Distribucion de Agua Potable de Limon

UNIVERSIDAD FIDÉLITASFACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL Portada TESIS Para optar al grado de Licenciatura en Ingeniería Civil Análisis Hidráulico e Hidrológico Preliminar de las cuencas de los ríos Banano y Bananito para ubicar un sitio de Bocatoma para el abastecimiento de agua potable a la ciudad de Limón Paola Gómez Arias Adrián Rojas Barrantes San José, Costa Rica Mayo del 2007 I DECLARACIÓN JURADA Yo, Adrián Rojas Barrantes, soltero, egresado de la carrera de Ingeniería Civil, vecino de Heredia, con cédula de identidad número uno novecientos ochenta y uno ciento noventa y tres. En este acto, debidamente apercibido y entendido de las penas y consecuencias con las que se castiga en el Código Penal el delito de perjuicio, ante quienes se constituyen en el Tribunal Examinador de mi trabajo de investigación titulado “Análisis Hidráulico e Hidrológico Preliminar de las cuencas de los ríos Banano y Bananito para ubicar un sitio de Bocatoma para abastecer de agua potable a la ciudad de Limón”, es una obra original que ha respetado todo lo preceptuado por las Leyes Penales, así como la Ley de Derecho de Autor y Derechos Conexos N° 6683 del 14 de octubre de 1982 y sus reformas, publicada en La Gaceta Nº 226 del 25 de noviembre de 1982; incluyendo el numeral 70 de dicha ley que advierte: Artículo 70º: “Es permitido citar a un autor, transcribiendo los pasajes pertinentes siempre que éstos no sean tantos y seguidos, que puedan considerarse como una producción simulada y sustancial, que redunde en perjuicio del autor de la obra original”. Asimismo, quedo advertido que la Universidad se reserva el derecho de protocolizar este documento ante Notario Público. En fe de lo anterior, firmo en la ciudad de San José, a los quince días del mes de mayo del año dos mil siete. Adrián Rojas Barrantes 1-0981-0193 II DECLARACIÓN JURADA Yo, Paola Gómez Arias, soltera, egresada de la carrera de Ingeniería Civil, vecina de Tibás, con cédula de identidad número uno mil siete seiscientos treinta y ocho. En este acto, debidamente apercibido y entendido de las penas y consecuencias con las que se castiga en el Código Penal el delito de perjuicio, ante quienes se constituyen en el Tribunal Examinador de mi trabajo de investigación titulado “Análisis Hidráulico e Hidrológico Preliminar de las cuencas de los ríos Banano y Bananito para ubicar un sitio de Bocatoma para abastecer de agua potable a la ciudad de Limón”, es una obra original que ha respetado todo lo preceptuado por las Leyes Penales, así como la Ley de Derecho de Autor y Derechos Conexos Nº 6683 del 14 de octubre de 1982 y sus reformas, publicada en La Gaceta Nº 226 del 25 de noviembre de 1982; incluyendo el numeral 70 de dicha ley que advierte: Artículo 70º: “Es permitido citar a un autor, transcribiendo los pasajes pertinentes siempre que éstos no sean tantos y seguidos, que puedan considerarse como una producción simulada y sustancial, que redunde en perjuicio del autor de la obra original”. Asimismo, quedo advertida que la Universidad se reserva el derecho de protocolizar este documento ante Notario Público. En fe de lo anterior, firmo en la ciudad de San José, a los quince días del mes de mayo del año dos mil siete. Paola Gómez Arias 1-1007-0638 III AGRADECIMIENTOS Queremos agradecer a las siguientes personas: A nuestro Tutor, ingeniero José Antonio Aragón, por la ayuda, tiempo, esfuerzo y sacrificio que depositó en este trabajo de graduación. Al ingeniero Omar Vargas, por compartir sus conocimientos y dedicarnos gran parte de su tiempo dirigiéndonos por el camino correcto de la investigación. Al ingeniero Alejandro Rodríguez y a la oficina cantonal de la Región Huetar Atlántica, por su valiosa ayuda. Al ingeniero José Luis Arguedas, así como a todo el personal de la Dirección de Estudios y Proyectos del AyA, donde siempre pudimos contar con el consejo de sus profesionales, la información necesaria y la ayuda del departamento de Dibujo. Al ingeniero Carlos Vargas y a los empleados de la Dirección de Gestión Ambiental del AyA, por los aportes de los profesionales y toda la colaboración prestada por el personal que ahí labora, en especial las cuadrillas de Estudios Básicos, integradas por Adonay Carrillo, Gerardo Rojas, Marcial Peña, José Ordoñez, Elicinio Segura y José Zamora. Al señor Juan Murillo, por los aportes, consejos y correcciones. A las otras dependencias del AyA que colaboraron: Biblioteca, Dirección Financiera, Dirección de Planificación, Gestión y Riesgo, entre otras. IV DEDICATORIA A Dios por darme la sabiduría, el conocimiento, la inteligencia, paciencia y, sobre todo, la constancia para poder culminar esta carrera. A mis padres, porque a través de su ejemplo aprendí la responsabilidad, la lucha hasta el final y dar lo mejor de mi persona en todo lo que hago. A todas las personas cercanas a mí, quienes, de una u otra forma, me dieron el apoyo y la motivación, y siempre me mostraron su interés por terminar con éxito este trabajo. A los trabajadores personal de Recursos Hídricos, mis grandes compañeros, quienes fueron siempre incondicionales en las labores de campo y en las grandes caminatas. Ellos, gracias a su gran disposición y experiencia, nos cuidaron y arriesgaron hasta sus vidas en aquellos momentos difíciles que compartimos al elaborar esta investigación. Adrián Rojas Barrantes V DEDICATORIA A Dios, por darme fuerzas cuando creí no tenerlas más… A mis padres, por motivarme a alcanzar mis metas. A mis compañeros de Estudios y Proyectos, por su cariño, apoyo y ayuda incondicional en todo momento. ¡Muchas gracias; los quiero mucho! A los compañeros de las cuadrillas, que en todas las giras nos ayudaron con su experiencia y nos cuidaron en todo momento. ¡Gracias, chicos! A mis amigos y amigas por darme ánimo siempre, apoyarme y ayudarme cuando lo necesité. ¡Gracias infinitas a todos y un gran abrazo! Paola Gómez Arias VI ÍNDICE GENERAL Objetivo General ................................................................................................................. XXVII Objetivos Específicos ........................................................................................................... XXVII Trabajos que se elaborarán en la tesis ............................................................................... XXVII Alcances ............................................................................................................................ XXVIII Limitaciones ....................................................................................................................... XXVIII VII ÍNDICE DE FIGURAS INTRODUCCIÓN Fig. 1: Esquema del Sistema del Acueducto de Limón ................................................... XXII Fig. 2: Esquema del Sistema del Acueducto de Limón ................................................. XXIII Fig. 3: Mapa del cantón de Limón ......................................................................................... 2 Fig. 4. Mapa de la cuenca del río Banano .......................................................................... 12 Fig. 5. Mapa de la cuenca del río Bananito ........................................................................ 16 Fig. 6: Planta y sección de un cauce trenzado....................................................................24 Fig. 7. Cauce meandriforme: morfología (planta y secciones transversales vistas en el sentido de la corriente) y evolución ideal (derecha).......................................................... 25 Fig. 8 Meandros regulares, irregulares, simples y compuestos...................................... 25 Fig. 9. Estrangulamiento o corte natural de un meandro y formación de lagos.... 25 Fig. 10. Parámetros de una planta sinuosa. ( λ = longitud de onda, a = amplitud, Q= caudal, B= anchura del cauce en la superficie libre, s = sinuosidad, l = longitud del valle)......................................................................................................................................27 Fig. 11. Cauce colgado de dos albardones o diques.......................................................... 28 Fig. 12. Formas de lecho en canales de fondo móvil........................................................ 41 Fig. 13. Diámetros de ejes perpendiculares....................................................................... 44 Fig. 14. Curva de Shields en el sistema de ejes ( τ *, Re*)................................................. 56 Fig. 15. Curva de Shields en el sistema de ejes ( τ *, D*)................................................... 57 Fig. 17 Llanura de inundación del río Bananito.............................................................. 69 Figs. 18 y 19. Tala ilegal y erosión en las márgenes del río Bananito........................... 70 Fig. 20. Meandros en la cuenca del río Bananito.............................................................70 Fig. 21. Toma del río Bananito.......................................................................................... 71 Fig. 22. Caudales medios para 1961, año más parecido al promedio, para SE1 …........73 Fig. 23. Análisis de frecuencia de caudales …...................................................................74 Figs. 24 y 25. Aguas arriba de la toma, SE1..................................................................... 75 Fig. 26. Curvas granulométricas del río Bananito en SE1............................................... 76 Fig. 27. Curva granulométrica, muestra tomada 500 mts aguas arriba de SE1.............. 77 Figs. 28 y 29. Tramo y secciones del río Bananito en SE1 ................................................. 78 Fig. 30. Variación de la n de Manning con el tirante y el D84 en SE1 .............................. 80 VIII Fig 31. Perfil longitudinal de la superficie del agua para diferentes caudales en SE1 ..... 81 Fig. 33. Velocidades medias en cada sección de SE1 .......................................................... 84 Fig. 34. Falla en la margen derecha del río Bananito ........................................................ 86 Fig. 35. Perfil longitudinal de los ríos Bananito, Gobán, Tuguela y Quebrada Burrico . . 87 Fig. 36. Vagones del ferrocarril puestos en la margen derecha del río Bananito ............. 89 Fig. 37. Margen externa en la curva, río Bananito ............................................................ 90 Fig. 38. Caudales medios para los sitios de estudio en la cuenca del río Banano ............. 95 Fig. 39. Análisis de frecuencia de caudales de los sitios de estudio en la cuenca de río Banano .................................................................................................................................. 96 Fig. 40. Curva granulométrica, varias muestras en la cuenca del río Banano ................. 97 Fig. 41. Perfil longitudinal de los ríos Banano, Nuevo, Segundo, Tercero y Aguas Zarcas ............................................................................................................................................... 99 Figs. 42 y 43. Río Banano en SE2 .................................................................................... 100 Fig. 44. Variación del n de Manning con el tirante y el D84 en SE2 .............................. 101 Fig. 45. Perfil longitudinal de la superficie del agua para diferentes caudales en SE2 .. 102 Fig. 46. Arrastre de sedimento por el fondo en cada sección y para los diferentes caudales analizados en Hec-Ras ........................................................................................................ 104 Figs. 47 y 48. Tipo de sedimentos en el lecho y márgenes de la SE2 ............................... 104 Fig. 49. Velocidades medias en cada sección de SE2 ........................................................ 105 Fig. 50. Sección de estudio SE3 río Nuevo en Asunción .................................................. 107 Fig. 51. Vehículo atascado en el cauce del río Aguas Zarcas .......................................... 109 Fig. 52. Cauce río Banano y las 5 secciones analizadas en Hec-Ras ............................... 111 Fig. 53. Variación del n de Manning con el tirante y el D84 en SE5 .............................. 111 Fig. 54. Sedimento muestreado en SE5 ............................................................................. 112 Fig 55. Perfil longitudinal de la superficie del agua para diferentes caudales en SE5 ... 113 Figs 56 y 57. Medición de caudal en cauce muy amplio del río Banano en SE5 ............ 113 Fig. 58. Arrastre de sedimento por el fondo en cada sección y para los diferentes caudales analizados en Hec-Ras ........................................................................................................ 114 Fig. 59. Velocidades medias en cada sección de SE2 ........................................................ 115 Fig. 60. Sitio propuesto para toma en río Banano, margen derecha ............................... 120 Fig. 61 .Vista aguas abajo, sitio propuesto para toma en el río Banano .......................... 120 Fig. 62 .Vista aguas arriba, sitio propuesto para toma en el río Banano ......................... 121 IX ÍNDICE DE TABLAS CAPÍTULO I Tabla 1. Precipitación y temperatura promedio anual .......................................................... 8 Tabla 2. Parámetros morfológicos de la cuenca del río Banano ........................................ 14 Tabla 3. Parámetros morfológicos de la cuenca del río Bananito ...................................... 18 Tabla 4. Clasificación de ríos por pendiente ....................................................................... 23 Tabla 5. Clasificación de la rugosidad ................................................................................. 46 Tabla 6.Comparación de fórmulas tipo Keulegan ............................................................... 50 Tabla 7. Resultados de laboratorio para la cuenca del río Bananito ................................. 68 Tabla 8. Análisis de frecuencia de caudales ........................................................................ 75 Tabla 9. Características del sedimento en el río Bananito .................................................. 77 Tabla 10. Estacionamiento de las secciones y nivel mínimo .............................................. 79 Tabla 11. Análisis de calidad del agua en la cuenca del río Banano (07-09-2005) ........... 93 Tabla 12. Ubicación de los sitios de estudio en la cuenca de río Banano .......................... 94 Tabla 13 Caudal promedio anual para SE2, SE3, SE4 y SE5 ............................................ 95 Tabla 14. Análisis de frecuencia de caudales para SE2, SE3, SE4 y SE5 ......................... 96 Tabla 15. Características del sedimento en el río Banano .................................................. 98 Tabla 16 Estacionamiento de las secciones y nivel mínimo ............................................. 101 Tabla 17. Estacionamiento de las secciones y nivel mínimo ............................................ 111 Tabla 18. Caudales representativos para SE2 ................................................................... 120 Tabla 19. Datos principales de la línea de conducción y resultados de cálculo ............... 124 Tabla 20. Ubicación de válvulas de compuerta ................................................................. 125 Tabla 21. Ubicación de válvulas de aire ............................................................................ 126 Tabla 22. Ubicación de válvulas de limpieza ..................................................................... 126 Tabla 23. Datos de pasos .................................................................................................... 127 Tabla 24. Costos del sistema de bombeo para SE5 (Rehabilitación La Bomba) ............. 130 Tabla 25. Mejoras realizadas en la toma del río Bananito ............................................... 133 Tabla 26. Costo del consumo eléctrico por bombeo .......................................................... 133 Tabla 27. Costo de los contratos por concepto de materiales y maquinaria .................... 134 Tabla 28. Costos de conformación de presa por parte del AyA ........................................ 134 X Tabla 29. Costos de limpieza de presa por parte del AyA .................................................. 135 Tabla 30. Costos por mantenimiento y reemplazo de equipos .......................................... 135 Tabla 31. Costos por seguro de sistema de agua potable de Limón .................................. 136 Tabla 32. Estimación de las entradas por concepto de tarifas del AyA ............................ 137 Tabla 33. Evaluación económica de la toma en el río Bananito (SE1) ............................ 138 Tabla 34. Presupuesto de las obras necesarias para la rehabilitación en La Bomba ..... 141 Tabla 35. Evaluación económica, rehabilitación de La Bomba (SE5) ............................ 143 Tabla 36 Presupuesto de las obras necesarias para la toma de río Banano en Asunción ….........................................................................................................................................146 Tabla 37. Evaluación económica de la toma del río Banano en Asunción (SE2) .......... 149 Tabla 38. Resumen de evaluaciones económicas ............................................................ 150 XI LISTA DE ANEXOS Anexo 1. Mapa de la zona de estudio. Anexo 2. Mapa de las zonas de vida según Atlas Costa Rica 2000. Anexo 3. Mapa de Geología según Atlas Costa Rica 2000. Anexo 4. Mapa de Precipitación anual (mm) según Atlas Costa Rica 2000. Anexo 5. Mapa de uso del suelo según Atlas Costa Rica 2000. Anexo 6. Mapa de recorrido de giras, realizadas en la zona de estudio. Anexo 7. Mapa de sitios de muestreos: calidad de agua y granulometría. Anexo 8. Mapa de sitios de estudio. Anexo 9. Vista en planta y ubicación de las secciones transversales en SE1, río Bananito. Anexo 10. Plano de curvas de nivel con el espejo del agua alcanzado por el caudal formativo, río Bananito SE1. Anexo 11. Movimientos del cauce río Bananito, SE1. Anexo 12. Ubicación de secciones transversales, río Bananito SE1. Anexo 13. Ubicación de secciones transversales, río Banano SE2. Anexo 14. Plano de curvas de nivel con el espejo del agua alcanzado por el caudal formativo, río Banano SE2. Anexo 15. Movimientos del cauce, río Banano en Asunción SE2. Anexo 16. Vista en planta y ubicación de las secciones transversales, río Banano SE5. Anexo 17. Plano de curvas de nivel con el espejo del agua alcanzado por el caudal formativo, río Banano La Bomba SE5. Anexo 18. Movimientos del cauce, río Banano SE5. Anexo 19. Registro histórico de mediciones de caudal en río Banano Asunción, SE2. Anexo 20. Láminas 1 y 2. Anexo 21. Láminas 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 y 9. Anexo 22. Láminas 1 y 2. XII LISTA DE ABREVIATURAS AyA: Instituto Costarricense de Acueductos y Alcantarillados. CHW: Coeficiente C de Hazen y William. Cm: Centímetros. G/m 3 : Gramos por metro cúbico. Ha: Hectárea. HEC-RAS: Software que modela unidimensionalmente cálculos para flujos laminares y flujos turbulentos. HF. : Hierro Fundido. ICE: Instituto Costarricenses de Electricidad. Kg/m 3 : Kilogramos por metro cúbico. Kg/s: Kilogramo por segundo. Km.: Kilómetros. Km 2 : Kilómetro cuadrado. L/s: Litros por segundo. M: Metros. m.s.n.m.: Metros sobre el nivel del mar. M/s: Metros por segundo. M/s 2 : Metros por segundo al cuadrado. M 3 /s: Metro cúbico por segundo. M 3 : Metros Cúbicos. Mm.: Milímetros MPM: Fórmula de Meyer Peter Muller. N/m 2 : Newtons por metro cuadrado. NPSH: Net Positive Suction Head (Carga Neta Positiva de Aspiración). ºC: Grados Celsius. PT: Planta de Tratamiento de Agua Potable. PH: Potencial de hidrógeno. Q: Caudal. XIII Qs: Caudal Sólido. SSS: Sólidos Suspendidos Sedimentables. SE: Sección de Estudio. T/ha: Toneladas por hectárea. TQ.: Tanque de Almacenamiento. UCV: Unidades de Color Verdadero. Und: Unidades. UNT: Unidades Nefelométricas de Turbiedad. Urb.: Urbanización. Vm: Velocidad Media. XIV GLOSARIO Acresión: Disminución de la erosión. Aluvial: Formado por sedimentos acarreados por las aguas de un río. Artesa:Valle por el que circula o ha circulado un glaciar de dimensiones importantes, que ha desatado una morfología clara de glaciarismo. Avenidas Máximas: Crecida impetuosa de un río que se mide por periodos de retorno. Azolves: Obstrucción de una cañería o conducto de agua. Basal: Referente a una base. Buzamiento: Con inclinación hacia el río. Sentido u orientación de los estratos en un relieve de plegamiento formado en rocas sedimentarias que son las que se disponen en forma de capas y estratos. Cachera: Conjunto de accesorios de tubería que incluyen: bombas, válvulas, tee, codos, niples, etc. Cárcavas: Desgarre del terreno en laderas o pendientes por efecto de la erosión, principalmente pluvial. Cimacio: Moldura de perfil en forma de S. Coeficiente C: Coeficiente de Manning que se aplica en la fórmula de Chezy para el cálculo de la velocidad del agua en canales abiertos. Control Piloto: Dispositivo que puede controlar una válvula desde un lugar remoto como una caseta de operación. Desgravador: Estructura que permite la sedimentación del material granular disminuyendo la velocidad del agua. Detritos: Resultado de la desagregación de una masa sólida en partículas. Erosión Kárstica: Producida por las corrientes de agua que escurren bajo la superficie terrestre debido a la acción de las aguas superficiales. Hondonadas: Espacio de terreno hondo, depresión. XV Índice de Compacidad: Que muestra qué tan compacta es una cosa. La Bomba: Lugar donde se encuentra la planta de tratamiento de aguas y la toma antigua del AyA. Lutitas: Roca formada por detritos, y está integrada por partículas del tamaño de la arcilla y del limo. Meándrico: Se refiere a un río que es curvado o sinuoso. PAD MOUNTED: Transformadores Tipo Pedestal. Periglaciar: Parte de la superficie de la tierra donde la congelación y la fusión del suelo es el proceso más importante dentro del ciclo geográfico. Flujo Subcrítico: Flujo a velocidad inferior a la crítica, con número de Froude inferior a la unidad. Las fuerzas gravitacionales son mayores que las fuerzas internas. El flujo tiene velocidades pequeñas y se describe como tranquilo. Flujo Supercrítico: Flujo a velocidad superior a la crítica, con número de Froude superior a la unidad. Las fuerzas internas son predominantes, por lo que el flujo tiene velocidades grandes y se describe como rápido. Thalweg: Línea que se encuentra en medio de la parte más profunda del río donde la corriente es más rápida. TIR: Es la tasa de descuento que hace que el VAN sea igual a cero, o también, la tasa que iguala la suma de los flujos o entradas descontados con la inversión inicial del proyecto o con el valor presente de los desembolsos netos. La tasa de retorno sobre la inversión, que es precisamente el TIR, no es, ni más ni menos, que la tasa de interés promedio anual sobre el saldo no recuperado de la inversión o el valor presente de los desembolsos. Toma: Desviación o lugar por donde se deriva una parte de la masa de un fluido. VAN: Es el valor monetario que resulta de restar, a la suma de los flujos de caja o entradas futuras descontadas del proyecto, la inversión inicial. La tasa de XVI descuento o actualización es la tasa mínima aceptable, que en condiciones de riesgo “aceptable” es el costo de capital o de oportunidad de la empresa. XVII RESUMEN El objetivo principal de esta investigación fue el de encontrar el mejor sitio para ubicar una toma de aguas para abastecer a la ciudad de Limón, con el fin de disminuir los problemas en la actual toma ubicada en el río Bananito. Desde hace más de diez años en el AyA se ha venido discutiendo cuál es la solución para abastecer el sistema de agua potable de la ciudad de Limón, ya que algunos de los profesionales se inclinan por mantener la toma en el río Bananito, debido a las inversiones ya realizadas en este sitio. Otro grupo de profesionales considera que la mejor opción es volver a la cuenca del río Banano, ya sea ubicando un nuevo sitio o habilitando la infraestructura en el sitio denominado Bomba. Este trabajo incluye cada una de las opciones que se habían planteado, además de la que se encuentra en uso actualmente. Se realizaron estudios de morfología fluvial, calidad del agua, arrastre de sedimentos, fotografías aéreas de distintos años, modelación matemática de un tramo de las secciones estudiadas, entre otros, todo con el fin de escoger los mejores sitios y compararlos con lo actual. Los sitios estudiados se denominaron de la siguiente manera: SE1 Toma en el río Bananito, SE2 Toma propuesta en el río Banano en Asunción, SE3 Toma propuesta en el río Nuevo, SE4 Toma propuesta en el río Aguas Zarcas, SE5 Rehabilitación de río Banano en la Bomba. Con base en los estudios realizados en cada uno de los sitios, se determinó que:  La cuenca del río Banano tiene mejor calidad y características favorables para obtener agua para consumo humano.  De los cuatro sitios propuestos en la cuenca del río Banano, se desecharon dos (el río Nuevo y el río Aguas Zarcas), ya que presentan cauces muy anchos, lo que influiría en realizar presas muy grandes; además, presentan el problema de que el XVIII cauce divaga por su llanura de inundación, lo que dificultaría el diseño de la toma en ambos sitios. Al dejar a un lado estas opciones, se procedió a diseñar las estructuras necesarias para el funcionamiento de ambos sistemas. En la toma del río Banano en Asunción, se diseñó la presa con su toma, un canal, desarenador, tubería de conducción, hasta interconectar con la planta potabilizadora existente en la Bomba. Aquí se tomó en consideración que en el futuro, al subir la demanda, se podría pasar de captar 350 l/s a 500 l/s; por lo tanto se proponen dos diseños de conducción en hierro dúctil. En la rehabilitación de La Bomba, también se diseñó la presa, se propuso reponer el sistema de succión, se realizó una estructura protectora para la succión y habilitar la caseta de operación. Para ambos proyectos se realizó un presupuesto para estimar el costo actual. Además, se realizó una evaluación económica proyectada a 40 años, tomando en cuenta los costos de construcción, los costos de operación y mantenimiento y las tarifas, determinando las relaciones beneficio/costo para compararlas con la toma actual en el río Bananito. Con base en las evaluaciones económicas, se pudo determinar que la toma actual genera costos de operación y mantenimiento muy altos, que aunque pueden ser costeados con las tarifas, requieren de constantes reparaciones que generan mucho trabajo para la región. La opción de toma en Asunción parece ser la más costosa. Sin embargo, resulta ser un proyecto rentable, además de que no requiere de tanto cuidado por parte del AyA, y tiene características muy favorables que no se pueden cuantificar económicamente; por esta razón no se desecha esta opción totalmente. Como último punto está la rehabilitación de La Bomba, que según las evaluaciones económicas es el proyecto más rentable, ya que los costos de operación y mantenimiento son menores, la inversión en construcción es relativamente baja, comparada con la opción anterior, y se puede realizar en menos tiempo. XIX INTRODUCCIÓN Dada la alta vulnerabilidad que presenta la actual toma de aguas ubicada en el río Bananito, y por ser una de las principales fuentes de abastecimiento de agua para consumo humano de la ciudad de Limón, se justifica la presente investigación, que pretende llegar a ser una alternativa factible de una toma de aguas con una nueva ubicación. Con esto, se beneficia tanto a la población urbana de la ciudad de Limón, la cual se ve afectada constantemente por las deficiencias del sistema de agua potable actual, como al Instituto Costarricense de Acueductos y Alcantarillados (AyA), el cual tiene más de 10 años de invertir en soluciones, que no han sido proyectadas hacia una solución integral y definitiva, afectando, entre otras cosas, el presupuesto e imagen de la institución. Antecedentes Descripción del sistema de abastecimiento de agua potable para la ciudad de Limón antes del terremoto de abril de 1991 Este sistema de abastecimiento consistía en tres fuentes de suministro. La fuente principal era la captación de las aguas del río Banano y su posterior bombeo hasta la planta potabilizadora ubicada en La Bomba, además de un pozo perforado ahí, y los manantiales de Moín. (Véase la fig. 1: Esquema del Sistema del Acueducto de Limón). Captación del río Banano Se realizaba por medio de dos tomas laterales, de donde se bombeaba el agua hacia la planta potabilizadora. El sistema estaba conformado por una estación de bombeo con dos motobombas eléctricas, que permitían impulsar un caudal de 130 l/s cada una; la segunda XX estación de bombeo, ubicada 200 metros aguas abajo respecto a la anterior, con dos motobombas eléctricas, que permitía dejar una de ellas en reserva y también permitía impulsar un caudal de 130 l/s cada una. La línea de impulsión desde las tomas hasta la planta potabilizadora estaba compuesta por una tubería de 350 mm de diámetro, que se bifurcaba en dos tuberías de 300 mm de diámetro. El caudal de diseño para esta impulsión era de 350 l/s con las tres bombas en operación. La planta potabilizadora de filtración rápida, diseñada para una capacidad nominal de 350 l/s, contaba con una cámara de entrada, una canaleta Parshall para medición y aplicación de productos químicos. También existían dos líneas de conducción, una de 300 mm de diámetro de hierro fundido de aproximadamente 12 km, que llevaba las aguas hasta los tanques metálicos y Las Pilas, y otra de 500 mm de diámetro en concreto pretensado, con una capacidad conjunta de conducción por gravedad de 240 l/s, llevando las aguas hasta el tanque Colina Alta y Barrio Limoncito. Fuentes de Moín En el año 1971 entró en operación el proyecto de Moín, el cual captaba unas fuentes con una capacidad instalada de bombeo de 90 l/s. Constaba de una tubería de 200 mm de diámetro en hierro dúctil, que conducía el agua hasta el tanque cisterna, una estación de bombeo con dos bombas accionadas por motores eléctricos y con instalaciones para cloración, cada bomba con una capacidad de 45 l/s. La línea de impulsión de 300 mm de diámetro en hierro dúctil, con una longitud de 2,5 km hasta el tanque de Pueblo Nuevo; esta tubería también abastecía al tanque de Villa del Mar, los Barrios Cangrejo, Cuesta de Portete y al Puerto de Moín. Pozos Este sistema contaba con varios pozos, de los cuales solo el número seis estaba en operación y se bombeaba con la tubería que venía de la planta potabilizadora, con una producción mínima de 40 l/s, y no recibía tratamiento directo. Antes del terremoto de 1991, en el sistema de captación del río Banano se habían identificado importantes deficiencias, entre las cuales se puede mencionar: XXI • Desplazamientos longitudinales y de niveles del cauce en el sitio de la toma. • Altos niveles de turbiedad (lo cual generaba altos costos en el tratamiento). • Problemas de atascamiento en los sistemas de succión de las bombas. • Contaminación, debida a la actividad humana. • Problemas derivados de los cortes de energía eléctrica. Fig. 1: Esquema del Sistema del Acueducto de Limón Fuente: AyA Dirección de Estudios y Proyectos, agosto de 1990. XXII Tanque Corales 1377 m3 A tanque Pueblo Nuevo Tanque Las Pilas 4200 m3 Estación de Bombeo Tanque metálic o 3275 m3 350 l/s Tanque La Colina 150 m3 Pozos La Bomba 50 l/s Barrios Corales 1,2,3 Triunfo Santa Gertrudis Barrios Santa Eduviges Cariari Trinidad Barrios Roosevelt Hospital Cerro Mocho Limón Centro Barrio Cristóbal Colon San Juan Barrio Limoncito ENVACO 300 mm H.F. 500 mm cemento Tomas del río Banano Esquema del sistema Actualmente el sistema se opera como se muestra en la fig. 2. Fig. 2: Esquema del Sistema del Acueducto de Limón Fuente: AyA Optimización de Sistemas, octubre del 2004. Como consecuencia del terremoto ocurrido en abril de 1991, y que afectó principalmente al sector central-sur de la vertiente del Caribe, la cuenca del río Banano se vió severamente afectada por condiciones de inestabilidad de suelos y taludes. Al derrumbarse sobre el cauce del río por un tramo extenso, aguas arriba de la toma de aguas, alteraron en forma determinante su composición, aumentando en gran medida el arrastre de sedimentos en el flujo que llegó a la planta potabilizadora ubicada en la Bomba 1 ; de tal 1 Planta Potabilizadora La Bomba: caudal de diseño de 350 l/seg. , río Banano, elevación 80 m.s.n.m. XXIII Esquema del Sistema modo que a dicha planta comenzó a ingresar agua con turbiedades elevadísimas 2 , color alto y sólidos en suspensión. Esto comprometió el buen funcionamiento de la planta, lo que obligaba a sacarla frecuentemente de operación, haciendo discontinuo el suministro de agua potabilizada a la Ciudad de Limón, ya que la planta potabilizadora del río Banano constituía la principal fuente de abastecimiento del acueducto de esa ciudad (aproximadamente 43,7 %). Adicionalmente, la estructura de la toma lateral del río Banano ya había presentado problemas de estabilidad y obstrucciones por las crecientes del río. Esto se agravó cada vez que el río arrastraba grandes troncos, piedras y sedimento grueso, materiales que colisionaban a gran velocidad contra la estructura metálica que protegía los tubos de succión de la estación de bombeo durante las avenidas del río. Con la finalidad de superar los problemas originados por el terremoto de abril de 1991, los cuales generaron una declaración de Emergencia Nacional por el gobierno de entonces, el AyA analizó y decidió seleccionar una nueva toma lateral en el río Bananito. En dicha cuenca la calidad del agua en apariencia se veía menos afectada, 3 por los problemas indicados en el caso del río Banano. Esta condición de emergencia, y con el sistema de abastecimiento de agua tan dañado, obligó a tomar una serie de decisiones sobre la marcha que no permitieron ejecutar previamente estudios básicos, tales como análisis de mecánica de suelos referentes a la estabilidad de taludes, transporte de sedimentos, capacidad de arrastre, hidráulica del río, tratabilidad de las aguas, entre otros. Se puede decir que el río Bananito era prácticamente desconocido para los técnicos de AyA, cuando se tomó la decisión de construir una toma lateral en la margen izquierda. Por ello no se consideraron las características complejas de su mecánica fluvial, lo que comprometió la eficiencia del sistema de suministro. La decisión de construir una nueva bocatoma lateral en la margen izquierda del río Bananito, sin disponer de los estudios básicos de hidráulica del río y calidad del agua para tratabilidad, no fue precisamente acertada, entre otros factores 4 , porque el río en ese punto presentaba un cauce antiguo que se reactivaba en condiciones de crecientes y dejaba a la 2 Se llegaron a detectar 60000 UNT. 3 En la actualidad se ha demostrado que existen una mayor tendencia del río Banano a estabilizarse y el río Bananito a desestabilizarse en su perfil de su calidad de agua para tratabilidad. 