MODELO DE SIMULACIÓN DEL CANAL NUEVO DELTA EN EL DISTRITO DE RIEGO RÍO COLORADO, B.C.

Transcripción

1 MODELO DE SIMULACIÓN DEL CANAL NUEVO DELTA EN EL DISTRITO DE RIEGO RÍO COLORADO, B.C. Prado H. J. Víctor 1, De León M. F. Benjamín, Carrillo G. Mauricio 3 e Ibáñez C. Laura A. 4 1 Universidad Autónoma Chapingo, km 3.5 carr. México - Texcoco. C.P. 5630, Chapingo, Estado de México. joviph@colpos.mx Instituto Mexicano de Tecnología del Agua, Paseo Cuauhnáhuac 53, Col. Progreso, C.P. 6550, Jiutepec, Mor. bleon@tlaloc.imta.mxmo. 3 Universidad Autónoma Chapingo, km 3.5 carr. México - Texcoco. C.P. 5630, Chapingo, Estado de México. mauricio@correo.chapingo.mx 4 Universidad Autónoma Chapingo, km 3.5 carr. México - Texcoco. C.P. 5630, Chapingo, Estado de México. libanez@correo.chapingo.mx RESUMEN El canal Nuevo Delta forma parte de la red principal de distribución del distrito de riego 014 Río Colorado, B.C. Este canal se diseñó y construyó hace 40 años, con una capacidad de 4.70 m 3 /s, para regar una superficie de 33,000 ha. Los asentamientos del terreno, debidos a fallas geológicas en el lugar, han provocado hundimientos en los primeros 5 km del canal, los cuales han limitado su capacidad de conducción y las derivaciones hacia los canales laterales y tomas directas que alimentan a los módulos de riego 10, 11 y 1. Estudios geológicos recientes prevén que para el año 030 los asentamientos en la zona se habrán incrementado de uno a dos metros, lo cual hará imposible la derivación por gravedad a las tomas laterales. Los asentamientos registrados a la fecha se han compensado sobreelevando los bordos del canal; sin embargo, la alimentación a las extracciones laterales se ha visto reducida debido a las dificultades y riesgos de inestabilidad de los taludes al operar con tirantes altos. Con el propósito de analizar y proponer alternativas de mejoramiento de la operación del canal Nuevo Delta, se realizó una modelación del flujo en régimen transitorio para simular su funcionamiento hidráulico bajo diferentes políticas de operación. Las etapas de la modelación se aplicaron al sistema formado por el canal Nuevo Delta en el tramo comprendido entre el km y el km y las derivaciones laterales funcionando por gravedad y sustituidas por estaciones de bombeo. Del análisis de los resultados se desprende que mediante la sustitución paulatina y selectiva de las tomas laterales que operan por gravedad por cárcamos de bombeo se podrán reducir los niveles de operación sobre el canal Nuevo Delta y sobreelevar el agua de uno a dos metros para compensar los asentamientos previstos para el año 030. Palabras clave: modelación de canales, simulación de canales, operación de canales, modelación matemática. INTRODUCCIÓN El distrito de riego 014 Río Colorado riega una superficie de 10,000 ha, de las cuales el 16% se abastecen por el canal Nuevo Delta. Este canal se diseñó con una capacidad de 4.70 m 3 /s, con una sección trapezoidal revestida de concreto para alimentar a 33,000 ha de los módulos de riego 10, 11 y 1. Las pendientes originales de la rasante del canal variaban de a en los tramos comprendidos entre el km y el km En este tramo el terreno ha tenido asentamientos diferenciales, lo cual ha modificado la pendiente del canal y ha obligado ha sobreelevar, en diferentes etapas, la corona del canal para conservar su capacidad de conducción. Estas sobreelevaciones han transformado la sección original del canal en secciones compuestas, con una importante modificación del coeficiente de fricción y consecuentemente de la capacidad de conducción. El proyecto original del canal comprende secciones trapezoidales revestidas de concreto que varían de 3. m de plantilla, tirantes de.33 m y taludes :1 en el km a.1 m de plantilla, tirantes de 1.6 m y taludes 1.75:1 en el km La capacidad de conducción entre un punto y otro es de 4.7 y 4.39 m3/s respectivamente. Con los asentamientos diferenciales, la pendiente de la rasante del canal es muy irregular; 1

