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Captación de aguas

MANUAL DE CAPTACIÓN DE AGUAS

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CAPTACION DE AGUA
MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 1
CAPITULO 4.
CAPTACIÓN DE AGUAS
CAPTACION DE AGUA
MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 2
CAPITULO 4. CAPTACIÓN DE AGUAS
Pág.
4.1- La Captación del agua 3
4.2- Captación superficial 10
4.2.1- Presas 11
4.2.2- Tipología de presas 11
4.2.3- Diseño de la presa 20
4.2.4- Desagües-Aliviadero 29
4.2.5- Datos varios sobre presas 53
4.2.6- Otras obras de captación superficial 57
4.3- Aguas Subterráneas 66
4.3.1 Características de las Aguas Subterráneas 67
4.3.2 Conceptos básicos de Hidrogeología 74
4.3.3 Construcción de Pozos 89
4.3.4 Contaminación del Agua Subterránea 120
CAPTACION DE AGUA
MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 3
4.1- La Captación de Agua
Un sistema de abastecimiento de agua esta formado
esencialmente por: la fuente de agua y su obra de captación, obras de
conducción o transporte, almacenamiento, tratamiento y distribución.
Las fuentes de abastecimiento por lo general deben ser
permanentes y suficientes, cuando no son suficientes se busca la
combinación de otras fuentes de abastecimiento para suplir la demanda o
es necesario su regulación. En cuanto a su presentación en la naturaleza,
pueden ser fuentes superficiales (ríos, lagos, mar) o subterráneas
(acuíferos).
La captación de aguas de fuentes superficiales, sean ríos, lagos e
incluso el mar deben llevar obras de captación adaptadas a las
condiciones y características de la masa de agua a captar.
La regulación de las aguas nos permite disponer de éste en casi
todo momento, sea la estación que sea y sin importar las variaciones de la
demanda. Para lograr la regulación se debe almacenar el agua de
diferentes maneras como: tanques compensadores, presas, etc.
CAPTACION DE AGUA
MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 4
Reseña histórica de las Obras de Captación
El hombre a través del tiempo siempre se ha ingeniado diversos
sistemas para la captación del agua así como para la regulación de
grandes y pequeños caudales motivado por el control y la obtención del
agua. Se han encontrado en excavaciones de ruinas prehistóricas
diversas estructuras de sistemas de abastecimiento de agua. Referencias
bíblicas describen como construyen tanques y se conducía el agua a
ciudades.
En épocas muy remotas en los valles de los ríos Tigris y Eúfrates
se construían lagos artificiales que permitían regular las aguas de las
crecidas de los ríos y almacenarlas para el consumo y riego. Los
mesopotámicos acostumbraban a excavar canales y formar diques con el
material extraído para evitar inundaciones.
En Persia, Palestina, India y China, en época precristiana se
utilizaban pozos para abastecer diversos usos. Además en Persia se
llegaron a excavar pozos entre 25 y 100 metros de profundidad y en china
de hasta 500 metros.
Estudios Previos para el Proyecto de Captación de Aguas
Cuando se va a diseñar una obra de Captación y en general el
sistema de abastecimiento de agua, independientemente de su
proporción, se deben realizar una serie de estudios previos del sitio que
se beneficiará e incluso de sus cercanías. Es necesario investigar todas
las condiciones para lograr obtener un diseño que logre satisfacer todas
las necesidades requeridas de la manera más económica y con el menor
impacto ambiental posible.
Entre los estudios que se deben realizar están:
• Estudios demográficos
• Estudios hidrológicos
• Estudios geológicos y topográficos
• Estudios de las aguas
• Estudios de las obras existentes
• Estudios de impacto ambiental
CAPTACION DE AGUA
MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 5
Estudios demográficos
Se va ha Captar agua para una zona especifica, por lo tanto es
necesario conocer la población a servir y calcular la población futura
según las características de crecimiento y demás estadísticas que se
tengan al respecto. Adicionalmente se debe tener en cuenta los diferentes
usos del agua que se va a captar, variaciones de demanda diaria y anual,
y otros datos socioculturales característicos de la zona para calcular un
caudal de servicio.
El consumo de agua para abastecimiento humano puede tener
cifras muy variables, de hecho es uno de los índices manejados para
definir el grado de desarrollo de las naciones, unas cifras orientativas
podrían estar entre 100 y 300 l/habitante y día.
Estudios hidrológicos
Debe investigarse los datos de caudales máximos y mínimos de la
fuente, sea superficial o subterránea. Recopilándose los aforos, si existen,
y caudales mínimos en épocas de sequía, y en todo caso estudiar la
posibilidad de regulación para satisfacer los requerimientos de consumo,
para lo cual, en el caso de fuentes superficiales, será necesario un
levantamiento topográfico del sitio donde se situaría el embalse.
Para un buen estudio hidrológico se debe contar con una serie de
datos pluviográficos que caractericen la cuenca en cuestión. Las
estaciones hidrológicas de la cuenca y cercanas a ellas deben
proporcionar información acerca de: evaporación, temperatura, humedad
relativa del aire, velocidad y dirección de los vientos, profundidad de ríos
y/o lagos, perfiles transversales, etc. En el caso de Aguas subterránea
debe estudiarse las condiciones de calidad de dichas aguas, el caudal
aprovechable, niveles estáticos y de bombeo y los respectivos estudios
geológicos específicos.
Estudios geológicos y topográficos
Para obras de captación y regulación de gran magnitud como
embalses y tanques de almacenamiento grandes, es importante realizar
estudios geológicos que permitan conocer las condiciones y capacidades
CAPTACION DE AGUA
MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 6
de fundación de los suelos, ya que, el peso de dichas estructuras, el del
agua y su influencia en la resistencia, es considerable.
También en el caso de captaciones de aguas subterráneas es
imprescindible el estudio geológico de la cuenca. Sobretodo la
hidrogeología de la zona en cuanto al tipo de formación y todas las
características hidrogeológicas fundamentales que puedan conocerse
previamente.
Otro objetivo del estudio geológico, así como del geofísico
complementario, es la investigación sobre yacimientos o canteras para
materiales de la presa: áridos para el hormigón, piedra para escollera,
arcillas para núcleos, etc. En cuanto a la topografía se sabe que el terreno
no sólo tiene unas propiedades, sino también unas formas y unas
dimensiones. Es esencial disponer de una buena topografía de cerrada y
embalse.
El plano del embalse para primeros tanteos, puede ser de escala
alta (1/50.000 ó 1/25.000) siempre que su extensión sea importante. Pero
el estudio definitivo, tanto para geología como para la cubicación de su
capacidad, debe ser de una escala no inferior a 1/5.000. Es bastante
usada la 1/2.000, que puede ser algo menor si el embalse es muy grande
y pasar a 1/1.000 cuando es reducido.
La cerrada exige un plano más detallado, pues hay que definir en
ella las obras de la presa y las instalaciones auxiliares necesarias. Para
primeros tanteos podrá bastar un 1/5.000 y desde luego uno a 1/2.000.
Pero para el proyecto definitivo hay que bajar a 1/5.000 o 1/200, según los
casos. Para definir la presa es preciso obtener, además, perfiles
transversales de ella, cuya escala sea algo mayor, 1/200 ó incluso más.
Estos perfiles transversales se pueden obtener primero del taquimétrico a
escala superior, pero una vez replanteada la presa conviene obtenerlos
directamente sobre el terreno.
Estudio del agua
Debería ser el primer estudio que se debe hacer ya que la calidad
de las aguas restringe su uso y condiciona las características del
tratamiento potabilizador posterior. Esta comprendido dentro del estudio
principalmente las características físico químicas y bacteriológicas del
agua que será utilizada para el uso previamente estimado y acorde con
sus características se diseñara el sistema de potabilización que se

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  • 2. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 2 CAPITULO 4. CAPTACIÓN DE AGUAS Pág. 4.1- La Captación del agua 3 4.2- Captación superficial 10 4.2.1- Presas 11 4.2.2- Tipología de presas 11 4.2.3- Diseño de la presa 20 4.2.4- Desagües-Aliviadero 29 4.2.5- Datos varios sobre presas 53 4.2.6- Otras obras de captación superficial 57 4.3- Aguas Subterráneas 66 4.3.1 Características de las Aguas Subterráneas 67 4.3.2 Conceptos básicos de Hidrogeología 74 4.3.3 Construcción de Pozos 89 4.3.4 Contaminación del Agua Subterránea 120
  • 3. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 3 4.1- La Captación de Agua Un sistema de abastecimiento de agua esta formado esencialmente por: la fuente de agua y su obra de captación, obras de conducción o transporte, almacenamiento, tratamiento y distribución. Las fuentes de abastecimiento por lo general deben ser permanentes y suficientes, cuando no son suficientes se busca la combinación de otras fuentes de abastecimiento para suplir la demanda o es necesario su regulación. En cuanto a su presentación en la naturaleza, pueden ser fuentes superficiales (ríos, lagos, mar) o subterráneas (acuíferos). La captación de aguas de fuentes superficiales, sean ríos, lagos e incluso el mar deben llevar obras de captación adaptadas a las condiciones y características de la masa de agua a captar. La regulación de las aguas nos permite disponer de éste en casi todo momento, sea la estación que sea y sin importar las variaciones de la demanda. Para lograr la regulación se debe almacenar el agua de diferentes maneras como: tanques compensadores, presas, etc.
