Embalses

EMBALSES

Universidad Tecnológica de Panamá Segundo Semestre 2011

DISEÑO DE EMBALSES ¿Por qué debemos almacenar agua? Por que la distribución del agua es variable en el tiempo y el espacio. Durante los períodos de grandes aportes el agua debe almacenarse para satisfacer uniformemente las demandas para: 1. Aba Abaste stecim cimien iento to a la pob poblac lación ión.. 2. Ge Gener neraci ación ón hid hidroe roeléc léctri trica. ca. 3. Riego. 4. Nav aveg ega aci ción ón.. 5. Diversi sió ón. 6. Otros us usos.

Fuente:ik2mc5.blogspot.com

Un diagrama masa es la representación gráfica de los aportes acumulado en un embalse vs el tiempo.

DISEÑO DE EMBALSES ¿Por qué debemos almacenar agua? Por que la distribución del agua es variable en el tiempo y el espacio. Durante los períodos de grandes aportes el agua debe almacenarse para satisfacer uniformemente las demandas para: 1. Aba Abaste stecim cimien iento to a la pob poblac lación ión.. 2. Ge Gener neraci ación ón hid hidroe roeléc léctri trica. ca. 3. Riego. 4. Nav aveg ega aci ción ón.. 5. Diversi sió ón. 6. Otros us usos.

Fuente:ik2mc5.blogspot.com

Un diagrama masa es la representación gráfica de los aportes acumulado en un embalse vs el tiempo.

FUNCION REGULADORA DE UN EMBALSE

DISEÑO DE EMBALSES CONFLICTOS 

Maximizar altura vs. Maximizar volumen 



Si el almacenamiento se usa, la carga se reduce.

Uso del agua vs. Control de inundaciones 

Usuarios del agua prefieren un embalse lleno ( para usos futuros)



Para control de inundaciones el embalse debe estar vacío.

PARTES DE UN EMBALSE

CURVAS HIPSOMÉTRICAS

h  f (V )  f ( A ) 3

2

BALANCE HIDRICO Q salida  Qusado  Qvertido  Qevaporado  Qescape  Qinfiltración  ..

Qneto  Qentrada  Qsalida Qentrada  Qcauce  Qprecipitación Q precipitación  AP

Universidad Tecnológica de Panamá. Curso de Diseño Hidráulico y Modelos. II Semestre 2011.

7

DISEÑO DE EMBALSES El diagrama masa puede ser utilizado para: 1. Determinar el rendimiento seguro de un embalse construido. 2. Dimensionar un embalse para garantizar en suministro requerido.

Fuente:leonciogazulla.blogspot.com

RENDIMIENTO DE UN EMBALSE h t a n u h g a R . n g i s e D d n a s y s i l a n A , s e l p i c n i r P : y g o l o r d y H : e t n e u F

RENDIMIENTO DE UN EMBALSE

Fuente: Hydrology: Principles, Analisys and Design. Raghunath

DISEÑO DE UN EMBALSE A continuación se muestran los caudales promedios anuales para el río Duablo. El desnivel máximo disponible es de 80 m. Determine: 1. El volumen mínimo del embalse si los aportes anuales serán extraídos a una tasa uniforme. ( No hay flujo sobre el vertedero). 2. La producción energía uniforme si se asume que una eficiencia de la planta de el 70%.

ANALISIS DE EMBALSES 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Mes

Caudal (m3/s)

Volumen (Mm3) 0

Volumen Acc. (Mm3) 0

Deficit (Mm3)

Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre

15.00 12.00 10.00 23.20 41.30 72.20 55.50 76.20 84.50 81.80 77.00 41.30

40.18 29.03 26.78 60.13 110.62 187.14 148.65 204.09 219.02 219.09 199.58 110.62

40.18 69.21 95.99 156.12 266.74 453.89 602.54 806.63 1025.65 1244.75 1444.33 1554.95

89.40 189.95 292.75 362.19 381.15 323.59 304.52 230.00 140.56 51.04 -18.96 0.00

1. Caudal Unif. Volumen Min.

49.31 381.15

m3/s Mm3

2. Pot. Firme

27.09

Mw

CURVA MASA

1800

1600

1400 O D 1200 A L U M1000 U C A N 800 E M U L 600 O V

400

200

0 0

2

4

6

8

MESES

10

12

14

CONTENIDO  

Marea de viento (setup) (Z S). Altura de ola (zw ó z’)



Barrido de ola (zr ).



Tránsito de Avenidas.


14

ACCIÓN DEL VIENTO 

Se dan 3 fenómenos. 

Inclinación del nivel del agua por efecto del viento (Z S).

