Manual Eco Hidrologico de Pequeñas Centrales Hidroelectricas

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Juan Manuel Diez Hernndez, Sergio Olmeda Sanz

DISEO ECO-HIDROLGICO DE PEQUEAS CENTRALES HIDROELCTRICAS: EVALUACIN DE

CAUDALES ECOLGICOS

Energtica, nm. 39, julio, 2008, pp. 65-76,

Universidad Nacional de Colombia

Colombia

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Energtica,

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RevistaEnergticaNmero39,Juliode2008ISSN01209833 energticaSEDEMEDELLN

DISEOECOHIDROLGICODEPEQUEASCENTRALESHIDROELCTRICAS:EVALUACINDECAUDALESECOLGICOS

ResumenLaenergaminihidrulicahacontribuidosustancialmentealprogresodelosestndaresdevidaenelmbitomundialconuna tecnologadeimpactoambientalrelativamentebajo.LasPequeasCentralesHidroelctricas(PCH)sonlaposibilidadhidroenergticaconvenienteparaColombia,por lo que previsiblemente jugarn un papel capital en el aprovechamiento de su potencialhidrogeneradorsobresalienteduranteestadcada.LanormatividadrelativaallicenciamientodePCHsimponecriteriosdediseohidrolgicoqueconsideran los requerimientos ecolgicosdecaudalenlostramosfluvialesafectadospordetraccionesdecaudal.ElCaudalEcolgico(CE)debeserconsideradocomounarestriccinecosistmicaalaprovechamientohidroelctrico,quepuede ser evaluada satisfactoriamente mediante mtodos confiables. Este trabajo presenta latipologabsicadeprocedimientosestimadoresdeCE,ydescribelametodologareputadaIFIM("InstreamFlowIncrementalMethodology")conuncasorealderelicenciamiento.Sedemuestralaposibilidaddecompatibilizarlaexplotacinhidroelctricaconelmantenimientodeunestadoecolgicoaceptable,respetandounosCEsquepuedenserestipuladosenColombiaconelmarcoanalticoIFIM.Losnuevoscriteriosecohidrolgicosevaluadoresdecaudalesdeservidumbre(ecolgicos)enPCHsposibilitanaprovechamientosrentableseconmicamenteydefendiblesentrminosambientales.

PalabrasClave: CaudalEcolgico,PequeaCentralHidroelctrica,IFIM.

AbstractThesmallhydroelectricenergyhascontributedsubstantiallytotheprogressofthelifestandardsintheworldbymeansofatechnologywitharelatively lowenvironmentalimpact.TheSmallHydroelectricPlant(SHP)istheconvenienttypeofhydroenergeticfacilityforColombia,reasonwhyitpredictablywillplayacapitalroleintheexploitationofitsexcellentpotentialduringthisdecade.Theregulatoryguidelines for theSHPrelicensingenforcehydrologicaldesigncriteriathatincorporatetheecologicalrequirementsofdischargeinthefluvialreachesaffectedbyflowderivations.The Instream Flow (IF) should be considered as an ecological restriction to thehydroelectricuse,whichcanbesatisfactorilysetwithreliableapproaches.Thisworkshowsthebasic typologyof IF assessment methods,describing the reputed "InstreamFlow IncrementalMethodology"(IFIM)withacasestudyofSHPrelicensing.Italsodemonstratesthepossibilityofharmonizethehydroelectricoperationwiththemaintenanceofanacceptableecologicalcondition,preservingsomeIFthatcanbeassessedwiththeIFIManalyticframe.ThenewecohydrologicalmethodsforIFsettingfacilitateSHPthatareprofitableanddefensibleinenvironmentalterms.

Keywords: InstreamFlow,SmallHydroelectricPlant,IFIM.

JuanManuelDiezHernndez1 &SergioOlmedaSanz21.ProfesorInvestigador.GrupodeHidrulicaeHidrologa,EscuelaTcnicaSuperiorde

IngenierasAgrariasETSIIAA,UniversidaddeValladolidUVA,Espaa2.InvestigadorAsociado.GrupodeHidrulicaeHidrologa,ETSIIAAUVA,Espaa.

[email protected]

Recibidoparaevaluacin:16deMayode2008Aceptacin:16deJuniode2008Entregadeversinfinal:14deJuliode2008

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RevistaEnergticaNmero39,Juliode2008ISSN01209833

1.DESARROLLOHIDROENERGTICOAPEQUEAESCALAYGESTINHDRICAAMBIENTAL

La energa hidroelctrica ha coadyuvadosustancialmentealamejoraprogresivadelosestndaresde calidad de vida en el mbito mundial, yprevisiblementeseguirjugandounpapeldecisivoenlageneracinelctricadebajoimpactomedioambientalysocial.Elconsumoelctricomundialdurantelaltimadcada se ha incrementado un promedio del 3%,incluyendounaaportacindelasfuenteshidroelctricasentornoal18%deltotalgenerado(UPME,2007a).

