comparación de resultados de sedimentación entre batimetrías y

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COMPARACIÓN DE RESULTADOS DE SEDIMENTACIÓN ENTRE BATIMETRÍAS Y
APLICAR EL MODELO SWAT EN LA C.H. MANUEL M. DIÉGUEZ (SANTA ROSA)
Vargas Moreno Humberto, Noriega Pineda Marco Antonio,
Montes León María Alejandrina Leticia, Luarte García Rafael, Olvera Coronel Mario Alberto,
González Macal Emmanuel y Villegas Murrieta Cecilia
Centro de Anteproyectos del Bajío, Comisión Federal de Electricidad, Av. Ingenieros No. 402, Col. El Marqués,
Querétaro, Querétaro, México. C.P. 76047
humberto.vargas@cfe.gob.mx, marco.noriega@cfe.gob.mx, maria.montes@cfe.gob.mx, rafael.luarte@cfe.gob.mx,
mario.olvera@cfe.gob.mx, emmanuel.gonzalez@cfe.gob.mx, cecilia.villegas@cfe.gob.mx
Introducción
La construcción de embalses es una práctica milenaria que
algunos investigadores atribuyen su origen a la cultura
Romana desde finales del siglo I, construidos
principalmente para resolver problemas de inundaciones y
para el riego de cultivos agrícolas. El crecimiento de la
población y los desarrollos industriales introdujeron otros
usos como la provisión de agua y la generación de energía
hidroeléctrica, entre otros.
La duración de estas estructuras es muy variable y depende
de múltiples factores, siendo la sedimentación uno de los
más importantes en la determinación de su vida útil. Así
mismo la construcción de un embalse generalmente tiene
asociados unos costos económicos muy altos que la
sociedad debe asumir para garantizar la provisión de los
servicios básicos de acueducto y energía, al tiempo que los
propietarios de estas estructuras deben implementar las
medidas de manejo que garanticen la permanencia y
prolongación de su vida útil para evitar los costos
económicos, ambientales y sociales que generaría la
construcción de embalses sustitutos.
En México, uno de los principales usos del agua, ha sido
para la generación de energía limpia, debido a la cantidad
de volumen utilizado; el cauce del río Santiago. no ha sido
la excepción, pues ahí se encuentra construida la Central
Hidroeléctrica “Manuel M. Diéguez” (Santa Rosa), la cual
presenta problemas serios de azolvamiento, por lo que su
capacidad de almacenamiento se ha visto reducida, así
como su vida útil.
En 1957 la Comisión Federal de Electricidad inicio la
construcción de la presa y fue puesta en operación en 1964
con una capacidad instalada total de 61 Mega watts y una
capacidad en el embalse de 403 millones de metros cúbicos
y 55 millones de metros cúbicos de capacidad para los
azolves. La cuenca tiene una extensión territorial de 36 077
km2, desde el lago de Chapala hasta la presa Santa Rosa.
Al año de 2010 la capacidad de almacenamiento se redujo
a 188 millones de metros cúbicos.
SWAT es un modelo integral de cuenca desarrollado por la
Universidad de Texas, para el USDA Agricultural Research
Service (ARS). Es una herramienta de libre uso, que
funciona tomando como base un sistema de información
geográfica, este modelo permite simular la producción de
agua y sedimentos en cuencas hidrográficas, avalado por su
amplia aplicación en cuencas de todo el mundo con las más
diversas características, dando un especial énfasis a los
fenómenos de lluvia escorrentía y teniendo en cuenta la
cobertura vegetal y los tipos de suelo presentes en la
cuenca que son prioridad para una mejor aproximación de
los resultados generados en comparación con los medidos y
como uso de la herramienta para la predicción de
sedimentos en futuros aprovechamientos hidroeléctricos así
como en el desarrollo y toma de decisiones relacionadas
con el manejo integral de la cuenca.
En el diseño de obras hidráulicas, principalmente de presas
de almacenamiento es relevante estimar el volumen de
material que puede quedar retenido; tal es el caso del
embalse de la CH Santa Rosa.
Metodología
La ecuación para determinar la pérdida de suelo en una
cuenca, llamada Ecuación Universal de Pérdida de Suelos
(USLE, por sus iníciales en inglés) está dada por la
siguiente expresión:
donde es la pérdida de suelo estimada en
,
es el factor de erosividad para un área específica y
representa la energía potencial de la lluvia y el
escurrimiento para causar erosión en
; es
el factor de erodabilidad del suelo e indica el grado de
susceptibilidad o resistencia del suelo a la erosión para un
horizonte especifico de suelo; LS es el factor topográfico,
adimensional, que combina el efecto de la longitud y grado
de pendiente en la tasa de erosión, relativo a la que
ocurriría en una pendiente de 9%;
adimensional, es el
factor de manejo de la cubierta vegetal y refleja la
reducción de la erosión por efecto de un tipo y condición
de cobertura vegetal en relación con la condición donde el
área está libre de vegetación y en movimiento continuo; ,
adimensional, es el factor de práctica de control de la
erosión, definida como la proporción de pérdida de suelo
con la practica implementada (terrazas, cultivo en franjas,
etc.) con la pérdida de suelo de una área con laboreo
continuo. Los mapas utilizados en la aplicación de la USLE
son mostrados en las ilustraciones (1 al 5) siguientes:
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Ilustración 1. Mapa del factor erosividad de la lluvia R.
