ESTUDIO HIDROLOGICO DEL PROYECTO PRESA DE RIEGO INCA PINTA ------------------------------------------------------------------------------------------------- ESTUDIO HIDROLÓGICO DEL PROYECTO POOPO 1. Resumen ejecutivo El presente informe hidrológico es un componente de la serie de estudios que hacen parte del proyecto de riego a diseño final, que contempla la construcción de una represa en el río Poopo, el sitio de embalse se encuentra próximo a la localidad de Poopo en el departamento de Oruro en Bolivia. Esta represa tiene el objetivo de regular el escurrimiento superficial de una cuenca con una superficie de drenaje de 97.6 km 2. Los escurrimientos se determinarán a partir de datos meteorológicos y físicos de la cuenca, así como referencias regionales de coeficientes de escurrimiento. La serie de datos de precipitación, corresponde a 62 años: el periodo comprendido entre los años 1943 al 2004, provenientes de la estación pluviométrica de Pazña, rellenados con la estación de Oruro, para registros inexistentes. Ambas estaciones: Pazña y Oruro, pertenecen al SENAMHI. La precipitación media anual calculada para la cuenca es de 384 mm, el coeficiente de escurrimiento promedio anual de 0.11, calculado con el método de la “Secretaría de Recursos Hidráulicos de México”, y contrastado con la información contenida en el estudio: “Balance Hídrico Superficial de Bolivia”, publicado por ORSTOM-SENAMHI el año 1991. En base al balance hídrico mensual en el embalse, correspondiente a un año promedio, se estima un volumen aprovechable, para riego, de 3.84 Hm3. Con los datos de precipitación máxima diaria, características físicas de la cuenca y los modelos computacionales SSH y HMS, se ha calculado el caudal de ingreso al embalse, correspondiente a 500 años de periodo de retorno: 177.1 m3/s. Este valor ha sido verificado, utilizando la metodología desarrollada por el Soil Conservation Service (U.S. Departament of Agriculture), detallada en el texto “SCS – National Engineering Handbook – Hydrology – Section 4”, con la que se calcularon los caudales de la máxima crecida probable, para tiempos de recurrencia de 500 y 1000 años, que resultan 163.53 m3/s y 195.78 m3/s, respectivamente. Una vez realizado el transito de la avenida (177.1 m3/s) a través del embalse, se obtiene un caudal máximo de 166.54 m3/s, para el diseño del vertedero de excedencias. Para el cálculo del caudal de diseño de las obras de desvío, se ha utilizado la metodología desarrollada por el Soil Conservation Service (U.S. Departament of Agriculture), detallada en el texto “SCS – National Engineering Handbook – Hydrology – Section 4”. La crecida de desvío, se calcula para un TR=10 años, resultando un caudal pico de 36,86 m3/s. 1 ESTUDIO HIDROLOGICO DEL PROYECTO PRESA DE RIEGO INCA PINTA ------------------------------------------------------------------------------------------------- Para el diseño de la obra de re-captación, aguas abajo de la presa, se ha calculado la crecida correspondiente a un TR=100 años. Con relación al aporte de sedimentos, se estima un aporte medio de 260 m3/(año.hectárea) que permite definir un volumen muerto de 757977,30 m3 para una vida útil de la presa de 30 años. 2. Información básica 2.1 Información cartográfica La información cartográfica utilizada en este estudio comprende: - Carta Nacional de Bolivia, IGM, Escala 1:50000 Imagen satélite LANDSAT TM, con tamaño de píxel de 30 x 30 m Levantamiento topográfico del vaso 2.2. Registros pluviométricos La información pluviométrica utilizada, consiste en registros medios mensuales y máximos diarios mensuales, provenientes de la red del Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología (SENAMHI-Oruro), los pluviómetros seleccionados en base a un criterio de proximidad al área de estudio son los de Oruro y Pazña, los datos de lluvia mensual registrados en la estación de Pazña se muestran en el Cuadro 1, los datos de precipitación máxima diaria correspondientes al pluviómetro de Oruro son presentados en el Cuadro 2 al final del anexo. 