PEQUEAS OBRASHIDRULICASAplicacin a cuencas andinasRogel Mattos RuedasISBN 92-9089-069-XPEQUEAS OBRAS HIDRAULICAS 2INDICE GENERALCAPITULO 1CONSIDERACIONES SOBRE LAS CUENCAS ANDINASCAPITULO 2LA CUENCA ANDINA Y SU MANEJO SOSTENIBLECAPITULO 3EROSION Y TRANSPORTE DE SEDIMENTOSCAPITULO 4VERTEDEROS DE EXCEDENCIASCAPITULO 5DISIPACIN DE ENERGIACAPITULO 6OBRAS DE CONTROL EN RIOS DE MONTAACAPITULO 7OBRAS DE TOMACAPITULO 8CANALESBIBLIOGRAFIA1CAPITULO 1 CONSIDERACIONES SOBRE LAS CUENCAS ANDINAS La cordillera de Los Andes ha cobijado desde tiempos remotos a diversas culturas, que encontraronensumedioambienteelhbitatquepermitisudesarrolloenunmarco concordante con las posibilidades y equilibrio naturales. La variedad de pisos ecolgicos ofreca al ser humano las condiciones para satisfacer las necesidades de manera integral. La historia de Bolivia, registra un perodo importante desarrollado antes de la conquista, queechsusracesenlospueblosandinosqueoriginalmenteseasentaroneneste territorio y que tuvieron un desarrollo cultural, organizativo y poltico, forjando un sistema econmico-productivomuyeficiente,fundadoenunaslidaorganizacinsocialque posibiliteldesarrollodetecnologasadecuadasparacontrarrestarlascondiciones climticas y fisiogrficas adversas. En el mbito productivo agrcola y pecuario se perfeccion el uso y manejo de la tierra, el aguayotrosrecursos;paralelamentesellegaunexitosoaprovechamientodelos animales y las plantas mediante la domesticacin y el fitomejoramiento. El desarrollo de la agricultura en Los Andes ha estado asociado a la variedad climtica y labiodiversidad,concibiendoelespaciotilcomounsucesindepisosecolgicos,de maneraqueanladistribucindemogrficaysusinterrelacioneshanestadounidasa esta caracterstica. Estadiversidadcambianteydispersaprodujo,anivelepistemolgico,unaciencia agronmicacomplejaquecontrastaconlaagronomademonocultivoquenoes sostenible. Desde el punto de vista de la planificacin, se desarroll una agricultura que busca el potencial diferencial y las sinergas de cada zona de vida de acuerdo a la lgica de la complementariedad, justamente, para velar por su sostenibilidad y productividad al mismo tiempo. Condarco llam a esta estrategia Simbiosis inter-zonal y Murray Control vertical de un mximo de pisos ecolgicos y que contrasta con los actuales planificadores que buscan espacios homogneos a como d lugar. 2Brusch y Miranda distinguen tres sistemas de control: -El Vertical o de Archipilago. En este caso los ncleos monotnicos tienen control y acceso a recursos y tierras alejadas y discontinuas. -El Transversal o extendido, tpico de los grandes valles interandinos. -ElHorizontalocompacto,caractersticodepequeosyempinadosvallescon diferenciacin micro-climtica a corta distancia. Otropuntodondeseexpreslacienciadelacomplejidadandinafueenelcontroly manejodelriesgoclimtico:lalimitantemsgrandedelaagriculturaenLosAndes.El ambientesecaracterizaporsudiversidadeco-climticaenelespacioyeneltiempo, cincrnica y diacrnicamente. La agricultura andina, siempre estuvo condicionada por el problemaderiesgoambiental,aldesarrollarseenunespaciogeogrficocontrastante, caracterizadoporsudiversidadecoclimtica,heterogeneidaddepaisajes,conla alternancia de aos secos y muy hmedos, heladas, granizadas, plagas y enfermedades. EnLosAndeslapuntadelanzadelatecnologasehaorientadoalmanejodela complejidad.Estaorientacinhabrasurgidodelagranheterogeneidaddelambiente geogrficoandinoydelanecesidaddemanejarlasistemticamenteenelcursodela evolucin de sociedades complejas como la andina. En las sierras altas con su temperatura generalmente baja, el mundo vegetal solo puede desenvolversealrasdelsuelo....lacantidadenlaquelatemperaturadelasuperficie excedealatemperaturadelaire,aumentaconlaaltitud.Conelgranaumentodela radiacin solar y el ligero aumento de la contraradiacin, esta situacin es de esperar, y comprobaraquelavegetacinmontaosa,anmasqueenlasllanuras,dependedel clima cercano al suelo (Geiger). Unclsicoejemplodelautilizacindeestasrelacionesenergticaseslaaplicacinde andenes para la produccin agrcola. Los andenes son terrenos agrcolas artificiales, que producen microclimas en un rea reducida. Estos microclimas estn determinados por los materiales empleados en su construccin, por su ubicacin topogrfica, por su geometra, etc. Se ha registrado (Murray) en andenes contiguos temperaturas del suelo que difieren hasta en 10 grados con la temperatura del aire.3 Para reducir el riesgo climtico, disminuyendo la probabilidad de heladas, la construccin deandenestienencomopropsitolograrlamximacapacidadderetencintrmica posible. Los andenes retendrn la mxima cantidad de calor recibido del sol durante el da y que luego ser perdido durante la noche. La prdida de calor en el fro de la noche, en formaderadiacinOLEcalentarlacapafradeairequesevadepositandosobrelos terraplenes del andn, obligando al aire caliente a subir y mezclarse con las capas de aire fro que va descendiendo en razn a su mayor densidad. La magnitud de la emisin de la radiacin de onda larga emitida en el curso de la noche es una funcin de la capacidad de retencintrmicadelandn.Paralacaptacindecalor,elandnpresentados superficies, la del muro y la del terrapln; a travs de ellas se capta la energa solar, en cambioenlapampasetieneunasolasuperficieparalacaptacintrmica,siendo sensible a las heladas. Laretencindecalordiurnoysuemisinnocturnanosonlasnicasfuncionesdelos andenesenelcontroldeheladas.Losmaterialesconlosqueseconstruyenlosmuros jueganunpapelimportanteenlacaptacindeenergaylamismageometradelos andenes acta para inducir la turbulencia de las capas de aire fro que se desliza por las laderas hacia el fondo de los cerros durante la noche. Por otro lado, la geometra escalonada de la superficie de la ladera, da lugar a una mayor capacidad de retencin de agua durante la poca de lluvias, logrando mayores niveles de infiltracinyporlotantoaunamejoreconomadelagua.Porlotantounsistemade andenes debe contar necesariamente de un sistema de drenaje adecuado para alcanzar niveles ptimos de gestin de los recursos hdricos. El desarrollo tecnolgico andino fue realmente truncado por la adopcin de un modelo de desarrollo cientfico y tecnolgico occidental generado a fines del siglo XVIII. Desdelaconquistasehasufridointensoscambiosymestizajenosolotnico,sino tambincultural,quehaincididodirectamenteenladesarticulacindelaorganizacin social, la forma de organizar la produccin, las tecnologas empleadas, etc. 4Durantelarepblica,lasobreexplotacindelossueloscontinaatravsdeldesarrollo tecnolgicooccidental,manteniendodeestamaneralareduccingradualdelos potenciales naturales. Geolgicamente las cuencas andinas se encuentran en formacin, lo cual se manifiesta enlafragilidadecolgica,porlosprocesosdecambiogeomorfolgicorpidoscomola erosin de sus suelos y ros. Loscambiosnegativossoninducidosasimismoporlossereshumanos,atravsdelos asentamientosnoplanificadosodeficientementeplanificados,laactividadminera, agropecuaria, forestal, etc., cuyas acciones agotan prematuramente la energa potencial de las cuencas. El Ande contiene cuencas hidrogrficas de gran potencial energtico, recursos hdricos y recursos naturales en general, que conforman un sistema de gran biodiversidad. La necesaria utilizacin de los recursos hdricos, ha requerido la ejecucin de numerosos proyectosdeinfraestructura.Enlascuencasandinassehanejecutadoproyectos hidrulicosenprincipioasociadosalaexplotacinminera(aduccionesparaingenios, agua potable y energa hidroelctrica), posteriormente relacionados con sistemas de riego de uso agropecuario. Los componentes productivos asociados a los recursos hdricos, tienen en la zona andina dos expresiones: hidroenergtica y agrcola. De acuerdo a estudios realizados en 1988, la potencia instalada en energa elctrica en el pasalcanzabalos612MW,valorquenohasidomodificadosustancialmentehastael presente. De la cantidad indicada 308 MW corresponden a centrales hidroelctricas y 304 MWacentralestermoelctricas.Lascentraleshidroelctricasensutotalidadse encuentranubicadasenlascuencasandinas.Deacuerdoavaloresobtenidospor NacionesUnidasylaEmpresaNacionaldeElectricidad,lapotenciainstaladase encontraba entre el 2.8% y 1.5% de la potencia econmicamente utilizable a nivel de todo el pas. 5EntrelasdemayorpotencialseencuentralacuencaandinadelroBeni,delquese utiliza: - Del potencial terico0.3% - Del potencial tcnicamente utilizable1.5% - Del potencial econmicamente utilizable7.5% Han sido realizados estudios a diferente nivel en varias cuencas del pas, alcanzando un nmerode30,sumandoentotalunapotenciainstaladade4,284MW.Enlacuenca andinadelroBenisehanidentificadoposiblesaprovechamientoshidroelctricosque alcanzan a un total de 3,119 MW (sin considerar el Proyecto El Bala) que corresponde a un 72.8% de los posibles aprovechamientos a nivel nacional. Los principales aprovechamientos agrcolas se encuentran ubicados en el rea andina de nuestro pas, sin embargo en la mayora de los casos son proyectos de micro riego, que respondenaproyectosdetiposocialparamejorarlascondicionesdesubsistencia.Sin embargo, la zona andina de Bolivia produce aproximadamente el 70% de los alimentos agrcolasdelarepblicaenalturasentre500msnmy3,800msnm.Lospequeos productores conducen un tipo de economa mixta con agricultura integrada con ganadera. El potencial productivo est fuertemente afectado por el riesgo climtico; en el Altiplano se manifiestaenheladasyprolongadassequas,enlosvallesintermedioselriesgoest asociadoalasequa,granizadasyerosin.Seestimaen2milloneshehectreaslas unidadesdeproduccinagrcolaubicadasenlazonaandina,deloscualesmenosdel 10% cuentan con alguna forma de riego. Es fcil advertir que muchas actividades dependen del desarrollo de los recursos hdricos, siendo innegable la relacin que existe entre el uso del agua y el desarrollo sostenible -la buenautilizacindelaguainducirdemaneradirectaenelbuenusodelosrecursos naturales. Laplanificacindeldesarrollorequierenecesariamentedelconocimientoprecisodelos recursosnaturalesyelmedioambiente,entrelosmsimportantesestarsindudael agua. 6La formacin o el cultivo de una cultura hdrica concordante con la naturaleza del medio ser la base del desarrollo de cualquier sociedad. No es posible concebir alguna actividad humana sin considerar al agua. La actividad minera, agropecuaria, industrial, turstica, etc. debe necesariamente tomar en cuenta al lquido elemento. A partir del agua se tendr que resolver los problemas asociados a las vas de comunicacin y la energa, para contar con las bases fundamentales del desarrollo. Lafaltadeproyectosasociadosalosrecursoshdricos,mantendrlosproblemas actualesgeneradosporlosprocesosdemigracin.Elpobladorruralandino,enun constante esfuerzo por la sobrevivencia, sacrifica el futuro de su ecosistema, acelerando los procesos de deterioro de los suelos. A medida que la poblacin crece, se incrementa lapresinsobreelmedioambiente,debidoalademandaderecursosnaturales;esta demandaporlogeneralnoescubiertaporlospotencialespresentesenlascuencas, principalmente por las limitaciones tecnolgicas y econmicas. Esteprocesogeneramodeloscambiantesdeconsumoenergtico,quealteranel equilibrio de sus ecosistemas, produciendo balances negativos que son la causa principal deldeteriorosocioeconmicoenquesedebateelhombreandinodenuestropas, situacinqueseprofundizacuandosepresentancambiosoalteracionesdelrgimen climtico. El desarrollo de los pueblos andinos tiene en el agua el instrumento fundamental para la actividad productiva, cuya racional utilizacin podra permitir la reduccin de las prdidas de produccin actuales y contar con las bases para emprendimientos mayores. Para este efectoesnecesariocontarcontecnologahidrulicaqueconsiderelascondiciones naturales que el medio ambiente andino ofrece, logrando de esta manera la ejecucin de proyectos hidrulicos con niveles de impacto ambiental sostenibles. 1Captulo 2 LA CUENCA ANDINA Y SU MANEJO SOSTENIBLE 2.1Caractersticas de una cuenca de montaa Una cuenca de montaa se caracteriza principalmente por las elevadas pendientes de sus suelos y los reducidos caudales que generan. Enlosrosdemontaaenequilibrio,loscambiossemanifiestanluegodelargos perodosdetiempo,debidoalaestabilidaddesussuelosyalaproteccinque representa la vegetacin. En los ros de montaa en desequilibrio, las condiciones de rgimen no se presentan, por que los cambios son ms rpidos. El desequilibrio se originar debido a la inestabilidad geolgica, movimientos de masas por erosin o por intervencin antrpica (agricultura, minera, vas de comunicacin, etc.). Unrodemontaaotorrenteesuncursodeaguassuperficialesconpendientes pronunciadasquepresentagrandiferenciaentreloscaudalesdecrecidayde estiaje. Durante la poca hmeda, conducen caudales grandes y en poca seca los caudales de escurrimiento son muy pequeos, llegando en muchos casos a no tener escurrimiento superficial. Tienenencomnsugranpendienteylosimportantesvolmenesdesueloque mueven, principalmente en poca hmeda. Durante los meses de estiaje, el proceso de transporte de sedimentos se atribuye principalmente a la energa elica. La cuenca de un ro de montaa, en general, consta de tres sectores: Cuenca ReceptoraTramo medioCono de deyeccin2 Adiferenciadeotrascuencasdemontaa,lascuencasandinasadquieren condicionantesparticularesconpredominiodeloselevadosprocesosdeerosin, grantransportedesedimentosyriesgosclimticoscaracterizadosporsequasy heladas.Almismotiempo,laocupacindelterritorioseextiendeprcticamentea toda su superficie, con prcticas agrcolas, pecuarias y mineras. La cuenca receptora es la zona de mayor altura; de este sector proviene la mayor parte de los volmenes de escurrimiento y es el de mayor aporte de sedimentos. La erosinesunfactordecisivoparaestefenmeno,interviniendofactorescomo: topografa, propiedades fsicas y qumicas de los suelos, cobertura vegetal, uso del suelo y rgimen de precipitaciones. FIGURA 2.1SECTORES DE UNA CUENCA DE MONTAA Eltramomediodelacuencaesporloregulardetopografaencajonadaentre abruptos taludes, es ms estrecho que las otras dos zonas y la solera de su lecho tiene pendientes acentuadas, aunque de menor magnitud que las que presenta la cuenca receptora. En este sector pueden presentarse procesos de erosin, esta vez 3debidoalasgrandesvelocidadesdeflujo,originandofuertestensionesdecorte sobre la superficie del lecho; el flujo de agua adquiere gran capacidad de transporte. Aconsecuenciadelaerosindefondo,elniveldelasoleradisminuye progresivamente,aumentandolaalturadelostaludeslateralesenlamisma proporcin,loquepuedeprovocarlainestabilidaddelosmismos.Loscambios morfolgicossepresentarnenfuncindelaresistenciaqueofrezcanlossuelos componentes del permetro hidrulico a la accin de las tensiones de corte del flujo. Elconodedeyeccin,eselreadondesedepositalamayorpartedelmaterial generado por erosin en la cuenca receptora y en el tramo medio. La trayectoria del flujocambiacontinuamenteporlascaractersticasdezonadebajaspendientesy lecho aluvial. La condicin de menor capacidad de transporte de sedimentos dar lugar a que los sedimentos sean depositados de manera desordenada, generando continuos cambios de direccin en el flujo. 2.1.1Cuenca receptora En la cuenca receptora se desarrolla el mayor movimiento de masas de suelo que se ponen en movimiento debido a diferentes razones, a saber: -Movimientodemasasdbilesdepiedraysuelo,porpesopropioeinfluencias antrpicas. Elmovimientodemasaspuedeatribuirseacaractersticasgeolgicas, tectnicas,condicioneshidrolgicas,propiedadesqumicasyfsicasdelas masas, clima, topografa, pendiente, cobertura vegetal, cambios en el contenido de agua en las masas de suelo. -Derrumbes.Desprendimientodepiedrasensectoresdefuertependientepor influencia del agua y movimientos ssmicos. 4 FIGURA 2.2ALGUNAS FORMAS DE DESPRENDIMIENTO O DERRUMBE -Deslizamientos Movimientos en direccin de la pendiente, formados por masas de roca suelta o suelos.Sepresentanensuelosarcillososylimosos,congrancontenidode agua. FIGURA 2.3FORMAS DE DESLIZAMIENTOS 5-Movimientos fluyentes Movimiento lento hasta rpido de rocas, rocas sueltas y suelos. Se presenta en suelos sin cohesin o en suelos con cohesin cuando se supera la tensin de corte crtica. -Cierre de Valle Movimiento muy lento de arrastre que cubre una gran extensin superficial. Este tipo de movimiento dura varios cientos de aos y no puede ser regulado por el hombre porque tiene causas tectnicas. -Mazamorra Movimientomuyrpidodemasas,mezclade:agua,suelo,cantosrodados, maderayotros.Lacargaquearrastralamazamorra,provienedelacuenca receptoradeltorrente(rocasuelta,rellenosdevalle,antiguasmazamorras, masasdecantorodadooproductosdeladescomposicindemateriales susceptibles a cambios).

