método del gasto preventivo. Para la valoración de las medidas correctivas para mitigar los impactos
producidos por la planta de asfalto y explotación de canteras, como contaminación del suelo y del aire, se puede
aplicar el método del gasto preventivo. La valoración de los terrenos agrícolas y viviendas asentados dentro del
derecho de vía, pueden ser efectuados a precio de mercado por el Método de Costo de Oportunidad. En el caso de
reubicación de un canal de riego que se encuentra dentro del derecho de vía, es posible aplicar el Método del Costo
de Reubicación.
Se concluye que la valoración de los impactos es fundamental para conseguir la preservación del medio ambiente
ocasionado por la rehabilitación de la vía. Sin embargo, esta debe ser una valoración cuantitativa y no subjetiva y
debe estar consignada en el presupuesto de obra. El método de valoración ambiental que más se puede aplicar para
valorar los impactos generados por la rehabilitación de la carretera Pariacoto-Yupash, es el de Gasto Preventivo. Sin
embargo, también se pueden aplicar los métodos de Costo Evitado, Costo de Oportunidad, Costo de Reemplazo y
Costo de Reubicación, dependiendo de la actividad. Finalmente, se recomienda que la aplicación de un método de
valoración ambiental debe ser tratado holísticamente, considerando no solo el entorno ambiental, sino
principalmente tomando en cuenta el entorno social de la población beneficiada.
Palabras clave: Valoración ambiental, carretera, rehabilitación, Pariacoto, Yupash.
Abstract
In the literature related to the valuation of environmental impacts, diverse methods that can be applied to diverse
uses exist, but it even exists little documented information that can be applied to the impacts generated during the
rehabilitation of highways.
The present investigation work is guided to establish a systematic method adapted to the characteristic conditions of
projects rehabilitation highways that allows valuing the environmental impacts caused during the construction
stages, later on during the phase of operation highway. This methodology will be applied for the specific case of the
highway Pariacoto-Yupash located in the department of Ancash.
In the valuation of impacts, they are distinguished the Objective focuses (Change in the Productivity, Cost of Illness,
Cost of Opportunity, Avoided Cost or of Substitution); and the Subjective ones (Preventive Expenses, Method of the
travel cost, Method of the Prices Hedónicos, Contingent Valuation). The election of the most appropriate methods of
valuation depends on the nature of the problem, of the readiness of information and of the budgetary restrictions to
carry out the valuation.
The methodology adopted for the selection of the most appropriate method of valuation consisted of the analysis of
the existent methods of environmental valuation; of the analysis of the impacts generated by the rehabilitation
project, identifying the activities, their induced actions and the corrective measures; of the analysis of the programs
the Plan of Environmental Handling and of the understanding of the socioeconomic environment.
1 Facultad de Ingeniería Agrícola, Universidad Nacional Agraria La Molina. Lima, Perú. E-mail: [email protected] 2 Facultad de Ingeniería Agrícola, Universidad Nacional Agraria La Molina. Lima, Perú. E-mail: [email protected]
Propuesta de un método de valoración ambiental para rehabilitación de carreteras: caso Pariacoto-Yupash
102
The results show that to value the corrective measures related to impacts generated by the contamination of the air
and of vegetable covering, as conformation and profiled of can be applied banks and vegetation, a method of the
avoided cost. As long as, to value the watering to mitigate the powder production, you can apply the method of the
preventive expense. For the valuation of the corrective measures to mitigate the impacts taken place by the asphalt
plant and exploitation of quarries, as contamination of the floor and of the air, you can apply the method of the
preventive expense. The valuation of the agricultural lands and housings seated inside the right side of via, can be
made to price of having bought by the Method of Cost of Opportunity. In the case of relocation of a watering
channel that is inside the right side of via, it is possible to apply the Method of the Cost of Relocation.
In conclusion the valuation of the impacts is fundamental to get whereas preservation the environment caused by the
rehabilitation of the road. It should be a quantitative and not subjective valuation and it should be consigned in the
work budget. The method of environmental valuation that more you can apply to value the impacts generated by the
rehabilitation of highway the Pariacoto-Yupash, it is that of Preventive Expense. Althought the methods of Avoided
Cost can be applied. Cost of Opportunity, Cost of Substitution and Cost of Relocation, depending on the activity.
Finally it is recommended that the application of a method of environmental valuation should be treated holístic, not
considering alone the environmental environment, but mainly taking into account the benefitted population’s social
environment.
Key words: Environmental appraisal, highway, rehabilitation, Pariacoto, Yupash.
1. Introducción
La sostenibilidad del ambiente debe partir de la
premisa que las relaciones entre desarrollo y
ambiente deben ser buenas tanto para el ambiente
como para el desarrollo económico. La preocupación
por el ambiente y su manejo han pasado de ser
problemas de los países considerados ricos a aquellos
que son importantes para todas las naciones, tanto
ricos como pobres. En este sentido los países, entre
ellos el Perú, se han concientizado progresivamente
en el sentido que la degradación del ambiente y de los
recursos naturales amenaza el potencial de demanda a
largo plazo.
La rehabilitación de carreteras genera beneficios
tanto directos como indirectos al país, sin embargo,
también genera impactos negativos diversos que
afectan el ambiente y a la población asentada a lo
largo del camino.
La valoración, entendida como la asignación de
valores monetarios a bienes y servicios ambientales o
a los impactos de los cambios de calidad ambiental,
ha recibido mayor atención como una medida de
mitigar los impactos y alcanzar el desarrollo
sostenible. Y a menos que un recurso natural tenga
asignado un valor, este tenderá a ser considerado
como de menor importancia. El propósito de las
técnicas de valoración es determinar la importancia
del bien lo que no necesariamente coincide con el
precio supuestamente correcto.
En la literatura relacionada a la valoración de
impactos ambientales, existen diversos métodos que
pueden ser aplicados a diversos usos, pero aun existe
poca información documentada que pueda ser
aplicada a los impactos generados durante la
rehabilitación de carreteras.
El trabajo de investigación se orienta a establecer
un método sistemático adaptado a las condiciones
propias de proyectos de rehabilitación de carreteras
que permita valorar los impactos ambientales
ocasionados durante las etapas de construcción, como
posteriormente durante la fase de operación de la
carretera. Esta metodología será aplicada para el caso
específico de la carretera Pariacoto-Yupash ubicada
en el departamento de Ancash.
Los objetivos del presente trabajo de investigación,
propuesta de un método de valoración ambiental, son
los siguientes:
- Análisis de los métodos de valoración ambiental
existentes.
- Selección del método de valoración más apropiado
para cuantificar las medidas correctivas.
2. Revisión de literatura
Dixon et al. (1994), afirma que la valoración
económica de los impactos ambientales depende de
una cuidadosa identificación y medición de los
cambios biofísicos producidos por el diseño de un
proyecto. Siendo uno de los principales problemas, la
dificultad de asignar valores monetarios al medio
ambiente de manera que los costos-beneficios
ambientales puedan incluirse en los flujos monetarios
de ingresos y gastos y de esta manera controlar la
degradación ambiental.
2.1 Principales métodos de valoración
ambiental
Los impactos sobre el ambiente, resultantes de
cambios en la productividad, pueden ser valorados
utilizando precios de mercado, además se debe
considerar que un beneficio no aprovechado
constituye un costo, mientras que un costo evitado es
un beneficio. Cuando no pueda emplearse
directamente los precios de mercado, es posible
estimarlos indirectamente por medio de técnicas
basadas en mercados sustitutos.
Se distinguen dos enfoques para la valoración
ambiental (Dixon et al., 1994, Postigo 1995):
2.1.1 Enfoque objetivo de valoración
Basados en relaciones físicas que describen la
relación causa-efecto y proveen medidas objetivas de
los daños resultantes de diversas causas. Es decir, con
el propósito de prevenir ó impedir que ocurra algún
daño, podrían estar dispuestos a pagar una cantidad
menor o igual que los costos que surgieran por los
efectos ambientales del nivel previsto. Sin embargo,
debido a que las preferencias por más o menos daños
son supuestos, las estimaciones no están directamente
Lia Ramos F., Ricardo Apaclla N.
An cient. 68(4) 2007, pp. 101-115 103
relacionadas con las funciones de utilidad de los
individuos y en consecuencia, puede tener sesgos.
2.1.2 Enfoque Subjetivo de Valoración
Se basan en preferencias expresadas ó reveladas;
están referidas a las funciones individuales de
utilidad y dependen de la cantidad de información
que las personas tienen con respecto a los daños por
diversas actividades. Sin embargo, las restricciones
en la información pueden introducir sesgos.
La elección del método de valoración ambiental
dependerá de aquello que es medido. En la Figura 1
se presenta un diagrama de flujo de valoración que
sugiere donde se podría iniciar el análisis. La figura
comienza con cualquier impacto ambiental y
determina si hay o no un cambio mensurable en la
producción ó si el efecto primario del impacto es un
cambio en la calidad ambiental.
En la Tabla 1 se presenta un resumen de los
principales métodos de valoración ambiental.
Si No
Si No
Valoración
contingente
Costo de la
efectividad de
prevención
Enfoque de
gasto preventivo
Enfoque de
costo de
reubicación
Biodiversida,
Activos
estéticos,
culturales,
históricos
Valoración
contingente
Enfoque de costo
evitado ó reemplazo
Enfermedad Muerte
Efectos en la salud
Pérdida de
ganancia
(salario)
Enfoque de
costo de viaje
IMPACTO AMBIENTAL
Costo de la
efectividad
de
prevención
Enfoque de
capital
humano
Recreación
Cambio en la Calidad Ambiental
Valoración
contingente
Enfoque de
costo de
enfermedad
Enfoque de precios
hedonicos (valor de
la tierra)
Cambio mensurable en la
Producción
HabitadCalidad del aire y
agua
Enfoque de
uso de
mercados
sustitutos,
aplicación de
precios
sombra
Enfoque de costo de
oportunidad
Enfoque de
cambios en la
productividad
¿se dispone de precios de
mercado no distorsionables?
Figura 1. Diagrama de flujo de valoración ambiental.
Fuente: Adaptado de Dixon et al., 1994.
Tabla 1. Métodos de valoración ambiental.
Metodo de Valoración Efectos Valorados Precios Valorados
Enfoque Objetivo de Valoración:
- Cambios en la productividad Productividad de bienes comercializables
- Costo de enfermedad Salud (morbilidad)
- Capital humano Salud (mortalidad)
- Costo de oportunidad Preservación
- Costo evitado ó de reemplazo
- Costo de reubicación
- Proyectos sombra
Enfoque Subjetivo de Valoración:
- Gasto preventivo
- Método del costo de viaje Activos de recursos naturales
- Método de los precios hedónicos
- Valor de la propiedad Calidad ambiental, productividad
- Valor de la tierra Calidad ambiental, productividad
- Método de la valoración contingente Salud, activos de recursos naturales
Mercado substituto ó
implicito
Mercado ficticio
Mercado
convencional
Salud, productividad, activos de capital, activos
de recursos naturales
Medidas de mitigación para reemplazar los
servicios ambientales que fueran dañados ó
destruídos
Fuente: Elaborado con información de Dixon et al. 1994; Munasinghe 1993; Postigo 1995; Azqueta 1999; Leal 2000.
Propuesta de un método de valoración ambiental para rehabilitación de carreteras: caso Pariacoto-Yupash
104
2.2 Métodos de valoración de acuerdo al
enfoque objetivo
2.2.1 Cambios en la productividad La sostenibilidad del uso de recursos y la calidad
del ambiente son tratados como factores de
producción. Los cambios en esos factores a menudo
conducen a cambios en la productividad y/o la
producción de costos que pueden, a su vez, llevar a
cambios en precios y niveles de productos
observables y mensurables. Los cambios físicos en la
producción son fácilmente observables y mensurables
y el uso de precios de mercado soluciona algunas de
las difíciles cuestiones de valoración que surgen de
los efectos ambientales que están fuera del mercado.
Las técnicas que utilizan cambios en la
productividad como base para la medición son
extensiones de los análisis de beneficio-costo. Los
cambios físicos en la producción son valorados
utilizando precios de mercado para insumos y
productos ó cuando existen distorsiones, los precios
de mercado son ajustados apropiadamente. Es
fundamental el análisis “con proyecto” y “sin
proyecto” (Dixon et al., 1994; Azqueta, 1999; Leal,
2000).
En muchos casos, los efectos ambientales de
proyectos se manifiestan en cambios de
productividad de bienes transables: la pérdida de
bosques, por ejemplo, resulta en la pérdida de
productos maderables, de leña y una variedad de
productos no maderables tales como frutos, hierbas y
hongos. En tales casos, el valor de los beneficios y
costos no intencionados, pueden ser estimados
usando la técnica simple de valorar el cambio de
productividad causado por el proyecto.
2.2.2 Costo de enfermedad Valora el costo de la morbilidad relacionada con la
contaminación, es decir, la función de daño relaciona
el nivel de contaminación (exposición) con el grado
de efectos en la salud (Krupnick y Portney, 1991;
Dixon et al., 1994; Postigo 1995).
Los costos son interpretados como una estimación
de los presuntos beneficios de acciones que
prevendrían que el daño ocurriera. En general, resulta
más fácil valorar efectos ambientales cuando la
enfermedad es relativamente corta, sencilla y no tiene
impactos negativos en el largo plazo.
Cuando la pérdida de ingresos es utilizada para
valorar el costo de la mortalidad relacionada con la
contaminación, se denomina Enfoque de Capital
Humano. Es una valoración exógena, ex post de la
vida de un individuo, se utiliza como una
aproximación el valor presente de la pérdida de las
ganancias y los costos médicos, del fallecido en el
mercado. Crea grandes problemas éticos.
2.2.3 Costo de oportunidad Este enfoque se basa en el concepto de que se
puede estimar el costo de usar recursos para la
conservación de bienes ambientales. Es decir, en vez
de medir directamente los beneficios obtenidos por
preservar el recurso, se mide lo que se deja de hacer
en beneficio de la preservación (Dixon et al., 1994;
Postigo, 1995; Azqueta, 1999; Gonzáles, 2001), por
ejemplo, realinear una carretera para evitar un área
ambiental sensible ó un hábitat para la fauna salvaje
2.2.4 Costo evitado o de reemplazo Los costos incurridos al reemplazar los activos
productivos dañados por el proyecto pueden ser
medidos, y estos costos pueden ser interpretados
como una estimación de los beneficios que se
generan al evitar que el daño se produzca. El método
puede ser interpretado como un procedimiento
contable utilizado para determinar si es más eficiente
dejar que el daño suceda y entonces repararlo, o bien,
ante todo, prevenir que suceda. Cuando el activo es
puente, una ruta o un dique, la técnica es directa.
Cuando se trata del suelo, agua o de la vida acuática,
su aplicación es igual pero los problemas de medición
son mayores.
Una variante del costo de reemplazo, es el costo de
reubicación, en ella se usan los costos reales de
reubicar una instalación física debido a los cambios
en la calidad del medio ambiente para evaluar los
beneficios potenciales (y costos asociados) de evitar
el daño ambiental.
Un tipo especial de costo de reemplazo, son los
proyectos sombra, si los servicios ambientales, cuyos
beneficios son difíciles de valorar se perdieran o
disminuyeran como resultado de un proyecto,
entonces los correspondientes costos económicos
podrían ser aproximados mediante los costos de un
proyecto suplementario hipotético que proveería los
sustitutos. Frecuentemente, el reconocimiento del
enorme costo o incluso la imposibilidad de
reemplazar un recurso ambiental puede conducir a
una mayor preocupación de como prevenir la pérdida.
2.3 Métodos de Valoración de acuerdo al
enfoque subjetivo
Gastos preventivos Son los gastos que la gente hace con el propósito
de evitar el daño de la contaminación y otras
actividades ofensivas. Se reconoce que la gente puede
actuar preventivamente para protegerse a sí mima del
daño, y los gastos que realizan con ese propósito
están pensados para proveer una estimación de su
valoración subjetiva mínima de daños potenciales.
La premisa fundamental es que una percepción
individual del costo impuesto por daño guarda
relación con lo que la persona paga para impedir el
daño.
Este enfoque proporciona una estimación mínima
por dos razones: el gasto puede ser restringido por el
ingreso o puede haber una cantidad adicional de
excedentes del consumidor incluso después de que se
ha hecho el gasto preventivo (Dixon et al., 1994;
Postigo, 1995; Azqueta, 1999; Gonzáles, 2001).
2.4 Método del costo de viaje Se emplea con mayor frecuencia para analizar los
beneficios económicos de las instalaciones
recreativas. Consiste básicamente en valorar los
costos de transporte según el lugar de origen. Para
esto es necesario desarrollar encuestas a los distintos
usuarios de los sitios que son objetos de la
Lia Ramos F., Ricardo Apaclla N.
An cient. 68(4) 2007, pp. 101-115 105
valorización. Basado en la información recolectada,
se estima la demanda y el excedente del consumidor.
Este último, corresponde al valor del activo
ambiental. El valor de los lugares culturales o
históricos amenazados por los proyectos de desarrollo
puede ser analizado por este enfoque. Así, el valor
obtenido debe estar claramente identificado como una
mínima valoración de sólo una parte del valor total
del recurso. A medida que el desarrollo económico
continúa, el transporte recreativo aumenta y este
enfoque adquiere una mayor aplicabilidad (Llop-
Fasciolo, 1993; Dixon et al., 1994; Postigo, 1995;
Azqueta, 1999).
2.5 Método de los precios hedónicos En la ausencia de mercados y precios para la
calidad ambiental, el valor económico puede
estimarse a partir de los precios de bienes sustitutos,
se distinguen dos valoraciones técnicas (Llop-
Fasciolo, 1993; Dixon et al., 1994; Postigo, 1995;
Azqueta, 1999):
Enfoque del valor de la propiedad, el supuesto es
que los compradores de propiedad revelarán su
actitud hacia una cantidad de atributos (estructurales,
ambientales y otros estéticos) mediante su
disposición al pago. Si los atributos ambientales no
tuviesen precio, el valor de una casa sería igual a sus
costos de construcción más un adicional, pero en
realidad los precios de las casas reflejan una amplia
gama de atributos, algunos de los cuales son sólo
físicos.
El enfoque de valor de la propiedad sirve para
controlar ciertas variables de modo tal que cualquier
diferencia remanente de precio pueda ser asignada a
un bien ambiental. De igual forma, los “males”
ambientales pueden medirse usando esta técnica,
observando el cambio en el valor de la propiedad
asociado al cambio en el ruido o en la contaminación
del aire. Como con cualquier técnica de evaluación
fuera de mercado, es necesario pensar
cuidadosamente en su aplicación y explicitar todos
los supuestos. Cuando no se puede realizar una
evaluación precisa, es posible estimar un orden de
magnitud del valor asignado al atributo ambiental.
Enfoques sobre el valor de la tierra, se utiliza un
precio notable de mercado (por lo general los precios
minoristas de la tierra) para evaluar una combinación
de impactos. Si las parcelas de tierra vecinas tienen
un precio diferente, esa diferencia se puede deber a
dos factores: la productividad (y rentabilidad) de esa
porción de tierra o a la calidad ambiental que no tiene
precio. El residual puede determinarse analizando los
precios de la tierra y el valor capitalizado de la
producción de la tierra. Parte de este residual
constituye el valor “substituto” de los factores
ambientales o de los que no tienen precio.
2.6 Método de la valoración contingente
Llop-Fasciolo (1993); Dixon et al. (1994); Postigo,
(1995); Azqueta, (1999); mencionan de su uso en los
casos en que no existe información de mercado con
respecto a las preferencias de las personas. Se
pregunta a las personas cuánto están dispuestas a
pagar por un beneficio, y/o que estan dispuestas a
aceptar como compensación por tolerar un daño
ambiental. Lo que se busca es la valorización
personal de los entrevistados frente a un aumento o
una reducción en la disponibilidad del bien
ambiental, usando para esto un mercado hipotético.
Ha sido ampliamente utilizado en programas para
valorar cambios en calidad de aire, calidad de agua,
recreación en lagos, ríos, parques públicos,
protección de áreas naturales, visibilidad y daños
ambientales, preservación parques naturales, de
tierras agrícolas, de biodiversidad, contaminación de
ríos, playas, recreación en actividades de pesca, caza,
etc.
A diferencia de otras metodologías, estas medidas
de bienestar o beneficio, pueden ser obtenidas
directamente a través de “encuestas”, que reflejan la
disposición a pagar del individuo y que varía con el
ingreso familiar, proximidad a las zonas directamente
mejoradas por el proyecto y el sistema de
preferencias de la gente. Según este enfoque, cada
participante debe evaluar una situación hipotética y
expresar su disposición a pagar o a recibir una
compensación por un cierto cambio en el bien.
Existen dos técnicas: los simples y los iterativos.
En el primero, el encuestador después de hacer una
descripción del bien, le pide al encuestado que
exprese el precio máximo que está dispuesto a pagar
por el bien o el nivel mínimo de compensación que
aceptaría a cambio de perder la opción de adquirir ese
bien. Luego las respuestas son promediadas y
extrapoladas para arribar a una disposición agregada
a pagar o a un nivel agregado de compensación por
parte de toda la población.
En el caso de iterativos, el encuestado debe decir si
está dispuesto a pagar una suma X por la situación o
bien descrito. Esta cantidad luego se varía
iterativamente hasta alcanzar una disposición máxima
a pagar (o una disposición mínima a aceptar
compensación).
La elección de los métodos de valoración mas
apropiados depende de la naturaleza del problema, de
la disponibilidad de información y de las
restricciones presupuestales para realizar la
valoración. Por ejemplo, para muchos casos tales
como recreación, paisaje alcantarillado, etc., se
recomienda el método la valoración contingente. No
obstante, esta alternativa tiene altos costos y mucho
requerimiento de tiempo lo que induce a buscar
alternativas de evaluación que la sustituyan.
Finalmente, a pesar del rápido desarrollo de los
métodos para valorar económicamente los recursos
ambientales, todavía existen áreas que no pueden ser
manejadas por estas técnicas, aunque el conjunto de
ellos ha sido reducido sustancialmente. Por ejemplo,
algunos programas ambientales pueden dar como
resultado la cooperación de una comunidad, sin
embargo, el valor de la participación y cooperación
como tales no pueden ser valorados y no deberían ser
valorados debido a lo arbitrario del valor resultante
(Dasgupta y Maler, 1991).
Propuesta de un método de valoración ambiental para rehabilitación de carreteras: caso Pariacoto-Yupash
106
3. Materiales y métodos
3.1 Ubicación
La carretera Pariacoto-Yupash se ubica
políticamente en los distritos de Pariacoto y Pira,
provincias de Casma y Huaraz en el departamento de
Ancash. Forma parte de la carretera de penetración
Casma–Yautan–Huaraz (km 0+000 en Casma), que
corresponde a la ruta 14-A, de la Red Vial Nacional.
Geográficamente se ubica entre las coordenadas
9°33’ 42” Latitud Sur y 77°53’35” Longitud Oeste,
en la localidad de Pariacoto, como punto inicial y
como punto final al centro poblado Yupash con
coordenadas 9º34’12’’ Latitud Sur y 77º41’14’’
Longitud Oeste.
3.2 Descripción del proyecto
La carretera entre Pariacoto y Yupash, se
caracteriza por mostrar un terreno accidentado,
pendientes pronunciadas y anchos de plataforma
variados de 4 a 5 m, de un solo carril, situación que
obliga a los usuarios a realizar maniobras de
retroceso para el paso, con la consiguiente pérdida de
tiempo.
En toda su longitud es a media ladera, afirmada, en
regular estado, con depresiones y ahuellamientos en
algunos sectores. Carece de un adecuado drenaje para
la eliminación de las aguas pluviales. No hay cunetas
en la plataforma, al pie de los cortes.
Los terrenos agrícolas existentes son dedicados a
frutales y hortalizas, en pequeña escala, y se
encuentran a lo largo de la carretera, desde Pariacoto
hasta Chacchán, disminuyendo más adelante.
En Pariacoto, los cerros que circundan, carecen de
vegetación continuando igual hasta Chacchán. En
cambio, en los terrenos adyacentes a la vía existente,
por ambos lados, en una faja de más ó menos 100
metros, existen cultivos regados con las aguas
derivadas del Río Grande y Chacchán.
En la zona más alta, a partir de Chacchán (2 000
msnm) la situación cambia ligeramente: los terrenos
adyacentes se reducen a hortalizas, maíz, papas,
cebada, habas y en algunos sectores hay ganado
vacuno en poca escala. Estos cultivos son a base de
lluvias temporales y las hortalizas están en terrenos
con aguas de manantiales o que provienen de las
quebradas que atraviesan la carretera.
3.3 Materiales Los materiales utilizados para el análisis de los
impactos generados en el proyecto y la posterior
selección del método de valoración ambiental, fueron
los siguientes:
3.3.1 Diagnóstico ambiental El análisis de las variables naturales en el área de
Influencia directa del proyecto, espacio delimitado
por una franja de 200 m a cada lado del eje de la
carretera, sirve para identificar los impactos
ambientales generados por la rehabilitación de la
carretera sobre el medio ambiente y viceversa.
3.3.2 Medio físico y biológico Se resumen en la Tabla 2 y Tabla 3.
3.3.3 Medio socioeconómico La recopilación de información de campo
(entrevistas, encuestas y participación colectiva) que
se realizó permitió tomar conocimiento de la
dinámica sociocultural y el sistema económico de las
poblaciones asentadas en el área de influencia directa,
mostrando como resultado lo siguiente:
- Las viviendas son de paredes de adobe, techos de
teja o calaminas con sistema de desfogue de agua de
lluvia, al interior piso de tierra asentada.
- La mayoría de las viviendas cuentan con servicio de
electricidad.
- El abastecimiento de agua procede de pilones de
uso público, agua de río o acequias cercanas a las
viviendas; y existen centros de salud ubicados en los
centros poblados.
- Los pozos ciegos o silos son los servicios
higiénicos, ubicados al exterior de la vivienda.
- Se pudo apreciar grandes extensiones de cultivo,
entre los cuales figuran frutales, cereales, hortalizas,
así como, eucaliptos y tunales.
- Presencia de ganado bovino, porcino, equino y
caprino, aves de corral, crianza de animales menores
como cuyes y conejos.
Un resumen de esta información se presenta en la
Tabla 4.
Tabla 2. Caracterización del medio físico. Variables Climáticas: (media anual)
Temperatura: 14 ºC Horas de sol: 2700 hr
Precipitación: 650 mm Evaporación: 1400 mm
Humedad relativa: 67 % Nubocidad: 5/8
Clasificación Climática msnm
Árido sin precipitación en el año cálido-seco. 2000-3000
Semi seco, con otoño invierno. Primavera seco, microtermal húmedo. 3000-4000
Semi seco, invierno seco, frío húmedo. > 4000
Hidrografía: cuenca Casma: 2775 km2 , Q = 0 - 83 m
3/s (1956-2000)
Fisiografía : Presencia de grandes paisajes de: Llanura Aluvial, Llanura Fluvio Glacial y Montañoso.
Río Casma nace en la cordillera negra con el nombre de Pira hasta la zona de Chacchán. Desde este lugar
hasta Pariacoto se denomina Canchan, luego toma el nombre de río Grande hasta su confluencia con el río
Yaután, en el que adopta el nombre de río Casma hasta su desembocadura.
En el tramo de la carretera, se identifican los rios: Akrun, río Grande y Chacchán; además de las quebradas:
Lúcumo, Río de Oro, Galgajirca, Rurashca , Sidra, Rupijata, Alameda, Llanca, Maco, Kakis, Piqri y Quebrada
Potro Ruri
Fuente: Elaborado con información de campo, SENAMHI e INRENA.
Lia Ramos F., Ricardo Apaclla N.
An cient. 68(4) 2007, pp. 101-115 107
Tabla 3. Caracterización del medio biológico. Flora: 895 especies
(73 plantas inferiores, 609 dicotyledoneas y 213 monocotyledoneas)
Plantas aromático-medicinales: Mentha piperita, Mentha spicata, Chamomilla
recutita, Peresia multiflora, Piper angustifolia, Origanum vulgare, Alnus
jorulensis, Eritrina edulis
Especies escasas: quinual Polylepis racemosa, aliso Alnus jorullensis
Fauna: 170 especies
(30 insectos, 01 reptil, 122 aves y 17 mamíferos)
Hidrofauna: trucha Salmo gairdneri, y ranas Batrachophrynus macrostamus
destacan: Puya raimondina, Agave americana, Fourcroea andina, Schinus
molle, Baccharis genistelloides, Barnadesia dombeyana, Bidens andicola,
Gynoxys sp., Perezia multiflora, Pernettya prostata, Cassia hookeriana,
Spatium junceum, Acacia sp., Spatium junceum, Stipa ichu, Kagengekia
lanceolada, Dodonaea viscosa, Calceolaria sp.
destacan: Phyllotis amicus, Phyllotis andinum, Felis jacobita, Dusicyon
culpaeus, Conepatus rex, Hippocamelus antisensis, Lagidium peruanum,
culebras del género Tachymensis y lagartijas del género Liolaemus.
Fuente: Elaborado con información de ONERN 1985.
Tabla 4. Perfil socioeconómico.
Distrito Pariacoto: Pariacoto, Milagro, Rurashca, Chacchan, Llanca
Población 2431 hab distrito Pariacoto 46.8 %
Hombres 49.1 % distrito Pira 46.0 %
Mujeres 50.9 % Morbilidad:
Superficie 15.72 km2
infecciones respiratoria agudas 42.1 %
Densidad poblacional 154.6 hab/km2
Tasa de Mortalidad Infantil (1996) 77.4 %
Poblacion rural 51 % Taza de desnutrición:
Poblacion urbana 49 % distrito Pariacoto 45.8 %
PEA (39%) 944 hab distrito Pira 47.1 %
Agua potable 75 % Tenencia de superficie agrícola:
alcantarillado (Pariacoto) 10 % 0 - 5 has (91% población) 66.9 %
letrinas 55 % > 5 has (10% población) 33.1 %
a campo abierto 35 % Tenencia de las tierras:
Energía eléctrica 66 % en propiedad 89.1 %
Campaña agrícola 2003-2004 en arrendamiento 0.7 %
superficie agrícola 296 has comunal 9.0 %
produccion 1247 tn otras 1.3 %
Indice de pobreza absoluta:
Provincia Huaraz
Distrito Pira: Jirac, Coltao, Yupash
08 Centros
Poblados
Fuente: Elaborado con información de campo, INEI (1994), FONCODES (2000) y
MINAG-DGIA.
3.3.4 Identificación de impactos Los principales impactos ambientales identificados,
resultaron de un proceso de análisis en el que se
confrontó las características del medio ambiente y las
actividades propias del proyecto vial. Se realizó en
base a trabajo de campo durante el recorrido in situ
de la carretera Pariacoto-Yupash y en base a la guía
para elaborar Estudios de Impacto Ambiental en el
Sub sector Transportes del MTC 1995, además, del
procedimiento propuesto por Kiely (1999). Se resume
en la Tabla 5.
3.4 Método La metodología adoptada para la selección del
método de valoración más apropiado para cuantificar
las medidas correctivas, de los impactos generados
por la rehabilitación de la carretera, consistió del
análisis de la secuencia siguiente:
Análisis de los métodos de valoración ambiental
existentes.
Análisis de los impactos generados por el proyecto
de rehabilitación, identificando las actividades, sus
acciones inducidas y las medidas correctivas. El
diagrama de flujo siguiente (Figura 2) resume la
metodología utilizada para la selección del método de
valoración.
La selección de un método de valoración ambiental
está influenciado por muchos factores, incluyendo el
efecto a ser valorado y la disponibilidad de datos,
tiempo y recursos financieros. El desafío es
identificar los efectos ambientales del proyecto e
incorporar correctamente la valoración de sus
beneficios y costos.
Actividad Acción Inducida Impacto
Menú de Métodos de Valoración
Selección del
Método de
Valoración
Ambiental
Comprensión del Entorno Socioeconómico
Plan de
Manejo
Ambiental
Medida
correctiva
Figura 2. Método de valoración ambiental.
Propuesta de un método de valoración ambiental para rehabilitación de carreteras: caso Pariacoto-Yupash
108
Tabla 5. Identificación de impactos.
Incremento de tráfico de trabajadores y
equiposRiesgo de accidentes laborales
Generación de polvo en caminos
acceso
Vertido de grasas y aceitesAfectación de áreas de cultivo por
contaminación del suelo
Ampliación de ancho de víaCorte de relieve de terreno en derecho
de víaAfectación de terrenos y viviendas
Construcción de obras de
drenajeGeneración de residuos (concreto)
Afectación de áreas de cultivo por
contaminación del suelo
Afectación de la población
Efecto barrera para el paso de
animales
Generación de gases e incremento de
ruidoContaminación del aire
Mantenimento de la víaGeneración de residuos (sedimentos,
combustible)Contaminación de fuentes de agua
Contaminación del suelo y
afectación de salud de
trabajadores
ETAPA DE OPERACION:
Incremento de velocidad
vehicular y tráfico
Riesgo de accidentes
Señalización y seguridad vialGeneración de residuos (pintura,
metales, concreto) Afectación de áreas de cultivo
Remoción de capa orgánica y
conformación de excedentes de obraOperación y Cierre de Botaderos
Construcción de puentes y
pontones
Operación en Patio de
Maquinarias y Grupo electrógeno
Generación de residuos (concreto) y
turbidez del agua
Afectación de vida acuatica por
contaminación del agua
Operación y Cierre de Planta de
Asfalto
Afectación de salud de
trabajadores por contaminación
acústica
Generación de ruido
Contaminación del aire y de
cobertura vegetal Generación de ruido y polvoExplotación de canteras
Movimiento de tierras
Instalación y operación de
Campamento
Generación de residuos
Contaminación del aire y de
cobertura vegetal
ETAPA DE CONSTRUCCION:
Actividad
Generación de ruido y polvoContaminación del aire y de
cobertura vegetal
Accion Inducida Impacto
Contaminación del aire y
afectación de salud de
trabajadores
Generación de gases y ruido
Contaminación del suelo y
afectación de salud de
trabajadores
Vertido de residuos asfálticos
3.4.1 Análisis de los métodos de valoración
ambiental existentes En la literatura científica, existen diversos métodos
y enfoques para valorar los servicios y bienes
ambientales. Por ejemplo, para valorar la alineación
de una carretera para evitar pasar por un área
ambientalmente sensible, se puede usar el método del
costo de oportunidad, que permite valorar el costo de
la preservación a partir de costos de mercado.
Cuando se tiene que mover una estructura por
efecto de la ampliación del ancho de vía, por ejemplo
un canal de riego, se puede aplicar el método del
costo de reubicación para estimar los beneficios
potenciales de prevenir el cambio ambiental.
El método del gasto preventivo se puede aplicar
para valorar los daños a la salud que puedan
ocasionar los gases emanados por el funcionamiento
de la Planta de Asfalto, así como valorar el daño que
pueda ocasionar al medio ambiente. La Tabla 6
resume los métodos de valoración ambiental que
pueden ser aplicados a proyectos viales.
Análisis de los impactos generados por el proyecto
de rehabilitación, identificando las actividades, sus
acciones inducidas y las medidas correctivas.
Las actividades desarrolladas para la rehabilitación
de la carretera Pariacoto-Yupash, que generan
impactos en el entorno ambiental, tanto para la etapa
de construcción, operación, además de pasivos
ambientales asumidos y las medidas correctivas
propuestas, se muestran en la Tabla 7. De todas ellas,
las actividades más contaminantes y a las que hay
que prestarles especial atención, durante la etapa
constructiva, ocurren durante la producción y
colocación de asfalto, la explotación de canteras y en
general, en el movimiento de tierras.
Lia Ramos F., Ricardo Apaclla N.
An cient. 68(4) 2007, pp. 101-115 109
Tabla 6. Métodos de valoración aplicables a proyectos viales.
Da una estimación mínima de los
costos ambientales ya que la
gente pueden utilizar sus
recursos solo si su estimación
subjetiva de los beneficios es al
menos tan grande como los
costos
Se estima los costos de
mitigación del daño ambiental
que puede ser vista como una
demanda sustituta para la
protección ambiental
Medidas mitigadoras
para evitar el daño de la
contaminación al medio
ambiente y daño a la
salud de la gente.
Método del
gasto
preventivo
Se presume que los costos de
reubicación es comparable al
valor de los recursos productivos
(instalación física) destruidos.
Los costos para relocalizar una
instalación física asociada a
cambios en la calidad del
ambiente, es una manera de
estimar los beneficios
potenciales de prevenir el
cambio ambiental
Valores de uso directo:
relocalizar una
bocatoma de canal,
relocalizar una toma
para provisión de agua
doméstica, etc
Método del
costo de
reubicación
En la técnica (encuestas) se
puede introducir fuentes de
sesgo. También es incierto si la
gente en realidad está dispuesta
a pagar la suma indicada en la
entrevista.
Método controversial pero es una
de las pocas maneras de asignar
un valor monetario al no uso de
valores (ecosistema) que no
involucra compras en el mercado.
En este método se pregunta
directamente
a la gente cuanto está dispuesta
a pagar por servicios
ambientales concretos. A
menudo es la única manera de
estimar el valor del no uso.
Valores del turismo y no
uso (ecosistema).
Método de la
Valoración
Contingente
Sólo captura la voluntad de la
gente de pagar por un beneficio
percibido. Si la gente no es
consciente del vínculo que existe
entre el atributo ambiental y el
beneficio para sí mismos, el valor
no se reflejará en el precio. Exige
un uso muy intensivo de datos.
Se utiliza este método cuando el
medio ambiente ejerce influencia
en el precio de los bienes que se
comercializan. El aire limpio, las
grandes superficies de agua o
los paisajes estéticos aumentan
el precio de la vivienda o de la
tierra.
Algunos aspectos del
valor de uso indirecto,
del uso futuro y del no
uso.
Método de
los
Precios
Hedónicos
Es muy fácil obtener una
sobreestimación, porque es
posible que el sitio en sí mismo
no sea el único motivo por el cual
se viaja a la zona.
Es necesario contar con muchos
datos cuantitativos.
Se estima el valor recreacional
del sitio a partir de la suma de
dinero que gasta la gente en
llegar a ese lugar.
Recreación y turismo.Método del
costo de viaje
Se presume que el costo del
daño evitado o sustituto es
comparable al beneficio original.
Pero muchas circunstancias
externas pueden hacer cambiar
el valor del beneficio original
esperado y, en consecuencia, la
aplicación de este método puede
dar lugar a subestimaciones o
sobreestimaciones.
Se puede estimar el costo de la
remoción del contaminante a
partir del costo de la
construcción y funcionamiento
de una planta de tratamiento de
agua (costo del sustituto).
El valor de la protección ribereña
se puede estimar a partir del
daño que podría causar la
inundación (costo del
daño evitado).
Valores de uso indirecto:
Protección ribereña,
erosión evitada, control
de la contaminación, etc.
Método de
los costos
evitados
Imperfecciones del mercado
(subsidios, falta de transparencia)
y las políticas distorsionan el
precio de mercado.
Se estima el costo de la
preservación a partir de precios
de mercado. Ayuda a clarificar
los costos adicionales de
preservar un área y no otra.
Valores de uso directo:
realinear una carretera
para evitar un área
ambiental sensible (zona
arqueológica, reservas
de vida salvaje, etc)
Método del
costo de
oportunidad
Inconvenientes y limitacionesDescripción e ImportanciaAplicable aMétodo
Da una estimación mínima de los
costos ambientales ya que la
gente pueden utilizar sus
recursos solo si su estimación
subjetiva de los beneficios es al
menos tan grande como los
costos
Se estima los costos de
mitigación del daño ambiental
que puede ser vista como una
demanda sustituta para la
protección ambiental
Medidas mitigadoras
para evitar el daño de la
contaminación al medio
ambiente y daño a la
salud de la gente.
Método del
gasto
preventivo
Se presume que los costos de
reubicación es comparable al
valor de los recursos productivos
(instalación física) destruidos.
Los costos para relocalizar una
instalación física asociada a
cambios en la calidad del
ambiente, es una manera de
estimar los beneficios
potenciales de prevenir el
cambio ambiental
Valores de uso directo:
relocalizar una
bocatoma de canal,
relocalizar una toma
para provisión de agua
doméstica, etc
Método del
costo de
reubicación
En la técnica (encuestas) se
puede introducir fuentes de
sesgo. También es incierto si la
gente en realidad está dispuesta
a pagar la suma indicada en la
entrevista.
Método controversial pero es una
de las pocas maneras de asignar
un valor monetario al no uso de
valores (ecosistema) que no
involucra compras en el mercado.
En este método se pregunta
directamente
a la gente cuanto está dispuesta
a pagar por servicios
ambientales concretos. A
menudo es la única manera de
estimar el valor del no uso.
Valores del turismo y no
uso (ecosistema).
Método de la
Valoración
Contingente
Sólo captura la voluntad de la
gente de pagar por un beneficio
percibido. Si la gente no es
consciente del vínculo que existe
entre el atributo ambiental y el
beneficio para sí mismos, el valor
no se reflejará en el precio. Exige
un uso muy intensivo de datos.
Se utiliza este método cuando el
medio ambiente ejerce influencia
en el precio de los bienes que se
comercializan. El aire limpio, las
grandes superficies de agua o
los paisajes estéticos aumentan
el precio de la vivienda o de la
tierra.
Algunos aspectos del
valor de uso indirecto,
del uso futuro y del no
uso.
Método de
los
Precios
Hedónicos
Es muy fácil obtener una
sobreestimación, porque es
posible que el sitio en sí mismo
no sea el único motivo por el cual
se viaja a la zona.
Es necesario contar con muchos
datos cuantitativos.
Se estima el valor recreacional
del sitio a partir de la suma de
dinero que gasta la gente en
llegar a ese lugar.
Recreación y turismo.Método del
costo de viaje
Se presume que el costo del
daño evitado o sustituto es
comparable al beneficio original.
Pero muchas circunstancias
externas pueden hacer cambiar
el valor del beneficio original
esperado y, en consecuencia, la
aplicación de este método puede
dar lugar a subestimaciones o
sobreestimaciones.
Se puede estimar el costo de la
remoción del contaminante a
partir del costo de la
construcción y funcionamiento
de una planta de tratamiento de
agua (costo del sustituto).
El valor de la protección ribereña
se puede estimar a partir del
daño que podría causar la
inundación (costo del
daño evitado).
Valores de uso indirecto:
Protección ribereña,
erosión evitada, control
de la contaminación, etc.
Método de
los costos
evitados
Imperfecciones del mercado
(subsidios, falta de transparencia)
y las políticas distorsionan el
precio de mercado.
Se estima el costo de la
preservación a partir de precios
de mercado. Ayuda a clarificar
los costos adicionales de
preservar un área y no otra.
Valores de uso directo:
realinear una carretera
para evitar un área
ambiental sensible (zona
arqueológica, reservas
de vida salvaje, etc)
Método del
costo de
oportunidad
Inconvenientes y limitacionesDescripción e ImportanciaAplicable aMétodo
Fuente: Elaboración propia.
Propuesta de un método de valoración ambiental para rehabilitación de carreteras: caso Pariacoto-Yupash
110
Tabla 7. Medidas correctivas de los impactos.
Conformacion y perfilado de taludes
Revegetación
Riego
Conformacion y perfilado de taludes
Riego
Transporte de residuos a botaderos
Retiro de capa de suelo contaminada
Dotación de equipo de seguridad
Instalación de accesorios para control de
polvo
Monitoreo de calidad del aire (gases y
ruido)
Dotación de equipo de seguridad
Instalación de servicios higiénicos para
trabajadores
Acondicionamiento de depósito para
residuo orgánico
Desinfección periódica de ambientes
Riesgo de accidentes laborales Señalización
Riego
Compactación de excedentes por capas
Revegetación
Instalación de silenciadores en grupo
electrógeno
Dotación de tapa oidos (tapones) para
trabajadores
Afectación de áreas de cultivo por
contaminación del suelo Retiro de capa de suelo contaminada
Afectación de terrenos y viviendas Compensación y Reasentamiento
Transporte de residuos a botaderos
Monitoreo de calidad del agua
Afectación de áreas de cultivo por
contaminación del suelo Transporte de residuos a botaderos
Retiro de capa de suelo contaminada
Transporte de residuos a botaderos
Afectación de la población
Efecto barrera para el paso de
animales
Contaminación del aireMonitoreo de calidad del aire (gases y
ruido)
Contaminación de fuentes de agua Monoitoreo de calidad del agua
Medida correctivas
Contaminación del aire y
afectación de salud de
trabajadores
Contaminación del suelo y
afectación de salud de
trabajadores
ETAPA DE CONSTRUCCION:
Contaminación del aire y de
cobertura vegetal
Impacto
Afectación de salud de
trabajadores por contaminación
acústica
Contaminación del aire y de
cobertura vegetal
Contaminación del aire y de
cobertura vegetal
Afectación de vida acuatica por
contaminación del agua
Contaminación del suelo y
afectación de salud de
trabajadores
ETAPA DE OPERACION:
Señalizacón
Afectación de áreas de cultivo
3.4.2 Valoración de impactos La rehabilitación de la carretera generará impactos
ambientales positivos y negativos en el ámbito de
influencia y sobre la misma infraestructura vial; por
ello, se requiere de un Plan de Manejo Ambiental que
considere las acciones y pautas adecuadas para evitar,
mitigar y/o minimizar los impactos negativos y
asumir los pasivos ambientales. Comprende diversos
programas.
Programa de mitigación Las medidas correctivas permitirán mitigar los
mayores impactos como son los referidos a
explotación de canteras, campamentos, operación y
cierre de planta de asfalto y botaderos. Además, de
actividades como perfilado de taludes, revegetación,
movimiento de tierras, construcción de obras de
alcantarillas y pontones, entre otros.
Programa de monitoreo En este programa se consideran los puntos de
control y el tipo de análisis para el monitoreo de la
calidad del aire y del agua, tanto en la etapa
constructiva como en la de operación. El aire puede
ser contaminado principalmente, por el
funcionamiento de la planta de asfalto (gases y
polvo), explotación de cantera (polvo) y trabajos en
la conformación de la plataforma que generan polvo.
Durante la operación hay que monitorear la calidad
del aire debido al incremento del flujo vehicular; en
cuanto al ruido también se monitorean los niveles
sonoros. Por otro lado el agua puede ser contaminada
por acción de vertidos de combustibles y por la
generación de sedimentos y desechos en la
construcción de alcantarillas y pontones.
Programa de compensación y/o
reasentamiento Este programa está reglamentado por la R.D. 07-
2004-MTC, Elaboración y Aplicación de Planes de
Compensación y Reasentamiento Involuntario para
proyectos de infraestructura de transporte.
Básicamente, se considera la compensación
monetaria por el valor de las viviendas y tierras
afectadas que están dentro del derecho de vía (faja de
dominio dentro de la cual se encuentra la carretera,
obras complementarias, servicios y zonas de
seguridad para los usuarios y las previsiones para
futuras obras de ensanche y mejoramiento), que para
este caso se fijó en 15 metros. (Ver Tabla 8)
Tabla 8. Ancho mínimo de derecho de vía.
Tipo de carretera Mínimo
deseable (m)
Mínimo
absoluto (m)
Autopistas 50 30
Multicarriles o Duales 30 24
Dos carriles (1ra y 2da.
Clase)
24 20
Dos carriles (3ra. Clase) 20 15
Fuente: Manual de diseño geométrico de carreteras (DG-
2001).
Adicionalmente, a la valoración física de las
viviendas y terrenos agrícolas afectados, se
consideran los costos por:
- Plan capacitación y seguimiento para que los
fondos recibidos por las familias afectadas sean bien
empleados.
- Plan de apoyo para la generación de ingresos de
jefes de hogar desempleados.
- Plan de asistencia técnica agropecuaria
Se recopiló información de campo a través de
encuestas, consultas generales, inventario de terrenos
y viviendas afectadas. El valor de los predios
afectados se obtuvo a través de consulta específica y
precios de mercado.
Lia Ramos F., Ricardo Apaclla N.
An cient. 68(4) 2007, pp. 101-115 111
Programa de contingencias
En este programa se considera la valoración de
unidades de contingencias (brigada de emergencia,
equipos y accesorios necesarios) para hacer frente a
los riesgos potenciales que puedan presentarse, como
sismos, incendios, accidentes laborales, derrames de
combustibles, lubricantes y/o elementos nocivos.
Programa de cierre o abandono
El objetivo es valorizar la restauración de las zonas
afectadas y/o alteradas por la ejecución del proyecto.
La restauración parte de la premisa que las
características finales de cada una de las áreas
ocupadas y/o alteradas, deben ser en lo posible
iguales o superiores a las que tenía inicialmente. Se
consideraron los siguientes casos:
- Abandono de obra (al término de ejecución de la
obra)
- Abandono del área (al cierre de operaciones de la
infraestructura)
- Abandono de Obra: incluye limpieza y
restauración de área de campamento, planta de
asfalto, canteras, conformación de botaderos y
revegetación.
- Abandono de Área: su objetivo es restaurar el
área ocupada por la vía, hasta alcanzar las
condiciones originales después de cumplir con su
vida útil (cierre de operaciones). Para el caso de la
vía Pariacoto-Yupash, integrante de la Red Vial
Nacional, no se prevé su abandono o cierre de
operaciones, por cuanto es una ruta de acceso y
comunicación de centros poblados, cuya influencia es
preponderante en el desarrollo regional.
3.4.3 Análisis del método de valoración
ambiental Tomado en cuenta los métodos de valoración
ambiental existentes, sus características y posibilidad
de aplicarlos a impactos generados por la
rehabilitación de la carretera; las actividades y tipo de
impacto generado; el plan de manejo ambiental
propuesto y la comprensión del entorno
socioeconómico de la población, se adoptaron los
métodos de valoración ambiental que se muestran en
la Tabla 9.
Tabla 9. Métodos de valoración ambiental propuestos.
Conformacion y perfilado de taludes Costo evitado
Revegetación Costo evitado
Riego Gasto preventivo
Conformacion y perfilado de taludes Costo evitado
Riego Gasto preventivo
Transporte de residuos a botaderos Costo evitado
Retiro de capa de suelo contaminada Costo evitado
Dotación de equipo de seguridad Gasto preventivo
Instalación de accesorios para control de
polvoGasto preventivo
Monitoreo de calidad del aire (gases y
ruido)Gasto preventivo
Dotación de equipo de seguridad Gasto preventivo
Instalación de servicios higiénicos para
trabajadoresGasto preventivo
Acondicionamiento de depósito para
residuo orgánicoCosto evitado
Desinfección periódica de ambientes Gasto preventivo
Riesgo de accidentes laborales SeñalizaciónGasto preventivo y/o Costo
evitado
Riego Gasto preventivo
Compactación de excedentes por capas Costo evitado
Revegetación Costo evitado
Instalación de silenciadores en grupo
electrógenoGasto preventivo
Dotación de tapa oidos (tapones) para
trabajadoresGasto preventivo
Afectación de áreas de cultivo por
contaminación del suelo Retiro de capa de suelo contaminada Costo evitado
Ampliación de ancho de vía Afectación de terrenos y viviendas Compensación y Reasentamiento
Costo de oportunidad/Costo de
reemplazo/Valoración
contingente
Transporte de residuos a botaderos Costo evitado
Monitoreo de calidad del agua Gasto preventivo
Construcción de obras de
drenaje
Afectación de áreas de cultivo por
contaminación del suelo Transporte de residuos a botaderos Costo evitado
Retiro de capa de suelo contaminada Costo evitado
Transporte de residuos a botaderos Costo evitado
Afectación de la población
Afectación de ganado
Contaminación del aireMonitoreo de calidad del aire (gases y
ruido)Gasto preventivo
Mantenimento de la vía Contaminación de fuentes de agua Monoitoreo de calidad del agua Gasto preventivo
Movimiento de tierras
Explotación de canteras
Operación en Patio de
Maquinarias y Grupo electrógeno
Operación y Cierre de Botaderos
Instalación y operación de
Campamento
Operación y Cierre de Planta de
Asfalto
Método de Valoración Ambiental
ETAPA DE CONSTRUCCION:
Medida correctivas
Contaminación del aire y
afectación de salud de
trabajadores
Contaminación del suelo y
afectación de salud de
trabajadores
Actividad
Contaminación del aire y de
cobertura vegetal
Gasto preventivo y/o Costo
evitado
Contaminación del suelo y
afectación de salud de
trabajadores
Impacto
Afectación de salud de
trabajadores por contaminación
acústica
Contaminación del aire y de
cobertura vegetal
Contaminación del aire y de
cobertura vegetal
Señalizacón
Señalización y seguridad vial Afectación de áreas de cultivo
Construcción de puentes y
pontones
Afectación de vida acuatica por
contaminación del agua
ETAPA DE OPERACION:
Incremento de velocidad
vehicular y tráfico
Propuesta de un método de valoración ambiental para rehabilitación de carreteras: caso Pariacoto-Yupash
112
4. Resultados y discusión
4.1 Métodos de valoración Para valorar las medidas correctivas relacionadas a
impactos generados por la contaminación del aire y
de cobertura vegetal, como conformación y perfilado
de taludes y revegetación, se puede aplicar el método
del costo evitado. En tanto que, para valorar el riego
para mitigar la producción de polvo, se puede aplicar
el método del gasto preventivo.
Para la valoración de las medidas correctivas para
mitigar los impactos producidos por la planta de
asfalto y explotación de canteras, como
contaminación del suelo y del aire, se puede aplicar el
método del gasto preventivo.
La valoración de los terrenos agrícolas y viviendas
asentados dentro del derecho de vía, pueden ser
efectuados a precio de mercado por el Método de
Costo de Oportunidad, es decir cuanto se puede
compensar a los afectados por la pérdida de sus
terrenos de cultivo, tierra que le da a los propietarios
un sustento económico. Al valorar los terrenos y
viviendas afectadas hay que tomar en cuenta el
entorno socioeconómico de la población asentada a lo
largo de la vía. Esta información es percibida y
recogida durante las audiencias específicas, en la que
la población toma conocimiento de los beneficios de
la carretera por un lado, pero también perciben la
pérdida física de sus terrenos.
En el caso de reubicación de un canal de riego que
se encuentra dentro del derecho de vía, es posible
aplicar el Método del Costo de Reubicación, valor
que se invierte para conseguir una beneficio a toda la
población con la rehabilitación de la carretera.
4.2 Valoración del programa de
compensación y/o reasentamiento De la información recogida en el campo, de predios
dentro del derecho de vía (Figura 3), se observó que
la rehabilitación de la carretera Pariacoto-Yupash
afectará a 129 unidades de terreno agrícola, 72
viviendas y 30 unidades de vivienda con terreno
agrícola, información que es resumida en la Tabla 10.
La agricultura es la principal actividad en la zona,
cuenta una producción diversificada de cultivos
transitorios, entre los que destacan por la superficie
utilizada y volumen de producción los cereales y
tuberosas destinadas fundamentalmente para el
autoconsumo, como el trigo, papa, cebada grano,
arveja grano verde y maíz amiláceo.
Figura 3. Áreas afectadas por el derecho de vía.
Tabla 10. Resumen de áreas afectadas.
Area total m2 356047.6
Lotes afectados 129
Terreno afectado m2 68999.9
Area total m2 16995.5
Lotes afectados 72.0
Vivienda afectada m2 4086.2
Area total 86934.2
Lotes afectados 30.0
Terreno afectado 12882.5
Vivienda afectada 1708.4
Area total de terreno afectado m2 81882.3
Area total de vivienda afectada m2 5794.6
Terreno Agrícola
Viviendas
Terrenos + Viviendas
Los terrenos y viviendas afectadas corresponden a
las comunidades de Sr. de los Milagros,
Cochabamba, Chacchan, SAIS Huaraz y Virgen de
Fátima. Las viviendas afectadas son en un 99% de
techo de calamina y paredes de adobe
Se considero un 0.5% del valor de bienes afectados
(vivienda y terrenos) como el valor del Plan
Capacitación y Seguimiento para que los fondos
recibidos por las familias afectadas sean bien
empleados. Igual monto se consideró para el Plan de
Apoyo para la generación de ingresos de jefes de
familia desempleados.
Por otro lado, se consideró un 1% del valor de los
terrenos afectados como el valor del Plan de
Asistencia Técnica Agropecuaria.
4.3 Valoración del programa de mitigación
En la valoración de las medidas correctivas para
mitigar los impactos ocasionados por la explotación
de canteras, campamentos, operación y cierre de
planta de asfalto y botaderos, además de otros
actividades propias de la rehabilitación de carreteras.
La revegetación posterior de la obra constituye una
de las operaciones que mejor puede contribuir a
devolver las condiciones iniciales del paisaje que
fueron disturbadas por acción de cortes en taludes. Su
eficacia se basará en la selección adecuada de
especies nativas propias de la zona y en el correcto
diseño de su distribución
4.4 Valoración del programa de monitoreo
El monitoreo de emisiones gaseosas se realiza en la
planta de asfalto, donde se establecen dos (2) puntos
de control, un punto en el foco emisor y otro punto en
el entorno inmediato. El monitoreo de material
particulado se hace en dos (2) puntos de control de la
cantera (foco emisor y entorno inmediato).
La calidad del agua del río Casma será
monitoreada durante la etapa constructiva en el
puente Pariacoto, pontón Cachan y localidad de
Yupash. El número de muestras serán dos por cada
punto (100 metros aguas arriba y aguas abajo del
punto de muestreo). (Ver Tabla 12)
4.5 Valoración del Programa de Contingencia
La cuadrilla de emergencia está constituida por 04
obreros que previamente han recibido capacitación en
medidas de contingencia ante eventos extremos como
sismos, incendios, accidentes laborales, derrames de
combustibles, lubricantes y/o elementos nocivos.
7.5m
Lia Ramos F., Ricardo Apaclla N.
An cient. 68(4) 2007, pp. 101-115 113
Tabla 11. Valoración del programa de mitigación (quitar pasivos).
Concepto Observación
Riego de caminos y canteras 2 meses Con camión cisterna de 2000 galones
Retiro y custodia de cobertura vegetal 27740 m2
Equipos y accesorios de seguridad 1 GlobalMáscaras, guantes, mamelucos, lentes,
cascos, etc.
Señales de seguridad 61 Señal de 0.75 x 0.75
Letrinas 8 Unidad Incluye mantenimiento
Saneamiento de oficinas, almacén, campamento, etc 12 por mes Desinfección de ambientes
Cantidad
Tabla 12. Valoración del programa de monitoreo.
Monitoreo de Calidad del Aire:
planta de asfalto construcción 2 ptos por mes 2 x 12meses
canteras (06) construcción 2 ptos por mes 12 x 12meses material particulado (PM-10)
centros poblados (08) operación 1 pto por año 8 x 10 años
Monitoreo de Ruidos:
planta de asfalto y cantera (06) construcción 2 ptos por mes 14 x 12meses
centros poblados (08) operación 1 pto por año 8 x 10 años
Monitoreo de Calidad del Agua:
construcción 2 ptos por mes 6 x 12meses
Monitoreo de "derecho de vía":
por viviendas, comercio ambulatorio,
etc
decibeles de ruido
operación 4 rondas por año 4 x 10 años
ConceptoNº de
Muestreo
Etapa del
Proyecto
rio casma (puente pariacoto, pontón
Chacchan y Yupash)
Frecuencia Cantidad Parámetro a cuantificar
dióxido de azufre, óxido de nitrógeno,
monóxido y dióxido de carbono, y plomo
verificación de "derecho de vía" en todo el
trazo de la carretera
dióxido de azufre, dióxido de nitrógeno,
monóxido de carbono
pH, cloruros, sulfatos, sales de magnesio,
sólidos totales, sólidos volátiles, sólidos
suspendidos, aceites y grasas, DBO y OD,
CT y CF.
Tabla 13. Valoración del programa de contingencia.
Concepto Observación
Elaboración de planes de contingencia 4 manuales
Unidad de Contingencias:
1. Cuadrilla de brigada de emergencia 2 simulacros/año 04 personas
2. Equipo de emergencia ante accidentes (botiquin,camilla,oxígeno,..) 3 equipos
3. Equipo contra incendios (extinguidor,picos, uniformes,cascos, ..) 3 equipos
4. Equipo de comunicaciones 4 radios
5. Vehículo de desplazamiento rápido 1 camioneta incluye combustible para
simulacros
Cantidad
en planta de asfalto, cantera y
campamento
sismo, incendio, accidente
laboral y derrames
El equipo de emergencia ante accidentes y equipo
contra incendios estarán ubicados en la planta de
asfalto, cantera y campamento (Tabla 13).
4.6 Valoración de Impactos Ambientales
La valoración final es producto del metrado de la
medida correctiva multiplicado por su valor unitario.
Los metrados son medidos en los planos y los valores
unitarios son el resultado de tomar en cuenta: jornales
de mano de obra, precios de insumos, rendimientos
de equipos y personal, distancia de transporte y
alquiler de equipo mecánico.
El presupuesto final de tomar en cuenta todas las
medidas correctivas, se resumen en la Tabla 14.
El monto de valoración de impactos ambientales
debe integrarse al presupuesto general de las obras de
ingeniería. Algunos aspectos que no pueden ser
valorados físicamente se deben consignar bajo el
rubro de gastos generales en el presupuesto de obra.
Propuesta de un método de valoración ambiental para rehabilitación de carreteras: caso Pariacoto-Yupash
114
Tabla 14. Valoración ambiental final.
Nº Concepto Unidad Cant C.U. Parcial Total S/.
1.0 Programa de Medidas Preventivas 222648
1.1 Riego de caminos y canteras con camión cisterna de 2000 galones mes 2 17756.00 35512
1.2 Retiro y custodia de cobertura vegetal m2 27740 3.43 95148
1.3 Equipos y accesorios de seguridad Gbl 1 5000.00 5000
1.4 Señales de seguridad unid 61 407.02 24828
1.5 Letrinas (incluye mantenimiento) unid 8 120.00 960
1.6 Saneamiento de oficinas, almacén, campamento, etc servicios 12 5100.00 61200
2.0 Programa de Compensación y/o Reasentamiento Poblacional 2088619
2.1 Adquisición de viviendas m2 5794.645 100.00 579465
2.2 Adquisición de terrenos m2 81882.31 18.00 1473882
2.3 Plan de capacitación y seguimiento (0.5 % de viviendas y terrenos) global 1 10267.00 10267
2.4 Plan de apoyo para la generación de ingresos global 1 10267.00 10267
2.5 Plan de asistencia técnica agropecuaria (1% de terrenos) global 1 14739.00 14739
3.0 Programa de Capacitación 30000
3.1 Al personal de obra : seguridad en la construcción y manejo ambiental taller 4 3000.00 12000
3.2 A funcionarios administrativos, profesional y técnico taller 4 3000.00 12000
3.3 Al personal de obra : medidas de contingencias charla 4 1500.00 6000
4.0 Programa de Monitoreo Ambiental 140740
4.1 Monitoreo de calidad del aire en planta de asfalto muestreo 24 500.00 12000
4.2 Monitoreo de calidad del aire en canteras muestreo 144 150.00 21600
4.3 Monitoreo de calidad del aire en centros poblados muestreo 80 600.00 48000
4.4 Equipo de medición de ruido unid 1 500.00 500
4.5 Monitoreo de ruido en planta de asfalto y canteras muestreo 168 30.00 5040
4.6 Monitoreo de ruido en centros poblados muestreo 80 30.00 2400
4.7 Monitoreo de calidad del agua muestreo 72 600.00 43200
4.8 Monitoreo de "derecho de vía", por viviendas, comercio ambulatorio, etc rondas 40 200.00 8000
5.0 Programa de Contingencias 61440
5.1 Elaboración de planes de contingencia (manuales) unid 4 2000.00 8000
5.2 Unidad de Contingencias
5.2.1 Cuadrilla de brigada de emergencia unid 2 120.00 240
5.2.2 Equipo de emergencia ante accidentes unid 3 800.00 2400
5.2.3 Equipo contra incendios unid 3 600.00 1800
5.2.4 Equipo de comunicaciones unid 4 250.00 1000
5.2.5 Vehículo de desplazamiento rápido unid 1 48000.00 48000
6.0 Programa de Abandono de Obra 3173403
6.1 Limpieza y Restauración de área de campamento m2 2300 2.05 4715
6.2 Limpieza y Restauración de área de planta de asfalto m2 5000 2.05 10250
6.3 Limpieza y Restauración de área de planta de canteras m2 127.1164 3.11 395
6.4 Conformación de botaderos m3 1568817 1.79 2808182
6.5 Revegetación m2 102000 3.43 349860
5716850 Total S/.
5. Conclusiones
La valoración de los impactos es fundamental para
conseguir la preservación del medio ambiente
ocasionado por la rehabilitación de la vía. Sin
embargo esta debe ser una valoración cuantitativa y
no subjetiva y debe estar consignada en el
presupuesto de obra.
La valoración de algunas actividades que no
pueden ser valoradas cuantitativamente, pero si desde
el punto de vista del enfoque subjetivo, deben ser
consideradas como gastos generales.
El método de valoración ambiental que más se
puede aplicar para valorar los impactos generados por
la rehabilitación de la carretera Pariacoto-Yupash, es
el de Gasto Preventivo. Sin embargo también se
pueden aplicar los métodos de Costo Evitado, Costo
de Oportunidad, Costo de Reemplazo y Costo de
Reubicación, dependiendo de la actividad.
La aplicación de un método de valoración
ambiental debe ser tratada holísticamente,
considerando no solo el entorno ambiental, sino
principalmente tomando en cuenta el entorno social
de la población beneficiada.
Los impactos positivos como producto de la
rehabilitación de la carretera se traducen en la mejora
de la economía local y regional, en el menor tiempo
de transporte, y en el incremento de turismo. La
valoración de todos estos impactos positivos, forman
parte de la rentabilidad del proyecto en su conjunto y
su valoración escapan a los objetivos del presente
trabajo
Los instrumentos de política económica que dan
valor monetario a los bienes y servicios ambientales
son insuficientes para alcanzar la justicia ambiental,
pues hay valores inconmensurables relacionados con
ese patrimonio; hay límites que impiden valorar los
intereses y preferencias de las futuras generaciones;
hay límites e incertidumbres en las ciencias y las
disciplinas que en muchas ocasiones se precipitan por
el agujero del reduccionismo.
6. Referencias bibliográficas
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An cient. UNALM 68(4), 2007 Recibido 23/07/2007
ISSN 0255-0407 Aceptado: 25/10/2007
Evaluación del concreto autocompactante utilizando aditivo súper
plastificante para uso en obras rurales
Carlos Bravo A. 1, Patricia Galarza V.
2
Resumen
El trabajo de investigación tiene el propósito de evaluar el comportamiento del Concreto Autocompactable (CAC)
preparado con aditivo superplastificante mediante la aplicación de nuevos métodos de ensayo. Se tuvo las siguientes
consideraciones iniciales para el diseño de mezclas: 1) Tres relaciones agua-cemento de 0.40; 0.45 y 0.50; 2) Tres
dosificaciones del aditivo señalado, que fueron de 1.2%, 1.6% y 2.0%; y 3) Las recomendaciones dadas para este
tipo de concretos. Efectuadas todas las combinaciones posibles entre relaciones agua-cemento y dosis de aditivo
junto con los tres concretos patrones para cada relación a/c, se realizaron los diseños de mezcla para los 12 tipos de
concreto estudiados en la presente tesis. Luego se efectúan los cálculos para determinar la cantidad de material para
la preparación de las probetas de concreto en el laboratorio, 14 por cada tipo de concreto, haciendo un total de 168
probetas. Al estado fresco, se evalúa la capacidad de relleno (Ensayo del Flujo de Asentamiento y Periodo T50), la
capacidad de paso (Caja en L), la resistencia a la segregación (Tamiz GTM) para el CAC; consistencia (Ensayo del
Cono de Abrams) para el patrón; y peso unitario para ambos tipos de concretos. AI estado endurecido, los estudios
se realizan en cuanto a la resistencia a la compresión y la durabilidad al ataque de sulfatos. Con el análisis de los
resultados obtenidos, se concluye que es posible lograr la auto compactación de un concreto con materiales locales,
que se consolida solo bajo la acción de su propio peso sin presencia de segregación, así como se permite tener
simultáneamente una baja relación a/c y una excelente trabajabilidad de la mezcla, logrando un concreto de alta
calidad y durabilidad. La combinación optima de las variables en estudio, con las cuales se obtienen los mejores
resultados, son la relación a/c de 0.45 con dosis de aditivo del 1.6% sobre el peso del cemento. La dosis del 2%
resulta excesiva para todas las relaciones a/c, presentándose una fuerte segregación con la de 0,50. Asimismo, la
aplicación práctica de los ensayos no normalizados del CAC ha demostrado su validez y eficacia, en este estudio,
para satisfacer los requerimientos para la autocompactabilidad y alta resistencia a la compresión de estos concretos.
Palabras clave: Concreto, aditivo, superplastificante, ensayo de materials, construcciones rurales.
Abstract
The present investigation work has the purpose of evaluating the behavior of the Self Compacting Concrete (SCC)
prepared with superplastificant aditive by the application of new rehearsal methods. The following initial
considerations for the design of mixtures were considered: 1) Three relationships water-cement of 0.40, 0.45 and
0.50; 2) Three dosages of the signal aditive of 1.2%, 1.6% and 2.0%; y 3) The recommendations given for this type
of concrete. Made all the possible combinations between relationships water-cement and aditive dose together with
the three patron concretes for each relationship w/c, were carried out the mixture designs for the 12 concrete types
studied in the present work. Then the calculations are made to determine the quantity of material for the preparation
of the test tubes of concrete in the laboratory, 14 for each type of concrete, making a total of 168 test tubes. To the
fresh state, the filler capacity is evaluated (I Rehearse of the Flow of Establishment and Period T50), the capacity in
passing (Box in L), the resistance to the segregation (Sieve GTM) for the SCC; consistency (Rehearse of the Cone
of Abrams) for the pattern; and unitary weight for both types of concrete. In hardened state, the studies are carried
out as for the resistance to the compression and the durability to the attack of sulfates. With the analysis of the
obtained results, you concludes that it is possible to achieve the Self compacting of a concrete with local materials
that consolidates only by the action of their own weight without segregation presence, as well as it is allowed to
have a low relationship w/c and an excellent quality of work of the mixture simultaneously, achieving a concrete of
high quality and durability. The good combination of the variables in study, with which the best results are
obtained, they are the relationship w/c of 0.45 with dose of aditive of 1,6% on the weight of the cement. The dose of
2% is excessive for all the relationships w/c, being presented a strong segregation with that of 0.50. Also, the
application practices of the not normalized rehearsals of the SCC it has demonstrated its validity and effectiveness,
in this study, to satisfy the requirements for the self compacting and high resistance to the compression of these
concretes.
Key words: Concrete, additive, test of materials, rural constructions.
1. Introducción
Tradicionalmente, el concreto es definido como el
material constituido por la mezcla en ciertas
proporciones de cemento, agregados y agua, que
inicialmente tiene una estructura plástica y
moldeable, y posteriormente adquiere una
consistencia rígida con propiedades aislantes y
1 Facultad de Ingeniería Agrícola, Universidad Nacional Agraria La Molina.
Lima, Perú. E-mail: [email protected] 2 Facultad de Ingeniería Agrícola, Universidad Nacional Agraria La Molina.
Lima, Perú.
resistentes, lo que lo hace un material ideal y muy
versátil para la construcción. Hoy en día, la
Tecnología del Concreto establece cuatro
componentes para este material: cemento, agregados,
agua y aditivos como elementos activos y el aire
como elemento pasivo.
Con respecto a los aditivos, en este caso los
químicos, su uso se realiza para diversos fines como
acelerar o retardar el fraguado y el endurecimiento
inicial; mejorar la trabajabilidad; reducir requisitos de
Carlos Bravo A., Patricia Galarza V.
117
agua o cemento de la mezcla; incrementar la
resistencia o modificar otras propiedades del
concreto.
Uno de estos aditivos, es el superplastificante que
corresponde a una nueva generación de plastificantes,
constituyendo una evolución en la capacidad de
dispersión de las partículas del cemento ya que evita
la floculación de estas en la masa de concreto. Los
floculos tienen efectos nocivos como retener cierta
cantidad de agua en su interior y no lubricar
correctamente al cemento, esto incide negativamente
en la trabajabilidad, la porosidad y en consecuencia
en su resistencia y durabilidad.
Así es como nace el llamado Concreto
Autocompactable (CAC), conocido con la
denominación internacional de Self Compacting
Concrete (SCC), cuya base es dicho aditivo, y que
esta revolucionando la construcción a nivel mundial,
por su espectacular facilidad y rapidez de ejecución,
resistencias mecánicas elevadas, buena durabilidad y
acabado. El CAC es capaz de fluir en el interior del
encofrado, pasando entre los refuerzos y
consolidándose únicamente bajo la acción de su
propio peso, sin ninguna compactación, y sin que se
produzca segregación.
Por ser lo ultimo en lo que a tecnología del
concreto se refiere, en diversos países del mundo
como Japón, Estados Unidos, Alemania, Italia,
Francia, Suecia, Inglaterra, Argentina, España, Chile,
México, etc., existe gran cantidad de investigaciones
científicas del CAC, donde se prioriza el estudio de la
fluidez, la capacidad de relleno y la capacidad de
paso de este tipo de concretos usados tanto en
construcciones urbanas como en rurales.
En nuestro país, son relativamente pocas las
investigaciones sobre el CAC y el uso y
potencialidades del aditivo superplastificante, menos
aun para obras rurales, campo de la Ingeniería
Agrícola, que exige y requiere la misma calidad
constructiva y de puesta en obra urbana; de allí surge
la idea de elaborar la presente tesis donde se evalúa,
mediante la aplicación de nuevos métodos de ensayo,
al concreto autocompactable elaborado con
materiales y condiciones locales. Esta evaluación
considera, no solo sus propiedades al estado fresco
sino también las del endurecido como son la
resistencia a la compresión y la durabilidad, esta
ultima muy importante en el estudio de obras rurales.
Los objetivos del trabajo de investigación fueron:
- Evaluar el comportamiento del concreto
autocompactable preparado con aditivo
superplastificante, en estado fresco y endurecido,
para ser usado por razones de impermeabilidad y
durabilidad en obras rurales.
- Estudiar la capacidad de relleno y la capacidad de
paso del concreto elaborado con el aditivo
superplastificante.
- Estudiar la influencia del aditivo
superplastificante en la resistencia y durabilidad del
concreto.
- Dar a conocer los nuevos métodos de ensayo para
el control y caracterización del concreto fresco con
aditivo superplastificante utilizados en otros países.
2. Revisión de literatura
2.1 El concreto autocompactable El concreto autocompactable esta definido como
“el concreto capaz de fluir en el interior del
encofrado, rellenando de forma natural el volumen
del mismo, pasando entre las barras de armaduras y
consolidándose únicamente bajo la acción de su
propio peso, sin ninguna compactación interna o
externa, y sin que se produzca segregación física de
sus constituyentes”.
Tales prestaciones se consiguen con una fluidez,
viscosidad y cohesión en las mezclas de estos
concretos. La alta fluidez proporciona la facilidad de
fluir en el encofrado y el relleno del mismo, y la
viscosidad y cohesión moderadas evitan la
segregación de sus componentes garantizando una
deformabilidad uniforme en el proceso de colocación.
En este sentido, la facilidad o habilidad para el
relleno y el paso entre las armaduras son parámetros
esenciales en la definición de las prestaciones de
estos concretos.
2.2.1 Requisitos para el concreto
autocompactable Una mezcla de concreto sólo puede clasificarse
como autocompactable si se cumplen los requisitos
para las siguientes tres consideraciones, definidas
más adelante:
- Capacidad de relleno
- Capacidad de paso
- Resistencia a la segregación
Debido al alto contenido en finos, el CAC puede
presentar una retracción superior a la de las mezclas
ordinarias de concreto. Por consiguiente, tales
aspectos deben tenerse en cuenta durante el diseño y
la especificaci6n del CAC.
2.1.2 Composición inicial de la mezcla Al diseñar la mezcla es preciso tener en cuenta las
proporciones relativas de los componentes clave en
cuanto al volumen y no a la masa.
Los márgenes indicativos habituales de las
proporciones y las cantidades para alcanzar la auto
compactación se presentan a continuación. Pueden
requerirse otras modificaciones para cumplir ciertos
requisitos de resistencia y de rendimiento:
Los finos generalmente empleados están
constituidos por partículas con diámetro menor que
150 μm, consistiendo de cemento Pórtland y
adiciones, como puzolanas (escoria, ceniza y humo
de sílice) y/o finos naturales (filler calizo, otros). La
adición debe estar entre el 10% y 30% del peso del
cemento.
El contenido total de finos es alto, en el rango de
400 - 650 kg/m3. La alta dosificación de finos se
justifica por las moderadas viscosidad y cohesión que
deben existir en la pasta para evitar la segregación de
los áridos y disminuir el rozamiento entre los áridos
gruesos.
Evaluación del concreto autocompactante utilizando aditivo súper plastificante para uso en obras rurales
An cient. 68(4) 2007, pp. 116-124
118
Normalmente el contenido de agua no supera los
200 l/m3.
El contenido mínimo de cemento es de 350 kg/m3.
Las relaciones agua-cemento son menores a 0.50.
La relación agua finos están en el rango de 0.30 –
0.40, en peso y entre 0.90 – 1.10 en volumen.
El aditivo químico a utilizar es el superplastificante
de alto rango, que le da fluidez al concreto, siendo los
mejores los de base poli carboxilo de ultima
generación.
El tamaño máximo del árido grueso no sobrepasa
los 20 mm (3/4”), siendo usuales tamaños máximos
comprendidos entre 10 - 16 mm. Además, su
contenido es menor con relación a los concretos
normales.
Tales parámetros son necesarios para una mayor
deformabilidad y menor riesgo de bloqueo de flujo.
En general, se aconseja una práctica conservadora
de diseño para garantizar que el concreto pueda
mantener sus propiedades especificadas en fresco a
pesar de las variaciones en la calidad de las materias
primas. También deben esperarse y permitirse
algunas variaciones en el contenido de humedad de
los agregados en la fase de diseño de la mezcla.
Normalmente, los aditivos que modifican la
viscosidad constituyen una herramienta útil para
compensar las fluctuaciones debidas a cualquier
variación en la granulometría de la arena y el
contenido de humedad de los áridos.
Los ensayos de laboratorio sirven para verificar las
propiedades de la composición inicial de la mezcla.
Si es preciso, en ese momento deberán aplicarse los
ajustes en dicha composición. Una vez satisfechos
todos los requisitos, la mezcla debe contrastarse a
escala completa en la planta de concreto o en la obra.
En caso de que no pueda obtenerse un rendimiento
satisfactorio, será preciso tener en cuenta un rediseño
fundamental de la mezcla.
2.2 Diseño de Mezclas
2.2.1 Del concreto autocompactable Los métodos de dosificación de mezclas para el
CAC, difieren de los métodos tradicionales
empleados, estando fundamentados, en la actualidad,
en una base esencialmente empírica. En tales mezclas
la obtención de las propiedades en fresco asociadas a
la alta fluidez y moderadas viscosidad y cohesión
gobierna la definición de las proporciones de los
componentes.
El procedimiento propuesto por Okamura (20) de
la Sociedad Japonesa de Ingenieros Civiles (JSCE),
considera que el CAC esta constituido por dos fases:
árido grueso y mortero. El volumen de árido grueso y
de árido fino se fijan, respectivamente, en el 50% del
volumen sólido del esqueleto granular (árido fino y
árido grueso) y el 40% del volumen del mortero
(pasta de cemento y áridos finos).
Tales proporciones se han determinado mediante
estudios de carácter experimental relativos al bloqueo
de los áridos. La relación agua-finos y la dosificación
del superplastificante se obtienen mediante mezclas
de prueba.
Figura 1. Comparación de las proporciones de
mezcla entre el concreto autocompactable y el
convencional.
Fuente: Self Compacting Concrete.
2.3 El aditivo superplastificante Corresponden a una nueva generación de aditivos
plastificantes, constituyendo una evolución en la
adsorción y capacidad de dispersión del cemento.
Los efectos principales que se derivan son por una
parte la ionización de los filamentos del aditivo que
produce la separación de los granos de cemento entre
si, conduciendo a una efectiva desfloculizacion, y por
otra parte, las moléculas de aditivo son absorbidas y
se orientan en la superficie de los granos de cemento
de lo que resulta una lubricación de las partículas.
Para entender mejor el funcionamiento de estos
aditivos se hace preciso recordar el comportamiento
agua-cemento en el proceso de mezcla y fraguado del
concreto. Como se sabe, primero se forma la pasta
aglutinante producto de la lubricación de las
partículas de cemento y del árido tras la adsorción del
agua, y luego esta pasta se vuelve cementante
producto de la reacción química que se lleva a cabo
entre ambas al iniciarse el fraguado.
En la primera de estas etapas es cuando se produce
la mezcla de los componentes y las primeras
reacciones electroquímicas entre agua y cemento,
apareciendo las características del concreto fresco
como trabajabilidad y consistencia.
Estas características están gobernadas
principalmente por las reacciones electroquímicas
producidas entre las moléculas de agua y los granos
de cemento que poseen un gran número de iones en
disolución en su superficie. Estos iones tienden a
formar, debido a una afinidad electroestática,
floculos, al entrar en contacto con el agua durante la
operación de amasado. Dichos floculos ejercen dos
efectos nocivos en la mezcla de concreto:
Impiden la dispersión uniforme de las partículas de
cemento en la masa de concreto.
Retienen cierta cantidad de agua en el interior de su
masa que incide negativamente en la porosidad final
del material por no ser utilizable para lubricar la masa
ni para la lubricación de los granos de cemento.
Los efectos nocivos de la floculación pueden ser
contrarrestados, en una gran parte, mediante la
incorporación a la masa del concreto de los súper
plastificantes de última generación que son los
Carlos Bravo A., Patricia Galarza V.
119
policarboxilatos, que poseen grupos carboxílicos en
la cadena principal y grupos de oxido de etileno
como cadenas laterales.
Estos productos actúan neutralizando las cargas
eléctricas que se encuentran sobre la superficie de las
partículas de cemento y, por consiguiente, evitando la
formación de floculos. La forma lineal y alargada de
estas moléculas orgánicas les permite recubrir por
completo la superficie de los granos de cemento
incorporándole cargas de signo negativo, provocando
una fuerza de repulsión entre las partículas de
cemento dificultando el fenómeno de la floculación
(“repulsión estérica”).
Sin embargo, como consecuencia del efecto
envolvente de estas moléculas puede ocurrir que, en
altas dosis se produzca un efecto de retardo de la
hidratación de los granos.
En el modo de acción de los súper plastificantes
pueden considerarse tres etapas consecutivas:
- Adsorción de los polímetros por parte de las
partículas de cemento en la etapa de transición
sólido-liquido.
- Carga de la superficie de los granos con fuerzas
electroestáticas de repulsión por tener el mismo
signo.
- Aparición de tensiones superficiales que
aumentan la distancia entre partículas.
EI efecto es temporal, durando un mínimo del
orden de 30 a 45 minutos, dependiendo del producto
en particular y la dosificación, pero se puede seguir
añadiendo aditivo si es necesario para volver a
conferirle plasticidad al concreto, siempre
controlando la relación agua-cemento.
2.3.1 Características Este aditivo a nivel mundial ha significado un
avance notable en la Tecnología del Concreto pues ha
permitida el desarrollo de concretos de muy alta
trabajabilidad y resistencia. En el Perú, esta
considerado dentro de la nueva Norma para Aditivos
Químicos (NTP 334.088) que lo clasifica como Tipo
G (Reductor de agua de alto rango). A continuación
sus características de uso:
- Superplastificante
Adicionado a una mezcla con consistencia normal
se consigue fluidificar el concreto, facilitando su
colocación, incluso en presencia de un armado denso,
sin necesidad de vibración al tiempo que mantiene su
homogeneidad. Es apto para el bombeo.
- Reductor de agua de alto rango
Permite reducir de 30% a 40% el agua de mezcla,
lo que ha permitido el desarrollo de concretos de muy
alta resistencia con relaciones agua-cemento menores
de 0.5, obviamente bajo optimizaciones de la calidad
de los agregados y del cemento.
- Economizador de cemento
Se puede aprovechar el incremento de resistencias
logrado al reducir agua, para disminuir el contenido
de cemento y hacer más económico el diseño.
2.3.2 Aplicación y modo de empleo Se aplican diluidos en el agua de mezcla del
concreto o también se pueden añadir a una mezcla
normal en el sitio de obra un momento antes del
vaciado entre dosis del 1% al 3%, produciendo
resultados impresionantes en cuanto a la
modificación de la trabajabilidad ya que permite da
características autonivelantes y autocompactables a
concretos convencionales, lo que los hace ideales
para vaciados con mucha congestión de refuerzo, sin
vibrado.
Por ejemplo, para una mezcla convencional con un
slump del orden de 2 a 3 pulgadas, al añadirle
superplastificante puede producir asentamientos del
orden de 8 a 11 pulgadas.
2.4 Ensayos del concreto
2.4.1 Ensayos normalizados
- Ensayo para la medición del asentamiento del
concreto con el cono de Abrams (Norma NTP
339.035).
- Ensayo para el esfuerzo a la compresión de
probetas cilíndricas de concreto (Norma NTP
339.034).
2.4.2 Ensayos no normalizados para el
Concreto Autocompactable
Entre los muchos métodos de ensayo propuestos
para evaluar la capacidad de auto compactación del
concreto, se destacan el flujo de asentamiento, el
periodo T50, la caja L y el ensayo de estabilidad del
tamiz GTM, los cuales se describen mas adelante ya
que son los empleados en la presente investigación.