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Ilustración 3. Mapa del factor de longitud pendiente LS.
Ilustración 2. Mapa del factor erodabilidad del suelo K.
Ilustración 4. Mapa del factor de cobertura del suelo C.
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cuenta en forma tabulada. En la Ilustración 9 presenta la
gráfica de la evolución temporal de dichas batimetrías.
Ilustración 5. Mapa de riesgo de erosión en la cuenca.
La ilustración 5 muestra las zonas de mayor riesgo de erosión
en las cuales se pueden jerarquizar acciones de manejo de las
subcuencas, en la Tabla 1 se muestran los porcentajes de los
rangos de erosión en el que predominan los de moderada y
fuerte.
Ilustración 6. Batimetría del embalse del año 1991.
Tabla 1. Porcentajes del riesgo de erosión presentes en la cuenca.
Área
[
]
Porcentaje
[ ]
Casi Nula
6481.98
17.15
Leve
3781.46
10.01
Moderada
14124.32
37.38
Fuerte
9806.65
25.95
Muy fuerte
3595.52
9.51
Se analizaron las mediciones de sedimentos en suspensión
para las estaciones hidrométricas La Boquilla en la cual el
volumen medio anual es de 1.62 hm³ correspondiente a 11
años de registro y San Cristóbal II se obtuvo un volumen de
2.32 hm³ para un periodo de 24 años. Estas estaciones se
encuentran ubicadas en los ríos Juchipila y Santiago
respectivamente. En la cuenca del río Cuixtla no se contó con
registros de sedimentos. En la tabla 4 se muestran los
volúmenes de sedimentos estimados.
De igual manera, se analizaron las batimetrías realizadas en
los años 1979, 1991, 2006 y 2011 incluyendo la curva original
del año 1964 de las cuales se obtuvieron los volúmenes de
sedimentos por periodo así como el acumulado. En las
ilustraciones 6 a 8 se muestran las batimetrías con las que se
cuenta en forma digital y las restantes (1964 y 1979) solo se
Ilustración 7. Batimetría del embalse del año 2006.
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la evapotranspiración diaria, la percolación diaria y el flujo de
retorno o flujo base. Para el escurrimiento se emplea la
metodología del número de la curva del Servicio de
Conservación de Suelos de los Estados Unidos, con datos de
lluvia diarios. Esta ecuación se fundamenta en que la
escorrentía está determinada por el suelo, la cobertura de suelo
y la práctica de manejo que en este se realice.
Para poder aplicar el modelo se requiere información
topográfica, tipos y uso de suelos, climatológicas con
registros diarios de precipitación, temperatura mínima y
máxima y de ser posible la velocidad del viento, radiación
solar y humedad relativa.
Ilustración 8. Batimetría del embalse del año 2011.
La cuenca se trazó a partir de la cortina tomando como
frontera el lago de Chapala, ya que se considera que el
mismo retiene los sedimentos que le son aportados de los
tributarios aguas arriba. Por lo que el área de la misma
resulto de 38 760 km²; se construyó un modelo digital con
tamaño de celda de 30 x 30 m. El uso y tipo de suelo se
obtiene a partir de la información vectorial escala 1: 250
000 del INEGI (1982). De la climatología se recopiló la
información diaria correspondiente a precipitación,
temperatura máxima y mínima para un periodo total de 32
años de registros (1979 – 2010) en 16 estaciones
climatológicas, para tal fin se desarrolló una herramienta
informática en la cual se obtienen los registros históricos
diarios directamente de la página de internet de la
CONAGUA, los ordena por estaciones y los formatea para
ser introducidos en el SWAT; En las ilustraciones 10 y 11
se muestran los tipos de suelo y la cobertura vegetal en la
cuenca.
Ilustración 9. Evolución temporal de las batimetrías.
Para el análisis de los sedimentos transportados a la
entrada del embalse se utilizó el modelo SWAT, el cual está
conformado por un conjunto de submodelos tales como
climáticos, hidrológicos, de erosión, de nutrientes,
agrícolas y urbanos. El SWAT se basa en un balance
hídrico para determinar la entrada, salida y
almacenamiento del agua en la cuenca, la cuenca
hidrográfica se divide en pequeñas subcuencas con el fin
de mejorar la exactitud de los cálculos. Adicionalmente
trabaja por unidades de respuesta hidrológica (HRU, por
sus siglas en inglés) obtenidas del cruce de los diferentes
tipos de suelo con las coberturas de suelo presentes.