4 Existía premura por empezar las obras, por ser éste un requisito para que fuera concedido el préstamo a AyA por parte de organismos internacionales. XXIV bocatoma nueva y a la estación de bombeo en una isla, sin acceso a las estructuras, que han tenido la necesidad de limpiarlas continuamente, pues los sedimentos del río, en períodos de crecientes, prácticamente sepultaban toda la bocatoma y la estación de bombeo de agua cruda hacia la planta de La Bomba. Hacia 1998 se construyó un sistema de toma mediante tubos perforados cubiertos con gaviones, que se limpiaban con el agua presurizada de las bombas de la impulsión de agua cruda a la planta. Posteriormente se le han agregado algunas mejoras a esa nueva toma, como aumento de los tubos perforados de toma directa, protección de la toma con gaviones, reconstrucción de la presa que atraviesa el río y otras medidas, todo lo cual ha mejorado la operación de la bocatoma nueva sobre el río Bananito, aunque persiste el problema del arrastre de sedimentos sobre la toma, que es un problema propio del río, ocasionado por alteraciones en su cauce aguas arriba de la bocatoma. También se realizó una consultoría especializada en Hidráulica de Ríos, que recomendó construir una serie de muros deflectores en abanico situados hacia aguas arriba de la toma nueva. Las recomendaciones de este estudio se han implementado parcial y gradualmente por el Instituto, dado su alto costo, de tal modo que el impacto sobre el arrastre de sedimentos a la toma aún no se ha dado en forma completa. Adicionalmente, se han realizado otros trabajos o investigaciones en el sitio de estudio tales como: Análisis del Proyecto de Nueva Toma en el río Bananito para el Acueducto de Limón, Análisis de la Producción de Sedimentos en la Cuenca del río Bananito y la Estabilidad Lateral del río, así como diferentes estudios realizados por AyA. Por otra parte, debe considerarse que el río Bananito, entre las elevaciones 8-12 m.s.n.m., tiene un comportamiento hidráulico muy errático y alterado por obras en su cauce, realizadas sin ningún estudio de la hidráulica e hidrología. A la altura de la actual toma, ya el río presenta meandros, lo que indica que ha perdido mucha energía cinética para un ámbito de caudales inferiores al promedio, en tanto que en época de avenidas máximas, se salta los meandros, se encauza por su antiguo curso y llega con mucha energía y arrastre de sedimentos a la actual bocatoma. Además, el río ha sido muy alterado e interferido por obras y obstáculos que diferentes entidades le han interpuesto. Para proteger sus márgenes de erosión, se han depositado vagones viejos de ferrocarril y maquinaria pesada, sobre todo XXV en las márgenes derechas de los meandros, a su paso por fincas bananeras. Todas estas alteraciones, obstáculos, extracciones de materiales aluvionales y demás acciones perjudiciales al libre flujo del río, hacen ahora muy difíciles los estudios de hidráulica de ríos necesarios para cualquier obra de protección que se proyecte para la bocatoma en su localización actual. Adicionalmente, ya la calidad del río Banano se ha estabilizado con respecto al trastorno del terremoto de abril de 1991. En la actualidad es una agua de más baja turbiedad, menor color, mejor perfil de tratabilidad, dada la presencia de iones de hidróxilo que proporcionan un preacondicionamiento del agua para ser tratada con sulfato de aluminio como agente coagulante único, en vez de la situación actual que se presenta en la planta potabilizadora de La Bomba, donde el agua cruda del río Bananito presenta muy deficientes condiciones de tratabilidad, alto color y turbiedad, lo que obliga a usar ayudantes de la coagulación o polímetros aniónicos o catiónicos, de elevado costo. Mientras tanto, los costos actuales del bombeo del “booster” de Santa Rosa, usando aguas del río Bananito, más los costos del bombeo de agua cruda desde la bocatoma hasta el “booster” son muy elevados, casi tres veces o más, que los costos en que se incurriría usando el río Banano. Además, se deben agregar los altos costos del tratamiento con polímetros que hay que usar ahora con aguas del río Bananito. Tal situación abre la posibilidad de volver a analizar la reubicación de la toma en el río Banano. XXVI Objetivo General Analizar el comportamiento hidráulico de las corrientes fluviales de los ríos Banano y Bananito, con la finalidad de ubicar un sitio apropiado para construir la toma de aguas del Acueducto de la ciudad de Limón. (Véase el anexo 1). Objetivos Específicos • Elaborar un diagnóstico de la situación actual de las cuencas de los ríos Banano y Bananito como fuentes de abastecimiento del acueducto de la ciudad de Limón. • Establecer una caracterización morfológica de ambas cuencas, con el fin de ubicar el mejor sitio de captación respecto a características hidráulicas, hidrológicas y operacionales. • Proponer un diseño preliminar de obras destinadas a la captación de agua y su conducción. • Realizar una proyección del rendimiento futuro del acueducto desde la toma hasta la planta. Trabajos que se elaborarán en la tesis • Definir la capacidad de transporte de sedimentos de las cuencas, identificar las causas y, a la vez, proponer medidas para mitigar este fenómeno. • Verificar los índices de calidad de agua para consumo humano. • Delimitar las cuencas y su caracterización morfológica. • Analizar los usos del suelo y su impacto en las cuencas. • Determinar avenidas máximas y caudales medios y de estiaje. • Determinar aspectos meteorológicos básicos. • Hacer levantamientos topográficos en sitios de interés. XXVII • Analizar la condición y eficiencia de las obras hidráulicas actuales del acueducto, desde la toma hasta la planta potabilizadora. • Determinar calidad de agua (prueba de jarras y curvas de turbiedad). • Realizar estudios generales de estabilidad de laderas y vulnerabilidad. • Analizar y actualizar los datos de las diferentes consultorías realizadas. Alcances • Elaborar un diagnóstico actualizado de las cuencas de los ríos Banano y Bananito, a partir del cual se pueda identificar y cuantificar parámetros hidrológicos, hidráulicos y de calidad del agua, básicos para la ubicación más conveniente de la bocatoma del acueducto de la ciudad de Limón. • Diseño preliminar de la toma de aguas y estructuras conexas. • Evaluación hidráulica del sistema de conducción desde la nueva toma de aguas hasta la planta potabilizadora. • Evaluación económica comparativa de las opciones de toma propuestas respecto a la situación actual. Limitaciones • Este proyecto analizará, en forma preliminar, las características hidrológicas e hidráulicas de ambas cuencas, para determinar y justificar el cambio de ubicación del sitio de la bocatoma. • El dimensionamiento de las obras civiles que se realice será preliminar y como diseño conceptual, dejando la base para un estudio posterior con mayor detalle. • El estudio se enfocará en los recursos existentes de aguas superficiales, por lo que no se evaluarán las opciones de aguas subterráneas. XXVIII CAPÍTULO I DIAGNÓSTICO DE LA SITUACIÓN ACTUAL 1. Generalidades 1.1.Localización y población del cantón de Limón El cantón 1º de la provincia de Limón, Limón, ubicado en las coordenadas geográficas medias, están dadas por 09º 47′ 04′′ Latitud Norte y 83º 11′ 50′′ Longitud Oeste. La anchura máxima es de setenta y seis kilómetros, en dirección noreste a sureste, desde la ciudad de Limón hasta el macizo del Chirripó Grande. (Véase la fig. 3) En la Ley No. 44 de 25 de julio de 1892, Limón se erigió en cantón, al crearse una municipalidad para la comarca del mismo nombre. En esta oportunidad no se designó la cabecera ni los distritos de este nuevo cantón. La población total actual 5 es de 52602 habitantes, de los cuales 26582 son hombres (50,5%) y 26020 mujeres (49,5%). La fuerza de trabajo, según los sectores de actividad, son: sector primario 23,1%, sector secundario 12,5 %, sector terciario 47,0% y actividades no especificadas 17,4%. 1.2.Altitudes Las elevaciones en metros sobre el nivel medio del mar de algunos centros urbanos del cantón son los siguientes: Ciudad Limón 3 m.s.n.m., poblado Asunción: 140 m.s.n.m., poblado La Bomba 40 m.s.n.m., poblado Pandora: 18 m.s.n.m. y poblado Tuba Creek: 10 m.s.n.m. 5 Datos tomados del Censo 2002. 1 Fig. 3: Mapa del cantón de Limón Fuente: Los autores. 2 1.3.Zonas de vida ecológica En el área de influencia de las cuencas de los ríos Banano y Bananito se definen cinco zonas de vida ecológicas que son: bosque muy húmedo tropical, bosque muy húmedo tropical transición a premontano, bosque muy húmedo premontano transición a basal, bosque pluvial premontano y bosque pluvial montano bajo. Se definen dos bioclimas que son: superhúmedo con un período máximo de dos meses secos al año y superhúmedo sin meses secos al año. (Véase el anexo 2). 1.4.Aspectos físicos 1.4.1. Topografía Las elevaciones en la ciudad de Limón oscilan entre los 0 m.s.n.m. y los 74 m.s.n.m. en las regiones más altas. El promedio de elevación de la ciudad de Limón es de 20 m.s.n.m. Su conformación topográfica es de planicies y zonas montañosas de baja altura. La toma de aguas se ubica a una elevación de 10 m.s.n.m. La planicie más notoria se extiende desde la ciudad de Limón hacia el sureste, hasta el río Banano. Su ancho promedio entre el mar y los límites de la cordillera (20 m.s.n.m.) es de 4 km. La pendiente tiene un valor aproximado de 0,5 % en dirección noroeste. Al noroeste se ubica otra planicie, comprendida entre el río Moín, en la cota 20 m.s.n.m. con una pendiente aproximada de 1,8 % en dirección norte. Una gran área de las planicies es pantanosa en forma permanente; se inunda en promedio los 9 meses más lluviosos del año. Las zonas montañosas presentan colinas y serranías con ondulaciones abruptas y cimas redondeadas con elevaciones menores a los 200 m.s.n.m. En esta zona se ubica un macizo de colinas, sobre las cuales se ubica la ciudad de Limón, y que abarca las filas de Pueblo Nuevo, las alturas de Garrón al noroeste de la ciudad y el caserío de Newcastle, al sur de la ciudad cerca de La Bomba. 3 1.4.2. Geología El cantón de Limón está constituido geológicamente por materiales de los períodos Terciario y Cuaternario, y predominan las rocas sedimentarias del Terciario. Del período Terciario se encuentran rocas de origen sedimentario, intrusivo y volcánico. Las sedimentarias corresponden a materiales indiferenciados que se encuentran dispersos en toda la región. De la época del Mioceno también se localizan rocas de las formaciones Uscari y río Banano. La formación Uscari está compuesta por lutitas, de tonalidades oscuras y suaves, lutitas limosas, friables, gris verdosas al estado fresco, que se meteorizan a colores gris amarillentos con manchas amarillas oscuras. Se sitúan en las laderas de la fila Asunción, y de la ladera sureste de la anterior fila hasta el valle La Estrella, al igual que en las márgenes del río Cuen, así como en el sector aledaño al barrio Corales. La formación río Banano está constituida de areniscas verdes fosilíferas, conglomeradas, arrecifes coralinos; se localizan en las márgenes del río entre los poblados La Bomba y Quitaría. Las rocas intrusivas de la época antes citada corresponden a los intrusivos ácidos de la Cordillera de Talamanca, tales como dioritas cuárcicas y granodioritas, también gabros y granitos, los cuales se ubican en pequeños sectores dispersos al sur y oeste del cantón. Las rocas volcánicas de la época del Mioceno están representadas por rocas y edificios volcánicos, localizadas en la Fila Matama, próxima al límite con el cantón de Talamanca. De los materiales del período Cuaternario se localizan rocas de origen sedimentario de la época del Holoceno, tales como Pantano, ubicadas al norte del poblado Búffalo, y depósitos fluviales, coluviales y costeros recientes, localizados en una franja desde el sector entre el barrio Cieneguita y el poblado Santa Rosa hasta el poblado de Tuba Creek, lo mismo que en el área aledaña a la carretera entre los poblados Sandoval y Búffalo, así como en la proximidades de las márgenes de los ríos Estrella y Duruy, cerca de las fincas Siete, Doce y Catorce. (Véase el anexo 3). 4 1.4.3. Geomorfología El cantón de Limón presenta cuatro unidades geomórficas, clasificadas de acuerdo con su origen en: tectónica y erosiva, de sedimentación aluvial, glaciárica y estructural. La unidad de origen tectónico y erosivo se divide en tres subunidades, llamadas Cordillera de Talamanca, Cerros y Lomas de Pendiente Reglar, y Lomeríos Bajos. La subunidad Cordillera de Talamanca cubre la mayor parte del cantón, la cual está comprendida por los siguientes poblados: al sur Búffalo, al noroeste Quitaria, al este Aguas Zarcas y María Luisa, al oeste Bolivia y Cuen, la hacienda La Antonia y el sitio Victoria. La unidad de sedimentación aluvial se divide en cuatro subunidades, llamadas Llanura Aluvial de San Carlos y del Caribe, Valle del Río Estrella, Pantano Permanente o Temporal, y Llano Aluvial de los ríos Banano y Limoncito. La subunidad Llanura Aluvial de San Carlos y del Caribe está representada por una llanura aluvial que, cerca de la costa, puede tener influencia marina en la formación de sus suelos, la cual se localiza desde el sector entre el barrio Cieneguita y el poblado Santa Rosa hasta el poblado Tuba Creek, así como en el sector aledaño a la carretera que está entre los poblados Búffalo y Buenos Aires de Jamaica, el cual presenta una superficie plana, con pendiente de 1% a 2 %; esta pendiente está dirigida siempre en forma general a menos del 1%, o sea un promedio de 3,5 centímetros por cada 100 metros de distancia. Los cauces principales que cortan la llanura tienen un valle ancho, con orillas casi siempre de uno a dos metros sobre el nivel del río; su patrón es meándrico como una consecuencia de una escasa pendiente; la presencia de terrenos pantanosos es frecuente; los sitios ligeramente ondulados, en gran parte, ocasionados por tobas y corrientes de lodo en mayor grado de meteorización que las rocas superficiales, y que tienen, por efectos de la erosión, la forma de lomeríos bajos, sobre los cuales se depositaron materiales aluviales recientes. La forma de la llanura es interrumpida en las vecindades de los ríos por un microrelieve, producto de la erosión y de la deposición final; se observan bastantes canales abandonados; la llanura presenta cierto grado de salinidad, debido a que en su reciente formación y vecindad con el mar todavía permanece dentro del terreno algo de contenido salino. El origen se debe al aporte que en épocas pasadas hacían los ríos que drenan la zona; el relleno, en su inicio, es 5 posible que se efectuara dentro de la fosa de Managua, que estaba ocupada por el océano, y con el transcurso del tiempo fue totalmente rellenada en el sector correspondiente al territorio costarricense; es factible que restos de vieja topografía volcánica, a un nivel muy inferior al actual de la llanura, hayan dado origen a una ligera ondulación en su superficie. La subunidad Valle del río Estrella se encuentra en las márgenes del río Estrella, desde su confluencia con el Cariei hasta el poblado Pléyades, incluyendo la zona aledaña al curso inferior de sus afluentes principales, la cual es una superficie plana, de suave pendiente menor del 1%. En algunos sitios se pueden ver ligeras diferencias de relieve, correspondientes a bordes de terraza o cauces abandonados; pero las intensas labores de cultivo las han ido borrando. Esta subunidad se compone de un conjunto de fragmentos de diverso tamaño de rocas sedimentarias, el que disminuye al alejarse del pie de la ladera o de los cauces actuales. En el valle las fracciones son finas, limosas y arcillosas con lentes de grava y su origen es aluvial, aunque puede haber algo de influencia de corrientes de lodo. La subunidad Pantano Permanente o Temporal se ubica al noroeste del poblado Y Griega lo mismo que en las proximidades de Estero Negro. Está constituida por zonas de terreno plano, que suelen tener un microrrelieve de pequeñas ondulaciones. Esta subunidad se compone de un relleno de fragmentos líticos muy finos, con dominancia de arcilla y limo y pequeños lentes arenosos; su origen se debe a rellenos por aportes fluviales. La subunidad Llano Aluvial de los ríos Banano y Limoncito, se sitúa al oeste del poblado Trébol, así como entre los poblados de Quitaría y Aguas Zarcas. La unidad de origen glaciar se manifiesta en las formas de erosión y depositación glaciárica, la cual se encuentra al suroeste de la región, próxima al límite cantonal, y que constituye formas redondeadas en rocas ígneas, testigos de la erosión glaciárica de esta área. En el cerro Chirripó presenta todas las características de un valle glaciárico en forma de artesa. El cerro Chirripó Grande presenta un fracturamiento muy denso, ocasionado por la acción de congelamiento y descongelamiento de agua en las fisuras de la roca. Esta unidad se compone de rocas ígneas, y hay granitos y basaltos. Su origen se debe a la erosión por glaciares, que posiblemente existieron durante la última glaciación, junto con la depositación de fragmentos acarreados, que dio origen a estas formas. Posteriormente, la congelación y descongelación del agua terminó de modelar la unidad. 6 La unidad de Origen Estructural se divide en tres subunidades, llamadas falla del río Estrella, falla del río Tuba y falla del río Chirripó. 1.4.4. Hidrografía El sistema fluvial del cantón Limón corresponde a la subvertiente Caribe de la vertiente del mismo nombre, la cual pertenece a las cuencas de los ríos Estrella, Matina, Banano, Moín y Bananito. La primera es drenada por el río La Estrella, al que se le unen los ríos Cuen, Cariei, Abuy, Suruy, Bitey, Niñey, así como los ríos Tuba, Seco, Bote y Dixibre. Los citados cursos de agua nacen en el cantón, los cuales van en dirección suroeste a noreste y noroeste a sureste, hasta desembocar en el Mar Caribe. El río Tuba es límite con el cantón de Talamanca. La cuenca del río Matina es drenada por el río Chirripó y sus afluentes los ríos Cuen, Nari, Xikiari y Boyei, que se originan en la región, cuyas aguas presentan un rumbo de suroeste a noreste. Los ríos Chirripó y Borey son límites cantonales, el primero con Turrialba de la provincia Cartago y el otro con Matina. La cuenca del río Banano es drenada por el río, de igual nombre, y sus afluentes los ríos Segundo, Tercero, Nuevo y Aguas Zarcas, así como por el río Vizcaya. Los citados cursos de agua van en dirección suroeste a noreste, hasta desembocar en el mar Caribe. La cuenca del río Moín es drenada por los ríos Limoncito y Moín; este último recibe al río Blanco con sus afluentes los ríos René y Quito; ahí mismo drenan el área los ríos Madre, Toro y Bartola. Los cursos de agua nacen en la región y presentan un rumbo de suroeste a noreste, hasta confluir en el canal y al este en el mar Caribe. El río Toro es límite con el cantón de Matina. La cuenca del río Bananito es drenada por el río de igual nombre, así como por los ríos San Andrés y Congrio. Al Bananito se le unen los ríos Burrico, Tugela, Yalú, Gobán y Carbón. Éstos nacen en el cantón, y presentan una dirección de suroeste a noreste y de noroeste a sureste, hasta desembocar en el mar Caribe. 7 1.4.5. Precipitación y temperatura promedio anual En la tabla 1 se presentan los datos de precipitación promedio, obtenidos durante nueve años en ocho estaciones meteorológicas de la zona. Estos datos corresponden a la información obtenida del Atlas Cantonal de Costa Rica. En el anexo 4 se presenta el mapa de precipitación de la zona. Tabla 1. Precipitación y temperatura promedio anual Estación Latitud Norte Longitu d Oeste Altitud (m.s.n.m.) Precipitación Temperatura Años (9) Promedio (mm) Años (9) Promedio (ºC) Asunción 09º 54′ 83º 10′ 130 22 3.499,4 Finca 16 09º 42′ 82º 59′ 30 14 2.450,8 Fortuna 09º 44′ 83º 01′ 30 18 2.516,4 4 25,6 Limón 09º 58′ 83º 02′ 5 44 3.328,8 18 25,4 Moín 10º 00′ 83º 05′ 5 7 3.846,3 Pandora 09º 45′ 82º 57′ 17 19 2.597,9 7 25,7 San Andrés 09º 52′ 82º 59′ 30 11 2.411,3 Vesta 09º 43′ 83º 03′ 30 12 3.893,6 7 26,9 Fuente: Atlas Cantonal de Costa Rica. 1.4.6. Capacidad de uso del suelo La presencia del ser humano en la zona ha generado una serie de cambios en el uso original del suelo. Esta serie de variantes, en la mayoría de los casos, se puede catalogar como necesaria, pues él en su afán de desarrollo, busca nuevos sitios donde ubicarse. Sin embargo, se debe tener claro que estas modificaciones conllevan un costo asociado para las zonas afectadas, pues los nuevos pobladores, con el paso del tiempo, se van adentrando en las cuencas sin ningún control y realizan cambios en las propiedades físicas del lugar. Con estos cambios se pone en peligro la calidad del recurso hídrico y la vida de los habitantes. (Véase el anexo 5). 8 Las categorías de uso del suelo que se encuentran en la zona son las siguientes: • Bosque: cubre la mayor parte de las cuencas y se ubica en las partes media y alta. En su mayoría forma parte del Parque Internacional La Amistad, la Zona Protectora Río Banano y La Reserva Indígena Tayni, y debido a las fuertes pendientes lo hacen poco atractivo para la agricultura. Se caracteriza por tener follaje muy denso, el cual regula las aguas de escorrentía, ya que disminuye la velocidad del flujo y favorece el amortiguamiento de la lluvia sobre el suelo. El bosque de esta zona actúa como un gran núcleo de condensación, pues las nubes, al empezar a ascender hacia las montañas, chocan con estas y producen fuertes precipitaciones; esto causa el incremento en el caudal que transportan los ríos. Posterior al terremoto de Limón de abril de 1991, en la parte alta de las cuencas se produjo una gran cantidad de deslizamientos, los cuales causaron la destrucción del bosque, pérdida de suelo y cambio de los cauces. • Pastos: se ubican en la parte media y baja de las cuencas; ocupan algunas de las terrazas aluviales formadas por los materiales acarreados por el río. En esta área la actividad que se desarrolla principalmente es la ganadería de tipo extensiva. • Pastos y árboles dispersos: se ubican en las partes bajas y medias de las cuencas y se presentan como una transición al bosque de las zonas altas. • Cultivos: se ubican en las partes medias y bajas de las cuencas, principalmente cerca de los cauces de los ríos. Los principales cultivos que se presentan en la zona son: banano y cacao, agricultura de subsistencia a menor escala y actividades de índole forestal (en la cuenca del río Bananito). • Poblados: se ubican en las partes bajas y medias de las cuencas. La mayor densidad se presenta en las partes bajas, cerca de las márgenes de los ríos. En las partes medias existen caseríos, los cuales también están relativamente cerca de los cauces. 9 1.4.7. Recursos hídricos de la región Esta zona se caracteriza por poseer condiciones ambientales (clima, cobertura boscosa, relieve) que son propicias para contar con recursos hídricos de gran valor para el abastecimiento de agua a las poblaciones. La región se caracteriza por un clima lluvioso, lo que supone un gran potencial hídrico. En la actualidad las principales fuentes de agua potable que abastecen la zona son: • Cuenca del río Banano. • Cuenca del río Bananito. • Fuentes de Moín. • Campo de pozos de La Bomba. En marzo de 1980 el río Bananito presentó un caudal mínimo de 782 l/s 6 . Al formar parte de la unidad montañosa que contiene a la cuenca del río Banano, posee condiciones propicias para lograr el control sobre los factores de impacto que; en el largo plazo, determinarán la calidad y disponibilidad del recurso. La cuenca del río Banano no es utilizada en la actualidad para el abastecimiento de agua potable, aunque si lo fue durante el período comprendido entre 1982 y el terremoto de abril de 1991. Sin embargo, tiene un gran potencial hidrológico que en el futuro podría utilizarse como fuente alterna al sistema del río Bananito. 6 Dato tomado de Análisis del Proyecto de Nueva Toma en el río Bananito para el Acueducto de Limón. enero del 2001. 10 1.5.Aspectos generales de la cuenca del río Banano 1.5.1. Localización La cuenca se encuentra definida por las siguientes coordenadas geográficas: 83º 15’ 12’’ y 83º 03’ 45’’ Longitud Oeste y 09º 55’ 34’’ y 09º 47’ 40’’ Latitud Norte, hojas topográficas Barbilla 3545 IV Edición 1963, Estrella 3545 II Edición 1968 y río Banano 3545 I Edición 1978, escala 1:50.000 del Mapa Básico de Costa Rica del Instituto Geográfico Nacional. (Véase la fig. 4). La cuenca se encuentra en la Vertiente Atlántica, al sur de la ciudad de Limón. Sus nacientes se encuentran en la Fila de Matama, drenando sus aguas hacia el Mar Caribe. Los límites de la cuenca son: al norte con la Fila Asunción (elevación media 500 m.s.n.m.), al este con el río Aguas Zarcas, al sur con la Fila Matama (elevación media 1600 m.s.n.m.) y al oeste con el río Zent. La cuenca presenta una densa red de drenajes, debido a las condiciones climáticas y del relieve en el área. Entre los afluentes principales en el área están los ríos Nuevo, Tercero, Segundo, Aguas Zarcas y otros. 1.5.2. Superficie y vías de comunicación El área de la cuenca es de 215,5 km 2 . La cuenca es accesible desde la ciudad de Limón por una carretera de dos vías transitable todo el año pasando por Westfalia, Beverly, Filadelfia Sur, New Castle, La Bomba, para seguir luego por un camino de grava de una sola vía, pasando por Quitaría hasta el río Aguas Zarcas. La distancia desde Limón hasta el río Aguas Zarcas es de 23,75 kilómetros, y del río Aguas Zarcas hasta Asunción sigue una trocha, únicamente para vehículos de doble tracción, transitable sólo en época seca, y tiene una longitud de 6,25 kilómetros. 11 Fig. 4. Mapa de la cuenca del río Banano Fuente: Los autores. 12 1.5.3. Población La cuenca tiene seis poblaciones de influencia: Asunción, Quitaría, La Bomba, New Castle, Beverly y Filadelfia del distrito 1º Limón. Posee una población de 46.919 habitantes, según el Censo del 2002. 1.5.4. Aguas superficiales La capacidad de captación en La Bomba es de aproximadamente 350 l/s. Esta cantidad se envía mediante bombeo hasta la planta potabilizadora. En la actualidad no es utilizada esta toma, pero A y A proyecta su rehabilitación. La cobertura vegetal en esta cuenca es sumamente boscosa en la parte alta, pero existe el inconveniente de la explotación maderera y agrícola en uno de sus principales afluentes, el río Aguas Zarcas, lo que provoca alteraciones en el caudal y una turbiedad alta. A esto se une la extracción de material del río, que genera variaciones aguas arriba. En la época lluviosa se presenta el problema de que la turbiedad es considerablemente elevada. En las crecidas ocurridas, la captación sufre problemas, hay que dragar y reconstruir la presa de tierra, lo cual genera altos costos de reparación y mantenimiento. Sin embargo, desde hace unos años, la calidad del agua de este río ha mejorado en forma estable, y es de mejor tratabilidad que las aguas del río Bananito. 1.5.5. Características morfológicas El Banano puede ser catalogado como un río con lecho de grava. Este tipo de río tiene un comportamiento significativamente diferente a los que tienen lecho arenoso. Por ejemplo, en ríos como el Bananito y Banano no se dan formas de lecho relevantes (dunas, antidunas, etc.) y es muy común el acorazamiento del lecho. En el río Banano se observan varios tramos con acorazamiento. 13 En este tipo de ríos se identifican 5 variables independientes que controlan la morfología del cauce: • caudal, • carga de sedimento por el fondo, • tamaño del material en el lecho, • características del material en las márgenes, • la pendiente del valle. Cualquier variación natural o artificial de estas características produciría un desequilibrio en la morfología del cauce. Esto genera un proceso de adaptación del río hacia un nuevo estado de equilibrio. Las cuencas hidrográficas poseen condiciones particulares que influyen en las corrientes de los ríos. Estas condiciones de forma se conocen como “índices morfométricos” y se utilizan para denotar las propiedades geométricas de la superficie sólida de erosión fluvial. La tabla 2 indica los principales parámetros morfológicos de la cuenca del río Banano. Tabla 2. Parámetros morfológicos de la cuenca del río Banano Índice Valores Área 215,5 km 2 Perímetro 88,32 km Índice de compacidad 1,69 Elevación media 1015 m.s.n.m Longitud total de los cauces 94,31 km Lado mayor, rectángulo equivalente 38,57 km Lado menor, rectángulo equivalente 5,58 km Longitud del cauce principal 27,19 km Pendiente media del cauce 7,35 % Fuente: Los autores. 14 1.5.6. Impactos sobre la cuenca provocados por el terremoto del 22 de abril de 1991 El terremoto produjo un comportamiento acelerado, y a mayor escala, de río aluvial. Es importante indicar que debido al aporte del material y a los deslizamientos (42 millones de m 3 ), es posible observar, además, un comportamiento divagatorio de algunos afluentes (donde la pendiente y otros factores lo permiten); tal es el caso de río Aguas Zarcas, aunque no en la escala del cauce principal. Después del evento, y debido a la gran cantidad de material removido y transportado, el lecho acentuó su patrón de río trenzado. 1.6.Aspectos generales de la cuenca del río Bananito 1.6.1. Localización Esta cuenca se localiza en la vertiente Atlántica, al suroeste de la ciudad de Limón. El sitio de la toma de aguas de AyA, como se puede observar en la fig. 5, está a unos 300 m aguas arriba del paso de la línea férrea que conduce al Valle de La Estrella sobre el río Bananito, en Bananito Sur y su naciente en la Fila Matama, que orienta y drena la totalidad de sus aguas al mar Caribe. Sus límites son los siguientes: al norte con la cuenca del río Vizcaya, al este con la Fila Sikurbeta y el mar Caribe, al sur con la Fila Matama y al oeste con la cuenca del río Banano. 15 Fig. 5. Mapa de la cuenca del río Bananito Fuente: Los autores. 16 1.6.2. Superficie y vías de comunicación El área de la cuenca es de 122,09 km 2 . El acceso se debe realizar por Limón, y la carretera cuenta con dos vías, las cuales están en buen estado hasta llegar al puente del río Vizcaya; a partir de este punto la carretera a menudo se ve afectada por los desbordamientos del río Bananito, al punto de dejar cerrado el acceso de la zona. Se pueden recorrer la cuenca media y alta por medio de una carretera, que hasta la línea del tren es de asfalto. El resto del recorrido se debe realizar por una calle de lastre. 1.6.3. Población La mayoría de la población se encuentra concentrada en pequeños poblados, a lo largo de las carreteras y caminos existentes. La densidad de población es baja; está situada en las partes planas del curso medio e inferior del río Bananito, Finca San Cecilio y Bananito Sur. 1.6.4. Aguas superficiales Las aguas superficiales en la zona son abundantes, debido a las características climatológicas de las mismas; sin embargo, algunas no reúnen las condiciones sanitarias para su aprovechamiento. El caudal que se extrae es de 350 l/s, bombeados a la planta potabilizadora existente en la localidad de La Bomba. Esta es la fuente de agua que se usa en la actualidad, ya que la del río Banano se ha dejado para casos de emergencia. El río Bananito presenta el problema de gran arrastre de sedimentos, lo que atasca el tanque desarenador e imposibilita la operación de las bombas. 17 1.6.5. Características morfológicas El Bananito puede ser catalogado como un río con lecho de gravas que van de medianas a gruesas, pero en algunos sectores de la cuenca baja se ve la presencia de material arcilloso. Este río, a la vez, presenta gran cantidad de sedimentos en suspensión, lo cual aumenta los valores de color y turbiedad. En el Bananito se observan varios tramos con acorazamiento del lecho, característica muy común en este tipo de ríos. Al igual que el río Banano, éste es controlado por las cinco variables morfológicas antes mencionadas, las cuales rigen su equilibrio natural, y un cambio en las mismas producirá un desbalance en el río; lo cual se evidencia en los alrededores de la toma de aguas de AyA. Como se mencionó antes, es necesario conocer las condiciones hidrográficas o índices morfométricos como parte importante de la caracterización de la cuenca. Tabla 3. Parámetros morfológicos de la cuenca del río Bananito Índice Valores Área 122.09 km 2 Perímetro 55.96 km Índice de compacidad 1.42 Elevación media 150 m.s.n.m Longitud total de los cauces 148.86 km Lado mayor, rectángulo equivalente 34.93 km Lado menor, rectángulo equivalente 3.41 km Longitud del cauce principal 32 km Pendiente media del cauce 2.12 % Fuente: Los autores. En la parte alta, entre los 1000 y 600 m de elevación, se tiene una pendiente pronunciada que influye en la respuesta rápida del río. La distribución del 50% del área se encuentra aproximadamente a los 150 m.s.n.m. El río Bananito debe ser clasificado como inestable, producto del terremoto de Telire. Dicha inestabilidad de los cauces se observa por los cambios de dirección que éstos producen en la etapa posterior a cualquier creciente. Es importante mencionar que el río 18 Bananito posee ocho afluentes, lo que se refleja en la densidad de drenaje y el número de orden. Por último, la pendiente media es llana, con tendencia suave. 