Operacion de Embalses (Unidad II)

Profesor: Luis Sánchez.

Modificado: Profesora, Ing. Yohana Jiménez



PORQUE ES NECESARIO LA CONSTRUCCION DE UN EMBALSE

PARA SATISFACER MULTIPLES DEMANDAS

TOMANDO EN CUENTA LAS VARIABLES

TIEMPO CANTIDADESPACIO

GEOGRAFICOCALIDAD

OBRA HIDRAULICA USO

PARA APROVECHAMIENTO Almacenar y retener las aguas en momento de exceso con el fin de usarlas en épocas de déficit.

PARA PROTECCION Encauzar las aguas y transportarlas a sitios en los que no genere daños.





SITUACION ACTUAL DEL SISTEMA EL FALCONIANO

DIVIDIDO EN TRES SUB-SISTEMAS

Sub-Sistema el isiroCaracterísticas del Embalse El Isiro:

•Fecha de inicio Operac: 1.965•Tipo de Presa: Tierra Zonificada•Cota N. Máximo (m.s.n.m.): 67•Cota N. Normal (m.s.n.m.): 65•Cota N. Muerto (m.s.n.m.): 46,07•Cota Mín. de Oper. (m.s.n.m.): 51,43•Volúmen Máximo (MMm3): 193•Volúmen Normal (MMm3): 157,5•Volúmen Muerto (MMm3): 11•Tipo de Aliviadero: Libre Rectangular•Cota Cresta Aliv. (m.s.n.m.): 65•Descarga Máxima (m3/seg): 180•Obra de Toma: Torre Toma

Sub-Sistema Hueque-BarrancaCaracterísticas del Embalse Hueque:

•Fecha de inicio Operac: 1.994•Tipo de Presa: Tierra Zonificada•Cota N. Máximo (m.s.n.m.): 217,07•Cota N. Normal (m.s.n.m.): 216,4•Cota N. Muerto (m.s.n.m.): 190,5•Cota Mín. de Oper. (m.s.n.m.): 190,5•Volúmen Máximo (MMm3): 90,56•Volúmen Normal (MMm3): 86,76•Volúmen Muerto (MMm3): 5•Tipo de Aliviadero: Vert. Frontal•Cota Cresta Aliv. (m.s.n.m.): 216,5•Descarga Máxima (m3/seg): 123•Obra de Toma: Torre Toma Sumerg.

Sub-Sistema Hueque - BarrancasCaracterísticas del Embalse Barrancas:

•Fecha de inicio Operac: 1.979•Tipo de Presa: Tierra Zonificada•Cota N. Máximo (m.s.n.m.): 255,64•Cota N. Normal (m.s.n.m.): 254,5•Cota N. Muerto (m.s.n.m.): 227,26•Cota Mín. de Oper. (m.s.n.m.): 227,26•Volúmen Máximo (MMm3): 148,21•Volúmen Normal (MMm3): 145,14•Volúmen Muerto (MMm3): 27,50•Tipo de Aliviadero: Vert. de Cimacio•Cota Cresta Aliv. (m.s.n.m.): 254,5•Descarga Máxima (m3/seg): 2,92•Obra de Toma: Torre Toma



CONSIDERACIONES QUE SE DEBEN TOMAR EN CUENTA EN LOS SISTEMAS DE EMBALSES

Seleccionar la mejor alternativa de diseño posible

Definir la operación del sistema seleccionado

Optimizar el aprovechamiento de agua disponible según los

siguientes criterios

Objetivos del desarrollo

Preferencias asignadas a los usuarios



TECNICAS DE ANALISIS DE SISTEMA PARA DEFINIR LAS REGLAS OPERACIÓN DEL EMBALSE

MODELOS “USOS”

OPTIMIZACION SIMULACION

CURVAS DE MASAS Y MOVIMIENTOS DE EMBALSES

EXPERIENCIA: REGLAS DE OPERACIÓN DE UN EMBALSE. (PEDREGAL ESTADO FALCON)

Problemas durante la desviación

• Fue desviado en 1977 por un conducto deconcreto armado, blindado interiormente conuna tubería de acero de 1.85m de diámetro.• Dicho conducto fue diseñado para serutilizado como descarga de fondo permanente(aliviadero primario).







• La desviación se hizo con un sistema deataguía, conducto diseñado por un periodo deretorno de 15años.• El 30 de noviembre de 1977 la entrada delconducto se bloqueo completamente con palosy sedimentos de la cuenca y de algunos restosde arboles que no fueron bien quemadosdurante la deforestación, lo cual origino eldesborde de la ataguía.

• Para destapar el conducto se usaron cargas de profundidad. El agua comenzó a fluir libremente.

