Hydraulic Engineering and Water Security Study Guide

Conceptos Fundamentales de Uso Consuntivo y Obras Hidráulicas

• Definición de Uso Consuntivo: Se define como la cantidad total de agua que necesita un cultivo para crecer. Este concepto es integral, ya que incluye tanto la evaporación proveniente del suelo como la transpiración de la planta.
• Importancia en el Diseño Hidráulico: El cálculo del uso consuntivo es un factor determinante y crítico para el diseño de diversos sistemas de riego. Su precisión afecta directamente la planificación de:
  • Obras de almacenamiento.
  • Obras de conducción.
  • Sistemas de distribución.
  • Sistemas de drenaje.
• Determinación de Volúmenes: Un ejemplo claro de su aplicación es que permite obtener el volumen útil necesario para abastecer a una zona de riego específica, puesto que dicho volumen depende en gran medida del valor del uso consuntivo determinado.
• Definición de Obra Hidráulica: Se entiende por obra hidráulica a cualquier construcción realizada en el campo de la ingeniería civil donde el elemento dominante y central es el agua.
• Alcance de las Obras Hidráulicas: Es falso que las obras hidráulicas se construyan únicamente con fines de aprovechamiento. Constituyen un conjunto de estructuras diseñadas para el manejo del agua, independientemente de su origen, abarcando fines de aprovechamiento, defensa y regulación.
• Obras de Defensa: Es importante notar que los acueductos no se clasifican como obras de defensa; su función es principalmente de conducción y abastecimiento.

Hidrología y Variables Meteorológicas

• Estimación del Escurrimiento Natural (NOM-011-2015): Para la estimación del volumen de escurrimiento natural generado en una cuenca, el método indirecto de la NOM-011-2015 considera las siguientes variables fundamentales:
  • $P$: Precipitación anual.
  • $A$: Área de la cuenca.
  • $C$: Coeficiente de escurrimiento.
• Capas de la Atmósfera: La Troposfera es la capa de la atmósfera donde se desarrolla la vida y donde ocurren todos los fenómenos meteorológicos del planeta.
• Erosión Hídrica: Se define como la pérdida de suelo en una cuenca generada por factores hidrológicos, específicamente por la acción de la lluvia y la magnitud y velocidad de la escorrentía superficial.

Seguridad Hídrica y Ecosistemas

• Definición de Seguridad Hídrica: Es la condición en la que se dispone de agua en cantidad y calidad adecuadas de manera continua para los siguientes fines:
  • Consumo humano.
  • Actividades económicas.
  • Conservación de los ecosistemas.
  • Reducción de riesgos asociados al agua (como inundaciones o sequías).
• Escala de Trabajo: De acuerdo con su definición técnica, la seguridad hídrica debe ser gestionada y trabajada a la escala de la cuenca.
• Retos para la Seguridad Hídrica: Los principales desafíos que enfrentamos actualmente incluyen:
  • Crecimiento poblacional y el consecuente aumento en la demanda.
  • Contaminación de los cuerpos de agua.
  • Efectos del cambio climático.
• Captación de Agua de Lluvia: Esta práctica busca tres beneficios principales:
  1. Aumentar la disponibilidad de agua local.
  2. Reducir el escurrimiento superficial y mitigar inundaciones.
  3. Disminuir la presión sobre las fuentes de abastecimiento tradicionales y los sistemas hidráulicos existentes.
• Beneficios Adicionales de la Captación Pluvial:
  • Favorece la recarga de los acuíferos.
  • Reduce los costos de abastecimiento.
  • Permite el aprovechamiento de un recurso renovable.
  • Reduce la extracción excesiva de agua subterránea.
• Servicios Ecosistémicos: Los servicios que recibimos de un ecosistema se clasifican en:
  • Provisión: Suministro de agua.
  • Regulación: Control del ciclo hidrológico, control de inundaciones y mantenimiento de la calidad del agua.
  • Soporte: Procesos fundamentales como la infiltración y la recarga.
  • Culturales: Actividades de recreación y el valor paisajístico.

