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“SECRETARÍA DE AGRICULTURA,
GANADERÍA,
DESARROLLO RURAL,
PESCA Y ALIMENTACIÓN”
Subsecretaría de Desarrollo Rural
Dirección General de Producción Rural Sustentable
en Zonas Prioritarias
Presas subálveas
i
CONTENIDO 1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 1
2. OBJETIVO ............................................................................................................ 1
3. VENTAJAS ............................................................................................................ 1
4. DESVENTAJAS ...................................................................................................... 2
5. ASPECTOS GENERALES......................................................................................... 2
5.1 Funcionamiento hidrológico ...................................................................................................... 3
5.2 Sedimentación ............................................................................................................................ 3
5.3 Agua subterránea ....................................................................................................................... 5
5.4 Extracción de agua ..................................................................................................................... 5
5.4.1 Extracción por gravedad ..................................................................................................... 6
5.4.2 Extracción por bombeo ....................................................................................................... 7
6. CONSTRUCCIÓN .................................................................................................. 8
6.1 Selección de sitios potenciales ................................................................................................... 8
6.1.1 Selección de los cauces posibles ......................................................................................... 8
6.1.2 Localización la presa subálvea ............................................................................................ 8
6.2 Construcción de la cortina .......................................................................................................... 9
6.2.1 Cortina de mampostería en piedra ..................................................................................... 9
6.2.2 Cortina en concreto ciclópeo ............................................................................................ 10
6.2.3 Otros materiales para el dique ......................................................................................... 10
6.2.4 Excavación de la zanja ....................................................................................................... 11
7. DISEÑO .............................................................................................................. 11
7.1 Vertedor ................................................................................................................................... 11
7.2 Volumen de almacenamiento .................................................................................................. 13
7.3 Rendimiento de agua .................................................................................................................... 14
7.3.1 Gasto unitario ........................................................................................................................ 14
7.4 Demanda de agua ......................................................................................................................... 16
8. BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................... 17
1
PRESAS SUBÁLVEAS
1. INTRODUCCIÓN
Las presas subálveas son obras ideales para la
intercepción del flujo subsuperficial (debajo de
la superficie del terreno) en las zonas aluviales
de las riberas de los ríos, especialmente cuando
se facilita la excavación en el lecho del cauce.
Estas obras se adaptan por la reducción del
caudal superficial en la época de estiaje y por la
escasa compactación de sus lechos.
Los aprovechamientos subálveos se realizan en
cauces con lecho impermeable a poca
profundidad, con la finalidad de abrir zanjas
transversales de poco calado y construir en ellas
un muro impermeable anclado en la roca firme
del fondo y las laterales. Parte de los
escurrimientos interceptados generalmente se
conducen aguas abajo hacia las áreas de
aprovechamiento humano, abrevadero de
ganado y/o pequeño riego (traspatio, viveros,
frutales).
Si el caudal proporcionado por una sola
estructura no fuera suficiente, se analizará la
posibilidad de construir una batería de muros
impermeables interconectados a lo largo del
cauce, tomando en cuenta que las presas
subálveas son estructuras de bajo costo.
2. OBJETIVO
Interceptar los escurrimientos sub-
superficiales, disponibles en el aluvión de las
corrientes perennes e intermitentes, a
través de una pared (cuerpo de la presa)
instalada perpendicularmente a la dirección
del flujo en el cauce.
Elevar a una cota deseada, el nivel de
saturación del aluvión por debajo del lecho
del cauce o por encima de este (presa que
aflora sobre la superficie del fondo del
cauce).
Derivar el flujo de fondo a través de una
galería o extraer el agua almacenada en los
espacios porosos a través de una noria.
3. VENTAJAS
Dado que el cuerpo de la presa subálvea y su
vaso de almacenamiento están bajo la superficie
del cauce, se obtienen condiciones favorables
que no las proporcionan las presas superficiales,
como las que se mencionan a continuación.
Es una tecnología simple y de bajo costo que
pueden ser construida por las comunidades
rurales y con materiales disponibles
localmente.
Por estar el cuerpo de la presa construido
dentro de los estratos del aluvión, permite
un muro delgado (cuerpo de la presa) sin
soporte alguno.
Es posible almacenar agua sin inundar
terrenos, previendo la posibilidad de usar la
superficie del suelo.
Aun cuando falle la presa, no habría daños
humanos ni materiales.
Las pérdidas por evaporación son mínimas.
El flujo a través del lecho de arena mejora la
calidad del agua.
2
Son una alternativa en regiones donde
existen restricciones administrativas para la
construcción de presas de almacenamiento
superficial.
Este tipo de presa puede servir como una
estructura colectora para desviar el flujo de
agua subterránea, recargar acuíferos
adyacentes y elevar el nivel de agua
subterránea.
Prolongan eficazmente en la época de
estiaje, el volumen de agua disponible para
su extracción.
