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ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL
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MONOGRAFIA
“Diseño y construcción de una bocatoma en el rio Chancay- Huaral-Lima”.
En cumplimiento parcial de la asignatura:
ESTRUCTURAS HIDRAULICAS
Autor:
Alvarez Aquepucho, Gyulder
Caquipoma Andrade, Micaela
Damian Chipana, Rider
Malo Dominguez, Diego
Lima, Setiembre del 2018
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Estructuras Hidráulicas
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INDICE
1. GENERALIDADES.................................................................................................... 3
2. CONSIDERACIONES NECESARIAS Y SUSTENTO ............ Error! Bookmark not
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2.1. Área de estudio.................................................................................................. 3
2.2. Ubicación Política .............................................................................................. 4
2.3. Ubicación Hidrometeorológica........................................................................... 5
2.4. Cobertura Vegetal, Agrología y Cultivos ........................................................... 7
2.5. Suelos y geotecnia............................................................................................. 8
3. CONSIDERACIONES PARA EL PUNTO DE CAPTACIÓN .................................. 11
4. PARÁMETROS DEL DISEÑO ................................................................................ 12
4.1. Caudal de diseño ............................................................................................. 12
4.2. Determinación del nivel del río ........................................................................ 12
4.3. Estudio de las condiciones del lecho del río y dimensionamiento de las obras
de estabilización.......................................................................................................... 13
4.4. Diseño de los elementos constitutivos de la captación................................... 13
5. METODOLOGIA DE LA ESTRUCTURA HIDRAULICA ..................................... 16
5.1. Delimitación de la Cuenca y determinación del caudal Máximo .................... 16
5.2. Estimación de Caudales Instantáneos Modelo de Fuller................................ 17
5.3. Hidrometría caudales máximos y mínimos ..................................................... 18
5.4. Calculo de precipitaciones............................................................................... 20
5.5. Erosión perdida de suelo ................................................................................. 22
5.6. Sedimentación ................................................................................................. 27
5.7. Cálculos de la Estructura Hidráulica................................................................ 28
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6. CONCLUSIONES................................................................................................ 38
7. RECOMENDACIONES ....................................................................................... 39
3.3. BIBLIOGRAFIA.................................................................................................... 39
1. GENERALIDADES
El agua es la sustancia más abundante en la Tierra, es el principal constituyente de
todos los seres vivos y fuerza importante que constantemente está cambiando la
superficie terrestre. También es un factor clave en la climatización de nuestro planeta
para la existencia humana y a la vez tiene influencia en el progreso de la civilización. La
hidrología cubre todas las fases del agua en la tierra, es una materia de gran importancia
para el ser humano y su ambiente. El papel de la hidrología aplicada es ayudar a analizar
los problemas relacionados con estas labores y proveer una guía para el planeamiento
y el manejo de los recursos hídricos.
2. OBJETIVO
Ubicar y diseñar una bocatoma en el río Chancay – Huaral de la región de Lima
con fines de irrigacion.
2.1. OBJETIVOS ESPECIFICOS
Verificar los antecedentes relacionados a la ocurrencia de fenómenos de origen
climático y su evolución en el tiempo.
Delimitar la cuenca y sub cuenca, en base a la información cartográfica obtenida
por mapas cartográficas.
Analizar la información hidrométrica (caudales máximos mensuales), Para su
uso en el cálculo del sistema hidráulico de captación.
3. UBICACIÓN DEL PROYECTO
3.1. Área de estudio
El área de estudio comprende la cuenca del rio Chancay-Huaral, ubicada en la parte
central de la vertiente del Pacífico. La oferta hídrica de la cuenca Chancay-Huaral es de
uso multisectorial (poblacional, agrícola, central hidroeléctrico, minero etc.,). Siendo la
agricultura el sectoreconómicode mayor uso de agua y el más importante al tener como
primer mercado de sus productos a la ciudad de Lima, la cual sustenta la tercera parte
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de la población del país. La cuenca del rio Chancay-Huaral cuenta con un sistema de
lagunas reguladas. Localizadas en la parte superior de las unidades hidrográficas de
Vichaycocha y Baños. Parte del recurso hídrico almacenado proviene del aporte de
trasvase del Mantaro. Estas lagunas que corresponde a infraestructuras mayores, son
administradas por la Junta de Usuarios, que permiten incrementar el volumen natural
del río entre 3 a 9 hm3/mensual, en función a las necesidades de demanda (uso de
riego, poblacional y centrales hidroeléctricas).