Altura de la ola significativa (z w ó z’).



Altura de barrido de la ola (zr )





Se tiene que tomar en cuenta: 

Velocidad del viento y duración.



Dirección del viento.



La longitud máxima a la que sopla el viento sin obstáculos. (Fetch)


15

ACCIÓN DEL VIENTO


16

ACCIÓN DEL VIENTO


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CALCULO DE FETCH EFECTIVO n o i t i d E h t r u o F g n i r e e n i g 2 n 9 E 9 1 s l l e i c r H u w o a s r e G R c r M e t a W o r b i l l e d o d a m o T


18

ACCIÓN DEL VIENTO SOBRE-ELEVACIÓN 

Un efecto mayormente perceptible en lagos poco profundos con fondos rugosos. ( Sistema E.S.)

Z s

V F 2 w

1400  d

Vw2=Velocidad del Viento (mph) F=Fetch (millas) d = Profundidad (pies) Zs=Sobre elevación (pies)


19

ACCIÓN DEL VIENTO SOBRE-ELEVACIÓN 

Un efecto mayormente perceptible en lagos poco profundos con fondos rugosos. ( Sistema S.I.)

Z s

V F 2 w

63,200  d

Vw2=Velocidad del Viento (kph) F=Fetch (km) d = Profundidad (m) Zs=Sobre elevación (m)

Universidad Tecnológica de Panamá. Curso de Diseño Hidráulico y Model

II Semestre 2011.

20

ACCIÓN DEL VIENTO OLEAJE 

Ecuaciones para el cálculo del nivel de la ola: 

Fórmula ( Sistema E.S.)

0.47 z w  0.034  V1.06 Fe 

zw = Altura de la Ola (p)



V = Velocidad del viento en (mph)



Fe = Fetch efectivo(millas).


Ecuaciones para el cálculo del nivel de la ola: 

Fórmula ( Sistema S.I.)

0.47 z w  0.005  V1.06 Fe 

zw = Altura de la Ola (m)



V = Velocidad del viento en (kph)



Fe = Fetch efectivo (km).

Universidad Tecnológica de Panamá. Curso de Diseño Hidráulico y Modelos. II Semestre 2011

22

ALTURA SIGNIFICATIVA DE OLA

Tomado del libro W ater Resources Engineering Fourth Edition McGraw Hill 1992


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Para un embalse con un viento de 25 mph, presa de 60 pies de profundidad y fetch de 3 millas.



Calcular la altura de las olas, la sobreelevación en la orilla y la altura de trepada de la ola. z w  0.034  V1.06  Fe 0.47 z w  1.73pies


24

BARRIDO DE LA OLA h t r u o F g n i r e e n 2 i g 9 n 9 E 1 s l l e i c r H u w o a s r e G R c r M e t a n o i t W i d o r E b i l l e d o d a m o T

ACCIÓN DEL VIENTO BARRIDO DE LA OLA 1. Cálculo de la longitud de onda

2. Cálculo del período


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ACCIÓN DEL VIENTO Cálculo de la altura de la marea de viento. Z Z Z

Vw2 F 

s



1400 d 252 3 



s

s



1400 60 0.022 pies 



Cálculo de altura mínima a la corona.

h  Z s  1.3  z w  z r  F.S. h  0.022 p ( 1.3)*1.73 p  h  2.27 pies Universidad Tecnológica de Panamá. Curso de Diseño Hidráulico y Modelos. II Semestre 2011.

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CONSIDERACIONES FINALES  

Marea de viento (Zs). ( setup) Altura de ola (zw ó z’).



Barrido de ola (zr ).



Cualquiera consideración adicional de seguridad.

TRÁNSITO DE AVENIDAS 

Hidrograma: Gráfico que muestra la variación en el tiempo de la variable hidrológica de caudal.


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Procedimiento para determinar el hidrograma de salida, dado el hidrograma de entrada y las características de las salidas de agua en un embalse.



Laminación: Disminución o reducción del caudal máximo de su hidrograma.



Embalse contribuye al fenómeno de laminación de la creciente.


Información necesaria 

Curva de volumen del embalse en función del nivel del agua. (V=f(elevación))



Hidrograma de entrada I=f(t)



Ecuación de calibración de la estructura de evacuación de exceso de agua Q=f(h) 

Orificios



Vertederos


31


Método de Puls Modificado. 



Se asume que la superficie de agua en el embalse es horizontal.

Ecuación de continuidad.

dS (I t )  Q( t ) dt dS=Cambio de Volumen de Almacenamiento

I(t)=Hidrograma a la entrada Q(t)=Hidrograma a la salida Universidad Tecnológica de Panamá. Curso de Diseño Hidráulico y Modelos. II Semestre 2011.