ElltimoBoletnEstadsticodeMinasyEnerga20022007(UPME,2007a)presentaunatendenciacrecienteyequiparableenelconsumoelctricocolombianodesdeel ao 2000. Las fuentes hidrulicas representanactualmente el 67% del total de capacidad elctricainstalada, y han experimentado un crecimientointeranualpromediodel4%enelperodoanalizado.ElsobresalientepotencialhidroenergticodeColombiaevaluadoen25.000MW(INEA,1997),casitriplicalapotenciainstaladaactualde9000MWpresentadaen el Plan Energtico Nacional 200625 (UPME,2007b).Teniendoencuentalacontribucinmayoritariadelasgrandescentraleshidroelctricas(95%)frentealaspequeas(5%),sededucequeelpotencialnacionaldehidrogeneracinesexplotadoactualmentetansloun34%enproyectos grandes yun2%encentralespequeas.

Bajo esta premisa, la planificacin hidroelctricanacional proyectada hasta 2025 (UPME, 2007b)destinamuypocodesarrolloalascentralesdetamaomedianoagrande(sloseregistrantresproyectosdeejecucinconfirmadaconcapacidadtotal1860MW).Losescenariosycriteriosanalticosqueargumentanesta decisin han sido investigados por Smith et al.(2006), destacando inconveniencias crticas de estatecnologa en el contexto actual vinculadas a su:vulnerabilidad,competitividadlimitada,yexigenciaderecursos elevada. Sin embargo, las estrategiasenergticas oficiales promueven el desarrolloimportante de Pequeas Centrales Hidroelctricas(PCH),siguiendoelenfoqueconvenientedegeneracindistribuida. Estas instalaciones con capacidad degeneracin mxima de 10 MW (OrganizacinLatinoamericana Energa OLADE) compiten conventajaenlosescenariosenergticoscontempladosenlaplanificacincolombiana(msseguras,rentablesy

econmicas),ylohacenauncosteecolgicomuchomenor.Porelloseconceptancomolanicaposibilidaddefuturoadecuadaenelpas.PruebadeellosonnuevosproyectosregistradosenlaUPME(julio2007),frutodelinterscrecientedelospromotoreshidroelctricosen ampliar la cobertura minihidrulica en variosdepartamentosconhidrografasidneas.

Eldesarrollohidroelctricoenelmbitomundialnoha considerado suficientemente los efectosmedioambientalesasociadosalaspresasyPCHs,locual ha contribuido al deterioro actual de muchossistemas fluviales. Prescindiendo de posiblesjustificacionesdelasdecisionespasadas(basadasencriterios desarrollistas con sensibilidad ambientallimitada),resultainnegablequelosnuevosproyectosde PCHs debern incorporar de modo serio lasimplicaciones ecolgicas de esta tecnologa enexpansin.Elaprovechamientohidrulicodeunsistemafluvial puede resultar plenamente compatible con elmantenimiento de una integridad aceptable de losprocesosecolgicos,locualprecisaelanlisiscompletoy equilibrado de los efectos ambientales. Esteplanteamientoconciliadordelosdiversosusosactivosypasivosdelcaudal fluvial,loscualesgeneralmenteestn contrapuestos (caudal de diseo caudalecolgico),fundamentalaGestinIntegraldelRecursoHdrico(GIRH)promovidaenelltimoForoMundialdel Agua (Mxico, 2006) como paradigma deldesarrollo global sostenible. El marco normativoColombiano incorpora acertadamente estareivindicacin de un manejo fluvial verdaderamenteambiental en varios cdigos. Eldiseo ecolgicodePCHsescontempladoglobalmenteenelprocedimientode licenciamiento ambiental (CorporacionesRegionales)queestipulaelDecreto1753(3/8/1994)para los proyectos concapacidades instaladas hasta100MW(Art.8.4).Especficamente,elrequerimientoambientalclaveenunaPCHdemantenerunCaudalEcolgico se aborda en algunas disposicionescomplementarias,comolaResolucinexplicativadelndicedeEscasez(Min.Ambiente,2004)yelProyectodeLeydelAgua(Min.Ambiente,2005Art.21).

Los contextos energticoy socioeconmico actualesdeColombiafavorecenelprevisibledesarrollorelevantedelaenergaminihidrulicaenlosprximosaos.LaPCHesunatecnologaenergticapromisoriaenestepas con notable potencial hidroelctricoinaprovechado, debido a sus ventajas en trminos

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Diseoecohidrolgicodepequeascentraleshidroelcticas Dez&Olmeda

econmicos, ambientales, y preventivos del cambioclimtico.LaoptimizacinclsicadeunaPCHanalizala inversin en trminos de los costes y beneficiosvinculados a su capacidad energtica, la cual estdeterminadaporunCaudaldeEquipamientodefinidomedianteunoscriteriosproductivos(caudalsalto)quehan sido poco restrictivos con las necesidadesecolgicasdecaudalenlaprctica.Sinembargo, laevaluacin hidroenergtica en el marco de la GIRHconsideralosefectosambientalesdeunaalteracindelrgimendecaudales,alincorporarunademandahdricamedioambientalexpresadaporsuRgimendeCaudalesEcolgicos,elcualpuedelimitarelvolumenturbinable.

UnenfoquereferencialparalaevaluacindelpotencialapequeaescalaenColombiaeseldesarrolladoporOrtizFlrez(2006),cuyaaplicacinenlacostapacficailustraunmarco lgicopara incluirlas restriccionesecolgicasdecaudaleneldiseoambientaldePCHsquepropugnaelPlanEnergticoNacional.

