Sistemas de captación en cauces efímeros

Tema D: Estructuras HidráulicasSistemas de captación en cauces efímerosLuis G. Castillo Elsitdiéluis.castillo@upct.esMª Dolores Marín Martínalisa282@gmail.comPaulina Lima Guamánpaulina_lima@hotmail.comUniversidad Politécnica de Cartagena. Grupo de I+D+i Hidr@m1 ResumenEl cambio climático está provocando un efecto directo sobre la frecuencia e intensidad de la precipitaciónproduciéndose lluvias más intensas y menos frecuentes. Si conjugamos lluvias torrenciales y zonaspotencialmente erosionables se explica la existencia de flujos torrenciales e hiperconcentrados cada vez másacusados en las regiones semiáridas.El estudio de sistemas de captación en estas regiones se justifica por tres motivos: los flujos torrenciales nopueden captarse con los sistemas habituales presa-embalse, se minimizan los efectos destructivos que llevanasociados los flujos torrenciales y, se aprovecha un recurso tan importante y escaso como el agua.La experiencia en el estudio y diseño de estos sistemas de captación es muy variada y se han establecido endiferentes condiciones. En España existen los Tomaderos (obras bastantes ineficientes) construidos en diferentesépocas y en diversos sitios, como por ejemplo el de Dos Aguas en el barranco de las Angustias (Isla de la Palma-Canarias). En países como Suiza, ex Unión Soviética y en diversas regiones andinas, la captación de caudales deríos de montaña se realizan mediante obras llamadas Tomas Tirolesas o Caucasianas.La forma, longitud, espesor, espaciamiento e inclinación de la reja constituyen los parámetros de diseño queinciden directamente en la eficiencia del sistema de captación. El diseño de la toma bajo reja y el cálculo de lacapacidad hidráulica del sistema se pueden realizar combinando la expresión que relaciona el caudal decaptación en función del caudal del río (Simmler, 1978), con la expresión que permite calcular la longitud de rejaen función del caudal de captación (Frank,1956, Krochin, 1978).Una vez obtenida la longitud mínima de reja y adoptando la longitud de diseño con un factor de seguridadadecuado, se determina el caudal realmente captado por dicha reja y se comprueba su funcionamiento en dossupuestos diferentes: en condiciones normales y en avenidas. En condiciones de avenidas, además, se debecomprobar la capacidad real de transporte y el funcionamiento en presión de la conducción que conecta la tomacon el desarenador, así como el funcionamiento de los dispositivos de control y desagüe del sistema de tal formaque se garantice su seguridad.Como conclusión de los cálculos y comprobaciones indicados, se obtiene finalmente la curva de caudales decaptación del sistema en función de los caudales del río.Se debe recalcar que los diversos coeficientes de las formulaciones de cálculo anteriormente citadas se hanobtenido en su mayor parte en laboratorio y únicamente en agua clara. Es importante para mejorar lametodología de diseño y con ello la eficiencia de dichos sistemas, tener en cuenta la concentración desedimentos.En función de la problemática citada y basándonos en los principales resultados de los diferentes estudios que sehan realizando últimamente (Castillo et al., 2000a, 2000 b, Castillo, 2004, 2007, Drobir et al., 1999), se pretendellevar a cabo la generalización de parámetros de diseño para los sistemas de captación en zonas semiáridas. Eneste artículo se presentan el estado del arte y las propuestas de investigación que nos permitan mejorar en elcálculo y diseño de estos sistemas.