32


33


Conociendo el hidrograma de entrada la ecuación de continuidad no se puede resolver.



Características de almacenamiento.

dS dt



2

1

(I t )  Q( t )



2

dS  (I t )  dt  1

I1  I2 ) (

2S 1

t



2

1

Q( t )  dt

 Q1 ) 

2S2

t

 Q2

Método de Puls Modificado


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Datos conocidos Al iniciar un análisis de crecidas es conocido el hidrograma de entrada y el nivel del agua en el embalse. (I1,I2)







El nivel del agua en el embalse define el almacenamiento y el caudal de salida en la estructura de salida. (S1,Q1)

Datos desconocidos 

Nivel del agua en el embalse en el futuro. (S 2,Q2)

I1  I2 ) (

2S 1

t

 Q1 ) 

2S2

t

 Q2


Reordenando la expresión

S2  S1  2S 2 2S1

t 2S2

t 2S2

t

I1I2 2

 t 

Q1  Q2 2

 t

 I1I2   Q1  Q2 

 Q2  I1I2   Q2 

2S2

t

2S1

t

 Q1

 Q2  2Q2


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PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO


37

TRÁNSITO DE CRECIDAS


38

TRÁNSITO DE AVENIDAS


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PROBLEMA PROPUESTO METODO DE PULS MODIFICADO A continuación se muestran la información necesaria para construir la curva de nivel, Almacenamiento y Caudal del lago de la cuenca de Cerro Viejo.

Z es la elevación en m del nivel de agua del embalse, A es el área superficial del embalse en ha ( ha = 10,000 m2); además se indica el valor del caudal Q ( en m3/s) a través del vertedero, cuya cresta se encuentra a una elevación de 250 m; también se muestra el volumen de agua almacenado entre el fondo del embalse y la elevación de 249 m.

Z (m)

A (ha)

S (ha-m)

Q (m3/s)

2S/Δt + Q ( m3/s)

249.00

7

32.00

-

355.56

249.50

13

37.00

-

411.11

250.00

21

45.50

0.00

505.56

250.50

32

58.75

4.00

656.78

251.00

47

78.50

9.00

881.22

251.50

68

107.25

15.00

1206.67

252.00

95

148.00

24.00

1668.44


41

HIDROGRAMA DE CAUDAL DIRECTO MEDIDO EN LA ESTACIÓN DE LA CUENCA DEL RIO CERRO VIEJO Fecha

Hora

Caudal

15-ago-10

00:00 00:30 01:00 01:30 02:00 02:30 03:00 03:30 04:00 04:30 05:00 05:30

0 8 28 48 59.2 51.2 43.2 28.8 14.4 4.8 2.4 0


42

METODO DE PULS MODIFICADO Efectue el tránsito del caudal directo utilizando el metódo de Puls Modificado en el intervalo 0 <= t <= 10 hrs Asuma que en el instante inicial el caudal sobre el vertedero Qo = 2.0 m3/s. Determine el caudal máximo de salida y la carga máxima sobre la cresta del vertedero Hmax = Zmax - Zcresta T (h) 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10

In (m3/s) 0 8 28 48 59.2 51.2 43.2 28.8 14.4 4.8 2.4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Zmax=

251.23m

In + In+1 ( m3/s)

2Sn/ Δt -Qn (m3/s)

8 36 76 107.2 110.4 94.4 72 43.2 19.2 7.2 2.4 0 0 0 0 0 0 0 0 0

577.17 580.96 611.06 677.71 771.20 863.59 937.16 986.44 1006.17 1002.05 986.53 966.96 945.80 925.42 905.79 886.88 868.67 851.23 834.57 818.65

Hmax=

2Sn+i/ Δt + Qn+i (m3/s) 581.17 585.17 616.96 687.06 784.91 881.60 957.99 1009.16 1029.64 1025.37 1009.25 988.93 966.96 945.80 925.42 905.79 886.88 868.67 851.23 834.57 818.65

Qn+i (m3/s) 2.00 2.11 2.95 4.67 6.85 9.01 10.42 11.36 11.74 11.66 11.36 10.99 10.58 10.19 9.81 9.45 9.10 8.72 8.33 7.96 7.61

1.23 m


43

RESUMEN 

Diseño de un embalse 



Condiciones críticas promedio (diseño de capacidad útil) 

Períodos secos (capacidad firme)



Períodos lluviosos (sedimentación)

Condiciones extremas 

Seguridad del embalse y de la pobación aguas abajo. Vertedero Borde libre Tránsito de avenidas


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