  • 4. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 4 Reseña histórica de las Obras de Captación El hombre a través del tiempo siempre se ha ingeniado diversos sistemas para la captación del agua así como para la regulación de grandes y pequeños caudales motivado por el control y la obtención del agua. Se han encontrado en excavaciones de ruinas prehistóricas diversas estructuras de sistemas de abastecimiento de agua. Referencias bíblicas describen como construyen tanques y se conducía el agua a ciudades. En épocas muy remotas en los valles de los ríos Tigris y Eúfrates se construían lagos artificiales que permitían regular las aguas de las crecidas de los ríos y almacenarlas para el consumo y riego. Los mesopotámicos acostumbraban a excavar canales y formar diques con el material extraído para evitar inundaciones. En Persia, Palestina, India y China, en época precristiana se utilizaban pozos para abastecer diversos usos. Además en Persia se llegaron a excavar pozos entre 25 y 100 metros de profundidad y en china de hasta 500 metros. Estudios Previos para el Proyecto de Captación de Aguas Cuando se va a diseñar una obra de Captación y en general el sistema de abastecimiento de agua, independientemente de su proporción, se deben realizar una serie de estudios previos del sitio que se beneficiará e incluso de sus cercanías. Es necesario investigar todas las condiciones para lograr obtener un diseño que logre satisfacer todas las necesidades requeridas de la manera más económica y con el menor impacto ambiental posible. Entre los estudios que se deben realizar están: • Estudios demográficos • Estudios hidrológicos • Estudios geológicos y topográficos • Estudios de las aguas • Estudios de las obras existentes • Estudios de impacto ambiental
  • 5. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 5 Estudios demográficos Se va ha Captar agua para una zona especifica, por lo tanto es necesario conocer la población a servir y calcular la población futura según las características de crecimiento y demás estadísticas que se tengan al respecto. Adicionalmente se debe tener en cuenta los diferentes usos del agua que se va a captar, variaciones de demanda diaria y anual, y otros datos socioculturales característicos de la zona para calcular un caudal de servicio. El consumo de agua para abastecimiento humano puede tener cifras muy variables, de hecho es uno de los índices manejados para definir el grado de desarrollo de las naciones, unas cifras orientativas podrían estar entre 100 y 300 l/habitante y día. Estudios hidrológicos Debe investigarse los datos de caudales máximos y mínimos de la fuente, sea superficial o subterránea. Recopilándose los aforos, si existen, y caudales mínimos en épocas de sequía, y en todo caso estudiar la posibilidad de regulación para satisfacer los requerimientos de consumo, para lo cual, en el caso de fuentes superficiales, será necesario un levantamiento topográfico del sitio donde se situaría el embalse. Para un buen estudio hidrológico se debe contar con una serie de datos pluviográficos que caractericen la cuenca en cuestión. Las estaciones hidrológicas de la cuenca y cercanas a ellas deben proporcionar información acerca de: evaporación, temperatura, humedad relativa del aire, velocidad y dirección de los vientos, profundidad de ríos y/o lagos, perfiles transversales, etc. En el caso de Aguas subterránea debe estudiarse las condiciones de calidad de dichas aguas, el caudal aprovechable, niveles estáticos y de bombeo y los respectivos estudios geológicos específicos. Estudios geológicos y topográficos Para obras de captación y regulación de gran magnitud como embalses y tanques de almacenamiento grandes, es importante realizar estudios geológicos que permitan conocer las condiciones y capacidades
  • 6. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 6 de fundación de los suelos, ya que, el peso de dichas estructuras, el del agua y su influencia en la resistencia, es considerable. También en el caso de captaciones de aguas subterráneas es imprescindible el estudio geológico de la cuenca. Sobretodo la hidrogeología de la zona en cuanto al tipo de formación y todas las características hidrogeológicas fundamentales que puedan conocerse previamente. Otro objetivo del estudio geológico, así como del geofísico complementario, es la investigación sobre yacimientos o canteras para materiales de la presa: áridos para el hormigón, piedra para escollera, arcillas para núcleos, etc. En cuanto a la topografía se sabe que el terreno no sólo tiene unas propiedades, sino también unas formas y unas dimensiones. Es esencial disponer de una buena topografía de cerrada y embalse. El plano del embalse para primeros tanteos, puede ser de escala alta (1/50.000 ó 1/25.000) siempre que su extensión sea importante. Pero el estudio definitivo, tanto para geología como para la cubicación de su capacidad, debe ser de una escala no inferior a 1/5.000. Es bastante usada la 1/2.000, que puede ser algo menor si el embalse es muy grande y pasar a 1/1.000 cuando es reducido. La cerrada exige un plano más detallado, pues hay que definir en ella las obras de la presa y las instalaciones auxiliares necesarias. Para primeros tanteos podrá bastar un 1/5.000 y desde luego uno a 1/2.000. Pero para el proyecto definitivo hay que bajar a 1/5.000 o 1/200, según los casos. Para definir la presa es preciso obtener, además, perfiles transversales de ella, cuya escala sea algo mayor, 1/200 ó incluso más. Estos perfiles transversales se pueden obtener primero del taquimétrico a escala superior, pero una vez replanteada la presa conviene obtenerlos directamente sobre el terreno. Estudio del agua Debería ser el primer estudio que se debe hacer ya que la calidad de las aguas restringe su uso y condiciona las características del tratamiento potabilizador posterior. Esta comprendido dentro del estudio principalmente las características físico químicas y bacteriológicas del agua que será utilizada para el uso previamente estimado y acorde con sus características se diseñara el sistema de potabilización que se
  • 7. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 7 amerite. Por lo que se tomarán muestras representativas del agua en estudio y se analizaran parámetros tales como: demanda química (DQO) y bioquímica de oxigeno (DBO), sólidos suspendidos, entre otras que se requieran según su uso. Las aguas vertidas a la fuente, aguas arriba del sitio de captación, deben ser verificadas en cuanto a: el tipo de disposición de aguas residuales de las poblaciones, población animal y presencia de industrias que puedan contaminar el agua. Además de registros sanitarios donde se conozcan las estadísticas de las enfermedades de origen hídrico comúnmente registradas en la zona, ocurrencia o no de epidemias. Estudios de las obras existentes Se trate o no de una ampliación, el estudio de la influencia o impacto de la obra nueva y las ya existentes es importante. En fuentes superficiales las obras o sistemas de abastecimiento, captación o regulación construidas aguas abajo son susceptibles a los cambios hidráulicos que afecten a la fuente. Por ello se deberá realizar un estudio que puede incluir información hidráulica, geológica y toda la que se amerite importante que pueda influir en el funcionamiento de la obra existente. En muchos de los casos el caudal aprovechable es limitado por los requerimientos de caudal en la misma cuenca pero en diferentes partes de esta. Estudios de impacto ambiental El impacto ambiental de una obra de captación de agua es inminente, por lo tanto un buen estudio de la influencia ambiental de la obra es imprescindible para poder reducir el daño. Como se sabe, en embalses es retenido gran cantidad de sedimento que serviría de alimento para las especies aguas abajo, se corta la comunicación de especies en el rió donde se sitúa la presa, la flora que queda sumergida se descompone lentamente, dependiendo de la explotación y regulación del efluente podría reducirse el caudal ecológico del rió, etc.
  • 8. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 8 Ciclo hidrológico El agua en la naturaleza se presenta en los estados líquido, sólido y gaseoso. El paso del agua a través de dichos estados, en la naturaleza, es lo que se denomina el ciclo hidrológico. El agua en estado gaseoso se encuentra en la atmósfera a todos lo niveles o cotas, tanto en el aire que nos rodea como en los acumulados en los niveles superiores e intermedios de la atmósfera, formando acumulaciones visibles llamadas nubes o niebla. El agua en estado sólido se presenta en la naturaleza de dos maneras, en precipitaciones bien sea en forma de nieve o granizo, y en capas de hielo en glaciares, etc. El agua en estado liquido es la forma mas abundante en la que se presenta y puede encontrarse en el mar, ríos, lagos y pozos. La transformación (cambios de fase) del agua de un estado a otro se realiza espontáneamente como consecuencia de los fenómenos físicos. Precisamente los cambios de fase son los determinantes del movimiento del agua y la emergía solar junto con las fuerzas gravitatorias los responsables de dichos cambios. Por tratarse de un ciclo no tiene principio ni fin, sin embargo, el ciclo hidrológico lo podríamos comenzar en la atmósfera, el agua en estado gaseoso en forma de vapor de agua, al condensarse pasaría a la fase líquida o sólida según las condiciones, precipitando una parte sobre las aguas oceánicas y continentales y el resto en la superficie del terreno. De toda el agua que precipita una parte de ésta pasaría nuevamente al estado gaseoso por medio de la evaporación, otra parte circularía por los ríos uniéndose a la escorrentía superficial y el resto se infiltraría en el terreno. Simultáneamente a esta misma agua que precipitó le suceden una serie de fenómenos que se describen a continuación: Por un lado el agua que circula por los ríos no escapa a la evaporación en su trayectoria, también puede infiltrar al suelo uniéndose con mas agua que en su camino, puede ser interceptada por la vegetación, así como ser retenida en depresiones del suelo. Dicha agua junto con una porción del agua que se infiltra es retenida por la vegetación y luego sufriría el fenómeno de la evapotranspiración. Se dice que mas de la mitad del agua que infiltra es retenida en el suelo hasta que se devuelve a la atmósfera por
  • 9. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 9 evapotranspiración, el resto del agua percolará y se moverá o almacenará como agua subterránea.
  • 10. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 10 4.2. Captación de aguas superficiales Embalses La fuente superficial de agua en lo posible debe satisfacer la demanda a lo largo del año así como de satisfacer otros requisitos adicionales como producción hidroeléctrica y prevención de inundaciones. Para lograrlo es necesario interponer una barrera artificial, llamada Presa o Dique, en un sitio adecuado en el curso del río que permita retener y regular el agua a los límites deseados para los fines de diseño. A la masa de agua retenida por la presa se le denomina Embalse. Los embalses deben ser capaces de almacenar en la época de lluvia agua suficiente para compensar el déficit que se producen en épocas de sequía y adicionalmente almacenar agua de años de producción pluvial abundante. Tipos de Embalses Se pueden clasificar según su función principal en: • Almacenaje de Conservación: Tiene como objetivo retener el agua excedente de los días lluviosos para disponer de este en épocas de insuficiente caudal para satisfacer las demandas, bien sea, de riego, abastecimiento domestico e industrial, y producción de energía. • Almacenaje para control de inundaciones: en este caso el almacenamiento no es aprovechado para consumo, sino que el agua producto de crecidas es retenida para su descarga regularizada.
  • 11. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 11 • Almacenamiento Mixto: el embalse en este caso permite regularizar las aguas para satisfacer la demanda y adicionalmente regular las crecidas. 4.2.1 Presas Como se dijo anteriormente la presa es la obra civil de intercepción de un río, la cual crea un tapón en la cavidad geológica permitiendo que el agua se acumule y regule según se desee. Una presa es una estructura que tiene por objeto contener el agua en un cauce natural con dos fines, alternativos o simultáneos, según los casos: - Elevar su nivel para que pueda derivarse por una conducción (creación de altura). - Formar un depósito que retenga los excedentes para suministrar un suplemento en los períodos de escasez (creación de embalse) o para amortiguar (laminar) las puntas de las crecidas. 4.2.2 Tipología de presas Con la mención de cada tipo se acompaña la sigla normalizada por la ICOLD (International Commision on Large Dams), formada por dos letras, iniciales en francés e inglés del tipo.
  • 12. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 12 Tierra (TE) Escollera (ER) Gravedad (PG) Contrafuertes (CB) Bóvedas múltiples (MV) Bóveda (Arco) (VA) Móviles (BM) Los diversos tipos de presas responden a las variadas formas de cumplir la doble exigencia de resistir el empuje del agua y evacuar los caudales sobrantes. Adicionalmente se debe adaptar el proyecto a otras características particulares de cada obra, para así dar una serie de condicionantes que llevan a la elección del tipo más adecuado. De allí las siguientes condiciones para la clasificación: 1- En cuanto a la situación del aliviadero, éste puede estar: - Sobre la misma presa (presas vertedero). - Independiente de ella. 2- Respecto a la forma de resistir los esfuerzos externos e internos (hidrostático, supresión etc.), las presas pueden ser: - De gravedad - En arco. 3- Las presas de gravedad pueden ser, a su vez: - Macizas - Aligeradas. 4- En atención al material empleado, las presas pueden ser: - De fábrica (hormigón) - De materiales sueltos.
  • 13. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 13 Presas de Arco (MV y VA) Las presas de arco son presas curvas que transmiten horizontalmente sobre los estribos la mayor parte de las cargas, que sobre ellas actúan. El material empleado en su construcción es el hormigón ciclópeo armado. Las características principales que clasifican estas presas son: curvatura (interiores y exteriores) simetría con relación a la corona de la presa y con respecto a los espesores adoptados para ellas. Clasificándolas en: Presas en arco de espesor constante o variable. Presas en arco, simétricas o no simétricas. Presas en arco, simples o compuestas. Presas en arco de radio constante o variable. Las presas de arco de radio constante tienen generalmente su cara interna vertical; las presas de gran elevación tienden a incrementar el radio de curvatura de la cara exterior inferior. Usualmente a la cara interna le decrece su radio a medida que la profundidad aumenta, con el objeto de absorber mejor los incrementos de presión hidrostática, ya que tal arreglo aumenta el espesor del arco. En las presas de radio variable, las curvaturas internas y externas tienen radio decreciente a medida que aumenta la profundidad por debajo de la cresta. Un paso más rotundo en el empleo de una mejor forma resistente lleva a utilizar el arco. Esta es la forma resistente por excelencia, pues no sólo resulta muy adecuada para las cargas, sino que además, se adapta a resistir una gran variedad de cargas, lo que garantiza la seguridad ante eventuales imprevistos. Además la economía de volumen puede ser notable y muy superior a la de las presas de contrafuertes. La forma en arco exige unas determinadas condiciones topográficas y geológicas de la cerrada, que limitan su empleo. Hay un tipo intermedio entre las presas arco y las de gravedad llamado arco gravedad. Estas presas tienen menor curvatura, por lo que es insuficiente para resistir el empuje por sí sola, y hay que dar a la presa un cierto peso para complementar ese defecto.