Además de los mencionados, están el Anillo J, el
embudo V, la caja en U; la caja de relleno y el
Orimet. El objetivo de los ensayos es determinar la
fluidez necesaria y la cohesión suficiente para que no
se produzca segregación en la mezcla.
2.4.3 Ensayo del flujo de asentamiento
(Slump Flow) y Ensayo de T50 El flujo de asentamiento se utiliza para evaluar el
flujo libre del CAC en ausencia de obstrucciones o
capacidad de relleno.
Tabla 1. Lista de ensayos para el concreto
autocompactable
Fuente. Especificaciones y directrices para el hormigón
autocompactable, EFNARC.
Se desarrollo primero en Japón para su uso en la
valoración del concreto sumergido. Este método se
basa en el ensayo para determinar el asentamiento. El
diámetro del círculo del concreto es una medida de la
capacidad de relleno del concreto.
Se utiliza el cono de Abrams tradicional, pero en
lugar de medir asentamiento se mide el diámetro
alcanzado por el flujo de concreto. También se mide
Evaluación del concreto autocompactante utilizando aditivo súper plastificante para uso en obras rurales
An cient. 68(4) 2007, pp. 116-124
120
el tiempo que demora el concreto para alcanzar 50
cm de diámetro, lo cual indica la viscosidad del
concreto y debe estar generalmente entre 2 y 7
segundos. El CAC puede tener un valor de
escurrimiento de cono entre 55 y 75 cm según el tipo
de elemento y las condiciones de colocación,
usualmente se requiere entre 60 y 80 cm. También se
verifica visualmente que no haya segregación ni
exudación.
Figura 2. Esquema de ensayo del flujo de
asentamiento. Fuente: Especificaciones y directrices para el hormigón
autocompactable.
2.4.4 Ensayo de la caja en L (L box) Este ensayo basado en un diseño japonés para el
concreto submarino evalúa la capacidad de fluir del
concreto y también la medida en la que esta sujeto a
bloqueos por parte del refuerzo.
Figura 3. Esquema del ensayo de la caja en L.
Fuente: Hormigones autcompactables, Desarrollo y
caracterización Gettu.
El equipo consiste en una caja de sección
rectangular con forma de “L” con una sección
vertical y otra horizontal, separadas por una puerta
móvil, delante de la cual se encajan longitudes
verticales de barras de refuerzo espaciadas a una
distancia determinada. Por la sección vertical escurre
el concreto. Se mide la relación de alturas final e
inicial del concreto después del escurrimiento entre
los extremos de la parte horizontal. La diferencia no
debe ser mayor a 20% de la altura en el extremo
inicial. Asimismo, se toma como referencia los
tiempos que demora la mezcla en alcanzar los 20 y 40
cm, alrededor de 3 a 6 segundos para el último. Se
trata de una indicación de la capacidad de paso o del
grado en que se restringe el paso del concreto a través
de las barras de refuerzo.
2.4.5 Ensayo de estabilidad del tamiz GTM
Este ensayo ha sido desarrollado por GTM
Construction France, para evaluar la resistencia a la
segregación (estabilidad) de una forma muy efectiva.
Consiste en tomar una muestra del CAC, dejarla
reposar durante un tiempo para permitir que se
produzca cualquier segregación interna y después
vertiendo la mitad de la misma sobre un tamiz de 5
mm de luz por 350 mm de diámetro, que se encuentra
sobre un fondo de tamiz encima de una báscula.
Después de dos minutos, el mortero que ha pasado a
través del tamiz se pesa y expresa como porcentaje de
la muestra original encima del tamiz.
Tabla 2. Criterios de aceptación para el CAC.
Fuente: Especificaciones y directrices para el hormigón
autocompactable, EFNARC.
3. Resultados y discusión
3.1 De los ensayos del concreto fresco
3.1.1 Del concreto patrón
a) Trabajabilidad
Entre ambos concretos existe una marcada
diferencia en cuanto a trabajabilidad, los concretos
patrones presentaron en general una consistencia
seca, teniendo como consecuencia una baja capacidad
de compactación y moldeo, sin fluidez.
b) Consistencia
Para el caso del concreto patrón, la consistencia fue
calculada mediante el ensayo del cono de Abrams,
los valores de asentamiento obtenidos se muestran en
la Tabla 3, donde se aprecia que el menor valor
resultante es 1.5 pulgadas para el P1 clasificándose
como una mezcla seca (asentamientos entre 0 y 2
pulgadas), teniendo este la relación agua/ cemento de
0.4, que es la mas baja, con 248 l/m3
de agua y 620
kg/m3 de cemento. Se debe añadir que el P1, tiene las
cantidades menores de agregado, 694.5 kg/m3 para el
fino y 734.3 kg/m3 del grueso.
Carlos Bravo A., Patricia Galarza V.
121
EI concreto patrón P2 tuvo un slump de 2.19
pulgadas, para una relación a/c de 0.45, con 248 l/m3
de agua y 551.1 kg/m3 de cemento; siendo una
mezcla seca.
EI concreto patrón P3 tuvo el mayor asentamiento,
fue de 3.75 pulgadas y por tanto es considerado
dentro de las mezclas plásticas (asentamiento entre 3
y 4 pulgadas), teniendo en cuenta que su relación a/c
es de 0.5; con 248 l/m3 de agua y 496 kg/m
3 de
cemento, asimismo los valores de los agregados son
de 746.1 kg/m3 para la arena y 788.8 kg/m
3 para la
piedra.
Tabla 3. Consistencia del concreto patrón.
En la Figura 3 se presenta la curva elaborada con
los asentamientos, que resultan directamente
proporcionales a la relación a/c, es decir al aumentar
la relación a/c aumenta el valor del slump y
viceversa, esto debido a la variación en la cantidad de
cemento, lo cual le da a la curva una tendencia lineal.
Figura 3. Curva de asentamiento de los concretos
patrones.
3.1.2 Del concreto autocompactable a) Trabajabilidad
A contraparte, el CAC con el efecto
superplastificante otorgado por el aditivo, presento
una consistencia fluída, dando a la mezcla una alta
autocompactabilidad y moldeo. Este concreto tuvo
una alta fluidez y se consolidó en los moldes
únicamente bajo la acción de su propio peso sin
compactación interna o externa. No obstante, en los
casos que se aplicó dosis del 2% s.p.c. de aditivo se
presento segregación.
b) Consistencia
Según el método tradicional para medir la
consistencia de una mezcla de concreto fresca que
constituye el cono de Abrams, el CAC posee una
consistencia altamente fluída con asentamientos
logrados de 11 pulgadas en todos los casos.
De acuerdo con, a la consistencia presentada en
este tipo de concretos, la propiedad equivalente a
estudiar es la capacidad de relleno, que se analiza a
continuación.
c) Capacidad de relleno
Esta propiedad fue determinada mediante dos
ensayos; el ensayo del flujo de asentamiento (Slump
Flow) con el que se midió el asentamiento diametral
del concreto fresco que debe estar entre 60 cm y 80
cm; y el ensayo del periodo T50 con limites de 2 y 7
segundos.
Como se sabe, la investigación se ha servido de
aproximaciones sucesivas para lograr el concreto
autocompactable a condiciones locales; por lo
detallado en el acápite 4,2 de Mezclas de Prueba,
estas se prepararon con los valores medios de
relación agua-cemento y de dosis de aditivo en
estudio, por ello que, para valores extremos no
siempre se cumplió con los requerimientos del CAC.
Analizando la Tabla 4, de los nueve (9) concretos
autocompactables preparados, tres (3) están entre los
limites establecidos para asegurar una buena
capacidad de relleno, y estos son el AC1+ D1, AC2+
D1 y AC2+ D2 que tienen diámetros de flujos entre
los 60 y 80 cm, así como periodos T50 entre los 2 y 7
segundo
Tabla 4. Flujos de asentamiento y período T50.
El concreto AC1+ D1, de una relación a/c igual a
0,40 y con una dosis de 1.2%, ambos valores
extremos inferiores en estudio, tuvo un diámetro de
79 cm, casi en el margen de 80 cm y con un periodo
T50 de 3.2 seg, no presento segregación y tuvo una
muy buena trabajabilidad, rellenando perfectamente
el molde de probeta.
En el caso del AC2+ D1, con a/c igual a 0.45 y
1.2% de aditivo, estuvo en el limite del Slump Flow
con 80 cm de diámetro y con un bajo periodo T50 de
2.5 segundo, lo cual refleja la pequeña segregación
que presento, con una pequeña pila de agregado en el
centro y un halo de mortero alrededor.
En cuanto al AC2+D2, con los valores de 0.45 de
a/c y 1.6% de aditivo, los resultados de Slump Flow
fueron satisfactorios al igual que para el T50 con 64
cm y 5.6 seg respectivamente; la consistencia de la
Evaluación del concreto autocompactante utilizando aditivo súper plastificante para uso en obras rurales
An cient. 68(4) 2007, pp. 116-124
122
mezcla fue uniforme sin segregación y con una
capacidad de relleno excelente.
Para el resto de concretos, los AC1+ D2, AC3+
D2, AC1+ D3, AC2+ D3 y AC3+ D3 pasaron el
margen de 80 cm de diámetro, aunque si estuvieron
dentro del periodo T50 requerido; los concretos con
dosificación D3 (2% s.p.c.) fueron los mas
segregados llegando al punto que con el AC3+ D3
donde se juntaron los valores extremos en estudio
(a/c de 0.50 y 2% de aditivo) no se pudieron moldear
todas las probetas debido a la alta segregación que
presento.
El único que no llegó a los 2 segundos mínimos del
periodo T5o fue AC3+ D1.
En la Figura 4, se muestra la variación del Slump
Flow de acuerdo con la relación agua-cemento donde
para todas estas, los concretos con dosis de aditivo
del 1.2% tuvieron un Slump Flow dentro de los
limites requeridos, a contraparte con el 2% los
valores superaron los 80 cm de margen.
Ahora bien, para relaciones a/c de 0.40 y 0.50, la
dosis del 1.6% resultó muy alta ya que en el primer
caso la cantidad de aditivo fue mucha para el
volumen de pasta pobre y en el segundo por la mayor
cantidad de agua que tenia la mezcla antes de agregar
el aditivo, es por ello que con un a/c igual a 0,45 se
logro el equilibrio entre agua y aditivo.
Luego, en la Figura 5, de la variación del periodo
T50, este va disminuyendo conforme aumenta la
relación a/c para la dosis del 1.2%, no llegando al
mínimo establecido para 0.50; con esto se evidencia
que al aumentar el volumen de agua, la mezcla se
vuelve mas fluida hasta tener la segregación como es
el caso del 0.50.
También, se puede observar que la curva del 1.6%
esta en el rango de aceptación, incrementándose el
periodo con 0.45 un poco mas del valor promedio;
finalmente, la curva de 2% está cercana al limite
inferior para todas las relaciones a/c, ya que es la
dosis mas alta que genera una mayor fluidez y a
consecuencia menores periodos.
Figura 4. Variación del slump flow de acuerdo a la
relación agua – cemento.
d) Capacidad de paso
Para determinar esta propiedad se utilizó la caja en
L, el criterio de aceptación es que la relación entre las
alturas final e inicial (relación de bloqueo) sea como
mínimo de 0.80 y máximo de 1.00; además, que se
toma como referencia los tiempos que demora en
alcanzar los 20 y 40 cm (T20 y T40) medidos desde
que se abre la compuerta.
Figura 5. Variación del período T50 de acuerdo a
la relación agua – cemento.
Tabla 5. Resultados del ensayo de la caja en L.
En la Tabla 5 se observa que todas las relaciones
de bloqueo obtenidas están dentro del rango
recomendado para una capacidad de paso aceptable;
los resultados mas bajos fueron de 0.82 para
AC2+D1 y 0,88 para AC2+D2 ambos con relación
a/c igual a 0.45. Y para dosis del 2% todos tuvieron
valores igual a la unidad.
En cuanto a los periodos de tiempo, existe una
recomendación solo para el T40 que varia entre 3 y 6
segundos; según lo observado al realizar los ensayos,
los concretos con una segregación grave primero
bloqueaban los refuerzos y después de 15 segundos
en promedio pasaba el mortero donde finalmente se
obtenía un H2/H1 igual a 1.
Para dosificaciones del 2%, los periodos
disminuyen conforme aumenta la relación a/c; y para
el 1.2% el periodo se dispara con a/c igual a 0.45 por
la leve segregación que presento esta mezcla.
e) Resistencia a la segregación
Esta propiedad se midió con el ensayo del tamiz
GTM, que sugiere que la relación de segregación este
entre los valores del 5 y 15% para que se considere
satisfactoria. Por debajo del 5% es excesiva, con lo
que probablemente afectará el acabado superficial.
Por encima de un 15%, en particular sobre 30%,
existe una fuerte probabilidad de segregación.
Según a lo anterior, en la Tabla 6 se puede ver que
solo el AC2+D2 esta dentro de ese parámetro con un
valor del 6,5%, los demás por debajo caso del AC1+
D1, AC2+ D1 y AC3+ D1 reflejan que tienen una
Carlos Bravo A., Patricia Galarza V.
123
excesiva resistencia a la segregación y los AC1+ D2,
AC3+ D2, AC1+ D3, AC2+ D3 y AC3+ D3 tienen
porcentajes que sobrepasan el limite del 15% a causa
de una tendencia a la segregación.
Los resultados de los concretos con dosis del 2%
coincidieron con la fuerte segregación que se
presento en el laboratorio, logrando el pico máximo
con el AC3+D3 con el cual no se pudo completar el
moldeo de probetas.
Tabla 6. Resultados del ensayo del tamiz GTM.
La masa de la muestra que traspasa el tamiz
después de 2 minutos es la correspondiente al
concreto AC1 + D2 con 23.8% de relación de
segregación, luego esta el mortero de AC3 + D2 con
18.4% y AC1+ D1 con 3.1%.
4. Conclusiones
1. Es posible lograr la auto compactación de un
concreto bajo condiciones locales, que se consolida
solo bajo la acción de su propio peso sin
compactación interna o externa y sin presencia de
segregación.
2. El Concreto Autocompactable permite tener
simultáneamente una baja relación agua-cemento y
una excelente trabajabilidad de la mezcla, logrando
así un concreto cuyas propiedades quedan
garantizadas única y exclusivamente en el momento
de su diseño, independientemente de su ejecución.
3. La aplicación práctica de los ensayos no
normalizados del CAC ha demostrado su eficacia y
validez para satisfacer las prestaciones de
autocompactabilidad y alta resistencia a la
compresión requeridas en este tipo de concretos, ya
que se ha comprobado que al pasar los límites
máximos establecidos de estos ensayos, empiezan a
mermar las propiedades. Estos ensayos se refieren a
la evaluación de la habilidad o facilidad de fluir del
material, sin presentar segregación ni bloqueo
mediante técnicas experimentales sencillas.
4. El ensayo del cono de Abrams queda relegado para
estos concretos, debido a que no hay consistencia que
controlar para lograr una alta calidad con bajas
relaciones agua-cemento, dando paso ahora al estudio
del flujo de asentamiento como medida de la
capacidad de relleno de la mezcla.
5. La combinación óptima de variables, para los
concretos autocompactables desarrollados en esta
investigación, fue relación a/c de 0.45 con dosis de
aditivo del 1.6% sobre el peso del cemento.
6. La dosis del 2% resultó excesiva para todas las
relaciones agua-cemento, sobrepasándose los
resultados cuando se combinó con concretos de
relación a/c de 0.50 que tienen un mayor contenido
de agua, presentándose una fuerte segregación, por lo
que se vio muy afectada la autocompactabilidad y la
trabajabilidad, además, de su acabado superficial y
resistencia a la compresión.
7. Por ello, se puede concluir que existe una
tendencia creciente a la segregación conforme
aumenta la dosis de aditivo y la relación agua-
cemento.
8. Los CAC presentaron contenidos de agregado
grueso algo inferiores en comparación a los concretos
patrones; esto debido a la adición del filler calizo que
ocupó un volumen de este agregado en el diseño de
mezcla del CAC para incrementar la fluidez, asegurar
la cohesión y apropiada viscosidad de la pasta,
evitando la segregación de los agregados, reduciendo
el rozamiento entre ellos y así disminuir el riesgo de
bloqueo.
9. Los agregados utilizados han presentado ligeras
variaciones con respecto a los requerimientos de la
ASTM, lo cual puede indicar una mayor exigencia de
agua referida a los parámetros teóricos del CAC.
10. Los CAC no endurecidos se mostraron mas
densificados que los patrones, en un orden del 1,3%,
lo cual refleja su mejor compactibilidad y por lo tanto
una mayor durabilidad.
11. Las resistencias a la compresión del CAC están
por encima de las del concreto patrón en un promedio
general del 37%, viéndose mayores porcentajes entre
los 3 y 14 días; lo cual evidencia un mayor desarrollo
de resistencias iniciales.
12. De acuerdo a la relación a/c, las resistencias mas
altas entre los CAC, en general, se consiguieron con
0.40 y las menores con 0.50. De acuerdo con la dosis
de aditivo, las resistencias más altas se lograron con
1.2% y 1.6%; y todas las menores con 2% de aditivo.
13. Los CAC no segregados presentaron un perfecto
acabado superficial con una, superficie lisa sin
cangrejeras.
14. En cuanto a la durabilidad, si bien faltó mas
tiempo de análisis, lo mostrado evidencia un buen
comportamiento al ataque de sulfatos por parte de los
concretos estudiados.
15. El análisis estadístico mostró resultados más
reales cuando se agruparon los datos de acuerdo con
su relación agua-cemento, debido a que esta tiene una
gran influencia en la resistencia del concreto.
16. Por lo visto, principalmente en cuanto a fluidez
en refuerzos densos y buena durabilidad, el CAC se
hace especialmente importante para la construcción
de obras hidráulicas, ya que estas demandan
concretos de resistencias elevadas con relaciones a/c
bajas, impermeables y con una mínima porosidad.
Aplicaciones en Obras Rurales
En Obras hidráulicas, se hace recomendable la
aplicación del CAC, ya que conjuga bajas relaciones
agua-cemento (altas resistencias mecánicas) con una
muy buena trabajabilidad y capacidad de moldeo que
le dan a este tipo de concretos una gran ventaja: la
obtención de excelentes terminaciones superficiales
que le dan una alta impermeabilidad, reduciendo la
Evaluación del concreto autocompactante utilizando aditivo súper plastificante para uso en obras rurales
An cient. 68(4) 2007, pp. 116-124
124
penetración del agua con el consecuente
congelamiento.
Dado que en el CAC la relación de vacíos es
pequeña, esta cualidad puede tomarse en cuenta para
el diseño de estas estructuras donde la velocidad del
flujo es alta y las fuerzas de succión generan la
separación de las partículas en la superficie de
contacto.
En obras construídas en climas fríos se requiere
concretos que tengan fragua rápida; el CAC fragua
entre 30 a 45 minutos.
En Obras de Protección, la aplicación del CAC se
hace muy importante debido a que disminuye los
tiempos de ejecución (permitiendo una mayor
utilización de los encofrados), se consigue
homogeneidad en elementos densamente armados,
por la capacidad de paso que poseen estos concretos
y por lo tanto se mejora la calidad del acabado.
Asimismo, sólo es necesario el traslado de los baldes
del aditivo superplastificante a la zona, obviando el
uso de equipos de vibración, lo que conlleva a una
disminución del presupuesto total.
En Obras de Infraestructura rural, una de las
principales aportaciones del CAC seria su alta fluidez
y moderada cohesión que generan una rápida
colocación demostrando su capacidad de paso a
través de los refuerzos y la capacidad de relleno de
los encofrados sin segregación.
Se recomienda:
- En el CAC, la condición en estado fresco es el
parámetro más importante para el diseño de mezclas,
donde es necesario combinar una elevada fluidez y
una moderada viscosidad, por lo tanto se deben
realizar ensayos previos con mezclas de prueba para
poder verificar dichas propiedades de la mezcla.
- Debido al alto contenido en finos y a la poca o nula
exudación (agua de sangrado), el CAC puede
presentar una retracción superior a la de las mezclas
ordinarias de concreto. Debe prestarse una atención
especial para iniciar el curado del concreto lo antes
posible. Por consiguiente, tales aspectos deben
tenerse en cuenta durante el diseño y la
especificación.
- Es importante también, el control continuo de la
humedad y de la granulometría de los agregados
debido a que se tiene que mantener constante la
consistencia de este concreto, ya que es más sensible
a las variaciones que uno normal.
- El filler calizo (piedra caliza triturada) es muy
utilizado y recomendado como adición en este tipo de
concretos, ya que mejoran las propiedades físicas,
como la trabajabilidad y retención de agua, y tienen
un bajo costo.
- Debido a que el efecto dado por el aditivo dura
entre 30 y 45 minutos, deben acelerarse los ritmos de
producción.
- Los conocimientos actuales sobre tales aspectos
están limitados en el Perú y por lo tanto esta área
requiere nuevas investigaciones, ya que es una
tecnología que está tomando protagonismo a nivel
mundial.
- Se resalta la necesidad de ampliar las
investigaciones con respecto al ensayo de estabilidad
del tamiz GTM, para tratar de adecuarlo con las
necesidades locales.
- No deben analizarse los CAC con los parámetros de
control de calidad para concretos convencionales,
debido a la gran diferencia entre ellos, solo es
recomendable tomarlos como referencia.
- Al alcanzarse altos valores de resistencia a la
compresión con estos concretos por la buena
trabajabilidad con relaciones agua-cemento bajas, se
puede aprovechar para disminuir el contenido de
cemento y hacer mas económico el diseño.
6. Referencias bibliográficas
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An cient. UNALM 68(4), 2007 Recibido 06/12/2004
ISSN 0255-0407 Aceptado: 06/12/2004
Modelo para estimar la evapotranspiracion en La Molina
Cayo Leonidas Ramos Taipe 1
Resumen
En el presente trabajo, se desarrolló un modelo simple para el cálculo de la evapotranspiración en el área de
influencia de la estación Alexander Von Humbolt, básicamente la parte baja de la cuenca del río rimac entre las
cotas 10 –260 msnm. El modelo esta basado en la correlación de la evapotranspiración estimada a partir de la
evaporación medida en el evaporímetro clase A y las variables más importantes y de fácil acceso para los usuarios:
temperatura, déficit de saturación y viento.
Abstract
The present work developed one simple model for the calculation of the evapotranspiration in the area of influence
of the Alexander Von Humbolt station, basically the low part of the basin of the Rimac river among the bench marks
10-260 msnm. The model based one in the correlation of the evapotranspiration estimate about the evaporation
measured in the class A evaporimetro and the most important variables and of easy access for the users:
temperature, saturation deficit and wind.
1. Introducción
La evapotranspiración es uno de los parámetros
meteorológicos más importantes para el estudio de la
vegetación y el consumo de agua en el medio
ambiente. Se estima que aproximadamente el 75% de
la precipitación total anual que ocurre sobre los
continentes retornan la atmósfera en forma de vapor a
través de los procesos de evaporación y transpiración,
por ello la evapotranspiración junto a la evaporación
constituyen una de las fases básicas del ciclo
hidrológico del agua.
Su determinación permite desarrollar planes de
gestión y optimización del recurso hídrico, para una
adecuada dotación del agua en proyectos agrícolas,
proyectos de reforestación, de arborización y de
parques y jardines, entre otros.
En la parte baja de la cuenca del río Rimac, la
presencia de las precipitaciones son prácticamente
despreciables, en cambio los procesos de evaporación
y evapotranspiración alcanzan valores altos de hasta
1 400 mm/año. Su importancia para los modeladores
hidrológicos y meteorólogos, proviene del hecho de
que la evapotranspiracion extrae el agua de una
cuenca, de las áreas de cultivo hacia la atmósfera,
reduciendo significativamente el escurrimiento de la
cuenca y determinando el consumo hídrico de las
plantas.
La evapotranspiración al participar en el balance,
entre las necesidades hídricas del cultivo y la
disponibilidad de agua en la fuente de
aprovechamiento, determina en forma decisiva la
factibilidad de los proyectos agrícolas y es también
un elemento fundamental para el monitoreo de los
cultivos y áreas naturales con fines de manejo o
protección ambiental, como es el caso del ecosistema
de la laguna ubicada en la Molina Vieja, las lomas de
Lachay y los Pantanos de Villa en Lima.
Normalmente para el cálculo de la
evapotraspiración se emplean fórmulas que en su
desarrollo hacen intervenir numerosas variables,
1 Facultad de Ingeniería Agrícola, Universidad Nacional Agraria La Molina. Lima, Perú. E-mail: [email protected]
siendo muchas de ellas difíciles de conseguir.
Además fueron desarrollados para lugares que no
tienen condiciones climáticas similares a las que se
presentan en las diferentes regiones del país, por lo
que son necesarias adecuarlas.
Por ello existe siempre la necesidad de la búsqueda
de métodos que reúna tanto la precisión como la
facilidad operacional.
Al determinar un modelo para la estimación de la
evopotranspiracion potencial a nivel mensual, se
pretende cubrir en parte esta limitación, en el
presente trabajo se adoptan factores climatológicos
preponderantes y de más fácil obtención para el
usuario.
Se plantea como objetivo del trabajo:
- Determinar un modelo para el cálculo de la
evapotranspiración potencial mensual en la zona de
influencia de la estación Alexander Von Humbolt.
2. Revisión de literatura
2.1 Evapotranspiración potencial La evapotranspiración comprende la evaporación
directa desde la superficie del suelo, desde la
superficie de la vegetación y la transpiración a través
de las hojas de las plantas; siendo la transpiración
(Ven Te Chow, 1998) el proceso mediante el cual las
plantas extraen el agua desde las raíces, trasportan a
lo largo de sus tallos y lo transpiran hacia la
atmósfera a través de sus estomas.
La transpiración ocurre siempre y cuando las raíces
de las plantas extraigan agua del suelo. La
distribución de raíces profundas hacen que la capa de
suelo afectada por la transpiración sea mucho mayor
que la capa sobre la que influye la evaporación, pero
esta profundidad depende del tipo de capa vegetal,
los tipos de suelos y la formación de las capas de
suelo dentro de la zona radicular La
evapotranspiración potencial es llamada también
evapotranspiración de referencia (FAO 1999), la
superficie de referencia es el cultivo de grass.
En el cálculo de la evapotranspiración potencial no
existe una influencia directa del tipo de cultivo o el
tipo de manejo de este y menos del tipo de suelo, por
estar siempre con una dotación abundante de agua.
Modelo para estimar la evapotranspiracion en La Molina
126
Por lo que los únicos parámetros que afectan
directamente de la ET son los climáticos,
consecuentemente la ET es un parámetro climático
también y puede ser calculada a partir de la
información climática de la zona de estudio.
2.2 Tanque de evaporación Para calcular la evaporación se utiliza
frecuentemente los registros de evaporación
obtenidos por medio de tanques de evaporación.
Existen numerosos modelos de tanques (cuadrados,
circulares) y su instalación es muy diversa (sobre el
suelo, enterrado, etc.).
Entre los varios tipos de tanques, los mas
importantes son tres: el tanque de evaporación clase
A de EE UU, el tanque GG1-3000 y el de 20 m2 de la
ex Unión Soviética. El primero es recomendado por
la OMM (Organización Mundial de Meteorología,
ver Figura 1) y la Asociación Internacional de
Ciencias Hidrológicas (AICH) como instrumento de
referencia. El rendimiento de este tanque se ha
estudiado en condiciones climáticas diversas y en
latitudes y altitudes muy variadas.
Descripción del tanque clase A
El tanque de evaporación clase A es circular, con
120.7 cm de diámetro y 25 cm de altura. Está
construido de fierro galvanizado o metal (0.8 mm).
Es colocado sobre una plataforma a 15 cm sobre el
piso. El agua se llena hasta 5 cm debajo del tope y no
debe bajar más de 7.5 cm del borde. El agua debe
renovarse al menos semanalmente para evitar la
turbidez. Preferentemente se ubica en campos con
césped (20 x 20m) para permitir la circulación del
aire.
Las lecturas se toman por la mañana y siempre a la
misma hora, en el pequeño cilindro adjunto de 10cm
de diámetro y 20cm de profundidad y con lectura de
vernier.
Figura 1. Tanque clase A.
Descripción del tanque tipo colorado
El tanque tipo colorado (Figura 2) tiene forma
cuadrada con 92 centímetros (3 pies) de lado y 46
centímetros (18 en) de profundidad, hecho de fierro
de 3 mm espesor. Se instala con el margen 5
centímetro sobre el nivel de la tierra. Debe estar
pintado de color negro. El nivel de agua se mantiene
a o ligeramente debajo del nivel de tierra, es decir, 5-
7.5 centímetro debajo del margen.
Las medidas se toman en forma semejantemente
que en el tanque Clase A y los requisitos del
ambiente también son similares.
La evaporación en el tanque se calcula evaluando
la diferencia entre los niveles del agua en el tanque en
días sucesivos, teniendo en cuenta la precipitación en
el periodo considerado. La lámina de evaporación
entre dos observaciones de nivel de agua en el tanque
se determina mediante la fórmula: E = P ± Δd donde
P es la altura de precipitación y Δd es la altura de
variación de agua.
El valor de la evapotranspiración no es
exactamente igual a la medida hecha de la
evaporación, sino este será afectado por un factor K
que varia de 0.7 – 0.85. Para la zona de Lima,
tomando en cuenta la tabla Nº 01 el valor de K es
0.75 debido a que las velocidades medias mensuales
son menores a 175 km/h y la humedad relativa
siempre es mayor a 70% y la bordadura es menor de
100 m.
La evapotranspiración potencial se estima entonces
con la siguiente ecuación:
APEkETP
donde:
ETP = evapotranspiración mensual o diario (mm).
K = coeficiente = 0.75 (Tabla 1).
(Ep)A = evaporación mensual media en el tanque
clase A, en mm.
Las mediciones en el tanque clase A, toman en
cuenta los efectos integrados de la radiación, el
viento, la temperatura y la humedad ambiental.
Actualmente existen varios tipos de tanques
automáticos de evaporación, los que mantienen el
nivel de agua constante y registran los cambios de
volumen de agua.
Figura 2. Tanque tipo colorado.
Figura 3. Condiciones de instalación del tanque
clase A.
An cient. UNALM 68(4), 2007 Recibido 06/12/2004
ISSN 0255-0407 Aceptado: 06/12/2004
An cient. 68(4) 2007, pp. 125-136
127
Tabla 1. Coeficientes (K) para tanque clase A, en diferentes ubicaciones y ambientes, diferentes niveles de de
humedad relativa y velocidad del viento promedio de 24 horas.
Fuente: FAO Irrigation and Drainage Paper No. 24.
2.3 Factores que afectan la
evapotranspiración Como la evapotranspiración es un intercambio de
agua entre dos cuerpos, una fuente (superficie
evaporante) y un receptor (atmósfera). La tasa de
evapotranspiración depende de las características de
estos medios.
2.3.1 Diferencia en la presión de vapor Si se considera que ew es la presión de vapor del
agua en el aire y ea la presión de vapor del aire sobre
la superficie del agua o la superficie mojada, se puede
comprobar que la evapotranspiración es proporcional
al déficit de saturación (ew – ea).
Cuando el aire es más caliente que el agua, su
presión de vapor ea es mayor que la de superficie del
agua (ea > ew) y el proceso de evapotraspiración
continua hasta que ea = ew, lo cual ocurrirá antes de
que el aire se satura. Si el aire es más frío que el
agua, se tendrá ea < ew y la evapotranspiración
continuará hasta que ea = ew, lo cual ocurrirá antes
de que aire llegue a saturarse.
Mientras, la energía del sol y el viento son las
fuerzas principales para la vaporización del agua, la
diferencia entre el vapor de agua que presiona a la
superficie evapotranspirante y el aire circundante son
el factor determinante para desprender la molécula de
agua.
Los campos bien regados en las regiones áridas
secas calientes consumen cantidades grandes de agua
debido a la abundancia de energía y el poder de
secado de la atmósfera. En las regiones tropicales
húmedas, a pesar de la energía alta, la elevada
humedad del aire reducirá el desprendimiento de
moléculas de agua (evapotranspiracion).
2.3.2 Temperatura Muy relacionado a la variable anterior por que la
presión y la temperatura están íntimamente
relacionados. La cantidad de emisión de moléculas
del cuerpo de agua está en función de su temperatura,
ya que a mayor temperatura, mayor será la energía
molecular liberada. La evapotranspiración no
depende de la temperatura de la superficie del agua,
sino del resultado directo del incremento de la
presión del vapor con la temperatura, llamado calor
latente de vaporización.
La radiación solar absorbida por la atmósfera y el
calor emitido por el aumento de temperatura de la
tierra elevan el calor sensible de la energía
circundante y este ejerce una influencia en la
evapotranspiracion. Así por ejemplo la pérdida de
agua por evapotranspiracion en tiempo soleado y
caluroso es mayor que en tiempo nublado y fresco.
2.3.3 Viento Es un elemento efectivo para remover las
moléculas que se desprenden de la superficie del agua
debido a la evapotranspiración, lo que origina
variaciones en las características de la masa de aire
que se encuentra sobre esta. Puede traer masas de aire
caliente, lo cual origina un aumento de la
evapotranspiración y por el contrario si la masa es de
aire frío, puede disminuir la evapotranspiración.
El efecto del viento difiere para condiciones
climáticas diferentes, en zonas áridas y climas secos
el viento reemplazará mayor masa de vapor de agua
en la atmósfera; pero en zonas con alta humedad el
Modelo para estimar la evapotranspiracion en La Molina
128
efecto del viento será menor por que reemplazara aire
saturado con aire ligeramente menos saturado, por lo
tanto la variación de la velocidad del viento puede
afectar de diferente forma a la tasa de
evapotranspiracion.
2.3.4 Radiación solar El proceso de evapotranspiración es determinado
por la cantidad de energía disponible a vaporizar del
agua. La radiación solar es la fuente de energía más
importante y puede cambiar cantidades grandes de
agua líquida a vapor de agua.
La cantidad potencial de radiación que puede
alcanzar la superficie evaporándose es determinada
por su situación y tiempo del año. Debido a las
diferencias en la posición del sol, la radiación
potencial difiere a diferentes latitudes y a diferentes
estaciones. La radiación solar real que alcanza la
superficie evaporante depende de la turbiedad de la
atmósfera y la presencia de nubes que reflejan y
absorben partes mayores de la radiación.
2.4 Estimación de la evapotranspiración
Muchos estudios muestran a la evapotranspiracion
como una función del déficit de saturación, llamado
también presión de vapor parcial y la velocidad del
viento.
Este proceso, conocido también como la Ley de
Dalton, fue formulado en la siguiente ecuación:
)()(0 aw eeufET
donde:
ET = tasa de evapotranspiración.
f(u) = función de la velocidad horizontal del viento.
ew = presión de vapor de saturación.
ea = presión de vapor actual.
O como:
)()( buaeeE n
aw
donde:
ew es la presión de vapor de la humedad superficial.
ea es la presión de vapor del aire.
u es la velocidad diaria del viento sobre el tanque
clase A.
n, a y b son constantes empíricas.
2.4.1 Método de Thornthwaite C. W. Thorntwaite (1948), correlacionó la
temperatura media mensual con la evapotranspiración
determinada por medio de balances hídricos en los
valles del centro y este de EE. UU.
donde:
ET´ = evapotranspiración potencial mensual en
mm, para meses teóricos de 30 días con 12 horas
diarias de insolación.
T = temperatura media mensual del aire (°C).
I = índice de calor anual.
El exponente a se determina con la siguiente
expresión:
Al tener en cuenta la duración real del mes (d) y el
número máximo de horas de sol (N), según la latitud
del lugar, se obtiene la evapotranspiración potencial
corregida:
2.3.2 Método de Blaney – Criddle La hipótesis del método consiste en considerar que
la evapotranspiración potencial varía directamente
con la suma de los productos de la temperatura media
mensual del aire y del porcentaje promedio mensual
de horas luz durante el día, cuando existe adecuada
humedad del suelo.
Puede ser aplicado en regiones áridas y semiáridas,
por que fue probado en un clima similar.
donde:
UC = uso consuntivo (mm).
m = número de meses correspondientes al periodo
vegetativo del cultivo.
T = temperatura media mensual (°C).
k = El U. S. Conservation Service (1967), efectúo
modificaciones, y consiste es sustituir k por el
producto de kt (coeficiente climático) y kc
(coeficiente de cultivo).
P = depende de la latitud (Tabla 2).
kt = 0.03114T + 0.2396
El coeficiente kc refleja la influencia de las etapas
de desarrollo del cultivo en la evapotranspiración, sus
valores se obtienen de curvas de desarrollo de cada
cultivo.
2.3.3 Ecuación García y López
ET en mm/ día, n = 7.45 T/ (234.7 + T), T es la
temperatura media del aire en °C, HR es la humedad
relativa media diurna dada por.
2.3.4 Fórmula de Ecuación de Turc
ETr es la evaporación real en mm/año, P es la
precipitación del año considerado en mm, L = 300 +
25 T + 0.05 T3 y T es la temperatura media anual en
grados centígrados.
Cayo Leonidas Ramos Taipe
An cient. 68(4) 2007, pp. 125-136 129
Tabla 2. Valores de p.
Latit
ud
Sur
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Set Oct Nov Dic
0 8.68 7.76 8.51 8.15 8.34 8.05 8.33 8.38 8.19 8.56 8.37 8.68
10 8.86 7.87 8.53 8.09 8.18 7.86 8.14 8.27 8.17 8.62 8.53 8.88
15 9.05 7.98 8.55 8.02 8.02 7.65 7.95 8.15 8.15 8.68 8.70 9.10
20 9.24 8.09 8.57 7.94 7.85 7.43 7.76 8.03 8.13 8.76 8.87 9.33
25 9.46 8.21 8.60 7.84 7.66 7.20 7.54 7.90 8.11 8.86 9.04 9.58
30 9.70 8.33 8.62 7.73 7.45 6.96 7.31 7.76 8.07 8.97 9.24 9.85
34 9.92 8.45 8.64 7.64 7.27 6.74 7.10 7.63 8.05 9.06 9.42 10.1
38 10.2 8.57 8.66 7.54 7.08 6.50 6.87 7.49 8.03 9.16 9.61 10.3
42 10.4 8.70 8.68 7.44 6.85 6.23 6.64 7.33 8.01 9.26 9.82 10.6
46 10.7 8.86 8.70 7.32 6.61 5.92 6.37 7.16 7.96 9.37 10.1 11.0
Fuente: Mejía, 1982.
2.3.5 Método de Hargreaves El cálculo de la evapotranspiración potencial por el
método de Hargreaves se calcula en base, a la
siguiente expresión:
ET = evapotranspiracion potencial (mm/mes).
MF = factor mensual de Latitud (Tabla 3).
TMF = temperatura media mensual °F.
CH = factor de corrección de la humedad relativa.
CH = 0.166 (100-HR) 0.5 si HR mayor de 64%.
CH = 1 si HR menor de 64%.
HR = humedad relativa media mensual (%).
CE = factor de corrección para la latitud del lugar:
donde:
E = elevación (msnm).
Tabla 3. Factor de evapotranspiración potencial (MF).
3. Materiales y métodos
3.1 Materiales y equipos Registro de evaporación mensual de tanque
clase A.
Registros de humedad relativa mensual.
Registros de temperatura media, máxima y
mínima mensual.
Registros de velocidad de viento promedio
mensual.
Registro de horas de sol promedio mensual.
De la estación meteorológica principal Alexander
Von Humbolt, del periodo 1973 – 1992. Ubicado en
la latitud 12°05'S, longitud 75°57'W y 243.7 m de
altitud media sobre el nivel del mar.
Modelo para estimar la evapotranspiracion en La Molina
130
Tabla 4. Datos descriptivos de la estacione estudiada.
Estación latitud Longitud Altitud Organismo que
la controla
Periodo de
registro
A.Von Humbolt 12°05'S 75°57'W 243.7 msnm UNALM 1971-1992
Zona de estudio
La zona de estudio comprende la parte baja de la
cuenca del río Rimac, área de influencia de la
estación Alexander Von Humbolt, correspondiente a
la zona de vida Desierto desecado – Subarido (dd-s) y
se extienden desde la vecindad del océano pacifico
hasta los 600 msnm aproximadamente y representan
el 4.7 % de la cuenca del río Rimac (14681 ha).
El clima en esta zona de vida es semicálido -
desecado y se caracteriza por tener una
biotemperatura de 18 - 19.5 ºC y promedio de
precipitación pluvial anual de 9.15 y 12.6 mm.
3.2 Metodología Se realizó la selección de los factores
meteorológicos primarios y dependientes, con el cual
se efectuó la correlación de éstos con la
evapotranspiración medida (ET), estimados a través
de las medidas en el tanque de evaporación (Tabla 5).
En base a esta información se presenta una fórmula
de ET así como su precisión al evaluarlo con la
prueba F y el análisis de varianza de residuos, y
compararla con otros métodos. De las ecuaciones
conocidas se seleccionó un grupo, integrado por las
de mayor exactitud y las ampliamente usadas, siendo
el método de Hargreaves el más representativo del
grupo.
Considerando a los principales factores
meteorológicos y sus combinaciones como:
temperatura, humedad relativa, radiación solar,
velocidad del viento y déficit de saturación, se
procedió a buscar la correlación total de éstos con la
E medida, encontrándose los siguientes valores:
Tabla 5. Correlación de ET con las variables
meteorológicas.
Correlaciones r
ET vs Horas Sol 0.81
ET vs Humedad Relativa 0.81
ET vs Radiación 0.60
ET vs Tmax 0.83
ET vs Tmin 0.79
ET vs Tmed 0.85
ET vs Viento 0.24
ET vs Déficit Saturación 0.85
Por lo anterior, se debe encontrar relaciones entre
la evapotranspiración y los factores: temperatura,
déficit de saturación, horas de sol y humedad relativa.
4. Resultados
4.1 Variables meteorológicas
4.1.1 Humedad relativa La humedad relativa promedio anual es de 84%
con poca oscilación estacional entre un máximo de
88% en invierno a un mínimo de 79% en verano.
En la Tabla 6 se puede apreciar la variación
mensual de la humedad relativa media.
Tabla 6. Humedad relativa media (%).
E F M A M J J A S O N D PROM
Prom. 80 79 80 82 86 87 87 88 88 86 83 82 84
Figura 4. Histograma de la humedad relativa, 1973-1992.
Cayo Leonidas Ramos Taipe
An cient. 68(4) 2007, pp. 125-136 131
4.1.2 Temperatura media La temperatura media anual en la zona de estudio
es 18.7 ºC presentándose las menores temperaturas en
el mes de agosto 15.4 ºC y la mayor temperatura en el
mes de febrero 23 ºC. La Tabla 7, muestra la
variación mensual de la temperatura.
Tabla 7. Temperatura media ºC.
E F M A M J J A S O N D PROM
PROM 21.9 23.0 22.7 20.8 18.3 16.5 15.6 15.4 15.6 16.7 18.1 20.2 18.7
Figura 5. Variación de la temperatura media 1973-1992.
4.1.3 Velocidad promedio del viento Los vientos generalmente son ligeros e
infrecuentes, con velocidad promedio diaria de 0.9
m/s que varían de un máximo de 1.0 m/s a 0.8 m/s.
En la Tabla 8 se puede apreciar la variación de la
velocidad del viento medido en la estacion A. Von
Humbolt.
Tabla 8. Velocidad promedio del viento (m/s).
E F M A M J J A S O N D PROM
PROM 1.0 1.0 0.9 0.8 0.8 0.8 0.8 0.9 0.9 1.0 1.0 1.0 0.9
Figura 6. Variación de la velocidad media del viento (m/s) 1973-1992.
4.1.4 Evapotranspiración tanque clase A La evaporación medida en el tanque evaporímetro
clase A, tiene la influencia de las variaciones de
temperatura, humedad y velocidad de viento, por lo
que se debe corregir con la información con el
coeficiente K determinado con la ayuda de la Tabla 1.
La evapotranspiración así determinada se muestra en
la Tabla 9, y es resultado del producto de la
evaporación potencial por el coeficiente de
evapotranspiracion del tanque clase A, (K=0.75).
Tabla 9. Evapotranspiracion (mm/mes) – Tanque clase A.
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic total prom
120.5 115.2 122.5 99.2 69.5 46.5 46.9 49.4 59.8 81.0 86.4 105.4 1002.3 83.5
Modelo para estimar la evapotranspiracion en La Molina
132
Figura 7. Evapotranspiración a partir del Tanque clase A 1973- 1992.
4.2 Determinación del modelo
Todos los coeficientes de correlación encontrados
(Tabla 5) son significativos al nivel del 1%, excepto
para la comparación de ETP y viento que lo es al 5%.
Por ello, las relaciones recomendadas son con:
temperatura, déficit de saturación, horas de sol y
humedad relativa.
Como se observa en la Tabla 5 la correlación entre
la evaporación y el déficit de saturación es, r = 0.85,
pero sería poco apropiado la obtención de una
fórmula directamente a partir del déficit de saturación
ya que no es práctico por no presentarse en boletines
climatológicos y para su cálculo se requiere del
manejo de tablas o la solución de fórmulas. Sin
embargo es posible calcularlo mediante la
temperatura y la humedad relativa, por tal motivo en
la formulación se usa dichos valores. Dado que:
donde:
T = temperatura media mensual.
HR = humedad relativa.
DS = déficit de saturación.
En lo que respecta al factor humedad relativa se
recomienda la utilización del valor medio de las horas
diurnas ya que presenta varias ventajas en
comparación con la humedad media diaria, así: la
evaporación es un proceso fundamentalmente diurno;
sin embargo a falta de ella, se puede usar el valor
medio diario y mensual.
Ecuación del modelo
Los coeficientes encontrados en la correlación
múltiple (Tabla 10) entre la evapotranspiración
medida y las variables: temperatura y déficit de
saturación son:
Tabla 10. Estadísticas de la regresión (nivel de
significancia de 1%).
Coeficiente de correlación múltiple 0.898
Coeficiente de determinación R2 0.806
R2 ajustado 0.804
Error típico
Observaciones
13.046
240
Y la ecuación resultante vendría dado por la
siguiente expresión:
donde
T = temperatura media en °C.
HR = humedad relativa media.
ET = evapotranspiración en mm/mes.
DS = déficit de saturación.
De acuerdo a la Tabla 5 la correlación de la
evapotranspiración con el viento, si bien es aceptable,
es inferior al de las otras variables, y su contribución
en la correlación múltiple es más bien negativa, como
se puede ver la Tabla 11 en la correlación múltiple al
1% de nivel de significancia, entre la
evapotranspiración medida y las variables:
temperatura, viento y déficit de saturación son:
Tabla 11. Estadísticas de la regresión.
Coeficiente de correlación múltiple 0.876
Coeficiente de determinación R2 0.768
R2 ajustado 0.765
Error típico 14.270
Observaciones 240
4.3 Validación del modelo Para la validación del modelo, se generaron la
evapotranspiración mediante el modelo encontrado
con la información climatologica de la estación A.
Von Humbolt del año 2002. Los resultados se
muestran en la Tabla 12 y Figura 8, donde se incluye
Cayo Leonidas Ramos Taipe
An cient. 68(4) 2007, pp. 125-136 133
además los valores encontrados con la formula de
Hargreaves, formula de mayor uso en el Perú.
El modelo determinado será válido, cuando al
probar con datos diferentes a los usados para su
desarrollo, estime valores de ET, que al compararlos
con los ET obtenidos por el taque clase A, obtenga
una correlación superior al coeficiente de correlación
múltiple de la tabla estadística de Brooks, C and
Carruthers (1993) y la desviación estándar debe ser
menor a 2mm.
Tabla 12. Comparación de los valores de ETP Tanque y el Modelo, 2002.
Mes T HR Tanque DEF E Hargreaves E Modelo
Ene 23.3 78.3 170.0 620.3 150.8 132.4
Feb 24.5 76.6 136.9 720.2 140.8 149.4
Mar 25.3 76.2 165.9 765.2 126.2 157.4
Abr 22.8 82.8 120.8 476.1 90.8 110.3
May 20.7 84.9 109.1 368.4 80.7 90.4
Jun 16.7 88.2 39.5 224.9 57.3 61.5
Jul 15.4 91.2 38.1 154.1 50.8 48.7
Ago 15.5 91.7 25.9 145.9 56.1 47.7
Sep 16.3 88.5 60.6 213.2 75.3 59.1
Oct 18.4 85.4 76.0 310.0 103.0 77.4
Nov 19.2 85.0 108.6 333.4 108.3 82.3
Dic 21.0 83.3 94.4 416.1 125.9 98.0
Total 1145.8 1165.8 1114.8
Figura 8. Comparación de ETP: Tanque clase A y Modelo.
Tabla 13. Análisis de correlación entre la ET calculado con el Modelo y el estimado con el Tanque clase A.
Descripción Valores
Coeficiente de correlación ET (Tanque Clase A
y Modelo) (nivel de significancia 1%) 0.938
Coeficiente de correlación ET (Tanque Clase A
y Hargreaves) (nivel de significancia 1%) 0.873
ET anual (Tanque clase A) 1145.8
ET anual (modelo) 1114.8
Desviación estándar Tanque clase A 1.62
Desviación estándar modelo 1.26
La comparación de los resultados obtenidos por los
métodos de Hargreaves, Blaney Criddle,
Thornthwaite y el Modelo desarrollado, se muestra en
las Figuras 6, 7, 8 y 9. Ellas muestran que los
métodos Hargreaves y el Modelo dan mejores
resultados para el cálculo de la ET en la Molina en
comparación a los métodos Blaney Criddle y
Thornthwaite.
Modelo para estimar la evapotranspiracion en La Molina
134
4.4 Comparación del modelo con otros métodos (1972 – 1993)
Figura 9. ET P Tanque A vs. Hargreaves.
Figura 10. ETP Tanque A vs. Modelo.
Figura 11. ETP Tanque A vs. Thornthwaite.
Cayo Leonidas Ramos Taipe
An cient. 68(4) 2007, pp. 125-136 135
Figura 12. ETP Tanque A vs. Blaney-Criddle.
5. Discusión
Todos los coeficientes son significativos al nivel
del 1%, excepto para la comparación de ET y viento
que lo es al 5%.
La baja correlación entre la evaporación y el viento
se podría explicar al tener en cuenta que la
información del viento es un promedio del mes, lo
que indica que sería más representativo un valor
promedio de los registros máximos del periodo.
Las correlaciones obtenidas entre la
evapotranspiración y temperatura media y el déficit
de saturación son las mas altas, esta ultima a pesar de
ser calculado a partir de la HR media mensual (r =
0.85).
En la Figura 13, se puede apreciar la buena
similitud entre las ET calculadas con el modelo
encontrado y las ET medidas mensuales a partir del
Tanque Clase A.
Figura 13. Comparación de la evapotranspiracion medida y calculada.
El análisis de regresión para la serie empleada en el
desarrollo de la formula, reporta valores de r2 igual a
0.804 y r2 ajustado de 0.806, lo cual es bastante
aceptable considerando que se tuvo 239 grados de
libertad en el estudio.
El índice de correlación encontrado (Tabla 13)
entre la evapotranspiración potencial estimada a
partir del Tanque clase A con la Evapotranspiración
potencial determinada por el Modelo y el método de
Hargreaves, demuestra que el Modelo se ajusta mejor
para la estimación de la ET con un r = 0.938 a
diferencia del Hargreaves que tiene un r = 0.873.
Comparando el índice encontrado con el índice
reportado en la tabla de valores de significancia de
los coeficientes de correlación (r) con N = 12
(numero de observaciones) y n = 2 (numero de
variables independientes en la formula), tenemos que
el r mínimo con α = 0.01 es de 0.800 y con α = 0.05
es igual a 0.697 de ello podemos decir que el r
obtenido con el Modelo propuesto esta por encima de
Modelo para estimar la evapotranspiracion en La Molina
136
los mínimos requeridos, por lo cual se aceptaría como
valida el Modelo propuesto.
Además, la desviación estándar obtenida es 1.26
mm que es menor al límite propuesto de 2 mm, con lo
cual obtiene mayor valides los resultados encontrados
con la aplicación del presente modelo.
6. Conclusiones
Se obtuvo un modelo sencillo y de fácil aplicación,
para la estimación de la evapotranspiración potencial
mensual.
El modelo que mejor representa la ETP es la
ecuación en la cual no interviene la velocidad del
viento.
El modelo propuesto tiene suficiente grado de
confiabilidad y de precisión como para que ser
usados en la práctica, en el calculo de requerimiento
hídrico para fines de programación de riego mensual.
Por lo tanto el modelo encontrado para el cálculo
de ETP es:
EVAP=0.146*DS+1.985T-4.417
Presenta diferencias mínimas y no significativas
con respecto a los obtenidos por mediciones directas
en el tanque.
Algunas fórmulas pueden dar ocasionalmente
mejores resultados; sin embargo el presente modelo
tiene como principal ventaja de usar sólo dos
parámetros de fácil medición y obtención
(temperatura y humedad relativa).
7. Referencias bibliográficas
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de Investigaciones Agronómicas, Maracay,
Venezuela.
Archivos. Servicio Shell para el Agricultor. Sección
de Ingeniería Agrícola. Cagua.
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métodos desarrollados para el cálculo de uso
consuntivo. Memoria, I Jornadas Venezolanas de
Riego. Caracas.
An cient. UNALM 68(4), 2007 Recibido: 26/09/2006
ISSN 0255-0407 Aceptado: 23/10/2006
Metodología para determinar el rendimiento hídrico en cuencas con escasa
información y su aplicación en la cuenca del río Cunas para el diseño de una
presa
Tito Mallma C. 1, Teresa Velásquez B.
2
Resumen
En el presente trabajo se sigue una metodología de trabajo con la escasa información que existe en la zona,
contándose para ello estaciones con datos incompletos o que hayan dejado de funcionar, de ellos la Estación de
Huayao es la que cuenta con los Registros de Datos Completos, como la de Precipitación Total Mensual,
Temperatura Media Mensual, Humedad Relativa y Evaporación. La Estación de Huayao se encuentra dentro del a
cuenca del Río Cunas a una Altitud de 3 313 msnm, siendo este menor que la media de la cuenca (4 201 msnm), por
lo tanto se ha hecho la modificación de los datos ya corregidos se han generado el caudal media mensual para un
periodo de 30 años, determinándose con ello la oferta de agua de la cuenca en le punto se interés, este se contrastó
con la demanda de agua efectuad para irrigar 20 000 Ha de Tierras bajo el sistema de riego por gravedad. Para
abastecer esta área necesariamente se tiene que plantear la construcción de una presa de una capacidad de 53 215
000 m3, el cual implica elevar el espejo de agua hasta una altura de 34 m en a zona de la boquilla de la presa. Debido
al transporte de Sedimentos en le vaso de la presa, se acumularán sedimentos, de arrastre de fondo y de suspensión,
los cuales deberán ser eliminados antes de cada avenida, para evitar la disminución del volumen. Respecto a la
avenida máxima, para el dimensionamiento del vertedero de demasías, se tomaron en cuenta el registro de
precipitación máxima en 24 HR de la Estación de Huayao, los cuales fueron ajustados a la distribución de
probabilidad Log Pearson Tipo III, determinándose una ecuación base, con la cual se determinó los caudales
máximos para diferentes periodos de retorno, mediante la ecuación de MAC MATH. El caudal de avenida máxima
para un periodo de retorno de 1 000 años resulto 163,33 m3/s, considerando una vida útil de 100 años y un riesgo de
falla del 10%. Por otro lado, también se efectuó un Hidrograma, ya que no se cuentan con registros de descargas
máximas en momentos de ocurrencias de las crecidas, por lo que se efectuó dicho Hidrograma en base a fórmulas
empíricas, tomándose como datos el caudal pico probable y el respectivo volumen correspondiente a dicha crecida,
con dichos resultados se obtuvieron el tránsito de avenidas, siendo la descarga máxima de 8,91 m3/s para una carga
hidráulica de 0,65 m en le vertedero de demasías.
Palabras clave: Cuenca, rendimiento hídrico, máxima avenida, represa, hidrología.
Abstract
In the present article continues a methodology of work with the scarce information that exists in the zone, being
counted for it stations with incomplete data or that have left of functioning, the Huayao’s station is one that counts
on the Registrations of Complete Data, as Monthly Total Haste, Monthly Average Temperature, Relative Humidity
and Evaporation. The Huayao’s station is sited inside the basin of the Cunas River at 3 313 msnm, being this smaller
one that the average of the basin (4 201 msnm), therefore the modification of the data has done themselves already
corrected they have been generated the monthly average volume for a period of 30 years, being determined with the
offer of water of the basin; it was contrasted with the water demand to irrigate 20 000Has of Lands under gravity
irrigation system. To supply this area was necessary a construction of a dam of a capacity of 53 215 000 m3, which
implies to elevate the level of water to 34 m. Due to the transportation of sediments inside the dam, it accumulates
dragging fund sediments and suspension, which it should be eliminated before each avenue, to avoid a decrease of
the volume. Respect the maximum flood in the dump’s measure for excesses, we take in account the registration of
maximum haste in 24 HR of the Huayao’s station, which was adjusted to the distribution of probability Log Pearson
Type III, being determined an equation base, with which was determined the maximum volumes for different
periods of return, by means of the equation of MAC MATH. The volume of maximum flood for a period of return
of 1000 years I result 163,33 m3/s, considering an useful life of 100 years and a risk of failure of the 10%. On the
other hand also an Hydrogram was performed, since themselves do not include registrations of maximum discharges
in moments of occurrences of them grown for which was performed said hydrogram in base to empirical formulae,
being taken as data the abundant probable peak and the respective volume pertaining to this grown, with this results
were obtained the traffic of flood, being the maximum discharge of 8.91 m3/s for a load hydraulics of 0.65 m in its
dump of excesses.
Key words: Basin, maximum Floyd, dam, hydrology.
1. Introducción
El presente trabajo, plantea una metodología para
determinar el rendimiento Hídrico en Cuencas con
escasa Información, el mismo que es aplicado en la
1 2 Facultad de Ingeniería Agrícola, Universidad Nacional Agraria
La Molina. Lima, Perú. E-mail: [email protected]
Cuenca del Río Cunas para el respectivo diseñote una
presa, efectuándose la regulación del caudal mediante
el almacenamiento del agua en el vaso natural, sobre
el lecho del río Cunas en la Zona de Yanacocha, con
ello se incorporará al riego 20,000 hectáreas de
tierras agrícolas, ya que en la actualidad solo se
explotan al secano unos 3,200 hectáreas con el agua
Metodología para determinar el rendimiento hídrico en cuencas con escasa información y su aplicación en la cuenca
del río Cunas para el diseño de una presa
138
que se captan del río Cunas, existiendo un gran
déficit tanto para la agricultura, como para el
consumo humano, pecuario y generación de energía
eléctrica. (Figura 1)
La Sub cuenca el río Cunas es un gran potencial
Hídrico y de gran importancia dentro del valle del
Mantaro; ya que el caudal a la altura del paraje
Yanacocha varía de 4,47 m3/s. a 61,67 m
3/s., este
caudal será regulado, almacenándose en las épocas de
avenida, para luego ser aprovechado en las épocas de
estiaje, para alcanzar este propósito se determinará el
volumen máximo de almacenamiento y altura
máximo que corresponde a dicho volumen.
Para lograr este propósito se ha analizado los
registros de datos de precipitación de las subcuencas
vecinas y el caudal del río Cunas.
Los objetivos planteados en el presente trabajo de
investigación son:
- Estimar el potencial hídrico superficial de la
subcuenca del río Cunas.
- Determinar el volumen máximo de
almacenamiento de embalse en época de avenida.
- Determinar la altura máxima de la presa.
Figura 1. Plano de la ubicación de la presa.
Tito Mallma C., Teresa Velásquez B.
An cient. 68(4) 2007, pp. 137-145 139
2. Revisión de literatura
Hallmark (1994), Indica que, en los estudios de la
localización de las presas deberá elegirse la que
permite dar la mejor posición a la presa. Un croquis
preciso de la presa y de la forma en que se adapte a
los detalles topográficos del valle es a menudo
suficiente para hacer estimaciones iniciales de los
costos. La localización tentativa de otros elementos
de la presa debe incluirse en este croquis, ya que
algunos de ellos como el vertedor de demasías
pueden influir en el tipo y localización de la presa.
Los levantamientos topográficos deberán
correlacionarse con la exploración del lugar, para
asegurarse de la presición. Los planos topográficos
dan solamente el perfil de la superficie en el lugar.
Son necesarios análisis adicionales tanto geológicos
como de cimentación para la determinación final de
la falibilidad de la presa.
Vasquez-Chang (1992), refieren que, la
evapotranspiración es uno de los procesos más
importantes que intervienen en el balance
hidrológico, ya sea que este se analice a nivel de
cuenca, región o proyecto, siendo este último el que
realmente interesa para efectos de cálculos de la
demanda de agua de los cultivos. La
evapotranspiración es un proceso que resulta del
efecto combinado de la evaporación del agua de un
suelo húmedo y la transpiración del correspondiente
cultivo en estado de crecimiento.
Salazar (1979), plantea que, la demana total del
agua requerida para un proyecto de riego se puede
estimar con los conocimientos de las necesidades de
la evapotanspiración en el proyecto y las eficiencias
de riego.
Chereque (1989), menciona que, la curva masa,
llamada también curva de volúmenes acumulados, es
una curva que se utiliza en el estudio de la regulación
de los ríos promedio de embalses. En forma general
la mayoría de los problemas hidrológicos se pueden
agrupar en tres categorías principales de acuerdo al
objetivo principal del proyecto: (1) Diseño de
estructuras hidráulicas, siendo necesaria la evaluación
y cuantificación los valores extremos máximos y
mínimos del escurrimiento superficial (2)
Satisfacción de demandas, siendo necesaria evaluar y
cuantificar las descargas disponibles (3) Diseño y
operación de embalses, siendo necesario evaluar y
cuantificar la variación del escurrimiento superficial
en todas sus características estadísticas, como valores
medios máximos y mínimos.
Bureau of Reclamation (1983), sostiene que, el
agua almacenada en el vaso completará el gasto
natural de la corriente durante los períodos en que es
insuficiente. La aportación segura del vaso será la
cantidad de agua que puede entregarse sobre una base
firme en el período crítico de las aguas mínimas con
una capacidad determinada de vaso. La eficiencia de
sedimentación del vaso depende de factores como la
forma de la cuenca del vaso, método de operación del
vaso, relación de la capacidad del vaso a la
aportación de la cuenca y la edad del vaso. Deben
tomarse en cuenta las descargas anual mínima a la
media y a las magnitudes de las avenidas
relativamente comunes de frecuencias con intervalos
de recurrencia hasta de 10 años, porque su
conocimiento es esencial para los fines de
construcción tales como la derivación de la corriente.
Marsal – Resendiz (1990), dicen que, la defensa de
la presa contra desbordamiento temporal producido
por oleaje de viento o sismo se hace mediante un
borde libre, definido como la distancia vertical entre
el punto más bajo de la corono y el nivel del embalse
cuando el, vertedor trabaja a su capacidad de diseño,
dicho borde libre proporciona también cierto margen
de seguridad contra avenidas sin precedentes y contra
agrietamientos transversal de la presa.
Linsley (1977), menciona que, los principios de
tránsito de avenidas pueden aplicarse también para el
cálculo de los efectos de un embalse sobre la forma
de una onda creciente. El almacenamiento hidráulico
es pues efectivo durante la propia formación de una
onda de avenida y los métodos de tránsito pueden
aplicarse para calcular el hidrograma que resultará de
un patrón específico de lluvias de exceso.
Las curvas de almacenamiento vs. elevación para
embalses determinan mediendo por medio de un
planímetro, las áreas entre contornos sucesivos de
relieve en un mapa topográfico. Estas áreas
multiplicadas por los incrementos d elevación,
producen incrementos de volumen ente los puntos
medios de los dos intervalos por encima y por debajo
del área medida. Se supone que el nivel de agua es
siempre horizontal, lo cual se cumple en la mayoría
de los casos. En embalses largos y de poca
profundidad, el nivel de agua puede no ser muy
horizontal durante caudales altos.
Vasquez (1997), menciona que, el análisis de
frecuencia de caudales es muy importante en
hidrología porque nos permite predecir la
disponibilidad de agua de un río a partir de datos
históricos de caudales, es decir, podemos saber con
que frecuencia se va presentar un caudal de cierta
magnitud, para esto es muy útil el uso de la curva de
duración que indica el porcentaje de tiempo en que el
caudal es igual o mayor que un valor dado.
Desde el punto de vista hidrológico se entiende por
disponibilidad de agua a la cantidad de agua que se
disponen un sistema hidrológico para abastecer la
demanda de un usuario del agua. Esta cantidad de
agua puede provenir directamente de la lluvia o estar
disponible en ríos, quebradas o lagunas. La demanda
puede ser para agua potable, agrícola, pecuaria,
piscigranja, hidroeléctrica, etc.
Voigt (1994), manifiesta que las presas de
enrocamiento, consisten de un cuerpo de piedras
colocadas en seco y una pantalla impermeable aguas
arriba y un muro aguas abajo que resiste a cualquier
deslizamiento. Se usará roca dura y sana colocándose
bien acuñadas.
Marsal – Resendiz (1990), menciona que, lo
factores que más afectan el diseño de una cortina de
tierra y enrocamiento son:
- Tipo, cantidad y localización de los materiales
utilizables.
- Características de la boquilla, cimentación y vaso.
Metodología para determinar el rendimiento hídrico en cuencas con escasa información y su aplicación en la cuenca
del río Cunas para el diseño de una presa
140
- Clima y tiempo disponible para la ejecución.
- Características geológicas y sismológicas
regionales.
- Importancia de la obra.
3. Materiales y métodos
3.1 Materiales
Los materiales que fueron utilizados en el
desarrollo del presente trabajo fueron:
- Registros de precipitación.
- Carta Nacional a las escalas 1 / 25 000 y 1 / 100
000.
- Equipos de procesamiento de datos de impresión.
3.2 Métodos
3.2.1 Estudio de la cuenca
Topografía
La topografía de la zona de estudio nos definirá el
dimensionamiento del vaso de la presa y de las
características de la boquilla de la presa, para ello se
ha trabajado con la Carta Nacional y con la
inspección en campo en le paraje denominado
Yanacancha.
Hidrografía
Comprende el área que aporta agua a la presa
propuesta, el cual está formado por la red
hidrográfica conformado por las microcuencas
respectivas.
Subcuenca hidrográfica
Es una superficie del terreno donde toda el agua de
precipitación se unen para formar un solo curso de
agua.
El área o superficie de la subcuenca esta limitada
por la divisoria de aguas, que es una línea que separa
la superficie de terreno cuyo drenaje fluye hacia el
curso de agua.
3.2.2 Parámetro geomorfológico de la
subcuenca de recepción
Para la determinación de los parámetros
geomorfológicos de la subcuenca del Cunas se
utilizaron las Cartas Nacionales a escala 1:100 000,
hojas números 24-1, 24-m, 25-1, 25-m y Cartas a
escala 1:25 000, hojas números 24!-II-SE, 24m-III-
SO, 251-I-NE, 25m-IV-NO.
Determinándose entre ellos a la superficie de la
subcuenca, la pendiente media de la subcuenca, la
altitud media, la forma de la cuenca, la densidad de
drenaje, la extensión media de escurrimiento
superficial, el orden de corrientes y la razón de
bifurcación.
4. Resultados
4.1 Estudio de la cuenca
Para el estudio de la cuenca se ha realizado el
estudio de los siguientes parámetros:
- Se ha realizado los trabajos topográficos donde se
muestra la ubicación de la presa, subcuenca del río
Cunas hasta la zona de Yanacocha, el vaso de la
presa, dibujados a una escala conveniente.
- Según la hidrografía, el vaso de la presa captará el
recurso hídrico en la vertiente del Atlántico, el cual
estará formado por la red hidrográfica confirmado
por las micro cuencas: Angará, Aguachi, Consac-
Chalhuas, Calillo, Sulcan, Yanasnioc, Acocancha,
Pachashloma, Llame, cachi, Huachuas, Huamache,
Seco, Aguapuasin, Palloc y Quishuayucero.
- La Subcuenca hidrografía muestra que es una
superficie del terreno donde todas las aguas de
precipitación se unen para formar un solo curso de
aguas.
- Los resultados de los parámetros
geomorfológicos son:
La superficie de la subcuenca es de: 1 550,60 km2.
,
El perímetro de la subcuenca es: 214,30 km, La
pendiente media de la subcuenca se determino por el
método de Alvord cuyo resultado es de: 19.76%, la
altitud media se baso en la construcción de
cuadriculas sobre el plano topográfico del área de la
cuenca y mediante la media aritmética de cada uno de
las elevaciones de los puntos de intersección, donde
el resultado es de: 4201 msnm, la morfología de la
subcuenca nos brinda la distribución de las descargas
agua a lo largo del curso principal, y son expresados
a través de parámetros tales como el coeficiente de
compacidad (Kc) y el Factor de Forma (Ff) cuyos
valores son: 1,53 y 0,64 respectivamente. La
densidad del drenaje tuvo como resultado de: 0,56
km/km2, La extensión media de escurrimiento
superficial (Es) fue de: 0,68 km, lo que significa que
en la subcuenca de recepción del Río Cunas, la
Lámina de agua que escurre sobre la superficie
recorre un promedio de 680 m.
Tabla 1. Parámetros geomorfológicos de la
subcuenca de recepción del embalse.
Parámetros Subcuenca del río
Cunas
Superficie (Km2)
Perímetro (Km)
Pendiente media (%)
Altitud media(msnm)
Coeficiente de Compacidad
Factor de forma
Densidad de drenaje
Extensión media
escurrimiento Sup. (Km)
Orden de corrientes
Razón de bifurcación
1550,60
214,30
17,76
4 201,00
1,53
0,38
0,37
0,68
5º
3,00 – 4,67
4.2 Generación de caudales El rendimiento de la subcuenca se ha analizado en
base a las precipitaciones corregidas, área de
recepción y coeficiente de escorrentía, según el
criterio de balance hídrico.
La generación de los registros de descargas
mensuales en la zona de la posible boquilla de la
presa, se efectuó utilizando el modelo hidrológico el
cual consiste en una combinación de un proceso
Markoviano con una variable de impulso. Se muestra
en la Tabla 2.
Tito Mallma C., Teresa Velásquez B.
An cient. 68(4) 2007, pp. 137-145 141
Tabla 2. Caudales mensuales generados en la zona de Yanacocha (m3/seg).
Año ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGOS SET OCT NOV DIC
1972
1973
1974
1975
1976
1977
1978
1979
1980
1981
1982
1983
1984
1985
1986
1987
1988
1989
1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
48.50
53.26
53.06
46.29
48.87
46.84
52.70
52.40
40.37
52.37
51.99
51.88
52.83
44.65
53.75
53.18
52.81
49.04
51.94
43.35
45.85
53.19
51.75
42.32
52.31
50.57
52.79
51.12
49.72
53.84
57.66
59.73
60.92
57.71
58.32
57.72
52.91
49.29
51.32
59.58
56.43
41.45
59.73
59.43
59.35
60.03
58.23
59.65
59.11
41.64
54.75
60.17
58.98
58.67
56.73
59.29
58.75
59.78
59.72
52.73
53.66
53.05
40.11
54.03
52.35
52.15
40.24
49.74
54.04
48.44
39.10
51.25
53.54
42.89
53.75
39.46
45.39
53.96
47.87
54.25
44.45
48.88
52.26
50.59
49.28
40.72
37.75
41.34
50.59
53.51
54.48
48.32
35.29
28.60
26.52
52.58
23.87
41.38
27.22
35.14
37.96
27.66
29.44
34.96
53.46
40.96
34.69
46.33
30.99
43.67
23.61
48.86
46.32
21.69
28.22
29.22
43.99
36.80
19.18
24.40
25.49
15.91
10.57
23.17
17.59
20.23
12.71
18.74
17.37
13.87
11.26
20.58
20.29
18.72
14.76
16.39
19.94
16.44
17.99
23.66
14.83
17.65
20.36
20.72
12.38
11.73
13.45
13.04
16.42
16.80
7.55
8.33
16.08
6.39
11.76
6.63
6.74
5.81
6.46
7.20
10.08
12.55
10.31
8.40
7.07
12.84
5.93
12.37
30.50
12.17
14.78
7.21
6.80
6.59
6.19
6.14
7.46
15.21
7.46
6.51
8.02
14.14
4.60
5.55
5.37
7.20
5.22
6.05
7.76
10.77
7.00
4.50
5.59
8.55
7.44
8.81
5.91
5.14
8.32
5.79
5.59
5.69
4.97
7.13
5.32
4.69
5.19
7.75
7.94
11.93
11.70
13.17
16.06
19.71
6.15
6.49
3.92
12.57
7.01
20.68
20.09
8.02
5.20
8.56
13.01
6.51
7.56
11.51
12.28
5.20
10.90
14.57
11.47
10.61
11.13
10.51
18.15
7.32
17.76
6.43
14.98
25.47
11.48
18.66
20.64
27.40
34.53
17.88
13.14
32.44
22.96
22.33
23.74
38.28
22.47
22.60
17.25
11.92
29.46
28.88
17.04
32.08
13.35
21.23
15.89
24.69
20.47
22.45
13.39
30.61
25.71
41.49
35.30
39.29
19.37
35.92
23.58
18.37
45.61
44.10
47.73
32.09
39.56
36.56
21.25
22.81
34.82
45.58
36.58
31.05
28.58
35.65
31.39
36.56
31.54
22.98
41.02
28.56
34.57
43.37
31.21
29.39
45.09
39.50
35.04
51.61
41.37
40.76
32.96
39.63
41.97
33.76
53.41
45.24
26.83
29.54
26.24
31.06
52.41
39.00
29.89
47.66
36.50
35.16
26.49
40.04
35.17
43.07
25.78
35.06
51.43
44.15
36.99
48.71
47.29
44.85
43.56
37.85
41.90
51.66
44.18
29.37
35.47
51.31
42.51
49.71
52.41
30.90
46.00
29.79
37.73
51.14
49.57
46.09
44.29
50.31
41.81
41.04
49.44
49.42
Sumat. 1503.55 1699.77 1448.63 1075.82 513.07 289.53 207.92 334.23 667.70 1011.88 1120.85 1320.86
Media 50.12 56.66 48.29 35.86 17.10 9.65 6.93 11.14 22.26 33.73 37.36 44.03
4.3 Demanda de agua El requerimiento de agua se basa en la necesidad
hídrica mensual por los cultivos, animales, consumo
humano y generación de energía eléctrica, para ello
se analizan los diferentes parámetros como.
Formulación de la cédula de cultivo,
Evapotranspiración Potencial, Coeficiente de Cultivo
(Kc), Evapotranspiración Real (ETA), Déficit de
Humedad Neta (Dhn), Eficiencia de Riego (Er),
Déficit de Humedad Bruta (Dhb) y Requerimiento
de Agua (DA) que se muestra en las Tablas 3 y 4.
Tablas 3. Requerimiento de agua margen derecha del río Cunas.
Parámetros E F M A M J J A S O N D
Area (Has) Kc
ETP (mm)
ETA (mm) PP media (mm)
PP 75% persistencia
(mm) PE 75% persistencia
(mm)
DHN (mm) DHB 40% Er (mm)
DA (MMC)
Q.24 hr Riego (m3/s)
6000 0.98
134.72
132.03 123.80
92.10
76.00 56.03
140.08
8.405 3.14
6000 0.98
112.24
110.00 136.10
110.20
85.30 24.70
61.75
3.705 1.53
6000 0.84
112.34
94.37 113.30
79.30
66.20 28.17
70.43
4.226 1.58
3000 0.71
104.48
74.18 60.70
35.30
28.50 45.68
114.20
3.426 1.32
3000 0.47
99.28
46.66 17.00
9.30
4.10 42.56
106.40
3.192 1.19
4500 0.66
86.22
56.91 9.20
1.50
0 56.91
142.28
6.402 2.47
4500 0.90
91.57
82.41 6.10
1.30
0 82.41
206.03
9.271 3.46
4500 1.03
107.99
111.23 17.40
7.60
2.50 108.73
271.83
12.232 4.57
4500 0.94
125.12
117.61 40.50
25.70
19.70 97.91
244.78
11.015 4.25
4000 0.61
144.70
88.27 69.80
49.50
41.30 46.97
117.43
4.697 1.75
4500 0.67
147.78
99.01 67.40
44.60
36.90 62.11
155.28
6.987 2.70
6000 0.76
145.98
110.94 93.40
71.20
59.50 51.44
128.60
7.716 2.88
Tabla 4. Requerimiento de agua margen izquierda del río Cunas.
Parámetros E F M A M J J A S O N D
Area (Has) Kc
ETP (mm)
ETA (mm) PP media (mm)
PP 75% Persistencia (mm)
PE 75% Persistencia (mm)
DHN (mm)
DHB 40% Er (mm)
DA (MMC) Q.24 hr Riego (m3/s)
14000 0.95
134.72
127.98 123.80
92.10
76.00
51.98
129.95
18.193 6.79
14000 1.02
112.24
114.48 136.10
110.20
85.30
29.18
72.95
10.213 4.22
14000 0.84
112.34
94.37 113.30
79.30
66.20
28.17
40.43
9.860 3.68
8500 0.54
104.48
56.42 60.70
35.30
28.50
27.92
69.80
5.933 2.29
7500 0.46
99.28
45.67 17.00
9.30
4.10
41.57
103.93
7.794 2.91
12000 0.65
86.22
56.04 9.20
1.50
0
56.04
140.10
16.812 6.49
12000 0.88
91.57
80.58 6.10
1.30
0
80.58
201.45
24.174 9.03
12000 1.03
107.99
111.23 17.40
7.60
2.50
108.73
271.83
32.619 12.18
12000 0.96
125.12
120.12 40.50
25.70
19.70
100.42
251.05
30.126 11.62
7500 0.70
144.70
101.29 69.80
49.50
41.30
59.99
149.98
11.248 4.20
11500 0.52
147.78
76.85 67.40
44.60
36.90
39.95
99.88
11.486 4.43
14000 0.73
145.98
106.57 93.40
71.20
59.50
47.07
117.68
16.475 6.15
An cient. UNALM 68(4), 2007 Recibido: 26/09/2006
ISSN 0255-0407 Aceptado: 23/10/2006
142
4.4 Planteamiento de funcionamiento
hidráulico de la presa
4.4.1 Capacidad de almacenamiento del vaso Para determinar el volumen elegido a almacenar en
el vaso, se han determinado el área entre curvas de
nivel como se ve en la Tabla 4, para luego determinar
el volumen parcial y acumulado, graficándose con
ello la Figura 2, que relaciona altura-área-volumen.
De esta Figura se determina la altura y el área,
entrando con el volumen de almacenamiento que es
de 52 719 000 m3, siendo los valores siguientes:
- Nivel máximo normal de agua NAMO, Hn =
34.00 m
- Área de espejo de agua NAMO, A = 3.80 km2
- Fetch del espejo de agua NAMO, F = 2.30 km.
Estos valores corresponden a una cota de 3 479
msnm.
Tabla 4. Relación cota – área – volumen del embalse Cunas.
Cota
(msnm)
Altura
(m)
Área
(m2)
Área
promedio
(m2)
Volumen
parcial
(m3)
Volumen
acumulado
(m3)
3 445
3 450
3 455
3 460
3 465
3 470
3 475
3 480
3 485
3 490
3 495
3 500
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
70 870
236 890
417 470
651 450
2 278 640
2 826 210
3 398 050
4 010 680
4 863 100
5 711 650
6 815 530
8 115 530
153 880
327 180
534 460
1 465 045
2 552 425
3 112 130
3 704 365
4 436 890
5 287 375
6 263 590
7 465 530
769 400
1 635 900
2 672 300
7 325 225
12 762 125
15 560 650
18 521 825
22 184 450
26 436 875
31 317 950
37 327 650
769 400
2 405 300
5 077 600
12 402 825
25 164 950
40 725 600
59 247 425
81 431 875
107 868 750
139 186 700
176 514 350
Figura 2. Relación altura – área – volumen de embalse Cunas.
4.4.2 Nivel de operación del embalse
El volumen de embalse cubrirá la necesidad hídrica
para irrigar 20 000 hectáreas de tierras, el cual
requiere almacenar hasta una altura en la boquilla de
la presa de 34,00 m.
El caudal que deberá descargar la presa en época
de estiaje varía según la necesidad del déficit de
humedad variando este según las Tablas 2 y 3, de
3,61 a 16,19 m3/seg.
4.5 Balance hídrico y el volumen de
almacenamiento de la presa El recurso hídrico considerado en el balance
hídrico de la presa, comprende la subcuenca regulada
en el punto de enteres donde las entradas están
constituidas por las descargas mensuales generados
Tito Mallma C., Teresa Velásquez B.
An cient. 68(4) 2007, pp. 137-145 143
que se muestran en la Tabla 5, las salidas constituidas
por las demandas y generación de energía eléctrica y
pérdidas por evaporación en el espejo de agua del
vaso de la presa.
Tabla 5. Balance hídrico entre el aporte del río Cunas y la demanda de agua de riego y el volumen de
almacenamiento (miles m3).
Mes Vol. Aporte
Río Cunas
Demanda Evaporación Vol. Efectivo
Aporte
Vol. Acum.
de aporte
Vol. para
Almacenar
E
F
M
A
M
J
J
A
S
O
N
D
128 804
135 499
113 832
71 410
36 882
17 029
14 196
18 454
43 416
74 593
79 756
107 779
26 598
13 918
14 086
9 359
10 986
23 214
33 445
44 851
41 141
15 945
18 473
24 191
300
254
293
284
284
268
308
312
342
334
331
326
101 906
121 327
99 453
61 767
25 612
- 6 453
- 19 557
- 26 709
1 933
58 314
60 952
83 262
101 906
223 233
322 686
384 453
410 065
411 998
470 312
531 264
614 526
6 453
19 557
26 709
Total 841 650 276 207 3 636 52 719
4.6 Análisis de máximas avenidas El análisis de máximas avenidas del río Cunas en el
punto de interés, se efectuaron en base al registro de
precipitación máxima corregida en 24 horas de la
Estación de Huayao Tabla 6, los cuales fueron
corregidos a una altitud de 4 201 msnm, como se ve
en la Tabla 7, los cuales fueron ajustados a la
distribución de probabilidad Log Pearson Tipo III,
llegando finalmente a determinar las Descargas
Máximas Instantáneas los cuales se muestran en la
Tabla 8.
Tabla 6. Precipitación máxima en 24 horas (mm) Estación Huayao.
Año E F M A M J J A S O N D Máxima
1980
1981
1982
1983
1984
1985
1986
1987
1988
1989
1990
16.5
20.6
15.5
20.3
21.8
16.5
24.4
31.5
41.7
11.4
16.2
31.2
29.2
23.4
13.7
38.1
21.3
33.8
24.2
28.2
39.8
36.1
30.7
24.9
13.7
29.7
32.3
13.5
22.1
22.7
14.2
15.2
38.9
9.4
15.7
13.0
10.7
9.9
18.3
18.1
39.4
18.6
25.2
16.0
12.7
3.0
0.0
15.5
8.9
7.4
5.4
4.8
11.7
11.9
7.6
0.0
1.0
5.0
4.1
30.
1.3
0.0
10.2
1.0
3.8
15.3
5.3
16.5
3.0
0.3
2.5
3.8
3.8
6.3
0.0
0.3
4.6
5.6
23.1
10.4
6.9
0.8
4.8
13.0
4.4
8.6
6.4
5.4
3.0
8.6
10.4
8.4
22.6
37.3
13.9
15.7
10.4
4.8
11.7
38.4
16.8
26.7
14.0
29.2
17.5
9.1
7.3
12.2
37.9
15.0
19.1
18.5
13.5
14.1
32.0
15.7
6.9
7.4
9.1
10.5
29.4
19.6
25.1
26.7
14.2
10.9
21.1
13.0
23.4
20.6
7.8
15.2
38.4
29.2
26.7
29.7
38.1
37.3
33.8
39.4
41.7
39.8
38.9
Tabla 7. Precipitación máxima en 24 Horas corregido a una altitud de 4 201 msnm (mm).
Año Pmàx -
Huayao
Pmàx -
Corregido
1980
1981
1982
1983
1984
1985
1986
1987
1988
1989
1990
38.4
29.2
26.7
29.7
38.1
37.3
33.8
39.4
41.7
39.8
38.9
51.5
49.5
47.0
48.4
58.4
44.6
54.1
59.6
69.8
55.1
56.4
Tabla 8. Descargas máximas instantáneas.
Metodología para determinar el rendimiento hídrico en cuencas con escasa información y su aplicación en la cuenca
del río Cunas para el diseño de una presa
144
TR
(Años)
K Ln P
Máx.
P Máx.
(mm)
Q. Máx.
(m3/seg.)
5
10
25
50
75
100
200
500
1000
0.7861
1.3310
1.9700
2.4159
2.6662
2.8400
3.2476
3.7673
4.1492
4.0806
4.1504
4.2322
4.2892
4.3213
4.3435
4.3957
4.4622
4.5111
59.1822
63.4573
68.8658
72.9107
75.2844
76.9780
81.1008
86.6792
91.0217
106.20
113.87
123.57
130.83
135.09
138.13
145.53
155.54
163.33
4.7 Tránsito de avenidas Para el cálculo del tránsito de avenidas, por falta de
información se ha determinado elaborando un
hidrograma sintético el cual se construyó en base a
fórmulas empíricas. (Figura 3, Hidrograma de
avenidas)
Figura 3. Hidrograma de avenidas.