2.1. Ubicación Política
Políticamente la cuenca del río Chancay-Huaral está ubicado íntegramente en el
departamento de Lima – Perú. Ocupa la mayor parte la provincia de Huaral y en menor
proporción la provincia de Canta. Once de los doce distritos de la provincia de Huaral,
están ubicados dentro de los límites de la cuenca, y el distrito restante (Ihuari) ubicado
en la cuenca Huara. La ubicación y nombres de los 12 distritos
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Figura 1. Sub cuencas y estaciones. Fuente: SENAMHI
2.2. Accesos
2.3. Limites Colindantes
3. CLIMA
3.1. Tipo de clima
3.2. Temperatura
3.3. Precipitacion
4. ESTUDIOS BASICOS
4.1. Estudios Topograficos
VER ANEXOS: PLANO DE PLANTA, SECCION LONGITUDINAL, PLANO DE
UBICACIÓN.
4.2. Estudios Hidrologicos
La cuenca del río Chancay-Huaral limita con las siguientes cuencas:
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Norte: Cuenca Huaura y Mantaro
Sur: Cuenca Chillón
Este: Cuenca Mantaro y Chillón
Oeste: El Océano Pacífico
La cuenca del río Chancay-Huaral comprende una extensión de 3 046 Km2 de las
cuales la cuenca colectora húmeda o “cuenca imbrífera” es de 1 520 Km2, es decir
aquella área localizada por encima de los 2500 msnm (PMGRH, 2011) y que aporta al
escurrimiento superficial que tiene sus nacientes en la parte alta de la cuenca,
extendiéndose hasta el océano Pacífico.
En su recorrido, el río Chancay-Huaral recibe los aportes de varios afluentes; por la
margen derecha, los ríos Carac y Huataya y las quebradas Lumbra y Huerequeque
y, por la margen izquierda, el río Añasmayo y la quebrada de Orcón. Estos aportes es
controlado y monitoreado en la Estación hidrológica Santo Domingo.
Tabla 1. Descripcion de las estaciones en toda la cuenca. Fuente: SENAMHI
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Figura 2. Red de estaciones Hidrometeorológicas utilizadas en la cuenca Chancay-Huaral. Fuente:
SENAMHI
4.3. Estudios de Cobertura Vegetal, Agrología y Cultivos
En la cuenca del río Chancay-Huaral se pueden distinguir varios tipos de cobertura
vegetal. La clasificación se elaboró a partir de la información del estudio del Plan
de Gestión de Riesgos y adaptación al Cambio Climático en el sector agrario
PLANGRACC-A (2012).
Agronomía de la cuenca
• Suelos con capacidad Agrícola…………… 18 886 has.
• Suelos con aptitud limitada……………….. 1 857 has.
• Suelos no aptos para la agricultura………. 12 803 has.
Cultivos
• Cultivos transitorios: Algodón, maíz amarillo duro, papa blanca, camote, maíz choclo,
zanahoria, coliflor, ajo, arveja.
• Cultivos permanentes: Mandarina, manzana, palta, melocotón, mango, lúcuma, uva,
naranja y el pecano.
• Cultivos semi permanentes: Fresa, espárrago, flores, alfalfa, maracuyá
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Figura 3. Cobertura vegetal de la cuenca en estudio. Fuente: INDECI
4.4. Estudios de suelos y geotecnia
Con los perfiles estratigráficos de cada una de las excavaciones realizadas y los
resultados de los ensayos de laboratorio, se ha efectuado la zonificación geotécnica,
delimitando en 06 zonas la ciudad de Chancay-Huaral, como se puede ver en el Mapa
denominado “Mapa de Zonificación Geotécnica”.