  • 14. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 14 Un tipo mixto es el de bóvedas múltiples, formado por una serie de contrafuertes equidistantes de sección rectangular y unas bóvedas que apoyan sobre ellos. Estas son las que reciben el empuje y lo transmiten a los contrafuertes, que han de resistir el empuje total entre dos de ellos. Las bóvedas, al tener luces uniformes, pueden simplificarse en sus formas y encofrados. Este tipo viene a ser análogo al de contrafuertes, sustituyendo la pantalla o las cabezas entre éstos por bóvedas, que permiten mayor separación y menor volumen. Pero la ligereza excesiva no siempre es más barata y puede ser perjudicial, por lo que este tipo es poco frecuente. Presas de gravedad (PG y CB ) Presas macizas suelen consistir en un perfil triangular con suma de taludes del orden de 0,75 a 0,80 (horizontal/altura) y algo más en terrenos difíciles o de alta sismicidad, pero raramente superior a 0,95. Al triángulo se le superpone un trapecio, para el paso de coronación y para dejar un resguardo sobre el nivel máximo del embalse.
  • 15. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 15 Las aligeradas pretenden emplear mejor el material, lo que parece contradictorio con la necesidad de tener un peso estabilizador. Para equilibrar el peso que se quita con el aligeramiento, se le da un talud aguas arriba para disponer del peso adicional del prisma de agua que gravita sobre él. Además, se distribuye la masa de hormigón de forma que se logre un mayor momento de inercia en la sección horizontal. Los aligeramientos pueden ser de varios tipos: verticales y transversales a ala coronación, que convierten a las secciones horizontales en T o doble T (contrafuerte, las mas usuales); u horizontales y paralelas a la coronación, en forma de una o mas galerías de cierto tamaño. Presas de materiales sueltos (ER y TE) Estas presas, muy usadas en tiempos pasados, se mantienen aun en el presente gracias a la mecánica de suelos, que ha encontrado las causas por las cuales muchas de ellas han fallado. Los materiales usados son de todo tipo de detritus y materiales de desintegración de rocas naturales. Por esta razón es importante conocer la geología de la zona para determinar los tipos y volúmenes de tierra que pueden usarse en la construcción de la presa. Las presas de materiales sueltos son de varios tipos formados exclusiva o preferentemente por materiales naturales: piedras, gravas, arenas, limos, arcillas y suelos en general. Cuando el material predominante (>50%) es la piedra gruesa se denominan presas de
  • 16. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 16 escollera, y cuando más del 50% de los materiales son térreos o mezclados con gravas o arenas, se denominan presas o diques de tierras. En general, la denominación genérica es más apropiada, puesto que estas presas suelen estar formadas por varios materiales, cada uno con una función específica, por lo que no se pueden llamar propiamente de tierra o escollera. Estas presas generalmente son más económicas, pero debe tenerse la precaución de que las estructuras de toma, drenaje y rebose deben alejarse suficientemente del pie de la presa para evitar futuras socavaciones. En el diseño de estas presas es necesario considerar: Un estudio que analice la porosidad y permeabilidad del material de la presa (en fundaciones y terraplenes). La estabilidad de las fundaciones Cálculos de estabilidad de los terraplenes Borde libre contra acción de las ondas Protección para las pendientes adoptadas Las presas de tierra están constituidas por una parte centrales de material impermeable y una cubierta exterior de estabilidad, de material mas o menos permeable. Una vez clasificado el tipo de fundación y
  • 17. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 17 sellados los sectores porosos con curas especiales de cemento, bentonita, etc. Se procede a diseñar el cuñero (en caso de asentamiento en roca firme) o el terraplén impermeable o corazón de la presa. A continuación se prosigue con los terraplenes de conservación, generalmente construidos con arena o grava. Para reducir la permeabilidad se acostumbra a recubrirlos con materiales impermeables, tales como cemento, arcilla, material bituminoso, geotextiles etc. Cuando no existe material impermeable en las cercanías de la presa, se puede construir un corazón de concreto u otro material similar. Los materiales de estas presas se emplean casi tal y como se encuentran en la naturaleza, sin más elaboración artificial que una elemental clasificación y un apisonado. Esta simplicidad de empleo, junto con la actual disponibilidad de potentes medios de transporte y compactación, hace que resulten en principio más económicas que las de hormigón; como además son más adaptables a todo tipo de terrenos, no es de extrañar que más de cuatro presas de cada cinco sean de materiales sueltos. La principal desventaja es el vertido del agua sobre ellas, llevaría al arrastre y erosión de los materiales, indefensos por su falta de cohesión. Por ello, los caudales excedentes se vierten por un órgano aparte (aliviadero). Atendiendo a la clase y posición del material impermeabilizante se dan los siguientes tipos: Presas de material uniforme impermeable, o presas homogéneas. Son como las de gravedad de hormigón, en el sentido de que el material resistente es también impermeable. Estas presas son minoritarias por dos razones: porque es menos frecuente encontrar el material adecuado, y porque plantean problemas de estabilidad en cuanto su altura supera los 15 ó 20 m, y precisan entonces un material drenante complementario. Por eso suelen limitarse a alturas moderadas, aunque hay algunas que superan los 100 m. Como el material es uniforme, ha de ser de baja permeabilidad: arcillas o limos, o mezcla de arenas o gravas con alta proporción de finos. En consecuencia, los taludes son bastante tendidos; de 2 H/1 V a 4 H/1 V, según el material Presas de materiales heterogéneos. Son las más frecuentes, y tienen la ventaja de emplear óptimamente los materiales próximos disponibles, distribuyéndolos según sus características. Los materiales
  • 18. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 18 más permeables se usan como elementos estabilizadores, por su peso; los más finos se usan para lograr un núcleo impermeable; otros se utilizan como elementos drenantes o para establecer capas de transición (filtros). El núcleo impermeable suele estar en el centro, en posición vertical o cercana a ella. En otras ocasiones se sitúa inclinado y aguas arriba. Presas con pantalla o diafragma. Cuando no se encuentra cerca de la presa un material impermeable natural (arcillas o limos) hay que acudir a una pantalla artificial impermeabilizadora que se coloca sobre el talud aguas arriba o en el centro del dique (diafragma). Aliviadero Tipos de aliviaderos Aparte de los cuatro tipos genéricos que resultan de la posición, los aliviaderos pueden ser de tres tipos según su régimen hidráulico: - En lámina libre. - En presión. - Mixto (un tramo en presión y otro libre). La mayor parte de los aliviaderos funcionan en régimen libre. Los aliviaderos con conducción totalmente en presión son minoritarios y normalmente necesitan otro complementario, para salvar la rigidez que da el régimen en presión. El régimen mixto suele consistir en un tramo en presión aguas arriba y libre en el resto. Constitución de un aliviadero Ya sea en una u otra posición, un aliviadero consta fundamentalmente de tres partes o tramos sucesivos en el sentido del movimiento del agua: - Una embocadura o toma de agua.
  • 19. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 19 - Una conducción (también llamada rápida cuando es en lámina libre) - El reintegro al cauce. Las embocaduras pueden ser, teniendo en cuenta su posición y régimen hidráulico: - Superficiales, en régimen libre (la mayoría). - Sumergidas, en régimen en presión En cuanto a la posibilidad de control de los caudales, la toma, botadera o vertedero (que son los elementos donde tal control puede hacerse) pueden ser: - Con vertedero de labio fijo (vertido natural automático, sin control voluntario). - Con compuertas (vertido controlado) El reintegro al río puede ser de dos tipos genéricos: - Trampolín lanzador (más usado en aliviaderos independientes) - Cuenco amortiguador (usado normalmente al pie de una presa vertedero).
  • 20. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 20 Los trampolines lanzan el agua a distancia, para alejar la zona de caída y por consiguiente erosión. En los cuencos amortiguadores se utiliza el resalto hidráulico para absorber parte de la energía de la corriente. 4.2.3 Diseño de la presa En el presente capitulo solo se pretende realizar un esquema de las principales consideraciones de diseño de un sistema de captación superficial y sus características. Estudios previos Como toda obra de captación de agua debe ser necesario un amplio estudio previo, sobretodo a nivel hidrológico y geológico, sin restarle importancia a los demás estudios nombrados al comienzo del presente capitulo. Estudio Hidrológico Una vez ubicado el sitio de la presa y conociéndose la configuración y características topográficas de la cuenca, se podrán determinar las secciones horizontales del embalse por medio de planímetros u otros instrumentos, y así determinar los volúmenes de agua embalsadas según la altura. Con estos datos se podrán construir entonces las llamadas curvas de área-elevación y volumen-elevación e hidrógrafos. Entre los datos de estudios previos que se tienen, esta uno muy importante, llamado régimen de escorrentía superficial, el cual permite conocer cuantitativamente los caudales en el tiempo. Todo el conjunto de datos esta mostrado en un gráfico, que nos permite estudiar las variaciones del caudal. La grafica siguiente, presenta la variación del caudal a lo largo de un año, por lo general el tiempo se presenta en días o meses y el caudal en m3 /seg.
  • 21. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 21 La Sedimentación en el embalse Los sólidos que aporta el agua son de dos tipos fundamentales: los de mayor tamaño son arrastrados por el fondo; los más finos quedan en suspensión, mantenidos por la turbulencia. Al entrar en el embalse por una de sus colas, la corriente se encuentra con profundidades y secciones crecientes y sufre un frenado progresivo hasta quedar con una velocidad prácticamente inapreciable (con caudales normales). Al ir disminuyendo la energía cinética, los sólidos del fondo son los primeros que se detienen, al no poder vencer el rozamiento, y quedan depositados en las colas del embalse; los que están en suspensión, al faltarles la componente ascensional de la turbulencia, van cayendo lentamente, todavía mantenidos por las tensiones capilares, primero los granos más pesados, y al final, los más finos. Estos últimos, gracias a su mayor superficie relativa, caen muy lentamente, incluso bastante dentro del embalse: sobre todo, cuando se produce una crecida, el agua lleva mucho material en suspensión, y como el caudal es elevado, la velocidad puede ser suficiente para que los finos lleguen a la misma presa, a cuyo pie puede formarse un depósito; otros finos pueden ser evacuados por el aliviadero. El resultado conjunto de todo este proceso es un progresivo levantamiento del fondo, comenzando por las colas y avanzando hacia la presa, a cuyo pie puede llegar a formarse un depósito muy fino que, de no ser movido por los desagües de fondo, se va consolidando con el tiempo gracias al peso y a la saturación de agua. Los medios de control de la sedimentación en embalses de que podemos disponer hoy día son, en resumen, los siguientes: a) Minimizar la entrada de sedimentos en el embalse mediante: - Programas de conservación de suelo y agua. - Retención de sedimentos aguas arriba (presas de retención o cortinas de vegetación). - Trasvase de las concentraciones altas de sedimentos. b) Minimizar el depósito de sedimentos en el embalse mediante: - Desagües rápidos: pasando las crecidas cargadas de sedimentos a través del embalse, bajando el nivel del agua. - Evacuación de las corrientes de turbiedad.
  • 22. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 22 c) Retirar los depósitos acumulados de sedimentos mediante: - Limpieza a través de los desagües. - Excavación por dragado o con equipos convencionales mecánicos. d) Asumiendo la sedimentación del embalse, compensándolo al: - Mantener la capacidad a largo plazo, recreciendo la presa. - Abandonar el embalse relleno, construyendo nuevos embalses o transvasando el agua a otra parte del sistema hidráulico. La Presa Como Estructura Como veremos la magnitud del empuje hidrostático es de gran cantidad y muy superior a las sobrecargas que soportan otras construcciones (puentes, edificios, etc.), lo que hace a la presa una estructura de especial exigencia resistente. Otra particularidad del agua como sobrecarga es que no sólo empuja, sino que penetra por cualquier intersticio, lo que se traduce no sólo en problemas de impermeabilidad, sino incluso en presiones internas que dan lugar a otras sobrecargas de gran intensidad y desfavorablemente situadas. Las solicitaciones que actúan sobre una presa son las siguientes: 1) Peso propio. 2) Empuje hidrostático. 3) Presión intersticial y subpresión. 4) Efectos térmicos. 5) Seísmos. 6) Empuje de sedimentos.
