PROBLEMTICA DE LA SEDIMENTACIN DEL EMBALSE DE VALDESIA,REPBLICA DOMINICANA

Oscar Jimnez Ramrez (*) y Hector Daniel Farias (**)(*) Instituto Costarricense de Electricidad, San Jos, Costa Rica, e-mail: ojimenezr@ice.go.cr

(**)Instituto de Recursos Hdricos, Univ. Nacional Santiago del Estero (IRHi-FCEyT-UNSE), e-mail: hfarias@bigfoot.com

RESUMEN

En este trabajo se presenta el anlisis de los procesos de sedimentacin en un embalse situado en una cuencaafectada por un rgimen hidrolgico tropical, en la que la ocurrencia de eventos hidrolgicos extremos,fundamentalmente huracanes, produce efectos de gran magnitud en lo que respecta a la produccin desedimentos y en consecuencia su incidencia en la sedimentacin en embalses resulta significativa. El embalsede Valdesia, situado en la cuenca del Ro Nizao en la Repblica Dominicana, ilustra esta situacin de maneradramtica. El anlisis de la problemtica se v fuertemente influenciado por la falta de informacin detalladarelativa a la produccin de sedimentos, ya que con los datos de batimetras es posible calibrar modelos deproduccin de sedimentos, y tambin resulta aconsejable recurrir a la aplicacin de tcnicas sencillas para laprediccin del comportamiento de embalses en esas circunstancias.

ABSTRACT

This paper presents the analysis of the sedimentation processes in a watershed affected by a tropical hydrologicregime, in which the ocurrence of extreme events, mainly hurricanes, produces very signifficant sedimentyields. The Valdesia reservoir, located in the Nizao watershed, Dominican Republic, shows this situation in adramatic way. The analysis of the problem is strongly influenced by the lack of detailed sediment yieldinformation. In fact, the bathymetric surveys are used for callibrating sediment yield models. Also, it isdesirable to apply simple techniques (e.g., based on sediment budgets) for the prediction of reservoir behaviorunder these conditions.

INTRODUCCIN

La presa de Valdesia permite el almacenamiento y desvo de las aguas del ro Nizao para suaprovechamiento por medio de: una central hidroelctrica (54 MW); un acueducto que surteaproximadamente un 40% de las necesidades del acueducto metropolitano de Santo Domingo(6.25 m3/s); y un sistema de riego a partir del desfogue de las aguas turbinadas en elcontraembalse de Las Baras.

Una batimetra realizada luego de la ocurrencia de huracanes David y Federico en 1979mostr que se haban depositado unos 33 Mm3 desde la puesta en marcha del proyecto en elao 1976, lo que representa cerca de un 18% del volumen original de poco ms de 185 Mm3.Entre otros daos, estos eventos colmataron las dos descargas de fondo de 1.3 m de dimetrocada una.

En los aos siguientes la Corporacin Dominicana de Energa (CDE), propietaria de la obra, seaboc a buscar una solucin al problema, para lo cual en el ao 1984 se firm un contrato conla empresa italiana Geolidro para el suministro de una draga especialmente diseada para lasituacin de Valdesia, que funciona mediante un sistema de sifonamiento que se basa enaprovechar la columna de agua presente en el embalse para producir la descarga de lossedimentos. Est draga finalmente comenz a operar en 1988, y funcion de forma sostenida

por unos cuatro aos, logrando limpiar de sedimentos una zona de unos 200 a 300 m desde lacortina. Desde entonces, el alto nivel del embalse as como algunos daos menores y falta dealgunos repuestos ha impedido que esta mquina continue su trabajo.

En el ao 1992 iniciaron operacin las centrales de Jigey y Aguacate, ubicadas aguas arribade Valdesia. Particularmente la primera, cuenta con un embalse a la fecha de su inauguracin,de 167 Mm3, aportados por una cuenca tributaria que representa el 60% de la cuenca hastaValdesia (Fig. 1). Presumiblemente, como se discute en este estudio, estas nuevas obras hanreducido el ingreso de sedimentos al embalse de Valdesia a un 30% del valor original.

Los sedimentos, cuyo volumen actual es del orden de los 50 Mm3, ocupan un alto porcentajede la capacidad muerta del embalse de Valdesia y una proporcin importante de la capacidadtil. Una de las tomas del acueducto, se encuentra a tan slo 9 m de ser alcanzada por el nivelde sedimentos.

Por lo tanto, en este momento, la condicin del sistema es delicada, pues de mantenerse latendencia, sobre todo en caso de un nuevo huracn o evento hidro-meteorolgico extremo, esposible que el embalse se colmate en una fraccin significativa de su capacidad til desedimentos o por lo menos obstruya las tomas del acueducto y de la central hidroelctrica.

El caso de Valdesia es de inters para los estudiosos del tema de la sedimentacin de embalses,pues evidencia el gravsimo problema de la sedimentacin en pases expuestos a eventoshidrolgicos extremos, tal como los huracanes en la Repblica Dominicana.

Fig. 1.- Planimetra de la cuenca del Ro Nizao. Se indica la red de drenaje principal y estaciones de medicin.

ASPECTOS HIDROLGICOS Y SEDIMENTOLGICOS

Informacin existente

La estimacin de la produccin de sedimentos de una cuenca o conjunto de micro-cuencaspuede realizarse a partir de la aplicacin de tcnicas empricas que se basan en una serie deparmetros que dependen las caractersticas fisiogrficas de las cuencas y de los aspectosclimticos e hidro-meteorolgicos de la regin en donde se emplazan. Asimismo, las tasas demateriales slidos que ingresan a los ros y que pueden ser transportados por los mismospueden evaluarse a partir de varios aos de estadsticas de caudales lquidos y medicin desedimentos en suspensin y arrastre de fondo en estaciones hidromtricas y sedimentomtricas.A partir de esta informacin sera posible establecer relaciones funcionales entre caudaleslquidos y slidos que permitiran generar estimaciones de los volmenes totales por unidad detiempo de los sedimentos transportados. Esta informacin, en conjunto con las caractersticasde los embalses y la granulometra de los sedimentos, finalmente permitira estimar la cantidadde sedimentos que se depositarn en los vasos de almacenamiento durante intervalos de tiempoestablecidos, generalmente asociados a la vida til de las obras hidrulicas.

Desafortunadamente, y esta es una situacin tpica en los pases en vas de desarrollo, noexisten mediciones sistemticas de los parmetros antes mencionados por parte de losorganismos pblicos y/o privados encargados de recolectar informacin bsica de los sistemashidrulicos. En ese caso se hace necesario recurrir a tcnicas empricas estimativas para lavaloracin cuantitativa de la produccin de sedimentos en cuencas, transporte de materialslido a travs de los cauces y deposicin en cuerpos de agua.

Por otra parte, existen algunas experiencias muy particulares sobre estudios de erosin enparcelas, tales como las realizadas por Nagle (2000). Sin embargo, estos resultados no sepueden extrapolar al nivel de cuenca, en la cual, movimientos en masa resultantes deinestabilidad de laderas, de construccin de caminos, y otras tipologas de erosin parecerantener mucha ms importancia en la produccin total de sedimentos (Nagle, 2000).

Prcticamente la nica informacin de mediciones sedimentolgicas con que se cuenta es lacorrespondiente a una serie de relevamientos batimtricos realizados en el embalse de Valdesia,en los aos 1979, 1981,1991 y en el ao 2000. Sobre esta ltima batimetra slo se cuenta coninformacin parcial.

Estas valiosas mediciones han permitido determinar que existe una alta tasa de sedimentacinen la cuenca del Nizao y en general en muchas otras de las cuencas del pas en las que existenembalses. Ello es consecuencia de las pronunciadas pendientes de las cuencas y susinterfluvios, el terreno geolgicamente inestable, y las elevadas precipitaciones (tanto en montocomo en intensidad) que ocurren durante eventos extremos (lase tormentas tropicales yhuracanes). Inclusive, investigadores como Nagle (2000) cuestionan los limitados efectos queante esta situacin pueden tener los esfuerzos de controlar las fuentes agrcolas de lasedimentacin, siendo que las fuentes principales son de origen natural o estn asociadas a laconstruccin de caminos.

Las primeras mediciones de sedimentos en Repblica Dominicana fueron realizadas a raz delpaso de los Huracanes David y Federico en 1979. Para ello, la Direccin de Desarrollo

Hidroelctrico de la CDE de entonces, contrat al asesor norteamericano Jos Lara, bajo cuyagua se adquirieron los equipos de ecosonda y se estableci la metodologa para llevar a cabolas mediciones.

As, las primeras mediciones de batimetra del embalse de Valdesia fueron realizadas endiciembre de 1979, seguido por mediciones en los embalses de Tavera, Rincn, Sabaneta ySabana Yegua.

En cuanto a Valdesia, fueron realizados levantamientos posteriores en 1982, 1991 y en el ao2000. Sobre esta ltima, el levantamiento slo se realiz en una parte del embalse, y los datosno estn disponibles por no haber sido procesados.