2.3. Temperatura Los datos de temperatura utilizados, corresponden a las observaciones diarias efectuadas en la estación de Oruro, el período para el que se cuenta con registros es del año 1943 al 2004. Para obtener una temperatura característica para la cuenca, se realizo una transferencia de los registros de Oruro, considerando una disminución de la temperatura de –0.7 °C para cada 100 m de elevación en altitud, los valores adoptados para la cuenca se muestran en el Cuadro 3, observando un valor promedio de 6.3 °C 2.4. Evaporación La estación meteorológica con datos de evaporación más próxima al área de estudio es la de Pazña, los valores para esta variable surgen de observaciones diarias en un tanque Tipo A. 2 ESTUDIO HIDROLOGICO DEL PROYECTO PRESA DE RIEGO INCA PINTA ------------------------------------------------------------------------------------------------- El Cuadro 4, ubicado al final del anexo, muestra las magnitudes medias mensuales de evaporación alcanzadas en Pazña. 2.5 Fluviometría No se cuenta con registros fluviométricos continuos para el río, sin embargo el día 25 de octubre del 2005, COTEPIC S.R.L. midió un caudal de 41.09 l/s, a su vez el día 19 de febrero de 2006, midió un caudal de 198.4 l/s, mediante aforos expeditos realizados por la consultora en un sitio próximo al sitio de presa. El día 19 de agosto de 2010, personal de GTZ-PROAGRO, realizó un aforo, con un resultado de 20 l/s. 3. Características hidromorfológicas del área de estudio La Cuenca de la represa se muestra en la Figura 1, su caracterización hidromorfológica se realiza en base a la carta 6238-04 IGM escala 1:50.000. Los datos de interés fueron digitalizados y transferidos al Sistema de Información Geográfico ILWIS, con el que se obtienen los índices mostrados en el Cuadro 5. En el cálculo de la CMP, para diseño del vertedero. El tiempo de concentración, se obtiene con las fórmulas de Kirpich, Temez, Pasini y Pizarro, el valor promedio es: Tiempo de concentración 3.5 hr En la verificación del cálculo de la CMP, para diseño del vertedero, y en el cálculo de la crecida de desvío. Para el cálculo del tiempo de concentración, con el método del SCS, se ha utilizado la expresión: L0.8 ( S 1) 0.7 0.6 Tc s 4.25hr 1900 0.5 Donde L es la longitud del cauce principal en pies, s es la pendiente promedio del cauce principal en %, y S es el potencial de máxima retención: S 1000 10 CN 3 ESTUDIO HIDROLOGICO DEL PROYECTO PRESA DE RIEGO INCA PINTA ------------------------------------------------------------------------------------------------- 4. Análisis de precipitación 4.1. Precipitación anual La precipitación media anual sobre la cuenca, para años secos (80% de probabilidad de excedencia), normales (50% de probabilidad de excedencia) y húmedos (20% de probabilidad de excedencia) es determinada después de ajustar la distribución Normal a los 62 valores contenidos en el Cuadro 1. Los valores encontrados para la precipitación media anual sobre la cuenca son: - Año seco: - Año normal: - Año húmedo: 4.2. 245 mm 384 mm 523 mm Precipitación máxima diaria En el Cuadro 2, ubicado al final del anexo, se presentan los valores de precipitación máxima diaria, registrados en la estación de Oruro, que como ya se menciono es la que se adopta para caracterizar la precipitación extrema en el área del proyecto. 5. Aporte de agua Los escurrimientos medios mensuales de aporte al embalse han sido determinados mediante el cálculo de un coeficiente de escorrentía constante: 0.11. Dicho coeficiente se ha obtenido con el método de la “Secretaría de Recursos Hidráulicos de México”, y es contrastado con la información contenida en el estudio: “Balance Hídrico Superficial de Bolivia”, publicado por ORSTOM-SENAMHI el año 1991. Los escurrimientos medios mensuales, de ingreso al embalse, se obtienen aplicando el coeficiente de escurrimiento a las precipitaciones medias mensuales. Los resultados se registran en el siguiente cuadro: Septiembre Octubre Noviembre 1081891 925033 688671 139668 Diciembre Agosto Julio Junio Mayo Abril Marzo Febrero Enero Mes El cálculo del coeficiente de escorrentía, se incluye en el Cuadro Nº7 del presente anexo. Volumen ingresado m3 27934 23636 63388 128924 162230 313716 637101 27934 4 ESTUDIO HIDROLOGICO