Una serie de presas subálveas provocará un
aumento general de los niveles de agua
subterránea en un área más grande.
Los sedimentos detrás de la presa si son
muy arenosos, pueden aprovecharse para la
construcción o si son limosos, para mejorar
terrenos agrícolas aledaños.
4. DESVENTAJAS
La construcción de las presas subálveas
presentan las siguientes desventajas.
Por estar el cuerpo de la presa bajo la
superficie del terreno, no se puede ver ni se
puede conocer con precisión el volumen
que almacena subterráneamente.
En terrenos de escasa pendiente
topográfica, se requiere un costo adicional
por bombeo para extraer el agua
almacenada, lo cual incrementa los costos
de mantenimiento.
El agua captada es propensa a
contaminaciones por el paso de ganado.
El nivel freático se encuentra prácticamente
a presión atmosférica, por lo que su
rendimiento hidráulico es bajo.
5. ASPECTOS GENERALES
La función principal de una presa subálvea, es el
aumento de la disponibilidad de agua mediante
el almacenamiento de agua en el lecho y bancos
del río. El agua se almacena entre los espacios
porosos de la arena, que puede ser hasta de 35
por ciento del volumen aparente de la arena. Las
presas subálveas obstruyen el flujo de agua
subterránea a través del lecho del río, lo que
resulta en una recarga de agua subterránea de
reposición continua, aguas arriba de la presa.
Las presas subálveas son una alternativa en
aquellas áreas limitadas por la disponibilidad de
agua, donde no hay ríos perennes y las
precipitaciones pluviales son esporádicas. Para
su localización, se buscan lechos de río
permeables generalmente arenosos, y su
construción consiste de un dique o muro
prácticamente impermeable. De esta forma, el
bloqueo aumenta el almacenamiento de agua
subterránea, en los vacíos de rocas o sedimentos
(¡Error! No se encuentra el origen de la
referencia.), al elevar el nivel freático a una cota
de diseño.
3
Figura 1. Presa subálvea (CODIA, 2012).
5.1 Funcionamiento hidrológico
En la mayor parte de las regiones semiáridas, los
ríos sólo retienen agua durante y poco después
de los eventos de precipitación, especialmente
en las zonas más altas de las cuencas. Los
eventos de lluvia a menudo son de alta
intensidad y corta duración, lo que combinado
con ciertos tipos de suelos (como el limo y
arcilla), propicia que la mayor parte de la
precipitación se convierta en la escorrentía
superficial en lugar de infiltrarse en el suelo.
Una presa subálvea obstruye el flujo de agua
subterránea a través del aluvión permeable. Sólo
se necesita uno o dos eventos de lluvias de gran
magnitud para saturar la zona de aluvión del
cauce y fluir el agua en el río, como lo haría en
ausencia de un dique. La carga de agua aguas
arriba, resulta en un flujo de agua subterránea
de las riberas del río hacia su lecho, lo cual
favorece la reposición del depósito creado. El
agua está disponible en el lecho del cauce,
siempre y cuando el flujo subterráneo desde las
riberas del río continúe. Por lo tanto, las presas
subálveas son recomendables para retener el
suelo y aumentar la infiltración del agua de lluvia
que mejore el flujo base dentro de la cuenca
(¡Error! No se encuentra el origen de la
referencia.).
Figura 2. Componentes del balance hídrico (Borst & Haas,
2006).
Los componentes del balance hídrico son:
ET = Evapotranspiración.
E = Evaporación.
P = Precipitación pluvial.
R = Escorrentía superficial en las laderas.
Bs = Flujo base de agua subterránea en las
laderas de ambas márgenes del cauce.
Bf = Nivel y profundidad del flujo base.
Qout = Descarga del flujo base sobre la
presa.
Lout = Fuga por debajo y alrededor de la
presa.
Qin = Descarga sobre la presa aguas arriba.
Up = Uso de agua o abstracciones.
Gr = Pérdida de agua en el suelo
"impermeable”.
5.2 Sedimentación
Los diques subálveos se construyen sobre y
dentro del cauce estacional de un río arenoso y
4
su tamaño va de acuerdo a las dimensiones del
cauce y flujos pico. Su funcionamiento se basa
en la sedimentación de arena gruesa aguas
arriba de la estructura, por lo que la capacidad
de almacenamiento natural del acuífero, en el
lecho del río, aumenta en función de la altura de
diseño.
La sedimentación aguas arriba de la estructura
se produce durante los eventos de lluvias de
gran magnitud, cuando la descarga del río es
alta, transporta grandes cantidades de
sedimentos (Figura 3).
Figura 3. Representación esquemática del proceso de
sedimentación.
El tamaño de los sedimentos transportados
depende de la velocidad de flujo de río y el
material que existe en las riberas. Dado que la
mayor parte de los terrenos no tienen
vegetación al inicio de la temporada de lluvias,
los suelos están mal protegidos contra la erosión
del suelo, lo que resulta en una alta cantidad de
limo y arena transportada por el agua.