5. Discusión
Para el estudio de una cuenca es muy necesario
empezar, conociendo sus características
geomorfològicas, las cuales nos darán a conocer el
tipo de cuenca con que se cuenta.
Para determinar el potencial hídrico en cuencas
donde el río no cuenta con un registro de datos de
descarga, se deberá de seguir un modelo hidráulico el
cuál tiene una serie de pasos que se mencionan en el
presente trabajo.
En el caso de cuencas que no cuentan con registros
de precipitación, ubicados a la altitud media y aún
que no cuentan con cuencas vecinas con registros de
precipitación que viene funcionando a la fecha y a la
misma altitud, se tendrá que hacer una corrección de
los registros que se cuentan a una altitud diferente, en
este caso los registros de la Estación de Huayao que
se encuentran a un altitud de 3 313 msnm, son
corregidas a la altitud media de la subcuenca del
Cunas que es 4 201 msnm.
Los registros de precipitación corregidos por
altitud son empleados para generar los caudales del
río Cunas en el punto de interés.
En el punto de interés que viene a ser donde se
ubica la boquilla de la presa, no se conoce el caudal
mensual, por tanto hay la necesidad de generar los
caudales en este punto.
Para la generación de los caudales, se efectúan a
partir de la precipitación corregida por altitud, los
cuales se determinan las precipitaciones efectivas, a
estos valores ya generados para fines del cálculo del
rendimiento hídrico se determinan e 75% de
persistencia.
Para generar los caudales se requieren de registros
de precipitación como mínimo de 20 años, en el
presente trabajo se han considerado registros de 30
años.
Los valores de los caudales generados y
comparados con los que se aforan aguas abajo en la
Estación de Angasmayo – San Blas a 12 km, son
Tito Mallma C., Teresa Velásquez B.
An cient. 68(4) 2007, pp. 137-145 145
menores, por lo que es aceptable dichos valores
generados.
Para el cálculo de la demanda de agua se han
determinado la evapotranspiración potencial por la
ecuación de Hargreaves en base a la temperatura,
porque es un método que más se adecua a la zona,
según la FAO.
Los datos utilizados para el cálculo de la
evapotranspiración han sido tomados de la Estación
de Huayao, porque el área de riego en promedio se
encuentra a una altitud semejante al de Huayao.
El dimensionamiento del vertedero de demasías se
puede hacer considerando las máximas avenidas en
base a Log Pearson III o con los valores del tránsito
de avenidas, en nuestro caso se eligió las máximas
avenidas porque el caudal es mucho mayor.
Con el estudio hidrológico se llega hasta el
predimensionamiento de la presa y la determinación
del planteamiento hidráulico del funcionamiento.
6. Conclusiones
1. La subcuenca del río Cunas cuenta con una
extensión de 1 550,60 km2
y un perímetro de
214,30 km, hasta el punto de la boquilla de la
presa propuesto y una altitud media de 4 201
msnm.
2. De acuerdo con el coeficiente de compacidad, la
subcuenca del Cunas tiene una forma ensanchada
con una fuerte tendencia a generar crecientes
bruscas y altas y es una subcuenca
moderadamente desarrollada.
3. El río Cunas nace de las Lagunas Chicchicocha,
Nahuincocha, Collpacorral, Yanauyac,
Yuracocha entre otras pequeñas.
4. La precipitación media anual de la subcuenca a
la altitud media de 4 201 msnm es 890 mm.
5. El caudal mínimo en la zona de Yanacocha es de
3,92 m3/seg. y el máximo es de 60,92 m
3/seg. .
6. El potencial hídrico anual del río Cunas es de
841 650 000 m3, en el punto de interés.
7. Con el presente trabajo se proyecta irrigar 20 000
Ha de tierras agrícolas que beneficiara a 22
comunidades.
8. La necesidad hídrica anual para regar por
gravedad las 20 000 ha de tierras es de 276 207
000 m3, de los caudales 223 488 000 m
3 es
cubierto por el caudal del río Cunas sin regular,
existiendo un déficit de 52 719 000 m3.
9. La capacidad de almacenamiento del vaso d ella
‘presa es 52 719 000 m3.
10. La altura del espejo de agua en la zona de la
boquilla es de 34,00m, con un borde libre de
2,50 m., haciendo una altura total de 36,50 m.
11. Para una altura de espejo de agua de 34,00 m.,
corresponde un área de espejo de agua de 3,80
Km2
y una cota de 3479 msnm.
12. El volumen de sedimento por arrastre y
saltación es de 15,68 m3/día y por suspensión
es de 5,85 m3/día, durante la época de avenida.
7. Referencias bibliográficas
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VOIGT GUNTHER, 1994. Manual de Obras de
Regadìo; Ed. Mundi-Prensa; Madrid.
An cient. UNALM 68(4), 2007 Recibido: 20/07/2006
ISSN 0255-0407 Aceptado: 26/10/2006
Efecto de la época de siembra de los genotipos donadores de anteras en la
capacidad de producción de plantas dobles haploides de cebada (Hordeum
vulgare L.) mediante el cultivo in vitro de anteras
Ana Eguiluz D.L.B. 1, Luz Gómez P.
2
Resumen
Uno de los factores claves en el cultivo de anteras in vitro, son las condiciones de cultivo de las plantas donadoras
de anteras. Para estudiar el efecto de la época de siembra en la capacidad de producción de dobles haploides,
empleando la técnica del cultivo in vitro de anteras, se sembraron nueve genotipos de cebada en dos épocas del año.
El porcentaje de callos y embrioides inducidos fue similar para la mayor parte de los nueve genotipos en la época I
(julio-octubre) con temperaturas de 14.5 a 16.4. En la época II (abril-julio) con temperaturas de 15.9 a 21.6 C, la
producción de callos y embrioides mejoró a nivel de todos los genotipos. El mejor genotipo a nivel de las dos
épocas resultó la variedad UNA La Molina 94. La producción de plantas albinas fue de 4.54/100 anteras en la época
I y de 4.62/100 anteras en la época II. El número de regenerantes verdes DH fue muy bajo a nivel de todos los
genotipos y en ambas épocas de siembra. Las variedades UNA La Molina 94 y UNA La Molina 96 fueron las únicas
que regeneraron plantas verdes DH en la época I. En la época II todos los genotipos produjeron plantas verdes DH y
la variedad UNA La Molina 94 resultó superior con 3.4 plantas verdes por 100 anteras cultivadas.
Palabras clave: Cebada, cultivo de anteras, dobles haploides, microspora.
Abstract
One of the most decisive steps in barley anther culture is the growth conditions for the donor plants. In order to
study the effect of the planting date in the capacity of doubled haploid (DH) productions, using in vitro anther
culture, were seeded nine barley (Hordeum vulgare L.) genotypes in two different seasons. The percentage of
induced calli and embrioids were similar for the mayor part of the genotypes in the season I (july-october) with
temperatures of 14.5 a 16.4 C. In the season II (april-july), with temperature of 15.9 a 21,6 C, the calli and
embrioids production were improved for all genotypes. The best genotype in the two seasons was UNA La Molina
94. The production of albino plants was 4.54/100 anthers in the season I and 4.62/ 100 anthers in season II. The
number of DH green regenerants was small for all genotypes in the two seasons. Only DH green plants were
produced in season I by the varieties UNA La Molina 94 and UNA La Molina 96. In season II, all genotypes were
able to produce DH green plants and UNA La Molina 94 was the best genotype with 3.4 DH green plants by 100
anthers cultivated.
Key words: Barley, anther culture, doubled haploids, microspores.
1. Introducción
Una de las limitaciones del mejoramiento de
plantas autogámas, como la cebada, es el tiempo que
demora la obtención de nuevas variedades, que puede
llegar a los 12 a 15 ciclos debido principalmente a la
necesidad de contar con líneas homocigotas para la
evaluación de caracteres agronómicos de importancia
como el rendimiento u otros donde el vigor híbrido
tiene influencia (Zheng, 2003). Las técnicas de
producción de dobles haploides (DH) reducen el
tiempo de obtención de una nueva variedad en forma
significativa y permiten una mayor eficiencia en el
proceso de selección, son herramientas muy valiosas
para el mejoramiento, para la ingeniería genética y
análisis genético (Cogan et al, 2001; Kasha et al,
2001; Touraev et al 2001; Li y Devaux , 2001). Las
técnicas más ampliamente usadas para la obtención
de los DH son: la androgénesis (cultivo de anteras y
microsporas), la ginogénesis (cultivo de ovario y
óvulos y la partenogénesis haploide), las cruzas
amplias (método-bulbosum) y el uso del gene hap. La
producción de Dobles Haploides (DH) en cebada
(Hordeum vulgare L.) ha permitido la obtención de
1, 2 Facultad de Ingeniería Agrícola, Universidad Nacional Agraria
La Molina. Lima, Perú. E-mail: [email protected]
variedades mejoradas en diferentes programas de
mejoramiento genético de este cultivo (Chen et al.,
2000).
El método de obtención de dobles haploides,
empleando el cultivo in vitro de anteras es un
procedimiento ya establecido. Sin embargo, puede ir
mejorándose especialmente a través de un mayor
conocimiento de los factores que influyen en el
proceso de producción de DH (Kasha et al., 2000 y
Ritala et al., 2001). Szarejko y Kasha (1991)
señalaron varios factores que inciden en la respuesta
androgénica de los genotipos, los más importantes
son: el genotipo, las condiciones de desarrollo de los
donadores, la composición del medio de cultivo, el
estado de desarrollo de la microspora y los
tratamientos físicos estresantes. Existen evidencias de
que el estado fisiológico de las plantas donantes
afecta la respuesta androgénica de las plantas. El
crecimiento y desarrollo de los donadores de anteras
(microsporas) en condiciones estresantes puede
afectar negativamente la capacidad de producción de
regenerantes verdes o DH, de tal modo que inclusive
variedades de alta respuesta androgénica como la
variedad de cebada IGRI no regeneran plantas verdes.
La temperatura, la luz, los nutrientes, las
infestaciones por insectos y enfermedades y el uso
de pesticidas puede causar una severa reducción en
Ana Eguiluz D.L.B., Luz Gómez P.
147
la respuesta del cultivo (Zheng et al. 2001 y Zheng,
2003).
Varias investigaciones han mostrado que es posible
manejar la respuesta androgénica manipulando las
condiciones de desarrollo de las plantas donantes
(Kasha et al., 2001).
Las condiciones medio ambientales en las que
desarrollan los donantes (época del año, campo o
invernadero) tienen un gran impacto en la respuesta
androgénica de los genotipos. Los donadores de
microsporas pueden ser cultivados junto con el
material de mejora en el invernadero, cualquier
condición que permita obtener plantas saludables es
aceptable. (Zheng et al., 2001)
En este trabajo se presentan resultados
relacionados con el efecto de la época de siembra en
la respuesta androgénica de genotipos de cebada de
importancia en el programa de mejoramiento de la
cebada en el Perú.
2. Materiales y métodos
2.1 Material vegetal Se emplearon nueve genotipos de cebada
primaveral (Tabla 1) utilizados como progenitores en
el programa de mejoramiento de cebada de la
UNAM-Perú.
Tabla 1. Relación de genotipos usados como
donadores de anteras en el Programa de
Mejoramiento de Cebada de la UNAM-Perú.
Genotipos Características
UNA La
Molina 94
Excelente potencial de rendimiento,
semitardía
Variedad comercial de 6 hileras
UNA La
Molina 95
Buen rendimiento, grano desnudo, precoz
y resistente a roya amarilla
Variedad comercial de 2 hileras
Robust Material introducido, de calidad maltera
y 6 hileras
Roland /
Kitchin
Material introducido, granos de calidad y
espigas de 2 hileras
Yanamuclo Buen rendimiento , de calidad maltera
Variedad comercial de 2 hileras
Schooner Material introducido, de calidad maltera
y de 2 hileras
Stirling Material introducido, de calidad maltera
y de 2 hileras
UNA La
Molina 96
Buen potencial de rendimiento,
semiprecoz y resistente a roya amarilla
Variedad comercial de 6 hileras
Huaraya 264 /
Una 80
Buen potencial de rendimiento y
resistencia a roya amarilla. Línea pura
derivada de la cruza de una colección
nacional y la variedad más sembrada.
2.2 Épocas de siembra Las semillas de los donadores de anteras se
sembraron en condiciones de campo, aplicando las
practicas culturales de un cultivo comercial, en dos
épocas: época I (Invierno-julio) y en la época II
(Otoño- abril).
2.3 Método de producción de dobles
haploides: cultivo de anteras in vitro
Se empleo la metodología desarrollada por
Szarejko y Kasha, 1991; modificado por Cai et al.,
1992. La secuencia seguida se presenta en la Figura
1.
2.4 Análisis estadísticos de los resultados
Se empleo el diseño completamente al azar.
Se evaluó el número de callos formados, el número
de callos óptimos, el número de plantas albinas y el
número de plantas verdes por cada 100 anteras
cultivadas. Para realizar el Análisis de Variancia se
hizo la transformación logarítmica de los datos
obtenidos en laboratorio con la siguiente formula:
XL = log 10 (Vr + 10).
3. Resultados y discusión
En las dos épocas de siembra y a nivel de todos los
genotipos se formaron callos con estructuras
embriogénicas a partir de las anteras (microsporas)
cultivada in vitro (Tabla 2). En la época I de siembra,
los genotipos con mejor eficiencia en el desarrollo de
callos embriogénicos transferidos a regeneración
fueron las variedades Stirling (75.8%), UNA La
Molina 95 (69.9%), UNA La Molina 94 (66.4%),
Schooner (63.6%). Por su parte, en la época II
destacaron las variedades UNA La Molina 96
(70.5%), UNA La Molina 94 (68.5%),
Roland/Kitchin (64%), Yanamuclo (63.1%), Robust
(62.8%) y UNA La Molina 95 (57.9%).
Las condiciones de clima fueron más favorables
para la producción de callos embriogénicos en la
segunda época. La temperatura promedio del
ambiente en la época de desarrollo de las
microsporas, fluctuaron para la época I entre 14.5
C a 16,4 C y en la época II varió de 15.9 a 21,6 C.
Logue et al., (1993) citado por King y Kasha (1994) ,
con respecto al genotipo, Schooner, encontraron que
este respondió mejor con temperaturas de 20 C.
Orshinky et al., (1997) señalaron que las anteras de
plantas cultivadas con temperaturas altas (25/18 C) o
de plantas transferidas de 15/12 C a temperaturas
altas produjeron más embriones y plantas verdes y
una baja frecuencia de plantas albinas que aquellas
cultivadas a bajas temperaturas. Ritala et al. (2001)
encontró una fuerte incidencia de la época de cultivo
en la regeneración de plantas, así obtuvo una mejor
respuesta con el material establecido en primavera,
verano y otoño.
Las características de cada época de siembra (Tabla
3) difirieron principalmente en el número de horas de
luz y en la temperatura, factores que inciden en forma
significativa en la respuesta androgénica de la
cebada.
An cient. UNALM 68(4), 2007 Recibido: 20/07/2006
ISSN 0255-0407 Aceptado: 26/10/2006
An cient. 68(4) 2007, pp. 146-151 148
Tabla 2. Número de callos obtenidos por 100 anteras introducidas in vitro de nueve genotipos de cebada
sembrados en dos épocas diferentes del año en condiciones de La Molina.
Época I Época II
( Julio ) ( Abril )
Genotipos
N° de callos
totales/ N° de callos embriogénicos N° de callos totales/ N° de callos embriogénicos
100 anteras 100 anteras
N°callos/100 anteras
%
trans. N°callos/100 anteras % trans.
Robust 69.3 13.3 19.2 61.9 38.9 62.8
UNA La Molina 96 200 35.3 17.7 41.3 29.1 70.5
Huaraya 264/UNA 80 35.2 13.8 39.2 75.4 40.9 54.2
UNA La Molina 94 28.6 19 66.4 63.4 43.3 68.5
Roland/Kitchin 47.2 14.4 30.5 59.2 37.9 64.0
UNA La Molina 95 21.9 15.3 69.9 69.7 40.4 57.9
Schooner 17.3 11 63.6 289.1 95 32.9
Stirling 26.4 20 75.8 304 82.5 27.1
Yanamuclo 17.2 7.5 43.6 34.7 21.9 63.1
Tabla 3. Radiación, horas de sol y temperatura de la época de crecimiento de los nueve genotipos de cebada
donadores de anteras cultivados en La UNAM – Perú.
Época de
desarrollo de
genotipos
donadores
Mes Total radiación
solar circunglobal
(Ly/mes)
Total mensual de
horas de sol
(Horas y décimas)
Temperatura
media °C
Julio 5846 74.3 14.5
Agosto 7175 98.6 15.2
Época I Setiembre 5846 85.5 15.4
Octubre 10556 162.2 16.4
Abril 11670 225.0 21.6
Época II Mayo 11067 224.0 20.1
Junio 7971 221.0 17.5
Estación A. Von Humboldt, altura 243,7 msnm,
Latitud 12°05’, Longitud 76 °57’.
En las Tablas 4 y 5 se muestran los resultados del
Análisis de Variancia y la Prueba de Diferencia de
Medias de Duncan (α = 0.05) para la producción de
plantas verdes en la época I (genotipos donadores de
anteras sembrado en Julio), no se encontró
diferencias estadísticas entre los genotipos evaluados
(Datos transformados XL= log 10 (VR+10). El
genotipo que produjo mayor cantidad de plantas
verdes fue la Variedad UNA La Molina 94.
Por otro lado el Análisis de Variancia realizado
con la información obtenida para la época II de
siembra de los genotipos donadores (abril), muestra
diferencias altamente significativa entre los
tratamientos (genotipos) y la Prueba de Diferencia de
Medias de Duncan (α = 0.05), identifico al genotipo
con mejor respuesta a la regeneración de plantas
verdes y fue la variedad UNA La Molina 94 (Tabla 6
y 7). Entre UNA La Molina 94 y los demás genotipos
estudiados existe una diferencia altamente
significativa. La respuesta de los demás genotipos no
muestran diferencias estadísticas entre ellas; el ultimo
lugar lo ocupo la variedad Yanamuclo.
En promedio de regeneración de las dos épocas
estudiadas resulto ser mejor la época 2 (abril) con un
promedio de 1.0432 plantas verdes frente a 0.1204
plantas verdes (época I – julio). El crecimiento y
desarrollo de los donadores de anteras (microsporas)
en condiciones de campo en la Molina, con factores
estresantes, probablemente una inadecuada o
irregular provisión de nutrientes y humedad influyó
en la respuesta androgénica expresada en la baja
producción de regenerantes verdes o DH. Resultados
similares se encontraron en la variedad IGRI de alta
respuesta androgénica, cuando fue cultivada en
condiciones estresantes (Zheng et al. 2001 y Zheng,
2003).
En resumen sólo los genotipos UNA La Molina 96
y UNA La Molina 94 regeneraron plantas verdes en
la época I. En la época II, todos los genotipos
regeneraron plantas verdes, destacando la variedad
UNA La Molina 94 que produjo 3,4 plantas verdes
/100 anteras sembradas (Tabla 8)
Por otro lado los nueve genotipos regeneraron
plantas albinas. En la primera época se regeneraron
4,54 plantas albinas/100 anteras cultivadas y en la
época II se regeneraron 4,62 plantas albinas/100
anteras como promedio en todos los genotipos
evaluados (Tabla 8). Las variedades Robust, Huaraya
264/UNA 80, Roland/ Kitchin, UNA La Molina 95 y
Yanamuclo produjeron un número similar de plantas
albinas en las dos épocas analizadas. La variedad
UNA La Molina 94 regeneró más plantas albinas en
Ana Eguiluz D.L.B., Luz Gómez P.
149
la época I de siembra y Schooner y Stirling en la
época II.
La razón de estas diferencias genotípicas, por
evidencias encontradas, es que la androgénesis in
vitro está bajo control genético (Zheng, 2003).
Moieni et al. (1997) encontraron valores altos de
heredabilidad en el sentido estrecho para la
frecuencia de inducción de embrioides y regeneración
de plantas totales. Por su parte, Miah et al. (1985);
Quimio y Zapata, (1990) citados por Lentini et al.
(1997) realizaron estudios de herencia que sugieren
que la inducción de callos y regeneración esta
controlado por un bloque simple de genes recesivos
diferentes (a), la dominancia parcial para la no
respuesta androgénica (b), no hay efecto materno y d)
el número de genes aditivos es significativo (c).
Estudios recientes con trigos hexaploides revelaron
variabilidad genética significativa y alta
heredabilidad para características androgénicas.
Estudios hechos con 49 variedades de trigo invernal
mostraron que la heredabilidad para rendimiento
embriogénico, regeneración total de plantas y el
porcentaje de plantas verdes son altos (0.80 - 0.88).
La heredabilidad de plantas albinas es de 0.68
comparado con otros caracteres, haciendo posible la
reducción de plantas albinas con el manejo de las
condiciones de cultivo u otros factores ambientales
(Masojc et al., 1993, citado por Zheng, 2003).
Tabla 4. Análisis de variancia para regeneración de plantas verdes por cada 100 anteras cultivadas in vitro de
nueve genotipos de cebada sembrados en época I (Julio) en condiciones de campo en La Molina.
Fuentes de
variación G.L. S.C. C.M. Valor F PR>F
Nivel de
significación
Genotipo 8 0.00326874 0.0004086 1.4 0.2534 n.s
Error 19 0.00549074 0.000289
Total 27 0.00875948
C.V. 1,69
* Significativo al nivel 0.05 de probabilidad ** Significativo al nivel 0.01% de probabilidad
n.s. No significativo
Tabla 5. Resultado de la prueba de Duncan en la comparación de nueve genotipos en la época I (julio), para
el carácter capacidad de regeneración de plantas verdes (datos transformados, XL= log 10 (VR+10)).
Promedio Promedio transformado Significación de
Genotipo Plantas verdes Plantas verdes Duncan (α= 0.05)*
UNA LA MOLINA 94 0.7500 1.0301 A
UNA LA MOLINA 96 0.3333 1.0138 A
HUARAYA 264/UNA 80 0.0000 1.0000 A
ROBUST 0.0000 1.0000 A
YANAMUCLO 0.0000 1.0000 A
UNA LA MOLINA 95 0.0000 1.0000 A
SCHOONER 0.0000 1.0000 A
STIRLING 0.0000 1.0000 A
ROLAND/KITCHIN 0.0000 1.0000 A
* No hay diferencias significativas entre genotipos que comparten la misma letra.
Tabla 6. Análisis de variancia para regeneración de plantas verdes por cada 100 anteras cultivadas in vitro
de nueve genotipos de cebada sembrados en época II (Abril) en condiciones de campo en La Molina.
Fuentes de G.L. S.C. C.M. Valor F PR>F Nivel de
variación Significación
Genotipo 8 0.08092861 0.0101161 4.64 0.0006 **
Error 35 0.07633377 0.002181
Total 43 0.15726237
C.V. 4.45
Significativo al nivel 0.05 de probabilidad
** Significativo al nivel 0.01% de probabilidad
n.s. No significativo
Efecto de la época de siembra de los genotipos donadores de anteras en la capacidad de producción de plantas
dobles haploides de cebada (Hordeum vulgare L.) mediante el cultivo in vitro de anteras
An cient. 68(4) 2007, pp. 146-151 150
Tabla 7. Resultado de la prueba de Duncan en la comparación de nueve genotipos en la época II (abril),
para el carácter capacidad de regeneración de plantas verdes (datos transformados, XL= log 10 (VR+10)).
Promedio
Promedio
transformado Significación de
Genotipo Plantas verdes Plantas verdes Duncan (α= 0.05) *
UNA LA MOLINA 94 3.8750 1.1350 A
HUARAYA 264/UNA 80 1.2500 1.0471 B
SCHOONER 1.1667 1.0469 B
UNA LA MOLINA 95 0.8000 1.0331 B
ROLAND/KITCHIN 0.8000 1.0331 B
UNA LA MOLINA 96 0.7500 1.0310 B
ROBUST 0.2500 1.0104 B
STIRLING 0.2500 1.0104 B
YANAMUCLO 0.2500 1.0104 B * No hay diferencias significativas entre genotipos que comparten la misma letra
Tabla 8. Número promedio de plantas verdes y albinas regeneradas / 100 anteras introducidas in vitro de
nueve genotipos de cebada sembrados en época I (julio) y época II (abril) en La UNALM - Perú.
Genotipo
Época I Época I Época II Época II
Julio Julio Abril Abril
Nº plantas verdes Nº plantas albinas Nº plantas verdes Nº plantas albinas
Regeneradas/ Regeneradas / Regeneradas / Regeneradas /
100 anteras 100 anteras 100 anteras 100 anteras
ROBUST 0.0 5.0 0.14 4.9
UNA LA MOLINA 96 0.3 7.5 0.4 0.5
HUARAYA 264/UNA 80 0.0 4.3 0.7 5.2
UNA LA MOLINA 94 0.7 6.4 3.4 8.7
ROLAND/KITCHIN 0.0 3.1 0.3 4.1
UNA LA MOLINA 95 0.0 4.7 0.5 4.2
SCHOONER 0.0 4.4 0.9 11.7
STIRLING 0.0 3.3 0.2 10.0
YANAMUCLO 0.0 2.2 0.1 3.0
4. Conclusiones
Se observó respuesta diferencial de los genotipos al
cultivo in vitro de anteras donde los mayores valores
de regenerantes verdes se obtuvieron en la variedad
UNA La Molina 94.
El medio ambiente tuvo efecto en la respuesta
androgénica de los genotipos estudiados. La época II
de siembra de los genotipos donadores (Abril) resultó
la mejor para la regeneración de plantas verdes in
vitro a partir de las anteras de los diferentes
genotipos estudiados.
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An cient. UNALM 68(4), 2007 Recibido: 18/07/2006
ISSN 0255-0407 Aceptado: 21/07/2006
Uso de la goma de tuna como impermeabilizante en morteros de tierra
Magno Molina C. 1, Marissa Valdivia V.
2
Resumen
El presente trabajo de investigación se realiza con el propósito de conocer la utilización de la goma de tuna como
impermeabilizante en morteros de tierra para recubrimiento de viviendas de adobe, tapial y quincha y de esta manera
obtener y proporcionar información fundamental sobre las propiedades de este material. Para ello se planteó trabajar
con el rango óptimo de viscosidad de la goma de tuna. Se inició la presente investigación, caracterizando la muestra
de tierra obtenida, mediante ensayos de laboratorio de consistencia y granulometría, luego se hicieron los cálculos
necesarios para añadir los componentes, hasta alcanzar el rango óptimo recomendado, para morteros de tierra en
revestimiento. Luego se realizaron ensayos preliminares con la viscosidad para determinar el rango óptimo de la
viscosidad de la “goma de tuna” en morteros de tierra evaluándose tres ensayos de viscosidad luego se procedió a
evaluar un cuarto ensayo de viscosidad con el cual se prepararon los muestras para los tratamientos establecidos.
Con la finalidad de garantizar el buen desarrollo del proceso de pudrición, se midió la temperatura y pH durante 2
meses. Seguidamente se fabricaron muestras de morteros de tierra sin estabilizar y estabilizados con goma de tuna,
en proporciones respecto al peso seco de tierra de 5%, 10%, 15% y 20%; además, se consideraron los tratamientos:
morteros de tierra solo con pintura en su superficie y otros tratamientos con distintos contenidos de goma de tuna en
su composición y con pintura en su superficie. Con la finalidad de determinar la utilidad de “la goma de tuna” en
cada uno de los tratamientos, luego de 2 meses de secado, los testigos fueron sometidos a las siguientes pruebas:
ensayo de variaciones de dimensiones, ensayo de humedecimiento y secado, ensayo de capilaridad y ensayo de
erosión. Para complementar el análisis de los resultados obtenidos se utilizó el diseño completamente al azar y para
comparar entre las medias de los tratamientos establecidos se usaron las pruebas estadísticas de análisis de varianza,
Dunnet y Duncan. Luego de observar los resultados obtenidos y compararlos entre sí, se concluyó; que la goma de
tuna, como estabilizante, otorga mejoras significativas a los revestimientos de morteros de tierra frente a la
humedad, siendo la proporción que ofrece mejor resistencia frente a la humedad el tratamiento con 20% con
contenido de goma tuna en su composición respecto a su peso seco de tierra y con pintura en su superficie.
Palabras clave: Goma de tuna, adobe, tapia, quincha, ensayo de materiales, construcciones rurales.
Abstract
The present investigation work is carried out with the purpose of using the rubber of tuna like waterproofing in
mortars of land for coating of houses and in this way to obtain and provide fundamental information about the
properties of this material. For this we thought to work with the good range that gives the viscosity of the rubber of
tuna. The present investigation began characterizing the obtained sample of land by means of laboratory tests of
consistency and granulometry, then we made the necessary calculations to add the components, until reaching the
recommended good range, for mortars of land in covering. Then they were carried out preliminary tests with the
viscosity to determine the good range of the rubber of tuna in mortars of land earth being evaluated three tests of
viscosity, then we proceeded to evaluate a fourth test of viscosity. With the purpose of guarantee the good
development of the process of rottenness, we measured the temperature and pH during 2 months. Subsequently the
samples of mortars were manufactured without stabilizing and stabilized with rubber of tuna in proportions
regarding the dry weight of land of 5%, 10%, 15% and 20%, also we considered the treatments; mortars give alone
land with painting in their surface and other treatments with different rubber contenting tuna in their composition
and with painting in their surface. With the purpose of determining the utility of the rubber of tuna in each one of the
treatments, after 2 months of drying, the sample were subjected to the following tests: dimensions variations test,
humidity and drying test, capillarity and erosion test. To supplement the analysis of the obtained results, we used
totally chance design it was used and to compare among the average of the established treatments with statistical
tests of variance analysis, Dunnet and Duncan.
After to observe the obtained results and to compare them, we concluded that the rubber of tuna as stabilizer gives
significant improvements to the linings of the mortars of land in front of the humidity, being the proportion that
offers better resistance in front of the humidity with 20% with rubber of tuna in its composition regarding in its dry
weight of land and with painting in its surface.
Key words: Tuna gum, adobe, wall, quinchad, test of materials, stabilizing, rural construction.
1. Introducción
El abundante patrimonio arqueológico construido
en adobe y tapial revestido con barro esta siendo
sustituido, hoy en día, por morteros de cal y cemento,
los que generalmente son inadecuados como acabado
de muros de tierra. Estos morteros por sus distintas
1, 2 Facultad de Ingeniería Agrícola, Universidad Nacional Agraria
La Molina. Lima, Perú. E-mail: [email protected]
propiedades físico–mecánicas, provocan
agrietamiento y disgregaciones. Las propiedades que
requieren los revestimientos de viviendas de tierra
son flexibilidad, transpiración, adherencia,
plasticidad, difusión térmica, etc.
Además, de los problemas mencionados, el uso de
cemento, cal y asfalto en el revestimiento de
viviendas de tierra y quincha aumenta el costo de la
construcción. Esto origina que dichas alternativas
Magno Molina C., Marissa Valdivia V.
153
están fuera del alcance de muchos pobladores de
escasos recursos económicos.
En la actualidad el bajo ingreso per cápita de la
mayoría de los sectores rurales y los altos costos que
se requieren para el acabado final de una vivienda,
hacen que el revestimiento con mortero de tierra sea
una posibilidad viable, para un gran porcentaje de
peruanos así como también la autoconstrucción.
En la presente tesis se plantea usar distintas
cantidades de goma de tuna adicionada al mortero y/o
aplicado como sellador o pintura impermeabilizante
con el fin de aumentar la resistencia a la erosión en el
revestimiento, causada por la precipitación.
Cabe destacar que, para la obtención de la goma de
tuna, el tiempo de uso esta determinado cuando el
fluido alcanza su máxima viscosidad
independientemente del tiempo de remojo.
El objetivo general del presente trabajo es investigar
la utilización de la goma de tuna como
impermeabilizante de morteros de tierra.
Los objetivos específicos son:
Determinar la proporción mas adecuada de goma
de tuna para lograr la protección más eficiente
del acabado.
Presentar un procedimiento alternativo de
construcción incentivando a la autoconstrucción
y al uso de un producto natural.
Analizar el comportamiento de cada uno de los
tratamientos establecidos en los morteros de
tierra en los diferentes ensayos aplicados
mediante una lluvia artificial.
2. Revisión de literatura
2.1 Antecedentes
Existen muy pocas investigaciones realizadas con
sustancias naturales que han sido llevadas a cabo con
el objeto de mejorar la durabilidad de las
construcciones de tierra frente a la humedad.
En el Perú, desde tiempos ancestrales se ha venido
utilizando un liquido viscoso que se obtiene de la
planta de la tuna (Opuntia ficus Indica), como
imprimante de muros de tierra.
La Pontificia Universidad Católica del Perú, realizó
investigaciones sobre preservación de las
construcciones de adobe en zonas lluviosas que están
dirigidas a mejorar la durabilidad de los enlucidos en
la construcción utilizando productos naturales
(Vargas et al., 1986).
En la Tesis de la UNALM, titulada “Evaluación del
comportamiento del adobe estabilizado con cal y
goma de tuna” se investigó la “goma de tuna” líquida
siendo los resultados muy aleatorios (Bravo, 1999).
2.2 Morteros de tierra
Tierra o suelo- “Cuando nos referimos a tierra o
suelo en construcción, ambos términos son el mismo
material”, afirman Roland Stulz, S. y Kiran Mukerji,
G (1993). El barro es una mezcla de suelo húmedo,
plástico, con o sin aditivos, que se emplea para hacer
adobes o tapiales, así como morteros de tierra para
colocar en la junta de los muros de adobe o como
revestimiento de viviendas de tierra (adobe, tapial y
quincha).
Se llama mortero de tierra a la mezcla de tierra con
alguna fibra, realizada por vía húmeda. El barro
constituye una excelente materia prima para la
construcción. Es abundante, económico y reciclable,
excelente para regular el control de las variaciones de
la temperatura ambiental en una habitación.
2.3 Estabilización
Roland Stulz, S. y Kiran Mukerji, G. (1993),
manifiestan que la tierra que no posee las
características deseadas para una construcción
particular puede ser mejorada añadiendo uno o más
estabilizadores.
La estabilización es un proceso técnico, que tiene
como objetivo neutralizar, o por lo menos restringir
el desgaste de las arcillas presentes y, de ese modo,
reducir la sensibilidad que tiene la tierra frente al
agua. Gate (1994).
Para la presente investigación se definirá la
estabilización como un proceso que mejora la
calidad, actuando sobre alguna de sus propiedades en
especial para mejorar la resistencia del mortero de
tierra ante la humedad.
2.4 Estabilización con goma de tuna
En el presente estudio, cuando se habla de tuna, se
está considerando una especie en particular, la
Opuntia Ficus Indica (L.) Miller, que es una planta
arbustiva, ramificada, de porte variable, desde
rastrero hasta arborescente grande, y que llega a
alcanzar hasta los cinco metros de altura y cuatro
metros de diámetro.
El cultivo de la tuna se desarrolla bien con
temperaturas entre 12 a 34 °C, con un rango óptimo
de 11 a 23 °C y con una precipitación promedio entre
400 a 800 mm. Es muy resistente a las sequías. El pH
más adecuado es el neutro o ligeramente alcalino.
Crece desde el nivel del mar hasta los 3.000 msnm.
Su mejor desarrollo lo alcanza entre los 1 700 a 2 500
msnm.
Un producto adicional es el mucílago o goma,
obtenible por el prensado de la penca o cladodio.
Localmente, esta sustancia se utiliza mezclada al
barro en el tarrajeo de viviendas rurales y también en
la industria para la fabricación de películas
adherentes de gran finura.
2.5 Viscosidad
La viscosidad puede identificarse como el
rozamiento interno de un fluido. A causa de la
viscosidad es necesario ejercer una fuerza externa
para obligar a una capa líquida a deslizarse sobre otra
o para obligar a una superficie a deslizarse sobre otra
cuando hay una capa de líquido entre ambas.
Al manar un líquido por un tubo largo y horizontal
se observa que las capas próximas al eje fluyen con
mayor velocidad que la situada en la periferia junto a
las paredes; tiene lugar un rozamiento interno sobre
las capas de menor velocidad. Las cantidades de
líquido que fluyen por un tubo dependen de la
presión y del rozamiento, afirman Sandoval C.,
Uso de la goma de tuna como impermeabilizante en morteros de tierra
An cient. 68(4) 2007, pp. 152-160
154
Chavez C. (1998). Uno de los métodos usados en
laboratorio para medir la viscosidad consiste en usar
el viscosímetro de Ostwald.
3. Materiales y métodos
En esta investigación se toma como hipótesis que
la eficiencia de la “goma de tuna” como estabilizante
está en función de la viscosidad desarrollada en la
preparación. Se han utilizado los siguientes
materiales, equipos y herramientas:
3.1 Materiales Suelo del campus de la UNALM.
Arena y arcilla.
Agua potable.
Pencas de tuna.
Pajilla de arroz.
Plástico impermeabilizante.
3.2 Equipos y herramientas Balanzas de 2610 g y 20 kg de cap. Modelo
Ohaus.
Horno de temperatura graduable de 38 C a 260
C.
Espátula.
Batidora.
Marco de madera de (30 x 21 x 2.54 cm).
Bandejas de secado.
Pipetas y probetas.
Campanas.
Tamiz No 4.
Termómetro.
Cronómetro.
Computadora.
Simulador de lluvia ubicado en el DRAT –
UNALM.
3.3 Diagrama de flujo de investigación
Figura 1. Descripción del procedimiento de la investigación.
Magno Molina C., Marissa Valdivia V.
155
3.4 Obtención de la muestra de suelo ideal
para morteros
El material se obtuvo del campus de la Universidad
Nacional Agraria La Molina a una profundidad entre
0.6 y 1.5 m. en una cantidad aproximada de 200 kg.
La caracterización consistió en determinar si se
encontraba dentro del rango óptimo recomendado por
Alonso (2000) para morteros de tierra. Dichos rangos
se describen a continuación:
Contenido de arena: 55 – 65%.
Proporción de limo: arcilla 1.
Proporción de limo + arcilla en la mezcla: 35 – 45
% del total.
Contenido de arcilla > 15.
Materia orgánica 3%.
Para realizar la caracterización de la muestra obtenida
en la UNALM, se realizaron los siguientes ensayos
de laboratorio:
a) Ensayo de textura: Método del Hidrómetro de
Bouyocus y Granulometría.
b) Limite Líquido del Suelo.
c) Límite Plástico e Indice de Plasticidad.
A la muestra obtenida se le adicionó un porcentaje
de arena y arcilla para adecuarla a los rangos
establecidos por Alonso (2000) para morteros de
tierra.
Luego se efectuaron los mismos ensayos que en la
caracterización anterior con el fin de verificar si la
corrección realizada permite obtener una muestra de
tierra con rangos muy cercanos a los planteados por
Alonso (2000).
3.5 Preparación de la “Goma de Tuna”
El proceso de preparación de goma de tuna fue el
mismo que el utilizado por Vargas Neumann, descrito
a continuación:
a. Extracción y recolección de pencas.
b. Lavado y extracción de espinas.
c. Corte de pencas en cubos de 2 cm de espesor.
d. Remojo en agua, en la proporción 1:1 respecto
al peso de las pencas cortadas.
e. Separación de los residuos sólidos con el fluido
utilizando un tamiz de 2 mm.
f. Antes de la preparación de la “goma de tuna”
para la elaboración de las probetas, se
realizaron 3 ensayos para la determinación de
la máxima viscosidad.
g. Antes de utilizar la “goma de tuna” en la
fabricación de las muestras se optó por realizar
tres ensayos preliminares de ensayo de
viscosidad (a las mismas condiciones de
laboratorio) luego conociendo el
comportamiento de las curvas y los valores
promedio de la viscosidad se trabajo un cuarto
ensayo de viscosidad con la que se prepararon
las muestras cuando la “goma de tuna” alcanzó
la máxima viscosidad.
3.6 Preparación y moldeado de las muestras
de tierra
Después de ensayos previos se determinó que la
cantidad de líquido fue:
Humedad en % = %límite plástico del suelo + 2/3
del %índice plástico.
Con esta fórmula el volumen de líquido
corresponde aproximadamente al 20% del peso seco
de la tierra, obteniéndose una mejor trabajabilidad.
Número de tratamientos
En la Tabla 1 podemos observar los tratamientos
establecidos.
Tabla 1. Tratamientos definidos para la
investigación.
Tratamiento Codificación % Goma
de Tuna*
% de Agua*
1 MT 0 100
2 MT25%GT 25 75
3 MT50%GT 50 50
4 MT75%GT 75 25
5 MT100%GT 100 0
6 MTP 0 100
7 MT50%GTP 50 50
8 MT75%GTP 75 25
9 MT100%GTP 100 0
* Porcentaje en peso respecto al peso de
suelo seco
MT: Mortero de tierra.
GT: Goma de tuna en su composición. P: Goma de tuna aplicada como pintura.
La forma de reconocimiento de la homogeneidad
de la mezcla se realizó de dos maneras: en primer
lugar; un reconocimiento en forma visual, es decir
batir la mezcla tierra+tuna+agua hasta que quede
completamente homogéneo en color y en
consistencia, y en segundo lugar a nivel de
laboratorio, considerando la determinación de los
Limites de Atterberg (Limite líquido, límite plástico e
índice de plasticidad).
3.7 Ensayos para evaluar las características
físicas-mecánicas de las muestras
Con el fin de evaluar a los tratamientos
establecidos se efectuaron los siguientes ensayos:
a) Ensayo de variación de dimensiones.
b) Ensayo de capilaridad.
c) Prueba de humedecimiento y secado.
d) Ensayo de erosión.
4. Resultados y discusión
4.1 Obtención de la tierra ideal En la Tabla 2 se muestra el resumen de
características de la muestra de la tierra natural
obtenida en la UNALM y la tierra mejorada para
obtener la “tierra ideal”.
Uso de la goma de tuna como impermeabilizante en morteros de tierra
An cient. 68(4) 2007, pp. 152-160
156
Tabla 2. Resumen de características de la muestra de tierra natural y tierra ideal.
Muestra Textura Tipo de Tierra Limites de Atterberg I.P. Clasific.
% Arena % Limo % Arcilla LL (%) LP (%) (%) SUCS
Arcilla de mediana
Natural 36 48 16 plasticidad 29.06 18.71 10.34 CL
Mejorada 55 25 20 Arena limosa 18.20 15.18 3.02 ML
Optimo 55 - 65 0 - 28 Mayor a 15 Arcilla-limosa 20 - 40 Menor a 20 < 4 ML
LL : Limite líquido
LP : Limite plástico
IP : Índice de plasticidad
* Relación limo : arcilla ~ 1
* Proporción de limo + arcilla en la mezcla : 35 - 45% del total
Aquí podemos apreciar que la muestra de tierra
natural extraída es inadecuada para su uso en
morteros, por tener un bajo contenido de arena y alto
contenido de limo. Lo que haría que el revestimiento
sufriera fisuras durante el secado. Por esta razón se
adicionó arena fina y arcilla hasta que la muestra se
encuentre en el rango planteado.
4.2 Preparación de la goma de tuna Se realizaron 3 preparaciones similares de “goma
de tuna” en forma simultánea y se realizaron ensayos
de viscosidad en cada una de ellas, tomándose
valores de viscosidad interdiariamente.
Figura 2. Curva de viscosidad de la goma de tuna.
Una vez determinada la viscosidad promedio
máxima, se realizó la preparación de la goma de tuna
para la aplicación en las probetas. La curva de
comportamiento se aprecia en la siguiente Figura 3.
Para la presente investigación se utilizó la “goma
de tuna” cuando la viscosidad alcanzó un valor igual
o mayor a 10 centi-poises, esta viscosidad calculada
en ensayos de laboratorio coincide con el fenómeno
siguiente:
La goma de tuna al ser vaciada a otro recipiente, si
no se “corta” con paleta o similar en el borde del
recipiente, se regresa al recipiente, o de lo contrario
se vacía todo el contenido. No se puede cortar el flujo
fácilmente.
Al coger una pequeña cantidad de goma de tuna
entre los dedos índice y pulgar y se abren los dedos
totalmente, la columna de goma de tuna formada no
se rompe.
Figura 3. En la foto se observa que la goma de
tuna se opone al corte lo que indica que la goma
de tuna está lista para ser adicionada al mortero
de tierra. Preparación de los morteros de tierra.
Magno Molina C., Marissa Valdivia V.
157
Durante la preparación de los morteros de tierra, se
pudo observar lo siguiente:
La “goma de tuna” interfiere en la trabajabilidad
del mortero de tierra, dificultándose el trabajo a
medida que se incrementa la cantidad de ésta.
Las mezclas preparadas con 25%, 50% y 75% de
“goma de tuna” con respecto al peso seco de tierra
mostraron buena trabajabilidad, facilidad para el
mezclado y moldeado. En el caso del tratamiento MT
100% GT, el mezclado fue bastante difícil, debido a
que la mezcla era muy pegajosa.
El acabado de la superficie expuesta en los
distintos tratamientos (con y sin “goma de tuna”) fue
el mismo, solo se diferenciaron en el color de la
superficie, aquellos que contenían goma de tuna
tomaban un color blancuzco, que se acentuaba a
mayor cantidad de “goma de tuna”.
4.3 Ensayo de variación de dimensiones Se ensayaron 5 probetas rectangulares por
tratamiento.
En la Figura 4 se muestra el % de variación tanto
de la altura, como del ancho y espesor promedio de
cada uno de los tratamientos.
Figura 4. Porcentaje de variación de dimensión.
En la Tabla 3 se muestra el resumen de los
resultados del ensayo de variación de dimensiones de
los bloques de mortero de tierra.
En esta Tabla podemos apreciar que el menor
porcentaje de variación respecto a la altura fue el
tratamiento MT 100% GT, y el máximo MT 100%
GTP, respecto al ancho el menor porcentaje se
apreció en el tratamiento MT 75% GT, mientras que
el máximo en el MT 100% GTP. Respecto al espesor,
la variación mínima se apreció en el tratamiento MT
75% GTP y la máxima en el MTP.
Tabla 3. Porcentaje de variaciones de dimensiones.
Este comportamiento nos demuestra que la adición
de la goma de tuna no influye en la variación de
dimensiones de los morteros de tierra. Dicha
variación puede depender de varios factores como
contenido de arcillas, forma de secado,
homogeneidad de la mezcla entre otros.
4.4 Ensayo de capilaridad En la Tabla 4, se muestra un resumen de los
resultados obtenidos en el ensayo de capilaridad.
Tabla 4. Resultado de ensayo de capilaridad.
Uso de la goma de tuna como impermeabilizante en morteros de tierra
An cient. 68(4) 2007, pp. 152-160
158
Cabe destacar que en las muestras MT 50% GTP y
MT 100% GTP solo se cubrió con goma de tuna la
pared vertical del cilindro y no la base.
El ensayo de capilaridad nos muestra la cantidad de
agua que retiene la probeta con respecto a su peso
seco. En los resultados obtenidos se muestra que las
probetas con contenido de “goma de tuna” en su
composición y en su superficie, absorben menor
cantidad de agua que la muestra testigo.
La menor absorción se obtuvo en el tratamiento
MT 50% GTP y la mayor absorción se presentó en la
muestra testigo.
En un análisis comparativo de las muestras de
tierra con goma de tuna, se muestra un mejor
comportamiento a medida que se va incrementando el
porcentaje de goma de tuna.
En la práctica este ensayo de capilaridad mide el
porcentaje de humedad captado por el mortero de
tierra, de la humedad del suelo, por capilaridad,
causado por cañerías rotas, mala impermeabilización
del cimiento y/o sobrecimiento, etc. En el caso de
edificaciones de adobe y tapial, esta humedad puede
ser perjudicial.
4.5 Ensayo de humedecimiento y secado
Con el ensayo de humedecimiento y secado se
pudo notar grandes diferencias entre la muestra
testigo y los tratamientos con goma de tuna.
El resumen de los resultados del ensayo de
humedecimiento y secado se muestra en la Tabla 5 y
Figura 5.
En los resultados mostrados se observa que existe
una diferencia significativa entre el testigo y aquellos
con “goma de tuna”. El mejor comportamiento lo
presentaron aquellos tratamientos que contienen
goma de tuna tanto en su composición como en las
caras externas: MT 50% GTP y MT 100% GTP, por
lo que podemos afirmar que la goma de tuna aplicada
como pintura o sellador sobre la superficie de los
morteros de tierra forma una lámina muy delgada que
impide el paso del agua asemejándose a una
membrana impermeable.
Tabla 5. Resultados del ensayo de humedecimiento y secado.
Figura 5. Resultado de ensayo de humedecimiento y secado.
4.6 Ensayo de erosión En el ensayo de erosión se obtuvo la cantidad de
tierra erosionada en las muestras por efecto de la
lluvia artificial.
Magno Molina C., Marissa Valdivia V.
159
En la Tabla 6 se muestra el resumen de los
resultados del ensayo de erosión, en el gráfico 6.4 se
muestra el desgaste acumulado promedio por
tratamiento.
Tabla 6. Porcentaje de desgaste de tierra.
Tratamiento
Desgaste
acum. prom.
(%)
Coef. Variab. (%)
MT 100.00 destrucción total
MT25%GT 100.00 destrucción total
MT50%GT 1.93 13.95
MT75%GT 1.6 9.89
MT100%GT 1.05 17.98
MTP 1.68 6.65
MT50%GTP 1.13 15.63
MT75%GTP 1.02 23.52
MT100%GTP 0.95 10.56
Figura 6. Porcentaje de desgaste de tierra.
Analizando los resultados de los tratamientos con
goma de tuna se nota una mejoría significativa que va
en incremento a medida que se aumenta el porcentaje
de goma de tuna.
El tratamiento MT comenzó a erosionarse a las 2
horas de ensayo mientras que el tratamiento MT 25%
GT comenzó a erosionarse completamente en el
tercer ciclo de ensayo mientras que los otros
tratamientos tuvieron un buen comportamiento frente
a los tres ciclos de erosión artificial.
Respecto a los tratamientos que han sido pintados
con goma de tuna mostraron una excelente resistencia
a la erosión alcanzando hasta un porcentaje de
desgaste máximo de 1.13% en aquellos que tuvieron
“goma de tuna” en su composición y además eran
pintados mientras que el tratamiento solo pintado en
su superficie con goma de tuna presento un
porcentaje de desgaste mayor.
También se puede notar que el comportamiento del
tratamiento MTP es comparable en promedio al
tratamiento MT 75% GT, ya que ambos tuvieron un
porcentaje promedio de desgaste de 1.68% y 1.60%
respectivamente, esto es muy importante ya que nos
permitiría disminuir el contenido de goma de tuna en
la composición del mortero de tierra lo cual
significaría un gran ahorro por m2 de revestimiento.
Comparando los tratamientos con contenido de
goma de tuna en su composición y en su superficie
con los tratamientos con contenido de goma de tuna
solo en su composición, los primeros alcanzaron un
porcentaje desgaste máximo de 1.13% mientras que
en el segundo fue de 1.93%, lo cual nos indica que la
goma de tuna aplicado como pintura sobre la
superficie del mortero mejora la resistencia a la
erosión.
5. Conclusiones
1. Analizando los resultados de los tratamientos se
aprecia que a mayor cantidad de goma de tuna en
la composición del mortero, existe una
disminución del desgaste por la acción erosiva de
la lluvia hasta 99.05% con respecto a la muestra
testigo.
2. La presencia de la “goma de tuna” mejora la
resistencia a la erosión por efecto del agua,
logrando una durabilidad mucho mayor que en el
caso de morteros de tierra sin estabilizar, el caso
mas favorable se observa en el tratamiento MT
Uso de la goma de tuna como impermeabilizante en morteros de tierra
An cient. 68(4) 2007, pp. 152-160
160
100% GTP donde el desgaste debido a la acción
erosiva de la lluvia fue del 0.95% mientras que la
MT sufrió un desgaste de 100% respecto a su
peso seco.
3. Aquí también se aprecia que el uso de goma de
tuna aplicada como pintura externa tiene aún
mejores efectos. Esto se demuestra en el
tratamiento MTP (tratamiento que contiene goma
de tuna solo en su superficie) cuyos resultados
son comparables al tratamiento MT 75% GT
(tratamiento que contiene 75% de goma de tuna
en su composición sin goma de tuna en su
superficie).
4. En el proceso de secado, los morteros de tierra
sufren una deformación por variación de
dimensiones, que en algunos casos pueden llegar
a ocasionar deformaciones importantes; se ha
demostrado que no existe una disminución o
aumento de estas deformaciones cuando se le
adiciona “goma de tuna” al mortero.
5. Se ha podido comprobar que en los tratamientos
con “goma de tuna” se reduce, en forma
mínima, el porcentaje de absorción de humedad
variando entre 3.81% (MT 25% GT) y 4.44%
(MT 50% GTP) en promedio con respecto a la
muestra testigo.
6. En los resultados del ensayo de humedecimiento
y secado se concluye que a mayor cantidad de
“goma de tuna” menor pérdida de material por
humedecimiento constante. El mejor
comportamiento lo presentaron aquellos
tratamientos que contienen goma de tuna tanto
en su composición como en las caras externas:
MT 50% GTP y MT 100% GTP, por lo que
podemos afirmar que la goma de tuna aplicada
como pintura o sellador sobre la superficie de los
morteros de tierra, da lugar a la formación de una
lámina muy delgada que impide el paso del agua
asemejándose a una membrana semimpermeable.
7. Se ha demostrado que ante la eventualidad de
presencia de agua por efectos de inundaciones, el
tratamiento MT 100% GTP tiene una mayor
resistencia a la humedad, que los otros
tratamientos con “goma de tuna” y que estos a su
vez son mas resistentes al humedecimiento
continuo que los testigos.
8. De los resultados obtenidos en la preparación de
goma de tuna se concluye que el tiempo de
remojo de las pencas no es constante en el
desarrollo de la máxima viscosidad.
9. Con respecto a los ensayos de viscosidad se
concluye que el rango óptimo de la “goma de
tuna” esta entre 10.9 y 11.2 centi-poises, en
campo esta viscosidad coincide con el fenómeno
siguiente: la pudrición de la mezcla al agitar se
asemeja a la de una masa pegajosa y al presionar
con los dedos se deshace completamente
quedando solo la cáscara y que al coger una
pequeña cantidad de goma de tuna entre los
dedos índice y pulgar, se abren los dedos
totalmente, la columna de goma de tuna formada
entre 5 y 10cm no se rompe, entonces este es el
momento en que se debe utilizar la “goma de
tuna”.
10. El mortero de tierra con “goma de tuna”
sería una alternativa adecuada y económica para
revestimiento de paredes y techos tanto
exteriores como interiores pues se incrementa la
resistencia al desgaste por presencia de agua.
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An cient. UNALM 68(4), 2007 Recibido: 27/102006
ISSN 0255-0407 Aceptado: 03/11/2006
162
Diseño e implementación de módulo de máscara y compuertas
hidromecánicas en el canal Llicuar, valle Sechura - Piura
Richard Moreno P. 1, Teresa Velásquez B.
2
Resumen
La presente tesis muestra una alternativa posible para el diseño e implementación de Módulo de Máscara y
Compuertas Hidromecánicas en el Canal Llicuar que se encuentra en el Valle de Sechura - Piura; que permitan
regular y distribuir los caudales en el canal Llicuar, así como realizar un análisis comparativo de costos de la
propuesta de automatización del canal Llicuar. Este trabajo de tesis se desarrollo en el Valle de Sechura- Piura y
pertenece al ámbito de la Comisión de Regantes Margen Izquierda de la Junta de Usuarios Sechura Piura, en el
distrito de Rinconada, para lo cual se contó con información disponible del proyecto Especial Chira Piura, de la
Administración técnica del distrito de Riego Medio y Bajo Piura en sus 3 primeros km del canal Llicuar. Dicha zona
cuenta con un suelo de características arena franca en casi toda la zona, así como una topografía muy suave del
orden del 0.5 por mil. La zona de influencia del canal Llicuar llega a las 2,100 ha, 1,643.91 ha de extensión Agrícola
neta y distribuidos en 1,500 predios con 915.0 usuarios, dedicados al cultivo de Algodón. El procedimiento como se
llevo a acabo la presente tesis fue realizando un diagnostico general del estado actual del canal Llicuar, luego se
procedió al diseño de Canales Paralelos y los Módulos de Máscara, para luego realizar el trabajo de la elaboración
de los Índices de Evaluación Económica. Los resultados encontrados son la pérdida en la conducción que oscila
entre 75% y 83%. Dentro de las recomendaciones que el trabajo presenta es: (1) Realizar pruebas para verificar la
variación de la eficiencia en la distribución cuando se instala una toma de Módulo de Máscara y un Regulador Pico
de Pato, (2) Capacitar a los usuarios de los valles sobre operación y mantenimiento de estructuras de regulación.
Palabras clave: Compuerta hidromecánica, canales, recursos hídricos, estructuras hidráulicas.
Abstract
The following research shown an alternative for design and implementation of Mask Modulus and Hydromechanics
Gates in Llicual canal which is located in Sechura Valley-Piura, this system allowed us to regulate and distributed
the discharges in the canal and also allowed us to developed a comparative Cost analysis. This work was developed
in Sechura Valley-Piura and belongs to Irrigation Comitee from left hand site of “Sechura Piura Water Users” in
Rinconada District, here was possible to get available information related to the Project from differents Institutions
like: “Chira Piura Project”, “Technical Administator of Medium Irrigation from Bajo Piura” in the first three
Kilometers of Llicual canal. The research Area has a medium sand soil all over the Area of the research and it has a
soft slope of 0.5 per mile. The influence zone of Llicual canal reach 2,100 ha, 1,643.91 ha of this Area is use for
Agriculture purposes, those Area is distributes between 1500 small areas with 915 users of the land, all of them are
dedicated to cotton cultive. The procedure taken on this research was the general diagnostic of the actual situation
of Llicual canal, then the design of the canals, Mask Module, then the Economic indicators. The results founded are
the big losses on the irrigation system with are 75% to 83%. On the recommendations the results are including: (1)
To develop several field Tests to verify the variation of the efficiency when a Mask Module and “ Pico de Pato”
regulator will be implemented, (2) To take into account the Users Capacity concerning to the operation and
maintenance of Regulated structures.
Key words: Floodgate hidromecánica, channels, water resources, hydraulics structures.
1. Introducción
La operación de la red de canales, de una zona de
riego, tiene como objetivo fundamental el conducir y
trasladar el recurso agua desde las fuentes de
abastecimiento hasta los puntos de demanda, esto con
el fin de satisfacer tanto en cantidad como en
oportunidad los requerimientos de riego, asociados
con las necesidades hídricas de los cultivos agrícolas.
De esta manera, la operación tiene que ver con el
movimiento y el comportamiento del agua dentro del
sistema de canales; por esta razón, se puede decir que
la función primordial de la operación consiste en el
manejo y control tanto de los cambios de gasto como
de niveles a través de la red de canales.
De aquí que entre mayores y más complejos sean
los requerimientos que se le imponen a un canal, su
1, 2 Facultad de Ingeniería Agrícola, Universidad Nacional Agraria
La Molina. Lima, Perú. E-mail: [email protected]
operación será cada vez más compleja; por tanto los
modernos sistemas de operación y los propios
sistemas de canales deben ser cada vez más flexibles
y eficientes en lo que respecta a su capacidad y
versatilidad en el manejo del agua. Sin embargo,
paralelamente a todo incremento y diversificación de
las demandas, se tiene un incremento de costos del
manejo del agua, de la energía y de la construcción,
que entre otros factores, limitan la factibilidad técnica
económica para la modernización.
Si bien es factible modernizar la operación de un
canal con estructuras convencionales como el
regulador “Pico de Pato” que son operadas
manualmente; también es importante hacer notar y
tener en mente un canal automatizado (Compuertas
Hidromecánicas y Módulos de Máscara) que cuentan
una serie de ventajas, entre las que destacan las
siguientes:
Richard Moreno P., Teresa Velásquez B.
163
El control de niveles y gastos se realiza de manera
automática.
No se tienen los problemas derivados de los
errores del control manual.
Un diseño apropiado garantiza una buena
eficiencia de operación y una adecuada atención a
las demandas.
Comparativamente con los sistemas tradicionales
cuenta con una mayor flexibilidad y garantía para
satisfacer la demanda.
Entre las opciones de equipamiento se cuenta con
una serie de dispositivos que funcionan por
automatización fluídica y que son de bajo costo;
resulta importante hacer notar que para automatizar
un canal no es necesario, en todos los casos, instalar
equipos sofisticados, o suministrar energía externa
para su operación, y instrumentar un sistema de
mantenimiento que sea muy frecuente y
especializado.
En este sentido, una alternativa para apoyar la
automatización y tecnificación de estructuras de las
redes de canales es el uso de las compuertas
Hidromecánicas y las tomas del tipo Módulos de
Máscara.
Las compuertas Hidromecánicas tienen la
propiedad de mantener el nivel aguas arriba del canal
constante, independientemente de la fluctuación del
caudal, cuando el caudal aumenta, el nivel del agua
tiende a subir y al mismo instante la compuerta se
abre hasta el punto que las fuerzas ejercidas por el
empuje de Arquímedes vuelvan a su equilibrio con el
peso propio de las estructuras, cuando el caudal
disminuye la compuerta se cierra debido al peso
propio de la estructura y por la disminución de la
fuerza de empuje.
Con los Módulos de Máscara es posible regular
caudales constantes, su maniobra es manual y
sencilla; además se presta a un posibles autocontrol
para realizar las respectivas maniobras desde una
central de operación; asimismo no requiere
estructuras de medición de caudales.
Los objetivos del trabajo son:
Diagnostico general del estado actual del canal
Llicuar y planteamiento de soluciones para su
funcionamiento.
Planteamiento de la implementación del uso del
Módulo de Mascara y las compuertas
Hidromecánicas para su regulación y distribución
de los caudales en el canal Llicuar.
Análisis comparativo de costos de la propuesta de
automatización.
2. Revisión de literatura
2.1 Compuertas de regulación automáticas Las compuertas de regulación que funcionan de
una forma automática, pueden operar unas
reaccionando sólo ante el proceso que se desarrolla
en el canal junto a ellas y otras, teniendo en cuenta al
conjunto del proceso de variación de caudales y
niveles en distintos puntos del canal, incluso alejados
de ellas. Es evidente que las segundas pueden
conseguir una mejor explotación del canal, pues
tienen en cuenta el desarrollo del fenómeno del
régimen variable del canal en su conjunto,
solventando en parte el problema de la lentitud de
respuesta del canal. (Liria, 2001)
2.2 Estructuras de control de nivel constante
aguas arriba Las primeras compuertas de nivel constante aguas
arriba se instalaron en Argelia en 1937 en canales que
conducían hasta 10 m3/s. El principal objetivo de las
estructuras de control localizadas a lo largo de los
canales es regular el nivel aguas arriba, aguas debajo
de la estructura o el gasto en la estructura, Las
estructuras de extracción son usadas para regular el
gasto que pasa por ellas. Las estructuras de control de
nivel aguas arriba son aquellas cuyas características
físicas, hidráulicas y mecánicas les permiten regular
el nivel aguas arriba de éstas con el objetivo de que
los usuarios tengan nivel suficiente para las tomas
laterales. (Artículo ANEI, 2000)
2.3 Compuertas de derivación del tipo
hidráulico: módulos de máscara Son estructuras capaces de garantizar un caudal
entregado suficientemente constante e igual al
deseado, aunque los niveles de agua en el cauce
alimentador sufran oscilaciones, dentro de ciertos
límites.
Este aparato queda complementado con una
compuerta de cierre del tipo “todo o nada”, lo que
permite garantizar, cuando esté abierta, un caudal
derivado constante, aunque el nivel de agua del canal
de alimentación varíe entre límites bastante amplios.
Generalmente se asocian en serie, en forma de
batería, varias compuertas de distintas anchuras, con
lo cual, abriendo o cerrando las que convenga, se
“modula” el caudal derivado, por lo que el aparato
adquiere el nombre de “módulo”. También se les
llama “Módulos de Máscara” porque la compuerta de
cierre recuerda, en su movimiento de sube y baja, a la
máscara o celada que usaban los guerreros antiguos.
(Liria, 2001)
2.4 Compuertas automáticas de regulación
por mando hidromecánico Estas estructuras tienen por finalidad mantener un
nivel de agua constante en puntos determinados; Ello
lo consigue con un juego de contrapesos y flotadores
que hacen que la compuerta sólo esté en equilibrio
cuando el nivel de agua sea el deseado. En caso
contrario, la compuerta se desequilibra, abriendo o
cerrando, para buscar la carga de agua de diseño
deseado. (Liria, 2001)
2.5 Compuertas de nivel constante aguas
arriba Estas compuertas son de tipo de sector, que tiene la
ventaja de que ofrecen poca resistencia a su
movimiento de giro, debido a que todas las fuerzas de
empuje hidrostático pasan por el eje. (Liria, 2001)
La compuerta consta de un flotador adosado a la
parte frontal y de dos contrapesos, que se lastran
adecuadamente durante el montaje. Uno de ellos está
situado en la parte trasera de la compuerta y el otro
en la parte superior, encima del eje de giro.
Diseño e implementación de módulo de máscara y compuertas hidromecánicas en el canal Llicuar, valle Sechura - Piura
An cient. 68(4) 2007, pp. 162-174 164
El flotador y los dos contrapesos forman un
sistema de fuerzas que tienden a girar la Compuerta,
cerrándola cuando el nivel aguas arriba es menor de
uno que coincide con el teórico y por el contrario
abren la compuerta cuando el nivel es superior a éste
(Ver Figura 1).
Figura 1. Compuerta hidromecánica izquierda.
3. Materiales y métodos
3.1 Materiales
3.1.1 Información disponible
Para el desarrollo de la presente investigación se
contó con la siguiente información:
Plano Plani-Altimétrico a curvas de nivel de Canal
Llicuar (1.5 km), Fuente: “Proyecto Sub sectorial de
Irrigación” febrero del 2003.
Resultados del estudio geológico-geotécnico
realizado en la progresiva 0+200 del canal existente.
Fuente. Universidad Nacional de Piura.
Caudal de diseño del canal de 3.10 m3/s. Fuente
“Proyecto Especial Chira Piura”.
Número de usuarios del Canal Llicuar. Fuente:
Comisión de Regantes Margen Izquierda.
Estudios de eficiencia de conducción. Fuente:
Administración Técnica del Distrito de Riego Medio
y Bajo Piura en los primeros 3 km del canal Llicuar.
Catalogo de diseño de compuertas tipo ARMCO.
Fuente: ARMCO Gates for Irrigation and Other Low-
Head Applications.
3.2 Métodos
3.2.1 Ubicación
La zona donde se ha desarrollado la presente tesis
está ubicada en el Valle del Bajo Piura y pertenece al
ámbito de la Comisión de Regantes Margen Izquierda
de la Junta de Usuarios Sechura Piura.
La localización política es la siguiente:
Departamento: Piura
Província: Piura
Distrito: Rinconada
Valle: Bajo Piura Cartográficamente está
encuadrado entre las coordenadas UTM:Norte :
9‟399,000 : 9‟397,000
Este: 525,000: 527,000
La zona de la tesis está ubicada a 40 km de la
ciudad de Piura en el distrito de Rinconada de
Llicuar, hasta donde se llega por una vía asfaltada en
buen estado. La zona del trabajo es accesible
mediante caminos rurales afirmados en buenas
Condiciones de transitabilidad.
3.2.2 Generalidades del valle hasta donde
tiene influencia del Canal Llicuar
Descripción de algunas características del valle,
donde el Canal Llicuar tiene Influencia.
- Suelos
El suelo agrícola de la zona de influencia del Canal
Llicuar es de estratificación heterogénea
predominando la fracción arenosa (arena franca) en
casi toda la zona. La predominancia del estrato
arenoso va hasta la profundidad del estrato
impermeable (Zapayal) ubicado a 40 m en promedio.
Por las características granulométricas se puede
clasificar como SM.
El estrato impermeable también sustenta un manto
de agua freática alimentado por las filtraciones
provenientes de los riegos mayormente y cuyo nivel
es muy cercano a la superficie del suelo durante las
campañas agrícolas (1.00 m de profundidad) y
disminuye hasta 2.0/2.50 metros de profundidad
después del las mismas (julio a diciembre).
- Topografía
La pendiente general del valle es muy suave del
orden del 0.5 por mil en la dirección nor-este a sur
oeste en el sentido longitudinal del valle; a lo ancho
mantiene más o menos el mismo nivel topográfico.
- Relieve
El relieve del ámbito de los primeros 1,400 metros
del canal Licuar–tramo contemplado para la presente
tesis es plano en la dirección este-oeste y con suave
pendiente (0.03%) hacia el sur-oeste.
- Área y número de usuarios
El ámbito de influencia del canal Llicuar llega a las
2,100 ha, según el inventario de tierras del Proyecto
Especial Chira Piura. Actualmente la Comisión de
Regantes tiene inventariado a la fecha y en
actualización en el Padrón de Usuarios 1,634.91 ha
como extensión agrícola neta, distribuidos en 1,500
predios con 915.0 usuarios que pertenecen al igual
número de familias. Todas estas áreas están
acondicionadas para el cultivo algodonero.
3.3 Métodos
3.3.1 Diagnostico general del estado actual del
canal llicuar
El canal Llicuar tiene una longitud de 7 kilómetros
con un caudal de operación de 3.10 m3/s, una
pendiente promedio de 0.020%, además una plantilla
promedio de 3.60 m y 4.00 m de espejo de agua; los
niveles de agua de los primeros 1,500 metros del
canal se muestran en la Tabla 1 y se visualiza en la
Figura 3.
El canal Llicuar tiene un área de influencia de
1,634.91 ha distribuidos en 915.0 familias, dichas
parcelas estas diseñadas para el cultivo de algodón y
arroz; el riego de las parcelas de algodón se realiza
por gravedad y el riego del arroz por poza; a
Richard Moreno P., Teresa Velásquez B.
165
continuación se describe el estado actual de las obras
de arte y del canal Llicuar.
- Toma de captación
La toma de captación de agua del canal Llicuar esta
ubicada en la progresiva km 44+742 del Canal de
derivación Biaggio Arbulú que es revestido de
concreto armado, dicha estructura es identificada
como Toma N° 42 I en el Proyecto Especial Chira
Piura.
La toma fue diseñada para un caudal de operación
de 3.10 m3/s, dotación asignada al sub sector Llicuar
dentro del marco de la remodelación del sistema de
riego llevado a cabo por la Dirección Ejecutiva del
Proyecto Especial Chira Piura. Dicha estructura es de
concreto reforzado con una compuerta deslizante de
1.20 m de ancho por 1.20 m de altura, la salida está
protegida por una transición de concreto armado de
5.0 metros de longitud que se encuentran en buenas
condiciones de mantenimiento y operación, tiene una
cota de fondo al final de la transición de 9.516 msnm.
- Canal Llicuar
La salida de la toma se continúa con un canal en
tierra de 7 km de longitud, de características
hidráulicas asimétricas y sin ninguna relación
eficiente para su trabajo de conducción y
distribución, que genera la colmatación constante de
sedimentos y cubrimiento de sus bordos por
vegetación herbácea y arbustiva, dicho problema es
por la existencia de una pendiente del terreno suave,
originando la baja de velocidad del agua las que
normalmente oscilan entre 0.25 m/s y 0.35 m/s para
caudales entre 1.80 y 2.50 m3/s. Las características
del canal se muestran en la Tabla 1.
Tabla 1. Características geométricas e hidráulicas
del canal existente.
Estudios realizados por la Administración Técnica
del Distrito de Riego Medio y Bajo Piura en febrero
del 2003, se encontraron que las pérdidas de agua por
conducción oscilaban entre 17 % y 25 % en los
primeros 3 km de canal, debido a las características
de permeabilidad del suelo, franco - arenoso que
conforma la caja del canal, asimismo por la mala
regulación y distribución del agua, porque no cuentan
con estructuras adecuadas y el personal capacitado
para su maniobra.
Todos los canales de la zona fueron construidos
cuando no había agua regulada para conducir grandes
volúmenes de agua y regar con caudales de agua
importantes por el lapso de las avenidas (tres a cuatro
meses) y lograr cosechas con tres o cuatro riegos, por
lo que la pérdida de agua por infiltración era menor
puesto que el riego se realizaba en un tiempo mucho
más corto.
La carencia de tomas integradoras para la
distribución del agua ha originado que existan 50
tomas directas rústica de tierra a lo largo de los
primeros 1,500 m del canal Llicuar lo que impide la
distribución eficiente; dichas tomas son de
características asimétricas, corte a lampa en el bordo
del canal. Además, las cotas de fondo de dichas
tomas se encuentran sobre el nivel del espejo de agua
del canal principal.
- Obras de arte
- Tomas
A excepción de las tomas ubicadas en el km 0+005
margen izquierda (Toma Rinconada) y la ubicada en
el km 1+345 margen izquierda (Toma El Mango), el
resto de tomas son directas y las hay en cantidades
iguales al número de parcelas, los primeros 1,500
metros de canal el número total de tomas directas son
alrededor de 50 unidades, dichas estructuras son de
características rústicas (Ver Tabla 2).
Tabla 2. Características geométricas de las tomas existentes.
- Reguladores
Existen dos reguladores antiguos que a
continuación se describe sus características:
a) En el km 0+890 construido en material de
ladrillo y concreto teniendo como elemento de cierre
las ataguías de madera, sin embargo dichos elementos
ya no existen; actualmente para lograr elevar el nivel
del agua los usuarios hacen uso de sacos de arena
para realizar el cierre de regulador.
b) En el km 1+385 construido en material de
ladrillo (check Flores) y concreto con dos ventanas
para las compuertas deslizantes 1.20 m x 1.20 m.
Actualmente solo queda una de las dos ventanas en
buen estado porque la compuerta ubicada en la
margen derecha se encuentra desnivelada, las dos
compuertas están con presencia de óxidos por el poco
mantenimiento.
3.3.2 Planteamiento de soluciones para el
canal llicuar Todo esto nos lleva a plantear alternativas para
mejorar la eficiencia de conducción, distribución y
regulación.
Con la finalidad de incrementar la eficiencia de
conducción, se proyecta el revestimiento de los
primeros 1,500 metros de canal con concreto f‟c=175
Diseño e implementación de módulo de máscara y compuertas hidromecánicas en el canal Llicuar, valle Sechura - Piura
An cient. 68(4) 2007, pp. 162-174 166
kg/cm2, e=0.075 m; porque el canal existente no
posee ninguna características hidráulicas que brinde
eficiencia de conducción.
Además, se proyecta el trazo de 4 canales
integradores paralelos al canal Llicuar teniendo como
punto de captación a las tomas laterales proyectadas
T-2, T-3, T-4 y T-5, dichos canales tienen por
finalidad unir todas las tomas directas existentes para
así mejorar la eficiencia de conducción y distribución
con la eliminación de las tomas directas. Asimismo
se proyecta la comparación de dos alternativas para
incrementar la eficiencia de la regulación y
distribución en el canal Llicuar que a continuación se
describe.
Alternativa I
La instalación de un regulador hidromecánico
ubicado en la progresiva km 0+400, además, de seis
tomas tipo Módulo Máscara (como se muestra en la
Tabla 3), con dichas estructuras se puede controlar en
forma eficiente los primeros 1,500 metros del canal
Llicuar; dichas tomas se encuentran ubicadas en las
siguientes progresivas.
Tabla 3. Ubicación de las tomas proyectadas.
Toma
Nº
Ubicación
km
Caudal
m3/s
T-1 0+027.21 I 0.200
T-2 0+250.00 D 0.200
T-3 0+266.00 I 0.200
T-4 0+635.00 D 0.200
T-5 1+247.00 D 0.200
T-6 1+349.00 I 0.200
Alternativa II
Construcción de dos reguladores “Pico de Pato”,
instalados en las progresivas km 0+400 y Km. 1+300,
además, de seis tomas Clásicas, dichas tomas se
encuentran ubicadas en las mismas progresivas de la
Alternativa I.
En este sentido, una alternativa para apoyar la
automatización y tecnificación de las estructuras de
regulación se plantea el uso del regulador
hidromecánico, dicha estructura será ubicado en la
progresiva 0+400, el regulador Hidromecánico
cuentan con una serie de ventajas con respecto a otras
estructuras existentes; con la implementación de estos
reguladores se alcanzará: alta eficiencia de operación
lograda con la carga hidráulica de la corriente, baja
pérdida de carga, requerimiento mínimo de personal
para su manejo y operación; además la limpieza de
sedimentos es en forma automática.
Las compuertas hidromecánicas tienen las
propiedades de mantener el nivel aguas arriba del
canal constante independientemente de la fluctuación
del caudal; cuyo principio es el equilibrio de los
momentos producto del empuje de Arquímedes y del
peso propio de la estructura.
Asimismo par mejorar la distribución de las tomas
se proyecta el uso de los Módulos de Máscara,
porque las tomas existentes no cuentan con las
estructuras adecuadas; con el uso de los Módulos de
Máscara es posible derivar caudales constantes, su
maniobra es manual y sencilla; además, se presta a un
posible autocontrol para realizar las respectivas
maniobras desde una central de operación; por último
dichos Módulos no requiere estructuras de medición
de caudales, porque el caudal es ajustable en función
de las compuertas abiertas que están directamente
relacionado a la sección de cada ventana del módulo
a la cual fueron diseñados.
El uso del regulador hidromecánico con una toma
Módulo de Máscara son estructuras que se
complementan porque el primero mantiene constante
el nivel del agua y los Módulos captan el caudal a
una carga constante sobre sus ventanas de captación.
3.3.3 Diseño hidráulico del canal Llicuar
Características geométricas e hidráulicas El diseño de las características hidráulicas y
geométricas (ver Figura 2 y Tablas 4 y 5) se llevó
acabo teniendo como base la forma de Manning, para
lograr el cálculo del tirante en el tramo donde se
ubicará el regulador se realizó iteraciones cambiando
el valor de la plantilla del canal, hasta obtener un
tirante normal calculado igual al tirante normal aguas
arriba y abajo del regulador, dicho cálculo es con la
finalidad de no variar las características hidráulicas
del canal.
Figura 2. Sección típica proyectado.
Tabla 4. Características geométricas e hidráulicas.
Richard Moreno P., Teresa Velásquez B.
167
Tabla 5. Características geométricas e hidráulicas tramo 0+400 – 0+420.
Datos del canal Llicuar existente
Figura 3. Sección típico del canal existente.
Tabla 6. Datos del canal existente.
(*) carga de agua adicional necesario para poder regar todo las
parcelas sin problema alguno.
El nivel crítico esta situado a 300 m de la
progresiva 1 + 400 porque dichos terrenos se riegan
con grandes dificultades represando el agua del canal
hasta la cota 9.780 msnm.
3.3.4 Implementación del regulador
hidromecánico Para la implementación del regulador
hidromecánico es necesario determinar las cargas de
agua necesarias para lograr regar las parcelas sin
problema alguno, asimismo determinar la ubicación
del regulador en el canal.
Cálculo de nivel de agua
Para realizar el riego sin problemas se requiere el
siguiente nivel del espejo de agua:
Cota del terreno 9.52
Carga de agua en el terreno (mín.) 0.30 [6]
9.82
Pérdida de carga por recorrido
en las parcelas: 300x0.0005 0.15
Nivel normal de agua necesario 9.97
msnm
Con el balance del espejo de agua se obtiene el
nivel mínimo de 9.970 msnm dicho
valor se encuentra en el km 1+400, se fija la
gradiente hacia el km 0+000 en 0.0002.
Ver Tabla 7.
Requerimiento de agua necesario = cota terreno +
0.30 + 300x0.0005
Requerimiento de agua necesario = cota terreno +
0.45
Tabla 7. Determinación de la carga de agua
necesaria.
6 Carga hidráulica mínima para lograr el riego en las parcelas de
cultivo. Debido a la calidad del suelo y la restricción de turnos de
dotación de agua; experiencia tomado de los usuarios
Tabla 8. Puntos críticos por falta de carga de
agua.
Diseño e implementación de módulo de máscara y compuertas hidromecánicas en el canal Llicuar, valle Sechura - Piura
An cient. 68(4) 2007, pp. 162-174 168
En la Tabla 8 se puede observar que mayor carga
requerida esta en la progresiva 0+400, en
consecuencia el regulador se debe ubicar el regulador
en la progresiva km 0+400.
A continuación se procede al cálculo de la cota del
nivel de agua con regulador desde la progresiva
0+400 hacia aguas arriba del canal.
Cota del nivel de agua sin regulador: 10.17 (+)
Carga de agua adicional (km 0+400): 0.30
Cota del nivel de agua con regulador: 10.47
msnm.
Para la determinación de los nuevos tirantes
producto del remanso aguas arriba; dicho cálculo se
puede realizar, haciendo uso de los perfiles de flujo
gradualmente variado, de cualquiera de los métodos
de cálculos existentes para la determinación del
remanso, para el caso de la presente investigación se
trabajó con el método directo por tramos, como se
muestra en la Figura 4 y Tabla 9.
Figura 4. Perfil de remanso.
Tabla 9. Carga de agua producto del remanso.
3.3.5 Descripción general del regulador
hidromecánico El funcionamiento de estas compuertas se basa en
el equilibrio, respecto a un eje de giro, de los
momentos generados por el empuje de Arquímedes
sobre un flotador y los derivados de las fuerzas de
peso actuantes en un conjunto de contrapesos. El
nivel que controlan coincide con la elevación del eje
de giro. A continuación se describe los elementos que
conforman el regulador.
- Placa frontal (hoja)
Dicho elemento es el que efectúa el bloqueo del
fluido, tiene forma curva, de sección circular, de arco
pequeño, el diseñar la forma curva de la compuerta es
para inducir la acción de una fuerza de flotación que
ayude a la compuerta a abrir en el momento en que
haya un incremento en el volumen de agua
almacenada en el canal, lo cual producirá un
incremento en el nivel, además la placa tiene la forma
trapezoidal porque así se disminuye el empuje
horizontal del fluido.
- Tirantes horizontales
Estos elementos estructurales son los encargados
de brindar rigidez a la placa, dichos perfiles se
encuentran ubicados horizontalmente sobre la placa
frontal. El diseño estructural se desarrolla como una
vigas simplemente apoyadas en las vigas verticales
- Vigas verticales
Estos elementos estructurales son los encargados
de unir a los tirantes horizontales y transmitir las
fuerzas hacia los brazos de la compuerta. Como
existen dos vigas verticales, cada viga soporta la
mitad de la carga sobre la compuerta.
- Brazos del regulador
Es un elemento que garantiza la suficiente rigidez,
la cual está unida a la placa frontal a los tirantes
horizontales de la compuerta con su flotador y a los
contrapesos. Dicho elemento debe tener suficiente
resistencia y estabilidad para evitar que se deforme
por efecto del peso propio, así como de la compresión
debido a las fuerzas hidrostáticas. Para realizar el
diseño estructural de dicho elemento se debe cumplir
dos condiciones:
a) Condición I
El esfuerzo máximo del acero deber ser superior a
la fuerza hidrostática sobre el área de la sección del
perfil.
b) Condición II
Por esbeltez de columna, para evitar el pandeo de
los brazos se debe cumplir lo siguiente:
L/r = 120 (max) (Tabla).
r = Radio de giro de la sección.
L= Longitud de pandeo de la pieza en el plano
considerado.
- Contrapeso posterior y central
La compuerta lleva dos tipos de contrapeso, uno
que equilibra el peso de la compuerta, que se
determina de acuerdo con la longitud de la estructura
de apoyo. El otro contrapeso es un elemento que se
utiliza solo como un elemento auxiliar que acentúa el
peso de la compuerta al momento del cierre, este
elemento también influye en la determinación del
tamaño del flotador (Ver Figura 5).
An cient. UNALM 68(4), 2007 Recibido: 27/102006
ISSN 0255-0407 Aceptado: 03/11/2006
169
Figura 5. Regulador hidromecánico.
3.3.6 Diseño del regulador pico de pato Consiste en unos vertederos de labio fijo y gran
longitud que se intercalan en el canal; como el caudal
vertido corresponde a la formula:
3/2CxLxHQ
donde:
Q = Caudal m3/s.
C = Coeficiente de descarga, C = 1.90
L = Longitud de labio.
H = Altura de la carga de agua sobre la cresta del
vertedero.
- Cálculo de la carga de agua “H”
Se llevará acabo asumiendo diferentes cargas de
agua para obtener como resultado una longitud de
labio adecuado. Para obtener una longitud “L” de
vertedero suficientemente grande se coloca éste
oblicuamente al canal y para acortar la zona afectada
del canal, se da una forma simétrica, con lo que
recuerda algo a un pico de pato, a lo cual debe su
nombre.
No hay que olvidar que el agua que se aproxima
por el canal lo hace o con una velocidad paralela a su
eje y por lo tanto oblicua al labio del vertedero; para
reducir la influencia de la velocidad de aproximación,
lo mejor es disminuirla aumentado la sección, por
ello el canal suele ensancharse al llegar al pico de
pato, hasta reducir su velocidad a 0.50 m/s como
máximo.
3.3.7 Diseño de los canales paralelos
Se proyecta el trazo de cuatro canales paralelos
ubicados en las toma T-02, T-03, T-04, T-05; dichos
canales paralelos se diseñarán para un caudal de
operación de 200 l/s, en consecuencia las tomas
laterales también son diseñadas para dicha capacidad,
como se muestra en la Figura 6 y Tabla 10.
Figura 6. Sección típica proyectado.
Tabla 10. Características geométricas e hidráulicas.
3.3.8 Diseño de los módulos de máscara
En la Figura 7 se muestra el diseño de las tomas
tipo Módulo de Máscara, el cual se realizará como
orificio sumergido pero con un salto libre, para un
caudal de derivación de 0.200 m3/s.