Infraestructura Hidráulica en México y el Mundo

• Elementos Principales en México:
  • Presas.
  • Bordos.
  • Rompeolas.
  • Dragados.
  • Canales.
• Ejemplos Relevantes de Obras Hidráulicas Globales:
  • Presa El Cajón.
  • Presa de las Tres Gargantas.
  • Presa de Itaipú.
  • Presa La Yesca.
  • Canal de Suez.
  • Presa Hoover.

Estudios para la Planificación de Presas

• Estudios Previos para Definir el Sitio de una Presa: Se requieren al menos seis tipos de estudios técnicos:
  1. Climatológico.
  2. Topográfico.
  3. Sísmico.
  4. Hidráulico.
  5. Hidrológico.
  6. Geográfico.
• Objetivo del Estudio Topográfico: Su propósito es obtener información precisa del terreno, incluyendo sus formas, elevaciones y dimensiones. Estos datos son cruciales para definir la ubicación exacta, el diseño y la construcción de la cortina de la presa y sus obras asociadas.

Métodos de Cálculo de la Evapotranspiración y Riego

• Fórmula de Thornwaite (1944): Permite calcular el uso consuntivo como una función de las temperaturas medias mensuales, considerando:
  • El índice de calor.
  • Número de horas de sol.
  • Latitud del sitio.
• Método de Blaney-Criddle: Utiliza diversas variables para estimar la evapotranspiración potencial:
  • $T$: Temperatura media.
  • $p$: Porcentaje de horas luz.
  • $K_c$: Coeficiente de cultivo.
  • Tipo de cultivo.
  • Duración del ciclo vegetativo.
  • Zona geográfica donde se encuentra el cultivo.
  • Temporada de siembra.
• Análisis de la Lámina de Riego Neta: Si en el cálculo mensual el valor de la lluvia efectiva resulta mayor que el uso consuntivo, esto implica que el cultivo no requiere riego durante ese mes, ya que la lluvia es suficiente para mantener su ciclo vegetativo.
• Módulo de Riego: Es una herramienta de gran utilidad para definir el gasto (caudal) necesario para diferentes áreas de cultivo. Sus unidades se expresan en volumen por tiempo por unidad de superficie (por ejemplo, $l/s/ha$).

Dinámica y Funcionamiento de Vasos de Almacenamiento

• Balance de Volúmenes en el Vaso: Para llevar a cabo el análisis del funcionamiento del vaso, se consideran las entradas y salidas:
  • Volúmenes de Entrada: Escurrimiento superficial, precipitación directa, aportes subterráneos y retornos.
  • Volúmenes de Salida: Evaporación, infiltración (o filtración), extracciones para uso, descarga de excedencias, descargas de fondo y gasto ecológico.
• Niveles Característicos de Almacenamiento:
  • Volumen de súper almacenamiento: Es el volumen comprendido entre el NAMO (Nivel de Aguas Máximas Ordinarias) y el NAME (Nivel de Aguas Máximas Extraordinarias).
  • NAMO en Descarga Libre: En presas con descarga libre (sin compuertas), el nivel del NAMO no coincide necesariamente con la elevación de la cresta del vertedor (Verdadero).