• Desde este incidente hasta la puesta en servicio en 1978 no se registraron inconvenientes lo cual indica que no es conveniente colocar rejas en las entradas de los conductos durante la desviación.







RESULTADOS DE LA OPERACION


• A partir del año 1982 por razones que sedesconocen, se dio instrucciones de cerrarcompletamente la válvula de cono, la cualpermaneció así por un año.• A mediados de 1983, por presión de los regantes seprocedió a abrir la válvula, la cual se encontrabacompletamente llena de barro solidificado.•A finales de 1988 (10 años de funcionamiento), elembalse quedo totalmente sedimentado y fuera deservicio.• A mediados de 1990 se intento destapar la descargade fondo colocando explosivos pero todo fue inútil.

1. IDENTIFICACIÓN DEL SISTEMA REAL:

Descripción fiel de los componentes constituidos por ambientes o factores de control de los fenómenoscuya ocurrencia asegura el funcionamiento del sistema. ¿Por que es importante identificardetalladamente el sistema real? Resp. La mayoría asume el sistema conceptualizado, como sistema real;lo cual no permite definir alcances y limitaciones del modelo y trae como consecuencia la dificultad devalorar la conceptualización de los fenómenos y sus factores de control, impidiendo la posibilidad demejorar el modelo mediante una mejor conceptualización de una realidad ignorada.



DESARROLLO DEL MODELO DE SIMULACIÓN PARA LA OPERACIÓN DE EMBALSES.



COMPONENTES DE UN SISTEMA REAL.

EMBALSES

OBRAS CONEXAS

CAUCESUSUARIOS

OPERADOR DE EMBALSES

a) Embalse: Lago artificial donde se almacenan los excesos de agua durante los periodos de mayor escorrentíapara proporcionarlo en los periodos secos o simplemente impedir daños aguas abajo. El volumen aumentamediante interacción con la atmósfera (precipitación directa), sobre el espejo de agua y se ve reducido alescapar vapor de agua hacia la atmósfera.

b.) Obras anexas al embalse: elementos físicos del sistema interrelacionados al componente embalse.

b.1) Obra de toma: Estructuras ubicadas dentro del embalse o en la cara aguas arriba de la presa, para extraer elagua desde el lago a lugares fuera del cauce donde sea requerida.

b.2) Obras de descarga: Aberturas de descarga situadas más debajo de la cresta del aliviadero, para aliviar elembalse a través o por los lados de la presa. (Ejemplo: descarga de fondo o medio fondo.)

b.3) Aliviadero: puede ser un vertedero, conducto, túnel, canal u otra estructura diseñada para permitir descargadel embalse. Descargar caudales de las crecientes, pero también descargar aguas para otros usos.

b.4) Compuertas y Válvulas: Dispositivo para controlar el gasto en obras de toma, de descarga y aliviaderos.Compuertas en hojas de tambor suben o bajan y las válvulas colocadas en conductos circulares cerrados. Sonmedios físicos mediante los cuales el operador del sistema controla las entregas desde el embalse y en algunoscaso las entradas.

b.5) Elementos de conducción: Son los conductos confinados, tuberías, túneles o canales artificiales que sirven paraconducir el agua desde el embalse hasta los puntos donde sea requerida.

c.) Cauces: Canales naturales a través de Los cuales se mueve el agua.

C.1) Obras De derivación: Captación de volúmenes de agua desde el cauce hasta aun punto fuera de el. (Es como la toma en el embalse).

C.2) Puntos de descarga: Lugares dentro de los cauces donde son vertidas aguas previamente usadas.



COMPONENTES DE UN SISTEMA REAL



d) Usuarios: Componente para el cual se realiza la operación de embalse. Poseen características propias(subsistema autónomo), el fenómeno importante es la demanda del usuario. Ente o actividad que requiere delagua almacenada en el mismo, o de su espacio físico vacío.

USUARIOS

Desarrollo Urbano: Consumo domestico, comercial, industrial, etc. Cp: cantidad, calidad, propiedades físicas, olor, sabor, color, turbidez y dureza

Desarrollo Industrial: Los grandes consumos: metales primarios, química, pulpa y pales, alimentos, termoeléctricas. Cp: cantidad y calidad

en términos de su temperatura y presencia de químicos indeseables.

Control y crecientes de polución: El operador decide las descargas necesarias para mantener un nivel compatible en los requerimientos de

mitigación de crecientes

Navegación – recreación (fauna y flora): El operador descarga el cauce para aumentar el caudal navegable, mantienen el nivel del embalse para

minimizar fluctuaciones.

Energía Eléctrica: A través de la turbina la energía hidráulica se transforma en mecánica.