Diseño e implementación de módulo de máscara y compuertas hidromecánicas en el canal Llicuar, valle Sechura - Piura
An cient. 68(4) 2007, pp. 162-174 170
Figura 7. Toma con desnivel “salto libre”.
a = Orificio de la compuerta
.Ah = Pérdida de energía
AH = Desnivel.
b = Plantilla del canal
Y1 = conjugado menor.
Y2 = conjugado mayor.
Para determinar el valor del conjugado menor Y1,
se utiliza formula de cantidad de movimiento en el
tramo 1-2
21 MM
21
22
1 /2/1 VVxgqYYx n
Diseño de las ventanas de captación del módulo de
máscara
Para determinar el ancho de cada módulo se
aplicará la formula de orificio. Ver figura Nº 07.
donde:
Qt = Q1 + Q2 + Q3
bt = ib
tQCd x a x bt x xgxH2 „
Figura 8. Ventanas de captación.
3.3.9 Análisis comparativo de costos de la
propuesta de automatización del canal
Llicuar En la Tabla 11 se puede observar los costos
directos de cada una de las estructuras planteadas
como alternativas para la automatización del canal
Llicuar, así mismo el costo directo de cada
alternativa.
Tabla 11. Cuadro comparativo de costo por alternativa.
Se puede observar en el cuadro comparativo de
costos que la Alternativa I automatización con
estructuras Hidromecánicas es la más viable puesto
que el costo total es menor en S/. 42,313.66 dicha
diferencia es producto de la instalación de dos
regulador Pico de Pato para lograr controlar los
primeros 1,500 metros de canal.
Sin embrago, cuando se realiza la comparación de
costos sólo para una estructura de regulación tanto
Hidromecánico como el Pico de Pato, el regulador
Hidromecánico tiene un costo mayor en S/. 3,992.62.
Tabla 12. Análisis económico de cada una de las alternativas (I y II).
Richard Moreno P., Teresa Velásquez B.
171
4. Resultados
4.1 Canal Llicuar Luego de realizar el diagnostico general del canal
Llicuar se logra determinar que la eficiencia de
conducción y distribución son muy bajas esto se debe
fundamentalmente a la falta de estructuras hidráulicas
adecuadas.
Existen dos tomas principales, ubicada en las
progresivas 0+005 y 1+345 que se encuentran en mal
estado de conservación, sin embargo el canal Llicuar,
además cuenta con otras tomas parcelarias que captan
en forma directa, dichas tomas disminuyen la
eficiencia de la distribución y conducción; para
contrarrestar el problema se proyecta el trazo de
canales paralelos al canal principal, con la finalidad
de integrar aquellas tomas que captan el forma directa
del canal Llicuar, asimismo para mejorar la
distribución se proyecta el uso de las compuertas tipo
Módulo de Máscara, porque dichas estructuras tienen
la propiedad de derivar una diversidad de caudales de
acuerdo con sus ventanas de captación, que ya están
definidas para diferentes caudales, dichas caudales a
derivar se encuentran directamente relacionado con el
área de cada de la ventana.
Además, existen dos reguladores tipo check
ubicados en las progresivas km 0+820 y km 1+383
que se encuentran en mal estado, dichos reguladores
serán reubicados para incrementar la eficiencia de la
regulación, además se plantea el uso de las
compuertas Hidromecánicas que tienen la propiedad
de mantener constante en forma automática una carga
agua, independientemente de la variación del caudal
y no se requiere mano de obra para su maniobra.
El canal Llicuar tiene una pérdida en la conducción
que oscilan entre 75% y 83%, dicha eficiencia es
producto del mal estado de conservación y las
características del suelo en donde se encuentra el
trazo del canal existente.
4.2 Regulador “hidromecánico” Con la Alternativa I se proyecta la instalación de
un regulador Hidromecánico ubicado en la progresiva
0+400, porque con dicha estructura se puede
controlar los primeros 1,500 metros de canal.
El tramo donde se encuentra ubicado el regulador
tiene una sección trapezoidal, porque dicha estructura
requiere una sección con un talud (Z) de 1: 0.50, en
consecuencia se requiere una transición de ingreso y
salida del mismo.
Las características hidráulicas del tramo donde se
encuentra ubicado el regulador hidromecánico son las
siguientes:
Tabla 13
El regulador fue diseñado para soportar una carga
de agua de 1.62m, dicha carga de agua es necesaria
para controlar las dos tomas ubicados en la
progresiva 0+250 y 0+266, aguas arriba del mismo.
El regulador consta de una placa frontal de acero
con un espesor de e = ¼” de una forma circular con
un radio 2.025 m dicha placa estará en contacto
directo con el agua, además cuenta con perfiles
estructurales tipo canal cuyas dimensiones son C: 8”
x 11.5 lb/pie que tienen por función darle rigidez a la
placa frontal, asimismo dos perfiles estructurales del
tipo W : 8 x 31 lb/pie donde se apoyarán los dos
brazos de unión de la placa frontal con el eje de giro,
dichos brazos son de tubo hueco de 60 mm de
diámetro y 4 mm de espesor. También cuenta con dos
brazos posteriores de 60 mm de diámetro y e=4 mm
que tiene por función unir el contrapeso posterior con
el eje de giro, dicho contrapeso esta formado de un
paralelepípedo, cuyas dimensiones son 0.37 x 0.37 x
3.20 m, de concreto armado f‟c = 210 kg/cm2, por
último sobre la placa frontal se encuentra ubicada un
flotador que tiene por función incrementar el empuje
vertical sobre la placa frontal del regulador, toda la
estructura de acero será unida mediante soldadura del
tipo E7013. Asimismo se colocará dos chumaceras
del tipo SKF C2212KV.
El costo directo total del regulador
“Hidromecánico”, para un caudal de 3.10 m3/s con
las características hidráulicas indicadas líneas arriba,
es de S/. 41,958.50.
Diseño e implementación de módulo de máscara y compuertas hidromecánicas en el canal Llicuar, valle Sechura - Piura
An cient. 68(4) 2007, pp. 162-174 172
4.3 Regulador “pico de pato” Con la Alternativa II se proyecta la construcción de
dos reguladores Pico de Pato ubicado en las
progresivas 0+400 y 1+350, porque con dichas
estructuras se puede controlar los primeros 1,500
metros de canal.
Los reguladores tienen una longitud de labio de
9.90 m con una altura de vertedero de 1.62 m, siendo
dicho valor el apropiado para controlar todas las
tomas existentes.
Este tipo de regulador requiere un desnivel en la
rasante del canal de por lo menos igual a la carga de
agua del vertedero, para la presente investigación es
de 0.30 m, esto con la finalidad que el vertedero no
trabaje sumergido puesto que de lo contrario se
producirá un remanso aguas arriba. Dicho desnivel
producto de la instalación del regulador trae consigo
una pérdida de carga de agua muy considerable para
el caso de los valles de la costa en donde las
pendientes son muy bajas, en consecuencia su uso no
recomendable en dichos valles, además se requiere
elevar el borde libre del canal aguas arriba si se
presentase un caudal mayor que la de diseño, con
dicho incremente de caudal la carga de agua se
incrementa trayendo consigo el desborde del canal,
en como se puede observar este tipo de estructura no
tiene la capacidad de absorber la variaciones de
caudal que se puedan presentar en el canal, en
consecuencia no es una estructura adecuada para
aquellas zonas en donde la variación de caudales es
muy frecuente.
El Costo directo total de los dos reguladores “Pico
de Pato”, para un caudal de 3.10 m3/s con las
características hidráulicas indicadas líneas arriba, es
de S/. 75,931.76.
4.4 Tomas tipo módulo de máscara Con la Alternativa I se proyecta la instalación de 6
tomas Módulo de Máscara, dichas tomas fueron
diseñadas bajo el principio de un orificio sumergido
pero con un salto libre, para un caudal de derivación
es 0.20 m3/s dicha caudal es la capacidad de la todas
las tomas, se obtiene como resultado un conjugado
menor de Y1=0.146 m, y un conjugado mayor de Y2
= 0.457 m, asimismo una longitud del salto
hidráulico es de Ls = 1.87 m; como se sabe el diseño
del Módulo se debe realizar con un salto libre por lo
tanto el nivel aguas abajo del mismo debe ser menor
al nivel del conjugado mayor, se sabe que el tirante
normal aguas debajo es 0.509 m por lo tanto se
requiere realizar un desnivel hasta que el nivel del
agua en el conjugado mayor sea igual al nivel normal
aguas abajo.
La ventana de captación cuenta con 3 planchas
partidoras de e = ¼” que tienen por función la de
dirigir el agua hasta las ventanas de captación en
forma proporcional, además, de 3 planchas fijas
(”máscara”) que se encuentran soldados a las
planchas partidoras a una altura sobre la rasante de la
toma previamente determinada de acuerdo al caudal a
la que se va derivar por cada uno de las ventanas, por
último cuenta con unas compuertas planas según el
tamaño permite abrir o cerrar el Módulo
(funcionando todo o nada). Siendo el caudal
suministrado proporcional a la anchura de cada
ventana de captación, se disponen varios elementos
juntos en paralelos lo que permite elegir el caudal
abriendo o cerrando las compuertas correspondientes.
Una toma tipo Módulo de Máscara para derivar
0.200 m3/s tiene un costo directo total de S/.8,546.78.
4.5 Diseño de tomas clásicas Con la Alternativa II se proyecta la instalación de 6
tomas Clásicas, dichas tomas fueron diseñadas como
orificio sumergido, estas tomas no son de medición
de caudal, cuenta con las siguientes características:
un ducto cuadrado de 0.40 x 0.40 m seguido de una
transición de salida de 2.00m que empalma con el
canal segundario (canal paralelo), asimismo cuenta
con dos sardineles dichas estructuras en su integridad
será de concreto armado f‟c = 210 kg/cm2 con un
espesor de 0.15 m, asimismo cuenta con un solado de
concreto f‟c = 100 kg/cm2 e=0.05 m, por último
cuenta con un tubo de ventilación de PVCØ2”
Se colocará una compuerta tipo ARAMCO de 0.60
x 0.60 m Modelo 5.00 con sistema de izaje HB
Una toma tipo Clásica para derivar 0.200 m3/s se
obtiene un costo directo total de S/.7,155.88.
5. Conclusiones
Luego de realizar la evaluación de la
infraestructura de riego existente se puede observar
que el canal Llicuar presenta una eficiencia de
conducción que varia del 17% al 25% en los primeros
3 kilómetros dichos valores se encuentran por debajo
de los admisibles, también es producto de la mala
ubicación del trazo del canal existente porque se
encuentra sobre suelo franco arenoso.
Asimismo todo el tramo del canal se encuentra en
mal estado de mantenimiento porque se encuentra
con presencia de arbustos, hierbas sobre el canal que
producen una disminución de la eficiencia de
conducción.
Para evitar pérdidas por precolación, erosión y
socavaciones a lo largo del canal se ha previsto
efectuar el revestimiento de los primeros 1,500
metros del canal Llicuar con concreto f‟c = 175
kg/cm2, con una espesor de e = 0.075 m de sección
trapezoidal.
En lo referente a las obras de arte existente, el
canal cuenta con una regulador del tipo Check en la
progresiva 1+385, dicho regulador se encuentra en
mal estado de conservación y mantenimiento,
asimismo producto del mal diseño de la estructura,
todo ello hace que la eficiencia de regulación sea
baja; con la finalidad de incrementar dicha eficiencia
se plantea el uso de reguladores Hidromecánicas
como una de las mejores alternativas.
Luego de realizar la comparación de la eficiencia de
la regulación de un “Pico de Pato” y el regulador
“Hidromecánico” se puede decir lo siguiente:
El regulador Hidromecánico tiene una mejor
eficiencia, porque dicha estructura tiene la propiedad
de ser sensible a los cambios de caudal que se pueda
producir en el canal, además por ser una estructura a
la que se puede instalar en canales existentes, dicho
regulador no requiere llevar a cabo una modificación
Richard Moreno P., Teresa Velásquez B.
173
de la rasante del canal existente; sin embargo con la
instalación de un regulador “Pico de Pato” si se
requiere cambiar la rasante aguas abajo del canal,
porque dicho regulador requiere un desnivel para
funcionar eficientemente de por lo menos la altura de
la carga de agua sobre el vertedero, además no tiene
la capacidad de controlar los niveles del agua ante
una variación de caudales que se pueda presentar por
ser una estructura rígida, asimismo se requiere
realizar un encimado del canal existente aguas arriba
del regulador porque con la instalación de un Pico de
Pato se producirá un remanso innecesario ante una
variación del caudal.
El regulador Pico de Pato requiere mano de obra
para su limpieza y mantenimiento, porque con
disminución de la velocidad del flujo aguas arriba de
la estructura se produce la acumulación de
sedimentos, para contrarrestar dicho problema se
requiere colocar una compuerta de limpia que
constantemente se deberá abrir cuando sea necesario
su limpieza, sin embargo con un regulador
Hidromecánico no se requiere mano de obra para
realizar la limpieza del canal, porque el flujo pasa por
debajo de la estructura con una mayor velocidad sin
dejar la acumulación de sedimentos al fondo del
canal, sólo se requiere mano de obra para realizar el
mantenimiento de la estructura (aplicación de grasa
de las chumaceras, limpieza y pintado de la
estructura, etc), dicha labor no se realizará en forma
muy frecuente. El problema fundamental del
regulador Hidromecánico esta en la chumacera,
porque es un elemento que siempre estará en
constante movimiento por lo tanto requiere un
mantenimiento y una aplicación de grasa en forma
periódico porque de lo contrario se puede producir
una falla por fricción de los elementos de la
chumacera, además ante un cambio brusco de caudal
produce oleaje en un tiempo muy pequeño aguas
arriba hasta el momento que la estructura regrese a su
equilibrio.
Con la instalación de un regulador Pico de Pato en
un tramo del canal con las mismas características
geométricas y hidráulicas para controlar un nivel de
agua será necesario colocar 2 reguladores
distanciados adecuadamente, la instalación de dichos
regulador es producto del desnivel de la rasante del
canal que se hace necesario para su funcionamiento
normal, trayendo consigo una pérdida de carga de
agua muy considerable; no obstante si se plantea el
uso del regulador Hidromecánico sólo es necesario la
instalación de una estructura para controlar todo el
tramo del canal, porque no requiere ningún desnivel
en la rasante del canal, en consecuencia es más
económico, asimismo requiere menos personal para
su mantenimiento.
Al instalar el regulador Hidromecánico con una
Toma Módulo de Máscara simultáneamente, dichas
estructuras se complementan mejorando su eficiencia
tanto de distribución y regulación, porque el primero
mantiene constante el nivel del agua y los módulos
captan una carga constante de agua sobre los orificios
de las ventanas.
Con la instalación de regulador Pico de Pato y una
toma del tipo Módulo de Máscara, se pude decir que
no se complementa, porque dicho regulador no tiene
la propiedad de mantener constante el nivel del agua
ante una variación de caudal, esto trae consigo una
variación de la carga de agua sobre las ventanas de
las tomas Módulo de Máscara que además ante
dichos cambios sobre sus ventanas la toma no deriva
el caudal de diseño, con dicha variación la eficiencia
de distribución y regulación no es la adecuada. Sin
embargo con la instalación de un regulador
Hidromecánico y una toma Clásica si funcionaria se
complementan porque el regulador mantiene
constante una carga de agua sobre la toma, con esta
alternativa sólo se mejora la eficiencia de la
regulación mas no la de distribución porque las tomas
Clásicas no necesariamente derivan un caudal
constante.
La Alternativa I “Automatización con estructuras
Hidromecánicas” es la más viable puesto que el costo
directo total es menor en S/. 42,318.66 con respecto a
la Alternativa II, dicha diferencia radica
fundamentalmente en la instalación de dos
reguladores Pico de Pato para poder lograr controlar
los primeros 1,500 metros de canal, sin embargo con
la instalación de un regulador Hidromecánico se
puede lograr dicho objetivo.
Luego de realizar el análisis económico de cada una
de las alternativas para un periodo de 11 años se
obtiene resultados:
Con dichos resultados se puede decir, la
ALTERNATIVA I tiene una tasa interna y un valor
actual netos mayor que la ALTERNATIVA II.
Al realizar una elección de una estructura con
respecto a otra no siempre se debe tener en cuenta el
costo directo si no también que tan eficiente son cada
una de dichas estructuras, además en grado de
dificultad que tiene para su maniobra por parte de los
usuarios.
7. Referencias bibliográficas
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An cient. 68(4) 2007, pp. 162-174 174
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ISSN 0255-0407 Aceptado: 14/11/2006
Efecto ambiental y social por la variación de los niveles del lago Junín en las
comunidades campesinas aledañas y su efecto en el costo de la energía
eléctrica en el Perú
Teresa Velásquez Bejarano. 1
Resumen
La contaminación y alteración del ecosistema del lago Junín, ubicada en los ámbitos de los departamentos de Junín
y Pasco, se debe a una serie de factores que vienen incorporando en el ecosistema del Lago agentes contaminantes,
como son los aportes del Río San Juan con sedimentos minerales, los cuales provienen de las actividades mineras
ubicadas en la parte alta, media de la cuenca del Río San Juan. Aunado a estos factores mencionados anteriormente,
se suma la operación de la represa de Upamayo. La operación actual de estas actividades han superado los niveles
máximos ordinarios, esta situación a traído como consecuencia la sobre inundación de pastos de las riberas
ocasionando restricciones del uso de los mismos, remoción y posterior sedimentación de las partículas provenientes
de los relaves mineros, inundación de manantiales y pueblos principales. La investigación realizada, consistirá en
obtener conocimiento de las restricciones existentes para la operación del Lago Junín (Figura 1), frente a la
consideración de aspectos Hidráulicos, Medio Ambientales, Sociales y Legales en los alrededores del Lago. Las
afectaciones a las poblaciones aledañas involucradas en el Sistema de operación del lago Junín y al Sistema
Eléctrico Interconectado Nacional (SINAC), son aspectos analizados con la determinación de la variación de los
Volúmenes almacenados en el lago y la variación de los Costos marginales de energía. Estas variables determinarán
las restricciones en la operación del Lago. Todo este análisis toma en cuenta la trayectoria de desembalse normada
en la RM 0149-98-AG.
Palabras clave: Ecosistema del Lago Junín o Chinchaycocha, embalse -desembalse del lago Junín, Presa
Upamayo, Sistema Eléctrico Nacional (SINAC), modelo PERSEO.
Abstract
The contamination and alterations happening on the ecosystem of Junin lake, which is located on the ambits of the
departments of Junin and Pasco, is due to a series of factors that have been incorporating in the ecosystem of the
lake. This factors include contaminant agents such as mineral sediments which come from the San Juan river, from
the mining activities occurring on the top and middle parts o this river’s basin. Nowadays, the operations on the lake
has come to overload its ordinary levels. This situation has caused the inundation of the edges of the lake, zones
used as pastures. The consequences include the restriction on the use of this pastures, remotion and sedimentation of
the particles coming from the miners deposits, inundation of flowings and main towns. The investigation consisted
in the gathering of knowledge and information about the restrictions for the operation of lake Junin. Different
aspects were considerate, including hydraulic, environmental, social and legal aspects on he surroundings of the
lake. The way in which the populations involved on the system of operation of lake Junin and the Sistema Electrico
Nacional - SINAC have been affected , are been analyzed with the determination of the variations on the storage
volumens on the lake. These variables will set the restrictions in the operation of the lake, making pertinent the
trajectory of storages according to RM 0149-98-AG.
Key words: Ecosystem of the Lake Junín or Chinchaycocha, reservoir -desembalse of the lake Junín, Upamayo dam,
National Electric System (SINAC), PERSEO model.
1. Introducción
El desarrollo de la presente investigación: “Efecto
Ambiental y Social por la Variación de los Niveles
del Lago Junín en las Comunidades aledañas y su
Efecto en el Sistema Eléctrico Nacional” (Diario el
Peruano, 1998), consistirá en obtener conocimiento
de las restricciones existentes para la operación del
Lago Junín (Figura 1), frente a la consideración de
aspectos Hidráulicos, Medio Ambientales, Sociales y
Legales en los alrededores y aguas abajo del Lago.
Las afectaciones a las poblaciones aledañas
involucradas en el Sistema de operación del lago
Junín, y al Sistema Eléctrico Interconectado Nacional
(SINAC), son aspectos analizados con la
determinación de la variación de los Volúmenes
almacenados en el lago y la variación de los Costos
marginales de energía.
1 Facultad de Ingeniería Agrícola, Universidad Nacional Agraria La Molina. Lima, Perú. E-mail: [email protected]
Estas variables determinarán las restricciones en la
operación del Lago. Todo este análisis toma en
cuenta la trayectoria de desembalse normada en la
RM 0149-98-AG.
Antecedentes
El Lago Junín y los terrenos circundantes
constituyen un complejo ecosistema de gran
diversidad biológica; en reconocimiento de su
importancia el 7 de agosto de 1974 el Gobierno
peruano mediante Decreto Supremo N° 0750-74-AG
establece la Reserva Nacional de Junín con un área
total de 53,000 hectáreas (INRENA).
En Julio del año 1996, las Empresas
ELECTROPERU S.A. y CENTROMIN PERU S.A.
desarrollan en forma conjunta el Estudio “Operación
del lago Junín y los Sistemas Hidroeléctricos de la
Cuenca del Río Mantaro” (ELECTROPERU, 1996)
y el 22 de Enero de 1998, suscriben un Convenio las
Empresas ELECTROPERU S.A. y CENTROMIN
Efecto ambiental y social por la variación de los niveles del lago Junín en las comunidades campesinas aledañas y su
efecto en el costo de la energía eléctrica en el Perú
176
PERU S.A., mediante el cual ambas partes acuerdan
la adopción de las medidas contenidas en el Estudio
denominado “ Operación del Lago Junín y los
Sistemas Hidrológicos de la Cuenca del Río
Mantaro” cuyas reglas de operación técnica forman
parte del Anexo No 1 del referido Convenio.
El 27 de Marzo de 1998 con RM 0149-98-AG, el
Ministerio de Agricultura resuelve, entre otros,
precisar que las licencias de uso de Agua de las
Empresas ELECTROPERU S.A. y CENTROMIN
PERU S.A. conforme el convenio celebrado permiten
el uso racional compartido del recurso hídrico del
Lago Junín (Diario el Peruano, 1998).
Entre Octubre de 1999 y Junio del 2000 comienza
la elaboración participativa del Plan y Agenda
Ambiental Regional. Debido a la preocupación
existente por el grado de contaminación del Lago
Junín o Chinchaycocha, este es incluido en la Agenda
Ambiental Regional.
El 16 de Diciembre del 2002 mediante Resolución
Suprema No 551-2002-PCM (Diario el Peruano,
2002) se declaró en emergencia la Reserva Nacional
de Junín.
El Plan de Emergencia Ambiental de la reserva
nacional lago Junín, Ley 27642, presenta la
estructura del Sistema de Gestión Multisectorial
Chinchaycocha para la gestión integral y concertada
de la Cuenca Chinchaycocha. El Comité de
Operación Económica del SINAC, propone el
procedimiento Técnico del mismo, el cual fuera
aprobado el 18 de Octubre de 1998 y modificado
según Resolución Suprema No 232-2002 EM/VME
del 29 de Mayo del 2001. Dentro de estos
procedimientos se encuentra el Procedimiento 8, que
determina el Valor del Agua Embalsada y mediante
la cual se decide la conveniencia de descargar el
Lago Junín (OSINERG, 2003).
Según instrucciones de OSINERG indicadas en sus
comunicaciones oficio No 2787-2002-OSINERG del
18 de Noviembre del 2002, dirigido a
ELECTROANDES S.A. y oficio No 2789-2002-
OSINERG-GFE del 18 de Noviembre del 2002
dirigido a ELECTROPERU S.A. se elaboran los
Términos de Referencia del “ Plan Manejo Ambiental
de las operaciones del Embalse y Desembalse del
Lago Chinchaycocha (Lago Junín) ” (MINISTERIO
DE ENERGIA Y MINAS, 2003) , principal
Reservorio del Subsistema Hídrico Malpaso de
ELECTROANDES y del Sistema Hídrico del
Complejo Mantaro de ELECTROPERU.
Se propone como objetivo de la investigación:
Determinar los Niveles de Operación del lago
Junín considerando el análisis situacional actual de
los niveles de embalse y desembalse.
Investigar las Restricciones de Operación del Lago
considerando las afectaciones al Sector Agrícola y
Comunidades Campesinas de los alrededores del
Lago y al Sistema Eléctrico Interconectado Nacional
(SINAC).
Evaluar el efecto de las restricciones de la
operación del Lago Junín en el Costo Marginales de
Energía del Sistema Eléctrico Interconectado
Nacional (SINAC) haciendo uso del modelo
PERSEO.
Figura 1. Ubicación del Lago Junín.
Fuente: INRENA. Instituto Nacional de Recursos Naturales.
Teresa Velásquez Bejarano
An cient. 68(4) 2007, pp. 175-186 177
2. Revisión de literatura
Los Proyectos Hidráulicos no pueden satisfacer las
demandas de los usuarios en épocas de estiaje, Un
Vaso de almacenamiento, puede retener los excesos
de agua en épocas de avenidas para su utilización en
época de estiaje. Además de conservar el agua para
su uso posterior, el almacenamiento del agua en
avenidas, también puede reducir el daño de
inundaciones, aguas abajo del vaso. Debido al ritmo
variable de la demanda de agua durante el día,
muchas ciudades y centros urbanos encuentran
necesario tener vasos de distribución dentro de su
sistema de abastecimiento de agua. Estos vasos
permiten proporcionar el agua desde el
almacenamiento cuando la demanda supere o exceda
este ritmo. Cualquiera sea la capacidad de un vaso o
uso final del agua, la función principal de un
almacenamiento es estabilizar el escurrimiento del
agua.
La característica física más importante de los vasos
de almacenamiento (Linsley y Franzini, 1998), es la
capacidad de almacenamiento. La capacidad del vaso
de forma regular puede calcularse con la formula para
los volúmenes sólidos. La capacidad de los vasos de
los sitios naturales generalmente debe de levantarse
por medio de planos batimétricos. La integral de la
curva Área-Elevaciones, es la curva elevaciones-
altura o altura capacidades del vaso.
Los modelos de recursos hidráulicos, son
simplificaciones físicas o matemáticas de los sistemas
naturales. Los modelos de simulación y optimización
facilitan el análisis y el diseño de los planes y
proyectos de recursos hidráulicos. En un sentido, los
modelos se utilizan para analizar los datos físicos,
sociales y económicos, en otro sentido, se puede
considerar que los modelos constituyen clases de
datos, en si y de por si (Helweg, 1992).
El lago Junín (ELECTROPERU y CENTROMIN
PERU, 1998), sirve como reserva para la generación
de Energía Eléctrica de las Centrales Hidroeléctricas
Malpaso, perteneciente a ELECTROANDES S.A.,
Santiago Antunez de Mayolo (Mantaro) y
Restitución, pertenecientes a ELECTROPERU. Estas
empresas producen el 35 % de la energía eléctrica
nacional, para este efecto se cierra la represa de
Upamayo durante los meses de lluvia (noviembre a
mayo), permitiendo el almacenamiento de las aguas
del río San Juan, por otro lado el lago recibe aportes
de los ríos Blanco y colorado. La regulación del Lago
Junín esta normada según la RM 0149-98-AG en la
cual precisa que las licencias de uso de Agua de las
Empresas ELECTROPERU S.A. y CENTROMIN
PERU S.A. conforme el convenio celebrado entre las
partes con fecha 22 de Enero de 1998, permiten el
uso compartido del recurso hídrico del Lago Junín
hasta por el Volumen útil almacenado en cada año
tomándose en las reglas de operación precisadas en la
RM 0149-98-AG. La operación de embalse y
desembalse la ejecuta ELECTROANDES S.A., el
Comité de Operación Económica del Sistema
Eléctrico Nacional (COES-SINAC) debe ejecutar la
planificación del uso considerando el marco
normativo vigente.
Sobre la propuesta 57 del Plan Chinchaycocha, que
plantea “para los años lluviosos, durante el período
de embalse (enero-mayo), en los que el embalse de
aguas –incluyendo el nivel dinámico o nivel de aguas
de paso- supere la cota 13,420, los operadores
procedan a realizar una regulación activa del embalse
(con manejo de compuertas) a fin de mantener el
nivel del lago en la Elevación 13420 psnm. Así
mismo se presume que en los últimos años el nivel
del Embalse ha superado el nivel mencionado como
producto de la ley de Concesiones Eléctricas y la RM
0149-98-AG, lo cual viene generando afectaciones en
el uso de pastos, manantiales e infraestructura de las
comunidades del entorno. También se plantea en el
Programa de Emergencia la inmediata aplicación
piloto de la propuesta 57 y la consideración de la
delimitación legal de la ribera y la franja marginal del
lago.
El Programa de Emergencia propuesto por la
Comisión Multidisciplinaria (CMD), señala los
siguientes rubros:
E3 Embalse 2002: Aplicación piloto de la
propuesta 57.
E4 Cronograma de Desembalse 2002 similar al año
1998.
E5 Delimitación de la Ribera y la franja Marginal.
Dentro del modelo PERSEO (Camac, 2004;
Kamiyama et al., 1995; Pereira et al., 1996), se
representan cada uno de los elementos que
impactarían en la determinación de la política óptima
de administración de los recursos energéticos del
SINAC, de modo que este opere a mínimo costo
durante el horizonte temporal estudiado y
permitiendo el calculo del valor de los costos
marginales del SINAC.
La demanda de energía eléctrica se representa,
mediante un diagrama de duración que relaciona el
valor de la demanda con las horas que esta presente.
Para poder utilizar los métodos de programación
lineal se utiliza la curva de duración discretizada en
bloque horarios.
El sistema hidráulico esta conformado por los
elementos que transportan y almacenan el agua de la
cual dispone el sistema hidrotérmico. Físicamente
incluye embalses, reservorios, trayectorias, y puntos
de interés.
2.1 Embalses
Los embalses son elementos capaces de almacenar
energía, creando así los enlaces ínter temporales entre
las decisiones de operación del sistema entre una
etapa y otra, y esta representado por:
titi ,, y titi ,,
titie ,1,
donde:
tie , Volumen de agua evaporada en el embalse i-
ésimo en la etapa t
Efecto ambiental y social por la variación de los niveles del lago Junín en las comunidades campesinas aledañas y su
efecto en el costo de la energía eléctrica en el Perú
178
Porcentaje de evaporación respecto del
volumen almacenado en el embalse
titi ,, , Volumen mínimo y máximo del
embalse i-ésimo
ti , Volumen de agua almacenado del embalse i-
ésimo al inicio de la etapa t
En ellos se debe cumplir la conservación de masa,
representado por:
1,1,,1, tiii
Ml
lltititi eSqSqai
2.2Reservorios Los reservorios son elementos análogos a los
embalses en cuanto a su función, sin embargo su
ámbito de acción se reduce a la transferencia de
energía entre bloques horarios de una misma etapa,
por lo que el volumen final del reservorio al igual que
el inicial en la etapa t es nulo. Con esto se modela
con mayor detalle la disponibilidad de agua por parte
de las centrales hidroeléctricas al nivel de los bloques
horarios de demanda de cada etapa.
titi ,,
0 finalinicial
1,,,,,1,, ktii
Ml
lltiktikti SqSqai
donde:
kti ,, Volumen de agua almacenado del embalse i-
ésimo durante la etapa t en el bloque k.
tia , Volumen de agua afluente al reservorio i-
ésimo durante la etapa t
ktiS ,, Volumen de agua almacenado del embalse i-
ésimo durante la etapa t en el bloque k.
iM Conjunto de plantas aguas arriba del i-ésimo
reservorio
2.3 Trayectorias
Se caracterizan por un sentido de flujo, una
capacidad máxima de transporte y posibles pérdidas
de caudal a lo largo de su recorrido producto de
filtraciones al subsuelo o por evaporación al medio
ambiente. Los caudales regulados de las trayectorias
( iq ) pueden estar acotados por valores mínimos (por
ejemplo, en casos de restricciones de irrigación,
navegación o recreación):
ii qq o límites máximos (por ejemplo, en casos
de grandes avenidas) ii qq .
2.4 Puntos de interés
Al igual que en caso de los embalses deben cumplir
con la ecuación de conservación de masa, sin
embargo en ellos no se almacena energía alguna y
solo sirven de paso para el agua del sistema. Por ello:
ii
Ml
llti SqSqai
1,0
donde:
tia , Volumen de agua afluente al punto i-ésimo
durante la etapa t
tiS , Volumen de agua vertido por el punto i-
ésimo durante la etapa t
iM Conjunto de plantas aguas arriba del punto i-
ésimo.
2.5 Representación del parque generador
2.5.1 Centrales hidroeléctricas Son elementos transformadores de energía
hidráulica, se caracterizan por su caudal de diseño y
su factor de productividad que relaciona la energía
generada con el caudal turbinado por la central.
tiiti qgh,,
iti qq ,
donde:
i Rendimiento de la turbina (coeficiente
caudal turbinado/energía generada)
tiq , Volumen turbinado en la i-ésimo planta
hidroeléctrica durante la etapa t
gh i,t Energía generada por la central
hidroeléctrica i durante la etapa t.
2.5.2 Centrales térmicas
El sistema térmico esta constituido por todos los
elementos que transforman la energía térmica en
energía eléctrica, sean estas turbinas a gas de ciclo
simple o combinado, grupos diesel o turbinas a vapor.
Estos elementos usan como fuente primaria de
energía algún tipo combustible, lo que introduce un
costo de operación directo en ellos, en general este
caso es una función no lineal de la potencia que
genera. Sin embargo en el mercado peruano se
considera un único costo de producción indiferente al
nivel de carga de la central por lo cual se mantiene
esta representación.
tjjtj gtcoto ,,cos
jtj gtgt ,
donde:
tjto ,cos Costo de operación del grupo
térmico j durante la etapa t
jco Costo variable del grupo térmico j
tjgt , Energía generada por el grupo
térmico j durante la etapa t
jgt Energía máxima generable por el
grupo térmico j
2.6 Representación de la hidrología
La representación de la aleatoriedad de las
variables hidrológicas (caudales afluentes) de
sistemas hidrotérmicos va desde métodos muy
simples tales como tomar una muestra representativa
de caudales y asignarles una probabilidad de
ocurrencia, la cual pondera la función objetivo. En el
Teresa Velásquez Bejarano
An cient. 68(4) 2007, pp. 175-186 179
PERSEO se utiliza un método directo de tratamiento
de caudales que consiste en tomar una muestra de N
años, donde N es mayor o igual que el número de
años que contempla el estudio de planificación,
digamos H. Las secuencias hidrológicas se generan
entonces según la Tabla 1.
Tabla 1. Secuencias hidrológicas.
Año de Operación
Secuencia 1 2 . . . . H
1 (m1, m2,…..,m12)1
(m1, m2,…..,m12)2
. . . . (m1, m2,…..,m12)H
2 (m1, m2,…..,m12)2
(m1, m2,…..,m12)3
. . . . (m1, m2,…..,m12)H+1
. . . . . . . .
. . . . . . . .
N-1 (m1, m2,…..,m12)N-1
(m1, m2,…..,m12)N
. . . . (m1, m2,…..,m12)H-2
N (m1, m2,…..,m12)N
(m1, m2,…..,m12)1
. . . . (m1, m2,…..,m12)H-1
Donde:
H : Número de años a considerar en el estudio de
operación
M : Período elemental observado (período
mensual).
N : Número de años de la muestra histórica (N>=
H).
Este método es muy simple y presenta la ventaja de
que no se requiere de análisis estadístico y se
respetan las relaciones ínter temporales e ínter
cuencas de las variables hidrológicas. El número de
secuencias de caudales generados está en función del
los años de las series históricas de caudales afluentes.
Ver Tabla 2.
Tabla 2. Generación de escenarios hidrológicos.
SERIES HISTORICAS DE CAUDALES AFLUENTES
1972 1973 1974 1975 1992 1993
1972 1973 1974 1975
1973 1974 1975 1976
1974 1975 1976 1977
1992 1993 1972 1973
1993 1972 1973 1974
SECUENCIAS
DE CAUDALES
GENERADOS
2.6.1 Concepción de la operación del modelo
El modelo PERSEO, (Camac, 2004; Kamiyama et
al., 1995; Pereira et al., 1996), contempla dos etapas
en el proceso de búsqueda del óptimo que se repiten
para cada escenario hidrológico. Inicialmente se
aplica un modelo inicial iterativo que permite
determinar en que medida se puede abastecer las
demandas de riego y agua potable así como
determinar los coeficientes de pérdidas de las líneas
de transmisión eléctrica en las cercanías del punto
óptimo de operación. Como resultado de este modelo
inicial se tiene una nueva distribución de demanda de
agua que el sistema si es capaz de atender.
Adicionalmente se conocen las pérdidas de
transmisión esperadas en la vecindad del punto
óptimo de operación, lo que permite estimar un
coeficiente de pérdidas de energía tmk , en cada
línea, con esta información se construye el modelo
definitivo.
En consecuencia el problema de la operación es
formulado matemáticamente como un problema de
Programación Lineal de Costo Mínimo, el cual se
resuelve utilizando la herramienta CPLEX de ILOG
que cuenta con múltiples métodos de solución de
problemas lineales, tales como algoritmos de flujo en
redes, algoritmos de punto interior y algoritmos
matriciales.
Finalmente, el modelo final esta compuesto por la
siguiente función objetivo:
j TN
j
N
t
tjtj gtcoMinZ1 1
,,
Conocidos los valores de las demandas de agua que
no pueden ser atendidas tRfr , se replantean los
límites inferiores de los caudales regulados asociados
a la demanda de agua R, realizando la sustitución:
tRtRtR frqq ,,
*
,
y reemplazando la restricción:
tRtR qq ,, por tRtR qq ,,
De este modo se asegura que el agua disponible sea
suficiente para cubrir estas nuevas demandas y no se
distorsione el valor del agua.
Una vez conocidos los sentidos del flujo de energía
en las líneas de transmisión, así como la magnitud del
flujo y las pérdidas esperadas se puede calcular el
Efecto ambiental y social por la variación de los niveles del lago Junín en las comunidades campesinas aledañas y su
efecto en el costo de la energía eléctrica en el Perú
180
coeficiente de pérdidas esperado de la línea tmk ,
mediante la relación:
)1(
,
)(
,
,
n
tmk
n
tmk
tmkf
p
Este valor se utiliza en el modelo al plantear el
balance energético, para ello se carga nuevamente las
pérdidas de transmisión en la demanda, pero esta vez
como función del flujo de las líneas de transmisión, a
la vez que se fija un sentido a la energía en las líneas
y se acota la restricción de su capacidad con el valor
de las pérdidas esperadas, luego:
tk
km
tmktmktmktmk
kj ki
titj dffghgt ,,,,,,, 5.015.01
)(
,,
n
tmkmktmk pff
;,...,1 kNk tNt ,....,1
Donde:
k índice de las barras equivalentes
Nk número total de barras equivalentes en el
sistema
k conjunto de líneas de transmisión
conectadas a la barra equivalente k.
tmkfr , flujo de energía de la barra
equivalente m para la barra equivalente k en la etapa
t.
tmk , coeficiente de pérdidas del flujo de
transmisión de m para k durante la etapa t, expresado
en % del flujo actual.
tkd , demanda de energía en la barra equivalente
k durante la etapa t.
i índice de las plantas de generación
hidroeléctrica
Ni número de plantas de generación
hidroeléctrica
tigh , generación de la i-ésima planta
hidroeléctrica en la etapa t
Luego el modelo matemático final completo para
una secuencia hidrológica s, se nuestra a
continuación:
JN
J
tjj gtcoMinZ1
,
3. Materiales y métodos
1) Diagnóstico del acuerdo adoptado por las
empresas ELECTROPERU S.A. y CENTROMIN
PERU S.A. (1997) en relación al uso compartido de
los Recursos Hídricos almacenados anualmente en el
lago Junín .
2) Evaluación y análisis de la operación histórica
del lago Junín en los años 1990 al 2003, desembalses
del Lago en los años 1990 al 2003 y los desembalses
dispuestos en la RM 0149-98-AG.
3) Definición de las afectaciones a los bordes y
linderos a las comunidades y su afectación a la
conservación de la flora, la fauna y la belleza
escénica del lago de Junín y sus alrededores.
3) Determinación de los Niveles del Lago Junín
considerando la afectación a las comunidades
aledañas y el Sistema Interconectado Integral, con
participación de los embalses del Sistema Mantaro.
4) Determinación de las restricciones de operación
del lago Junín considerando la afectación a los
pobladores de las comunidades aledañas y al SINAC
mediante el cálculo de los costos marginales
haciendo uso del modelo PERSEO (Figura 2 y 3).
Figura 2. Sistema Eléctrico Interconectado Nacional SINAC. Mapa Nacional.
Fuente: MEM.
Teresa Velásquez Bejarano
An cient. 68(4) 2007, pp. 175-186 181
ESQUEMA DEL SISTEMA MANTARO HASTA EMBALSE TABLACHACA
SEGÚN MODELO OPERMES - AÑO 1996
Lago Junin
Embalse
Malpaso
C.H. Malpaso
C.H. Pachachaca
Río
Man
taro
C.H. Oroya
Laguna
Huascacocha
Laguna
Pomacocha
Rio Yauli
Rio
Yauli
Rio
Man
taro
Taza Vieja
Rio Pachacayo Rio PachacayoRi
o Coc
has
Embalse
Huaylachaca
Vichacocha
Ñahuincocha
Yuraccocha
Q (6,J)
4
3
Q (3,J)
1
Q (I,J)
2
X2
Q (2,J)
X1
Laguna
Huallacocha
3 1 2
X4
0.2 m3/s
1
X3
X6
X5
4
X7
X8
Q (4,J)
2 X10X9
Q (5,J)
5
X13
X14
Q (7,J)
1 2 3 3X11
4 4 4 4
R. Corpacancha
Afluentes
X15
X164
R. Blanco
R. Colorado
R San Juan
C.H. Mantaro
C.H. Restitución
Embalse
Tablachaca 6
Riego Mantaro
X17
X18
Q (9,J)
1
2
4
3
6 7
5
X19
5
X20
1
1
1X22
X21
6
7
9 8
Embalse
Carhuacocha
Q (8,J)
Pte. Chulec
Pte. Stuart
Q (10,J)
Q (10,J)
X23
X24
X25
X26
X27
X28
Figura 3. Sistema Eléctrico Interconectado Nacional SINAC, diagrama topológico.
Fuente: MEM, Discusión de los resultados
3.1 De los análisis del Acuerdo adoptado por
las empresas ELECTROPERU S.A. y
CENTROMIN PERU S.A. En el Convenio suscrito entre ELECTROPERU
S.A. y CENTROMIN PERU S.A. en el año 1998,
ambas partes acuerdan la adopción de las reglas de
operación técnica del lago Junín, dichas reglas fueron
determinadas en el estudio “Operación del Lago
Junín y los Sistemas Hidrológicos de la Cuenca del
Río Mantaro”.En dicho estudio se aplicó el modelo
OPERMES para la programación mensual de la
operación de embalses y centrales en la cuenca del
río Mantaro, que incluye al lago Junín. Así mismo se
buscaba demostrar la factibilidad de otorgamiento de
Licencia de las aguas del Lago para las centrales
hidroeléctricas Malpaso de CENTROMIN PERU
S.A. y Santiago Antúnez de Mayolo - Restitución de
ELECTROPERU S.A., todas ellas operando en
cascada a lo largo del río Mantaro.
3.2 De la operación planteada en la
Resolución RM 0149-98-AG La RM 0149-98-AG resuelve en su Artículo 3°
“Precisar que las licencias de uso de agua de las
empresas ELECTROPERU S.A. y CENTROMIN
PERU S.A., conforme al Convenio celebrado entre
las partes con fecha de 22 de enero de 1998.
a) El período del embalse del Lago Junín se
efectuará entre el 1º de enero y el 31 de mayo de cada
año
b) El período de descarga regulado se efectuará
entre el 1º de junio y el 31 de diciembre de cada año,
y durante este período la regulación será de tal forma
que se mantenga las siguientes reservas mínimas: Al
1º de Junio 100% del volumen útil almacenado
(VUA), al 1º de Julio 85% del VUA, al 1º de Agosto
70% del VUA, al 1º de Setiembre 55% del VUA, al
1º de Octubre 40% del VUA, al 1º de Noviembre
15% del VUA, al 1º de Diciembre 7% del VUA, al 31
de Diciembre 3% del VUA. El volumen útil
almacenado corresponde al volumen alcanzado al 31
de mayo de cada año.
3.3 Del análisis de la operación histórica del
Lago Junín Desde el año 1990 a la fecha el movimiento del
Lago Junín se ha presentado de la siguiente forma
(Figura 4):
Efecto ambiental y social por la variación de los niveles del lago Junín en las comunidades campesinas aledañas y su
efecto en el costo de la energía eléctrica en el Perú
182
Movimiento Historico del Lago Junín
0
100
200
300
400
500
600
1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
Vo
lúm
en
es (
MM
C)
Figura 4. Movimiento Histórico del lago Junín.
Fuente: Elaboración de la autora.
En la Figura anterior, se puede apreciar que en la
mayor parte del período analizado, se han regulado
en el Lago volúmenes iguales o mayores a 441.19
MMC, que corresponden a elevaciones superiores al
de la cresta del vertedero, 13420 psnm. En la Figura
5, se han comparado los desembalses históricos del
Lago para el período 1990-2003 con los desembalses
normados en la RM 0149-98-AG. Las líneas de color
azul, representan los descensos del lago estipulados
en la RM 0149-98-AG, en tanto que las líneas de
color negro representan los desembalses ocurridos en
el Lago para el período 1990-2003.
Desembalse del Lago Junín
0
20
40
60
80
100
120
19
90
19
91
19
92
19
93
19
94
19
95
19
96
19
97
19
98
19
99
20
00
20
01
20
02
20
03
De
se
mb
als
e(
%)
Vol. Almacenado Historico RM149-98-AG
Figura 5. Desembalse.
Fuente: Elaboración de la autora.
La ruta de desembalse ocurrida en el lago Junín es
coincidente con la indicada en la RM 0149-98-AG,
también es posible apreciar que históricamente, las
exigencias de la resolución establecidas para el 31 de
diciembre con el 3% del Volumen Útil obtenido al 31
de Mayo, solo se ha presentado durante los años de
extrema sequía, como es el caso del mes de
Diciembre de 1992 donde el Volumen al final de
temporada fue de 0.0 % del Volumen Útil alcanzado
en Mayo. Otro año en que se suscita una situación
similar es en Diciembre de 1994 en que el Lago
alcanza 6.46% del Volumen alcanzado en Mayo.
3.4 Del efecto social a las comunidades
aledañas y la conservación de la flora, la
fauna y la belleza escénica del lago de Junín Existen en la zona 9 comunidades campesinas que
datan de la época Pre_Inca, estas se encuentran
organizadas en el CONAMI, también las mujeres han
organizado un club de madres para mitigar la pobreza
que existe en la zona, Las actividades económicas
son principalmente el comercio y el transporte de la
comunidad de VICCO y CARHUAMAYO y la
actividad agropecuaria de las comunidades de
ONDORES, COCHAMARA, PARI, BICHOS,
RANCAS, HUAYLLAY. Estas comunidades están
efectuando sus reclamos debido a la actividad minera
de la zona y la regulación del Lago Junín.
Alrededor del Lago es notorio el tipo de pastizal
denominado Césped de Puna y dentro del lago se
observa al Scirpus totora (Totora), especie principal
que prospera en el lago. Dentro de ello podremos
encontrar al zambullidor, especie que esta en peligro
de extinción porque el lago registra una alta
contaminación, que si bien disminuyó en meses
recientes, aún registra residuos que representan una
amenaza para la vida de las especies que habitan el
lago. Debido a esta situación, la población de
zambullidores se redujo considerablemente y quedan
aproximadamente 300 ejemplares en riesgo de
desaparecer.
Con respecto a la calidad del agua, cabe resaltar
que durante el año 1997 la calidad de las aguas del
lago Junín ha mejorado sensiblemente, debido a los
trabajos de control ambiental realizados por las
empresas mineras Centromín y el Brocal.
En un estudio de esta agua realizado a mayo de
1997 se ha encontrado que la calidad de las aguas
muestreadas en el río San Juan, así como todo el
Lago Junín, cumplen con los establecido por la Ley
General de Aguas para la clase III. Los sedimentos
del lago Junín, debido a las cargas contaminantes que
ha recibido, presentan concentraciones elevadas de
cobre, plomo, Zinc y mercurio; sin embargo, un
detallado examen del agua atrapada en poros muestra
que estos depósitos son estables y no inciden
negativamente en la calidad del agua que los rodea.
En tal sentido parece ser que la capa superior de los
sedimentos en el lago Junín está regresando a su
estado natural, posiblemente como resultado de la
reducción de cargas contaminantes provenientes del
río San Juan.
La contaminación de Chinchaycocha no es
solamente un problema de orden ecológico. Son
aproximadamente 30 pobladores afectados por acción
de los relaves generando el traslado de los
pobladores de las comunidades de Bicho y San Pedro
de Pari.
3.5 Afectaciones Las operaciones de embalse y desembalse han
ocasionado afectaciones a la economía de las
Comunidades Campesinas, las afectaciones
identificadas son una aproximación realizada en base
a los documentos revisados, lo cual sin embargo no
ha sido exhaustivo.
Las afectaciones se han dividido en los tipos
siguientes:
3.5.1 Afectación originaria de pastizales Según la Resolución del 25 de Octubre de 1929 y
la Resolución Suprema 109 de 1950 el embalse lago
Chinchaycocha hasta la cota 13420 psnm afecta a
26,993 Ha. La Resolución de 1930 menciona datos
Teresa Velásquez Bejarano
An cient. 68(4) 2007, pp. 175-186 183
específicos para cada una de las comunidades en
áreas. Sobre las normas establecidas la empresa Cerro
de Pasco Copper Corporation realizó el depósito por
indemnización dispuesto por el Estado.
Resolución del año 1930 Propuesta ajustada año 1935
4 600 has Vicco
4 650 has Ninacaca
4 300 has Carhuamayo
630 has Pariacancha
740 has Socorro = Huayre
7 673 has has Junín
650 has Ondores
3 750 SP Pari (Barrios de Yarhuaycoto e Incapirca)
4 600 has Vicco
4 650 has Ninacaca
4 300 has Carhuamayo
630 has Pariacancha
740 has Socorro = Huayre
4 873 has has Junín
4 850 has Ondores
2350 SP Pari (Barrios de Yarhuaycoto e Incapirca)
3.5.2 Afectación actual de pastizales
Por las operaciones de embalse-desembalse. De
acuerdo a los datos incluidos en el reporte de SRK-
Centromín, 2000 “Actualización de los estudios de
ingeniería para la recuperación ambiental del lago
Junín” (Centromin, 2000), el área adicional cubierta
por las aguas cuando se pasa de la cota 13420 a
13421 psnm es de aproximadamente 66 kilómetros
cuadrados ó 6,600 Ha.
3.5.3 Inundación de manantiales y pozos de
agua de consumo humano
Siendo mencionados por las comunidades los
siguientes: Shicshan e Incapirca (SPPari), Aukivilca,
(Ondores), ríos Wegrón, Upamayo y Yahuarmayo,
manantiales de Wuagrapuquio y Lacapuquio (Vicco);
Lucopuquio, Pishtagpuquio, Liclijdanzana,
Anaspuquio (Villa de Junín); Gahuishpuquio,
riachuelo Gauchupan (Cochamarca). Afectación de
infraestructura pública siendo mencionados por las
comunidades los siguientes: SP Pari: templo, escuelas
y plazas (destrucción del pueblo antiguo). Puentes
Bombón (antes de la represa Upamayo) y 2 sobre el
río Colorado. Afectación de infraestructura privada
siendo mencionados por las comunidades los
siguientes: SP Pari: 122 casas (pueblo antiguo),
Vicco: anexo de Upamayo y parte de Condorcayan,
Cochamarca: traslado del pueblo.
3.6 Visita de reconocimiento a la zona
La visita a las comunidades y alrededores de Lago
Junín, se llevó a cabo con el apoyo del Ing. Félix
Villegas, Jefe de la Dirección de Areas naturales de la
Reserva del lago Junín-INRENA. De acuerdo al
informe recibido del Ing. Villegas, la actual
operación del lago afecta en mayor proporción a las
comunidades de San Pedro de Pari y Bichos. Por lo
cual la visita a los diversos puntos en los alrededores
del lago fue programada priorizando los lugares
donde se han suscitado mayores afectaciones.
Se previó al mismo tiempo que efectuará la visita,
pudiera ser posible conversar con las autoridades y
pobladores de las comunidades mencionadas.
Durante la visita de reconocimiento fue posible
observar detalladamente las áreas afectadas por los
niveles manejados en el Lago los últimos años sobre
la Elevación 13421 psnm. Para el caso de la
Comunidad San pedro de Pari, se realizó el recorrido
conjuntamente con las autoridades y los comuneros
del lugar.
El recorrido realizado fue el siguiente:
3.6.1 Comunidad San Pedro de Pari. Pampas
de Diezmo, Chacpay
Al comunidad señaló las Areas de pastizales
afectadas por relaves mineros.
Se realizó una reunión en el Municipio de la
Comunidad San Pedro de Pari con la presencia de las
siguientes autoridades y pobladores:
. Sr.Abel Soto Salinas , Presidente de la
Comunidad San Pedro de Pari.
. Sr.Ursecino Vicente Cevallos, Regidor Consejal.
. Sra.Nancy Loyola Mauricio, Tesorera.
. Sr. Jesús Laureano Valdivia, Vocal.
. Sr. Pablo Ago Chacha , Sector Inca Pica.
Las autoridades manifestaron lo siguiente:
. Inundación ha afectado los suelos con residuos de
los relaves.
. El dragado del canal sub-lacuste ha removido más
partículas provenientes de metales pesados.
. El manantial Chicchán es inundado durante las
avenidas y permanece bajo el nivel del lago durante
las avenidas y hasta el descenso del mismo, casi 6
meses del año.
. Disposición a negociar alternativas de
compensación por las afectaciones ocurridas.
. El río San Juan y río Blanco permanentemente
contaminan el lago Junín.
3.6.2 San Pedro de Pari. Shicshan e
Incapirca- San pedro de Pari, Aukivilca-
Ondores
En esta zona se realizó el recorrido con los
pobladores de la Comunidad. Se pudo apreciar el
Poblado antiguo San Pedro de Pari, actualmente
abandonado. También se realizó el recorrido por la
zona de los Ojos de agua, los cuales emanan sobre la
margen izquierda del lago y cuyo caudal es utilizado
por los pobladores de la Comunidad durante las
épocas de estiaje. Estos manantiales son inundados en
el llenado del Embalse.
Comunidad Cochamarca, Vicco. Jatuncucho y
Cruzpata, Gagochupan.
3.6.3 Presa Upamayo
En la Obra de la Presa Upamayo fue posible
observar el Aliviadero de la Presa, compuertas de
descarga, cuerpo de la Presa y cauce del río aguas
debajo de la Presa. También se apreció el canal sub-
lacustre del Lago Junín ya que la elevación del Lago
Efecto ambiental y social por la variación de los niveles del lago Junín en las comunidades campesinas aledañas y su
efecto en el costo de la energía eléctrica en el Perú
184
llegaba a 13415 psnm el día en que se realizó la visita
de campo, Jueves 22 del 2004.
Afluentes Río Blanco, Río Colorado y Río San
Juan. Puente San Juan.
3.7 Resumen de las afectaciones al medio La operación histórica del lago Junín al superar la
elevación 13420 psnm, ha ocasionado afectaciones a
la economía de las Comunidades Campesinas
aledañas, el área adicional cubierta por las aguas del
Lago cuando se sobre pasa de la elevación 13420 a
13421 psnm es de aproximadamente 6 600 Has. Esta
Área fue calculada con las cartas Nacionales a Escala
1:100,000.
También ocurre la inundación de los manantiales
Chicchán, los que permanecen bajo el nivel del lago
hasta el descenso del mismo, durante casi 6 meses del
año.
La Afectación de infraestructura comunitaria
siguiente: Comunidad San Pedro de Pari- templo,
escuelas, plaza, destrucción de 122 casa del pueblo
antiguo; Puente Bombón (antes de la represa
Upamayo) y 2 puentes sobre el río Colorado.
También la afectación de los poblados de la
comunidad de Vicco- anexo de Upamayo y parte del
poblado de Condorcayan, y traslado del poblado
Cochamarca.
3.8 Del efecto de las restricciones de
operación del lago Junín y la trayectoria de
desembalse normado por la RM 0149-98-AG;
en los costos marginales del Sistema Eléctrico
Interconectado Nacional-SINAC, haciendo
uso del modelo PERSEO
Del análisis realizado en los anteriores ítems, se
han deducido cuatro condiciones de operación del
lago Junín, estas consideran los niveles mínimos y
máximos, volúmenes de embalse y desembalse del
lago Junín, recomendados por la Comisión
Multisectorial Descentralizada-Ley 27642,
Comunidades Campesinas afectadas, Empresas
Generadoras y la trayectoria fijada por la RM 0149-
98-AG, para conocer el efecto ambiental y social
debido a la variación de los niveles del lago Junín en
las Comunidades Campesinas aledañas y su efecto en
el Costo de la Energía Eléctrica en el Perú.
Tabla 3. Cotas máximas y mínimas propuestas en la operación del Lago Junín.
Cotas Caso 1 Caso 2 Caso 3 Caso 4 Observación
Cota máxima (psnm) 13421.00 13420.00 13420.00 13418.00 Sugerida por comunidades
cercanas al lago Junín
Cota mínima (psnm) 13412.14 13412.14 13413 (1) 13413 (1)
(1) Sugeridas por EIA para
supervivencia del Pato
Zambullidor
Volumen util (MMC) 441.19 376.02 246.65 228.05 En función de cotas máxima
y cota mínima
Fuente: Elaboración de la autora.
Problemática de las operaciones de Embalse y
Desembalse del Lago Chinchaycocha. OSINERG.
Oficina de Medio Ambiente de OSINERG.
La optimización de la operación del lago Junín
dentro del esquema del SINAC, se ha realizado
haciendo uso del modelo PERSEO.
El primer paso dado ha sido la comparación de la
trayectoria de embalse y desembalse esperada para el
caso de la Fijación Tarifaría de Noviembre 2003
(actualmente en vigencia) y la indicada por la RM
0149-98-AG obteniéndose como resultado que los
volúmenes desembalsados históricamente en el Lago
han sido menores a los normados por la RM 0149-98-
AG, estos resultados se muestran en la Figura 6,
situación que podría explicar la reserva que ha
existido en el lago Junín, con valores de 441.19
MMC, que corresponden a elevaciones superiores al
de la cresta del vertedero, 13420 psnm.
Comparación del Trayectoria Esperada del Embalse
y Desembalse del Lago Junín Período 2003 - 2007
0
100
200
300
400
500
2003
2004
2005
2006
2007
Vo
lum
en
(M
MC
)
FT-Nov-2003 RM-149
Figura 6. Trayectorias Esperadas.
Fuente: Elaboración de la Autora.
Con el Modelo PERSEO, se han optimizado los
desembalses del lago Junín dentro del SINAC
considerando las Elevaciones y Volúmenes
detallados en el Tabla 3. En todos los casos se han
analizado los resultados obtenidos, dentro de los
Teresa Velásquez Bejarano
An cient. 68(4) 2007, pp. 175-186 185
cuales el Caso 3, es el que ha arrojado el mayor
incremento del costo marginal actualizado promedio
de energía del sistema. Los otros casos también
muestran una ligera variación. Las Figuras 7 y 8
presentan estos resultados.
CASO 3: Comparación Trayectoria Esperada de Embalse
y Desembalse Lago Junin Período 2003 - 2007
0
50
100
150
200
250
300
350
400
2003
2004
2005
2006
2007
Vo
lum
en
(M
MC
)
RM-149 CASO 3
Figura 7. Caso 3. Trayectoria Esperada.
Fuente: Elaboración de la Autora.
CASO 3 Comparación del Costo Marginal Promedio de la Energía del SINAC
Período 2003 - 2007
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
2003
2004
2005
2006
2007
CM
A (U
S$/M
wh
)
RM-149 CASO 3
Figura 8. Caso 3. Comparación del Costo
Marginal.
Fuente: Elaboración de la autora.
Para el Caso 3, las Elevaciones, el Volumen de
operación, y la trayectoria esperada de embalse y
desembalse del lago Junín, propuesta por la RM
0149-98-AG, dan como resultado un mayor impacto
en el Costo Marginal Actualizado de la Energía del
SINAC, el cual se traduce en un incremento de este
costo, estos resultados se presentan en Tabla 4.
Tabla 4. Resultados de los casos analizados.
Casos
Costo marginal actualizado promedio de
energía del SINAC (US$/MWh) periodo
2003-2007 (1)
Caso -1 Caso-2 Caso-3 Caso-4
RM 0149-98-AG 24.71 23.79 23.96 25.05
CASOS 24.92 24.21 24.79 25.68
Incremento 0.85% 1.77% 3.46% 2.52%
(1) Simulación del SINAC en modo Uninodal
Fuente: Elaboración de la autora.
4. Conclusiones
La operación del lago Junín los últimos 5 años ha
sobrepasado los niveles Máximos extraordinarios,
afectando a los usuarios de las riberas y pobladores
aledaños. La utilización del Nivel máximo del Lago
ha superado Elevación Máxima de 13420 psnm.
El Nivel del Embalse de Inundación y el Manejo de
las Operaciones del Embalse, incide en el desarrollo
local y la Economía común.
La utilización del Nivel máximo del Lago hasta la
Elevación máxima de 13420 psnm es propuesta, la
cual es sobrepasada durante los períodos de avenidas,
proponiéndose el control dinámico de este nivel.
En todos los escenarios el nivel mínimo no debería
ser menor de 13413 psnm en función a no afectar las
condiciones de reproducción de la vida silvestre del
lago, según estimación realizada por expertos. La
delimitación de la franja marginal debe hacerse en
función de la Elevación 13420 psnm.
La operación del lago Junín deberá considerar la
Trayectoria normada por la RM 0149-98-AG la cual
resuelve en su Artículo 3° “Precisar que las licencias
de uso de agua de las empresas ELECTROPERU
S.A. y CENTROMIN PERU S.A., conforme al
Convenio celebrado entre las partes con fecha de 22
de enero de 1998.
a) El período del embalse del Lago Junín se
efectuará entre el 1º de enero y el 31 de mayo de cada
año.
b) El período de descarga regulado se efectuará
entre el 1º de junio y el 31 de diciembre de cada año,
y durante este período la regulación será de tal forma
que se mantenga las siguientes reservas mínimas: Al
1º de Junio 100% del volumen útil almacenado
(VUA), al 1º de Julio 85% del VUA, al 1º de Agosto
70% del VUA, al 1º de Setiembre 55% del VUA, al
1º de Octubre 40% del VUA, al 1º de Noviembre
15% del VUA, al 1º de Diciembre 7% del VUA, al 31
de Diciembre 3% del VUA. El volumen útil
almacenado corresponde al volumen alcanzado al 31
de mayo de cada año.
De las situaciones de operación analizadas, el Caso
3, Elevación Máxima del Lago 13420 psnm,
Elevación Mínima 13413 psnm, Volumen de
operación 246.65 MMC, es el que ha arrojado el
mayor incremento del costo marginal promedio de
Energía del SINAC, este incremento es de 3.46%.
En los Casos 1, 2 y 4, también se han obtenido
incrementos del Costo marginal promedio de Energía
del SINAC, las cuales han sido de 0.85%, 1.77% y
2.52% respectivamente.
La situación de operación, caso 1, que ofrece
menor variación en el Costo marginal promedio de
Energía del SINAC, corresponde a la situación mas
desfavorable para las Comunidades Campesinas
afectadas ya que en el caso de la Elevación Máxima,
13421 psnm, es cubierta un Area de 6 600 has,
también ocurre la inundación de los manantiales
Chicchán, los que permanecen bajo el nivel del lago
hasta el descenso del mismo, durante casi 6 meses del
año. Para la Elevación mínima, 13412 psnm, se pone
en riesgo la subsistencia del pato zambullidor y otras
especies acuáticas del ecosistema natural. Estudios
realizados señalan que la subsistencia de estas
especies requiere que el nivel de Lago se mantenga
en la Elevación 13413 psnm en las épocas de estiaje
osea Abril a Noviembre.
Efecto ambiental y social por la variación de los niveles del lago Junín en las comunidades campesinas aledañas y su
efecto en el costo de la energía eléctrica en el Perú
186
El caso 2, con Elevación Máxima: 13420 psnm los
meses de Diciembre a Marzo, Elevación mínima:
13412 psnm los meses de Abril a Noviembre y un
Volumen 376 MMC, es la situación que se muestra
más conciliadora para las partes ya que se evitarían
las inundaciones alrededor del lago Junín en
determinadas épocas del año, permiten el uso de los
manantiales de subsistencia de los pobladores,
propician el equilibrio del ecosistema del Lago y
permitiría la subsistencia de especies. El incremento
del Costo marginal promedio de Energía del SINAC,
en este caso alcanza ser de 1.75%, sin embargo, se
considera posible la realización de un estudio
específico del movimiento de embalses considerando
otros existentes en la parte media de la Cuenca y
ubicadas aguas arriba de la Presa Tablachaca.
5. Referencias bibliográficas
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PERSEO”, OSINERG.
CÁMAC G; D.J. 1995. “Modelos analíticos para
optimizar el planeamiento económico-energético en
sistemas hidrotérmicos, utilizando la teoría
marginalista”, Comisión de Tarifas Eléctricas,
Sector Energia y Minas (Perú). Octubre 1995.
CENTROMIN, 2000. “Actualización de los estudios
de ingeniería para la recuperación ambiental del
lago Junín”. Reporte de SRK.
DIARIO EL PERUANO, 1998. Resolución Suprema
No 0149-98-AG del 27 de Marzo de 1998. Alcances
de licencias de Uso de Agua de las Empresas
ELECTROPERU y CENTROMIN S.A., para el
aprovechamiento del recurso hídrico del Lago
Junín.
DIARIO EL PERUANO. Resolución Suprema No
551-2002-PCM del 16 de Diciembre del 2002.
Aprueban Plan y Manejo Ambiental sostenible
Chinchaycocha y constituyen Comité de Gestión
Ambiental.
Instituto Nacional de Recursos Nacionales-INRENA.
Comisión Sectorial Descentralizada. Emergencia
Ambiental de la reserva nacional lago Junín. Ley
27642. Informe Final. Parte A.
ELECTROPERU S.A. y CENTROMIN PERU S.A.
desarrollan en forma conjunta el Estudio
“Operación del lago Junín y los Sistemas
Hidroeléctricos de la Cuenca del Río Mantaro” en
Julio del año 1996.
OSINERG-Informe de Fiscalización Especial de las
Operaciones de Embalse y Desembalse del lago
Chinchaycocha a cargo de la Empresa
ELECTROANDES S.A. Año 2003. Anexo 5.
HELWEG O. J. 1992. “Recursos Hidráulicos
Planeación y Administración”, LIMUSA,
Setiembre.
KAMIYAMA A., COMBE M. y SARANGO D.
1996. “Perfeccionamiento del modelo de cálculo de
costos marginales SISPERU, informes de avance”,
Comisión de Tarifas Eléctricas, setiembre 1995,
noviembre 1995.
LINSLEY R. K., FRANZINI J. B. 1998. “Ingeniería
de los Recursos Hidráulicos”, C.E.C.S.A., 1ra. Ed.
MINISTERIO DE ENERGIA Y MINAS - 2003.
Términos de Referencia para el Estudio del Plan de
Manejo Ambiental de las Operaciones del Embalse
y desembalse del lago Chinchaycocha. (WEB
www.mem.gob.pe )
Convenio firmado entre ELECTROPERU y
ELECTROANDES S.A. el 22 de Enero de 1997,
para el uso compartido de las aguas reguladas del
lago Junín y Río Mantaro con fines energéticos.
Anexo No 1 del convenio: Reglas de operación del
lago Junín. Estudio “Operación del lago Junín y los
sistemas hidrológicos de la cuenca del río Mantaro”.
PEREIRA, M.V.F., CAMPODÓNICO, N.M.,
GORENSTIN, B.G, COSTA, J.P. 1996.
“Application of Stochastic Optimization to Power
System Planning and Operation”, IEEE/KTH
Stockh. Sarango D. D., “Revisión de la información
hidrológica utilizada en el cálculo de los costos
marginales del SIS, cuenca Chili-Alto Colca”,
Comisión de Tarifas Eléctricas, Mayo.
Propuesta 57 del Plan Chinchaycocha, que plantea
“para los años lluviosos, durante el período de
embalse (enero-mayo)
SYNEX, 1993. Ingenieros Consultores, “Modelo de
Operación optima del sistema interconectado centro
norte: Junín”, Comisión de Tarifas Eléctricas, Mayo
de 1993.
Universidad del Valle/Instituto Cinara. Sarango, D y
Velásquez, T. Conferencia Internacional: De la
acción Local a las Metas Globales.
An cient. UANLM 68(4), 2007 Recibido: 20/09/2007
ISSN 0255-0407 Aceptado: 25/10/2007
Simulación numérica de propagación de ondas de avenidas en el río Tumbes
mediante el modelo UNET-HECRAS
Cayo Ramos Taipe 1
Resumen
La presente investigación integra el modelamiento hidrológico de la cuenca del río Tumbes aplicando Hec Hms y el
modelamiento hidráulico en flujo no permanente con aplicación de Hec Ras, en los últimos 31 km del río Tumbes,
comprendidos entre la estación hidrométrica El Tigre y 900 m aguas abajo del puente Tumbes, correspondiente al
tramo más vulnerable a inundación, con apoyo del Sistema de Información Geográfica. El modelo hidrológico de la
cuenca, permite calcular el hidrograma de avenida en la estación El Tigre a partir de la precipitación máxima
extraordinaria ocurrida en la zona de influencia durante el Fenómeno El Niño de febrero de 1998. El modelamiento
hidráulico propaga el hidrograma de avenida en el cauce del río Tumbes, tomando como condición de borde aguas
arriba a la Onda de avenida correspondiente al hidrograma resultante del Modelamiento hidrológico, la condición de
borde aguas abajo la variación cíclica del nivel de agua del mar por efectos de la marea, la condición de borde lateral
está representada por los hidrogramas laterales formados por las quebradas tributarias y la condición inicial por el
flujo base del río. El modelo fue calibrado a través de un proceso iterativo de variación del parámetro de resistencia
al flujo, n de Manning y la exactitud de la solución de los esquemas de diferencias finitas se consiguieron con ∆x
(medio) y ∆t son 143.9 m y 30 min respectivamente y θ = 0.66. El modelamiento hidráulico de cauces naturales en
flujo no permanente, permite estudiar con mayor grado de exactitud los niveles de superficie de agua y las
características hidráulicas del flujo en cada sección transversal del río. Para el hidrograma transitado en el río
Tumbes, muestra inundaciones generalizadas entre las secciones 10+100 al 0+980, zona donde se encuentra la
mayor parte de las áreas de riego y la ciudad de Tumbes. El río presenta secciones insuficientes para transitar la
onda de avenida, lo que genera desbordamientos severos y procesos de socavación, así mismo intensifica la
evolución del remanso.
Palabras claves: Avenidas, simulación numérica, fenómeno El Niño (ENSO), río Tumbes.
Abstract
The present investigation integrates the Tumbes river basin hydrological modeling applying Hec Hms and hydraulic
modeling in unsteady flow with Hec RAS, in the last 31 kilometers of the Tumbes river, comprising between El
Tigre hydrometric station and 900 m under the Tumbes bridge, it correspond to the most vulnerable watercourse to
flood, with support of the Geographical Information System. The hydrological model of the basin allows to calculate
the flood hydrographs in El Tigre station from the extraordinary maximum precipitation happened in the influence
area during the El Niño Phenomenon on February of 1998. The hydraulic modeling routed the flood hydrographs in
the bed of the river, taking as upstream boundary condition to the flood Wave corresponding to the resulting
hydrographs of the hydrological Modeling. The downstream boundary condition the recurrent variation of the level
of water of the sea by effects of the tide, the lateral boundary condition is represented by the lateral hidrogramas
formed by the tributary stream flows and the initial condition by bases flow of the river. The model was calibrated
through a iterative process of variation from the resistance parameter to the flow, n of Manning and the accuracy of
the solution of the finite differences scheme to get whit ∆x (average) y ∆t respectively 143.9m and 30min and θ =
0.66. The study concludes that the hydraulic modeling of natural beds in unsteady flow, allows to study more
accurately the levels of surface of water and the hydraulic characteristics of the flow in each cross section of the
river. For the hydrographs analyzed in the Tumbes river, it shows widespread floods among the sections 10+100 at
the 0+980, area where are most of the irrigation areas and the Tumbes city. The river present insufficient sections to
traffic the flood wave, what generate severe overflows and undercut processes likewise they intensify the evolution
of the backwater.
Key words: Floods, numerical simulation, ENSO, Tumbes river.
1. Introducción
Los fenómenos hidrológicos extremos como las
precipitaciones intensas causantes de avenidas e
inundaciones, son eventos naturales que existieron
siempre. En el siglo XX hemos visto muchos de estos
eventos en todo el mundo y cada vez con mayor
frecuencia. Muchos de estos eventos están asociados
con la presencia del fenómeno de El Niño y el
hombre ha buscado siempre protegerse de ellas,
invirtiendo mucho tiempo en el conocimiento e
1 Facultad de Ingeniería Agrícola, Universidad Nacional Agraria
La Molina. Lima, Perú. E-mail: [email protected]
investigación de la naturaleza de las tormentas y la
propagación de las ondas de avenida generadas en la
cuenca. El episodio el Niño del 1983 y 1998 son un
ejemplo de estos eventos de inundación y fueron los
que mas afectaron a los pobladores de Tumbes,
devastando las tierras de cultivo, destruyendo las
estructuras de servicio y propagando enfermedades.
La ingeniería moderna ha desarrollado la
representación del fenómeno de tránsito de ondas de
avenida en ríos, a través de la modelación
matemático de propagación de avenidas en cauces
naturales los que permite obtener resultados
satisfactorios con el empleo de menos tiempo en
Simulación numérica de propagación de ondas de avenidas en el río Tumbes mediante el modelo UNET-HECRAS
188
comparación a un modelo físico. Actualmente es
posible implementar modelos hidrológicos e
hidráulicos distribuidos asociados a Sistema de
Información Geográfica.
La contribución principal del presente estudio la
delineación de planicies y los perfiles de superficie de
agua, considerando como condición de borde aguas
abajo los efectos de la marea, la condición de borde
aguas arriba el hidrograma generado en el cuenca
Puyango-Tumbes y los aportes laterales de todos los
tributarios, aplicando el modelo UNET de flujo no
permanente de Hec Ras.
El objetivo del presente trabajo es la modelación
del tránsito distribuido de ondas de avenida en cauces
naturales, mediante la aplicación del modelo de flujo
no permanente (UNET) de HEC RAS, en el tramo
más crítico del río Tumbes comprendido entre la
estación el Tigre y 900 m por debajo de la ciudad de
Tumbes.
2. Revisión de literatura
2.1 Modelación de avenidas El cálculo de la propagación de ondas, permite
solucionar el flujo de crecientes o avenidas,
convirtiéndose así en un procedimiento de tránsito de
crecientes o propagación de avenidas. Existe varios
métodos de tránsito de crecientes, de ellos los más
comúnmente conocidos son: el tránsito de flujo
agregado (llamado también, tránsito hidrológico) y el
tránsito de flujo distribuido (llamado tránsito
hidráulico). En el tránsito de flujo agregado, el flujo
es calculado como una función del tiempo en un
lugar particular, en cambio en el tránsito de flujo
distribuido el flujo es calculado como una función del
tiempo y el espacio a través del sistema, en todas las
secciones transversales.
2.2 Clasificación de ondas de avenida Las ecuaciones de Saint Venant son: la ecuación
de conservación de masa.
qt
A
x
Q (1)
Y la ecuación de conservación del momentum del
fluido, es decir.
0fSx
hg
x
VV
t
Q (2)
Donde t es el tiempo y x es el espacio a lo largo del
cauce, A es el área de la sección transversal, V es
velocidad, q es el caudal de entrada lateral distribuido
a lo largo de x, g es la constante de aceleración de la
gravedad, h es la elevación de la superficie de agua
respecto a un nivel de referencia.
Las ecuaciones de Saint Venant son también
conocidas como el modelo de Onda Dinámica,
cuando se resuelve la ecuación completa, pero existen
varias simplificaciones y cada uno de ellos define un
modelo de tránsito distribuido. Por lo que varios
modelos pueden ser construidos, dependiendo de cual
de los cuatro términos de la Ecuación 3 pueden ser
considerados despreciables en comparación a los
otros.
Término I II III IV
Ecuación movimiento:
01
of SSx
y
x
V
g
V
t
V
g (3)
Los modelos de onda y los términos para
describirlos son:
0of SS Onda
cinemática
0of SSx
y Onda
difusiva
0of SSx
y
x
V
g
V
Onda
dinámica
permanente
01
of SSx
y
x
V
g
V
t
V
g
Onda
dinámica
01
x
y
x
V
g
V
t
V
g Onda de
gravedad
2.3 Esquemas de solución
2.3.1 Esquema implícito de 4 puntos El esquema ponderado de cuatro puntos o esquema
de Preissman, es un esquema robusto, simple y
compacto, permite ingresar diferentes intervalos de
distancia, las propiedades de estabilidad y
convergencia pueden ser convenientemente
modificadas, las condiciones de borde son fáciles de
aplicar y es un esquema implícito en el tiempo.
La malla de espacio-tiempo en este esquema, esta
representado por una región continua x-t, en el cual
se busca la solución de h y Q, y son representados por
una malla rectangular de puntos discretos como se
muestra en la Figura 1.
Figura 1. Dominio de la solución de x-t del
esquema implícito de 4 puntos.
El esquema de Preissmann es implícito, entre
líneas de tiempo, en la cual la derivada del tiempo se
aproxima por un promedio de la diferencia hacia
Cayo Ramos Taipe
An cient. 68(4) 2007, pp. 187-195 189
delante, centrado en el punto M entre i y i+1 a lo
largo del eje x, como se muestra en la y Ecuación 4.
j
j
i
j
i
j
i
j
i
tt 2
1
1
1
1
(4)
Donde θ representa cualquiera de las variables
dependientes o cantidades funcionales (Q, Sc, Sm, A,
Ao, q, h). Las derivadas espaciales son aproximados
al punto M por una diferencia hacia adelante,
localizadas entres dos líneas de tiempo adyacentes
ponderados por un factor θ y 1 – θ.
i
j
i
j
i
i
j
i
j
i
xxx
1
11
1 1 (5)
Los términos no derivados se aproximan
ponderando con el factor θ en el mismo nivel de
tiempo (punto M) donde la derivada espacial es
evaluada por.
2
1
2
1
1
1
1 j
i
j
i
j
i
j
i (6)
2.4 Modelación hidrológica - Hec Hms HEC-HMS es un modelo hidrológico desarrollado
por el Centro de Ingeniería Hidrológica (HEC), del
Cuerpo de Ingenieros de los Estados Unidos, que
simula el proceso de precipitación - escorrentía sobre
la superficie de la cuenca; representando la cuenca
como un sistema interconectado de componentes
hidrológicos e hidráulicos como las subcuencas, los
cauces y los reservorios.
Los resultados de la modelación de HEC-HMS
pueden ser usados como información de ingreso en la
formulación de la modelación hidráulico.
HEC-HMS dispone de las siguientes opciones para
simular el proceso de precipitación – escorrentía:
varias alternativas para la determinación de las
pérdidas, métodos agregados de transformación de la
escorrentía distribuida, opciones de tránsito
hidrológico y un sistema de optimización de
parámetros (HEC, 1999).
2.5 Modelación hidráulica - Hec Ras HEC RAS es un modelo hidráulico creado por el
Centro de Ingeniería Hidrológica. A partir del año
2000, HEC RAS ha incorporado un modelo de flujo
no permanente en la versión 3.1.3, la opción de flujo
no permanente corre el algoritmo UNET del
software.
Este componente del sistema de modelamiento de
Hec RAS, es aplicable para la simulación
unidimensional de flujo no permanente a través de
sistemas de redes de ríos. La solución de las
ecuaciones de flujo no permanente, fueron adaptadas
del modelo UNET del Dr. Robert L. Barkau (HEC
1997).
Para desarrollar un modelo de flujo no
permanente, se requiere tres archivos: el archivo de
información geométrica (Geometric Data), el archivo
de información de flujo no permanente (Unsteady
Flow Data) y el archivo de análisis de flujo no
permanente (Unsteady Flow Análisis).
3. Materiales y métodos
3.1 Área de estudio Cuenca del río Puyando, Tumbes.
El área de Estudio, comprende la cuenca del río
Puyango Tumbes presentada en la Figura 2, la misma
que se encuentra en la frontera con Ecuador.
Figura 2. Cuenca Puyando, Tumbes.
El cauce establecido para análisis de la simulación
numérica en flujo no permanente corresponde al
tramo más vulnerable a inundación y esta
comprendido entre la estación El Tigre y la
desembocadura, específicamente hasta 900m aguas
abajo de la ciudad de Tumbes.
3.2 Materiales y métodos
3.2.1 Datos de elevación digital SRTM
El mapa de Modelo de elevación Digital (DEM)
proviene de la Misión Topográfica de Radar SRTM
(Shuttle Radar Topography Mision). La misión
dispone información del 80% de la superficie de la
tierra, entre las latitudes 60° Norte y 56° Sur y los
tienen disponible para el publico en dos formas: 1 arc
sg (≈30m) para EEUU y 3 arc sg (≈90m) para las
regiones comprendidas entre las latitudes 60 °N y 56
°S.
3.2.2 Precipitación
Los datos de precipitación media fueron reunidos
de varias fuentes: SENAMHI; Proyecto Especial
Puyango Tumbes, INRENA y otros.
El análisis de la precipitación media en el área del
Proyecto se ha basado en los registros de las
estaciones de 37 años (1964-2001) existentes en la
cuenca y para la zona de influencia del fenómeno El
Niño, 14 estaciones.
3.2.3 Precipitación máxima de 24 horas
Simulación numérica de propagación de ondas de avenidas en el río Tumbes mediante el modelo UNET-HECRAS
190
Las estaciones que tienen información de
precipitación máxima de 24 h son las estaciones
Rica Playa, Puerto Pizarro, Los Cedros, El Salto y El
Tigre.
3.2.4 Información hidrométrica
En la estación El Tigre, se dispone de una serie de
registro que cubre el período 1963-2001, contándose
con información mensual, diaria e instantánea para el
caso de los caudales máximos.
3.2.5 Geometría del cauce
La geometría del cauce incluye la topografía del
cauce central y las planicies de inundación, el
alineamiento del curso del río, las secciones
transversales, la información de puentes, la
información de rugosidad.
En la Figura 3, compuesta por una imagen de
satélite Landsat y el levantamiento topográfico, se
aprecia las progresivas del río Tumbes, se distingue
la ciudad de Tumbes a 0+900 km, la quebrada San
Juan a 7+080 km, la quebrada Pampa de Hospital a
20+900 km y la estación de aforos el Tigre a 32+000
km.
0+900 km
0+000 km
7+080 km
31+000 km
11+300 km
16+900 km
20+700 km
24+900 km
28+900 km
Figura3. Ubicación de las progresivas en el río
Tumbes, imagen Landsat (der.) y dibujo cad
(izq.).
3.3 Modelamiento hidrológico
El modelo planteado, modelo determinístico,
permite calcular el hidrograma característico máximo
en la estación El Tigre usando eventos de
precipitación máxima extraordinaria ocurrida en la
zona de influencia durante el Fenómeno El Niño. Por
el tamaño de la cuenca (4 766.00 km2), la selección
de la distribución espacial y temporal es critico y
estará en función del tipo de tormenta.
3.3.1 Influencia del fenómeno del niño
La influencia se manifiesta por un aumento de las
temperaturas del aire y del océano, modificación de
los vientos y de las corrientes marinas y en
consecuencia un crecimiento considerable de las
precipitaciones, en la zona cercana al litoral en ella se
presenta una fuerte gradiente de precipitaciones hacia
el interior aproximadamente hasta la cota 1 600
msnm. Esto permite definir la zona de influencia de
la tormenta convectiva originada por el fenómeno El
Niño, según la delimitación de la cuenca a partir de la
Estación El tigre integra a las subcuencas R270W270
y R510W510 y todas las subcuencas ubicadas aguas
abajo de la estación El Tigre (ver Figura 4).
Figura 4. Área de influencia de la tormenta
convectiva local (sombra) y tormenta general
(blanco).
3.3.2 Análisis de la tormenta Para la construcción del modelo hidrológico se
tomo la tormenta mas severa ocurrida en la zona,
correspondiente al verano del año 1998 durante la
ocurrencia del Fenómeno El Niño, específicamente la
tormenta del día 8 de febrero, (220 mm) y un caudal
de 2570.0 m3/s en el río Tumbes, la misma que se
muestra en la Figura 5, tormenta e hidrograma
registrada en la estación pluviométrica El Tigre y
Estación hidrométrica también El Tigre.
Figura 5. Tormenta e hidrograma registrada en la
estación El Tigre.
La tormenta local es el resultado de un proceso
convectivo en el pacifico ecuatorial y para
representar el perfil de dicha tormenta, se aplicó el
modelo de tormenta adimensional del Servicio de
Conservación del Suelo (SCS) y se obtuvo el
histograma de la tormenta local, considerando la
tormenta como el Tipo III de SCS.
