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Manejo del Caudal de Agua
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10 MANEJO DELCAUDAL DE AGUA
10.1 La Obra de Toma10.2 Canales10.3 Cmaras de Carga10.5
Reservorios
10.1 La Obra de TomaLa obra de toma de un sistema pico hidro
puedeser una obra bin sencilla y de bajo costo. Sefavorecen tomas
no-permanentes sobre lasrepresas formales, debido a sus bajos
costos ymayor flexibilidad. El efecto de inundacionessiempre tiene
que tomarse en cuenta cuando sedisee la obra de toma.
Obra de toma hecha de tubera paracaudales relativamente
grandesMuchas veces es suficiente colocar piedras grandespara
desviar parte del caudal de un ro hacia uncanal sencillo o una
seccin enterrada de tubera, acomo se demuestra en la Figura 10.1.
Con estediseo tan sencillo y barato, el dao causado porinundaciones
y tormentas puede ser reparado conmateriales disponibles en la
vecindad. Se deberconstruir con cuidado para evitar daos
frecuentesy muchas reparaciones. A veces se requiere unatubera
bastante larga para asegurar el desniveladecuado entre la boca de
entrada y la salida haciael canal. Es ms facil trabajar con tubera
flexibleque con tubera rgida, y se deber anclar el tubo enel ro
utilizando piedras grandes. La boca del tubodeber ser elevada un
poco por encima del lecho delro, para evitar la entrada de
sedimentos y basuraque podran obstruir el flujo del agua.
Figura 10-1 La toma ms sencilla consiste en un tramo detubera
anclada en el ro
Represa para sitios con caudales pequeosSe puede construir una
pequea presa deconcreto para asegurar la captacin de toda elagua
disponible en la temporada seca. Esta puedeser la solucin ms
prctica en ciertos sitios. Latubera flexible queda empotrada en el
concretode la presa. Los cimientos y estribos laterales dela presa
debern estar bin construidos sobreroca firme, para evitar
filtraciones de agua quepodran, con el tiempo, erosionar y socavar
laestructura de la presa.
Figura 10-1 Una obra de toma que incluye una pequeapresa de
concreto, es til cuando hay caudales muypequeos durante la
temporada seca
Construccin de Pequeas Presas de ConcretoLa forma recomendada y
proporciones depequeas presas de concreto o mampostera sonlas que
se demuestran en la Figura 10-3.Frecuentamente se pueden utilizar
piedrasgrandes pegadas con mezcla de cemento. Laresistencia mecnica
de la estructura se mejorasustancialmente cuando se utilice un
gabin. Elgabin es una jaula de malla de alambre queamarra y unifica
la estructura. Esparticularmente til donde ocurran
corrientesfuertes. La malla que se utiliza es usualmente dealambre
de 2 o 3mm de dimetro, con aperturasde 50mm o hasta 100mm.
Figura 10-3 Las proporciones recomendadas para unapequea represa
/ vertedero.
Figura 10-4 Se puede utilizar una represa/vertedero deconcreto
para formar un pequeo reservorio (Nepal).
Filtro demallaTubo de
Limpieza
Pequearepresa deconcreto
0.7 x h
h(m)
0.4 x hrock concrete
flushingpipe
intake pipeTubo delimpieza
Tubera dealimentacin
concretopiedra
Nivel del agua
Tubera deentrada Lecho del ro
0.5m
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Filtros
Figura 10-5 Diseos de Filtro para a) obra de toma y b)tubera
forzada
Se requieren de filtros para evitar que las tuberasutilizadas en
las centrales pico hidro se obstruyancon sedimentos, madera y
hojas. Las dos situacionesen las cuales se requerir de un filtro
son:1. en la toma que tiene un tubo que conduce el agua
hacia un canal, cmara de presin o reservorio acomo se ilustra
arriba.
2. en la entrada a la tubera forzada (ver Section11).