La presa subálvea reduce la velocidad de flujo
del río a cierta distancia aguas arriba de la
estructura, lo cual ocasionará una mayor
sedimentación. Los materiales que se
encuentran en el lecho del río, antes de la
construcción, son una buena referencia del tipo
de sedimento que será retenido por la presa
subálvea. Estos sedimentos forman una cresta
comparable a la formación de un delta y aguas
arriba del delta, la velocidad del flujo es mayor y
los sedimentos de mayor tamaño son
transportados.
Sin embargo, el río también transporta
materiales más finos, como limo y arcilla que
tienen una velocidad de sedimentación menor
en comparación con la arena. En gran parte
permanecen en suspensión y son transportados
a través de la presa. Los sedimentos finos
pueden dar como resultado una capa de limo
directamente aguas arriba de la presa subálvea.
Después de un evento de precipitación, el flujo
base dominará la descarga del río y los
sedimentos mayor tamaño ya no pueden ser
transportados y se depositan debido a las bajas
velocidades de flujo (Figura 4).
Figura 4. Presa subálvea a base de mampostería de
piedra.
En las partes aguas arriba de una cuenca de
captación, se recomienda que las presas
subálveas se construyan en etapas, ya que la
disponibilidad de material grueso es
Carga de lecho
Arena
Carga suspendida
Limo
5
generalmente limitada y el flujo base es
pequeño o inexistente.
5.3 Agua subterránea
El acuífero se recarga de agua durante la
temporada de lluvias, como resultado de la
escorrentía superficial, lateral y/o en el
lecho. Por lo general, después de uno o dos
eventos de lluvia de gran magnitud, el agua
empieza a fluir como lo hace en la ausencia de la
presa. Sin embargo, la cortina de la presa
subálvea obstruye el flujo de agua subterránea a
través del lecho del río, propiciando un
almacenamiento adicional de agua subterránea
para la comunidad (Borst & Haas, 2006).
El material aluvial de los cauces (arenas, gravas y
fragmentos de rocas), en sus espacios porosos
permiten la acumulación y circulación de agua
suficiente para ser extraída con relativa facilidad.
La cantidad de agua que pueda almacenar una
presa subálvea a lo largo del cauce, depende de
la topografía del reservorio subterráneo. El
rendimiento o caudal está definido por la
porosidad efectiva del aluvión así como de las
aportaciones de flujos superficiales y laterales.
Esta obra almacena el flujo subsuperficial en los
poros del aluvión y en las fisuras del lecho
geológico. Para garantizar un mayor
almacenamiento y espesor del aluvión, en su
localización se buscarán aquellos tramos de
cauce que presenten procesos de acumulación
de partículas gruesas.
Así mismo, la capacidad del reservorio puede
incrementarse con una elevación de la cortina
sobre la rasante del cauce, que permita
interceptar materiales de arrastre (Figura 5).
Figura 5. Presa subálvea con intercepción de arenas.
Durante la estación seca, los niveles de agua se
reducirán debido a la extracción de agua,
evaporación, fugas alrededor de la cortina e
infiltración de fondo dentro del lecho rocoso.
En las zonas de depósito de arenas, la aportación
sub-superficial (flujo base) de las orillas del
cauce mermará y parcialmente recargará el
acuífero en el lecho del río.
Cuando la presa se construye bajo las
condiciones apropiadas, en secciones con un
volumen importante de almacenamiento y lento
agotamiento el río proporciona agua durante la
época de estiaje. De lo contrario, el cauce
usualmente se seca mucho antes del comienzo
de las nuevas lluvias.
5.4 Extracción de agua
Para aprovechar el agua almacenada en una
presa subálvea, es necesaria la construcción de
obras complementarias, como las cajas de
6
captación o colectoras, las galerías filtrantes 1
(en mampostería o tubería ranurada) y las
norias.
Para mejorar la distribución y aprovechamiento
del agua entre los usuarios, se recomienda la
construcción de tanques de amortiguamiento u
ollas de agua que regulen las aportaciones en
función de la recarga del aluvión y las demandas
de los usuarios.
5.4.1 Extracción por gravedad
Es práctica común construir la caja de captación
dentro de la presa subálvea, que funcione como
captación y eventualmente como tanque de
amortiguamiento. Esta caja de captación se
alimenta con uno (Figura 6 y Figura 7) o varios
tubos colectores de PVC (Figura 8), los cuales
además de permitir la entrada de agua
almacenada en el aluvión, permite su filtrado.
Otra opción es la construcción de una caja de
captación fuera del cauce, que concentre los
escurrimientos colectados por el tubo ranurado
tipo dren (Figura 9).
1 Este tipo de galerías de captación en presas subálveas difieren de las
galerías filtrantes, que se excavan al pie de un monte o longitudinalmente en los aluviales de ríos permanentes y carecen de la pantalla impermeable (presa) perpendicular al cauce.