DEL PROYECTO PRESA DE RIEGO INCA PINTA ------------------------------------------------------------------------------------------------- 6. Crecidas 6.1. Caracterización de la lluvia en términos de Intensidad, Duración y Frecuencia. Para la estimación de la avenida máxima de proyecto, la caracterización de la lluvia es realizada en términos de: Lámina precipitada, Duración y Frecuencia. Sin embargo, para esta caracterización, no es posible disponer a corto plazo, de una serie larga de registros pluviográficos, motivo por el que se utilizan los datos pluviométricos de la estación meteorológica de Oruro junto con factores para desagregación a lluvias de menor duración. Cálculo de la CMP, para diseño del vertedero. Los factores de desagregación adoptados son los que se muestran en el Cuadro 6 y corresponden a los sugeridos por el Weather Bureau de los Estados Unidos. Finalmente, la precipitación máxima diaria con periodo de retorno T, de la estación de Oruro, es desagregada, obteniendo de esta manera las curvas Precipitación - Duración - Frecuencia (P-DF), mostradas en la Figura 2. Verificación del cálculo de la CMP, para diseño del vertedero, y cálculo de la crecida de desvío. Con la serie de 62 valores, de precipitaciones máximas diarias de la estación de Oruro, se calcularon los coeficientes de la distribución Log Pearson – tipo III para dicha serie. Obtenida la ecuación de distribución correspondiente a la serie, se calculan las precipitaciones máximas diarias para distintos tiempos de recurrencia. Estas precipitaciones máximas diarias, son luego desagregadas con coeficientes de desagregación de 1h, 6h y 12h. Como duración característica de las tormentas de proyecto, se adopta 6 horas. El tiempo de retorno, adoptado para la avenida de proyecto del vertedero, es de 500 años. La lámina precipitada correspondiente resulta: 72.1 mm. El cálculo de esta crecida, se desarrolla en los cuadros 8.1 al 8.4 de este anexo. El tiempo de retorno, adoptado para la avenida de proyecto del desvío, es de 10 años. La lámina precipitada correspondiente resulta: 36.86 mm. Se incluyen las tablas de cálculo, en los cuadros 9.1 al 9.4 de este anexo. 5 ESTUDIO HIDROLOGICO DEL PROYECTO PRESA DE RIEGO INCA PINTA ------------------------------------------------------------------------------------------------- 6.2. Precipitación de proyecto Cálculo de la CMP, para diseño del vertedero. Una tormenta de proyecto, es la distribución hipotética de la cantidad de lluvia precipitada en el tiempo. En el estudio de avenidas, representa a la lluvia que genera un caudal extremo con determinado periodo de retorno. Utilizando el criterio del "padrón de tormenta crítico" y a partir de las curvas P-D-F, se elabora la precipitación de proyecto para 500 años de período de retorno, considerando una duración critica para la tormenta de cuatro horas y tomando intervalos de discretización de 15 minutos. El método del padrón de tormenta crítico, divide la duración típica de la lluvia en n intervalos t. Para cada periodo de tiempo i*t (i=1, 2,...,n), se extrae de las curvas P-D-F la altura de lluvia, los valores hallados se ordenan alternadamente desde el intervalo (n/2+1) hacia los intervalos extremos. Una vez obtenido el hietograma, la precipitación total debe ser reducida debido a las pérdidas (infiltración, retención superficial, etc.). Esta metodología se encuentra programada en el “software” denominado Sistema de Simulación Hidrológica, y permite obtener el hietograma de proyecto correspondiente. En el Cuadro 10, al final del anexo, se proporcionan las lluvias de proyecto de 200 y 500 años de periodo de retorno, que serán utilizadas como entrada al modelo de transformación de lluvia en caudal, que permitirá obtener la crecida de diseño del vertedero de excedencia. Verificación del cálculo de la CMP, para diseño del vertedero, y cálculo de la crecida de desvío. En la metodología del SCS, las precipitaciones, no son distribuidas ni espacial ni temporalmente. 