METODOLOGÍA DE DISEÑO DE OBRAS DE CONSERVACIÓN DE SUELO. (Manual y Software MAUCO) Versión Actualizada

Transcripción

1 METODOLOGÍA DE DISEÑO DE OBRAS DE CONSERVACIÓN DE SUELO (Manual y Software MAUCO) Versión Actualizada Mauricio Lemus Vera Escuela Latinoamericana de Física de Suelos. Manejo Sustentable de Cuencas Hidrográfica Física de Suelos y el Manejo de la Tierra y el Agua en Zonas de Ladera

2 ANTECEDENTES GENERALES Tendencias en la plantación de árboles en Chile (En hectáreas por año) Marco Jurídico Período Plantación de árboles Hasta Ley Forestal Decreto Ley (a) Ley (Nuevo D.L. 701) (b) (a) Principalmente forestación (b) Principalmente reforestación Fuente: Corporación Chilena de la Madera (CORMA) en CEPAL/OCDE Evaluación del desempeño ambiental CHILE, 2005

3 ANTECEDENTES GENERALES D.L. 701 (1974) Objetivo: Fomentar la forestación y preservar los bosques existentes. Medios: Bonificaciones directas, exenciones tributarias, inexpropiabilidad de terrenos forestales. Obligatoriedad de la reforestación Ley (1998) (Nuevo D.L. 701) Esta Ley tiene por Objeto regular la actividad forestal en suelos de aptitud preferentemente Forestal y en suelo degradados e incentivar la forestación, en especial por parte de pequeños propietarios forestales y aquella necesaria para la prevención de la degradación protección y recuperación del territorio nacional

4 Obras de Conservación Bonificadas (D.L. 701) 1.- Zanja de Infiltración 2.- Canal de Desviación 3.Diques de postes 4.- Gaviones 5.- Empalizada 6.- Murestes de sacos 7.- Muretes de piedras 9.- Muro de Contención de Neumáticos 10-Microterraza Manual 11.- Microterraza con Escarificado 12.- Biotecnias 13.- Subsolado con camellom Empalizada Canal de Desviación Gaviones Zanja de Infiltración Muretes de Diques sacos de Postes MicroTerraza Forestal

5 ANALISIS : Obras de Conservación Bonificadas (D.L. 701) Obras desarrolladas Provincia Colchagua, VI Región n (Hasta el año a o 2002) Sistemas de Obras Ha Subs, Zanjas 9.20 Subs, Zanjas y Canales Subs.camellón y Zanjas Subs.Zanjas y microterrazas 8.00 Zanjas Zanjas y Canales Zanjas y microterrazas Zanjas, canales y microterrazas Zanjas, Canales,Diques 2.20 Zanjas, Canales,Diques y Empalizadas 1.20 Total Obras más utilizadas Zanja de Infiltración Canal de Desviación

6 Objetivo: Obras de Conservación Canal de Desviación -Disminuir el escurrimiento superficial del área con cárcavas activas -Disipar el agua retenida hacia las laderas estabilizadas Fuente : CONAF, 1999

7 Objetivo: Obras de Conservación Zanja de Infiltración -Disminuir la velocidad de las aguas lluvias. -Aumentar la infiltración del agua en el suelo -Reducir la escorrentia superficial -Retener los sedimentos removidos por el flujo hídrico. -Acumular el agua de las lluvias para el riego - Cosechar Agua - Recolectar suelo y nutrientes - Mejorar las condiciones de Humedad del Suelo - Permitir el desarrollo de una vegetación forestal - Revertir el proceso de Desertificación por Aridez edáfica : OASIFICAR Fuente : CONAF, 1999 Fuente : Martínez de Azagra, 2005

8 OASIFICACIÓN OASIFICACIÓN: como antónimo de desertificación por aridez edáfica. Se trata de densificar y lignificar la cubierta vegetal, o lo que es lo mismo, revertir el proceso de degradación hídrica, edáfica y botánica que padece una ladera, mediante una correcta preparación del suelo e introduciendo las especies vegetales adecuadas. (Martínez de Azagra, 1999;