La Tabla 1 muestra los resultados obtenidos hasta el momento en las diferentes presas del pas.Segn esta tabla, el embalse ms afectado es el de Valdesia, con una disminucin de suvolumen total del 26% (hasta 1991), seguido de Tavera con un 21% y Rincn con un 17%.Estos embalses tienen respectivamente 26, 9 y 24 aos de operacin, y se puede apreciar lamagnitud del problema, toda vez que en casi todos los casos ha empezado a manifestarse laamenaza de obstrucciones en tomas de riego, generacin y de agua potable (Fig. 2). Un casoespecialmente dramtico no consignado en la Tabla 1 es el de la presa del Ro Blanco, cuyoembalse est sedimentado en un 75% (INDRHI-CDE-MdG, 2001).

Tabla 1.- Capacidad Actual de Embalses, Rep. Dominicana (fuente: INDRHI)EMBALSE AO FECHA VOL. SED.

INICIO ULTIMA ACUMUL.OPERACIN Util Muerto Total Util Muerta Total BATIME. Mm3 Util Muerto Total

TAVERA 1973 165 8 173 137 0 137 Feb-93 36 17% 100% 21%VALDESIA 1976 130 56 186 116 22 137.5 Dic-91 49 11% 60% 26%RINCON 1978 58 16 75 49 11 60 Dic-93 14 15% 34% 19%SABANA Y. 1979 447 33 480 404 18 422 Dic-92 58 10% 45% 12%SABANETA 1980 66 11 77 59 5 63 May-99 13 11% 58% 18%HATILLO 1980 416 25 441 353 22 375 Abr-94 66 15% 10% 15%BAO 1980 129 115 244 87 64 151 Mar-93 93 33% 44% 38%JIGUEY 1992 131 36 167 nuncaAGUACATE 1992 1.5 2.8 4.3 nunca

PORCENTAJE

Muy Reducida Tal vez 50%

DE DISMINUCIONMm3CAPACIDAD INICIAL

Mm3CAPACIDA ACTUAL

0%5%

10%15%20%25%30%35%40%45%

TAVE

RA

VALD

ESIA

RIN

CON

SABA

NA

Y.

SABA

NET

A

HAT

ILLO BA

O

UtilTotal

Figura 2.- Porcentaje de Prdida de Capacidad de Embalse

En todos los casos, las tasas de prdida del volumen estn entre un 1 y un 2% anual, e indicanun alto grado de erosin en las cuencas asociado a una utilizacin inadecuada de la tierra y delos recursos naturales. Esto concuerda con las condiciones adversas relativas a lasedimentacin: pendientes altas, escasa cobertura vegetal y precipitaciones intensas en eventos

extremos. A partir de las mediciones batimtricas, se han realizado estimaciones de lasproducciones especficas de sedimentos en los embalses ms importantes de la RepblicaDominicana (Tabla 2).

Tabla2.- Producciones Especficas con base en Sedimentos Acumulados en Embalses (fuente: INDRHI y propia)EMBALSE AO AREA VOLUMEN FECHA AOS DESCARGA

INICIO CUENCA ACUMULADO ULTIMA HASTA UNITARIAOPERACIN (km2) mill m3 BATIME. BATIME. (m3/km2/ao)

TAVERA 1973 785 36 Feb-93 20 2287VALDESIA 1976 887 49 Dic-91 16 3417RINCON 1978 178 14 Dic-93 16 5056SABANA Y. 1979 1676 58 Dic-92 13 2644SABANETA 1980 464 13 May-99 19 1520HATILLO 1980 1190 66 Abr-94 14 3944BAO 1980 887 93 Mar-93 13 8091JIGUEY 1992 537 ND --AGUACATE 1992 747 ND --

Nota: Resultados para Bao no son confiables pues existen dudas sobre volumen inicial.

Sin contar el caso de Bao, sobre el cual existen dudas, estos resultados muestran tasas deproduccin especfica de entre 1500 y 5000 m3/km2/ao. Estos valores son muy altos, y lasevidencias apuntan a que son el resultado de eventos extraordinarios de precipitacin, ms quede las tormentas normales (Abt Assoc. Inc., 2002).

Es interesante comparar los resultados anteriores con los valores que se supusieron al nivel deproyecto, segn se reporta en INITEC (1985) y se muestra en la Tabla 3. Se observa como lasproducciones especficas han resultado entre 2 y 10 veces mayores que esas estimaciones.

Tabla 3.- Degradacin especfica en cuencas de la Repblica DominicanaEstimaciones de la degradacin especfica en cuencas de la Repblica Dominicana

Cuenca Estudio ESv [m3/km2/ao] Metodologa EmpleadaYaque del Norte en Tavera SOGREAH 734 Frmula de FournierYaque del Norte en Tavera Lahmeyer 725 Mediciones en Santiago (Ing. Luna)Yaque del Norte en Tavera De La Cruz y Duverge 148 Modelo estadstico a partir de varias muestrasYaque del Norte en Tavera Mendar 534 Extrapolacin de datos de Puerto RicoYaque del Norte en Tavera DeLong 128 Serie corta de muestrasNizao Mendar 169 ???

San Juan ItalConsult 984 Comparacion de erosin en cuencas europeas y de Puerto RicoYaque del Sur en Sabana Yegua ItalConsult 561 Frmula de Fournier

Con respecto a la cuenca del Nizao, resulta interesante observar los mdulos de produccin desedimentos por sub-cuenca obtenidos mediante la aplicacin del modelo SWAT (Abt Assoc.Inc., 2002), que se presenta en Tabla 4 y la Fig. 3. Puede apreciarse que las sub-cuencas msproductoras por unidad de rea corresponden a Arroyo Jigey y Alto Nizao, y en menormedida, Ro Mahoma y Arroyo Cazuela. En trminos absolutos, las sub-cuencas que mscontribuyen son la del Alto Nizao 1 (25%), el Mahoma (15%) y el Mahomita (14%). Estosresultados estn indicando a priori las cuencas que habra que tener en cuenta para laimplementacin de medidas de control de la degradacin.

Tabla 4.- Mdulos de Produccin de Sedimentos por Sub-cuencaNmero Sub-Cuenca % Producc.

Jigey Aguacate Valdesia Area ton/km21 Ro Malo 80.5 80.5 80.5 9.3% 9592 Alto Nizao 130.7 130.7 130.7 15.1% 4,0993 Ro Banilejo 58.1 58.1 58.1 6.7% 2,3014 Alto Nizao 93.9 93.9 93.9 10.8% 2,4095 Arroyo Cazuela 29 29 29 3.3% 3,4386 Arroyo La Cienega 14.7 14.7 14.7 1.7% 2,0207 Cuenca Jiguey 40.5 40.5 40.5 4.7% 9248 Ro Mahoma 93.7 93.7 93.7 10.8% 3,2239 Arroyo Jiguey 40 40 4.6% 4,89810 Cuenca Aguacate 65.1 65.1 7.5% 1,64211 Ro Mahomita 105.3 105.3 12.1% 2,70312 Cuenca Valdesia 116.7 13.4% 935

Total 541.1 751.5 868.2 100.0% 2,463

Area (km2)

Fuente: Abt Assoc. Inc., 2002

01,000

2,0003,0004,000

5,0006,000

Ro

M

alo

Alto

Ni

zao

Ro

Ba

nile

jo

Alto

Ni

zao

Arro

yo Ca

zue

la

Arro

yo La

Cie

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Cue

nca

Jigu

ey

Ro

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Arro

yo Jig

uey

Cue

nca

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cate

Ro

Ma

hom

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Cue

nca

Va

lde

sia

Pro

ducc

in

(ton

/km

2/a

o)

Figura 3.- Produccin especfica por sub-cuencas (fuente: Abt Assoc. Inc., 2002)

PRODUCCIN DE SEDIMENTOS

En la cuenca del Ro Nizao existen tres regulaciones de importancia que son los embalses deJigey, Aguacate y Valdesia. La finalidad principal de los dos primeros es la produccin deenerga hidroelctrica, mientras que el ltimo tambin se utiliza para provisin de agua potablea ncleos urbanos y abastecimiento a sistemas de riego. Adicionalmente, aguas abajo delembalse de Valdesia se localiza el contraembalse Las Barias, que acta como un embalsecompensador de las descargas de Valdesia.

Los embalses de Jigey y Aguacate fueron construidos en el ao 1992 y tienen reas de aportede 541 km2 y 751 km2, respectivamente. La presa del embalse de Jigey se sita aguas abajo dela confluencia de los ros Nizao y Mahoma, mientras que el sitio de cierre en el que se emplazala presa de Aguacate se ubica aguas abajo de la confluencia de los ros Nizao y Mahomita.

Aguas abajo del embalse de Aguacate se ubica el embalse de Valdesia con un rea tributaria de868 km2. Este embalse fue construido en el ao 1975, mientras que en el ao 1976 se termin

la construccin del embalse compensador Las Baras ubicado a escasos kilmetros aguas abajode Valdesia.

Teniendo en cuenta los antecedentes documentales (e.g., Espinal 1991), tres levantamientosbatimtricos del embalse Valdesia - realizados en los aos 1979, 1981 y 1991- han revelado elgran problema de produccin de sedimentos que tiene esta cuenca. La dinmica de ladeposicin de estos volmenes de sedimentos en el vaso del embalse, se ilustra a travs de losresultados de estos levantamientos batimtricos, los cuales se resumen en la Tabla 5 (Abt,2001).