Figura 6. Vista frontal aguas abajo caja de captación.
Figura 7. Vista lateral caja de captación.
Figura 8. Presa subálvea con caja de captación y galería
de tubo ademado.
Esta caja, además de colectar el agua
almacenada en la presa subálvea, permite la
conducción a un tanque de amortiguamiento o
de regulación.
FILTRO
Vertedor
Alero
Tanque de almacenamientoTubo colector
Vertedor
Tubo colector
Tanque de almacenamiento Filtro de arena
7
Figura 9. Planta galería filtrante.
La tubería perforada o ranurada tipo dren,
deberá estar completamente cubierta con
material de filtro y geo-membrana, para
garantizar un adecuado rendimiento y evitar la
entrada de arena y limo.
En caso de un filtro tipo zanja (Figura 10), el
relleno se realizará con el material proveniente
de la excavación y se sellará la superficie para
minimizar la contaminación del agua por
infiltración de las aguas superficiales.
Figura 10. Tubería con ademe para galería filtrante.
Normalmente, los diámetros de los drenes son
mayores a 200 mm (para minimizar
taponamiento de la tubería), con pendientes que
fluctúan entre uno y cinco al millar.
5.4.2 Extracción por bombeo
Para evitar la contaminación del agua,
principalmente por las actividades de pastoreo
en el lecho del cauce, se recomienda un pozo
cubierto y situado fuera del cauce, entre 3 y 10
metros aguas arriba de la presa subálvea.
El revestimiento del pozo de preferencia no
debe tener aberturas a poca profundidad. Es
importante que el pozo tenga un brocal de 0.5 a
1.0 m por encima de la superficie del lecho del
cauce, para protegerlo contra la sedimentación y
que sea de tipo hidrodinámico para soportar el
empuje hidrostático provocado por una avenida
extraordinaria. La parte superior debe estar
cubierta con una losa de hormigón para evitar la
contaminación y la proliferación de mosquitos.
La extracción en este tipo de pozos suele
realizarse con una bomba de pistón (Figura 11),
soga o sumergible.
Figura 11. Bomba de pistón para la extracción manual de
agua.
CAJA
COLECTORA
AGUAS ABAJO
RAMPA DE SALIDA
Tubo prin
cipal P
VC
Tubo PVC
Tubo principal PVC
AGUAS ARRIBA
8
Figura 12. Norias en presas subálveas a) subterránea y b)
con captación de aluvión (Foster, 2004).
6. CONSTRUCCIÓN
6.1 Selección de sitios potenciales
La selección del sitio es el primer paso y el más
importante en la construcción de una presa
subálvea. Lo acertado en la selección del sitio
determinará una adecuada captación de los
escurrimientos sub-superficiales. En esta etapa
es necesario conocer las características del
material geológico de la cuenca, ya que
determina la textura del material transportado
por el flujo superficial. Así, rocas como el granito
o las rocas ígneas extrusivas, principalmente del
periodo terciario y rocas calizas, producen
generalmente sedimentos de texturas más
gruesas.
Los mejores sitios corresponden a cauces
arenosos (Figura 13), con una pendiente entre el
2 y 4 por ciento, los cuales se pueden identificar
con fotografías aéreas e imágenes de satélite.
Figura 13. Presa subálvea en cauce arenoso intermitente.
Las cartas edafológicas pueden orientar sobre el
potencial de una cuenca. Así, suelos de texturas
gruesas son los más adecuados, como regosoles,
acrisoles, feozem, o cambisoles. Se deben evitar
sitios de texturas arcillosas como las existentes
en luvisoles o vertisoles.
6.1.1 Selección de los cauces posibles
El resultado del estudio en gabinete, permite
identificar los tramos de cauce potenciales para
la construcción de diques subálveos. Para ajustar
esta selección, en visitas de campo se
identificará la profundidad del nivel freático, la
calidad del agua, la textura de material de
arrastre, el ancho del cauce (máximo de 25 m),
la profundidad de la capa impermeable (roca
madre), la disponibilidad de materiales de
construcción, el acceso al sitio, el tipo de
vegetación riparia, la presencia de manantiales y
la tenencia de la tierra.
6.1.2 Localización la presa subálvea
Después de haber recopilado la información
indicada anteriormente, en las partes de la
cuenca más prometedoras se procede a
identificar la permeabilidad del lecho del río,
hacer un levantamiento de la sección transversal
9
y vaso, de la huella máxima de los
escurrimientos, de la pendiente del cauce y del
índice de porosidad de las arena. Estos estudios
permitirán cuantificar el volumen inicial de arena
y a la capacidad de almacenamiento de la obra
(Figura 14 y Figura 15).
Figura 14. Perfil longitudinal de la sección del río.
Figura 15. Perfil transversal resultado del sondeo.