La densidad de la mazamorra puede adoptarse igual a: 34 . 1mtonm (2.1) Ademsdelosmovimientosdemasasmencionados,adquierenrelevancialos procesosdeerosinlaminar,aconsecuenciadelimpactodirectodelasgotasde lluviasobrelasuperficieyeltransportedematerialporlosescurrimientos superficiales.Comoconsecuenciadelaerosinlaminar,seadviertensectoresde suelodecolormsclaroenlasladeras;elsueloorgnicodeotrotiempo ha sido removido,quedandoelsubsuelo,msclaro,pobreenmateriaorgnica.La utilizacin de estas superficies de terreno con fines agrcolas significar una menor 6productividadyporlotantounincrementodelosgastosparamantenerlos rendimientos de los cultivos. En general, la superficie de los terrenos casi siempre es irregular, con depresiones y elevaciones,presentandoademsheterogeneidadenlascaractersticasfsicasy qumicas de los suelos e irregularidades ocasionadas por las labores de labranza. Estas condiciones dan lugar a que se presenten procesos de formacin de surcos en direccin de la pendiente por la acumulacin de agua en las depresiones hasta superar la resistencia de los componentes ms dbiles. La cantidad de surcos que se forman puede variar ampliamente, dependiendo de la irregularidad del terreno y de la magnitud que alcanzan las tensiones de corte. Laerosinensurcosseatribuyealaenergadelescurrimiento,proporcionalal cuadradodelavelocidaddeflujo.Asporejemplo,cuandolavelocidaddeflujo supera valores de 30 cm/s, frecuente en el flujo laminar, a 60 cm/s, la capacidad de desprendimiento de suelo del agua se cuadruplica. La capacidad de transporte de suelovaraenproporcinalaquintapotenciadesuvelocidad. Por ejemplo, si la velocidaddeflujovarade30cm/sa60cm/s,elpoderdetransportedesuelo aumenta en treinta y dos veces [23]. La erosin en surcos origina el transporte de partedelacapaarable,pudiendoalcanzarelsubsuelo,encambiolaerosin laminar arrastra nicamente la capa arable. La profundizacin de los surcos puede generar procesos de formacin de crcavas y se presentar cuando el escurrimiento incrementa las velocidades de flujo y por lo tantolastensionesdecorteoriginadasporelescurrimientosuperarnalas tensiones de corte resistentes de los materiales componentes de los permetros de suelo afectado. 2.1.2Tramo medio En el tramo medio de la cuenca se mantienen las condiciones de erosin, aunque estavezelescurrimientoserresponsabledelproceso.Elfenmenodeerosin origina la inestabilidad de los taludes por la profundizacin del lecho. 7 La erosin se manifiesta cuando la tensin de corte originada por el flujo: I R g 0(2.2) supera en magnitud a la tensin crtica del material que compone la solera: Donde: Tensin de corte sobre la solera originada pro el escurrimiento Densidad del agua en Kg/m3 GAceleracin de la gravedad 9.81 m/s2 RRadio hidrulico en m, R=A/U AArea de la seccin mojada en m2 UPermetro mojado en m IPendientedelalneadeenerga,engeneralseasumeigualala pendiente de la solera critTensin lmite del suelo, a partir de la cual las partculas de la solera se mueven. crit es funcin de parmetros como , s,dk, Fr, Re, 1, 2, 3, etc. Donde: sDensidad del grano dkDimetro caracterstico del grano Fr*Nmero de Froude relacionado al grano Re*Nmero de Reynolds relacionado al grano 1Forma de los granos 2Disposicin de los granos sobre la solera 3Grado de uniformidad de los granos Shields [24], asumiendo una distribucin logartmica de la velocidad en la cercana del suelo encuentra que: 8 ( ) ,_

vdV f g to s crit*3 2 1, , , (2.3) Donde: 1 :Factor de superficie del grano 2 :Distanciadesdeelfondodelroenunidadesdedimetrodelgrano caracterstico 3 :Factor de la forma del grano dv *0*Re, 5 . 00 *0

,_

V (2.4) Losestudiosdeerosinencanaleshanestadoasociadosalosmecanismosde transportedesedimentos.TrabajoscomodeWalterWilli[25],muestranquelos nivelesdeerosin,expresadosenvolumenpor unidad de ancho, dependen de la pendientedeltramoafectadoIs,desulongitudL,delcaudalespecficoqydela forma del perfil longitudinal, expresado por el factor F. La ley que gobierna el volumen de erosin puede expresarse de la siguiente forma: ( ) F L g I f gS v(2.5) Donde: gv : Volumen de erosin por unidad de ancho IS : Pendiente del tramo en erosin q : Caudal especfico en m3/s Lo : Longitud del tramo en erosin en m F : Factor de forma del perfil longitudinal del tramo en erosin 9 Los ensayos en laboratorio de Willi dieron por resultado: 1.425 < > 1.525 0.525 < > 0.675 0.400 < > 0.500 = 1 Para = 0.6 y = 0.4, se obtiene una ecuacin simplificada:

,_

*23535252*B I F g L u g ASSm v (2.6) Donde: A* 0.62, constante B*0.0003, constante g*Transporte especfico de sedimentos al final del tramo en erosin, en unidades de volumen um Velocidad relativa de desplazamiento. Para partculas heterogneas um = 0.15 m/s Peso especfico del agua S Peso especfico de las partculas Lavelocidadrelativadedesplazamientoumsedefinecomoladiferenciaentrela velocidad instantnea de movimiento de una partcula y la velocidad media de flujo. 2.1.3Cono de deyeccin Este tramo se encuentra ubicado en el sector inferior de la cuenca, constituyndose en el lugar de deposicin de los materiales erosionados en los sectores superiores. La zona adquiere pendientes menores, reducindose las velocidades y la capacidad de transporte que dan lugar a procesos de sedimentacin.10 Ladistanciaquerecorrenlaspartculasdesuelodesprendidasporlaerosin dependedesutamao,densidad,formayvelocidaddeescurrimiento.Algunos limos muy finos se sedimentan nicamente en las aguas estancadas; la arcilla fina y el humus coloidal no se sedimentan, permaneciendo suspendidas indefinidamente. Estas partculas permanecen en suspensin hasta que se coagulan al desarrollarse en el agua una concentracin determinada de electrlitos, o hasta que precipitan por producirse un brusco descenso de la temperatura. La masa de tierra desprendida de las laderas se deposita al pie de estos terrenos o enplaniciesaluvialesprximas.Estamasaessobretodoresultadodelaerosin laminarydelaerosinensurcosysedesplazahastadistanciasrelativamente pequeasdelosterrenosdedondefuerondesprendidosporlaerosin, depositndosecuandolavelocidaddelescurrimientodisminuye.Estosdepsitos suelentenerunatexturamsfina,siendomsricosenmateriaorgnicaquelos suelosdedondeproceden,acausadelaaccinselectivadelaerosin.En ocasiones,granpartedeestatierrapuededepositarseformandopequeos abanicosaluvialescuandolascorrientesexperimentancambiosbruscosde pendiente. Enelconodedeyeccinlosproblemasestarnasociadosadesbordese inundacionesoanegacindeterrenosaledaos;enmuchoscasos,estoslugares sern terrenos de produccin agrcola o urbanizaciones. Paraunmejoranlisisdelasedimentacin,Vollmers[26]defineelNmero Sedimentolgico, utilizando la siguiente expresin: dvgD ,_

312*' (2.7) 11Lavelocidaddecadaenelprocesodesedimentacin,segnStoke,puede expresarse de la siguiente forma: 5 0DSCd g34V.'