1.6.6. Geomorfología En la cuenca se presentan dos formaciones geomorfológicas, cada una de ellas con dos unidades de diferentes orígenes: tectónico y erosivo. Las de origen erosivo están conformadas por la unidad de la Cordillera de Talamanca, que se caracteriza por tener valles profundos, con laderas de pendientes fuertes, cuya meteorización es muy profunda en todas partes, lo que implica un suelo muy susceptible a la erosión. La otra unidad que se presenta es de cerros y lomas, compuestos de pendientes regulares, cuyos contornos son redondeados, orientados hacia el este, con pendientes mayores al 30 % y susceptibles a erosión. En dicha cuenca, de manera muy general, se pueden definir tres unidades geomorfológicas básicas: • Relieve abrupto. • Relieve ondulado. • Llanura de inundación. Estas unidades geomorfológicas dan una idea de cómo varía la topografía de la zona. La llanura de inundación juega un papel muy importante. Sin embargo, como cada río es una unidad, se debe realizar un estudio integral para tener presente la dinámica que se presenta en las zonas de mayor elevación (abrupta y ondulada), las cuales tienen una influencia directa sobre la formación de las llanuras de inundación de las partes bajas. La unidad de relieve abrupto abarca la parte más alta de la subcuenca del río Bananito. La subcuenca del río Gobán se ubica a partir de los 300 m.s.n.m. hasta los 800 m.s.n.m.; en el río Bananito a partir de los 300 m.s.n.m. hasta aproximadamente los 700 m.s.n.m.; en el río Carbón de los 200 m.s.n.m. a los 500 m.s.n.m.; y en el río Burrico de los 200 m.s.n.m. hasta los 400 m.s.n.m. 19 Esta unidad se caracteriza por poseer las mayores pendientes de la zona (mayores al 60%) y el uso principal del suelo es bosque. En el área delimitada por esta zona, en la parte más alta, se ubica la zona de recarga, y en su parte media las nacientes de los ríos. La unidad de relieve ondulado abarca las partes medias de las subcuencas del río Bananito. En el caso del río Bananito, esta unidad geomorfológica se ubica desde los 100 m.s.n.m. hasta los 250 m.s.n.m. Esta zona posee pendientes promedio del 30%, y se caracteriza por el uso del suelo predominante de pastos y árboles, seguido de bosque y algunos poblados. La unidad de llanura de inundación se desarrolla en esta cuenca, en áreas localizadas por debajo de los 150 m.s.n.m. La pendiente promedio de la cuenca es de aproximadamente 10 %, lo que ha influido a que en esta parte se desarrolle la mayor actividad humana. Por tal razón aquí se localizan los poblados, las actividades agrícolas (cultivos de subsistencia y cultivos permanentes) y la infraestructura. 1.6.7. Impactos sobre la cuenca provocados por el terremoto del 22 de abril de 1991 • Cuencas y subcuencas del río Bananito A raíz del impacto y de los efectos secundarios del terremoto ocurrido el 22 de abril de 1991, el área que se vio afectada correspondió principalmente a las laderas que se ubican en el piedemonte de la Fila Matama, específicamente en las secciones superiores de la subcuencas de los ríos Gobán y Bananito; mientras que en las otras áreas de drenaje también se presentan desequilibrios en sus vertientes, pero en menor cantidad y magnitud. Debe considerarse que en la actualidad existe una gran cantidad de material que se está desplazando, principalmente porque su base la constituye el sustrato rocoso original con buzamiento hacia el río y, a la vez, porque es drenada por una pequeña quebrada. Evidencias de estos procesos se pueden observar en algunas márgenes del río Gobán, específicamente en aquellos sectores donde el material arrastrado se fue depositando en forma de una pequeño abanico aluvial. 20 Para el caso de la subcuenca superior del río Bananito, las condiciones son similares a lo descrito anteriormente, aunque la magnitud y la distribución de los deslizamientos por unidad de área son menores que las que presenta la subcuenca del río Gobán. Debe tomarse en cuenta que la concentración de los deslizamientos principales se localiza en las nacientes de dicho río, específicamente en los sectores donde las pendientes son más fuertes y los valles de los cauces muy angostos y profundos. Por otro lado, las áreas de las subcuencas superiores denominadas Quebrada Bananito y río Burrico, aunque poseen un relieve bastante abrupto, presentan cantidades y magnitudes mínimas en cuanto a la presencia de deslizamientos. Algunos de ellos son evidentes en las laderas de la Fila Tigre y de la Fila Carbón. • Impactos aguas abajo El deterioro observado en los cauces corresponde al patrón observado en las otras cuencas. No obstante, es evidente que en la cuenca del río Bananito los daños más serios se localizan en la subcuenca del río Gobán. En este cauce se observaron evidencias de arrastre de sedimentos de la formación y ruptura de represamientos, y modificación de los patrones morfofluviales. Los materiales depositados en los bancos de sedimentos, hasta la elevación 150 m.s.n.m., no presentan problemas de turbidez, por tratarse de arena, roca firme o piedra meteorizada. Podrían presentarse turbiedades altas, si las masas de suelo depositadas en el deslizamiento ubicado a una elevación de 150 m.s.n.m. se activaran, o las masas de lodo del embalse producido por el mismo fueran desestabilizadas por crecidas extremas. En la sección baja de la cuenca se producen inundaciones, que muchas veces llegan a afectar al sector de la población de Bananito Sur, cerca de la línea el ferrocarril. 21 CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO MORFOLOGÍA FLUVIAL 2. Aspectos básicos de la morfología fluvial 2.1. Definición de morfología fluvial Es la aplicación de las leyes de la física y el resultado experimental para describir los procesos de erosión, transporte y deposición asociados a la formación y evolución de un río. 2.2. Morfología fluvial Con la morfología fluvial se pretende proporcionar un conocimiento de las características físicas de los ríos que son de utilidad para el diseño de obras en ellos. Los ríos tienen un régimen hidrológico determinado por las características de la cuenca y las precipitaciones (lluvia). En el caso de los ríos de clima tropical, este régimen está muy marcado por la estacionalidad; es decir, que cada año se puede esperar un largo período de caudales altos, por efecto de los meses de lluvia, y otro período de época seca, en el que se mantendrá un caudal base, el cual va a ser controlado por las aguas subterráneas. A este respecto se dividen los ríos en dos tipos, los efímeros o intermitentes, que son aquellos que solo llevan agua en períodos de fuertes precipitaciones, manteniéndose secos el resto del tiempo y los ríos permanentes, que son los que mantienen un caudal base en época de estiaje, que discurren por diversidad de materiales, dependiendo de la geología del cauce. El lecho de estos ríos es muy variable, desde roca compacta hasta materiales granulares prácticamente sueltos. Asimismo, es muy común que los materiales aluviales ocupen mucha más extensión horizontal que la del cauce actual, formando unas llanuras ocasionalmente inundables, llamadas “llanuras de inundación”. La pendiente de un río es el parámetro que establece la diferencia más importante en cuanto al régimen hidráulico. Se llaman ríos torrenciales aquellos que tienen una pendiente 22 mayor del 1,5% y torrentes en los cursos de agua con pendiente mayor al 6 %. Se usan mucho los términos “río de montaña” y “río de llanura” para aludir a este contexto. Sin embargo, adoptaremos la clasificación por pendiente que proponen Montgomery y Buffington (1997), la cual se puede observar en la tabla 4. Tabla 4. Clasificación de ríos por pendiente Gradiente (decimales) Tipo río Tipo sedimento Fuente sedimento Almacenamiento sedimento 0.08 - 0.20 Cascada Bolones Fluvial, deslizamientos, flujo detritos Alrededor de obstrucciones 0.04 - 0.08 Grada- poza Bolones Fluvial, deslizamientos, flujo detritos Formas de fondo 0.02 - 0.04 Fondo plano, pozas forzadas Grava y cantos rodados Fluvial, falla márgenes, flujo detritos Planicie de inundación < 0.01 Poza – rápido Grava Fluvial, falla márgenes Planicie de inundación, formas de fondo < 0.001 Dunas y rizos Arena Fluvial, falla márgenes, formas de fondo Planicie de inundación Fuente: Montgomery – Buffington (1997) También, según la composición del material aluvial, se diferencia entre ríos de grava y ríos de arena. El papel geológico de un río es, a grandes rasgos, la erosión en la parte alta de la cuenca donde la pendiente es mayor y el material del cauce más grueso, el transporte es de material en el tramo medio y la sedimentación en el tramo bajo, donde la pendiente es menor y el material del cauce más fino. Esto da un perfil longitudinal típicamente cóncavo y una distribución del tamaño del material granular menguante en la dirección aguas abajo. 23 2.2.1. Formas en planta En la naturaleza es muy raro encontrar cauces rectos y regulares; por tal razón se adoptan dos morfologías fluviales típicas en planta. La primera es el cauce trenzado, el cual es muy ancho, compuesto por una multiplicidad de cauces menores entrelazados o trenzados, que dejan islas (sumergibles) entre sí al unirse y separarse. Son cauces inestables, ya que una crecida puede cambiarlos considerablemente. Por esta razón se les da el nombre de divagantes, ya que un brazo principal puede encontrarse tan pronto en un lugar como en otro. Su presencia se asocia a una gran capacidad de arrastre sólido. Una corriente muy cargada de sedimentos es muy propensa a formar un cauce trenzado. Es muy común encontrar este tipo de formas en cauces de montaña con pendiente alta y sedimento grueso; también en las llamadas áreas de piedemonte, donde los ríos abandonan sus cursos de montaña perdiendo pendiente y depositando su carga sólida. (Véase la fig. 6). Fig. 6: Planta y sección de un cauce trenzado Fuente: Martín (2001), página 27. La segunda morfología típica es la de un cauce sinuoso o con meandros. El cauce es único pero forma curvas. La ondulación en planta se acompaña de una asimetría en las secciones transversales, ya que el calado es mayor junto a la orilla cóncava o exterior y menor junto a la orilla convexa o interior. En la orilla interior se depositan materiales que emergen en forma de playas, llamadas “barras alternadas”. (Véase la fig. 7). Los meandros son una morfología dinámica en el sentido de que presentan una evolución. Esta evolución 24 es la combinación de dos movimientos: una progresión o desplazamiento aguas abajo y una profundización a costa de las orillas, en dirección perpendicular a la anterior. Fig. 7. Cauce meandriforme: morfología (planta y secciones transversales vistas en el sentido de la corriente) y evolución ideal (derecha) Fuente: : Martín (2001) página 28. El ritmo de la evolución de los meandros depende de la resistencia de las orillas a la erosión. Los meandros pueden ser regulares o irregulares, es decir “deformados”, debido a la heterogeneidad en las orillas. (Véase la fig. 8). También pueden ser simples si solo presentan una frecuencia o longitud de onda dominante, o bien compuestos, con más de una frecuencia dominante. El punto final de evolución “libre” de un meandro es su estrangulamiento. (Véase la fig. 9). Fig. 8 Meandros regulares, irregulares, simples y compuestos Fuente: : Martín (2001) página 28. 25 Fig. 9. Estrangulamiento o corte natural de un meandro y formación de lagos Fuente: : Martín (2001) página 28. 2.2.2. Geometría hidráulica de un río El problema de predecir o deducir la geometría de un río ha ocupado a muchos investigadores en geomorfología. Se cuenta con observaciones relativamente sencillas acerca de las características geométricas de los ríos que sugieren relaciones empíricas entre ellas. La primera relación empírica de interés es en qué condiciones un río forma un cauce trenzado o un cauce único meandriforme. La relación s * Q 0.44 = 0.0116 (ec. 1), donde s es la pendiente y Q el caudal medio (m 3 /s), establece una frontera entre una y otra morfología. Si la relación es mayor a 0.0116, el río es trenzado y, en caso contrario, meandriforme. Muchos ríos son trenzados y sinuosos al mismo tiempo, y esto hace más difusa su clasificación. Es frecuente que un río sea trenzado en su tramo alto y luego pase a ser meandriforme aguas abajo, donde la pendiente es menor aunque el caudal es mayor. La sinuosidad es otro parámetro geométrico de un río meandriforme, la cual es el cociente de la longitud a lo largo del valle y la longitud de onda λ. La geometría en planta de un meandro regular y simple se pueden describir mediante la ecuación θ= θ 0 sen (2π s/l) (ec. 2), donde θ es el ángulo del eje con la dirección del valle y s es la coordenada arco. (Véase la fig. 10). Con esta relación se pueden dibujar meandros en cualquier grado de evolución, incluso al límite de su estrangulamiento. 26 Fig. 10. Parámetros de una planta sinuosa. (λ = longitud de onda, a = amplitud, Q= caudal, B= anchura del cauce en la superficie libre, s = sinuosidad, l = longitud del valle) Fuente: : Martín (2001) página 29 Al examinar las dimensiones de las secciones transversales de los ríos, se ha encontrado que la anchura B es proporcional a la raíz cuadrada del caudal. Esta relación indica que un río cuatro veces más caudaloso que otro tendrá una anchura aproximadamente del doble. Es un hecho en el movimiento del agua en lámina libre que la velocidad media es mayor cuanto mayor es el tamaño de la sección. Es decir, un río más caudaloso dará un cauce más ancho y profundo pero es aun más ancho, en proporción a su profundidad, que un río menos caudaloso. Otra relación empírica indica que el cociente B/y es mayor cuanto menor es el contenido de material fino en el cauce; es decir, con material más grueso se tienen cauces más anchos si se conservan las restantes condiciones. El mismo efecto de aumentar B/y ocurre cuanto mayor es el transporte sólido del río (el tamaño del material aluvial y el caudal de dicho material transportado tienen el mismo efecto morfológico en la sección transversal). Otra consecuencia observada del aumento del transporte sólido es la disminución de la sinuosidad; es decir, el cauce se hace más recto. Al seguir con este razonamiento de un aumento del transporte sólido o de su tamaño característico, la sección puede hacerse tan ancha y tan somera, y la planta del cauce tan poco curva, que el río pasa de hecho de ser meandriforme a trenzado. Esto puede ocurrir cuando se producen aportaciones grandes de material, procedente, por ejemplo, de las orillas. 27 2.2.3. Morfología de las llanuras de inundación Las llanuras de inundación son las áreas próximas al cauce principal del río que resultan ocasionalmente inundadas. El caso más característico son los ríos de poca pendiente con morfología meandriforme (ríos aluviales de llanura). La llanura de inundación es un terreno muy llano, pero con distintas formaciones. En un corte transversal puede aparecer plano, ligeramente cóncavo o ligeramente convexo (Véase la fig. 11). En este último caso se presenta cuando las orillas del cauce principal son más altas que el terreno circundante, formando cordones (diques, albardones naturales). Los ríos con esta propiedad se llaman “ríos colgados”. Otra formación asociada es la depresión o cubeta, que está en los lugares más hondos de la llanura, donde se pueden acumular restos de cauces abandonados o extintos o meandros cortados, dando así una multiplicidad de lugares altos y depresiones. Algunos de estos cauces pueden ser activos; es decir, con un transporte de agua cuando se ocupa la llanura, y en ocasiones llamados “cauces de alta”. Fig. 11. Cauce colgado de dos albardones o diques Fuente: Martín (2001) página 35 Los suelos de la llanura son muy variados, debido al modo en que se han depositado los sedimentos. Existen, en primer lugar, los depósitos de material muy fino (arcilla) en los lugares de menor velocidad, lejos del cauce principal. En las llanuras el proceso dominante es la sedimentación; la cota de la llanura tiende a crecer y esta clase de crecimiento se llama “acreción vertical”. Una avenida puede dejar un buen grosor de material fino sobre la llanura. En segundo lugar, existen los depósitos de interiores de las curvas. Al depender de la longitud y anchura del corredor fluvial, estos depósitos pueden ocupar grandes extensiones. Por tal razón, en el fondo se encuentran materiales más gruesos y más finos hacia la superficie, de acuerdo con su formación. 28 2.3. Degradación o erosión Se entiende por “erosión” el proceso de desagregación y remoción de partículas del suelo o de fragmentos y partículas de rocas, por la acción combinada de la gravedad con el agua, viento, hielo y organismos (plantas y animales). La intensidad con que se presenta depende de una serie de factores, básicamente regulados por la geología y el clima de la región. El estudio de la erosión exige el manejo de escalas espaciales y temporales muy dispares. En el primer caso, la variación espacial puede abarcar desde lo continental hasta lo microscópico, incluyendo todas las posibilidades intermedias. En cuanto a la escala temporal, los episodios en que se manifiesta la erosión pueden ser de muy corta duración como una tormenta; otros duran decenas o centenares de años (erosión por incisión de una red fluvial) e incluso millones de años (arrasamiento de una cordillera). Al tener en cuenta la amplitud de escenarios que puede abarcar el proceso de erosión, se hace obligatorio definir cuáles son los factores que tendrán más peso dentro del fenómeno estudiado. En general, los procesos de erosión pueden agruparse en siete categorías: erosión eólica, erosión fluvial, erosión marina y litoral, erosión glaciar, erosión periglaciar y erosión kárstica. Para efectos de este estudio nos abocaremos en la erosión fluvial, en la que el agente erosivo que produce el desprendimiento y arrastre de las partículas es el agua. Este proceso consta de tres etapas. • Desprendimiento: provocado por el impacto de las gotas. Las partículas finas se mantienen en suspensión y las gruesas en rodamiento. La dispersión de los granos sella los poros superficiales, lo que disminuye la capacidad de infiltración. • Arrastre y transporte: se da cuando el agua no se infiltra en el suelo y se produce un escurrimiento superficial. La capacidad erosiva de este último está determinada por la cantidad, intensidad y distribución de las gotas. • Deposición y sedimentación: ocurre cuando el flujo disminuye y las partículas en suspensión se sedimentan en la superficie. El tamaño de las partículas tiene un papel importante para la definición de la velocidad de sedimentación. 29 Los factores que intervienen en este tipo de erosión y que regulan las etapas antes descritas, se esquematizan a continuación: 2.3.1. Factores que se deben tomar en cuenta en el estudio de la erosión 2.3.1.1. Propiedades físicas del terreno Las propiedades físicas del suelo, principalmente textura, estructura, permeabilidad y densidad, y las características químicas, biológicas y mineralógicas, ejercen diferentes consecuencias en la erosión, al otorgar mayor o menor resistencia a la acción de las aguas. La textura del suelo es la proporción relativa de sus diferentes componentes minerales, los que se dividen en arenas, limos y arcillas. 2.3.1.2. Vegetación La cobertura vegetal es la defensa natural de un terreno contra la erosión. Entre los principales efectos de la cobertura vegetal se destacan los siguientes: • Protección contra el impacto directo de gotas de lluvia. • Dispersión y amortiguamiento de la energía de las aguas de escurrimiento superficial. • Aumento de la infiltración por la producción de poros en el suelo por acción de las raíces. 30 Capacidad de absorción de agua del terreno Propiedades físicas del terreno Vegetación Características de las lluvias Pendiente y superficie del terreno e Fuerzas Fuerzas Erosión fluvial • Aumento de la capacidad de retención de agua por la estructuración del suelo, debido al efecto de la producción e incorporación de materia orgánica. La influencia de la cobertura vegetal, en la determinación de las pérdidas de suelo por erosión laminar en áreas cultivadas, es definida por los factores “Uso y manejo del suelo” y “Práctica conservacionista”. El factor “uso y manejo del suelo” es la relación esperada entre las pérdidas del suelo de un terreno cultivado en determinadas condiciones y las pérdidas correspondientes de un terreno mantenido continuamente descubierto. Por otro lado, el factor “práctica conservacionista” es la relación entre la intensidad esperada de pérdidas de suelo por erosión con determinada práctica y aquellas cuando el cultivo está plantado en el sentido de inclinación. Se determinaron, a partir de datos experimentales, valores de pérdidas de suelo por erosión en función de los diferentes factores “uso y manejo del suelo” y “práctica conservacionista”. 2.3.1.3. Características de las lluvias El agua de lluvia provoca la degradación del suelo por el impacto de las gotas sobre su superficie, cayendo con velocidad y energía variables, y a través del escurrimiento del torrente. Su acción erosiva depende de su acción pluviométrica, más o menos regular, en el tiempo y en el espacio, y de su intensidad. Lluvias torrenciales o chaparrones intensos constituyen la forma más agresiva de impacto del agua en el suelo. Durante esos eventos la aceleración de la erosión es máxima. El índice que expresa la capacidad de la lluvia de provocar erosión es conocida como “erosividad”. Cuando los otros factores que provocan la pérdida del suelo por erosión son mantenidos constantes, la erosividad es proporcional al producto de la energía cinética total de las gotas de lluvia, y su intensidad máxima en treinta minutos. Ese producto, obtenido experimentalmente, es considerado la mejor relación encontrada para medir la potencialidad erosiva de la lluvia o erosividad. 31 2.3.1.4. Pendiente y superficie del terreno La influencia de la topografía de terreno en la intensidad erosiva se verifica principalmente por la inclinación y largo de la pendiente. Estos factores intervienen directamente en la velocidad de los torrentes. Las pérdidas de suelo por erosión laminar por influencia de la inclinación y largo de la pendiente fueron determinadas por Bertoni (1959). Este autor determinó una ecuación que permite calcular las pérdidas medias de suelo (LS) para los varios grados de inclinación y largo de rampa: 18 , 1 63 , 0 0098 , 0 ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ · S L LS (ec. 3) donde: LS = Factor topográfico. L = Largo de la pendiente en metros. S = Grado de inclinación en porcentaje. 2.3.2. Efectos de la erosión En el caso específico de la erosión hídrica, los efectos se pueden dividir en cuatro categorías, que básicamente dependen de la intensidad del fenómeno: 2.3.2.1. Erosión laminar La erosión laminar es una de las formas más comunes en las áreas de recepción, y consiste en la remoción de delgadas capas del suelo extendido, más o menos uniformes, por toda la superficie del área citada. Resulta de la disgregación de los elementos terrosos por el impacto de las gotas y por la acción del escurrido. La formación de un flujo superficial homogéneo en el espacio transportará las partículas previamente disgregadas y susceptibles de ser arrastradas o puestas en suspensión. Así, el conjunto agua-tierra fluye a lo largo de las pendientes como una lámina, y el suelo se va degradando por capas sucesivas. 32 La erosión laminar es muy perniciosa, ya que es la principal causa de grandes aportes de sedimentos a los cursos de agua. La existencia de este tipo de erosión no es fácil de determinar, pues permanece a veces totalmente oculta. Generalmente tiene ocurrencia en suelos desprovistos de vegetación, donde las aguas se evidencian lodosas, y son más propicias las áreas de terrenos con suelo superficial que descansa sobre subsuelo impermeable, y en todos aquellos suelos de poca cohesión y de escaso contenido de materia orgánica. Para el estudio de la erosión por escurrimiento difuso; es decir, erosión laminar, se desarrolló la ecuación universal de pérdidas de suelo, expresada por la relación: P C S L K R A ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ · (ec. 4) donde: A= Índice que representa la pérdida de suelo por unidad de área. R= Índice de erosión producido por lluvia. K= Índice de erosividad del suelo. L= Índice relativo al largo de la ladera. S= Índice relativo de la inclinación de la ladera. C= Índice relativo al factor uso y manejo de suelo. P= Índice relativo a la práctica conservacionista adoptada. La determinación de los valores de pérdida de suelo provocados por la erosión laminar, representados en toneladas/ha, se realiza a partir del cálculo de los índices de cada componente de la ecuación a través de fórmulas empíricas. Este cálculo es tanto más preciso cuanto menor sea la parcela de área estudiada, considerando las variaciones espaciales normalmente observadas en los terrenos en relación con los factores analizados. 33 2.3.2.2. Erosión por trenzada En este caso, la lámina de agua no suele discurrir mucha distancia, ya que lo normal es que se concentre en pequeñas depresiones e irregularidades formando pequeños hilillos de corriente. Los efectos de este tipo de erosión sobre la superficie son similares a los producidos por la erosión laminar. 2.3.2.3. Erosión en regueros o surcos Los hilillos de corriente de trayectoria cambiante se van concentrando a favor de líneas de máxima pendiente, debido al efecto de irregularidades y desniveles en la superficie, así como por la presencia de obstáculos. Estas concentraciones de flujo generan un aumento en la velocidad del agua y, por ende, del poder erosivo. En el terreno se observan pequeñas incisiones longitudinales de hasta 30 cm de profundidad con forma de U o de V. 2.3.2.4. Erosión en cárcavas o barrancos Si los surcos persisten, estos irán progresando en profundidad y anchura, pudiendo generar incisiones de varios metros. La presencia de estas cárcavas en el terreno indica un estado avanzado de erosión. 2.4. Transporte de sedimentos Una cuenca hidrográfica, en condición natural y abierta, funciona como un sistema delimitado por una divisoria de aguas que divide la precipitación sobre cuencas adyacentes; por lo tanto, esa precipitación puede considerarse como la principal alimentación de la cuenca fluvial. 34 La red de drenaje, con sus cauces naturales labrados durante siglos, origina la formación de escurrimiento fluvial, tanto liquido como sólido. Las características del agua y su recorrido, desde el nacimiento de la corriente, están relacionados con múltiples causas y factores determinantes, hasta que el río llega al final de su recorrido. La erosión producida por la energía del agua, que arranca anualmente una cantidad de toneladas de suelo considerable y es acarreada aguas abajo, que puede ser un elemento dañino para las obras civiles existentes en la parte baja de la cuenca. El hombre no puede, materialmente, evitar los procesos de erosión natural, pero sí puede reducirlos, considerablemente con sus actividades antierosivas y, además, no crear condiciones para nuevas formas erosivas. El transporte del material es la función fundamental de las aguas corrientes. Los materiales que llevan en suspensión junto con los que van por el fondo, constituyen la carga o caudal sólido. La competencia de un río es la capacidad para movilizar y desplazar partículas, también conocida como “capacidad de arrastre”. El transporte de sedimentos por la corriente se acostumbra dividir en “sedimentos en suspensión” y en “sedimentos de arrastre (de fondo o acarreo)”; pero también existe un tercer estado de los sedimentos, denominado “saltación”, que constituye una transición entre los dos primeros. Depende de la velocidad del flujo y la rugosidad; a mayor velocidad y rugosidad mayor turbulencia y a mayor turbulencia más capacidad de arrastre, por lo que si la velocidad del flujo disminuye, lo hace también la capacidad de arrastre, hasta llegar a ser negativa y depositar la carga. La capacidad se mide por la masa total que la carga de la corriente puede transportar por unidad de tiempo. Lo anterior depende de la velocidad, el caudal y el calibre de las partículas. Las fuerzas que intervienen en el desplazamiento de la carga son: la gravedad, fuerza de atracción de la corriente, turbulencia y las fuerzas ascendentes helicoidales. La distancia y la velocidad a la que se desplazan los fragmentos dependen de su calibre. Los fragmentos más gruesos son arrastrados sobre el fondo del lecho menor por deslizamiento y rodamiento. Cuanto más grandes, necesitan un aumento del caudal mayor para ponerse en movimiento. Las partículas coloidales y los limos se mantienen dentro del flujo en suspensión; son los que causan turbidez por partículas en el agua. 35 Las gravas avanzan por saltación tras ser elevadas del fondo por fuerzas helicoidales. Cuando se desplazan en conjunto volúmenes importantes de material heterogéneo, decimos que es un movimiento en masa. Esta modalidad es propia de los episodios torrenciales y las grandes crecidas. Las expuestas son formas de transporte mecánico, pero también existen formas de transporte químico. También forman parte de la carga las sustancias en disolución, y en ocasiones constituyen un porcentaje muy alto de ella. Las sustancias en disolución proceden de los aportes de las rocas de las cuencas y de las rocas y fragmentos que forman el propio lecho. Los iones en disolución forman parte de la molécula de agua y se desplazan con ella. Esta carga no se deposita a no ser que exista un cambio brusco de presión y temperatura. La actividad de estos procesos está controlada por la competencia del flujo, que en un mismo río depende del caudal de cada momento. Es en las crecidas cuando la labor erosiva es mayor, mientras que el resto del tiempo solo transporta las partículas más pequeñas. Parte de la energía desarrollada por el flujo de agua no se emplea en el transporte de la carga, sino en su modelado; es decir, se consumen en los golpes entre los fragmentos y en la disolución de la roca. Esta es la causa de que los fragmentos de los ríos presenten formas redondeadas y brillantes, y de que aguas abajo el calibre de los fragmentos sea cada vez menor. La producción de sedimentos Ws, expresada en toneladas anuales, es el escurrimiento sólido (R o ) que transporta el río durante un año dado, al tener en cuenta el peso volumétrico de las partículas de tierra (β) expresado en k/m 3 , que varía de 0,5 a 1.0 aproximadamente, según experiencias de laboratorio: β 31536 ⋅ · Ro Ws (ec. 5) El escurrimiento sólido (R o ), en kg/s, se obtiene a partir del producto de la turbidez media (ρ med ) y el escurrimiento líquido del río (Q o ), en m 3 /s: Qo med Ro ⋅ ⋅ · ρ 001 , 0 (ec. 6) 36 Y por último, la degradación específica o módulo específico del escurrimiento sólido (M s ), expresado en t/ha, es la capacidad de sedimentos que aporta cada ha de superficie de la cuenca durante un año, donde A es la superficie de la cuenca hidrográfica expresada en km 2 : A Ro Ms 36 , 315 ⋅ · (ec. 7) 2.4.1. Producción de sedimentos El agua de los ríos siempre contiene determinada cantidad de partículas sólidas y sustancias disueltas. La suma total de estos productos, acarreados por la corriente durante determinado tiempo, por ejemplo, un año, se denomina “caudal sólido”. Las partículas sólidas en la corriente son los azolves o sedimentos, y están constituidas por granos minerales de distintos diámetros, y en su composición también se encuentran sustancias orgánicas. La formación de sedimentos es una forma de contaminación de los sistemas hídricos terrestres, que se manifiesta como una componente física por la pérdida de la capa arable del suelo y la degradación de la tierra a consecuencia de la erosión laminar, que da lugar a niveles excesivos de turbidez en las aguas receptoras y a repercusiones ecológicas y físicas. El cálculo de la capacidad de transporte de sedimentos de una corriente fluvial podría efectuarse aproximadamente por la fórmula 7 : m Uh V St 3 24⋅ · (g/m 3 ) (ec. 8) donde: S t = capacidad de transporte de sedimentos, (g/m 3 ). U = tamaño de la partícula (m/s); se refiere a la velocidad de precipitación de la partícula hacia el fondo. V = velocidad media de la corriente (m/s). hm = profundidad media de la corriente (m). 7 Fuente: Batista (2004) 37 El aporte de sedimentos es siempre inferior a la erosión total, debido a la acumulación de sedimentos durante el transporte, y es muy variable como consecuencia de las dificultades de cuantificación, la variabilidad temporal de los procesos hidrológicos y los cambios en las prácticas de ordenación de las tierras de la cuenca de un año a otro. 2.4.2. Impacto de condiciones naturales y antrópicas en acumulación de sedimentos en la desembocadura de los ríos En el proceso de formación de sedimentos intervienen diversos elementos que pueden producir, aumentar o reducir la cantidad de sedimentos en suspensión y acarreo transportados por las corrientes. La acción de esos elementos se desarrolla en forma individual o combinada. Los siguientes factores de influencia deben tenerse muy en cuenta en el diseño de la investigación y la posible aplicación de medidas para reducir la sedimentación en la cuenca fluvial: suelos, relieve, intensidad y cantidad de precipitaciones, escurrimiento fluvial, vegetación, erosión, usos de la tierra (control de erosión, reforestación, agricultura, desarrollo hidráulico y urbanización). De todos los factores señalados, el uso de la tierra es uno de los más importantes. Las áreas de cuencas boscosas y cubiertas con espesa vegetación prácticamente no producirán sedimentos, ante la ocurrencia de intensas precipitaciones, excepto en zonas donde los aludes sean empinados, ya que la precipitación produciría deslizamientos masivos con volúmenes muy altos. 2.4.3. Transporte de sedimentos en ríos de montaña Los cauces de montaña se diferencian ampliamente de los cauces aluviales. Estas diferencias hacen referencia a condiciones topográficas como morfológicas y geológicas, las cuales hacen que la hidráulica y el transporte de sedimentos en este tipo de corrientes tengan características diferentes. 38 Dentro de las características topográficas se encuentra la pendiente, que para cauces de montaña es superior al 0,1%, lo cual hace que los números de Froude sean cercanos y superiores a 1(condición casi crítica). En lo que hace referencia al aspecto geológico, los materiales de fondo corresponden a granulometrías gruesas, típicas de lechos compuestos por cantos y gravas, lo que influye significativamente en la resistencia del flujo en a la capacidad de transporte de material. Para evaluar la hidráulica de los ríos de montaña es esencial determinar la resistencia al flujo, la cual es una función de muchas variables que involucran la geometría del canal, estado del cauce, tamaño y características de los materiales del lecho. En comparación con los cauces de las regiones planas, el transporte de sedimentos en los ríos de montaña posee características que lo distingue. Este tiene lugar en un ambiente hidráulico de pendientes empinadas y sumergencias relativas bajas. Debido a la amplia distribución de tamaños del material del lecho, ocurre el transporte parcial para la mayoría de las condiciones del flujo, con la particularidad de que solo condiciones de flujo extremas tienen la capacidad de movilizar el material grueso, generando así el transporte de partículas en forma pulsar. 