En dicho balance se toma en cuenta el contenido de agua en el
suelo, la precipitación diaria, la cantidad de escorrentía diaria,
Ilustración 10. Mapa de tipos de suelo en la cuenca.
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En la Tabla 2 se presenta los resultados obtenidos en la cuenca
completa y que llegan al embalse como promedio anual.
Tabla 2.Volumen de sedimentos estimados con el modelo SWAT.
[
Ilustración 11. Mapa de uso del suelo en la cuenca.
Una vez procesada la información anterior, se genera la red de
drenaje y el mapa de las Unidades de Respuesta Hidrológica
(HRU), al cual se le ingresa la información climatológica
diaria.
En la ilustración 12 se muestran los resultados de los
volúmenes anuales medios de sedimentos por subcuenca
obtenidos en la modelación con SWAT.
]
[
]
1979
0.034
1995
1.215
1980
0.049
1996
3.284
1981
0.141
1997
3.651
1982
0.500
1998
7.215
1983
1.315
1999
2.307
1984
2.536
2000
4.278
1985
2.370
2001
5.650
1986
2.297
2002
8.685
1987
1.506
2003
8.794
1988
2.662
2004
3.405
1989
0.366
2005
9.471
1990
4.409
2006
7.435
1991
4.529
2007
13.623
1992
0.862
2008
6.880
1993
1.828
2009
6.187
1994
0.880
2010
7.944
Se realizó una comparativa (Tabla 3) de las tasas de
sedimentos por periodos de tiempo de acuerdo a los años
modelados (1979 – 2010) y los correspondientes a las
batimetrías realizadas en dicho periodo.
Tabla 3. Tasa anual de sedimento depositado.
[
]
Batimetrías Modelado en
SWAT
[
]
[
]
1991
5.97
6.09
2006
4.63
5.55
2010
4.61
5.70
Finalmente en la Tabla 4 se muestra la comparación de
resultados entre las mediciones en las estaciones
hidrométricas, batimetrías y modelo SWAT.
Tabla 4. Comparación de volúmenes de sedimentos analizados
(hm³).
[1 Año] [32 Años] [48 Años]
Mediciones
Estaciones
Hidrométricas
Ilustración 12. Mapa de sedimentos medios anuales por
subcuenca.
EH La
Boquilla
1.62
51.84
77.76
EH San
Cristóbal II
2.32
74.37
111.55
Suma
3.94
126.21
189.31
Batimetrías 1964 - 2011
4.51
144.39
216.58
Modelado en SWAT
5.70
126.31
273.60
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Conclusiones
De los resultados obtenidos se concluye que la comparación
entre las mediciones y las batimetrías son muy parecidas,
sobre todo que falta considerar el volumen que aporta el rio
Cuixtla ya que esa cuenca no se cuenta con registros.
En cuanto a los resultados comparativos con el modelo SWAT
se puede decir que los valores están por encima de las
batimetrías, lo cual se puede atribuir a que en el modelo
construido aun no están considerados los almacenamientos
construidos en la cuenca, los cuales se estima retienen una
cantidad de sedimentos importante además de que el embalse
con los años va perdiendo eficiencia de retención, dicho de
otra manera, parte de los sedimentos al principio se quedan en
mayor cantidad respecto a los que con el tiempo ya
sedimentado el embalse estos pasan a través de la obra de
toma.
Referencias
Batimetrias del vaso de almacenamiento de la CH Manuel
M Diéguez. (1979, 1991, 2006 y 2011). Comisión Federal de
Electricidad.
De la Parra, Raul. (1983).Un procedimiento para predecir y
determinar el volumen y forma de depositación de sedimentos
en vasos de almacenamiento. XII Congreso Nacional de
Ingeniería Civil – CICM.
Díptico de datos proyecto, CH Manuel M Diéguez. (1957).
Comisión Federal de Electricidad.
Food and AgricultureOrganization, FAO. (1980). Tablas
para la estimación de valores de la Ecuación Universal de
Pérdida de Suelos. Italia.
INEGI. Instituto Nacional de Estadística, Geografía e
Informática. (1982).Cartas topográfica, tipo y uso de suelos.
Escalas 1 : 50 000 y 1 :250 000, México.
Instituto Mexicano de Tecnología del Agua (IMTA).
(1995)Extractor Rápido de Información Climatológica
(ERIC).Instituto Mexicano de Tecnología del Agua, México.
Soil and Water Assessment Tool, SWAT.(2000). User’s
Manual, USA.
Wischmeier, W.H. and D.D. Smith (1978). Predicting
rainfall erosion losses: A guide to conservation planning.
U.S.Department of Agriculture, Agricultural Handbook No.
537.USA.
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