Zona 1.- En esta zona predominan los suelos aluviales, conformado por gravas, cantos
rodados y bolones sub redondeados, envueltos por una matriz de arenas y algo de finos.
En la superficie, aparecen suelos finos areno-limosos de cobertura de hasta 2.00 metros
de potencia y presencia de rellenos no controlados de hasta 2.50 metros de potencia.
No hay presencia de nivel freático hasta los 3.00 metros limite de las excavaciones
realizadas. La zonificación corresponde a las calicatas: C-06, C-07, C-08, C-09, C-10,
C-11, C-12, C-13 Y C-15, que presentan suelos del tipo gravas sub-redondeadas a
redondeadas c/bolones (GPGM/GW/GP). Este material corresponde a los depósitos
fluvio-aluviales del río Chancay, de consistenciasuelta a medianamente densa, de color
grisáceo con tono plomizo. Las gravas con formas redondeadas a sub-redondeadas
poseen un volumen considerable de cantos rodados y bolonería hasta 30 cm.de tamaño
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máximo (entre 15% a 20% en volumen), en una matriz arenosa con escasos finos. En
los dos primeros metros presentan estratos de arena a arena limosay estratos de arcilla
y limo, en algunos sectores con rellenos no controlados. La capacidad de carga
admisible del suelo es de 2.64 kg/cm². En lo posible, debe cimentarse sobre el aluvial
granular que se encuentra desde el metro de profundidad. Cimentaciones más
superficiales o apoyadas en los suelos finos limosos,considerar una capacidad portante
de 1.00 kg/cm².
Tabla 2. Calicatas en la ciudad de Chancay. Fuente: INDECI
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Figura 4. Tipos de suelos. Fuente: INDECI
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(MAXIMAS AVENIDAS, ESTIAJE EN LA ZONA DE PROYECTO) derrumbes huaycos
6.1 GEODINAMICA (GEODINAMICA FLIUVIAL
6.2 GEOMORFOLOGIA
6.3 GEOLOGIA (CLASIFICACION SUCS, AASHTO).
5. CONSIDERACIONES PARA EL PUNTO DE CAPTACIÓN
Reconocimiento geológico superficial
Se realizó un reconocimiento geológico del lugar donde será emplazada la captación
para determinar las posibles fallas geológicas, zonas de deslizamientoy de hundimiento.
Además de considerar un tramo recto sin tantos meandros para la captación.
Estudios geotécnicos
Se determinó las condiciones de estabilidad y resistencia admisible de los suelos, para
considerar las precauciones necesarias en el diseño de obras civiles. Además, los datos
referentes a los tipos de suelo serán necesarios para estimar los costos de excavación,
los cuales serán diferentes para los suelos arenosos, gravosos, rocosos y otros. Se hizo
una exhaustiva investigación sobre la información necesaria en la cuenca Chancay
Huaral.
Levantamiento topográfico
Se determinó la morfología del terreno y del cauce del agua, en el lugar del proyecto
empleando los métodos conocidos tanto como bases de datos y softwares como el
Google Earth, Civil 3D, ArcMap 10.3, QGIS y otros.
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Figura 5. Punto de captación en la cuenca en estudio. Fuente: Google Earth, Propia
Estudios complementarios
También se buscó información acerca de las características del río, que incidirán en el
diseño de la obra de captación, tales como contenido normal de arena, arrastre de
sedimentos durante las crecidas, magnitud del material de arrastre, etc.
6. PARÁMETROS DEL DISEÑO
6.1. Caudal de diseño
Para un sistema por gravedad se debe considerar el caudal máximo diario para la
población de diseño.
6.2. Determinación del nivel del río
Deberá obtenerse los niveles máximos y mínimos anuales en estaciones hidrológicas
cercanas; en el caso de falta de datos hidrológicos se debe investigar niveles en
periodos de avenidas y estiaje, apoyándose en información de personas conocedoras
de la región.
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6.3. Estudio de las condiciones del lecho del río y dimensionamiento de
las obras de estabilización
Deben ser verificadas las condiciones de la sección del curso de agua en cuanto a la
necesidad de su estabilización, en especial en los casos en que se presentan con bajas
pendientes o se encuentren sujetas a un régimen muy variable de flujos.
