la anecesidad del manejo sustentable de sedimentos en mbalses

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La Necesidad del Manejo 
Sustentable de Sedimentos en 
Embalses y la Evaluación de la 
Dinámica de Sedimentos 
Posterior a la Remoción de 
Presas 
Eddy J. Langendoen 
Watershed Physical Processes Research Unit 
USDA-ARS-NSL 
Oxford, Mississippi 
eddy.langendoen@ars.usda.gov 
mailto:eddy.langendoen@ars.usda.gov
Contenido 
• Sedimentación de embalses en los E.U. 
• Remoción de presas 
– Dinámica de sedimentos 
– Modelación de la dinámica de sedimentos 
con CONCEPTS 
– Casos de estudio 
• Kalamazoo River, Michigan 
2 
Inventario Nacional de Presas en EU 
• Más de 80,000 presas 
• Mayoría < 25 ft (8 m) 
• Mayoría terminada 
entre 1950-70 
• En promedio, 1 
presa/día ha sido 
construida desde la 
“Declaración de 
Independencia” 
3 
https://nid.usace.army.mil 
https://nid.usace.army.mil/
https://nid.usace.army.mil/
Condiciones de Presas y 
Almacenamientos 
• Presas están envejeciendo y se vuelven peligrosas 
• La capacidad de almacenamiento ha disminuido 
• Mayor énfasis a aspectos ambientales 
• La licencias a hidroeléctricas no están siendo renovadas 
• Es necesario evaluar para mejorar la morfología y 
biología de cauces los escenarios de: 
– Restablecer la continuidad de sedimentos 
– Remoción de presas (en el orden de 10 a 100 presas 
son removidas anualmente) 
• ¿Conocemos realmente la dimensión del problema y 
tenemos las herramientas para atacarlo? 
4 
Departamento de Agricultura de EU 
(USDA) 
• Acta de Control de Inundaciones de 1944 y 
Acta de Prevención de Inundaciones 
de1954 
– >11,000 presas soportadas 
financieramente por el Departamento de 
Agricultura 
– $15 mil millones de dólares en 
infraestructura con beneficios de $2 mil 
millones de dólares 
• Presas 
– Presas de tierra 
– Periodo de diseño de 50 años (antes de 
1960) o de100 años (después de 1960) 
– Fin del periodo de diseño alrededor del 
año 2000 
– Rehabilitación durante el año 2000 
estimada > $550 milliones 5 
Tasas de Sedimentación en Presas de 
Regulación de Avenidas 
• Batimetrías levantadas extensamente entre 
1950 y1970 por el Laboratorio Nacional de 
Sedimentación bajo auspicio del Subcomité de 
sedimentación 
• Estos datos son la materia prima de la base de 
datos RESSED 
(http://water.usgs.gov/osw/ressed/) 
6 
Tasas de reducción de capacidad 
de almacenamiento en embalses 
7 
Capacidad del Reducción anual Reducción 
embalse tasa (%) media en 
(acre-ft) # de embalses Promedio Mediana 1967 (%) 
0 - 10 161 3.41 2.20 25.0 
10 - 100 228 3.17 1.32 21.2 
100 - 1000 251 1.02 0.61 17.2 
1000 - 10000 155 0.78 0.50 11.0 
10000 - 100000 99 0.45 0.26 9.92 
100000 - 1000000 56 0.26 0.13 3.72 
> 1000000 18 0.16 0.10 3.35 
Total 968 1.77 0.72 16.7 
1 acre-ft = 1233.5 m3 From Dendy et al. (1967) 
Tasas de reducción en la capacidad 
de almacenamiento en embalses 
8 
0
15
30
45
60
75
0-1 1-3 3-5 5-10 > 10
%
 d
e
l 
#
 d
e
 e
m
b
a
ls
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Pérdida promedio anual de la capacidad de almacenamiento (%) 
From Dendy et al. (1967) 
Tasas de reducción en la capacidad 
de almacenamiento en embalses 
• La mitad de los embalses de control de 
avenidas estarán completamente 
sedimentados por el año 2030. 
9 
Eso fue hace 40 años. 
¿Qué sucede ahora? 
