Resultados de 35 batimetrías de la región centro-noreste de México, según el Diagrama Universal de Sedimentación en Embalses de Zhide Zhou

Results for 35 bathymetries in the Northeastern-Central region of Mexico, according to the Universal Reservoir Sedimentation Diagram by Zhide Zhou

Daniel Francisco Campos-Aranda

Profesor Jubilado de la Universidad Autónoma de San Luis Potosí, México.

Dirección institucional del autor

Dr. Daniel Francisco Campos Aranda
Profesor jubilado de la Universidad Autónoma de
San Luis Potosí
Genaro Codina 240, Colonia Jardines del Estadio
78280 San Luis Potosí, San Luis Potosí, México
Teléfono: +52 (444) 8151 431
campos_aranda@hotmail.com

Resumen

De inicio se citan varios conceptos en relación con los embalses y su sedimentación. Enseguida se describe con detalle el llamado Diagrama Universal de Sedimentación en Embalses (DUSE), propuesto por Zhide Zhou en 1993. Este diagrama permite representar la sedimentación ocurrida en cualquier presa o embalse, en función de dos de sus parámetros más relevantes: su capacidad total y su volumen escurrido medio anual. Los resultados numéricos de 35 batimetrías realizadas en presas medianas y pequeñas de la región centro y noreste de México se dibujaron en el DUSE y se interpretó su ubicación. Se concluye que el DUSE es una herramienta útil, la cual permite una caracterización regional de la sedimentación ocurrida en sus embalses.

Palabras clave: presas, embalses, sedimentos, escurrimiento medio anual, capacidad total.

Abstract

This work first describes several concepts associated with reservoirs and their sedimentation. It then discusses in detail the "Universal Reservoir Sedimentation Diagram (URSD) proposed by Zhide Zhou in 1993. This diagram enables the representation of sedimentation occurring in any dam or reservoir in terms of two of the most important parameters: total storage capacity and mean annual runoff. The numerical results of 35 bathymetries conducted in small and medium dams in the central and northeastern regions of Mexico were diagrammed using the URSD and their location were interpreted. It is concluded that the URSD is a useful tool that enables the regional characterization of sedimentation occurring in reservoirs.

Keywords: dams, reservoirs, sediments, mean annual runoff, total capacity.

Introducción

Las presas o embalses son las obras hidráulicas básicas del aprovechamiento de los recursos hidráulicos; su objetivo fundamental consiste en guardar los escurrimientos excedentes a la demanda y utilizarlos cuando ésta resulta superior. Bajo tal planteamiento, existen dos tipos de embalses: (1) los estacionales, comúnmente pequeños, que guardan agua de la época de lluvias y la utilizan en el estiaje siguiente; (2) los hiperanuales, generalmente grandes, que almacenan agua de los años húmedos y la emplean en los años secos. Debido a que el escurrimiento de todos los ríos transporta sedimentos, ambos tipos de embalses siempre están sometidos a un proceso de sedimentación, el cual reduce su capacidad para almacenar agua.

Los sedimentos que transporta el escurrimiento se originan en los procesos de erosión que ocurren en la cuenca; además, existen mecanismos de socavación en el propio cauce y en sus orillas, que también producen material que se moverá debido a la turbulencia del flujo en el río. De acuerdo con la manera en que es transportado el sedimento en el río, éste se clasifica en dos grandes tipos: (a) en suspensión, cuando está sostenido por la turbulencia y (b) en el fondo, cuyo avance puede ser rodando, saltando o deslizándose (Fabián-Rivera et al., 2005).

La medición de los sedimentos en un río tiene muchas dificultades, unas provienen de la complejidad de los procesos de erosión, transporte y depósito dentro del propio cauce, otras de los costos asociados con tales mediciones y, finalmente, otras relativas a la carencia de un programa exclusivo para obtener este tipo de datos, en el estiaje y en la época de crecientes, así como en suspensión y en el fondo, ya que rutinariamente sólo se muestrea el transporte de sólidos cerca de la superficie (Fabián-Rivera et al., 2005).