  • 23. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 23 7) Oleaje. 8) Empuje del hielo. Las cinco primeros son destacadamente las de mayor importancia y las que más influyen en las dimensiones y seguridad de la presa; las otras tres son de efecto muy secundario, en general. A todas ellas hay que añadir la reacciones del terreno, que han de equilibrarlas. 1- Peso Propio El peso depende de la forma y dimensiones de la presa y del peso específico de los materiales. La forma y dimensiones se definen en el proyecto, pero la profundidad de cimentación puede variar al hacer la obra, y con ella el peso propio. En cuanto al otro componente (peso específico) hay que distinguir si se trata de hormigón o de materiales sueltos. 2- Empuje Hidrostático Es la fuerza activa fundamental en una presa. En una sección transversal a ella tiene dos componentes, horizontal (H) y vertical (V), siendo la primera la más importante en las presas de hormigón, y la segunda en las de materiales sueltos, en general.
  • 24. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 24 El empuje del agua está siempre bien definido por condiciones geométricas muy simples, que se exponen en la gráfica. La presión del agua sobre una superficie es normal a ella, y su efecto equivale al peso de la columna líquida de sección unidad que gravita sobre cada punto. La componente H es la misma que tendría la presa si tuviera un paramento vertical, y su ley es triangular, con resultante situada a las 2/3 de la profundidad total; por tanto, una presa tiene siempre el mismo empuje horizontal cualquiera que sea la forma de su paramento. La componente vertical V es el peso del prisma de agua que gravita sobre el paramento. El máximo efecto del empuje hidrostático se da, evidentemente, para el nivel máximo del embalse, y por ello habrá que evaluarlo para el máximo nivel normal de explotación (NMN) y para los máximos en crecidas (NAP y NAE, que se definen después). La sección transversal de una presa de gravedad consiste fundamentalmente en un triángulo rematado por un trapecio menor que sirve de coronación y para el paso de peatones o vehículos. El vértice del triángulo suele coincidir con el nivel para la avenida de proyecto (NAP), para asegurar la estabilidad en el caso más desfavorable. De esta forma, el nivel máximo normal de explotación (NMN) queda por debajo del vértice, con menor empuje hidrostático. En algunas presas, sin embargo, el vértice puede quedar a un nivel inferior al de crecidas (pero nunca inferior al normal) con tal de que se compruebe para aquel nivel. 3- Filtración. Presión Intersticial Al estar la presa en inmediato contacto con el agua del embalse, ésta se filtra a través de sus huecos, grietas y poros, y como consecuencia se producen los siguientes efectos: - Una pérdida de agua por filtración. - Un posible arrastre de material fino por el agua filtrada. - Unas presiones hidrostáticas en el interior de la presa que se añaden al sistema tensional debido a las fuerzas exteriores.
  • 25. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 25 Estos efectos son más marcados en las presas de materiales sueltos, pero también se dan en las de hormigón, aunque con otras modalidades. El primero sería solamente económico si no llevara consigo el segundo, que es de fundamental importancia en las presas de materiales sueltos, por el peligro de desintegración interna progresiva. En cuanto a las presiones internas, son mecánicamente desestabilizadoras, porque sus componentes verticales hacia arriba se oponen al peso. Cuando el agua filtra a través de un dique permeable, se forma en su interior una red ortogonal de líneas: las de corriente, que marcan las trayectorias de las partículas de agua, y las equipotenciales. El paso de la línea de corriente de una equipotencial a la siguiente señala la pérdida de carga producida en el recorrido por el rozamiento con las partículas sólidas. La línea de corriente superior es la línea de saturación; por debajo de ella todo el dique está sometido a presiones intersticiales; sobre ella no hay corriente, ni agua. En las presas pequeñas o medias se siguen usando las galerías de dimensiones reducidas, así como en las bóvedas, por su menor espesor; en estas últimas pueden ser indicadas las formas ovales, que distorsionan menos las tensiones. En las mayores hay tendencia hacia las formas rectas, más simples, incluso sin bóveda, armando el dintel y, a veces, toda la sección. Los drenes se insertan en las galerías en su pared aguas arriba, normalmente, pero algunos prefieren hacerlo en clave. Así se ven y se limpian mejor, pero suelen ser más molestos, porque el agua cae sobre los vigilantes; este inconveniente se puede paliar con una manguera o tubo que la desvía.
  • 26. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 26 4- Efectos térmicos y de fraguado Estos efectos sólo afectan a las presas de hormigón. El segundo, por razones obvias, y el primero porque los cambios de volumen debidos a las variaciones de temperatura no operan más que en estructuras cuya dilatación o contracción está coaccionada. La deformabilidad y la baja o nula cohesión de las presas de materiales sueltos minimizan o anulan esos efectos; y por otra parte, sus grandes espesores y la baja transmisibilidad térmica amortiguan considerablemente la penetración de las variaciones de la temperatura ambiental al interior de la presa. 5- Seísmos Las acciones analizadas hasta ahora actúan sobre todas las presas de forma continua, variable o con cierta periodicidad, aunque en ocasiones (como la temperatura en presas de materiales sueltos) no causen efectos apreciables. Las solicitaciones que vamos a considerar ahora sólo se dan en ciertos lugares (sismos, hielo), etc. Y, salvo los sismos, sus efectos son generalmente de poca importancia frente a las solicitaciones estudiadas hasta aquí. Un movimiento sísmico produce tres efectos en la presa: - La oscilación del terreno de apoyo se transmite a la base y estribos de la presa y produce en ella unas tensiones suplementarias. - Los desplazamientos de la presa por este motivo actúan sobre el agua del embalse lo que, por reacción, da lugar a un empuje suplementario sobre el paramento. - Aumento de la presión intersticial en suelos saturados. Aparte de estos efectos, el seísmo podría provocar directamente una onda en el mismo embalse, con el consiguiente impacto sobre la presa e, incluso, eventual desbordamiento sobre ella. Sin embargo, este efecto no suele considerarse, salvo en zonas donde se presuma como probable, y entonces es necesario hacer un estudio particular. La oscilación equivale a una fuerza aplicada al centro de gravedad de la presa con componente horizontal equivalente al peso por un coeficiente β, y vertical mitad de la horizontal y aplicada a mismo punto, y dirigida hacia arriba en el efecto más desfavorable. Esas dos componentes equivalen a
  • 27. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 27 aumentar el empuje hidrostático y disminuir el peso (levitación), con efectos mutuos desestabilizantes. Para seísmos medios 0,05 ≤ β ≤ 0,10. Aparte de estos fenómenos naturales, la misma presa puede provocar micro sismos o incluso movimientos más sensibles, porque el agua del embalse, con su peso, altera el estado de cargas del terreno. Esto se ha observado en embalses de cierta entidad, por encima de 100 m de profundidad y cierta extensión. 6- Empuje de sedimentos Al quedar remansada el agua en el embalse, los sólidos que lleva en suspensión se van depositando lentamente en el fondo. Al cabo del tiempo (en general, varios años) el depósito formado al pie de la presa puede alcanzar en algunos casos cierta importancia, y dar un empuje que se suma al del agua. Dado que ese efecto se concentra en la parte baja, su magnitud y momento son bastante menores que los hidrostáticos. Para estimar el empuje de los sedimentos sobre la presa no son adecuadas las fórmulas del empuje sobre un muro, porque parten del supuesto de que éste se desplaza bajo su acción, mientras que una presa es muy rígida, por lo que el empuje real puede ser mayor. El empuje activo de los sedimentos sobre el paramento puede calcularse según una ley triangular de la presión Ps: Ps = γ · hs · Ka Siendo γ el peso específico del material –sin agua, pues ésta ya viene incluida en el empuje hidrostático-, hs la altura del sedimento sobre el punto considerado (m) y Ka un coeficiente que depende de la constitución del sedimento. 7- Oleaje El viento, al actuar con cierta intensidad y continuidad sobre la superficie del embalse, produce olas de mayor o menor altura, que impactan sobre el paramento. Además, si la altura de la ola fuera suficiente, podría sobrepasar el nivel de coronación y verter sobre la presa, lo que sería grave en el caso de presas de materiales sueltos.
  • 28. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 28 Este último suele ser el principal efecto a tener en cuenta, pues los empujes dinámicos son en general de menor entidad. Para evitar el eventual vertido, la coronación se sitúa a una cierta altura o resguardo sobre el nivel máximo previsible del embalse en crecidas, pues durante éstas son frecuentes los vientos fuertes y persistentes. Para evitar los salpicones de las olas, se coloca en algunas presas un murete protector en el lado aguas arriba de la coronación. 8- Empuje Del Hielo Al solidificarse el agua aumenta su volumen un 10 %. Si en el embalse llega a formarse una capa continua entre la presa y las orillas, la dilatación coaccionada por éstas dará un empuje sobre la presa. Si el espesor no es suficiente, la compresión producirá el pandeo de la capa y no habrá empuje sobre la presa. La consideración de este empuje puede limitarse a los casos en que sea previsible la formación de una capa de más de 20 cm de espesor y –se sobre entiende- continua, no en bloques aislados, que no empujan. En caso positivo se tomará una presión horizontal equivalente a 10 t/m2 (1 kg/cm2) sobre la proyección vertical del área de contacto del hielo con el paramento. Cuando éste sea muy tendido, o las laderas próximas a la presa tengan pendientes moderadas, se podrá aplicar un coeficiente de reducción, puesto que el hielo podrá deslizar en el contacto y reducir su empuje. Condiciones de asiento de la presa y del embalse Las condiciones que deben cumplir el terreno de asiento de la presa y el del embalse son las siguientes: - El cimiento y los estribos de la presa deben ser capaces de resistir las cargas transmitidas por ésta. - El terreno cubierto por el embalse ha de ser impermeable. Como esta cualidad no es absoluta, debe entenderse en el sentido de que las eventuales pérdidas de agua queden limitadas a una cantidad que no perjudique el almacenamiento ni produzca presiones intersticiales peligrosas para la resistencia o estabilidad del embalse o de la presa.
  • 29. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 29 Consideraciones de diseño en presas de materiales sueltos Los taludes son bastante tendidos: del orden de 1,5 a 2,0 (horizontal/vertical) en escollera, y 2,5 a 5,0 (o más) en tierras. El mayor volumen respecto a las de hormigón viene compensado por la gran facilidad de obtención y colocación del material, por lo que con frecuencia resultan más económicas que las de fábrica. En cuanto al aliviadero, las presas de materiales sueltos lo tienen aparte, en principio, debido a la debilidad de los materiales, que no son capaces de resistir la acción erosiva del agua en movimiento. Obras Auxiliares en Embalses Principalmente las obras auxiliares o complementarias en embalses son de descarga o de tomas. Las estructuras de salidas son las que nos permiten controlar el flujo y volumen del agua, mientras que, las obras de toma permiten obtener el caudal para abastecimiento o riego y a la vez puede permitir controlar también los niveles de agua. 4.2.4 Desagües-Aliviadero El aliviadero es la obra más propiamente hidráulica de la presa. Ésta, más que hidráulica, podríamos decir que es hidrostática, pues su función estructural respecto al agua es pasiva, de resistencia. El aliviadero es hidráulico en el sentido más puro y amplio, pues su misión es derivar y transportar el agua sobrante y amortiguar su energía al reintegrarla al cauce para evitar perjuicios a la propia presa y a los bienes y personas aguas abajo. En los aliviaderos se presentan todos los problemas de la hidráulica y con la máxima intensidad, por lo que son quizá las obras más eminentemente hidráulicas. La concepción y proyecto de los aliviaderos de una presa plantea estos problemas fundamentales: Evaluación de la avenida máxima previsible
  • 30. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 30 Características del conjunto embalse-aliviadero-cauce aguas abajo más adecuadas para hacer frente a dicha crecida y otras más frecuentes Reparto de caudales a evacuar entre los distintos aliviaderos: de superficie, de fondo y profundos (si es el caso) Tipo idóneo para cada uno de estos aliviaderos Partes componentes de un aliviadero La embocadura o toma de agua ha de tener la forma y dimensiones adecuadas para derivar el caudal de proyecto. Es la embocadura donde se plantea el problema de hallar una solución de compromiso para hacer frente a crecidas catastróficas sin sobredimensionar en exceso el aliviadero. La conducción o rápida cumple una función de mero transporte desde la embocadura a la obra de restitución al río. Para cumplir con la máxima economía, se proyecta de manera que el agua lleve una elevada velocidad. La consiguiente pérdida de carga no importa, e incluso es favorable, puesto que la corriente tiene una gran cantidad de energía que hay que amortiguarla al final, por lo que la que se pierde en la conducción se resta a la obra de restitución. Los problemas de la rápida provienen de las altas velocidades, cuya pérdida de energía consiguiente es a costa de la erosión del revestimiento. La obra de restitución tiene una misión complementaria y contraria a la toma: devolver al río el caudal derivado por ésta. Pero así como la embocadura el ingreso se hace en un régimen tranquilo la obra de reintegro recibe el agua de la conducción con gran velocidad y energía que hay que amortiguar en lo posible para que no produzca erosiones perjudiciales al cauce y a la propia obra de restitución o, acaso, a la misma presa.