Tema D: Estructuras Hidráulicas2 IntroducciónEl cambio climático está provocando un efecto directo sobre la frecuencia e intensidad de la precipitaciónproduciéndose lluvias más intensas y menos frecuentes. Si conjugamos lluvias torrenciales y zonaspotencialmente erosionables se explica la existencia de flujos torrenciales e hiperconcentrados cada vez másacusados en las regiones semiáridas (Wan y Wang, 1994).El estudio de sistemas de captación en estas regiones se justifica por tres motivos: los flujos torrenciales nopueden captarse con los sistemas habituales presa-embalse, minimizan los efectos destructivos que llevanasociados los flujos torrenciales y permiten incrementar la disponibilidad de un recurso tan importante y escasocomo el agua.La experiencia en el estudio y diseño de estos sistemas de captación es muy variada y se han establecido endiferentes condiciones. En España existen los Tomaderos (obras bastantes ineficientes) construidos en diversasépocas y en diversos sitios, como por ejemplo el de Dos Aguas en el barranco de las Angustias (Isla de la Palma-Canarias). En países como Suiza, ex Unión Soviética y en diversas regiones andinas, la captación de caudales deríos de montaña se realizan mediante obras llamadas Tomas Tirolesas o Caucasianas.El diseño base del sistema de captación en cauces efímeros debe constar de los siguientes elementos principales: Vertedero o azud de pequeña altura con sistemas de rejilla de fondo y cámara de recolección. Canal lateral de recolección canal de alta velocidad que une la cámara con el decantador. Decantador de doble cámara vertical. Donde se realiza: el proceso de decantación e interconexión conla infraestructura de conducción del agua hacia la balsa de almacenamiento, y el de autolimpieza yreintegro al cauce del caudal sobrante. Balsa de almacenamiento junto con los diferentes elementos de control y seguridad. Encauzamiento del cauce hasta su reincorporación con el cauce original.3 Diseño del sistema de captaciónLa forma, longitud, espesor, espaciamiento e inclinación de la reja constituyen los parámetros de diseño queinciden directamente en la eficiencia del sistema de captación. El diseño de la reja y el cálculo de la capacidadhidráulica del sistema se puede realizar combinando dos expresiones (ver figuras 1 y 2):Figura 1Principales parámetros de diseño en una captación por reja de fondo1. Relación entre caudal del río y el de captación, por ejemplo la expresión propuesta Simmler (1978):Q= q ⋅b= (2 / 3) ⋅ c ⋅ µ ⋅b⋅ L ⋅ 2 ⋅ g ⋅t0 0(1)

Tema D: Estructuras Hidráulicas1.5Donde c = 0.6⋅(a / d)⋅cos( α);µ coeficiente de descarga de reja (depende de la geometría); bancho efectivo de sección de captación; L longitud de reja; a espaciamiento entre rejas; d distancia entreejes de las rejas; t = x ⋅t= ( 2 / 3)⋅ H ⋅ x ; β ángulo de entrada del caudal (entre 45º y 53º); αgropendiente de la reja; x un parámetro en función del ángulo α y de la carga aguas arriba del azud H 0 .2. Longitud mínima de reja necesaria para captar el caudal deseado y que según Frank (1956) es:Lmin0.846=µ ⋅ ( a / d)⋅ cos3/ 2( α ⋅⋅ç)q3 20(2)donde ç es un factor de reducción y su valor depende del ángulo de inclinación de la reja; así:2 ⋅cos(ç ⋅α ) − 3⋅ç+ 1 = 1(3)La expresión (2) se ha obtenido con la hipótesis de que la lámina de agua sobre la reja se asemeja a una formaelíptica (ver Figura 2).Figura 2Parámetros de cálculo de la lámina de agua sobre una reja de fondo (Frank,1956)El eje mayor de la elipse corresponde con la longitud de la reja mojada L min y, el eje menor, con el calado deflujo h 0 al inicio de la reja (equivalente al mínimo nivel de energía sobre la cresta de un aliviadero).Drobir et al. (1999) han construido un modelo reducido de una toma Tirolesa a escala 1:10 con la ley desimilitud de Froude. Las principales medidas en prototipo son: ancho de reja de fondo de 5 m, barras de seccióntransversal circular y 10 cm de diámetro. Ensayaron dos anchos entre barras (10 cm y 15 cm), cuatro diferentesinclinaciones de reja desde 0º a 30º y cinco caudales específicos de 0.25, 0.50, 1.00, 1.50 y 2.00 m 2 /s.Las medidas directas desde la cresta del vertedero (inicio de reja) corresponden a los valores proyectadoshorizontalmente, determinándose dos longitudes de reja (ver Figura 3): Longitud mínima L 1 : Corresponde al punto donde la lámina de agua cruza la reja vertiendodirectamente por el aliviadero. La mayor parte del caudal es captado en esta forma de ingreso. Longitud mínima L 2 : Corresponde al punto hasta donde la lámina de agua discurre sobre la reja. En estaforma se capta sólo una pequeña parte del caudal. Esta longitud se corresponde con la longitud de rejamojada de los cálculos teóricos.