Tabla 5.- Acumulacin de sedimentos en el embalse de Valdesia(de Espinal 1981,1991, citado por Abt 2001)

Ao Volumen acumulado [Mm3]1975 0.001979 29.401981 32.901991 48.52

Si se considera el ltimo valor del volumen de material slido depositado, se puede observarque un rea de drenaje de 868 km2 ha generado un volumen de sedimentos de 48.52 Mm3durante diecisis aos de operacin del embalse de Valdesia (entre los aos 1976 y 1991), locual implica una tasa especfica unitaria de produccin de sedimentos del orden de los 3500m

3/Km2/ao. Podra decirse en primera instancia que este es un valor tpico de cuencasaltamente antropizadas. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que durante ese lapso (1976-1991) la cuenca del ro Nizao sufri los efectos del Huracn David (Agosto 1979) y laTormenta Tropical Federico (Septiembre 1979). El relevamiento batimtrico de 1979(ejecutado durante el mes de diciembre) se realiz inmediatamente a posteriori de la ocurrenciade estos eventos tropicales de severa intensidad desde el punto de vista hidrolgico.

En trminos generales, los procesos de erosin hdrica continua en cauces e interfluvios y losfenmenos de remocin en masa en laderas se magnifican de manera significativa durante laocurrencia de eventos de precipitacin intensos, que generan grandes volmenes de escorrentasuperficial. A travs de observaciones realizadas mediante levantamientos batimtricos devasos de embalses, se ha observado que la pendiente dominante de los volmenessedimentados que se producen antes y despus de la ocurrencia de un evento extremo (porejemplo, tormentas monznicas; Garde y Ranga Raju 1985) es aproximadamente similar.

En un estudio previo (Abt Assoc. Inc., 2001) se adopt este tipo de comportamiento para lacuenca del ro Nizao, encontrndose que la dinmica de la acumulacin de sedimentos en elembalse de Valdesia debera haber sido similar a la que se ilustra en la Figura 4, la cual fueelaborada utilizando como base la informacin contenida en la tabla anterior (relevamientosbatimtricos), y un volumen de almacenamiento de agua inicial de 186 Mm3 en el embalseValdesia (a una cota mxima de 150 msnm).

Aceptando esta posible dinmica del azolvamiento del embalse Valdesia, se concluye quedurante 15 aos de operacin (de los diecisis transcurridos) se produjo un volumen desedimentos del orden del 49 % del total acumulado, lo cual representa una tasa de 1.594Mm3/ao; mientras que en el ao 1979 se produjo un volumen de 24.6 Mm3 (51 % del total y

del orden de quince veces el promedio anual) debido a las tormentas generadas por el paso delos huracanes David y Federico. El efecto de este azolvamiento se refleja en una reduccin dems del 25 % de la capacidad de almacenamiento de este embalse.

El anlisis descrito en prrafos anteriores refleja la gran complejidad de la produccin desedimentos en la cuenca del ro Nizao, la cual se encuentra asociada a la gran varianzaclimtica que es amplificada por el paso de eventos extremos como tormentas tropicales yhuracanes.

Generalidades sobre Produccin de Sedimentos

Los volmenes de sedimentos producidos por una cuenca hdrica, y por ende el nivel dedegradacin o grado de erosin exhibido por la misma, pueden ser evaluados, en formaindirecta, a travs de relevamientos topogrficos y batimtricos de los vasos de embalses,mediante la utilizacin de mediciones sistemticas de caudales slidos en los cursos de agua obien mediante la aplicacin de tcnicas de estimacin. Estos relevamientos y mediciones sonsumamente importantes en el proceso de validacin de distintas metodologas que comnmentese emplean para estimar la produccin de sedimentos en cuencas sin registros. En efecto, notodas las cuencas que componen una regin poseen mediciones sistemticas de caudalesslidos, ni tampoco poseen embalses construidos o, si stos existen, es probable que no secuente con una cantidad adecuada de relevamientos batimtricos. Esta situacin es tpica enpases en vas de desarrollo y es el comn denominador en la regin de Latinoamrica y elCaribe.

Los sedimentos producidos por erosin superficial estn asociados principalmente al fenmenode destruccin del suelo por el impacto directo de las gotas de lluvia y el posterior transportepor escurrimiento superficial. Se trata de un proceso que presenta una cierta continuidadtemporal asociada a eventos hidrolgicos ordinarios caractersticos de la cuenca. Por su parte,los sedimentos producidos por remocin en masa (deslizamientos de laderas, colapso demrgenes, flujos de barro, flujos de detritos, etc.) se vinculan con eventos hidrolgicosextremos y no presentan la continuidad temporal de los primeros.

Cabe sealar que, tanto las mediciones sistemticas de caudales slidos, como as tambin losrelevamientos batimtricos de los embalses, ambos contemplan en forma agregada los dostipos de produccin de sedimentos mencionados anteriormente.

Procesos de Transporte de Material SlidoEn el caso de cuencas sin aforos de caudales slidos, como la cuenca del Ro Nizao, esnecesario recurrir a tcnicas indirectas o aproximadas para estimar las potencialesproducciones de sedimentos anuales. Las metodologas de estimacin indirecta puedenclasificarse en los tipos:(1) Empleo de mediciones en cuencas vecinas y aplicacin de un criterio regional de

transposicin de informacin sedimentolgica.(2) Estimacin de la capacidad total de transporte de sedimentos en una seccin idealizada a

la salida de la cuenca, mediante la aplicacin de frmulas basadas en las propiedadeshidrulicas, geomtricas y sedimentolgicas del cauce.

(3) Clculo estimativo de la produccin anual de materiales slidos de la cuenca, a partir deinformacin hidrolgica, geomorfolgica, fisiogrfica y de uso del suelo en la misma. Acontinuacin se presentan los resultados obtenidos mediante la aplicacin de estoscriterios.

Criterio 1. Transposicin Regional. En este caso habitualmente se dispone de mediciones detransporte slido en suspensin (Qss) practicadas en una seccin de un ro vecino o bien unsistema fluvial tpico de la regin. Habitualmente, los valores de transporte medio anual desedimento suspendido Qss se expresan en miles de toneladas por ao, y expresa la suma de lacarga de lavado (material fino proveniente de la cuenca) y material de lecho suspendido.

Con la finalidad de poder establecer una relacin funcional de tipo regional, se procura estudiaruna posible correlacin entre esta magnitud y alguna variable hidrolgica relevante. Teniendoen cuenta la informacin disponible y la compatibilidad en cuando a los perodos de tiempo enque se efectuaron los registros, en la mayora de los casos se adopta el volumen de escorrentamedia anual ( derrame) VQ como variable hidrolgica caracterstica.

Aparte de las relaciones que pudieran obtenerse para cantidades promediadas anualmente, en elcaso particular de cuencas tropicales interesa la obtencin de relaciones funcionales entre losvalores instantneos de las variables, en virtud de que para estos sistemas la mayor parte de lossedimentos transportados se produce en eventos de tormentas intensas, a su vezpotencializados durante eventos extraordinarios como tormentas tropicales o huracanes. Amodo de ejemplo para este patrn de comportamiento, puede citarse el caso de la cuenca delRo Loza en Puerto Rico, que es una cuenca instrumentada por el USGS y en donde se hamedido en forma continua la carga de sedimentos en suspensin en dos estaciones de aforoemplazadas aguas arriba del Embalse homnimo (Morris y Fan, 1997). El anlisis de las seriesde mediciones del USGS antes de la confluencia de los ros Gurabo y Loza, que totaliza unrea de drenaje equivalente al 72% del rea total de la cuenca en el sitio de embalse, indica queel 65% del sedimento ingresante para el total de la serie de 7 aos (1984-1990) fue generadopor la contribucin de slo 10 dias, mientras que el 17% del total de sedimentos en suspensintransportados ocurri durante un nico evento diario.

Estas altas concentraciones de sedimentos en breves perodos de tiempo es tpica de lascuencas tropicales como la del Ro Nizao.

Criterio 2. Frmulas de Transporte en Cauce. En este caso se procede a definir una seccintransversal hidrulica tpica para caracterizar el punto de inters, es decir, una seccin quepueda considerarse representativa del tramo de ingreso al embalse del o los tributariosprincipales.

Con base a las caractersticas de los sedimentos dominantes en el tramo de inters sedeterminan sus parmetros representativos a partir de la curva granulomtrica correspondiente.Para la estimacin de las caractersticas friccionales del cauce, se considera la tipologa dellecho y mrgenes del o los tributarios y se aplica alguna tcnica hidrulica para establecer lafuncin de descarga o curva h-Q.

Una vez calculadas las caractersticas hidrulicas del cauce, se procede a estimar la capacidadde transporte total de material del lecho aplicando un conjunto de formulaciones que se

consideren adecuadas para las condiciones imperantes en el cauce fluvial. La mayor parte delas ecuaciones para cuantificar el transporte total de material de lecho en una corriente fluvialobedecen al formato funcional generalizado siguiente:

qs = qs(V , R , S , d ; g , , s , , )donde qs es es transporte volumtrico total de sedimentos por unidad de ancho del cauce, V esla velocidad media del flujo, R el radio hidrulico, d el tamao medio del sedimento, g laaceleracin de la gravedad, la densidad del agua, s la densidad del sedimento, laviscosidad cinemtica del agua (Garde y R. Raju, 1985; Julien, 1995; Yang, 1996).