Las obras de protección de la seccióndel cursode agua deben ser proyectadas teniendo
en cuenta los flujos máximos, y dimensionadas, teniendo en cuenta las condiciones
hidráulicas aguas arriba y aguas abajo del trecho a ser estabilizado.
6.4. Diseño de los elementos constitutivos de la captación
Dispositivos de mantenimiento de nivel
Son obras ejecutadas en un río o en curso superficial estrecho, ocupando toda su
anchura, con la finalidad de elevar el nivel de agua en la zona de captación y asegurar
el sumergimiento permanente de la toma de agua.
Bocatoma
Cuando se capta el agua derivando un curso superficial, la bocatoma consiste en una
estructura acoplada al canal de derivación, donde se encuentran empotradas las rejas
que permiten el paso del agua y retienen los sólidos flotantes.
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Para la toma de agua en obras de captación lateral, puede emplearse una tubería o
ventana sumergida que deberá ubicarse a la máxima altura posible para evitar ser
alcanzada por los sedimentos, a la vez, deberá situarse a una suficiente profundidad
para recoger el agua más fría y evitar que el dispositivo se inutilice por el hielo en los
climas rigurosos.Además, deberá protegerse conuna rejilla que sirva para evitar el paso
de sólidos flotantes
En diques-toma, la entrada de agua debe ubicarse en la cresta del vertedero protegido
por un barraje. El agua captada ingresa a una cámara de captación que conduce el agua
al pretratamiento.
Figura 6. Canal de derivación.Fuente: Heras 1983
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Figura 7. Detalle de cámara de Captación. Toma-dique. Fuente: Heras 1983.
La velocidad en los conductos libres o forzados de la toma de agua no debe ser inferior
a 0,60 m/s
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7. METODOLOGIADE LAESTRUCTURAHIDRAULICA
7.1. Delimitación de la Cuenca y determinación del caudales de diseño
Figura 8. Delimitación de cuenca para diseño. Fuente: Propia
Se determinó los caudales extremos o caudales máximos instantáneas para el Río
Chancay-Huaral para un período de retorno de 200 años, con fines de prevención y
planificación hidrológica, los cuales pueden ser utilizados para dimensionamiento de
infraestructura hidráulica y prevención de desastres.
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Avenida
(Temez 1978), denomina avenida, riada o crecida, al paso por el río de caudales
extraordinarios por su gran magnitud. Sus posibles efectos negativos son bien
conocidos:inundaciones con pérdida de vidas humanas y daños materiales, destrucción
de puentes y obras ubicadas en las márgenes o entorno de los ríos
Crecida Máxima Probable
Define la Máxima crecida resultante de una combinación razonable de los factores
físicos hidrológicos y del tiempo de recurrencia considerado (Heras,1983).
Crecida Máxima Ordinaria
Menciona que son eventos correspondientes a tiempos de recurrencia entre 25 y 100
años (Heras,1983).
Crecida Máxima Extraordinaria
Indica que estos eventos correspondientes a tiempos de recurrencia superiores a 100
años (Heras,1983).
Crecida Catastrófica
Correspondiente a tiempos de recurrencia superiores a 500 años, (Heras,1983).
Frecuencia
El concepto de frecuencia está asociado al concepto de probabilidad; se llama también
el intervalo de recurrencia y viene a ser el número de veces que el evento es igualado
o excedido en un intervalo de tiempo determinado, o en un determinado número de
años.