6.3. Precipitación efectiva Cálculo de la CMP, para diseño del vertedero. El hietograma hasta aquí obtenido, constituye la precipitación total, la precipitación efectiva fue calculada con el método de las Curvas Número (CN) del Soil Conservation Service, que se adopta según las características físicas de la cuenca, tales como: tipo de suelo, cobertura vegetal y uso de suelo, identificados en la cuenca de la represa, con auxilio de fotos aéreas y a través de observaciones cualitativas durante visitas al área de estudio. Inferencias del tipo de suelo fueron realizadas a partir del mapa de geomorfología presentado en la figura 4, la cobertura vegetal y uso de suelo fueron determinados a partir del mapa de uso de suelo presentado en la figura 3. La sobreposición de estos datos para obtener los valores de los índices CN, fue realizada con el 6 ESTUDIO HIDROLOGICO DEL PROYECTO PRESA DE RIEGO INCA PINTA ------------------------------------------------------------------------------------------------- Sistema de Información Geográfica ILWIS. El valor de la Curva Numero determinada para la cuenca en estudio, para la condición de humedad antecedente promedio es: CN = 81.7 Verificación del cálculo de la CMP, para diseño del vertedero, y cálculo de la crecida de desvío. En esta verificación, se ha adoptado el mismo número de curva: 81.7. 6.4 Estimación de crecidas 6.4.1. Introducción Se ha realizado el cálculo de la crecida máxima probable y una verificación del cálculo. 6.4.2. Hidrograma de ingreso al embalse Cálculo de la CMP, para diseño del vertedero El hidrograma de proyecto que ingresa al embalse es calculado a través del método del S.C.S., que adopta un hidrograma unitario triangular como modelo de transformación de lluvia en caudal. En el presente estudio, los parámetros del modelo son obtenidos a través de relaciones con características físicas de la cuenca (cobertura vegetal, pendiente media de la cuenca, pendiente del curso principal, área de drenaje, etc.). Las relaciones mencionadas son las desarrolladas por el propio S.C.S. Luego de adoptar un hidrograma de proyecto que ingresa al embalse, el mismo es laminado para determinar el hidrograma de proyecto del vertedor. De acuerdo al método del SCS, los parámetros del hidrograma unitario triangular para la cuenca de la represa son: D = 15 minutos (Duración de la lluvia unitaria efectiva) tlag = 0.6 * Tc = 2.1 horas tp = D/2 + tlag = 2.23 horas tr = 1.67 * tp = 3.7 horas 7 ESTUDIO HIDROLOGICO DEL PROYECTO PRESA DE RIEGO INCA PINTA ------------------------------------------------------------------------------------------------- Donde: D es la duración de la lluvia unitaria efectiva, que fue adoptada en 15 minutos debido a que es la que provoca el hidrograma más desfavorable. tlag es el tiempo de retraso. Tc es el tiempo de concentración de la cuenca, que fue calculado como promedio de los resultados del uso de varias formulas empíricas (Tc = 3.5 horas). tp es el tiempo de pico tr es el tiempo de base del hidrograma menos el tiempo de pico. Esta información, la precipitación de proyecto (Cuadro 10 al final del anexo) y el criterio de pérdidas del SCS (CN=81.7 ), fueron introducidos al programa computacional HMS-HEC1, con el fin de obtener el hidrograma de crecida provocado por la lluvia de proyecto de periodo de retorno de 500 años, que permite obtener el siguiente valor para el caudal máximo de ingreso al embalse: Q500 = 177.1 m3/s En la gráfico 1, al final del anexo, se presenta el hidrograma de ingreso al embalse para 500 años de periodo de retorno. Verificación del cálculo de la CMP para diseño del vertedero, y cálculo de la crecida de desvío. En esta instancia, se utilizó la metodología del Soil Conservation Service (U.S. Departament of Agriculture), detallada en el texto “SCS – National Engineering Handbook – Hydrology – Section 4”, que se desarrolla en los cuadros 8.1 al 8.4. 7. Caudales aprovechables 7.1. Introducción Debido a la variabilidad anual y estacional del escurrimiento natural del río Poopo, es necesario un embalse que armonice el potencial hídrico de la cuenca, con el requerimiento necesario para atender la demanda del área de riego. La determinación de las demandas mensuales de riego, se ha llevado a cabo con el programa ABRO, llevando al límite la utilización del agua anualmente disponible, dado que, la superficie 8 ESTUDIO HIDROLOGICO DEL PROYECTO PRESA DE RIEGO INCA PINTA ------------------------------------------------------------------------------------------------- regable, no es una limitante. 