3.3.3 Modelamiento hidrológico - Hec HMS
Cayo Ramos Taipe
An cient. 68(4) 2007, pp. 187-195 191
El Sistema de Modelamiento Hidrológico (HEC
HMS) permite simular los procesos de precipitación-
escorrentía y obtener el hidrograma de avenida
característico. La definición del proyecto consta de:
Modelo de cuenca
El área total de la cuenca es subdividido en:
subcuencas desde la parte superior hasta la estación
de aforo El Tigre, como se muestra en la Figura 6.
El área de proyecto completo y la red de ríos
asociados, fueron configuradas en 9 unidades
vertientes o subcuencas y 13 tramos de cauce. A cada
tramo se le proporcionó números topológicos de tres
dígitos acompañado por la letra R y a las subcuencas
un nombre compuesto por números y letras asociados
al cauce ® y la cuenca (W) en forma secuencial.
Las pérdidas (loss determination), fueron
determinados según la metodología del SCS.
Para la transformación de escorrentía (runoff
transformation), se empleo el hidrograma de Snyder.
Figura 6. Modelo de cuenca e interconexión de
subcuencas.
Los parámetros son: el Snyder Estándar Lag Tp, el
cual está en función del tiempo pico (hr) y el Snyder
Peaking Coefficient Cp, que está en función del
máximo flujo, tiempo de pico y área de la subcuenca.
Tabla 1. Parámetros de las subcuencas e hidrograma Zinder.
Código Nombre Subcuenca Parámetros subcuenca Parámetros Hidrograma Snyder
L (ft) L (milla) Lc (ft) Lc (milla) Ct Tp (hr) Cp
R290W100 Calera y Amarillo portovelo 40816.4 7.7 19739.5 3.7 2.00 5.487 0.6
R320W230 Pindo AJ Amarillo 40246.6 7.6 17892.9 3.4 2.00 5.305 0.6
R450W350 Marcaveli 49400.3 9.4 19035.2 3.6 2.00 5.747 0.6
R410W310 Portovelo 54234.2 10.3 18758.3 3.6 2.00 5.884 0.6
R270W270 Tigre 56757.2 10.7 31285.6 5.9 2.00 6.954 0.6
R540W530 Linda Chara Puyango 41820.0 7.9 5579.1 1.1 2.00 3.783 0.6
R510W510 Puyango 46063.3 8.7 19736.6 3.7 2.00 5.689 0.6
R460W460 Pte Carretera(Puyango) 47177.8 8.9 14669.5 2.8 2.00 5.242 0.6
R690W690 Cazaderos 59565.3 11.3 11453.8 2.2 2.00 5.220 0.6
L = Longitud de cauce mas larga en la cuenca o subcuenca
Lc = Longitud axial hasta el centro de gravedad de la cuenca
Cp = Coeficiente del pico de Hidrograma de Snyder
Tp = Retardo estándar de Snyder (Lag)
Fuente: Elaboración propia.
Para el tránsito del hidrograma generado en las
subcuencas, a través de los cauces, se utilizó el
método de Muskingum, determinándose el mismo a
través de una relación establecida por Olivera (2000).
Tabla 2. Cálculo de parámetros de Muskingum.
Cauce Velocidad (m/s) Longitud (m) Ls/Vs θT (seg) Método tránsito Parámetros de Muskingum
n (subtramos) Ks X
R330 1.536864 12797.8 8327.215 900 Muskingum 4.0 2.3131 0.2
R400 1.489933 4897.3 3286.927 900 Muskingum 2.0 0.9130 0.2
R360 1.196423 19481.0 16282.705 900 Muskingum 7.0 4.5230 0.2
R410 1.100642 5712.4 5190.060 900 Muskingum 2.0 1.4417 0.2
R390 1.137031 7540.5 6631.743 900 Muskingum 3.0 1.8422 0.2
R450 1.458230 5597.7 3838.694 900 Muskingum 2.0 1.0663 0.2
R270 1.100642 36503.4 33165.540 900 Muskingum 13.0 9.2126 0.2
R460 0.974673 19996.8 20516.428 900 Muskingum 8.0 5.6990 0.2
R510 1.172847 18236.0 15548.490 900 Muskingum 6.0 4.3190 0.2
R560 0.094104 668.7 7105.998 900 Muskingum 3.0 1.9739 0.2
R540 0.804574 20905.4 25983.175 900 Muskingum 10.0 7.2175 0.2
R600 0.520278 13392.7 25741.449 900 Muskingum 10.0 7.1504 0.2
R590 0.939568 20997.7 22348.244 900 Muskingum 9.0 6.2078 0.2
Fuente: Elaboración propia.
Simulación numérica de propagación de ondas de avenidas en el río Tumbes mediante el modelo UNET-HECRAS
192
3.4 Modelamiento hidráulico El modelo hidráulico empleado para representar y
estudiar la propagación de la onda de avenida en el
cauce del río Tumbes, en el tramo comprendido entre
la estación Tigre y 900 m aguas debajo de la ciudad
de Tumbes es el modelo Hec Ras en su forma de
flujo no permanente.
3.4.1 Flujo base como condición inicial La condición inicial del modelo, expresa el
momento previo al ingreso de la onda de avenida en
el cauce del río. Con la información de los
hidrogramas anuales registrados en la estación Tigre
se obtuvo el valor de flujo base, igual a 21 m3/s.
3.4.2 Condición de borde aguas arriba La condición de borde aguas arriba es definida con
una onda de avenida de ingreso al sistema,
correspondiente al hidrograma resultante del
modelamiento hidrológico previo en el Hec HMS. El
hidrograma resultante, representa convenientemente
la respuesta de la cuenca en condiciones de influencia
del Niño, llegando a un caudal pico de 2 570 m3/s.
3.4.3 Condición de borde aguas abajo Las mareas en el río Tumbes forman remanso que
se desplazan aguas arriba hasta 33 km, desde la
desembocadura, es decir 15 km desde la sección cero
del tramo analizado.
Según el estudio de Macedo 1989, la influencia de
la marea a la altura del puente Tumbes, calculados a
partir de la marea en la desembocadura son los
mostrados en la Tabla 3.
Las mareas tienen un periodo principal de unas 12
horas 25 minutos, que equivalen a la mitad del
tiempo aparente de revolución de la Luna alrededor
de la Tierra. Esto significa que las sucesivas mareas
altas están separadas por unas 12.4 horas.
Tabla 3. Niveles de remanso en el río Tumbes por efecto de la marea.
Mes Bajamar Pleamar Fluctuación Mes Bajamar Pleamar Fluctuación
Desembocadura Remanso a la altura del puente Tumbes
Enero 0.237 1.609 1.330 Enero 3.235 2.776 0.449
Febrero 0.231 1.682 1.380 Febrero 4.802 3.958 0.824
Marzo 0.326 1.630 1.260 Marzo 4.766 4.154 0.592
Abril 0.332 1.587 1.245 Abril 3.956 3.518 0.415
Fuente: Elaboración propia.
3.4.4 Hidrograma lateral Los hidrogramas laterales (o salidas de los
tributarios) también constituyen una condición de
borde, que transita con una ecuación independiente,
lateral inflow (en ingles) (qL) en las ecuaciones de
continuidad y de momentum. En la cuenca del río
Tumbes no existe aforo de los hidrograma laterales,
que se determinó aplicando la metodología de la
SCS, de hidrograma unitario sintético triangular,
cuyas características se muestra en la Tabla 4.
Tabla 4. Tributarios al río Tumbes en la estación Tigre y el puente Tumbes.
Progresiva Tributarios Área (ha) Pp. máx. 24h (mm) Q. pico (m3/s) Tb Tp
28+900 Q.Higueron 2 624.32 220.0 18.7 2.25 0.84
24+900 Q.Carretas 854.30 220.0 6.1 0.73 0.27
22+900 Q.El Oidor 873.40 220.0 6.2 0.75 0.28
21+500 Q.Angostura 20 959.12 220.0 149.4 18.00 6.74
20+700 Q.Vaquería 3 044.93 220.0 21.7 2.62 0.98
18+500 Q.Francos 168.10 220.0 1.2 0.14 0.05
17+500 Q.Ceibal 3 395.41 220.0 24.2 2.92 1.09
17+300 Q.Urbina 1 526.57 220.0 10.9 1.31 0.49
16+900 Q.La Peña 551.56 220.0 3.9 0.47 0.18
13+900 Q.Plateros 378.24 220.0 2.7 0.32 0.12
11+900 Q.La Jardina 3 056.98 220.0 21.8 2.63 0.98
11+300 Q.Cabeza de Toro 13 007.30 220.0 92.7 11.17 4.18
10+500 Q.San Juan 1 011.13 220.0 7.2 0.87 0.33
10+100 Q.Los Cristales 675.39 220.0 4.8 0.58 0.22
5+880 Q.Urcos 886.82 220.0 6.3 0.76 0.29
3+980 Q.Corrales 2 219.95 220.0 15.8 1.91 0.71
T O T A L : 55 233.52 220.0 393.795
Fuente: Elaboración propia.
3.4.5 Factores de resistencia de borde La variación de la superficie de agua a lo largo del
río es una función de la rugosidad del borde y
requiere energía para vencer la fricción en su
desplazamiento, el coeficiente n de Manning
estimado en campo, es el más importante coeficiente
de fricción. Los coeficientes de expansión y
contracción que influyen en las fuerzas de fricción se
determinaron tomando como referencia de U.S. Army
Corps of Engineers (1990).
Cayo Ramos Taipe
An cient. 68(4) 2007, pp. 187-195 193
3.4.6 Modelamiento hidráulico en flujo no
permanente - Hec RAS a. Información geométrica
Las secciones transversales del río, configuran la
geometría del cauce. Las secciones transversales del
río tumbes fueron tomados de levantamientos
topográficos desarrollados por el proyecto especial
Puyango-Tumbes. La información contiene las
coordenadas x y z para formar el perfil en
localizaciones especificas a lo largo del río, las
estructuras hidráulicas como puentes y los factores de
resistencia.
b. Información de flujo no permanente
La condición inicial contiene el caudal inicial para
todos los tramos del sistema. La condición de borde
aguas arriba es una serie de tiempo de caudales,
compuesto por el hidrograma de escorrentía directa
resultante del modelo hidrológico desarrollado para la
cuenca Puyango Tumbes. (Ver Figura 7)
Figura 7. Ingreso de la onda de avenida calculado
con Hec Hms.
La condición de borde aguas abajo esta descrito
por la influencia de la marea del golfo de guayaquil,
en el río Tumbes a la altura del puente Tumbes, los
niveles de agua varían en forma oscilante desde un
mínimo de 3 958 hasta y un máximo de 4 802 msnm,
correspondientes al mes de febrero. (Ver Figura 8)
Figura 8. Ingreso de la influencia de la marea
como condición de borde aguas abajo.
Además, el tramo en estudio esta influencia por la
presencia de 16 tributarios que contribuyen con un
ingreso de hidrogramas laterales, como se muestra en
la Figura 9.
Figura 9. Ingreso de hidrogramas laterales.
El tiempo base de los hidrogramas varían de 18 h
hasta 0.14 horas, considerando el tiempo pico a los
½.67 del tiempo base según las especificaciones del
SCS.
En las subcuencas pequeñas con tiempo base
pequeño, fue necesario reacomodar la información
del hidrograma triangular, de manera que se pueda
ampliar el tiempo base y disminuir el caudal pico,
conservando la masa transitada en el cauce, para
obtener tiempos mayores al intervalo de tiempo
analizado.
c. Análisis de flujo no permanente
El análisis de flujo no permanente establece las
condiciones especificadas por el usuario para la
simulación del flujo no permanente. El modelador
ingresa el inicio y el final del tiempo de simulación y
establece las condiciones de simulación del algoritmo
UNET, esto incluye el intervalo de cálculo, intervalo
del hidrograma de salida y el intervalo instantáneo
del perfil. El intervalo debe ser menor o igual al
intervalo de simulación.
El plan mostrado en la Figura 5, usa 30 min de
intervalo de tiempo, el rango de simulación es de 8 de
febrero (00 h 00) a 9 de febrero (24 h 00) de 1998 (48
horas de tiempo de duración). El hidrograma de
salida esta definido con 2 horas de intervalo de
tiempo.
4. Resultados y discusión
4.1 Resultado del modelo hidrológico
4.1.1 Resolución espacial y temporal Las resoluciones temporales de la tormenta general
y local fueron seleccionadas en un intervalo de
tiempo de 15 min. Esto fue necesario para satisfacer
los requerimientos del retardo de las sub-cuencas más
pequeñas así como de los tramos de cauce pequeños
para el tránsito de la onda.
4.1.2 Calibración El modelo es calibrado usando los datos registrados
de precipitación-escorrentía para la inundación de
febrero de 1998 que produjo inundación severa en
todo el valle de Tumbes, los valores registrados en la
estación el Tigre son: 2 570 m3/s como valor máximo
el 9 de febrero, 1 599 m3/s el día 8 de febrero y 984.5
m3/s el 10 de febrero.
Simulación numérica de propagación de ondas de avenidas en el río Tumbes mediante el modelo UNET-HECRAS
194
Figura 10.
4.1.3 Hidrograma resultante El hidrograma resultante representa el hidrograma
característico para la cuenca del río Tumbes, cuando
es receptora de tormentas convectivas en la parte baja
de la cuenca durante el periodo de influencia del
fenómeno de El Niño.
El hidrograma se muestra en la Figura 11.
Figura 11. Hidrograma de avenida para la cuenca
del río Tumbes.
4.2 Resultado del modelo hidráulico
4.2.1 Resolución espacial y temporal ∆x para el modelamiento del río Tumbes resulta ser
variable y se definió principalmente considerando los
cambios en las secciones y la presencia de
singularidades en el tramo analizado, resultando
valores variables de un máximo en el canal central de
400 m y mínimo de 10 m haciendo un promedio de
143.9 m.
La selección del intervalo de tiempo está
gobernada por la siguiente ecuación:
M
Tt r
Donde M es un número exacto y varía de 5 a 30.
Si Tr = 18 h y M = 25 entonces ∆t = 0.72 h = 43.2
min ≈ 1 h.
Partiendo de este valor (1 h) se procedió a simular,
con valores variables de ∆t hasta encontrar el mejor
valor igual a 30 min.
4.2.2 Estabilidad y convergencia La simulación segura depende grandemente del
valor adecuado de θ (factor de peso). En la práctica,
un valor optimo de θ que asegure la estabilidad y
convergencia es muy difícil, sin embargo es
recomendable comenzar la calibracion de con
valoresde θ en el rango de 0.5 ≤ θ < 1, el valor mas
adecuado resulta θ = 0.66, valor que permite evitar
los saltos numéricos (Cunge, 1975) y para el caso del
presente modelamiento θ = 0.6, reporta los mejores
resultados.
4.2.3 Calibración De acuerdo al cuerpo de ingenieros de EEUU, en el
proceso de calibración se acepta hasta una diferencia
de 1% en el valor del caudal y en términos de altura
de agua es aceptable una diferencia de ± 20 cm (1
pie) entre el nivel de agua registrado y el nivel de
agua calculado.
El nivel de agua para la comparación se encuentra
ubicada en el puente Tumbes (progresiva 0+900 m),
nivel de agua más alto 7.3 m. marca de agua
registrada para la onda de avenida que paso por dicha
sección de control el día 9 de febrero de 1998.
El modelo fue calibrado a través de un proceso
iterativo de variación del parámetro de resistencia al
flujo, n de Manning, hasta conseguir satisfacer los
resultados esperados del modelo. Se llegó a obtener
el valor de 7.19 m como valor de la superficie de
agua de la onda transitada, encontrándose en
consecuencia un error de 0.11 m con respecto a la
sección de control.
4.2.4 Perfil resultante La simulación del modelo hidráulico en flujo no
permanente del río Tumbes, permitió obtener el perfil
de superficie de agua mostrado en la Figura 12, los
perfiles longitudinales y las secciones transversales,
en ellas se aprecia los niveles de agua resultantes.
La inundación es general entre la sección aguas
abajo y la progresiva 10+100 km, sin comprometer el
puente Tumbes, sin embargo las márgenes son
desbordados, especialmente la margen izquierda que
es la mas critica y con mayor altura de inundación.
La atenuación del hidrograma se puede apreciar en
la Figura 13, en ella se aprecia el hidrograma de
ingreso en la sección 31+000 m con un caudal pico
de 2570 m3/s y el hidrograma de salida en la sección
0+900 m.
2400 0600 1200 1800 2400 0600 1200 1800 240008Feb1998 09Feb1998
-500
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
RIO TUMBES EL TIGRE-PTE.TUM
01FEB1998 30MIN FINAL
Hidrograma Ingreso y salida Estaciones: 31000 y 900
Time
FLO
W (
M3/S
)
Legend
31000 30MIN
900.1 30MIN
Figura 12. Hidrograma de ingreso en la sección
31000 y de salida en la sección 900.
Cayo Ramos Taipe
An cient. 68(4) 2007, pp. 187-195 195
Figura 13. Perfil de superficie de agua para flujo
máximo.
5. Conclusiones
1. El modelo hidrológico para generación de
eventos extremos en la cuenca del río Tumbes se
desarrolló considerado la influencia del Fenómeno El
Niño, y las características climatológicas dominantes,
para representar mejor la tormenta convectiva local
causante de las avenidas.
2. El modelamiento hidráulico de cauces naturales
en flujo no permanente, permite estudiar con mayor
grado de exactitud los niveles de superficie de agua y
las características hidráulicas del flujo en cada
sección transversal del río.
3. El modelo hidráulico Hec Ras 3.1.3 presenta un
completo análisis para la simulación de ríos en flujo
no permanente, en ella la geometría es representada
en coordenadas X, Y y Z. pudiendo extraerse la
geometría de la composición del Modelo de
Elevación Digital de Terreno (DEM) en formato TIN,
empleando la extensión Hec Geo Ras para ArcView
3.x o para ArcGis 8.x. La condición de borde puede
ser exportado directamente de un modelo hidrológico
como Hec Hms.
4. Para el hidrograma ingresado con un caudal pico
de 2 570 m3/s. se presenta inundaciones generalizadas
entre las secciones 10+100 al 0+980, zona donde se
encuentra la mayor parte de las áreas de riego y la
ciudad de Tumbes.
5. Se debe tomar mucho cuidado para la ubicación
de diques de protección en el río Tumbes debido a
que presenta una sección insuficiente para transitar
las ondas de avenida, lo que puede generar
desbordamientos mas severos y procesos de
socavación mas intensos así mismo la intensificación
de la dinámica evolutiva del remanso. Una alternativa
viable resultaría la habilitación de causes alternos que
funcionarían como aliviaderos naturales diseñados
para funcionar para caudales con frecuencia muy
bajas, por ejemplo caudales de 500 y 1 000 años de
periodo de retorno.
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An cient. UNALM 68(4), 2007 Recibido: 17/09/2007
ISSN 0255-0407 Aceptado: 25/10/2007
Evaluación del comportamiento físico mecánico del adobe estabilizado con cal
y goma de tuna
Carlos Bravo A. 1, Jocelyn Romsay
2
Resumen
La presente investigación pretende evaluar el comportamiento físico mecánico del adobe estabilizado con cal y
goma de tuna, alternativa de estabilización natural y económicamente viable y que permiten la auto construcción en
gran parte del Perú. Para ello se seleccionó un suelo adecuado y se elaboraron testigos sin estabilizar y estabilizados
con cal y goma de tuna, en proporciones, respecto al peso del suelo seco, de 2%, 5% y 8% y 1.5%, 3% y 5%
respectivamente. A manera de evaluar el comportamiento de cada uno de los tratamientos, luego de un mes de
secado, los testigos fueron sometidos a las pruebas de variación de dimensiones, resistencia a la compresión,
absorción, humedecimiento y secado y erosión. EI análisis de resultados se realizo mediante las pruebas estadísticas
de análisis de varianza, Duncan y Dunnett. Luego de evaluar los resultados obtenidos, compararlos entre si y con las
Normas vigentes en el Perú, se concluyo:
- La goma de tuna, como estabilizante, no otorga mejoras significativas a las propiedades físico- mecánicas del
adobe.
- Por el contrario, la estabilización con cal mejora considerablemente, todas las propiedades evaluadas de
resistencia y durabilidad del adobe.
Sería recomendable seguir con las investigaciones del uso de la cal en la estabilización del adobe, a modo de
comprobar el incremento de la resistencia a la fuerza compresiva con el tiempo, aspecto que no pudo ser evaluada en
la presente investigación. Es importante, además, investigar otras tecnologías que mejoren las condiciones de
vivienda del adobe en el Perú, considerando su viabilidad económica y realidad socio-cultural de la población; y
difundir, en el país, tanto las continuas mejoras como las obtenidas anteriormente en el Perú y el mundo.
Palabras clave: Adobe, estabilizado, cal, goma de tuna.
Abstract
The present investigation seeks to evaluate the mechanical physical behavior of the adobe stabilized with cal and
tuna rubber, alternative of natural and economically viable stabilization and that they allow the self construction in a
large part of the Peru. For it was selected it an appropriate floor and witness were elaborated without stabilizing and
stabilized with lime and tuna rubber, in proportions, regarding the weight of the dry floor, of 2%, 5% and 8% and
1.5%, 3% and 5% respectively. By way of evaluating the behavior of each one of the treatments, after a month of
drying, the witness were subjected to the tests of variation of dimensions, resistance to the compression, absorption,
wetting / drying and erosion. After evaluating the obtained results, to compare them among if and with the effective
Norms in the Peru, you concludes:
- The tuna rubber, doesn’t grant significant improvements to the physical - mechanical properties of the adobe.
- On the contrary, the stabilization with cal improves considerably, all the evaluated properties of resistance and
durability of the adobe.
Serious advisable to continue with the investigations of the use of the cal in the stabilization of the adobe, by way of
checking the increment from the resistance to the compresive force along the time, aspect that could not be
evaluated in the present investigation. It is important, also, to investigate other technologies that improve the
conditions of housing of the adobe in the Peru, considering their economic viability and the population’s socio-
cultural reality; and to diffuse, in the country, as much the continuous improvements as those obtained previously in
Peru and the world.
Key words: Adobe, stabilization, lime, tuna rubber.
1. Introducción
La tierra es, probablemente el más antiguo de los
materiales de construcción que el hombre ha
utilizarlo a nivel mundial. Este material se usa desde
hace más de 8 000 años y aparece, en su forma más
primitiva dentro de las diversas culturas
prehispánicas de América del Sur hace ya 3 800 años.
EI Perú tiene una cultura en construcción con
adobe que viene desde la época preincaica, ejemplos
que dan testimonio de ella son los restos
arqueológicos de Chan Chan en la costa norte
(Trujillo) y San Pedro de Racchi en la Sierra (Cuzco),
donde se puede ver claramente el interés que tuvieron
1 2 Facultad de Ingeniería Agrícola, Universidad Nacional Agraria La Molina. Lima, Perú. E-mail: [email protected]
nuestros antepasados en mejorar continuamente la
tecnología, tanto en la elaboración, como en el
proceso constructivo de sus estructuras de adobe.
En la actualidad, los altos costos de edificación, el
bajo ingreso per cápita de algunos sectores de nuestra
población y el déficit habitacional en el que vivimos
hacen que la construcción con adobe sea una
posibilidad viable, para un gran porcentaje de
peruanos.
Esto, se ve intensificado por la tradición de
construcción con tierra que hemos heredado de
nuestros antepasados y hace que la construcción con
adobe sea tan importante hoy en día; sobretodo en
países donde gran parte de la población vive en
extrema pobreza, como es el caso del Perú.
Carlos Bravo A., Jocelyn Romsay
197
La utilización del adobe, como material de
construcción, es un hecho evidente, y continuara
siéndolo por mucho tiempo en nuestro país. La
vivienda de adobe representa una alternativa técnica
y económicamente viable en el medio rural, donde
alrededor del 70% de las viviendas son construidas
con adobe. Sin embargo, se han perdido las técnicas
constructivas que tenían nuestros antepasados;
mostrándose una durabilidad cada vez mas baja del
material, en las construcciones recientes.
Además, el adobe como material de construcción,
tiene serie de ventajas sobre otros materiales; como
su capacidad de almacenamiento de calor,
aislamiento acústico, balance de humedad relativa,
bajo consumo de energía durante su función y la
posibilidad de autoconstrucción, entre otras.
Desde muchos años atrás, instituciones como el
National Bureau of Standards (USA), el Central
Building Research Institute (USA), el CRATerre
(Francia), el Programa COBE (Perú), el International
Institute of Housing Technology (USA), entre otras;
vienen realizando una serie de investigaciones
relacionadas con la mejora de las propiedades físico -
mecánicas del adobe. Sin embargo, la mayoría son
soluciones costosas que encarecen las construcciones,
como el uso de cemento Pórtland, soluciones
bituminosas, productos sintéticos o productos
comerciales especializados.
En la presente investigación se pretende evaluar el
comportamiento físico mecánico del adobe
estabilizado con cal y con goma de tuna, alterativas
de estabilización natural y económicamente viable
que han sido poco estudiadas.
El trabajo plantea como objetivo general:
- Evaluar el comportamiento físico - mecánico del
adobe estabilizado con cal o con goma de tuna,
mediante ensayos de resistencia a la compresión,
humedad y acción de desgaste producido por el agua.
Mientras que los objetivos específicos son:
1. Evaluar el grado de deformación, durante el
secado, de los adobes sin estabilizar y estabilizados
con cal y goma de tuna.
2. Evaluar la resistencia a la fuerza compresiva del
adobe sin estabilizar y estabilizado con cal y goma de
tuna.
3. Evaluar el porcentaje de absorción, ante una
humedad relativa máxima, del adobe sin estabilizar y
el estabilizado con cal y goma de tuna.
4. Evaluar el porcentaje de desgaste del adobe sin
estabilizar y el estabilizado con cal y goma de tuna,
ante uno y cinco ciclos de humedecimiento y secado.
5. Evaluar el porcentaje de desgaste del adobe sin
estabilizar y el estabilizado con cal y goma de tuna,
durante un proceso de erosión hídrica.
2. Revisión de literatura
2.1 Antecedentes Existen varias investigaciones, dirigidas a la
selección adecuada de los suelos y mejora de los
procesos de fabricación, así como la estabilización
del adobe en el Perú y el mundo.
Instituciones mundiales como la UNESCO, AID2,
GTZ3 y CRATerre, entre otras vienen investigando
estos aspectos desde los años 50, con el objetivo de
mejorar la calidad de las construcciones de adobe.
En nuestro país, luego del terremoto de mayo de
1940; según explica Monzón el Ministerio de
Fomento y Obras Publicas, viendo las repercusiones
que tuvo este desastre natural en las edificaciones de
adobe, emitió una Resolución Suprema prohibiendo
el uso del Adobe. Sin embargo, a pesar de la
prohibición se seguía construyendo con este material
e incluso instituciones como el Ministerio de
Educación lo seguían recomendando para la
construcción de escuelas.
Años más tarde, a raíz del terremoto del 70, se
establece un importante proyecto de Construcción
con Bloque Estabilizado (COBE) del Ministerio de
Vivienda Perú, en cooperación con la UNI en su
primera etapa y con el ININVI en la segunda.
Luego, en 1972 el Programa COBE colabora con el
instituto Internacional de Tecnología de la Vivienda
de California y la Universidad del Estado de
California en Fresno para la realización de
investigaciones relacionadas con la estabilización del
adobe utilizando asfalto RC-250 y estableciendo una
serie de ensayos.
Como resultado de estas investigaciones, el
Instituto Internacional de Tecnología de la Vivienda
publica, en 1972, una guía para la fabricación de
bloques estabilizados con asfalto en la que describe,
además del procedimiento de fabricación adecuado,
las pruebas propuestas para evaluar su calidad. En el
Perú dos años después, el Programa COBE hace lo
mismo, detallando los ensayos utilizados de modo
más preciso; y realiza una sistematización de la
tecnología constructiva mejorada, que difunde,
incluyendo las mejoras estructurales logradas por la
UNI con la adición de caña de refuerzo. Además, este
programa se encarga de construir grupos de viviendas
aplicando las mejoras en zonas como Nepeña (COBE
I) y Cayalti (COBE II).
Luego, el Programa COBE, en colaboración con la
AID, la Universidad Nacional de Ingeniería, la
Pontificia Universidad Católica del Perú, la
Universidad Pedro Ruiz Gallo, el Banco de Vivienda
del Perú, y el ITINTEC6; por medio de la Resolución
Directoral 040-79-ITINTEC-DG-DN del 20 de
febrero de 1979, formaliza las normas referentes a los
“Elementos de Suelos sin Cocer – Adobe
Estabilizado con Asfalto para Muros” en sus tres
partes: Requisitos (Norma 331.201), Métodos de
Ensayo (Norma 331.202) y Monitoreo y Recepción
(Norma 331.203).
En 1985, se establece la Norma Adobe - Código E-
080, por medio de la Resolución Ministerial 285-VC-
9600, que figura en el Reglamento Nacional de
Construcciones desde ese entonces.
Después de 1985, son pocas las investigaciones
dirigidas a la estabilización del adobe o temas afines.
Se podrían mencionar las investigaciones de la
Pontificia Universidad Católica del Perú sobre
Preservación de adobe en zonas lluviosas, dirigidas a
Evaluación del comportamiento físico mecánico del adobe estabilizado con cal y goma de tuna
An cient. 68(4) 2007, pp. 196-207 198
mejorar los enlucidos de la construcción utilizando
productos naturales como: tuna, plátano y algarrobo.
Además, los trabajos de la Universidad del Cuzco
dentro de Convenio UNSAAC-NUFFIC y los
trabajos de CRATerre en la sierra peruana.
2.2 El Adobe
2.2.1 Generalidades Según comentan Houben y Guillaud, desde que el
hombre aprendió a construir casas, la tierra ha sido,
sin lugar a dudas, el material mas usado en el mundo.
La tierra, utilizada en una variedad de formas en la
construcción, es probablemente el más común y
antiguo de los materiales de construcción. Se estima
que en la actualidad, alrededor del 30% de la
población mundial vive en casas de este tipo, y cerca
del 50% en países en vías de desarrollo.
Según lo indican Webb y Fernández en el “Perú en
números 1999-2000”, 40,09% del total de viviendas
de nuestro país, y el 70,83% de las viviendas del
ámbito rural son de adobe.
En el caso de nuestro país, Vildoso afirma que
“...el adobe es el material mas importante de la
vivienda peruana, especialmente la andina,...y refleja.
Actualmente una realidad básicamente campesina,
constituyéndose en el material alternativo para estos
sectores... EI peso de este material es tal que
podemos señalar que por muchos años seguirá siendo
primordial, desplazando a otros materiales menos
“nobles”.
En los últimos años el adobe ha ido perdiendo
confiabilidad desde el punto de vista tecnológico,
debido a los procedimientos de fabricación de los
bloques y procedimientos constructivos inadecuados
que se han venido utilizando. Sin embargo, las
construcciones de nuestros antepasados son evidencia
de la durabilidad de este material: como la ciudadela
de Chan Chan, las ruinas de Pachacamac, Paramonga,
San Pedro de Cacha. Estas reliquias de la
construcción, se mantienen hasta nuestros días. Según
lo indican Arriola y Esquivel, las ruinas de San Pedro
de Raccha permanecen “sin haber sido reducidas por
el intemperismo de los siglos y sin desestabilizarse, a
pesar de los innumerables sismos que soportó”.
2.2.2 Definición El adobe, como comúnmente lo conocemos, es el
bloque moldeado a mano, echo de barro y secado al
sol, que se utiliza en la construcción de viviendas y
edificaciones.
Reglamento Nacional de Construcciones en su
Norma de Adobe lo define como un “bloque macizo
hecho de barro sin cocer y eventualmente un
componente como paja, ichu, etc. “
2.2.3 Fabricación de adobes Selección del suelo
El tipo de suelo que se utilice en la fabricación de
adobes es determinante en la calidad final del
material, es por ello que se debe tener especial
cuidado en la selección del mismo.
La mayoría de autores coinciden en que no deben
emplearse suelos agrícolas o mal drenados; en el
primer caso por su alto contenido de materia orgánica
y en el segundo por el elevado contenido de sales.
Generalmente, en los suelos se acumula materia
orgánica en la parte superior y se incrementa el
contenido de sales conforme se va descendiendo. Es
por esto que Hartkopf recomienda que la profundidad
de extracción se mantenga entre 60 y 90 cm. para la
fabricación de adobes.
La presencia de materia orgánica, en exceso, hace
que los adobes se contraigan, tengan baja resistencia
a la compresión, y poca duración ante la humedad.
(Ministerio de Vivienda y Construcción). Es por esto
que Doat recomienda que su contenido no se eleve
más allá del 3%.
Por otro lado, según Hartkopf, el alto contenido de
sales, ocasiona que los adobes tarden mas en secar y
presenten una desintegración progresiva debido a que
las sales reaccionan químicamente o se disuelven con
el agua, creando vacíos o porosidad. Es por esto que,
al igual que Morales, Cobe, Doat, y el Instituto
Internacional de Tecnología de la Vivienda,
recomienda que el contenido máximo sea de 0,2%.
Sin embargo, otros autores como Olarte consideran
que este puede ser permisible hasta un 2%.
Además, de los dos aspectos anteriores, se debe
considerar la distribución del tamaño de partículas
del suelo, ya que el porcentaje en peso, del contenido
de arena y arcilla deben mantener una relación entre
si.
La arcilla es el material ligante que cementa las
partículas mas grandes del suelo y la cantidad de este
componente debe ser suficiente para cubrir las
partículas gruesas con una delgada capa. Un suelo
demasiado arenoso resultara en adobes que se
desmenucen con facilidad y, por el contrario, uno
demasiado arcilloso da como resultado adobes
deformes y agrietados. En general, es considerado un
suelo de “buena calidad”, aquel que contiene entre 50
y 75% de arena.
Nacarino recomienda utilizar un suelo con un
contenido de arena que fluctúe entre el 50% y 60% en
peso, y entre 50% y 10% de limo y arcilla en
conjunto.
Otros autores, como el Instituto Internacional de
Tecnología de la Vivienda, COBE y Morales &
Bautista afirman que el contenido ideal de arena es de
55% a 75%, entre 25% y 45% de limo y arcilla en
conjunto y entre 15 y 17% de arcilla.
En cuanto al tamaño máximo que deben tener las
partículas del suelo, Morales recomienda tamizar el
suelo utilizando el tamiz Nº 4, para eliminar
impurezas y no tener un elevado contenido de grava.
Nacarino recomienda que se eliminen por completo
las gravas (con diámetro mayor a 0.5 cm), mientras
que la Universidad Nacional de San Antonio de Abad
del Cuzco considera que debería mantenerse un 5%
de grava.
Son muchos los autores que han establecido las
características que debe de tener un suelo para poder
utilizarlo en la fabricación de adobes, algunos
discrepan en ciertos aspectos y coincide otros; pero,
Carlos Bravo A., Jocelyn Romsay
199
el “suelo ideal” no varia drásticamente de un autor a
otro.
Los ingenieros Manuel Morales y Florencio
Bautista, expusieron en el X Congreso Nacional de
Ingeniería Civil los resultados que obtuvieron de su
investigación “EI comportamiento del Adobe de
Ayacucho”, estableciendo una serie de características
que debe tener el “suelo ideal” para la fabricación de
adobes.
Estas condiciones se muestran a continuación:
Contenido de arena 55 - 75%
Contenido de limo y arcilla 25 - 45%
Contenido de arcilla 15 - 75%
Contenido máximo de materia
orgánica
0,3%
Limite liquido 20 - 40%
Limite plástico Menor a
20%
Hidratación previa
Muchos autores, como ININVI, PUCP, Vargas,
Nacarino y Hartkopf entre otros, recomiendan
hidratar el suelo; es decir, mezclarlo saturándolo, y
dejarlo reposar o “dormir” de uno a tres días antes de
moldear los adobes. A este proceso, que mejora la
Trabajabilidad del suelo, disminuye el agrietamiento
durante el secado y mejora las características del
adobe, se le conoce como la hidratación previa,
“fermentación” o “podrido” del suelo.
Como menciona Nacarino, el objetivo de la
hidratación previa de la mezcla es saturar las
partículas arcillosas y deshacer completamente los
terrones para asegurar que la arcilla desarrolle su
poder cohesivo. Además, Hartkopf añade que se cree
que este proceso produce un efecto bacteriano que al
fermentar el suelo se forma una sustancia gelatinosa
que confiere al suelo una mayor cohesión,
aumentando las propiedades de aglutinamiento.
Moldeado
Contenido de humedad óptimo
EI contenido de humedad óptimo es la cantidad de
agua requerida para “lubricar las partículas del suelo
y permitirles desplazarse al interior de la masa”
como lo define Bardou. Para que las partículas del
suelo puedan desplazarse y redistribuirse
adecuadamente deben tener suficiente agua, y esta no
debe usarse en exceso ya que si es así, el suelo no
presentara cohesión suficiente.
Cada tipo de suelo tiene un óptimo contenido de
humedad, al cual podrá ser compactado con una
energía determinada y llegar a obtener la mayor
densidad posible. En el caso de los adobes, como en
el de todos los materiales de tierra sin cocer, este
aspecto es muy importante, ya que la calidad final se
va a modificar si se varia, durante el moldeo, el
contenido de humedad del suelo.
Varios autores, en sus publicaciones, dan
recomendaciones respecto a este aspecto. Por
ejemplo, Middleton dice que el óptimo contenido de
humedad se encuentra entre 14 y 20% respecto al
peso del suelo seco, Kern recomienda tenerlo entre
15 y 18% y Guillaud entre 15 y 30%.
Lo cierto es, que el óptimo contenido de humedad
varia de un suelo a otro, y que se sabe que este va
decreciendo conforme aumenta el contenido de
arcilla, siempre es necesario evaluarlo, en cada caso,
antes de iniciar la fabricación de los bloques. Sin
embargo, podemos partir del hecho que este
contenido de humedad se encuentra entre el limite
liquido y el limite plástico del suelo, tal como lo
aseguran Nacarino y Bardou. Además, la AID indica
que la proporción de agua optima esta muy cercana al
estado de consistencia plástico del suelo.
Procedimiento de moldeado
Una vez preparada la mezcla, el moldeo de los
adobes es bastante sencillo. Se introduce el material,
tirándolo con fuerza al molde previamente mojado.
Luego se presiona, prestando especial atención a las
esquinas y se enrasa en la parte superior. Finalmente,
se desmolda y deja secar. Para empezar a preparar un
nuevo adobe, se deberá lavar el molde
cuidadosamente.
Para el moldeo pueden utilizarse gaveras de
diversas dimensiones, considerando el peso óptimo
para el transporte del bloque, el aislamiento térmico y
resistencia de la mampostería. La PUCP, por
ejemplo, recomienda tres tamaños de adobe:
30x30x12.5, 40x40x17 y 50x50x22.
Además, las gaveras pueden ser con o sin fondo.
Según lo indicado por Nacarino los adobes
moldeados en gaveras con fondo, alcanzan
densidades mayores, siendo más resistentes, más
presentables y de mejor rendimiento general.
Secado
Una vez terminados, Nacarino, el Instituto
Internacional de Tecnología de Vivienda, EI Paso
Solar Energy Association y Middleton, entre otros,
recomiendan dejarlos de 2 a 3 días en el mismo lugar
de preparación, y luego colocarlos de canto y bajo
sombra durante 30 días más para que seque.
Otros autores, recomiendan no utilizar los adobes
hasta que lleguen a un contenido de humedad de
entre 2,5 y 4% respecto al peso del suelo seco.
Pulido
La labor del pulido de la cara exterior de las
paredes de adobe, que se acostumbra en algunas
zonas rurales, le da al material un mejor acabado que
lo hace más resistente ante los agentes erosivos.
Según explica Heredia, para el pulido del adobe,
deberá frotarse los especimenes con una piedra de
granito u alguna otra de superficie áspera, luego se
deberá humedecer y proceder a frotar con una piedra
de superficie lisa, como el basalto, por ejemplo.
Las fisuras en el adobe originan zonas débiles
donde se concentran los daños y el deterioro causados
por la lluvia y el viento. AI pulir la cara exterior del
bloque, damos un acabado liso, sellando estas fisuras
y otros espacios vacíos; es por, que los adobes
alcanzan una durabilidad mayor.
2.2.4 Estabilizado Generalidades
De acuerdo con Gate, el bloque de adobe no
estabilizado, tiene una serie de debilidades que
Evaluación del comportamiento físico mecánico del adobe estabilizado con cal y goma de tuna
An cient. 68(4) 2007, pp. 196-207 200
pueden traer problemas bastante serios a las
edificaciones. Entre las más importantes están: La
absorción de agua excesiva, la mala resistencia a la
abrasión y al impacto, la baja resistencia a la tracción.
Estos problemas pueden ser resueltos de dos
maneras: adaptando los diseños arquitectónicos de la
edificación de acuerdo a las exigencias del adobe, lo
cual se puede hacer solo en ciertos casos muy
específicos, y/o mejorando los bloques de adobe,
morteros y enlucidos.
La cohesión del suelo está esencialmente asegurada
por su contenido de arcilla, pero su capacidad de
aglomerante decrece significativamente cuando esta
se pone en contacto directo con el agua.
Adicionalmente, de acuerdo a GATE, la arcilla se
expande al estar en contacto con el agua, ocasionando
movimientos en la estructura de tierra. Es por esto,
que se considera como un aglomerante natural,
económico, pero inestable.
Existen varios tipos de arcillas, entre las
principales están: la kaolinita, que es relativamente
estable; ilita, que tiene una estabilidad media; y la
montmorillonita con la mayor sensibilidad al agua. El
comportamiento de cada tipo de arcilla esta dado a su
estructura mineralógica y particularmente a sus
capas, que son los elementos básicos. EI grado de
adherencia y el nivel de esta esta determinado por la
estructura de sus capas.
Definición
Gate, al igual que el Código de Construcción de
Nuevo México, definen la estabilización como un
proceso técnico, que tiene como objetivo neutralizar,
o por lo menos restringir el desgaste de las arcillas
presentes y, de ese modo, reducir la sensibilidad que
tiene el suelo frente al agua. Por otro lado, el
Reglamento Nacional de Construcciones define al
adobe estabilizado como aquel al que se le ha
incorporado otros materiales (asfalto RC-250, goma
de tuna, etc.) con el fin de mejorar sus condiciones de
estabilidad ante la presencia de humedad.
En ambos casos, el estabilizado es un proceso que
mejora la resistencia del adobe ante la humedad. Sin
embargo, otros autores como Cobe y Aid, definen la
estabilización como el mejoramiento de una o más
propiedades del suelo para cumplir determinado fin.
Para Houben y Guillaud, “la estabilizaci6n de un
suelo implica la modificación de las propiedades del
suelo-agua-aire para obtener propiedades duraderas
que sean compatibles con una aplicación particular”.
En todos los casos, se define la estabilización del
adobe como un proceso que mejora la calidad,
actuando sobre alguna de sus propiedades.
Procedimientos de estabilización Según explica Gate, existen dos tipos de
estabilización principales: La estabilización física y la
físico-química La primera puede lograrse corrigiendo
el suelo a utilizar adicionando cierto tamaño de
partículas, o compactando la mezcla de tal modo
durante la preparación, que disminuyan los espacios
vacíos que agravan el efecto del agua. La segunda se
produce cuando se afectan las características de las
capas de las arcillas directamente, durante el proceso
de elaboración, mediante la adición de un
estabilizante.
Según Gate, ningún método de estabilización
impide el uso de otro; por el contrario, los bloques de
tierra de mayor resistencia son resultado de un uso
racional de varios métodos de estabilización.
Modos de estabilización
Según explican Houben y Guillaud existen seis
principales modos de realizar una estabilización.
1. Estabilización por densificación: consiste en
crear un medio denso bloqueando los poros y
capilaridad. Esto puede obtenerse de dos maneras:
comprimiendo el suelo de modo que se redistribuyan
los granos, o llenándolos con otros granos; es decir,
mejorando la gradación del suelo.
2. Estabilización por refuerzo: con ella se crea una
red que limita el movimiento, puede lograrse con
fibras animales, vegetales o sintéticas. Por ejemplo,
adición de paja.
3. Estabilización por cementación: se logra asando
una matriz inerte que se oponga al movimiento.
Consiste en llenar los vacíos con un aglutinante
insoluble que cubra los granos. Ej. Cemento Pórtland.
En este caso, las principales reacciones de
estabilización se dan en el estabilizante mismo y
entre el estabilizante y la parte arenosa del suelo,
aunque podría encontrarse también una reacción entre
el estabilizante y la fracción arcillosa del suelo.
Estabilización mediante enlace: consiste en crear
ligazones químicas estables entre los cristales de
arcilla. Este modo de estabilización puede darse de
dos maneras.
Utilizando las cargas positivas y negativas de las
placas de arcilla o su composición química para
unirlas por medio de un estabilizante creando con
las arcillas una matriz inerte. Esto se logra con
algunos ácidos, polímetros y floculantes.
El estabilizante reacciona con la arcilla y precipita
un material nuevo, insoluble e inerte que es un tipo
de cementante. Esta es una reacción puzolanica y se
obtiene principalmente: de la cal.
4. Reducción de la permeabilidad: se logra
rodeando las partículas del suelo con una película
impermeable que ayuda a reducir la erosión hídrica, y
la hinchazón y retracción por humedecimiento y
secado. Puede lograrse de dos maneras:
Llenando los vacíos, poros, rajaduras y micro
rajaduras con un material que no a vea afectado
por e! agua ; como el bitumen, por ejemplo.
Dispersando en el suelo un material que se
expanda ante el contacto con el agua y previene la
infiltración a los poros. Ej. Bentonita.
5. Impermeabilización: consiste en eliminar la
absorción y adsorción del suelo. Puede lograrse de 3
maneras:
Secando el suelo y adicionándole cloruro de
calcio, lo que incrementa la tensión superficial,
reduce la presión del vapor del agua, la velocidad
de evaporación y la variación en el contenido de
humedad.
Carlos Bravo A., Jocelyn Romsay
201
Reemplazando los iones por otros hasta que los iones
estén bien fijados a las placas de arcilla y el agua no
sea capaz de diluirlos. Esto puede lograrse con
algunos ácidos.
Fijando las moléculas en los extremos de las placas
de arcilla en la parte exterior de agregados
compactos. Los otros lados de estas moléculas son
repelentes al agua. Algunas resinas trabajan de esta
manera.
Estabilización con cal
Generalidades
Parece ser que el uso de la cal a gran escala en la
estabilización de suelos es bastante reciente, y los
estadounidenses fueron los pioneros entre el siglo
XIX y XX. Desde ese entonces, miles de metros
cuadrados han sido construidos de suelo estabilizado
con cal. Un ejemplo del uso de esta técnica es el
aeropuerto de Dallas-Fort Worth, que cubre 70 km2
construido en 1974 y para el cual se utilizaron
300,000 toneladas de cal.
En el Perú, las calizas naturales que dan origen a
las cales cálcicas y débilmente hidráulicas se
encuentran en la costa y en la sierra. Para obtener cal,
es necesario someter esta piedra caliza a una
temperatura que varia entre 800 y 1 200° C.
Estabilización con cal
Como la menciona Gate, la cal ha sido y sigue
siendo utilizada para la construcción y existe un
interés cada vez mayor en la estabilización con este
material. La cal, tiene la particular propiedad, según
Nacarino, de mantener la resistencia del suelo en
estado húmedo y disminuir el deterioro debido a la
humedad.
Además, es el mejor estabilizante para suelos
arcillosos, como explica Lyle, ya que esta reacciona
con las arcillas para formar un aglutinante y mejora
la, Trabajabilidad de la mezcla. También, añade que
el uso de un suelo-cal puede reducir el peso de los
bloques e incrementar el contenido de humedad
óptimo para el moldeado de los adobes.
Efectos da la cal sobre el suelo
En la estabilización con cal, tal como lo explica
Nacarino, se producen una serie de acciones físico-
químicas. EI Ion cálcico producido por el oxido de
calcio cuando este entra en contacto con el agua,
produce una serie de reacciones de intercambio
iónico con los componentes químicos del suelo al
tamaño de arcillas y coloides; estas reacciones de
intercambio se traducen en términos generales en una
reducción del poder de absorción de agua de las
arcillas, obteniéndose:
El aumento del límite plástico y por consiguiente la
disminución del índice de plasticidad, lo que mejora
la trabajabilidad del suelo.
Floculación las arcillas y coloides haciendo que se
agrupen y formen partículas del tamaño de los
limos.
Disminución en los cambios de volumen y longitud,
disminuyendo el agrietamiento.
Endurecimiento por carbonatación.
Reacción puzolánica lenta.
Procesos de estabilización con cal Gate describe la teoría de la estabilización con cal
en cinco formas básicas:
1. Absorción del agua: acción de hidratación con
una fuerte reacción exotérmica liberando alrededor de
300 kcal por cada kg de cal.
2. Intercambio de cationes: los iones calcio se ven
reemplazados por cationes intercambiables del
compuesto suelo, Como magnesio, sodio, potasio e
hidrogeno.
3. Agregación y floculación: como resultado del
intercambio catiónico y el incremento en la cantidad
de electrolitos en el agua, los granos del suelo
floculan y tienden a adherirse. Se alteran tanto la
granulometría como la estructura del suelo.
4. Carbonatación: la cal reacciona con el dióxido
de carbono del aire y forma aglutinantes
carbonatados débiles.
5. Reacción puzolanica: esta es la más importante
de las reacciones involucradas en la estabilización
con cal. EI material debe su resistencia mayormente a
la disolución de la arcilla en un entorno alcalino
producido por la cal, y la recombinación del silicio y
aluminio en las arcillas con el calcio para formar
silicatos alumínicos y cálcicos complejos que
aglutinan los granos del suelo. La cal debe ser
agregada al suelo en cantidades suficientes para
mantener un pH alto, que es necesario para la que la
solución de la arcilla produzca una estabilización
efectiva.
Proporción de cal que se debe añadir
Gate afirma que cuando se agrega 1 % de cal al
suelo, la hidratación exotérmica seca el suelo
quitándole a este de 0.5 a 1 % de agua. La adición de
2% a 3% de cal causa una reducción de la plasticidad
del suelo inmediata. Para estabilizar un suelo
ordinariamente, se requiere de 3 a 20% de cal.
Generalmente se requieren cantidades de 8 a 10% de
cal para obtener resultados satisfactorios.
Además, Gate nos indica que la cal tiene un efecto
limitado en los suelos con contenido de materia
orgánica (mayor del 20%) y en suelos con bajo
contenido de arcilla. Se ha observado que la cal
reacciona mucho mas rápido con las arcillas
montmorillonitas que con las kaolinitas, reduciendo
la plasticidad de las montmorillonitas y teniendo un
efecto poco significativo en las kaolinitas.
De acuerdo con Nacarino, el porcentaje de cal que
usualmente se añade a los suelos, con respecto al
peso del suelo seco, es de 2% a 4% para suelos limo
arenosos y de 4% a 8% a los suelos limo arcillosos.
Curado
Lyle, explica que los adobes preparados con cal
deberán ser mantenidos húmedos necesariamente
durante los primeros 7 días, durante 14 días de ser
posible; y luego mantenerlos protegidos por otros 7
días antes de sacarlos al sol. Cuando se preparan
bloques para ensayo, estos deben ser preparados con
la anticipación suficiente para que tengan 1 mes para
Evaluación del comportamiento físico mecánico del adobe estabilizado con cal y goma de tuna
An cient. 68(4) 2007, pp. 196-207 202
curar, y dos si se pudiese, para que alcancen su mayor
resistencia.
2.3 Estabilización de goma de tuna
2.3.1 Generalidades del cultivo de la tuna La tuna, conocida también como chumbera, pala
chumba, higuera de chumbos, nopal, nopalera,
higuera de indias e higuera de pala, entre otros; es
una especie que pertenece a la familia de las
Cactáceas, genero Opuntia, de la cual existen
alrededor de treinta especies en el mundo.
En el presente estudio, cuando se habla de tuna, se
esta considerando una especie en particular, la
Opuntia ficus-indica (L.) Miller, que es una planta
arbustiva, ramificada, de porte variable, desde
rastrero hasta arborescente grande, y que llega a
alcanzar hasta los cuatro metros de altura.
Fernández (18), la describe como una planta con
“...un tallo bien ramificado y constituido por artejos
aplanados y elípticos que son suculentos y de color
verde glauco los dos primeros años”. A estos artejos,
según lo indica este autor, se les conoce vulgarmente
como palas o pencas
La penca está formada por una serie de tejidos
recubiertos por una cutícula de naturaleza lipidica
que recubre toda la superficie. Esta cutícula evita de
forma muy efectiva la evaporación del agua y es la
que logra que las pencas lleguen a tener hasta 95% de
agua en condiciones de máxima turgencia y alrededor
del 60 % en épocas de sequía.
EI cultivo de la Tuna se adapta bien a temperaturas
medias máximas de 15 a 30° C, alturas entre 100 y
2,800 msnm, y es muy resistente a las sequías.
Además, se puede cultivar en cualquier tipo de suelos
a excepción de los arcillosos y húmedos, aunque se
prefieren los pedregosos y arenosos. El pH mas
adecuado es el neutro o ligeramente alcalino
2.3.2 Preparación de la goma de tuna De acuerdo a Vargas, para la preparación de este
estabilizante deberán usarse las pencas eliminando las
espinas y cortarlas en rebanadas que se pondrán a
remojar en agua, en cantidad de 100% en peso con
respecto al peso de las pencas.
EI tiempo de remojo de las pencas para la
fabricación influye en la resistencia del estabilizante.
Según la investigación de Vargas, para condiciones
climáticas de 15-20° C y humedad relativa entre 82%
- 92%, el tiempo de remojo óptimo se encuentra entre
los 14 y 25 días, siendo 18 días el tiempo de remojo
que dio mejores resultados finales. Para tiempos de
remojo mucho mayores o menores, el efecto del
estabilizante es nulo. Durante este tiempo la pulpa de
las pencas se disuelve completamente y solo queda la
cáscara como material remanente. A continuación el
color se oscurece y se pierde la consistencia gomosa.
Según describe Vargas, el proceso de
descomposición de la tuna, para elaborar la goma de
tuna, se da de la siguiente manera: “Los dos primeros
días presenta un color verde claro, una consistencia
gomosa y es transparente e inodoro. Luego cambia a
un color verde, adquiere una mayor consistencia de
goma, presenta un fuerte olor a materia orgánica y
deja de ser transparente. Durante este periodo la
pulpa de las pencas se disuelve completamente y solo
queda la cáscara como material remanente. A
continuaci6n el color se oscurece y la consistencia
gomosa se pierde. Aproximadamente a los 60 días de
remojo se obtiene un liquido negro de consistencia
semejante a la del agua con fuerte olor a materia
orgánica descompuesta”.
Además, Vargas afirma que durante el verano (20-
25° C) y 78% - 88% de humedad relativa), el tiempo
de remojo ideal se reduce, y está entre los 7 y 14 días.
3. Materiales y métodos
3.1 Generalidades En la presente investigación, se pretende evaluar el
comportamiento del adobe estabilizado con cal y el
estabilizado con goma de tuna. Para ello, se
selecciono un suelo adecuado, de acuerdo a la
bibliografía consultada, para la elaboración de
adobes.
Utilizando este suelo, se prepararon testigos de
suelo sin estabilizar, estabilizados con cal en tres
proporciones diferentes con respecto al peso del suelo
(2%, 5% y 8%), y estabilizados con goma de tuna,
también en tres proporciones diferentes (1.5%, 3% y
5%).
Finalmente para evaluar el comportamiento de
cada uno de los tratamientos establecidos se
ensayaron los testigos en las pruebas de variación de
dimensiones, a la compresión, absorción,
humedecimiento y secado y erosión.
3.2 Suelo utilizado En la selección del suelo para la presente
investigación, se tomo como punto de partida la
investigación de Morales y Bautista, en la que
determinaron las características que debía de tener el
“suelo ideal” para la fabricación de adobes.
Como resultado de su investigación, estableciere
rangos para algunas propiedades de los suelos, como
contenidos de arenas, limo y arcilla, límites de
consistencia, contenido de materia orgánica, etc.
En la presente investigación se tomaron diversas
muestras de suelo para encontrar, luego de una serie
de ensayos, suelos adecuados para la fabricación de
adobes.
3.3 Estabilizantes y tratamientos establecidos De acuerdo a lo presentado en el capitulo de
revisión de literatura, existen diversos tipos de
estabilizantes que actúan en el suelo de diferentes
maneras. Se han escogido, para la presente
investigación, la cal y la goma de tuna.
La cal tiene un efecto estabilizante en las partículas
de arcilla del suelo, lo que mejora a resistencia del
adobe ante la presencia de agua.
La goma de tuna, es usada fundamentalmente en
enlucidos para las paredes adobe como
impermeabilizante. Se han encontrado estudios
cualitativos sobre el uso de la goma de tuna en
recubrimientos; sin embargo no hay información
disponible sobre estabilización de adobe con este
producto. Se desea estudiar los efectos de esta.
Carlos Bravo A., Jocelyn Romsay
203
Para la estabilización con cal, los porcentajes
utilizados fueron escogidos de acuerdo a la
información bibliográfica consultada. EI porcentaje
de cal requerido varia de un suelo a otro, y esta en
relación al contenido de arcilla del mismo. Nacarino
indica que este porcentaje varía entre 2 y 8%; y
considerando esta recomendación se definieron tres
tratamientos estabilizados con cal en proporciones de
2%, 5% y 8%, respecto al peso del suelo seco.
Para establecer los tratamientos con goma de tuna,
no se pudieron obtener antecedentes. Se consideró
como máximo un 5% de este estabilizante,
considerando cantidades totales de tuna que serian
necesarias para construir una vivienda empleando
esta modalidad, y se definieron dos tratamientos
intermedios de 1.5% y 3% respecto al peso del suelo
seco.
3.4 Preparación de las muestras Las muestras ensayadas se prepararon en el
Laboratorio de Prueba y Ensayo de Materiales de la
Universidad Nacional Agraria la Molina. Para ello, se
utilizaron moldes de diferentes formas y
dimensiones.
Con el suelo escogido se prepararon las mezclas de
suelos estabilizados y sin estabilizar y se dejaron
reposar (“dormir”) por 24 horas para lograr la
distribución homogénea del agua.
Para cada energía de compactación utilizada
durante el moldeo, se tiene una humedad óptima, con
la cual se lograra la mejor distribución de las
partículas en el molde, obteniéndose la mayor
densidad. Y además, esta humedad variara de suelo a
suelo
Para efectos de la presente investigación se
tomaron en cuenta las recomendaciones de varios
autores, mencionadas en la revisión bibliográfica, y
se definió un contenido de humedad entre el límite
líquido y el límite plástico del suelo. Este contenido
de humedad se mantuvo constante en todos los casos.
Sin embargo, cabe destacar que el contenido de
humedad óptimo del suelo va a variar cuando se trate
de suelo estabilizado con cal o suelo estabilizado con
goma de tuna, con respecto al suelo sin estabilizar.
De acuerdo con la bibliografía, el contenido óptimo
de humedad disminuye para el caso de la goma de
tuna y se incrementa para el caso de la cal.
En el caso de la goma de tuna, se resto el peso de
esta de la cantidad total de agua requerida para
obtener el contenido de humedad de trabajo. Por el
contrario en el caso de la cal, se aumento el agua
necesaria para la preparación de una pasta de cal.
3.5 Evaluación de los testigos
Para evaluar el comportamiento de los adobes
estabilizados, se definieron una serie de ensayos que
fueron obtenidos de las propuestas hechas por el
Instituto Internacional de la Vivienda de California,
el Programa COBE del Ministerio de Vivienda
Peruano y las Normas Técnicas ITINTEC
(INDECOPI actualmente) para elementos de suelo
sin cocer.
Los ensayos establecidos fueron los siguientes:
Ensayo de variación de dimensiones: este ensayo
se realizo con el objeto de evaluar el grado de
expansión o retracción de los diferentes testigos
durante el secado, a modo de hallar la deformación de
cada uno de ellos con fines de comparación.
1. Ensayo de resistencia a la compresión:
mediante esta prueba se evaluó la resistencia a
la compresión de los diferentes testigos;
obteniéndose además la curva esfuerzo
deformación para cada uno de ellos.
2. Ensayo de absorción: el objetivo del ensayo
de absorción fue determinar la capacidad de
absorción de humedad de cada uno de los
tratamientos, en un con máxima humedad
relativa con el fin de comparar el resultado de
los tratamientos.
3. Ensayo de humedecimiento y secado: el
objeto de este ensayo fue simular el efecto de
una inundación sobre el material, evaluando el
desgaste promedio que sufrieron las muestras
luego de uno (01) y cinco (05) ciclos de
humedecimiento y secado.
4. Ensayo de erosión: la prueba de erosión se
estableció con el objetivo de comparar el grado
de desgaste final en cada tratamiento luego de
la exposición a chorro de agua, de presión y
caudal constantes, y de alta intensidad durante
1 hora.
Para todos los ensayos la evaluación se realiza
sobre testigos con un tiempo mínimo del un mes
después de su fabricación.
3.6 Limitaciones Los testigos ensayados de la presente investigación
han sido elaborados con suelo franco arenoso de
procedencia UNALM, por los que los resultados se
restringen a este tipo de suelo.
Se ha empleado la tuna Opuntia ficus indica L.
Miller para la preparación de adobe estabilizado;
pueden existir variaciones en los resultados con otras
especies de tuna.
EI tiempo entre la preparación y los ensayos ha
sido de treinta (30) días. Para el caso especifico de
adobe estabilizado con cal, la resistencia de este se va
incrementando con el paso del tiempo.
No se ha tomado como premisa que los resultados
deban ajustarse a una distribución estadística.
4. Resultados
Para analizar los resultados obtenidos en cada uno
de los ensayos, se obtuvo la media aritmética, y el
coeficiente de variabilidad de cada uno de los
tratamientos.
Luego, se hizo uso de la prueba estadística análisis
de varianza del diseño completamente aleatoria (o
randomizada) para evaluar significación de los
resultados, tomando en cuenta los diferentes
tratamientos que se desean comparar. Esta prueba nos
indica si existe una diferencia significativa entre las
medias obtenidas para cada uno de los tratamientos.
Finalmente, para los resultados se obtuvo una alta
significación en el diseño completamente aleatorio, a
modo de encontrar que tratamientos fueron los que
Evaluación del comportamiento físico mecánico del adobe estabilizado con cal y goma de tuna
An cient. 68(4) 2007, pp. 196-207 204
presentaron esa diferencia significativa, se realizaron
las pruebas de Separación de Medias de Duncan y
Dunnett. La primera para averiguar que tratamientos
eran significativamente distintos al tratamiento
testigo (S), y la segunda para Comparar todos los
tratamientos entre sí, y encontrar cuales
comparaciones mostraban diferencia significativa.
4.1 Selección de suelos
Para escoger un suelo adecuado, que cumpliera con
los requisitos para la fabricación de adobes, se
tomaron 5 muestras de suelo distintas y se evaluaron
en el laboratorio.
Las muestras de suelo 1, 2 y 3 fueron inadecuadas
para su uso en la fabricación de adobes; la primera
por tener un bajo do de arcilla y muy elevado
contenido de materia orgánica, la segunda por su
contenido de limo y bajo contenido de arcilla, y la
tercera por su alto contenido de arena y bajo
contenido de arcilla.
En las cinco muestras, se sobrepasan los límites
recomendados de materia orgánica y sales solubles;
sin embargo, estos son los límites propuestos solo por
algunos autores, otros consideran aceptable un
contenido de sales solubles de hasta 3% para materia
orgánica. Por esto se le dio menor importancia a este
aspecto y se trato de utilizar aquel suelo que tuviera
menos contenido de estos dos elementos.
Por otro lado, tanto las sales solubles como la
materia orgánica, son componentes negativos para los
adobes a largo plazo, por su degradación (materia
orgánica) y desintegración progresiva (sales
solubles). Para el caso de la presente investigación,
estos efectos son de poca importancia, ya que las
muestras elaboradas fueron ensayadas luego de 1
mes.
Por lo expuesto en los párrafos anteriores, de las
dos últimas opciones 4 y 5, se eligió finalmente la
muestra 5, por tener un contenido de materia orgánica
menor.
4.2 Preparación de mezclas
Durante la preparación de los testigos que fueron
ensayados se pudo observar lo siguiente:
1. La trabajabilidad de la mezcla de las muestras
adicionales, preparadas con 10% y 30% de goma de
tuna fue bastante mala, dificultando el proceso de
moldeado. En el caso del tratamiento GT1O, la
mezcla era menos trabajable que la de suelo solo,
pero permitía su moldeado sin mayores dificultades.
En el case del tratamiento GT30 el moldeado fue
bastante difícil debido a que la mezcla es muy
pegajosa.
2. La trabajabilidad en las mezclas con cal no fue
tan buena como en las de suelo solo, empeorando
conforme se aumentaba el contenido de cal. De
acuerdo a lo mencionado en la revisión bibliográfica,
al estabilizar un suelo con cal, su contenido de
humedad óptimo se incrementa, y se reduce la
plasticidad del suelo; es por esto que la mezcla se
hizo menos trabajable.
3. Se pudo observar que las muestras preparadas
con cal secaban más rápidamente que aquellas
preparadas con suelo solo y con goma de tuna en
todos los casos.
4. En comparación con los otros testigos, el
acabado de las muestras de cal fue mucho mejor,
observándose menos deformación y aristas mas
rectas, aunque los procedimientos de moldeado
fueron los mismos y, además, se observo en estas un
color blanqueado que se intensificaba conforme se
aumentaba el contenido de cal.
5. En las muestras adicionales preparadas con 30%
de goma de tuna, se observaron agrietamientos que
llegaban hasta un tercio de la profundidad total del
bloque y anchos que sobrepasaban el medio
centímetro.
4.3 Ensayo de variación de dimensiones En todos los casos se observaron variaciones que
no sobrepasaron un en las deferentes dimensiones de
los bloques medidos. Esta variación, respecto a las
dimensiones de moldeado, se pudo reducir
estabilizando el suelo como se puede apreciar en los
Cuadros y Gráficos inferiores.
En el Cuadro se muestran los resultados del ensayo
de variación de iones de los bloques de adobe. En el
podemos apreciar claramente que el tratamiento que
presento menor deformación fue el C2. Los
tratamientos C5 y C8 una deformación mayor a la del
tratamiento C2, pero menor que aquellos de suelo sin
estabilizar. Estos resultados se muestran en la grafica.
Para los ensayos con goma de tuna se ha observado
que cuando se aumenta el porcentaje de este
estabilizante hasta el 5%, disminuye el porcentaje de
variación de dimensiones promedio, llegando a
acercarse a los dos obtenidos con el tratamiento C2.
A medida que se va aumentando el porcentaje de
goma de tuna, la deformación promedio va
disminuyendo, como se puede apreciar en el Gráfico
2
Adicionalmente, en los Gráficos 2 y 3, se ha
incluido el requisito de la norma ITINTEC para
adobes estabilizados por asfalto, que establece que
los adobes no tendrán una variación de dimensiones
promedio mayor al 2%. Como podemos apreciar, en
todos los casos se ha alcanzado el requisito de
establecido para adobes estabilizados con asfalto.
A modo de complementar este ensayo y verificar la
precisión de los resultados obtenidos, se calculo el
coeficiente de variabilidad promedio de cada uno de
Carlos Bravo A., Jocelyn Romsay
205
los tratamientos, obteniéndose valores que van desde
0.9% hasta 2.62%. De esto podemos inferir que la
variabilidad entre los testigos de un mismo
tratamiento es aceptable.
Para este ensayo se desarrollo la prueba estadística
de diseño completamente aleatorio, obteniéndose
como resultado que no existen diferencias
significativas entre los tratamientos. No se realizaron
las pruebas de separación de medias Duncan y
Dunnett por no haber obtenido resultados favorables
del análisis de varianza.
4.4 Ensayo de resistencia a la fuerza
compresiva En el Cuadro y gráfica que se muestran a
continuación, resumen los resultados obtenidos en la
prueba de resistencia a la fuerza compresiva.
Para evaluar los resultados del ensayo de
resistencia a la compresión, se realizo la prueba
estadística de diseño completamente aleatorio,
encontrándose que existen diferencias altamente
significativas entre las medias de los tratamientos.
No se realizaron las pruebas de Dunnett y Duncan,
de separación de que nos indican que entre los
tratamientos S y GT1.5 no existe diferencia
significativa; sin embargo, los tratamientos GT3 y
GT5 muestran diferencia con al tratamiento S, pero
no entre si. Finalmente, los tratamientos C2, C5 y C8,
no muestran diferencia entre ellos, pero si con
respecto al tratamiento S.
Los resultados del ensayo de resistencia a la fuerza
compresiva muestran que el uso de la goma de tuna
en la fabricación de adobes tiende a disminuir la
resistencia a la compresión de las muestras. La goma
de tuna ejerce un efecto de floculación (unión de las
partículas) en la masa de suelo; de acuerdo a Lambe
este efecto origina una disminución de la resistencia a
la fuerza compresiva en la masa de suelo. De esta
manera se explica que las resistencias encontradas
son menores a las muestras de suelo solo.
La estabilización con cal origina una agrupación de
las partículas finas del suelo similar a un proceso de
floculación; como se menciono anteriormente este
proceso disminuye, en primera instancia, la
resistencia a la fuerza compresiva de las muestras
analizadas. Se puede señalar que el análisis
estadístico de los resultados del adobe estabilizado
con cal, la variación entre unos y otros no es
significativa.
En los Gráficos se muestran los resultados
obtenidos en esta prueba y los requisitos de la Norma
Adobe Código E-080 del Reglamento Nacional de
Construcciones. Esta Norma establece que la
resistencia a la compresión debe ser mayor a 12
kg/cm2, y de los ensayos realizados podemos apreciar
que los adobes sin estabilizar cumplen este requisito;
sin embargo los adobes estabilizados con goma de
tuna no lo alcanzan. En cuanto a la estabilización con
cal, no se cumple este requisito en el primer mes,
pero se espera alcanzar valores mucho mayores con
el tiempo. Por otro lado, la Norma ITINTEC para
adobes estabilizados con asfalto también establece
requisitos en este aspecto (17 kg/cm2). Podemos
apreciar que en ningún caso se ha logrado alcanzar la
resistencia del adobe estabilizado con asfalto.
Además, como se menciono en la revisión
bibliográfica, la adición de cal al suelo origina una
disminución del índice de plasticidad y de la densidad
del suelo, con lo que se explica que la resistencia en
compresión sea menor, en todos los casos, que el
suelo solo.
Sin embargo, si bien es cierto que la resistencia a la
compresión se ve afectada negativamente en su etapa
inicial por la estabilización con cal, se conoce de
experiencias anteriores (Doat), que esta resistencia se
incrementa con el tiempo llegando, a las 30 semanas
desde su fabricación, a valores de hasta tres veces la
resistencia obtenida al final del primer mes.
Para evaluar en que medida se reduce el índice de
plasticidad del suelo con la adición de cal, se realizo
una prueba de límites de consistencia de las muestras
de suelo con cal luego de un mes desde su
preparación, Como se puede apreciar en los
resultados de estos ensayos, el suelo utilizado tiene
un índice de plasticidad de 4.97%, el que se redujo a
un valor entre 3.5% y 3.6% con la adición de cal.
Además se pudo comprobar la reducción de la
densidad de los adobes preparados con cal. Mientras
que los adobes de suelo sin estabilizar tenían una
densidad promedio de 0.47 g/cm3, los testigos del
tratamiento C8 tuvieron una densidad promedio de
0.42 g/cm3.
En las curvas de esfuerzo deformación se puede
notar que para valores bajos de goma de tuna, tales
como GT3 y GT1.5, se tiene una gran dispersión de
datos, los cuales van uniformizándose con las
muestras de GT1O y GT30. Los tratamientos con cal
muestran mayor uniformidad en los ensayos de las
muestras.
4.5 Ensayos de absorción En un análisis comparativo de las muestras
estabilizadas con goma de tuna, muestra un mejor
comportamiento a medida que se va incrementando el
porcentaje de goma de tuna, así, con el tratamiento
GT1.5, el porcentaje promedio de absorción es de
1.04%, el cual se reduce a 0.84% al incrementar el
estabilizante a 3% y 5%. En todos los casos mejora el
Evaluación del comportamiento físico mecánico del adobe estabilizado con cal y goma de tuna
An cient. 68(4) 2007, pp. 196-207 206
comportamiento del tratamiento S con 1.06% en
promedio de absorción.
Con la presencia de cal se ha obtenido una mejora
notable en los porcentajes de absorción, estando en
rangos desde 0.55% hasta 0.65%. En todos los casos
se han mejorado los tratamientos de suelo solo y de
suelo con goma de tuna.
Este ensayo de absorción mide el porcentaje de
humedad, captado por el adobe, de la humedad
natural de! ambiente. En el caso de viviendas de
adobe, la humedad puede acelerar la degradación de
la materia orgánica y agravar la desintegración
progresiva por efecto de las sales
Los resultados obtenidos de esta prueba pueden
mejorar el comportamiento del adobe ante la
presencia de humedad que pueda filtrarse al interior
del material.
4.6 Ensayo de humedecimiento y secado
Con el ensayo de humedecimiento y secado se
pudo notar una gran diferencia: los adobes sin
estabilizar y estabilizados con goma de tuna y
aquellos estabilizados con cal.
Durante el primer ciclo de humedecimiento, los
testigos de los tratamientos S y GT se destruyeron
por completo en los primeros minutos del ensayo.
En el caso de los testigos preparados con cal, si se
pudo evaluar el porcentaje de desgaste. Los testigos
C2 sufrieron un porcentaje de desgaste promedio de
34.73% al final del primer ciclo, pero se desgastaron
por completo (100%} durante el segundo.
Los tratamientos que si se comportaron en forma
satisfactoria durante esta prueba, fueron los testigos
de C5 y C8. Luego del quinto ciclo de
humedecimiento y secado, los testigos de C5 se
desgastaron en 32.67% y los C8 en 26.51 %.
Adicionalmente se pudo apreciar que en ningún
caso se pudo alcanzar el requisito establecido para
adobes estabilizados con asfalto (2%) que se
mencionan en la Norma ITINTEC.
Los resultados descritos, se muestran en el cuadro
y la gráfica.
Con estos resultados se ha demostrado que ante la
eventualidad de una presencia masiva de agua cerca
de la edificación de adobe, el adobe estabilizado con
cal podrá resistir mucho mejor el efecto de
degradación del material.
4.7 Ensayo de erosión Analizando los resultados de la estabilización con
goma de tuna en porcentajes de 1.5% hasta 5%, se
puede afirmar que no se presenta mejora alguna,
respecto al comportamiento del suelo solo. Se nota
una mejoría en la resistencia a la erosión para
porcentajes por encima del 10%, debido a que estas
cantidades de goma de tuna logran recubrir las
partículas de suelo reduciendo la permeabilidad del
material.
Respecto a la estabilización con cal se nota una
mejoría significativa que va en incremento a medida
que se aumenta el porcentaje de cal alcanzando hasta
un porcentaje de desgaste de 0.9%, mientras que en el
caso de suelo solo se tienen porcentajes de desgaste
de 7.08% en promedio.
Carlos Bravo A., Jocelyn Romsay
207
5. Conclusiones
Por el contrario, la estabilización con cal mejora
considerablemente las propiedades de resistencia arte
la presencia de agua del adobe.
8. La estabilización con cal disminuye la
resistencia del adobe en los primeros meses, pero con
el tiempo esta resistencia se incrementara llegando a
valores iguales o mayores a los del suelo sin
estabilizar.
9. Además, puede llegar a alcanzar valores mucho
mayores si se somete a un proceso de curado durante
el secado de los bloques.
mayor resistencia, mientras que las muestras de suelo
solo y goma de tuna se comportan pobremente ante
esta situación.
5. En los adobes estabilizados con goma de tuna, la
Trabajabilidad se vio disminuida por la adición de la
goma, y es por esto que los grados de compactación
obtenidos no fueron uniformes. Esto explica las
variaciones obtenidas en los ensayos de erosión.
6. La presencia de cal en el adobe mejora la
resistencia a la erosión por efecto del agua, logrando
una durabilidad mucho mayor que en el caso de
adobes sin estabilizar o estabilizados con goma de
tuna en proporciones bajas.
7. Considerando los resultados de las pruebas
desarrolladas en la presente investigación, podemos
afirmar lo siguiente:
La goma de tuna, como estabilizante, no otorga
mejoras significativas a las propiedades físico-
mecánicas del adobe. Sin embargo, se ha demostrado
en otras investigaciones (PUCP), que tiene un buen
comportamiento cuando se le utiliza para enlucidos
en porcentajes mayores a los evaluados en esta
investigación (por encima del 10%).
Por el contrario, la estabilización con cal mejora
considerablemente las propiedades de resistencia arte
la presencia de agua del adobe.
8. La estabilización con cal disminuye la
resistencia del adobe en los primeros meses, pero con
el tiempo esta resistencia se incrementara llegando a
valores iguales o mayores a los del suelo sin
estabilizar.
9. Además, puede llegar a alcanzar valores mucho
mayores si se somete a un proceso de curado durante
el secado de los bloques.
6. Referencia bibliográfica
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An cient. UNALM 68(4), 2007 Recibido: 19/07/2007
ISSN 0255-0407 Aceptado: 17/09/2007
Análisis del comportamiento del concreto con incorporación de fibras de
polipropileno
Carlos Bravo A. 1, Juan Vidal P
2.
Resumen
El concreto es uno de los materiales más usados en la construcción a nivel nacional, según la Asociación de
productores de cemento (Asocem) el consumo per capita de cemento en el Perú es de 131 kg por habitante. Un alto
porcentaje del concreto es usado en una gran variedad de construcciones en el medio rural, como por ejemplo en
estructuras hidráulicas, plantas hidroeléctricas, losas, tanques de agua etc. Debido a la gran variedad de usos que se
le da al concreto es que surge la necesidad de probar nuevos productos que mejoren sus características para así
poder tener un mejor conocimiento de su modo de empleo y de los resultados que se obtienen. En el mercado
encontramos diferentes tipos de aditivos que mejoran las características del concreto. Uno de estos productos son las
fibras sintéticas, las cuales evitan la formación de grietas por contracción plástica mediante el bloqueo mecánico de
las fibras. La distribución uniforme de las fibras a través del concreto contribuye a evitar la formación de grandes
capilares causados por el movimiento de agua de exudación hacia la superficie. Las fibras sintéticas reducen la
permeabilidad mediante la combinación de la reducción de agrietamiento y la disminución de la capilaridad por
exudación. Debido a que la cantidad de agua de exudación varia menos cuando se usan fibras sintéticas, la relación
agua / cemento en la superficie es mas constante y por lo tanto se obtiene una mayor resistencia a la abrasión, a esta
mejoría contribuye igualmente el hecho de que las fibras soportan el asentamiento interno, lo que contribuye a
mantener uniforme la exudación. Las fibras sintéticas reducen la fisuración plástica del concreto, esto mejora su
resistencia al impacto. El modulo de elasticidad relativamente bajo de las fibras sintéticas aporta la capacidad de
absorción de choques o impactos. Las fibras sintéticas son compatibles con todos los aditivos y la química de los
cementos. La fibra empleada en la presente investigación es la fibra de polipropileno “Fibratex”, la cual puede ser
empleada en la construcción de canales, pozas de disipación, rápidas, losas, reservorios elevados, etc.
Palabras clave: Concreto, polipropileno, fibras.
Abstract
The concrete is one of the most used materials in construction in Peru, according to the Association of Cement
Producers (Asocem) the consumption per Capita of cement in Peru is 131 Kg per habitant. A high percentage of the
concrete is used in a great variety of constructions in rural places, for example in hydraulic structures, hydroelectric
plants, flatslab, tanks of water etc. Due to the great variety of uses that is given to the concrete it is that the necessity
arises of proving new products that improve its characteristics, to be able to have a better knowledge in its
employment way and the results obtained. We find different types of aditives that improve the characteristics of the
concrete. One of these products is synthetic fibers, which avoid the formation of cracks for plastic contraction by
means of the mechanical blockade of the fibers. The uniform distribution of the fibers through the concrete
contributes to avoid the formation of big capillary caused by the movement of water of sweat toward the surface.
The synthetic fibers reduce the permeability by means of the combination of the cracking reduction and the decrease
of the capillarity for sweat. Because the quantity of water of sweat varies less when synthetic fibers are used, the
relationship water/cement in the surface it is more constant and therefore a bigger resistance is obtained to the
abrasion, to this improvement contributes the fact that the fibers support the internal setlement, what contributes to
maintain uniform the sweat. The synthetic fibers reduce the plastic crack of the concrete, this improves their
resistance to the impact. The relatively low Young Module of the synthetic fibers contributes the capacity of
absorption of impacts. The synthetic fibers are compatible with all the aditives and the chemistry of the cements.
Key words: Concrete, polipropilene, synthetic fiber.
1. Introducción
Realizar un estudio comparativo entre el concreto
normal y el concreto con incorporación de fibras de
polipropileno en distintas dosificaciones para evaluar
las resistencias mecánicas de compresión, tracción y
la resistencia al impacto.
2. Revisión de literatura
2.1 Concreto El concreto es el material de construcción más
usado en nuestro medio, está compuesto de
agregados, un aglomerante denominado cemento,
agua para la activación del cemento en proporciones
12 Facultad de Ingeniería Agrícola, Universidad Nacional Agraria
La Molina. Lima, Perú. E-mail: [email protected]
definidas y en ciertos casos el uso de aditivos.
Según Pasquel (1998), “Es el material constituido
por la mezcla en ciertas proporciones de cemento,
agua, agregados y opcionalmente aditivos, que
inicialmente denota una estructura plástica y
moldeable, y que posteriormente adquiere una
consistencia rígida con propiedades aislantes y
resistentes, lo que lo hace un material ideal para la
construcción.”
Para poder dominar el uso de este material, hay que
conocer no solo las manifestaciones del producto
resultante, sino también de los componentes y su
interrelación, ya que son en primera instancia los que
le confieren su particularidad.
Carlos Bravo A., Juan Vidal P.
209
2.2 Componentes del concreto
2.2.1 Cemento
El cemento es el componente fundamental en la
preparación del concreto, fue patentado en 1824 por
el constructor Ingles Joseph Aspdin. El cemento, al
hidratarse, adquiría según él, la misma resistencia que
la piedra de la isla de Portland.
En 1845 se desarrolla el procedimiento industrial
del cemento Portland moderno, su fabricación
consiste en moler rocas calcáreas con rocas arcillosas
en cierta composición y someter este polvo a
temperaturas sobre los 1 300 °C produciéndose lo
que se denomina el “clinker”, constituido por bolas
endurecidas de diferentes diámetros, que finalmente
se muelen añadiéndoles yeso para tener como
producto definitivo un polvo sumamente fino, como
indica Pasquel (1998).
2.2.2 Componentes del cemento
Los componentes del cemento son:
a) Silicato tricálcico (3CaO.SiO2 C2S Alita):
define la resistencia inicial (en la primera semana) y
tiene mucha importancia en el calor de hidratación.
b) Silicato di cálcico (2CaO.SiO2 C2S Belita):
define la resistencia a largo plazo y tiene menor
incidencia en el calor de hidratación.
c) Aluminato tricálcico (3CaO.Al203 C3A):
Aisladamente no tiene resistencia pero con los
silicatos condiciona el fraguado violento actuando
como catalizador, por lo que es necesario añadir yeso
en el proceso (3% - 6%) para controlarlo. Es
responsable de la resistencia del cemento a los
sulfatos ya que al reaccionar con estos produce
Sulfoaluminatos con propiedades expansivas, por lo
que hay que limitar su contenido.
d) Alumino - ferrito tetracálcico
(4CaO.Al2O3.Fe203 C4AF Celita): Tiene
trascendencia en la velocidad de hidratación y
secundariamente en el calor de hidratación
e) Óxidos de magnesio (MgO): pese a ser un
componente menor, tiene importancia, pues para
contenidos mayores al 5% trae problemas de
expansión en la pasta hidratada y endurecida.
f) Óxidos de potasio y sodio (K2O, Na2O álcalis):
tiene importancia para casos especiales de reacciones
químicas con ciertos agregados, y los solubles en
agua contribuyen a producir eflorescencias con
agregados calcáreos.
g) Óxidos de manganeso y titanio (Mn203, Ti02): el
primero no tiene significación especial en las
propiedades del cemento, salvo en su coloración, que
tiende a ser marrón si se tienen contenidos mayores
del 3%. Se ha observado que en casos donde los
contenidos superan el 5% se obtiene disminución de
resistencia a largo plazo. El segundo influye en la
resistencia, reduciéndola para contenidos superiores a
5 %. Para contenidos menores no tiene mayor
trascendencia.
De los compuestos mencionados, los silicatos y
aluminatos constituyen los componentes mayores,
pero no necesariamente los más trascendentes, pues
algunos de los componentes menores tienen mucha
importancia para ciertas condiciones de uso de los
cementos.
2.2.3 Tipos de cemento Los tipos de cemento que encontramos en el
mercado nacional son:
Tipo I.- De uso general, donde no se requieren
propiedades especiales.
Tipo II.- De moderada resistencia a los sulfatos y
moderado calor de hidratación. Para emplearse en
estructuras con ambientes agresivos y/o en vaciados
masivos.
Tipo V.- Alta resistencia a los sulfatos. Para
ambientes muy agresivos.
Cuando a los primeros tipos de cemento se les
adiciona el sufijo A (p. e. Tipo IA) significa que son
cementos a los que se les ha añadido incorporadores
de aire en su composición, manteniendo las
propiedades originales.