2.EFECTOSAMBIENTALESDELASPCHSENELECOSISTEMAFLUVIAL

LasrepercusionesambientalesdeunaPCHdependendeltipodeaprovechamientoydelgradodeexplotacin,pero los efectos bsicos de una modificacin delrgimen de caudales son comunes a los distintosesquemasoperativos.LasconsideracionessiguientesserefierenaunatpicaPCHfluyenteconderivacin(afilodeagua)demediayaltacada,lacualilustrademodoconvenientelasperturbacionesecohidrolgicasasociadas tambin a otras variantes de central (sinderivacin, o bien con regulacin). El esquemaordinario(Figura1)desvaelflujomedianteunazud,elcualprovocaelremansoadecuadoparaefectuarlatoma protegida mediante una rejilla. El sistemaalternativo de toma sumergida minimiza el impactosobrelamovilidaddelosorganismosacuticos,perono evita el cambio del rgimen hidrolgico.Dependiendodelatopografa,puedesernecesarialaconstruccindeuncanaldederivacinquetransporteel agua hasta la cota precisa para la generacindiseada. El tanque de presin y un desarenadorconducenelcaudalaunatuberaapresinquefinalizaen la casa de mquinas, donde se ubican losgeneradores.Elaguaturbinadaserestituyealrodeformaordenadaatravsdelcanaldedescarga.

AzudConduccin

CmaradeCarga

Tuberaapresin Central

CanalDescarga

TramoCortocircuitado

Cauce

Figura1.Esquemadeunaprovechamientohidroelctricofluyenteconderivacin.Eldiseohidrolgicoambientalaseguraeneltramofluvial

cortocircuitadounCaudalEcolgico,preservadordeunacondicinaceptabledelecosistemaacutico.

El diseo hidroecolgico de PCH estudia uncomponente crucial, que es el tramo fluvialcortocircuitadoentre el lugarde tomay el puntoderestitucin, cuyascondiciones hidrulicasdurante laoperacindelacentral(velocidad,reahidrulica,ycapacidaddetransporte)debenofrecerunacalidaddehbitatsuficienteparaelfuncionamientoaceptabledelecosistema acutico. Este fragmento fluvial con"bypass"recibedirectamentelosimpactosvinculadosaladetraccindeflujosobrelabiocenosisacutica,loscualesmenoscabansucapacidadbiognicaglobalyalteransucomposicin,estructurayfuncionamiento.Parasudescripcin,estosefectosecolgicosseagrupanenlaFigura2comoasociadosalas reduccionesde:volumen, velocidad,profundidad, y anchura (Biggs,1982).

La reduccin del volumen circulante restringe lacapacidaddedisoluciny asimilacindenutrientes,materiaorgnica,ysustanciastxicas.Elconsiguienteenriquecimiento de nutrientes (N y P) estimula laproliferacin inicial de perifiton, pero a largo plazoreduceladiversidaddeespecies.Enconsecuencia,losmacroinvertebrados dispondrn de una fuentealimenticiamenosheterognea,yporlotantodemenorcalidad (Quinn y Hickey, 1990). El incremento demateriaorgnicaintensifica laactividadmicrobiana,lacualcercenaelsuministrodeOxgenoDisuelto(OD)paralosinvertebradosypeces,afectandoasusnivelesdediversidadybiomasa(Hynes,1970).Cuandoexisteabundantebiomasavegetalenlacorriente,seacentanlas variaciones diurnas en la concentracin de OD,

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debidoalamayoractividadfotosintticadelasplantasacuticasdeda.ConocidoelpapelcrticodelODenlasaluddelecosistema,yquesusnivelesptimosestnprximosalasaturacin(810g/m3),elascensodelatasarespiracinfotosntesisporunidaddevolumendecorriente puede reducir el nmero de especies

EfectosEcolgicos

ReduccinODIncrementopH

EnriquecimientoOrgnico

CambioIdoneidaddeHbitat

LentificacindelMovimiento

CambioIdoneidaddeHbitat

IncrementoLuzyTemperatura

ReduccinHbitatFsico

InvasinVegetacinRibera

EnriquecimientoNutrientes

ReduccinCaudal

AnchuraVolumen Velocidad Profundidad

Figura2.Efectosdelareduccindecaudalenlascondicionesdelhbitatfluvialdisponibleparalascomunidadesbiolgicas.(ModificadoBiggs,1982)

Lasrespuestasbiolgicascausadasporlalentificacindelflujoconsistenenperturbacionesdelosmecanismosdealimentacin,movilidad,alimentacinyfisiolgicos(WardyStandford,1995).Laaccincombinadadelauniformizacin de los campos de velocidad, lareduccindelaturbidezylamejoradelaestabilidaddel lecho, puede favorecer el desarrollo de plantasacuticas,invertebradosypeces.Sinembargo,lafaltade variabilidad temporal de caudal en el tramocortocircuitado disminuye la diversidad del hbitatfsico, de modo que la nueva idoneidad empeoradapuedeimpedirlapresenciadealgnorganismo.