Agricultura: Zonas agrícolas, el agua es conducida para luego ser controlada por el operador del subsistema agrícola

e) Operador: Componente de control del sistema de operación de embalse. Decide a que usuarios se destinanlas entregas del embalse. En caso en que las demandas no vengan en términos de volumen de agua, nivel deembalse ni volumen vacío, el operador debe realizar la conversión de la demanda en términos de agua antesde proceder a determinar las entregas.

PRINCIPALES USUARIOS DEL SISTEMA



CONCEPTUALIZACION DEL SISTEMA

a) Procesos de almacenamiento

a) Procesos de transferencia

a) Procesos de control Reglas de operación.

• Ubicación y tipos de usuarios.

USUARIO DEMANDA

Control de creciente Embalse vacio (amortiguar las crecientes).

Recreación Embalse lleno.

Abastecimiento directo de agua

Llenar el embalse en épocas de lluvias y liberar en épocas de sequias

Generación de energía eléctrica.

Llenar el embalse en épocas de lluvias y liberar en épocas de sequias.

• Limitaciones físicas y operaciones del sistema, capacidad de la conducción, nivel mínimo de operación, capacidad de la planta

• Escala de prioridad para entregarles a los usuarios.



PROCESOS DE INTERPRETACION DE

LA DEMANDA

Análisis de los datos de demanda del usuario para estimar, en unidades de agua, su demanda neta el

embalse

Casos de interpretación de la demanda:1. La demanda no es dada en unidades de agua: Hacer conversión.

2. El usuario recibe agua, de una fuente diferente al embalse: Interpretar demanda

Demanda neta = Demanda total – Fuente

3. El usuario recibe agua o desechos sólidos que afectan la calidad del agua: Interpretar demanda: Aportando la cantidad de agua necesaria para mantener el nivel polución por debajo del nivel critico definido.

4. El usuario re-usa el agua que otro usuario recibió del embalse: interpretar demanda: se debe estimar la cantidad de re-uso para restarla de la demanda total del usuario y así obtener la demanda sobre el embalse:

Demanda neta = Demanda total – Cantidad de re-uso.



2. SUBDIVISION DEL SISTEMA EN ZONAS HOMOGENEAS

3. SELECCIÓN DE UNA ESCALA DE TIEMPO.

4. IDENTIFICACION DE LOS PROCESOS RELEVANTES

Volumen útil.Volumen muerto.

Sencillez de la aplicación del modelo

Depende de:1. Propósito de uso.

2. Escala de tiempo escogida.3. Datos y recursos disponibles.

Se excluyen los siguientes procesos:1. Calidad del agua.

2. Infiltración y exfiltracion.3. Almacenamiento en el cauce.

4. Almacenamiento en la atmosfera.5. Almacenamiento en la cuenca.

6. Almacenamiento en el subsuelo.7. Descargas de vertidos que hacen los usuarios al cauce.8. Las entregas por obras de derivación desde el cauce.

9. Los trasvases.10. Procesos en los cauce aguas abajo del embalses.



5. FORMULACION MATEMATICA DE LOS PROCESOS.

6. ESTRUCTURA DEL MODELO.

7. SOLUCION DEL MODELO.

8. ANALISIS DE SENSIBILIDAD DEL MODELO.

9. CALIBRACION, VERIFICACION, VALIDEZ Y DEL MODELO



OPERACIÓN DE EMBALSES

QUE ES EL SWMM 5.0SWMM: Strom Water Manangement Model

Modelo de gestión de aguas pluvialesDesarrollado por la agencia de protección del medioambiente

(EPA), de los estados unidos.Modelo numérico que permite simular el comportamiento

hidráulico e hidrológico.

Características Hidrológicas

• Simular proceso lluvia - escorrentía en lacuenca en estudio.•Calculo de la infiltración hacia los estratos nosaturados del suelo.•Acumulación y fusión de nieve sobre la cuenca.•Evaporación desde superficies de agua.

Características Hidráulicas

• Simular propagación del flujo en redes de tamañoilimitado y tipo de arborescentes o malladas.•Modelar elementos especiales: depósitos de retención,estaciones de bombeo, vertederos, entre otros.• Uso de onda Cinemática u Onda Dinámica comométodos de propagación del flujo en la red de drenaje.



OPERACIÓN DE EMBALSES

La operación de un embalse tiene como finalidad evaluar el funcionamiento del mismo para una secuencia hidroclimatica dada, una estructura de demanda y unas

reglas de operación definidas

Se inicia con la aplicación de la ecuación fundamental de la hidrología:

ENTRADA - SALIDAS = ± ΔS

Considerando los procesos, puede escribirse como:

P + Qa – E – Qs = ± ΔSDonde:P: Precipitación sobre el espejo de agua del embalse.Qa: Caudal afluente al embalse o aporte del rio.E: Evaporación desde el espejo de agua.Qs: Caudal efluente del embalse.



