AMH XXIII C ON G R E S O N A C I O N A L DE H I D R Á U LI C A PUERTO VALLARTA, JALISCO, MÉXICO, OCTUBRE 2014 AMH 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 [email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected] 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: AMH XXIII C ON G R E S O N A C I O N A L DE H I D R Á U LI C A PUERTO VALLARTA, JALISCO, MÉXICO, OCTUBRE 2014 Ilustración 1. Mapa del factor erosividad de la lluvia R. AMH 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. XXIII C ON G R E S O N A C I O N A L AMH DE H I D R Á U LI C A PUERTO VALLARTA, JALISCO, MÉXICO, OCTUBRE 2014 AMH 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. AMH XXIII C ON G R E S O N A C I O N A L DE H I D R Á U LI C A PUERTO VALLARTA, JALISCO, MÉXICO, OCTUBRE 2014 AMH 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. AMH XXIII C ON G R E S O N A C I O N A L DE H I D R Á U LI C A AMH PUERTO VALLARTA, JALISCO, MÉXICO, OCTUBRE 2014 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 AMH XXIII C ON G R E S O N A C I O N A L DE H I D R Á U LI C A PUERTO VALLARTA, JALISCO, MÉXICO, OCTUBRE 2014 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. AMH
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