Elflujoremanentemssomerodurantelosciclosdeturbinado dificulta la franqueabilidad del fragmentofluvial fragmentado.Al ser lamigracinunprocesoesencialycrticoenelciclovitaldemuchospeces,lacirculacin de un flujo de servidumbreinsuficientemente profundo puede poner en peligroalgunas estrategias vitales. La combinacin de esteefecto con el obstculo real que supone el azul,resultaradramticaenPCHsinmedidascorrectorasadecuadas.Adicionalmente,loscamposdevelocidadralentizadosentorpecenlaalimentacinyrefugiodela

invertebradas,afavordeotrasmstolerantesconmenorvalor ecolgico (Biggs, 1981). Finalmente, cabedestacarelefectoconjuntodelasalteracionesanterioresdelODen laconcentracindenitrgenoamoniacal,quepuedeprovocarcondicionesdeamonioinfractorasdelasdirectricesambientales.

avifauna, alteran la deriva de los invertebrados, ydificultan el desove de la ictiofauna. La extraccinincrementalatemperaturadelaguaylaentradadeluz,cuyasrepercusionesenelecosistemassonsustanciales(Allan, 1995). Por ltimo, el estrechamiento de lacorrienterebajalasuperficiedehbitatutilizableporlosorganismos.Lainvasindelcauceporlavegetacinribereaestimuladistintosefectosbiolgicospositivosynegativos,enocasionesrelativamente equilibrados(Biggs,1981).

Ensntesis,las respuestasbiolgicasaladetraccindecaudaleneltramocortocircuitadodeunaPCHsonsimilaresalasmotivadasporloscambioshidrolgicosnaturales, pero de mayor intensidad, duracin yfrecuencia.Silasmodificacionesfuesenmuymarcadas,podran alterar los procesos ecolgicos de modopermanente (alimentacin, reproduccin, refugio,competencia,etc.):paraevitarlo,eldiseohidrolgicodePCHdebecimentarseenunCaudalEcolgicoquemantengaelbuenestadoecolgicoglobalexigidoenlareglamentacinambiental.

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3.EVALUACINDECAUDALESECOLGICOSENPEQUEASCENTRALESHIDROELCTRICAS

LadificultadesencialdeladeterminacindeCaudalesEcolgicos (CE) estriba en identificar el grado decaptacindecaudalcompatibleconeldesarrollonormalde los procesos ecolgicos fluviales.Aunque en elmbito mundial se ha investigado mucho sobre losefectosambientalesdelaregulacindecaudalesylaestimacindereservashdricasambientales,existemuypoca informacincientfica sobre los requerimientoshidrulicos de las principales especies fluvialescolombianas. Obviamente, el anlisis de losrequerimientos ecolgicos de caudal en los ros deColombia resulta laborioso por su destacadabiodiversidad,peroes una tarea imperiosaquedebeacometerseconmetodologascientficasacreditadasyenfocadas adecuadamente para el licenciamiento dePCH en el contexto de la Evaluacin EstratgicaAmbiental. Una definicin reciente y apropiada delconceptodeCaudalEcolgicoenrosdeColombiaeslaexplicitadaenladebatidapropuestadeLeydeAgua(Min.Ambiente,2005):"loscaudalesmnimosquedebernmantener las corrientes superficiales en susdiferentestramos,afindegarantizarlaconservacinde los recursos hidrobiolgicos y los ecosistemasasociados"(Art.21).

Dos enfoques simples quehan sido considerados enColombiaparaevaluarlosCEestnincorporadosenelprocedimientodeclculodelndicedeEscasez(Min.Ambiente, 2004): 1) el primero computa el caudalmediodiariopromediode510aoscuyaduracinesigualomayordel97.5%,elcualsecompruebaasociadoaunarecurrenciade2.3aos.2)ElsegundorecomiendaunCEcomounporcentajeentornoal25%delcaudalmediomensualmultianualmenordelacorriente.Conunaconcepcinsimilar,laproposicindeLeydeAguaconcretaba como CE el valor de permanencia en lafuenteduranteel90%deltiempo(Art.21).Estetrabajodemostrar que las aproximaciones al CEecolgicamente simplistas como las anteriores sonperfeccionables,siseincorporademodoexplcitolasexigencias de hbitat de los organismos acuticosmedianteunarelacin funcionalentre el caudaly lacondicinecolgicadelro.

Los mtodos propuestos para asignar reservasambientalesdecaudalenelmundosonnumerosos:haceunadcadasecontabilizabanmsde200enunos50

pases(StatzneryCapra,1997),yelconjuntohaidoenaumento.Unadescripcindelastcnicasprincipalesse encuentra en los trabajos de Diez Hernndez(2005a2005b). Seguidamente, se resumen lasaproximaciones ms utilizadas, ordenadas segn latipologaconvencional.

3.1.MtodosHidrolgicos

Estos procedimientos deducen el CE a partir detratamientosestadsticosdiversosdelaseriedecaudalesnaturalesrepresentativa.Sehanaplicadoenelmundovariasdocenasdemtodosdiversos,desarrolladosparatramos fluviales concretos. De hecho laAsociacinEuropeadePequeaHidroelctricidad(ESHA,2008)destacaunacortaseleccindeveintemtodosrecogidosenloscdigosreguladoresdelaUninEuropea.Estodemuestra que no existe una solucin universalconfiable de este tipo. Los criterios normativoscolombianos descritos pertenecen a este tipo deaproximaciones, que expresan generalmente el CEmnimocomoladescargaasociadaaunpercentildelaCurvadeCaudalesClasificados(CCC),unporcentajedeunestadsticodetendenciacentral,obienunperododeretorno.