,_

(2.8) Donde: vs : Velocidad de sedimentacin en m/s g : Aceleracin de la gravedad 9.81 m/s2 d : Dimetro caracterstico de las partculas en m ' : Densidad relativa, ' = ( s- )/CD : Factor de resistencia S : Densidad del material en tn/m3 : Densidad del agua, 1.0 tn/m3 Para flujo laminar, CD = 24/Re Re = Nmero de Reynolds En un curso natural de agua, se puede esperar que el flujo sea no laminar. Para el campo de Newton: Re > 103,, CD = 0.4, de donde: ( )5 0Sd g 83 1 V.' . (2.9) Segn Dallavare, para Re < 2_105: ( ) [ ];' + 1 155 . 0 1 305 . 03*DdvVS(2.10) Para una velocidad media de flujo vm, se define el dimetro crtico dcrit como el lmite deldimetrodematerialensuspensin.Dimetrosmayoresalcrticose incorporarn al acarreo de fondo. Si el escurrimiento no alcanza tensiones de corte 12mayoresalastensionesdecortecrticasdeestematerial,laspartculas sedimentadas se mantendrn en reposo. Segn Kresser (1964) [26], la relacin entre dcrit y vm puede definirse de la siguiente manera: gvdmcrit3602 (2.11) Donde: dcrit : Dimetro crtico en m vm : Velocidad media de flujo en m/s g : Aceleracin de la gravedad 9.81 m/s2 Lasolucinalproblemadesedimentacinestarasociadaalcontroldelos dimetros de material y la capacidad de transporte, tomando acciones que permitan otorgarunamayorcapacidaddetransporte,pormediodelahabilitacinde secciones hidrulicas de mayor pendiente o de menor seccin. Al mismo tiempo, se protegernlostaludeslateralesparaevitarmodificacionesenlatrayectoriadel cauce. 2.2BasesparaelmanejosostenibledeunaCuencaAndina.Concepto energtico El manejo sostenible de una cuenca requiere el conocimiento de sus caractersticas tcnicasprincipales,demaneraquesuintervencinseaconcordanteconlos procesosnaturalesquesepresentan.Enunacuenca,sinembargo,noslose desarrollan fenmenos de erosin y sedimentacin, sino que tienen lugar procesos asociadosalasactividadesdevidadelassociedades, por lo tanto, el manejo de una cuenca deber tomar en cuenta al mismo tiempo los procesos naturales como los procesos antrpicos. 13Enunacuencahidrogrfica,elaguaseconstituyeenelmediodeparticipacine integracindelascomunidadesyhabitantes en las tareas asociadas al desarrollo comunitario. Las diferentes interacciones que se presentan cubren al mismo tiempo aspectostcnicos,ambientales,polticos,legales,econmicos,financieros, organizacionales y sociales principalmente. En el marco que definen los conceptos de desarrollo sostenible, el manejo de una cuencaconsiderarmedidasquecontribuyanalcontrol,proteccin,conservacin, recuperacin y otros aspectos ambientales. La cuenca, sus recursos naturales y sus habitantes, constituyen una unidad fsica, biolgica, econmica, social y cultural con caractersticas singulares en cada caso. Fsicamente la cuenca es la fuente natural de captacin y concentracin de agua superficial y al mismo tiempo es una fuente devidaparaelhombre,aunquetambinseconvertirenriesgoparasituaciones extraordinarias como sequas o inundaciones o contaminacin. Enlascuencasdemontaasefacilitalarelacinentreloshabitantesporsu dependenciacomnaunsistemahdricocompartido,aloscaminosyvasde acceso y al hecho que los peligros ambientales, en general afectan al conjunto de la sociedad.Estacaractersticapermitelaarticulacinholsticadelosprocesosque persigue el desarrollo sustentable. Enestemarco,laingenierahidrulicatienecomomisinelusoefectivoy beneficiosodelosrecursoshdricosdisponibles,controlandolarelacinoferta-demanda,demaneraquesealcancenlosobjetivosdedesarrolloeconmicoy social, y al mismo tiempo se pueda reducir los impactos negativos que generan los fenmenos extremos. Lagestindecuencastienecomomisinalcanzarunequilibrioentreel aprovechamiento con fines econmicos y el manejo con fines ambientales, lo cual repercutir en los niveles de equidad social, ambiental y econmica, contribuyendo deestamaneraalasustentabilidadambientalyalaprovechamientosostenidode los recursos naturales. 14Diferentes investigadores [27] buscan respuesta a la siguiente pregunta: Cmo las culturaspre-hispnicasandinasaseguraronunaofertarelativamenteestablede alimentosparasostenerunapoblacinnumerosaydispersasobreunadelas geografas ms difciles y complejas?. La tecnologa andina ha estado orientada [28] almanejodelacomplejidadquesurgedelagranheterogeneidaddelambiente geogrfico andino y de la necesidad de manejarla sistemticamente, respondiendo rpidamente a fluctuaciones climticas bruscas; Muray (Per) constituye un ejemplo de esta ciencia y tecnologa andina. El paradigma Jilanico Andino [27] plantea, segn Miranda, que la concepcin andina delautilizacindelosrecursosnaturalespartedelconceptodequeelaguayla tierraformanunaunidadviva,enelqueinteractanlanaturalezayelhombreen buscadeunequilibrio.Estoexplicalasprcticasderotacinydescansoenla utilizacindelossuelosparapermitirlarecuperacindesuspotenciales productivos. Las condiciones naturales del clima y calidad de los suelos dan lugar a situaciones de descanso que en algunos casos pueden llegar a perodos del orden de 14 aos, advirtiendo la gran sensibilidad ecolgica de estas cuencas. Estosconceptosmantienenvigenciaenlaactualidad,adoptndosecriteriosde conservacinecolgica,necesariosparamantenerlaproduccinyreducirlos riesgos. Dourojeanni [29] realiza una comparacin con la actividad humana: "...comoloesparauntrabajadortenerquedormiryalimentarsesideseaseguir activo y no terminar en un hospital. En el caso de que el hombre no invierta en su propiaconservacinysolosededicaatrabajarterminaenfermoydebeentrara recuperacin,auncostomuchomsaltoquesihubiesecombinadosutrabajo productivo con la conservacin de sus fuerzas". El objetivo del manejo de una cuenca deber entonces perseguir un nivel adecuado deequilibrio,entendiendoestecomoelniveldeestabilidadquesemanifiesta cuandoloscambiosgeomorfolgicosoriginadosporlaescorrentapromediose compensanconeltiempo;losescurrimientossepresentarnsinunexcesode 15sedimentos con relacin a las caractersticas geolgicas de la cuenca y los cursos naturales. E. Dils [29] define el manejo de una cuenca de montaa como "el arte y la ciencia demanejarlosrecursosnaturalesconelfindecontrolarladescargadeaguaen cantidad, calidad, lugar y tiempo de ocurrencia". El Colegio de Ingenieros del Per [29] seala que el manejo de cuencas se entiende por: la aplicacin de principios y mtodosparaelusoracionaleintegradodelosrecursosnaturalesdelacuenca, fundamentalmenteagua,suelo,vegetacinyfauna,paralograrunaproduccin ptimaysostenidadeestosrecursos,conelmnimodeterioroambiental,para beneficio de los pobladores de la cuenca y de las poblaciones vinculadas a ella". La bsqueda de sistemas o modelos de desarrollo rural, principalmente en los aos 80,hadadolugaralaconceptualizacindeldesarrolloconbaseenel aprovechamiento y preservacin de los recursos hdricos, tomando la cuenca como elmbitonaturaldeplanificacin.Unejemplodeestetrabajoeslaconcepcin ensayada en el "Taller Agua, Vida y Desarrollo" [3], que se origin en los proyectos deDesarrolloRuralemprendidosporelInstitutodeHidrulicaeHidrologadeLa Paz (Modelo La Paz Huaraco, Modelo La Paz San Pedro) y que en asociacin con el tema que nos ocupa seala: "ElSistemaHdricoeselconjuntodeelementosqueinteraccionanentresenun todoorgnico,organizadoycomplejo.Estconstituidoporunconjuntode elementos,partesocomponentesquecumplendiversasfunciones,enforma simultneaosucesiva,cuyoresultadofinaleslaobtencindelobjetivode adecuacinydistribucindelaguaparaposibilitarlavidaylaproduccindelas plantas, los animales y las familias". Este documento plantea que el sistema hdrico es parte indivisible del sistema tecnolgico que asegura la vida, la produccin y la reproduccindeunasociedadendeterminadoambienteosistemaecolgico. Puntualizaquela"incorporacindesistemaadquieresentidodadoquela aplicacindelastecnologasnoesensolosentido,desdelasociedadhaciala naturaleza, por el contrario, la naturaleza genera a su vez respuestas ecolgicas a lasaccioneshumanas.Estasrespuestas,msomenoseficaces,sonencierta 16forma, parte del sistema tecnolgico que establece la sociedad para convivir con el ambiente"; en este caso, el ambiente ser la cuenca hidrogrfica. Elautorplanteaestructurarunpensamientoquematerialicelosconceptosde manejo de cuencas, considerando el sistema que constituye la cuenca en el marco del equilibrio energtico, en el sentido ms amplio del trmino, entendiendo al medio fsiconatural,queconstituyelacuenca,comoelespacioenelqueinteractan diferentes tipos y niveles de energa. La estabilidad del sistema se alcanzar en la medida en que las diferentes energas encuentren niveles de armona, es decir, que elexcesodeusodeenergarepercutireneldeteriorodealgunaotra(uotras) energa(s). Por lo tanto, ser misin del manejo de una cuenca llegar a niveles de equilibrio energtico, cuya manifestacin ser la sostenibilidad de la cuenca. 2.2.1Plan de manejo de cuencas 2.2.1.1La concepcin energtica El plan de manejo de una cuenca depender del concepto que se adopte respecto a los factores que influyen en su comportamiento. En este texto se adoptar un criterio energtico, considerando su sentido ms amplio, por cuanto ste se aproxima mejor a las condiciones reales presentes, principalmente en una cuenca andina. Sobrelacuencaseubicanlaspoblacionesrurales,loscamposdecultivo,los camposdepastoreo,etc.,definiendoel"habitat"natural.Esclaroquelas comunidadesruralesseubicanindependientementeladisposicindela(s) cuenca(s), sin embargo, el curso de agua (ro o quebrada) ser la referencia para la ubicacin comunitaria. En una cuenca podrn habitar una o varias comunidades, as como una comunidad podr tener acceso a los recursos hdricos de una o varias cuencas. 17En la cuenca actan diferentes formas de energa: solar, elica, hdrica, biomasa, animal y humana, que el habitante rural utiliza en diferente grado para satisfacer sus necesidades energticas, estableciendo un sistema de oferta y demanda. Energa Solar La energa en forma de radiacin solar incide sobre la tierra con un valor medio de 1353 Watts/m2, valor que puede variar en el orden de 3 %, debido a la variacin de la distancia entre la tierra y el sol. La energa que llega a la superficie de la tierra se reduce en 30 a 50 %, por efecto de reflexiones y absorciones que se presentan en la atmsfera. Laenergasolarincidentesobrealgunasuperficiedependedelnguloformado entre la normal a la superficie y la direccin de los rayos solares. La energa solar directa se utiliza de diversas maneras en la vida cotidiana, siendo su principal empleo para el secado de madera, productos agrcolas, ropa, etc. Entre los usos de la energa solar se pueden mencionar los calentadores de agua, secadores,cocinas,ylossistemasfotovoltaicos.Estosltimoslogranla transformacindelaenergasolaraenergaelctrica,ampliandoelusodela energa a iluminacin, comunicacin, refrigeracin, bombeo de agua, etc. Energa Elica Elviento,movimientodelairedelaatmsferaterrestre,seoriginacomo consecuencia de fuertes gradientes de temperatura en la atmsfera y es una de las formas de energa presentes en la cuenca. La energa elica es utilizada para separar la cscara de granos como el trigo, arroz, etc. y como complemento para el secado de productos diversos. 18Unusoextendidodelvientoseadvierteenmolinosenelrearuraleuropeay posteriormente para la extraccin de agua subterrnea, as como para la generacin de energa elctrica. Lapotenciaelicaesdirectamenteproporcionalaladensidaddelaire,alrea transversal considerada y a la velocidad del viento elevada a la tercera potencia. El parmetro de mayor influencia es la velocidad del viento, por cuanto el aumento o disminucin,porejemploenunamagnitudde10%,repercutirenlapotenciaen una magnitud de 30 %. El uso ms extendido de la energa elica es mediante molinos, principalmente para laextraccindeaguasubterrnea,habindosedesarrolladograncantidadde modelos, asociados a las condiciones del viento locales y a los propsitos de uso de la energa. Lasposibilidadesdeusodenuevosconversoresrotativosyelementosdecontrol han mejorado el rendimiento de los molinos, incrementando los potenciales de uso de este tipo de energa. Energa hidrulica Laenergahidrulicatienediferentesexpresionesdesdeelmomentoenquelas gotas de agua alcanzan la superficie terrestre; stas llegan con una energa cintica proporcionalaldimetrodelasgotaselevadoalatercerapotencia.Estaenerga puede ser suficiente para arrancar del suelo partculas finas y lanzarlas aguas abajo, iniciandoelprocesodelaerosin.Milesymillonesdegotasdeagualogran desarrollarelescurrimientosuperficialcuyafuerzadinmicasercapazde transportar material slido, principalmente en los cursos de agua. Elescurrimientosuperficial,cargadodesedimento,llegaralasquebradasyros con energa suficiente; en muchos casos, para desgastar los lmites fsicos de los mismos y provocando lo que se entiende como erosin y socavacin hdrica. 