7.2. Estimación de Caudales Instantáneos Modelo de Fuller
Fuller para determinación de caudales instantáneos propone la utilización de las
siguientes
formulas:
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Donde:
Qinst = Caudal instantáneo a determinar (m3/s)
Qmed.máx = Caudal medio máximo (m3/s)
A = De la cuenca húmeda (km2)
T = Tiempo de retorno
Se ha utilizado para determinar el caudal instantáneo, la fórmula que relaciona
el caudal máximo medio anual y el periodo de retorno, estimados para un periodo de
retorno de 200 años, con la fórmula de Fuller para el Río Chancay Huaral, cuyos
resultados son los siguientes:
Qmáx río Chancay-Huaral = 624.981 m3/s
7.3. Datos hidrológicos
7.4. HIDROLOGIA (ANCHO DEL CAUCE,AREA MOJADA, PERIMERO
MOJADO ETC)
7.5. DATOS DE LA PROGRESIVA:
7.6. Hidrometría caudales máximos y mínimos
JU CHANCAY HUARAL
SENAMHI
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7.7. Calculo de precipitaciones
Cuadro 1. Precipitaciones anuales.Fuente:Propia
Se analizó mediante cuatro distribuciones:
Distribucion Normal
Distribucion Log Normal
Distribucion Log Normal 3 parametros
Distribucion Gumbel
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Precipitacion media 48.08938091mm
Precipitacion anual 149.1411765mm
7.8. Erosión perdida de suelo
Determinación del factor
R FACTOR DE EROSIVIDAD
Pi^2= 48.09 mm
P= 149.14 mm
Index= 0.32244201
R= 153.344583
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Determinación del
factor K FACTORDE ERODABILIDAD
Dg= 0.038
K= 0.03233449
Determinación del
factor L FACTORDE TOPOGRAFIA
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Determinación del gradiente de pendiente S
El cálculo de la pendiente se ha obtenido en el perfil longitudinal, esta pendiente está
comprendida en toda la cuenca
S= 8
s= 0.191987009
s= -0.248020208
S= 0.191987009
Factor de cobertura de manejo C
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C= 0.001164
C*= 0.0008148
C= 0.001164
Factor prácticas de control P
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El factor P es la relación de perdida de suelo entre una parcela donde se han aplicado
practicas mecánicas de conservación de suelos (contornos, terrazas, cultivos en fajas,
etc.) para el control de la erosión, y las pérdidas que se producen en una parcela si tales
prácticas no se utilizan y el laboreo se efectúa en el sentido de la pendiente. Cuando las
prácticas de conservación no se aplican o son muy pocas el valor de P es igual a 1.
P= 1
Perdida del suelo A
Luego de calcular todos los factores calculamos la perdida de suelo con la formula
USLE.
Obtenemos una pérdida de A= 59.65967231 toneladas/hectárea/Año
Según Paez (1989) La cuenca en estudio tiene un rango de erosión moderada y una
erosión potencial ligera.
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7.9. Sedimentación
Algoritmo para calcular la Sedimentación.
Alturade cuenca = 5086 m.s.n.m
AREA (hectareas)= 184722.7275
Ps(Ton/ha/año)= 59.65967231
VidaUtil (Años)= 200
Efic.Retencion %= 100
PesoEspecificoNC(Ton/m3)= 1.3 no consolidado
VC(M3)= 4.7396x10^12
SOLUCION
sedimentosen suspensión
SSA (Ton)= 2204099478
sedimentosenarrastre consideramosquelos sedimentosen arrastre son 0
SSA (Ton)= 0
sedimentosaportadostotal enembalse
SAT (Ton)= 2204099478
volumende sedimentos
VM(M3)= 1695461137
ALTURA DE SEDIMENTACION EN PUNTO DE CAPTACION
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H= 1.8 m
7.10. Cálculos de la Estructura Hidráulica
8. DISEÑO DE BOCATOMA
9. DISEÑO DE CURVA DE AFORO PARA CANAL DE CONDUCCIONAGUAS
ABAJO
DATOS HIDROLOGICOS
Q max= 624.981 m³/s
Q medio= 7.780 m³/s
Q minimo= 2.000 m³/s
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CAUDAL DE DERIVACION
Este caudal depende de las áreas a irrigar, el proyecto que asimismo será
descrito de la informacion basica:
CULTIVO
AREA
CULTIVADA
Módulo de
riego
Q necesario
(ha) (Lts/seg/há) (Lts/seg)
Maíz 642 1.5 963
Algodón 804 1.5 1206
Maracuya 44.4 0.6 26.64
Mango 3.6 0.6 2.16
Q derivado= 2.198 m³/s
APORTES:
Pérdidas por infiltración 15% Qmáx = 85%
Quebradas 15%
Aguas
subterranea
s 10%
Precipitaciones Pluviales 40%
Total 65% Qmáx
Qmáx =
85% Qmáx + 65 %
Qmáx
Qmáx = 1.5 Qmax. Av.