Es interesante destacar los cementos denominados
“mezclados o adicionados” dado que algunos de ellos
se usan en nuestro medio:
Tipo IS.- Cemento al que se ha añadido entre un
25% a 70 % de escoria de altos hornos referido al
peso total.
Tipo ISM.- Cemento al que se ha añadido menos
del 25% de escoria de altos hornos referido al peso
total.
Tipo IP.- Cemento al que se ha añadido puzolana
en un porcentaje que oscila entre el 15% y 40 % del
peso total.
Tipo IPM.- Cemento al que se le ha añadido
puzolana en un porcentaje hasta del 15 % del peso
total.
Todos estos cementos tienen variantes en que se les
añade aire incorporado (sufijo A), se induce
resistencia moderada a los sulfatos (sufijo M), o se
modera el calor de hidratación (sufijo H).
2.2.4 Agregados Los agregados ocupan una gran parte del volumen
de concreto, aproximadamente de 60% a 75%, es por
eso que las características de estos pueden afectar las
propiedades del concreto.
Según A.M. Neville y J.J Brooks (1998). “La
calidad del agregado es de suma importancia, ya que
le corresponden aproximadamente tres cuartas partes
del volumen del concreto, el agregado no sólo puede
limitar las propiedades del concreto sino que sus
propiedades pueden afectar su durabilidad y
desempeño”.
Desde el punto de vista económico, resulta más
conveniente usar una mezcla con el mayor contenido
de agregado y el menor contenido posible de
cemento, aunque el costo debe balancearse con las
propiedades deseadas del concreto en estado fresco y
endurecido.
- Agregado fino
El agregado fino puede consistir de arena natural o
manufacturada, o una combinación de ambas, sus
partículas tienen que ser limpias, libres de cantidades
perjudiciales de polvo, terrones, partículas escamosas
o blandas, esquistos, pizarras, álcalis, materia
Análisis del comportamiento del concreto con incorporación de fibras de polipropileno
An cient. 68(4) 2007, pp. 208-218 210
orgánica, sales u otras sustancias dañinas, de perfil
preferentemente angular, duras compactas y
resistentes, que pasen por el tamiz ITINTEC 9.5 mm
(3/8”) y cumplan con los limites establecidos en la
norma ITINTEC 400.037
a) La granulometría seleccionada deberá ser
preferentemente continua, con valores retenidos en
las mallas Nº 4, Nº 8, Nº 16, Nº 30, Nº 50, Nº 100 de
la serie de Tyler.
b) El agregado no deberá retener más del 45 % en
dos tamices consecutivos cualesquiera.
c) En general es recomendable que la
granulometría se encuentre dentro de los siguientes
límites:
Tabla 1. Requisitos granulométricos agregado
fino. Malla % Que pasa
3/8 “ 100
Nº 4 95 - 100
Nº 8 80 - 100
Nº 16 50 - 85
Nº 30 25 - 60
Nº 50 10 - 30
Nº 100 2-10
Fuente: Norma NTP 400.037.
El porcentaje indicado para las mallas Nº 50 y Nº
100 podrá ser reducido a 5% y 0%, respectivamente
si el agregado es empleado en concretos con aire
incorporado cuyo contenido de cemento es mayor de
225 kg/m3, o en concretos sin aire incorporado cuyo
contenido de cemento es mayor de 300 kg/m3, o si se
emplea un aditivo mineral para suplir la deficiencia
en el porcentaje que pasa estas mallas.
El módulo de fineza del agregado fino se
mantendrá dentro del limite de mas o menos 0.2 del
valor asumido para la selección de las proporciones
del concreto, siendo recomendable que el valor
asumido este entre 2.35 y 3.15, si se excede el limite
indicado de mas o menos 0.2, el agregado podrá ser
rechazado por la inspección o, alternativamente, esta
podrá autorizar ajustes en las proporciones de la
mezcla para compensar las variaciones en la
granulometría. Estos ajustes no deberán significar
reducciones en el contenido de cemento.
El porcentaje de partículas inconvenientes en el
agregado fino no deberá exced0er de los siguientes
límites:
Lentes de arcilla y partículas desmenuzables: 3.0%
Material más fino que la malla N ° 200:
a) Concreto sujeto a abrasión: 3.0%
b) Otros concretos: 5.0% Carbón:
a) Cuando la apariencia superficial del concreto es
importante: 0.5%
b) Otros concretos: 1.0%
- Agregado grueso
El agregado grueso es aquel material retenido en el
tamiz ITINTEC 4.75 mm (Nº 4) y cumple con los
limites establecidos en la norma ITINTEC 400.037,
puede estar compuesto de grava natural o triturada,
piedra partida o agregados metálicos naturales o
artificiales.
El agregado grueso deberá estar conformado por
partículas limpias, de perfil preferentemente angular
o semi angular, duras compactas resistentes y de
textura preferentemente rugosa, las partículas deberán
ser químicamente estables y deberán estar libres de
escamas, tierra, polvo, limo, humus, incrustaciones
superficiales, materia orgánica, sales u otras
sustancias dañinas
El porcentaje de partículas dañinas en el agregado
grueso no deberá exceder de los siguientes valores:
Arcilla. 0,25%
Partículas deleznables. 5,00%
Material más fino que la malla Nº 200. 1,00%
Carbón y lignito
1. Cuando el acabado superficial del concreto
es de importancia.
0,50%
2. Otros concretos. 1,00%
2.2.5 Agua
El agua de mezcla cumple tres funciones
principales en la preparación del concreto:
1) Reaccionar con el cemento para hidratarlo.
2) Actuar como lubricante para contribuir a la
trabajabilidad del conjunto.
3) Procurar la estructura de vacíos necesaria en la
pasta para que los productos de hidratación tengan
espacio para desarrollarse.
Por consiguiente, la cantidad de agua que
interviene en la mezcla del concreto es por razones de
trabajabilidad, mayor de la necesaria para la
hidratación del cemento.
Es importante que el agua de mezcla este libre de
determinada cantidad de sustancias que puedan
resultar perjudiciales ocasionando reacciones
químicas que alteren el comportamiento normal de la
pasta de cemento.
Como regla empírica se puede decir que el agua
que es apta para consumo humano, también lo es para
la preparación del concreto, sin embargo, en el Perú
muy pocas aguas potables cumplen con las
limitaciones nominales indicadas, sobre todo en lo
que se refiere al contenido de sulfatos y carbonatos,
pero sirven para el consumo humano y
consecuentemente para el concreto, por lo que no se
debe cometer el error de establecer especificaciones
que no se puedan cumplir en la practica
No existe un patrón definitivo en cuanto a las
limitaciones en composición que debe tener el agua
de mezcla, ya que incluso aguas no aptas para el
consumo humano sirven para preparar concreto y por
otro lado depende mucho del tipo de cemento y las
impurezas de los demás ingredientes.
Según Neville y Brooks (1998), el agua no potable
puede ser también adecuada para elaborar concreto.
Como regla, cualquier agua con un pH de 6.0 a 8.0
que no sepa salada o salobre es útil; el color oscuro o
un cierto olor no indican necesariamente la presencia
de sustancias deletéreas. Las aguas naturales
Carlos Bravo A., Juan Vidal P.
211
ligeramente ácidas son inofensivas, pero las que
contengan ácido húmico u otros ácidos orgánicos
pueden afectar negativamente el endurecimiento del
concreto, esta agua, así como las muy alcalinas,
deben ser probadas previamente.
Los efectos más dañinos que pueden esperarse de
aguas de mezcla con impurezas son: retardo en el
endurecimiento, reducción de la resistencia, manchas
en el concreto endurecido, eflorescencias,
contribución a la corrosión del acero, cambios
volumétricos, etc.
Tabla 2. Requisitos granulométricos del agregado grueso.
Fuente: Norma NTP 400.037.
2.2.6 Fibras en el concreto - Fibra de acero
Las fibras de acero tienen un diámetro de 0.3 mm a
1 mm y una longitud de 25 a 75 mm, con formas
diversas siendo las más comunes las onduladas y
ganchudas, el acero usado es acero al carbono o
inoxidable.
Las fibras se adicionan al final del proceso de
mezclado.
Este tipo de concreto tiene menos trabajabilidad
que el concreto tradicional. El contenido de fibra
generalmente esta entre el 1 al 3% en volumen y con
el aumento de este se incrementan las propiedades
mecánicas pero se perjudica la trabajabilidad
Las fibras refuerzan al concreto proporcionándole
una gran resistencia al agrietamiento, fragmentación,
astillado y desgaste por abrasión, así como una mayor
resistencia a las fuerzas de tensión y de flexión.
El concreto con fibra de acero se utiliza para el
refuerzo de concreto hidráulico, en elementos
prefabricados, en pisos y pavimentos, pistas de
aeropuertos, concreto lanzado (Shotcrete), túneles,
evitando así la colocación de la malla electro soldada
para sustituir el acero de refuerzo convencional.
- Fibra de vidrio
Las fibras de vidrio consisten en una especie de
hebras entrelazadas o hilos desmenuzados con una
longitud que oscila entre 12 y 50 mm.
Las mezclas con fibra de vidrio ofrecen una alta
resistencia al fuego, a la corrosión y al ataque
biológico de microorganismos, sin importar las
condiciones ambientales a las que se someta el
concreto.
Las mezclas de concretos con fibra de vidrio se
utilizan para fabricar armazones de apoyo que
soporten cargas directas, vigas, columnas, muros
Análisis del comportamiento del concreto con incorporación de fibras de polipropileno
An cient. 68(4) 2007, pp. 208-218 212
principales de carga, losas de entrepisos, techos,
cascos marinos, contenedores de agua, en lugares
donde el material esta sujeto a esfuerzos prolongados
de carga y en otros donde pudieran existir riesgos
para la vida del ser humano También se usa para
tabiques antifuego, muros antirruido y como
encofrados perdidos.
- Fibra de nylon
Este tipo de fibras tiene la particularidad de
absorber agua, pero esta luego es liberada a medida
que el concreto empieza a perder humedad o cuando
el nivel de humedad de la fibra excede el nivel de
humedad del mortero.
Los fabricantes recomiendan esta fibra para:
Elaboración de pisos industriales o de servicio
pesado, elementos prefabricados, losas de entrepiso
donde se quiera sustituir el acero secundario (malla
electro soldada), aplicaciones de concreto coloreado
o estampado, en tanques y piscinas, donde la micro
fisuración represente problemas de permeabilidad,
concretos proyectados. etc.
- Fibra de polipropileno
Estas fibras son las que han tenido mayor éxito por
su costo y facilidad de uso, dividiéndose en fibriladas
y monofilamento.
Las fibriladas constituyen una pequeña malla que
se dispersa en la mezcla de forma tridimensional, las
fibras usadas en la presente tesis son de este tipo.
Las fibras trabajan a nivel microscópico ya que
poseen diámetros aproximados de 20 a 30 micrones
que controlan la propagación de las micro fisuras,
evitan que estas aumenten de tamaño y afecten la
estructura.
- Fibra de polipropileno fibratex
Estas fibras son las empleadas en esta investigación
y a continuación se presentan las propiedades y
características de esta fibra:
a) Propiedades químicas de las fibras de
polipropileno “Fibratex”
Las fibras son producidas a través de un
homopolímero virgen de polipropileno en
combinación con otros productos químicos y
aditivos. Químicamente son inertes y no toxicas.
No son reactivas con ninguno de los componentes
o sustancias del concreto. No se pudren, no se
corroen ni se descomponen.
Tienen un aditivo que facilita el ocultamiento con
el concreto curado.
b) Características físico-químicas de las fibras
de polipropileno “Fibratex”
Material: 100% polipropileno virgen
Tipo: fibra o cinta fibrilada ordenada
Gravedad especifica (Según norma ASTM D-
1505): 0.91 g/cm3
Color: natural
Índice de fluidez (Según norma ASTM D-1238):
0.3 g/seg.
Punto de fusión: 166 °C (300° F)
Punto de ignición: 590 °C (1.100° F)
Resistencia química a bases y agentes oxidantes:
inerte*
Resistencia química a los Ácidos y álcalis: inerte*
Resistencia al moho y microorganismos: buena*
Absorción de agua a 20° C: ninguna
Corte de fibra: ¾”
En conformidad con la norma ASTM C-1 116
c) Características Mecánicas de las fibras de
polipropileno “Fibratex”
Resistencia a la tensión (Según norma ASTM D-
2936): 80 K.S.I.
Resistencia a la tracción (Según norma ASTM D-
638): 70.000 p.s.i (min.)
Modulo de elasticidad (Según norma ASTM C-
459): 0.70x106 p.s.i
Elongación hasta el rompimiento (Según norma
ASTM D-638). 8% (min.)
Resistencia a la abrasión (Según norma ASTM C-
944): Buena
Conductividad termina y eléctrica: Baja
d) Dosificación
La dosificación de la fibra varia de acuerdo al tipo
de fabricante, la fibra usada en la presente tesis
(Fibratex) viene empacada en bolsas de papel de un
kilogramo, cantidad recomendada para mezclar con
un metro cúbico de concreto.
e) Aplicaciones generales
Vías peatonales, plantas de tratamiento, elementos
ornamentales, postes, columnas, aceras, tanques
sépticos, losas paredes, placas, techos, tejados,
revestimientos, pisos, bloques, reparaciones o nuevas
construcciones de estructuras portuarias, canales
presas o diques, morteros, piscinas, túneles, paneles,
etc.
f) Precauciones
La fibra debe ser almacenada en sitios donde no
quede expuesta al sol por un largo periodo de tiempo
para que los rayos U.V. no afecten al producto.
Propiedades del concreto
Trabajabilidad
Es aquella propiedad del concreto en estado no
endurecido la cual determina la facilidad con la cual
una determinada cantidad de materiales puede ser
mezclada para formar concreto y luego este puede ser
manipulado, transportado y colocado con un mínimo
de trabajo y un máximo de homogeneidad, así como
para ser acabado sin que se presente segregación.
Esta propiedad del concreto esta determinada por
las siguientes características: graduación y
proporción del agregado, contenidos de cemento,
agua y aire de la mezcla. Es igualmente función de
las dimensiones y el perfil de la estructura.
Un concreto trabajable ha de tener, después de
colocado, una película de humedad y ha de carecer de
vacíos visibles, sobre la superficie debe adherirse
fácilmente al acero de refuerzo y no debe presentar
cangrejeras cuando los encofrados son retirados.
La trabajabilidad incluye el concepto de fluidez y
al definirla se hace énfasis en la plasticidad y
uniformidad dado que ambas tienen marcada
influencia en el comportamiento y apariencia final de
la estructura.
La trabajabilidad es una propiedad que no es
mesurable dado que esta referida a las características
y perfil del encofrado, a la cantidad y distribución del
Carlos Bravo A., Juan Vidal P.
213
acero de refuerzo y elementos embebidos; y al
procedimiento empleado para compactar el concreto.
Sin embargo, para facilidad de trabajo y de
selección de las proporciones de la mezcla, se
reconoce que la trabajabilidad tiene relación con el
contenido de cemento en la mezcla, con la
granulometría del agregado, la relación de los
agregados fino - grueso, la proporción del agregado
en la mezcla, la presencia de aditivos y con las
condiciones ambientales.
Consistencia
La consistencia es una propiedad del concreto la
cual define a la humedad de la mezcla por su grado
de fluidez, es decir que cuanto mas húmeda este la
mezcla mayor será la facilidad con que el concreto
fluirá durante su colocación, según señala Rivva
López. (1992).
La consistencia está relacionada pero no es
sinónimo de trabajabilidad. Así por ejemplo, una
mezcla muy trabajable para pavimentos puede ser
muy consistente, en tanto que una mezcla poco
trabajable en estructuras con alta concentración de
acero puede ser de consistencia plástica.
El método para medir la consistencia es conocido
como el método del cono de asentamiento, método
del cono de Abrams, o método del slump, y define la
consistencia de la mezcla por el asentamiento medido
en pulgadas o milímetros, de una masa de concreto
que previamente ha sido colocada y compactada en
un molde metálico de dimensiones definidas y
secciones tronco cónica.
Por consiguiente se puede definir al asentamiento
como la medida de la diferencia de altura entre el
molde metálico estándar y la masa de concreto
después que ha sido retirado el molde que la recubría.
La consistencia se clasifica en:
Tabla 3. Consistencia del concreto. Consistencia Asentamiento
Pulg.
Seca 0” a 2”
Plástica 3” a 4”
Fluida > 5”
Fuente: Diseño de mezclas, Rivva López (1992).
Entre los principales factores que pueden modificar
la consistencia de una mezcla de concreto se
encuentran los siguientes:
a) El contenido, fineza y composición química del
cemento, la adición de materiales cementantes o
puzolanicos.
b) El perfil, textura superficial, revestimientos
superficiales, porosidad, absorción y
granulometría de los agregados fino y grueso.
c) La presencia de aditivos incorporadores de aire,
aditivos acelerantes y aditivos reductores de agua.
d) Las proporciones de la mezcla.
e) La temperatura y humedad relativa ambiente.
El tiempo transcurrido entre la preparación del
concreto y el momento en que se efectúa el ensayo de
consistencia.
Resistencia a la compresión
Al máximo esfuerzo que puede ser soportado sin
romperse por el concreto se le conoce como
resistencia a la compresión, y debido a que la función
principal del concreto es resistir esfuerzos en
compresión, la medida de su resistencia a dichos
esfuerzos es la que se usa como índice de su calidad
según indica Rivva López (1992).
La resistencia es considerada como una de las
propiedades más importantes del concreto
endurecido, siendo la que generalmente se emplea
para la aceptación o rechazo del mismo, depende
principalmente de la relación agua /cemento, también
la afectan la temperatura y el tiempo, junto con otros
elementos adicionales constituidos por el tipo y
características resistentes del cemento y la calidad de
los agregados.
El curado es un factor indirecto pero de mucha
importancia en la resistencia del concreto, ya que sin
el no se desarrolla completamente la resistencia del
concreto.
Adicionalmente, los siguientes factores pueden
influir en la resistencia final del concreto:
a) Cambio en el tipo, marca, y tiempo de
almacenamiento del cemento y materiales
cementantes empleados.
b) Características del agua en aquellos casos en que
no se emplea agua potable.
c) Presencia de limo, arenilla, mica, carbón,
humus, materia orgánica, sales químicas en el
agregado. Todos los compuestos enunciados
disminuyen la resistencia del concreto principalmente
debido a que se incrementan los requisitos de agua, se
facilita la acción del intemperismo, se inhibe el
desarrollo de una máxima adherencia entre el
cemento hidratado y los agregados, se dificulta la
hidratación normal del cemento y se facilita la
reacción química de los agregados con los elementos
que componen el cemento.
d) Modificaciones en la granulometría del
agregado con el consiguiente incremento en la
superficie específica y en la demanda de agua para
una consistencia determinada.
e) Presencia de aire en la mezcla, la cual modifica
la relación poros cemento, siendo mayor la
resistencia del concreto cuanto menor es esta
relación. La incorporación de aire a las mezclas, en
porcentajes adecuados, mejora la durabilidad y
trabajabilidad del concreto, pero tiende a disminuir la
resistencia en un porcentaje del 5% por cada uno por
ciento de aire incorporado la excepción se produce en
las mezclas pobres en las que la incorporación de aire
al mejorar la trabajabilidad disminuye la demanda de
agua, reduce la relación agua / cemento y por ende
incrementa la resistencia.
f) Empleo de aditivos que pudieran modificar el
proceso de hidratación del cemento y por lo tanto la
resistencia del concreto.
g) Empleo de materiales puzolanicos, cenizas, o
escorias de alto horno finamente divididas, los cuales
por si mismos pueden desarrollar propiedades
cementantes.
Análisis del comportamiento del concreto con incorporación de fibras de polipropileno
An cient. 68(4) 2007, pp. 208-218 214
Durabilidad
El American Concrete Institute (ACI) define la
durabilidad del concreto de cemento Pórtland como
la habilidad para resistir la acción del intemperismo,
el ataque químico, abrasión, y cualquier otro proceso
o condición de estructuras, que produzcan deterioro
del concreto.
Según Pasquel (1998): no existe un concreto
“durable” por si mismo, ya que las características
físicas, químicas y resistentes que pudieran ser
adecuadas para ciertas circunstancias, no
necesariamente lo habilitan para seguir siendo
“durable” bajo condiciones diferentes.
Resistencia a los agentes químicos
El concreto es un material que es inalterable al
ataque de los agentes químicos cuando estos se
encuentran en estado sólido.
Para que exista alguna posibilidad de agresión el
agente químico debe estar en solución en una cierta
concentración y además tener la opción de ingresar
en la estructura de la pasta durante un tiempo
considerable, es decir debe haber flujo de la solución
concentrada hacia el interior de concreto y este debe
mantenerse el tiempo suficiente para que se produzca
la reacción según señala Enrique Pasquel (1998).
El concreto puede deteriorarse por contacto con
diferentes agentes químicos activos o con sustancias
que en si mismas no son nocivas, pero que reaccionan
con alguno de los elementos integrantes del concreto.
Tabla 4. Efectos de sustancias químicas en el
concreto.
Fuente: Tópicos de tecnología del concreto, Pasquel
(1998).
Sulfatos: los sulfatos que afectan la durabilidad se
hallan usualmente en el suelo en contacto con el
concreto, en solución en agua de lluvia, en aguas
contaminadas por deshechos industriales o por flujo
en suelos agresivos. Por lo general consisten en
sulfatos de sodio, potasio, calcio y magnesio.
Los suelos con sulfatos se hallan normalmente en
zonas áridas y pese a que pueden no estar en muy alta
concentración, si se producen ciclos de
humedecimiento y secado sobre el concreto, la
concentración puede incrementarse y causar
deterioro.
EI mecanismo de acción de los sulfatos considera
dos tipos de reacción química:
1) Combinación del sulfato con hidróxido de calcio
libre (cal hidratada) liberado durante la hidratación
del cemento, formándose sulfato de calcio (yeso) de
propiedades expansivas.
2) combinación de yeso con aluminato cálcico
hidratado para formar sulfoaluminato de calcio
(etringita) también con características de aumento de
volumen.
Abrasión
Es un fenómeno que puede ser originado de varias
maneras, las más comunes son las atribuidas a las
condiciones de servicio, como el tránsito de peatones
y vehículos sobre veredas y losas, el efecto del viento
cargado de partículas sólidas y el desgaste producido
por el flujo continuo del agua, por lo tanto definimos
a la resistencia a la abrasión como la habilidad de una
superficie de concreto a ser desgastada por roce y
fricción.
Mayormente el desgaste por abrasión no ocasiona
problemas estructurales, sin embargo puede traer
consecuencias en el comportamiento bajo las
condiciones de servicio o indirectamente propiciando
el ataque de algún otro enemigo como la agresión
química, corrosión, etc. siendo este ultimo más
evidente en el caso de estructuras hidráulicas.
El factor principal que afecta la resistencia a la
abrasión del concreto reside en que tan resistente es
desde el punto de vista estructural o mecanizo, la
superficie expuesta al desgaste.
Según Pasquel: “se han desarrollado varias
maneras de medir el desgaste o la resistencia a la
abrasión tanto a nivel de laboratorio como a escala
natural, pero los resultados son bastante relativos
pues ninguna de ellas puede reproducir las
condiciones reales de uso de las estructuras, ni dar
una medida absoluta en términos numéricos que
pueda servir para comparar condiciones de uso o
concretos similares, por lo tanto el mejor indicador es
evaluar principalmente factores como la resistencia
en compresión, las características de los agregados, el
diseño de mezcla, la técnica constructiva y el curado”
Control de la abrasión
En la medida que se desarrolle las capacidades
resistentes de la capa de concreto que soportara la
abrasión, se lograra controlar el desgaste.
Es necesario emplear relaciones agua, cemento
bajas, el menor Slump compatible con la colocación
eficiente, agregados bien graduados y que cumplan
con los límites ASTM C-33 para gradación y
abrasión, así como la menor cantidad posible de aire
atrapado.
Pasquel (1998), indica que: “se estima que la
superficie expuesta a la abrasión debe tener una
resistencia en compresión mínima de 280 kg/cm2
para garantizar una durabilidad permanente respecto
a la abrasión”.
Esta demostrado que un elemento fundamental en
el resultado final lo constituye la mano de obra y la
técnica de acabado, en condiciones normales el
acabado se debe realizar alrededor de dos horas luego
Carlos Bravo A., Juan Vidal P.
215
de la colocación del concreto y habiéndose eliminado
el agua superficial. Si el acabado se realiza sin
permitir la exudación natural de la mezcla, la capa
superficial se vuelve débil al concentrarse el agua
exudada, incrementándose localmente la relación
Agua / cemento
Otra precaución importante esta constituida por el
curado, este debe iniciarse inmediatamente después
de concluido el acabado superficial, siendo
recomendable mantenerlo no menos de 7 días cuando
se emplea cemento tipo 1 y un tiempo mayor si se
emplea cementos de desarrollo lento de la resistencia,
pues de nada sirve tener materiales y un diseño de
mezclas excelente si luego las condiciones de
humedad y temperatura no son las adecuadas para
que se desarrolle la resistencia.
Contracción o retracción del concreto
Es una de las causas más frecuentes de cambios
volumétricos en el concreto, dividiéndose en tres
tipos:
a) Contracción intrínseca o espontánea
Es producto del proceso químico de hidratación del
cemento y su propiedad inherente de disminuir de
volumen en este estado, el mecanismo de este
proceso es físico químico y ocurre al mezclarse el
cemento con el agua y obtenerse el gel de cemento,
luego se inicia el proceso de hidratación así como la
formación de poros gel y poros capilares.
Esta retracción es irreversible y no depende de los
cambios de humedad posteriores al proceso de
hidratación y endurecimiento, la retracción
espontánea depende exclusivamente del tipo y
características particulares del cemento empleado,
por lo que cada cemento tiene un comportamiento
diferente frente a este fenómeno.
El orden de la magnitud de la deformación unitaria
atribuida a la contracción intrínseca oscila entre 10 y
150 x 10-6
dependiendo del cemento en particular
aunque lo usual es que no sea mayor de 30 X 10-6
,
por lo tanto, no produce fisuración pues las tracciones
que genera son bajas (2 a 8 kg/cm2).
b) Contracción plástica o contracción por secado
Es ocasionada por la pérdida de agua por
evaporación de la superficie del concreto, o por
succión del concreto seco que se encuentra por
debajo, la contracción induce esfuerzo a la tensión en
las capas de la superficie por que están restringidas
por el concreto interior no contraído, y como el
concreto es muy débil en su estado plástico se puede
producir rápidamente el agrietamiento plástico en la
superficie.
La contracción plástica es mayor cuanto mayor es
el porcentaje de evaporación del agua, el cual a su
vez depende de la temperatura del concreto y del aire,
de la humedad relativa del aire y de la velocidad del
viento.
Deben evitarse los índices de evaporación mayores
de 0.5 kg /h /m2 en la superficie expuesta del
concreto.
Una prevención total de la evaporación
inmediatamente después del vaciado disminuye la
contracción plástica debido a que la perdida de agua
de la pasta de cemento es la causante de la
contracción plástica, esta es mayor cuanto más
grande es el contenido de cemento en la mezcla, o
menor cuanto mas grande el contenido de agregado
(por volumen).
c) Contracción por carbonatación
Este tipo de contracción se produce en el concreto
en estado endurecido, la carbonatación es la reacción
del CO2 de la atmósfera con el cemento hidratado.
El CO2 esta presente en la atmósfera, cerca de
0.03% por volumen de aire en las áreas rurales,
0.01% mas en un laboratorio no ventilado, y
generalmente hasta 0.3% en las grandes ciudades.
Con la presencia de humedad el CO2 forma ácido
carbónico, que reacciona con Ca(OH)2 para formar
CaCO3, originando una reducción de volumen.
Diseño de mezclas de concreto
EI diseño de mezclas es la selección de las
proporciones adecuadas de los materiales integrantes
del concreto de manera tal que esta selección sea la
mas económica y a la vez cumpla con los
requerimientos de durabilidad, resistencia y
trabajabilidad.
Según Pasquel (1998): “el diseño de mezclas es
conceptualmente la aplicación técnica y practica de
los conocimientos científicos sobre sus componentes
y la interacción entre ellos, para lograr un material
resultante que satisfaga de la manera mas eficiente
los requerimientos particulares del proceso
constructivo.”
Para realizar un buen diseño de mezclas se tiene
que conocer las características del cemento y de los
agregados que van a ser empleados, dado que estos
tienen un efecto definitivo sobre la resistencia y
durabilidad del concreto y sobre el volumen de agua
requerida para su colocación, por todas estas razones
el laboratorio es el lugar mas seguro para realizar los
diseños de mezcla.
Los datos básicos de laboratorio necesarios para
dosificar las mezclas incluyen el análisis de tamices
del agregado, el peso especifico de los materiales, el
porcentaje de absorción del agregado fino y grueso,
el peso unitario varillado del agregado grueso, y el
contenido de humedad del agregado.
Pasos en el diseño de mezcla
Los siguientes pasos se consideran fundamentales
para alcanzar las propiedades deseadas en el
concreto.
1) Estudiar cuidadosamente los requisitos
indicados en los planos y en las especificaciones de
obra.
2) Seleccionar la resistencia promedio requerida
para obtener en obra la resistencia de diseño
especificada por el proyectista. En esta etapa se
deberá tener en cuenta la desviación estándar y el
coeficiente de variación de la compañía constructora,
Análisis del comportamiento del concreto con incorporación de fibras de polipropileno
An cient. 68(4) 2007, pp. 208-218 216
así como el grado de control que se ha de ejercer en
obra.
3) Seleccionar, en función de las características del
elemento estructural y del sistema de colocación del
concreto, el tamaño máximo nominal del agregado
grueso.
4) Elegir la consistencia de la mezcla y expresarla
en función del asentamiento de la misma. Se tendrá
en consideración, entre otros factores la
trabajabilidad deseada, las características de los
elementos estructurales y las facilidades de
colocación y compactación del concreto.
5) Determinar el volumen de agua de mezclado por
unidad de volumen del concreto, considerando el
tamaño máximo nominal del agregado grueso, la
consistencia deseada y la presencia de aire,
incorporado o atrapado, en la mezcla.
6) Determinar el porcentaje de aire atrapado o el de
aire total, según se trate de concretos normales o de
concretos en los que exprofesamente, por razones de
durabilidad, se ha incorporado aire, mediante el
empleo de un aditivo.
7) Seleccionar la relaci6n agua/cemento requerida
para obtener la resistencia deseada en el elemento
estructural. Se tendrá en consideración la resistencia
promedio seleccionada y la presencia o ausencia de
aire incorporado.
8) Seleccionar la relación agua/ cemento requerida
por condición de durabilidad. Se tendrá en
consideración los diferentes agentes externos e
internos que podrían afectar contra la vida de la
estructura.
9) Seleccionar la menor de las relaciones agua/
cemento elegidas por resistencia y durabilidad,
garantizando con ello que se obtendrá en la estructura
la resistencia en compresión necesaria y la
durabilidad requerida.
10) Determinar el factor cemento por unidad
cúbica de concreto, en función del volumen unitario
de agua y de la relación agua/ cemento seleccionada.
11) Determinar las proporciones relativas de los
agregados fino y grueso. La selección de la cantidad
de cada uno de ellos en la unidad cúbica de concreto
esta condicionada al diseño de mezcla seleccionado.
12) Determinar, empleando el método de diseño
seleccionado, las proporciones de la mezcla,
considerando que el agregado esta en estado seco, y
que el volumen unitario de agua no ha sido corregido
por humedad del agregado.
13) Corregir dichas proporciones en función del
porcentaje de absorción y el “contenido de humedad
de los agregados finos y grueso.
14) Ajustar las proporciones seleccionadas de
acuerdo a los resultados de los ensayos de la mezcla
realizados en el laboratorio.
15) Ajustar las proporciones finales de acuerdo a
los resultados de los ensayos realizados
3. Materiales y métodos
En la investigación se realizó primero la
caracterización de los agregados posteriormente se
realizo el diseño de mezclas por el método del ACI.
El concreto se preparó para las dosificaciones de
175 kg/cm2, 210 kg/cm
2 y 280 kg/cm
2, para cada una
de estas resistencias se prepararon los siguientes tipos
de concreto: concreto patrón (sin fibra), concreto con
fibra 700 g/m3, concreto con fibra 1 000 g/m
3 y
concreto con fibra 1 300 g/m3.
Con estos concretos se prepararon probetas para
ensayarlas a la compresión y a la tracción, también se
prepararon especimenes de 2 ½” de alto por 6” de
diámetro (discos) para el ensayo de resistencia al
impacto.
Teniendo un total de 120 Probetas para la
resistencia a la compresión, 120 probetas para la
resistencia a la tracción y un total de 36 discos para
resistencia al impacto.
Finalmente, se realizó un análisis estadístico para
determinar la influencia de la fibra en cada uno de los
concretos estudiados.
4. Resultados y discusiones
Consistencia de la mezcla de concreto Los ensayos de consistencia se realizaron tanto
para el concreto patrón como para los concretos con
fibra, obteniéndose los siguientes resultados.
Consistencia de concretos f’c 175 kg/cm2
Figura 1. Curva de consistencia para los concretos F´c
175 kg/cm2.
Se observa que conforme se incrementa la cantidad
de fibra en el concreto la consistencia empieza a
disminuir, empezando con una consistencia de 3 ½”
para el concreto P1, luego con el contenido de fibra
de 700 g/m3 la consistencia disminuye en ½ pulgada,
para el contenido de fibra de 1 000 g/m3 la
consistencia disminuye en ¾” y finalmente para el
contenido de fibra de 1 300 g/m3 la consistencia
disminuye en 1” con respecto al concreto patrón.
Carlos Bravo A., Juan Vidal P.
217
Consistencia de concretos F’c 210 kg/cm2
Figura 2. Curva de consistencia para los concretos
F´c 210 kg/cm2.
En este caso se observa también una disminución
de la consistencia a medida que se incrementa el
contenido de fibra, para el concreto P2 se tiene una
consistencia de 3 ½”, luego para el concreto con fibra
700 g/m3, se observa una disminución de la
consistencia de 1”, para el concreto con fibra 1 000
g/m3, la consistencia también baja en 1”, y finalmente
para el concreto con fibra 1 300 g/m3 la consistencia
baja en 1 ½”.
Consistencia de concretos f’c 280 kg/cm2
Figura 3.Curva de consistencia para los concretos
F´c 280 kg/cm2.
Se observa que la consistencia del concreto
disminuye a medida que se e incrementa el contenido
de fibra en el concreto, teniendo el concreto patrón
una consistencia de 4”, luego el concreto con fibra
700 g/m3. Disminuye %, de pulgada, para el caso del
concreto con fibra 1 000 g/m3, se observa que la
consistencia disminuye en’/a”, finalmente para el
concreto con fibra 1 300 g/m3 la consistencia
disminuye en 1” con respeto al concreto patrón.
5. Conclusiones
1. Del análisis estadístico de la prueba de
resistencia al impacto, tenemos que el contenido
óptimo de fibra es de 1300 g/m3 también se observan
buenos resultados con la cantidad de fibra de 1000
g/m3. De las medias de los tratamientos obtenemos
que al incorporar fibra al concreto la resistencia al
impacto aumenta, llegando a incrementarse a medida
que se continúa agregando fibra al concreto teniendo
que para el concreto f’c 175 kg/cm2 se obtiene
incrementos de 51%, 78% y 107% para los
contenidos de fibra de 700, 1000 y 1300 g/m3
respectivamente; para los concretos f’c 210 kg/cm2 se
obtienen incrementos de 24%, 80% y 103% para los
contenidos de fibra de 700, 1 000 y 1 300 g/m3
respectivamente. Finalmente, para los concretos f’c
280 kg/cm2 se tienen incrementos de 34%, 52% y
77% para los contenidos de fibra de 700, 1 000 y 1
300 g/m3 respectivamente.
2. Del análisis estadístico de resistencia a la
tracción por compresión diametral se observa que
aplicando las pruebas estadísticas del DCA
obtenemos que para el concreto 175 kg/cm2 para los
contenido de fibra de 700 g y 1 000 g, se obtiene un
incremento de 12.8% y 16.2% respectivamente, y
para el concreto 280 kg/cm2 tenemos que con el
contenido de fibra de 1 300 g/m3 se obtiene un
incremento de 11.65%. Sin embargo, trabajando con
las medias se observa que se ha obtenido una
tendencia en todos los concretos que indican que la
cantidad de fibra de 1 000 g/m3, es una cantidad
optima que mejora esta resistencia.
3. Del análisis estadístico de resistencia a la
compresión se ha observado una gran dispersión de
datos por lo que concluimos que la fibra no produce
efectos sobre la resistencia a la compresión se ha
tenido el caso particular que para el concreto de 210
kg/cm2 con el contenido de fibra de 1 000 g/m
3 se
observa un incremento de 1.1 % en la resistencia a la
compresión. La fibra no debería ser usada para
esperar un incremento en la resistencia a la
compresión.
4. La consistencia del concreto se ve afectada por
la incorporación de fibras de polipropileno,
disminuyendo a medida que se incrementa la
cantidad de esta en el concreto, es decir la
consistencia tiene una relación inversamente
proporcional al contenido de fibra, por ejemplo, el
concreto F’c 210 sin fibra tiene una consistencia de 3
½” y con la incorporación de 1300 g/m3 de fibra
disminuye la consistencia a 2”.
5. Las fibras no absorben agua por lo tanto no es
necesario hacer modificaciones en el diseño de
Análisis del comportamiento del concreto con incorporación de fibras de polipropileno
An cient. 68(4) 2007, pp. 208-218 218
mezcla por causa de este motivo, sin embargo las
fibras reducen la consistencia del concreto, pudiendo
ser necesario en el caso de tener cantidades altas de
fibras, el empleo de un aditivo plastificante para
lograr la consistencia requerida.
6. La dispersión de las fibras es un poco lenta
cuando la mezcla se hace con los agregados, el
cemento y el agua razón por la cual se hace necesario
un aumento en el tiempo de mezclado.
7. El costo de una bolsa de fibra de polipropileno
con el contenido de 1 000 g, (cantidad recomendada
por el fabricante para un metro cúbico de concreto),
es de 5.00 US$ (Cinco dólares americanos), siendo el
costo aproximadamente equivalente al de una bolsa
de cemento, con esta cantidad observamos buenos
resultados tanto para la resistencia al impacto como
para las resistencias mecánicas. Sin embargo, vemos
que con el contenido de fibra de 1 300 g la resistencia
al impacto se incrementa aun más, pero habría que
evaluar si se justifica este incremento con el costo
adicional que representa aumentar el contenido de
fibra y el posible empleo de un aditivo plastificante.
La evaluación se haría mediante un análisis de costos
comparativamente con el beneficio obtenido al
incrementar el tiempo de vida útil de la estructura.
6. Referencias bibliográficas
Capítulo peruano del ACI: Tecnología del concreto
MONTGOMERY, 2002. Diseño y análisis de
experimentos, Editorial Limusa Wiley.
NEVILLE, A.M. y J.J. BROOKS, 1998. Tecnología
del concreto, Editorial trillas. México
PASQUEL CARBAJAL, ENRIQUE, 1998. Tópicos
de tecnología del concreto, Colegio de ingenieros
del Perú, Segunda edición, Lima Perú.
RIVVA LÓPEZ, ENRIQUE, 1992. Diseño de
mezclas, Editorial Hozlo S. C.R. L., Lima Perú,
RIVVA LÓPEZ, ENRIQUE, Dosificación de
concretos normales y con aire incorporado, centro
de información técnica.
RUBIO, JORGE, Estadística, Editorial UNALM,
Lima Perú.
An cient. UNALM 68(4), 2007 Recibido: 19/07/2007
ISSN 0255-0407 Aceptado: 17/09/2007
Evaluación de la calidad de concreto utilizado en la obra sede administrativa
central de la Universidad Nacional Mayor de San Marcos en Lima – Perú
Carlos Bravo A. 1, Paul Baeber O.
Resumen
El presente trabajo de investigación se ha basado en los resultados de los ensayos de las probetas de concreto
correspondiente a ejecución de la obra “Sede Administrativa Central de la Universidad Nacional Mayor de San
Marcos”, esta obra se ubica en Lima Cercado, provincia y departamento de Lima, y fue ejecutada entre los meses de
marzo del 2002 y mayo de 2003. El concreto utilizado fue suministrado, en su totalidad, por una empresa
proveedora de concreto premezclado. Tanto la información de materiales, como de dosificación ha sido
proporcionada por la empresa proveedora. Los datos de ensayo de testigos han sido obtenidos de reportes entregados
a la supervisión de la obra, por la empresa contratista y complementariamente se cuenta con información
proporcionada por los controles propios de la empresa proveedora de concreto. “La mayor parte del concreto para
estructuras se produce en compañías premezcladoras. Generalmente, estos productores tienen fuentes estables de
materiales que han empleado durante largo tiempo. Los registros de la calidad del concreto producido por estas
plantas constituyen una valiosa fuente de información que se puede consultar cuando se ha hecho pruebas adecuadas
bajo un plan de muestreo aleatorio y se han conservado los registros. Esta información es muy superior a la
selección de valores arbitrarios en condiciones promedios”. Debido a los grandes volúmenes de concreto utilizado,
se clasificó los diferentes tipos de concreto y se estableció la frecuencia de muestreo para la preparación de probetas,
Con los resultados obtenidos del ensayo de probetas se procedió a evaluar la calidad del concreto, como señala la
Norma E-060 del Reglamento Nacional de Construcciones.
Palabras clave: Concreto, ensayo de probetas.
Abstract
The present investigation work has been based on the results of the rehearsals of the test tubes of concrete
corresponding to execution of the work “Sede Administrativa Central de la Universidad Nacional Mayor de San
Marcos”, This work is located in Lima, and it was executed between the months of March of the 2002 and May of
2003. The used concrete was given, in its entirety, for a supplying company of concrete. So much the information of
materials, as of dosage it has been provided by the supplying company. The data of witness rehearsal have been
obtained of reports surrendered to the supervision of the work, for the company contractor and complementarily it is
had information provided by the controls characteristic of the supplying company of concrete. “Most of the concrete
for structures takes place in private companies. Generally, these producers have stable sources of materials that have
used during long time. The registrations of the quality of the concrete taken place by these plants constitute a
valuable source of information that could be consulted when it has been made appropriate tests under a plan of
aleatory sampling and the registrations have been conserved. This information is very superior to the selection of
arbitrary values under conditions averages.” Due to the big volumes of used concrete, it was classified the different
types of concrete and the sampling frequency settled down for the preparation of test tubes, With the obtained
results of the rehearsal of test tubes we proceeded to evaluate the quality of the concrete, with the indications of E-
060 code of the National Regulation of Constructions.
Key words: Concrete, results of rehearsals.
1. Introducción
Para el control del concreto en obra, se verifica la
calidad de sus componentes, se obtienen testigos de
concreto fresco para su posterior envío al laboratorio
y se comprueba si la resistencia a la compresión es la
indicada en el expediente técnico.
En la mayoría de las obras de concreto se realiza la
evaluación de forma individual, se extrae solo una
probeta para el volumen a evaluar.
Según la Norma E-060 del Reglamento Nacional
de Construcciones, antes de evaluar el concreto, se
debe tener en cuenta la edad de concreto a preparar
(resistencia requerida y granulometría del agregado
grueso) y la frecuencia de muestreo (por volumen
utilizado). Esto para la obtención de probetas que
deberán ser ensayadas a los 28 días.
1 Facultad de Ingeniería Agrícola, Universidad Nacional Agraria La
Molina. Lima, Perú. E-mail: [email protected]
Para evaluar los resultados de las probetas
obtenidas, la norma indica dos disposiciones: la
primera, que el resultado promedio de dos probetas,
de la misma muestra, sea mayor que la resistencia
requerida, menos 35 kg/cm2; la segunda, que el
resultado promedio de tres pruebas consecutivas sea
mayor que la resistencia requerida.
Por ello, surge la idea de elaborar la presente tesis
“Evaluación de la calidad de concreto utilizado en la
obra Sede Administrativa Central de la Universidad
Nacional de San Mareos en Lima-Perú” en la cual se
utilizó 5 300 m3 de concreto de diferentes
características.
Se realizará una investigación académica de las
muestras del concreto utilizado, con el fin de verificar
si este concreto cumple con los parámetros
establecidos en el capitulo de Evaluación y
Aceptación del Concreto en la Norma E-060 del
Reglamento Nacional de Construcciones. Además, se
Evaluación de la calidad de concreto utilizado en la obra sede administrativa central de la Universidad Nacional
Mayor de San Marcos en Lima, Perú
220
realizara una evaluación, mediante un análisis
estadístico, para hallar la probabilidad de posibles
deficiencias en la calidad del concreto.
El concreto con fierro embebido conforma el
concreto armado, el cual sirve para la construcción de
grandes estructuras como represas, puentes, edificios,
etc. A causa de una eventual mala calidad del
concreto, dichas estructuras pueden poner en riesgo la
seguridad de los ocupantes de las instalaciones.
En muchas obras, cuando se analiza la calidad del
concreto, se verifica la calidad de algunos elementos
estructurales; se evalúan las resistencias individuales
y no se analizan los resultados dudosos, Esto se debe
al desconocimiento de la Norma E-060.
Debido a la importancia que tiene el concreto en la
construcción de grandes estructuras, se hace
necesario realizar una investigación académica acerca
de los resultados de los ensayos de las muestras del
concreto utilizado en una obra de grandes
proporciones, Dada la participación de la Universidad
Nacional Agraria La Molina en la supervisión de la
construcción de diferentes obras civiles de concreto
armado, se ha escogido como objeto de estudio la
obra “Sede Administrativa Central de la UNMSM”,
en razón de que ella ofrece un universo de
experimentación y evaluación frondoso y consistente.
Esto, con el fin de verificar si se cumple con lo
establecido en la Norma E-060 y en las
recomendaciones de la Norma 318, del American
Concrete Institute.
Se plantea como objetivo de la investigación:
evaluar el concreto utilizado en la obra “Sede
Administrativa Central de la Universidad Nacional
Mayor de San Marcos”, mediante los proceses de
verificación y las exigencias del Reglamento
Nacional de Construcciones en la Norma E-060, a
efectos de establecer si este cumple con las
exigencias técnicas pertinentes”.
2. Revisión de literatura
2.1 El concreto “Es la mezcla constituida por cementos, agregados,
agua y eventualmente aditivos, en proporciones
adecuadas para obtener las propiedades prefijadas”.
“El concreto es una mezcla de cemento, agregado
grueso o piedra, agregado fino o arena y agua. El
cemento, el agua y la arena constituyen el mortero
cuya función es unir las diversas partículas de
agregado grueso llenando los vacíos entre ellas. En
teoría, el volumen de mortero solo debería llenar el
volumen entre partículas. En la practica, este
volumen es mayor por el uso de una mayor cantidad
de mortero para asegurar que no se formen vacíos”.
“El concreto es una mezcla de cemento Pórtland,
agregado fino, agregado grueso, aire y agua en
proporciones adecuadas para obtener ciertas
propiedades prefijadas, especialmente la resistencia”,
“El cemento y el agua reaccionan químicamente
uniendo las partículas de los agregados,
constituyendo un material heterogéneo. Algunas
veces se añaden ciertas sustancias, llamadas aditivos,
que mejoran o modifican algunas propiedades del
concreto”.
“El concreto es una mezcla de arena, grava, piedra
triturada u otro agregado que se mantiene unidas por
una pasta endurecida de cemento y agua. Esta
mezcla, cuando se dosifica correctamente, primero es
una masa plástica que se puede vaciar o moldear a
tamaño y forma predeterminados. Al ocurrir la
hidratación del cemento por el agua, el cemento se
convierte en un material de la naturaleza de la piedra,
que tiene resistencia, dureza y durabilidad. Se
diferencia de otras mezclas de cemento, agua y
agregado con base en el tamaño de este ultimo”. “Las
características del concreto pueden variar en una
amplia gama, dependiendo de las características de
los ingredientes y las proporciones de mezcla.”
Tipos de concreto Concreto simple, es una mezcla de cemento
Pórtland, agregado fino, agregado grueso y agua. En
la mezcla el agregado deberá estar totalmente
envuelto por la pasta de cemento; el agregado fino
deberá rellenar los espacios entre el agregado grueso
y a la vez estar similarmente cubierto por la misma
pasta, la que deberá saturar los espacios vacíos
remanentes.
Concreto armado, es el concreto simple cuando
este lleve embebida una armadura de acero como
refuerzo y esta diseñado bajo la hipótesis de que los
dos materiales trabajan conjuntamente, actuando la
armadura para soportar el esfuerzo de tracción e
incrementar la resistencia a la compresión del
concreto.
Concreto ciclópeo, es aquel que lleva una fuerte
proporción de piedras grandes, cuyas dimensiones
pueden llegar a ser hasta 10 pulgadas. Estas piedras
ocupan como máximo el 30% del volumen total; no
se considera como concreto estructural.
Concreto premezclado, es aquel que se dosifica en
planta y que puede luego ser mezclado en la misma
planta o en camiones mezcladores, para luego ser
transportado a la obra.
Concreto arquitectónico, es aquel concreto con
características específicas, para poder manejar la
textura de la superficie determinada.
Concreto ligero, cuando se emplean agregados de
bajo peso especifico (menor a 1.1 T/m3), resulta un
concreto de peso especifico significativamente menor
que el concreto normal.
Concreto pesado, es un concreto de gran densidad,
que varia entre 2.8 a 6 T/m3, a diferencia de los
concretos normales que varían entre 2.2 y 2.3 T/m3.
Para su fabricación se utilizan agregados pesados
(baritas, minerales de fierro como magnesita,
limonita y hematina, o partículas de acero como
subproducto industrial). Concreto con aire
incorporado, cuando contiene determinada
proporción de burbujas de aire que le comunican
propiedades especiales, mejora la trabajabilidad del
concreto (las burbujas de aire funcionan como billas
que resbalan sin producir ligamento entre los
elementos); le da mayor resistencia a las heladas.
Carlos Bravo A., Paul Baeber O.
An cient. 68(4) 2007, pp. 219-229 221
Ventajas al uso de concreto
“La facilidad con que puede colocarse dentro de
los encofrados de casi cualquier forma mientras aún
tiene una consistencia plástica. Su elevada resistencia
a la compresión lo que le hace adecuado para
elementos sometidos fundamentalmente a
compresión, como columnas y arcos. Su elevada
resistencia al fuego y a la penetración del agua”.
“Para todas las zapatas y muros de cimentación,
inclusive la mayoría de los trabajos residenciales, y
especialmente en áreas en las que haya agua freática.
Para la armazón estructural de los edificios con
diseño y requisitos estructurales que hagan
económico utilizar concreto de preferencia sobre
otros materiales. Para áreas de pisos que estén en
contacto directo con el terreno”
Desventajas al uso del concreto
“Con frecuencia el concreto se prepara en el sitio
en condiciones en donde muchas veces no hay un
responsable de su producción, es decir, el control de
calidad no es bueno. El concreto es un material de
escasa resistencia a la tracción. Esto hace difícil su
uso en elementos estructurales que están sometidos a
tracción, por ejemplo (como los tirantes) o en parte
de sus secciones transversales (como vigas u otros
elementos sometidos a flexión).”
“El concreto no es eficiente cuando existan
miembros estructurales muy pequeños o muy
delgados, excepto cuando el diseño estructural sea
planeado específicamente para construcción en
secciones delgadas. En donde el peso sea un factor
importante. Para claros excesivamente largos entre
miembros de soporte, excepto cuando el diseño se
haya planeado específicamente para concreto
presforzado”.
2.2 Componentes del concreto
“La palabra cemento, en su significado más
amplio, incluye a cualquier material cementicio que
es capaz ya sea de unir porciones de sustancias no
adhesivas por si mismas un modo cohesivo, o de
cementar materiales no adhesivos.”
“El cemento empleado para la preparación del
concreto deberá cumplir con los requisitos de las
especificaciones ITINTEC para cementos. El
cemento utilizado en obra deberá ser el mismo tipa y
marca que el empleado para la selección de las
proporciones de la mezcla de concreto”.
Las normas referidas al cemento son las ITINTEC
334.007, ITINTEC 334.008, ITINTEC 334.016.
“El cemento Portland es un producto comercial de
fácil adquisición, el cual cuando se mezcla con agua,
ya sea solo o en combinación con arena, piedra u
otros materiales similares, tiene la propiedad de
reaccionar lentamente con el agua hasta formar una
masa endurecida. Esencialmente es un clinker
finamente molido, producido por la cocción a
elevadas temperaturas, de mezclas que contienen cal,
alúmina, fierro y sílice en proporciones
determinadas”.
Los componentes del cemento pórtland
“Los componentes esenciales del cemento Pórtland
son los óxidos de calcio, silicio, aluminio y hierro.
Durante la molienda y calcinación subsecuente de las
materias primas que conducen a la formación de
escorias de cemento, estos óxidos se combinan en
cuatro compuestos principales,” ... “La composición
de estos compuestos se expresan mediante
complicadas formulas químicas en el sistema
cuaternario (por ejemplo, CaO-Al2O3-SiO2~F203), la
cual, para los fines prácticos puede abreviarse y
escribirse como C2S, C35, C3A, C4AF como se
indica en la Tabla 1 la composición de los elementos
contenidos en el cemento Portland. Estos
componentes son importantes para la velocidad de
fraguado del cemento, para su desarrollo de calor
durante el fraguado y para su resistencia a las aguas y
suelos alcalinos.
Tabla 1. Composición de los compuestos
contenidos en el cemento Pórtland.
Como pueden combinarse las mismas proporciones
de estos óxidos para formar cementos de
características bastantes diferente, no es la cantidad
relativa de cada óxido sino la proporción relativa de
cada compuesto la que determina las características
de los distintos tipos de cemento.
Los silicatos dicálcicos y tricálcicos (C2S y C3S)
son los más esenciales y útiles, ya que regulan la
mayor parte de las características del cemento que
contribuyen al desarrollo de su resistencia mecánica.
La suma de los porcentajes de estos dos
componentes, en los distintos tipos de cemento, varía
de 70% a 80%. Los silicatos dicálcicos tienen un
calor de hidratación mas bajo que los silicatos
tricálcicos.
El aluminato Tricálcico (C3A) es el más activo en
la generación de calor y es el que explica la mayoría
de las cualidades indeseables del cemento. Un alto
contenido puede incrementar los cambios de volumen
e influir en la formación de grietas, a la vez que
disminuir la resistencia del cemento a los sulfatos.
Durante la manufactura se separa el aluminato
Tricálcico como impureza con el óxido de hierro, el
cual lo convierte en alumino-ferrita Tetracálcica
(C4AF), que es un compuesto de menor calor de
hidratación aunque también de menor valor
cementante.
Se cree que la cal libre o sin combinar (CaO) y la
magnesia en la misma condición son las que
ocasionan la falta de calidad en el fraguado del
Evaluación de la calidad de concreto utilizado en la obra sede administrativa central de la Universidad Nacional
Mayor de San Marcos en Lima, Perú
222
cemento. Si están presentes en cantidades
considerables, estos óxidos, que permanecen sin
hidratar durante un tiempo prolongado a las
temperaturas ordinarias, pueden ocasionar
eventualmente la dilatación y desintegración del
concreto.
Tipos de cemento pórtland
En la actualidad, en el Perú se fabrican los
cementos Tipo I, Tipo II, Tipo V, Tipo IP y Tipo
IPM. Existen diversos tipos de cemento Pórtland,
para distintos usos, los cuales mencionaremos:
Tipo I, Normal: para uso general
Tipo IA: cemento Portland normal de Tipo I
con materiales atrapadores de aire molidos en
forma integral con la escoria durante la
manufactura.
Tipo II, Moderado: para usos en los que se
requiera fraguado lento y menos calor, y
particularmente en estructuras sólidas de
concreto tales como muros de retención
grandes, pilares y apoyos, en las que el calor
excesivo podría producir agrietamientos.
Tipo IIA: cemento Pórtland de Tipo II
moderado con materiales atrapadores de aire
entremezclados con la escoria durante su
manufactura.
Tipo III. Alta resistencia prematura: para
aplicaciones en las que son importantes el
fraguado rápido y la alta resistencia prematura
y en las que debe producir más calor para
eliminar las temperaturas bajas.
Tipo IIIA: cemento Pórtland de Tipo III de alta
resistencia prematura con materiales
atrapadores de aire entremezclados y molidos
con la escoria durante su manufactura.
Tipo IV, Bajo calor: para usos en los que se
desea fraguado muy lento y en los que debe
generarse muy poco calor. Este cemento se usa
en particular en concreto muy masivo en las
que se debe evitarse el agrietamiento debido al
calor.
Tipo V Resistentes a los sulfatos: para uso en
los que haya contacto del concreto con aguas y
suelos alcalinos que ataquen a otro tipo de
cemento Pórtland.
Los cementos Pórtland tipos IA, IIA y IIIA
corresponden, en cuanto a composición, a los tipos I,
II y III, pero producen concreto de mejor resistencia a
la acción de la congelación y la descongelación, así
como a la formación de escamas ocasionadas por las
sustancias químicas que se aplican para remover la
nieve y el hielo. El concreto producido es también
más plástico, fluido, fácil para trabajarlo. Los
materiales atrapadores de aire hacen que se formen en
el seno del concreto diminutas burbujas de aire bien
distribuidas y completamente separadas”. “El Tipo III
es de alto contenido de silicato Tricálcico; el de Tipo
IV es de alto contenido de silicato dicálcico y
aluminoferrita Tetracálcica (C4AF) y el Tipo V es de
alto contenido en silicatos dicálcico y Tricálcico y
bajo en C3A y C4AF.”
2.3 Agregados
“Llamados también áridos, son materiales inertes
que se combinan con los aglomerantes (cemento, cal,
etc.) y el agua formando los concretos y morteros.
La importancia de los agregados radica en que
constituyen alrededor del 75% en volumen, de una
mezcla típica de concreto. Por lo anterior, es
importante que los agregados tengan buena
resistencia, durabilidad y resistencia a los elementos,
que su superficie este libre de impurezas como barro,
limo y materia orgánica que puede debilitar el enlace
con la pasta de cemento”.
Los agregados naturales se clasifican en:
- Agregados finos.
- Agregados gruesos.
Agregado fino
“Se considera como agregados finos a la arena o
piedra natural finamente triturada, de dimensiones
reducidas y que pasan por el tamiz 9.5 mm (3/8”) y
que cumple con los limites establecidos en la norma
ITINTEC 400.037.
Las arenas provienen de la desintegración natural
de las rocas y que arrastrados por corrientes aéreas o
fluviales se acumulan en lugares determinados.
La granulometría es la distribución por tamaños de
las partículas de arena. La distribución del tamaño de
partículas se determina por la separación con una
serie de mallas normalizadas. Las mallas
normalizadas utilizadas para el agregado fino son las
Nº 4, 8, 16, 30, 50 y 100.
El Reglamento Nacional de Construcciones
especifica la granulometría de la arena en
concordancia con las normas, del ASTM. Los
requerimientos se dan en la Tabla 2.
Tabla 2. Límites de granulometría, según
ASTM.
El control de la granulometría se aprecia mejor
mediante un grafico, en la que las ordenadas
representa el porcentaje acumulado que pasa la malla,
y las abscisas, las aberturas correspondientes. En la
Figura 3 representa las curvas envolventes del
agregado fino según la norma ASTM.
Carlos Bravo A., Paul Baeber O.
An cient. 68(4) 2007, pp. 219-229 223
Figura 1. Curvas envolventes del agregado fino
según la norma ASTM.
La Norma ASTM, exceptúa los concretos
preparados con mas de 300 kg/m3 de los porcentajes
requeridos para el material que pasa por las Mallas Nº
50 y 100 que, en este caso puede reducirse a 5% y
0% respectivamente.
Esta posición se explica porque el mayor contenido
de cemento contribuye a la plasticidad del concreto y
la compacidad de la pasta, función que cumple el
agregado mas fino.
Además, la norma, prescribe que la diferencia entre
el contenido que pasa una malla y el retenido en la
siguiente, no debe ser mayor del 45% del total de la
muestra. De esta manera, se tiende a una
granulometría mas regular. Para que el concreto tenga
una adecuada trabajabilidad, las partículas del
agregado grueso deben estar espaciadas de manera tal
que puedan moverse con relativa facilidad, durante
los procesos de mezclado y colocación. En este
sentido, el agregado fino actúa como lubricante del
agregado, ayudándolo a distribuir toda su masa.
En general, en cuanto a granulometría se refiere,
los mejores resultados se obtienen con agregados de
granulometría que quedan de las normas y que den
curvas granulométricas suaves.
Requisitos de uso
El agregado fino será arena natural, sus partículas
serán limpias, de perfil preferentemente angular,
duro, compactas y resistentes. El agregado fino
deberá estar libre de cantidades perjudiciales de
polvo, terrones, partículas escamosas o blandas,
esquistos, pizarras, álcalis, materia orgánica, sales, u
otras sustancias perjudiciales.
Debe cumplir las normas sobre su granulometría.
Se recomienda que las sustancias dañinas, no
excederán los porcentajes máximos siguientes:
Partículas deleznables: 3%; Material mas fino que la
malla Nº 200: 5%”.
Módulo de fineza
“Es un índice aproximado del tamaño medio de los
agregados. Cuando este índice es bajo quiere decir
que el agregado es fino, cuando es alto es serial de lo
contrario. El módulo de fineza, no distingue las
granulometrías, pero en caso de agregados que están
dentro de los porcentajes especificados en la norma
granulométrica, sirve para controlar la uniformidad
de los mismos.
El módulo de fineza de un agregado se calcula
sumando los porcentajes acumulativos retenidos en la
serie de mallas estándar: 3”, 1 ½”, ¾”, Nº 4, Nº 8, Nº
16, Nº 30, Nº 50, Nº 100 y dividiendo entre 100.
“Según la norma ASTM la arena debe tener un
modulo de fineza no menor de 2.3 ni mayor que 3.1.
Se estima que las arenas comprendidas entre los
módulos 2.2 y 2.8 producen concretos da buena
trabajabilidad y reducida segregación; y que las que
se encuentren entre 2.8 y 3.1 son las mas favorables
para los concretos de alta resistencia.
En obras que se requiere buena textura superficial,
como son el revestimiento de los canales o pisos de
concreto, se recomienda que la arena tenga un
contenido de finos superior al 15% que pasa la malla
Nº 50.
Agregado grueso
“Se define como agregado grueso al material
retenido en el tamiz 4.75 mm (Nº 4) proveniente de la
desintegración natural o mecánica de las rocas y que
cumple con los limites establecidos en la norma
400.037.
El agregado grueso puede ser grava, piedra
chancada, etc.
a) Gravas
Comúnmente llamados canto rodado, es el
conjunto de fragmentos pequeños de piedra,
provenientes de la desintegración natural de las rocas,
por la acción del hielo y otros agentes atmosféricos,
encontrándoseles corrientemente en canteras y lechos
de río depositados en forma natural.
Cada fragmento ha perdido sus aristas vivas y se
presentan en formas más o menos redondas. Las
gravas pesan de 1 600 a 1 700 kg/m3.
b) Piedra partida o chancada
Se denomina así, al agregado grueso obtenido por
la trituración artificial de rocas o gravas. Como
agregado grueso se puede usar cualquier clase de
piedra partida siempre que sea limpia, dura y
resistente.
Su función principal es la de dar volumen y aportar
su propia resistencia. Los ensayos indican que la
piedra chancada o partida da concretos ligeramente
mas resistentes que los hechos con piedra redonda. El
peso de la piedra chancada se estima en 1 450 a 1 500
kg/m3
2.4 Granulometría
El agregado grueso deberá estar graduado dentro
de los límites establecidos en la Norma 400.037 o en
la norma ASTM C 33, los cuales están indicados en
la Tabla 3.
Evaluación de la calidad de concreto utilizado en la obra sede administrativa central de la Universidad Nacional
Mayor de San Marcos en Lima, Perú
224
Tabla 3. Requisitos granulométricos del agregado grueso.
2.4.1 Tamaños máximos. El tamaño máximo de los agregados gruesos en el
concreto armado se fija por la exigencia de que pueda
entrar fácilmente en los encofrados y entre las barras
de la armadura. En ningún caso el tamaño máximo
del agregado grueso deberá ser mayor que:
- Un quinto, de la menor dimensión entre caras de
encofrados.
- Un tercio de la altura de las losas.
- Tres cuartos del espacio libre entre las barras o
alambres individualmente de refuerzo, paquetes de
barra, cables o ductos de preesfuerzo.
Estas limitaciones están dirigidas a que las barras
de refuerzo queden convenientemente recubiertas y
no se presenten cavidades de las llamadas
“cangrejeras”. Sin embargo, pueden omitirse por
excepción, si el ingeniero responsable comprueba que
los métodos de puesta en obra y la trabajabilidad del
concreto lo permiten.
Se considera que, cuando se incrementa el tamaño
máximo del agregado, se reducen los requerimientos
del agua de mezcla, incrementan la resistencia del
concreto. En general este principio es valido con
agregados hasta 1 %,”. En tamaños mayores, sólo es
aplicable a concretos con bajo contenido de cemento.
2.4.2 Requisitos de uso El agregado grueso deberá estar conformado por
partículas limpias, de perfil preferentemente angular
o semi-angular, duras, compactas, resistentes, y de
textura preferentemente rocosa.
Las partículas deben estar libres de tierra, polvo,
limos, humus, escamas, materia orgánica, sales u
otras sustancias dañinas.
Se recomienda que las sustancias dañinas no
excedan los porcentajes máximos siguientes:
partículas deleznables: 5%; Material mas fino que la
malla Nº 200: 1 %; Carbón y lignito: 0.5%”.
2.5 Agua
El agua es un elemento fundamental en la
preparación del concreto, estando relacionado con la
resistencia, trabajabilidad y propiedades del concreto
endurecido.
El agua a emplearse en la preparación del concreto,
deberá ser limpia y estará libre de cantidades
perjudiciales de aceite, ácidos, álcalis, sales, material
orgánico y otras sustancias que puede ser nocivas al
concreto o al acero.
Si se tuvieran dudas de la calidad del agua a
emplearse en la preparación de una mezcla de
concreto, será necesario realizar un análisis químico
de esta, para comparar los resultados con los valores
máximos admisibles de las sustancias existentes en el
agua a utilizarse en la preparación del concreto que
en la Tabla 4 mencionamos.
Carlos Bravo A., Paul Baeber O.
An cient. 68(4) 2007, pp. 219-229 225
Tabla 4. Valores máximos admisibles de las
sustancias disueltas en el agua.
También deberá hacerse un ensayo de resistencia a
la compresión a los 7 y 28 días, preparando testigos
con agua destilada o potable y con el agua cuya
calidad se quiere evaluar, considerando como
satisfactorias aquellas que arrojen una resistencia
mayor o igual a 90% que la del concreto preparado
con agua potable.
Un método rápido para conocer la existencia de
ácidos en el agua, es por medio de un papel tornasol,
el que sumergido en agua ácida tomara un color
rojizo. Asimismo para determinar la presencia de
yeso u otro sulfato es por medio de cloruro de bario;
se filtra el agua (unos 500 g) y se le hecha algunas
gotas de ácido clorhídrico; luego mas gotas de
solución cloruro de bario, si se forma un precipitado
blanco (sulfato de bario) es serial de presencia de
sulfatos. , Esta agua debe entonces mandarse analizar
a un laboratorio para saber su concentración y ver si
esta dentro del rango permisible. Debería entenderse
que estos ensayos no pueden remplazar a los de
laboratorio, y sólo se utilizan para tener indicios que
posteriormente se comprobaran en un laboratorio
competente.
2.6 Aditivos
Se denomina aditivo a las sustancias añadidas a los
componentes fundamentales del concreto con el
propósito de modificar alguna de sus propiedades y
hacerlo mejorar para el fin a que se destine.
Los aditivos que se empleen en el concreto en el
Perú cumplirán con las especificaciones de la Norma
339.086.
Los aditivos son utilizados principalmente para
mejorar una o varias de las siguientes características
del Concreto:
- Aumentar la trabajabilidad, sin modificar el
contenido de agua.
- Retardar o acelerar el tiempo de &agua inicial.
- Acelerar el desarrollo de la resistencia en la
primera edad.
- Modificar la velocidad de producción de calor de
hidratación.
- Reducir la exudación y sangrado.
- Disminuir la segregación.
-Reducir la contracción
- Incrementar la adherencia del concreto viejo y
nuevo.
- Mejorar la adherencia del concreto con el
refuerzo Los aditivos son considerados en la norma
de acuerdo a la siguiente clasificación:
- Plastificante y reductor de agua; que mejora la
consistencia del concreto y reduce la cantidad de
agua de mezclado requerida para producir concreto
de consistencia determinada.
- Retardador, que alarga el tiempo de fraguado del
concreto.
- Acelerador, que acorta el tiempo de fraguado y el
desarrollo de la resistencia inicial del concreto.
- Plastificante y retardador, que reduce la cantidad
de agua de mezclado requerida para producir un
concreto de una consistencia dada y acelera su
fraguado y el desarrollo de su resistencia,
- Plastificante y acelerador, que reduce la cantidad
de agua de mezclado requerida para producir un
concreto de una consistencia dada v acelera su
fraguado y el desarrollo de su resistencia.
- Incorporadores de aire, aumenta la resistencia del
concreto a la acción de las heladas por que introducen
burbujas diminutas en la mezcla de a cemento
endurecida. Estas burbujas actúan como
amortiguadores para los esfuerzos inducidos por la
congelación y descongelación.
- Adhesivos, que mejora la adherencia con el
refuerzo.
- Impermeabilizante e inhibidores de corrosión.
3. Propiedades del Concreto
3.1 Trabajabilidad Es la facilidad que presenta el concreto fresco para
ser mezclado, colocado, compactado y acabado sin
segregación y exudación durante estas operaciones.
No existe prueba alguna hasta el momento que
permita cuantificar esta propiedad; generalmente se
aprecia en los ensayos de consistencia.
Es la facilidad que tiene el concreto para ser
mezclado, manipulado y puesto en obra, con los
medios de compactación del que se disponga. La
trabajabilidad depende de:
- Dimensiones del elemento.
- Secciones armadas.
- Medios de puesta de obra.
Habrá una mayor trabajabilidad cuando:
- Contenga mas agua.
- Haya mas agregado fino.
3.2 Consistencia Está definida por el grado de humedecimiento de la
mezcla, depende principalmente de la cantidad de
agua usada.
3.2.1 Método El ensayo de consistencia, llamado también
revenimiento o “slump test” es utilizado para
caracterizar el comportamiento del concreto fresco.
Esta prueba, desarrollada por Duft Abrams, fue
adoptada en 1921 por el ASTM y revisada finalmente
en 1978.
El ensayo consiste en consolidar una muestra de
concreto fresco en un molde troncocónico, midiendo
el asentamiento de la mezcla luego de desmoldado.
Evaluación de la calidad de concreto utilizado en la obra sede administrativa central de la Universidad Nacional
Mayor de San Marcos en Lima, Perú
226
El comportamiento del concreto en la prueba indica
su “consistencia” o sea su capacidad para adaptarse al
encofrado o molde con facilidad, manteniéndose
homogéneo con un mínimo de vacíos.
La consistencia se modifica fundamentalmente por
variaciones del contenido de agua de mezcla.
3.2.2 Equipo
El equipo necesario consiste en un molde tronco
cónico. Los dos círculos de las bases son paralelos
entre si midiendo 20 cm y 10 cm. Los diámetros
respectivos la altura del molde es de 30 cm.
El molde se construye con plancha de acero
galvanizado, de espesor mínimo de 1.5 mm. Se
sueldan al molde asas y aletas de pie para facilitar la
operación. Para compactar el concreto se utiliza una
barra de 518” de diámetro y 60 cm. de longitud y
punta semiesférica.
3.2.3 Procedimiento de ensayo
El molde se coloca sobre una superficie plana y
humedecida, manteniéndose inmóvil pisando las
aletas. Seguidamente se vierte una capa de concreto
hasta un tercio de volumen. Se apisona con la varilla,
aplicando 25 golpes, distribuidos uniformemente.
Enseguida se colocan otras dos capas con el mismo
procedimiento a un tercio del volumen y
consolidándolo, de manera que la barra penetre en la
capa inmediata inferior.
La tercera capa deberá estar llena en exceso, para
luego enrasar al término de la consolidación. Lleno y
enrasado el molde, se levanta lenta y cuidadosamente
en dirección vertical.
El concreto moldeado fresco se asentará. La
diferencia entre la altura del molde y la altura de la
mezcla fresca se denominará slump.
Se estima que desde el inicio de la operación hasta
el término no deben transcurrir más de dos minutos
de los cuales el proceso de desmolde no toma más de
cinco segundos
Clases de mezcla según su asentamiento.
Tabla 5. Clase de consistencia, según su
asentamiento.
3.2.4 Limitaciones de aplicación “El ensayo de Abrams solo aplicable en concretos
plásticos, con asentamiento normal (mezclas ricas y
con un correcto dosaje de agua), No tiene interés en
las siguientes condiciones.
- En caso de concretos sin asentamientos, de muy
alta resistencia.
- Cuando el contenido de agua es menor de 160 lts.
por m3 de mezcla.
- En concretos con contenido de cemento inferior a
250 kg/m3.
- Cuando existe un contenido apreciable de
agregado grueso de tamaño máximo que sobrepasa
las 2.5”.
3.3 Segregación
Es una propiedad del concreto fresco, que implica
la descomposición de este en sus partes
constituyentes o lo que es lo mismo, la separación del
agregado grueso del mortero.
Es un fenómeno perjudicial para el concreto,
produciendo en el elemento llenado, bolsones de
piedra, capas arenosas, cangrejeras, etc.
La segregación está en función de la consistencia
de la mezcla, siendo el riesgo mayor cuanto mas
húmeda es la mezcla.
En el proceso de diseño de mezclas, es necesario
tener siempre presente el riesgo de segregación,
pudiendo disminuir este, mediante el aumento de
finos (cemento o Agregado fino) y de la consistencia
de la mezcla.
Generalmente procesos inadecuados de
manipulación y colocación son las causas del
fenómeno de segregación en la mezcla. La
segregación ocurre cuando parte del concreto se
mueve más rápido que el concreto adyacente, por
ejemplo:
- El traqueteo de las carretillas con rueda metálica
tienden a producir que el agregado grueso precipite al
fondo mientras que la “lechada” asciende a la
superficie.
- Cuando se suelta el concreto de alturas mayores
de ½ metro el efecto es semejante.
- También se produce segregación cuando se
permite que el concreto corra por canaletas, máxime
si estas presentan cambios de dirección.
- El excesivo vibrado de la mezcla produce
segregación.
3.4 Resistencia
La resistencia del concreto no puede probarse en
condiciones plásticas, por lo que el procedimiento
acostumbrado consiste en tomar muestras durante el
mezclado las cuales después de curadas endurecen
durante un periodo de tiempo definido, y se someten
a pruebas de compresión.
Se emplea la resistencia a la compresión por la
facilidad en la realización de los ensayos y el hecho
de que la mayoría de propiedades del concreto
mejoran al incrementarse esta resistencia. La
resistencia en compresión del concreto es la carga
máxima para una unidad de área soportada por una
muestra, antes de fallar por compresión
(agrietamiento, rotura).
La resistencia a la compresión de un concreto (F‟c)
debe ser alcanzada a los 28 días, después de vaciado
y realizado el curado respectivo.
Carlos Bravo A., Paul Baeber O.
An cient. 68(4) 2007, pp. 219-229 227
3.4.1 Equipo en obra - Moldes cilíndricos, cuya longitud es el doble de
su diámetro (6”x 12”)
- Barra compactadora de acero liso de 5/8” de
diámetro y aproximadamente de 60 cm de longitud.
La barra será terminada en forma de semiesfera.
- Cuchara para el muestreo y plancha de
albañilería.
- Aceites derivados de petróleo, como grasa
mineral blanda.
- Los moldes deben ser de material impermeable,
no absorbente y no reactivo con el cemento. Los
moldes normalizados se construyen de acero.
Eventualmente se utilizan de material plástico duro,
de hojalata y de cartón parafinado.
3.4.2 Procedimiento para obtener muestra. Se deberá obtener una muestra por cada 50 m
3 de
concreto producido a 300 m2 de superficie llenada y
en todo caso no menos de una al día.
La muestra de concreto se colocará en una vasija
impermeable y no absorbente, de tamaño tal que sea
posible el remezclado, antes de llenar los moldes.
Se deben preparar tres probetas de ensayo de cada
muestra pera evacuar la resistencia a la compresión
en determinada edad, por el promedio.
Generalmente la resistencia del concreto se evalúa
a las edades de 7 y 28 días. Luego del remezclado, se
llena de inmediato el molde hasta un tercio de su
altura, compactado a continuación con la barra
mediante 25 golpes verticales. El proceso se repite en
las 2 capas siguientes, de manera que la barra penetre
hasta la capa precedente no más de 1”. En la última
se coloca material en exceso, para enrazar a tope con
el borde superior del molde, sin agregar material.
Después de consolidar cada capa, se procederá a
golpear ligeramente las paredes del molde, utilizando
la barra de compactación, para eliminar los vacíos
que Pudieran haber quedado.
La superficie del cilindro será terminada con la
barra o regla de madera, de manera de lograr una
superficie plana, suave y perpendicular a la generatriz
del cilindro.
Las probetas se retiraran de los moldes entre las 18
y 24 horas después de moldeadas, para luego
sumergirlas en agua para su curado sumergido en
poza de fraguado.
3.4.3 Factores que afectan la resistencia La relación agua / cemento (a/c). Es el factor
principal que influye en la resistencia del
concreto. La relación a/c, afecta la resistencia a
la compresión de los concretos con o sin aire
incluido. La resistencia en ambos casos
disminuye con el aumento de a/c.
El contenido de cemento. La resistencia
disminuye conforme se reduce el contenido de
cemento.
El tipo de cemento. La rapidez de desarrollo de
resistencia varía para concretos hechos con
diferentes tipos de cemento.
Las condiciones de curado. Dado que las
reacciones de hidratación del cemento solo
ocurren en presencia de una cantidad adecuada
de agua, se debe mantener la humedad en el
concreto durante el periodo de curado, para que
pueda incrementarse su resistencia con el
tiempo.
4. Resultados
De acuerdo a los resultados obtenidos, se
prepararon 1236 probetas y se ensayaron 786
probetas. Ellas forman el grupo de 209 muestras que
representan al concreto utilizado en obra.
4.1 Control de obra Se han diferenciado cuatro clases de concreto,
clasificación del RNC, de la siguiente manera:
- Clase Nº 1 Concreto de f‟c 210 kg/cm2 con
agregado grueso de 1” de tamaño máximo.
- Clase Nº 2 Concreto de f‟c 210 kg/cm2, con
agregado grueso de‟/.” de tamaño máximo
- Clase Nº 3 Concreto de f‟c 280 kg/cm2, con
agregado grueso de‟/,” de tamaño máximo
- Clase Nº 4 Concreto de f‟c 350 kg/cm2, con
agregado grueso de‟/4” de tamaño máximo
Para efectos de análisis y evaluación de resultados
se denominará a la clasificación como Clase Nº.
De la clasificación realizada se obtuvieron:
Tabla 6. Resumen de clases de concreto y número
de muestras.
Cada cuadro en anexos, mencionado en la Tabla 6,
nos indica el numero de muestra, la estructura
vaciada, la fecha de muestreo, la nomenclatura
utilizada, los resultados obtenidos al día de ensayo y
la resistencia promedio. Esta resistencia promedio se
utilizó para la evaluación de la calidad de concreto.
Para el procesamiento y análisis de los resultados,
según la Norma E-060 con fines de control de obra,
se ha evaluado el valor promedio de las probetas, no
debiendo este valor estar por debajo de 35 Kg/cm2 de
la resistencia requerida. Además, el valor promedio
de tres muestras consecutivas no debe estar por
debajo de la resistencia requerida. En la Tabla 7
mostramos el resumen del análisis realizado.
Tabla 7. Número de muestras defectuosas,
según cada clase.
Evaluación de la calidad de concreto utilizado en la obra sede administrativa central de la Universidad Nacional
Mayor de San Marcos en Lima, Perú
228
A su vez, un análisis de los gráficos Nº 1 y 2 nos
revela que se han presentado valores inferiores a los
permitidos.
Debido a los resultados desfavorables obtenidos en
los concretos de las clases Nº 3 y Nº 4, se procederá a
evaluarlos según el ítem de la Norma E-060
denominado “Resultados dudosos”
5. Conclusiones
1. Las muestras de los concretos Clase Nº 1, 2 y 3
cumplieron con las exigencias de la Norma E-060 del
RNC en su capítulo Evaluación y Aceptación del
concreto; salvo una muestra de la Clase Nº 3. Las
muestras obtenidas del concreto Clase Nº 4 vaciado
el 10 de julio no cumplieron con dichas exigencias.
2. Los resultados del concreto clase 1 tuvieron una
media de 281.05 kg/cm2, una desviación estándar de
29.16 y una probabilidad de ocurrencia de obtener
resultados menores al requerido de 0.008.
3. Los resultados del concreto clase 2 tuvieron una
media de 268.53 kg/cm2, una desviación estándar de
29.86 y una probabilidad de ocurrencia de obtener
resultados menores al requerido de 0.025.
4. Los resultados del concreto clase 3 tuvieron una
media de 314.69 kg/cm2, una desviación estándar de
34.52 y una probabilidad de ocurrencia de obtener
resultados menores al requerido de 0.157
5. Los resultados del concreto clase 4 tuvieron una
media de 396.62 kg/cm2, una desviación estándar de
78.56 y una probabilidad de ocurrencia de obtener
resultados menores al requerido de 0.069.
6. En la clase Nº 2, 3 y 4 tenemos una desviación
estándar 29.85, 34.51 y 78.56 respectivamente y una
probabilidad de ocurrencia de obtener resultados
menores a los requeridos de 0.0250, 0.1574 y 0.0688
respectivamente. Debido a esto se puede afirmar que
la desviación estándar y la probabilidad de ocurrencia
de obtener resultados menores a los requeridos no
están en relación directa
Carlos Bravo A., Paul Baeber O.
An cient. 68(4) 2007, pp. 219-229 229
7. El aditivo EUCO WR 52, utilizado por el
proveedor, es un aditivo plastificante. En la curva de
endurecimiento se puede observar que el aditivo
mencionado incrementa la resistencia inicial de la
mezcla de concreto.
8. El coeficiente de variabilidad no es un parámetro
confiable para el control de la calidad del concreto.
Usando la misma desviación estándar y con
diferentes resistencias de concreto, obtendríamos
diferentes coeficientes de variabilidad, ya que, estos
últimos son inversamente proporcionales a la media.
6. Referencias bibliográficas
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concreto (teoría y problemas). Editorial San
Marcos. Lima-Perú
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An cient. UNALM 68(4), 2007 Recibido: 26/09/2007
ISSN 0255-0407 Aceptado: 31/10/2007
Análisis comparativo de los sistemas: convencional y fotovoltaico para el
suministro de energía eléctrica de poblaciones rurales
José Alva Yance 1
Resumen
El trabajo de investigación consistió en el análisis comparativo de dos sistemas de suministro de energía eléctrica
más usuales: la convencional (redes eléctricas de servicio público) y la fotovoltaica. La electrificación rural se
encarece por las características geográficas de la zona, la distribución de sus lotes y por la distancia al sistema
eléctrico convencional. El sistema eléctrico convencional considerado en el análisis han sido las líneas de Media
tensión; a diferencia de las redes de baja tensión y alta tensión tienen una inversión menor. A medida que la
distancia de la población a las redes eléctricas de Media Tensión aumenta, la electrificación con paneles
fotovoltaicos tendrá menor inversión que la convencional. En otro análisis considerando constante la distancia de la
población rural a las líneas eléctricas convencionales, se ha determinado la máxima cantidad de lotes a electrificar
con paneles fotovoltaicos para que la inversión global sea menor que la convencional. Asimismo se ha considerado,
además un caso típico de electrificación rural donde se considera una población de 25 viviendas a una distancia de la
red existente de 11 km.
Palabras clave: Electrificación rural, energía solar, paneles fotovoltaicos, energía eléctrica
Abstract
The work of investigation consisted of the comparative analysis of two systems of provision of electrical energy
more usual: conventional (mains on watch public) and the photovoltaic one. The rural electrification increases in
price by the geographic characteristics of the zone, the distribution of its lots and by the distance to the conventional
electrical system. The considered conventional electrical system in the analysis has been the lines of Average
tension; unlike the networks of low tension and discharge tension they have a smaller investment. As the distance of
the population to the mains of Average Tension increases, the electrification with photovoltaic panels will have
minor investment that the conventional one. In another analysis considering constant the distance of the rural
population to the conventional electrical lines, has determined the Maxima amount of lots to electrify with
photovoltaic panels so that the global investment is minor who the conventional one. Also it has been considered, in
addition a typical case to rural electrification where a population from 25 houses to a distance of the existing
Network of 11 km considers itself.
Key words: Rural electrification, solar energy, photovoltaic panels, electrical energy
1. Introducción
En un país, el conocimiento y su aplicación
innovadora, racional y eficiente de la energía permite
conocer el nivel de desarrollo en la que se encuentra.
Actualmente la energía más utilizada en el mundo es
la energía eléctrica. Esta energía como fuente
energética tiene dos perspectivas principales, como
insumo económico vital (en las industrias, talleres y
comercios en general) y como servicio básico que
brinda confort al que lo utilice.