Para el caso primero, el tamao de los agujeros delfiltro no
importa. La nica consideracin es comoprevenir que se obstruya el
tubo. Se puede hacer unfiltro de malla metlica enrollada en forma
tubular.Se puede sujetar el tubo de malla a la tubera PVCpor
ejemplo con una brida para manguera. En elsegundo caso, cuando el
filtro est uticado en laboca de la tubera forzada, es importante
que losagujeros sean ms pequeos que la apertura de latobera de la
turbina. Como regla, el dimetro de losagujeros del filtro deberan
ser aproximadamente lamitad del dimetro de la tobera de la turbina,
paraasegurar que objetos que entren a la tuberaforzada no causarn
bloqueos de la tobera. (En casode una obstruccin de la tobera, hay
peligro que latubera forzada explote por la repentina subida
depresin.) Un filtro con hoyos pequeos puedehacerse de un tramo de
tubo plstico o metlico,tapado a un extremo. Se perforan una
grancantidad de agujeros con una broca del dimetroadecuado. Es
importante que el rea total de losagujeros sea mayor que el rea
seccional del tubo,para asegurar la entrada al tubo de un
caudalsuficiente de agua. El tubo perforado se conecta ala tubera
forzada mediante una unin roscada o unabrida que garantiza un sello
hermtico.
10.2 Canales
Figura 10-6 Un canal instalado sobre terreno difcilabastece a
una pequea planta hidroelctrica (Peru)
Un canal puede ser una manera barata deconducir el agua desde la
fuente hacia un sitioms favorable para la toma de la tubera
forzada.Para algunas plantas pico hidro, el canal puedemejorar la
viabilidad econmica del proyectoporque disminuye la longitud de la
tuberaforzada y de los cables elctricos requeridos. Enotros casos
el canal es una obra cara que puedeimplicar futuros gastos en
mantenimiento debidoa fugas de agua, erosin del suelo,
ydeslizamientos del terreno.
El uso de un canal y la seleccin de la ruta para uncanal, son
decisiones que debern deconsiderarse con cuidado. Los factores
deimportancia son: Experiencia local con la construccin y
manejo
de sistemas de transporte de agua parecidas,por ejemplo con
canales para irrigacin.
Disponibilidad de mano de obra barata o grtispara la excovacin y
posterior mantenimientodel canal.
Tipos de suelo, requerimientos derevestimiento, y el costo de
transporte demateriales como el cemento.
Costos de otras alternativas como por ejemplouna tubera forzada
ms larga / cable dedistribucin elctrica ms larga, comparadoscon el
costo del canal. El uso de tubera debaja presin para conducir el
agua hasta latoma de la tubera forzada puede ser unaalternativa ms
barata.
Podr el canal servir un doble propsito,serviendo para riego
durante la temporadaseca adems de su funcin en suplir agua a
laturbina ?
Hay canales ya existentes (o abandonados),que podran ser
aprovechados?
Revestir el canal con concreto o mamposteraaumentar su
confiabilidad. Pero tambinaumentar considerablemente los costos.
Enmuchas reas alejadas, el revestimiento no serprctico debido a la
dificultad de transportar losmateriales. El revestimiento de un
canal tambinaumenta su eficiencia hidrulica porque el agua
Rollo de mallabrida
Agujeros perforados en eltubo (mitad del dimetro deltubo)
a) a la cmara de carga
b) a la turbina
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puede fluir a velocidades ms altas sin erosionarlos bordes, por
ende se pueden reducir el anchoy el alto de un canal que tenga
revestimiento (verTabla 10-1).