  • 31. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 31 Aliviadero en lámina libre En la figura se esquematiza el perfil axial de un aliviadero con sus líneas características de energía (estática y dinámica), nivel de agua y solera. Se marcan también los tramos constituyentes comentados al principio del capítulo. La embocadura está constituida por un vertedero que cumple una doble función: fijar con su umbral el nivel de entrada al aliviadero y su capacidad de desagüe según el nivel del embalse; y formar una sección crítica fija lo más próxima posible a éste. A continuación, sigue un tramo CB de fuerte pendiente (tramo de aceleración) que sirve para aumentar rápidamente la velocidad y alejarla de la crítica. Al final de este tramo comienza otro BD más o menos largo de sección constante (en general), que termina en un trampolín de lanzamiento del agua al río a cierta distancia aguas debajo de la presa (DF). Este esquema es el más general, pero puede tener variantes condicionadas por la topografía. A los efectos de funcionamiento hidráulico es indiferente de la conducción desde B a D sea un canal abierto o en túnel, siempre que se asegure la ventilación para el mantenimiento de la superficie libre.
  • 32. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 32 En la figura, la altura entre las líneas de referencia (que se tome coincidente con el nivel del río en G) y la línea de energía estática marca la energía que se disipaba en el cauce, antes de construirse la presa, entre la cola del embalse y el punto de restitución. Esa energía ha de disiparse ahora a lo largo del aliviadero (por pérdida de carga) y principalmente en la zona G de restitución. La pérdida de carga va acumulándose a lo largo del recorrido, y por eso la línea de energía efectiva va descendiendo proporcionalmente a v2 por metro lineal. En el tramo de aceleración la distancia entre las líneas de agua y de energía efectiva, que es v2 /2g, va aumentando; en el tramo de sección uniforme las líneas de energía efectiva, de agua y de solera son paralelas. Al final está el trampolín DF que lanza el agua al cauce. Ahora, para completar la visión hidráulica del conjunto de aliviadero, se señala que la sección F de lanzamiento queda una energía residual. F1F0 = zF + yF + vf2 /2g En la que se incluye la de posición zF = F0F debida al desnivel del borde del trampolín sobre el cauce. Esa energía residual se devuelve a éste, y ha de consumirse en él causando erosiones hasta que la forma del cauce se estabiliza en una nueva posición, como se verá. Quede aquí consignada su gran importancia, pues su magnitud es todavía una proporción notable del desnivel total H (bastante más de la mitad, en general). La energía devuelta al río puede aminorarse sustituyendo el trampolín por un cuenco amortiguador, de lo cual se hablara mas adelante. Definición del perfil del aliviadero Como se ha dicho, conviene que la velocidad en el tramo final sea la mayor posible y que se alcance cuanto antes para minimizar las secciones y el coste. El límite de velocidad alcanzable viene dado por la energía cinética restante al final de la conducción D, que es:
  • 33. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 33 VD 2 / 2g = H – DD0 – yD - ∆HD H = desnivel bruto entre el embalse y el río, que es un dato independiente de las dimensiones del aliviadero DD0 = altura de la solera sobre el río del final de la conducción; esa altura es necesaria para evitar el anegamiento del trampolín, así como para favorecer la mayor distancia de caída del agua. YD = altura de la lámina de agua ∆HD = pérdida de carga al final de la conducción. Al empezar a proyectar sólo se conoce el caudal Q y el desnivel total H; las otras magnitudes dependen de las secciones adoptadas a través de formular hidráulicas, por lo que es preciso proceder por tanteos. Se comienza por fijar DD0; del desnivel restante DD2 sólo una parte de dD1 se convierte en velocidad. Empezando con un valor arbitrario (por ejemplo dD1 = 0.7 DD2) se halla v = gdD2 y con esa velocidad se determina la sección (cuyas formas y proporciones habremos decidido antes por consideraciones hidráulicas y constructivas) y la pérdida de carga por metro lineal; multiplicándola por la longitud horizontal Ad, se obtiene la pérdida de carga total D1D2. En realidad, esto sólo sería correcto entre B y D, que tiene sección uniforme, pero en los primeros tanteos puede admitirse que la pérdida media en el tramo inclinado CB (de sección variable) es la misma que en el resto, tomando la longitud horizontal en vez de la inclinada, para compensar. La pérdida de carga obtenida no coincidirá con la disponible D1D2; la desviación indicará en qué sentido hay que rectificar la sección, y así sucesivamente, hasta obtener un resultado aceptablemente concordante. El resultado definitivo sólo se tendrá cuando hayan quedado definitivamente fijados el tramo de aceleración, la toma y la altura inicial del trampolín DD0. Entonces se calcularán las pérdidas de carga y alturas de agua en el tramo variable; pueden tomarse en los puntos extremos (y otro intermedio, si fuera largo) e integrar ponderadamente. Para los primeros tanteos puede emplearse la fórmula de Manning: V = (R2/3 I1/2 )/n o I = (n2 v2 )/R4/3
  • 34. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 34 R = radio hidráulico (sección dividida por perímetro mojado) I = Pérdida de carga (m/m) n = coeficiente de rugosidad (debe tomarse para hormigón usado, entre 0.013 (1/77) y 0.016 (1/62) El tramo de régimen uniforme BD debería tener teóricamente una pendiente igual a la perdida de carga por m.l., pero en la práctica el coeficiente de rugosidad no se conoce con precisión, por lo que conviene tomar el valor mas alto de éste al objeto de que la diferencia, si la hubiere, lleve mas bien a acelerar la corriente y no lo contrario. Aliviadero con vertedero lateral En el tipo hasta ahora estudiado el agua ingresa en el aliviadero en dirección longitudinal, pero hay otro en el que agua entra en direccional normal o casi normal al resto de la conducción. En la figura se ve un esquema de la sección transversal del vertedero, que es variable en ancho y profundidad, como se deduce de la planta y del perfil longitudinal. La esencia del movimiento es la siguiente: se forma un rodillo de eje horizontal que, unido al movimiento general de arrastre de la corriente hacia la conducción, produce un movimiento helicoidal que complica el problema hidráulico, exigiendo siempre, salvo en aliviaderos de poca importancia, un modelo reducido.
  • 35. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 35 Aliviaderos en presión La mayoría de los aliviaderos son de lámina libre, sin embargo existen también los aliviaderos que trabajan a presión. La figura es el esquema tipológico y de funcionamiento hidráulico de un aliviadero con toda su longitud en presión. En este caso, el teorema de Bernoulli da en una sección cualquiera: H - ∆H = v2 /2g + p + d + z = h + z
  • 36. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 36 P es la presión sobre calve, d el diámetro o altura del túnel; p + d es la presión sobre la solera; h la energía específica efectiva en la sección. El aliviadero esta constituido por una cámara después del vertedero que permite hacer el paso de régimen libre al de presión; sigue después una bocina que es equivalente al tramo de aceleración y el tramo final de sección constante que desemboca en el trampolín. Condiciones en la boca de salida y funcionamiento con distintos caudales (aliviadero a presión) Si a la salida D del túnel no hay ningún obstáculo a la corriente, el agua tiene en clave la presión atmosférica, con un esquema de funcionamiento como el de la figura. En un trecho de cierta longitud DD1 la presión del túnel será próxima a cero, lo que se opone a lo ya reiterado de que el régimen en presión debe ser bien definido, y si se precisa una transición, debe ser rápida y en un tramo lo más corto posible. La transición del régimen forzado al de lámina libre ha de ocurrir en D, pero la prolongación de un régimen casi indeciso en una longitud DD1 es indeseable, pues puede dar lugar a oscilaciones de contacto y despegue de la lámina respecto a la clave.
  • 37. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 37 Para hacer rápida la transición puede hacerse una boquilla que haga pasar la sección normal D a otra algo menor D0 en la misma salida, con lo que en D0 se tendrá la presión atmosférica, pero en D habrá una presión P = (v0 2 – v2 )/2g. De esta manera se asegura una presión mínima p en todo el túnel y a transición puede ser breve y reducida a la boquilla, que puede ser de unos pocos metros, pues con un estrechamiento moderado se obtiene una presión suficiente. Aliviadero en cáliz (morning glory) El vertedero de entrada es de planta circular, normalmente de labio fijo, al que sigue un pozo vertical abocinado, un codo cercano a 90º y un túnel sub- horizontal. El tramo vertical puede hacerse en pozo, en torre o mixto, según la forma y características de la ladera y la situación más conveniente para el vertedero. La disposición en pozo es la más simple, en principio, pero puede requerir adaptaciones en la ladera para asegurar la alimentación. Tienen gran aplicación en las presas de materiales sueltos gracias a su independencia de ubicación respecto a la presa. La desventaja principal es la que acompaña al régimen a presión. Estudios de las avenidas El problema fundamental de un aliviadero es que la determinación del caudal máximo a evacuar, esencial para su proyecto e incluso para el de la propia presa, es la más incierta de las decisiones que han de tomarse. Esta dificultad proviene de la propia índole del asunto. En un río puede conocerse con suficiente aproximación la avenida máxima ocurrida en un período contemporáneo. La evaluación de la avenida máxima puede hacerse por los siguientes métodos: • Directos e históricos • Probabilísticas
  • 38. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 38 • Empíricos • Modelos de simulación hidrológica Es preciso acudir a más de un método para tener una visión mas completa, la coincidencia de uno con otro mejora la garantía de acierto. Proceso decisorio de las características básicas del aliviadero y del embalse a) Avenidas de Proyecto y Extrema: Se deciden según las metodologías probabilísticas b) Reparto de caudales entre los desagües Se tendrá en cuenta la colaboración de los desagües profundos en las avenidas. El resto estará a cargo del aliviadero c) Tipo del aliviadero Se decide de acuerdo con el tipo de presa, las condiciones de la cerrada y del cauce, y la magnitud de la avenida de proyecto. d) Dimensiones de la embocadura La decisión más importante es la elección entre labio fijo o compuertas. Fijado el desagüe máximo con el NMN, se decide la longitud total de las compuertas, normalmente condicionado por la topografía de la cerrada y el enlace con el resto del aliviadero (si es aparte de la presa) o el ancho del cauce (en una presa vertedero). Dentro de los límites que permiten estas circunstancias, es aconsejable adoptar la máxima longitud de desagüe, para disminuir los niveles NAP y NAE y el debido a la eventual avería de una compuerta. Fijada la longitud total, se decide el número de compuertas, para que tengan la debida proporción longitud/altura (recomendable < 2.0) Si se decide un labio fijo, su longitud debe ser la máxima posible. e) Embalse laminador: niveles y resguardos:
  • 39. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 39 Fijadas las dimensiones de las compuertas o del labio fijo, se ensaya el funcionamiento conjunto aliviadero-embalse para las avenidas de proyecto y extrema, y se hallan los niveles NAP y NAE, se definen los resguardos y se obtiene la cota de coronación. f) Optimización aliviadero-embalse Con frecuencia las dimensiones de la embocadura no quedan fijadas en la etapa c), sino que hay opciones. En este caso, el análisis expuesto para la etapa d) debe aplicarse a cada variante contemplada, y la decisión requiere un análisis de optimización NMN = Nivel máximo normal NAP = Nivel para avenida de proyecto NAE = Nivel avenida extrema Vertederos El vertido sobre la presa puede hacerse de dos maneras: con lamina adherida al paramento, o con lamina despegada (caída libre o lanzamiento). Perfil del vertedero. Este es del tipo que en Hidráulica se define como de pared gruesa. Los vertederos en pared delgada son muy delicados y sólo se usan en medidas muy precisas de laboratorio o en aforadores de corto caudal. En un vertedero de pared delgada la lámina se despega francamente y sus filetes superior e inferior están a la presión atmosférica. Luego un vertedero de hormigón que tenga un perfil coincidente con el del filete inferior de la lámina despegada tendría presiones nulas en su paramento. Pero la presión cero no conviene, en principio, porque cualquier vibración, onda o discontinuidad en la lámina puede traducirse en una variación accidental de la presión y hacer que ésta oscile entre positiva y negativa, lo que sería perjudicial para el hormigón. Por ello es preferible
  • 40. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 40 que la lámina quede adherida con una ligera presión sobre el paramento, para contrarrestar las depresiones accidentales. Un perfil que cumple esas condiciones y está sancionado por la experiencia de muchos años en la mayor parte de las presas del mundo es el debido a Creager, que se define en la figura. En ella puede verse el chorro teórico libre y el desplazamiento hacia agua abajo a que le obliga el paramento para asegurar su adherencia. Los perfiles se definen por coordenadas para una lámina de 1 m; para cualquier otra se multiplican las coordenadas por la relación con la lámina tipo.