10 
Tasas de reducción en la capacidad 
de almacenamiento en embalses 
• No hay estudios amplios desde la década de 
1970 
• Algunos estudios menores financiados por el 
NRCS en los primeros años de los 2000s en 
Mississippi, Texas, Oklahoma, y Wisconsin 
(Baylor University y Laboratorio Nacional de 
Sedimentación) 
• Nuevos estudios enfocados principalmente en 
producción de sedimentos y análisis químicos 
11 
Condiciones de Presas y 
Almacenamientos 
• Presas están envejeciendo y se vuelven peligrosas 
• La capacidad de almacenamiento ha disminuido 
• Mayor énfasis a aspectos ambientales 
• La licencias a hidroeléctricas no están siendo renovadas 
• Es necesario evaluar para mejorar la morfología y biología de 
cauces los escenarios de: 
– Restablecer la continuidad de sedimentos 
– Remoción de presas (en el orden de 10 a 100 presas 
son removidas anualmente) 
• ¿Conocemos realmente la dimensión del problema y 
tenemos las herramientas para atacarlo? 
12 
Trabajos dentro del Gobierno E.U. 
• Liderado por el Subcomité de Sedimentación (S.O.S. por sus siglas en inglés, 
http://acwi.gov/sos/), se aprobó lo siguiente resolución en 2014: 
 
“La sedimentación continua amenaza los beneficios esperados de muchos de los 
embalses de la nación. El S.O.S. impulsa a todas las agencias federales para desarrollar 
planes de largo plazo para la gestión de sedimentos en los embalses que poseen o 
administrarán al 2030. Estos planes deben incluir, ya sea la aplicación de prácticas 
sustentables de gestión de sedimentos o la eventual remoción de los embalses. Las 
prácticas de gestión de sedimentos son aquellas que permiten el funcionamiento 
continuo del embalse al reducir la tasa de sedimentación en él y/o con la eliminación de 
los sedimentos a través de mecanismos que son funcionales, amigables con el medio 
ambiente y económicamente viables. Los costos para la implementación de las prácticas 
de gestión de sedimentos o de los planes de remoción, son probablemente altos, y deben 
identificarse métodos para financiar estas actividades. 
Se anima a las agencias federales para iniciar el desarrollo de planes de gestión 
sustentable de sedimentos en embalses; en este momento en un plan piloto para uno o 
dos embalses por año. A partir de esta experiencia, se elaborarán directrices técnicas 
interinstitucionales para la preparación de los planes de gestión de sedimentos” 
http://acwi.gov/sos/)
Trabajos dentro del Gobierno E.U. 
• Liderado por el Subcomité de Sedimentación (S.O.S. por sus siglas en inglés, 
http://acwi.gov/sos/), se aprobó lo siguiente resolución en 2014: 
 
“La sedimentación continua amenaza los beneficios esperados de muchos de los 
embalses de la nación. El S.O.S. impulsa a todas las agencias federales para 
desarrollar planes de largo plazo para la gestión de sedimentos en los embalses 
que poseen o administrarán al 2030. Estos planes deben incluir, ya sea la 
aplicación de prácticas sustentables de gestión de sedimentos o la eventual 
remoción de los embalses. Las prácticas de gestión de sedimentos son aquellas que 
permiten el funcionamiento continuo del embalse al reducir la tasa de sedimentación en 
él y/o con la eliminación de los sedimentos a través de mecanismos que son funcionales, 
amigables con el medio ambiente y económicamente viables. Los costos para la 
implementación de las prácticas de gestión de sedimentos o de los planes de remoción, 
son probablemente altos, y deben identificarse métodos para financiar estas actividades. 
Se anima a las agencias federales para iniciar el desarrollo de planes de gestión 
sustentable de sedimentos en embalses; en este momento en un plan piloto para uno o 
dos embalses por año. A partir de esta experiencia, se elaborarán directrices técnicas 
interinstitucionales para la preparación de los planes de gestión de sedimentos” 
http://acwi.gov/sos/)
Remoción de Presas 
• Superestructura sólo, deja una 
estructura en fondo de río. 