9 Que Indicaciones Técnicas T para el Diseño o de Zanjas de Infiltración n y Canales de Desviación, entrega la Ley?

10 Zanja de Infiltración n y Canal de desviación ZANJA DE INFILTRACION: Obra de recuperación de suelos, manual o mecanizada, diseñada y construida para capturar y almacenar la escorrentía procedente de las cotas superiores. Se construye transversalmente a la pendiente, en la curva de nivel. La obra comprende un conjunto de zanjas continuas o individuales en tresbolillo. Presenta una sección con un ancho mínimo en la base de 0,2 metros, una altura efectiva mínima en la cara inferior de 0,2 metros.. Al construirse zanjas individuales en tresbolillo el largo fluctúa entre 3 y 8 metros y la separación o tabique entre zanjas, en la curva de nivel, varía entre 0,7 y 7 metros, según la altura y largo de ellas. Si las zanjas son continuas, en un rango de 5 a 15 metros se deberá dejar un tabique de 0,3 metros sin construir. Aguas abajo, adyacente a la excavación, se construye un camellón de altura y ancho similares a la profundidad de la zanja y a la anchura superior de la obra, respectivamente. Se excluye la construcción de zanjas en suelos no estructurados.

11 Zanja de Infiltración n y Canal de desviación CANAL DE DESVIACION: Obra de recuperación de suelos, manual o mecanizada, que se sitúa preferentemente en la parte superior o media de la ladera para capturar la escorrentía procedente de las cotas superiores. Se construye transversalmente a la pendiente con un ligero desnivel (1%) para transportar el agua a una salida estabilizada. Presenta una sección con un ancho mínimo en la base de 0,2 metros y una altura efectiva mínima de 0,2 metros. Las dimensiones deben permitir evacuar un volumen de agua según la precipitación de diseño. Aguas abajo, adyacente a la excavación, se construye un camellón de altura y ancho similares a la profundidad del canal y a la anchura superior de la obra respectivamente. El largo máximo es de 100 metros. Las aguas del canal siempre deben evacuar en un área receptora estabilizada.

12 Chile País de Contrastes -Clima ( Tº-Pp) -Suelos - Relieve - Vegetación Que criterio debe aplicarse en el Diseño de las Obras de Conservación?

13 Dificultad en el Diseño o de Zanjas y Canales - Para la realización de las obras según D.L 701, hace falta de una metodología técnica para el diseño de las obras (zanjas, canales) - No existía bibliografía que reuniera en solo libro, de un modo directo una metodología para el diseño de canales y zanjas - Escasa información pluviométrica disponible - La necesidad de entregar de manera sistemática a los consultores el desarrollo de una metodología de diseño

14 Dificultad en el Diseño o de Zanjas de Infiltración - Determinación de Coeficiente de Escorrentía OBJETIVO Canal de Desviación Zanjas de Infiltración Agua que se va Agua que se INFILTRA

15 Dificultad en el Diseño o de Zanjas de Infiltración - Determinación de Coeficiente de Escorrentía _ C = ( P P )( P + 23 P ) 0 0 ( P + 11 P ) 2 0 > C = E s P = P ( P P ) P P 0 (MOPU, 1987) _ C (en vez de a C). (Martínez de Azagra, 2006) Método Racional Sistemas de Recolección de agua para repoblación Forestal

16 PROGRAMA Y MANUAL DE DISEÑO O OBRAS DE CONSERVACIÓN PROGRAMA : MAUCO Aguas Lluvias Programa para el diseño de obras de Conservación de Suelo Diseño de Canales de desviación y Sistema de Zanjas de infiltración

17 OBJETIVOS "Desarrollar una metodología a para profesionales del sector forestal, en la aplicación n de técnicas t de conservación n de suelo (zanjas canales Falta de desviación), elem tecn en terrenos susceptibles de acogerse a subsidios que otorga el D.L. 701 " 1. Entregar una metodología para el manejo de la información pluviométrica 2. Entregar una metodología para el diseño de canales de desviación 3. Entregar una metodología para el diseño de zanjas de desviación