PorlautilidaddelaCCCenlaevaluacindelapotenciainstaladayenergageneradaenunaPCH,citaremosalgunoscasosilustrativos.EnAustriasehacalculadoelCEcomoel20%delQ300(caudalsuperado300dasal ao), como elQ347, y tambin mediante frmulasbasadasenelQ300 enfuncindelrangodecaudal.EnReinoUnidoelCEhasidocalculadopromediandolosQ307delosaoshidrolgicossecoyhmedo.UncriterioaceptadoenAlemaniaobtieneelCEcomoelcocienteentreelQ361 yelcaudalmnimomensualmximodelaohidrolgiconormal.ElcriterioEstadounidensealgoms exitoso denominado "Nothern Great PlainsResourceProgram"(NGPRP,1974)computaunCEdistintoparacadames,comoelQ328delaCCCmensualcorrespondiente,exceptoenelperodomscaudalosoque asigna el Q183. Estos enfoques precisan unosconocimientostcnicosydatosdeentradarelativamentemuysimples,locualhamotivadosuaplicacinprofusaen contextos reguladores hidroelctricos de escasacontroversia y a distintas escalas operativas. Sinembargo, la rigidez de sus frmulas y su escasavinculacinecolgicaconfierenunaresolucinbajaeincertidumbre significativa, que limitan latransferibilidad a condiciones disimilares a las quefundamentaronsusdesarrollos.

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3.2.MtodosHidrulicos

Los procedimientos agrupados en esta categoraexaminan los cambios de algunavariablehidrulicasimple con el caudal, en secciones transversalesrepresentativasdefragmentosfluvialescrticosporsurelevancia ecolgica. El licenciamiento de PCH enEuropayEEUUhaconsideradoelCEprecisoparaquelosrangoscombinadosdeprofundidadyvelocidadpuntuales en el tramo cortocircuitado respeten unasrestriccionesecolgicas predefinidasen cadambitogeogrfico:verbigracia,Alemania(p>10cmv>30cm/s),EEUU(p>12cmv>12cm/s),oAustria(p>20cmv>15cm/s).Otrocriterioampliamenteutilizadoescrutalavariacindel"PermetroMojado"conelcaudalenlosambientesrestrictivosde"rpidos",bajolapremisadeunarelacinlgicaentreladisponibilidaddehbitatfsicoyelreamojadadelbiotopo(Nelson,1980).Encualquier caso, los criterios hidrulicos no puedenevaluarelefectodelaintensidaddeladetraccin,nidelalongituddeltramofluvialafectado.Adems,susresultados se han comprobado inconsistentes enbastantescasos,eirrealesencorrientesmuyanchasomuyestrechas(Tunbridge,1988).EstaslimitacionesexplicanquelaAsociacinEuropeadePCHcritiqueestosenfoquesporsubajaconfiabilidadyaplicabilidad.

3.3.ModelosdeSimulacinEcohidrulicadelHbitatFluvial

Losinconvenientesasociadosalosmtodoselementalesanteriores (fiabilidad, transferibilidad, ycorrespondenciaecolgica)hanestimuladoeldesarrollode herramientas avanzadas para la formulacin dedirectricesevaluadorasdecaudalesambientales.Losconceptos y tcnicas de la emergente HidrulicaEcolgica (Ecohidrulica) han posibilitado laevaluacin cuantitativa y cualitativa del hbitatacuticoutilizableparaunasespeciesacuticasobjetivoo conjunto de ellas (normalmente peces y/omacroinvertebrados), bajo regmenes hidrolgicosmltiples y escenarios biolgicos configurables. Lasimulacinespacialdelmicrohbitatenunfragmentofluvial combina los campos devariables hidrulicasdeterminantesecolgicamente(velocidad,profundidad,materialdellecho,etc.)conloscriteriosdepreferenciade los organismos objetivo, para desarrollar unasrelacionesfuncionalesentreelCaudalyunndicedeHbitat,delascualesderivanlosregmenesdecaudalesecolgicos.Elsistemadeestanaturalezamsempleadoyacreditadocientficamenteenelmbitomundialpara

determinardescargasambientaleses lametodologa"IFIM" ("Instream Flow Incremental Methology"),impulsadaporelServicioEstadounidensedePescayVidaSilvestre(USFWSBoveeyMilhous,1978)comouna plataformaestndarpara la planificacin hdricasuperficialconbaseecolgica.IFIMesunmarcooperativohidrocientfico que coordina enfoques de las facetasecolgicasdelaHidrulicaeHidrologa,cuyafinalidadesevaluar las implicaciones biolgicas de cambiosincrementalesdecaudalenlacalidaddelagua,laestructuradelcauceyladisponibilidaddehbitatutilizable.

IFIM seviene utilizando con xitodesde hace unasms de dos dcadas para determinar caudalesecolgicos en el licenciamiento de centraleshidroelctricasencontextosdenormatividadavanzada.La primera legitimacin de IFIM se produce aprincipiosdelosaosnoventaporlaCorteSupremadeEEUU,cmounmtododefendibleparaconcertarlasutilidadesderecursohdrico(Stalnakeretal.,1995).Desdeentonces,IFIMhasidoaplicadaparadeterminarloscaudalesecolgicosdePCHenunnmerocrecientede pases. En Europa continuar siendo un criterioprimordialenlasconcesionesminihidrulicas,habidacuenta de las exigencias ambientales intensas de suDirectivaMarcodeAguas(OJEC,2000),queobligaalospasesmiembrosalograrun"buenestadoecolgico"en sus hidrosistemas continentales antes de 2015.Obviamente, el rgimen de CE es un componenteambientalimprescindibleparasalvaguardarelpotencialbiolgico de los tramos fluviales abastecedores dePCHs. La potencialidad de IFIM en los ros deColombiaesimportante,comolodemuestranelinterscreciente de los cientficos, y los resultadosesperanzadores de su aplicacin pionera en laderivacindelroPalac(Cauca)vinculadaalnuevoacueductodePopayn(DiezHernndezyRuizCobo,2007).PorsuconvenienciaparaellicenciamientodePCHs en Colombia, se describe ms adelante elprocedimientooperativodeuna simulacin IFIM decaudalesecolgicostpica,ilustradoconlainformacindeuncasoreal.