19Estaenerga,enmuchoscasosdestructora,seaprovechaparamovermquinas (molinos hidrulicos, accionamiento de bombas de agua, turbinas, etc.) que cubrirn necesidades bsicas, productivas, y recreacionales. Enmuchascomunidadesruralesexistelaposibilidaddeusodelaenerga hidrulica,siendolabasedelpotencialelconocimientodeloscaudalesde escurrimientoylasalturasdecargaquesepuedanconseguir,yaquelapotencia ser funcin directa de los parmetros indicados. Energa humana Para los trabajos cotidianos, el hombre hace uso de su energa, incorporando sta alespectroenergtico.Lapotenciaqueproporcionaelmsculohumanodepende del individuo, el medio y la duracin de la tarea [31]. Lapotenciadisponiblepararealizaruntrabajotildelargoplazo(ochohoras diarias,cuarentayochohorassemanales)poroperadoresjvenesysaludables, est estimada entre 0.08 y 0.12 caballos de fuerza (60 a 90 watts). Estos valores se reducirn cuando los operadores presenten algn problema o deficiencia de salud. Tambin se reducirn cuando el medio donde se opera presente altas temperaturas y humedad elevada. El siguiente cuadro muestra la potencia (en HP) que puede generar el ser humano promedio. TIEMPO (minutos) EDAD (aos) 510153060480 200.290.280.270.240.210.12 350.280.270.240.210.180.10 600.240.210.200.170.150.08 TABLA NO. 2.1 - POTENCIA GENERADA POR EL SER HUMANO 20Para trabajos cortos la potencia desarrollada puede ser mayor; por ejemplo, para el accionamiento de una bomba manual, la potencia necesaria es del orden de 0.10 HP (75 watts). Biomasa Labiomasasepresentacomocoberturavegetalycomodesechoorgnico.Enel primercaso,lacoberturavegetalcumpleunamisindesumaimportancia,por cuantoeselelementodeproteccinmsimportantedelsuelocontralaerosin hdrica y elica, contribuye a los ciclos geoqumicos del nitrgeno, fsforo y potasio, contiene especies que sirven de sustento alimenticio para hombres y animales y en el rea rural se constituye en el nico combustible disponible para la coccin de los alimentos. Por lo que se puede advertir, la biomasa est asociada ntimamente al suelo, clima, topografaylasculturasdeusoagua-suelo-planta.Enlazonaaltiplnicala naturaleza genera biomasa en una magnitud del orden de 0.5 ton/ha.ao, en zonas de valle andino hasta 8 ton/ha.ao y en el trpico hasta 20 ton/ha.ao . Estos datos sealanlagransensibilidaddelsueloandinoalosprocesosdedesertificacin, debido a la lenta respuesta en la generacin de biomasa. Eldiagnsticoenergticorural,realizadoporDIFER(DireccinNacionalde FomentoalaEnergaRural.Secretaradeenerga),sealaquelademanda energtica predominante est asociada a las necesidades de coccin, alcanzando en promedio a niveles del 90 %, siendo la lea el principal combustible utilizado. Se establece[30]queelusopromediodeleaseencuentraenelordende4 ton/fam.ao; El uso de este energtico tiene impactos negativos, como la reduccin aceleradadelacoberturavegetal,enfermedadesporinhalacindehumo, condiciones antihiginicas en la preparacin de los alimentos, accidentes por cadas sobre las brasas, etc. Losdesechosorgnicosparticipandelosciclosenergticos,tantocomo combustiblecomodereciclajeorgnicodelsuelo.Enmuchoscasoselmaterial 21orgnicoquecontribuyealequilibrioorgnicodelsueloesutilizadocomo combustible, por la falta de alternativas energticas accesibles, lo cual contribuye a la prdida de fertilidad de los suelos, la erosin, desertificacin, etc. Elsuelomismoconstituyeuncomponenteenergticofundamentalparala generacindevidayelcrecimientodeplantas.Elconjuntoformadoporlasfases slida(minerales,materiaorgnica-humus),lquida(constituida por agua, gases y nutrientes disueltos) y gaseosa que ocupa los vacos del suelo, conforma un sistema energtico vital. Otros Demaneraindirecta,lasactividadesrelacionadasaprocesosnoagropecuarios, industria o semi-industria, etc., es decir, niveles de ocupacin de mano de obra, se constituyenenofertadeenerga,porcuantosonmediosquepermitencubrir necesidades de generacin de bienes, que posteriormente contribuirn a reducir el dficit energtico. 2.2.1.2Equilibrio energtico Alniveldecuenca,elsistemaseencontrarenequilibriocuandolademanda energtica es igual a la oferta de energa. En general este equilibrio no se presenta por varias razones: -Quelaenergadisponiblenoseacompletamenteaccesible,debidoa limitaciones tecnolgicas. -Que determinados tipos de energa se encuentren en proceso de deterioro, reducindose gradualmente su potencial. -Queelusodelaenergadisponiblenoalcancenivelesdeeficiencia necesarios. 22La situacin de desequilibrio energtico, condiciona la actividad de las sociedades que ocupan el territorio de la cuenca, lo cual da lugar a un nivel de dficit temporal o permanente. Las condiciones lmites, desde el punto de vista energtico, que ofrece la cuenca, obligaalpobladoralanecesidaddecubrireldficitenotras"cuencas",como: ciudades,zonasdemayordinmicaeconmicaenelpas(Chapare,reasde produccin de caa, algodn, soja) y en el exterior (Argentina, Chile, etc.), proceso que se califica como migracin. Porlotanto,lamigracinesunprocesoasociadoaldficitenergticoquese presenta en una cuenca y trata de llenar el espacio no cubierto. Este proceso tiene como consecuencia alteraciones de tipo cultural, social, familiar, econmico, etc. Eldesequilibrioenergticoquesepresentaenlacuencaexplicalapobrezayel atrasoenelmundorural,lassolucionesaesteproblemapuedenseranalizadas desde este punto de vista para ofrecer soluciones de tipo integral. 2.2.1.3Consideraciones energticas para el manejo de una cuenca Losanterioresconceptospermitenconceptualizarlasmedidasdemanejode cuencas, definidas por tres niveles o etapas: -Primer nivel. Mejorar la actual administracin del uso de energa-Segundo nivel. Mejorar la accesibilidad a la energa -Tercer nivel. Incrementar el potencial energtico En el primer nivel, las medidas se orientarn a mejorar el uso actual de la energa, incorporando medidas combinadas de tipo tecnolgico y administrativo. Desde el punto de vista prctico, tomaremos como ejemplo los siguientes casos: 23-El uso de energa para la coccin de los alimentos representa, como se dijo anteriormente,eldemayordemanda,presionandosobrelabiomasa.Los sistemasdecoccinconvencionalesnoalcanzannivelesdeeficiencia mnimosparaelequilibrio,locualdalugaralareduccingradualdela cobertura vegetal. Las condiciones socio-econmicas actuales no permiten, en muchos casos, la aplicacin de programas de sustitucin de la lea por otro tipo de combustible y la perspectiva futura, va desregulacin del precio deloscarburantesyderivadosdelgasypetrleo,alejalasposibilidades realesdereemplazodecombustible.Porlotantolaleaserporlargo tiempo el combustible de mayor utilizacin en el rea rural. Este nivel de solucin plantea la incorporacin de cocinas a lea mejoradas. Entre las ms extendidas se puede mencionar a la cocina tipo "Lorena" que haalcanzadoimportantesxitosensuaplicacinencomunidadesdel altiplanoyvallesdeBolivia.Elusodelea,pormediodelusodecocinas Lorena, permite el ahorro de combustible entre el 50 % y el 70 %, lo cual da lugaralarecuperacindecoberturavegetalafectadaeimpactospositivos asociados. -Bajo el concepto de asociacin suelo-agua-planta, los recursos hdricos son tambin un medio de aplicacin de este nivel de solucin, al aplicar medidas de mejoramiento de los sistemas de riego actuales para el incremento de su eficiencia. Lossistemasderiegocondeficienciastcnicas(deconcepcino construccin)sufrenprdidasnodeseadasdeaguaalpresentarse infiltracionesenjuntasdedilatacin,grietasenlasestructurasde conduccin, prdidas en obras de control (compuertas) o deficiencias en la administracindellquidoelemento.Porlotanto,lacorreccindelas deficienciasy/olaincorporacindemejoras,permitirunmejor aprovechamiento del recurso, mejorando la produccin y la productividad del suelo. 24-Muchossistemasdeaduccindeagua,confinesdedotacindeagua potable,ademsdetenerdeficienciasdetipotcnicoquedalugara prdidasdecaudales,contienenunpotencialenergticoquenoes aprovechado en ninguna forma. Existensistemasdedotacindeaguapotable,loscuales,ademsde caudales adecuados, cuentan con alturas de cada suficientes para generar energa hidroelctrica a bajo costo a nivel de pico-turbinas. El instituto de Hidrulica e Hidrologa de La Paz ha adaptado tecnologa para laaplicacindeestossistemasyhainstaladovariossistemasenvarias comunidades del territorio nacional. Elsistema,debidoasusdimensiones,tienealgunaslimitacionesque,sin embargo,noafectansuaplicacin.Laspicoturbinasutilizanlossistemas actualesdedotacindeaguapotable,porlotanto,norepresentangastos mayoresenobrasciviles,generanenergaacorrientecontinuaa12o24 volts para iluminacin, comunicacin, refrigeracin y acumulacin. Es decir, estaenergapuedeserutilizadaporfocosespeciales,refrigeradores, televisores,radiosycargadodebateras.Lascondicioneslmitesque definen estos sistemas reducen su utilizacin principalmente a su aplicacin enescuelas,centrosdesalud,centroscomunalesyeventualmentepara iluminacinpblicayusodomstico,peroconlimitacionessegnla capacidad de generacin del grupo turbina-generador. Para dar una idea de sus potenciales de aplicacin energtica, un sistema de agua potable que conduce 0.5 l/s y tiene una altura de cada de 50 m. podra generar una potencia de 0.09 Kw, a corriente continua sera suficiente para iluminar un nmero de 5 focos y accionar un refrigerador. En el otro extremo un sistema que conduce 2 l/s de agua y cuenta con una altura de cada de 100 m. podra generar 1.38 Kw. con capacidad de iluminacin de 156 focos y un refrigerador. 25Paralaaplicacindelaidea,ensistemasquecumplanlascondiciones mnimas, sera necesario anular las cmaras disipadoras de presin, a fin de utilizartodalacargahidrulicayemplazarsobreeltanquede almacenamiento el sistema generador, sin alterar el sistema de distribucin de agua potable. Elsegundonivelplanteaunmayoraccesoalaenergaylosrecursosnaturales disponibles, por medio del mejoramiento de la tecnologa utilizada o la incorporacin de tecnologas que permitan esta meta. Algunos ejemplos aclararn el concepto: -La aplicacin tecnolgica para el acceso de agua para riego mejorar lascondicionesdelsueloparalaproduccin,incrementandosu capacidad energtica. -La aplicacin de energa solar, elica, elctrica, biomasa, etc., para la extraccin de agua para riego y/o agua potable, mejorar por un lado elaccesoatiposdeenerganoutilizadaseincrementarla productividad del suelo. -Laaplicacindeinvernaderosmejoraelaccesoalaenergasolar para reducir los riesgos climticos en la produccin agrcola. -El aprovechamiento de la energa hidrulica puede tener tres niveles de aplicacin: a.El mejoramiento de los molinos hidrulicos actuales permitira incrementarlaeficienciadelamoliendaydeusodelos recursos hdricos. b.Laconstruccindesistemashidrulicosconlaaplicacinde turbo-bombas para la impulsin de agua a zonas de riego. c. Laconstruccindesistemashidrulicosparalageneracin deenergaelctricaconlaaplicacindeturbinasy generadores elctricos. 26-La aplicacin de energa solar por medio de paneles fotovoltaicos, generandoenergaelctricaparasuutilizacineniluminacin domsticaypblica,comunicacin,televisin,refrigeracin; permite un mayor acceso a la energa solar con fines utilitarios. -Lautilizacindeenergasolarparaelsecadodeproductos agropecuarios,calentamientodeagua,filtracindeagua,etc. lograunmayoraccesoalaenergasolarconfinesutilitarios bsicos, adems que permite un primer paso en la transformacin bsica. -Elmejoramientodeherramientasdetrabajoagropecuario, bombasmanuales,permiteunamejorutilizacindelaenerga humana en tareas de produccin y de servicios. El tercer nivel considera el incremento de los potenciales energticos y de recursos naturalesquepretenderecuperarpotencialesproductivosnaturalesdelsistema agroecolgico. Entrelasmedidasqueseplanteanenestenivel,sepuedenmencionarlos siguientes: -Lareforestacincombinadaconzanjasdeinfiltracinincrementaralos potencialesdebiomasadelacuenca,parasuposteriorutilizacincomo combustible para la coccin, madera para la construccin, incremento de la capacidad de retencin de humedad de la cuenca y reduccin de los niveles de erosin hdrica y elica. -La aplicacin de andenes y tacanas incrementara el potencial productivo de lossuelos;permitiraunamejoradministracindeaguayreduciralos niveles de erosin. -Elmejoramientodelusodelsuelo,tomandomedidasquedisminuyanlos procesos de erosin y aplicando tcnicas que reduzcan la pendiente de las parcelasproductivas;estasmedidaspodrncombinarseconelusode semillas mejoradas e incorporacin de fertilizantes naturales, etc. 27-Transformacinbsicadelosproductosqueseproducenenlazonapara incorporar valor agregado a los productos, ejecucin de proyectos en el rubro de la artesana, etc. Como se puede advertir, el tercer nivel establece una condicin lmite en la relacin a la oferta y demanda energtica. La condicin lmite superior de aprovechamiento delospotencialesenergticos,concebidosenelpresentetrabajo,estar condicionada a los niveles tecnolgicos accesibles por las sociedades que ocupan el territorio de la cuenca, sin embargo, considero que existir un lmite, en el que la naturaleza no podr ofrecer ms. A partir de este nivel, la oferta estar condicionada a la capacidad de las sociedades degenerarrecursosconbaseenlatecnologaquehayalogradoasimilaro desarrollar.Sepodrincorporarnuevaenergaconelmejoramientodelas capacidadesdetransformacinbsicapormediodeprogramasdecapacitaciny educacin, de manera que se adquiera potenciales de transformacin de productos noproducidosenlascuencas,generandonuevasiniciativasdedesarrollo.La posibilidad de aplicacin de estas medidas estar supeditada a las condiciones de infraestructura, principalmente energa y vas de comunicacin hacia los centros de consumoynaturalmentecontarconrecursoshdricosquepermitancubrirla demanda poblacional y de los procesos de transformacin que se planteen. No se tomanencuentalosotrospotencialescomomineros,materialesdeconstruccin, etc. que podran disponer las comunidades. 