2 entre el km y el km en general la tendencia es descendente, pero del km al el movimiento del agua es en contrapendiente. Para mantener la capacidad de conducción del canal se han realizada varias sobreelevaciones de los bordos del canal de 40 a 60 centímetros cada una. Los mayores asentamientos se han tenido entre el km y el km 1+000, los cuales han sido del orden de dos metros, mientras que en el km 5 el terreno sólo se ha asentado 50 centímetros. El canal alimenta 1 tomas directas y extracciones laterales, entre las que destacan por su capacidad las de los canales laterales +00, , 19+00, y +00. El análisis hidráulico de la operación del canal se realizó con la representación de la geometría actual, para evaluar su capacidad de conducción. Para esto se introdujo la geometría de las secciones transversales a cada 100 m y se interpoló con secciones de cálculo a cada 0 m en algunos tramos. En las simulaciones realizadas se determinó la capacidad de conducción del canal asegurando como mínimo un bordo libre de 0.50 metros. La representación de las extracciones laterales de las tomas directas se efectuó mediante un caudal impuesto en función de la capacidad de las tomas o del caudal de operación normal. En los canales laterales +00, , 19+00, y +00 se consideraron sus características topográficas, geométricas e hidráulicas y la gama de caudales de operación. Los caudales de operación se obtuvieron de los programas de distribución de agua semanal que reportaron los encargados de la operación de los módulos 10, 11 y 1 para el año agrícola 007. La información para la calibración del modelo de simulación, es decir, los valores de tirantes y caudales a lo largo del canal, así como de los caudales, las aberturas y los tirantes aguas arriba y aguas abajo de las compuertas se obtuvieron directamente en campo para un régimen de funcionamiento permanente que se mantuvo durante los días que se realizaron las mediciones. Mediante la simulación del funcionamiento hidráulico del canal se evaluó su capacidad de conducción actual bajo diferentes políticas de operación de las tomas laterales, y la capacidad de conducción con los asentamientos previstos para el año 030. MATERIALES Y MÉTODOS Mediante simulación matemática se analizaron diferentes alternativas de operación para elegir la que mejor regule los tirantes de cada tramo de canal y los caudales en las estructuras a través del tiempo de tal forma que se satisfagan adecuadamente los caudales demandados por las extracciones laterales que son las estructuras que finalmente dotan de agua a los cultivos de la zona de riego. El procedimiento de elaboración del modelo matemático de simulación de canales considera siete etapas: (1) planteamiento y definición de objetivos, () análisis del sistema estudiado, (3) formulación del modelo, (4) adquisición de información, (5) verificación, (6) calibración, (7) validación y utilización. Delimitación del canal Nuevo Delta La longitud del canal Nuevo Delta es de 45 km de los cuales, los primeros 5 km son los que han sufrido asentamientos y en los que se prevé continuarán hundiéndose hasta el año 030. La zona comprendida entre las fallas de San Andrés y la de Imperial se muestra en la figura 1, donde aparece el canal Nuevo Delta entre su origen en el canal Reforma y los primeros 5 kilómetros. Este canal se diseñó con una capacidad de 4.70 m 3 /s, con una sección trapezoidal revestida de concreto para alimentar a 33,000 ha de los módulos de riego 10, 11 y 1. Las pendientes originales de la rasante del canal variaban de a en los tramos comprendidos entre el km y el km El canal alimenta 1 tomas directas y extracciones laterales, entre las que destacan por su capacidad las de los canales laterales +00, , 19+00, y +00.

3 Cota (m) Falla Imperial Canal Nuevo Delta Módulo 10 Módulo 1 Módulo 11 Falla San Andrés Figura 1. Canal Nuevo Delta en la zona de hundimientos previstos para el año 030. Topografía del canal Nuevo Delta Para establecer los límites de los niveles de operación del canal Nuevo Delta y realizar las simulaciones del funcionamiento hidráulico, es necesario referir la topografía actual del canal Nuevo Delta con la topografía del proyecto original y la que se prevé para el año 030, ya que en estudios realizados en 000 se prevén asentamientos diferenciales del canal que varían de uno a dos metros relativos a las cotas de ese año, según se muestra en la figura. Las cotas de la rasante del canal para el año 030 se determinaron agregando a las cotas del levantamiento el asentamiento previsto. La topografía actual se obtuvo mediante levantamiento topográfico de las secciones transversales a cada 100 metros. En la figura se muestran las elevaciones originales, actuales y las previstas para el año 030 de la rasante y la corona del canal, así como del nivel del agua actual Rasante de proyecto Rasante actual Rasante prevista por hundimiento Corona de proyecto Corona construida originalmente Corona actual Tirante actual Kilometraje (m) Figura. Elevaciones del canal Nuevo Delta de proyecto, actuales y al año 030 3