3.4.EnfoquesHolsticos

Para consensuarCEsenros conutilidades hdricasdiversas y contrapuestas, se han desarrolladoprocedimientosnegociadoresquevaloranlasexigenciashidrolgicas de cada uno de los componentes delhidrosistema: abiticos (calidad del agua,geomorfologa, etc.), biticos (fauna, flora),

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paisajsticos,culturales,sociales,yeconmicos.MsquemtodosparacalcularunCE,sonmarcoslgicosde bsqueda de soluciones, que consideran losdictmeneselaboradosporequiposmultidisciplinaresdeespecialistasapartirdeunainformacinconciertodetalle. Dos metodologas extendidas son laSudafricana BBM ("Building Block Methodology"Kingetal.,2000),ylaAustralianaAHA("AustralianHolisticApproachArthington et al., 1992). LoscontextosquerigenlaevaluacinambientaldePCHsson por lo general simples, conformados por elantagonismo entre la generacin energtica y laconservacinambiental,por loquepuedendecidirseconactuacionesmssencillas.

4.ANLISISIFIMDECAUDALESECOLGICOSENPCHs

El procedimiento operacional y analtico de unamodelacinIFIMgenricasepormenorizaenlostextosoficiales(BoveeyMilhous,1978Boveeetal.,1997).UnautordeesteartculohainvestigadolacapacidaddeIFIMpararosdeColombia,presentandoenrecientestrabajoslaspautasbsicasparasuaplicacinencuantoalprotocolodecaracterizacin(DiezHernndez,2006),simulacinhidrulica(DiezHernndezyBurbano,2007),criteriosbiolgicos(DiezHernndezyRuizCobo,2007),yejecucininformatizadaconelsoftwareRHABSIMdesarrollado ex profeso en Espaol (Payne y DiezHernndez,2005).

Seguidamente, se sintetizan las fases de IFIM,ilustradas con resultados extrados del estudioelaboradoporOlmedaSanzyDiezHernndez(2005)para el relicenciamientodeunaPCHdel tipode laFigura1ubicadaenelroMandeo(LaCorua,Espaa.UTM574545E4789216N).Lacentralposeeunsaltobrutode187m,yoperacon2turbinasFrancisenelintervalodecaudalesentreelmnimotcnicode7m3/syelvalornominalde17.5m3/s.Lahidrologanaturalsuministraunmduloanualmediode8.71m3/s,concaudalesmediosmensualesde1.57m3/sa18.08m3/s.Eltramofluvialcortocircuitadotieneunalongitudaproximadade6.5kmyconduceunCEautorizadoequivalente al 12% del mdulo interanual (66% delcaudalmensualmnimo).Conestarestriccinambientallaxa,lapotenciainstalada(14.4MW)posibilitaunageneracinbrutainteresante(87026MW/hen2005).Sin embargo, el nuevo planteamiento IFIM haconformadounrgimendecaudalesmsdefendibleentrminosecolgicos.Debedestacarsequelacentral tiene

unaciertacapacidadderegulacin(depsito),peroaunquenoseaestrictamentefluyente,lasconsideracionessirvenparailustrarelprocedimientoconveniente.

4.1.ProtocolodeCaracter izacinFluvial

El sistema de representacin del cauce de IFIMinventaray tipifica losdiferenteshbitatshidrulicosconrelevanciaecolgica.Unatipologageneraldiferenciaentre: rpidos, tablas, y remansos (Fig. 3a). Comoreferenciapararospequeos,lacorrienteenlosrpidosessomera(30cm/s),enlosremansoseslenta(>30cm/s)yprofunda(>60cm),yenlastablasesintermedia.Laecohidrulicadecadatipodehbitatserepresentamediantesuficientes secciones transversaleslevantadashidrotopogrficamente(14enestecaso).Cadaseccinsesubdivideenmltiplesceldasparaleleppedas,que representandemodomejoradoelmicroambientehidrulicoquepercibenlosorganismosacuticos(Fig.3b).Encadaseccinseidentificaladistribucindelmaterialdellecho,yseregistralasiguienteinformacinhidromtricamnima(DiezHernndez,2005b):1)lascotasdeaguadurante tresdescargas representativasdelrangohidrolgico,2)ladistribucinhorizontaldevelocidades puntuales durante la mayor descargamedibledemodoseguro.

a)InventariacinFluvial

b)Discretizacindel Cauce

Figura3.SistemadecaracterizacinfluvialdeIFIM.a)Inventariacindehbitatsfluviales.b)Discretizacindel

dominioenceldascomputacionalesparaleleppedas.