1CAPTULO 3 3. EROSION Y TRANSPORTE DE SEDIMENTOS Elsueloseconstituyeenelrecursobsicodelassociedadesandinas.Esunrecurso renovablesiesconservadoadecuadamente,encasocontrario,segeneranprdidasde suelo que conducen al deterioro del medio ambiente y al empobrecimiento de los pueblos. En las cuencas andinas se presentan procesos avanzados de erosin, generando perjuicios debidoalaprdidadesuelosagrcolas,obrasdeinfraestructuraydegradacindereas urbanas. Elimpactodelaerosinhdrica se manifiesta en el incremento de la carga de sedimentos sobreloscursosnaturales,loscualesofrecencondicionesdesfavorablesparael aprovechamientodelosrecursoshdricos.Deigualmaneralaerosintienecomo consecuencia alteraciones ecolgicas que afectan a la fauna y flora. La suma de prdidas econmicas debido a la erosin puede alcanzar niveles astronmicos, por lo que es necesario considerar medidas que prevean los procesos asociados a la erosin o disminuyan sus consecuencias negativas. 3.1 Erosin laminar Sobrelasuperficieterrestresehanpresentadodesdetiemposgeolgicamentelejanos procesosdeerosinquehandadolugaralaformacindelossuelos.Elprocesode alteracinderocasquesepresentaporlaaccindeagentesfsicosyqumicos,contina con los procesos de erosin que remueven sus partculas constituyentes principalmente por accindelagua.Alolargodelosaossepresentaunprocesodinmicoenquelas diferentesaccionessecompensandandolugaralequilibrio.Sinembargo,losnivelesde fragilidadalcanzadosporelmediofsico,danlugaralaaceleracindelosprocesosde 2prdidadesuelo,rompiendoelequilibrio;locualesmotivodepreocupacindebidoalas consecuencias negativas que conlleva. En las zonas con proteccin de cobertura vegetal, la energa cintica de las gotas de agua es atenuada por el sistema vegetal, por lo que la erosin laminar se mantiene en los rangos que define el equilibrio. Lapresenciadevegetacinennivelesinsuficientes,dalugarasuperficiesdesuelo susceptibles a la accin directa de las aguas, ya que un suelo desprotegido recibe el impacto directodelasgotasdelluviaenunaproporcinequivalentealdimetrodelasmismas elevado a la tercera potencia. FIGURA 3.1INICIO DE LA EROSION PLUVIAL. Elimpactodesagregarlaspartculas,liberandoalasmspequeasytrasladndolas inmediatamenteaguasabajo.Estaprimeraaccines complementada por el escurrimiento superficial,formadoporlaunindelasgotasdelluvia,generandofiletesdeaguacon suficiente fuerza para arrastrar las partculas liberadas. 3Los filetes de agua continan transportando partculas de los sectores ubicados aguas abajo sinformarcanalesdefinidos,dandolugaraldesgastedelasuperficiedelterreno.Aeste proceso se denomina erosin laminar. La erosin laminar acelerada depende de los siguientes factores naturales: Caractersticas fsicas tales como: textura, estructura, permeabilidad, entre otros. Caractersticasligadasalamorfologadelterreno,principalmenterelacionadasconla pendiente. Caractersticas ligadas al clima, principalmente relacionadas al rgimen de precipitaciones y tormentas. Eldesarrollodemtodosyfrmulasquepermitenestimarlosvolmenesdesuelo erosionado por accin laminar, ha sido desarrollado para cuencas diferentes a las andinas. Entre ellas se destaca la Ecuacin Universal de Prdidas de Suelo [1], que ser considerada nicamente como referencia, a saber: c SP C SLK R = A (3.1) Donde: AIndice que representa la prdida total de suelo por unidad de rea en [ton/ha]. RErosividad. Indice que expresa la capacidad de la lluvia de provocar la erosin. KErodabilidad. Indice relativo a las propiedades inherentes al suelo y que refleja su mayor o menor susceptibilidad a la erosin. LsFactor topogrfico SDeclividad. Magnitud de la pendiente de la ladera. 4CIndice relativo o factor de uso y manejo del suelo. PcIndice relativo a la prctica conservacionista adoptada. LosfactoresLs,CyPcsonadimensionales.Laerosinanualtendrlasunidadesquese adoptan para K y un perodo de retorno correspondiente al de R. Laestimacindelosvolmenesdeprdidadesueloporefectodelaerosinlaminar,se realiza en base al clculo de los ndices de cada componente de la ecuacin [1]. LaErosividadRpuedesercalculadautilizandolaexpresindeLombardiNetoy Moldenhauer (1980): R=6.866 (pP)20.85(3.2) Donde: R Indice medio de erosividad anual p Precipitacin media mensual P Precipitacin media anual La erodabilidad K representa la susceptibilidad del suelo a la accin erosiva y ser funcin delascaractersticasfsicasdelossuelos:textura,permeabilidad,capacidaddefiltracin, estructura, granulometra, contenido de materia orgnica, etc. El SCS (Soil Conservation Service) clasifica a los suelos de la manera siguiente: Suelos ADebajopotencialdeescurrimiento,buenapermeabilidad,porloquela infiltracin mantendr valores altos, an cuando estn hmedos. Pertenecen a este grupo los suelos gravosos, gravo-arenosos y arenosos gruesos. Suelos BMantienenmoderadasvelocidadesdeinfiltracinymayoresvaloresde escurrimiento. En este grupo se consideran a suelos arenosos, limo-arenosos con reducida presencia de materia coloidal.5 Suelos CEn estos suelos la infiltracin es lenta, es frecuente la presencia de material muyfino,mezcladosconpartculasgruesas.Aestegrupopertenecernlossuelos franco-arcillosos y franco-arcillo-arenosos. Suelos DEstossuelossonlosquepresentanmayorpotencialdeescurrimiento.Se considerarncomosuelosdeestegrupoalosdegranofino,queformancapas prcticamenteimpermeablesporloquelainfiltracinsermuylenta.Enestecasose considerarn a los suelos arcillosos. Como referencia, en el estado de Bayern (Alemania) se encontraron valores de R en el rango de40y140[32],menoresalosvalorescorrespondientesalazonaoestedeRocky Mountain/EEUU (90-1000). La diferencia se fundamenta porque en la zona de Bayern, para similares condiciones de precipitacin, las intensidades son menores. Los valores que adquiere K sern los siguientes: TIPODE SUELO RANGODE VARIACION DE K A B C D 0.16 - 0.23 0.13 - 0.38 0.13 - 0.18 0.07 - 0.12 TABLA No. 3.1 RANGO DE VARIACION DE K 6s0.63 1.18L= 0.00984L S (3.3) El factor topogrfico Ls se obtiene por medio expresin desarrollada por Bertoni (1959): Donde: LsFactor topogrfico LLongitud de pendiente en m. y expresa la distancia entre el punto donde cae la gotadelluviahastaelpuntodondedisminuyelapendienteycomienzala deposicin, o hasta un curso de agua definido. SPendiente del terreno en porcentaje La Longitud de Pendiente puede obtenerse por medio de la siguiente frmula:) 0654 . 0 sin 4.56 +sin(65.412.13 2m= L2+ (3.4) Donde: mfactor de pendiente Angulo de la pendiente El factor m es funcin de la pendiente del terreno, y adopta valores segn el siguiente orden: PENDIENTE (%) m < 1 1 - 3 3 - 5 > 5 0.2 0.3 0.4 0.5 TABLA No. 3.2. VALORES DE m 7Los factores de uso, manejo del suelo C y prctica conservacionista P, estn relacionados entre s y deben ser evaluados en forma conjunta con base en mapas de uso del suelo a una escala que permita la distincin entre las principales formas de uso y ocupacin agrcola. Para la determinacin de C pueden ser considerados los siguientes valores referenciales [1]: COBERTURA VEGETAL C Bosque no intervenido Bosque intervenido Tierras erosionadas con escasa vegetacin Suelo desnudo Cultivos extensivos en hileras, ejemplo maz Yuca y batata 1er ao Palmera, caf, cacao Pastos Hortalizas 0.001 0.34 0.8 1.0 0.5 0.2-0.8 0.1-0.3 0.07 0.3 TABLA No. 3.3VALORES REFERENCIALES DEL INDICEDE FACTOR DE USO Y MANEJO DEL SUELO C 8De igual manera para determinar el factor Pc, sirven de referencia los siguientes valores: TECNICA FACTOR Pc Curvas de nivel (pendientes entre 5% y 20%) Bandas antierosivas de 2 a 4 m (pendientes entre 5% y 25%) Proteccin con paja Terrazasde80cm.combinadasconcurvasdenivel (pendientes entre 5% y 15%) 0.1 - 0.7 0.3 0.01 0.10 TABLA No. 3.4 INDICE DE PRACTICA CONSERVACIONISTA Pc 3.2 Transporte de acarreo y erosin en cursos de agua Lossedimentosformadosapartirdelaerosinlaminarymovimientosdemasas,son conducidosaloscursosdeagua,dondetienelugarlaescorrentaenunmediofsicoen forma de canal, responsable de la segunda fase del proceso de transporte de sedimentos. Enestesector,elescurrimientosedesarrollademaneraconcentrada,concapacidad suficienteparalaconduccindelossedimentos.Dependiendodelascondiciones geotcnicas de los suelos, principalmente de su capacidad de resistencia a las tensiones de corte,lospequeoscanalesnaturalesseprofundizarngradualmente,dandolugarala formacin de crcavas. Lapresenciadecrcavasexpresaunestadoavanzadoycomplejodeerosincuyopoder destructivo local es superior a las otras formas de prdida de suelo y por lo tanto de mayor dificultad de control. Estados avanzados de erosin en crcavas se advierten en las zonas de valle de Bolivia,con una expresin mayor en las cercanade las ciudades de Tarija y La 9Paz. En la crcava actan adems de la erosin superficial, formas de erosin asociadas al escurrimientosuperficial,aladesestabilizacindetaludesporhumedecimientoy sobresaturacinyalmovimientosubterrneo(tubificacin).Seasociantambinalos procesos de erosin interna los "descalzamientos" de la base de los taludes de la crcava provocando desmoronamientos. En suma, en una crcava se presentan diversos fenmenos de erosin: erosin superficial, erosininterna,descalzamientoydesmoronamientos,generandoprocesosdealtopoder destructivo,quesemanifiestademaneraflagranteenenormessuperficies,queafectan zonas de produccin agrcola, carreteras, obras pblicas, etc. En estos cursos naturales - incluidas las crcavas, quebradas ytorrentes - el flujo adquiere capacidad suficiente para transportar hacia aguas abajo los sedimentos y fuerzas de corte que en muchos casos superan las fuerzas resistentes de la solera y taludes, presentndose la erosin por accin del escurrimiento. Durante este proceso disminuye el nivel de la solera, debilitandolabasedelostaludes,quedarlugaraldesmoronamientodelasriberas; incrementado la carga de sedimentos sobre los cursos de agua. La determinacin de los volmenes de transporte de sedimentos en canales abiertos es un problemacentralparaelingenierohidrulico.Susresultadossontilesparael dimensionamiento de obras hidrulicas como obras de toma, canales, para la regulacin de ros y torrentes, etc., as mismo ser informacin necesaria para establecer la necesidad de incorporar obras complementarias y/o determinar la vida til de una obra hidrulica. Lacapacidaddetransportedesedimentosdeuncursodeaguahasidomotivode investigaciones, debido al uso ms frecuente de recursos hdricos de fuentes superficiales en los que se dan lugar presentan procesos de erosin y sedimentacin. En esta seccin se presentarn algunas frmulas que estiman la capacidad de transporte de sedimentosdeuncursodeagua,quepodrnserconsideradoscomoreferencia,y considerandoquesuaplicacinestlimitadaencadacasoacondicionesdefinidascomo: caudalespecfico,pendientedelasolera,dimetrocaractersticodelossedimentos, relaciones geomtricas, etc. 10 Consideraciones bsicas Shields y Einstein [2] definen los parmetros adimensionales: -Tensin de corte media relativa =v(s-1) g d*2 (3.5) Donde: v = g R I* (3.6) - Unidad adimensional de transporte de sedimentos B BB=q(s-1) g d 3(3.7) Donde: v* Velocidad de corte en m/s RRadio Hidrulico en m I Pendiente de la lnea de energa. (Pendiente del espejo de agua) g Aceleracin de la gravedad en m/s d Dimetro del grano de sedimento en m s Densidad relativa de los granos s=s(3.8) qBAcarreo especfico (m3/m.s) BssSSq =g=g "" (3.9) 11El caudal slido puede ser expresado tambin en trminos de peso por segundo y por metro de ancho, tanto como peso seco, como peso sumergido:

Donde: sedimento del sumergido especfico Peso"sedimento del seco especfico Peso ss 3.2.1 Ecuacin de transporte de acarreo de Meyer-Peter Una forma simplificada de esta ecuacin es expresada por la siguiente expresin [2]: g R I=0.047( - ) g d+ 0.25 [( - ) g q ]s1/3 2/3s B(3.10) Dividiendo por: g d (s-1)resulta: g R Ig d (s-1)=0.047+ 0.25q(s-1) gdB1/2 1/23/22/3

1]1(3.11) Asociando a las unidades adimensionales y : = 0.047+ 0.253/2 (3.12) B3/2= 8( -0.047) (3.13) CuandolaUnidadAdimensionaldeTransportedesedimentosB=0,elprocesose encuentra en el lmite de inicio del movimiento de los granos, resultando = 0.047. A este valor se denomina crit, por lo que la expresin (3.11) toma la siguiente forma: B crit3/2=8 ( - ) (3.14) El nmero adimensional B permite definir las condiciones de movimiento de los sedimentos: 12 B < 0.03Situacin de completo reposo de los granos del acarreo. B = 0.047Situacin crtica de inicio del movimiento de los granos. B > 0.047Situacin de acarreo en movimiento. ElcontroldelamagnituddeBpuedeserempleadodediferentemanerasegnlas caractersticas del problema bajo consideracin, a saber: -Para el dimensionamiento de elementos ptreos utilizados para la proteccin de soleras y taludes, es necesario garantizar que el material granular se mantenga en reposo, por lo que B adquiera valores menores o iguales a 0.03; en este caso qB es igual a 0. -Paraladeterminacindelacapacidad de transporte de acarreo de un curso de agua, el valor de B deber tener un valor en la frmula de por lo menos 0.047, correspondiendo al rango de acarreo en movimiento. 3.2.2 Frmula de transporte de sedimentos de Einstein Einstein considera el movimiento de los sedimentos como un problema probabilstico, en el cual todos los parmetros de flujo y del material slido se interrelacionan. La frmula que expresa el movimiento de acarreo segn Einstein [2]: BB2 143 . 02 143 . 0t5 . 43 15 . 43e11 p2 + (3.15) Donde: p Probabilidad de transporte de un grano de acarreo Einstein,conbaseenlatabulacindelaintegraldelafrmula,muestraenformade diagrama la relacin entre y B : 13 FIGURA. 3.2. RELACION ENTRE y Que puede ser expresado de la siguiente forma: =- dR I=(S-1) g dg R I=1S (3.16) 143.2.3 Frmula de transporte de acarreo de Engelund Esta frmula es expresada [2] de la siguiente forma: Bcrit=5p ( -0.7 ) (3.17) Donde p significa nuevamente la probabilidad de transporte para el material sobre la solera que se encuentra en movimiento. p = 1 cuando toda la solera, en un determinado espesor, se encuentra en movimiento. Vale as mismo: tg =,-6+ 11= pcrit4 / 14111]1

,_

(3.18) Donde: Angulodefriccininternadelmaterialcomponentedelacarreo.Paraarena, segn Engelund resulta: crit = 0.05,crit = 0.51( = 27) ConbaseenlosnmerosadimensionalesyBsepuedeestablecerlasrelaciones presentadas en la figura 3.3 [2]. 15 FIGURA 3.3 RELACION ENTRE y B 16 3.2.4 Factores de correccin Influencia de la forma de la seccin y de la rugosidad de la ribera [2] Las frmulas planteadas en la anterior seccin no consideran la influencia de las orillas, por lo que son vlidas para canales muy anchos. Engelund considera nicamente la relacin con el tirante, y no toma en cuenta la forma de la seccin y el efecto de las paredes o taludes laterales. Meyer-PetertomaencuentaunanuevadimensindelradiohidrulicoRscomo"elradio hidrulicodelaseccinefectivadelacarreo".Estaresultadeladivisinentrela"seccin efectiva As" y la porcin de permetro que corresponde a esta seccin: SSSsSR=AU=hAA'(3.19) Las reas A, A' y As se definen en la figura 3.5. Meyer-Peter plantean una forma sencilla de establecerlaseccinAs,atravsdeunaaproximacingeomtrica,quenoconsiderala diferencia de rugosidad entre la solera y la orilla. 17 FIGURA 3.4 RELACIN DE DIMETROS DEL GRANO DEL ACARREO EN FUNCINDE LA CURVA GRANULOMTRICA FIGURA. 3.5 AREAS DE LA SECCIN CONSIDERADAS POR MEYER-PETER 18Donde: AArea total de la seccin en m2 A'Area rectangular asociada al rea efectiva en m2 AsArea efectiva en m2 EnelclculosegnEinsteinseintroduceelradiohidrulicoqueesindependientedela forma de la seccin iente correspond PermetroAreaUAR Se definir el radio hidrulico de la "seccin de influencia de las paredes o taludes de ribera Rp": ]I Kv[ =R1.51/2pmp(3.20) El rea total de la seccin ser: Us Rs +U R= AP p (3.21) Donde: Up y Us Parte de la solera y la ribera correspondientes.kpCoeficiente de rugosidad de la ribera segn Strickler El valor de Rs responde a la relacin con la tensin de corte: UsI KvU - A= Rs1/2pm5 . 11]1

(3.22) 19Influencia de la rugosidad Los diferentes tipos y formas de solera originan prdidas de energa que estarn asociadas a la rugosidad de su permetro mojado. Segn Meyer-Peter, la rugosidad de la solera est representada por la siguiente expresin: 690d26=kr (3.23) Donde: krRugosidad del grano componente del acarreo Einstein y Engelund, incorporan en el clculo de R y R', la influencia de las paredes laterales a travs de R', donde:

_,

RR=kkSSr15 .(3.24) Por otra parte vs = 1.05 vm, entonces: v =k I RSS1/2 2/3 (3.25)