10.3 Diseo de CanalesEl caudal del agua fluyendo por un canal
depende de: La velocidad del agua El rea seccional del aguaLa
ecuacin del caudal es
vAQ =donde:Q = caudal (m3/s)(multiplicar por 1000 para caudal en
litros por segundo)v = velocidad (m/s)A = Area seccional del agua
(m2)
1. La velocidad del agua fluyendo en el canal (v)depende del
declive del canal y de la rugosidaddel material de revestimiento.La
velocidad tiene un lmite superior, para cadatipo de material de
revestimiento. A velocidadesmayores de este lmite, los lados del
canalerosionaran rapidamente.Material del canal Velocidad mxima
permisible para evitar laerosin, en canales depoca
profundidad
Suelo arenoso 0.4 m/sSuelo arcilloso 0.6 m/sConcreto /
mampostera 1.5 m/s
Tabla 10-1 Lmites de velocidad para canales
vadosos(profundidades menores de 0.3m)
De la Tabla 10-1 se aprecia que un buenrevestimiento aumenta
considerablemente lavelocidad mxima permisible del agua. Cuando
elagua contiene sedimentos, tambin hay un lmiteinferior a la
velocidad, siendo de 0.3 m/s. Serespeta este lmite inferior para
prevenir que lossedimentos se depositen a lo largo del
canal,causando obstrucciones. En caso que el agua estsiempre libre
de sedimentos, este lmite inferiorno tiene importancia. Una
velocidad baja significaun diseo con poco declive. Las dimensiones
decanales dadas en la Tabla 10-2 han sidocalculadas utilizando una
velocidad de diseo de0.3 m/s. Eso permite tener prdidas de
desnivelreducidas, y maximiza el desnivel disponible parala tubera
forzada.
En los siguientes ejemplos de clculos dedimensiones de canales,
se supone una rugosidadde 0.07, la cual es apropiada para un canal
depoca profundidad con algo de vegetacin. Lasraices de la vegetacin
que crece a lo largo delcanal causan cierta friccin, pero son
tilesporque ayudan a sostener los lados del canal.
2. Diseo del rea seccional del canal (A)
Naturalmente, el rea seccional del canal debeser mayor que el
rea seccional del aguanecesaria para proporcior el caudal
requerido. Laaltura adicional del canal (a la que se le refierecomo
borde franco) es usualmente deaproximadamente el 30%. Esto reduce
el riesgode dao a las paredes del canal si se desbordara.Los lados
de un canal de tierra debern de serrecostados hacia afuera. Eso
reduce el riesgo decolapso de las paredes por erosin. Es
posibleconstruir un canal con paredes verticales, si elcanal est
reforzado con revestimiento deconcreto o mampostera. En este caso
el anchoinferior y superior del canal seran lo mismo. Sinembargo
los revestimientos son caros, y rarasveces son rentables para
proyectos pico hidro.
Para simplificar el proceso de diseo de canales, lasdimensiones
apropiadas para el rea seccionalcorrespondientes a diversos
caudales, estn dadas enla siguiente tabla. Las prdidas de carga son
lasprdidas por cada 100 metros de longitud del canal. Sila longitud
requerida del canal es de 200m, entonces semultiplicaran las
prdidas de carga por un factor de 2,y se construira el canal con
este desnivel total sobreel largo total del canal.
Material del Canal y dimensiones mnimas
10 l/s Sueloarenoso
Sueloarcilloso
Concreto/mampostera
Altura H 13 cm 15 cm 15 cmAncho Superior 59 cm 44 cm 29 cmAncho
Inferior 6 cm 13 cm 29 cmPrdidas de cargapor 100m longitud
1.6 m 1.3 m 1.4 m
20 l/sAltura H 19 cm 22 cm 21 cmAncho Superior 84 cm 62 cm 42
cmAncho Inferior 9 cm 18 cm 42 cmPrdidas de cargapor 100m
longitud
1.0 m 0.8 m 0.9 m
30 l/sAltura H 23 cm 27 cm 25 cmAncho Superior 103 cm 75 cm 51
cmAncho Inferior 11cm 22 cm 51 cmPrdidas de cargapor 100m
longitud
0.8 m 0.6 m 0.7m
Tabla 10-2 Dimensiones mnimas apropiadas para canales,para
diversos caudales y manteriales de revestimiento
H
Bottom
TopAnchoSuperior
Inferior
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Infiltracin
Los canales de tierra pierden una porcinsignificativa del agua
debido a infiltraciones. Entierras arenosas se preven prdidas de
por lomenos el 5% por infiltracin, por cada 100metros de longitud
del canal (es decir 0.5 l/s deprdidas si el caudal es de 10 l/s)Con
tal que haya suficiente agua disponible, valela pena dimensionar el
canal para un caudal mayordel requerido por la turbina. Suponer que
serequerir de 10%-20% de caudal adicional. Esocompensar prdidas por
algunas fugas pequeasque hay, adems de las prdidas por
infiltracin.A veces el agua fluyendo por el canal tendrmltiples
propsitos, como para riego o usodomiciliar. Estos requerimientos
debern detomarse en cuenta durante la fase de diseo delcanal.