Tema D: Estructuras HidráulicasFigura 3 Longitud de reja mojada y forma de la lámina de agua (Drobir et al., 1999)En la metodología de diseño de las captaciones de tipo caucasiano, se relaciona el caudal de captación con lalongitud de reja con la siguiente expresión (Krochin, 1978):3/ 2 3/ 2Q = 3.20(CK)bL(4)En donde b y L son el ancho y la longitud de la reja, respectivamente, C es el coeficiente de contracción quevaría en función de la disposición de la reja y K el coeficiente de reducción del área total en área efectivadisponible. El coeficiente de contracción depende de la inclinación de la rejilla con la horizontal, siendo:En dondei = tgαC C − 0. 0325i= (5)C = 0.6 0para una relación (canto de reja / espaciamiento de reja) > 4C = 0.5 0para una relación (canto de reja / espaciamiento de reja) < 4El coeficiente reductor de área se calcula con la siguiente expresión:aK = 1−f )a + t( (6)En donde a es el espaciamiento entre barras, t el ancho de las barras y f es el porcentaje de la superficie libre quese obstruye en el espaciamiento de las rejas debido a los arrastres de material. De esta forma, dependiendo de lascaracterísticas morfológicas de la cuenca hidrográfica en donde se ubique la captación, se fijará el parámetro f.En la zona del Cáucaso este parámetro se suele tomar entre un 15% y 30%.En la figura 4 se indican las longitudes de reja en proyección horizontal, en función del caudal específico decaptación, propuestos por diferentes autores y que corresponde a una reja de sección circular Ф=10 cm, anchoentre rejas de 15 cm e inclinación del 20%. También se indica los resultados de los ensayos en modelo reducidode Drobir et al. (1999).Se destaca en el gráfico las medidas existentes en prototipo en la captación tirolesa de la central hidroeléctricaSellrain-Silz (Tiroler Kraftwerke AG), llevadas a cabo entre 1988 y 1993. Se observa que las medidas tienen unagran dispersión, debido, a las dificultades de medir in situ el valor de L 2, tal y como indican los autores.Se puede observar que los resultados de Frank (1956) son prácticamente idénticos con la metodología caucasianacuando el porcentaje de obstrucción de reja es f=0 y, son sólo ligeramente inferiores a los de Kuntzmann yBouvard (1954) para caudales bajos, llegando a ser prácticamente iguales a partir de 1 m 2 /s.Con la metodología caucasiana (Krochin, 1978) y adoptando el valor mínimo recomendado de obstrucción(f=0.15) para aquella zona, los valores de longitud de reja ya son superiores al resto de resultados a partir de 0.5m 2 /s. Esto se debe a que en dicha región los ríos son más caudalosos y en general, poseen una mayorconcentración de sedimentos. Para f=0.30 las longitudes de reja son superiores y aumenta dicha longitud con elincremento del caudal de captación, llegando a ser dicha longitud del orden de 1.5 veces el valor calculado con laformulación de Frank para un q=2 m 2 /s.En cuanto a las longitudes medidas en modelo reducido L 2 , éstas resultan para caudales pequeños ser superioresa los valores calculados con las expresiones de Frank, Kuntzmann y Bouvard y la metodología caucasiana (f ≤0.15). A partir de 1 m 2 /s pasan a ser inferiores.En lo que respecta a los valores medidos en prototipo, si trazamos una envolvente superior a dichos resultados,obtenemos que son prácticamente iguales, tanto a los valores L 2 medidos en modelo como a una toma tipocaucasiana, hasta aproximadamente el valor de 0.6 m 2 /s. La tendencia de la envolvente a partir de ahí es ubicarsepor encima y sistemáticamente en mayor medida con el aumento del caudal, con respecto a los valorescalculados y medidos en modelo y, con la misma tendencia pero un poco por debajo, que las longitudes de rejade la metodología caucasiana correspondiente a f=0.15.