• Presa completa 
– Eliminación por pasos 
– Un paso 
• ¿Destino del material almacenado 
(sedimento)? 
15 
Dinámica de Sedimentos Posterior a la 
Remoción de la Presa 
• Aguas arriba 
– Erosión progresiva del sedimento almacenado detrás de la 
cortina 
• Aguas abajo 
– Transporte del sedimento erosionado 
• ¿Preguntas? 
– Cuánto, qué tan rápido y de dónde es removido el 
sedimento 
– Impacto aguas abajo en la morfología y biología del cauce 
16 
Ejemplo - Elwha River Restoration I 
• Segundo mas grande 
ecosistema proyecto federal de 
restauración (~$350 M) 
• El mas grande proyecto federal 
de remoción de una presa 
– Presas: Elwha (33 m) & 
Glines Canyon (64 m) 
• Mejorar las pesquerías 
•Reponer línea de costa 
17 
Ejemplo - Elwha River Restoration II 
Evacuación 
de todos los 
sedimentos 
almacenados 
18 
1990 2009 
Ejemplo - Elwha River Restoration III 
19 
Experimentos 
realizados en 
la Universidad 
de Minnesota 
Construcción del Canal Piloto 
20 
Películas - Remoción de Presa Glines 
Canyon 
21 
Películas - Erosión de Lago Mills 
22 
Dinámica de Sedimentos Aguas Arriba 
Debido a que la remoción de presas representa un 
cambio grande en el nivel local de la base, Doyle et al. 
(2002) postularon que el almacenamiento responderá 
de forma similar como causes incisos 
23 
Brewster Creek, Illinois 
24 
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y
 
Dinámica de Sedimentos Aguas Abajo 
• Controlado por el tamaño de las partículas del sedimento 
almacenado y por el caudal 
• Sedimentos finos 
– Concentración alta de sedimentos suspendidos, que son 
transportados rápidamente aguas abajo 
– Probabilidad mínima de impactos adversos 
• Sedimentos gruesos 
– Transporte y dispersión de un montículo de sedimento 
– Posibles cambios morfológicos significantes 
25 
¿Pueden los Modelos 1D Simular la Dinámica de 
Sedimentos Posterior a la Remoción de Presas? 
• Sí, pero sólo en causes de un solo brazo 
• Dinámica de sedimentos aguas arriba 
– Modelos 1D han mostrado que simulan con 
precisión la evolución de canales de incisión 
• Dinámica de sedimentos aguas abajo 
– Propagación de montículos de 
sedimento/perturbaciones del fondo, estudiados 
extensamente con modelos analíticos 1D de 
evolución de fondo parabólicos/hiperbólicos 
26 
CONCEPTS – CONservational Channel 
Evolution and Pollutant Transport System 
27 
• Entrada: 
– Geometría del cauce 
– Composición del fondo y 
material de las márgenes 
– Resistencia a la erosión y 
resistencia al corte del fondo 
y márgenes 
– Caudal hidráulico y de 
sedimento que entra al 
cauce 
• Salida: 
– Cambios en la geometría del 
canal 
– Series temporales de 
variables hidráulicas y flujo 
de sedimento 
CONCEPTS simula a largo plazo la respuesta de cauces a 
descargas de agua y sedimentos, y a estructuras en los ríos 
Espigón 
Evolución del fondo y 
transporte de sedimentos 
Erosión 
marginal 
Flujo 
Características Exclusivas para 
Análisis de Remoción de Presas 
Reducción en el nivel del agua 
1. Condición de frontera aguas abajo 
2. Efecto en la resistencia al corte en el 
material de las márgenes 
28 
Drenado en Márgenes 
29 
Casos de Estudio 
• ¿Puede CONCEPTS simular la dinámica de 
sedimentos posterior a la remoción de presas? 