Construccin de Canales.La ruta del canal deber de escogerse
concuidado. Se intenta evitar rutas que pasen porciertos tipos de
terrenos, como: Tierras excesivamente porosas Areas rocosas donde
sern imposibles las
excavaciones Pendientes muy fuertes o inestables
En tierras porosas, puede ser posible sellar elcanal con
revestimiento de arcilla o de concreto.Las reas rocosas realmente
no tienen remedio ydeberan de evitarse. Los tramos de
pendientesfuertes y cruzadas de arroyos son difciles, peroen muchas
reas rurales la gente ha encontradoformas de superar estos
obstculos. Se hanconstruido canales en algunos
lugaresverdaderamente difciles (ver Figura 10-6 yFigura 10-9).
Estos requieren de planificacincuidadosa, motivacin y persistencia,
pero nonecesariamente incurren grandes gastos dedinero.
Figura 10-7 Un tramo de tubera entre dos tramos decanales, puede
solucionar la cruzada de un arroyo. El tubose ancla en cada extremo
con piedras.
En las cruzadas de arroyos, es particulamenteimportante dejar
suficiente altura para permitirdesalojo de las aguas de tormentas
que de otramanera podran destruir las paredes de un canalde tierra.
Tramos cortos de tubo (Figura 10-7) oacueductos pequeos de madera
(Figure 10-8)pueden servir para superar estas pasadasdifciles.
Figure 10-8 Un acueducto de madera sirve para conducirel agua a
travs de terreno disparejo
Figura 10-9 y Figura 10-10 demuestran un canal elevadoque corre
sobre un peinazo angosto, debajo de un parednde roca. El canal
tiene revestimiento de mampostera yest apoyado desde abajo sobre
una pared alta hecha depiedras.
canal
Pared depiedra
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Tubera de Baja PresinUna alternativa para la conduccin de agua
haciala boca de la tubera forzada, es el uso detubera plstica de
baja presin. Este tipo detubera est disponible en algunos paises,
vendidocomo tubera de drenaje. Las tuberas de bajapresin son ms
baratas que las tuberas paratubera forzada, visto que las paredes
son msdelgadas. Frecuentamente es una alternativa msbarata que el
canal revestido.
Figura 10-11 Tubera de drenaje
Requiere considerarse el dimetro ptimo y eldeclive del tubo de
drenaje, visto que stosafectan el caudal y las prdidas de carga.
VerSeccin 11.
10.4 Cmaras de Carga
Figura 10-12 Una cmara de carga pequea es apropiadapara sitios
donde hay suficiente caudal todo el ao
La cmara de carga (o cmara de presin)proporciona suficiente
profundidad paragarantizar que la boca de la tubera forzada
estsiempre cubierta de agua. En algunos casos latubera forzada est
instalada directamente enla obra de toma de la captacin de agua, y
no serequiere de una cmara de carga. Se requiere dela cmara de
carga cuando se utiliza un canal ocuando se recoge agua de ms de
una fuente.El diseo de la cmara de carga varadependiendo de varios
factores, tales como: accessibilidad del lugar disponibilidad de
materiales de construccin tipo de suelo costos de mano de obra
calificada y no-
calificadaSin embargo, se recomienda que cualquier diseoincluya
provisiones para el rebose de agua y parala limpieza de sedimentos
del fondo del tanque.