2.4.4. Resistencia al flujo en ríos de montaña La aproximación teórica de la resistencia al flujo fue sugerida por la derivación de las leyes de resistencia para capas límite y su satisfactoria aplicación al flujo de tuberías. En el flujo en canales, la fricción en el límite crea una capa de corte, la cual tiene mucha similitud con la capa límite, por lo cual las ecuaciones para determinar la resistencia al flujo tienden a estar basadas en esta teoría. El concepto fundamental de la teoría es que la velocidad media del flujo puede ser calculada a partir de la forma del perfil de velocidad, el cual puede cuantificarse como una función de varios factores de resistencia. 39 2.4.4.1. Formas de resistencia La resistencia al flujo en canales puede ser clasificada o subdividida: • Resistencia de superficie: la resistencia de superficie es producida por la rugosidad de la superficie del lecho y por la vegetación, y depende de la profundidad del flujo relativo a la altura del elemento rugoso. • Resistencia de forma o distorsión interna: es la resistencia causada por las características del canal como curvas, piedras individuales, formas del lecho (ondulaciones) y protuberancias de las márgenes, que producen remolinos o flujos secundarios. • Resistencia de derrame: está asociada con el flujo gradualmente variado y las pérdidas de energía, debido a aceleraciones y desaceleraciones dentro del flujo; la resistencia de derrame ocurre localmente en sitios particulares del canal bajo ciertas circunstancias y son de poco interés. En los canales con lecho de arena, la resistencia al flujo depende más de la resistencia de forma, debido a la presencia de formas de lecho, tales como dunas, antidunas, ondas o variaciones de estas. (Véase la fig. 12). Esta es la razón por la que, con frecuencia, a este tipo de canal se le denomina “lecho móvil”. 40 Fig. 12. Formas de lecho en canales de fondo móvil Fuente: Vargas (1992) página 17. Para canales con lecho de grava o material grueso, la fricción de superficie es el factor predominante en la resistencia al flujo, por la presencia de elementos rugosos de mayor tamaño y porque las formas de lecho cambiante son raras. A este tipo de canal se le conoce como “fondo fijo”. 2.4.4.2. Coeficiente de resistencia en ríos de montaña Estimar la velocidad del agua en un canal natural ha sido durante mucho tiempo uno de los mayores problemas en el campo de la hidráulica, para cuya solución han sido desarrolladas diferentes fórmulas, en las cuales los procesos de resistencia son representados por un coeficiente cuya estimación es la primera dificultad. Por ejemplo, la n de Manning en la fórmula: 2 / 1 3 / 2 1 S R n v ⋅ ⋅ · (ec. 9) o la forma de Darcy aplicada a canales: 41 Ondulaciones típicas Lecho plano Antidunas produciendo olas Dunas con ondulaciones superpuestas Antidunas rompiendo olas Dunas ( ) 2 / 1 2 / 1 8 f n S R g v ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ · (ec. 10) donde v es la velocidad media; R el radio hidráulico; S la pendiente de la línea de energía; g la aceleración de la gravedad. Al igualar las dos fórmulas anteriores obtenemos una relación entre ambos coeficientes: ( ) 2 / 1 2 / 1 6 / 1 8 g f R n ⋅ ⋅ · (ec. 11) En ríos aluviales, caracterizados por pendientes bajas y con lechos formados por sedimentos finos, la estimación de los coeficientes de rugosidad ha sido investigada en detalle, considerando inclusive, el efecto de arrastre de sedimentos (Van Rijn, 1982). En contraste, la determinación de la rugosidad y la velocidad del flujo en ríos con camas de grava o de materiales aún más gruesos resultan especialmente complejas, y han recibido comparativamente menos atención que el caso precedente. En Costa Rica, la topografía montañosa ocasiona que los ríos discurran en gran parte por zonas de altas pendientes y con camas de materiales de granulometría gruesa, por lo que se les puede denominar “ríos de montaña”: aquellos en los que la pendiente del lecho es mayor al 0,2%, la profundidad es baja en relación con el ancho, y poseen elementos rugosos de gran tamaño que en muchas ocasiones sobresalen de la superficie. 2.4.4.3. Resistencia en ríos de montaña Según Brey (1982), hay dos maneras de analizar la resistencia al flujo en un canal natural: • Considerando el canal prismático, con propiedades geométricas e hidráulicas promedio, caso en que el flujo se supone unidimensional (o bidimensional), uniforme o permanente. • Tomando en cuenta la turbulencia de fluido y las características del flujo en detalle, propias de un comportamiento tridimensional, procedimiento restringido a estudios de laboratorio. 42 Por la complejidad del flujo en el tipo de ríos mencionado, la primera consideración es usualmente la adoptada, suposición que conlleva ciertas desventajas que serán comentadas más adelante. En cuanto a los procesos de resistencia, en un canal se identifican tres tipos principales: • De superficie: producida por la rugosidad del lecho como un todo; es dependiente del tirante del flujo que tiene su origen en las fuerzas de fricción. • De forma: es causada por elementos particulares del canal, como formas de lecho, (dunas o antidunas), forma de la sección transversal, perfil del lecho no uniforme, curvas que producen flujos secundarios que ocasionan una distribución cortante no uniforme. • De superficie libre: depende de las distorsiones de la superficie libre y de un efecto sobre la estructura de turbulencia. En los ríos con lecho rugoso, la mayor fuente de oposición al flujo se manifiesta en la resistencia de superficie, por lo que se desestiman los otros procesos de resistencia. Además, las formas de lecho en los ríos de montaña son poco comunes. Algunos investigadores no descartan la importancia de la resistencia de forma presentada por barras (acumulaciones de sedimentos transversales al cauce), frecuentes en este tipo de ríos, debido al patrón que siguen: ramos de aguas tranquilas con poca profundidad relativamente alta (pozas), seguidos de tramos de profundidad baja con velocidades mayores (rápidos). Este patrón de barras suele verse como macroformas de lecho. Cuando la descarga es cero, los rápidos están secos, pero hay agua residual en las pozas. Para niveles bajos de flujo, la variabilidad entre poza y rápida puede ser muy marcada, y la suposición de flujo uniforme como flujo promedio es una buena aproximación. 43 2.4.5. Rugosidad del lecho Para tomar en cuenta la rugosidad de la superficie del lecho, se utiliza el concepto de altura de rugosidad, el que consiste en un valor representativo de la altura de los diferentes elementos rugosos presentes en el lecho del canal. Para obtener la altura de rugosidad se recurre a la curva granulométrica del material del lecho. Los valores usualmente utilizados son el de D50, D65, D84 y D90, donde Dx significa el tamaño de partícula, para el cual x es el porcentaje de material más fino. En el material que se encuentra en el lecho de un canal natural se distinguen 3 diámetros asociados a tres ejes perpendiculares: diámetro mayor, medio y menor. (Véase la fig. 13) Fig. 13. Diámetros de ejes perpendiculares Fuente: Vargas (1992) página 19. Al hablar estrictamente, la altura del elemento debería ser usada para medir la rugosidad relativa de éste. Sin embargo, como la distribución de tamaño no es uniforme sobre el lecho, es más conveniente usar el diámetro medio, ya que es el tamaño que determina la dimensión de la malla por la que la partícula pasaría. Se podría pensar que por la posición en que generalmente reposa un elemento rugoso en el lecho, el diámetro menor sería una medida más representativa; sin embargo, 44 Diámetro menor (c) Diámetro mayor (a) Diámetro medio (b) b c a experimentos realizados demuestran que la diferencia entre el uso del diámetro medio al menor es insignificante. Además, es probable que el diámetro intermedio tenga mayor influencia en la resistencia de la superficie del elemento. El uso de uno u otro depende de la fórmula o criterio utilizado; sin embargo, es razonable esperar que los tamaños más grandes tengan un papel dominante en la pérdida de energía. Ferro y Giordano (1981) encontraron que el D 84 y D 90 responden mejor a la variación de cantidad de elementos en el lecho del canal que diámetros menores. Los diferentes diámetros usualmente siguen las siguientes relaciones: Dlargo/Dmedio ≅ 1,5 1,5 ≤ Dmedio/Dcorto≤ 3 (ec. 12) Bathurst (1978) desarrolló una relación para calcular la resistencia al flujo para rugosidades de gran escala, basada en datos de campo recopilados. Su teoría sugiere que el coeficiente de resistencia debe variar con la rugosidad relativa, la forma de la rugosidad, la distribución de tamaños de los sedimentos, el espaciamiento de los sedimentos y la geometría del canal: ( ) ( ) 08 , 0 1 7 54 , 2 84 2 / 1 2 / 1 365 , 0 8 − , _ ¸ ¸ ⋅ , _ ¸ ¸ ⋅ · · , _ ¸ ¸ λ d w D R gRS Um f (ec. 13) ( ) ( ) 08 , 0 2 7 83 , 5 84 2 / 1 2 / 1 784 , 0 8 − , _ ¸ ¸ ⋅ , _ ¸ ¸ ⋅ · · , _ ¸ ¸ λ d w D R gRS Um f (ec. 14) Ahí, los cálculos pueden realizarse de manera alternativa mediante los parámetros definidos como la concentración de rugosidad frontal λ 1 ó basal λ 2 , definidos por las siguientes ecuaciones. , _ ¸ ¸ ⋅ · R D 84 91 , 1 log 139 , 0 1 λ (ec. 15) , _ ¸ ¸ ⋅ · R D 84 52 , 1 log 360 , 0 2 λ (ec. 16) 45 Esta relación debe aplicarse de manera restringida por corrientes cuya pendiente del lecho So está entre 0,8 % y 1,8%, el ancho, w entre 15 y 33m y la profundidad del flujo d entre 0,20 y 0,40m. Para clasificar un lecho según su rugosidad, Bathurst (1978) sugirió la siguiente escala de rugosidades: Tabla 5. Clasificación de la rugosidad Escala de rugosidad D 84 D 50 Rugosidad de gran escala d/ D 84 < 1,2 d/ D 50 < 2 Rugosidad de escala intermedia 1,2 < d/ D 84 < 4 2 < d/ D 50 < 7,5 Rugosidad de pequeña escala d/ D 84 > 4 d/ D 50 > 7,5 Fuente: Vargas (1992) página 20. La relación R/D x se llama “sumergencia relativa”, y su inversa D x /R “rugosidad relativa”. El tirante hidráulico “d”, definido como la división del área de la sección entre el ancho, es corrientemente usado en lugar del radio hidráulico “R”, ya que en ríos de lecho rugoso “d” no difiere en más de un 3% de “R”. Si la relación d/D x en un canal ancho y recto es relativamente alta, el flujo se puede clasificar como bidimensional. Para d/D x pequeño, el flujo será tridimensional, formado por chorros y remolinos. Bray (1982) recomienda considerar el flujo bidimensional para d/D x ≥3. 2.4.6. Fórmulas de resistencia En hidráulica, la resistencia se refiere a la oposición de las paredes de un conducto al movimiento de un fluido. En el caso de un canal abierto, o un río, la resistencia está directamente asociada con la velocidad del agua y con los niveles que alcanza en un determinado caudal. Las fórmulas de resistencia relacionan las características geométricas de la sección y la rugosidad de las paredes con la velocidad del agua. La mayoría de las fórmulas de resistencia son de tipo empírico, por lo que dependen de coeficientes o parámetros también empíricos. Una de las ecuaciones más conocidas es la 46 denominada “fórmula de Manning”, en uso desde hace más de 100 años, y a su coeficiente se le denomina “n de Manning”. La curva de descarga es un gráfico que, para un canal o un río, relaciona el caudal con el nivel del agua. Bajo la suposición de que existe un equilibrio entre las fuerzas de resistencia o fricción y las fuerzas de gravedad, esta relación es unívoca; es decir, para un caudal se da un nivel y viceversa. Para evaluar la resistencia en ríos de rugosidad media se suele adoptar fórmulas de tipo semilogarítmico, mientras que para rugosidades altas, las de tipo potencial han demostrado ser más compatibles. 2.4.6.1. Fórmulas tipo Keulegan Las fórmulas tipo semilogarítmico, para estimar la rugosidad del lecho en ríos con rugosidad media a baja, se basan en la ecuación de Prandtl-Von Karman, pues la fricción en la frontera del canal crea una capa de cortante similar a la capa límite en tuberías: k y K E v v ln 1 * ⋅ + · (ec. 17) Donde: v*= (gRS) 0,5 (velocidad de corte). k = rugosidad equivalente de Nikuradse. E = una constante. K = la llamada “constante de Von Karman”. y = distancia desde la pared. En 1938 Keulegan fue el primero en aplicar esta ecuación en canales rugosos, suponiendo a k igual a la rugosidad equivalente de Nikuradse k s , e incluyendo un factor de corrección (φ) de acuerdo con la forma de la sección del canal: , _ ¸ ¸ + ⋅ − − · , _ ¸ ¸ · ks R K K C f v v log 1 1 1 8 * φ (ec.18) 47 De tal manera que: φ = 0,81 (sección circular). φ = 0,90 (sección poligonal). φ = 1,00 (sección rectangular de ancho infinito). C = 8,5 (valor calculado por Keulegan). K = 0,40 (constante de Von Karman). Al suponer una sección rectangular de ancho infinito y cambiar a logaritmos en base decimal, la ecuación anterior se transforma en: , _ ¸ ¸ + · ks R f log 03 , 2 12 , 2 1 (ec.19) Con base en esta fórmula, se han presentado diferentes variantes aplicadas a cauces naturales, desarrolladas a partir de mediciones en canales naturales o de laboratorio en condiciones de flujo normal. En estos experimentos se determinan las características granulométricas del lecho, la geometría de la sección, y se mide la velocidad del flujo, información que permite obtener el coeficiente de rugosidad. Las principales ecuaciones desarrolladas para rugosidades bajas a intermedias son: Leopold, Colman, Millar: (1964): 0,8< R/D 84 < 16 , _ ¸ ¸ ⋅ + · 84 log 0 , 2 1 1 D R f (ec.20) Limerinos (1970): 1< R/D 84 < 50 , _ ¸ ¸ ⋅ + · 84 log 03 , 2 16 , 1 1 D R f (ec.21) Bray (1979): , _ ¸ ¸ ⋅ + · 84 log 03 , 2 10 , 1 1 D R f (ec.22) 48 Hey (1979): 1< R/D 84 < 100 11,1 ≤ a ≤ 13,46 , _ ¸ ¸ ⋅ ⋅ · 84 5 , 3 log 03 , 2 1 D aR f (ec. 23) Hey determinó que el valor de a (factor de corrección por forma de la sección) se puede aproximar con la siguiente fórmula: 314 , 0 1 . 11 − , _ ¸ ¸ ⋅ · m d R a (ec. 24) donde: dm es la profundidad desde el punto de máxima velocidad. Además, sugirió a = 11,75 como un valor representativo de secciones rectangulares anchas. Griffits (1981): 1< R/D 50 < 200 , _ ¸ ¸ + · 50 log 98 , 1 76 , 0 1 D R f (ec. 25) Bathurst (1985): 0,3< R/D 84 < 6 , _ ¸ ¸ + · , _ ¸ ¸ 84 log 62 , 5 4 8 D R f (ec. 26) Aguirre-Fuentes (1986): 0,7< d/D 50 < 100 d Dx Dx d f ⋅ ⋅ + , _ ¸ ¸ ⋅ ⋅ · β α 88 , 0 1 , 11 log 03 , 2 1 (ec. 27) Esta última fórmula coincide con la de Hey, cuando α = 11,1 más un componente adicional, que Aguirre y Fuentes llaman el efecto de estela (b) producido sobre los elementos rugosos del lecho, a es el factor de textura igual a 3,5 veces para D 84 y a 6,8 para D 50 . Aguirre y Fuentes calibraron el factor de estela con base en datos de varios investigadores y obtuvieron b= 0,3 para D 50 y b= 0,13 para D 84 . Sin embargo, a y b representan gran variabilidad, e incluso b puede llegar a tener valores negativos. Es claro 49 que el factor de estela disminuye el coeficiente de resistencia si b es positivo o lo aumenta si b es negativo. Para observar las semejanzas en las fórmulas, éstas se pueden representar de la forma dada en la siguiente ecuación: R Dx E Dx R a B R Dx E Dx R B A f ⋅ + , _ ¸ ¸ · ⋅ + , _ ¸ ¸ + · ' log log 1 (ec. 28) ( ) ' log a B A ⋅ · (ec. 29) En donde las constantes A, B, E y a' varían según los diferentes investigadores, como se muestra en la siguiente tabla. Se indica, también, el diámetro característico que se utiliza en cada fórmula, así como el rango de aplicación de la misma. Tabla 6.Comparación de fórmulas tipo Keulegan Investigador A B a' E Dx R/Dx Keulegan 2,12 2,03 11,03 0 ks - Leopold 1,00 2,03 3,11 0 D84 0,8 a 16 Limerinos 1,16 2,03 3,73 0 D84 1,0 a 50 Bray 1,10 2,03 3,49 0 D84 ≥ 3,5 Hey - 2,03 3,17 a 3,84 0 D84 1 a 100 Bathurst 1,41 1,99 5,11 0 D84 0,3 a 6 Griffits 0,76 1,98 2,42 0 D50 1 a 200 Aguirre- Fuentes 1,02 2,03 3,17 0,114 D84 0,7 a 100 Fuente: Vargas y Jiménez (1996) Se puede apreciar que todas estas ecuaciones son similares a las de Keulegan, con la diferencia en el valor de corrección para la forma de la sección y en la sustitución de k s por la rugosidad del lecho. Con respecto a la sustitución de la rugosidad, Hey (1979) demostró que k s puede aproximarse a 3,5D84; también es aceptado sustituir k s por 6,8D50. Al dividir en la ecuación de Keulegan 11,03 entre 3,5 se obtiene a'= 3,15, es muy parecida al valor que obtiene a' en las otras ecuaciones. 50 Existen otros tipos de fórmulas cuyo planeamiento es muy diferente a lo expuesto anteriormente. Por ejemplo, la ecuación de Lacey, discutida ampliamente por Bray (1982), da una expresión para la velocidad de la forma: 3 / 1 3 / 2 8 , 10 Sf d v ⋅ ⋅ · (ec. 30) Esta fórmula se considera aplicable en niveles altos del cauce. Jarred (1984) presentó una fórmula para calcular el coeficiente de Manning n a partir de la pendiente de energía Sf y el radio hidráulico R, la cual fue obtenida mediante regresión múltiple en 75 estaciones pluviométricas de 21 ríos de alta pendiente. La pendiente de energía se obtuvo midiendo la pendiente de la superficie del agua. La fórmula de Jarred es: 16 , 0 38 , 0 32 , 0 − ⋅ ⋅ · R Sf n (ec. 31) La ecuación presentó un error estándar en la predicción del 28%. El D 84 en los sitios de estudio varió desde 0,1 hasta 0,8 m. Esta ecuación se aplica al canal principal de un cauce natural con materiales estables en lecho y banco (formados por gravas, guijarros y cantos) y pendientes desde 0,002 hasta 0,04 en tramos sin remanso. A diferencia de las otras fórmulas presentadas, esta última tiene la particularidad de que no interviene el parámetro de rugosidad relativa y sí depende de la pendiente del cauce. Además, han sido desarrolladas complejas ecuaciones para rugosidades altas, que presentan dificultad para aplicarse con fines prácticos. Algunas son: Bathurst: ( ) ( ) 08 , 0 7 34 , 2 84 365 , 0 8 − , _ ¸ ¸ , _ ¸ ¸ ⋅ · , _ ¸ ¸ e d W D R f λ (ec. 32) , _ ¸ ¸ ⋅ − · 84 log 139 , 0 039 , 0 D R e λ (ec. 33) Donde w es el ancho del espejo. Interpolación Bathurst – Hey: ( ) 08 , 0 7 84 84 66 , 14 2 , 1 log 842 , 1 8 − , _ ¸ ¸ ⋅ , _ ¸ ¸ + , _ ¸ ¸ ⋅ ⋅ − · , _ ¸ ¸ e d W D R D W f λ (ec. 34) 51 2.4.7. Movimiento incipiente de sedimentos El equilibrio de una partícula, en el fondo de un río aluvial, es perturbado si la resultante de las fuerzas desestabilizadoras (fuerzas de arrastre y alzamiento hidrodinámico) es mayor que las fuerzas estabilizadoras que resisten al movimiento, tales como gravedad y cohesión. La cohesión es importante para sedimentos en el rango de limos o arenas finas con diversos contenidos de limos y arcillas, o arenas finas con diversos contenidos de limos y arcilla. Cuando el sedimento que compone el lecho es granular incoherente, las partículas resisten el movimiento, debido principalmente al peso sumergido. Las partículas granulares se mueven como entidades simples. En cambio, cuando el material constitutivo del lecho es fino y contiene limo y arcillas, las fuerzas cohesivas predominan y son responsables de la resistencia a la erosión que exhiben tales materiales. En caso de erosión, las partículas se mueven generalmente formando un conglomerado. La condición de flujo, en el instante que el sedimento del lecho comienza a moverse; es decir, cuando se produce el “movimiento incipiente”, recibe el nombre de “condición hidrodinámica crítica”. Tal condición se puede presentar a través de un valor crítico de la tensión de corte sobre el fondo. 2.4.7.1. Tensión de corte crítica sobre un fondo de sedimentos incoherentes uniformes Consideremos el caso de un flujo turbulento uniforme que se desarrolla en un canal rectangular ancho, cuyo fondo está constituido por sedimento uniforme de diámetro d. Para dicho flujo la distribución en la vertical puede expresarse en forma general como: (ec. 35) donde: B = f(Re*) = f (u* k s / v) (ec. 36) 52 B k z u z u s + , _ ¸ ¸ · log 75 , 5 ) ( * La fuerza hidrodinámica de arrastre ejercida por dicho flujo sobre una partícula del fondo es: (ec. 37) donde: α 1 es un coeficiente de forma, tal que α 1 d 2 da el área de la partícula proyectada en la dirección del flujo; u d es una velocidad característica y C D es el coeficiente de resistencia de la partícula (función del número de Reynolds asociado a u d ). Al considerar que la velocidad característica es: d z d U U · · y demás ks = d, de (ec. 34) se obtiene: (ec. 38) Por otra parte C D = f (u d d/u); por tanto, C D puede expresarse también como: (ec. 39) Al reemplazar (eq. 38) y (37) en (36), la fuerza hidrodinámica F D se expresa como: (ec. 40) Al incluir las dos funciones de Re*, f 1 y f 2 , en una función f 3 se obtiene: (ec. 41) donde Re* es el número de Reynolds basado en la velocidad de corte y el diámetro del sedimento: v d u ⋅ · * Re (ec. 42) 53 2 1 2 2 d u C F d w D D ⋅ ⋅ ⋅ · α ρ , _ ¸ ¸ ⋅ · v d u f U U d * * 1 , _ ¸ ¸ · v d u f C D * 2 ( ) ( ) 2 1 * 2 1 2 * * 2 Re 2 Re d f u f F w D α ρ ⋅ ⋅ ⋅ · ( ) 2 1 2 * * 3 2 Re d u f F w D α ρ ⋅ · La fuerza estabilizadora esta dada por: (ec. 43) donde: α 2 es un factor que depende de la forma de la partícula y el coeficiente de fricción estático de Coulomb. El movimiento incipiente se observa cuando la fuerza hidrodinámica actuante iguala la fuerza estabilizadora; por lo tanto, al igualar (ec. 40) y (ec. 42), reagrupar e indicar con el subíndice c la condición crítica, se obtiene: (ec. 44) donde: ( ) ( ) c c f f Re* 2 Re* 3 1 2 4 ⋅ ⋅ · α α (ec. 45) Al recordar la expresión de la velocidad de corte: (ec. 46) Al reemplazar (eq. 45) en el primer miembro de (eq. 44) se obtiene: (ec. 47) donde τ *c es la tensión de corte adimensional crítica sobre el fondo o parámetro de Shields crítico. En la fig. 14 se observa la relación dada por la ecuación (47), obtenida experimentalmente por Shields (1936), para una vasta gama de partículas de sedimento. La tensión de corte crítica, correspondiente al movimiento incipiente, fue definida por Shields como aquella para la cual el transporte tiende a cero, y se determinó correlacionando la tasa de transporte de sedimentos con la tensión de corte sobre el fondo y extrapolando para transporte nulo. Shields presentó una banda de dispersión en su programa; la curva media fue presentada por Rouse (1939). 54 ( ) 3 2 d g F w s G ⋅ − ⋅ ⋅ · ρ ρ α ( ) ( ) c c f d g s u * 4 2 * Re 1 · ⋅ ⋅ − w b u ρ τ · * ( ) ( ) c w s bc c f gd * 4 * Re · − · ρ ρ τ τ Es evidente la analogía entre la curva de Shields y la función τ *c = f(Re *c ) y la fuerza de rugosidad de Nikuradse: B = f(Re * ). Dicha analogía facilita la interpretación de los distintos tramos que forman la curva de Shields. El número de Reynolds, Re * = u * d/v, es proporcional a la relación entre el diámetro d y el espesor δ de la subcapa viscosa. Efectivamente, el valor aproximado de δ es: * 11 u v ⋅ · δ (ec. 48) por lo tanto, al dividir miembro a miembro por d y reordenar se obtiene: 11 Re* · δ d (ec. 49) El primer tramo recto descendiente de la curva de Shields, hasta Re * = 2, representa situaciones en las cuales d es mucho menor que δ; es decir, las partículas se encuentran completamente dentro de la subcapa viscosa. El último tramo horizontal, para Re * ≥ 400, representa situaciones donde δ es mucho menor que d; por lo tanto, las partículas se encuentran totalmente expuestas a la acción de un flujo turbulento completamente desarrollado. En esta zona la tensión de corte adimensional crítica es constante y aproximadamente igual a 0,06 (τ *c =0,06); consecuentemente, la tensión de corte crítica τ bc es directamente proporcional al diámetro. El tramo curvilíneo intermedio corresponde con un régimen de transición en el cual las partículas se encuentran, en parte, expuestas al flujo turbulento completamente desarrollado y, en parte, cubiertas por la subcapa viscosa. 55 Fig. 14. Curva de Shields en el sistema de ejes (τ*, Re*) Fuente: Basile Pedro A. (2003) 2.4.7.2. Curva de Shields en el sistema de ejes (τ*, D*) La curva de Shields en el sistema de ejes coordenados de la fig. 15, (τ * ,Re * ), no es muy útil, porque u *c (o τ bc ) debe determinarse por tanteos, ya que aparece en los dos ejes. Una forma más apropiada de representar la curva de Shields es en el sistema de ejes (τ * ,D * ), como se muestra en la figura 13, donde D * es el diámetro adimensional definido como: (ec. 50) 56 ( ) 3 / 1 2 3 / 1 * 2 * * 1 Re 1 ] 1 ¸ − · , _ ¸ ¸ · v g s d D τ Fig. 15. Curva de Shields en el sistema de ejes (τ*, D*) Fuente: Basile Pedro A. (2003) Existen expresiones analíticas para representar la curva de Shields, como por ejemplo: • Browie (1981): (ec. 51) • Van Rijn (1984) (ec. 52) En la fig. 16 se presenta la velocidad de corte crítica y la tensión de corte critica en función del diámetro. Tales curvas han sido determinadas a partir de la ecuación 50, al considerar ρ s = 2650 kg/m 3 , ρ w = 1000 kg/m 3 , g = 9,81 m/s 2 y v = 1,01 10 -6 m 2 /s. 57 · c * τ 1 * 24 . 0 − ⋅ D 4 * ≤ D 64 . 0 * 14 . 0 − ⋅ D 10 4 * ≤ < D 10 . 0 * 04 . 0 − ⋅ D 20 10 * ≤ < D 29 . 0 * 013 . 0 D ⋅ 150 20 * ≤ < D 055 . 0 150 * > D ( ) 9 , 0 * 9 , 0 * * 77 , 17 exp 06 , 0 22 , 0 − − − + · D D c τ Fig. 16. Velocidad de corte crítica y tensión de corte crítica en función del diámetro Fuente: Basile Pedro A. (2003) 2.4.7.3. Velocidad media crítica La velocidad media crítica se puede determinar a partir de los valores de tensión de corte adimensional crítica, dados por la curva de Shields de la siguiente manera: (ec. 53) donde, la velocidad de corte crítica se obtiene a través de la tensión de corte adimensional crítica: (ec. 54) y el coeficiente de Chezy depende de las características del contorno (liso/transición/rugoso). Por ejemplo, para el caso de flujo turbulento completamente desarrollado (contorno hidráulicamente rugoso) C se expresa como: (ec. 55) 58 g C U U c c · * ( ) gd s u c c 1 2 * * − · τ , _ ¸ ¸ · s k h C 11 log 18 o recordando la relación entre el coeficiente de Chezy y el coeficiente n de Manning: (ec. 56) 2.4.8. Estabilidad lateral y régimen La estabilidad de un cauce aluvial es un concepto casi sinónimo del equilibrio de un cauce. Entendemos que un cauce está en equilibrio, o es estable, cuando el perfil del fondo del río permanece invariable a largo plazo, sin ascenso (acresión) ni descenso (erosión). Al mismo tiempo, hablamos de cauce estable cuando su sección transversal (anchura y profundidad), permanece invariable a largo plazo y, finalmente, también cuando el recorrido del cauce en planta no cambia en el tiempo. Al hablar de estabilidad estamos implícitamente considerando procesos lentos de cambio de un río, que se manifiestan a largo plazo. Por ello, tiene sentido relacionar la estabilidad con el llamado “caudal dominante” o “formativo del cauce”. Este caudal puede definirse como el que determina la forma y dimensiones del cauce principal, por donde circulan permanentemente las aguas, limitado por unas orillas. Para calcularlo, puede usarse un criterio hidrológico que lo relaciona con ciertos períodos de retorno; también un criterio hidráulico, que consiste en identificarlo con el caudal que cabe en el cauce principal realmente existente (o “caudal de cauce lleno”), un criterio de transporte sólido en el sentido de obtener un caudal equivalente que transportaría, en régimen permanente, el mismo volumen sólido que transporta el río, de caudal variable, en la realidad. El estudio de la estabilidad se puede realizar por métodos basados en conocimientos de morfología fluvial; es decir, lo que podemos llamar la teoría del régimen en sentido amplio. Esta teoría es un conjunto muy amplio de conocimientos empíricos de geometría de cauces de río, que incluye magnitudes de la sección (anchura y profundidad) y del perfil (pendiente). La teoría del régimen aporta muchas fórmulas empíricas en las que intervine al caudal dominante, la pendiente del río, el tamaño del grano y, eventualmente, otras variables. También se incluye, en esta familia de métodos, la aplicación de la analogía de la balanza. Esta analogía sería el método más simple, al que seguiría una variedad de métodos sencillos, que podemos llamar “geográficos” (fórmulas de Bray y Parker y Hey y Thorne), 59 n h C 6 / 1 · que se interesan por las pendientes de equilibrio de los ríos (métodos de Lacey, Blench, Simons y Albertson y Altunin), que ofrecen resultados sobre la pendiente y la sección estable de un cauce 8 . Por otro lado, existen métodos basados en criterios de erosión y transporte sólido. Como criterios de erosión figurarían las fórmulas de erosión por estrechamiento o acortamiento, obtenidas con la hipótesis de aguas claras (no hay transporte sólido) y las fórmulas de equilibrio dinámico de tipo Lischtvan–Lebeiew (que sirven para pronosticar procesos de erosiones, pero también se puede considerar como una fórmula para la teoría del régimen). Otro método es el que compara la capacidad de transporte de las secciones transversales del río en dos situaciones temporales diferentes: antes y después de realizar obras en el cauce del río. Si la capacidad de transporte aumenta al ser intervenido el río, hay que esperar que se produzca erosión o viceversa (acresión) si la capacidad de transporte disminuye. En esta comparación suponemos que el suministro de sedimento no es nunca la limitante real. La fórmula utilizada para el transporte sólido es la de Meyer-Peter y Müller (MPM), por ser de uso común. La tasa de transporte se calcula por medio de la siguiente ecuación: ( ) 5 , 1 047 , 0 8 − ⋅ · µ θ φ b (ec. 57) donde: θ = parámetro de movilidad Shields. ( ) dm g s ⋅ ⋅ − · ρ ρ τ θ (ec. 58) donde: dm= diámetro medio. g= aceleración de la gravedad. 8 Bouza Badenes, Borja (2003) 60 ρ s = peso específico de las partículas sólidas (2,65 x10 3 kg /m 3 ). ρ = peso específico del agua. y la tensión tangencial en el fondo la podemos obtener así: o h w S R ⋅ ⋅ · γ τ (ec. 59) donde: Rh = radio hidráulico. S o = pendiente promedio topográfica. γw = Peso específico del agua. Para el cálculo de caudal sólido por unidad de ancho en m 3 /s/m se utiliza la siguiente expresión: q b = (s-1) 0,5 g 0,5 dm 1,5 φ b (ec. 60) 2.4.9. Caudal dominante El análisis para el caudal dominante utiliza tres tipos de métodos: 1) hidrológico: es decir, basado en el régimen hidrológico normal y avenidas, 2) hidráulico: està basado en la sección del cauce principal del río (y de este modo se aplica el concepto de “cauce lleno”) y 3) sedimentológico. • Método hidrológico 61 Los análisis hidrológicos basados en el régimen hidrológico de avenidas consisten, simplemente, en el criterio de atribuir al caudal dominante un período de retorno (T) comprendido entre 1,5 y 7 años para el caso de una hidrología irregular (a más irregularidad en la hidrología más alto es el período). Por otro lado, al análisis basado en el régimen hidrológico normal consiste en el criterio de que el caudal dominante es aproximadamente el caudal con persistencia de 1 ó 2 días en la curva de caudales clasificados (o frecuencia de caudales) del río. • Método hidráulico Para la aplicación del análisis hidráulico se toman algunas secciones transversales del río. En estas secciones se determina el nivel de cauce lleno, donde el cociente entre la anchura y la profundidad tiene un cambio de valor fuerte. El cauce determinado, mediante esta operación geométrica, se identifica con el cauce principal en sentido geomorfológico modelado por el caudal dominante. El valor de este caudal se obtiene utilizando la fórmula de Manning con un coeficiente de rugosidad de 0,030. • Método del caudal sólido Este método busca sustituir la variabilidad del régimen anual de caudales por un caudal equivalente. Dado que el transporte sólido de fondo es el que realmente modela el cauce, podemos definir el caudal equivalente como aquel que, manteniéndose constante durante todo el año, transporta la misma cantidad de volumen de material sólido que la que transporta realmente. El volumen t,tal transportado durante un año es la suma de, principalmente, dos efectos: los elevados caudales que se dan durante las avenidas a pesar de su poca duración, y los caudales medios, los que a pesar de no ser muy importantes, tienen una larga duración. Para este cálculo se utiliza la ecuación de transporte sólido de Meyer-Peter y Müller, y de esta forma se obtiene una función de los caudales sólidos unitarios y los días del año. Para pasar el caudal unitario a caudal total se debe multiplicar por el ancho del cauce. La elección de este ancho debe plantearse al tener en cuenta cuál es la zona del cauce en la que se va a producir transporte de material sólido, y una vez que se genere la curva de caudales sólidos clasificados, se calcula el área encerrada por 62 esta; es decir, el volumen total de sedimento transportado. Luego se busca un rectángulo equivalente con la misma área calculada. Este rectángulo, con ejes tiempo y caudal sólido, nos dará cuál es el caudal sólido equivalente. Una vez obtenido éste, basta con hacer el proceso a la inversa: con el caudal sólido equivalente y utilizando la ecuación de Meyer-Peter y Müller, se obtiene cuál es el radio hidráulico correspondiente, a partir del cual, al conocer la sección y aplicar la fórmula de Manning, podemos encontrar un caudal líquido, que será el caudal dominante. La ecuación de Meyer-Peter-Müller (1948) es una relación empírica basada en el exceso de la tensión de corte adimensional. Esta fue verificada con datos experimentales utilizando sedimentos uniformes y heterogéneos, con diámetros comprendidos entre los 0,4 y 28,65 mm. En la versión original, para sedimentos heterogéneos no se plantea el cálculo para clases granulométricas, por lo que se sugiere utilizar el diámetro medio aritmético para calcular el transporte de fondo global. La teoría del régimen es puramente empírica, y su origen se sitúa en las observaciones del comportamiento de canales de riego, que dado su largo período de operación, se pueden suponer estables. Existen diversos autores que han trabajado basándose en lo que hoy se conoce como teoría del régimen, lo cual ha dado lugar a diferentes métodos, que se diferencian entre sí por el número de parámetros independientes utilizados. Las fórmulas se muestran de forma explícita, ya que fue así como se obtuvieron. Se han aplicado los métodos de Lacey, Blench, Simons y Albertson, que corresponden a la “Teoría del régimen”, y en último lugar el método de Altunin. Como se mencionó, la “Teoría del régimen” surge de las observaciones de canales de riego no revestidos, y fue Kennedy, en 1895, quien empezó con estas observaciones. El objetivo de Kennedy era la construcción de una red de canales de riego, para lo cual observó una serie de canales que habían sido operativos durante bastante tiempo, por lo que se podía suponer que los parámetros observados deberían ser estables. El primer resultado de estas observaciones fue que la velocidad media era función de la profundidad: v = 0 ,548 y 0,64 (ec. 61) 63 donde v es la velocidad media de la corriente en m/s, y el calado o profundidad en metros. Posteriores observaciones llevaron a concluir que el exponente 0,64 y el coeficiente 0,548 variaban de una región a otra, con la que de forma más genérica escribió: v = Cy m (ec. 62) El término “régimen” fue utilizado por primera vez por Lindley, en 1919, indicando que un canal está en régimen cuando una sección y pendiente están en equilibrio con el caudal transportado, de tal manera que aumentos o disminuciones de él hacen que el ancho y profundidad se modifiquen en función de esos valores. Tras el nacimiento de la “Teoría del régimen” por parte de Kennedy, han sido muchos los autores que la han revisado y han propuesto nuevas relaciones empíricas para relacionar la geometría de la sección y la pendiente del canal con el caudal y las características del material del fondo y de las paredes del cauce. La “Teoría del régimen” es aplicable con material cohesivo y arenoso. Como la mayoría de los datos se obtienen de fórmulas empíricas, han sido obtenidos en canales con fondo y orillas cohesivas, esta teoría será muy útil para el diseño de canales con estos materiales. Los resultados buscados en estos métodos son la pendiente, la anchura (de la superficie libre) y la profundidad. Estas últimas se encuentran también expresadas como anchura media (= área / profundidad) y profundidad media (= área / anchura de la superficie libre). Como se mencionó, estos parámetros geométricos del río vendrán definidos, principalmente, por el caudal dominante y la granulometría. 