Las frmulas de transporte total de sedimentos tambin se pueden expresar en un formatoadimensional estandarizado, en el cual las principales variables que gobiernan los procesosfsicos involucrados en el movimiento de las partculas slidas se agrupan en parmetrosadimensionales, de los cuales los principales son los siguientes:

*

s s

R S R S( )d ( / 1) d d

= = =

(tensin de Shields)

1/ 6

*

*

V V C RCU g R S g n g

= = = =

(coeficiente adimensional de Chezy)

*

ss 3

qqg d

=

(transporte adimensional de Einstein)

En funcin de las caractersticas hidrulicas, sedimentolgicas y morfolgicas del cauce sepuden escoger las ecuaciones adecuadas para su aplicacin, y luego combinar sus prediccionescon la curva de descarga, se puede establecer una relacin estimativa del tipo Qs=f(Q).

Criterio 3. Frmulas de Produccin de Sedimentos a nivel de Cuenca. Existen variasformulaciones para estimar la produccin de sedimentos por parte de una cuenca hidrolgica.Entre ellas, una de las ms conocidas es la denominada Ecuacin Universal de Prdida deSuelo USLE (por su denominacin en ingls) la cual, como indica su nombre, es unaformulacin que sirve para obtener una cuantificacin de la cantidad de suelo superficial quepuede ser removido de la cuenca por accin combinada de precipitacin y escorrenta. Estarelacin ha sido muy difundida por parte del Servicio de Conservacin de Suelos de EstadosUnidos (Julien, 1995) y, a pesar de su denominacin de universal la misma ha sido probadainicialmente para pequeas cuencas agrcolas y su aplicacin a cuencas naturales de escalaimportante induce cierto nivel de incertidumbre.

En la misma, la tasa de erosin potencial por unidad de superficie (Es) se expresa como elproducto de seis factores:

Es = FR FK FL FS FC FP

donde:

FR: factor de precipitacin pluvial;FK: factor de estabilidad del suelo;FL: factor de longitud del flujo superficial;FS: factor de pendiente de la cuenca;FC: factor de manejo de cultivos;FP: factor de prcticas de conservacin.

Existen variantes de esta formulacin (e.g., MUSLE, RUSLE; Julien, 1995) de las cuales laque resultara interesante de comprobar para el caso del Ro Nizao es la propuesta porWilliams (Abt, 2001) para el anlisis de la produccin de sedimentos durante eventoshidrolgicos de envergadura.

Otra formulacin difundida en Europa, fundamentalmente por su efectividad cuando se la haaplicado a ambientes de cuencas montaosas, es la de Gavrilovic. Esta metodologa estima lacantidad de material producido por erosin superficial en una cuenca, y que es transportado ala seccin del ro que la define (Spalletti y Brea, 1998).

Finalmente, existen algunas metodologas que se han originado como una necesidad de estimarla produccin de sedimentos de la cuenca para evaluar la posible sedimentacin en embalses.Justamente, con esta finalidad se desarroll la metodologa propuesta por Miraki (Garde & R.Raju, 1985), la cual ha sido calibrada con datos observados en 32 embalses cuya colmatacinprogresiva fue monitoreada conjuntamente con las caractersticas fsicas e hidrolgicas de lascuencas que aportaban su escorrenta a los cuerpos de agua.

De esta manera, puede presentarse una relacin funcional general para estimar el volumen totalabsoluto (Vsa) de slidos producidos por una cuenca en un ao en la forma:

saSa V c a Q c d cV (A , P , V ,S , D , F )=

En ella:Ac : rea de la cuenca;Pa : precipitacin media anual;VQ : derrame medio anual;Sc : pendiente media de la cuenca;Dd : densidad de drenaje de la cuenca;Fc : factor de covertura vegetal y uso del suelo en la cuenca, que adquiere los valores: 0.20para bosques protegidos y reservas forestales, 0.40 para bosques nativos, 0.60 para reasagrcolas, 0.80 para pastizales y 1.00 para suelos denudados. Fc se determina ponderando cadauna de las sub-reas de la cuenca en relacin al rea total.

Aplicando un anlisis de regresin mltiple, Miraki propuso la siguiente ecuacin:

1.026 1.289 0.287 0.075 0.398 2.4226Sa c a Q c d cV 1.182 10 A P V S D F

=

En esta ecuacin, para obtener VSa en Mm3/ao, se deben ingresar Ac en Km2, Pa en cm , VQ enMm3 , Sc adimensional, Dd en Km-1 y Fc adimensional. En cuando al comportamientopredictivo de la ecuacin anterior, se ha reportado que en ms del 85% de los casos probados,

las predicciones estuvieron dentro del rango del +-30% de los valores observados, por lo quese estima que su aplicacin resulta razonablemente confiable cuando se puede disponer detodos los datos bsicos para su aplicacin.

En funcin de los datos usados para su calibracin, puede suponerse que esta metodologacontempla, adems de la parte de la carga de lavado retenida en los embalses, la fraccincorrespondiente al material de lecho transportado por los cauces a travs de la red de drenajede la cuenca y luego depositados en el lago.

Cuantificacin de la Produccin de Sedimentos en la cuenca del Nizao

Teniendo en cuenta los aspectos y generalidades antes mencionadas, se investig la posibleestructura matemtica de la relacin: Qss = f(VQ) . Graficando estas variables (escala log)podra inferirse que la relacin funcional entre Qss y VQ tiende a ajustarse a una ecuacin detipo potencial, es decir: Qss = a1VQa2, donde a1 y a2 son constantes a ser determinadas porregresin.

Con respecto a la disponibilidad de datos a escala regional, y dadas las caractersticasclimticas imperantes en el rea del Caribe, particularmente las Islas La Hispaniola y PuertoRico, slo se dispone de mediciones realizadas durante eventos tropicales importantes en lacuenca del ro Loza en Puerto Rico (Morris y Fan, 1997).

Para la mencionada cuenca, que posee un embalse con serios problemas de colmatacin pordeposicin de sedimentos, se realizaron mediciones en estaciones fluviomtricas emplazadassobre los dos tributarios principales y operadas por el U. S. Geological Survey durante el pasodel Huracn Hugo. Los datos reportados por Morris y Fan (1987) indican que para el roGurabo, para un caudal lquido en el pico del hidrograma de 1612 m3/s, se midi unaconcentracin de slidos en suspensin de 5500 ppm, mientras que para el ro Loza, quesoport un pico de 792 m3/s la concentracin mxima observada result de 4500 ppm.Teniendo en cuenta el segundo criterio de los antes mencionados, referido a la estimacin de larelacin Qs=f(Q) en base al uso de frmulas para la prediccin del transporte slido en ros, seencuentra que un gran nmero de formulaciones para sedimentos de tamao medio (e.g.,Meter-Peter y Muller, Engelund y Hansen, Ackers y White, Brownlie, etc.; Yang, 1996)conduce a relaciones entre caudal slido y caudal lquido de tipo potencial, es decir:

Qs = a1 Qa2

Donde a1 y a2 son constantes a ser determinadas. Para las formulaciones investigadas se haencontrado que a2 depende fundamentalmente de la frmula escogida y de las caractersticashidrulicas del cauce (especialmente su pendiente) y vara aproximadamente entre 2 y 3, con unvalor promedio cercano a 2.5, mientras que la variabilidad de a1 es mucho ms amplia y estfundamentalmente gobernada por las caractersticas de la cuenca de drenaje. Adoptandoa2=2.5, un clculo expeditivo conduce a la siguiente ecuacin para el caso del ro Loza:

Css = 0.066 Q1.5

donde Css es la concentracin del material slido en suspensin en ppm y Q el caudal lquido enm

3/s.

Ahora bien, desde el punto de vista prctico, conviene disponer de elementos adicionales a finde poder estimar el caudal slido total (Qs), el cual se compone de la carga en suspensin msla carga arrastrada a nivel del lecho fluvial, o carga de fondo Qsb. Es decir, el transporte slidototal se expresa como: Qs=Qss+Qsb .