6.2 Construcción de la cortina
Los cuerpos de las presas subálveas son
generalmente delgados y su método de
construcción debe garantizar la continuidad y lo
hermetico del dique. Los tipos de materiales
necesarios para la construcción de una presa
dependerán de las características del lugar
seleccionado. Entre los materiales de
construcción instalados en zanjas abiertas,
destacan las arcillas, plástico, concreto, o
mampostería de mortero (Pelegrín, 2005).
6.2.1 Cortina de mampostería en piedra
El dique construido con piedra braza, permite
sobre elevar la presa por encima del lecho del
cauce (Figura 16).
Figura 16. Sección transversal de una presa subálvea.
Los materiales de construcción de albañilería de
una presa subálvea se presentan a continuación
y si la piedra y la arena están disponibles a nivel
local, se reducirán los costos y su transporte.
a. Colchón hidráulico
Mortero 1:3.
Piedra braza.
b. Cuerpo de la presa
1:4 mortero con piedras bien
entrelazadas, cemento: arena: piedra =
1:4:1.5.
Aguas arriba de la pared y la parte
superior de la presa repellado con
mortero 1:3 (3.0 cm de espesor).
c. Cimentación
1:3 mortero de base (10.0 cm de
espesor).
Margen izquierda
Margen derechaFlujo
0
+2
-2
-4
-6
5 0101520253035404550556065707580859095100
0
1
2
3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Nivel del cauce
Suelo consolidado
Profundidad de basamento
Cimentación
Lecho del rioColchón hidráulico
Presa
Dirección de flujo
Nivel de arena después
de la construcción
Lecho del rio
10
1:4 mortero con piedras bien
entrelazadas, cemento: arena: piedra =
1:4:1.5.
Acero de refuerzo (en ambos sentidos
@ 40 cm de separación).
6.2.2 Cortina en concreto ciclópeo
La cortina se desplantará en una plantilla de
concreto pobre f'c= 100 kg/cm2 de 5 cm de
espesor. Posteriormente el cuerpo de la cortina
se elabora con concreto ciclópeo (Figura 17), el
cual estará constituido por un 60% en volumen
de concreto simple con una resistencia de 200
Kg/cm2 (mezcla 1:2:3) a los 28 días y un 40% en
volumen de piedra o rajón con tamaños
máximos de 30 cm en el eje mayor de la piedra y
de 10 cm en el eje menor de la misma,
distanciadas como mínimo 5 cm unas de otras.
Figura 17. Construcción de presa subálvea en concreto
ciclópeo.
El concreto tendrá un revenimiento del orden de
10 cm y tamaño máximo de agregado de 1 ½”. El
vaciado del concreto base deberá realizarse en
forma continua y vibrado, en capas de 45 cm de
altura.
La roca incorporada presentará salientes del
orden de los 15 a 20 centímetros, con objeto de
proporcionar una correcta adherencia con la
capa subsecuente. La superficie del concreto al
concluirse cada colado, debe protegerse para
evitar que el concreto pierda humedad,
manteniendo mojada la superficie hasta recibir
el colado de la capa subsecuente.
Las piedras, cantos o rajones serán pétreos
explotados en río o en cantera. Las rocas que se
empleen deberán presentar superficies limpias y
humedecidas, debiendo ser sanas y por lo tanto,
deberán eliminarse los fragmentos que
demuestren intemperización.
6.2.3 Otros materiales para el dique
En cortinas de geomenbrana, se procurarán
espesores de 1.0-1.5 mm para que resistan las
tensiones durante la instalación y el relleno de
arcilla compactado, aguas arriba de la cortina.
Para pequeñas estructuras excavadas a mano,
suelen construirse de hasta 3 m de profundidad.
En cauces con depósitos aluviales profundos, se
usan excavadoras mecánicas y geomembrana
hasta 10 m de profundidad.
Otra técnica para construir una barrera o
pantalla impermeable, consiste en la inyección
de de fluidos cementantes a presión (grouting o
lechada) en el terreno. Estos fluidos se desplazan
por el terreno solidificándolo y reduciendo así su
conductividad hidráulica (Figura 18).
11
Figura 18. Presa con método de inyección.
La distancia hasta la cual puede desplazarse el
fluido que se inyectó, varía en función de la
naturaleza del medio y del propio fluido, siendo
la distancia relativamente pequeña, lo que hace
que los pozos de inyección se sitúen muy cerca
unos de otros, no más de 1.5 m. Generalmente
se sitúan siguiendo el diseño de “tres bolillo”
para obtener mejores resultados.
6.2.4 Excavación de la zanja
Para la construcción de una presa subálvea se
requiere de un aluvión que sea fácil de excavar.
Para evitar filtraciones por debajo de la cortina
subálvea, la zanja se profundizará hasta la capa
impermeable. El suelo excavado se debe colocar
aguas abajo de la ubicación de la zanja para no
sellar el acuífero. Si la presa está construida en
material de roca firme, la zanja debe ser cortada
en la roca para asegurar la unión entre la piedra
y el mortero.