64 65 CAPÍTULO III ANÁLISIS DE LA CUENCA DEL RÍO BANANITO 3. Aspectos generales de la cuenca El río Bananito posee un área de cuenca relativamente pequeña, pero presenta avenidas significativas durante fenómenos meteorológicos característicos en el Atlántico, como los frentes fríos y el paso de huracanes. Nace en la Fila de Matama y tiene una pendiente muy alta en su tramo montañoso. Sin embargo, dos terceras partes del cauce transcurren por una llanura de pendiente baja. En la parte montañosa hay una producción importante de sedimento que no puede ser arrastrado por el río. Este déficit de arrastre hace que el río sea muy inestable. El sedimento se almacena en el cauce, durante la recesión de la avenida, obstaculizando el flujo y provocando la migración lateral del río. Las márgenes del canal, en la parte media y baja de la cuenca, están compuestas por arcilla arenosa y limo arenoso, que son fácilmente erosionados por el río durante las avenidas. En el río Bananito se puede observar un caudal constante durante todo el año, con recurrentes avenidas que corresponden a las fuertes precipitaciones que se dan en la marcada época lluviosa. Esta cuenca tiene una respuesta hidrológica bastante rápida, en el sentido de que al producirse un aguacero en la parte alta de la cuenca, el efecto de las crecidas y del aumento de la turbidez del agua se reflejan en menos de una hora en los puntos bajos, como lo es en la toma de aguas del AyA. Para el análisis de la información hidrológica se utilizó como referencia el estudio realizado por el Ing. Omar Vargas, ya que la misma se generó con base en los datos de los boletines hidrológicos emitidos por el ICE, que comprenden el período de 66 registros de 1957 a 1988. Para este estudio se utilizó la estación Asunción, ubicada en la cuenca del río Banano, y el área de drenaje de dicha estación que es de 91 km 2 . Con el fin de conocer y evaluar las condiciones y características de la zona de estudio se realizaron varias giras, con el fin de contar con un criterio más amplio sobre el estado de las cuencas (Véase el anexo 6). A la vez, en lo mismos recorridos se realizó la toma de muestras, tanto para el análisis de calidad de agua como para la granulometría. Ésta se hizo en puntos importantes en los cauces principales de las cuencas Banano y Bananito (Véase el anexo 7). Los resultados de las pruebas de calidad del agua de estos ríos reflejan la contaminación que sufren, por causa de los agroquímicos que se utilizan en la zona bananera, los cuales no son removidos por los procesos de tratamiento. Para efectos de conocer el comportamiento del río Bananito en lo que respecta a la calidad del agua, se realizaron muestreos en 5 puntos de control. Estos sitios son importantes para conocer los efectos de las diferentes actividades que se realizan en la cuenca, y su afectación al río. La tabla 7 muestra el nombre del cuerpo fluvial analizado, así como su ubicación geográfica y los resultados de cada uno de los parámetros de la muestra. En los sitios analizados se encontraron las siguientes características que son constantes en condiciones naturales, tanto en el cauce principal como en los afluentes: SSS, conductividad, olor, pH, alcalinidad, dureza y nitratos. Por tal razón, los otros parámetros son los que van a determinar las características más relevantes en cuanto a la calidad del agua. Las muestras corresponden a los ríos Caño Negro y Gobán, afluentes del río Bananito, los cuales convergen en la parte alta de la cuenca. Como se puede ver, el río Caño Negro tiene un alto conteo de coliformes, catalogándolo como un río con agua de mala calidad; además, el parámetro de color llega a 35 unidades de color verdadero (UCV) y su turbiedad es de 1.3 Unidades Nefelométricas de Turbiedad (UNT); estos son los valores más altos durante el período de estudio, lo que demuestra que este río aporta cierta cantidad de características negativas al río Bananito. Sin embargo, se realizó un muestreo 300 metros aguas abajo de la confluencia del Caño Negro con el Bananito para conocer su grado de afectación. Como se puede apreciar en la tabla en lo 67 referente a los coliformes fecales, el valor es un poco alto, pero se encuentra en un ámbito de calidad aceptable; además, el color y la turbiedad son bastante bajos, lo que implica que el río posee gran capacidad de dilución, ya que el caudal del Bananito es mucho mayor al aporte del Caño Negro. En cuanto al río Gobán, tanto las características físico-químicas como bacteriológicas son relativamente buenas, por lo cual se puede prever que no afectarán al cauce principal; además, los otros afluentes, como los ríos Yalú y Tuguela, tienen características muy similares a ése. El siguiente muestreo se llevó a cabo en la Quebrada Burrico, la cual tiene su confluencia aguas arriba del sitio de presa. En cuanto al análisis bacteriológico, este tiene una calidad intermedia, al igual que la turbiedad y el color, lo cual es un aspecto negativo para el cauce principal, debido a la cercanía de la confluencia con la toma del AyA. Los efectos de la Quebrada Burrico se pueden apreciar en el muestreo del río Bananito, realizado hacia aguas arriba de la toma, donde los coliformes fecales son iguales a las del Burrico, y los demás parámetros físico-químicos están un poco altos. 68 Tabla 7. Resultados de laboratorio para la cuenca del río Bananito Procedencia Quebrada Burrico Río Bananito Río Bananito Río Gobán Río Caño Negro Ubicación 200 mts antes de la con- fluencia con río Bananito 300 mts después de la confluencia con río Caño Negro Aguas arriba de la toma de la planta 200 mts antes de la con- fluencia con río Bananito 200 mts antes de la con- fluencia con río Bananito Fecha 06/09/2005 06/09/2005 06/09/2005 06/09/2005 06/09/2005 Latitud 206.000 204.235 203.799 201.235 Longitud 645.200 640.257 639.496 640.971 Coliformes * 100mL-1 2400 1500 2400 93 9300 Calidad Regular Buena Regular Buena Mala Color 9 15 14 6 35 Turbiedad 1,3 0,47 1,8 0,27 1,3 SSS 0 0 0,2 0 0 Conductividad 428 340 369 316 354 Olor NEGATIVO NEGATIVO NEGATIVO NEGATIVO NEGATIVO PH 8,08 7,94 8 8,01 7,78 Alcalinidad total 157 155 159 146 129 Dureza total 185 154 162 144 144 Dureza de calcio 126 136 138 132 110 Dureza de magnesio 59 18 24 12 34 Sulfatos 51,31 16,22 25,35 13,73 35,11 Cloruros 5,12 2,92 4,43 1,89 4,19 Fluoruros 0,3 0,2 0,25 0,1 0,15 Nitratos 0,81 0,81 0,81 0,81 0,81 Sodio 19 10,5 14,5 10 16,5 Potasio 1,6 1,1 1,2 1 2 Fuente: Los autores. 69 El estudio del material presente en el lecho es requerido para estimar tanto el arrastre de sedimentos como la resistencia al flujo. Además, el tipo de material permite caracterizar el río y su comportamiento general, como se verá más adelante. El río Bananito presenta arrastre y deposición selectiva, en una forma muy marcada, a lo largo de su cauce. En la parte alta de la cuenca el río transporta material grueso (grava gruesa y cantos rodados) producto de deslizamientos; en la parte media se observan grandes barras de arena alternadas con barras de grava, principalmente aportadas por el río Burrico. En la parte baja de la cuenca el material consiste principalmente en arena, pero hay presencia de grava fina y media. La arena y grava fina son el producto de la abrasión del sedimento grueso y de la erosión en las márgenes del canal. Por debajo de la cota 100 m.s.n.m, se puede decir que son muy evidentes las llanuras de inundación. (Véase la fig. 17). De acuerdo con todas estas características observadas, es fácil clasificar este río como de tipo aluvial. 70 Fig. 17 Llanura de inundación del río Bananito Fuente: Los autores. El arrastre de sedimentos es una característica morfológica importante de un río que indica qué tan rápido se podría ajustar éste a un cambio en su morfología. Existen dos tipos de arrastre: en suspesión y por el fondo. El material más fino es transportado en suspensión cuando la velocidad de cortante es mayor que la velocidad de caída de las partículas. Este tipo de arrastre se da usualmente en sedimentos con tamaños en el rango de arena fina a media. El material grueso viaja saltando y rodando sobre el fondo, y por eso se le llama “carga” o “arrastre de fondo”. El sedimento más fino y menor que 0.06 mm (limo y arcilla) siempre viaja en suspensión y se conoce como “wash load”, y la cantidad transportada de este tipo no es calculable. 71 En los distintos recorridos realizados a lo largo de este río se pudo observar su capacidad de arrastre de material sedimentario. Como ya se mencionó, este río tiene una gran capacidad de transporte de materiales, lo cual se evidenció en los distintos recorridos y muestreos realizados, tanto en su cauce principal como en sus afluentes. Es importante mencionar que este río, en comparación con el Banano, contiene más arrastre de sedimentos en suspensión, lo cual produce una coloración más obscura de sus aguas y, por consiguiente, un tratamiento más costoso de las aguas captadas. Los agentes naturales que actúan en el área y las múltiples actividades realizadas en la cuenca, con poca o ninguna regulación, han incrementado el fenómeno de erosión. Un ejemplo de esto es la tala ilegal que se produce en las partes media y alta de la cuenca, que disminuye la cobertura vegetal y deja al descubierto grandes áreas de suelo, como se muestra en las figuras 18 y 19. Figs. 18 y 19. Tala ilegal y erosión en las márgenes del río Bananito Fuente: Los autores. 72 De las diferentes formas típicas en planta que puede tener un río, el Bananito presenta un cauce trenzado en su cuenca media y una zona de meandros con mucha sinuosidad en la parte baja de la cuenca, muy evidentes y que se pueden observar en la fig. 20. Fig. 20. Meandros en la cuenca del río Bananito Fuente: Google Earth, 3.1. Toma de aguas del río Bananito (SE1) 9 El primer sitio de estudio escogido es el de la toma del Bananito (véase el anexo 8) la cual está ubicada a una altitud de 6,83 m.s.n.m y entre las coordenadas: 206.862 norte falso y 645.184 este falso (Véase la fig. 21). Con base en esta ubicación se 9 SE1, Sitio de estudio 1, río Bananito. 73 toma un radio de 500 metros, aproximadamente, a partir del punto de ubicación de la toma (véase el anexo 8), con la intención de conocer sus características tanto aguas arriba como aguas abajo, ya que todas éstas influyen en el comportamiento de las estructuras hidráulicas. Este sitio es de gran importancia, ya que aquí radica el problema que se trata de solucionar con esta investigación, pues este representa un gran costo de operación y mantenimiento para el acueducto, debido a los problemas que presenta la toma de aguas bajo las condiciones actuales. Fig. 21. Toma del río Bananito Fuente: Los autores. 74 La toma se encuentra localizada en la parte aluvial del río, y la derivación se hace en forma perpendicular al cauce. Esta estructura se ve muy a menudo colmatada, debido a la apreciable cantidad de sedimento almacenado en la parte media de la cuenca, que es arrastrado durante las avenidas. Además, la disposición actual de la toma facilita la captación de sedimento. (Véase la fig. 21). El río Bananito es inestable, debido a que su capacidad de arrastrar sedimento es menor que la cantidad del mismo producido en la parte alta de la cuenca. 3.2. Información hidrológica El área que comprende la cuenca del río Bananito, hasta la toma de aguas de AyA, es de 110 km 2 aproximadamente. El traslado de los caudales promedio mensuales se hizo con la razón de las áreas de drenaje multiplicada por la razón de la precipitación media anual en cada sitio, a manera de factor de corrección. La precipitación media anual en la estación Asunción es de 6990 mm, mientras que en el sitio de toma es de 3876 mm. En la fig. 22 se presentan los caudales promedio por mes para el año con el caudal promedio anual más parecido al promedio de todo el registro. El caudal promedio anual estimado en el sitio de toma es de 10,4 m 3 /s. Fig. 22. Caudales medios para 1961, año más parecido al promedio, para SE1 75 Caudales medios 7.8 16.2 10.2 8.2 10 12.6 16.2 21.2 8.2 3.5 3.7 7.5 0 5 10 15 20 25 M a y o J u n i o J u l i o A g o s t o S e p t i e m b r e O c t u b r e N o v i e m b r e D i c i e m b r e E n e r o F e b r e r o M a r z o A b r i l mes Q ( m 3 / s ) Fuente: Los autores. Con base en la estadística de caudales extremos en la estación Asunción, se realizó un análisis de series parciales, del cual se obtuvieron los caudales máximos instantáneos probables para dicha estación. A partir de esos valores se obtuvieron los caudales extremos en el sitio de estudio, a través de la ecuación de Creager, expresión que da caudales máximos y depende exclusivamente del área de drenaje: 76 048 . 0 936 . 0 59 . 2 3 . 1 − ⋅ , _ ¸ ¸ ⋅ ⋅ · A A c Q (ec. 63) donde: 048 . 0 936 . 0 59 . 2 3 . 1 − ⋅ , _ ¸ ¸ ⋅ · A A K (ec. 64) C = Coeficiente de Creager. A = Área de drenaje en km 2 . Q= Caudal en m 3 /seg. 2 2 1 1 Q K K Q ⋅ · asumiendo que C1 = C2 (ec. 65) Fig. 23. Análisis de frecuencia de caudales 77 0 200 400 600 800 1000 1200 1 10 100 1000 T (años) Q ( m 3 / s ) Fuente: Los autores. En la fig. 23 se muestra el resultado del traslado del análisis de frecuencia de avenidas extremas. La distribución de probabilidad de mejor ajuste fue la Pearson Tipo 3 (método de momentos). Los puntos más relevantes se muestran en la tabla 8, donde T es el período de retorno y Q es el caudal instantáneo asociado. Tabla 8. Análisis de frecuencia de caudales T (años) 1 2 5 10 Q (m3/s) 204 374 501 589 Fuente: Los autores. 78 3.3. Granulometría del sedimento Se realizaron varios recorridos aguas arriba de la toma en la cual se encontró la graduación normal de sedimento en el fondo del cauce, que disminuía gradualmente a lo largo del río. Se observó un material en el que predominaba la grava de media a gruesa, con ciertos depósitos de arena. Había un sector donde existía material arcilloso, y ahí se forman resquebrajamientos del terreno, específicamente en el sector donde, en algún momento, se cortó el meandro y el cauce siguió, como se muestra en las figs. 24 y 25. Figs. 24 y 25. Aguas arriba de la toma, SE1 Fuente: Los autores. 79 Se realizaron diferentes tipos de muestreos superficiales utilizando los métodos lineales y por fotografía 10 , tanto en el lecho como en las márgenes del río. La toma de muestras en este sitio se realizó en dos sectores, uno inmediatamente aguas abajo de la toma, el cual se descartó, debido a que es el sitio en el que constantemente están las maquinarias removiendo el terreno para conformar la presa; por tal razón se optó por aplicar las curvas utilizadas por Vargas (1999). El otro muestreo fue realizado 500 metros aguas arriba de la toma. Fig. 26. Curvas granulométricas del río Bananito en SE1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0.01 0.1 1 10 100 Di (mm) % m e n o r o i g u a l 1 2 3 4 5 6 Fuente: Vargas (1999) página 6. 10 Véase el capítulo 2 (Descripción de los métodos de muestreo de suelos). 80 En la fig. 26 se muestran las curvas de sedimento. Las líneas 1, 2 y 3 se obtuvieron con el método fotográfico, mientras que las 4, 5 y 6 se construyeron a partir del método volumétrico (según el AyA). En esta figura Di es el diámetro medio del material pétreo. Obsérvese en el gráfico (fig. 26) que las muestras 4, 5 y 6 son más finas que las otras tres. Esto se debe a que las curvas 1,2 y 3 se obtuvieron de material superficial, donde los elementos más finos fueron arrastrados por la corriente. El muestreo volumétrico toma material tanto de la superficie como debajo de ésta, donde hay mayor cantidad de componentes pequeños. Fig. 27. Curva granulométrica, muestra tomada 500 mts aguas arriba de SE1 Fuente: Los autores. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1 10 100 1000 Di (mm) % M e n o r o i g u a l 7 81 La fig. 27 muestra la curva granulométrica del material recolectado 500 metros aguas arriba de la toma, donde se puede apreciar un material mucho más grueso que el existente en el sitio de la toma. También se realizaron muestreos en el río Gobán y en la Quebrada Cristalina, que son afluentes del Bananito en la cuenca alta. En la tabla 9 se presenta información adicional derivada de las figuras 26 y 27. Se presenta la relación del D90 sobre el D50, ya que ésta relación es un indicador del grado de acorazamiento del lecho. Dx significa el diámetro D, que es mayor o igual al x porcentaje de la muestra. Chin et al. (1994) encontraron que cuando D90/D50 es igual a 1.8 se puede suponer el acorazamiento del lecho. La columna de σ es la desviación estándar de cada muestra suponiendo una distribución normal. En ríos de material no uniforme, este parámetro varía normalmente entre 0.2 y 0.45. Tabla 9. Características del sedimento en el río Bananito Muestra D50 D84 D90 D90/D50 σ (mm) (mm) (mm) - - 1 21 38 47 2.2 0,26 2 11 34 40 3.6 0,49 3 32 50 57 1.8 0,19 4 9 33 40 4.4 0,56 5 2 13 17 8.5 0,81 6 8 22 28 3.5 0,44 7 37 58 65 1.7 0,195 Fuente: Los autores. 82 3.4. Capacidad hidráulica del cauce El objetivo de esta parte del estudio es calcular el nivel de agua para diferentes caudales, y determinar el caudal que llena el cauce sin inundar la planicie. Para el cálculo de los niveles de agua, en el área de estudio, se utilizó el programa HEC-RAS. Este software modela unidimensionalmente los cálculos para flujos laminares y flujos turbulentos, y consiste en un sistema con un software integrado y diseñado para el uso interactivo y para diferentes ambientes, el cual permite su aplicación con múltiples variables. Fue aplicado sobre un tramo de aproximadamente 500 metros (Véase figs. 28 y 29) en el sector de la toma, el cual, a la vez, comprende siete secciones transversales que se distribuyen a lo largo de este sitio de estudio. (Véase el anexo 9). Las características más importantes de estas siete secciones se muestran en la tabla 10. 83 Figs. 28 y 29. Tramo y secciones del río Bananito en SE1 pruebatoma 6 5 4.1 4 3 2 1 b a n a n i t o 5 4.1 4 3 2 1 prueba2 Plan: existing conditions run 9/8/2006 Legend WS 1 año Ground Bank Sta Fuente: Los autores. 84 Tabla 10. Estacionamiento de las secciones y nivel mínimo Secciones 1 2 3 4 5 6 7 Est. (m) 0 117,57 164,64 273,41 348,36 401,64 536,28 Fondo (msnm) 7,95 7,85 8.02 6,83 8,45 9,4 8,76 Fuente: Los autores. La resistencia al flujo en el lecho fue calculada con base en las características geométricas de una sección promedio y la utilización del D84 de las muestras granulométricas disponibles. Estos datos se introdujeron en la ecuación de resistencia de Hey (1979), para obtener valores de la n de Manning en función del tirante y del sedimento en el lecho. Hey utilizó una ecuación tipo Keulegan para estimar el coeficiente de fricción en ríos con lecho de grava. Este investigador propuso que la rugosidad en el lecho equivale a 3.5 veces el D84. Los resultados de este cálculo se muestran en la fig. 30, donde h es el tirante medio y n el coeficiente de resistencia de Manning. Fig. 30. Variación de la n de Manning con el tirante y el D84 en SE1 85 0.020 0.022 0.024 0.026 0.028 0.030 0.032 0.034 0.036 0.038 0 1 2 3 4 h (m) n ( s / m ^ 1 / 3 ) Serie1 Serie2 Serie3 Serie4 Serie5 Serie6 Serie7 Fuente: Los autores. La fig. 30 muestra la variación de la n de Manning con el tirante para las siete muestras de sedimento disponibles. Estas rugosidades se aplicaron en el cauce principal de cada sección, de acuerdo con las características del sedimento observado. En la planicie de inundación se estimó la rugosidad con base en la observación de campo y las referencias disponibles (Chow, 1984; Masterman y Thorne, 1992 y Freeman et al., 1998). Se simularon los caudales con períodos de retorno de 1, 2, 5 y 10 años, para observar los niveles alcanzados y determinar el caudal que llena el cauce principal. También se simularon caudales de 50, 100 y 150 m 3 /s, para observar los niveles que estos alcanzan y el perfil gradualmente variado del agua. 86 En la fig. 31 se muestran las curvas del nivel de agua para cada caudal y el perfil del fondo del canal a lo largo de la zona de estudio. La distancia en el eje de las ordenadas inicia en la primera sección de aguas abajo (sección 1). (Véase el anexo 9). De esta figura se puede concluir que caudales mayores a 275 m 3 /s empiezan a inundar la zona alrededor de la estación de bombeo. Se puede apreciar que, desde la sección 3 hasta la sección 5, en el sector donde está ubicada la rejilla, se forma una especie de poza; esto se debe a que el muro forma un control, disminuyendo considerablemente el área hidráulica. Fig 31. Perfil longitudinal de la superficie del agua para diferentes caudales en SE1 0 100 200 300 400 500 600 991 992 993 994 995 996 997 998 prueba2 Plan: existing conditions run 9/8/2006 Main Channel Distance (m) E le v a tio n ( m ) Legend WS Q= 589 10 años WS Q= 501 5 años WS Q= 374 2 años WS Q= 275 format WS Q= 204 1año WS Q=150 WS Q=100 WS Q=50 Ground 2 3 4 4 .1 5 6 bananito pruebatoma Fuente: Hec-Ras. 87 En el anexo 10 se muestra el plano de curvas de nivel en la zona de estudio con el espejo de agua, alcanzado por el caudal de 275 m 3 /s. 3.5. Capacidad de transporte de sedimentos El arrastre de sedimentos, en el presente caso, se debe calcular con ecuaciones válidas para sedimento bien graduado o no uniforme. Se utilizará la ecuación de Meyer-Peter-Muller (MPM), la cual es aplicable a nuestro caso. Dado que el material no tiene tamaño uniforme, la ecuación se aplica a cada rango de tamaño en la curva granulométrica, para obtener el arrastre total como la suma del arrastre en cada rango. La curva granulométrica número 4 en la fig. 26 se utilizó para el cálculo de arrastre, de sedimentos; en ésta el diámetro medio fue de 18 mm. Se consideró que esta curva resumía adecuadamente los diferentes tamaños de sedimento encontrados en las demás muestras. Se calculó el arrastre de sedimentos solo para el caudal que llena el cauce con un caudal de 275 m 3 /s, porque éste corresponde al llamado caudal formativo. Los datos hidráulicos requeridos por las ecuaciones de sedimentos se tomaron de la simulación descrita en el apartado anterior. El método usado se conoce como “cálculo desacoplado” porque el cálculo hidráulico se hace independientemente del cálculo de sedimentos. Este procedimiento es menos preciso, pero es más simple y conservador. Los resultados obtenidos se resumen en la fig. 32, la cual presenta la concentración total de sedimento Qs, obtenida con la ecuación en cada sección aplicando la ecuación de Meyer-Peter-Muller. 88 Fig. 32. Arrastre de sedimento por el fondo en cada sección y para los diferentes caudales analizados en Hec-Ras 0,000 0,100 0,200 0,300 0,400 0,500 0,600 0,700 0,800 50 100 150 204 275 374 Q (m3/s) Q s ( m 3 / s ) sección 1 sección 2 sección 3 sección 4 sección 5 sección 6 sección 7 Fuente: Los autores. En las figuras 32 y 33 se puede apreciar la relación que existe en el arrastre de sedimentos con respecto a la velocidad. Al analizar las secciones desde los 50 m 3 /s hasta el caudal formativo, se puede observar una tendencia normal de crecimiento debido al aumento del área hidráulica. Sin embargo, con el caudal de 374 m 3 /s se dan variaciones en algunas secciones, las cuales están 89 fuera de la tendencia normal, debido a que, al ser mayor al caudal formativo, se produce el desbordamiento del agua hacia las llanuras de inundación. Se puede decir que el arrastre es muy alto, a pesar de que la velocidad se mantiene casi constante para los distintos caudales. La fig. 33 muestra la variación de la velocidad media, Vm, en cada sección. De las ecuaciones de sedimento se sabe que el arrastre es directamente proporcional a la velocidad media de la sección. Le velocidad promedio en SE1 es de 1.38 m/s para Q = 275 m 3 /s, pero en la sección 7 se reduce a 1.06 m/s; esto explica la disminución abrupta de la capacidad de arrastre. 90 Fig. 33. Velocidades medias en cada sección de SE1 0.000 0.500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 50 100 150 204 275 374 Q (m3/s) v ( m / s ) sección 1 sección 2 sección 3 sección 4 sección 5 sección 6 sección 7 Fuente: Los autores. 3.6. Caracterización morfológica El río Bananito puede ser catalogado como un río con lecho de grava. En este tipo de ríos se identifican cinco variables independientes que controlan la morfología del cauce: caudal, carga de sedimento por el fondo, tamaño del material en lecho, características del material en las márgenes y la pendiente del valle. 91 Cualquier variación natural o artificial de estas características produciría un desequilibrio en la morfología del cauce. Esto genera un proceso de adaptación del río hacia un nuevo estado de equilibrio. A continuación se discuten las variables dependientes en el río Bananito en el sitio de toma. El SE1 se encuentra en una sección del río con pendientes del orden del 0,26 %, por lo que se califica como río de tipo dunas y rizos, tipo de sedimento arena y su fuente es fluvial, falla de las márgenes y formas de fondo, de acuerdo con la clasificación de Montgomery–Buffington. Al poseer características aluviales predominan sedimentos de tipo arenoso, gravas y algunos lentes de material arcilloso. 3.6.1. Dimensiones del cauce Existe una serie de relaciones empíricas para estimar las variables dependientes, con base en el conocimiento de una o algunas de las variables independientes. También se han creado modelos numéricos, pero son de aplicación muy limitada. La forma más confiable de estudiar el comportamiento de un río es mediante el uso de un modelo físico; sin embargo, para el presente caso solo es posible el uso de relaciones empíricas. Las fórmulas se basan principalmente en el conocimiento del caudal formativo o caudal dominante; algunas incluyen las características del sedimento, pero dada su variabilidad espacial, se prefiere usar ecuaciones que no incluyan este aspecto. La variación del caudal en el tiempo crea una dificultad importante en el estudio de un río, y por ello se creó el concepto de “caudal formativo”, término ficticio que supone que la morfología de un cauce se puede explicar a través de un caudal determinado. Este caudal es usualmente tomado como el caudal que llena el cauce principal o el caudal con un período de retorno de 1.5 a 2 años. En este estudio se supondrá el caudal a cauce lleno como el caudal formativo. 92 Las fórmulas empíricas se han obtenido del análisis estadístico de ríos que presentan condiciones de estabilidad, y tienen su origen en la teoría de régimen propuesta por Blench en 1957. Entre estas se ha encontrado que las propuestas por Hey y Thorne (1986) son las que mejor se adaptan a los ríos nacionales. A continuación se presentan algunas de las ecuaciones propuestas en la referencia citada: 5 . 0 73 . 2 b Q B · (ec. 66) 35 . 0 33 . 0 b Q d · (ec. 67) 2 . 0 008 . 0 − · b Q S (ec. 68) En estas ecuaciones Qb es caudal a cauce lleno, B es el ancho del cauce, d es el tirante medio y S es la pendiente del canal. Como ya se vio en la capacidad hidráulica del cauce, el caudal que llena el cauce es 275 m 3 /s. Al sustituir Qb=275 m 3 /s encontramos que teóricamente un cauce estable tendría una ancho de 45 m, un tirante medio de 2.35 m y una pendiente de 2.6x10 - 3 Es interesante adelantar que después de observar la topografía actual y las fotografías aéreas, encontramos que el único tramo estable está entre las secciones en las inmediaciones de la toma de aguas de AyA (SE1). El ancho promedio del canal en este tramo es de 46 m y el tirante es aproximadamente 4,13 m; estos valores casi coinciden con los estimados con las ecuaciones anteriores. Sin embargo, la falla de las márgenes es un hecho observado, como se muestra en la fig. 34, aunque esto puede explicarse por el proceso de adaptación que esta sufriendo el río en la actualidad, o por inestabilidad propia del material que forma las márgenes. 93 Fig. 34. Falla en la margen derecha del río Bananito Fuente: Los autores. 3.6.2. Pendiente longitudinal y forma en planta En la fig. 35 se muestra el perfil longitudinal del río Bananito desde su nacimiento hasta la desembocadura. En esta figura se incluyen los ríos Gobán, Tuguela y Burrico, en lo que se considera la parte media de la cuenca. Estos afluentes son una fuente importante de sedimento, y su confluencia coincide con la zona donde se observó una gran cantidad de sedimento almacenado en el cauce. Además, entre la confluencia de los afluentes principales y el río Burrico, en el río Bananito existe mayor movimiento lateral. 94 Fig. 35. Perfil longitudinal de los ríos Bananito, Gobán, Tuguela y Quebrada Burrico Fuente: Los autores. El río Bananito es corto, con casi la mitad de su longitud en una zona montañosa y el resto en zona aluvial. De esta característica se infiere que debe presentar avenidas rápidas con caudales pico altos y un importante arrastre de sedimento grueso, que debe ser depositado, en su mayoría, en su parte media, donde la pendiente disminuye drásticamente. El río tenía un patrón de meandro con un índice igual a 1.8 en la parte baja. Dicho índice se define como la longitud a lo largo del meandro entre la longitud de onda del mismo. Se considera que el índice es alto cuando es mayor o igual a 2. Un valor alto es señal de un río inestable, ya que cuanto mayor sea el índice de sinuosidad hay mayor probabilidad de corte en curvas. 95 En la SE1 la pendiente promedio es de 0,0026, y se observó un patrón débil de “rápido-poza”, que es el reflejo de barras de material del tipo transversal o longitudinal no consolidadas. Se observó que en algunos tramos el cauce no está bien definido e, incluso, se encontraron cauces abandonados de longitud importante. Para observar más claramente el comportamiento del río Bananito, en su parte baja, se digitalizó el cauce en las fotos aéreas desde la desembocadura hasta el pueblo de Bananito Sur, y se sobrepusieron todas en el mismo dibujo. En el anexo 11 se observa que de 1976 hasta el 2005 el río se había movido muy poco; pero en 1998 su alineamiento ha ido cambiando en forma artificial. El efecto es una reducción de la longitud del cauce, que produce un aumento en la pendiente; ésta produce un aumento en la capacidad de transporte y en la capacidad erosiva del río. El proceso de adaptación consiste en una disminución de la energía del flujo, disminuyendo la pendiente a través de la erosión del fondo y del aumento de la longitud del río. Esto pudo ser una razón de que el río se erosionara cerca de la carretera. En el anexo 9 se presenta la topografía actual de la SE1, y comparando con las secciones ubicadas en el sitio de estudio; mostradas en el anexo 12, es claro el movimiento del río. En la sección 10 se dio el corte en el meandro, que entraba agudamente en la margen izquierda antes y durante 1976. La zona pantanosa que atraviesa actualmente el camino de acceso a la estación de bombeo es una huella dejada por ese antiguo cauce. En la fotografía aérea de 1991 se puede ver una pequeña laguna en esa zona. De acuerdo con las características en planta, el sitio actual de toma está ubicado en la parte interna de un meandro; esto produce varios efectos negativos, y el más evidente es la evolución del meandro, como se puede apreciar en el anexo 11, pues el río tiene la tendencia a desplazarse hacia la margen derecha, dejando depósitos de materiales arrastrados en la margen izquierda, que es donde está la toma. Por tal razón se podría afirmar que se está truncando la evolución de este meandro, produciendo las fuertes alteraciones aguas arriba, que se ven cuando se hace la comparación de las fotografías aéreas. Además de sus características relevantes, como el hecho de tener un solo cauce con gran cantidad de curvas, se observan las barras alternadas en la orilla interior a las curvas. En este análisis se observó que el río ha sido más activo en su tramo medio, 96 sobre todo después del terremoto de Limón en 1991. Dicho sismo provocó deslizamientos en la parte alta de la cuenca, que produjeron una gran cantidad de sedimento que el río no puede manejar. En las fotografías se ven barras laterales en el tramo medio que se mueven hacia aguas abajo y llegan a obstruir el cauce, causando la migración lateral del río. En la parte baja el río siempre ha tenido un índice de meandro alto, pero los cambios en planta fueron significativos hasta inicios de los años 90. En esa época se inició la explotación bananera en ambas márgenes. En 1988, aproximadamente el 70% de la planicie de margen derecha estaba cubierto por bosque, mientras que ya en 1991 el bosque había desaparecido por completo, y los trabajos de rectificación en el río se volvían evidentes. En las fotos de 1998 el río había sido intervenido significativamente. La compañía bananera se vio en la necesidad de construir diques, canales de drenaje, cortar curvas y defender márgenes colocando vagones del ferrocarril. Sin embargo, al parecer dichas acciones se hicieron sin prever los efectos de sobre la morfología del río. (Véase la fig. 36). El tramo recto, donde se localiza la toma de aguas, ha mostrado ser estable en las fotografías analizadas. Se observaron evidencias de erosión leve en las márgenes, pero no se encontraron barras de sedimento lateral, a pesar de que éstas sí se observaron en las fotografías aéreas. Normalmente un tramo recto es inestable porque se producen barras laterales que provocan la erosión de las márgenes. En este tramo se observó una deposición de arena causada, quizás, porque el control formado en la sección de toma disminuye las velocidades aguas arriba (efecto remanso). La arena depositada es fácilmente removible por la corriente durante avenidas de tipo medio, y parte de ésta posiblemente afecte la toma actual. 