,_

dR12.27 5.75 I R g =v65Slog De donde se obtienen los valores de Ks o R'. 3.2.5 Campo de aplicacin Las frmulas expuestas en la anterior seccin pueden ser aplicadas en el campo de validez definido por el nmero adimensional ', que corresponde a afectado por RI, a saber: 20- Frmula de Meyer-Peter 0 < ' < 0.2 - Frmula de Einstein 0 < ' < 1.0 - Frmula de Engelund ' < 0.3 Lascondicionesdeclculofueradelosrangosdeplenavalidezindicados,puedenser consideradas con restricciones. Un factor restrictivo es la pendiente de la solera, por cuanto lasecuacionesdeMeyer-PeteryEngelundsonaplicablesacursosdeaguadepequea pendiente. La Frmula de Einstein podr ser utilizada para cursos de agua con pendientes hasta 20%. En todo caso, es necesario realizar anlisis comparativos entre los resultados de la aplicacin de las frmulas indicadas (o de otras que ofrece la literatura),para establecer aquella que exprese con mayor aproximacin la capacidad de transporte del curso de agua considerado. Muchos investigadores han desarrollado frmulas para obtener los volmenes de transporte de sedimentos como Kalinske, Yalin, Wang, Vollmers, etc., sin embargo an queda un largo caminoporrecorrer,principalmenteenlaadaptacindelasfrmulasalascondiciones particulares que presenta nuestros cursos naturales en la zona andina. 3.2.6 Ecuacin modificada de Meyer-Peter Las pendientes de los cursos de agua en las cuencas andinas adquieren dimensiones que superan en general las consideradas por los diferentes investigadores que desarrollaron las ecuaciones de transporte de acarreo. 21GraemeM.SmartyMartinJaeggi[32]realizaroninvestigacionessobreeltransportede acarreoencanalesdefuertependiente,enelmarcodelosconceptosestablecidospor Meyer-Peter,quesonaplicablesacursosdeaguaandinos.Estasecuacionespuedenser utilizadas en canales con pendientes hasta de 20%. Consideraciones generales En general las ecuaciones de transporte de sedimentos han sido desarrolladas para cursos de agua con pendientes pequeas. En particular, la ecuacin de Meyer-Peter/Mueller tiene validez para pendientes menores a 2% . Esta restriccin limita la posibilidad de aplicacin de la ecuacin para ros o canales de pendientes pronunciadas, cual es el caso de las cuencas andinas. A partir de 20% de pendiente, el proceso de transporte de sedimentos ingresa a una zona de transicin en el que se presenta el transporte de acarreo semejante a "movimientos violentos de acarreo ". Estas investigaciones muestran que para pendientes mayores o iguales a 3% se presentan procesos de deformacin de la solera desde antidunas hasta el corte general o "nivelacin". Estascaractersticasadviertendiferenciasenelmovimientodesedimentosdemenor pendiente, en los cuales las partculas se desplazan sobre la solera, rodando o "saltando". La formacin de estas geometras no presenta un proceso claro, sin embargo se advierte mayor incidencia para pendientes mayores a 10% . El tipo de geometra de la solera ser funcin de la pendiente, el caudal especfico, el dimetro del material y la geometra de los granos. En pendientes pronunciadas, juega un rol importante la componente en la direccin del flujo delpesodelaspartculasdelasolera;enpendientessuavesestacomponentees normalmente despreciada. Laaplicacindelosdatosutilizadosenlaspruebasexperimentalesquedieronlugaral desarrollodelaecuacinoriginaldeMeyer-Peter/Muelleracanalesconpendientes pronunciadas,presentanivelesdecorrelacinbajas.Losvaloresdelcoeficientede correlacin r2 alcanzan magnitudes del orden de 0.36 y un valor del error standard de 129 %. 22Laraznparaestadiferenciaesconsecuenciaindirectadelapendienteydelosvalores adoptadosparalarugosidad.LarugosidaddelgranoadoptadaporMeyer-Peter/Mueller considera el coeficiente definido por Strickler: kr = 26/d900.16 (3.26) Con los datos observados para pendientes pronunciadas se advierte una diferencia creciente de este coeficiente. DelaecuacindeManning-Strickler, la rugosidad de la solera (eliminando la rugosidad de las paredes) ks: k =QA h Isrb m0.67 0.5 (3.27) DeacuerdoaMeyer-Peter,sedefineks=kr,locualnosecumpleenpendientes pronunciadas. Sin embargo, entre tanto no se pueda definir el valor correcto de kr, conviene mantener el cociente ks/kr en valores cercanos a la unidad. Las bajas correlaciones alcanzadas por la ecuacin original de Meyer-Peter, dieron lugar a la consideracin de modificaciones a la ecuacin y extender la aplicacin de los principios de movimiento de partculasa canales con fuerte pendiente. Ecuacin de Meyer-Peter aplicable a canales de fuerte pendiente (Imax = 20%) Considerandolosprocedimientosdecorreccinporefectodelainfluenciadelasparedes realizadoporEinsteinylosclculosdeIwagaki-Tsuchya[32],sedeterminaelfactor corregido del inicio del transporte de sedimentos:

,_

tgI1 I)] (arctg cos [ =crit(3.28) 23donde: ngulo de talud natural del material Paraunadistribucinhidrostticadelapresin,latensindecortemediaoriginadaporel flujosobrelasoleraesindependientedelapresenciadelaspartculasslidasen movimiento. El factor que representa la forma de la rugosidad est dado por la siguiente expresin: )] - (If[c =crit0.5 0.6 (3.29) Donde: c=vv* con este procedimiento se incorpora el factor Icrit, siendo esta una parte de la pendiente de la lneadeenerga,paralacualseiniciaelmovimientodelaspartculasdelasolera.Icrit se obtiene de crit, como funcin del tirante. Para material de la solera con una distribucin del grano uniforme, Typus plantea la siguiente expresin: )I- (I qI1) - (sa= q.3crit2 1B (3.30) Una regresin logartmica muestra que los exponentes 1 y 2 adquieren valores cercanos a 1, por lo que la expresin (3.29) toma la siguiente forma: B0.6critqaI(s-1) q (I -I) (3.31) Paradistribucionesheterogneasdelosgranosdelasolera,seincorporaeltrmino adimensional d90/d30. 24Con los datos obtenidos de las pruebas experimentales para canales de fuerte pendiente se obtiene la expresin de la nueva frmula de Meyer-Peter/Mueller: B900.6rcrq =4(s-1)ddIq (I -I)

_,

300 2 . (3.32) Una frmula equivalente ser: *Br90301.6critq =qq=4(s-1)ddI(1- )

_,

0 2 . (3.33) y ) - ( cIdd4 =crit0.5 0.62 . 03090

,_

(3.34) Para clculos prcticos, puede utilizarse la siguiente expresin: B90301.6crit mmq =4(s-1)ddqI1-(s-1)dhI

_,

_,

0 2 .(3.35) Enloscasosenqueladiferenciaentred90yd30 sea despreciable, puede reemplazarse el cociente d90/d30 por 1.05 y crit = 0.05 (para flujo plenamente turbulento y curso de agua de gran pendiente), de donde la expresin de Meyer-Peter/Mueller adquiere la siguiente forma: B0.6mmq =2.5qII -d12.1h

_,(3.36) El tema del transporte de sedimentos ha sido motivo de investigaciones que buscaban una relacin entre los niveles de transporte y diversos tipos de escurrimiento. La nueva ecuacin ofrece una relacin entre la capacidad de transporte, como funcin del escurrimiento, de la pendiente de la solera y del factor Icrit, siendo la diferencia I-Icrit el gradiente de energa que posibilita el movimiento de los granos componentes del acarreo de fondo. 1 CAPTULO 4 4.VERTEDEROS DE EXCEDENCIAS Losvertederossonestructurasquetienenaplicacinmuyextendidaentodotipode sistemas hidrulicos y expresan una condicin especial de movimiento no uniforme en untramoconnotoriadiferenciadenivel.Normalmentedesempeanfuncionesde seguridad y control. Un vertedero puede tener las siguientes funciones: -Lograr que el nivel de agua en una obra de toma alcance el valor de requerido para el funcionamiento de la misma. -Mantenerunnivelcasiconstanteaguasarribadeunaobradetoma, permitiendo que el flujo sobre el coronamiento del vertedero se desarrolle con una lmina lquida de espesor limitado. -En una obra de toma, el vertedero de excedencias se constituye en el rgano de seguridad de mayor importancia, evacuando las aguas en exceso generadas durante los eventos de mximas crecidas. -Permitirelcontroldelflujoenestructurasdecada,disipadoresdeenerga, transiciones,estructurasdeentradaysalidaenalcantarillasdecarreteras, sistemas de alcantarillado, etc. 4.1 Vertedero de pared delgada Para determinar la capacidad de evacuacin se considerar un vertedero de flujo libre quepresentaunacondicindedescargaquenoesinfluenciadooafectadoporel escurrimiento que se desarrolla aguas abajo. 2SetomacomobaselosconceptosdePoleni-Weisbach,aplicableaunvertederode pared delgada (Fig. 4.1). Considerando el coronamiento o cresta del vertedero como la lnea de referencia y de la aplicacin de la ecuacin de la energa a la lnea de flujo 1-2, resulta: 11]1

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,_

+ 2321232102 2232gvgvh B g m Q (4.1) Donde: B Ancho del vertedero m Coeficiente de correccin o de descarga FIGURA 4.1ESQUEMA PARA EL DESARROLLO DE LA FRMULA DE POLENI-WEISBACH Cuando la altura de carga h0 es mayor a la altura de velocidad v12/2g, el ltimo trmino entreparntesisresultamuypequeo,porloqueselopuededespreciar.Deeste modo la ecuacin se escribe: 32321022321]1

+ gvh B g m Q(4.2) Cuandolavelocidaddeacercamientodelflujoesmuypequea,esposibletambin despreciar v12/2 g, resultando entonces: 230h B g 2 m32Q (4.3) Laintegracinentre0yh0suponequelavariacindev2mantieneunadireccin horizontal y que la lmina vertiente adquiere la magnitud ho en la seccin 2, como se muestraenlafigura4.2.Laslneasdeflujoparalelasenlaseccin2generauna distribucinhidrostticadepresiones,lacualnuevamentecondicionaunavelocidad constante v2 en la seccin 2 y no distorsiona la distribucin de velocidades considerada por la ecuacin de Torricelli. FIGURA 4.2CONDICIONES DE FLUJO ADOPTADAS PARA LA FRMULA DE POLENI-WEISBACH 4Lasprdidasdecargaquesepresentanporeldesarrollodelflujoyporfriccinson muypequeasypuedenserdespreciadasparaclculosaproximados,sinembargo, para el tratamiento de problemas de vertederos que requieren mayor exactitud, estas prdidas debern tomarse en cuenta. Las relaciones de flujo en condiciones ms reales se muestran en la Figura 4.3 y se diferencian sustancialmente de la derivacin de la ecuacin de Poleni Weisbach. Considerando la Ecuacin de la Energa a lo largo de una lnea de flujo, se presenta un incremento de la velocidad y correspondientemente una cada del nivel de agua. En el coronamiento del vertedero queda el lmite superior del chorro lquido, por debajo del espejo de agua, con una seccin de flujo menor al asumido por Poleni-Weisbach. EnlaseccincontradaX,ubicadaaguasabajodelacrestadelvertedero,la distribucindepresionessedesarrollaconambosextremosigualesalapresin atmosfrica.Enestossectores,lasvelocidadescoincidenconlasdeterminadasa travs de la ley de Torricelli, considerando nicamente las prdidas de energa. En el mismochorro,lasvelocidadesadquierenvaloresmenoresalasdefinidasporla indicada ley. 5 FIGURA4.3 VERTEDERO DE PARED DELGADA. CONDICIONES DE FLUJO REALES Considerandoelcoeficientemconstante,puedeutilizarseunnuevocoeficientede descarga, que simplifique la expresin de Poleni-Weisbach [11]. con: g 2 m32K resulta : 230H B K Q NumerososinvestigadoreshanestudiadolosvaloresqueadquiereKparadiferentes casos.Paravertederosdepareddelgada,Ferrero[11]consideraalgunoscasosen funcin de las condiciones de flujo aguas arriba: 6 a) Con velocidad de llegada: v1 1.40 m/s para h 0.10 m. Francis: 11]1

,_

,_

+ 2302301 825 . 1hhhhK (4.4) FIGURA 4.4VERTEDEROS DE PARED DELGADA EN FUNCION DE LAS CONDICIONES DE FLUJO AGUAS ARRIBA b) Sin velocidad de llegada: v1 1,39 m/s y h 0.10 m 7Para pequeos vertederos (h 1.0 m.), la sociedad de Ingenieros Suizos plantea la siguiente expresin: 1]1