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4.2.ModelamientoEspacialdelMicrohbitatFluvial

Laevaluacindelhbitatseconstruyesobreloscamposhidrulicos simulados en el dominio fluvial de lasvariables seleccionadas con significacin ecolgica.Normalmente,sepredicenencadaceldalasvelocidades,lasprofundidadesyelmaterialdelecho,asociadosamltiples caudales dentro del rango de ocurrencianormal(Fig.4a).Existendiversosmtodosnumricospredictivos del microhbitat hidrulico, si biengeneralmenteseresuelvenesquemasclsicos1Dpararegmenes permanentes uniformes o variados,calibradosconlosregistrosdecampo.AssehizoenelMandeo,dondeprimerosesimularonlasprofundidadesenlasceldas,apartirdecurvasdecalibracinderivadasdel modelo de Manning. Con esas predicciones seresolvieron en cada celda regmenes uniformes,utilizandolarugosidadcomofactordecalibracin.

a)ModeloHidrulico b)ModeloBiolgico

c)ModeloEcoHidrulicadelHbitat

Idoneidad

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0.0 0.2 0.2 0.3 0.5 0.6 1.0 1.2 1.3

Velocidad(m/s)

Iv

El modelo biolgico de preferencia del entornohidrulico son las Funciones de Preferencia, queexpresan el grado de idoneidad de las variableshidrulicas que conforman el hbitat para losorganismosobjetivo,medianteuncoeficientequevaraentrecero(inadecuado)yuno(ptimo).Elorganismoobjetivodeberepresentarlaestructuradelecosistemanatural, cuya afectacin se pretende minimizar. Laespecie autctona con preferencias conocidas msrepresentativayexigentedelMandeoeslatrucha(Salmotrutta),queresideydesovaenelsector(Fig.4b).

Combinandoloscamposhidrulicossimuladosconlascurvasdepreferenciacorrespondientes,sedesarrollanlasrelacionesfuncionalesdecisivasentreelCaudal(Q)yun ndicedeHbitat (IH) evaluadorde la calidadglobaldeltramo.Ensntesis,elIHparaunacondicindecaudalagrega lacontribucinde todas lasceldasdeldominiomediantelasiguienteexpresin:IH=(Cvi

Figura4.ModelamientoIFIMdeltramocortocircuitadodelaPCHdelroMandeo(Espaa).a)Simulacinhidrulicaenunaseccintransversaldeprofundidadesyvelocidades.b)Modelobiolgicodepreferenciadevelocidaddela

trucha(Salmotrutta)segnGarcadeJaln(1999).c)Evaluacinespacialmentedistribuidadelaidoneidadcombinadadelmicrohbitatacutico(velocidad,profundidadymaterialdellecho).

73


CpiCmi)Ai.Laagregacinestndarmultiplicativade las idoneidades de cada celda (i) debidas a lavelocidad(Cvi),laprofundidad(Cpi),yelmaterialdellecho(Cvi),seponderaporelreadecadaelementocomputacional(Ai)(Fig.4c).Laintegracindetodoslos caudales y las preferencias de los organismosanalizadosproducelasconocidasfuncionesQIH(Fig.5a), las cuales manifiestan en este caso el rango deflujos ptimos para los cuatro estadios de la trucha(entornodelospicosdelascurvas).

4.3.AnlisisTemporaldelCaudalEcolgico

Enestaltimafasesevaloranlasdistintasalternativaspropuestasporloscolectivosimplicadosenlagestinde un tramo fluvial, en trminos de factibilidad,efectividad, riesgoyeconoma.Paraque lasolucin

degestindecaudalesadoptadatengaxito,esprecisoquesatisfagademodorazonablelosinteresesdetodoslosactoresdelprocesonegociador.LaPCHdelMandeoinvolucra las dos posturas tpicas y generalmenteconfrontadas querigeneste tipodeproyectos. 1)Elpromotorhidroelctricopretendemantener(oaumentar)el caudal turbinable autorizado, con criterios derentabilidad econmica. 2) El mbito protectorhidrobiolgicopersiguelamnimaafeccinecolgicadelro,concriteriosdeconservacinambiental.Amodode ejemplo, se comparan la lnea base hidrolgica(natural)conlasalternativasmsalejadas,ysediseaunRgimendeCE(RCE)razonablequemantienelautilidaddelaPCH.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 2 4 6 8 10 12

Caudal(m3/s)

IH(

m2 /

1000

m.l)

JuvenilAdultoAlevn

Freza

a)RendimientoEcohidrulico b)RendimientoHidroelctricoa)RendimientoHidroecolgico b)RendimientoHidroelctrico

Figura5.EvaluacincomparadadelaseficienciasecolgicaehidrulicadeltramoturbinadodelroMandeo(Espaa).a)Rendimientoecohidrulicodeproduccindehbitat.b)RendimientohidroelctricodelasturbinasFrancis:lazona

negraesinviabletcnicamente(7m3/s,Fig.5b).LasolucinadoptadaconIFIMparaelrelicenciamientoconsideralosintervalosptimosdeCEparaloscuatroestadiosdelatrucha(95%al100%delospicosdelascurvas),durantelosperodosqueocupaneltramo.Enconsecuencia,setratadeunRCEperfeccionado,concaudales variables en el tiempo y optimizados paraemularmejorlafenologanatural,enlugardeunCEinvariable que es infrecuente en la naturaleza. La

prescripcinparaelperodoreproductivo(Nov.Ene.)imponeelCEptimoparalafreza(2.4m3/s),habidacuentadesuvulnerabilidad.Elcaudalduranteelestiaje(Jul.Sept.)debesuperarelvalornaturalmnimo(1.80m3/s), lo cual supedita la operatividad de la centralduranteeseperiodo.Octubreesunatransicinentreelestiajeyeldesove,por loqueserecomiendaunCEintermedio (2.2 m3/s). Durante el perodo quecomprende el desarrollo embrionario, eclosin,alevinaje,ydescensoposterioraldesove(Feb.Mar.Abr.) se recomiendan los CE optimizados para losalevinesyjuveniles(2.3m3/s2.2m3/s2.1m3/s).