Se deben evitar fracturas o fragmentos
meteorizados en la roca basal (Figura 19).
Figura 19. Excavación de la zanja.
7. DISEÑO
El diseño de la presa subálvea considera la altura
de la presa, la capacidad del vertedor, la longitud
de alerones y del colchón hidráulico.
7.1 Vertedor
Al determinar la altura del vertedor de la presa,
es muy importante que el nivel de inundación
máxima determinado por el caudal de diseño, se
mantenga por debajo de las riberas del cauce
(Figura 20).
Figura 20. Alturas de presas de almacenamiento de
arena: qué hacer y qué no hacer.
Para el dimensionamiento de la estructura
vertedora, es necesario definir la avenida de
diseño (generalmente para un periodo de
retorno de 10 años); se puede consultar el
Altura de la presa
Altura de la presa
Nivel del cauce
Nivel del cauce
Nuevo nivel máximo de inundación después de la construcción de la presa
Nuevo nivel máximo de inundación después de la construcción de la presa
12
Instructivo de Hidrología de esta misma serie
COUSSA.
Conocido el caudal de diseño, se utiliza la
siguiente fórmula para determinar las
dimensiones del vertedor:
Q = C * Ls * H 3/2 (1)
Donde:
Q = Caudal máximo en la sección cauce
(m3/s).
C = 1.9 (constante que depende de la
forma del vertedor de cresta ancha).
Ls = Longitud del vertedor (m).
H = Altura del vertedor (m).
Se recomienda comparar el dato obtenido con el
tercio de la longitud de la corona. Las
dimensiones de importancia del cuerpo de una
presa subálvea y cause se muestran en la Figura
21.
Figura 21. Sección transversal de un cuerpo de la presa
subálvea y sus dimensiones.
En donde:
Gf = Libre bordo.
Lw = Longitud de alerón.
Hf = Carga sobre el vertedor.
Lwe = Longitud de la extensión del alerón.
Hd = Altura total de la presa.
Ls = Longitud del vertedor.
Hs = Altura al vertedor.
Para la longitud de alerón (Lwe) se considera lo
siguiente (Munyao et al, 2004):
En riberas de los ríos con materiales ligeros,
aproximadamente 7.0 m más allá de la
orillas del cauce.
En suelos pesados, aproximadamente 5.0 m
más allá de la orilla del cauce.
En tierra dura e impermeable,
aproximadamente 0.0 – 1.0 m más allá de la
orillas del cauce.
En roca, no hay necesidad de construir
alerón.
La longitud de la pared del ala (Lw) a partir de la
rivera de un cauce, debe ser de 2.0 a 5.0 m en
materiales sueltos.
Las dimensiones del colchón hidráulico se
determinan con la siguiente ecuación:
SL = C * L1/3 * H2 1/2 (2)
En donde:
SL = Longitud del colchón hidráulico (m).
C = 0.96 (constante).
H2 = Altura de caída libre (m) y la altura del
nivel del agua aguas arriba y aguas abajo de
la altura del nivel de agua.
13
En la Figura 22 se muestran las dimensiones de
la sección transversal de una presa subálvea.
Figura 22. Perfil de la sección transversal del cuerpo de la
presa subálvea y sus dimensiones.
En donde:
Hd = Altura de la presa.
Fh = Altura de la cimentación.
Fl = Ancho de la cimentación.
L t = Longitud de la corona.
Lb = Longitud de la base de la presa.
Sl = Longitud del colchón hidráulico.
Sh = Altura del colchón hidráulico
(máximo de 0.3 m).
Ah = Altura del ancla (0.3 m).
Al = Longitud de anclaje.
7.2 Volumen de almacenamiento
Para el caso de la presa subálvea, es necesario
realizar una gráfica de áreas capacidades (Figura
23) de la cota del vertedor hacia la capa
impermeable).
Figura 23. Gráfica áreas capacidades del lecho del cauce.
Este volumen de los sedimentos arenosos, a la
altura del vertedor, permite cuantificar el
volumen inicial del aluvión y la capacidad
adicional de sedimentos por acarreo (Figura 24).
Figura 24. Sección transversal de la boquilla.
Este volumen potencial de sedimentos asociado
a su capacidad de drenado, permite cuantificar
el volumen de agua útil a saturación.
Para determinar de forma sencilla la capacidad
de drenado o extracción de agua del aluvión, se
recomienda llenar con aluvión seco del lecho del
río, un recipiente de 20 litros con un tapón en la
parte inferior. Lentamente se satura el material
con un volumen medido de agua y entonces se
quita el tapón de la parte inferior del recipiente.
El volumen de agua que se haya drenado de la
arena dentro de una hora, se toma como una
medida para la extracción.