• Kalamazoo River, Michigan 
30 
Kalamazoo 
River, 
Michigan 
31 
Área drenada: 5,250 km2 
Relieve: 210 m 
Problema: Erosión de 
material contaminado 
por PCB en las 
márgenes y planicie 
de inundación 
Presas en Kalamazoo River 
• Presa ‘Otsego City’ 
– Construida en 1840s para crear negocios 
de carga 
– Fábrica de papel construida en 1880s y 
permanece en operación 
– Reparada y reconstruida desde entonces 
– 46 m x 4 m 
• Presa ‘Plainwell’ 
– Construida por 1900 para generación 
– Generadores fuera de servicio desde 
mediados de 1960s 
– Superestructura y parte del vertedor 
removidos por 1980s 
– 52 m x 4 m 32 
Antecedentes (cont.) 
• Sedimentos contaminados con PCB 
depositados en el embalse de la presa 
– Márgenes: 5 μg/kg – 82 mg/kg 
– Planicie: 3 μg/kg – 84 mg/kg 
• MDNR interesados en remover las 
presas 
• MDEQ y EPA interesados en entender 
las condiciones actuales y problemas 
potenciales (erosión de márgenes) 
33 
Resumen de Estudios 
• LimnoTech 
– KALSIM: HEC6, Erosión de márgenes basado en Osman & Thorne 
(1988), Modelo para el destino de PCB 
• USGS 
– Topografía de secciones, velocidad del flujo, sedimentos en el cauce 
– SEDMOD (Bennett) 
– Diseño del cauce de restauración 
• NSL 
– Identificar los problemas de la erosión de márgenes: modelo estático 
(USGS) y modelo dinámico (NSL) 
– Recolectar propiedades del material en las márgenes: erosionabilidad y 
resistencia al corte 
34 
35 
Area embalsada: 
305,650 m2 
Volumen de depósito: 349,499 m3 
(56% del cauce principal) 
36 
Area embalsada: 
65,125 m2 
Volumen de deposito: 59,329 m3 
37 
BST – resistencia al corte 
Jet test – erosionabilidad 
38 
Escenarios Modelados 
• Con presas (sin cambio, DI) 
• Sin presas (DO) 
• Diseño (D) 
• Serie de 38 años de caudales 
construida con registros de 
1984 a 2003 
• Periodo de simulación: 2000-
2037 
39 
Modelo del Cauce 
40 
• Trabajo de campo exhaustivo para caracterizar las propiedades del 
material en las márgenes 
– Cohesión: 1.5 – 6.8 kPa (mediana aprox. 3.9 kPa) 
– Esfuerzo cortante crítico: 1.5 – 70 Pa (valores menores registrados 
entre las presas, valores más altos registrados aguas arriba de la presa 
Plainwell) 
Escenario Sin Presas 
Presa Otsego City 
Presa Plainwell 
Simulación del Ajuste del Fondo 
41 
Escenario Sin Presas 
Incisión 
rápida 
Deposición 
Migración 
aguas arriba 
Remobilización 
y transporte 
Simulación del Ajuste del Fondo (cont.) 
42 
Estrechamiento 
Seguido por 
ensanchamiento 
Simulación del Ajuste en el Ancho Superior 
43 
Escenario Sin Presas 
G1 – Escenario Sin Presas 
G2 – Escenario Sin Presas 
Simulación del Ajuste de Secciones Transversales 
44 
G1 
G2 
Masa de sedimento erosionado en kilotoneladas 
Escenario < 10 μm < 63 μm Total 
Con presas 2.24 3.27 5.86 
Sin presas 32.5 47.8 112 
Diseño 2.74 4.15 14.4 
Sedimento producido kilotoneladas/año 
Escenario < 63 μm < 2 mm Total 
Con presas 10.4 10.5 10.5 
Sin presas 8.86 25.9 30.1 
Sin presas (año 1-3) 43.7 114 127 
Sin presas (año 4-38) 6.52 20.0 23.6 
Diseño 8.41 13.9 14.2 
Comparación de Escenarios 
45 
Conclusiones 
• Se necesita dar mayor énfasis al manejo 
sustentable de sedimentos en embalses 
• Se requiere el desarrollo de herramientas para 
estimar el efecto aguas abajo por el manejo de 
sedimentos y la remoción de embalses 
• CONCEPTS contempla características para 
analizar dinámica de sedimentos posterior a la 
remoción de presas 
• CONCEPTS es capaz de simular ajustes 
geomórficos aguas arriba y aguas abajo 
46