Tema D: Estructuras HidráulicasEsto último nos confirma que a medida que se incrementa el caudal de captación, los arrastres en el río tambiénse incrementan de forma importante. Así, para captar un caudal determinado con mayor concentración desedimentos, implica disponer una longitud de reja mayor.En cambio una envolvente inferior de los datos medidos en prototipo prácticamente coincide con los valores L 1medidos en modelo.4.00L ong itud mojada de reja proyec c ión horizontal, L minH (m)3.503.002.502.001.50L 2 E nvol.S up.H = 1.878 q 0.597L 2 minH = 1.720 q 0.515R 2 = 0.99L 1 minH = 0.887 q 0.5011.00T oma C aucas iana - f = 30% ; K rochin (1978)T oma C aucas iana - f = 15% ; K rochin (1978)T oma C aucas iana - f = 0% ; K rochin (1978)E nvolvente s uperior datos prototipo0.50F rank (1956)K untzmann y Bouvard (1954)Modelo - Datos L 2; Drobir (1999)Modelo - Datos L 1; Drobir (1999)T IWAG - P rototipo; Drobir (1999)0.000.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50R 2 = 1C audal es pec ífic o, q (m 2 /s )Figura 4Longitudes mínimas de reja en proyección horizontal, en función del caudal específico de captación. Rejillacircular Ф=10 cm, espaciamiento 15 cm e inclinación 20%Dado el riesgo de oclusión que puede ocurrir en la reja (piedras, ramas, etc.), la longitud de reja calculada debemultiplicarse por un factor de seguridad y que usualmente se establece entre 1.5 y 2. Del análisis realizadoanteriormente podemos concluir que la metodología caucasiana es la única que incorpora de forma explícita lacuantificación del factor de seguridad por oclusión.Una vez obtenida la longitud mínima de reja y adoptada la longitud de diseño, se determina el caudal realmentecaptado por dicha reja y se comprueba su funcionamiento en dos supuestos diferentes: en condiciones normalesy en avenidas. En condiciones de avenidas además se debe comprobar la capacidad real de transporte y elfuncionamiento en presión de la conducción que conecta la toma con el desarenador, así como el funcionamientode los diferentes dispositivos de control y seguridad del sistema.Como conclusión de los cálculos y comprobaciones indicados, se obtiene finalmente la curva de caudales decaptación del sistema en función de los caudales del río.4 Diseño de captación en el barranco de Las AngustiasEn la figura 5 se presenta un perfil longitudinal y transversal del sistema de captación en el barranco de lasAngustias-Isla de la Palma (Castillo et al., 2000a, 2000b). El caudal de diseño del sistema es de Q=13 m 3 /s (3m 3 /s para limpieza) y consiste de una antecámara, la cámara de captación propiamente dicha y doble rejilla. Larejilla superior permite el desbaste de los arrastres más gruesos (perfiles de 12 m de largo, sección rectangular de300x300 cm 2 , espaciamiento de 50 cm y con troncos de árboles adosados en su parte superior para amortiguarlos impactos de los arrastres), la rejilla inferior desbasta el material de granulometría media (perfiles de 7 mlargo y sección hidrodinámica en forma de cuerpo de pez de 150x100 cm 2 , espaciamiento de 15 cm). En la parteinferior derecha se indica la curva de caudales de captación del sistema en función de los caudales que pasan porel río.