97 Fig. 36. Vagones del ferrocarril puestos en la margen derecha del río Bananito Fuente: Los autores. Las márgenes son principalmente de arcilla y limo con arena, formadas por el mismo río. Por lo tanto, son fácilmente erosionadas y/o desestabilizadas por la corriente. En la fig. 37 se muestra la parte externa de una curva. 98 Fig. 37. Margen externa en la curva, río Bananito Fuente: Los autores. En esa misma fig. 37 se observa el estado crítico de la parte externa de esta curva. Sin embargo, puede ser que la migración hacia la margen haya disminuido recientemente, ya que se observó el afloramiento de un estrato de suelo más resistente al pie del talud. En la sección 6 (Véase el anexo 12) se observa una barra longitudinal que también se observó en la fotografía aérea de 1976. Las barras de este tipo son poco estables. En este caso, su formación se debe a que en esta sección el cauce es muy amplio 99 y, como se ve en la fig. 30, la capacidad de arrastre disminuye drásticamente produciendo deposición. Es posible que en este punto el río presente un movimiento del cauce importante en corto tiempo. La significativa capacidad de arrastre en la sección 5 puede dar origen a la migración de la curva dentro de la margen derecha, lo que ya ha ocurrido anteriormente (Véase el anexo 12). En esta sección hay una importante barra puntual de arena en la parte interna de la curva, lo que indica un flujo helicoidal significativo. La curva de la sección 3 se inició después de 1996 y ha avanzando muy rápidamente (aproximadamente 80 m en 2 años). Su relación radio/ancho es de 1.8. Esta curva estuvo mucho tiempo localizada a unos 200 m aguas arriba de su punto actual. Sin embargo, el movimiento de una gran barra lateral en la margen izquierda, vista en la fotografía aérea de 1996, debe haber llenado el cauce en ese punto, obligando al río a erosionar un nuevo canal. En la fotografía del 2005 se puede observar cómo el cauce es más ancho; además en la margen derecha, donde está el meandro, alcanzó los vagones de ferrocarril instalados para proteger las márgenes; se ve claramente cómo el meandro sigue su evolución lentamente y va desgastando los taludes existentes en la parte externa del meandro. 3.6.3. Acorazamiento del lecho En los muestreos realizados se pudo comprobar que, en el lecho del río, existe una capa superficial más gruesa, y al removerla se pueden encontrar materiales más finos, por lo que se puede afirmar que el río Bananito cuenta con un lecho acorazado en ese tramo. Debido a esto, cuando se dan crecidas normales el arrastre de sedimentos va a ser mínimo, ya que no se rompe la coraza superficial; tienen que darse crecidas importantes para romper esta coraza y arrastrar los materiales finos hacia la parte baja de las piedras de diámetro medio y grande. 100 CAPÍTULO IV ANÁLISIS DE LA CUENCA DEL RÍO BANANO 4.1. Aspectos generales de la cuenca Con base en los resultados de los estudios y problemas mencionados en el capítulo 3 con respecto a las dificultades de la toma de aguas en el río Bananito, se vio la necesidad de buscar otra opción para la captación de aguas, motivo por el cual se optó por estudiar la cuenca del río Banano. La cuenca del río Banano se ubica entre las coordenadas extremas de 196.000 a 216.000 Norte Falso y 618.000 hasta 647.000 Este Falso. En las giras realizadas a la cuenca (Véase el anexo 6), se pudo hacer una evaluación para determinar los sitios potenciales de estudio, para la ubicación de la toma de aguas. Estos sitios se denominan como SE2 (opción en el río Banano), SE3 (opción en el río Nuevo), SE4 (para el río Aguas Zarcas) y SE5 (para la opción de rehabilitar la toma ubicada en La Bomba). Al igual que en la cuenca del río Bananito, en el río Banano también se realizaron muestreos para las pruebas de calidad de agua y de granulometría (Véase el anexo 7), en los cauces principales y los sitios que se escogieron como una posible ubicación de toma, mencionados en el párrafo anterior. Los resultados de la pruebas de calidad de agua se ven a continuación en la tabla 11, en los que se refleja en general una muy buena calidad de los afluentes en la parte alta de la cuenca, como lo son el río Segundo y el río Tercero, entre otros. 101 Como se puede observar, los ríos Tercero y Nuevo presentan una calidad bacteriológica buena; en cuanto a color y turbiedad poseen valores relativamente bajos. Luego el muestreo realizado en el SE2 muestra calidades excelentes, lo que refleja la capacidad de regeneración natural del río Banano en su parte alta, donde la cuenca no se ha visto muy afectada. Como último punto se analizó un sitio cerca de la desembocadura, mostrando valores que están entre aceptables y buenos. Todos estos análisis puntuales demuestran que la cuenca tiene características constantes en toda su área de recarga, con parámetros bastante buenos para el consumo humano. Tabla 11. Análisis de calidad del agua en la cuenca del río Banano (07-09-2005) Procedencia Río Tercero Río Aguas Zarcas Río Nuevo Río Segundo Río Banano Río Banano Ubicación 50 mts antes de la confluencia con Río Banano 500 mts antes de la confluencia con Río Banano 500 mts antes de la conflu- fluncia con el Río Banano 50 mts antes de la confluencia con Río Banano 200 mts antes de la con- fluencia con Río Tercero Desembocadu- ra Latitud 207.655 209.04 207.733 207.605 211.648 Longitud 625.874 682,5 625.977 625.867 644.006 Coliformes * 100mL-1 23 3,6 43 43 - 240 Calidad Buena Excelente Buena Buena Excelente Regular Color 8 3 9 7 5 11 Turbiedad 0,46 0,42 0,61 0,31 0,27 2 SSS 0 0 0 0 0 0 Conductividad 122 259 161 260 109 214 Olor NEGATIVO NEGATIVO NEGATIVO NEGATIVO NEGATIVO NEGATIVO PH 7,99 8,27 8,1 8,28 7,94 8.27 Alcalinidad total 59 114 74 121 49 95 Dureza total 51 118 71 18 47 95 102 Dureza de calcio 41 102 57 93 37 79 Dureza de magnesio 10 16 14 15 10 16 Sulfatos 6,67 13,83 5,96 9,87 5,46 12.03 Cloruros 2,67 2,39 1,18 1,83 1,56 2.75 Fluoruros 0,1 0,2 0,15 0,1 0,15 .15 Nitratos 0,81 0,81 0,81 0,81 0,81 .81 Sodio 5,5 9 5 12,5 3,5 8 Potasio 1 1 1 1 1 1 Fuente: Los autores. 4.1.1. Ubicación de sitios de estudio Como ya se mencionó, se determinaron 4 sitios de estudio, los cuales reúnen las características adecuadas para ubicar un sitio de toma en la cuenca del Banano. La tabla 12 muestra las ubicaciones geográficas de cada uno de los sitios, los cuales también se encuentran en el mapa de sitios de estudio. (Véase el anexo 8) Tabla 12. Ubicación de los sitios de estudio en la cuenca de río Banano Sitios de estudios SE2 SE3 SE4 SE5 Nombre del Cauce Río Banano Asunción Río Nuevo Río Aguas Zarcas Río Banano, La Bomba Coordenadas: latitud 207.084 206.474 204.242 211.488 longitud 625.229 626.519 630.945 638.832 Elevación ( m.s.n.m. ) 250 220 210 20 Fuente: Los autores. 103 4.1.2. Información hidrológica El traslado de los caudales promedio mensuales se hizo con la razón de las áreas de drenaje, utilizando los datos obtenidos de la estación Asunción. En la fig. 38 se presentan los caudales promedio por mes para cada uno de los sitios propuestos para el estudio. En la tabla 13 se muestran los valores más importantes de cada uno de los puntos de estudio para relacionarlos con este análisis. Fig. 38. Caudales medios para los sitios de estudio en la cuenca del río Banano Caudales Promedio 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00 45.00 50.00 m a y o ju n io ju lio a g o s t o s e tie m b r e o c tu b r e n o v ie m b r e d ic ie m b r e e n e r o fe b r e r o m a r z o a b r il Meses Q ( m 3 / s ) La Bomba Río Banano Río Nuevo Río Aguas Zarcas Fuente: Los autores. 104 Tabla 13 Caudal promedio anual para SE2, SE3, SE4 y SE5 SE2 SE3 SE4 SE5 Nombre del Cauce Río Banano Asunción Río Nuevo Río Aguas Zarcas Río Banano, La Bomba Área de Drenaje 54,66 29,94 24,29 178,42 Q. Prom. Anual 9,618 5,26 4,27 31,39 Fuente: Los autores. Con base en la estadística de caudales extremos en la estación Asunción, se obtuvieron los caudales máximos instantáneos probables para los diferentes sitios de estudio de la cuenca. A partir de esos valores se obtuvieron los caudales extremos en cada sitio, por medio de la ecuación de Creager. Fig. 39. Análisis de frecuencia de caudales de los sitios de estudio en la cuenca de río Banano 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 1 10 100 1000 T ( años ) Q ( m 3 / s ) SE 5 SE 3 SE 2 SE 4 Fuente: Los autores. 105 La fig. 39 muestra el resultado del traslado del análisis de frecuencia de avenidas extremas, donde T es el período de retorno y Q es el caudal instantáneo asociado. La distribución de probabilidad de mejor ajuste fue la de Pearson Tipo 3 (método de momentos). Los puntos más relevantes se muestran en la tabla 14. Tabla 14. Análisis de frecuencia de caudales para SE2, SE3, SE4 y SE5 Periodos de Retorno (años) 1 2 5 10 Q(m3/s) -SE2 175 540 834 1073 Q(m3/s) -SE3 146 450 695 894 Q(m3/s) -SE4 136 421 650 836 Q(m3/s) -SE5 239 741 1144 1471 Fuente: Los autores. 4.1.3. Granulometría del sedimento Al igual que en la cuenca del río Banano, se realizó un recorrido por sus cauces principales, haciendo muestreos para estudios de granulometría tanto en las márgenes como en el cauce principal, utilizando los métodos lineales y por fotografía. Como se puede observar en la fig. 40, la curva para el SE2, correspondiente a la parte alta de la cuenca, tiene un tamaño de sedimento más grande que los demás, donde predominan las gravas gruesas y bolones. La curva del SE4 corresponde a la 106 confluencia con el río Banano, donde se observan sedimentos con un tamaño muy parecido al de los obtenidos en las cercanías de La Bomba, sitio donde el sedimento se compone de gravas de medianas a finas y arenas. Fig. 40. Curva granulométrica, varias muestras en la cuenca del río Banano 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1 10 100 1000 10000 Di (mm) % M e n o r o i g u a l S.E. 5 Cauce S.E. 5 Margen derecha S.E. 2 Margen S.E. 4 Fuente: Los autores. De la fig. 40 se obtiene la tabla 15, que resume los parámetros más importantes que serán utilizados en las fórmulas para el arrastre de sedimentos. De acuerdo con las cuatro gráficas obtenidas se calculó para cada una el diámetro medio. Para los posteriores cálculos se utilizó este diámetro, el cual reflejará las características de cada una de las gráficas, incluyendo el diámetro medio a utilizar para cada uno de los sitios. 107 Tabla 15. Características del sedimento en el río Banano Muestra D50 D84 D90 D90/D50 σ Dm (mm) (mm) (mm) - - (mm) SE2 390 730 850 2.179 0.272 640.97 SE4 49 155 190 3.878 0.500 112.48 SE5 md 11 48 115 130 2.708 0.379 85.88 SE5 c 12 34 68 80 2.353 0.301 58.64 Fuente: Los autores. 4.1.4. Pendiente longitudinal En la fig. 41 se muestra el perfil longitudinal del río Banano desde su nacimiento hasta la desembocadura. Se incluyen los ríos Segundo, Tercero, Nuevo y Aguas Zarcas, en lo que se considera la parte media de la cuenca. Estos afluentes son una fuente importante de sedimento, y su confluencia coincide con la zona donde se observó una gran cantidad de sedimento almacenado en el cauce. En la confluencia del río Aguas Zarcas con el río Banano se evidencia una mayor cantidad de sedimento de gran tamaño; además, se producen apreciables desplazamientos del cauce sobre su llanura de inundación, moviéndose constantemente en cada crecida. 11 md: muestreo realizado en la margen derecha. 12 c: muestreo realizado en el cauce del río. 108 Fig. 41. Perfil longitudinal de los ríos Banano, Nuevo, Segundo, Tercero y Aguas Zarcas 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 distancia(Km) e l e v a c i ó n ( m s n m ) Rio Banano Rio Nuevo R. Aguas Zarcas R. Tercero R. Segundo Fuente: Los autores. 4.1.5. Acorazamiento del lecho Se pudo comprobar que en el lecho del río, en diferentes elevaciones, existe una capa superficial más gruesa, y al removerla se pueden encontrar materiales más finos; por tal razón se puede afirmar que el río Banano cuenta con un lecho 109 acorazado desde la confluencia de los ríos Segundo y Tercero hasta el sitio denominado La Bomba. Debido a esto, cuando se dan crecidas normales el arrastre de sedimentos va a ser mínimo, ya que no se rompe la coraza superficial; tienen que darse crecidas importantes para romper esta coraza y arrastrar el material fino bajo las piedras de diámetro medio y grande. 4.2. Análisis para los diferentes sitios de estudio 4.2.1. Río Banano en Asunción (SE2) Este sitio de estudio, ubicado antes de la confluencia con los ríos Segundo y Tercero, se presenta como una opción para ubicar una estructura de toma, ya que cuenta con condiciones apropiadas como lo son la excelente calidad del agua, caudal suficiente para abastecer la demanda actual y futura, además de que cuenta con suficiente nivel para poder pensar en una conducción por gravedad, y al no requerirse bombeo, disminuirían considerablemente los costos de operación. (Véanse las figs. 42 y 43). Bajo estos supuestos, en este apartado se realizará un estudio de sus características morfológicas y capacidades de transporte de sedimento, para ser comparado con otros posibles sitios que puedan presentar mejor rendimiento que la actual toma de aguas ubicada en el río Bananito. 110 Figs. 42 y 43. Río Banano en SE2 Fuente: Los autores. 4.2.1.1 Capacidad hidráulica del cauce En este sitio no existen estudios topográficos del cauce; por lo tanto, para modelar la capacidad hidráulica del río en Hec- Ras fue necesario utilizar las secciones transversales obtenidas de las mediciones de caudal, en los últimos meses. Se utilizó un tramo aproximado de 500 m, con 4 secciones transversales. (Véase el anexo 13). Para poder tener una elevación aproximada de las secciones obtenidas, se utilizó la cartografía (CARTA, 2003), con curvas de nivel cada 10 m. (Véase la tabla 16). Tabla 16 Estacionamiento de las secciones y nivel mínimo Secciones 1 2 3 4 Est. (m) 0 150 300 450 Fondo (msnm) 230 240 245 250 Fuente: Los autores. 111 Según la ecuación de resistencia de Hey (1979) y los datos obtenidos del sitio, se obtuvo el siguiente gráfico (Véase la fig. 44), que muestra los valores de la n de Manning en función del tirante y del sedimento en el lecho, donde h es el tirante medio y n el coeficiente de resistencia de Manning. Fig. 44. Variación del n de Manning con el tirante y el D84 en SE2 Variación de n con el tirante y el D84 0,020 0,120 0,220 0,320 0,420 0,520 0,620 0 1 2 3 4 h (m) n ( s / m ^ 1 / 3 ) Serie1 Fuente: Los autores. La fig. 44 muestra la variación de la n de Manning con el tirante para la muestra de sedimento disponible. Como puede observarse, estos son valores muy altos. Esta rugosidad se aplicó en el cauce principal de cada una de las 4 secciones de acuerdo 112 con las características del sedimento observado. En la planicie de inundación se estimó la rugosidad con base en la observación de campo y las referencias disponibles (Chow, 1984; Masterman y Thorne, 1992 y Freeman et al., 1998). En la fig. 45 se muestran las curvas del nivel de agua para cada uno de los periodos de retorno y otros caudales simulados; además del perfil del fondo del canal a lo largo del tramo evaluado. Fig. 45. Perfil longitudinal de la superficie del agua para diferentes caudales en SE2 0 100 200 300 400 500 230 235 240 245 250 255 Banano Asuncion Plan: Plan 01 10/17/2006 Geom: secciones banano asuncion Main Channel Distance (m) E le v a tio n ( m ) Legend WS 1073 m3 /s WS 834 m3 /s WS 540 m3 /s WS 180 m3/s forma WS 175 m3 / s WS 150 m3 / s WS 100 m3 /s WS 50 m3 /s Ground Bananito Asuncion Fuente: Hec-Ras. De esta figura se puede deducir que este tramo tiene un caudal formativo de 180 m 3 /s . Además, se puede observar que la pendiente de esta sección es bastante fuerte, y que las líneas que representan el nivel del agua mantienen una forma paralela a la del fondo, por lo que se puede decir que el flujo en esta sección es supercrítico y con un arrastre de sedimentos muy dinámico. Esto es producto de que no existen obstáculos aguas abajo que controlen los niveles del agua, produciendo altas velocidades. En 113 el anexo 14 se puede apreciar el plano de las curvas de nivel con el espejo de agua alcanzado por 180m 3 /s que corresponde al caudal formativo. 4.2.1.2 Capacidad de transporte de sedimentos Por la similitud de los sedimentos de ambas cuencas, el río Banano también debe ser evaluado por las ecuaciones válidas para sedimento bien graduado o no uniforme. Por esta característica se utiliza la fórmula de Meyer-Peter-Muller (MPM). De la curva granulométrica se obtiene un diámetro medio de 0.086, y se calcula el arrastre de sedimentos para el caudal formativo de 180m 3 /s. Los resultados obtenidos se resumen en la fig. 46, la cual presenta la concentración total de sedimento Qs, obtenida con la ecuación en cada sección aplicando la ecuación de Meyer-Peter-Muller. Fig. 46. Arrastre de sedimento por el fondo en cada sección y para los diferentes caudales analizados en Hec-Ras 0,000 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000 8,000 9,000 50 100 150 175 180 540 Q (m3/s) Q s ( m 3 / s ) sección 1 sección 2 sección 3 sección 4 Fuente: Los autores. 114 De esta figura se puede concluir que los caudales menores a 200 m 3 /s van a producir arrastres de sedimentos inferiores a los 2 m 3 /s, debido a que el sedimento en esta zona es bastante grande (Véanse las figs. 47 y 48), y por motivo del acorazamiento del lecho es muy difícil moverlos. Sin embargo el caudal de 540 m 3 /s, que corresponde a una avenida con un periodo de retorno de 2 años, es capaz de romper el acorazamiento y arrastrar volúmenes de 6 a 8.5 m 3 /s de sedimento. Figs. 47 y 48. Tipo de sedimentos en el lecho y márgenes de la SE2 Fuente: Los autores. 115 Fig. 49. Velocidades medias en cada sección de SE2 0,000 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000 8,000 50 100 150 175 180 540 Q (m3/s) v ( m / s ) sección 1 sección 2 sección 3 sección 4 Fuente: Los Autores. La fig. 49 muestra la variación de la velocidad media, Vm, en cada sección. De las ecuaciones de sedimento se sabe que el arrastre es directamente proporcional a la velocidad media de la sección. En esta sección no hay mucha variación de la velocidad del flujo, pues se mantiene muy estable y es relativamente alta, ya que existe un ámbito de 2 a 7 m/s. La velocidad de cada una de las secciones es regulada por el área del cauce de acuerdo con los diferentes caudales. Es por eso que no se ven variaciones muy fuertes en este tramo. 116 4.2.1.3 Caracterización morfológica El río Banano, en este sitio de estudio, puede ser catalogado como un río con lecho de grava. Además, esta sección tiene una pendiente del orden de 4%, por lo que aquí se puede calificar como río de tipo grada-poza, de acuerdo con la clasificación de Montgomery–Buffington. Al estar ubicado este sitio cerca del pie de monte, ya empieza a presentar características de río aluvial, y predominan sedimentos de tipo arenoso, gravas y bolones. 4.2.1.4 Dimensiones del cauce De acuerdo con la modelación realizada con el Hec-Ras, se obtuvo el caudal formativo de 180 m 3 /s. Sin embargo, también se utilizarán las fórmulas empíricas propuestas por Hey y Thorne (1986), que son las que mejor se adaptan a los ríos nacionales, como ya se anotó A continuación se presentan algunas de las ecuaciones propuestas en la referencia citada: 5 . 0 73 . 2 b Q B · (ec. 63) 35 . 0 33 . 0 b Q d · (ec. 64) 2 . 0 008 . 0 − · b Q S (ec. 65) En estas ecuaciones Qb es caudal a cauce lleno, B el ancho del cauce, d el tirante medio y S la pendiente del canal. Como ya se vio en la capacidad hidráulica del cauce, el caudal que llena el cauce es 180 m 3 /s. Al sustituir Qb= 180 m 3 /s encontramos que teóricamente un cauce estable tendría una ancho de 36.62 m, un tirante medio de 2.03 m y una pendiente de 0.0028. 117 4.2.1.5 Pendiente longitudinal y forma en planta El río Banano en la parte media-alta tiene la afluencia de los ríos Segundo, Tercero y Nuevo, los cuales aportan gran cantidad de sedimento de tamaño apreciable al cauce del Banano. En el tramo de estudio las pendientes son fuertes y, por lo tanto, el arrastre es alto, existe poca deposición, aunque a veces se encuentran bancos de sedimentos acumulados en las márgenes. En este sitio el río aún conserva sus características de montaña; sin embargo, poco a poco se va convirtiendo en un cauce aluvial, ensanchando sus llanuras de inundación y disminuyendo su pendiente. 4.2.1.6 Análisis de fotografías aéreas tomadas en diferentes años Para este sitio de estudio se cuenta con fotografías aéreas de distintos años. En el anexo 15 se pueden observar los cauces para los años 1978 y 2003, donde el movimiento lateral ha sido casi despreciable, así como las fotografías aéreas tomadas en los años 1988 y 1992. Sin embargo, la nubosidad no permite apreciar la totalidad del sitio estudiado. 4.2.2. Río Nuevo y Río Aguas Zarcas (SE3 y SE4) En el “Estudio de Alternativas y Proyecto Propuesto para cambio de la toma en el río Banano, Acueducto para la Ciudad de Limón”, realizado por los ingenieros Flores, Velásquez y Calvo, en el año 1990 se propuso los cauces de los ríos Nuevo y Aguas Zarcas como una futura opción de toma de aguas para el AyA. Basados en esto se incluyeron como sitios de estudio 3 y 4 correspondientemente, para ser comparados con las otras opciones planteadas. (Véase la fig. 50). 118 Fig. 50. Sección de estudio SE3 río Nuevo en Asunción Fuente: Los autores. 4.2.2.1 Capacidad hidráulica del cauce Ambos sitios presentan la dificultad de acceso, ya que no es posible llegar en vehículo; se debe caminar por los cauces y adentrándose en la montaña por aproximadamente 2 horas. Esta es la razón de que no exista una topografía reciente de los cauces. Sin embargo, sí se cuenta con las mediciones de caudal que se realizan mes a mes, al menos en el sitio del río Nuevo. Del río Aguas Zarcas la información con que se cuenta es que está cercano a la confluencia con el río Banano, y no la del punto propuesto por el informe antes mencionado. 119 Ambos cauces tienen características que son muy similares a las de la SE2, ya que se encuentran en sitios muy cercanos y a elevaciones similares. Sin embargo, hubo varios factores decisivos por lo que se tuvo que desechar ambas opciones: 1) el elevado costo para la construcción de obras de presa y desviaciones del río y 2) que, al estar ubicado el sitio en una sección muy amplia, podría llegar a divagar el río y, de este modo, dejar la toma sin agua si el río cambiara su curso. En el caso del río Nuevo, el sitio es muy parecido al río Banano; sin embargo, los caudales son mucho más bajos y el ancho del cauce es demasiado grande. En el caso del río Aguas Zarcas se tuvo que descartar, debido a los cambios constantes del río que, al tener un movimiento lateral muy fuerte, ha destruido los caminos de acceso y puentes existentes en la zona; por tal razón, para acceder a un sitio que cumpliera con las condiciones y características para las obras, se tendría que llegar atravesando la llanura de inundación (Véase la fig. 51), lo cual era un peligro inminente, debido a que en esta zona las lluvias son impredecibles y la respuesta hidrológica es muy rápida; por lo tanto este sitio no pudo ser estudiado a fondo como para ser comparado con las opciones que en este estudio se presentan. 120 Fig. 51. Vehículo atascado en el cauce del río Aguas Zarcas Fuente: Los autores. 4.2.2.2 Caracterización morfológica De acuerdo con la cartografía con la que se cuenta, se puede decir que el río Nuevo cuenta con pendientes del orden de 3,66%, clasificando como río tipo fondo plano y pozas forzadas; mientras que el río Aguas Zarcas tiene un perfil menos pronunciado (aproximadamente del 3.06 %), de lo cual se puede decir que también es un río tipo fondo plano y pozas. Los materiales de tipo arena, gravas y bolones son evidentes en ambos sitios. 121 4.2.2.3 Dimensiones del cauce En el recorrido realizado por el río Nuevo se encontraron varios sitios, que presentaban características favorables para la construcción de las obras hidráulicas. Sin embargo, presentan un ancho de cauce muy grande, que está entre los 95 m de longitud, lo que obligaría a realizar una presa muy grande, con un costo muy alto, y una presa de baja altura no es factible para esos anchos. No es posible garantizar la captación, ya que el río puede divagar en el ancho. El río Aguas Zarcas presenta condiciones similares pero más críticas, debido a que en ese sitio aún el tiende a divagar por su llanura de inundación, sin mantener un cauce fijo. Al tener este sitio forma trenzada, dificultaría en gran medida el diseño de las estructuras, ya que es muy claro el constante cambio de dirección del río. 4.2.2.4 Pendiente longitudinal y forma en planta En el río Nuevo se pueden encontrar características de los ríos de montaña: un solo cauce bien definido, no hay presencia de muchos meandros, las pendientes son fuertes y es frecuente encontrar caídas de agua. Sin embargo, es posible afirmar que se encuentra cerca de la transición a río aluvial, ya que en el sitio empiezan a verse más amplios las márgenes inundables. Debido a que la velocidad del flujo es bastante alta, el arrastre de sedimentos es muy alto, por lo que se ve poca sedimentación de material granular y fino, y predominan las rocas de gran tamaño. Según la cartografía, el río Aguas Zarcas en este sitio ya se encuentra en la llanura aluvial; por tal razón ha perdido completamente sus características de río de montaña, convirtiéndose en un río trenzado, expandiendo sus llanuras de inundación y 122 cambiando su cauce constantemente. Son evidentes los depósitos de materiales, como los bancos de sedimentos en las márgenes y el acorazamiento del fondo. 4.2.3. Estación de Bombeo “La Bomba” (SE5) 4.2.3.1 Capacidad hidráulica del cauce En el caso de la SE5 se cuenta con un levantamiento topográfico realizado en diciembre del 2005, del cual se eligió un tramo para ser evaluado. Este tramo cuenta con 5 secciones, en una distancia de 800 mts tomando como punto de control la estación de bombeo. (Véase la fig. 52) Al evaluarlo en el Hec-Ras, resultó un caudal formativo de 220 m 3 /s. En la tabla 17 se muestran los valores más representativos de esta corrida. Fig. 52. Cauce río Banano y las 5 secciones analizadas en Hec-Ras La Bomba2 5 4 3 2 B a n a n o Some schematic data outside default extents (see View/Set Schematic Plot Extents...) Fuente: Hec-Ras 123 Tabla 17. Estacionamiento de las secciones y nivel mínimo Secciones 1 2 3 4 5 Est. (m) 0 50.24 43.06 102.66 178.89 Fondo (msnm) 19.18 17.05 15.85 15.81 14.06 Fuente: Los autores. Estos datos, al introducirlos en la fórmula de Hey, muestran los siguientes resultados, con respecto a h, que es el tirante medio, y n el coeficiente de resistencia de Manning. Fig. 53. Variación del n de Manning con el tirante y el D84 en SE5 Variación de n con el tirante y el D84 0,026 0,031 0,036 0,041 0,046 0,051 0 1 2 3 4 h (m) n ( s / m ^ 1 / 3 ) Serie1 Serie2 Fuente: Los autores. 124 En esta sección, el n de Manning sigue siendo alto, aunque no tanto como en el sector de Asunción. Se puede apreciar que para el cauce principal varía de 0.032 a 0.037, mientras que en la margen tiene un rango de 0.031 a 0.045. En la fig. 54 se puede apreciar el tamaño de una de las muestras medidas por el método lineal. Fig. 54. Sedimento muestreado en SE5 Fuente: Los autores. La fig. 55 muestra las curvas del nivel de agua para cada uno de los caudales de retorno, y el perfil del fondo del canal a lo largo de la zona de estudio. La distancia en el eje de las ordenadas inicia en la primera sección aguas abajo (sección 1). (Véase el anexo 16). 125 Fig 55. Perfil longitudinal de la superficie del agua para diferentes caudales en SE5 0 50 100 150 200 250 300 350 400 14 16 18 20 22 24 26 La Bomba Plan: Plan 01 10/11/2006 Geom: Secciones la bomba Main Channel Distance (m) E l e v a t io n ( m ) Legend WS Q = 1471 10 año WS Q= 1144 5 año WS Q = 741 2 WS Q = 239.5 1 a WS 220 formativo WS Q = 150 WS Q = 100 WS Q = 50 Ground Bananito La Bomba Fuente: Hec-Ras, De esta figura se puede concluir que caudales mayores a 220 m 3 /s pueden ingresar a la llanura de inundación; por tal razón se toma éste como el caudal formativo de este tramo. Como se muestra, éste es un tramo de una pendiente bastante fuerte, con anchos de sección bastante amplios (Véase la fig. 56). Las curvas del nivel de agua para diferentes caudales tienen una forma lineal que no se ajusta al nivel del fondo; esto se debe a que las primeras 4 secciones están aguas arriba del puente del ferrocarril, donde se forma un control que tiende a levantar el nivel del agua; sin embargo, esto solo sucede para caudales extremos. (Véase la fig. 57). En el anexo 17 se muestra el plano de curvas de nivel en la zona de estudio con el espejo de agua, alcanzado por el caudal de 220 m 3 /s. 126 Figs 56 y 57. Medición de caudal en cauce muy amplio del río Banano en SE5 Fuente: Los autores. 4.2.3.2 Capacidad de transporte de sedimentos De la curva granulométrica se obtiene un diámetro medio de 58,64 mm, y se calcula el arrastre de sedimentos para el caudal formativo de 220 m 3 /s. Los resultados obtenidos se resumen en la fig. 58, la cual presenta la concentración total de sedimento Qs, obtenida con la ecuación en cada sección,aplicando la ecuación de Meyer -Peter- Müler. 127 Fig. 58. Arrastre de sedimento por el fondo en cada sección y para los diferentes caudales analizados en Hec-Ras 0.000 5.000 10.000 15.000 20.000 25.000 50 100 150 239.5 220 741 Q (m3/s) Q s ( m 3 / s ) sección 1 sección 2 sección 3 sección 4 sección 5 Fuente: Los autores. De esta figura se puede concluir que el acorazamiento del sedimento, como se vio en el campo, es menos fuerte que en Asunción, por lo que necesita velocidades de flujo menores para producir el movimiento de las partículas de fondo. Además, el sedimento, al ser más pequeño, facilita su movimiento por medio de la fuerza del agua. 128 Fig. 59. Velocidades medias en cada sección de SE2 0.000 0.500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 4.000 4.500 50 100 150 239.5 220 741 Q (m3/s) v ( m / s ) Serie1 Serie2 Serie3 Serie4 Serie5 Fuente: Los autores. La fig.59 muestra la variación de la velocidad media, Vm, en cada sección. Cada sección transversal de este tramo tiene características geométricas muy variables, lo que da mucha transición de velocidades por medio de cada uno de los caudales evaluados. 129 4.2.3.3 Caracterización morfológica El río Banano puede ser catalogado también como un río con lecho de grava. Al ser una cuenca más grande y con elevaciones superiores a las del río Bananito, se encuentran tamaños de sedimento más grandes en la parte alta, los cuales se van disminuyendo en las elevaciones más bajas. En cuanto a la pendiente, este río tiene características muy similares al Bananito, con pendientes muy fuertes en la parte alta; en la parte media se mantienen muy estables, formándose las llanuras de inundación y convirtiéndose el cauce en trenzado. En la parte baja las pendientes son mínimas, disminuyendo considerablemente la velocidad del flujo y a causa de esto, las secciones transversales son más amplias, cambiando el cauce de trenzado a meandriforme y ocasionando problemas de erosión en las márgenes y desbordamientos del río en periodos de lluvias fuertes. Además debido sus características aluviales predominan sedimentos de tipo arenoso, gravas y bolones. 4.2.3.4 Pendiente longitudinal y forma en planta La sección de estudio se encuentra ubicada en una zona donde se pueden encontrar características de trenzado y meandriforme a la vez, y se puede decir que es un transición entre ambas formas en planta. Esto sería una característica muy desfavorable si no fuera por el puente del ferrocarril, que funciona como un control del río, encauzando las aguas por un solo sitio, y manteniendo siempre una sección regular en este punto. La pendiente promedio de este sitio es de 0,83 %. Esto incide en una mayor deposición de sedimentos, como se puede observar aguas arriba del sitio de bombeo, donde existen bancos de sedimento en la margen izquierda. Predominan las gravas de tamaño medio y arenas. 130 4.2.3.5 Dimensiones del cauce Al ser un cauce con características de trenzado y meandros, formando llanuras de inundación muy amplias, es fácil apreciar los bancos de sedimento depositados en la margen derecha. El ancho del cauce es muy grande, con distancias entre los 110 y 150 metros de longitud. El único lugar donde se presenta un estrechamiento del cauce es en el puente, el cual hace que aguas arriba el río tienda a desplazarse hacia la margen derecha, chocando con un control geológico, lo cual lo encauza hacia el sitio donde están ubicadas las bombas de succión. 4.2.3.6 Análisis de fotografías aéreas tomadas en diferentes años En el anexo 18 se puede apreciar que en las cercanías del puente del ferrocarril el cauce del río tiene cierta estabilidad. Sin embargo, a unos 300 metros aguas arriba el río divaga lateralmente y forma diferentes cauces. Igual sucede 100 metros después del puente, donde en diferentes años el cauce se ha modificado y ha ampliado sus llanuras de inundación; por lo tanto, el único tramo que es estable, de acuerdo con las fotografías aéreas, es una sección de unos 200 metros de longitud, ubicada en las cercanías del puente, lo cual se debe a los controles geológicos que se encuentran en sus márgenes. 131 CAPÍTULO V OPCIONES DE CAPTACIÓN EN EL RÍO BANANO 5. Opciones de diseño para el río Banano en SE2 y SE5 En el capítulo III se dio a conocer el estado actual y la vulnerabilidad del río Bananito, lo cual dio cabida a los estudios realizados en los diferentes puntos seleccionados en el río Banano, de los cuales se tomaron los dos sitios con mejores condiciones para una propuesta preliminar de diseño, la cual incluía el diseño de las estructuras necesarias y el análisis económico de las mismas. Estas opciones son: • Toma en el río Banano en SE2 y conducción hasta la planta potabilizadora en La Bomba. • Captación de río Banano en La Bomba. 