0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00 300.00
2,078
2,079
2,080
2,081
2,082
2,083
2,084
2,085
2,086
2,087
2,088
2,089
0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 11.00 12.00 13.00
VOLUMEN (Millares m3)
ELE
VA
CIO
NE
S (m
)
AREAS (ha)
GRÁFICA ÁREAS - CAPACIDADES
AreaVolumen
Área de materiales arenosos
Área de almacenamiento de escurrimientos
Capa impermeable
14
El Cuadro 1 muestra los valores de extracción de
agua en diferentes suelos (Nissen-Petersen,
2006), en donde se observa que la posibilidad de
extracción de arena es la más alta. La arena
gruesa por lo tanto, es preferible como material
del acuífero para la construcción de la presa
subálvea.
Cuadro 1. Fracciones de arena, la saturación y las tasas de
extracción (Nissen-Petersen, 2006).
Característica/Textura Limo Arena
Fina
Arena
Media
Arena
gruesa
Dimensiones (mm) < 0.5 0.5 – 1.0 1.0 – 1.5 1.5 – 5.0
Saturación 38 % 40 % 41 % 45 %
Extracción de Agua 5 % 19 % 25 35 %
7.3 Rendimiento de agua
En el caso de una presa subálvea, la
determinación del volumen de agua extraíble no
es sencilla, ya que la cantidad total de agua
aprovechable no es solamente el agua que se
puede almacenar en el aluvión del río, sino que
además han de considerarse las aportaciones de
flujo lateral de las riveras que en parte
compensan las pérdidas de agua por fugas,
evaporación y extracción (Borst y Haas, 2006).
7.3.1 Gasto unitario
Para determinar el gasto unitario que la presa
subálvea puede aportar, es necesario tener
conocimiento de los siguientes parámetros:
conductividad hidráulica o permeabilidad,
profundidad del vaso de almacenamiento,
transmisividad, espesor dinámico del acuífero en
el punto de observación, espesor dinámico del
acuífero en la galería, pendiente dinámica del
acuífero, radio de influencia del abatimiento y
distancia entre la presa subálvea y el punto de
recarga.
El caudal de explotación de la presa subálvea
puede ser expresado como caudal unitario por
longitud de dren q (m3/s-m) o caudal unitario
por área superficial q’ (m3/s-m2).
La fórmula presentada por Darcy en 1856, hizo
posible el tratamiento matemático del
movimiento del agua subterránea y Dupuit,
aparentemente, fue el primero en aplicar este
tipo de análisis a la hidráulica de pozos,
asumiendo la existencia de una isla circular
asentada en una formación de características
homogéneas y en cuyo centro se ubica el pozo.
La fórmula de Dupuit representa el cálculo
clásico del gasto de una presa subálvea. Los
supuestos básicos son:
a. Flujo simétrico hacia una zanja que llega
hasta la capa impermeable, es decir, que
corta el acuífero hasta el fondo del mismo.
b. Las líneas de flujo son horizontales con
equipotenciales verticales.
c. La pendiente de la superficie impermeable
que define la parte inferior del acuífero, es
pequeña en el área cercana a la zona de
captación.
Las presas que comprometen la parte superior
del acuífero, consideran que la ubicación del
dren (por debajo del nivel natural del nivel
freático), en relación con el espesor del acuífero,
es pequeña. Es decir, la relación profundidad al
estrato impermeable (b) contra la profundidad al
dren (z) es mayor a 10:
15
(3)
Para acuíferos con escurrimiento propio, la
ecuación general para la obtención del gasto que
gobierna este tipo de presas se presenta a
continuación (Figura 25):
(4)
En donde:
q = Caudal unitario por longitud de dren
(m3/s-m).
kf = Conductividad hidráulica (m/s).
s = Abatimiento del nivel freático a la
altura de la galería (m).
R = Radio de influencia (m).
r = Radio del dren (m).
Para obtener el radio de influencia (R):
(5)
Donde i es la pendiente dinámica del acuífero
(m/m).
Reemplazando “R” en la ecuación de “q” se
tiene:
(6)
Figura 25. Presa que compromete la parte superior del
acuífero con escurrimiento propio.
La ecuación final se resuelve por aproximaciones
sucesivas. El caudal máximo, que puede ser
extraído, se obtiene cuando el cono de
abatimiento del nivel freático (s), alcanza la
parte superior del dren entubado. Para resolver
dicha ecuación se recomienda el siguiente
procedimiento:
a. El largo de la presa, la profundidad, la
conductividad hidráulica (Kf), la pendiente
del acuífero (i) y el abatimiento del nivel
freático a la altura de la galería (s), son
valores conocidos (Cuadro 2).
b. Al resolver por aproximaciones sucesivas, se
va proponiendo “q” y se compara con el “q”
calculado, hasta que la diferencia entre
ambos sea mínima.
Cuadro 2. Conductividad hidráulica de algunos materiales
(University of Phoenix, 1975).