Tema D: Estructuras Hidráulicas100Q captado (m 3 /s)8060402001 10 100 1000 10000Q río (m 3 /s)Figura 5 Perfiles longitudinal y transversal y curva de captación del sistema de toma en el Barranco de Las Angustias (Isla de la Palma)

Tema D: Estructuras HidráulicasEl canal lateral se prediseñó con el método simplificado propuesto por la TIWAG (Drobir, 1981) y se comprobóy ajustó con la aplicación de la teoría del flujo permanente espacialmente variado, concretamente con el métodode Hinds modificado (Castillo, 1996a, 1996b). Dado que una parte importante de la pérdida de energía y dedifícil evaluación directa, resulta de la mezcla del agua que entra al canal con la que fluye en éste, se sueleestablecer para su solución, el principio de conservación de cantidad de movimiento.Puesto que el flujo en el canal de salida es espacialmente variado, es preciso determinar los coeficientes dedistribución de velocidades de Coriolis α (en la Ecuación de la Energía) y el coeficiente de Boussinesq β (en laEcuación del Momentum). La mejor forma de obtener estos coeficientes es a través de la realización de unmodelo físico hidráulico. Sin embargo, si se asume una distribución logarítmica de velocidades de Prandtl (VonKármán, 1930), dichos coeficientes se pueden estimar con las siguientes expresiones:α1 ε ε2 3= + 3 − 2(7)2= 1 ε(8)β +( U / ) −1= Uε (9)maxEn donde U max y U son las velocidades máxima y media en una sección del flujo, respectivamente. El valor(U max /U) depende fundamentalmente del tipo de material de conducción y de las condiciones de flujo. En estecaso particular, el canal lateral y conducción posterior son de hormigón y parece razonable asumir que lavelocidad máxima del perfil de velocidades para agua limpia sea superior en un 20% a la velocidad media(U max /U = 1.20) y que en el caso de la mezcla de agua con gravas gruesas sea un 40% superior (U max /U = 1.40),tal y como se recoge en los trabajos de Kolupaila (1956) y Rehbock (1922). De esta forma los valores estimadosen las condiciones indicadas son: α =1.352 y β =1.16.El método de Hinds se basa en la integración del perfil de la lámina de agua, debiéndose definir previamente unasección de control (régimen crítico). Esta sección se encuentra al final del canal lateral de la toma, y al comenzarel canal de conexión con el desarenador, alcanzando las condiciones críticas por efecto del estrechamiento (3.20m a 2.50 m) y por el cambio de pendiente de la solera del 5% al 10%.El ancho del canal de conexión con la que se evita la formación de ondas cruzadas y rodantes, se calcula en unaprimera aproximación con la expresión propuesta por Dadenkov (Krochin, 1978):2 / 5b = 0.765Q(10)donde Q viene dado en m 3 /s y b en m. El ancho calculado para el caudal de captación de 13 m 3 /s resulta de 2.14m, habiéndose estableciendo por tanto un ancho de diseño de 2.50 m.Para la estimación del coeficiente de rugosidad en el caso de fondo rígido con transporte de sedimentos, se aplicóla formulación propuesta por Nalluri (1992):s0.86 0.04 0.030.851λ0CvDgrλ = (11)En donde λ s es el factor de fricción en fondo rígido de Darcy-Weisbach con transporte de sedimentos; λ 0 elfactor de fricción en fondo rígido de Darcy-Weisbach en agua clara; C v la concentración volumétrica desedimentos; D gr un factor adimensional del tamaño del grano.Para la aplicación de la fórmula anterior se requiere primero estimar λ 0 y C v . Así, el coeficiente de Manning parala conducción con un hormigón de acabado medio es n=0.016, con lo cual el factor de fricción en agua clarasería:2n 8. g= R0=1/ 30.0206λ (12)Se asume un C v = 0.025, valor del orden de la mitad de lo recogido en la literatura mundial para barrancos demontaña y semejante a un aluvión de agua y muy por debajo de la frontera entre un flujo hiperconcentrado y unflujo de barros y escombros (Wan y Wang, 1994). Entonces para la pendiente S=0.10 del canal, la energíaque proporciona la fase sólida (peso específicoγ por unidad de volumen) por unidad de distancia en la direcciónde aguas abajo es:sEd