5.1 Toma en el río Banano, en las inmediaciones de Asunción (SE2) De acuerdo con los estudios realizados en este sitio, los cuales se exponen en el capítulo IV, este sitio se muestra como una de las mejores posibilidades de colocar una toma de aguas definitiva para el abastecimiento de la ciudad de Limón. Una de las características más influyentes de este sitio es la elevación en la que se encuentra con respecto al nivel de La Bomba. Se cuenta con una diferencia de nivel de unos 160 m de elevación en 23 kilómetros. Esto permite realizar un diseño que funcione totalmente por gravedad, reduciendo significativamente los costos de bombeo actuales. 132 Al partir de esta condición, se realizó el diseño preliminar en este sitio, el cual consta de: una estructura de presa de 20 m de ancho, una toma de 2 m de longitud comprendida en el cuerpo de la presa, cuenta con una cámara de entrada que conduce el agua por medio de un canal al desarenador, que posteriormente se conecta a la conducción y finalmente esta llega a la planta potabilizadora en La Bomba. Una de las consideraciones importantes que se tomaron en cuenta en este diseño preliminar es que la planta potabilizadora de La Bomba tiene una capacidad de tratamiento de 350 l/s. Este caudal es suficiente para los requerimientos actuales. Sin embargo, el periodo de diseño de este proyecto es de 40 años, por lo que se debe prever una mayor demanda. Por tal razón, la conducción se presenta en dos diseños: el primero para un caudal de 350 litros por segundo, que es la capacidad actual, y el segundo para 500 litros por segundo, pensando en una futura ampliación de La Bomba. Cabe destacar que las demás estructuras trabajarían para cualquiera de los dos diseños. 5.1.1 Caudales Uno de los criterios más importantes a tomar en cuenta para este diseño es la capacidad que tiene el río de producir los caudales de diseño. La estadística de caudales en el sitio de toma fue obtenido por relación de áreas, usando la información de la estación Asunción, operada por el ICE durante el período que va de 1957 hasta 1981. Esta estación está muy cercana del punto propuesto; por lo tanto, la información es muy precisa. Para la determinación de los caudales mínimos que se pueden extraer del río Banano en el sitio de toma se utilizó el método de comparación de cuencas y el área de drenaje hasta el punto de ubicación de la toma seleccionado. La tabla 18 muestra los resultados más importantes del traslado de caudales. 133 Tabla 18. Caudales representativos para SE2 Q.Mínimo Q. Promedio Q. Máx. Instantáneo Mayo 1.70 7.78 1074.22 Junio 2.69 9.30 446.5 Julio 2.57 12.09 1429.41 Agosto 2.39 10.85 1879.89 Setiembre 2.81 8.58 435.75 Octubre 2.02 8.15 272.89 Noviembre 1.73 11.39 618.54 Diciembre 1.34 14.04 944.27 Enero 1.30 9.78 569.67 Febrero 1.58 8.34 387.31 Marzo 1.51 5.79 536.94 Abril 1.79 9.29 667.06 Fuente: Boletín hidrológico del ICE 134 Fig. 60. Sitio propuesto para toma en río Banano, margen derecha Fuente: Los autores. 135 Fig. 61 .Vista aguas abajo, sitio propuesto para toma en el río Banano Fuente: Los autores. 136 Fig. 62 .Vista aguas arriba, sitio propuesto para toma en el río Banano Fuente: Los autores. Adicionalmente, AyA ha venido monitoreando la escorrentía del río Banano por medio de aforos en varios puntos, y esta información se presenta en el anexo 19. Como puede observarse en la tabla 18, el caudal mínimo corresponde al mes de enero, con 1,3 m 3 /s, el cual supera satisfactoriamente el mínimo requerido para el proyecto. 137 5.1.2 Estructuras 5.1.2.1 Toma y presa en el río Banano El sitio de toma se localiza en la cota 250 m.s.n.m., con coordenadas 207084 Norte Falso y 625290 Este Falso, según coordenadas Lambert Norte (Véase figs. 60 y 61) 500 metros aguas arriba de la confluencia de los ríos Segundo y Tercero. Para captar el caudal requerido se hace necesario construir una presa de concreto en el río. La presa de 20 metros de longitud será vertedora, y en su cuerpo tendrá una toma de fondo de 2 metros de ancho, diseñada para un caudal de 0,5 m 3 /s. El sitio seleccionado se puede apreciar en las figuras 60, 61 y 62, con vista desde diferentes puntos. Con el fin de evitar la entrada de material a las estructuras se deberá colocar un desgravador o descarga de fondo, que está comprendido en el cuerpo de la presa. Esta toma contará, además, con una cámara de entrada ubicada en la margen izquierda del río, la cual conducirá el agua captada de la toma superficial hacia un canal. La cámara de entrada cuenta con una compuerta con dimensiones de 1m x 1m, la cual servirá para la limpieza de la misma y para realizar trabajos de mantenimiento. En el diseño final se deben tomar en cuenta los siguientes factores:  Pendiente del terreno.  Volumen y clase de excavación que se debe realizar.  Protección de la estructura contra la permeabilidad y la resistencia de la cimentación ante la socavación y la erosión. Se seleccionó una presa vertedora tipo cimacio, ajustándola a la topografía y condiciones del sitio (Véase el anexo 20, lámina 1), conformada por curvas de cemento circulares. 138 5.1.2.2 Canal Este canal tiene una longitud aproximada de 420 metros de longitud, y va desde el sitio de la toma (específicamente desde la cámara de entrada) hasta el desarenador, ubicado en la margen izquierda, de sección rectangular y con flujo subcrítico, con una pendiente de 1,5/1000. El funcionamiento de este canal va a ser regulado por un vertedero ubicado en la entrada del desarenador. Además, el canal contará con un recolector de excedencias, que se ubicará al lado derecho, encauzará el agua de exceso y la descargará por medio de una estructura de descarga. (Véase el anexo 20, lámina 2). 5.1.2.3 Desarenador El sitio seleccionado para la ubicación del desarenador está cercano a la toma, a unos 400 metros aguas abajo. Este desarenador tendrá la capacidad de depositar partículas con tamaños superiores a los 0,5 mm, tomando en cuenta los criterios de diseño con turbulencia. Es una estructura de concreto estructural semienterrado, compuesto por dos compartimentos en paralelo, con cámara de entrada y salida, un sistema de “by-pass” previsto y una tubería de desfogue al río Tercero (Véase el anexo 20, lámina 2), para así poder descargar los sedimentos acumulados en el fondo de la estructura cuando se realicen labores de mantenimiento. La capacidad del desarenador es de 500 l/s y las dimensiones son de 1,55 metros por 1,30 metros y 21,75 metros de longitud. 139 5.1.2.4 Línea de conducción El trazado y diseño de la línea de conducción es a nivel preliminar, y está basado en la cartografía existente, y los recorridos realizados durante los trabajos de campo tratando de utilizar la ruta de los caminos existentes (Véase el anexo 21, láminas 1, 2 y 3). Sin embargo, se recomienda realizar un levantamiento topográfico para verificar los niveles y elevaciones para corroborar la línea de trazado. Se utilizó un perfil preliminar de la línea tomando los datos de elevación extraídos de los mapas en escala 1: 25000 del proyecto Carta 2003, del Instituto Geográfico Nacional, y datos de un levantamiento topográfico existente realizado por el AyA. (Véase el anexo 21, láminas 4, 5, 6, 7, 8 y 9). Los datos principales de la línea de conducción, así como los resultados de cálculo, se presentan en la tabla 19. El diseño se realizó para dos caudales diferentes, el primero para un caudal de 350 l/s, que es la producción actual de la toma ubicada en el río Bananito, y es la capacidad máxima de la planta potabilizadora ubicada en el sector de La Bomba, y el segundo diseño para 500 l/s como una opción futura, en caso de ser necesaria la ampliación del sistema para una cobertura mayor. Se usó la fórmula de Hazen Williams, la cual es la recomendada según la experiencia que tiene AyA en este tipo de proyectos. La tubería a utilizar es de hierro dúctil, por lo cual se utilizó un coeficiente C de 130 y no de 140, el cual corresponde a tubería nueva, para el diseño previendo el deterioro de la tubería y tomándolo como un factor de seguridad. La línea de conducción consta de válvulas de compuerta (Véase tabla 20) ubicadas aproximadamente cada kilómetro, de control piloto. De este modo, cuando exista un daño en algún sector de la tubería y se presente una pérdida de presión, será factible aislar este tramo para evaluar y solucionar el daño o problema. También consta de válvulas de aire (Véase tabla 21), válvulas de limpieza (purga) ubicadas en los tramos intermedios de las válvulas de compuerta. (Véase tabla 22). 140 Tabla 19. Datos principales de la línea de conducción y resultados de cálculo Línea de Conducción Preliminar 1, Q. diseño = 350 l/s Alternativa para SE2, río Banano Númer o Tubería Sección entre nudos Longitud ( m ) Diámetro ( mm ) CHW Caudal ( l / s ) Velocidad ( m / s ) Pérdidas ( m ) 1 1-2 3006,06 500 130 350 1,783 17,07 2 2-3 3036,44 500 130 350 1,783 17,23 3 3-4 3027,34 450 130 350 2,202 17,18 4 4-5 3053,87 450 130 350 2,202 28,70 5 5-6 3011,39 450 130 350 2,202 28,31 6 6-7 3049,47 450 130 350 2,202 28,66 7 7-8 1542,14 450 130 350 2,202 14,82 Línea de Conducción Preliminar 2, Q. diseño = 500 l/s Alternativa para SE2, río Banano Númer o Tubería Sección entre nudos Longitud ( m ) Diámetro ( mm ) CHW Caudal ( l / s ) Velocidad ( m / s ) Pérdidas ( m ) 1 1-2 3006,06 600 130 500 1,769 13,69 2 2-3 3036,44 600 130 500 1,769 13,82 3 3-4 3027,34 600 130 500 1,769 13,78 4 4-5 3053,87 500 130 500 2,548 33,01 5 5-6 3011,39 500 130 500 2,548 32,56 6 6-7 3049,47 500 130 500 2,548 33,21 7 7-8 1542,14 500 130 500 2,553 17,18 Fuente: Los autores. 141 Tabla 20. Ubicación de válvulas de compuerta Válvulas de compuerta de control piloto Latitud Longitud Elevación msnm Diámetro (mm) 500 l/s 350 l/s 1 207 575 625 478 243 600 500 2 207 581 626 458 212.5 600 500 3 207 943 627 487 192 600 500 4 209 070 627 440 170 600 500 5 209 068 628 402 130 600 500 6 209 151 629 037 115 600 500 7 209 079 629 581 110 600 450 8 208 865 630 528 120 600 450 9 208 657 631 389 120 500 450 10 208 124 631 727 110 500 450 11 208 764 632 529 84 500 450 12 208 822 633 432 70 500 450 13 208 888 634 274 70 500 450 14 209 548 635 181 50 500 450 15 209 663 636 122 50 500 450 16 210 594 636 581 50 500 450 17 210 856 637 129 60 500 450 18 210 406 627 667 60 500 450 19 210 612 638 149 60 500 450 20 211 035 638 634 60 500 450 Fuente: Los autores. 142 Tabla 21. Ubicación de válvulas de aire Válvulas de aire Latitud Longitud Elevación msnm Diámetro (mm) 500 l/s 350 l/s 1 207 853 629 937 210 50 50 2 209 149 627 637 170 50 50 3 208 894 630 397 120 50 38 4 208 105 631 457 120 50 38 5 208 526 632 359 100 50 38 6 209 296 634 929 60 50 38 7 210 730 636 786 50 50 38 8 210 618 636 947 60 50 38 9 211 218 638 755 60 50 38 Fuente: Los autores. Tabla 22. Ubicación de válvulas de limpieza Válvulas de limpieza Latitud Longitud Elevación Diámetro (mm) 500 l/s 350 l/s 1 207 601 626 026 220 200 200 2 208 140 627 458 190 200 200 3 209 065 628 024 130 200 200 4 209 126 629 991 110 200 200 5 208 212 631 939 100 200 200 6 208 795 633 632 70 200 200 7 209 643 635 320 50 200 200 8 210 702 636 801 45 200 200 9 210 732 638 419 60 200 200 Fuente: Los autores. 143 5.1.2.5 Obras complementarias De acuerdo con el trazado propuesto de la línea de conducción, se deben construir pasos elevados de tubería por lo ríos Segundo, Tercero, Aguas Zarcas, Banano y Quebrada San Antonio. Los datos de los mismos y ubicación se ven a continuación, en la tabla 23. Tabla 23. Datos de pasos Latitud Longitud Elevación Largo del Puente ( m ) Paso río Tercero 207 518 625 377 247 40 Paso río Segundo 207 747 625 874 223,1-220 50 Paso río Banano 209 065 628 014 135-130 245 Paso Quebrada San Ant. 208 665 630 981 120 55 Paso río Aguas Zarcas 208 053 631 550 110 178 Fuente: Los autores. Para la operación del proyecto se deben construir algunas obras necesarias, como una casa para el operador y guarda del sistema, así como una caseta de control para instalar la planta eléctrica. 5.1.2.5.1 Caminos de acceso El camino de acceso hasta el sitio de la toma se puede dividir en dos secciones. El primer tramo de acceso es el camino existente, el cual está en buen estado, hasta el paso sobre el río Aguas Zarcas. Aquí se presentan problemas cuando el río aumenta 144 su caudal, ya que haría imposible el paso de vehículos al sector de Asunción; sin embargo, este paso se encuentra, durante la mayor parte del tiempo, en buen estado. Al llegar a Asunción se inicia la segunda sección del camino, la cual presenta mayores dificultades, ya que se debe transitar por caminos entre la montaña y atravesar los ríos Banano, Tercero y Segundo, hasta llegar al sitio de la toma. Este tramo se debe ampliar y rehabilitar en algunos sectores, para facilitar el acceso hasta la parte alta de la cuenca, donde se propone ubicar la captación. 5.2 Rehabilitación de la toma en el río Banano, La Bomba (SE5) La problemática principal en la toma, ubicada en el sector de La Bomba en el río Banano, consiste en el tirante de agua en la sección de la toma. La variación del nivel afecta las bombas, debido a la poca profundidad de sumergencia de la tubería de succión, lo que nos lleva a dos únicas opciones: construir una presa para poder levantar el tirante del agua en este sector o realizar un orificio en el lecho del río, que permita tener una sumergencia mayor, al menos de 0,7 a 1,0 metros. Este último caso presenta el inconveniente de la acumulación de sedimentos, lo cual es inevitable, y obligaría a la implementación de un sistema automático de retrolavado. La acumulación de éstos, además, posiblemente obligará a realizar labores manuales de mantenimiento, lo cual implica la presencia de uno o más operadores que remuevan el material acumulado. Tomando en cuenta todas las características de la zona, y con el afán de dar la mejor solución a la problemática que se presenta en La Bomba, se propone la construcción de una presa; de este modo el nivel del río va a aumentar y se puede garantizar un tirante que, incluso en época de caudales bajos, siempre va a contar con la sumergencia mínima en la succión para el buen funcionamiento de las bombas. 145 5.2.1 Presa de concreto Para la propuesta se selecciona una presa de concreto de gravedad con vertedor de cimacio libre, sin compuertas; esto en base en la variación de niveles producido por el caudal formativo y analizando, a la vez, las condiciones topográficas en el sitio seleccionado. En el anexo 22 (láminas 1 y 2) se muestra un esquema de la estructura propuesta. Se deben tomar en consideración, para el diseño final, la pendiente del terreno, la clase y volumen de excavación, así como la necesidad de proteger las obras de la permeabilidad y la resistencia de la cimentación ante la posibilidad de erosión o socavación. Se optó por un vertedor de tipo cimacio, por las condiciones del sitio y la experiencia en este tipo de obras, la cual confirma su elevada eficiencia, que lo hace uno de los más usados en las crestas de control de los vertederos de demasías (Véase el anexo 22). La curva superior del cimacio ordinariamente se diseña para que se ajuste rigurosamente al perfil de la superficie inferior de una lámina de agua con ventilación, que cae de un vertedor de cresta delgada. La lámina de aguas se adhiere al paramento del perfil, evitando el acceso de aire a la cara inferior de ésta. Para las descargas efectuadas con la carga del proyecto, el agua se desliza sobre la cresta sin interferencia de la superficie que la limita, y alcanza casi su eficiencia máxima de descarga. En ambas márgenes se propone una descarga de fondo, con el fin de poder controlar el ingreso y acumulación de sedimentos, sobre todo en la margen izquierda, donde se ubican las tuberías de succión. A la vez, cuenta con una compuerta para realizar labores de limpieza cuando se acumule mucho sedimento o bien para reparaciones o inspecciones del las tuberías de succión. A esta descarga de fondo, que bien podríamos llamarle “canal” cuenta con dos paredes en forma de arco para que protejan las succiones y la compuerta de árboles de rocas que puedan ser arrastradas en alguna avenida. 146 5.2.2 Rehabilitación del sistema de bombeo Al proponer la rehabilitación del sistema de captación ubicado en La Bomba, se debe pensar en el reemplazo del sistema existente, pues hoy día está muy dañado. Además, las bombas que se utilizan en algunas ocasiones que la toma de Bananito sufre algún daño, están a punto de cumplir su vida útil. Es un hecho que las mejoras en todo el sistema de bombeo garantizan un mejor funcionamiento de sistema. En un principio se pensó en cambiar las bombas y colocar tres de un caballaje menor, cada una de 125 l/s, las cuales requerían una menor succión, pero al proponer el diseño de la presa y garantizar un tirante del río en el sector donde están ubicadas las tuberías de succión, se puede seguir utilizando el mismo tipo de bombas que van a trabajar en toda su eficiencia. El sistema de bombeo a requerir se muestra en la siguiente tabla: Tabla 24. Costos del sistema de bombeo para SE5 (Rehabilitación La Bomba) Costo Bomba con motor, 250 l/s NPSH de 4,5 metros (2 und) $ 40,000.00 c/u Reparación de la cachera (válvulas, pascones) $ 15,000.00 Transformador (PAD MOUNTER) $ 40,000.00 Tablero de control $ 40,000.00 Interruptor principal $ 15,000.00 Cableado $ 20,000.00 Total $ 210,000.00 Fuente: Los autores. 147 5.2.3 Mejoras en la caseta de operación En la actualidad, la caseta ubicada en el sector de La Bomba tiene algunos daños en su infraestructura, por lo que es necesaria su rehabilitación. Las mejoras consisten en colocación de malla perimetral, repellos internos y externos, pintura, reparación de puertas y ventanas, reparación de la estructura del techo, mejoras en los accesos, implementar medidas de seguridad. En general las mejoras son arquitectónicas, ya que estructuralmente la caseta se encuentra bien. 148 CAPÍTULO VI ANÁLISIS ECONÓMICO 6. Análisis económico Para poder comprender de mejor forma la problemática descrita en los capítulos III y IV, y para poder asociarla con las inversiones realizadas por el AyA en el actual sitio de toma del río Bananito, es necesario realizar un estudio de los principales gastos en que ha incurrido la institución desde su construcción. También se deben contabilizar los costos operacionales y de mantenimiento, para así poder realizar una estimación de los costos futuros. Para poder comprender mejor los costos que conllevan cada una de las opciones planteadas, se realizarán las siguientes evaluaciones: • Evaluación económica de la toma del río Bananito. • Evaluación económica de la rehabilitación de La Bomba. • Evaluación económica de la toma en el río Banano, Asunción. Cada una de estas evaluaciones será calculada a partir del año 2007, tomando como ¢520 el valor del cambio de un dólar. Además, se prevé el crecimiento de población y la tendencia que tiene la inflación en nuestro país, la cual es de aproximadamente un 10%. Con base en todos los costos se calculará un VAN y un TIR, que al ser comparados dirán cuál de las tres opciones será la más rentable para el AyA en el ámbito económico. 149 6.1 Evaluación económica en la toma del río Bananito (SE1) La tabla 33 muestra cada uno de los rubros evaluados tanto de inversión como de mantenimiento y de operación, que son comparados con los beneficios obtenidos por la institución con base en las tarifas. Cada uno de estos costos es calculado para un periodo de 40 años, y que al final resultará en un VAN y en un TIR. A continuación se explica cómo se calculó cada uno de las columnas de la tabla 33. La primera columna, denominada “costo de construcción”, aplica para cuando se realiza una inversión inicial al proyecto. En el caso de la toma del río Bananito, la inversión inicial se realizó luego del terremoto; sin embargo, no se incluye en esta evaluación, ya que ésta ya fue asumida por la institución, y para efectos de compararla con las otras dos evaluaciones económicas, este rubro no se debe tomar en cuenta, ya que a partir del año de inicio no hay costos por construcción. Las mejoras a la toma corresponden a todas aquellas obras de reparación y ampliación que se han realizado en este sitio, para mejorar el desempeño de esta estructura. A partir de 1995, una vez terminada la construcción de la toma, se ha realizado una serie de inversiones importantes, las cuales se pueden observar en la tabla 25. Tabla 25. Mejoras realizadas en la toma del río Bananito Obra Realizada Fecha Terminada Costo Conducción Bananito - Bomba nov-95 $2.620.545,00 Remodelación toma Bananito jul-97 $54.014,00 Mejora a toma río Bananito jul-98 $144.161,83 Mejora a toma río Bananito abr-03 $70.160,00 Mejora a toma río Bananito may-04 $30.526,81 Mejoras a toma–desarenado– 2004 $6.852,28 márgenes (Emergencia) Fuente: Dirección de Estudios y Proyectos, Presupuestos. 150 De acuerdo con esta tabla, si tomamos en cuenta que desde 1998 hasta el 2004 se invirtieron $ 251.701,03 para mejoras, se podría estimar que cada 3 años se debe hacer una mejora con un costo aproximado de $ 107.871,86, que a su vez va aumentando en un 10 % anual, de acuerdo con el costo de vida a lo largo de los 40 años. La siguiente columna evalúa los costos eléctricos por bombeo, ya que desde el sitio de toma del río Bananito hasta el sitio de tratamiento de las aguas en La Bomba, hay una distancia considerable y una diferencia de elevación que hace necesario utilizar bombeo. Los costos del consumo eléctrico por bombeo para este sitio, durante los últimos 4 años, se pueden observar en la tabla 26. De esta forma se puede establecer un promedio anual del consumo eléctrico, que también se verá incrementado por la inflación anual. Tabla 26. Costo del consumo eléctrico por bombeo Consumo ( KWH ) Costo Real Año 2003 3.381.418 $147.619,66 Año 2004 2.750.572 $137.126,60 Año 2005 3.308.962 $164.639,23 Año 2006 ( Enero a Agosto ) 2.206.134 $126.895,89 Fuente: Regional Huetar Atlántica, Costo Promedio Anual = $ 149.795.16. La columna 4 de la evaluación económica, denominada confección de presas por crecidas, se analiza con respecto a lo visto en el capítulo III, donde se estudiaron las características de esta cuenca y los diversos factores que producen las avenidas máximas en este sitio de toma, las cuales son las causantes de los problemas de operación de dicha toma. Estas crecidas del río Bananito producen dos consecuencias importantes. 151 La primera es la destrucción de la presa, ya que al estar conformada con materiales granulares, al haber un aumento considerable del caudal, ésta cede y se pierde parcial o completamente. Este tipo de problemas sucede unas 2 veces al mes, y es necesario volver a conformar la presa inmediatamente después de la crecida, para volver al funcionamiento normal. Esto exige tener maquinaria permanentemente en el sitio y, a la vez, un gasto considerable de materiales y mano de obra. En la tabla 27 se muestra la cantidad de dinero pagado en los contratos de maquinaria y materiales desde el año 2003, de los cuales se puede sacar un promedio anual de $37.353,26. Tabla 27. Costo de los contratos por concepto de materiales y maquinaria Costo Año 2003 $21.698,54 Año 2004 $49.976,02 Año 2005 $40.385,22 Año 2006 ( Enero a Agosto ) $18.604,28 Fuente: Regional Huetar Atlántica. En esta primera consecuencia también se debe considerar el tiempo que dura el sitio sin tener presa desde que se produce la crecida, se destruye la presa y se vuelve a conformar; esto hace que el sistema se vea interrumpido por aproximadamente 3 horas, lo que incide en una afectación del 20 % de los servicios, ya que el otro 80 % se puede abastecer con los tanques existentes. El cálculo de estos gastos se puede ver en la siguiente tabla, y corresponden a la columna 5, denominada interrupción de servicio 1: 152 Tabla 28. Costos de conformación de presa por parte del AyA Costo 2900 servicios interrumpidos durante 3 horas $192,12 8 Peones durante 5 horas remediando interrupción $146.15 2 Vehículos ( 12 km. Cada uno ) $38,46 Total $ 376.73 Fuente: Regional Huetar Atlántica, Cada vez que sucede un evento de estos se requieren $376.73 para su remediación y, como se considera que sucede dos veces al mes, el costo mensual es de $753.46; esto da un costo anual de $ 9.041,55. La interrupción de servicio 2 corresponde a la segunda consecuencia producida por las crecidas, que es el depósito de sedimentos en la presa, lo que ocasiona un atascamiento de las tuberías de succión que requieren mantenimiento por parte del personal de la región. Se ha estimado que este tipo de eventos sucede unas 3 veces al mes como promedio, y cada vez que sucede se requieren 2 horas de interrupción del servicio, afectando al mismo 20 % de los abonados. El costo de estos trabajos de reparación se reflejan en la tabla 29. Tabla 29. Costos de limpieza de presa por parte del AyA Costo 2900 servicios interrumpidos durante 2 horas $128.07 4 Peones durante 8 horas remediando interrupción $103.07 1 Vehículo ( 12 km) $19.23 Total $ 250.38 Fuente: Regional Huetar Atlántica, 153 Cada vez que se requiera limpiar las tuberías y la presa se genera un costo de $250,38; esto sucede 3 veces al mes, para un total mensual de $751,14, con un costo anual de $9.013,68. Otro de los factores tomados en cuenta es el mantenimiento de los equipos existentes, como son los impulsores, ejes, equipos de bombeo de agua y bombeo de lodos. Además, cada 3 años se sustituye uno de los equipos de bombeo y su costo es el siguiente: Tabla 30. Costos por mantenimiento y reemplazo de equipos Equipo Costo Inversión a cada Mantenimiento de ejes, impulsores y otros equipos $ 5.769,23 1 año Equipo de Bombeo de Agua $ 15.384,61 3 años Equipo de Bombeo de Lodos $ 35.000,00 3 años Fuente: Regional Huetar Atlántica, Como último punto se tiene estimado el monto por seguros en caso de eventos naturales importantes, exigido por el BCIE. Cabe destacar que estos eventos no incluyen las crecidas del río, sino situaciones como terremotos o algo similar. La siguiente tabla muestra los pagos realizados desde el año 1998 hasta el 2006, de los cuales se estima un promedio anual de $ 4.929,27. Como se puede observar, en la tabla 31 este rubro tiene un incremento anual del 7.56 %, el cual se calculó de acuerdo con los pagos realizados en el periodo de estudio. 154 Tabla 31. Costos por seguro de sistema de agua potable de Limón Año Costo Año 1998 $3.211,33 Año 1999 $3.211,53 Año 2000 $3.211,47 Año 2001 $3.630,10 Año 2002 $7.434,89 Año 2003 $7.416,44 Año 2004 $6.640,00 Año 2005 $4.678,38 Año 2006 $4.929,27 Fuente: Oficina de riesgo y prevención. AyA, En la tabla 33, cada una de las columnas analizadas (desde la 2 a la 10) corresponden a los gastos de mantenimiento y operación del sistema. Cabe señalar que el incremento de estos rubros a través de los años se debe principalmente a la inflación, la cual se calculó en un 10 % anual. Por lo tanto, la columna 11 denominada costos de operación y mantenimiento corresponde a la suma de estos rubros para cada uno de los años estudiados. Estos costos de operación y mantenimiento serán comparados con respecto a las entradas que recibe el AyA por brindar el servicio. Para esto se realizó el cálculo tomando los costos promedios de tarifas, ya que cada tipo de servicio cambia su costo de acuerdo con el consumo que tenga o si tiene o no conexión de alcantarillado sanitario. La siguiente tabla muestra el estimado de entradas por año para el AyA. En este caso se tomó en cuenta el crecimiento de la población en el periodo de 40 años; además, se calculó para cada tarifa (urbana domiciliar, ordinaria y reproductiva, urbana preferencial y urbana gubernamental, como se muestra en la tabla 32) el incremento, de acuerdo con la inflación anual, lo cual se indica en la columna denominada beneficios por servicios, en la tabla 33, columna 12. El 155 Tabla 32. Estimación de las entradas por concepto de tarifas del AyA Tipo servicio Total servicios 20 % servicios Tarifa estimada por mes Ingreso mensual por tarifas Ingreso anual estimado Urbana domiciliar 13366 2673 $12.60 $33,692.65 $404,311.81 Ordinaria y reproductiva 962 192 $40.17 $7,712.12 $92,545.48 Urbana preferencial 118 24 $13.86 $332.63 $3,991.57 Urbana gubernamental 46 9 $13.86 $124.74 $1,496.84 Ingreso Anual Estimado $502,345.70 Fuente: Regional Huetar Atlántica, La última columna, denominada beneficio–costo, es también conocida como “flujo de caja” y corresponde a restar a la columna 12 la columna 11. En este caso se puede observar que los valores son positivos, ya que el beneficio va a ser siempre mayor que el costo. Esto podría indicar que, pese al costo de operación y mantenimiento, continuar con el funcionamiento de la Toma del Bananito refleja utilidad a la institución, considerando que el factor del beneficio con respecto al costo es de 2.27; sin embargo, es importante compararlo con las otras dos opciones del proyecto para saber con certeza cuál de ellas será la mejor inversión. Como se puede ver en este caso, no hay TIR, y esto se debe a que no existe ningún monto negativo en el flujo de caja por no haber inversión inicial, ya que ésta se consideró como un costo hundido. 156 Tabla 33. Evaluación económica de la toma en el río Bananito (SE1) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Item Costo Mant. Impul Reempl Reempl Seguros Costo Beneficio Benef - Costo Construcc. ejes y otros Bomba Agua Bomba Lodos Op. Y Mant p/servicio 1 - $107.872 $149.795 $37.353 $9.042 $9.014 $5.769 $15.385 $35.000 $4.929 $374.159 $502.346 $128.187 2 - $164.775 $41.089 $9.946 $9.915 $6.346 $5.302 $237.372 $557.996 $320.623 3 - $181.252 $45.197 $10.940 $10.907 $6.981 $5.703 $260.980 $619.810 $358.830 4 - $140.233 $199.377 $49.717 $12.034 $11.997 $7.679 $20.000 $45.500 $6.134 $492.672 $688.473 $195.800 5 - $219.315 $54.689 $13.238 $13.197 $8.447 $6.598 $315.483 $764.742 $449.259 6 - $241.247 $60.158 $14.562 $14.517 $9.291 $7.096 $346.871 $849.460 $502.589 7 - $182.303 $265.371 $66.174 $16.018 $15.969 $10.221 $26.000 $59.150 $7.633 $648.838 $943.563 $294.725 8 - $291.908 $72.791 $17.619 $17.565 $11.243 $8.210 $419.337 $1.048.091 $628.754 9 - $321.099 $80.070 $19.381 $19.322 $12.367 $8.831 $461.070 $1.164.199 $703.129 10 - $236.994 $353.209 $88.077 $21.320 $21.254 $13.604 $33.800 $76.895 $9.498 $854.651 $1.293.169 $438.518 11 - $388.530 $96.885 $23.451 $23.380 $14.964 $10.216 $557.426 $1.436.426 $879.000 12 - $427.383 $106.573 $25.797 $25.718 $16.460 $10.989 $612.919 $1.595.553 $982.634 13 - $308.093 $470.121 $117.231 $28.376 $28.289 $18.106 $43.940 $99.964 $11.819 $1.125.939 $1.772.308 $646.369 14 - $517.134 $128.954 $31.214 $31.118 $19.917 $12.713 $741.049 $1.968.645 $1.227.596 15 - $568.847 $141.849 $34.335 $34.230 $21.909 $13.674 $814.844 $2.186.731 $1.371.887 16 - $400.521 $625.732 $156.034 $37.769 $37.653 $24.100 $57.122 $129.953 $14.708 $1.483.590 $2.428.977 $945.388 17 - $688.305 $171.637 $41.546 $41.418 $26.509 $15.820 $985.235 $2.698.059 $1.712.824 18 - $757.135 $188.801 $45.700 $45.560 $29.160 $17.016 $1.083.373 $2.996.950 $1.913.578 19 - $520.677 $832.849 $207.681 $50.270 $50.116 $32.076 $74.259 $168.938 $18.302 $1.955.168 $3.328.953 $1.373.784 20 - $916.134 $228.449 $55.297 $55.128 $35.284 $19.686 $1.309.978 $3.697.734 $2.387.756 21 - $1.007.747 $251.294 $60.827 $60.641 $38.812 $21.174 $1.440.495 $4.107.369 $2.666.874 22 - $676.880 $1.108.522 $276.423 $66.910 $66.705 $42.694 $96.536 $219.620 $22.775 $2.577.064 $4.562.383 $1.985.319 23 - $1.219.374 $304.066 $73.601 $73.375 $46.963 $24.496 $1.741.875 $5.067.804 $3.325.929 24 - $1.341.311 $334.472 $80.961 $80.713 $51.659 $26.348 $1.915.465 $5.629.215 $3.713.751 25 - $879.944 $1.475.442 $367.920 $89.057 $88.784 $56.825 $125.497 $285.506 $28.340 $3.397.315 $6.252.820 $2.855.505 26 - $1.622.987 $404.712 $97.963 $97.663 $62.508 $30.483 $2.316.314 $6.945.507 $4.629.194 27 - $1.785.285 $445.183 $107.759 $107.429 $68.759 $32.787 $2.547.201 $7.714.931 $5.167.729 28 - $1.143.927 $1.963.814 $489.701 $118.535 $118.172 $75.635 $163.146 $371.157 $35.266 $4.479.352 $8.569.591 $4.090.238 29 - $2.160.195 $538.671 $130.388 $129.989 $83.198 $37.932 $3.080.373 $9.518.930 $6.438.557 30 - $2.376.215 $592.538 $143.427 $142.988 $91.518 $40.800 $3.387.485 $10.573.437 $7.185.952 31 - $1.487.105 $2.613.836 $651.792 $157.770 $157.286 $100.670 $212.090 $482.505 $43.884 $5.906.938 $11.744.762 $5.837.825 32 - $2.875.220 $716.971 $173.547 $173.015 $110.737 $47.202 $4.096.691 $13.045.847 $8.949.156 33 - $3.162.742 $788.668 $190.901 $190.317 $121.810 $50.770 $4.505.208 $14.491.066 $9.985.858 34 - $1.933.237 $3.479.016 $867.535 $209.991 $209.348 $133.991 $275.717 $627.256 $54.608 $7.790.700 $16.096.386 $8.305.686 35 - $3.826.917 $954.289 $230.991 $230.283 $147.390 $58.737 $5.448.607 $17.879.544 $12.430.937 36 - $4.209.609 $1.049.718 $254.090 $253.311 $162.129 $63.177 $5.992.034 $19.860.240 $13.868.206 37 - $2.513.208 $4.630.570 $1.154.689 $279.499 $278.643 $178.342 $358.432 $815.433 $67.953 $10.276.769 $22.060.357 $11.783.588 38 - $5.093.627 $1.270.158 $307.448 $306.507 $196.177 $73.091 $7.247.008 $24.504.204 $17.257.196 39 - $5.602.990 $1.397.174 $338.193 $337.158 $215.794 $78.616 $7.969.925 $27.218.779 $19.248.854 40 - $3.267.170 $6.163.289 $1.536.892 $372.013 $370.873 $237.374 $465.962 $1.060.063 $84.560 $13.558.194 $30.234.076 $16.675.881 VAN 6.760.612,40 15.339.653,37 8.579.040,97 2,27 TIRE Evaluación Financiera Toma Río Bananito Mejoras a Toma Costo Elec Bombeo Conf. Presa p/ crecidas Interrupcion Servicio 1 Interrupcion Servicio 2 Fuente: Regional Huetar Atlántica, 157 6.2 Evaluación económica, rehabilitación de La Bomba (SE5) Como ya se había explicado en el capítulo IV, el sitio conocido como La Bomba presenta características favorables para establecer un sitio de toma. Este sitio ya cuenta con cierta infraestructura, que se puede utilizar siempre y cuando se realicen ciertas mejoras. En las láminas 1 y 2 del anexo 22 se puede observar el diseño propuesto en este sitio, para el cual se realizó un presupuesto el cual se presenta en la tabla 34. Como se puede observar, el costo de las obras es de ¢1.384.952.170,00, que a un precio del dólar de ¢520 da un costo de $2.663.370,00. La tabla 35 presenta la evaluación económica de este sitio, donde se presenta el costo de construcción antes mencionado y efectuando todas las obras en el primer año. Para este sitio se ha previsto que las mejoras a la toma se deben a dos factores a considerar. El primer caso es la instalación inicial del equipo de bombeo y motores, el cual está estimado en $138.000,00 y se incluyó en la inversión inicial; sin embargo, se prevé que cada 10 años se debe hacer un cambio de uno de los dispositivos y, además, darle el mantenimiento respectivo, lo cual daría un costo aproximado de $69.000,00, tomando en consideración el aumento por el costo de la vida. También se considera que este sitio, al igual que la toma del río Bananito, están ubicados en una cota de elevación relativamente baja, donde se pueden esperar caudales bastante altos, como se estudió en el capítulo IV. Por tal razón es de esperarse que sucedan avenidas de tal magnitud que dañen de una u otra forma las obras propuestas; por tal razón se prevé realizar una inversión de mejora a la toma cada 5 años, con un costo de $45.000,00. Los costos por concepto de electricidad se estimaron en $112.346,25 por año, ya que se dejaría de usar el bombeo ubicado en la toma del río Bananito, y solo se utilizaría energía eléctrica para las bombas sumergibles, además del rebombeo ubicado en Santa Rosa. Este costo se estimó a partir del segundo año, cuando ya el proyecto esté en operación. Se ha demostrado que este sitio tendrá un arrastre de sedimentos, el cual va a ser mucho menor al que se presenta en el río Bananito. Sin embargo, para tener un factor de seguridad se estimará el costo por motivo de limpieza de la presa y tiempos de corte del servicio, tomando en cuenta que mientras se suspende la succión del río Banano se 158 habilitará temporalmente la toma del río Bananito. Esto significaría incurrir en los gastos de bombeo, rehabilitación de presa y limpieza de desarenador. El costo anual de este apartado es de $12.833,55, y se refleja en la columna 4, denominada interrupción del servicio 1 a partir del segundo año, cuando ya se terminó la construcción y el proyecto esté en operación. Si el AyA decidiera invertir en este proyecto, debe mantenerlo con un seguro que cubra eventos naturales especiales, como lo fue el terremoto de 1991. Es por esta razón que se incluye en la columna 5 el costo anual por seguros, el cual se determina aplicándole un 0.365% del valor del proyecto, que para este caso es de $9.721,29, con su respectivo crecimiento de acuerdo con la inflación. Al igual que el caso anterior, se suman todos los costos de inversión, operación y mantenimiento (columna 6), para compararlos con los costos de beneficio por servicios, que se calculan igual que el caso de la toma del río Bananito. Todos estos valores se aplicarán al flujo de caja para poder calcular el VAN y el TIR. Como se puede ver en este caso la relación del beneficio con respecto al costo es de 3.82, y se obtiene un TIR de 28.82%, lo cual indica que es un proyecto de gran rentabilidad para el AyA. Sin embargo, se debe comparar con la opción del río Banano en Asunción. 