  • 41. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 41 El desagüe sobre un vertedero corresponde a la fórmula: Q = 2/3·√2g · KLh1’5 Siendo h la energía específica sobre el umbral (que incluye, por tanto, la debida a la energía cinética), L la longitud útil del vertedero y K un coeficiente que, para el perfil Creager, según la experiencia, es del orden de 0’71, con lo que C = 2√2g · K/3 = 2’1, resultando: Q = 2’1 Lh1’5 El coeficiente C = 2’1 sólo vale para la lámpara nominal con la que se ha definido el perfil. La longitud L es la útil de vertido, esto es, teniendo en cuenta la contracción lateral que producen las pilas intermedias (si las hay) y los cajeros extremos. Si LT es la longitud bruta total (suma de los vanos), la útil L se obtiene así: L = LT – 2(nK1 + K2) n es el número de pilas, K1 su coeficiente de contracción, y K2 el de los cajeros, según las siguientes reglas: Pilas con proas planas, redondeadas en un 10% del ancho en cada esquina: K1 = 0’02 Pilas con proas circulares: K1 = 0’01 Pilas perfiladas (Jukovski): K1 = 0 Cajeros redondeados con radio entre 0’5z y 0’15z (z = altura de la lámina): K2 = 0’10 Cajeros con radios mayores y guías a 45º o menos con la dirección del agua: K2 = 0 Para tanteos previos de dimensiones y desagüe puede tomarse la longitud total con C = 2, para tener en cuenta la contracción. Tomas de Explotación Las tomas o boca tomas son las estructuras hidráulicas que nos permiten retirar el agua del embalse para conducirla por gravedad a la
  • 42. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 42 planta de tratamiento o estación de bombeo, por lo tanto deben estar ubicadas de forma tal que permitan obtener el agua a varios niveles en el embalse y que a su vez retiren el agua por gravedad hacia su destino próximo y además asegurar su estabilidad y economía. Por lo general para las presas de tierra y escolleras las tomas son torres, llamadas torre-toma, que poseen orificios a diferentes niveles y cada uno tiene su correspondiente compuerta o válvula de paso. Su forma puede ser cilíndrica y en su interior contiene un pozo húmedo, que sirve para la captación, y un pozo seco que sirve para la inspección y operación. Las torre-tomas se localizan por lo general cerca del dique o presa y poseen un puente de acceso. En el caso de presas de hormigón las estructuras de las tomas se localizan en la presa misma. Cada toma debe estar equipada con una compuerta o con una válvula de cierre para su selección e independencia y todos los orificios de toma deben descargar en un receptor común de donde el agua pueda ser conducida mas tarde al sitio de tratamiento o a los de almacenamiento y distribución. Las presiones estáticas máximas a que están sometidas las compuertas en los orificios deben ser determinadas con el objeto de definir si las compuertas serán o no de alta presión. En general cuando las presiones exceden de 25 metros la compuerta se considera de alta presión. Las compuertas deslizantes, llaves de compuerta, etc. Utilizadas comúnmente no son adecuadas para soportar las altas presiones. Para altas presiones existen diversos tipos diseñados para tal efecto, entre los cuales están: compuertas de alta presión tipo Standar, compuertas de anillo seguidor, compuertas de cierre anular, las válvulas de globo tipo aguja, las válvulas de mariposa, las compuertas de rodillo con conductos forzados, etc. La utilización de cualquiera de esas compuertas depende de esencialmente al tipo de salida y de las condiciones a las cuales estarán ellas sometidas.
  • 43. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 43 Desagües profundos. Funciones de los desagües profundos. En una presa puede haber desagües a distintas alturas, pero aparte de las tomas de explotación, que suelen ser intermedias, lo más frecuente es que haya uno solo a gran profundidad, que se llama desagüe de fondo. Este no suele faltar en ninguna presa, salvo muy escasas excepciones, porque por su especial posición es insustituible. A veces se acompaña de otros a media altura que se llaman intermedios o de medio fondo, de mayor o menor capacidad, según los casos. Se comprende que el cometido fundamental de los desagües profundos, por principio, es la capacidad de poder desaguar del embalse con independencia del nivel de agua, para vaciarlo total o parcialmente, controlar su nivel o colaborar en la evacuación de sobrantes y avenidas. En resumen, las misiones de los desagües profundos, expuestas por orden de generalidad de uso, son las siguientes: − Vaciado del embalse hasta la cota del desagüe y consiguiente control sobre el nivel de agua. − Limpieza de los sedimentos acumulados en el fondo del embalse en la proximidad de la presa. − Colaboración en el control del río en la última fase de la construcción
  • 44. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 44 − Desagüe y control previo de avenidas en conjunción con el aliviadero superficial o en exclusiva. Consideraciones para fijar la posición de los desagües profundos. Definidas las posiciones de las tomas y del desagüe de fondo queda por decidir la conveniencia y posición de otros intermedios, lo que depende, fundamentalmente, de tres circunstancias: − La altura de la presa. − Los caudales del río. − La conveniencia de que los desagües profundos colaboren en la evacuación o control de avenidas. Órganos de cierre La tipología de los elementos hidromecánicos de cierre varía fundamentalmente con las dimensiones y sigue dos líneas fundamentales que, a su vez, pueden desarrollarse según distintos tipos. − Válvulas: El elemento de cierre forma una continuidad con el conducto en presión y se mueve en su interior. − Compuertas: El órgano de cierre es exterior al conducto y se introduce en él para cerrar. Válvulas Las válvulas son propias de desagües moderados o medios, y las compuertas de los grandes. En algunos desagües puede haber una compuerta de seguridad y dos o más válvulas de control, pero no al revés. Las válvulas pueden ser de los siguientes tipos principales: − De aguja. − De mariposa.
  • 45. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 45 − De compuerta. − De chorro hueco. En la válvula de aguja el flujo envuelve un huso interior y sale por un orificio circular final; este orificio puede ser obturado en distinto grado por medio de una aguja móvil que está unida al huso interior, de forma que en sus distintas posiciones siempre se conserva a un perfil hidrodinámico, lo que hace que el funcionamiento sea suave y la distribución de la corriente uniforme. Por eso es muy útil para tomas, porque se presta al buen funcionamiento con toda clase de aperturas y caudales. Su salida a la atmósfera se hace en forma de chorro circular concentrado, pues el flujo anular es sólo en el interior y se reúne en la sección de salida. En cambio, el mecanismo es delicado e interior, lo que se presta a averías y es menos cómodo de revisión o reparación. La existencia de la aguja móvil en su interior la hace poco apta para un desagüe vaciador o limpiador pues es un obstáculo al paso de sólidos. La válvula de mariposa es un cilindro prolongación del conducto generado en cuyo interior gira una pieza circular de eje transversal a la corriente llamada lenteja o mariposa que puede obturarla más o menos en sus distintas posiciones. Cuando éstas son inclinadas respecto al eje del conducto la lenteja distorsiona notablemente el flujo, a pesar de lo cual hay constructores que garantizan su funcionamiento así, y se han usado a veces para romper parte de la carga en estas posturas. Sin embargo, el mejor funcionamiento hidráulico lo tienen con la lenteja horizontal, para cuya posición la apertura es máxima y el flujo contornea el obstáculo con facilidad. Para asegurar el cierre la lenteja puede tener su eje ligeramente descentrado, de forma que la acción de la corriente tienda a hacerla girar para que cierre, o por medio de un contrapeso; por ello, para permanezca abierta hay que mantener un pequeño esfuerzo mecánico. Por todo ello tampoco se usa ahora en desagües de vaciado, aunque sí en otra época.
  • 46. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 46 La válvula compuerta consiste en un tablero metálico circular o rectangular (según la sección del desagüe) que puede subir o bajar de forma que en la primera posición desaparece totalmente del conducto y en la segunda lo aloja en una cámara cerrada unida al cuerpo fijo de la válvula, para que el conjunto resulte estanco. El funcionamiento de esta válvula es de “todo o nada”, esto es, cierre o apertura totales. Sólo funciona con cierre parcial transitoriamente durante esas operaciones. En realidad, esta válvula se presta a trabajar con cierres parciales, pero con vibraciones; además ya se ha repetido que para el vaciado debe tenerse una sección diáfana, y precisamente éste es uno de los atributos de esta válvula, que cuando está abierta forma una completa continuidad con el resto del conducto. Se puede usar tanto para control como de reserva, por lo que algunos desagües la utilizan para ambos menesteres, instalando dos en serie en cada conducto, en la misma cámara o caseta, o separadas. La válvula de chorro hueco más usada consiste esencialmente en un cilindro fijo al final del conducto en presión en cuyo extremo y a cierta distancia hay un cono unido a aquél, de forma que al chocar con el cono la corriente pasa de circular a anular, contorneando éste. La corriente se
  • 47. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 47 regula por medio de un manguito cilíndrico móvil exterior al cilindro fijo que desliza paralelamente a su eje. Compuertas Las compuertas verticales son las más antiguas y elementales, aunque se siguen usando profusamente, con notables mejoras. El tipo más simple consiste en un tablero de chapa (los tableros de madera sólo se usan en instalaciones muy pequeñas y simples) que es el elemento de cierra propiamente dicho, reforzado por un armazón de perfiles metálicos, que se mueve verticalmente guiado por unas ranuras en las pilas adyacentes. Esas ranuras se refuerzan también con perfiles metálicos en U para que en su interior deslice mejor la compuerta y el hormigón quede protegido. Las compuertas de segmento son cada vez más usadas, por los mismos motivos que las de superficie: suavidad de operación, al estar concentrado el empuje en el eje de giro, gran rigidez unida a una mayor ligereza estructural y ausencia de ranuras-guía. Esta última es una gran ventaja contra la cavitación que es muy fuerte por efecto de las grandes velocidades.