Figura 10-13 Diseo recomendado de una cmara decarga alimentado
desde un canal de irrigacin.
Profundidad del AguaLa profundidad del agua en la cmara de
cargadeber ser suficiente para cubrir la boca de latubera forzada
hasta 4 veces el dimetro deltubo. Deber de dejarse espacio por
debajo dela boca del tubo, equivalente a un dimetro.
0.5m
1.0m Tubo de limpieza
Tuberia Forzada
Diferenciade Altura(100mm)
Direccin de flujoen el canal de irrigaci
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Ejemplo A qu profundidad deber estar el rebose de lacmara de
carga, cuando la tubera forzada tieneun dimetro de 75mm
?RespuestaProfundidad sobre la tubera = 4x75 = 300mmProfundidad
debajo de la tubera = 75mmDimetro de la tubera = 75mmPor lo tanto
la altura aproximada desde el pisodel tanque hasta elrebose
= 300+75+75 = 450mm
SedimentosVisto que el agua en la cmara de carga fluye
muylentamente, el sedimento cae al fondo dondeforma una capa gruesa
de lodo. Si se dejaacumular demasiado tiempo, los sedimentospueden
obstruir la tubera. Sistemas hidros msgrandes a menudo tienen
lagunas desedimentacin para eliminar los sedimentos. Esono es
necesario en los sistemas pico hidro, con talque se incluya una
compuerta de limpieza o tubode limpieza en el diseo de la cmara de
carga(ver Figura 10-13). para facilitar la limpieza dellodo del
fondo del tanque.
ReboseEn caso de llenarse la cmara de carga, esimportante que el
agua pueda derramarse sincausar daos. El rebose puede ser una
melladurao canaleta cortada en la pared ms baja de lacmara de carga
(ver Figura 10-15). Unaalternativa es el uso de un tubo que sirve
comorebose y tambin para drenaje y limpieza. Eso seve en la Figura
10.13.Se quita el tubo vertical del codo para drenar ylimpiar el
tanque. Este ejemplo muestra unacmara de carga alimentada de un
canal deirrigacin, aunque el agua igualmente podraprovenir de una
lnea de tubera de baja presin.Se desva el agua hacia la cmara de
carga cuandose requiera, y cuando no se requiera el agua
siguefluyendo por el canal. Cualquier mtodo que seutiliza para el
rebose, siempre se dirige el aguarebosada hacia un arroyo o zanja
donde noerosione el terreno.
Construccin de la Cmara de CargaCon tal que haya mano de obra
disponible, laconstruccin de una pequea cmara de carga conpiedras y
arcilla no es cara. Es ms fcil anclar laboca de la tubera forzada
cuando se utilicenpiedras en la construccin de las paredes. Si
lacmara de carga tiende en rebosar con
frecuencia, paredes de arcilla se erosionaran,requierendo de
muchas reparaciones.Se utilizan cemento y piedras para
construircmaras de carga de mayor durabilidad. En laFigura 10-14 se
demuestra un mtodo paracimentar piedras o ladrillos para revestir
unacmara de carga, un canal, o un reservorio
Figura 10-14 Tcnica de mampostera para obras civilesde pico
centrales hidros
Figura 10-15 Construccin de una cmara de carga(Kushadevi,
Nepal)
Figura 10-16 El flujo del agua hacia la cmara de cargaes
controlado por una compuerta. Se ha hecho unacanaleta de rebose en
la pared de cuesta abajo para queel agua sobrante se retorne al
arroyo sin socavar lamampostera. Un tubo de drenaje y limpieza,
sellado conun tapn de madera, ha sido incorporado en la parte
msbaja del fondo del tanque.
En la construccinobras civiles, elutilisando para pegarboln,
deberarelacin de 1:4 (cemento
Un mezcla deimpermeabilidad, a 1:2,como repello sobre laboln y
elprevenir filtraciones
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10.5 Reservorios
Figura 10-17 Un pequeo reservorio proporcionaalmacenaje de
energa a bajo costo, que puede ser tildurante la temporada seca.