74


Tabla1.CaudalesaprovechablesporlaPCHparatresalternativashidrolgicasfundamentales:Rgimennatural(lneabase),explotacinprevia,ypropuestaIFIMparaelnuevolicenciamiento.Ennegritaelperodotcnicamenteviable

(>7m3/s).

E F M A My J J l A S O N D

LneaBaseRgimenNatural

17.4 18.1 13.7 10.1 7.7 4.7 2.3 1.6 1.7 4.6 9.4 14.0

ExplotacinCE=1.04m3/s

16.4 17.1 12.7 9.1 6.7 3.6 1.2 0.5 0.6 3.5 8.4 13.0

RelicenciaIFIMCE(2.02.7m3/s)

15.0 15.8 11.5 8.0 5.7 2.8 2.4 7.0 11.6

a) SeriesTemporalesdeHbitat

b) CurvasCaractersticasdeCaudales

75

125

175

225

275

325

375

E F M A My J Jl A S O N D

Hb

itat

Acum

ulad

o(m

2 /km

ro

)

Natural Explotacin RelicenciamientoIFIM

0

3

6

9

12

15

18

0 1 20 3 40 50 60 70 80 90 100

PercentilExcedencia(%)

Hb

itat

Acum

ulad

o(m

2 /km

ro

)

Natural

RelicenciamientoIFIM

Figura6. AnlisisdealternativasenunestudioIFIM.a)SeriesTemporalesdeHbitatcorrespondientesalalnea

base,explotacin,yrelicenciamiento.b)CurvasCaractersticasdeCaudalesdelalneabaseydel

RgimendeCaudalesEcolgicosprescritoconIFIM.

AnalizandolasCurvasCaractersticasdeCaudalesdelalneabaseydelRCE(Fig.6b),secompruebaquelos criterios de relicenciamiento salvaguardan conseguridadlarentabilidaddelaPCH.Endefinitiva,lametodologa IFIM ha posibilitado el diseo de unrgimen operativo de la central factible, viableeconmicamente,ydefendibleconcriteriosecolgicosacreditados. Es innegable que la nueva solucinambientaldisminuyedemodoperceptiblelacapacidadgeneradoradelaPCH,yenconsecuenciaelbeneficioproductivo. Sin embargo, tambin es cierto que laGestin Hdrica Integral promovida en Colombiaapuestaporunosaprovechamientoshidroelctricosmsrespetuososconelmedioambiente.

5.CONCLUSIONES

Laenergaminihidrulicaposeeunpotencialnotableenelmbitomundial,yColombiadisponedenumerosaslocalizacionesidneasparalainstalacindePCH.Eldesarrollohidroenergticoapequeaescalaenelmbitode la Gestin Integral del Recurso Hdrico debeincorporarunaspremisasambientalesslidas,delasquederivenunosRegmenesdeCaudalesEcolgicos(RCE)eficaces.Los planteamientosavanzados paraestipular RCEs se alejan de las aproximacionessimplistas del ecosistema asociadas a clculosestadsticos rebatidos cientficamente. El sistemacontrastadomsaplicadomundialmenteparaevaluarrequerimientosecolgicosdeflujo(RCE)enPCHsesla metodologa IFIM. El potencial resolutivo delprocedimientoIFIMenrosdeColombiaesinteresante,y puede ser configurado adecuadamente para lasparticularidades de sus sistemas fluviales de altabiodiversidad. El caso revisado en este trabajo

75


corrobora que es posible compatibilizar elaprovechamiento del caudal fluvial para generacinhidroelctrica con el mantenimiento de un estadoecolgicoglobalaceptable,respetandounosRCEsquepuedenserdeterminadoscientficamenteconIFIM.

Lasconsideracionesanterioressugierenelempleodemodelosecohidrulicosdesimulacindelhbitatparala evaluacin de caudales ecolgicos en elprocedimientodelicenciamientodePCHsenColombia.La investigacin deber orientarse hacia laparticularizacin de IFIM para las caractersticasambientaleslocales,abordandolossiguientesaspectosqueconsideramoscruciales.1)Desarrollarcurvasdepreferencias para organismos objetivo (peces y/omacroinvertebrados), representativos de unosecosistemasfluvialesquedebensermejorconocidos.2)Recomendarlosmodeloshidrulicosidneosparaelanlisisdetramosfluvialesdealtapendiente,cuyacalibracinesexigenteentrminosdeinstrumentacinydatosdecampoprecisos.3)Diseartcnicasparaincorporarlascaractersticashidrolgicasquelimitaneldesarrolloysostenibilidaddesusbiocenosisacuticas(condicionesdelnioylania).

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Documents

Manual Eco Hidrologico de Pequeñas Centrales Hidroelectricas