Por otra parte, ante la presión que ejerce el aumento de la demanda para todos los usos, originada por el crecimiento poblacional, el incremento de la productividad y la búsqueda de mejores nivel de vida, resulta inadmisible perder capacidad de almacenamiento en los embalses, pues ello significa menor garantía para el abastecimiento e incluso la falla para surtir la demanda. En este contexto, es muy importante saber qué capacidad útil tiene cada embalse que lleva años en operación. Ante la escasez de datos sobre sedimentos, para realizar las estimaciones necesarias, las batimetrías resultan ser una práctica económica y confiable para obtener una aproximación numérica a la sedimentación ocurrida en cada embalse (Vanoni, 1975; Bruk, 1985; Morris y Fan, 1998; Mobayed-Khodr, 2002).

Con esto último en mente, hacia mediados de los años setenta se inició en la entonces Secretaría de Recursos Hidráulicos (SRH) un programa de levantamientos batimétricos de embalses pequeños y medianos en la región centro-noreste del país, el cual se intensificó en la década de los años ochenta, llegándose a completar 35 batimetrías. Los resultados de tales batimetrías son ahora procesados para su vaciado e interpretación en el llamado Diagrama Universal de Sedimentación en Embalses (DUSE) y ello constituye el objetivo de este trabajo.

Desarrollo

Información procesada de batimetrías

En la Subdirección Regional Noreste se inició a mediados de los años setenta un programa de levantamientos batimétricos, orientado a encontrar indicadores reales de la sedimentación en embalses de tal región. Tal programa duró más de diez años y en total se realizaron 35 batimetrías. Las características generales de las 35 presas y los resultados de sus respectivas batimetrías se presentan en el cuadro 1, en las columnas 1 a 7 (González-Ortiz, 1996; González-Ortiz y Campos-Aranda, 1996). En estas referencias se tienen coordenadas y mapas de detalle que establecen la ubicación de las 35 presas del cuadro 1. En la figura 1 se muestra su localización aproximada, según numeración del cuadro 1.

Diagrama Universal de Sedimentación en Embalses (DUSE)

Zhide Zhou del International Research and Training Center on Erosion and Sedimentation de Beijing, China, indica que en este país existen 82 848 presas, de las cuales 18 000 son grandes, pues su cortina tiene más de 15 metros de altura. De acuerdo con 231 batimetrías llevadas a cabo a inicios de los años ochenta a presas medianas y grandes, con capacidad mayor de 10.0 millones de m³ (Mm³), se encontró que el 14.3% del total del volumen de almacenamiento estaba ocupado por sedimentos y que la pérdida promedio anual de capacidad en los embalses de China es del 2.3%, la mayor del mundo (Zhou, 1993).

Como ya se indicó, cada río transporta sedimentos y, por lo tanto, en todos los embalses ocurrirá un proceso de sedimentación. Para caracterizar tal proceso, Zhide Zhou definió dos cocientes adimensionales: uno para las abscisas (Φ) y otro para las ordenadas (ψ) de un gráfico logarítmico, en el cual se puede dibujar la sedimentación ocurrida en cualquier embalse; Φ es el cociente entre la capacidad total del embalse (CT) y el volumen escurrido medio anual (VEMA), ambas cantidades expresadas en millones de m³ (Mm³); Y es el cociente entre CT y el volumen de sedimentos medio anual (VSMA) que llegan a tal embalse, nuevamente ambas en Mm³. Tres líneas rectas definen igual número de grupos de embalses, según la concentración de sedimentos en el río: I) de baja concentración, menor que 1 kg/m³; II) de concentración media, cuando la cantidad de sedimentos oscila entre 1 y 10 kg/m³, y III) de alta concentración, cuando el transporte de sólidos es mayor de 10 kg/m³ (Zhou, 1993).

El gráfico así definido se llama Diagrama Universal de Sedimentación en Embalses (DUSE). El construido por Zhide Zhou se muestra en la figura 2, cuya relación de embalses dibujados se tiene en el cuadro 2. En el DUSE, las presas que tienen gran capacidad en relación con el VEMA se ubican hacia el lado derecho, caso de las hiperanuales y almacenamientos de las zonas áridas. Respecto al VSMA, las presas con aportaciones bajas se localizan hacia arriba del gráfico.