Existen en la literatura varios estudios tendientes a proporcionar algunos mtodosaproximados de estimacin de la carga total a partir de la carga en suspensin. La mayora deellos se basa en la introduccin de coeficientes empricos que correlacionan la carga de fondocomo una fraccin de la carga suspendida, o bien la razn entre la carga en suspensin sobre lacarga total, es decir, el factor: kQs=Qss/Qs. Garde y Ranga Raju (1985) presentan una tabla (p.262) en la que ennumeran una serie de valores observados (a travs de mediciones) para elfactor kQs, en la cual el mismo vara aproximadamente entre 0.5 y 0.9, en funcin de lascaractersticas de arrastre de materal grueso por parte de la corriente en cuestin. En este caso,teniendo en cuenta que la carga de lecho est fundamentalmente constituida por arena gruesa,se estima conveniente adoptar para el factor de transporte el valor: kQs=0.75 . De esta manera,la ecuacin para el transporte slido total podra escribirse como:

Cs = 0.088 Q1.5

El paso siguiente consiste en estudiar la manera de poder transponer estos resultados paraestimar el transporte de sedimentos en la cuenca del Ro Nizao. Aceptando la hiptesis que lascuencas en cuestin se emplazan en la misma regin hidrolgica, con caractersticas climticas,litolgicas y de uso del suelo razonablemente homogneas, resulta aceptable suponer quetambin se mantienen aproximadamente constantes entre ambas los principales factores quecontrolan los mecanismos de erosin y produccin de sedimentos. En una serie de estudiossobre procesos de sedimentacin en embalses en la regin de la India y Pakistan, Khosla(Garde y Ranga Raju, 1985; p. 264) encontr que el volumen anual de sedimentos (Vs)producidos por una cuenca (el cual pudo medirse a travs de relevamientos batimtricos deembalses colmatados) vara con el rea de la cuenca elevada a una potencia del orden de 0.72.Es decir: Vs=cAA0.72, donde cA es una constante que engloba todos los factores restantes queafectan a Vs (que en este caso se supone que no varan de una cuenca a otra). Por lo tanto, sise asume que cA es el mismo para ambas cuencas, se podra obtener una estimacin regional dela produccin de sedimentos del Ro Nizao a partir del dato homlogo del Ro Loza de lasiguiente manera:

VS [Nizao]=(A[Nizao]/A[Loiza])0.72.VS [Loiza]

donde A indica el rea de la cuenca. Efectuando las operaciones correspondientes, y teniendoen cuenta que el rea de la cuenca del Ro Loiza en la seccin de aforo vale: ALoiza = 534 Km2y la del Ro Nizao en el punto de inters ANizao = 887 Km2, se obtiene finalmente:

Cs = 0.1268.Q1.5

Esta relacin podra usarse como una primera aproximacin gruesa para estimar la tasa mediade transporte de sedimentos en el ro Nizao durante eventos extraordinarios, mediante unaintegracin del hidrograma de la crecida.

Por su parte, en la cuenca del Ro Nizao existe una serie de estudios antecedentes tendientes ala estimacin de la produccin de sedimentos mediante varias tcnicas alternativas. Entre ellos,deben destacarse las investigaciones llevadas a cabo por Nagle (1997), quien empleandotcnicas basadas en el anlisis de lluvias radioactivas de Cesio-137, logr estimar la prdida desuelo en diferentes sub-reas de la cuenca afectadas por distintas prcticas agrcolas y de usodel suelo. Los resultados obtenidos por este investigador indican que la prdida de suelo, en elperodo que va de 1963 a 1997, vara en la cuenca desde un mnimo de 6.7 ton/Ha/ao hastaun mximo de 59.0 ton/Ha/ao, con una media de 27.5 ton/Ha/ao. Es decir, transformandounidades la prdida de suelo promedio segn el criterio de Nagle resulta:

Es = 2750 ton/km2/ao

El valor de prdida de suelo reportado por Nagle (1997) resulta razonable y consistente con lasmediciones batimtricas realizadas por el INDRHI y reportadas por Espinal (1991), las cualesindican que para el perodo de operacin del embalse comprendido entre 1979 y 1991, la tasavolumtrica promedio de acumulacin de material slido en el embalse fue de 2050m

3/km2/ao, la que equivale a una tasa gravimtrica aproximada de 1708 ton/km2/ao.

Este ltimo valor es comparable con los 2750 reportados Nagle, ya que de la prdida de suelototal slo una fraccin indicada por el factor de entrega (sediment delivery ratio) llega a loscursos fluviales y de all es transportada corriente abajo hacia el embalse. En este caso, para lacuenca del ro Nizao a la altura del ingreso al embalse de Valdesia el factor de entregaresultara aproximadamente: (1708/2750) = 0.62 .

Los valores previos se encuentran en el rango tpico de las tasas de prdidas de suelo encuencas tropicales, segn reportan Morris y Fan (1997), quienes indican que para la isla dePuerto Rico Es vara tpicamente entre 1000 y 2000 ton/km2/ao.

En un estudio reciente (Abt, 2001) se procedi a la aplicacin del modelo hidrolgico SWAT(Soil and Water Assessment Tool), cuyo mdulo de clculo de erosin en la cuenca se basa enla aplicacin del modelo USLE. En este caso, empleando los datos proporcionados por lasbatimetras existentes se logr calibrar el modelo, encontrndose que Es exhibe una variacin aescala temporal (entre distintos aos hidrolgicos) que va de 189 a 8957 miles de ton/ao parala cuenca del Nizao hasta Valdesia, con una media de 2.031x106 ton/ao. Teniendo en cuentaque el rea de la cuenca hasta el embalse es de 887 Km2 (Espinal, 1991; aunque Abt consideraque ese valor es de 868 Km2), se encuentra que segn el criterio de Abt, la prdida de suelomedia resulta:

Es = 2290 ton/km2/ao

Nuevamente, este valor resulta comparable con la tasa de acumulacin en el embalse de 1708ton/km2/ao reportada por el INDRHI (Espinal, 1991).Un aspecto que resulta interesante investigar es el usar parte de la informacin existente paraevaluar la posibilidad de estimar una funcin de calibracin entre un indicador de la escorrentasuperficial y la prdida de suelo de la cuenca.

Para ello se analizaron los datos correspondientes a las series cronolgicas de caudales mediosanuales (Qma) del ro Nizao en Valdesia y la serie homloga de valores de prdida de suelos(Es) estimados con la aplicacin del modelo SWAT (Abt, 2001).

Relacin entre Produccion anual de sedimentos y escorrentia media anual. Emb. Valdesia

105

106

107

Prod

ucci

on a

nual

de

solid

os [t

n]

102 103 104

Volumen anual de escorrentia [Mm3]

Figura 4.- Relacin entre prdida de suelo y escorrentamedia anual para la cuenca del ro Nizao en Valdesia

Los datos de Es (expresado en ton/ao) versus VQ (en Mm3/ao) se muestran en la Fig. 4, endonde tambin se indica la funcin de mejor ajuste, la cual se obtuvo mediante una calibracindel modelo:

Es = a VQb

encontrndose para los parmetros de la misma los valores: a = 0.1150, b = 2.50 con uncoeficiente de correlacin r = 0.832.

Debe destacarse que la forma de esta ecuacin (fundamentalmente el exponente del caudal oindicador de escorrenta superficial) resulta consistente con los resultados inferidos a partir deecuaciones de transporte slido y tambin con relaciones encontradas en otras cuencas conproblemas de sedimentacin, por ejemplo, para la cuenca del ro Reventazn a la altura delembalse de Cach en Costa Rica (Jansson y Rodrguez, 1992). La ecuacin de calibracinencontrada para este embalse se expresa como: Qs = 0.2 Q2.0 , donde la carga slida se expresaen ton/dia.

Procesos Erosivos durante eventos extraordinarios

Desde la construccin del embalse de Valdesia la cuenca del Ro Nizao se ha visto afectada porla accin de eventos hidrolgicos de magnitud extraordinaria en dos ocasiones: el paso delHuracn David al cual inmediatamente se sobrevino la tormenta tropical Federico en 1979 yms recientemente sufri el paso del huracn Georges en 1998.

Teniendo en cuenta las caractersticas de estos eventos, los procesos de erosin, remocin enmasa, transporte fluvial y deposicin de sedimentos se ven fuertemente alterados durante estos

episodios caracterizados por precipitaciones extremas y tasas de escorrenta superficial muypor encima de los valores medios registrados en condiciones hidrolgicas normales.

Lamentablemente, no se dispone de registros de datos confiables para analizar en detalle lainfluencia de estos eventos sobre la dinmica de produccin de sedimentos, sino slo deestimaciones en relacin en relacin a la magnitud de las crecidas registradas en algunos puntosde la cuenca.

Dentro de este contexto, los antecedentes documentales indican que ha sido mucho mssignificativo el efecto sobre la sedimentacin de la secuencia David-Federico que el producidopor el Huracn Georges. Un indicio de tal afirmacin puede obtenerse a partir del anlisis de lainformacin batimtrica obtenida para el embalse de Valdesia desde su puesta en operacin en1975, acompaada por los relevamientos realizados en 1979 (inmediatamente despus delevento David-Federico), 1981 y 1991.

En condiciones hidrolgicas normales es posible caracterizar globalmente la evolucintemporal de la acumulacin de sedimentos en un reservorio mediante una expresinmatemtica del tipo:

Vs = VEo { 1 exp[-kE (t-to)]}

donde Vs es el volumen acumulado hasta un instante de tiempo t desde el comienzo deoperacin del embalse, VEo indica la capacidad inicial de almacenamiento til en el instante to,mientras que kE es un coeficiente emprico que depende de las caractersticas morfolgicas delvaso y de otros aspectos hidrulicos y sedimentolgicos.

El anlisis de la dinmica evolutiva del proceso de acumulacin se llev a cabo considerando lacurva Vs=f(t) elaborada en base a los datos de la batimetras y adoptando algunas hiptesis decomportamiento del sistema. La hiptesis fundamental asumida consiste en suponer que antesy despus del evento extraordinario el proceso de acumulacin durante aos hidrolgicosnormales (es decir, sin el efecto de anomalas inducidas por huracanes) tiende a una funcindel tipo de la descripta anteriormente. Las curvas experimentales se presentan en la Fig. 5, enla que el punto correspondiente al ao 1978 (anterior a la ocurrencia de David-Federico) seobtuvo con la hiptesis mencionada, resultando un valor de Vs = 5.75 Mm3.