Tema D: Estructuras HidráulicasEdγs= C S = 0 .025x0.10= 0.0025 < 0.004vA continuación se estima el coeficiente de viscosidad cinemática del agua con concentración de sedimentos apartir de la siguiente formulación (Graf, 1984):νs=ν21+ KeCv+ K2CvEn donde: ν es el coeficiente de viscosidad cinemática del agua clara (para T=20 ºC ν≅ 1.27x10 -6 m 2 /s); K econstante de viscosidad de Einstein (≅ 2.5); K 2 coeficiente de interacción de las partículas (≅ 2). De esta formaresulta queν = 1.43x10s−6m 2 /s. Entonces, el valor de D gr es:(13)(14)Dgr1/ 3⎡(s −1).g ⎤= ⎢ .50= 996.4692 ⎥ D⎣ νs ⎦Finalmente entonces λ = 0.03294.Con lo cual entonces:s(15)ns= R1/ 6λs8. g= 0.0202(16)El cálculo del canal de alta velocidad que une la toma con el desarenador se realizó con la teoría de flujounidimensional gradualmente variado (modelo HEC-RAS). La condición de contorno de aguas arriba secorresponde con nivel obtenido del cálculo en el canal lateral y, aguas abajo, al nivel de la lámina de agua en lacámara del desarenador y que a su vez, está condicionado por el nivel requerido en el aliviadero de control haciala cámara de incorporación de la balsa de almacenamiento.En la figura 6 se presenta el perfil de flujo general de la toma, que va desde la cámara de captación (canallateral), pasando por el canal de alta velocidad y finalmente, por el aliviadero de control en abanico hacia lainfraestructura de entrada a la balsa.Se puede observar que el flujo transita desde un régimen lento o subcrítico en el canal lateral (flujoespacialmente variado), régimen supercrítico en el canal de alta velocidad (curva de remanso S2), un resaltohidráulico en la transición al desarenador y finalmente un régimen lento o subcrítico en el desarenador (curva deremanso M2).Se realizaron diversas pruebas, variando la sección transversal y las pendientes longitudinales del canal hasta quese lograron las condiciones hidráulicas aceptables en el tramo de ensanchamiento al desarenador, verificándoseasí que el resalto hidráulico se produce en dicha transición, de tal forma que el agua ya entra al desarenador enrégimen lento.Al constituir este tipo de funcionamiento un factor clave en el diseño, se comprobaron los resultados de lascaracterísticas del resalto hidráulico obtenidos con el programa HEC-RAS, con dos procedimientos adicionales,la formulación de Kindsvater (1944) y los ábacos de Peterka (1974).Los resultados del HEC-RAS aguas arriba del resalto son los siguientes:y 1 = 0.38 m; Fr 1 = 4.14; v 1 = 7.94 m/s; x 1 = 6.03 m (desde inicio de transición hacia desarenador).Reemplazando estos datos en la fórmula propuesta por Kindsvater (1944):Siendoyy( 1+8 1)1 2= G2 −*12*y = / cosθy θ es el ángulo de la solera del canal.1y1; (17)G2= Γ(18)2 2F rSegún Rajaratnam (1967):0.027θΓ =10(19)

Tema D: Estructuras HidráulicasObteniéndose y 2 = 2.974 m.De acuerdo con el ábaco propuesto por Bradley y Peterka (Peterka, 1957), la longitud aproximada del resaltohidráulico es L = 12.34 m.Lo que nos indica que la sección del conjugado subcrítico se sitúa a x 2 = 6.03 + 12.34= 18.37 m.Que supone, por geometría y realizando la corrección por pendiente, un calado conjugado y 2 = 3.017 m.Es decir, muy similar al obtenido mediante la fórmula de Kindsvater.Con el ábaco propuesto por Bradley y Peterka se obtiene un y 2 = 3.26 m.Los resultados obtenidos son similares. De esta forma se confirma que el resalto hidráulico está confinado en lazona de transición al desarenador y de acuerdo con el funcionamiento previsto.En la tabla 1 se presentan los principales resultados:Figura 6Perfil de flujo para un caudal captación de 13 m 3 /s en el sistema de toma del Barranco de Las Angustias(Isla de la Palma)Tabla 1 Calado conjugado, longitud y posición del resalto hidráulico obtenido con diferentes métodos de cálculoDatos y2 (m) L2 (m) x (m)HEC-RAS 3.02 12.53 18.56Kindsvater 2.97 12.34 18.37Bradley y Peterka 3.26 13.53 19.56

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