+ 1]1

++ 22005 . 0 149 . 0 8 . 921815 . 1bhhhK (4.5) Para vertederos grandes (H 1.0 m), corresponde la frmula de Rehbock: PhhK00428 . 056 . 0 601786 . 1 ++ (4.6) Donde: P Altura del vertedero en m. 4.2 Vertedero de pared gruesa Para el tratamiento de los vertederos de pared gruesa empleados con frecuencia en las obrashidrulicas,seutilizalaecuacindelaenergaentrelasseccionesAyB,sin tomar en cuenta las prdidas: g 2vyg 2vh H2 20 0+ + (4.7) ( ) y H g 2 v0 (4.8) ( ) y H g 2 y B Q0 (4.9) 8 FIGURA4.5 VERTEDERO DE PARED GRUESA SIN PERDIDAS Alcanzando su mximo valor para: ( )0 y 3 y H 2dyy y H ddydQ203 20 (4.10) o 0 y 3 H 20 es decir: 0 critH32y y El caudal sobre el vertedero resulta por lo tanto funcin del tirante lmite o tirante crtico hcrit. La altura de velocidad correspondiente resulta: 3HH32Hg 2vg 2v00 02crit2 (4.11) y con esto 9 2 233122yygvcrit (4.12) La velocidad sobre el coronamiento alcanza el siguiente valor: y g2yg 2 vcrit (4.13) El caudal resulta por lo tanto: 0 0 crit critH31g 2 H32B v y B Q (4.14) 230H g 23132B Q (4.15) o 230H B 7048 1 Q . (4.16) Es de advertir en esta ecuacin que Q est expresada en funcin de H0 y no de h0. La ecuacin considera que en la estructura no se presentan prdidas o que stas son muy pequeas. Una mayor aproximacin permite observar que las prdidas de carga no son despreciables por los repentinos cambios en las condiciones de flujo que induce la obra. 10 FIGURA4.6VERTEDERO DE CRESTA ANCHA. CONDICIONES DE FLUJO REALES Sobre el vertedero de pared gruesa y en un tramo muy corto, se presentar el tirante crtico(seccinB)antesdellmitedelacada,bajodominiodeunflujorpidamente variado.Enestesectorelflujoalcanzasumnimaaltura(menoraycrit)debidoala aceleracin originada por la cada libre del chorro. Segn Rouse-Knapp [10]: crit miny 715 0 y .(4.17) Para grandes alturas de carga, es decir para Ho/L > 3, el desarrollo del flujo se aleja de las caractersticas de vertedero de cresta ancha. FIGURA4.7FLUJO SOBRE UN VERTEDERO DE CRESTA ANCHA PARA H0/L>3 11 4.3 Coeficiente de descarga Los valores lmites aproximados del coeficiente de descarga resultan de la hiptesis de presencia del tirante crtico sobre el coronamiento del vertedero y de las velocidades aguas arriba y aguas abajo definidas por la ecuacin de Torricelli. Consideremos el siguiente esquema: FIGURA4.8CORONAMIENTO O CRESTA DE VERTEDERO. DISTRIBUCIN DE VELOCIDADES En correspondencia con la figura 4.8, la velocidad media de flujo en el chorro ser: 0H32g 2 v (4.18) De donde el caudal 12 0 0H32g 2 B H32v A Q (4.19) o 230H B 41 2 Q .(4.20) El coeficiente K adquiere el valor de 2.41 y se constituye en el coeficiente de descarga, sin embargo, este valor corresponde a un flujo sin prdidas de carga. En la prctica, siendoestedatodefundamentalimportanciaparaeldiseodevertederosde excedencias,elcoeficientededescargadeberconsiderareltipodevertedero,su geometra,rugosidadsuperficial,condicionesdeflujo,etc.,presentandograndes variaciones.Paraobrasdegranmagnitudesusualrealizarestudiossobremodelos hidrulicos, para determinar el valor del coeficiente de descarga, sin embargo, para el diseo de pequeas obras se contar nicamente con la referencia bibliogrfica y la experiencia del proyectista. SegnRabinvich[33],paraaliviaderosnosumergidos,elcoeficienteKpuede alcanzar los siguientes valores medios: Vertedero de pared delgada1.86 Vertedero de pared gruesa: Con arista aguda Con arista cortada Con arista redondeada 1.41 1.55 1.64 Vertedero de perfil prctico: De configuracin no suave De configuracin suave 1.77 1.99 13Con el propsito de contar con mayores elementos de juicio adicionales, a continuacin sepresentanalgunasconsideracionesprcticasquedefinenlaeficienciade funcionamiento de los vertederos de excedencias. Elefectodecontraccinquegeneranpilasyestribos,segn Francis [10], puede ser expresado a travs de la siguiente relacin: 0H n m B Be (4.21) Donde: BeAncho efectivo del vertedero B Ancho total de vertedero m Coeficiente de contraccin n Nmero de contracciones (dos por cada pila) Considerando la ecuacin bsica: 320H B K Q (4.22) Tomando en cuenta la velocidad de llegada v1, la ecuacin adquiere la siguiente forma: 11]1

,_

+ 2202230024 . 0 1PH KH B K Q(4.23) Ferrero [11] considera que la influencia de la velocidad de llegada es despreciable para v1 < 1.40 m/s; para v1 > 1.40 m/s plantea la ecuacin: ( )1]1

+ 23230h h H B K Q (4.24) 14 Considerando la geometra, Ferrero plantea valores de K, segn los siguientes tipos de vertederos: FIGURA4.9FORMAS PRCTICAS DE VERTEDEROS En el caso de la figura 4.9-a1, para H 0.50 m. y H < e, el coeficiente K se aproxima al valor 1.45. Si H > e (figura 4.9-a2), la lmina vertiente se separa de la superficie de vertedero, por lo que se puede asimilar a un vertedero de pared delgada. Parareducirlacontraccingeneradaporunaaristaserecomiendaredondearla misma, aplicando una curvatura con un radio: 0.10 m. r 0.10 e 15 FIGURA4.10VERTEDERO DE PARED ANCHA CON LA ARISTA DE AGUAS ARRIBA REDONDEADA El efecto de redondear la arista de aguas arriba de un vertedero de cresta ancha se aproximaalaaccindedisminuirelniveldelcoronamiento,yaquesereducela contraccin, incrementando la capacidad de evacuacin [12]. FIGURA4.11VERTEDERO DE CRESTA ANCHA Con un radio de 10 cm. en la arista de aguas arriba, el coeficiente K se incrementa en un9%.Blackwell[12]experimentcontresvertederosde0.9m.deanchoycon coronamiento ligeramente inclinado. La inclinacin parece incrementar ligeramente el coeficiente de descarga, sin embargo, los resultados son incompatibles para alturas de carga pequeas. La pendiente del coronamiento de un vertedero de pared gruesa tiene su efecto sobre la eficiencia; la aplicacin de una inclinacin en un vertedero con arista redondeada en valoresentreI=0.085aI=0.055tieneresultadosqueseresumenenlasiguiente figura: 16 Ie(m) A B C D 0.000 0.008 0.005 0.005 0.8 0.9 0.9 3.0 FIGURA 4.12RELACIN ENTRE C Y H. VERTEDERO DE CRESTA ANCHA CON PENDIENTE Y ARISTA REDONDEADA Siseredondealaaristadeaguasarriba,demaneraqueimpidatotalmentela contraccin,ysilainclinacindelplanodelcoronamientoestangrandecomopara compensar la prdida de carga debida al rozamiento, el escurrimiento empieza con un tirante igual al crtico y el caudal es dado por la frmula: 23704 . 1oh B Q (4.25) El coeficiente de descarga depende de la altura de carga H y de la altura del umbral del aliviadero W. El valor C = 1.704 es el mximo que alcanza el coeficiente de descarga para vertederos de cresta ancha para cualquier condicin. 17Elcoeficientededescargadependetambindelaformadelumbral,delas contracciones y de la relacin con las condiciones de flujo aguas abajo. Segn Horace Williams King [12], el problema de establecer una relacin fija entre la altura de carga y el caudal para los vertederos de cresta ancha, se complica debido a lagrancantidaddeformasquepuedetomarlalminavertientealescurrirsobreel vertedero.Paracadamodificacindelaformadelalmina,hayunavariedad correspondientealarelacinentrelaalturadecargayelcaudal.Elefectodeesta propiedad es ms notable en alturas de carga pequeas. Enestetrabajosepresentalosresultadosdelosestudiosquealrespectorealiz Norton [11]. Deacuerdoaestosestudios,lalminavertientepuedeescurrirlibremente,tocando solo la arista de aguas arriba del coronamiento o: -Adherirse a la cumbre del coronamiento. -Adherirse a la cara de aguas abajo del coronamiento. -Adherirse tanto a la cumbre como a la cara de aguas abajo. -Mantenerse desprendido o separado; en este caso es afectado (sumergido) por el reflujo de aguas abajo. -Adherirsealacumbre,ademsdedesprendersedelacaraaguasarribay anegarse aguas abajo. Laleydeloscoeficientesdedescargapuedemodificarsemuchooaninvertirse cuandotienelugaruncambiodeformadelalminavertiente.Lacurvadelos coeficientesparacualquierformadevertederoesunalneacontinuayuniforme. Cuandolalminavertientesedeprime,sedesprendeoessumergidaenelsector aguas abajo, la curva resultante para los coeficientes puede consistir en una serie de arcosdiscontinuosyandesconectadosqueterminenbruscamenteenpuntosde inflexin, en los cuales, vara la forma de la lmina. Las modificaciones de la forma de la lmina estn limitadas, por lo general, a cargas relativamente pequeas, sufriendo la 18lminaavecesvarioscambiossucesivosamedidaqueaumentalaalturadecarga (desdecerohastaquesealcanzaunacondicinestable,msalldelacual,un incremento ulterior de la altura de carga no origina ningn cambio). La condicin de la lminavertiente,cuandoesdeprimidaosumergidaenelsectoraguasabajo,puede convertirse en la de descarga libre, proporcionando ventilacin adecuada. Consideremos el siguiente esquema: FIGURA4.13FLUJO CON CARGA PEQUEA SOBRE UN VERTEDERO DE CRESTA ANCHA A no ser que se especifique otra condicin, se supondr que sus caras o paramentos son verticales, su cresta plana y horizontal, y sus aristas vivas y escuadradas. La altura de carga se mide a una distancia mnima de 2.5 ho aguas arriba del vertedero. A causa delaaristavivadeaguasarribaquecontraelalminavertiente,iniciandola contraccin de la superficie libre a poca distancia aguas arriba del vertedero. Desde este punto, el perfil de la superficie libre contina con una curva descendente quepasaacncavaenunpuntodeinflexinysehacetangenteaunplano aproximadamente paralelo a la cresta, a una corta distancia aguas abajo de la arista aguas arriba del vertedero. En el punto de tangencia la profundidad del agua es hi y la altura de carga correspondiente al caudal de escurrimiento es ho. 19 Para la frmula bsica: 23oh B K Q (4.26) Blackwell,Bazin,Woodburn,elU.S.DeepWaterwaysBoardyelU.S.Geological Survey y otros investigadores [12] han efectuado experimentos en vertederos de cresta anchaquecubreunampliointervalodecondicionesdecargahidrosttica,anchoy altura del vertedero. Para alturas de carga hasta 0.15 m. existe gran discrepancia entre los diferentes autores. Para cargas entre 0.15 m. y 0.45 m. el coeficiente de descarga K se vuelve ms uniforme y para cargas entre 0.45 m., hasta aquellas en que la lmina vertientesedesprendedelacresta,elcoeficientededescargaescasiconstantee igual aproximadamente a 1.45. Cuando la altura de carga llega a una o dos veces el ancho, la lmina vertiente de desprende y el vertedero funciona esencialmente como uno de cresta delgada. El efecto de la rugosidad de la superficie sobre el caudal puede ser calculado aplicando los principios del flujo en canales abiertos. La correccin de la velocidad de acceso puede ser realizada por medio de las frmulas siguientes:

,_

+ gvh B K Q220 (4.27) La frmula 4.27 puede escribirse en la forma aproximadamente equivalente:

,_

+ OooHhK h B K Q22 2 / 30787 . 0 1 (4.28) o bien: 20

,_

,_

+ 222300787 . 0 1ooAh BK h B K Q(4.29) Donde : Ao Area de la seccin transversal del canal de acceso o llegada. HoTirantedeaguaaguasarribadelvertedero(enelcanaldeaccesoo llegada) LosestudiosmuestranqueelvalormximoquealcanzaKesK=1.704para vertederos de cresta ancha bajo cualquier condicin. 1CAPTULO 5 5DISIPACIN DE ENERGA Uno de los aspectos que generalmente merece especial atencin en el diseo de obras hidrulicas de montaa es la disipacin de la energa cintica que adquiere un chorro lquido por el incremento de la velocidad de flujo. Esta situacin se presenta envertederosdeexcedencias,estructurasdecada,desfoguesdefondo, bocatomas, estructuras de salida de alcantarillas, etc. La disipacin de la energa cintica puede lograrse aplicando diferentes medidas, a saber: generacin de resalto hidrulico, impacto o incremento de la rugosidad. 5.1 Generacin del resalto hidrulico El resalto hidrulico es el ascenso brusco del nivel del agua que se presenta en un canal abierto a consecuencia del retardo que sufre una corriente d