Embalse Valdesia - Curva de Acumulacin de Sedimentos

1975 1980 1985 1990 1995 2000

t [aos]

0

20

40

60

80

100

Vs [

Mm3

]

Figura 5.- Evolucin de la acumulacin de sedimentos en el embalse Valdesia. Hiptesis de comportamiento del sistema.

En cuanto a las tasas temporales de acumulacin, dVs/dt, las mismas se han estimado porintervalos en funcin de los datos.

Para el perodo 1979-1981: dVs/dt = 1.75 Mm3/aoPara el perodo 1981-1991: dVs/dt = 1.56 Mm3/ao

Estos valores indican la tendencia lgica observada en la mayor parte de los embalsesemplazados en reas hidrolgicas sin anomalas significativas, en el sentido que el ritmo deacumulacin v progresivamente disminuyendo a medida que el vaso se va colmatando ydisminuye su eficiencia de retencin de materiales slidos.

Asimismo, estos valores pueden compararse con la estimacin realizada por Espinal (1991),que para el perodo 1979-1991 estim una tasa:

dVs/dt = 1.82 Mm3/ao

aunque sin tener en cuenta los aspectos antes mencionados.

Por su parte, si se realiza un ajuste a la ecuacin general del segmento de la curva deacumulacin en el que se dispone de datos obtenidos por batimetras (perodo 1980-1997), seencuentra la relacin funcional:

Vs = 110.73 [1 e-0.165 ( t 1965 ) ]

la cual justamente indica la anomala que se registra antes de 1980, en el sentido de que paraque la curva interprete los datos de las batimetras, el valor de to obtenido es de 1965 (en lugarde 1975, lo cual indicara que el segmento superior de la curva exhibe un comportamientocomparable al que hubiera tenido el embalse si el mismo hubiera empezado a operar 10 aosantes en condiciones hidrolgicas normales). Por su parte, para el factor VEo tambin seencuentra un valor diferente del terico (110.73 en lugar de 183.0), lo cual tambin esconsecuencia de la anomala introducida por el evento David-Federico.

Teniendo en cuenta los aspectos antes discutidos, este criterio (similar al adoptado por Abt,2001) asigna al ao hidrolgico 1979 un valor de volumen de sedimentos acumulados delorden de 24.15 Mm3.

Debe tenerse en cuenta que de ninguna manera puede considerarse a este ltimo valor comodefinitivo, ya que para su estimacin se han considerado hiptesis que no se pueden comprobar(ante la carencia de datos en el ao anterior a la ocurrencia de los huracanes) y adems existenmarcadas incertidumbres sobre los datos bsicos, en especial en lo que se refiere a la capacidadinicial del embalse, la cual aparentemente se ha estimado a partir de una topografa aproximadaen base a estudios previos que no posean precisiones y exactitudes deseables. Este aspectoser discutido en mayor detalles en secciones siguientes de este estudio.

En relacin a los aspectos cuantitativos del Huracn David, slo se dispone de estimacionesaproximadas. Con base en estudios hidrolgicos de entonces (e.g., IICA 1986, citado por Abt2001) se estima que las lluvias ocasionadas durante tal evento generaron en la cuenca del RoNizao una hidrograma con un caudal mximo del orden de 7000 m3/s y un volumen de lacrecida cercano a los 250 Mm3. En un estudio reciente (Abt 2001), se aplic la ecuacinuniversal de prdidad de suelos en su versin modificada para eventos hidrolgicos (MUSLE otambin ecuacin de Williams) :

ESM = 11.8 (Vq . Qmax)0.56 FK FC FP FL FS

y se us para los factores restantes los valores calibrados para las variables medias anuales dela cuenca del Nizao, encontrndose una prdida de suelo durante ese evento del orden de 25millones de toneladas que equivale aproximadamente a unos 20.83 Mm3. Considerando latormenta tropical Federico, que se present inmediatamente a posteriori del Huracn David,con un pico del orden de algo menos de un tercio de aquel, probablemente se tendra un valorglobal de prdida de suelos durante esos dos eventos del orden de los 28 Mm3. Si se considerael factor de entrega previamente estimado para la cuenca de 0.62 se tendra una produccinglobal de sedimentos para esa sucesin de eventos del orden de 18 Mm3, a lo cual habra quesumarle la tasa media anual correspondiente a 1979 para obtener una estimacin del aporte demateriales slidos durante ese ao. Si se considera un valor medio cercano a 1.8 Mm3 para esteltimo valor, se tendra para 1979 un aporte de casi 20 Mm3, valor aproximado a los 24 Mm3estimados previamente con el modelo global de acumulacin.

Con respecto al efecto del Huracn Georges sobre la cuenca del Ro Nizao, fue posible obtenerun hidrograma estimado por parte del INDRHI de los caudales ingresados al embalse deValdesia. El mismo se presenta en la Fig. 6.

Hidrograma ingresante al Emb. Valdesia durante el Huracan Georges

0.00

500.00

1000.00

1500.00

2000.00

2500.00

3000.00

3500.00

9/20/98 12:00 9/21/98 0:00 9/21/98 12:00 9/22/98 0:00 9/22/98 12:00 9/23/98 0:00 9/23/98 12:00 9/24/98 0:00 9/24/98 12:00 9/25/98 0:00 9/25/98 12:00

Tiempo t

Cau

dal [m

3/s]

Figura 6.- Hidrograma en Valdesia durante el Huracn Georges

En base a este dato se calcularon los parmetros caractersticos del mismo, siendo los mismos:- Caudal Pico: Qmax = 3244.45 m3/s- Volumen de la crecida: Vq = 142 Mm3

Lamentablemente, no se pudo disponer de un relevamiento batimtrico realizado conposterioridad a la ocurrencia de este huracn, ya que el mismo no pudo ser completado en todala extensin del embalse por parte del personal del INDRHI, ya la carencia de este dato nopermite realizar un anlisis del tipo efectuado para el caso de la secuencia de huracn ytormenta tropical David-Federico.

Si se realiza un clculo en base a hiptesis del tipo de las antes discutidas, es decir, aplicando laecuacin de Williams (MUSLE) considerando que los parmetros generales para una escalamedia anual se conservan en el caso de eventos, se encuentra un valor de prdida de suelossensiblemente inferior al encontrado para David-Federico, del orden de los 5.5 millones detoneladas, o 6.6 Mm3, que si se somete a la aplicacin del factor de entrega resulta en unaproduccin de sedimentos del orden de los 4.0 Mm3 para este evento.

Aparentemente, los efectos de destruccin de vertientes, derrumbes y deslizamientos de laderasen la cuenca durante este huracn no fueron tan severos como en el caso de David-Federico,tal como reporta Nagle (1999), quien indica que la cuenca del ro Nizao no sufri importantesprocesos de remocin en masa. Nagle afirma que esta situacin contrasta bastante con loocurrido en la cordillera central, cerca del pico Duarte, donde las fotografas areas y laexploracin de campo indican derrumbes por doquier, que han lavado hasta un 30% del reasuperficial de algunas de las laderas ms afectadas. Aparentemente, esto es lo que pastambin en partes de la cuenca del ro Nizao durante los huracanes David y Federico en 1979.Sin duda, no ocurrieron esta clase de derrumbes durante el Huracn Georges por las reascentrales y bajas del Nizao .

SEDIMENTACIN EN LOS EMBALSES

Una vez examinado en el captulo anterior la produccin de sedimentos en la cuenca, seplantea un modelo que permite extrapolar hacia los aos futuro el comportamiento delembalse, bajo la hiptesis de que el aporte de sedimentos de la cuenca mantendr uncomportamiento similar al de los aos pasados. Con ello se podr tener una idea de lo que sepuede esperar en aos futuros si no se realiza ninguna intervencin, ya sea en trminos de laproduccin de sedimentos en la cuenca (manejo de la cuenca) o en trminos de la extraccin desedimentos del embalse de Valdesia.

La sedimentacin en embalses se puede analizar por medio de mtodos empricos o pormodelacin matemtica. Los mtodos empricos son relativamente simples y dan una ideageneral de las tasas de sedimentacin. Dos de los ms conocidos son el Mtodo de Area-Incremento, y el mtodo de Reduccin de Areas, ambos desarrollados por Borland y Millerdel U.S. Bureau of Reclamation. Por su parte la modelacin matemtica se basa en la solucinde las ecuaciones que representan el movimiento y continuidad del agua y los sedimentos,junto con las que representan la capacidad de transporte de sedimentos. Estos modelos puedenser unidimensionales, tal como el HEC-6 del Hydrologic Engineering Center, U.S. Corps ofEngineers, o ms complejos, con representacin bi o tri-dimensional del problema. El uso deestos ltimos requiere muchos datos relativos a la gradacin de los sedimentos transportados ydepositados, a la cantidad y tamao de los sedimentos que ingresan al embalse, los caudaleslquidos, as como una representacin muy detallada de la geometra del embalse.