4 Formulación del modelo de funcionamiento del canal Nuevo Delta Representación matemática del flujo en canales abiertos La dinámica de los sistemas hidráulicos a superficie libre como los canales de riego se representa adecuadamente por las ecuaciones de flujo transitorio de Saint-Venant (Ligget, 1975; Litrico y Georges, 1999): Q Z T q x t Q ( Q / A) Z ga gas f Kqv t x x (1) () Donde: Q es el caudal o gasto [L 3 T -1 ]; x es la distancia horizontal en el sentido del flujo [L]; T es el ancho del espejo libre del agua [L]; Z es la cota de la superficie libre del agua [L]; t es el tiempo [T]; q es el caudal lateral unitario (aporte o extracción)[l T -1 ]; A es el área hidráulica [L ]; g es la aceleración gravitacional [L T - ]; Sf es la pendiente de la línea de energía [L L -1 ] y K es un coeficiente [adim.] que toma el valor de cero si q>0 y uno si q<0. Representación del flujo en las estructuras Si en las ecuaciones (1) y () se considera que el caudal consecutivo a una maniobra es constante (Q = constante), que el caudal lateral unitario es nulo (q = 0) y que las pérdidas de carga por fricción son despreciables (S f = 0); entonces las variables independientes (x) y (t) se pueden eliminar ya que las estructuras se localizan en puntos conocidos y las maniobras se ejecutan en tiempos predeterminados. Con estas consideraciones el flujo en la vecindad de las estructuras se expresa mediante la siguiente ecuación (De León et al., 006; De León et al., 007): 1 dq Q dq Q T ga 0 (3) T dz A dz A Las soluciones de la ecuación (3) son las ecuaciones (4) y (5): dq v c T dz (4) Q T g A 0 A (5) donde: c es la celeridad de las ondas producidas por la maniobra de la estructura [L T -1 ]. La ecuación (4) define la relación entre el caudal y el tirante inmediatamente aguas arriba y aguas abajo de la compuerta después de una maniobra, a saber: dq Aguas arriba: v c T (6) dz dq Aguas abajo: v c T (7) dz SIMULACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO HIDRÁULICO PARA LAS CONDICIONES ACTUALES DEL CANAL Esta información alimentó al modelo para representar la geometría del canal desde el km hasta el km En esta distancia queda comprendido el tramo del canal Nuevo Delta que presenta asentamientos. 4

5 Gasto (m3/s) Caudal (m 3 /s) Desde el Km al km se localizan 6 estructuras de extracción correspondientes a tomas directas y tomas de canales laterales. Para representar adecuadamente el funcionamiento hidráulico del canal y las diferentes combinaciones de distribución de agua, el canal se dividió en 6 tramos de operación. En la figura 3 se muestra una configuración del programa de extracciones de una semana de operación del año agrícola 007 y en la figura 4 se muestra la distribución de caudales a lo largo del canal Kilometraje (m) Figura 3. Distribución de caudales de extracción Distancia (m) Figura 4. Distribución de caudales entre el km y el km Las estructuras de control en este tramo del canal son nueve represas con compuertas radiales en los siguientes kilometrajes: 0+000, +000, 4+000, 6+63, +150, , 14+00, , 0+600, +00 y Las estructuras de los Km y se consideraron en el modelo como condiciones de frontera aguas arriba y aguas abajo respectivamente. En el km se introdujo un hidrograma correspondiente a la demanda de riego. En el km se introdujo una ley de extracción carga-caudal. En este punto la carga se estableció en la cota 11.36, la cual permite la alimentación de las extracciones laterales aguas arriba de dicho punto. El caudal se fijó en 3. m 3 /s, el cual corresponde a la demanda de riego y los caudales de operación aguas abajo. 5

6 - 1,000,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000,000 9,000 10,000 11,000 1,000 13,000 14,000 15,000 16,000 17,000 1,000 19,000 0,000 1,000,000 3,000 4,000 5,000 Cota (m) Estos valores de los caudales se tomaron como condiciones iniciales para al calibración del modelo y los tirantes correspondientes se obtuvieron mediante la medición directa de la pérdida de carga en los tramos de canal y en las estructuras de control, Cuadro 1. Para la calibración del modelo se tomaron los valores medidos en campo de los tirantes en los tramos y aguas arriba y aguas abajo de las estructuras, Cuadro 1. En el modelo se variaron los coeficientes de rugosidad y los coeficientes de descarga hasta reproducir los valores observados en campo. El criterio de convergencia que se asumió fue minimizar las diferencias entre los valores medidos y simulados. Cuadro 1. Mediciones del tirante y pérdidas de carga en estructuras Tirante cota nivel Cota nivel Cota aguas aguas aguas abajo rasante del Tirante aguas abajo arriba (m) (m) canal (m) arriba (m) (m) Perdida de carga en estructuras (m) Represa (Km) Caudal (m3/s) RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN PARA LA SITUACIÓN ACTUAL Para reproducir las pérdidas de carga en cada tramo se probaron diferentes valores de rugosidad y de coeficientes de descarga en las compuertas. Los valores de rugosidad de Manning variaron de a Los valores calculados del tirante mediante el modelo resultaron iguales o inferiores a las cotas del bordo libre del canal. En la figura 5 se muestran el perfil de la cota del agua, la corona y la rasante del canal Fondo del canal Superficie del agua Bordo del canal Sifón 7 Distancia (m) Figura 5. Perfil del canal Nuevo Delta para la condición actual 6