7.2. Datos para la simulación Los datos introducidos al modelo, para la simulación del futuro embalse son: - Caudales medios mensuales (aportes), obtenidos en el apartado 5. - Evaporación registrada en tanque tipo A (Cuadro 4, se adoptaron los registros de la estación de Pazña), estos valores luego de ser afectados con el factor 0.8, son adoptados como evaporación neta de la superficie de agua del embalse. - Distribución mensual de la demanda proveniente del ABRO (Cuadro 12). - Curva altura, área, volumen del embalse (Cuadro 13, y gráfico 2), determinados mediante levantamiento topográfico. 7.3. Simulación La simulación del embalse fue realizada con el auxilio de una planilla electrónica que ejecuta el balance hídrico mensual de un año promedio en el embalse. Esta planilla, puede encontrarse en el Cuadro 15, al final de este anexo. Considerando que se han adoptado las precipitaciones medias de la serie, puede satisfacerse una demanda básica de 3845900 m3. 8. Análisis del comportamiento del vertedero 8.1. Transito de los hidrogramas de crecida El hidrograma que ingresa al embalse, es amortiguado en su tránsito por el lago, este efecto ha sido calculado con el método aritmético tabular de tanteos. Este método, se basa en el balance de los volúmenes de agua que ingresan al embalse, y los volúmenes que egresan, en relación con la altura de agua alcanzada sobre la cresta del vertedero. El caudal pico, resultante de la laminación de la crecida en el embalse, y que saldrá por el vertedero es, 166.54 m3/s. En el cuadro 14, pueden observarse los cálculos correspondientes a la laminación del embalse. 9 ESTUDIO HIDROLOGICO DEL PROYECTO PRESA DE RIEGO INCA PINTA ------------------------------------------------------------------------------------------------- 8.2. Ancho del vertedero La longitud del vertedero: 50,00 m, es determinada, buscando una solución de compromiso entre economía (reducir la longitud del vertedero), y seguridad frente a la estabilidad (reducir el tirante de agua sobre la cresta), el coronamiento del vertedero se encuentra en la cota 3825 m. La relación altura caudal correspondiente es: Q = 2.0 * L * h1.5 Donde: Q = Caudal que pasa por encima del vertedero en m3/s L = Longitud del vertedero en m. h = Tirante de agua sobre la cresta del vertedero en m. Para el máximo caudal que se prevé podrá ser evacuado (166.54 m3/s) el tirante de agua sobre la cresta del vertedero resulta igual a 1,42 m. 9. Caudal de diseño de obra de toma (recaptación, aguas abajo de la presa). En los cuadros 15.1 al 15.2, se incluye el cálculo de la CMP para un TR=100 años, caudal con el que se diseña la presa derivadora. 10 ESTUDIO HIDROLOGICO DEL PROYECTO PRESA DE RIEGO INCA PINTA ------------------------------------------------------------------------------------------------- ÍNDICE DE CUADROS, GRÁFICOS Y FIGURAS A) CUADROS 1) Datos de precipitación mensual en Pazña. 2) Datos de precipitación máxima diaria, estación de Oruro. 3) Valores de temperatura, adoptados para la cuenca. 4) Datos de evaporaciones medias mensuales en Pazña. 5) Índices de la cuenca. 6) Factores de desagregación (Weather Bureau de los Estados Unidos). 7) Cálculo del coeficiente de escorrentía. 8) Cálculo de la Crecida Máxima Probable, con TR=500 años. 9) Cálculo de la Crecida Máxima Probable, con TR=10 años. 10) Lluvias de proyecto de 200 y 500 años de TR. 11) Distribución mensual de la demanda – planillas ABRO. 12) Tabla altura-área-volumen. 13) Laminación de la crecida a través del embalse. 14) Cálculo de la Crecida Máxima Probable, con TR=100 años. B) GRÁFICOS 1) Hidrograma de ingreso al embalse para TR=500 años. Hidrograma de salida, con la crecida laminada a través del embalse. 2) Curva altura-área-volumen. C) FIGURAS 1) 2) 3) 4) Cuenca. Caracterización hidromorfológica. Curvas de precipitación-duración-frecuencia. Mapa de geomorfología. Mapa de uso de suelo. 11