Para el caso de Valdesia, debido a la escasez de datos se decidi utilizar mtodos empricos. Seemplean dos procedimientos, uno desarrollado por los autores en el marco del presente estudiobasado en una ecuacin de eficiencia de atrape de sedimentos del tipo Brune, y otro basado enel mtodo de reduccin de reas, aplicando un modelo computacional desarrollado por el HRWallingford Group del Reino Unido.

En el estudio se desarroll un modelo propio adaptado a la calidad y cantidad de datosdisponible. El mismo se basa en la utilizacin de una expresin para la eficiencia de atrape delos sedimentos que ingresan al embalse, del tipo Brune (Siyam et. al 1999). Segn estaexpresin la eficiencia de atrape del embalse se puede aproximar de la siguiente forma:

IVe

=

en donde:= eficiencia de atrape de sedimentosI= escorrenta promedio anual (m3)V=volumen total de embalse (m3)=parmetro de ajuste=0.0079 Por ejemplo, la Fig. 7 muestra la eficiencia de atrape para un rango amplio de valores de V/I(volumen del embalse entre volumen de escorrenta anual). En este grfico se muestran laseficiencias de los embalses de Aguacate y Valdesia estimadas segn esta relacin para el ao2002. Se observa como en el primer caso la eficiencia es menor al 30% y en el segundo caso escercana al 100%. En otras palabras, un 70% de los sedimentos que ingresan a Aguacatecontinuan hacia aguas abajo, mientras que solo un 3% lo hace en Valdesia.

A partir de la expresin anterior y utilizando la estadstica anual de caudales que ingresan a laspresas Jigey, Aguacate y Valdesia, y las estimaciones de produccin de sedimentos para lasmismas cuencas (segn Abt Assoc. Inc. 2002), se elabor una hoja de clculo con MS ExcelTMque hace una estimacin, ao a ao, de la cantidad de los sedimentos que son atrapados en losdiferentes embalses.

La estadstica cubre los aos 1975 a 1998. Las predicciones futuras se realizaron suponiendoque se repetir el mismo patrn para los aos a partir de 1998. Desde el punto de vista desedimentos, esto parece una solucin conservadora, toda vez que en el perodo 75-98 seincluye la ocurrencia de los huracanes David, Federico, Georges y otros eventos tropicalesmenores.

0

20

40

60

80

100

0.001 0.01 0.1 1 10

Capacidad/EscorrentaEf

icie

nci

a A

trap

e

Brune Valdesia Aguacate

Figura 7 Estimacin de eficiencia de atrape de sedimentos (ajuste a la curva emprica de Brune)

El procedimiento consiste en un clculo ao ao, a partir del ao 1975, considerando elfuncionamiento de Valdesia hasta el ao 1992 cuando entran a operar Jigey y Aguacate. Apartir de entonces se debe considerar la cantidad de sedimentos que se van capturando en estasdos presas.

Programa RESSASS

Se trata de un programa de cmputo desarrollado por H.R. Wallinford (1996), que en realidades la combinacin de tres programas:

Un mtodo para el clculo de volmenes utilizando el levantamiento de secciones, el cualmaximiza la exactitud de este tipo de estimaciones (Anlisis de Volumen)

Un mtodo simple para la estimacin de la variacin futura de la sedimentacin en elembalse (Prediccin de Volumen)

Un modelo numrico uni-dimensional para la estimacin de la sedimentacin en el embalse(Modelo Numrico)

El Anlisis de Volumen utiliza informacin topogrfica de secciones a lo largo del embalse y dereas entre curvas de nivel obtenidas antes del llenado del embalse. Un segundo grupo de datosson las nuevas secciones levantadas posteriormente. Se utiliza el llamado Stage WidthModification Method, el cual maximiza la exactitud de la estimacin del volumen inicial y elvolumen al momento del segundo levantamiento.

El mdulo de Prediccin de Volumen se basa en una mejora del mtodo emprico de Borland(1958). En este mtodo se utilizan factores empricos para estimar la capacidad futura sobre labase de cambios de volumen observador en el embalse. Para la estimacin de la eficiencia deatrape se utilizan las curvas de Brune, y los cambios en la densidad de los sedimentosdepositados se calculan por el mtodo de Lane y Koelzer (1953).

Como se mencion, en el presente trabajo no se pudo aplicar el Modelo Numrico, dados losrequerimientos de informacin no disponible para el caso de Valdesia.

Para la estimacin del volumen original del embalse se contaba con dos fuentes.

Una es el plano original de curvas de nivel levantado en octubre de 1956 por la empresaconsultora Mendoza y Armenteros (Espinal 1991), y tiene curvas de nivel cada 5 metros aescala 1:5000. Este plano fue digitalizado y se muestra en la Lmina 1 al final del informe. Unacopia reducida se muestra en la Fig. 8.

La segunda fuente con que se contaba es una serie de secciones transversales (33 secciones)que se presentan en el reporte de la batimetra levantada en 1991 (Espinal). Esta referenciacontiene las secciones originales, as como los resultados de la batimetra del ao 1991. Comoes lgico en este tipo de levantamientos con eco-sonda, se presentan bastantes discrepanciasentre las secciones originales, presumiblemente obtenidas del plano original, y los resultadosdel sondeo. En la Fig. 9 se muestra la localizacin de las secciones, 29 a lo largo del cauceprincipal del ro y las restantes en tributarios que forman parte del embalse.

Figura 9 Planta del Embalse y Localizacin de Secciones(segn plano de Mendoza & Armenteros, 1956 y planos de las obras)

Resultados

Modelo Propio. Como se mencion, la aplicacin de la serie de caudales slidos y lquidos seutiliz para estimar los sedimentos acumulados a travs del tiempo para los tres embalses delsistema Jigey, Aguacate y Valdesia. En este trabajo se examinan slo los resultados obtenidospara el embalse Valdesia. La Fig. 10 muestra la estimacin de la variacin del volumen total delembalse de Valdesia. Al igual que en el caso anterior, hasta el ao 1998 se utiliza la seriehistrica, y del ao 1999 en adelante se supone que se repite la secuencia presentada en elperodo de registro 75-98. La simulacin se inicia en el ao 1975, y hasta 1992 se supone quetodos los sedimentos llegan al vaso. Posteriormente, se toman en cuenta los sedimentosatrapados en los dos embalses de aguas arriba.

El volumen total inicial de 186 Mm3 se ha reducido a un 75% en el ao 2002, a un 67% en alao 2015 y a un 65% en el ao 2025. Al igual que en los casos anteriores, esta estimacinsupone que del presente al 2027 se presentarn dos eventos similares a los del ao 79 (David).

Tambin en la Fig. 10 se muestran los resultados de las tres batimetras realizadas hasta elmomento (1979, 1981 y 1991), las cuales comparan bastante bien con los resultados delmodelo.

Embalse de Valdesia, R.D.

0

50

100

150

200

1975 1985 1995 2005 2015 2025 2035 2045aos

Volu

men

To

tal (1

06^

m3)

0102030405060708090100

Edific

ienci

a At

rape

Volumen Total Batimetras Eficiencia

Figura 10.- Evolucin de la sedimentacin en el Embalse de Valdesia

Tabla 6.- Comparacin entre batimetras y modeloAo Diferencia

Batimetra Modelo Batimetra Modelomill m3 mill m3 mill m3 mill m3

1976 186.0 185.5 0% 0.0 0.01979 156.4 161.6 3% 29.4 23.91981 153.1 160.2 5% 33.0 25.31991 137.5 141.2 3% 48.5 44.3

Volumen Total Vol. Sedimentos

Un resultado muy interesante es que la tasa de aporte de sedimentos al embalse se redujo a un30% de la original con la entrada en operacin del embalse de Jigey. Esto se ilustra en la Fig.11. Segn estos resultados, la tasa de acumulacin se redujo de 2.4 Mm3 anuales a 0.65 Mm3.

Embalse de Valdesia, R.D.

020406080

100120140160180200

1975 1985 1995 2005 2015 2025 2035 2045aos

Volu

men

To

tal (1

06^

m3)

Figura 11.- Reduccin en la tasa de sedimentacin a partir del ao 1992

Modelo RESSASS. El modelo aplicado anteriormente permite predecir con adecuada certezael volumen total remanente con el paso del tiempo, desde luego bajo la suposicin de que laproduccin de sedimentos en la cuenca seguir el mismo patrn pasado. Sin embargo, no escapaz de predecir como se distribuirn los sedimentos en el embalse, ni tampoco cuales sernlos niveles de la sedimentacin en los alrededores de la presa, informacin muy importantedesde el punto de vista operacin.

El modelo RESSASS si permite predecir la distribucin de la sedimentacin en el embalse.Para ello, se parte de los volmenes originales del embalse y de los volmenes resultado de labatimetra del ao 91. Con esto el RESSASS realiza una proyeccin de los patrones desedimentacin suponiendo que se mantendr una tasa de produccin de sedimentos en lacuenca similar a la del perodo 75-91.

Para considerar que en el ao 1992 entraron en operacin los embalses de Jigey y Aguacatereduciendo de forma dramtica el ingreso de sedimentos en Valdesia, se disminuy dichoingreso en un 30%, de acuerdo a los resultados del modelo propio. En Tabla 7 se muestranlos resultados obtenidos por el modelo RESSASS.