159 Tabla 34. Presupuesto de las obras necesarias para la rehabilitación en La Bomba Fuente: Los Autores. 160 INSTITUTO COSTARRICENSE DE ACUEDUCTOS Y ALCANTARILLADOS REHABILITACIÓN DE LA BOMBA SE5 ES CALA DE PRECI OS Y CANTI DADES SUMINISTRO DE MATERIALES CONSTRUCCION SUMA DE COSTOS RUBRO DESCRIPCIÓN UNIDADCANTIDAD COSTO LOCAL ¢ COSTO EXTRANJERO $ COSTO LOCAL ¢ LOCAL EXTRANJERO UNITARIO TOTAL UNITARIO TOTAL UNITARIO TOTAL ¢ DIVISAS (1) (2) (3) (4) (5) (6=4*5) (7) (8=4*7) (9) (10=4*9) (11=6+10) (12=8) 100.000 Obras de toma 101.000 Captación 102.000 Presa 105.000 Excavación m3 1.800 - 3.701 6.661.440 6.661.440 - 106.000 Excavación en roca m3 18 - 9.252 166.536 166.536 - 110.000 Concreto estructural m3 3.392 138.000 468.096.000 - 67.000 227.264.000 695.360.000 - 116.000 Compuertas mecánicas un 5 10.000 50.000 - 5.000 25.000 75.000 - 117.000 Tapas metálicas un 8 36.494 291.952 - 14.598 116.781 408.733 - 118.000 Peldaños Global 1 375.000 - 15.000 150.000 525.000 - 120.000 Tubería, válvulas y accesorios de salida, limpieza, rebose y ventilación Global 1 795.158 - 273.962 1.069.120 - 121.000 Pintura Global 1 2.100.000 - 650.000 2.750.000 - 122.000 Desvío y restauración del cauce del río Global 1 - 1.784.608 1.784.608 - 125.000 Vertederos metálicos un 3 30.000 90.000 - 15.000 45.000 135.000 - 126.000 Escaleras metálicas un 2 7.000 14.000 - 3.600 7.200 21.200 - 128.000 Barandas metálicas ml 45 5.000 225.000 - 2.500 112.500 337.500 - 203.000 Movilización de maquinaria y equipo hasta el lugar de trabajo Global 5.285.462 5.285.462 - 800.000 Estación de bombeo Rehabilitación de Estación de bombeo Global 1 4.500.000 1.275.000 5.775.000 - Bomba y Motor, 125 l/s NPSH = 4m un 4 25.000 100.000 5.000.000 20.000.000 20.000.000 100.000 Reparación de Cachera Global 1 10.000 10.000 2.635.897 2.635.897 2.635.897 10.000 Transformador (PAD - MOUNTER) Global 1 30.000 30.000 7.907.692 7.907.692 7.907.692 30.000 Tablero Global 1 30.000 30.000 7.907.692 7.907.692 7.907.692 30.000 Interruptor principal Global 1 5.000 5.000 1.317.949 1.317.949 1.317.949 5.000 Cableado Global 1 20.000 20.000 5.271.795 5.271.795 5.271.795 20.000 Fuente: Los Autores 161 INSTITUTO COSTARRICENSE DE ACUEDUCTOS Y ALCANTARILLADOS REHABILITACIÓN DE LA BOMBA SE5 ES CALA DE PRECI OS Y CANTI DADES SUMINISTRO DE MATERIALES CONSTRUCCION SUMA DE COSTOS RUBRO DESCRIPCIÓN UNIDADCANTIDAD COSTO LOCAL ¢ COSTO EXTRANJERO$ COSTO LOCAL ¢ LOCAL EXTRANJERO UNITARIO TOTAL UNITARIO TOTAL UNITARIO TOTAL ¢ DIVISAS (1) (2) (3) (4) (5) (6=4*5) (7) (8=4*7) (9) (10=4*9) (11=6+10) (12=8) 1000.000 Obras Complementarias 1002.000 Acera 1002.001 De concreto (malla eléctrosoldada # 2) m2 75 14.752 1.106.385 - 6.836 512.715 1.619.100 - 1006.000 Alumbrado exterior Global 1 407.088 - 224.104 631.192 - 1007.000 Cerca de almabre de púas ml 75 2.262 169.620 - 1.079 80.955 250.575 - 1008.000 Cerca de malla ciclón ml 75 15.420 1.156.500 - 8.738 655.350 1.811.850 - 1010.000 Portón de malla ciclón Global 1 141.864 - 94.062 235.926 - 1010.001 Portón a eliminar Global 1 - 75.000 75.000 - 1017.000 Estructura de descarga un 1 146.490 146.490 - 86.249 86.249 232.739 - 1132.000 Mejoras en puentes Global - 750.000 750.000 - 1133.000 Mejoras en estructuras de concreto Global - 4.150.000 4.150.000 - SUB - TOTALES ¢ 775.152.007 $195.000.00 ¢ 101.400.000 COSTOS MAT. Y CONST (MC) ¢ 876.552.007 ADMINISTRACIÓN E IMPREVISTOS (10%MC) ¢ 87.655.201 UTILIDAD DEL CONTRATISTA (15% MC) ¢ 131.482.801 COSTO DIRECTO (CD) : ¢ 1.095.690.008 INSPECCIÓN (5.4 % CD) ¢ 59.167.260 INGENIERÍA (2.0 % CD) ¢ 21.913.800 ADMINISTRACIÓN (4.0 % CD) ¢ 43.827.600 SE TOMA 1 $ = 520 ESCALAMIENTO ( 10.0 % CD) ¢ 109.569.001 IMPREVISTOS (5.0 % CD) ¢ 54.784.500 SUB - TOTAL AYA : ¢ 289.262.162 TOTAL ACUEDUCTOS Y ALCANTARILLADOS ¢ 1.384.952.170 Tabla 35. Evaluación económica, rehabilitación de La Bomba (SE5) 1 2 3 4 5 6 7 8 Item Costo Seguros Costo Beneficio Benef - Costo Construcc. Construcción Op. Y Mant p/servicio 0 $2.663.370,00 $2.663.370 -$2.663.370 1 0 $54.925 $14.117 $10.456 $79.499 $557.996 $478.497 2 0 $60.417 $15.529 $11.247 $87.193 $619.810 $532.617 3 0 $66.459 $17.082 $12.097 $95.638 $688.473 $592.835 4 0 $67.500 $73.105 $18.790 $13.011 $172.407 $764.742 $592.335 5 0 $80.416 $20.669 $13.995 $115.080 $849.460 $734.380 6 0 $88.457 $22.736 $15.053 $126.246 $943.563 $817.317 7 0 $97.303 $25.010 $16.191 $138.504 $1.048.091 $909.587 8 0 $107.033 $27.511 $17.415 $151.959 $1.164.199 $1.012.240 9 0 $228.000 $117.736 $30.262 $18.732 $394.730 $1.293.169 $898.438 10 0 $129.510 $33.288 $20.148 $182.946 $1.436.426 $1.253.480 11 0 $142.461 $36.617 $21.671 $200.749 $1.595.553 $1.394.804 12 0 $156.707 $40.279 $23.310 $220.295 $1.772.308 $1.552.013 13 0 $172.378 $44.306 $25.072 $241.756 $1.968.645 $1.726.889 14 0 $135.000 $189.616 $48.737 $26.967 $400.320 $2.186.731 $1.786.411 15 0 $208.577 $53.611 $29.006 $291.194 $2.428.977 $2.137.783 16 0 $229.435 $58.972 $31.199 $319.605 $2.698.059 $2.378.454 17 0 $252.378 $64.869 $33.557 $350.805 $2.996.950 $2.646.146 18 0 $277.616 $71.356 $36.094 $385.066 $3.328.953 $2.943.886 19 0 $456.000 $305.378 $78.492 $38.823 $878.692 $3.697.734 $2.819.042 20 0 $335.916 $86.341 $41.758 $464.014 $4.107.369 $3.643.355 21 0 $369.507 $94.975 $44.915 $509.397 $4.562.383 $4.052.986 22 0 $406.458 $104.472 $48.310 $559.241 $5.067.804 $4.508.563 23 0 $447.104 $114.920 $51.963 $613.986 $5.629.215 $5.015.229 24 0 $270.000 $491.814 $126.411 $55.891 $944.117 $6.252.820 $5.308.703 25 0 $540.996 $139.053 $60.117 $740.165 $6.945.507 $6.205.343 26 0 $595.095 $152.958 $64.661 $812.714 $7.714.931 $6.902.216 27 0 $654.605 $168.254 $69.550 $892.408 $8.569.591 $7.677.183 28 0 $720.065 $185.079 $74.808 $979.952 $9.518.930 $8.538.978 29 0 $912.000 $792.072 $203.587 $80.463 $1.988.122 $10.573.437 $8.585.315 30 0 $871.279 $223.946 $86.546 $1.181.770 $11.744.762 $10.562.992 31 0 $958.407 $246.340 $93.089 $1.297.836 $13.045.847 $11.748.011 32 0 $1.054.247 $270.974 $100.127 $1.425.348 $14.491.066 $13.065.718 33 0 $1.159.672 $298.072 $107.696 $1.565.440 $16.096.386 $14.530.947 34 0 $540.000 $1.275.639 $327.879 $115.838 $2.259.356 $17.879.544 $15.620.188 35 0 $1.403.203 $360.667 $124.595 $1.888.465 $19.860.240 $17.971.775 36 0 $1.543.523 $396.733 $134.015 $2.074.271 $22.060.357 $19.986.086 37 0 $1.697.876 $436.407 $144.146 $2.278.429 $24.504.204 $22.225.775 38 0 $1.867.663 $480.047 $155.044 $2.502.754 $27.218.779 $24.716.025 39 0 $1.824.000 $2.054.430 $528.052 $166.765 $4.573.247 $30.234.076 $25.660.829 VAN 4.360.468,41 16.678.066,07 10.530.662,02 3,82 TIRE 28,82% Evaluación Financiera Reabilitación Bomba Mejoras a Toma Costo Elec Bombeo Interrupcion Servicio 1 Fuente: Los Autores 162 6.3 Evaluación económica de la toma en el río Banano en Asunción (SE2) Los anexos 20 y 21, muestran los planos de las obras propuestas para la construcción de la toma en el río Banano y línea de conducción, en el sector denominado Asunción. Las tablas 36 y 37 muestran el presupuesto de estas obras evaluando los dos caudales de diseño (350 y 500 l/s) y el análisis económico. Sin embargo, para efectos del análisis económico, se tomará en cuenta el diseño con caudal de 350 l/s, ya que éste mantiene la planta potabilizadora sin ninguna modificación, y es la única forma para poder comparar con los otros dos sitios antes explicados. El contenido de la tabla 36 es el presupuesto de esta alternativa. Como se puede observar, el costo inicial es de $5.813.989,95, incluyendo la conformación de los caminos de acceso y la interconexión a la tubería existente en el puente de La Bomba. El tiempo estimado para la construcción de las obras es de dos años. Por esta razón, en la tabla 36 se indica este rubro dividido en los 2 primeros ítemes. El costo por mantenimiento del sistema de conducción se estima en $75.000,00 cada 3 años y, al tomar en cuenta la inflación, para el tercer año iniciaría con un monto de $97.500,00. Además, se establecieron 5 sitios de vulnerabilidad en la tubería de conducción, que pueden ser afectados por deslizamientos o ruptura por algún evento natural; por tal razón se calcula que cada 3 años se debe cambiar un tramo de tubería de aproximadamente 300 m. La interrupción de los servicios por limpieza o mal funcionamiento de la conducción se estiman en un costo anual de $12.833,55 y, tomando en cuenta el costo de la vida al inicio del proyecto, este monto sería de $15.529,00. También en este caso se prevé que, al suspender temporalmente el servicio, se pondría a funcionar como sistema alterno la toma del río Bananito. La gran ventaja que tiene esta propuesta, con respecto a las demás, es que trabajará completamente por gravedad, por lo que no se va a incurrir en gastos de electricidad por bombeo; solamente se utilizaría el rebombeo de Santa Rosa, por lo que el costo estimado de este ítem es de $74.897,5, y al hacer la proyección al inicio del proyecto por costo de la vida, ésta sería de $90.626,00. 163 Para el caso de los seguros, se toma la misma consideración de la propuesta de la rehabilitación en La Bomba. El monto por el seguro se estima en $21.221,00, que al cabo del tercer año sería de $24.551,00, tomando en cuenta un crecimiento anual de 7,56%, según se estimó en el registro histórico de pagos. La tabla 37 expone cada uno de estos costos para la vida útil del proyecto. En este caso se puede observar que la relación del beneficio con respecto al costo es de 2.21 y el TIR de 17.72 %, calificando también como un proyecto rentable para el AyA. 164 Tabla 36 Presupuesto de las obras necesarias para la toma de río Banano en Asunción 165 INSTITUTO COSTARRICENSE DE ACUEDUCTOS Y ALCANTARILLADOS TOMA EN RIO BANANO ASUNCIÓN (SE2) (350 l/s) ES CALA DE PRECI OS Y CANTI DADES SUMINISTRO DE MATERIALES CONSTRUCCION SUMA DE COSTOS RUBRO DESCRIPCION UNIDADCANTIDAD COSTO LOCAL ¢ COSTO EXTRANJERO $ COSTO LOCAL ¢ LOCAL EXTRANJERO UNITARIO TOTAL UNITARIO TOTAL UNITARIO TOTAL ¢ DIVISAS (1) (2) (3) (4) (5) (6=4*5) (7) (8=4*7) (9) (10=4*9) (11=6+10) (12=8) 100.000 Obras de toma 101.000 Captación 102.000 Presa 104.000 Destronque, desmonte y limpieza m2 350 - 1.182 413.770 413.770 - 105.000 Excavación m3 100 - 3.701 370.080 370.080 - 106.000 Excavación en roca m3 50 - 9.252 462.600 462.600 - 110.000 Concreto estructural m3 1.686 138.000 232.668.000 - 67.000 112.962.000 345.630.000 - 116.000 Compuertas mecánicas un 5 10.000 50.000 - 5.000 25.000 75.000 - 117.000 Tapas metálicas un 8 36.494 291.952 - 14.598 116.781 408.733 - 118.000 Peldaños Global 1 - 770.890 770.890 770.890 - 119.000 Rejillas metálicas Global 1 - 410.000 410.000 410.000 - 120.000 Tubería, válvulas y accesorios de salida, - limpieza, rebose y ventilación Global 1 1.033.705 - 356.150 356.150 1.389.855 - 121.000 Pintura Global 1 2.730.000 - 845.000 845.000 3.575.000 - 122.000 Desvío y restauración del cause del río Global 1 - 2.320.000 2.320.000 - 125.000 Vertederos metálicos un 3 30.000 90.000 - 15.000 45.000 135.000 - 126.000 Escaleras metálicas un 2 7.000 14.000 - 3.600 7.200 21.200 - 128.000 Barandas metálicas ml 45 5.000 225.000 - 2.500 112.500 337.500 - - 203.000 Movilización de maquinaria y equipo hasta el - 6.871.100 6.871.100 - lugar de trabajo Global 1 - - - - - - CANAL - - 110.000 Concreto estructural m3 155 138.000 21.390.000 - 67.000 10.385.000 31.775.000 - 104.000 Destronque, desmonte y limpieza m2 350 - 1.182 413.770 413.770 - 105.000 Excavación m3 300 - 3.701 1.110.240 1.110.240 - 106.000 Excavación en roca m3 55 - 9.252 508.860 508.860 - 114.000 Material de relleno m3 100 1.000 100.000 - 700 70.000 170.000 - 116.000 Compuertas mecánicas un 2 10.000 20.000 - 5.000 10.000 30.000 - 117.000 Tapas metálicas un 2 36.494 72.988 - 14.598 29.195 102.183 - - INSTITUTO COSTARRICENSE DE ACUEDUCTOS Y ALCANTARILLADOS TOMA EN RIO BANANO ASUNCIÓN (SE2) (350 l/s) ESCALA DE PRECIOS Y CANTIDADES SUMINISTRO DE MATERIALES CONSTRUCCION SUMA DE COSTOS RUBRO DESCRIPCION UNIDAD CANTIDAD COSTO LOCAL ¢ COSTOEXTRANJERO$ COSTO LOCAL ¢ LOCAL EXTRANJERO UNITARIO TOTAL UNITARIO TOTAL UNITARIO TOTAL ¢ DIVISAS (1) (2) (3) (4) (5) (6=4*5) (7) (8=4*7) (9) (10=4*9) (11=6+10) (12=8) - - 347.000 Desarenadores Global - 331.000 Destronque, desmonte y limpieza m2 150 - 1.182 177.300 177.300 - 332.000 Excavación en roca para zanjas m3 117 - 3.700 432.900 432.900 - 333.000 Concreto estructural m3 44 138.000 6.072.000 - 67.000 2.948.000 9.020.000 - 114.000 Material de relleno m3 8 1.000 8.000 - 700 5.600 13.600 - 116.000 Compuertas mecánicas 70 X 70 un 4 10.000 40.000 - 5.000 20.000 60.000 - 117.000 Tapas metálicas un 4 36.494 145.976 - 14.598 58.390 204.366 - 300.000 Conducciones 301.000 Tubería de hierro dúctil 301.043 K-9, 450 mm DN ml 13.685 98 1.341.130 6.500 88.952.500 88.952.500 1.341.130 301.051 K-9, 500 mm DN ml 6.043 114 688.902 7.300 44.113.900 44.113.900 688.902 310.000 Válvulas de compuerta de hierro dúctil (HD) o hierro fundido (HF) 310.067 Clase 150, 450 mm DN un 14 3.135 43.890 216.942 3.037.188 3.037.188 43.890 310.072 Clase 150, 500 mm DN un 6 4.015 24.090 277.838 1.667.028 1.667.028 24.090 322.000 Válvulas de aire 322.021 Clase 125, 38 mm DN un 7 180 1.260 37.000 259.000 259.000 1.260 322.027 Clase 150, 50 mm DN un 2 242 484 50.000 100.000 100.000 484 324.000 Estructura de limpieza 324.026 Clase 125, 200 mm DN un 9 1.262 11.357 470 4.226 15.583 - 329.000 Cajas para válvulas un 38 57.000 2.166.000 21.000 798.000 2.964.000 - 330.000 Interconexiones un 1 650.000 320.000 970.000 - 331.000 Destronque, desmonte y limpieza m2 5.000 1.087 5.435.000 5.435.000 - 332.000 Excavación en roca para zanjas m3 10.000 3.700 37.000.000 37.000.000 - 334.000 Concreto para bloques de anclaje m3 55 44.204 2.431.220 - 29.812 1.639.660 4.070.880 - 344.000 Cruces de ríos y quebradas 344.021 para cruce de río apoyado a estructura existente 344.041 para cruce aéreo río Tercero Global 1 11.330.000 11.330.000 - 4.532.000 4.532.000 15.862.000 - 344.042 para cruce aéreo río Segundo Global 1 14.162.000 14.162.000 - 5.664.800 5.664.800 19.826.800 - 344.043 para cruce aéreo río Banano Global 1 45.400.000 45.400.000 - 18.160.000 18.160.000 63.560.000 - 344.044 para cruce aéreo quebrada San Antonio Global 1 15.578.000 15.578.000 - 6.231.200 6.231.200 21.809.200 - 344.045 para cruce aéreo río Aguas Zarcas Global 1 32.420.000 32.420.000 - 12.968.000 12.968.000 45.388.000 - 166 INSTITUTO COSTARRICENSE DE ACUEDUCTOS Y ALCANTARILLADOS TOMA EN RIO BANANO ASUNCIÓN (SE2) (350 l/s) ESCALADEPRECIOS YCANTIDADES SUMINISTRO DE MATERIALES CONSTRUCCION SUMA DE COSTOS RUBRO DESCRIPCION UNIDAD CANTIDAD COSTO LOCAL ¢ COSTO EXTRANJERO$ COSTO LOCAL ¢ LOCAL EXTRANJERO UNITARIO TOTAL UNITARIO TOTAL UNITARIO TOTAL ¢ DIVISAS (1) (2) (3) (4) (5) (6=4*5) (7) (8=4*7) (9) (10=4*9) (11=6+10) (12=8) 944.000 Edificios Global 944.013 Caseta de control Global 1 2,550,000 1,300,000 3,850,000 - 1000.000 Obras Complementarias 1005.000 Líneas de alimentación y tendido eléctrico 1006.000 Alumbrado exterior Global 1 407,800 - 224,100 631,900 - 1024.000 Reemplazo de pavimentos 1024.021 para pavimentos de lastre m2 6,000 1,000 6,000,000 - 2,000 12,000,000 18,000,000 - 1100.000 Caminos 1101.000 Destronque, desmonte y limpieza m2 7,000 - 1,800 12,600,000 12,600,000 - 1102.000 Excavación no clasificada m3 500 - 2,570 1,285,000 1,285,000 - 1104.000 Excavación en roca m3 50 - 9,700 485,000 485,000 - 1109.000 Superficies de rodamiento de lastre, lastre - estabilizado, asfalto bituminoso o concreto - 1109.001 para superficie de lastre m2 5,000 1,100 5,500,000 - 2,300 11,500,000 17,000,000 - 1110.000 Cunetas 1131.000 Mejoras en caminos Global 1 3,000,000 - 1,000,000 1,000,000 4,000,000 - 1132.000 Mejoras en puentes Global 1 1,000,000 - 500,000 500,000 1,500,000 - SUB - TOTALES ¢ 821,591,926 $2,099,756.00 ¢ 1,091,873,120 COSTOS MAT. Y CONST (MC) ¢ 1,913,465,046 ADMINISTRACIÓN E IMPREVISTOS (10%MC) ¢ 191,346,505 UTILIDAD DEL CONTRATISTA (15% MC) ¢ 287,019,757 COSTO DIRECTO (CD) : ¢ 2,391,831,308 INSPECCIÓN (5.4 % CD) ¢ 129,158,891 INGENIERÍA (2.0 % CD) ¢ 47,836,626 ADMINISTRACIÓN (4.0 % CD) ¢ 95,673,252 SE TOMA 1 $ = 520 ESCALAMIENTO ( 10.0 % CD) ¢ 239,183,131 IMPREVISTOS (5.0 % CD) ¢ 119,591,565 SUB - TOTAL AYA : ¢ 631,443,465 TOTAL ACUEDUCTOS Y ALCANTARILLADOS ¢ 3,023,274,773 Fuente: Los Autores. 167 Tabla 37. Evaluación económica de la toma del río Banano en Asunción (SE2) 1 2 3 4 5 6 7 8 Item Costo Costo Elec Seguros Costo Beneficio Benef - Costo Construcc. Bombeo Construcción Op. Y Mant p/servicio -1 $2.325.595,98 $2.325.596 -$2.325.596 0 $3.488.393,97 $3.488.394 -$3.488.394 1 0 $97.500 $15.529 $90.626 $24.551 $228.206 $619.810 $391.604 2 0 $17.082 $99.689 $26.407 $143.178 $688.473 $545.295 3 0 $117.000 $18.790 $109.657 $28.403 $273.851 $764.742 $490.891 4 0 $20.669 $120.623 $30.551 $171.843 $849.460 $677.617 5 0 $140.400 $22.736 $132.685 $32.860 $328.682 $943.563 $614.881 6 0 $25.010 $145.954 $35.344 $206.308 $1.048.091 $841.783 7 0 $168.480 $27.511 $160.549 $38.017 $394.557 $1.164.199 $769.642 8 0 $30.262 $176.604 $40.891 $247.757 $1.293.169 $1.045.412 9 0 $202.176 $33.288 $194.265 $43.982 $473.711 $1.436.426 $962.715 10 0 $36.617 $213.691 $47.307 $297.615 $1.595.553 $1.297.938 11 0 $242.611 $40.279 $235.060 $50.883 $568.834 $1.772.308 $1.203.475 12 0 $44.306 $258.566 $54.730 $357.603 $1.968.645 $1.611.042 13 0 $291.133 $48.737 $284.423 $58.868 $683.161 $2.186.731 $1.503.570 14 0 $53.611 $312.865 $63.318 $429.794 $2.428.977 $1.999.183 15 0 $349.360 $58.972 $344.152 $68.105 $820.589 $2.698.059 $1.877.470 16 0 $64.869 $378.567 $73.254 $516.690 $2.996.950 $2.480.261 17 0 $419.232 $71.356 $416.424 $78.792 $985.804 $3.328.953 $2.343.149 18 0 $78.492 $458.066 $84.748 $621.306 $3.697.734 $3.076.428 19 0 $503.079 $86.341 $503.873 $91.155 $1.184.448 $4.107.369 $2.922.921 20 0 $94.975 $554.260 $98.047 $747.282 $4.562.383 $3.815.102 21 0 $603.694 $104.472 $609.686 $105.459 $1.423.312 $5.067.804 $3.644.492 22 0 $114.920 $670.655 $113.432 $899.006 $5.629.215 $4.730.209 23 0 $724.433 $126.411 $737.720 $122.007 $1.710.572 $6.252.820 $4.542.248 24 0 $139.053 $811.492 $131.231 $1.081.776 $6.945.507 $5.863.732 25 0 $869.320 $152.958 $892.642 $141.152 $2.056.071 $7.714.931 $5.658.860 26 0 $168.254 $981.906 $151.823 $1.301.982 $8.569.591 $7.267.608 27 0 $1.043.184 $185.079 $1.080.096 $163.301 $2.471.660 $9.518.930 $7.047.270 28 0 $203.587 $1.188.106 $175.646 $1.567.339 $10.573.437 $9.006.098 29 0 $1.251.821 $223.946 $1.306.917 $188.925 $2.971.608 $11.744.762 $8.773.154 30 0 $246.340 $1.437.608 $203.208 $1.887.156 $13.045.847 $11.158.691 31 0 $1.502.185 $270.974 $1.581.369 $218.570 $3.573.098 $14.491.066 $10.917.968 32 0 $298.072 $1.739.506 $235.094 $2.272.672 $16.096.386 $13.823.714 33 0 $1.802.622 $327.879 $1.913.457 $252.867 $4.296.824 $17.879.544 $13.582.720 34 0 $360.667 $2.104.802 $271.984 $2.737.453 $19.860.240 $17.122.787 35 0 $2.163.146 $396.733 $2.315.282 $292.546 $5.167.708 $22.060.357 $16.892.649 36 0 $436.407 $2.546.811 $314.663 $3.297.880 $24.504.204 $21.206.324 37 0 $2.595.775 $480.047 $2.801.492 $338.451 $6.215.765 $27.218.779 $21.003.014 38 0 $528.052 $3.081.641 $364.038 $3.973.731 $30.234.076 $26.260.344 VAN 8.212.145,78 18.121.438,45 6.234.154,00 2,21 TIRE 17,72% Mejoras a Toma Interrupcion Servicio 1 Evaluación Económica Reabilitación Toma Banano Asunción Fuente: Los Autores. 168 6.4 Comparación de los resultados de las evaluaciones económicas La tabla 38 resume los resultados de los dos proyectos estudiados comparados con la captación actual en el río Bananito. De aquí se puede concluir que, si se siguiera con la toma actual en el río Bananito, esta generaría perdidas a largo plazo para la institución. Sin embargo, las otras dos opciones presentadas indican que si se hace una inversión inicial, se reduciría considerablemente estos montos que se pagan año a año por motivo de mantenimientos y a largo plazo la institución tendría ganancias que podrían ser utilizadas en mejoras a este sistema u otras necesidades que tenga la Región por falta de presupuesto. Evidentemente la mejor opción según este estudio es la rehabilitación en La Bomba ya que tiene una rentabilidad mucho mayor a la de la toma del río Banano en Asunción. Tabla 38. Resumen de evaluaciones económicas Beneficio/Costo VAN TIR Toma en el río Bananito 2,27 8.579.040,97 - Rehabilitación de La Bomba 3,82 10.530.662,02 28,82 % Toma en el río Banano (Asunción) 2.21 6.234.154,00 17,72 % Fuente: Los Autores. 169 CAPÍTULO VII CONCLUSIONES 7.1 Conclusión general 7.1.1 Con base en los análisis realizados en el presente estudio, se concluye que la opción más apropiada del punto de vista técnico y económico, para abastecer de agua potable a la ciudad de Limón, consiste en captar parte del caudal del río Banano en el sitio conocido como Bomba, mediante un conjunto de obras civiles, constituido por una presa transversal al río y un sistema de bombeo que impulsa las aguas hasta la planta de tratamiento La Bomba, actualmente en operación. 7.2 Conclusiones respecto a la calidad de las aguas de los ríos Banano y Bananito 7.2.1 De los 5 puntos de control analizados en lo que respecta a calidad del agua en la cuenca del río Bananito, se obtuvieron valores altos de coliformes fecales y de turbiedad. Esto demuestra que el agua utilizada actualmente presenta condiciones que requieren más control para realizar su debido tratamiento con el consecuente aumento en los costos. 7.2.2 La calidad de las aguas del río Banano es superior a la del río Bananito, por lo tanto son más aptas para el consumo humano. Esta conclusión está fundamentada en las pruebas de calidad del agua, cuyos resultados se muestran en las tablas 7 y 11 de este documento. Llama la atención los valores altísimos de coliformes y sulfatos de las aguas del río Bananito en comparación con las del Banano. La coloración más oscura de las aguas del río Bananito, indica un mayor contenido de sedimentos en suspensión. Esto influye directamente en la cantidad de sulfato de aluminio a utilizar en la planta potabilizadora para conformar los flóculos, aumentando el costo del tratamiento. En términos generales, la calificación de la calidad de las aguas del 170 río Banano es de buena a excelente, mientras que las del río Bananito es de regular a buena. 7.3 Conclusiones referentes a la toma del río Bananito 7.3.1 Es conclusión de este trabajo, que la toma del río Bananito tiene alta vulnerabilidad y por lo tanto no es una estructura confiable para garantizar el suministro continuo e ininterrumpido de agua potable a la ciudad de Limón. Los argumentos que sustentan esta conclusión son los siguientes. 171 La toma está ubicada en un tramo del río donde se forman meandros. Basados en los estudios de mecánica de ríos, la pendiente en el tramo del río Bananito donde se ubica la toma de aguas es de So= 0,26%, siendo una pendiente muy baja con propensión a la formación de meandros. Lo anterior queda respaldado también al aplicar la ecuación s * Q 0.44 = 0.0116 pág. 26 de este documento, donde se obtiene un valor de 0,00728< 0,0116 y por lo tanto se confirma estar en una zona meandriforme. En esta situación, el cauce del río es muy cambiante en su geometría en planta, y en grandes avenidas, el mismo pude cortar los meandros y formar un cauce nuevo lejos de la estructura de toma, condición que sacaría de operación el acueducto. Adicionalmente, lo anterior es confirmado por el seguimiento fotográfico aéreo durante varios años. La toma está ubicada en la margen izquierda y en la parte interna de la curva de un meandro. Es conocido por la mecánica de ríos la tendencia que tienen las corrientes fluviales a depositar sedimentos en el interior de las curvas y a erosionar en la parte externa de las mismas. Esto explica el ingreso de la gran cantidad de sedimentos por la toma, y las frecuentes salidas de operación de la estructura por efecto de colmatación. También permite comprender el obstinado comportamiento del río en tratar de fijar su cauce por la margen derecha, alejándose de la estructura de toma. Este comportamiento del río causa serios problemas de operación, requiriendo tener maquinaria pesada en el sitio para estar conformando el cauce y la presa de materiales sueltos necesaria para dar carga hidráulica a la toma. 7.4 Conclusiones referentes a la toma del río Banano en el sitio de Asunción 7.4.1 El sitio de Asunción al que hemos denominado “SE2” es un excelente sitio de captación. Este sitio presenta características que lo hacen ser muy favorable para la construcción de una estructura de toma, ya que presenta una diferencia de elevación importante entre el sitio y la planta potabilizadora La Bomba, permitiendo conducir el agua 172 por gravedad, y por lo tanto, evitando el bombeo, con la consiguiente reducción en los costos de operación. Este sitio está ubicado en un lugar donde la cuenca está protegida y alejada de la población, lo que garantiza una calidad de agua de excelente. Además, otro factor positivo del sitio es el material rocoso del fondo y de las márgenes, que actuarán como controles geológicos, manteniendo fijo el cauce del río. Indudablemente, lo que hace oneroso esta opción es la longitud tan extensa de la línea de conducción que incrementa la inversión inicial, pero siempre es una opción competente. Aunque su rentabilidad es inferior a la opción de captación en el sitio La Bomba, la calidad del agua es superior y el recurso hídrico está menos expuesto a contaminación por coliformes y agroquímicos. 7.5 Conclusiones referentes a la rehabilitación de La Bomba en el río Banano 7.5.1 Captar el agua en el sitio La Bomba es la mejor opción técnica. Éste sitio cuenta con dos controles geológicos bien marcados que han subsistido a lo largo del tiempo y de eventos de gran magnitud, que garantizan una sección estable del río en donde se puede colocar un sitio de toma de aguas. Se diseñó una presa que permitirá levantar el nivel de agua lo suficiente para contar con la sumergencia requerida por las bombas de succión, esto soluciona el problema actual que corresponde a un tirante de agua muy pequeño. Se diseñó una estructura de protección en la margen izquierda donde se ubican las tuberías de succión. Con esto se evita que ingresen rocas o troncos que puedan dañar el sistema de bombeo propuesto. El sistema de bombeo será reemplazado en su totalidad, ya que el actual está muy deteriorado y se han perdido gran parte de sus componentes. También se realizarán las mejoras en la infraestructura de la caseta de operación. 173 7.6 Conclusiones referentes a las evaluaciones económicas de la toma actual en el río Bananito y los proyectos propuestos de captación en el río Banano 7.6.1 La opción de toma en La Bomba denominada como SE5, refleja la rentabilidad más alta aun con las inversiones que se tengan que realizar para su rehabilitación. La evaluación económica se realizó para un período de 40 años, considerando una inflación del 10% anual así como un incremento tarifario acorde a la inflación. La toma actual en el río Bananito tiene elevados costos de operación y mantenimiento para la institución, y aunque se ha despreciado en el análisis la inversión inicial, asumiéndola como un costo hundido, el VAN es inferior a la opción de toma en La Bomba. La toma actual no produce pérdidas en el periodo de análisis de 40 años, sin embargo, las utilidades son bajas, aparte de los aspectos de vulnerabilidad que presenta la estructura. La toma en el río Banano, en Asunción SE2, tiene un VAN menos rentable que la actual toma en el río Bananito; pero como ya fue mencionado, esto se debe a que en el caso de la toma actual no se valoraron los costos de construcción ni las inversiones de remediación ya realizadas. Si estos valores se tomaran en cuenta, definitivamente la opción de Asunción sería más económica que la actual. Aun así, con base en la evaluación económica, el proyecto es rentable, con un TIR de 17,72 %, lo que supera cualquier tasa de interés por préstamos para construcción de inversiones públicas. RECOMENDACIONES  Sacar de operación la toma del río Bananito y utilizarla como sistema alterno en caso de sacar de operación la del río Banano.  Hacer muestreos de calidad del agua más frecuentemente para tener un historial del comportamiento de estos ríos.  Reforestación en las márgenes del río Banano en los sectores de la cuenca alta y media.  Realizar pruebas de jarras y curvas de turbiedad en los sitios de estudio. 174  Se recomienda realizar una inspección a las fincas bananeras con el fin de detectar el uso de agroquímicos que puedan ser vertidos al río Banano sin ningún control y que puedan afectar la toma de aguas.  Efectuar un levantamiento topográfico en el sitio propuesto de toma en Asunción, así como del trazado de la tubería de conducción.  La rehabilitación de La Bomba es la más rentable para la Institución, además se construiría en menor tiempo que la de Asunción.  No se debe descartar completamente la alternativa de la toma en Asunción ya que este presenta beneficios no cuantificables económicamente como estar ubicada en una zona de protección donde se controla el uso del suelo evitando la deforestación y el desarrollo de algún tipo de industria que pueda contaminar la cuenca.  Detallar en planos constructivos los esquemas propuestos.  Comparar las propuestas de este estudio con las que se han realizado en otras investigaciones que evalúan las aguas subterráneas para el suministro de agua por medio de pozos. 175 BIBLIOGRAFÍA Aguirre J.Pe (2001). Efecto del número de Froude densimétrico en el transporte de sedimentos. Revista Ciencia e Ingeniería Vol 22 No. 2. Basile P. (2000). Revisión de ecuaciones de transporte modificadas para sedimentos heterogéneos. XIX Congreso Latinoamericano de Hidráulica–Córdoba. Basile P. (2000). Transporte sólido en ríos con lecho de sedimentos heterogéneos. XVIII Congreso Nacional del Agua–Río Hondo, Chile. Basile P. (2003). Geomorfología e Hidráulica Fluvial. Movimiento insipiente de sedimentos. CURIHAM. Batista J. (2004). Transformar el uso de la tierra en cuencas hidrográficas para reducir el aporte de sedimentos a bahías, estuarios y desembocaduras de los ríos. Instituto de Geografía Tropical Especialista Ramal, CESISGMA S.A. Boletines Hidrológicos del ICE (1955–1987). Bouza B. (2003). Análisis de la estabilidad del cauce del río Llobregat tras la construcción de la autovía del Baix Llobregat. Universidad Politécnica de Cataluña. Chow V., Maidment D., Mays L.(1994). Hidrología aplicada. Flores A. (1990). Estudios de alternativas y proyecto propuesto para cambio de la toma en el río Banano, Acueducto para la ciudad de Limón. Instituto Costarricense de Acueductos y Alcantarillados. 176 García D.F. (2006). Hidráulica y transporte de sedimentos en ríos de montaña. Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia. Garcia J. (1995). Río Bananito cuenca alta y media: Estudio hidrológico preliminar. Universidad de Costa Rica. Gonzales O. (1997). Análisis de riesgo contra inundaciones en las cuencas de los ríos Banano y Bananito. Universidad de Costa Rica. IFAM (1987). Atlas cantonal de Costa Rica. López C. (2001). Análisis de la producción de sedimentos en la cuenca del río Bananito y la estabilidad lateral del río. Universidad de Costa Rica. Martin J. (2001). Ingeniería de ríos. Proyecto emergencia para la ciudad de Limón memoria del proyecto. (1980). Instituto Costarricense de Acueductos y Alcantarillados. Quesada A., Vargas R., Chaves G. (2000). Análisis del proyecto de nueva toma en el río Bananito para el Acueducto de Limón. Universidad de Costa Rica. Ramírez G. (1981). Estudios Básicos de la cuenca del río Banano. Instituto Costarricense de Acueductos y Alcantarillados. Silva G. (1999) Hidráulica fluvial e ingeniería de ríos. Bogotá, Colombia. Vargas, O. (1992). Cuantificación de la resistencia al flujo en ríos de montaña. Universidad de Costa Rica. 177 ANEXOS 178 VII