Pasos a seguir para la operación de embalse, cuando se realiza la operación de embalse se produce un cambio en el almacenamiento, por lo que se debe

determinar el volumen final de cada mes por medio de la siguiente ecuación.

Vf = Vi + VQA + VP – VE - VQS

Para calcular el VF se debe realizar un tanteo de la siguiente forma:

1. Se determina el Vf, sin tomar en cuenta la precipitación, ni la evaporación.2. Se obtiene de la curva altura- área-capacidad, el área al inicio y al final del mes,

para calcular el área promedio en dicho mes.3. Se determina el Vf, tomando en cuenta la precipitación y la evaporación. Luego

se comparan los Vf calculados en los pasos anteriores, si son iguales ese es elvolumen al final de mes y sino se vuelve al paso nº2.

También debe considerarse que:

Si Vf > Vnivel norma entonces Alivia Vi = Vnivel NormalSi Vf < Vminimo entonces Déficit Vi = Vminimo de operación





PROBLEMAS DE APLICACION

PROBLEMA Nº1:Se desea conocer para un año determinado la operación de un embalse de capacidad total de 400millones de m3 y util de360millones de m3, se sabe que existe un trasvase constante de otro embalse y que al comienzo del año el volumen totalembalsado es de 250millones de m3. Las perdidas por infiltraciones son despreciables, de acuerdo a los datos que semuestran determine: A) El volumen mínimo de operación. B) Meses en que el embalse se seca. C) Volumen que debe serracionado en los meses secos. D) Meses en los cuales el embalse alivia. E) Volumen de agua aliviada. F) ¿Qué opinión mereceel buen funcionamiento del embalse para el periodo estudiado?.

Mes V (inicial) Aportes del Rio Trasvase D (Abastecimiento) D (Riego) P (mm) E (mm)

Enero 250 50 20 45 80 20 192

Febrero 40 20 45 110 0 181

Marzo 33 20 45 70 0 205

Abril 32 20 45 0 40 210

Mayo 58 20 45 0 62 200

Junio 108 20 45 0 116 190

Julio 193 20 45 0 130 168

Agosto 130 20 45 0 145 192

Septiembre 85 20 45 0 120 185

Octubre 100 20 45 0 133 180

Noviembre 52 20 45 0 81 182

Diciembre 40 20 45 65 60 181



CURVA AREA CAPACIDADES “OPERACIÓN DE EMBALSE”

Área (Hectáreas) Capacidades MM3

200 44

280 69

440 122

520 147

745 223

905 247

1126 380

1150 400



PROBLEMA Nº2:En una cierta región se tiene un embalse destinado al abastecimiento de una población y el riego de ciertas parcelas. Sedesea determinar cuanto es el abastecimiento en m3, durante el mes de noviembre si para dicho mes se conto con lossiguientes datos:

AB: 3000mtsBC: 5000mtsN1: Nivel del embalse al principio del mes de noviembre = 200mts.N2: Nivel del embalse al final del mes de noviembre = 199.50mts.Q1: Caudal medio en el rio 1 = 1m3/segQ2: Caudal medio en el rio 2 = 3m3/segQ3: Caudal medio para riego = 2m3/segV4: Abastecimiento para la poblacion = ?Precipitación = Evaporación = 0

Figura nº1



PROBLEMA Nº3:Se tienen un embalse para abastecimiento y riego. Se sabe que en el mes de abril, el embalse presenta una altura de16mts; al final del mismo mes la altura había descendido hasta los 12mts. Si durante el mes de referencia no sepresentaron precipitaciones sobre la superficie del embalse y los caudales de entrada y salida, riego yabastecimiento variaron según los gráficos que se muestran. Determinar la lamina evaporada en metros.?

Grafico Nº1

Caudal de entrada

Grafico Nº2

Caudal de Salida

Grafico Nº3

Caudal de RiegoGrafico Nº4

Caudal de Abastecimiento



PROBLEMA Nº4:El embalse que se muestra en la figura Nº1, esta destinado para dos usos específicamente. Uno de ellos, es abatsecera cierta población y el otro uso es la irrigación de 20 hectáreas de maíz. Se desea determinar la demanda de riego enLts/seg/hectareas.

• El embalse trasvasa mensualmente 22.70MM3 hacia otro embalse.• El volumen de escorrentía que ingresa al mes de 0.5MM3.•La precipitación mensual es de 100mm• La evaporación mensual es de 150mm• Se extraen para abastecimiento de una población 8m3• El nivel de aguas en el embalse al inicio del mes es de 30mts• El nivel de aguas en el embalse al final de mes es de 20mts.

Figura nº1

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