(Sankhuwa Sava, EasternNepal)
En caso que el caudal en temporada seca seainadecuada para
operar la turbina de maneracontinua, se puede ampliar la cmara de
presinpara formar un pequeo reservorio. Por ejemplo,el agua puede
almacenarse durante el da y lanoche cuando la turbina no est
operandocontinuamente, para utilizarse al anochecer parael
alumbrado.
Capacidad de almacenamiento de agua puede sertil para dar mayor
flexibilidad y seguridad alproyecto, en los siguientes casos:1)
Cuando se recoge agua de varias fuentes, delas cuales algunas sean
intermitentes.2) Cuando se utiliza el agua para otros propsitoscomo
para irrigacin.
Los requerimientos de volumen dealmacenamiento se calculan
facilmente si seconoce el caudal requerido por la turbina y
elcaudal mnimo de las fuentes. El fabricantedeber suplir la
informacin pertinente al caudalrequerido por la turbina. Se
dimensiona la cmarade presin conforme el caudal mnimo esperado.El
caudal mnimo deber medirse durante latemporada ms seca del ao
mediante uno de losmtodos descritos en la Section 7. O se
deberestimar en base a la experiencia local.
Ejemplo : Capacidad de Almacenamientode un ReservorioUna turbina
y generador de 1.5kW han sidoseleccionados para un sitio en la
parte Oeste deNepal, descrito en el ejemplo de la pgina 7-1.
Eldesnivel ha sido medido, encontrandose 70metros netos (ya tomadas
en cuenta las prdidaspor friccin en la tubera forzada).
Para generar la potencia correspondiente, coneste desnivel neto,
el fabricante recomienda uncaudal de 5 litros por segundo. Se han
realizadoaforos de otros arroyos cercanos a la aldea en el
tiempo ms seco del ao, despus de variassemanas sin lluvia,
encontrandose solamente 2litros por segundo. Este tambin es el
caudalmnimo que ha sido observado en el arroyo delproyecto, segn
los observadores locales (seconsideran las observaciones confiables
hasta 10aos atrs). Durante el resto del ao, sinembargo, hay caudal
disponible en exceso a los 5l/s. Se requerir de almacenamiento
durante latemporada seca para permitir que el proyectosupla de
electricidad a la aldea durante 5 horaspara alumbrado en la noche y
para suplir doshoras de potencia mecnica para operar unasierra en
el taller cada maana.
Cunta es la capacidad requerida delreservorio ?Caudal durante la
temporada ms seca = 2 l/sCaudal a la tubera forzada = 5 l/sPerodo
mximo de operacin = 5 hrasFaltante de agua durante este perodo
= 5 - 2 = 3 litros por segundo
El reservorio deber tener suficiente capacidadpara suplir 3
litros por segundo durante elperodo de operacin.Volumen de
almacenamiento requerido:
5hras = 5 x 60 x 60 = 18000 segundos
Volumen = 18000 s x 3 litros por segundo = 54000 litros o = 54
m3 (1 metro cbico = 1000 litros)
Cuales son las dimensiones que deber tener elreservorio para dar
la capacidad dealmacenamiento de los 54 m3?
Se dejar el reservorio llenandose durante lanoche para poder
operar la sierra en la maana.
El terreno es rocoso en el sitio propuesto para elreservorio y
no es factible excavar aprofundidades mayores de 1.5 m.Entonces las
dimensiones apropiadas sern 1.5metros de profundidad x 6 metros de
ancho x 6metros de longitud.1.5 x 6 x 6 = 54 m3
Una alternativa para esta aldea es traer aguaadicional al
reservorio desde un manantial acierta distancia. Pueden
conduciraproximadamente 1 litro por segundo utilizandouna tubera
barata desde el manantial durante latemporada seca. En este caso,
cul sera lacapacidad de almacenamiento requerido ?
[Respuesta = 36 m3 , por lo cual las dimensionesapropiadas seran
1.5m x 6m x 4m]