Tabla 7.- Resultados de Modelo RESSASSAo Vol. Total Vol. Sed. % de Vol Util Nivel Sed.

mill m3 mill m3 sedimentos mill m3 msnm1976 185.8 0 0 130 95.01991 145.7 40.1 21.6 119.5 105.02002 138.3 47.5 25.6 117.1 116.02015 126 59.8 32.2 112.4 118.02025 118.7 67.1 36.1 109.4 119.5

Los valores del ao 76 y 91 no son predicciones sin la cubicacin que hace RESSASS de losdatos originales y batimtricos. El volumen original que obtiene RESSASS de 185.8 Mm3 escasi idntico al valor reportado en los estudios batimtricos (186 millones). Sin embargo,RESSASS calcula un volumen de sedimentos depositados en el ao 1991 de 40.1 Mm3, contra48.5 Mm3 segn los resultados de Espinal (1991). Se debe recordar que para este clculo

RESSASS utiliza las secciones transversales levantadas en la batimetra de 1991, por lo que esdifcil explicar esta diferencia pues en el informe de Espinal no se dan mayores datos sobre elprocedimiento de cubicacin.

En la Fig. 12 se comparan los resultados de las batimetras con las estimaciones del modelopropio y del programa RESSASS. En todo caso, los proyecciones resultan muy similares. Lafigura muestra tambin la variacin del volumen til del embalse, que muestran que hacia elao 2025 el volumen muerto se habr reducido a cero (volumen til=volumen total).

Embalse de Valdesia, R.D.

020406080

100120140160180200

1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030aos

Volum

en (1

06^

m3)

Batimetras Modelo Propio Ressass Ressass Util

Figura 12.- Comparacin entre batimetras y los modelos de clculode la sedimentacin en el embalse de Valdesia

En cuanto al nivel de los sedimentos en las cercanas de la presa, el mtodo utilizado permiteconocer de forma aproximada los niveles que alcanzarn los sedimentos en las cercanas de lacortina. Segn esto, hacia el ao 2025, el nivel de los sedimentos ser la cota 120 msnm. LaFigura 12 muestra los perfiles a lo largo del cauce resultado de las batimetras efectuadas hastael momento.

Descarga de Fondo

Umbral Toma Central 116.75 msnm

2da Toma Acueducto 126.9 msnm

1era Toma Acueducto 136 msnm

Cresta Vertedero 145 msnm

Corona de Presa 156 msnm

N. Max. Operacin 150 msnm

90

95

100

105

110

115

120

125

130

135

140

145

150

155

N.Min. Operacin 130.75 msnm

2000 4000 6000 8000 10000 12000

Elev

aci

n (m

snm

)

Perfil Or

iginal

Perfil

1991

Perfil 1981

Perfi

l 197

9

L.C. Toma Central 119.20 msnm

(98.6 msnm)

Figura 13.- Perfiles Longitudinales del Fondo del Embalse de Valdesia (Fuente: INDHRI 1991)

Control de la Sedimentacin

En trminos generales, para enfrentar el problema de la acumulacin de sedimentos en losembalses existen dos procedimientos principales (Basson & Rooseboom, 1997; Vischer &Hager, 1998): la retencin de los sedimentos en la cuenca, y la remocin de los sedimentos enel propio embalse. A su vez cada uno de estos procedimientos se puede aplicar mediantediferentes mtodos, como se explica a continuacin:

Retencin de sedimentos en la cuenca: Esto es tal vez uno de los medios ms efectivos decontrolar la sedimentacin, especialmente desde un punto de vista de sostenibilidad, aunqueclaramente uno de los ms difciles de implementar en cuencas grandes. En cuencas como ladel Nizao, los procesos de erosin pueden reducirse ya sea con medidas de conservacin desuelos, o bien con obras directamente en la red de drenaje. La aplicacin de medidas deconservacin de suelos est ntimamente relacionada con el problema general de la gestin decuencas y ordenamiento territorial. Dentro de esta categora se incluye la construccin dediques de acumulacin, tema evaluado en un informe previo (EPTISA, 1978). Esta solucinque ha sido descartada para el presente caso, por su alto costo y poca efectividad, como secomenta ms adelante.

Desvo (by-pass) de los sedimentos: Esta tcnica incluye el by-pass de los sedimentosmediante un canal o un tnel alrededor del embalse. Este procedimiento ha funcionado encondiciones muy especiales, puesto que en general la topografa alrededor de los embalses raravez se presta para lograr un by-pass de forma econmica. Por este motivo se descarta para elpresente caso.

Trnsito o Ruteo de sedimentos en el embalse: Los sedimentos son acarreados a travs delembalse en suspensin coloidal o turbulenta, por lo que este tipo de transporte puedemejorarse mediante la operacin de compuertas, o bien mediante la formacin de corrientesde densidad. En este caso se examin la posibilidad del ruteo mediante el la descarga decorrientes de densidad.

Remocin de los sedimentos acumulados mediante vaciado: Este mtodo consiste enprovocar la socavacin de los sedimentos depositados en el embalse mediante el vaciado oflushing. Un anlisis de esta opcin mostr que se requerira rehabilitar el tnel de desvipara que funcione como descarga de fondo, obra que tendra un costo de unos US$8 a 10millones. Adems se hizo una estimacin de que, en total, todo el proceso de vaciado ylimpieza tomara al menos 12 das. Dado que resulta muy oneroso y complicado el vaciadocompleto cada ao, especialmente por el tema del acueducto, se podra realizar esta operacincada tres aos, dependiendo de la severidad de los perodos hmedos recin pasados. Como sepuede ver, este procedimiento resulta poco efectivo dado que requiere una inversinimportante, la interrupcin del suministro de agua potable por 12 das cada tres aos, y apenascontribuira con una disminucin de la acumulacin en un 25%. A pesar de lo anterior, a mslargo plazo esta solucin puede complementar otras medidas y ser parte de una solucinintegral. Ser factible en la medida en que sea posible prescindir del suministro de agua potablepor un perodo como el indicado. Asimismo, dado que las descargas de fondo existentes estn

inutilizadas, el contar con una descarga de fondo presenta otras ventajas operativas y deseguridad para la obra que habra que valorar.

Remocin de los sedimentos acumulados mediante dragado: El anlisis sobre las diversasopciones que existen para controlar los sedimentos en el embalse indican que para el caso deValdesia y a corto plazo, la opcin viable para la remocin de un porcentaje significativo de lossedimentos es la del dragado.

El anlisis de las diversas opciones que existen para controlar los sedimentos en el embalseindic que la nica opcin viable a corto plazo para la remocin de un porcentaje significativode los sedimentos que finalmente llegan al embalse es la del dragado. Para ello se propuso laejecucin de un proyecto que consistira de los siguientes elementos: (a) Reparacin y puestaen marcha de draga; (b) Limpieza de los sedimentos en las inmediaciones de la cortina con elobjeto de liberar el ingreso a las descargas de fondo (primeros 100 m). (c) Desatascamiento ylimpieza de las descargas de fondo, utilizando diversos procedimientos tales como el uso debusos, inyeccin con agua a presin, u otros. Para la remocin de los sedimentos del embalse,la idea sera la limpieza de los primeros 500 m, y posteriormente llegar hasta el primerkilmetro desde la cortina. La cantidad a remover sera del orden de los 2 Mm3. El plazo deejecucin sera de entre tres y cuatro aos, segn la productividad que se logre.

A ms largo plazo habr que evaluar la conveniencia de la construccin de una nueva descargade fondo utilizando el tnel de desvo, de tal forma que se puedan realizar vaciados de limpiezacada varios aos.

CONCLUSIONES

El embalse de Valdesia ilustra una situacin muy poco estudiada en la literatura tcnica, cual esel efecto en la produccin de sedimentos y en la sedimentacin de embalses de eventoshidrolgicos extremos tipo huracanes. En este trabajo se ha presentado la metodologaempleado para la caracterizacin de los procesos de produccin de sedimentos en una cuenca yla cuantificacin de los procesos de deposicin de material slido en un embalse situado en lamisma. El conjunto de tcnicas aplicadas proporciona elementos para la toma de decisionesrelativas al menjo y control de reservorios en regiones tropicales expuestas a la ocurrencia deeventos hidrolgicos extremos como huracanes y tormentas tropicales que generan grandesvolmenes de slidos en un nico episodio. Se ha demostrado tambin como, ante la falta deinformacin detallada relativa a la produccin de sedimentos, con los datos de batimetras esposible calibrar modelos de produccin de sedimentos, as como la aplicacin de tcnicassencillas para la prediccin del comportamiento de embalses en esas circunstancias.

Se estima que esta metodologa se podra generalizar para el estudio de cuencas y embalses decaractersticas similares a las aqu abordadas.

Reconocimiento. Los autores desean expresar su agradecimiento a los Dres. Sergio Mora y ManuelBasterrechea, por su invalorable aporte al presente trabajo, y a los tcnicos de la Corporacin Dominicana deElectricidad (CDE) y el Instituto Dominicano de Recursos Hidrulicos (INDRHI) por el apoyo logsticobrindado durante las campaas y la documentacin facilitada para su examen.

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