La energía eléctrica mantiene una ventaja a las
otras formas de energía por la facilidad de
transportarla y de transformarla en otras formas de
energía (en energía luminosa, energía mecánica o
calor, etc.). En la actualidad se hace imprescindible
para todo aquel que lo utilice. Sin embargo, un buen
porcentaje de peruanos no conocen los beneficios que
trae la electricidad. Y más aún en las zonas rurales
cuyo coeficiente de electrificación es bajo.
Algo anecdótico y que se da todavía en nuestros
días, aquí en el Perú, es que existe poblaciones que
están cerca de las líneas de alta tensión y que a la
fecha no cuentan con energía eléctrica. La respuesta
inmediata del porque se tiene esta situación, es que el
costo de la electrificación con el sistema
1 Facultad de Ingeniería Agrícola, Universidad Nacional Agraria
La Molina. Lima, Perú. E-mail: [email protected]
convencional es elevado (por la implementación
necesaria del equipamiento de Alta Tensión).
Una de las propuestas de solución a esta situación
es el uso de fuentes alternativas; dentro de este grupo
tenemos el uso de los paneles fotovoltaicos. El Perú
por su diversidad geográfica dispone de energía solar
en la mayor parte del territorio, bastante alta y
uniforme durante todo el año (5-6 Kwh/m2-día).
Por todo lo dicho se plantea como objetivo de la
investigación: comparar técnica y económicamente la
factibilidad de suministro de energía eléctrica entre el
sistema fotovoltaico y el sistema convencional para la
electrificación rural (servicio público de electricidad).
2. Revisión de literatura
2.1 Fuente de energía renovable: energía
solar
2.1.1 Energía solar
La energía solar recibida a nivel de suelo en un
año, depende de la latitud, la nubosidad y muchos
otros factores. Varía según la época del año, hora del
día, orientación y pendiente del suelo.
En la Figura 1, se muestra la radiación solar
(w/m²) en un día típico normal, el aprovechamiento
se da en un periodo de 6 horas aproximadamente
(para efectos de calculo se considera un promedio de
3.5 horas diarias de sol de aprovechamiento).
José Alva Yance
231
Figura 1. Radiación solar en un día.
Existen dos métodos para captar la energía solar: la
conversión fotovoltaica y la térmica. Solo se
mencionará el primer método, que es materia del
presente trabajo.
La conversión fotovoltaica consiste en la
conversión directa de la energía solar en electricidad,
por medio de células solares (hechas de silicio ó de
compuestos químicos) que son muy difíciles de
fabricar y muy caras. Su eficacia es del orden del 10-
20%.
2.1.2 Panel fotovoltaico: fuente de energía
eléctrica En la Figura 2, se muestra a un sistema fotovoltaico
domiciliario (SFD), quien se encarga de suministrar
energía eléctrica con dos tipos de electricidad:
corriente continua y corriente alterna. Existen
sistemas SFD de corriente continua, corriente alterna
ó ambos simultáneamente.
Figura 2. Sistema fotovoltaico.
Hay cargas de consumo que trabajan directamente
con bajo voltaje como lámparas, radiograbadoras o
televisores, y que pueden estar conectados
directamente a la batería.
Un panel de potencia de 55 W de 12 V puede
suministrar energía eléctrica hasta 4 A.
aproximadamente, equivalente a una carga de
consumo de 48 W. En caso que se tuviera mayor
demanda será necesario conectarse más paneles
fotovoltaicos.
Ventajas y desventajas de los paneles solares
Las ventajas con que cuenta los sistemas
fotovoltaicos son las siguientes:
- Su operación y mantenimiento es económico (la
energía solar es renovable y no cuesta).
- No contamina el medio ambiente, ni hace ruido.
- La inversión en la operación del sistema es
mínima.
- El mantenimiento que se realiza es mínimo (se
ahorra en mano de obra y en repuestos).
- La vida útil de los paneles fotovoltaicos es de 20-
30 años.
- Puede ampliarse fácilmente la capacidad del
sistema fotovoltaico.
- Se puede con baja inversión, cambiar de lugar o
retirar el sistema por completo (por ejemplo cuando
se quiere cambiar y conectar a las redes de servicio
público).
Las desventajas de los sistemas fotovoltaicos, son
las siguientes:
- El Voltaje que proporciona los paneles
fotovoltaicos es variable.
- El material utilizado en la construcción de
paneles fotovoltaicos son en su mayoría toxicos.
- El costo por KW instalado es bastante alto.
2.2 La energía solar en el Perú
2.2.1 Potencial de energía solar El Perú posee un alto potencial de explotación de la
energía solar teniendo valores entre 4,76 - 5,72
kWh/m2-año, en promedio según SENAMHI. La
Organización Meteorológica Mundial elaboró un
estudio para determinar las isolíneas de radiación
solar en el Perú (Figura 3).
Figura 3. Isolíneas de radiación solar, isolíneas en
KWH/m2-día. Fuente: Organización Meteorológica Mundial.
La Tabla 1, muestra los diferentes valores de
radiación solar que se tiene por departamento.
Tabla 1. Radiación solar por departamento.
Análisis comparativo de los sistemas: convencional y fotovoltaico para el suministro de energía eléctrica de
poblaciones rurales
An cient. 68(4) 2007, pp. 230-238 232
Ítem Departamento
Radiación
promedio anual (*)
W/m²
Intervalo de
radiación promedio
anual (**) W/m²
1 Arequipa 5,3 5,63 – 6,13
2 Moquegua 5,3 5,75 – 6,25
3 Tacna 5,3 5,75 – 6,25
4 Ancash 5,1 5,13 – 5,63
5 Puno 5,1 5,38 – 5,88
6 Lambayeque 5,0 5,5 – 6,0
7 Apurímac 4,8 5,38 – 5,88
8 Ayacucho 4,8 5,38 – 5,88
9 La Libertad 4,8 5,13 – 5,63
10 Junín 4,7 5,13 – 5,63
11 Ica 4,6 5,5 – 6,0
12 Amazonas 4,5 4,88 – 5,38
13 Cajamarca 4,5 5,0 – 5,5
14 Huancavelica 4,5 5,38 – 5,75
15 Cusco 4,4 5,13 – 5,63
16 Piura 4,4 5,63 – 6,73
17 Tumbes 4,4 5,75 – 6,25
18 Huánuco 4,3 4,75 – 5,25
19 Pasco 4,1 4,88 – 5,38
20 San Martín 4,0 4,63 – 5,13
21 Lima 3,9 5,13 – 5,63
22 Loreto 3,9 4,63 – 5,13
23 Madre de Dios 3,9 4,75 – 5,25
24 Ucayali 3,3 4,63 – 5,13
Promedio Nacional 4,5 4.76 - 5,72
(*) Según SENAMI (**) Según OLADE. Fuente: OLADE, 1992; SENAMHI, 2003.
De la Tabla 1, se obtiene tres grupos de
departamentos clasificados de acuerdo a la radiación
solar con que cuentan.
El primer bloque, conformado por los siguientes
departamentos: Arequipa, Moquegua, Tacna, Ancash,
Puno y Lambayeque (tendrían mayores posibilidades
para la implementación de Paneles Fotovoltaicos).
El segundo bloque estaría conformado por:
Amazonas, Apurímac, Ayacucho, Cajamarca, Cusco,
Huancavelica, Huánuco, Ica, Junín, La libertad,
Pasco, Piura, San Martín y Tumbes.
En el último bloque estarían Lima, Loreto, Madre
de Dios, Ucayali.
2.2.2 Demanda energética solar fotovoltaico Actualmente en el Perú, la energía solar
fotovoltaica está siendo usada mayormente en las
zonas aisladas o rurales para los siguientes usos:
Domiciliaria rural y peri-urbana.
Comunicaciones.
Seguridad nacional.
Postas médicas rurales.
Centros educativos.
Locales comunales.
Bombeo de agua.
Pequeños talleres.
Según información del Ministerio de Energía y
Minas, se sabe que donde se tiene la mayor cantidad
de equipos fotovoltaicos instalados es en el sector
domiciliario rural (para alumbrado, radio y
televisión). Y en un número muy reducido se utilizan
para fines productivos (esto por el costo alto por cada
KW).
El segundo sector, es el de telecomunicaciones
(TELEFÓNICA) sobre todo para sus antenas
retransmisoras que se encuentran en lugares
inaccesibles, a lo largo y ancho del país.
El tercer sector, es el militar (Fuerzas Armadas y la
Policía Nacional), por la información que es
reservada se tiene estadísticas aproximadas.
El sector salud (Ministerio de salud) es el cuarto
grupo, con su programa de cadena de frío, ha
instalado un gran número de estos sistemas en postas
médicas rurales.
El quinto, sector educación, ha incursionado en el
uso de energía solar para centros educativos aislados
o de la zona rural.
En menor cantidad se tiene la electrificación con
paneles fotovoltaicos los locales comunales, las
pequeñas electrobombas (bombas solares) y en los
talleres para cargar las baterías.
Un sistema que está presentando interés por parte
de las instituciones públicas de desarrollo, es el
llamado “sistema de energía para zonas rurales” o
RAPS (rural area power system), que es una forma de
sistema de distribución eléctrica aislada. En el Perú,
el primer y único caso es el instalado en el
departamento de Amazonas, en la localidad de Padre
Cochas (uso de sistema fotovoltaico y grupo
electrógeno).
En la Tabla 2, se muestra el aprovechamiento de la
energía solar por departamento (paneles fotovoltaicos
y conversión térmica).
Tabla 2. Consumo de energía solar por
departamentos.
Departamento Consumo
(MWh/año) Departamento
Consumo
(MWh/año)
Amazonas 151,20 Lambayeque 270,88
Ancash 564,75 Lima 565,28
Apurimac 97,44 Loreto 463,07
Arequipa 13 429,56 Madre de Dios 29,18
Ayacucho 291,02 Moquegua 172,53
Cajamarca 299,36 Pasco 85,02
Cusco 310,66 Piura 236,09
Huancavelica 134,37 Puno 574,90
Huánuco 168,59 San Martín 138,48
Ica 27,82 Tacna 225,98
Junín 225,59 Tumbes 18,66
La Libertad 179,59 Ucayali 100,09
Total 18 760,13
Fuente: Ministerio de Energía y Minas.
Figura 4. Consumo de energía por departamento
(MWH).
José Alva Yance
233
Fuente: Ministerio de Energía y Minas.
2.2.3 Oferta energética solar fotovoltaica a) Evolución e importación de equipos
fotovoltaicos al Perú
En el mundo, el suministro de energía eléctrica
mediante Paneles Fotovoltaicos va en incremento,
debido a que están bajando los costos en relación con
los años anteriores. Estos equipos para el país, son
tecnologías que se importan.
Los primeros equipos que hicieron su aparición en
el Perú eran de tecnología norteamericana (Solarex) y
alemana (Siemens, Telefunken), de silicio
policristalino y con una eficiencia de conversión de 8
a 9%. Posteriormente, a comienzos de los noventa,
llegaron al país módulos italianos (Helios), japoneses
(Kyocera), franceses (Total Energie) y españoles
(Isofotón). La tecnología ya era monocristalina y la
eficiencia había crecido hasta 10 y 12%. Ambas
tecnologías aún eran muy caras en sus costos de
producción.
A fines de los noventa, apareció la tecnología de
película delgada con eficiencias de 10% y el silicio
amorfo con una eficiencia de 5 a 6%. Esta última
posee un costo de producción bajo, pero también la
eficiencia es pobre. A escala mundial no logró
desplazar a la tecnología mono y policristalina.
b) Proveedores de equipamiento de sistema
fotovoltaico
Los departamentos en donde se concentran los
proveedores son: Lima (posee la mayor cantidad de
proveedores de energía solar fotovoltaica y térmica),
Arequipa (líder en la fabricación de calentadores
solares de agua), Puno (se tiene un mercado
fotovoltaico, sobre todo en las islas del Lago
Titicaca) y Loreto (por las facilidades del comercio
por estar en la zona de selva).
c) Proyectos relevantes de energía solar
fotovoltaica
A lo largo de aproximadamente veinte años de
introducción la energía solar en el país, se han
llevado a cabo proyectos de gran envergadura, Dentro
de estas podemos mencionar a las más importantes:
- La empresa P&T Solar de Alemania fue la
primera empresa en instalar sistemas fotovoltaicos en
el Perú (1982-1986). en Jaen (Cajamarca) y Majes
(Arequipa).
- El Proyecto GTZ-CORPUNO instaló 500
sistemas fotovoltaicos en los periodos 1986-1987 y
1991-1996.
- La Dirección Ejecutiva de Proyectos (DEP) del
Ministerio de Energía y Minas (MEM), instaló un
total de 250 sistemas fotovoltaicos en 1995, en la
región Selva (San Francisco de Yarinacocha), en el
altiplano andino (Islas de los Uros, Huancho,
Huancané).
- La DEP encargó a la UNI la instalación de 781
equipos en siete departamentos de la sierra y selva
(Cerro de pasco, Ayacucho, Apurimac, Junín, Loreto,
Madre de Dios y Ucayali).
- El Proyecto de Ahorro de Energía (PAE) encargó
al CER-UNI la instalación de 100 sistemas en la Isla
de Taquile del Lago Titicaca (1996) y de otros 72
sistemas en 1998 en Taquile, Uros y Soto. El CER-
UNI comenzó en 1999 la segunda etapa del proyecto
de Taquile, instalando 250 sistemas en Taquile, Uros,
Amantani, Soto y Huancho.
- El Ministerio de Salud viene implementando
desde 1997 proyectos fotovoltaicos (iluminación,
radiocomunicación y refrigeración).
- Sistema Eléctrico Peruano.
2.2.4 Componentes del sistema eléctrico
convencional
El sistema eléctrico peruano esta compuesto por las
siguientes infraestructuras:
- Generación.
- Transmisión.
- Distribución primaria y secundaria.
2.2.5 Coeficiente de electrificación en el Perú
El coeficiente de electrificación a nivel nacional en
el periodo 1992 al 2005 se muestra en la Figura 5
(urbano-rural). Donde se observa un crecimiento
importante en el periodo 1992-2000 (incremento del
18.7%).
En la Figura 6, se observa los coeficientes de
electrificación de los departamentos del Perú al 2005.
Se observa que Lima y Tacna son los departamentos
de mayor coeficiente de electrificación (99.2% y
97.6% respectivamente) mientras que lo opuesto se
da en el departamento de Cajamarca y Huánuco
(38.7% y 40.9% respectivamente).
54,8
56,8
61,1
64,9
66,167,7
69,5
72,173,5
74,975,3
76,0 76,378,1
50,0
55,0
60,0
65,0
70,0
75,0
80,0
1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005
Figura 5. Crecimiento del coeficiente de
electrificación nacional. Fuente: DGE-MEM.
Figura 6. Coeficiente de electrificación a escala
nacional al 2005. Fuente: DGE-MEM.
2.2.6 Parque del sistema eléctrico peruano
Análisis comparativo de los sistemas: convencional y fotovoltaico para el suministro de energía eléctrica de
poblaciones rurales
An cient. 68(4) 2007, pp. 230-238 234
En la Tabla 3, se indica el parque del sistema
eléctrico Peruano.
Tabla 3. Parque del sistema eléctrico peruano.
Actividad Empresas/
entidades
Centrales
eléctricas
Subestaciones
Generación 10 71 104
Transmisión 9 0 74
Distribución 19 141 44.123
Autoproductores 200 250 61
Municipios 114 171 342
TOTAL 361 633 44.704
Líneas de Alta y
Muy Alta Tensión
477 con aproximadamente 18000 Km.
Postes y Estructuras Aproximadamente 25.000
Redes de Media Tensión
Aproximadamente 36500 Km
Redes de Baja
Tensión
Aproximadamente 60000 Km
Sub estaciones de Alumbrado Público
Aproximadamente 32.200
Unidades de
Alumbrado Público
Aproximadamente 1,167.200
Suministros/Usuarios
/Facturas mensuales
4’155.000
Fuente: Ministerio de Energía y Minas.
Sistema interconectado del Perú
En la Figura 7, se muestra el sistema
interconectado que cuenta el país (líneas de alta
tensión), donde observamos que la concentración de
estas líneas se da con mayor grado en la zona de la
costa, con algunas extensiones en la sierra y con poca
presencia en la selva.
Figura 7. Sistema interconectado del Perú. Fuente: Ministerio de Energía y Minas.
2.2.7 Concesiones eléctricas La Ley de Concesiones Eléctricas, resume que
exista competencia en la generación de electricidad,
que los Distribuidores pueden comprar directamente
de cualquier generador, el libre acceso a la red de
transmisión, Libre acceso a la red de distribución
para el mercado libre y la Concesión de distribución
es exclusiva para el mercado regulado.
En la Tabla 4, se muestra la cantidad de usuarios
que utilizan los servicios de estas empresas
concesionarias, el consumo de energía eléctrica y el
monto recaudado por este concepto.
Tabla 4. Empresas eléctricas concesionarias en el
Perú.
Concesionario Número de
Suministros
Ventas - III
Trim. 2005 MW.h
EDELNOR 942.185 3,430.043
Luz del Sur 755.970 3,447.050
EDE Cañete 27.555 57.090
Electro Sur Medio 131.249 363.300
HIDRANDINA 435.841 675.415
Electro Norte 232.418 295.448
Electro Nor Oeste 263.482 447.671
Electro Centro 400.399 397.061
Electro Ucayali 44.897 101.979
Electro Oriente 136.525 195.350
SEAL 248.917 424.087
Electro Sur 101.806 156.271
Electro Sur Este 247.315 214.129
Electro Puno 127.908 119.983
Otras distribuciones 33.858 73.489
Generadoras 82 6,080.068
Total General 4,130.307 15,478.424
Fuente: Ministerio de Energía y Minas.
2.2.8 Características de las redes de media
tensión Para el presente trabajo, las redes de media tensión
han sido consideradas como la opción de mejor
posibilidad (económica y técnica) por parte del
sistema convencional, ya que la alta tensión (por el
equipamiento necesario) y la baja tensión (por la
distancia) resultan técnicamente menos factible y
económicamente más caros.
Figura 8. Mapa de concesiones en media tensión.
José Alva Yance
235
Las redes de Media Tensión son a niveles de
tensión normalizado: 7.62, 10, 13.2, 22.9 KV de
tensión nominal.
3. Metodología
El presente trabajo ha sido desarrollado en base a la
información obtenida del Ministerio de Energía y
Minas, Osinerg y bibliografía especializada.
Para el análisis se ha considerado el bajo
coeficiente de electrificación rural (debido a la poca
participación de las empresas de Servicio Público
para electrificar con redes convencionales estas zonas
aisladas tanto por el alto costo y el bajo retorno de la
inversión).
Considerando al sistema fotovoltaico, como una de
las alternativas para la electrificación rural; se ha
encontrado que para determinada distancia el
incremento de viviendas aumenta el costo de
inversión llegando incluso a ser más caro que el
sistema convencional. .
Para el análisis se ha manejado costos aproximados
de la implementación de estos sistemas. Con estos
valores se planteó modelos matemáticos que sirvieron
para determinar los costos que representa a cada
sistema (fotovoltaico y convencional) y la cantidad
óptima de viviendas electrificadas con paneles
fotovoltaicos a una determinada longitud.
El procesamiento y análisis de la información fue
trabajada con el software EXCEL 2007.
Considerando dentro del análisis, los modelos
matemáticos planteados en este trabajo. Obteniéndose
Tablas y Figuras que son los resultados que
representan el objetivo del presente trabajo.
4. Resultados y discusión
4.1 Costos de equipamiento de red de servicio
público y sistema fotovoltaico
4.1.1 Red de Servicio Público (sistema
convencional) Para la evaluación económica se ha considerado
como punto de entrega para suministrar energía a la
población rural en Media Tensión; en vista que la
Baja tensión (considerando las longitudes en Km ) y
la Alta tensión (por el uso de transformadores de Alta
tensión) son considerados no factibles en su
ejecución.
Los costos aproximados considerados para la
evaluación de la Red de Servicio Público son las
siguientes:
a) Ampliación en media tensión (red
primaria)
$ 7000/
Km.
b) Subestación de distribución $ 2500 /
25 lotes.
c) Red secundaria $ 550 /
lote.
d) Conexiones acometidas $ 300 /
lote.
4.1.2 Sistema fotovoltaico En la implementación del sistema fotovoltaico se
ha considerado el costo de lo siguiente:
Panel fotovoltaico.
Regulador de carga.
Batería solar.
Conversor.
El costo aproximado del conjunto es de $10000 /
KW.
En base a esta información preliminar de costos, se
obtiene las siguientes expresiones matemáticas:
CSC = 7000 L + 2500 k + 850 N (1)
CSF = 10000 CE N (2)
donde:
CSC Costo del sistema convencional (redes de
servicio público).
CSF Costo del sistema fotovoltaico.
L Longitud de la Red Primaria (Km).
k Factor que depende del número de lotes.
CE Calificación eléctrica (KW/lote).
N Número de lotes.
Si consideramos al sistema fotovoltaico como
alternativa se tendrá que cumplir lo siguiente:
CSF < CSC (3)
4.2 Electrificación de un centro poblado de 25
viviendas Se ha asumido como un caso de aplicación a un
centro poblado de 25 viviendas, que se encuentra
ubicada a 11 km. de una línea de media tensión
existente que pertenece al sistema convencional
(redes eléctricas del servicio publico de electricidad).
La Figura 9 esquematiza este sistema eléctrico.
Figura 9. Sistema eléctrico para el análisis
respectivo.
Considerando las siguientes premisas:
Para la red de servicio público
- Localidad de 25 viviendas.
- Calificación eléctrica de 400 Watt/lote.
- Longitud de la red primaria de 11 km.
- Longitud de la red secundaria de 1 km.
- 25 acometidas domiciliarias.
Para el sistema fotovoltaico
- 25 sistemas fotovoltaicos (incluye panel solar,
inversor, baterías,etc).
La evaluación económica que corresponde al caso
planteado se indica en el siguiente cuadro:
En la Tabla 5 se puede observar, que en la
electrificación de 25 viviendas con sistemas
fotovoltaicos tendrán menor inversión en
comparación que el sistema convencional cuando
Análisis comparativo de los sistemas: convencional y fotovoltaico para el suministro de energía eléctrica de
poblaciones rurales
An cient. 68(4) 2007, pp. 230-238 236
estos se encuentran a distancias mayores a 11 km del
sistema convencional (líneas primarias o redes
eléctricas de media tensión).
Tabla 5. Comparación económica de los sistemas fotovoltaico y convencional.
TIPO DE INFRAESTRUCTURA ELECTRICA UNIDAD COSTO
UNITARIO
CANTIDAD
NECESARIA
COSTO
SUBTOTAL
COSTO
TOTAL
PANEL
SOLAR
DOLARES
SISTEMA FOTOVOLTAICO DOLARES
PANEL SOLAR, BATE- RIA, CONVERSOR, ETC S/KW 10000 10 KW 100000 $ 100000
RED DE SERVICIO PUBLICO
RED PRIMARIA S/Km 7000 11 Km 77000
RED SECUNDARIA Y
ALUMBRADO PUBLICO
S/Lote 550 25 Lotes 13750 COSTO
TOTAL
RED
PUBLICA
DOLARES
CONEXIONES
DOMICILIARIAS
S/Lote 300 25 Lotes 7500
SUBESTACION DE DISTRIBUCION (15 KVA) S/cjto 2500 1 Cjto 2500 $ 100750
Fuente: Elaboración propia.
En la Figura 10, se muestra los costos de inversión
para la electrificación de una población ubicada a 11
km de la línea eléctrica existente para diferente
cantidad de viviendas (lotes a electrificar).
Figura 10. Inversión para la electrificación para
una distancia de 11 km de la población a las líneas
eléctricas convencionales. Fuente: Elaboración propia.
4.3 Determinación de la cantidad optima de
lotes a electrificar con paneles fotovoltaicos Para que el costo de electrificación con paneles
fotovoltaicos sea una alternativa en comparación a las
redes eléctricas convencionales (servicio público),
deberá cumplirse la expresión No (3). Asimismo la
cantidad óptima para que el sistema fotovoltaico
tenga menos inversión que el sistema convencional
es:
(4)
donde :
L Longitud de la Red Primaria (km).
k Factor que depende del número de lotes.
CE Calificación eléctrica (KW/lote).
N Número de lotes.
Con la expresión (4), obtenemos la mínima
cantidad de viviendas a electrificar con paneles
fotovoltaicos para que este sistema tenga menos
inversión que la implementación del sistema
convencional (servicio público).
La Tabla 6, muestra las cantidades máximas de
viviendas a electrificar con sistema fotovoltaico, para
una determinada longitud de la población a la Red
eléctrica existente, para que la inversión sea menor a
la convencional.
Tabla 6. Cantidad de lotes a electrificar con
sistemas fotovoltaicos.
Distancia a Línea
Primaria (*) (Km)
Máxima cantidad
de lotes con panel
fotovoltaico (**)
1 3
2 5
3 7
4 9
5 11
7.5 17
10 23
11 25
15 34
20 45
30 67
40 90
(*) Distancia de la población a la línea primaria.
(**) Máxima cantidad de lotes equipados con panel
fotovoltaico para ser menos cara que el sistema
convencional.
Fuente: Elaboración propia.
José Alva Yance
237
4.4 Evaluación económica en el ciclo de vida
útil El horizonte de análisis de la electrificación con
paneles fotovoltaicos se ha considerado 20 años (vida
útil de los paneles fotovoltaicos). Dentro de este
tiempo se encuentra una serie de gastos adicionales a
la inversión tanto en el sistema Fotovoltaica como en
la convencional. Y estas son: gastos por operación y
mantenimiento, por inspección anual y por consumo
de energía eléctrica.
En el caso del sistema fotovoltaico los gastos de
mantenimiento y operación son por el cambio de
baterías, cargadores y conversores en un lapso de 5
años. En cambio en el caso de las redes de servicio
público se ha estimado el monto por concepto
mantenimiento el 1% de la inversión total.
El costo por consumo de energía eléctrica en el
caso de los paneles fotovoltaicos se ha considerado
cero por que este valor representa una de las
bondades de este sistema. En cambio en el sistema de
red pública el costo por consumo de energía se estima
considerando un consumo mensual promedio por
vivienda de 30 KWH y el costo unitario de $ 0.1 por
cada KWH.
Con estas premisas se ha elaborado el presupuesto
total para la electrificación de 25 viviendas
considerando el sistema fotovoltaico como la
conexión a la red de servicio público (sistema
convencional). Resultados indicados en la Tabla 7.
La inversión necesaria para la electrificación de una
vivienda bajo las condiciones planteadas y con una
tasa de interés del 12% anual sería de $39202.54
considerando el sistema fotovoltaico y en el caso del
servicio público se tendría $ 53594.80.
Tabla 7. Cuadro comparativo económico por electrificación con sistemas fotovoltaicos y redes de servicio
público de electricidad (dólares americanos).
5. Conclusiones
Las conclusiones del presente trabajo son las que
se indican a continuación:
1. Cuando la población se encuentra cerca a redes
eléctricas, el costo por tener electricidad con
sistema fotovoltaico es más alto que la
convencional (aproximadamente 10 veces
mayor).
2. Los sistemas fotovoltaicos son alternativas para
aumentar el coeficiente de electrificación en las
zonas aisladas que se encuentran a distancias
considerables de las redes primarias (redes de
media tensión). Los costos de inversión para la
electrificación rural de una población de 25
viviendas, con paneles fotovoltaicos es menor
que los de sistema convencional (redes de
media tensión) cuando estas se encuentran a
distancias mayores de 11 km.
3. Los montos para la electrificación rural con
sistemas fotovoltaicos pueden resultar mayores
que la electrificación con el sistema
convencional cuando se incrementa el número
de viviendas a electrificar.
Análisis comparativo de los sistemas: convencional y fotovoltaico para el suministro de energía eléctrica de
poblaciones rurales
An cient. 68(4) 2007, pp. 230-238 238
4. Para la población que no cuenta con energía
eléctrica y con la imposibilidad de tener la
electrificación con el sistema convencional, al
electrificar con paneles fotovoltaicos el
recupero de la inversión es posible por los
gastos que se efectúan en velas, kerosene para
mecheros y lámparas de gas, en pilas y baterías
para radios y TV y el beneficio no cuantificable
por la incidencia en la educación integral del
poblador rural al tener energía eléctrica (TV,
radio, uso de la computadora, internet, teléfono,
etc.).
5. La mayoría de la población rural del Perú no
tiene la capacidad económica de pagar un
Sistema Fotovoltaico Domiciliario al contado.
Por ellos es necesaria la participación del
estado en convenio con empresas privadas que
puedan financiar la electrificación rural. El
análisis económico en el ciclo de vida del
sistema se considera como fuente para efecto
de financiamiento de estos sistemas de
electrificación. Cuyas modalidades son
diversas, pudiendo ser por recursos propios, por
el estado, por empresas privadas nacionales o
extranjeras, o por convenio entre estas
entidades.
6. Referencias bibliográficas
R. ESPINOZA. M. HORN “Electrificación Rural con
sistemas fotovoltaicos”. CER-UNI Lima Perú- 127
Pags.
ITDG LA “Energía Solar Fotovoltaica: una opción
para la electrificación Rural”. Lima-Perú.17 Pags.
J.P.Schaenzer. “Electrificación Rural” Ed. Herrero
S.A. Mexico 1955.371 pags.
http://www.minem.gob.pe. Pag web del Ministerio de
Energía y Minas
http://www.osinergim.gob.pe. Pag. Web
deOSINERG.
An cient. UNALM 68(4), 2007 Recibido: 06/09/2007
ISSN 0255-0407 Aceptado: 31/10/2007
Evaluación de la potencia, torque, consumo de combustible y emisión de
particulados en un motor empleando petróleo diesel y biodiesel
Augusto Zingg R. 1, José Calle M.
2
Resumen
El trabajo de investigación tuvo por finalidad comparar el Biodiesel fabricado de aceite vegetal puro con el Petróleo
Diesel Comercial midiendo la potencia, torque, consumo de combustible y emisiones de particulados en un motor
de marca Perkins modelo Phaser PH-110T( 79 KW o 106 Hp a 2600 rpm). Las pruebas se llevaron a cabo en las
instalaciones del laboratorio de prueba de motores de la empresa MODASA utilizando un dinamómetro Froude y
un medidor de humos Bosch EFAW 64. El biodiesel a evaluar fue fabricado en el Laboratorio de Energías
Renovables de la Universidad Nacional Agraria “ La Molina “ y el Petróleo Diesel fue proporcionado por la
empresa MODASA, los mismos que fueron probados puros y en combinaciones con una diferencia de 10% entre
mezclas. Luego del análisis de los datos se concluyo lo siguiente: 1) La potencia y el torque disminuyen hasta un
máximo de 5.9% a medida que aumenta la cantidad de Biodiesel en la Mezcla con Petróleo. 2) El consumo de
combustible se incrementa hasta un 4.9 % como máximo conforme se incrementa el contenido de Biodiesel en la
mezcla. 3) La disminución de las emisiones de partículas es demostrada a medida que se incrementa la cantidad de
Biodiesel en la mezcla, llegando a ser un 96% inferior a los Limites Máximos Permisibles (LMPs) exigidos en el
Perú. Por lo tanto el biodiesel es una buena alternativa para la sustitución de petróleo por ser renovable, de origen
orgánico y por sus efectos ambientales.
Palabras clave: Biodiesel, diesel, potencia, energías renovables, torque, consumo de combustible.
Abstract
The research was designed to compare the Biodiesel made from pure vegetable oil with the Diesel Oil Trading
measuring the power, torque, fuel consumption and emissions of particulate in a motor brand Perkins Phaser PH-
110T model (79 kW or 106 Hp 2600 rpm). The tests were conducted in the facilities of the laboratory test engine
MODASA company dynamometer using a boat and a smoke meter Bosch EFAW 64. Biodiesel to assess was
manufactured in the Renewable Energy Laboratory of the National Agrarian University “La Molina” and Diesel Oil
was provided by the MODASA Company, the same people who were tested pure and combinations with a
difference of 10% between mixtures. After analyzing the data concludes that: 1) The power and torque dropping to a
maximum of 5.9% as increases in the amount of Biodiesel Mixture with Oil. 2) The fuel consumption increased to a
maximum of 4.9% as increases Biodiesel content in the mixture. 3) The decrease in particulate emissions is shown
as it increases the amount of Biodiesel in the mix, becoming 96% below the Limits Top Permissible (LMPs)
required in Perú. Therefore biodiesel is a good alternative for the replacement of oil to be renewable, organic origin
and their environmental impacts.
Key words: Biodiesel, diesel, power, renewable energy, torque, fuel consumption.
1. Introducción
En los últimos años el Perú ha experimentado una
constante disminución de sus reservas de petróleo
fósil de 380 a 330 millones de barriles según la
SNMPE (Sociedad Nacional de Minería y Petróleo),
lo que ha implicado que el país se convierta en un
importador de este combustible, lo que deviene en el
incremento de costos en sectores como el transporte,
minería, agricultura, entre otros. Situación que se
agrava dado el bajo nivel de exploración en nuevos
yacimientos y la mala calidad del petróleo que se
encuentra en la selva peruana debido a su alto
contenido de azufre.
El incremento de la contaminación ambiental al
usar combustibles fósiles en las principales ciudades
ha ocasionado alarmantes efectos sobre la salud de la
población (según la Organización Mundial de Salud
400,000 personas fallecen anualmente en
Latinoamérica por este motivo) y un deterioro
anticipado del parque automotor.
Frente a estos problemas, surge la alternativa del
1 Facultad de Ingeniería Agrícola, Universidad Nacional Agraria La
Molina. Lima, Perú. E-mail: [email protected] 2 Facultad de Ingeniería Agrícola, Universidad Nacional Agraria La Molina. Lima, Perú. E-mail: [email protected]
Biodiesel como combustible, este es el producto
derivado de la transesterificación de aceites vegetales
o animales (nuevos o utilizados). Este proceso barato
y fácil de implementar permite aumentar el valor
agregado de algunos productos.
Se plantea como objetivos
Los objetivos planteados para la realización de esta
investigación fueron:
Evaluar la potencia y el torque producido en un
motor de combustión interna al utilizar como
combustible biodiesel puro y en mezclas con petróleo
diesel comercial en diferentes proporciones con
incrementos del 10%.
Comparar los consumos horarios de combustible
del motor de combustión interna al utilizar biodiesel
puro y en mezclas con petróleo diesel comercial.
Evaluar la emisión de particulados de los gases de
escape en las distintas combinaciones del petróleo
diesel y biodiesel.
2. Revisión de literatura
2.1 El motor diesel
2.1.1 Historia En 1897, el ingeniero alemán Rudolf Diesel (1858-
1913), presentó su invento al mundo científico en la
Evaluación de la potencia, torque, consumo de combustible y emisión de particulados en un motor empleando
petróleo diesel y biodiesel
240
Asamblea General de Ingenieros Alemanes celebrada
en la ciudad de Kassel. Un motor con encendido por
compresión. Ashburner (1984) asegura que en
comparación con el ya acreditado motor a explosión
Otto, este motor tenía las ventajas de consumir
mucho menos y de poder funcionar con un
combustible relativamente barato (Aceite de Maní),
siendo posible además alcanzar potencias muy
superiores.
2.1.2 Pruebas de potencia aplicadas a los
motores diesel Según Vilosa (1998) mencionado por Zingg
(1998), la forma en que se mide la potencia de los
motores es diferente según el parámetro o norma de
clasificación, en los Estados Unidos de Norteamérica
se refieren a la SAE y en Europa adoptan el sistema
DIN.
En el dictaminado por la SAE, se considera la
potencia del motor desprovisto de la bomba de aceite,
bomba de agua y el alternador eléctrico. Mientras el
normado en Europa por el sistema DIN, esta potencia
es la del motor con sus mecanismos completos
medidos a la salida del cigüeñal antes de la
transmisión, en ambos casos se considera la potencia
real en condiciones estándar.
Dinamómetros
Estrada (1987) refiere que el dinamómetro es un
aparato que mide la intensidad de una fuerza,
mediante la deformación que produce a un cuerpo
elástico y que se transmite sobre una escala graduada.
“Dina” significa “fuerza”, y como el peso es una
fuerza, también nos sirve para pesar. Vásquez (1984)
agrega que una forma común de dinamómetro es una
balanza de resorte calibrada en Newtons, la unidad de
fuerza del Sistema Internacional de unidades (SI). La
palabra „dinamómetro‟ también se emplea para
designar instrumentos que miden la potencia (trabajo
realizado por unidad de tiempo) de un motor, por
ejemplo en la industria automovilística.
2.1.3 Emisiones en un motor diesel Los motores Diesel transforman la energía química
contenida en el combustible en fuerza mecánica. El
combustible es inyectado bajo presión al cilindro del
motor, donde se mezcla con aire y produce la
combustión. Así Portella (1995) expuso que los gases
del escape que descarga el motor contienen varios
componentes que son nocivos para la salud humana y
el medio ambiente. La tabla muestra los rangos
típicos de materiales tóxicos, presentes en el humo
del escape. Los valores menores pueden encontrarse
en motores nuevos y limpios, y los valores altos en
equipos antiguos.
Valores de límites máximos permisibles
En el Perú el Ministerio de Transportes y
Comunicaciones considera que el inadecuado
mantenimiento de los vehículos automotores por la
falta de control y crecimiento del parque automotor
de los últimos años, ha generado un incremento
sustantivo en los niveles de contaminación ambiental
producidos por el funcionamiento de dichos
vehículos, en especial en zonas urbanas, derivando de
esta situación efectos nocivos para la salud de las
personas. En concordancia con este propósito
mediante el Decreto Supremo -N° 047-2001- MTC
establece los valores de los Límites Máximos
Permisibles (LMPs), los procedimientos de prueba y
análisis de resultados, asimismo norma la
homologación y autorización de los equipos
utilizados para el control oficial de los LMPs. Los
vehículos automotores cuyas emisiones superen los
LMPs, serán sancionados conforme lo establece el
reglamento Nacional de Tránsito.
2.2 Combustibles usados en motores diesel
2.2.1 El petróleo diesel La palabra petróleo proviene de „petro‟ (piedra) y
„oleo‟ (aceite), o sea „aceite de piedra‟. Este es una
mezcla sumamente compleja de hidrocarburos de
distinto peso y contextura molecular, acompañados
por impurezas que incluyen cantidades pequeñas de
oxígeno, azufre y compuestos nitrogenados.
Valderrama y Lira (1998) mencionan que el petróleo
es aceitoso, de color que va desde amarillo oscuro
hasta el negro; y es siempre menos denso que el agua,
por lo que flota en ella.
Tal como sale de los pozos, el petróleo crudo o
bruto requiere ser sometido a diferentes procesos de
refinación, fraccionamiento y transformación
química, para poder ser utilizado en forma
económica. Hoy en día dependemos completamente
de esta fuente de energía y materiales, tales como los
plásticos, la brea, y hasta ciertos comestibles.
Lamentablemente es una fuente no renovable, y se ha
requerido millones de años para formarse, por lo cual
es aconsejable una explotación racional de este
hidrocarburo.
2.2.2 Biodiesel Refiere Moreno et al. (1999) que el Biodiesel es un
combustible obtenido a partir de aceites vegetales o
animales que funciona en cualquier motor Diesel. La
ASTM (American Society for Testing and Materials)
define al Biodiesel como “el éster monoalquílico de
cadena larga de ácidos grasos derivados de recursos
renovables, como por ejemplo aceites vegetales o
grasas animales, para utilizarlos en motores Diesel” .
2.2.3 Modo de fabricación del biodiesel La fabricación del BIODIESEL es sencilla, y no
requiere de economías de gran escala según
menciona Navas et al. (1985). Se parte de un aceite
vegetal, que se somete a un proceso llamado de
transesterificación. Como resultante de esto se
obtiene BIODIESEL, y un subproducto
genéricamente conocido como glicerol, que tiene más
de 1600 usos en el agro, la industria, la medicina, los
cosméticos, y la alimentación.
La transesterificación puede hacerse a temperatura
ambiente, mediante mezcla mecánica de un alcohol,
un álcali, y el aceite vegetal. Al cabo de un cierto
tiempo de mezcla y reposo, se separan por
decantación el BIODIESEL y el glicerol.
El proceso
Las grasas animales y aceites vegetales son
triglicéridos, que contienen un 7-13% de glicerina.
Augusto Zingg R., José Calle M.
An cient. 68(4) 2007, pp. 239-246 241
Las moléculas de aceite vegetal tienen una cadena de
18 carbonos, que una vez cocinado aumenta su
cadena hasta 32. El diesel ordinario tiene sólo 12 o
13.
El proceso de transesterificación refiere Larosa
(2003), se basa en la sustitución del alcohol por la
glicerina en una reacción química, utilizando sosa
como catalizador. El proceso del biodiesel convierte
los aceites en esteres, separando la glicerina (junto
con un poco de jabón) y acortando (fracturando) la
cadena de carbono. La glicerina y el jabón precipitan
hacia el fondo y el biodiesel flota en la parte superior
y puede ser aspirado con un sifón.
3. Materiales y metodología
3.1 Materiales Motor Perkins vehicular modelo Phaser PH 110T
de 79.0 KW (106 Hp a 2600 rpm) de potencia.
Dinamómetro Froude G4. (Proporcionado por la
empresa MODASA)
Medidor de Humos Bosch EFAW 68 A.
Flouvímetro Bosch 65 A
Petróleo diesel comercial proporcionado por la
empresa MODASA.
Biodiesel fabricado en el laboratorio de Energías
Renovables de la UNALM.
3.2 Metodología
3.2.1 Medición de la potencia y el torque Para medir la potencia y el torque producidos al
combustionar petróleo Diesel, Biodiesel y mezclas de
ambos se instaló el motor Perkins en la sala de
Prueba de Motores de la empresa MODASA,
acoplándolo al dinamómetro “Froude”, de acuerdo a
las normas DIN.
Luego de la medición de las características
iniciales del motor, se determino que para el motor a
evaluar se tomaría un rango comprendido entre los
1400 y 2800 revoluciones por minuto (rpm.),
midiendo a un intervalo de 200 revoluciones por
minuto entre lectura y lectura.
Operación del dinamómetro “Froude”
1. Para la operación de dinamómetro se debe seguir el
siguiente procedimiento.
2. Instalar el motor en la paleta de trabajo, de acuerdo
a las normas DIN y acoplar directamente el eje del
dinamómetro a la volante del motor.
3. Acoplar los medidores de temperatura de trabajo y
presión de aceite a modulo de control, del mismo
modo se unirá el sistema de enfriamiento del motor
al del dinamómetro y el sistema de abastecimiento
de combustible.
4. Encender la bomba del sistema de enfriamiento.
5. Proceder al arranque del motor diesel, mediante
aire comprimido a través del acople del
dinamómetro.
6. Mantener el motor a bajas revoluciones hasta
alcanzar la temperatura de operación, tanto del
motor como la del dinamómetro:
7. Realizar las lecturas respectivas y apuntar en el
formulario adecuado.
8. Se realizaran tres repeticiones para cada una de las
velocidades a evaluar por cada tipo de combustible.
3.2.2Medición del consumo de combustible Para realizar las mediciones de consumo de
combustible se uso una pipeta graduada de 1 pinta de
capacidad (1/8 de galón americano). Luego se
procedió siguiendo las recomendaciones del
fabricante del motor a fijar las revoluciones del motor
en 1600 y 2600 rpm en el eje del cigüeñal
respectivamente y se midió el tiempo que demoro el
motor en consumir 0.5 pintas de combustible, para
todas las mezclas empleadas. Se realizaron tres
repeticiones por tipo de combustible.
3.2.3 Medición de las emisiones El índice de opacidad, que es el indicador de la
proporción de material particulado en la combustión,
se realizo utilizando un equipo de tecnología
intermedia como es el integrado por el Flouvímetro y
el Medidor de Humos Bosch EFAW 68 A, dado que
es el instrumento utilizado en MODASA y el alto
costo de alquiler de un opacímetro de ultima
generación, que es el recomendado por la norma de
emisiones peruana.
Operación del medidor de humos
Para la toma de datos relacionados con las
emisiones de material particulado se usó primero un
“Flouvímetro”, que es un instrumental que captura las
partículas, emitidas por el escape del motor, en un
filtro blanco.
Luego este filtro fue analizado con el medidor de
humos de la marca Bosch EFAW 68ª, el que entrega
finalmente la opacidad expresada como un índice
adimensional en una escala de 0 a 10; que indica la
cantidad de material particulado presente en los gases
de escape que es atrapado por el filtro. Cero indica la
ausencia de partículas con un color de filtro blanco y
diez indica una excesiva presencia de partículas con
un color de filtro negro.
La norma de fabrica sugiere que para el modelo
Phaser, tomar la medida de humos a 1600 rpm y 2600
rpm. Estos datos se recolectaron para todas las
mezclas de combustibles con 3 repeticiones para cada
velocidad.
3.2.4 De los combustibles evaluados Para la investigación realizada se empleo Petróleo
Diesel Comercial proporcionado por MODASA para
la secuencia de pruebas y Biodiesel elaborado en el
laboratorio de Energías Renovables de la Universidad
Nacional Agraria “La Molina” puro y en mezclas de
acuerdo a las siguientes combinaciones.
Tabla 1. Combinaciones de combustible.
Tipo de Combustible
% de Petróleo Diesel % de Biodiesel
D 100 100 0
B 10 90 10
B 20 80 20
B 30 70 30
B 40 60 40
B 50 50 50
B 60 40 60
B 70 30 70
B 80 20 80
B 90 10 90
B 100 0 100
Evaluación de la potencia, torque, consumo de combustible y emisión de particulados en un motor empleando
petróleo diesel y biodiesel
242
3.2.5 Del Modelo estadístico El modelo estadístico empleado para las pruebas
fue un Diseño de Bloques al Azar que comprendió 8
Tratamientos (las velocidades), 11 Subtratamientos
(las mezclas de combustible) y 3 repeticiones para
cada uno.
4. Resultados
4.1 Evaluación de la potencia El motor fue instalado en el dinamómetro “Froude”
(propiedad de la empresa MODASA), realizándose
primero un calentamiento del mismo por el espacio
de 15 minutos, acto seguido se procedió a registrar
directamente la lectura dada en el dinamómetro (en
los formatos de MODASA), realizando 3 pruebas de
potencia con cada uno de los combustibles puros y
sus combinaciones, la información obtenida, luego
tuvo que ser adecuada, utilizando la siguiente
ecuación proporcionada por la empresa MODASA:
Potencia en Hp = ( D.R. ) * N * (1.34/271.93)
Donde:
D.R. = es la lectura directa del dinamómetro
“Froude”
N = es el numero de revoluciones por minuto del
motor en la prueba
1/271.= es el factor del dinamómetro para dar como
resultado CV.
1.34 = es el factor de cambio de CV a HP
Los resultados fueron los siguientes:
Tabla 2. Potencia en HP promedio usando
petróleo diesel, biodiesel y diferentes
combinaciones de estos en el motor.
R.P.M. D100 B10 B20 B30 B40 B50
1400 66,69 65,31 66,46 65,42 65,08 66,11
1600 78,84 78,71 78,45 78,32 78,06 78,45
1800 88,26 88,11 88,11 87,37 84,56 87,81
2000 92,97 93,46 93,46 92,81 93,13 92,97
2200 100,46 101,00 100,82 99,74 99,92 99,01
2400 105,85 106,24 105,85 104,47 105,26 104,47
2600 106,13 107,41 107,84 106,55 106,55 106,98
2800 88,31 89,68 88,54 87,85 88,31 89,22
Tabla 3. Potencia en HP promedio usando
petróleo diesel, biodiesel y diferentes
combinaciones de estos en el motor.
R.P.M. B60 B70 B80 B90 B100
1400 65,19 64,62 64,04 63,58 62,89
1600 77,53 76,61 76,61 76,48 75,95
1800 86,63 85,45 85,74 85,15 85,15
2000 91,98 90,83 90,67 89,68 89,52
2200 98,29 97,03 96,30 96,12 95,40
2400 103,68 102,30 101,91 99,93 100,72
2600 106,34 105,06 104,42 103,78 102,92
2800 88,99 88,08 88,54 86,47 86,01
En las Tablas se aprecia las velocidades en las
cuales se encuentra la mayor y menor potencia para
cada uno de los combustibles evaluados. Los cuales
son comparados en la Figura 1, el cual muestra a
manera de resumen el comportamiento de la potencia
del motor a diferentes velocidades utilizando los
distintos tipos de combustibles evaluados, luego de
analizarlos podemos llegar a los siguientes
resultados.
Para el D10 existe una pérdida de potencia para las
revoluciones comprendidas en el rango de 1400 a
1800 rpm, registrando un máximo de 2.15% de
pérdida. Luego del cual registra una ganancia de
potencia máxima de 1.6% a 2600 rpm.
Una ganancia máxima de 1.6% registrada a 2600
rpm y una pérdida de 0.5% a 1600 rpm, nos
demuestra un buen comportamiento del D20.
Al analizar el D30 encontramos mayoritariamente
valores de pérdida de potencia, con 1.9% como
mayor valor a 1400 rpm.
Con una pérdida de potencia de 4.19% registrada a
1800 rpm, el B40 presenta un buen comportamiento.
La pérdida de potencia máxima registrada para el
B50 de 1.44%, de 2.24% para el B60 nos permite
afirmar que estas son insignificantes para el motor
evaluado.
Existe una mayor pérdida de potencia a medida que
se aumenta la cantidad de biodiesel en la mezcla,
registrando los siguientes valores como máximo,
2.24% para el B60, 3.24% para el B70, el B80
registra 4.14% y el B90 con 4.66% de valor, nos
indican que los combustibles evaluados representan
una excelente alternativa.
Al comparar los dos combustibles puros
encontramos que la pérdida de potencia máxima es de
solamente 5.69%.
Torque Vs Velocidad
200.00
220.00
240.00
260.00
280.00
300.00
320.00
340.00
360.00
1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800
Velocidad del Motor
To
rqu
e e
n N
m
D100
B10
B20
B30
B40
B50
B60
B70
B80
B90
B100
Figura 1. Comparativo de la Potencia vs la
Velocidad del motor usando petróleo diesel,
biodiesel y diferentes combinaciones de éstos.
4.2 Evaluación del torque En base a los resultados obtenidos en el
dinamómetro “Froude” y utilizando la formula de
conversión apropiada, proporcionada por MODASA
se calculo el torque en Nm, obteniendo los siguientes
resultados:
Augusto Zingg R., José Calle M.
An cient. 68(4) 2007, pp. 239-246 243
Torque en Nm = (D.R. ) x 35.12
Donde;
D.R. = es la lectura directa del dinamómetro en
35.12 = es el factor de conversión
Luego de procesar la información se obtuvieron los
siguientes resultados.
Tabla 4. Torque en Nm promedio usando
petróleo diesel, biodiesel y diferentes
combinaciones de estos en el motor.
R.P.M. D100 B10 B20 B30 B40 B50
1400 339,49 332,47 338,32 333,05 331,30 336,57
1600 351,20 350,61 349,44 348,86 347,69 349,44
1800 349,44 348,86 348,86 345,93 334,81 347,69
2000 331,30 333,05 333,05 330,71 331,88 331,30
2200 325,45 327,20 326,62 323,10 323,69 320,76
2400 314,32 315,49 314,32 310,23 312,57 310,23
2600 290,91 294,42 295,59 292,08 292,08 293,25
2800 224,77 228,28 225,35 223,60 224,77 227,11
Tabla 5. Torque en Nm promedio usando
petróleo diesel, biodiesel y diferentes
combinaciones de estos en el motor.
R.P.M. B60 B70 B80 B90 B100
1400 331,88 328,96 326,03 323,69 320,18
1600 345,35 341,25 341,25 340,66 338,32
1800 343,01 338,32 339,49 337,15 337,15
2000 327,79 323,69 323,10 319,59 319,01
2200 318,42 314,32 311,98 311,40 309,06
2400 307,89 303,79 302,62 296,76 299,11
2600 291,50 287,98 286,23 284,47 282,13
2800 226,52 224,18 225,35 220,09 218,91
Como podemos apreciar en las Tablas 4 y 5, el
comportamiento del torque del motor sigue una
tendencia similar al de la potencia, sin embargo en
este caso el torque es mayor a menor velocidad del
motor. Esto es debido a que el dinamómetro mide la
fuerza del motor directamente (el torque es la fuerza
por la distancia y la potencia en Fuerza por
velocidad). Con los datos obtenidos se gráfico lo
siguiente.
Torque Vs Velocidad
200.00
220.00
240.00
260.00
280.00
300.00
320.00
340.00
360.00
1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800
Velocidad del Motor
To
rqu
e e
n N
m
D100
B10
B20
B30
B40
B50
B60
B70
B80
B90
B100
Figura 2. Comparativo del Torque Vs. la
Velocidad en el Motor Usando Petróleo Diesel,
Biodiesel y Diferentes Combinaciones de Estos.
4.3 Evaluación del consumo de combustible
Para la evaluación del consumo de combustibles se
midió el tiempo que demoraba en segundos en
consumirse una pipeta graduada de 0.5 pintas para las
dos velocidades sugeridas por la Fabrica Perkins, que
en el caso del modelo Phaser fueron 1600 y 2600 rpm
respectivamente.
Tabla 6. Consumo de combustible promedio en
Gal/Hr usando petróleo diesel, biodiesel y
diferentes combinaciones de estos en el motor.
Tipo de
Combustibles
Promedio Consumo Gal/h
1600 rpm 2600 rpm
D100 3.43 5.23
B10 3.57 5.32
B20 3.52 5.24
B30 3.52 5.33
B40 3.55 5.33
B50 3.60 5.40
B60 3.58 5.32
B70 3.52 5.31
B80 3.58 5.37
B90 3.60 5.37
B100 3.54 5.36
En este caso se puede apreciar en la Figura 3 que el
consumo de combustible en ambas velocidades sufre
un pequeño incremento, el cual no sobrepasa el 5%
como valor máximo, esto podría deberse a la mayor
viscosidad que presenta el Biodiesel en Comparación
con el Petróleo Diesel que obliga a un mayor
esfuerzo la bomba de transferencia y otros
componentes como la bomba de inyección del motor,
sin embargo esta mayor viscosidad también asegura
una mayor lubricidad de los componentes afectados
prolongando su vida útil.
Consumo de Combustible
3.00
3.50
4.00
4.50
5.00
5.50
6.00
D100 B10 B20 B30 B40 B50 B60 B70 B80 B90 B100
Tipos de combustibles
Co
nsu
mo
Gal/H
r
1600 rpm
2600 rpm
Figura 3. Comparativo del consumo de
combustible en el motor usando petróleo diesel,
biodiesel y diferentes combinaciones de estos.
4.4 Evaluación de las emisiones
Como se puede apreciar en este caso, la emisión de
particulados presentan una clara disminución a
medida que se aumenta la cantidad de Biodiesel en la
mezcla, respecto al Petróleo Diesel comercial para las
dos velocidades evaluadas, la mayor diferencia en
Evaluación de la potencia, torque, consumo de combustible y emisión de particulados en un motor empleando
petróleo diesel y biodiesel
244
porcentaje con relación al petróleo diesel fue en el
B80 (79%).
Tabla 7. Emisiones en unidades bosch usando
petróleo diesel, biodiesel y diferentes
combinaciones de estos en el motor.
Tipo de
Combustibles
Promedio de la Opacidad
1600 rpm 2600 rpm
D100 2.60 0.80
B10 2.43 0.83
B20 2.13 0.67
B30 2.13 0.43
B40 2.13 0.43
B50 1.80 0.40
B60 1.60 0.20
B70 1.33 0.20
B80 1.27 0.17
B90 1.27 0.27
B100 1.20 0.20
Tomando como base la Norma Oficial Mexicana
NOM-48-ECOL-1993 (www.ine.gob.mx) que
establece los niveles máximos permisible de emisión
de: Hidrocarburos, Monóxido de carbono y Humo
que emplea la equivalencia de las Unidades Bosch
con la opacidad medida en porcentaje (100% = 7.6
unidades Bosch) y en el Perú el Decreto Supremo N°
047-2001-MTC (www.mtc.gob.pe) que establece los
Limites Máximos Permisible (LMPs); encontramos
que el motor cumpliría satisfactoriamente dicha
norma, la cual exige como valor máximo para los
vehículos de fabricación a partir del año 2003 y en
vehículos menores una opacidad máxima del 60%
(4.56 unidades Bosch). Al comparar con las
emisiones del motor encontramos una disminución
del 46% como mínimo y del 94% como máximo.
Emisiòn de Particulados
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
D100 B10 B20 B30 B40 B50 B60 B70 B80 B90 B100
Tipos de combustibles
Op
acid
ad
en
un
idad
es B
osch
1600 rpm
2600 rpm
Figura 4. Comparativo de medida de la opacidad
en el motor usando petróleo diesel, biodiesel y
diferentes combinaciones de estos.
4.5 Análisis estadístico de los datos obtenidos Para validar estadísticamente los datos obtenidos,
se realizó un análisis de variancia empleando un
diseño experimental de tipo D.C.A para cada
velocidad, con un margen de error del 0.01
obteniendo los siguientes resultados.
Tabla 8. Análisis de variancia en el motor para la
potencia.
GL SC CM FC Ft
Estrato 11 1222,646 111,1497 0,1846 1,91
Error
Experimental 84 50558,462 601,8864 731,470 1,62
Error Muestra 204 167,86 0,822844
Total 288 51948,97
El análisis demuestra que no existe diferencia
significativa entre las potencias en función a los tipos
de combustibles analizados (tratamientos), sin
embargo demuestra que si existe una diferencia
altamente significativa en cuanto a las potencias
alcanzadas en función a las diferentes velocidades del
motor.
Tabla 9. Análisis de variancia en el motor para el
torque.
GL SC CM Fc Ft
Estrato 11 1222,646 111,149 0,184 1,91
Error Experimental 84 50558,46 601,886 731,470 1,62
Error Muestra 204 167,86 0,822
Total 288 51948,97
Este análisis de variancia realizado en un diseño
experimental estratificado nos indica que no existe
diferencia significativa entre los torques en función a
los tipos de combustibles analizados (tratamientos),
sin embargo demuestra que si existe una diferencia
altamente significativa en cuanto a los torques
alcanzadas en función a las diferentes velocidades del
motor.
Tabla 10. Análisis de Variancia a 1600 rpm y 2600
rpm en el Motor Para el Consumo de
Combustible.
F de V GL SC CM FC P (0,01)
Combustibles 11 9,401 0,855 16,998 3,09
Error 24 1,207 0,050
Total 35 10,608
En la Tabla 11, podemos apreciar que existen
evidencias de diferencias significativas entre los
consumos de combustibles de las mezclas analizadas.
Tabla 11. Análisis de variancia a 1600 y 2600 rpm
en el motor para la emisión de particulados.
F de V GL SC CM FC P (0,01)
Combustibles 11 2,559 0,233 44,077 3,09
Error 24 0,127 0,005
Total 35 2,686
Con un margen de error del 0.01 podemos inferir
que existe diferencia altamente significativa entre los
Augusto Zingg R., José Calle M.
An cient. 68(4) 2007, pp. 239-246 245
tratamientos. Adicionalmente podemos precisar que
la adición de Biodiesel disminuye la contaminación
ambiental por particulados en los motores de ciclo
Diesel.
5. Conclusiones
Con los resultados obtenidos, se ha llegado a las
siguientes conclusiones:
A medida que aumenta el Biodiesel en la mezcla
con Petróleo disminuyen ligeramente la potencia y el
Torque, llegando estas a un máximo de 5% al
comparar los dos combustibles puros para ambos
motores.
El consumo de combustible aumenta en una
pequeña cantidad a medida que se incrementa la
cantidad de Biodiesel en las mezclas, este aumento
registró un valor máximo de alrededor de 5% de
incremento en el motor N° 2.
La disminución de la emisión de particulados como
un efecto del incremento de la cantidad de Biodiesel
en la mezcla, queda demostrado en las pruebas
realizadas. Teniendo una disminución mínima del
46% y una máxima del 96% (motor N°2) en
comparación con los LMPs establecidos por el MTC
para el Perú.
Con un margen de error de 0.01 existen diferencias
significativas entre las potencias y los torques
evaluados para cada mezcla de combustible. En
cuanto a los análisis estadísticos realizados para cada
una de las mezclas demuestran que existen
diferencias significativas entre las mezclas de
combustibles evaluados en cuanto al consumo de
combustible y la emisión de particulados.
7. Referencias bibliográficas
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combustible diesel” Memorias XIII Congreso
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Agraria La Molina. Lima Perú. 127 p.
Páginas WEB Revisadas
Ambiente: http://carpetas.sermarnat.gob.mx;
Información sobre las Normas Oficiales Mexicanas
vigentes en materia ambiental presenta esta web
perteneciente a la Sub - Secretaria de Fomento y
Normatividad Ambiental; Idioma: Castellano.
Autocity; http://www.autocity.com; Portal dedicado
al automóvil, con referencias a aspectos técnicos de
mecánica y motores; Idioma: Castellano.
Biodiesel:
http://journeytoforever.org/energiaweb/biodiesel.htm;
página dedicada al biodiesel, en la que se puede
consultar como elaborar este combustible y utilizarlo
en cualquier vehículo de gasoil. Incluye datos de la
fabricación industrial de biodiesel así como la
legislación española aplicable; Idioma: Castellano;
Biodiesel, Aire de Campo;
http://www.biodiesel.com.ar/home.htm; Página
argentina que apuesta por el uso en motores diesel de
los combustibles obtenidos a partir de aceites
vegetales. Recoge las pruebas que deben realizarse
para asegurarse su correcto funcionamiento; Idioma:
Castellano.
Biodiesel Bulletins:
http://www.biodiesel.org/BDRptlst.htm; Publicación
oficial de la National Biodiesel Board, asociación
empresarial del sector de Biodiesel norteamericano;
Idioma: Ingles.
Biodiesel Web Site: http://www.Biodiesel.org/;
Página web oficial del National Biodiesel Board,
organización empresarial que representa a la industria
del biodiesel de estados Unidos; Idioma: Ingles
MINAG: http://www.minag.gob.pe; Perteneciente al
Ministerio de Agricultura del Perú, esta web contiene
información correspondiente al sector, en lo referente
a producción, área sembrada, etc.; Idioma:
Castellano:
Evaluación de la potencia, torque, consumo de combustible y emisión de particulados en un motor empleando
petróleo diesel y biodiesel
246
Minería y Petróleo: http://snmpe.org.pe; la Sociedad
Nacional de Minería y Petróleo del Perú cuenta con
esta web donde se consigna información relacionada
a la producción de combustibles, explotación de
minerales entre otras; Idioma: Castellano.
MODASA: http://www.modasa.com.pe; Página web
de la empresa MODASA, ensamblador y
representante en el Perú de los motores Perkins ,
presenta información concerniente a los productos
ofrecidos en venta como grupos electrógenos,
Tractores agrícolas, Buses y camiones; Idioma.
Castellano.
MTC: http://mtc.gob.pe; Página web oficial del
Ministerio de Transportes y Comunicaciones, se
consigna información referida a los límites máximos
permisibles de emisiones en los vehículos de
circulación terrestre; Idioma: Castellano.
Museo Nacional del Petróleo:
http://www.mipatagonia.com/regiones/chubut/comod
oro_rivadavia/ museo_del_petroleo/index.htm;
Página argentina donde está incluida información
proporcionada por el Museo Nacional del petróleo y
auspiciada por los Yacimientos Petroleros Fiscales
(YPF); Idioma: Castellano.
An cient. UNALM 68(4), 2007 Recibido: 02/10/2007
ISSN 0255-0407 Aceptado: 31/10/2007
La mecanización agrícola en la pequeña agricultura: evaluación técnica y
propuesta de organización a la decisión para los planes de mecanización de los
agricultores en el valle de Pisco-Perú
Jaime Vásquez Cáceres 1
Resumen
En la costa central de Perú, particularmente en el valle de Pisco, operan máquinas agrícolas que datan de la década
de los 80, en manos de agricultores privados y programas de apoyo del Estado; la mala distribución de la maquinaria
conduce a una baja producción y productividad en el valle. Los resultados del análisis indican que los tractores
trabajan un promedio de 753.8 horas/año. Por otra parte y en función de los implementos disponibles en el valle, el
tractor que logro una mayor versatilidad y mejor desempeño fue el de 78 hp. Sobre el total de horas tractor
trabajadas un 75% correspondió a trabajo efectivo y un 25% a horas improductivas tales como movilización de
equipos. También se pudo observar que los agricultores tienen deudas por cancelar los servicios de mecanización, y
la adopción de un servicio de mecanización será favorable para los agricultores, lo que debe traducirse en labores
oportunas con estándares de calidad a los preexistentes.
Palabras clave: Mecanización, rendimiento de tractores, operación de maquinaria.
Abstract
In the central coast of Peru, particularly in the valley of Pisco, they operate agricultural machines that date from the
decade of the 80s, into the hands of private particular agriculturists and programs of support of the state; the bad
distribution of the machinery leads to a low production and productivity in the valley. The results of the analysis
indicate that the tractors work an average of 753,8 hours/year. On the other hand and based on the implements
available in the valley, the tractor that profit a greater versatility and better performance was the one of 78 HP. On
the total of hours tractor worked a 75% a 25% to unproductive hours corresponded to effective work and such as
mobilization of equipment. Also it was possible to be observed that the agriculturists have debts to cancel the
services of mechanization, and the adoption of a service of mechanization will be favourable for the agriculturists,
which must be translated in opportune workings with standards of quality to the pre-existing ones.
Key words: Mechanization, tractor performance, machinery operations.
1. Introducción
El valle de Pisco, desde la época de la existencia de
las haciendas ha sido netamente algodonero, como
cultivo no permanente. Actualmente debido alas
migraciones de los departamentos de Huancavelica y
Ayacucho, ha dejado de ser algodonero gracias a los
programas de menestras, maíz y maquinaria.
La maquinaria agrícola existente en el valle data de
los años 80 y la presencia de maquinaria del Estado
que llegó al valle debido a políticas gubernamentales,
ha sido en cierto momento perjudicial para los
pequeños propietarios de tractores, por que el servicio
que prestaba el Estado era subvencionado.
El presente trabajo muestra las características más
saltantes de la maquinaria agrícola en el valle, así
como su distribución en el mismo. Además presenta
un modelo de organización de los propietarios de esta
maquinaria, para el servicio de alquiler, que se
encuentra enmarcada dentro de las expectativas de
los propietarios de maquinaria, ya que una propuesta
siempre debe estar contenida dentro del contexto
económico y social de la zona.
La importancia de la maquinaria agrícola en el
Valle radica, en que se pueden obtener altas
producciones y productividad, minimizando los
costos. Es por ello que el conocimiento de los
diversos factores como el rango de potencia, vida útil,
características del uso, etc., nos permite conocer la
1 Facultad de Ingeniería Agrícola, Universidad Nacional Agraria
La Molina. Lima, Perú. E-mail: [email protected]
demanda actual y futura del valle. El presente estudio
muestra una forma de organización de servicio de
mecanización agrícola así como la distribución de la
maquinaria agrícola en el valle de Pisco-Perú.
De esta forma y con la información de la Junta de
Usuarios del valle de Pisco y reconocimiento y
ubicación de los puntos donde se concentra la mayor
parte de maquinaria de alquiler, como de propietarios
que no prestan servicio, se plantean los siguientes
objetivos específicos:
1. Ofrecer al agricultor un servicio de mecanización
agrícola, para preparación de suelo, siembra y
control de plagas.
2. Mejorar el tiempo efectivo de trabajo del
agricultor, respecto de los actuales servicios
ofrecidos.
3. Generar retornos económicos que garanticen el
funcionamiento de los equipos durante toda su
vida útil.
2. Revisión de literatura
La presente investigación se desarrolla sobre la
base del inventario de la maquinaria agrícola
existente en el valle de Pisco y características como
marca, potencia, año de adquisición, ubicación y
horas de uso.
Pisco, es una de las cinco provincias que
conforman la región peruana de Ica. Fue Creada el 19
de octubre de 1900. Se ubica en la parte central de la
región y limita, al norte con la provincia de Chincha,
al este con la Región Huancavelica, al sur con la
provincia de Ica y al oeste con el Océano Pacífico.
La mecanización agrícola en la pequeña agricultura: evaluación técnica y propuesta de organización a la decisión
para los planes de mecanización de los agricultores en el valle de Pisco-Perú
248
La capital de la provincia es la ciudad de Pisco y
esta a 231 kilómetros al sur de Lima.
Las familias beneficiarias del proyecto, se agrupan
en cinco distritos: San Andrés, Pisco, Independencia,
Humay y Huancano.
El valle de Pisco posee una extensión de 38502.44
has. Área destinada a la producción agropecuaria.
Tabla 1. Distribución de la superficie por
extensión de las unidades agropecuarias en el valle
de Pisco.
Superficie Unidades
agropecuarias
Extensión
(Ha)
< 0.5 Has 36 8.21
0.5 a 4.9 Has. 1910 5967.22
5.0 a 19.9 Has. 1997 16352.87
20 a 49.9 Has. 169 4728.89
50.0 a más 55 10550.76
Fuente: Censo Agropecuario Nacional 1993.
Descripción de la agricultura y ganadería El valle de Pisco, en cuanto a cultivos no
permanentes, es casi netamente algodonero tal como
lo muestra en la Tabla 2. En cuanto a los cultivos
permanentes tenemos a la vid, pecano, mango y
naranjo.
La agricultura de valle de Pisco en su interacción
con los factores de producción muestra sus
limitaciones fundamentalmente en reducidas
superficies de producción, formas de dominio de la
tierra y baja calidad del suelo. Además, el factor
capital se encuentra muy distante de las necesidades
mínimas de la familia, pudiéndose constatar por un
alto grado de morosidad generados por diversos
préstamos dados por el Estado y que no han sido
cancelados.
Tabla 2. Distribución de los cultivos no
permanentes por extensión de las unidades
agropecuarias.
Cultivo Unidades
agropecuarias Hectáreas
Algodón 2966 13498.16
Maíz 504 1048.51
Pallar 232 373.55
Espárrago 19 54.23
Fuente: Censo Agropecuario Nacional 1993.
La relación existente entre el uso de mecanización
agrícola y los factores socioeconómicos que
determinan un proceso de desarrollo rural, queda de
manifiesto en lo citado por Ibáñez (1986), quien
aludiendo a un estudio realizado por la FAO señala:
“La mecanización agrícola es parte integral del
desarrollo técnico, económico y social de las áreas
rurales. Los países en desarrollo tratan de aumentar la
producción de alimentos para mantenerla
concordante con el rápido crecimiento de la
población, utilizando la mecanización como uno de
los más importantes recursos de producción. Sin
embargo, la producción agrícola por si solo no puede
ser el único objetivo que persigue el desarrollo rural.
La introducción de un grado adecuado de
mecanización debe propender a crear nuevas
posibilidades de empleo y a mejorar el nivel de
distribución de ingresos”.
Es normal que al hablar de Mecanización Agrícola
para la pequeña agricultura se piense inmediatamente
en la introducción de equipos apropiados para
tracción animal, descartando la alternativa motriz por
su elevado nivel de inversión, complejidad técnica de
Manejo, requerimiento de potencia y gestión
administrativa.
3. Materiales y métodos
La presente investigación, busca evaluar la
implementación de un proyecto de mecanización
agrícola para la pequeña agricultura en el valle de
Pisco.
De acuerdo con (Goldhor, 1981, p. 113) citado por
(Espinoza, Hidalgo, Morales, 1990, p. 142), los
estudios descriptivos se concentran en medir con la
mayor exactitud posible, por ello el investigador debe
definir qué se va a medir y cómo lograr precisión en
esa medición.
La investigación descriptiva es concebida como
“aquellas técnicas que sirven para recopilar datos
contemporáneos por medición directa o indirecta a
través de otras personas”. En ese sentido (Venegas,
1998, p. 23) define la investigación descriptiva de la
siguiente manera: “Trata de descubrir las principales
modalidades de cambio, formación o estructuración
de un fenómeno, y las relaciones que existen con
otros”.
Según (Hernández, Fernández y Baptista, 1998, p.
66) “Los estudios explicativos van más allá de la
descripción de conceptos o fenómenos o del
establecimiento de relaciones entre conceptos, están
dirigidos a responder a las causas de los eventos
físicos o sociales”.
En ese sentido se trata de evaluar los planes de
mecanización de los agricultores del valle de Pisco,
por lo tanto el presente estudio no solo se limita a la
recolección y tabulación de datos, sino que va más
allá, describe el problema tal como es, interpreta el
significado de lo descubierto y sistematiza la
información para derivar de ello conclusiones
relevantes.
4. Resultados
4.1 Evaluación técnica de la maquinaria
agrícola De un total de 70 máquinas pertenecientes a 59
propietarios, 47 máquinas se encuentran ubicadas en
los distritos de Independencia y Humay (zonas de
riego Independencia, Murga, Cabeza de Toro y
Humay), 13 en el distrito de Pisco (zona de riego
Pisco), y 10 al distrito de San clemente (zona de riego
de San Clemente. En el distrito de Huancano (zona de
riego Huancano) no se encontró la existencia de
maquinaria particular, solamente se encontraba
destinado un tractor de propiedad del Estado.
En el valle de Pisco se observa que Massey
Fergusson es la marca predominante, dentro de los
Jaime Vásquez Cáceres
An cient. 68(4) 2007, pp. 247-253 249
tractores operativos, esto confirma la importancia de
esta marca por que tiene un buen respaldo y un
adecuado marketing.
Las Tablas siguientes muestran las marcas de
tractores en el valle de Pisco.
Tabla 3. Clasificación de los tractores particulares
por marcas.
Marca
N°
de
trac
tore
s
oper
ativ
os
Po
rcen
taje
oper
ativ
os
N°
de
trac
tore
s
no
oper
ativ
os
Po
rcen
taje
no
oper
ativ
os
Massey Ferguson
Fiat Ford
International
Same
Valmet
John Deere
Landini Lamborghini
Shanghai
Fendt
16
13 9
7
6
5
4
4 3
3
0
22.8%
18.6% 12.8%
10.0%
8.6%
7.1%
5.7%
5.7% 4.3%
4.3%
0%
4
17 1
14
13
10
2
0 0
0
6
6.0%
25.4% 1.5%
20.9%
19.4%
14.9%
3.0%
0% 0%
0%
9%
Total 70 100% 67 100%
Nota: Se consideró operativa a la máquina con 100% de
funcionamiento en los sistemas.
Tabla 4. Clasificación de los tractores del Estado
por marcas.
Marca
N° de
tractores
operativos
Porcentaje operativos
N° de
tractores no
operativos
Porcentaje
no
operativos
Yanmar
Shanghai Massey
Ferguson
Kubotta
17
4 1
0
77%
18% 5%
0%
0
19 1
5
0%
76% 4%
20%
Total 22 100% 25 100%
Nota: Se consideró operativa a la máquina con 100% de
funcionamiento en los sistemas.
La presencia de gran cantidad de tractores de
origen italiano (Fiat y Same) se debe a programas de
mecanización dados por el gobierno en la década de
los 80. El problema principal para el funcionamiento
de esta maquinaria es el alto costo de sus repuestos;
es por ello que estas máquinas se encuentran en
estado no operativo.
Un factor muy relevante que se observa en las
Tablas 3 y 4 es el número de máquinas no operativas
(alrededor del 50% tanto en particulares como del
Estado). La Tabla 5, muestra que la mayoría de las
máquinas esta comprendida en un rango de potencia
de 61 a 90 hp (tractores de mediana potencia), con
una potencia promedio de 78 HP.
Tabla 5. Clasificación de la maquinaria particular
por potencia.
Potencia (hp) N° de tractores Porcentaje
30 – 40
41 – 50
51 – 60 61 – 70
71 – 80
81 – 90
91 – 100
101 – 110
111 - 120
0
3
0 13
26
21
7
0
0
0.0%
4.2%
0.0% 18.6%
37.1%
30.0%
10.0%
0.0%
0.0%
Total 70 100%
Tabla 6. Clasificación de la maquinaria del Estado
por potencia.
Potencia N° de
tractores Porcentaje
30 – 40
41 – 50 51 – 60
61 – 70 71 – 80
81 – 90
91 – 100 101 – 110
111 - 120
0
5 0
0 0
0
0 17
1
0%
22% 0%
0% 0%
0%
0% 74%
4%
Total 23 100%
La uniformidad mostrada, dentro de la maquinaria
particular, es debida a que la agricultura en el valle de
Pisco es dedicada esencialmente a solo dos cultivos
(algodón y maíz).
Esta potencia es similar a la calculada en el año 85,
y que trajo como consecuencia la importación de
maquinaria de origen italiano con esta característica,
lo que no quiere decir que sea la potencia ideal
requerida en el valle de Pisco.
Tabla 7. Potencia motriz requerida por zona de
riego.
Zonas de riego Tipos de suelo Potencia requerida
(HP)
Cabeza de toro. Independencia
Huancano
Humay Murga
Pisco
San Clemente
*Suelo en formación Franco arcilloso
Franco arcilloso
Franco arcilloso Franco arenoso
Franco arcilloso
Franco arenoso
90 95
95
95 70
95
70
*arenoso pedregoso con problemas de drenaje. Labor de aradura (Arado de discos de 28” de diámetro por
disco)
Tabla 8. Potencia motriz promedio por zona de
riego.
Zonas de riego
Potencia
total (HP)
Potencia
Promedio (HP)
Cabeza de toro.
Independencia Huancano
Humay
Murga Pisco
San Clemente
808
1305 0
824
728 1101
675
75
80 0
75
81 84
68
La potencia requerida para las labores de labranza
es mayor al promedio de potencia actual por zonas de
riego, a excepción de las zonas con suelos arenosos.
Esta diferencia, entre la potencia actual y la
requerida, muestra la falta de acierto en la
adquisición de maquinaria en el valle por parte de las
políticas gubernamentales de apoyo al agro.
La obsolescencia junto a la poca potencia promedio
son dos factores que hacen que los rendimientos por
operación de la máquina se vean mermados.
El combustible usado es el diesel, existiendo
tractores de doble tracción (8) y de simple tracción
(62), esto es debido a la diferencia de costo entre un
tractor de simple tracción con el de doble.
La mecanización agrícola en la pequeña agricultura: evaluación técnica y propuesta de organización a la decisión
para los planes de mecanización de los agricultores en el valle de Pisco-Perú
250
Tabla 9. Clasificación de la maquinaria particular
y del Estado por horas de uso.
Horas de uso N° de tractores Porcentaje
0 – 1000
1001 – 2000 2001 – 3000
3001 – 4000
4001 – 5000 5001 – 6000
6001 – 7000
7001 a más.
10
5 0
4
6 3
0
0
35.7%
17.9% 0%
14.3%
21.4% 10.7%
0%
0%
Total 28 100%
Con relación al uso horario se verificaron solo 28
tractores –entre particulares y de propiedad del
Estado- Las horas promedio por año es de 753.8
hrs/año, lo que evidencia un alto uso de maquinaria
tomando en cuenta que solo realiza labores de
labranza.
En estudios hechos anteriormente nos demuestran
que para esta labor el promedio en uso de horas
anuales no es mayor de 600 horas.
En la Tabla 10, analizarán los implementos de
propiedad particular y del Estado.
Tabla 10. Implementos de propiedad particular y
del Estado.
Implementos Propiedad
del Estado
Propiedad
particular
Nº total de
Implementos
Arado 3 discos 28” 5 67 72
Arado 3 discos 26” 1 4 5
Grada pesada excéntrica 20x28”
8 0 8
Grada integrada
18x22”
1 4 5
Rastrillo 3 70 73
Motocultivador 1 0 1
Surcador 1 69 70
Cultivador 1 67 68
Subsolador 1 0 1
Sembradoras 1 15 16
Desgranadora 0 13 13
Como se observa la presencia de implementos en el
valle de Pisco se ve limitada a las labores de
labranza. Labores como el abonado y aspersión de
insecticidas se realizan de manera manual y con
mochilas para fumigar.
Un implemento que esta siendo desplazado por el
uso del rastrillo, es la grada pesada; existen dos
factores por el cual ocurre este hecho: en primer lugar
el alto costo de mantenimiento de la grada lo que
hace que en el valle se encuentren muchos de estos
implementos no operativos; y en segundo lugar la
falta de potencia para el uso de este implemento.
El uso inadecuado e innecesario de los
implementos hace que se desperdicie muchas veces
energía tractorable. Actualmente en el valle de Pisco
se hace uso del arado sin tomar en cuenta el tipo de
cultivo a desarrollar.
4.2 Incidencia de la maquinaria agrícola en
los costos de producción en el valle de Pisco La incidencia de la maquinaria agrícola, sobre el
costo de producción total del cultivo de algodón no es
significativa, en comparación con la Mano de obra, e
insumos. Esto demuestra el poco grado de uso de
maquinaria agrícola en el valle, teniendo en cuenta
que el cultivo del algodón abarca más del 80% de las
tierras cultivables.
Sobre el “uso de maquinaria de propiedad del
Estado y particular, se observa que la primera
produce un mayor ahorro en los cestos de producción
por cada cultivo. Esto es debido al mejor rendimiento
de la maquinaria del Estado, así por ejemplo un
Tractor Yammar de 110 HP, ara una hectárea en dos
horas, a un costo de S/. 50/hora; mientras que un
Tractor Massey Ferguson de 78 Hp lo hace de entre 3
a 3.5 horas, a un costo de S/. 35 a S/. 40/hora. Por
otra parte hay que tomar en cuenta que el costo de
operación de un Tractor Yammar de propiedad del
Estado se encuentra subvaluado (el costo real de
operación por hora es de S/. 70).
Un factor importante dentro de un servicio de
alquiler (cualquiera que sea éste), es no tener
distorsión en los precios del mercado. Así en la Tabla
11, se muestra de manera comparativa los precios
cobrados (Horas/máquina) por el servicio de alquiler
de maquinaria agrícola particular vs. el costo de
operación calculado, sobre el modelo de máquina
más frecuente en el valle (Massey Ferguson 290).
Autores como Hunt (1986) nos dicen que la
incidencia en costos de la maquinaria, en una labor
altamente tecnificada., es mayor a los demás factores
(insumos, químicos, etc.), lo que en términos
generales hace que el costo total de producción sea
menor.
Tabla 11. Costo real vs cantidad cobrada por
h/Maq maquinaria particular.
Operación
Costo
Real $
(hr)
Calculado
Costo
Actual
(hr)
cobrado
Diferencia
$
Arado
Gradeo
Rastrillo
Surcado
Cultivo
Siembra
15.32
17.38
14.07
14.07
14.07
15.72
8.66
8.66
8.66
8.66
8.66
8.66
-6.66
-8.73
-5.41
-5.41
-5.41
-7.06 Valores determinados en la zona de estudio.
En esta Tabla se observa que en todos los casos los
gastos cobrados por el propietario particular solo
llegan a un poco más del 50% del costo de operación
real calculado de la máquina. Este quizás sea el factor
principal que hace que en todo el valle se encuentre
gran cantidad de máquinas en mal estado o no
operativas, debido a que con este monto cobrado solo
se puede cubrir los costos de combustible, lubricante
y algunas reparaciones. A pesar de ello muchas veces
los propietarios se ven en la necesidad de bajar aún
más los precios de alquiler por la presencia de la
maquinaria del Estado, que les realiza una
competencia (ya mencionada anteriormente), en
precios y rendimiento.
Jaime Vásquez Cáceres
An cient. 68(4) 2007, pp. 247-253 251
4.3 Distribución y demanda de la maquinaria
agrícola en el valle de Pisco Se desarrollaron dos aspectos: índices de
mecanización y demanda de maquinaria por labor.
Tabla 12. Áreas por zonas de riego del valle de
Pisco.
Zonas de riego Área (ha) Parcelas
Cabeza de Toro
Independencia
Huancano
Humay
Murga
Pisco
San Clemente
5517
7084
2448
9806
3489
5744
1293
641
1585
---
246
1103
1481
1481
Total 35383 6537
Fuente: Datos obtenidos del PETT (1999).
La Tabla 13, muestra el número de máquinas
particulares y del Estado distribuido en las diferentes
zonas de riego en el valle.
Tabla 13. Potencia distribuída por zonas.
Zonas de riego
Número de tractores
Potencia total HP
Potencia
promedio
HP
M. p
arti
cula
r
M. E
stad
o
M. p
arti
cula
r
M. E
stad
o
M. p
arti
cula
r
M. E
stad
o
Cabeza de toro Independencia
Huancano
Humay Murga
Pisco
San clemente
11 16
0
11 9
13
10
0 21
1
0 0
0
0
808 1285
0
824 728
1101
675
0 2125
50
0 0
0
0
73 0
75
80 81
84
68
0 101
50
0 0
0
0
Total 70 22 5639 2175 78 99
Con los datos proporcionados de la Tabla 12 y 13
se extrae los datos mostrados en la Tabla 14.
Tabla 14. Índice de mecanización por zonas de
riego.
Zona de riego Potencia Ha Hp/ha
Cabeza de toro
Independencia
Huancano
Humay
Murga
Pisco
San clemente
808
3410
50
824
728
1101
675
5,517
7,084
2,448
9,806
3,489
5,744
1,293
0.15
0.48
0.02
0.08
0.20
0.23
0.35
Total 7596 35,383 0.21
* Tabla tabulada de acuerdo a las tablas anteriores.
El índice de mecanización total del valle (0.21
hp/ha), indica según la FAO que en la zona no se ha
logrado mecanizar totalmente la fase de preparación
de tierras (labranza primaria y secundaria). Según
visitas realizadas a la parte alta del valle, en los
sectores de Murga y Huancano, existen todavía
propietarios que utilizan caballos y bueyes para
realizar labores de campo.