  • 48. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 48 Se llaman más comúnmente compuertas Taintor, por el nombre de su inventor. Están formadas por un segmento cilíndrico circular que gira alrededor de su eje, materializado en las pilas adyacentes. La estructura metálica de soporte de la chapa se completa con unos radios que la unen con los cojinetes de giro en las pilas. La apertura se hace hacia arriba y girando, en vez de deslizando. Compuertas de sector. Estas compuertas, al contrario que las anteriores, abren bajando, y el agua vierte por encima de ellas, por lo que necesitan disponer de un hueco en la presa para alojarse. El tablero de cierre es también cilíndrico, como en la Taintor, pero en vez de tener su cara aguas abajo al aire, ese espacio se cierra con otra chapa plana o curva dispuesta para verter por encima. En la posición de cierre la compuerta está en su posición más alta y fuera del hueco; en la de apertura parcial la compuerta baja y se introduce en parte en la cámara; en la apertura total la compuerta ocupa la totalidad de la cámara y su parte superior forma un perfil continuo con el general del vertedero. Clapetas Son compuertas basculantes alrededor de un eje en su parte inferior y vierten por arriba, como las de sector, sólo que el eje de giro está aguas arriba en vez de aguas abajo, y en contacto con el agua, lo que es un inconveniente. Igual que las de sector, precisan también un alojamiento horizontal para la compuerta abatida, aunque relativamente
  • 49. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 49 reducido, por ser estrechas. La estructura es también más simple que en las de sector y son más ligeras; pero, a cambio, están sometidas, sin contraposición, al empuje horizontal y vertical del agua, este último adicional al peso, por lo que necesitan un contrapeso para equilibrarlo. Gracias a él pueden funcionar automáticamente; al subir el embalse, aumentan las dos componentes del empuje y la compuerta baja; al bajar el nivel y disminuir los empujes, el contrapeso predomina y al compuerta sube. Es cada vez más frecuente el manejo de estas clavetas mediante mecanismos óleo-hidráulicos que se apoyan sobre su cara de aguas abajo. Reintegro al cauce y disipadores de energía El caudal desviado por el embalse hay que reintegrarlo al río en un cierto punto. Y como hay un desnivel entre ambos, la energía correspondiente ha de amortiguarse para evitar que produzca daños en el lugar de reinserción en el cauce aguas abajo. Esa energía, antes de hacer la presa, se disipaba linealmente a lo largo del cauce ocupado por el embalse; una vez hecho éste, concentra al final del aliviadero todo su potencial erosivo Formas de disipación de la energía. Las obras de reintegro al cauce responden a dos conceptos y obras esencialmente distintos: - La corriente en régimen rápido ingresa a un cuenco en el que pasa a lento con la formación de un resalto. Esto conlleva una
  • 50. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 50 gran absorción de energía, que se transforma en turbulencia y calor. - La corriente se lanza al cauce por medio de un trampolín de forma que caiga a cierta distancia de éste. La energía se amortigua en el propio cauce al formarse un resalto natural en un cuenco creado por la propia erosión en la zona de caída. En uno y otro caso el amortiguamiento no es total, y la energía remanente se va disipando de forma más o menos lineal en un tramo aguas abajo. El cuenco amortiguador es la solución más común al pie de las presas vertedero. El lanzamiento en trampolín es más propio de los aliviaderos separados de la presa. Pero estas reglas no son absolutas. Resalto hidráulico La mejor manera de amortiguar la energía es por medio del resalto hidráulico. En el se forman los remolinos, que conducen a una elevación de temperatura de temperatura del líquido y del nivel del agua. Trampolines y dientes sumergidos Los dientes sumergidos suelen ser muy eficaces para ayudar a la formación del resalto, acortar su longitud y, sobre todo, para darle
  • 51. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 51 estabilidad en los casos en que no está bien definido. Los dientes fraccionan la lámina uniforme del ancho total en varios chorros separados, unos pasando por encima de los dientes y otros entre ellos. El fraccionamiento, la distinta inclinación de los chorros y el roce y choque entre ellos disipan energía. En el caso de los trampolines su esencia de funcionamiento es utilizar la energía cinética de la corriente para lanzarla a distancia y alejar la segura erosión. Por eso su elemento esencial es una rampa que proporciona un ángulo de lanzamiento adecuado para que la trayectoria parabólica resultante de la inercia del agua y de la gravedad alcance la máxima distancia entre el borde del lanzamiento y la zona de caída. Fases de la construcción de una presa Genéricamente cabe distinguir las siguientes actividades principales en la construcción de una presa: − Obras previas: accesos generales, poblados, líneas de suministro eléctrico, etc. − Desvío del río. − Excavaciones y cimientos. − Montaje de instalaciones. − Realización del cuerpo de la presa y de sus obras complementarias (desagües, aliviadero, central eléctrica, etc.). − Cierre del desvío. − Remates: desmontaje de instalaciones, coronación de la presa, iluminación, acondicionamiento del paisaje, etc. La primera fase de actividades consiste en dejar preparada la infraestructura para realizar el resto de la obra. La segunda tiene por objeto dejar en seco el cauce para poder realizar la cimentación, primero, y luego el resto de la obra en las debidas condiciones. Las obras de desvío pueden ser de gran envergadura en grandes ríos y, al estar condicionadas por las variaciones estacionales de
  • 52. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 52 los caudales, pueden influir en el plazo de la obra total, e incluso a veces en su tipo. Las excavaciones son una parte muy importante. Los sondeos, calicatas, etc., informan sobre su constitución, pero de forma puntual o lineal, y entre esas prospecciones puede haber discontinuidades incluso importantes. La ejecución de la presa propiamente dicha y de sus obras complementarias plantea el problema fundamental de organizar la construcción para lograr un ritmo constante con óptimo rendimiento y realizarla en un plazo adecuado. Los problemas a resolver varían sustancialmente con el tipo de presa y, sobre todo, según los materiales constitutivos (hormigón o materiales sueltos). Alcanzada una cierta altura en la presa hay que proceder a anular el desvío del río para reintegrarlo a su cauce y comenzar su embalse parcial, adelantando en lo posible su explotación; otras veces no es posible este adelanto, pero en algún momento hay que reintegrar el río al cauce. Por último, terminada la presa, suelen quedar algunas obras de remate (iluminación, embellecimiento, etc.), así como de los caminos, adaptación de edificios a su nuevo uso, etc., además del desmontaje de las instalaciones, demolición de obras inútiles antiestéticas, etc. Esta fase de la obra suele ser la más fácil y menos grata, pero necesaria. Automatización El funcionamiento automático, bien sea de las compuertas o del conjunto del sistema, releva al personal de una parte del trabajo y evita errores humanos. Pero introduce el riesgo del fallo mecánico o eléctrico. Digamos que la automatización lleva a una reducción personal, pero éste, en un mínimo, es imprescindible para revisar los aparatos, mantenerlos en forma y repararlos o sustituirlos cuando sea necesario. La intervención humana es siempre insustituible e imprescindible de una u otra manera: no conviene olvidarlo en una época de casi edificación de los autómatas y ordenadores. La automatización puede tener varios grados: − Sólo de los órganos de desagüe, individualmente.
  • 53. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 53 − Del conjunto de mecanismos de la presa. − De un sistema de presas. Las compuertas pueden funcionar automáticamente mandadas por el nivel del embalse detectado por un flotador o por un contacto eléctrico. Para cubrirse de eventuales fallos, es aconsejable que, si se usan compuertas automáticas, su número no sobrepase el 50% del total, con lo que, al menos, se cuenta con las restantes para el control voluntario mientras se subsana el defecto. No obstante, la tendencia actual, sobre todo en grandes obras y sistema de presas es a una automatización creciente, y no sólo de los elementos individuales de desagüe, sino del conjunto, incluyendo la interpretación de datos y la toma de decisiones operativas. En todos los casos, pero tanto más cuanto más sofisticado es el sistema, hay que insistir en que la mejor garantía de funcionamiento está basada en estos tres principios: − Buen material y diseño de los mecanismos y aparatos. − Frecuente inspección de su estado, debido mantenimiento y pruebas periódicas de su funcionamiento − Adiestramiento del personal e instrucciones claras y concretas sobre las maniobras en todas las circunstancias previsibles. 4.2.5 Datos varios sobre presas En el antiguo Egipto se construyeron varias presas. Entre ellas, la hecha por Menés (hacia 4000 a.C.) para desviar el Nilo en Menfis, que tenía unos 15 m de altura y era de sillería, según dice Herodoto y confirman las ruinas; duró nada menos que unos 45 siglos. Otra fue la que formó el Lago Maeris (1740 a.C.). En el período romano sobrepasaron la decena de metros de altura, y entre ellas las de Proserpina (19 m) y Cornalvo (24 m) (A.42).
  • 54. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 54 Presas y azudes españoles anteriores a 1900 En Máxima Núm. Según Siglo Total Servicio altura inventario (≥10 m) MOP II 10 5 24 2 II-V 5 - - - X 11 10 - - XI 2 2 11 - XIII 2 1 - - XIV 4 2 25 1 XVI 9 8 46 6 XVII 12 7 24 3 XVIII 25 19 49 12 XIX 11 9 50 33 SUMA 91 63 57 Presas españolas desde 1900 Fin de año Nº presas Hm3 embalse Construidas en la década Nº presas Hm3 embalse 1900 57 106 - - 1910 74 194 17(30) 88(83) 1920 119 990 45(61) 796(410) 1930 165 1667 46(39) 677(68) 1940 209 4030 44(27) 2363(142) 1950 272 6020 63(30) 1990(49) 1960 461 18046 189(69) 12026(200) 1970 664 36798 203(44) 18752(104) 1980 853 41597 189(28) 4799(13) 1990 1010 49195 157(18) 7598(18) 2000 1147 55402 137(14) 6207(13) En construcción - - 23(2) 1128(2)
  • 55. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 55 Distribución tipológica (aproximada) ESPAÑA NÚMERO % Tierra (TE) 195 16.43 Escollera (ER) 131 11.04 Gravedad (PG) 737 62.09 Contrafuertes (CB) 31 2.61 Bóvedas múltiples (MV) 3 0.25 Bóveda (VA) 57 4.80 Móviles (BM) 10 0.84 Otras 23 1.94 TOTAL 1187 100.00 Presas españolas de mayor altura: Tierra (TE) GIRIBAILE, 89 m(río Guadalimar,1996) Escollera (ER) CANALES, 157,50 m (río Genil, 1988) Gravedad (PG) SALIME, 134 m (río Navia, 1956) Contrafuertes (CB) J.M.ORIOL (Alcántara), 130 m (río Tajo, 1969) Bóvedas múltiples (MV) MEICENDE, 21 m (río Pastoriza, 1961) Bóveda ALMENDRA, 202 m (río Tormes, 1970) Del total de 22.751 registradas en 1996, la mayoría, 58,35 %, o sea, tres de cada cinco, tienen entre 15 y 30 m de altura, una de cada tres entre 30 y 60, y sólo el 2,74 %, o sea, menos del 3% superan los 100 m. Con alturas superiores a 200 m sólo hay 38 presas, menos del 0,2%, existiendo en España sólo una, la de Almendra (río Tormes).
  • 56. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 56 Más del 50% del total de presas en el mundo están situadas en cinco países, entre ellos España, y que un 25% del total están situadas en USA. Distribución según alturas ≥ 200 m = 1 presa ≥150<200 m = 2 presas ≥100<150 m = 34 presas ≥75<100 m = 73 presas ≥50< 75 m = 128 presas Total: ≥50 = 238 presas Presa más alta: Almendra (Iberduero, río Tormes) = 202 m. Capacidad de embalse = 2648 hm3 Mayores embalses Máximo actual: La Serena (río Zújar) = 3232 hm3 (88.45 m. Año 1989) J.M. Oriol – Alcántara (Iberdrola, río Tajo) = 3162 hm3 (135 m. Año 1969) Hay: 2 embalses ≥ 3000 hm3 1 embalse ≥ 2000<3000 hm3 6 embalses ≥ 1000<2000 hm3 15 embalses ≥ 500<1000 hm3 24 embalses ≥ 500 hm3
  • 57. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 57 Comisión Internacional de Grandes Presas (ICOLD) La proliferación de presas en todo el mundo y los importantes problemas técnicos, económicos y sociales que plantean, ha llevado a constituir una entidad internacional para intercambiar experiencias y hacer llegar una más depurada tecnología a todos los países. Fue creada en 1928. Esta entidad es conocida internacionalmente por sus siglas en inglés, ICOLD (International Commision on Large Dams).
  • 58. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 58 4.2.6 Otras Formas de Captación de aguas Superficiales Azudes Son pequeñas presas de perfil bajo, utilizadas generalmente para crear o ahondar pozas, y para recolectar y sujetar gravas para potenciar los frezaderos naturales en ríos de fuertes pendientes. Los azudes se construyen con piedras, troncos, o gaviones con un vertedero para facilitar el paso de peces migradores en aguas bajas. La forma del azud puede ser recta o bien en ángulo, siendo la ventaja de estos últimos que protegen mejor los anclajes laterales. En la creación de frezaderos es más efectiva la disposición de dos azudes próximos, de tal manera que el fondo del azud más alto esté al nivel del desagüe más bajo.