Qmáx = 937.47 m3/s
Qd = 703.10 m3/s
CALCULO DEL COEFICIENTE DE
RUGOSIDAD "n"
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Las características del cauce son:
1.-
Valor basico de arena para cauce
arenoso 0.014
2.- Grado de Irregularidad Poco irregular 0.005
3.-
Variación de la Sección transversal:
Variaciones ocasionales 0.005
4.- Obstrucciones formado por arrastre de raíces Poca 0.010
5.- Vegetación: Poca 0.005
TOTAL 0.039
n = 0.039
CALCULO DE
"s"
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El calculo de la pendiente se ha producido en el perfil longitudinal, esta pendiente esta
comprendida entre los tramos del kilometraje.
Ancho de plantilla (B)
= 26.00 m
Talud (Z)
= 1.5
s
= 0.01600
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La transición que unirá el canal dirigido al barraje con y el canal de encauzamiento es
Lt=19m
CALCULO DE CAPTACION
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Calculo de borde Libre .
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El diseño del canal de conducción será:
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El borde Libre será
Las dimensiones del canal será:
La transición que unirá el canal de captación y el canal de conducción es Lt=2.7m
BARRAJE MIXTO
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LONGITUD DEL BARRAJE FIJO Y DEL BARRAJE MOVIL
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DIMENSIONES REALES DEL CANAL DE LIMPIA Y BARRAJE FIJO
10. CONCLUSIONES
Las precipitaciones en la cuenca en estudio: Precipitación media de 48.08mm la
precipitación anual es de 149.14mm fueron obtenidas por cuatro distribuciones. La
pérdida de suelo generado en la cuenca de estudio haciende a 59.7
toneladas/hectárea/Año, este valor es estimado ya que la cuenca está sometida a un
fuerte proceso erosivo que puede atribuirse a características geomorfológicas, eventos
históricos, cobertura vegetal en la parte del valle y suelos altamente erosionables. La
producción estimada de sedimentos en el punto de captación asciende a 1.8 m en un
periodo de 200 años, por lo cual el diseño final del de la estructura asciende a 2.90m
de altura.
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11. RECOMENDACIONES
Sobre la base de los resultados obtenidos, en la producción estimada de la cuenca del
rio Chancay Huaral, sería conveniente realizar estudios específicos en las subcuencas,
debido a la importancia de la cuenca y a la superficie extensa de la misma.
La cuencaestá sometida a procesos erosivos, para una futura mitigación se recomienda
realizar estudios más detallados en las áreas de mayor erosión, para la realización de
propuestas de control erosivo ya que en la cuenca Chancay Huaral se cultivan distintos
productos para su comercialización.
3.3. BIBLIOGRAFIA
TEMES, José. 1978: “Cálculo Hidrométrico de Caudales Máximos en Pequeñas
Cuencas Naturales”. Ministerio de Obras Públicas y Urbanismo. Madrid. 113p.
HERAS, Rafael. 1983. “Recursos Hídricos, Síntesis, Metodología y Normas”.
Madrid. 361 p.
QUITANILLA. Marlene: “Producción Hídrica y de sedimentos en la Cuenca del
rio Caine del departamento de Cochabamba”
CORTOLIMA. Perdida de suelos (USLE - MUSLE)
SENAMHI. 2006. Red Digital de Estaciones Meteorológicas de la Cuenca
Chancay – Huaral.
INDECI PNUD PER/02/051.2007. Expediente Técnico: “Ciudades sostenibles –
Ciudad de Chancay”.
SENAMHI. 2015.” Impacto del cambio Socio – Económico y climático en la
gestión de recursos hídricos- Cuenca del rio Chancay – Huaral”
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