7 - 1,000,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000,000 9,000 10,000 11,000 1,000 13,000 14,000 15,000 16,000 17,000 1,000 19,000 0,000 1,000,000 3,000 4,000 5,000 Cota (m) SIMULACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO HIDRÁULICO DEL CANAL NUEVO DELTA PARA EL AÑO 030 Según la previsión de los asentamientos para el año 030, el canal Nuevo Delta tendrá asentamientos diferenciales de 0.5 a.0 metros a lo largo del canal, siendo los más acentuados entre el km y el km En el cuadro 4 de las secciones transversales del canal Nuevo Delta en el año 030 se sobreelevó la corona actual en la misma proporción de los hundimientos previstos. Esto sería necesario hacer si se quisiera seguir alimentando a las tomas laterales por gravedad, pero si se asume que a futuro se instalarán estaciones de bombeo sobre el canal Nuevo Delta, entonces no será necesario sobreelevar el canal en todos los tramos. Considerando que entre en las represas de los km 5+100, +00 y ya no sea necesario remansar el agua, entonces la cota del nivel mínimo de operación que se podría tener en el km donde se reducen los asentamientos sería de 1.0 m, figura Fondo del canal Superficie del agua Corona del canal Distancia (m) Figura 6. Perfil del canal Nuevo Delta para la condición del año 030 La cota mínima del nivel del agua en el km se tendría para el caudal de 3.0 m 3 /s que seguiría circulando aguas abajo del km 5+100, sin embargo si este caudal es mayor entonces la cota del nivel del agua en ese punto aumentará. Así para el programa de operación de máxima demanda (caudal de diseño) del caudal Nuevo se tendrá el perfil del canal como se muestra en la figura 7. 7

8 - 1,000,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000,000 9,000 10,000 11,000 1,000 13,000 14,000 15,000 16,000 17,000 1,000 19,000 0,000 1,000,000 3,000 4,000 5,000 Cota (m) Fondo del canal Superficie del agua Corona del canal Distancia (m) Figura 7. Perfil del canal para el caudal máximo En la figura 7 se observa que para el caudal máximo al inicio del canal y si se quisiera hacer pasar un caudal de 7.5 m 3 /s aguas abajo del km la cota del nivel del agua en el km será de 1.5 m. Con esta configuración de caudales en el canal, el libre bordo varía de 0.50 m entre el km al km y de 1.0 m entre el km +000 y el km +00. Tomando en consideración que el canal se ubica en una zona con riesgo sísmico, un bordo libre de un metro es adecuado para la protección del canal y de las zonas aledañas. Además, en el caso que se tuviera la necesidad de operar las represas de los km 5+100, +00 o la en el canal habría capacidad para de manera temporal absorber los remansos causados por la maniobra de dichas estructuras. CONCLUSIÓN Del análisis hidráulico del canal se desprende la necesidad a futuro de sobreelevar la corona del canal Nuevo Delta en la misma proporción en que se presenten los asentamientos. Además de que la operación del mismo deberá ordenarse de manera de abatir los niveles de operación del canal en el tramo comprendido del km al km Este abatimiento del nivel se logrará con la instalación paulatina de las plantas de bombeo que se han propuesto en el proyecto general de mejoramiento de la operación del canal Nuevo Delta. LITERATURA CITADA De León M. B., Prado H. V., Rendón P. L., Robles R. B. y Ramírez L. J Delimitación del uso de compuertas como estructuras de aforo en canales de riego. Ingeniería Hidráulica en México, Vol. XXI, Núm. 1, pp: De León M. B., Prado H. V., Verdier J. y Fuentes R. C Simulación numérica del movimiento de estructuras de control en canales de riego. Agrociencia 41, pp: Ligget, J. A Basic equations of unsteady flow. In Unsteady flow in open channels, Vol. I. Editado por K. Mahmood and V. Yevjevich. Water Resources Publications. Fort Collins, Col., USA. pp:9-6. Litrico, X. and D. Georges Robust continuous-time and discrete-time flow control of a dam-river system: (I) Modelling. Applied Mathematical Modelling, Vol. 3. pp: 09 7.