  • 59. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 59 Dique toma Los dique tomas son estructuras semejantes a una presa pero a pequeña escala y permiten obtener en la misma proporción los mismos objetivos que una presa. En dichas estructuras se encuentran dispositivos sencillos (tomas de fácil construcción), que permiten captar el agua en la intercepción del dique al río. Las tomas son generalmente orificios protegidos ubicados en la cresta del vertedero central, por los cuales entra el agua a una tanquilla y luego a un canal o tubo que la transporta, por gravedad, o mediante bombeo al sitio de consumo o distribución. Los tipos de tomas son esencialmente diferentes. En cada uno de estos tipos las fluctuaciones de nivel de masas de agua deben ser cuidadosamente investigadas para evitar los problemas relacionados con los niveles mínimos y máximos. Deben conocerse el régimen de los cursos, características del fondo, efectos de corrientes y crecientes y las características de las materias sólidas arrastradas por las aguas. El arrastre de partículas en épocas de crecidas puede ocasionar problemas. Canal de desviación y pozo recolector Este es otro tipo de sistema de captación en el cual se puede requerir o no bombeo. Además tiende a evitar el pase de material grueso a la obra de captación. Este sistema consta de un canal que va dispuesto a un lado del río separado a este por un ángulo de aproximadamente 45º, el cual permite la penetración de cierto caudal y luego su depósito en un
  • 60. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 60 pozo al final del canal. En todo caso debe determinarse el nivel de las aguas en la transversal, a fin d definir la ubicación del canal de desviación. Los canales de desviación y pozos recolectores son generalmente utilizados en zonas rurales y para riego. Captación de Agua de Lluvia La captación de agua de lluvia se emplea por lo general en aquellos casos en los que no es posible obtener aguas superficiales ni subterráneas de buena calidad y cuando el régimen de lluvia es importante, sin embargo, su aplicación es útil en cualquier caso. Para ello se utilizan los techos de casas u otras superficies impermeables. El agua es captada y conducida a sistemas de almacenamiento cuya capacidad depende del gasto requerido y limitado por el régimen pluviométrico. En regiones con largos períodos de sequía entre épocas de lluvia se recomienda construir tanques para almacenar el agua. El agua es captada de los techos de las casas y conducida por canaletas laterales que van a depositar el agua a un tanque de almacenamiento o cisterna. Para que la captación de aguas lluvias sea eficiente, los techos deben ser construidos con materiales apropiados que no permitan obstrucción del recorrido del agua, con suficiente área y adecuada pendiente. Los techos pueden ser elaborados con diferentes materiales como barro o plástico, entre otros.
  • 61. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 61 Se recomienda que la cisterna o tanque de almacenamiento este lo más próximo a la vivienda y lo más alejado de las áreas de contaminación, como letrinas o aguas negras. Cuando empieza la época de lluvia y se capte el agua que cae sobre el techo, es necesario perder los primeros litros de agua, ya que contiene mucho polvo del que se acumula en el techo. Para hacer un tratamiento a las aguas lluvias se recomienda construir un filtro lento de arena en la parte superior del tanque. De esta forma se garantiza agua almacenada de buena calidad. Si el agua es para consumo, debe ser hervida o desinfectada con cloro.
  • 62. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 62 Cuando el terreno es impermeable, se puede construir un reservorio con piedras para almacenar las aguas lluvias e instalar una bomba manual para extraer el agua. Captación de Agua de Niebla En países como Chile, Perú, Haití, Nepal, etc. existen pequeñas poblaciones en montañas o islas en las que por muchas razones no pueden ser abastecidas de agua potable proveniente de embalses, y además no existe acuífero que permita la explotación del agua subterránea, debido a esto, los habitantes de estas comunidades se ven en la necesidad de caminar a menudo muchas horas para llevar el agua a casa. Sin embargo gracias a su posición y altitud, estas comunidades pueden aprovechar al agua que esta contenida en la niebla, interceptándola por medio de un sistema muy sencillo. La tecnología de la captación de agua de niebla consiste en la interceptación de la niebla a su paso por las cumbres de las montañas, mediante mallas tipo geotextil que atrapan las microgotas de agua contenidas en la niebla. El agua, una vez interceptada, cae por acción de la gravedad a través de la malla y es recolectada y transportada en canales de plástico hacia un colector principal que posteriormente la almacenará y/o transportará. Es un sistema sencillo y relativamente
  • 63. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 63 económico. Se ha determinado que la cantidad de agua que se puede encontrar en la neblina esta entre 0.05 gr/m3 a 3 gr./m3 . En la actualidad, estos equipos son capaces de obtener en condiciones óptimas entre 2 y 25 litros por metro cuadrado por día (dependiendo de las condiciones meteorológicas del momento y de la zona). El Consorcio de Investigaciones en materia de Agua, Agricultura y Medio Ambiente de Canadá y la Universidad Católica de Chile son actualmente los pioneros en la materia de captación de agua de niebla. El sistema no se escapa a limitaciones y desventajas, sobretodo de cuantía de captación, pero es una alternativa muy eficiente, y en muchas ocasiones la única, sin embargo, el agua obtenida es de alta calidad, los costos son bajos y el impacto ambiental también lo es. Efectos ambientales y sociales de las captaciones de agua superficial No hay actividad, por útil que sea, sin efectos negativos; si sólo aceptásemos emprender acciones seguras, nuestra vida quedaría paralizada: no podríamos ni siquiera andar, puesto que todo entraña un riesgo. Una actividad debe juzgarse por el conjunto de sus consecuencias y decidir a la vista del balance.
  • 64. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 64 Estas, como toda obra, producen una modificación del medio natural: excavaciones, instalaciones, la mismo presa y, sobre todo, la inundación del valle aguas arriba y el cambio de régimen del río aguas abajo suelen ser los efectos más importantes. La retención del agua es el objetivo mismo de la presa; gracias a ella se amortiguan o suprimen los daños de las avenidas, se palian los estiajes y sequías, se riega y se produce energía. Pero al retener el agua se retienen también las partículas sólidas que arrastra o lleva en suspensión, que quedan acumuladas en el embalse; y la inundación hace desaparecer la biota natural y, sobre todo, el hábitat y actividad humana. La construcción deficiente de un dique, así como el manejo deficiente es un peligro latente para el entorno, ya que, el riesgo de cedencia de los materiales que la forman pueden causar el colapso de la estructura y así provocar grandes daños a poblaciones aguas abajo. Las obras de ingeniería de tal magnitud requieren que sean inminentemente seguras y el diseño debe ser acorde al funcionamiento, riesgo y características particulares de la obra. La elección de los materiales y características estructurales de la obra así como la construcción misma y funcionamiento deben ser rigurosamente controlados. Una optimización del aprovechamiento de los recursos hidráulicos seria una combinación de captaciones superficiales y subterráneas, en donde sea necesario y posible.
  • 65. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 65 4.3- Aguas Subterráneas
  • 66. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 66 4.3- Aguas Subterráneas Se le denomina agua subterránea a toda aquella agua que se encuentra por debajo del nivel freático o zona saturada. Como se mencionó en el ciclo del agua, del volumen de agua que precipita a tierra desde la atmósfera, una porción de ésta se infiltra en el suelo, pasando primero por una capa superficial del suelo que se llama zona no saturada en la cual las raíces de las plantas logran interceptar para utilizarla en su ciclo vital. El resto del agua seguirá su camino a través de la tierra, por acción de las fuerzas gravitatorias, en diversas formaciones geológicas, que podrán almacenarla o transportarla. El agua en estas condiciones se encuentra en la zona saturada en donde se une con más agua. El agua subterránea es una parte intrigante del ciclo hidrológico, estas sustentan el caudal de las corrientes superficiales durante los períodos sin lluvia y constituye además, la única fuente de agua dulce en muchas localidades áridas. La cuantificación del volumen y de los caudales del agua subterránea a veces es una tarea dificultosa porque vienen determinados en alto grado por la geología de la región. El tipo a arreglo de las rocas y los suelos son factores importantes y los mismos son altamente variables en un reservorio de agua subterránea. No obstante los hidrólogos desarrollan continuamente nuevas técnicas que permiten mejorar la investigación.
  • 67. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 67 4.3.1 Características de las Aguas Subterráneas El agua en su camino hacia el acuífero viene de la lluvia con ciertas características adquiere otras en su trayecto de escorrentía y sigue transformándose en la infiltración, al llegar al acuífero tiene contacto con minerales de las rocas y seguirá transformándose lentamente. Los mecanismos que intervienen en la composición y evolución del agua son: la Disolución (de gases y sales) y el ataque químico (carbo-disolución, hidrólisis, oxidación reducción, cambios de bases y reacciones bioquímicas). Por esta razón el agua subterránea presenta una mineralización elevada. En aguas subterráneas contaminadas pueden cambiar las características y concentración de los elementos presentes, también puede suceder en aguas no contaminadas que existan elementos presentes en mayores concentraciones a las aquí descritas. Constituyentes en el Agua Subterránea. Cationes Macro constituyentes Calcio (Ca2+ ): Su presencia en el agua subterránea es debida a la disolución de los carbonatos y sulfatos de calcio (calizas, dolomías y yesos). La concentración de calcio en el agua subterránea potable puede llegar hasta unos 1000 ppm sin que tenga efectos perjudiciales en la salud humana. Magnesio (Mg2+ ): su concentración en el agua subterránea es debida a la disolución de dolomias y numerosos silicatos que lo contienen, aguas del mar, intercambio cationico, etc. Por lo general se encuentra en menor proporción que el calcio, aunque en las aguas marinas puede ser hasta 5 veces más abundante. Sodio (Na+ ): su contenido suele deberse a la hidrólisis de feldespatos. En otros ambientes se debe a la disolución de sulfatos, nitratos y cloruros sódicos o simplemente a intrusión marina.
  • 68. CAPTACION DE AGUA MASTER DE INGENIERIA DEL AGUA (MOD. ING. HIDRAULICA) 68 Potasio (K+ ): se debe a la hidrólisis de los feldespatos, a disolución de sulfatos, nitratos y cloruros. Se suele encontrar en una proporción diez veces inferior al sodio debido a que las arcillas intercambian selectivamente K+ por Na+ . Aniones Macro constituyentes. Cloruro (Cl- ): Su presencia en el agua subterránea se debe al agua marina atrapada en los sedimentos, a la disolución de evaporitas cloruradas o a la intrusión marina. Cuando predomina este anión también lo hacen el sodio o el calcio. Sulfato (SO4 2- ): Es debido a la disolución de sulfatos como el yeso y la oxidación de sulfatos como el yeso y a la oxidación de sulfuros. Bicarbonato (CO3H- ) y carbonato (CO3 2- ) Procede fundamentalmente de la disolución del CO2 atmosférico, del suelo y de los carbonatos, esencialmente calizas y dolomias. La alcalinidad de las aguas se debe en la mayoría de las ocasiones a la presencia de CO3H- y CO3 2- . Nitrato (NO3 - ): su presencia en el agua subterránea se debe a la descomposición de la materia orgánica, a contaminación por aplicación de fertilizantes agrícolas, efluentes urbanos e industriales, lixiviados de vertederos de residuos sólidos, etc. Iones Microconstituyentes más comunes Nitrito (NO2 - ): Su presencia se debe a la reducción de los nitratos por actividad bacteriana. No debe existir en el agua porque es nocivo para la salud, siendo su presencia síntoma indudable de contaminación. Amonio (NH4 + ) y amoniaco disuelto (NH3): Su presencia es evidencia de contaminación y actividad bacteriana. Litio (Li+ ): Aparece en cantidades de pocos microgramos por litro. Procede de algunos minerales muy escasos y característicos de rocas magmáticas. Contenidos mas elevados deben ser estudiados por posibles daños a la salud.