Para dibujar los resultados de las 35 batimetrías realizadas en presas pequeñas y medianas de la región centro-noreste de México, se dividió el volumen de sedimentos calculado entre el número de años de operación y ello condujo al valor del VSMA. Lógicamente se tiene como dato el volumen o capacidad total de la presa (CT). Lo que presentó más dificultades para su estimación fue el VEMA, ya que al no contar con información hidrométrica en tales presas, su estimación se abordó a través del método del coeficiente de escurrimiento (Campos-Aranda, 2009a), cuya fórmula es:

en la cual, el VEMA está en Mm³, CE es el coeficiente de escurrimiento medio anual, adimensional; PMA es la precipitación media anual en la cuenca, en milímetros, y A es el área de ésta, en km². La PMA se estimó con base en las cartas de tal variable del INEGI (1980), definiendo con las curvas isoyetas su orden de magnitud y con los valores puntuales de cada estación pluviométrica cercana su valor adoptado. Respecto al valor de CE, se seleccionó tomando en cuenta la magnitud de la PMA, la cual indirectamente define la vegetación y el clima de la región; además, se consideró la orografía general de la cuenca y su magnitud. En este proceso se tomaron en cuenta los resultados obtenidos por Campos-Aranda (2009a).

La estimación del VSMA se tiene en la columna 7 del cuadro 1; las estimaciones asociadas con el VEMA se presentan en las columnas 8 y 9. Finalmente, en las dos últimas columnas del cuadro 1 se tienen los valores estimados para los cocientes adimensionales Φ y ψ.

Análisis de los resultados

Antes de proceder a la interpretación de los resultados en el DUSE, conviene aclarar que el programa de levantamientos batimétricos de la Subdirección Regional Noreste de la SARH, únicamente se desarrolló durante su primera etapa, la cual abarcó embalses con características similares en su sedimentación ocurrida u observada. La segunda y tercera etapas, que se orientaban a embalses pequeños con azolvamiento extremo y a grandes embalses, respectivamente, no se realizaron.

En la figura 3 se muestran los 35 puntos que corresponden a los embalses del cuadro 1. Se observa que las presas El Niágara (1), Tayahua (28) y Santos Bañuelos (32), se ubican en ríos con baja concentración de sedimentos; por el contrario, Abelardo L. Rodríguez (2), El Cedazo (8) y Alto de Norias (10), se aproximan a corrientes de alto transporte de sedimentos. El resto de los embalses forman un grupo que se localiza en ríos de concentración media, pudiéndose distinguir, de manera aproximada, dos subgrupos: el primero formado por las presas 4, 6, 7, 11, 13, 23, 24, 27, 30, 31 y 34; y el segundo, por los embalses 3, 5, 9, 12, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 22, 25, 26, 29, 33 y 35.

Este segundo subgrupo presenta gran similitud de valores del VSMA (Mm³/año), cuyas medidas de tendencia central, según el modelo Gamma (Campos-Aranda, 2005), son: media aritmética igual a 0.0532, mediana poblacional de 0.0430 y 0.0722 como valor con probabilidad de no excedencia del 75%. Los valores (Mm³/año) de los parámetros estadísticos anteriores, para las 35 batimetrías procesadas son, respectivamente: 0.0490, 0.0356 y 0.0675. Recientemente, las magnitudes del VSMA que no son excedidas en 3, 4 o 5 años, es decir las que tienen probabilidades de no excedencia del 66.7, 75 y 80%, han sido sugeridas como parámetros de diseño, en lugar de la media aritmética (Campos-Aranda, 2009b).

siendo su coeficiente de determinación de 0.9465. Esta recta se muestra punteada en la figura 3.

Un aspecto importante en relación con las estimaciones del cuadro 1 es la aproximación que está implícita en el VEMA, lo cual se verá reflejado en la ubicación del embalse en las abscisas. Para mejorar tal estimación, se recomienda utilizar y procesar la información disponible sobre la operación de la presa, lo cual conducirá a una ubicación más precisa y probablemente a una mejor caracterización regional del cociente ψ para diseño de la capacidad de azolves en un embalse, cuando se conoce su valor de Φ.

Conclusiones

Con base en los resultados obtenidos, se considera que el Diagrama Universal de Sedimentación en Embalses (DUSE) de Zhide Zhou (1993) constituye una herramienta útil para presentar los resultados de las batimetrías practicadas en todo tipo de embalses.

Se considera factible poder regionalizar los resultados, para utilizarlos en el dimensionamiento de la capacidad para azolves de las presas bajo diseño que se ubiquen dentro de tal región, mediante una recta paralela a las del DUSE.

En estudios de gran visión y/o proyectos preliminares se puede utilizar un valor de 0.0675 Mm³/año, como volumen probable de acumulación por sedimentos (VSMA), en presas pequeñas de la región noreste de México.

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