Estructuras de las Presas y Control de Avenidas

• Ataguía: Es una obra temporal construida para contribuir al desvío del cauce natural de un río durante la fase de construcción de una presa.
• Avenida de Diseño: Es el excedente de escurrimiento que la presa no tiene capacidad de almacenar permanentemente y que debe ser gestionado mediante la obra de excedencia o vertedor.
• Presa de Gravedad: Tipo de presa donde su propio peso es el encargado de resistir el empuje horizontal del agua. El empuje del embalse se transmite hacia el suelo de cimentación, el cual debe ser suficientemente estable para soportar el peso de la estructura y del agua.
• Obras de Desvío:
  • Túneles: Resulta necesario construir un desvío tipo túnel cuando el cauce del río está muy encañonado.
  • Flujo: Es falso que las obras de desvío solo funcionen a flujo por gravedad; en ciertos casos pueden diseñarse para funcionar a flujo a presión.
• Desagüe de Fondo: Es un conducto ubicado en la parte baja de la presa que sirve para reducir el nivel del agua cuando este se encuentra por debajo de la cresta del vertedor. Además, es fundamental para la gestión y evacuación de sedimentos.
• Tránsito de Avenidas: Se realiza para conocer la evolución de los niveles en el vaso de la presa y los gastos de salida por la obra de toma. Es esencial para dimensionar la longitud del vertedor y fijar la elevación del NAME.
• Variables para el Tránsito de Avenidas: Para realizar esta simulación se requieren al menos las siguientes variables:
  • $I$: Gasto de entrada.
  • $O$: Gasto de salida.
  • $V$: Volumen almacenado.
  • $t$: Tiempo.
  • $E$: Elevación del agua.
  • $\Delta t$: Intervalo de tiempo.

Vertedores y Obras de Excedencia

• Definición de Vertedor: Estructura hidráulica diseñada para evacuar los excedentes de agua de un embalse con el fin de garantizar la seguridad de la presa y evitar el desbordamiento de la cortina.
• Ubicación según el Tipo de Presa:
  • En presas de concreto, el vertedor puede ubicarse sobre la cortina.
  • En presas de materiales sueltos, el vertedor debe ubicarse de forma lateral para evitar daños erosivos a la estructura de la cortina (Verdadero).
• Clasificación por Ubicación:
  • Profundo: Menos habituales, empleados en cerradas muy estrechas.
  • Superficie: Es el tipo de vertedor más común.
• Clasificación por Funcionamiento (Descarga):
  • Vertedores Libres: No cuentan con compuertas.
  • Vertedores Controlados: Equipados con compuertas para regular la descarga.
• Elementos de un Vertedor:
  1. Embocadura: Estructura donde se produce la toma de agua del embalse y que define la capacidad del vertedor.
  2. Canal de Descarga: Su función es conducir el agua de forma controlada desde la embocadura hasta su restitución.
  3. Obra de Restitución: Su objetivo es reintegrar el excedente de agua al cauce original sin producir efectos adversos o erosión excesiva.

Presas Derivadoras

• Definición de Presa Derivadora: Es una estructura cuya función primordial es elevar el nivel del agua de un río para desviarla hacia una obra de toma, canal o sistema de conducción, sin la intención de almacenar grandes volúmenes de agua.
• Elementos Componentes:
  • Cortina o azud.
  • Obra de toma.
  • Compuerta.
  • Vertedor de excedencias.
  • Canal desarenador.
  • Canal de conducción.
  • Obra disipadora de energía.
• Configuración de Cortinas y Compuertas:
  • En la obra de toma se suele colocar una cortina plana deslizante.
  • En el canal desarenador se suele utilizar una cortina radial.
• Caso de Estudio: Presa Derivadora Armería:
  • Tipo: Indio o flotante.
  • Longitud de la cortina vertedora: $150\,m$.
  • Caudal: $2.60\,m^3/s$.
  • Beneficio: $2600\,has$ físicas irrigadas.

Simulación Hidráulica

• Software HEC-RAS: Permite la simulación de dos tipos de flujo principales:
  1. Flujo permanente.
  2. Flujo no permanente.

Preguntas y Respuestas de Repaso

• ¿Qué es seguridad hídrica? Condición de disponibilidad de agua en calidad y cantidad continua para consumo, economía, ecosistemas y gestión de riesgos.
• ¿Cuál es la función del tránsito de avenidas? Dimensionar el vertedor, fijar el NAME y conocer la evolución de niveles y gastos.
• ¿Qué variables usa Blaney-Criddle? Temperatura, porcentaje de horas luz, coeficiente de cultivo, ciclo vegetativo, ubicación y temporada.
• ¿Para qué sirve el desagüe de fondo? Bajar niveles por debajo del vertedor y gestionar sedimentos.