Permeabilidad
(m/h) Clasificación
Calificación
del acuífero
Tipo de
material
10-6
a 10-4
Impermeable Acuicludo
Arcilla
compacta,
pizarra, granito
10-4
a 10-2
Poco
permeable Acuitardo
Limo arenosa,
limo, arcilla
16
Permeabilidad
(m/h) Clasificación
Calificación
del acuífero
Tipo de
material
limosa
10-2
a 1 Algo
permeable
Acuífero
pobre
Arena fina,
arena limosa,
caliza
fracturada
1 a 102.5
Permeable
Acuífero de
regular a
bueno
Arena limpia,
grava y arena,
arena fina
102.5
a 105
Muy
permeable
Acuífero
excelente Grava limpia
Nota:
Acuicludo: Contiene agua en su interior, incluso hasta la saturación, pero
no la transmite.
Acuitardo: Contiene agua y la transmite muy lentamente.
Acuífero: Almacena agua en los poros y circula con facilidad por ellos.
La ecuación de Hooghoudt fue desarrollada para
el cálculo de drenes paralelos y permite
determinar el caudal específico por área
superficial y expresa el caudal unitario por área
superficial (Figura 26).
Figura 26. Presa con drenes paralelos que comprometen
la parte superior del acuífero.
(7)
A su vez:
(8)
(9)
(10)
En donde:
q' = Caudal unitario por área superficial
(m3/s-m2).
KfArriba = Conductividad hidráulica por
encima del nivel del dren (m/s).
KfAbajo = Conductividad hidráulica por
debajo del nivel del dren (m/s),
d = Profundidad equivalente (m).
s = Abatimiento del nivel freático a la
altura de la galería (m).
Dd = Separación entre drenes (m).
Hd = Espesor dinámico del acuífero en la
galería (m).
r = Radio del dren (m).
Para relaciones de Dd/Hd menores a 3.18, la
deducción de los valores de Fh y Fr se debe
calcular para una profundidad Hd igual a
Dd/3.18.
El caudal total de drenaje es igual al área
definida por el espaciamiento entre drenes y la
longitud del mismo.
7.4 Demanda de agua
La estimación de las demandas de agua se
requiere para dimensionar el tanque de
amortiguamiento. Las presas subálveas
generalmente producen caudales limitados, por
lo que el diámetro de la línea de conducción,
que alimenta el tanque de amortiguamiento,
17
está definido principalmente por la capacidad de
aporte del aluvión.
En buen diseño del tanque de amortiguación
deberá considerar un balance de masas entre el
rendimiento del aluvión y las demandas de la
localidad. Para esto se puede consultar la Ficha
sobre Tanques de Amortiguamiento de esta
serie de materiales técnicos COUSSA.
8. BIBLIOGRAFÍA
Borst L., y Haas S. A., 2006. Hydrology of
sand storage dams: A case study in the
Kiindu catchment, Kituï District, Kenya.
Master thesis, Vrije University, Amsterdam.
CEPIS/OPS, 2003. Galerías filtrantes: usos y
clases. Centro Panamericano de Ingeniería
Sanitaria y Ciencias del Ambiente, Unidad de
Apoyo Técnico para el Saneamiento Básico
del Área Rural. Lima, Perú.
CODIA, 2012. Recarga artificial por presas
subálveas. http://www.pnuma.org/agua-
miaac/CODIA%20HIDROGEOLOGIA/MATERIAL%20AD
ICIONAL/PONENCIAS%20HIDROGEOLOGIA/PONENTE
S/TEMA%205%20Recarga%20Artificial/5%20RECARG
A%20ARTIFICIAL%20POR%20PRESAS%20(CODIA%20C
UBA)%204(2).pdf. 2012.
Foster S., 2004. Brasil, Kenia: Presas sub-
superficiales para aumentar el
almacenamiento de agua subterránea en
terrenos con basamento para la subsistencia
humana. Colección de casos esquemáticos:
Caso 5. Banco Mundial, Washington, D.C.,
E.U.A.
Johnson Division University of Phoenix, Inc.
1975. El agua subterránea y los pozos.
Munyao, J.N., Munywoki, J.M., Kitema, M.I.,
Kithuku, D.N., Munguti, J.M., Mutiso, S.,
2004. Kituï sand dams: Construction and
operation, SASOL Foundation.
Nissen-Petersen E., 2006. Water from dry
riverbeds, Danish international development
assistance (Danida).
Pelegrín G., 2005. Presa subálvea de la
Fuente del Oro en Lorca. Confederación
Hidrográfica del Segura. Murcia, España.
ELABORARON:
Ing. Osiel López Velasco
Dr. Demetrio S. Fernández Reynoso
Dr. Mario R. Martínez Menes
Para comentarios u observaciones al presente documento contactar a la
Unidad Técnica Especializada (UTE) COUSSA
www.coussa.mx
M. C. Félix Alberto LLerena Villalpando [email protected] y [email protected] Teléfono: (01) 595 95 2 15 58
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Colegio de Postgraduados, Campus Montecillo, México.