Según lo obtenido con este método (índices de
mecanización), la redistribución de la maquinaria
particular para el servicio de alquiler/máquina en el
valle no es recomendable, tampoco necesaria, ya que
en todas las zonas de riego a excepción de
Independencia el índice esta por debajo de lo
recomendado por la FAO (0.4 hp/ha), esto quiere
decir que se necesita la maquinaria en cada zona para
realizar las labores de campo.
Por tal motivo es recomendable la redistribución de
la maquinaria de propiedad del Estado en zonas de
mucha demanda de maquinaria pero poca cobertura
de la misma como Huancano, donde no existe
maquinaria particular; esta medida permitiría
descongestionar el servicio de alquiler de maquinaria
en las zonas como Independencia. Si bien la
maquinaria de propiedad de Estado atiende diferentes
lugares del valle (por más lejanos que sea), el monto
adicional por concepto de traslado es recargado al
agricultor, es así, que el agricultor de menos recursos
no puede contar con el servicio de una máquina.
Aunque el índice de mecanización nos da un
panorama general con el que hemos podido observar
la distribución de la maquinaria y nos da también una
idea del Estado de desarrollo de la mecanización en
el valle, este no es un indicador exacto para
determinar el número de máquinas necesarias en el
valle.
El problema de la falta de maquinaria no solo
radica en la potencia que se tiene por ha, sino
también en el lapso de tiempo que se tiene para
realizar cada operación en el ciclo de cada cultivo;
por ejemplo para el periodo de aradura del algodón
(30 días), es necesaria una potencia determinada para
ese lapso de tiempo y la cantidad de hectáreas
invertidas en ese cultivo.
Así pues el periodo de aradura del algodón no
necesariamente coincide con el de otro cultivo,
pudiéndose usar la máquina en ambos casos. Otro
factor que pasa por alto el índice de mecanización es
la peculiaridad de cada lugar, fenómeno por el cual
en nuestro valle a pesar de ser netamente algodonero
no siempre se siembra al mismo tiempo en las
diferentes zonas de riego.
4.4 Demanda de maquinaria por labor En adelante se evaluó la demanda de maquinaria en
el valle por cada labor mecanizada. Por tal motivo se
realizó un estudio más detallado de la demanda bajo
el concepto de horas disponibles a través del módulo
de cultivo y rendimiento de la maquinaria para las
labores de campo.
A través del módulo de cultivo se extrajo de
cuantas horas disponía por labor.
El trabajo muestra la demanda de maquinaria de
los cultivos más importantes en el valle (algodón y
maíz), sin embargo otros cultivos como el fríjol,
pallar, etc., poseen la misma demanda que el cultivo
del maíz.
En el valle de Pisco existen dos campañas en el
cual se usa la maquinaria en las labores de campo, la
campaña chica y la grande (términos usados por los
agricultores de las zonas). La campaña chica abarca
La mecanización agrícola en la pequeña agricultura: evaluación técnica y propuesta de organización a la decisión
para los planes de mecanización de los agricultores en el valle de Pisco-Perú
252
los meses de diciembre, enero y febrero, posee esta
denominación por el menor grado de uso de la
maquinaria agrícola en las labores de campo.
La campaña grande abarca los meses de junio, julio
y agosto, posee esta denominación por el gran
requerimiento de maquinaria que necesita el cultivo
de algodón aunado a una campaña de maíz o alguna
menestra.
Otro factor que hay que observar, es la variación de
siembra del algodón, en la zona de denuncias (suelos
en formación-Cabeza de Toro) la campaña empieza
más tarde y culmina al mismo tiempo que en las otras
zonas, obviamente la producción de algodón es
menor.
La Tabla 15, muestra los rendimientos promedios
de campo de cuatro modelos de tractores. Con la
finalidad de obtener estos rendimientos se realizaron
pruebas de campo con los modelos más
representativos de la zona que son Massey Ferguson
290, Fíat 7066 (Propiedad particular), Yanmar 1110
ex y Shanghai 504 (Propiedad del Estado).
En esta Tabla hay que hacer mención que en ciertas
zonas como Cabeza de Toro (Zona de denuncio) por
tener suelos en formación pedregosos no se usa la
grada sino rastrillo. Asimismo el tiempo de gradeo y
rastrillado muchas veces se ve incrementado de sobre
manera por el estado del terreno (sucio o con mucho
rastrojo).
Tabla 15. Duración de las labores mecanizadas.
Módulo
Tiempo de labor realizada (hr)
M. Ferguson
290
Fiat
7066
Yanmar
111ex
Shanghai
504
Potencia (hp) 78 70 110 47
Arado 3 3.5 2 3.5
Rastrillo 2 2 ½
Gradeo 11/2 1 2.5
Surcado 1 1 ¾ 1.5
Cultivo 1 1 ¾
Nota: Los datos contenidos en esta Tabla se encuentran redondeados
al cuarto de hora.
El tiempo tomado como rendimiento máquina, es
el promedio de los datos de campo de la maquinaria
particular por labor realizada. Los días disponibles
fueron obtenidos de la variación de la demanda de
maquinaria en el valle para cada cultivo.
Se tiene como objetivo principal mostrar la
deficiencia de maquinaria por campaña (campaña
chica y campaña grande) en las diferentes zonas de
riego, y refleja de forma real los requerimientos de
ésta en el valle.
Por tal motivo se tomó en cuenta en la campaña
chica el área destinada solamente al maíz que se
siembra en los meses de diciembre, enero y febrero; y
en la campaña grande se toma en cuenta toda el área
de cultivo ya que se coincide las labores del algodón
y segunda campaña de maíz en los meses de junio,
julio y agosto. Así los días disponibles fueron
obtenidos de la combinación de la variación de la
demanda de maquinaria de cada cultivo; por ejemplo,
en la labor de aradura en las diferentes zonas de riego
(a excepción de Cabeza de Toro, recordemos que el
cultivo de algodón no coincide en tiempo con las
demás zonas) durante la campaña grande se tiene una
variación de demanda de 30 días para el algodón y 15
días para el maíz de manera traslapada.
Esto quiere decir que los días disponibles para
ambos cultivos son de 30 días, ya que la utilización
de días subsiguientes afectaría las otras labores. Un
factor que tomamos en cuenta es que la labor de
arado es la que requiere mayor tiempo de realización
(3 horas promedio), esto quiere decir que será esta
labor la más afectada en una supuesta carencia de
maquinaria en el valle.
Se ha tomado en cuenta el uso diario de la
máquina, que es entre 8 a 10 horas al día casi siempre
en doble turno de operador. Las operaciones de
campo comienzan alrededor de las 05 h 00 -con los
agricultores que tuvieron turno de riego la noche
anterior- y terminan alrededor de las 17 h 00 a 18 h
00. Otro factor tomado en cuenta es que para las
operaciones mecanizadas todos los días del
calendario son útiles (se trabaja sábado y domingos).
Como se observa la maquinaria de propiedad
particular no logra cubrir la demanda de ciertas
labores del servicio de alquiler en todas las zonas de
riego a excepción de la zona de San Clemente, que
posee la energía tractorable necesaria para cumplir
todas sus labores de labranza.
El déficit de maquinaria por labor que poseen
ciertas zonas puede ser complementado por la
maquinaría excedente de las zonas con suficiencia de
las mismas; por ejemplo durante la campaña chica la
zona de San Clemente puede poner a disposición 6
máquinas en labor de aradura, 8 en gradeo, 9 en
surcado y 6 en cultivo.
Esta redistribución estacional de la maquinaria
entre las diferentes zonas daría una mayor
rentabilidad a la maquinaria subutilizada en una zona,
además de realizar las labores de campo en el valle
con mayor eficiencia.
La deficiencia de maquinaria a nivel del valle es
actualmente aprovechada por la maquinaria de
propiedad del Estado y maquinaria que proviene de
otros valles dentro del departamento de Ica.
La Tabla 16, muestra la demanda total de energía
(hp) para el valle, y cuanta de ella actualmente es
atendida.
Tabla 16. Demanda de energía total por zonas
para las labores de labranza.
Zona de riego
Potencia
motriz actual (HP)
maquinaria
particular
Potencia motriz
faltante (HP)
Demanda total Hp en
el valle
Cabeza de toro
Independencia
Humay
Murga
Huancano
Pisco
San clemente
808
1305
824
728
0
1101
675
3096
3600
5616
1584
1584
2664
0
3904
4905
6640
2312
1584
3765
675
Fuente: Tablas anteriores.
Jaime Vásquez Cáceres
An cient. 68(4) 2007, pp. 247-253 253
Como se observa la zona de mayor demanda de
energía es Humay debido a que es la que posee
menos potencia motriz actualmente, es por ello, que
en esta zona es donde la maquinaria de propiedad del
Estado, debería tener mayor presencia. La
importancia práctica de expresar la demanda en
energía o potencia motriz (HP), es que con ella se
puede calcular la cantidad de tractores de
determinada potencia que se necesita para suplir esta
demanda.
4.5 Propuesta de un modelo de organización
del servicio de alquiler de la maquinaria
agrícola en el Valle de Pisco
La siguiente propuesta es el resultado de constantes
aproximaciones a las necesidades y maneras de
pensar que poseen los agricultores y los propietarios
de maquinaria es este valle.
En esta propuesta buscamos organizar a los
propietarios de maquinaria agrícola del valle en una
asociación que tenga por función la prestación del
servicio de alquiler de maquinaria. Esta asociación
posee dos objetivos principales. En primer lugar
organizar los frentes de atención de alquiler de
maquinaria en el valle. En segundo lugar,
implementar un servicio de mantenimiento y
reparaciones de la maquinaria asociada.
El primer objetivo tiene por finalidad mejorar la
distribución del servicio de alquiler dentro de las
zonas de riego y el valle. Así el agricultor en una
zona de riego puede pedir al coordinador de la
asociación que lo atienda; este a su vez asigna la
labor a un asociado que puede ser él o un compañero
con cual comparte la zona de atención. En cuanto a
los agricultores en zonas de riego que no posean
máquinas en alquiler, tienen la posibilidad de
coordinar con la directiva de la asociación el envío de
algunas máquinas de zonas donde exista sobreoferta
de horas máquina.
El segundo objetivo tiene por finalidad suprimir el
tiempo perdido y costo que significa llevar el tractor
y su implemento al taller por reparaciones y
mantenimiento. Este servicio brindará inicialmente
mediante la contratación de mecánicos y ayudantes
de mecánica, además de la adquisición de
implementos básicos. Posteriormente con los aportes
de los socios se irá implementando mayor maquinaria
de auxilio mecánico (soldadores, tornos, camionetas,
etc.).
5. Conclusiones
1. A igual disponibilidad de tractor, el uso de horas
de tractor es dependiente del tipo de tractor y del
tipo de suelos, debiendo este cumplir con los
requisitos mínimos de potencia en función del tipo
de labor más frecuente en los agricultores que es
la preparación de suelos.
2. La presencia de un servicio de mecanización fue
favorablemente aceptada por los agricultores, lo
que se debe traducir en labores oportunas con un
estándar de calidad superior a los servicios
preexistentes.
3. Los agricultores del área en que estudio utilizan
solo parcialmente el sistema de pago a crédito por
sus labores de servicio de mecanización
detectándose un alto uso del sistema de pago al
contado.
4. La maquinaria del Estado debe ser redistribuida a
zonas donde se requiere más energía tractorable.
6. Referencias bibliográficas
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la Mecanización Agrícola en el Perú”. Lima.
HERNANDEZ. FERNANDEZ. BATISTA, P 1997.
“Metodología de la Investigación”. Colombia.
Panamericana Formas e Impresos S.A.
HETZ, E 1987. “Selección de tractores agrícolas
según la potencia requerida por los equipos”
Universidad de Concepción. Departamento de
Ingeniería agrícola. Chillan.21 p.
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Segundo Seminario Nacional de Mecanización
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Departamento de Ingeniería agrícola. Chillan.201 p.
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COOPERACIÓN PARA LA AGRICULTURA
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pequeño Agricultor. Serie Institucional Nº 9 San
José Costa Rica. 500p
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agropecuario2002”.
IBAÑEZ. R. 1994 “Costo de Operación y Producción
por concepto de Maquinaria agrícola”. Chile.
Universidad de concepción Chile.
VELICOGNA, E. 1990. “Objetivos Primarios de un
servicio de Asistencia”.
An cient. UNALM 68(4), 2007 Recibido: 10/10/2007
ISSN 0255-0407 Aceptado: 05/11/2007
Implementación de un banco de prueba de bombas centrífugas y verificación
de sus curvas características
José Arapa Quispe 1
Resumen
En nuestro país el control de calidad de las bombas hidráulicas, utilizadas para diferentes fines es muy limitado,
debido a la carencia de equipos para este tipo de pruebas en las instituciones especializadas. El presente trabajo de
investigación consiste en la implementación de un banco de pruebas de bombas centrifugas de mediana capacidad,
como también efectuar la prueba de dos bombas centrifugas de 0.50 Hp cada uno, con un caudal promedio de 1.2 a
4.8 m3/h y variación media de presiones de 22 a 16 m, con la finalidad de analizar y verificar las “curvas de las
características hidráulicas”, de las bombas de modo individual y acopladas en serie y paralelo. El trabajo de
investigación se realizó en el Laboratorio de Mecánica de Fluidos e Hidráulica del Departamento de Recursos de
Agua y Tierra de la Facultad de Ingeniería Agrícola de la UNALM. Como resultados obtenidos se tiene el banco de
prueba de bombas completamente implementado y las “curvas de las características hidráulicas” de de las bombas
evaluadas de modo individual y acopladas en serie y paralelo. Obteniendo principalmente las relaciones de caudal
(Q) Vs la altura dinámica total (HDT) como: a) Modo Individual; HDT = -9.372 Q2 + 4.5016 Q + 22.666; b)
Acoplado en Serie: HDT = -13.496Q2 + 1.9079 Q + 45.046; c) Acoplado en paralelo: HDT = -1.6723Q
2 - 0.0139 Q
+ 23.092, con buenos grados de correlación. Finalmente, se puede concluir que el banco implementado permitió
verificar satisfactoriamente las “curvas de las características hidráulicas” de las bombas operadas de modo
individual y acoplada en serie y paralelo, así también se recomienda que es conveniente conocer la presión y caudal
de operación adecuado de un sistema, para seleccionar el mejor modo de operación eficiente de las bombas.
Palabras clave: Banco de pruebas, Bombas centrifugas, curvas de las características hidráulicas, acoplamiento de
bombas.
Abstract
In our country, quality control of hydraulic pumps used for different purposes is very limited, owing to the lack of
the equipment for this type of testing in specialized institutions. This research work consists of the formulation of a
series of test data for centrifuge pumps of medium capacity, and also the testing of two 0.50 Hp centrifuge pumps
with an average volume of 1.2 to 4.8 m3/h and an average pressure variation of 22 to 16 m, with the objective of
analyzing and verifying the “hydraulic characteristic curves”, for pumps working individually and Hydraulic
Mechanics Laboratory of the Land and Water Resources Department of the Agricultural Engineering Faculty of the
UNALM. With the results obtained we have a complete series of test data and the “hydraulic characteristic curves”
for pumps tested individually and coupled in series and in parallel. In particular we obtained the relation of volume
(Q) vs. total dynamic height (TDH) as follows: a) Individual Mode: TDH = -9.372 Q2 + 4.5016 Q + 22.666; b)
Coupled in Series: TDH = -13.496Q2 + 1.9079 Q + 45.046; c) coupled in Parallel: TDH = -1.6723Q
2 - 0.0139 Q +
23.092, with a high degree of correlation. Finally, it can be concluded that the test data we found permits us to verify
satisfactorily the “hydraulic characteristic curves” of the pumps operated individually and coupled in series and in
parallel, and also recommend that it is beneficial to know the proper operating pressure and volume of a system to
select the most efficient operating mode of pumps.
Key words: Series of test data, centrifuge pumps, hydraulic characteristic curves, coupling of pumps.
1. Introducción
En nuestro país el control de calidad de las bombas
hidráulicas utilizadas para diferentes fines y en
especial en los sistemas de riego presurizado es muy
limitado y en el peor de los casos no se efectúa,
debido a la carencia de equipos para este tipo de
pruebas en las instituciones especializadas.
En tal sentido el presente trabajo de investigación,
realizado en el Laboratorio de Mecánica de Fluidos e
Hidráulica del Departamento de Recursos de Agua y
Tierra de la facultad de Ingeniería Agrícola de la
Universidad Nacional Agraria La Molina, permitió
implementar un banco de prueba de bombas
centrifugas de mediana capacidad que posteriormente
permita verificar las curvas características de las
bombas dado por el fabricante.
1 Facultad de Ingeniería Agrícola, Universidad Nacional Agraria La Molina. Lima, Perú. E-mail: [email protected]
El banco implementado permite estudiar el
comportamiento de las bombas montadas en forma
individual y dispuesta en serie y en paralelo.
Los objetivos de esta investigación fueron:
- Implementar un banco de prueba de bombas
centrífugas de mediana capacidad para determinar las
curvas características hidráulicas de las mismas.
- Determinar y verificar la curva de las
características hidráulicas de las bombas centrífugas
dispuesta de modo individual, acopladas en serie y
paralelo.
2. Revisión de literatura
Una bomba centrífuga es una maquina destinada a
hacer circular un liquido. Desde el punto de vista
físico, el funcionamiento de una bomba consiste en
que esta transforma la energía mecánica del eje de un
motor en energía hidráulica y se la transmite a una
corriente liquida que, a su, vez la convierte en una
cierta potencia. La reserva de energía recibida por el
José Arapa Quispe
255
líquido en el interior de la bomba permite que la
corriente entre en carga, para elevarla una cierta
altura o transportarla una cierta longitud.
La energía que el fluido adquiere en el interior de
la bomba está destinada a aumentar su energía
específica y en general se indica como una altura
adicional de energía creada por la bomba. En
consecuencia, se puede decir que este incremento de
altura, para dos puntos antes y después de la bomba
situada a la misma altura, tal como se muestra en la
Figura 1, queda representado de la siguiente manera:
g
VP
g
VPHP
22
2
11
1
2
22
2 (1)
g
VVPPHp
2
122
11
2
22 (2)
donde:
Hp Energía suministrada por la bomba (m).
P2, P1 presiones a la salida y a la entrada de la
bomba (New/m2).
V2, V1 Velocidades a la salida y a la entrada de la
bomba (m/s).
2, 1 Factor de corrección de energía cinética
(adimensional).
Peso específico del líquido bombeado
(New/m3).
g Aceleración de la gravedad (m/s2).
En general la energía o altura creada por una
bomba centrífuga esta compuesta por el incremento
de la energía piezométrica (altura estática) y el
incremento de la energía cinética (altura dinámica)
del líquido. Sin embargo en la ecuación (2), el
segundo término es mucho más pequeño que el
primero y para diámetros iguales a la entrada y salida
(d1 = d2, entonces, V1 = V2 y por lo tanto 2, = 1)
por lo que este término es nulo, con lo cual la
ecuación (2) queda como:
12 PPHp (4)
2.1 Potencia hidráulica Si se define Q como el caudal del líquido
transportado por una bomba, se puede establecer que
la potencia útil o bien la potencia suministrada por la
bomba es la energía suministrada por una unidad de
tiempo al líquido por esta bomba. El resultado de esta
potencia queda expresado de la siguiente manera:
PH HQP
donde:
PH Potencia hidráulica, potencia suministrada al
fluido (Vatios).
Peso específico del líquido (N/m3).
Q Caudal (m3/s).
HP Energía suministrada por la bomba (m).
2.2 Potencia mecánica Como toda máquina una bomba consume una
potencia superior a aquella que suministra. Desde el
punto de vista físico, la potencia consumida por la
bomba, potencia mecánica o potencia al freno es
suministrada a la bomba por un eje, esta potencia
queda expresada de la siguiente manera:
TPM
donde:
PM Potencia mecánica (vatios).
T Torque del eje que mueve el rodete, rotor o
impulsor de la bomba (N-m).
Velocidad angular (radianes/seg).
La relación entre la potencia suministrada al
líquido y la potencia consumida por la bomba, se
define como el rendimiento o la eficiencia de la
bomba:
M
H
P
P
donde:
Eficiencia de la bomba (adimensional).
PH Potencia hidráulica (vatios).
PM Potencia consumida por la bomba o potencia
mecánica (Vatios).
2.3 Potencia eléctrica Si la potencia mecánica del eje es suministrada por
un motor eléctrico, la potencia eléctrica queda
definida por la siguiente expresión:
IVPE
donde:
PE Potencia eléctrica (Vatios).
V Voltaje consumido (Voltios).
I Intensidad de la corriente (Amperios).
Entonces la relación entre la potencia suministrada
al eje o potencia mecánica, PM y la potencia
suministrada por el motor eléctrico, PE se define
como la eficiencia del motor eléctrico, e.
E
M
P
Pe
donde:
PM Potencia mecánica (Vatios).
PE Potencia eléctrica (Vatios).
Implementación de un banco de prueba de bombas centrífugas y verificación de sus curvas características
An cient. 68(4) 2007, pp. 254-260 256
Curva característica de B1 y B2
Curva característica de B1+ B2
Q
H1
2H1
Q
HDT
B1 B2
Curva característica de B1 y B2
Curva característica de B1+ B2
Q
H1
2H1
Q
HDT
B1 B2
Curva característica de B1 y B2
Curva característica de B1+ B2
Q
H1
2H1
Q
HDT
B1 B2
Figura 1. Esquema y curva característica para bombas instaladas en serie.
2.4 Acoplamiento de bombas
2.4.1 Bombas en serie Las bombas se acoplan en serie para aumentar la
altura dinámica total, en este acoplamiento, la curva
HDT – Q se obtiene sumado en vertical las curvas HDT
–Q de cada un de las bombas.
2.4.2 Bombas en paralelo
Las bombas se acoplan en paralelo para aumentar
el caudal. En este acoplamiento, la curva HDT – Q se
obtiene sumando en horizontal las curvas HDT – Q de
cada una de las bombas.
2Q
Curva característica de B1 + B2
Q
H
Q
HDT
B1
B2
Curva característica de B1 y B2
2Q
Curva característica de B1 + B2
Q
H
Q
HDT
B1
B2
B1
B2
Curva característica de B1 y B2
Figura 2. Esquema y curva característica para bombas instaladas en paralelo.
2.4.3 Rendimiento El rendimiento de las bombas acopladas en serie o
en paralelo viene dado por la siguiente expresión:
...
...
21
2211
PP
PP
donde:
1, 2 Rendimientos de las bombas.
P1, P2 Potencia de las bombas.
3. Materiales y métodos
3.1 Materiales Banco de prueba de bombas implementado.
Cronómetro.
Probeta graduada 2 000 ml.
Cámara digital.
Computadora personal.
Termómetro.
3.2 Equipo
3.2.1 Descripción del equipo El banco de prueba de bombas centrífugas, está
conformada por:
Estructura
Estructura metálica con ángulo fierro y tubo
cuadrado de 1 y ½ pulgada x 2.0 mm.
01 Tanque de fierro galvanizado inoxidable de 1.10
x 0.60 x 0.55 m, con una capacidad útil de 250 litros.
01 Tablero acrílico de 1.20 m x 0.95 m x 12 mm.
01 Mesa de acero inoxidable 1.20 m x 0.60 m x
1.0mm
Pernos, remaches y otros acoples de acero
inoxidable y fierro galvanizado.
Sistema hidráulico
03 Bombas centrífugas de 0.50 Hp, con caudal de
1.2 – 4.8 m3/h y variación de presiones de 22 – 16 m.
01 contador volumétrico totalizador de 0.1 galones
de precisión.
01 Vacuómetro de 100 centibar, con una precisión
de 2 centibar.
07 Manómetros de glicerina de 6 bar con una
precisión de 0.2 bar.
01 Válvula check de retención de 01 pulgada de
bronce.
José Arapa Quispe
257
01 Válvula compuerta de paso 01 pulgada de
bronce.
04 Válvulas esféricas de paso 01 pulgada de bronce
cromado.
02 Válvulas check canastilla de pie 01 pulgada de
bronce.
Tuberías de PVC de 01 pulgada de diámetro clase
10 –33 mm MATUSITA.
Accesorios de acople de 1, ½ y ¼ de pulgada de
PVC, bronce y otros.
Sistema eléctrico 01 llave térmica principal de 30 amperios de
seguridad con caja de PVC.
03 caja metálica de arranque con llaves contactor,
relay y pulsadores 6 Amp.
Instalación con cable vulcanizado # 14.
3.3 Métodos La metodología empleada para la realización del
trabajo de Investigación consistió en:
3.3.1 Ensamblaje y prueba del banco de
bombas Se efectuó en dos etapas: una primera etapa,
consistió en armar la estructura principal de soporte,
compuesta por el tanque de fierro galvanizado, la
mesa de acero inoxidable, el tablero acrílico y las
bombas centrifugas montadas convenientemente,
seguidamente. La segunda etapa: radicó en la
conexión del sistema hidráulico de la succión y
descarga de la bomba a través de tuberías de PVC
con los diferentes accesorios de regulación y prueba
que componen el banco de bombas, finalmente
realizando la prueba hidráulica del sistema, revisando
y eliminando posibles fugas y conexiones
defectuosas.
3.3.2 Puesta en marcha y operación del banco
de prueba Para el encendido de las bombas
Se debe llenar el tanque de agua a un nivel de 0.40
m y/o un borde libre de 10 cm antes de cualquier
operación.
Inicialmente se debe de abrir completamente todas
las válvulas con que dispone el banco de prueba.
Antes de encender la bomba B-1 se debe llenar de
agua la tubería de succión por el punto de llenado
(tapón de cebado).
Antes de encender la bomba B-2 o la bomba B-3,
se debe llenar de agua la succión respectiva por el
punto de llenado (tapón de cebado), o utilizando el
flujo generado por la bomba B-1 si esta se encuentra
operado inicialmente. Si la bomba B-1 se encuentra
operando abrir las válvulas V-4, V-5 y V-6.
Encendido la bomba B-1.
3.3.3 Ejecución de las pruebas para
determinar las curvas de las características
hidráulicas Para la prueba de la bomba B-1
Luego de haber cebado la bomba B-1 y haber
probado que esté operando satisfactoriamente.
Definir los puntos de operación, en base a la
presión de descarga del manómetro M-1, pudiendo
ser 1.0, 1.2, 1.4, 1.6, 1.8, 2.0, 2.2 bar con ello se
estará indirectamente regulando el caudal de
descarga, manipulando la válvula V-2.
Definir un punto de operación de la bomba B-1,
luego, se pasará a detener la misma y se anotara la
lectura inicial del contador volumétrico C-1 con una
precisión de 0.1 galón.
Encender la bomba B-1, al mismo instante iniciar
el registro del tiempo de trabajo de la bomba con un
cronómetro.
Verificar el valor de la presión que se había
definido en el manómetro M-1 antes de detener la
bomba.
Registrar los datos de presión y succión en el
manómetro M-1 y vacuómetro respectivamente.
Detener simultáneamente la bomba B-1 y el
cronometro, y registrar el tiempo transcurrido.
Se realizará la lectura final del contador
volumétrico C-1 con una precisión de 0.1 galón.
Repetir la prueba desde el paso “c” al “h” las veces
que sea necesario.
Para la prueba de las bombas B-1 y B-2 en
paralelo
Luego de haber cebado las bombas B-1 y B-2 y
haber probado que estén operando satisfactoriamente.
Deberán estar completamente abiertas las válvulas
V-2, V-3 y V-4, y completamente cerradas las
válvulas V-5 y V-6.
Encender las bombas B-1 y B-2 y regular las
válvulas de descarga V-2 y V-4 para definir un punto
de operación de las bombas en paralelo.
Luego de definir el punto de operación, se pasará a
detener las bombas y se anotara la lectura inicial del
contador volumétrico C-1 con una precisión de 0.1
galón.
Encender las bombas B-1 y B-2, al mismo instante
iniciar el registro del tiempo de trabajo de las bombas
con un cronómetro.
Verificar el valor de la presión que se había
definido en los manómetro M-1 y M-6 antes de
detener las bombas.
Registrar los datos de presión en los manómetro
M-1 y M-6 respectivamente, si estos valores no han
variado significativamente con los definidos.
Detener simultáneamente las bombas B-1, B-2 y el
cronometro, y registrar el tiempo transcurrido.
Se realizará la lectura final del contador
volumétrico C-1 con una precisión de 0.1 galón.
Repetir la prueba desde el paso “c” al “i” las veces
que sea necesario.
Para la prueba de las bombas B-1 y B-2 en serie
Luego de haber cebado las bombas B-1 y B-2 y
haber probado que estén operando satisfactoriamente.
Deberán estar completamente abiertas las válvulas
V-5 y V-6, y completamente cerradas las válvulas V-
2, V-3 y V-4.
Encender la bomba B-1 y luego la B-2, regular la
presión con la válvula V-6 y luego con V-5,
procurando mantener una presión en el manómetro
M-7 de 0.2 bar mayor que en el manómetro M-6.
Se debe regular las válvulas de descarga V-5 y V-6
para definir un punto de operación de las bombas B-1
y B-2 en paralelo.
Implementación de un banco de prueba de bombas centrífugas y verificación de sus curvas características
An cient. 68(4) 2007, pp. 254-260 258
Luego de definir el punto de operación, se pasará a
detener las bombas y se anotara la lectura inicial del
contador volumétrico C-1 con una precisión de 0.1
galón.
Encender las bombas B-1 y B-2, al mismo instante
iniciar el registro del tiempo de trabajo de las bombas
con un cronómetro.
Verificar el valor de la presión que se había
definido en los manómetro M-6 y M-7 antes de
detener las bombas.
4. Resultados y discusión
4.1 Resultados de la prueba de la bomba B1 o
B2
La Tabla 1, muestra los datos registrados de: a)
altura de succión, b) presión de descarga, c) volumen
de contador y d) tiempo de registro del volumen.
Siendo los resultados restantes los cálculos
efectuados de altura dinámica total, caudal, potencia
hidráulica y eficiencia respectivamente.
Tabla 1. Datos y resultados de la prueba de bomba B1 o B2.
Nº Presiones registrado Caudal registrado Potencia hidráulica y eficiencia
Succión (m)
H(m) Man. 01
HDT M1+V1
Vol. Litros
Tiempo (Seg)
Caudal (l/s)
PH Vatios
PH HP
Eficiencia (n)
1 3.3 8 11.3 157.66 120 1.314 145.64 0.20 39.06
2 3.2 10 13.2 150.66 120 1.255 162.58 0.22 43.60
3 3.0 12 15.0 144.98 120 1.208 177.78 0.24 47.68
4 2.8 14 16.8 138.55 120 1.155 190.28 0.26 51.03
5 2.5 16 18.5 115.34 120 0.961 174.44 0.23 46.79
6 2.0 18 20.0 93.50 120 0.779 152.87 0.21 41.00
7 1.7 20 21.7 68.14 120 0.568 120.87 0.16 32.42
8 1.4 22 23.4 18.4 120 0.153 35.19 0.05 9.44
La Figura 3, muestra la curva característica Caudal
vs. Potencia en bombas centrifugas, apreciándose que
a un determinado caudal la potencia hidráulica tiende
a reducirse, esto se debe a que en estos puntos de
operación descarga a bajas presiones. Curva 01: Caudal Vs Potencia Hidraulica en Bomba B1 ó B2
PH = -169.73 Q2 + 362.22 Q - 20.671
R2 = 0.9483
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4
Caudal (l/s)
PH
(W
att
s)
Figura 3. Caudal vs. potencia hidráulica en bomba
B1 o B2.
La Figura 4, representa la curva típica de Caudal vs.
Presión, es decir, una bomba o entrega mayor caudal o
entrega mayor presión, pero no los dos a la vez, ya que
el producto del caudal por la presión debe ser
similares en ambos caso siendo esto la potencia. Curva 02: Caudal Vs Altura Dinámica Total en Bomba B1 ó B2
HDT = -9.372 Q2 + 4.5016 Q + 22.666
R2 = 0.9652
0.0
2.5
5.0
7.5
10.0
12.5
15.0
17.5
20.0
22.5
25.0
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4
Caudal (l/s)
Alt
ura
Din
ám
ica T
ota
l H
DT
(m
)
Figura 4. Caudal vs. altura dinámica total en
bomba B1 o B2.
La Figura 5, se puede aprecia que valores mayores a
un cierto caudal el rendimiento tiende a disminuir, con
un comportamiento similar a la potencia hidráulica
suministrada al fluidos, lo que nos indicaría el punto
optimo de operación de la bomba.
Curva 03: Caudal Vs Rendimiento en Bomba B1 ó B2
n = -45.531 Q2 + 97.168 Q - 5.5451
R2 = 0.9483
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4
Caudal (l/s)
Ren
dim
ien
to n
(%
)
Figura 5. Caudal vs rendimiento en bomba B1 o
B2.
La Figura 6, indica que a mayor descarga mayor
será la presión de succión necesaria.
Curva 04: Caudal Vs Altura de Succión Poritiva Neta Disponible en Bomba B1 ó B2
HSPND = 1.1685 Q2 - 0.0533 Q + 1.3723
R2 = 0.9944
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4
Caudal (l/s)
Alt
ura
de
Su
cció
n P
osi
tiva
Net
a D
isp
on
ible
HS
PN
D (
m)
Figura 6. Caudal vs. Altura de succión positiva
neta disponible en bomba B1 o B2.
4.2 Resultados de la prueba de las bombas B1
y B2 en paralelo
La Tabla 2, muestra los resultados de la prueba de
las bombas en paralelo y la Curva 05 compara estos
resultados con bombas probadas individualmente.
José Arapa Quispe
259
Tabla 2. Datos y resultados de la prueba de las bombas B1 y B2 dispuestas en paralelo vs. bomba B1 o B2
individual.
N.
- Succión H(m) HDT Vol Tiempo Caudal PH PH Eficiencia
(m) Man. 01 M1+V1 Litros Seg (lt/s) Watts HP n
1 2.5 15.0 17.5 216.601 120.39 1.799 308.871 0.414 41.43
2 2.4 16.0 18.4 203.731 120.49 1.691 305.206 0.409 40.94
3 2.2 17.0 19.2 186.242 120.38 1.547 291.403 0.391 39.09
4 2.0 18.0 20.0 163.530 120.45 1.358 266.372 0.357 35.73
5 1.9 19.0 20.9 132.300 120.47 1.098 225.163 0.302 30.20
6 1.7 20.0 21.7 110.723 120.74 0.917 195.216 0.262 26.18
7 1.5 21.0 22.5 73.058 120.38 0.607 133.958 0.180 17.97
Curva 05: Caudal Vs Altura Dinámica Total de Bombas B-1 y B-2 Dispuestas en Paralelo
HDT = -9.3677Q2 + 4.4938Q + 22.669
R2 = 0.9651
HDT = -1.6723Q2 - 0.0139Q + 23.092
R2 = 0.9958
0.0
5.0
10.0
15.0
20.0
25.0
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
Caudal Q(/s)
Alt
ura
Din
ám
ica
To
tal H
DT
(m)
B1 o B2
B1+B2
Polinómica (B1 o B2)
Polinómica (B1+B2)
Figura 7. Caudal vs. altura dinámica total de bomba B1 y B2 dispuesta en paralelo.
4.3 Resultados de la prueba de las bombas B1 y B2 en serie La Tabla 3, muestra los resultados de la prueba de las bombas en serie y la Figura 8 compara estos resultados con
bombas probadas individualmente.
Tabla 3. Datos y resultados de la prueba de las bombas B1 y B2 dispuestas en serie vs. bomba B1 o B2
Individual.
Nº
Presiones registrado Caudal registrado Potencia hidráulica y eficiencia
Succión H(m) HDT Vol Tiempo Caudal PH PH Eficiencia (m) Man. 01 M1+V1 Litros seg (lt/s) Watts HP n
1 3.3 31.7 35.0 110.25 120.22 0.917 314.88 0.422 42.23
2 3.2 33.6 36.8 107.22 122.47 0.875 316.06 0.424 42.39
3 3.0 35.4 38.4 94.26 120.55 0.782 294.54 0.395 39.51 4 2.8 37.2 40.0 85.46 123.95 0.689 270.53 0.363 36.29
5 2.5 39.3 41.8 67.47 120.59 0.560 229.44 0.308 30.77
6 2.0 41.4 43.4 49.68 120.56 0.412 175.46 0.235 23.53 7 1.7 43.3 45.0 22.90 120.63 0.190 83.81 0.112 11.24
Curva 06: Caudal Vs Altura Dinámica Total de Bombas B-1 y B-2 Dispuestas en Serie
HDT = -9.3677Q2 + 4.4938Q + 22.669
R2 = 0.9651
HDT = -13.496Q2 + 1.9079Q + 45.046
R2 = 0.9944
0.0
5.0
10.0
15.0
20.0
25.0
30.0
35.0
40.0
45.0
50.0
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4
Caudal Q (l/s)
Alt
ura
Din
ám
ica
To
tal H
DT
(l/s
)
B1 ó B2
B1+B2
Polinómica (B1 ó B2)
Polinómica (B1+B2)
Figura 8. Caudal vs. altura dinámica total de
bombas B1 y B2 dispuestas en serie.
4.4 Resultados gráficos de la prueba de las
bombas B1 y B2 dispuestas en serie vs. en
paralelo
La Figura 9, indica que las bombas acopladas en
serie desarrollan una mayor altura dinámica que las
acopladas en paralelo, e inversamente las acopladas
en paralelo suministran mayor caudal que las
dispuestas en serie.
Curva 07: Caudal Vs Altura Dinámica Total Para Disposiciones en Serie y Paralelo de Bombas B1 y B2
HDT = -1.6723Q2 - 0.0139Q + 23.092
R2 = 0.9958
HDT = -13.496Q2 + 1.9079Q + 45.046
R2 = 0.9944
0.0
5.0
10.0
15.0
20.0
25.0
30.0
35.0
40.0
45.0
50.0
0.000 0.200 0.400 0.600 0.800 1.000 1.200 1.400 1.600 1.800 2.000
Caudal (l/s)
Altu
ra D
inám
ica T
ota
l (m
)
Serie B1 y B2
Paralelo B1 y B2
Polinómica (Paralelo B1 y B2)
Polinómica (Serie B1 y B2)
Implementación de un banco de prueba de bombas centrífugas y verificación de sus curvas características
An cient. 68(4) 2007, pp. 254-260 260
Figura 9. Caudal vs. altura dinámica total para
disposiciones en serie y paralelo de bombas B1 y
B2.
La Figura 10, muestra que las bombas acopladas en
paralelo proporcionan mayor caudal que las
acopladas en serie, a la misma potencia de trabajo.
Curva 08: Caudal Vs Potencia Hidráulica Para Disposiciones en Serie y Paralelo de Bombas B1 y B2
PH = -60.674Q2 + 296.38Q - 24.684
R2 = 0.9988
PH = -206.82Q2 + 555.46Q - 15.554
R2 = 0.9987
0.00
50.00
100.00
150.00
200.00
250.00
300.00
350.00
0.000 0.200 0.400 0.600 0.800 1.000 1.200 1.400 1.600 1.800 2.000
Caudal Q (l/s)
Po
ten
cia
Hid
rau
lica
(W
att
s)
Serie B1 y B2
Paralelo B1 y B2
Polinómica (Paralelo B1 y B2)
Polinómica (Serie B1 y B2)
Figura 10. Caudal vs. potencia hidráulica para disposición en serie y paralelo de bombas B1 y B2.
La Figura 11, muestra que las bombas acopladas en
paralelo proporcionan mayor caudal que las
acopladas en serie, a una misma eficiencia.
Curva 09: Caudal Vs Eficiencia Para Disposiciones en serie y paralelo de Bombas B1 y B2
n = -8.1381Q2 + 39.753Q - 3.3108
R2 = 0.9988
n = -27.74Q2 + 74.503Q - 2.0862
R2 = 0.9987
0.00
5.00
10.00
15.00
20.00
25.00
30.00
35.00
40.00
45.00
50.00
0.000 0.200 0.400 0.600 0.800 1.000 1.200 1.400 1.600 1.800 2.000
Caudal Q (l/s)
Efi
cie
nc
ia n
(%
) Paraleo B1 y B2
Serie B1 y B2
Polinómica (Paraleo B1 y B2)
Polinómica (Serie B1 y B2)
Figura 11. Caudal vs. eficiencia para disposiciones
en serie y paralelo de bombas B1 y B2.
La Figura 12, muestra que las bombas acopladas en
serie proporcionan mayor altura dinámica total que
las acopladas en serie, a una misma eficiencia.
Curva 10: Altura Dinámica Total Vs Eficiencia en Bombas B1 y B2 Dispuestas en Serie y Paraleo
n = -0.3871Q2 + 28.004Q - 464.08
R2 = 0.9943
n = -0.9491Q2 + 33.328Q - 251.09
R2 = 0.9965
0.00
5.00
10.00
15.00
20.00
25.00
30.00
35.00
40.00
45.00
0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0 45.0 50.0
Altura dinámica Total HDT (m)
Efic
ien
cia
n (
%)
Paralelo B1 y B2
Serie B1 y B2
Polinómica (Serie B1 y B2)
Polinómica (Paralelo B1 y B2)
Figura 12. Altura dinámica total vs. eficiencia en
bombas B1 y B2 dispuestas en serie y paralelo.
5. Conclusiones
El banco de prueba de bombas implementado,
permitió verificar satisfactoria las curvas de las
características hidráulicas de las bombas de manera
individual con las curvas proporcionadas por el
fabricante y así también verificar las curvas de las
bombas acopladas en serie y paralelo conforme a las
teorías de acoplamiento de bombas.
Las bombas acopladas en paralelo descargan a la
misma presión de operación y aumentan el caudal de
bombeo al doble comparadas con las bombas
probadas individualmente, mientras que las bombas
acopladas en serie descargan el mismo caudal de
bombeo de las bombas operadas de modo
individualmente, mas bien aumentan la altura
dinámica total de bombeo.
La operación individual de las bombas es para
presiones y caudales medios, mientras que las
acopladas en paralelo es para obtener mayores
caudales y presiones medias y finalmente las
acopladas en serie es para conseguir mayores
presiones y caudales medios trabajando en los tres
casos a similares condiciones y rendimientos.
6. Referencias bibliográficas
FERRERO JOSÉ H. 1981. “Tratado de Hidráulica”,
Editorial Alambra S.A. España, 515 Pag.
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Aplicaciones en Ingeniería” Ed. Mc Graw Hill.
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Serie de Compendios Schaum. Ed. Mc Graw Hill
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Experimental”, Escuela Colombiana de Ingeniería,
Editorial ECI, Colombia Mayo 2002. 337 Pag.
SALDARRIAGA V. Juan G. 1998. “Hidráulica de
Tuberías”, Editorial Mc Graw Hill Interamericana
S.A., Bogotá Colombia, 564 Pag.
An cient. UNALM 68(4), 2007 Recibido: 07/08/2007
ISSN 0255-0407 Aceptado: 09/11/2007
Incorporando la dimensión física del paisaje en el ordenamiento territorial
Víctor L. Peña Guillén. 1
Resumen
En el Perú la teoría indica que son tres las componentes del Ordenamiento Territorial: Zonificación Ecológica-
Económica, Plan de Ocupación del Territorio e Instrumentos de Política (MINREE, 1998). Desde los niveles más
amplios hasta los niveles mas detallados del planeamiento, existe poca influencia y mención explicita de los
conceptos de planeamiento del paisaje, tal como se puede apreciar en el Reglamento de Acondicionamiento
Territorial y Desarrollo Urbano del año 2003. En los planes y proyectos de desarrollo, la determinación de los
futuros usos del suelo esta, con demasiada frecuencia, claramente determinada por las variables económicas y
financieras. En la actualidad, el paradigma de desarrollo sustentable es mundialmente aceptado y provee una
estructura conceptual para la toma de decisiones relativa al uso del suelo (IUCN, 1992). Los principios del
desarrollo sustentable implican que en el desarrollo territorial las funciones ecológicas, sociales y económicas estén
equilibradas en el espacio y el tiempo, de este modo la naturaleza mantiene el potencial de proveer de bienes y
servicios a las futuras generaciones. En el marco del desarrollo sustentable, el manejo del territorio debería ser
efectuado bajo tres dimensiones: la dimensión física, definida por los patrones geográficos y los procesos
ecológicos; la dimensión social, definido por los parámetros de la percepción humana, el uso del suelo, y la salud
mental y física; y la dimensión económica definida por la capacidad del paisaje para producir un valor económico
(Botequilha y Ahern, 2002). Actualmente en el Perú existen serios problemas vinculados al uso del suelo, en
terrenos localizados en áreas de explotación minera e industrial y que se refieren sobretodo a los conflictos entre las
comunidades y los inversionistas, con el Estado como mediador. En estos casos el componente ambiental es un tema
recurrente, que requiere un mayor estudio para anticipar impactos sobre la naturaleza. Uno de los medios para
conservar los procesos naturales o aminorar su impacto es a través de estrategias de planeamiento del territorio,
basado en conocimientos ecológicos; a esto se le denomina ecología del paisaje, entendiendo al paisaje como el
ambiente físico, con determinado valor visual, donde se desarrollan los procesos ecológicos. El presente estudio se
enfoca en conseguir la manera precisa de incluir la variable paisajista en el planeamiento y uso del territorio, en un
contexto basado en el desarrollo portuario en Bayovar. El objetivo general del estudio es incorporar la variable
paisaje en una metodología de intervención en el manejo del territorio. Por su parte los objetivos específicos son
dos: primero, la evaluación de las metodologías vigentes en el planeamiento territorial; y segundo, analizar la
estructura espacial de la costa de Bayovar. A través de la metodología seguida en este estudio se pudo incluir el
paisaje en la estructura metodológica del ordenamiento territorial. A partir de lo analizado en el presente estudio, se
considera que al conservar la estructura física del ambiente natural de Bayovar, se conserva el paisaje en su acepción
más amplia (ecológica). Se sugiere incluir, en el ordenamiento del territorio en Bayovar una estrategia que se adecue
a la forma y a los elementos bióticos y abióticos del territorio de Bayovar; además el medio donde se aplica la
estrategia toma en cuenta el espacio y los cambios en el paisaje que se vislumbran en el futuro desarrollo de
Bayovar. Futuros estudios pueden estar orientados al la investigación de la ecología el lugar, al manejo del potencial
que posee Bayovar, debido a su importante localización como nodo de transporte, así como a los efectos de la
construcción de infraestructura en un terreno accidentado.
Palabras clave: Ordenamiento territorial, planeamiento del paisaje, Bayovar.
Abstract
In Peru the land planning process have three components: Ecologic-Economic Zoning, Land Occupation Plan and
Instruments of Policy (Peruvian Foreign Affairs Ministry, 1998). From the broad regional levels to detailed levels of
planning, small influence exists and there are not specific mentions about the concepts of landscape planning; it is
possible to observe this fact by reading the Regulation for Land and Urban Development of year 2003. In the plans
and projects for development, the setting of the future land uses are, with much frequency, determined clearly by the
economic and financial variables. At the present time, the paradigm of sustainable development is worldwide
accepted and provides a conceptual structure for the decision-making relative to the land use (IUCN, 1992). The
principles of sustainable development imply that in the territorial development the ecological, social and economic
functions are balanced in the space and the time. It means that the nature maintains the potential to provide goods
and services to the future generations. Within the framework of the sustainable development, the managing of the
territory would have to be carried out on three dimensions. The physical dimension, defined by the geographic
patterns and the ecological processes; the social dimension, defined by the parameters of the human perception, the
land use, and the mental and physical health; and the economic dimension defined by the capacity of the landscape
to produce an economic value (Botequilha and Ahern, 2002). At the moment in Peru serious problems related to
land use exist; these are located in areas of mining and industrial operation, and causes conflicts between the
communities and the investors, while the government is adopting the role of mediator. In these cases the
environmental component is a recurrent subject, which requires a further study to learn and anticipate impacts on the
nature, and gives information to stakeholders and decision makers. One of the ways to conserve the natural
1 Facultad de Ingeniería Agrícola, Universidad Nacional Agraria La Molina. Lima, Perú. E-mail: [email protected]
Incorporando la dimensión física del paisaje en el ordenamiento territorial
262
processes, or to lessen the impact of human activities, is through strategies of planning the territory, based on
ecological knowledge. It is called landscape ecology, understanding landscape as the physical scenario, with certain
visual value, where the ecological processes are developed. The frame for the study is given for the Peruvian
methodology for planning of the territory, the scale of the coastal region of Illescas peninsula and Bayovar, and the
port development. The general objective of the study is to incorporate the landscape issue in a Peruvian
methodology of planning the territory. The specific objectives are two: first, the evaluation of the effective
methodologies in the territorial planning; and second, to analyze the space structure of the coast of Bayovar. The
methodology proposed by Botequilha and Ahern (2002) was used in the present study, in order to make the analysis
and the preliminary proposal of zoning. Through the followed methodology, landscape can be included in the
methodological structure of the territorial planning. It is important to consider that when conserving the physical
structure of the natural atmosphere of Bayovar, conserves the landscape in its broad meaning (ecological). It is
suggested to include, to the planning in Bayovar, an that adapts to the shape and biotic and non biotic elements of
the territory in Bayovar; in addition the ways how the strategy is applied correspond to the space and the changes in
the landscape that are expected for the future in development of Bayovar. Further studies can be oriented to the
investigation of ecology of the place, the transportation issues related to Bayovar, as well as to the effects of the
construction of infrastructure in a rough land.
Key words: Regional planning, landscape planning, Bayovar.
1. Introducción
En el marco del desarrollo sustentable, el manejo
del territorio debería ser efectuado bajo tres
dimensiones. La dimensión física, definida por los
patrones geográficos y los procesos ecológicos; la
dimensión social, definido por los parámetros de la
percepción humana, el uso del suelo, y la salud
mental y física; y la dimension económica definida
por la capacidad del paisaje para producir un valor
económico (Botequilha y Ahern, 2002).
La zona de Bayovar recobra importancia a partir de
la privatización de los yacimientos de fosfatos de la
zona, y por ubicarse en el eje de transporte que unirá
el océano Pacífico con el Atlántico. El mes de abril
del 2005 fue entregada en concesión, por el gobierno
peruano a la empresa constructora brasileña Vale do
Río Doce, el yacimiento de fosfatos ubicado en
Bayovar. La extensión del yacimiento abarca un área
de 74,059 hectáreas, con una reserva comprobada de
816 millones de toneladas de roca fosfórica (materia
prima de los fosfatos).
En Bayovar existe un puerto de gran potencial
mercantil que posee dos ventajas: primero la cercanía
con los yacimientos de fosfatos; y segundo por ser
parte, junto con el puerto de Paita, del extremo
occidental del futuro eje multimodal de transporte
interoceánico; el extremo oriental de este eje es la
ciudad de Macapá en el Brasil, ubicado en la
desembocadura del río Amazonas, junto al Océano
Atlántico. El puerto de Bayovar se encarga
actualmente del embarque de petróleo proveniente de
la selva peruana; la capacidad de carga en el muelle
es de 100 000 barriles por hora. El transporte del
petróleo desde la selva hasta Bayovar se realiza a
través del Oleoducto Nor Peruano, que tiene una
longitud de 856 km en su tramo principal.
En el contexto de desarrollo del territorio de
Bayovar los conceptos de sostenibilidad se adecuan
perfectamente al proceso de planeamiento territorial,
por lo que puede esperarse que el desarrollo
económico vaya acompañado con la conservación de
la naturaleza. El presente estudio se enfoca en
conseguir la manera precisa de incluir la variable
paisajista en el planeamiento y uso del territorio, en
un contexto basado en el desarrollo del transporte
portuario en Bayovar.
El Objetivo General del estudio es incorporar la
variable paisaje en una metodología de intervención
en el manejo del territorio. Por su parte los Objetivos
Específicos son dos: primero, la evaluación de las
metodologías vigentes en el planeamiento territorial;
y segundo, analizar la estructura espacial de la costa
de Bayovar. La hipótesis del estudio considera que, a
través del planeamiento del paisaje, el uso del suelo
puede ser establecido de un modo funcional y a la vez
sustentable; asimismo se asume que debido a que la
actividad portuaria es la más destacada en Bayovar, y
la que le imprime su carácter, es necesario enfocar el
análisis a través de los conceptos de transporte.
2. Materiales y métodos
El esquema metodológico sigue el proceso
mostrado en la Figura 1.
Figura 1. Metodología de trabajo del presente
estudio.
2.1 Descripción de las metodologías del
ordenamiento territorial con enfoque en el
paisaje Es el Profesor Fabos uno de los primeros en
proponer un esquema conceptual para el Proceso de
Planeamiento Ambiental y Paisajístico (Fabos, 1979);
influenciado por los conceptos de la teoría de
sistemas, esta metodología se basa en un proceso de
Víctor L. Peña Guillén
An cient. 68(4) 2007, pp.261-270 263
tres etapas, que son: el estudio del territorio, la
evaluación y la implementación. En la descripción
del medio espacial se evalúan cuatro componentes:
recursos de valor especial, peligros, capacidad para el
desarrollo y estabilidad ecológica. Una característica
de la metodología es la capacidad de
retroalimentación mediante la cual los resultados de
cada fase tienen la capacidad de añadir nuevas ideas
y criterios a las fases precedentes.
Figura 2. Esquema conceptual para el proceso de
planeamiento del ambiente y del paisaje (Fabos,
1979).
Kuse y Takahashi (1992), proponen una
metodología que sigue una secuencia rígida de cuatro
fases sucesivas; a su vez al interior de cada una de las
fases se desarrolla una sub-secuencia de cuatro pasos
consecutivos: definición del problema, análisis
sistémico, planeamiento y diseño, y evaluación y
decisión.
Este método se estructura en un marco conceptual
de tres grandes etapas: la formación de la idea; el
planeamiento (desde el planteamiento de los
objetivos hasta la realización del proyecto); y la
operación del proyecto, enfocándose en el manejo y
mantenimiento. La metodología de Kuse y Takahashi
se circunscribe al desarrollo de la segunda etapa.
Las columnas de la Figura 3 muestran los cuatro
pasos consecutivos, para cada nivel o fase de
desarrollo del proyecto; observando los pasos se
puede establecer que el primero consiste en
determinar sobretodo los objetivos y los motivos que
inspiran el proyecto; en el segundo paso (segunda
columna), se busca justificar los objetivos (de cada
fase), comprender el estado actual del problema, y
bosquejar soluciones; el tercer paso es creativo e
incorpora un razonamiento intuitivo en base a
información previamente colectada y procesada; el
cuarto paso responde a la necesidad de elegir entre
alternativas estudiadas, a fin de continuar hacia la
siguiente fase o a la culminación del proyecto.
Figura 3. Proceso de planeamiento propuesto por
Kuse et al. (1992).
Un aporte adicional de la metodología de Kuse y
Takahashi es la definición de la estructura básica del
uso del área costera urbana. Esta estructura se aplica
en la primera fase del proceso referido a la formación
de la idea para el uso del espacio. Según este
concepto los elementos para el planeamiento del área
costera son los siguientes:
1. Uso del terreno de la franja costera.
2. Uso de la línea de playa y el espacio acuático
adyacente.
3. Planeamiento del transporte terrestre y marítimo.
4. Provisión de servicios básicos para las
actividades humanas.
5. Planeamiento ambiental y previsión de desastres
naturales.
6. Planeamiento del paisaje visual.
En Japón el paisaje (Keikan – 景観) es uno de los
elementos que conforman el medio ambiente
(Kankyou – 環境); otros elementos son la región
(Chiiki – 地域) que incorpora las dimensiones físicas,
económicas sociales, etc., y el espacio abiótico,
solamente como magnitud (Kukan – 区間). En este
sentido el paisaje tal como se entiende en Japón se
refiere solamente al panorama o paisaje visual; esta
interpretación difiere del concepto de paisaje que se
trata en este estudio, el cual incluye tantos
componentes de espacio así como elementos bióticos
y abióticos.
La tradición hispana de planeamiento del territorio
puede expresarse en lo planteado por Gómez Orea en
su libro “Ordenación Territorial”. El modelo de
planeamiento tiene como fin el uso racional de los
recursos y la conservación del medio ambiente. Para
ello, en un primer paso, se identifica y selecciona las
actividades a ordenar en función a las características
del espacio; en segundo lugar, distribuye las
actividades según criterios de integración ambiental y
funcionalidad; finalmente se regulan las actividades
(uso del suelo) según el criterio de sostenibilidad.
Incorporando la dimensión física del paisaje en el ordenamiento territorial
264
Figura 4. Sistema Territorial y subsistemas
(Gómez Orea).
En el Perú el ordenamiento territorial, es una
disciplina científica, política, interdisciplinaria,
global, técnica y administrativa, cuyo objetivo es el
desarrollo equilibrado de la región y la organización
física del territorio (Ticona, 2007). La metodología
de ordenamiento territorial tiene como sustentos la
Zonificación Ecológica y Económica (ZEE), el plan
de ocupación del territorio y los instrumentos de
política (Ministerio de Relaciones Exteriores -
MMRREE, 1998). La Zonificación Ecológica y
Económica “es el proceso de identificar unidades
relativamente homogéneas en el territorio, con
criterios físicos, biológicos y socio-económicos, y su
posterior evaluación para diversas opciones de uso
sostenible” (Del Castillo y Rodríguez, s/f). En el Perú
se han desarrollado criterios y normas de
zonificación, teniendo en cuenta variados fines. Por
ejemplo los planes directores de las áreas urbanas y
las categorías normadas en el Reglamento Nacional
de Construcciones, persiguen un fin destinado a
facilitar la función urbana. El Mapa de Capacidad de
Uso Mayor de la Tierra de la ONERN (hoy
INRENA), busca identificar zonas para el desarrollo
agrícola y forestal. El Mapa de Pobreza desarrollado
por FONCODES sirve para la evaluación de
proyectos de servicios básicos. “La ZEE como una
forma de planificación del uso de la tierra se
constituye en un instrumento técnico para la gestión
del desarrollo sostenible” (MMRREE, 1998). El
esquema general que describe la metodología seguida
en la ZEE se muestra en la Figura 6.
Con el objetivo de definir los lineamientos
específicos para la gestión del proceso de ZEE, la
Comisión Nacional del Medio Ambiente del Perú
(CONAM), propone la “Directiva sobre la
Metodología para la Zonificación Ecológica y
Económica” (CONAM, 2005). Uno de los alcances
de esta directiva es establecer tres escalas de
aproximación en la ZEE: macro zonificación, meso
zonificación y micro zonificación. La escala del
presente estudio, de acuerdo a los criterios de esta
Directiva es la micro zonificación. Según esta
Directiva, el análisis del territorio, en la escala de
micro zonificación, se aborda “con criterios
biofísicos, a nivel de atributos específicos del paisaje,
y criterios socio-económicos a nivel del área de
influencia de los centros poblados o comunidades”.
Figura 6. Proceso de la zonificación ecológica
económica.
De acuerdo con Botequilha y Ahern (2002) un
mayor conocimiento ecológico es esencial cuando se
planifica en función a la sostenibilidad; basados en
esa premisa esos autores desarrollan una metodología
que busca una estructura conceptual que aplique el
conocimiento ecológico al planeamiento del
territorio, y que además, sea aplicable a otras
actividades de planeamiento físico.
Tabla 1. Marcos conceptuales que precedieron al
planeamiento del paisaje orientado
ecológicamente (Botequilha y Ahern, 2002).
Estructura Conceptual Año de
aparición
Planeamiento del Paisaje 1963
Evaluación de Impacto Ambiental 1969
Ecología del Paisaje 1984
Manejo del Ecosistema 1988
Planeamiento Ecológico del Paisaje 1987
Planeamiento Rural basado en sistemas
medio ambientales
1999
Según Botequilha y Ahern (2002), cada uno de los
esquemas conceptuales mostrados en la Tabla 1,
coinciden entre si en la secuencia de planeamiento;
esta puede ser definida en cinco etapas:
1. Establecimiento de metas y objetivos.
2. Análisis.
3. Diagnóstico.
4. Pronóstico.
5. Implementación.
Al implementarse un proyecto en un territorio
cualquiera, los cambios en la estructura del paisaje
causan un cambio en las funciones ecológicas y
viceversa (Forman y Gordon, 1986). Para planificar y
Víctor L. Peña Guillén
An cient. 68(4) 2007, pp.261-270 265
manejar dicho cambio, los planificadores requieren
desarrollar un marco conceptual básico que les
permita comprender la estructura del paisaje y las
funciones ecológicas.
La metodología propuesta por Botequilha y Ahern
(2002), busca sobretodo instrumentalizar el uso de
conceptos ecológicos en la practica profesional del
planeamiento.
De esta manera propone el uso de variables
cualitativas y cuantitativas para caracterizar un
paisaje determinado. Estas variables se agrupan en
función a los dos componentes básicos de la
estructura del paisaje: la composición y la
configuración. La primera se refiere a variables no
espaciales y que denotan una cualidad, tales como:
proporción, dominancia, diversidad, etc. El segundo
componente se refiere a la geometría de una unidad
ecológica determinada, así como a su distribución
espacial, por lo que es cuantificable.
El futuro desarrollo de Bayovar está influenciado
por la construcción de la infraestructura portuaria y
los accesos viales.
La infraestructura de transporte que se refiere a la
carretera de acceso hacia la terminal de petróleo
causa actualmente fragmentación de los espacios
paisajísticos y ecológicos porque recorre
longitudinalmente paralelo a la costa dividiendo la
zona de playa de las quebradas y el macizo de
Illescas; ésta fragmentación se puede agravar al
incrementarse el trafico, lo cual causaría la pérdida
del hábitat original, la contracción del área costera
natural y el aislamiento de la playa respecto al amplio
territorio montañoso del macizo.
Según Rodrigue et al. (2006), la geografía del
transporte está relacionada con los movimientos que
ocurren sobre un espacio determinado. El relieve
terrestre afecta enormemente la estructura de las
redes de transporte y los costos.
Las condiciones naturales pueden ser adaptadas
para el uso de los medios de transporte, pero en
general los trazos siguen el recorrido más fácil. En el
caso de Bayovar la presente disposición de la
infraestructura y las futuras necesidades de esta
deben equilibrarse con el manejo del medio ambiente.
Una herramienta comúnmente utilizada en los
proyectos de infraestructura es el Estudio de Impacto
Ambiental; sin desmedro de esta herramienta que,
como menciona Fabos, se aplica cuando ya ha sido
elegida la zona del proyecto, deben investigarse otras
soluciones que permitan, como primer paso, la
elección de alternativas espaciales para la ubicación
de los proyectos de infraestructura de transporte.
El conocimiento de los conceptos de ecología es
esencial en el planeamiento del paisaje desde el punto
de vista de la sostenibilidad, y son complementarios a
la descripción física (Botequilha y Ahern, 2002). De
esta manera el proceso de planeamiento del paisaje
enriquecido con los conocimientos provenientes de la
ecología, va a incluirse en el ordenamiento territorio.
La incorporación del planeamiento del paisaje y su
componente ecológica es lo que se estudia en el
presente documento.
Figura 7. Esquema de incorporación de los
conceptos ecológicos y paisajísticos.
Según el Glosario anexo al documento del
MMRREE “Manual de Zonificación Ecológica –
Económica para la Amazonia Peruana”, el paisaje se
define como la “porción de espacio de la superficie
terrestre aprehendida visualmente.
En sentido más preciso la parte de la superficie
terrestre que en su imagen externa y en la acción
conjunta de los fenómenos que lo constituyen,
presenta caracteres homogéneos y una cierta unidad
especial básica”.
Este concepto concuerda de manera general con el
concepto propuesto en la disciplina de planeamiento
ecológico del paisaje, a pesar de no mencionar
explícitamente las variables ecológicas.
Por su lado, la Convención Europea del Paisaje
(CEP) define a este como: “una porción de territorio
que puede incluir aguas, tanto de costa como de tierra
adentro, tal y como la ha recibido su población,
siendo su aspecto el resultado de la interacción de
factores naturales y de factores humanos”.
En el manejo del paisaje “una estructura común
que aplica el conocimiento ecológico, en el
planeamiento del territorio, es aplicable a todas las
actividades físicas de planeamiento” (Botequilha y
Ahern, 2002). En estas tres definiciones y conceptos
(MMRREE, CEP, Botequilha y Ahern), referidas
tanto en su componente físico territorial como en su
componente causal (la interacción entre el hombre y
la naturaleza), se basa la discusión y el análisis
desarrollado en el presente estudio.
2.2 Descripción del área de estudio La zona de Bayovar se encuentra localizada en el
litoral norte de la península de Illescas, dentro de la
bahía de Sechura. La península de Illescas es un
macizo rocoso orográficamente muy accidentado que
se eleva desde el mar hasta una altura de 500 msnm.
Las estribaciones del macizo peninsular se acercan
hasta la orilla generando un litoral de acantilados y
una delgada y casi nula franja costera que va
desapareciendo conforme la península se adentra al
mar. El relieve accidentado y la presencia de
quebradas con pendiente pronunciada son la mayor
condicionante del uso del suelo en Bayovar y en la
península. Durante el Fenómeno El Niño la
precipitación aumenta enormemente, respecto a la
precipitación en años normales, llegando a caer 2 000
mm en una sola temporada. Debido a la falta de
cobertura vegetal, la presencia de lluvias intensas en
Incorporando la dimensión física del paisaje en el ordenamiento territorial
266
época del Niño, causa un gran movimiento de
materiales a través de los cauces de las quebradas.
Por tanto el mayor riesgo a la infraestructura asentada
en la franja costera, en la zona de Bayovar, son las
avalanchas de lodo y piedras a través de las múltiples
quebradas que bajan desde las cabeceras del macizo
de Illescas hacia el mar.
Figura 8. Perspectiva de la península de Illescas y
la bahía de Sechura (Google Earth).
El área de estudio corresponde al espacio de las
micro cuencas entre la primera quebrada que
desemboca en Punta Agujas hasta la quebrada La
Montera. Todas ellas desembocan en las playas de
Bayovar y su altitud varia desde el nivel del mar
hasta los 350 m en la divisoria de aguas, tal como
puede observarse en la Figura 9. La superficie total
del área de estudio es 6800.8 Ha.
El área de estudio ha sido definida arbitrariamente,
tomando en cuenta la ubicación del puerto, propuesta
por el Comité Ejecutivo del Complejo Bayovar,
además, de la actual ocupación humana que se
concentra en el tramo costero entre Punta Lagunas y
Punta Tric Trac.
Figura 9. Área de estudio.
El área natural de la Península de Illescas (donde se
encuentra Bayovar) ha sido catalogada por un estudio
del Centro de Datos para la Conservación de la
Universidad Nacional Agraria – La Molina (CDC-
UNALM); este estudio catalogo asimismo el cercano
estuario de Virrila.
La diversidad natural de la zona se debe a que en
ese lugar confluyen dos importantes corrientes
marinas: la Corriente del Niño y la Corriente Peruana
(CDC, 1992) y a la inexistencia de actividades
humanas en la casi totalidad del territorio de la
península de Illescas y el desierto de Sechura.
Tabla 2. Catalogación del área de estudio (CDC-
UNALM, 1992).
Variable Península
de Illescas
Estuario de
Virrila
Valor por diversidad Muy Alta Muy Alta
Grado de amenaza Alta Alta
Prioridad de conservación Muy Alta Muy Alta
Bayovar presenta dos condiciones naturales
favorables para su desarrollo futuro: su ubicación
geográfica en una latitud que es la prolongación
natural del eje ribereño amazónico y una profundidad
de las aguas que permite ampliar su actual oferta de
servicios ha variado rango de actividades portuarias,
incluyendo la carga y descarga de contenedores.
Cabe mencionar que la península de Illescas es el
área más occidental de Sudamérica. La latitud de
Bayovar es 5゜50’ S y la de Yurimaguas 5゜54’ S.
En el caso de Bayovar en un futuro es posible una
expansión de su espacio de influencia al interior del
continente, por tanto al expandirse la red de
transporte conectada a Bayovar, es probable que la
actual infraestructura portuaria se desarrolle a fin de
adecuarse a dichos cambios espaciales.
Figura 10. Vista de la terminal de embarque de
petróleo de Bayovar (SERPAC).
La profundidad natural en la zona del Terminal
petrolero esta entre 22 y 26 m. El desarrollo del
Puerto de Bayovar, basado en el transporte de
commodities, y en horizontes de corto, mediano y
largo plazos, requiere la construcción de
infraestructuras, basado en el planeamiento del uso
del suelo en el lugar. Las infraestructuras se deben
ajustar a dos conceptos primarios que rigen
actualmente el negocio portuario: transporte
multimodal y conservación ambiental.
2.3 Propuesta metodológica aplicada a
Bayovar Tomando como base los principios expuestos por
las metodologías estudiadas, la propuesta para
Bayovar deberá estar enmarcada en el paradigma de
sostenibilidad. La forma ecología es la base científica
Víctor L. Peña Guillén
An cient. 68(4) 2007, pp.261-270 267
para introducir los principios de sostenibilidad en el
planeamiento físico.
Por este motivo se ha seleccionado la metodología
propuesta por Botequilha y Ahern (2002) pues se
adecua al discurso ecológico y a las claves espaciales
de la zonificación.
Se entiende que Bayovar es un área eminentemente
natural, por lo que el desarrollo debe ser planeado
con el fin de que las futuras actividades humanas no
interfieran con los procesos ecológicos.
El diseño debe proveer espacios y corredores
donde la vida natural siga transcurriendo con una
mínima interferencia humana. Esta interferencia es
inevitable debido al gran potencial de la zona de
Bayovar, lo cual a su vez provocaría actividades de
transporte a gran escala, agravadas por la falta de
espacio útil en la angosta franja costera.
2.3.1 Análisis del paisaje El paisaje se va a caracterizar desde la dimensión
ambiental; para esto se utilizaran los conceptos
ecológicos de parche, corredor y matriz, propuestos
por Forman (1995).
El principal proceso no natural que se desarrolla en
la zona de estudio es el transporte, cuyo principal
exponente es la carretera de acceso a la terminal
petrolera de Bayovar.
Este elemento artificial de carácter lineal afecta las
funciones ecológicas y el paisaje; a su vez el paisaje
también es influenciado por la fisiografía del lugar
que se compone de una franja costera muy angosta
dentro de un escenario cuyo fondo son las
estribaciones del macizo de Illescas.
Para iniciar el análisis se define la matriz de la zona
como un desierto desecado con presencia de
vegetación de lomas en las quebradas y cerros del
macizo Illescas (Mapa Ecológico ONERN, 1976;
citado en CDC, 1992).
Asimismo de acuerdo al Mapa de Comunidades
Vegetales (ONERN, 1992; citado en CDC, 1992) en
la franja costera predomina el tipo de vegetación de
desierto (sobretodo arbustos), mientras que en las
estribaciones del macizo la vegetación de bosque
seco con presencia de algarrobo.
Figura 11. Uso del suelo actual en el sector de
Bayovar.
Para complementar esta primera descripción, se
utilizaran los parámetros de identificación cualitativa
y cuantitativa propuestos por Botequilha y Ahern
(2002). De forma cualitativa la composición del
paisaje esta definido por el macizo de Illescas que
domina el paisaje; esta preponderancia se ve resaltada
dramáticamente por el contraste entre la superficie
rugosa y vertical de las estribaciones y la superficie
plana del mar. La dominancia de las formas rocosas
le confiere al lugar una riqueza visual y ecológica;
visual por la presencia permanente del volumen
montañoso, y ecológica porque en sus recovecos, se
preserva la vida salvaje, tanto a nivel del mar como
en las laderas y quebradas. En cuanto a la diversidad,
este estudio se enfoca en la diversidad fisiográfica
(que imprime una huella importante en el paisaje)
como parte y condicionante de la diversidad de la
naturaleza. Como ya lo estableció el estudio del
CDC-UNALM (1992), en la zona existe una gran
diversidad de vida natural.
A contra peso de aquello, la fisiografía de la zona
es monótona a escala macro de territorio ya que, en la
homogeneidad del desierto, la zona de estudio se
puede clasificar en función al relieve; en este sentido,
a nivel macro existen solo dos tipos de relieve: llano
(pendiente menor de 5%) y abrupto (pendiente mayor
a 5%).
Al observar el macizo en una escala de mayor
detalle la diversidad de los espacios aumenta
sobretodo en la micro topografía, la cual permite la
existencia de refugios para los animales. Según
Forman (1995), la matriz es el tipo de uso del suelo o
cubierta vegetal que cubre como mínimo el 50% del
paisaje total. La zona de estudio tiene un área de
6800.8 Ha., de esta el 99.1% corresponde al desierto
y áreas naturales. Este concepto confirma la matriz
natural del territorio desértico de Bayovar. Cabe
mencionar que esta descripción sirve como el
escenario base o línea base paisajística, con la cual
comparar luego, las propuestas de planeamiento del
paisaje.
Se prevé que con el desarrollo de las actividades de
transporte terrestre y las actividades portuarias se
produzca un cambio en el paisaje. Por tanto para
mantener las funciones ecológicas, se deberá
planificar convenientemente el espacio.
“Los planes y acciones son definidos con el fin de
prever futuros impactos negativos en el territorio, y
para asegurar su funcionamiento sustentable”
(Botequilha y Ahern, 2002). En principio se
identifican tres espacios de actividad humana: el
puerto, el centro poblado y la Ruta 116. El primer
elemento que actúa como corredor son las quebradas
que estructuran el recorrido lineal de recursos
bióticos (animales terrestres y aves) y recursos
abióticos (flujo de agua y lodo) las quebradas,
además, de estructurar el flujos de los dos recursos
mencionados, albergan vegetación sostenida por las
nieblas y protegida de la brisa marina. En la
actualidad la carretera (Ruta 116), que corre a lo
largo de la costa, es una barrera al movimiento de los
animales terrestres y, también, interfiere con el ciclo
Incorporando la dimensión física del paisaje en el ordenamiento territorial
268
hidrológico de las quebradas, sobretodo por el
incremento de la precipitación durante el Fenómeno
del Niño.
El segundo elemento que funciona como corredor
natural es la línea de playa en las playas y en los
acantilados. En estos lugares se observa gran
presencia de aves. Según el estudio del CDC-
UNALM (1992), el 50% de las especies de aves en
las playas de la peninsula de Illescas están en
situación de riesgo; de estas la mas destacada es el
pingüino de Humboldt (Spheniscus humboldti).
2.3.2 Selección de las estrategias del plan El Comité Ejecutivo del Complejo de Bayovar
estableció, en un informe del año 1975, que la zona
portuaria se ubicara en el sector comprendido entre
Punta Bappo y Punta Tric-trac, debido a las
“condiciones excepcionales que posee” (fondo
marino, mareas y vientos).
Figura 12. Espacio costero en Bayovar y elementos
artificiales del paisaje.
Los espacios prioritarios a proteger son: quebradas
y línea costera; en todo caso hay que evitar la
conexión del puerto y el centro poblado, porque esto
causaría dispersión en el área natural y perdida de
línea costera. Por lo tanto el área de punta Lagunas
deberá conservarse en estado natural. La Figura 13,
muestra la propuesta física de las estrategias de
planeamiento para Bayovar, en esta se considera
inevitable la localización de la ruta 116, así como del
Puerto (incluyendo el patio de tanques de
almacenamiento de petróleo) y del Centro poblado.
Por tal motivo a partir de estas condicionantes, se
establece dos áreas mayores de desarrollo compacto
rodeados por un anillo de amortiguamiento o buffer
que permitirá una interfase segura con la matriz
natural predominante en la península. Estas áreas
compactas están unidas por la carretera, la cual a su
vez considera un buffer lineal a manera de corredor
que permita la conexión de las los futuros sectores
naturales fragmentados de la línea costera con la
matriz interior. Finalmente a fin de mantener
sobretodo el ciclo hidrológico normal de las
quebradas y también facilitar la conexión entre la
línea costera con el macizo, se propone desarrollar o
restaurar áreas naturales en los cauces de las
quebradas, dentro del área desarrollada, en sus tramos
cercanos a la desembocadura en el mar.
Figura 13. Estrategia de planeamiento del paisaje
en Bayovar.
Las estrategias necesarias para planificar el uso del
suelo son:
1. Asumir en el diseño la existencia de tres
condicionantes: primero la necesidad de disponer
espacio en el tramo costero entre punta Bappo y
punta Tric trac (zona de máxima profundidad de
aguas) a fin de albergar las futuras facilidades
portuarias, que incluirían rellenos en el mar; segundo
la presencia permanente del corredor vial (Ruta 116)
a lo largo de la costa; y tercero la existencia del
centro poblado de Bayovar.
2. Mantener en estado natural la mayor longitud de
línea de playa posible, tomando medidas para
minimizar esta perdida (bolsones naturales dentro del
área portuaria, que estén conectados con el macizo
que rodea al área de actividades humanas).
3. Establecer las quebradas como elementos de
valor natural y paisajístico, y de este modo definir
corredores naturales a lo largo de ellas desde las
estribaciones del macizo hasta su desembocadura en
el mar. En este sentido se ha identificado la quebrada
La Montera como la de mayor importancia por tener
la mayor área de escurrimiento en la zona de estudio.
4. Desarrollar el espacio de actividad humana a
partir de las dos áreas de desarrollo humano
existentes: la terminal petrolera y el pueblo de
Bayovar. La finalidad es aislar estos dos bolsones de
actividad humana y restringir su crecimiento; la única
conexión sería a través del corredor vial.
5. Debido a que las áreas de almacenamiento y sus
correspondientes terminales de transporte terrestre
ocupan gran cantidad de área en un Puerto (Rodrigue,
2006), se propone establecer un centro logístico fuera
del area de estudio. La ubicación preliminar que
requiere de estudios no contemplados en esta
investigación, podría ser el cruce de las rutas 116 y
135. En todo caso el estudio de la aptitud de la zona
para esas actividades esta fuera del alcance del
presente estudio.
Víctor L. Peña Guillén
An cient. 68(4) 2007, pp.261-270 269
6. Restaurar y conectar áreas naturales al interior
de espacios de actividad humana. Por ejemplo los
cauces y bancos de las quebradas que atraviesan el
centro poblado y que se encuentran invadidos por
viviendas o equipamiento urbano (ver Figura 14).
Figura 14. Restauración de cauces e interconexión
con el medio natural en el CCPP Bayovar.
2.4 Propuesta e indicadores para el monitoreo
del paisaje y el plan Debido a que la información va cambiando desde
el momento de toma de decisiones, se requiere un
seguimiento de las variables bióticas, abióticas y
socio-económicas en el territorio intervenido.
Normalmente, estas variables son identificadas al
realizarse el estudio de impacto ambiental del
proyecto de desarrollo.
La propuesta de incorporación del paisaje en el
plan físico, descrita en este estudio, requiere del
manejo de ecosistemas lo cual significa primeramente
conseguir información espacial de las especies, y su
función ecológica, con el fin de definir la mejor
condición espacial para aquellas. De este modo se
podrán verificar los objetivos ecológicos respecto a la
forma y dimensión de los espacios asignados en el
planeamiento.
3. Discusión de la metodología aplicada
La metodología propuesta se ubica dentro del
esquema de la Zonificación Ecológica Económica
(ZEE) en la escala de micro zonificación. A ese nivel
la ZEE se puede enriquecer a nivel de micro
zonificación incluyendo en el análisis conceptos
ecológicos puntuales tales como el parche (o
mancha), el corredor y la matriz. Esta inclusión es
sencilla porque ambos, la ZEE y el planeamiento
ecológico del paisaje, tienen su base en el paradigma
de sostenibilidad y manejan los mismos principios de
sostenibilidad. De este modo ambos procedimientos
son fácilmente combinables y complementarios.
Según el CDC-UNALM la zona de Bayovar es
considerada de un valor natural importante; la
ONERN clasifico el área como tierras de protección,
es decir sin aptitud para actividades agrícolas ni
forestales. En este sentido es muy probable que un
estudio de ZEE a nivel macro pudiera determinar que
la zona de estudio es eminentemente natural. El
presente documento pretende mejorar el análisis,
proveyendo nuevos criterios e instrumentos para la
Zonificación Ecológica Económica del territorio en la
costa, a nivel de micro zonificación.
La metodología seguida para realizar el estudio del
paisaje en Bayovar, se ha basado en los pasos y
criterios planteados en el estudio de Botequilha y
Ahern (2002). De este modo se han identificado los
espacios más significativos, donde se desarrollan los
procesos ecológicos; estos espacios son: la matriz de
desierto y los corredores de quebrada y línea costera.
Además se ha identificado parches por restaurar al
interior del centro poblado de Bayovar; estos
corresponden a los cauces de las quebradas,
invadidos por viviendas, y que tienen la posibilidad
de ser regenerados e interconectados con el gran area
natural del macizo y también con la línea costera.
La metodología aplicada en este estudio tiene como
fin definir espacios adecuados para la persistencia de
procesos ecológicos que permitan la subsistencia del
paisaje y la sostenibilidad de las actividades en el
territorio. La Zonificación Ecológica Económica
(ZEE), implementada en el Perú, define también
espacios en función a sus capacidades y potencial
para el desarrollo de actividades humanas. De esta
manera al usar conceptos de zonificación, el común
denominador de ambas metodologías es definir
espacios para determinados usos. Por lo tanto, a
través de ese aspecto en común, es fácil la
incorporación de los conceptos de paisaje que
también utilizan el mismo lenguaje zonificador. La
ZEE tiene tres escalas, en el presente estudio se ha
trabajado a una escala que permite la incorporación
de los conceptos en el nivel de micro zonificación,
porque permite la implementación de proyectos en
áreas específicas. Un análisis a nivel de macro
zonificación o meso zonificación saldría de la escala
del territorio costero de Bayovar. Adicionalmente el
estudio de criterios ecológicos planteado en el
presente estudio coincide con el criterio biofísico
establecido por el CONAM.
Figura 15. Incorporación del paisaje en la ZEE.
La Ruta 116, el Puerto y el centro poblado de
Bayovar, generan una estructura de paisaje inevitable
debido a la presencia de la infraestructura
mayormente lineal a lo largo de la angosta faja
costera de Bayovar. Por este motivo se requiere de
una estrategia adecuada para evitar la fragmentación
en el paisaje y en los procesos ecológicos. Una
posibilidad es adoptar la estrategia protectiva
formulada por Ahern (1995) para corredores
Incorporando la dimensión física del paisaje en el ordenamiento territorial
270
ecológicos. El porcentaje superficie natural en el área
de estudio (macizo y franja costera) es 99.1%; y el
porcentaje de la franja natural costera (línea de playa
y acantilados) es de 86%; el resto es territorio
ocupado por actividades humanas. Este corredor
costero es el paisaje vulnerable pues el desarrollo
portuario y poblacional va a desarrollarse
principalmente en esa franja. Ahern (1995), establece
una estrategia protectiva en la que el corredor es
protegido por los cambios que puedan surgir a su
alrededor. Estos cambios significan para el caso de
Bayovar, el incremento del tráfico y uso del suelo a
lo largo de la Ruta 116, la construcción de
instalaciones portuarias entre Punta Bappo y Punta
Tric Trac y el crecimiento del uso urbano en el centro
poblado de Bayovar. La estrategia considera
conceptos de planeamiento, regulación del uso y
ocupación del suelo y la adquisición de terrenos.
4. Conclusiones
El proyecto de comunicación interoceánico desde
la costa norte peruana hacia Brasil a través de la
cuenca del río Amazonas y la explotación del
yacimiento de fosfatos van a generar un incremento
significativo de las actividades portuarias en la franja
costera de Bayovar. Por tal motivo y por las
condiciones de localización del puerto, Bayovar se
convertirá en un enclave importante en el futuro. Para
que el desarrollo de la zona sea sostenible se tiene
que considerar el estudio espacial del territorio a
partir de conocimientos ecológicos. La metodología
propuesta por Botequilha y Ahern (2002) fue
utilizada en el presente estudio para realizar el
análisis y la propuesta preliminar de zonificacion. A
través de la metodología seguida en este estudio se
pudo incluir el paisaje en la estructura metodológica
del ordenamiento territorial. El estudio del paisaje en
Bayovar se realizo siguiendo principios espaciales de
zonificación ecológica (matriz, corredor y mancha)
que coinciden con el enfoque biofísico de la ZEE al
nivel de micro zonificación (CONAM, 2005); esta
coincidencia facilitó la inclusión.
A partir de lo analizado en el presente estudio, se
considera que al conservar la estructura física del
ambiente natural de Bayovar, se conserva el paisaje
en su acepción más amplia (ecológica). De este modo
al permitir un funcionamiento normal de los procesos
ecológicos, en el medio paisajístico, se mantiene la
vida, lo cual a su vez sustenta la permanencia de
actividades humanas en la zona. En los últimos 40
años el proceso de planeamiento del territorio ha
venido incorporando variables ecológicas, que
conducen a un mejor manejo del territorio en
términos de sostenibilidad. Una de las herramientas
operacionales de este proceso es la zonificación.
Muchas de las decisiones de zonificación afectan el
patrón espacial de los ecosistemas y el uso por parte
del hombre (Termorshuizen et al. 2006). El
planeamiento sustentable del paisaje enfoca el
planeamiento físico desde una perspectiva amplia;
por tanto el conocimiento ecológico es importante
cuando se planifica en función de la sostenibilidad
(Botequilha y Ahern, 2002). Cabe mencionar, en el
presente estudio, que los principios señalados se han
discutido sobretodo en su dimensión espacial.
Se sugiere incluir, en el ordenamiento del territorio
en Bayovar, la estrategia protectiva de Ahern. En
principio esta estrategia se adecua a la forma y
elementos bióticos y abióticos del territorio; además
el medio donde se aplica la estrategia corresponde al
espacio y a los cambios en el paisaje que se
vislumbran en el futuro desarrollo de Bayovar.
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