18 METODOLOGÍA A PROPUESTA Análisis de Falta Precipitaciones elem tecn Determinar la magnitud de precipitación para un periodo de retorno dado Calculo de Magnitudes e Intensidades para duraciones del tiempo de diseño Diseño de Canales de Desviación Diseño de Zanjas de Infiltración Calculo de Escorrentia crítica (Caudal) Diseño y dimensionamiento de canal de desviación Determinar Volumen de Zanja Diseño y dimensionamiento de zanjas de infiltración

19 INFORMACIÓN N NECESARIA MAUCO Información Pluviometrica Datos Terreno - Precipitación máximas 24 Hrs. - Textura - Permeabilidad - Pendiente - Cobertura Vegetal - Caracterización del área de trabajo Canal de desviación - Area de Impluvio -Largo Canal - Distancia mas lejana del canal Zanja de Infiltración - Area de Impluvio -Precipitación de Diseño

20 Datos de Terreno Datos estación agroclimatica Lolol AÑO Ppmax en 24 Horas Promedio Desviación standard Suelo Muy Erosionado Textura : Franco Arcilloso Cobertura Vegetal : Pastizal Pendiente : 15 % Canal de desviación Largo Canal : 60 m. Area Impluvio : 0.6 Ha Distancia mas lejana : 200m Zanja de Infiltración Dist entre Zanja : 8 m.

21 Programa Mauco

22 PROCESAMIENTO DE INFORMACIÓN N PLUVIOMETRICA 1. Análisis de Precipitaciones Calculo de Máximas Precipitaciones en 24 horas con Periodo de Retorno asociado utilizando función de Gumbel 2. Registro Histórico Anual de Precipitaciones Máximas en 24 horas (X 1, X 2,, X 3... X n ) 3. Cálculo de Estadístico X : Promedio de Pp S : Desviación estándar Pp 4. Obtención de parámetros de Función de Gumbel, según n-1 años (datos precipitaciones), υ y, σ y (Tabla Nº1) 5. Cálculo de Parámetros α, β de la función de Gumbel (Ecuación Nº 1 y 2) 6. Calculo de Precipitación Máxima P max. en 24 Horas con un periodo de retorno asociado (Ecuación Nº 3) Tiempo de Concentración (Se calcula de Ecuación Nº7 u 8; ver diagrama de Canal de desviación ) Calculo de Magnitudes e Intensidades en periodo de tiempo pequeño, menor a 24 horas según Metodologia de Espildora 7.a Calculo de magnitud de Precipitación en 1 hora 8.a Ingresar Precipitación Máxima en 24 Hrs con periodo de retorno asociado (Valor calculado en punto 6) 9.a Obtención de Coeficiente de duración para 1 Hora (Ver Tabla Nº2; Cdt = 1) 10.a Cálculo de Magnitud en 1 hora con un periodo de retorno asociado (Ver Ecuación Nº4) 11.a Dato Zanja de Infiltración si 10.b.1 Asumir Tiempo 5 min CDt = b Calculo de Intensidad de Precipitación en un Tiempo t 8.b Ingresar Precipitación Máxima en 24 Hrs con periodo de retorno asociado (Valor calculado en punto 6) 9.b Ingresar Tiempo t (en diseño de canal es igual a Tiempo de Concentración Tc) 10 T < 5min No 10.b.2 Calculo de CDT (Según Fig. Nº1) 11.b Cálculo de Intensidad en t min con Periodo de retorno asociado (Ver Ecuación Nº5) 12.b Dato Canal de Desviación

23 Máximas Precipitaciones en 24 horas con Periodo de Retorno (Gumbel( Gumbel) Información básica AÑO Ppmax en 24 Horas Promedio Desviación standard n-1 años σ y µ y n-1 años µ y σ y Análisis de Precipitaciones Registro Histórico Anual de Precipitaciones Máximas en 24 horas (X 1, X 2,,X 3... X n ) 3. Cálculo de Estadístico X : Promedio de Pp S : Desviación estándar Pp 4. Obtención de parámetros de Función de Gumbel, según n-1 años (datos precipitaciones), υ y, σ y (Tabla Nº1) 5. Cálculo de Parámetros α, β de la función de Gumbel (Ecuación Nº 1 y 2) P max σ α = y s β = µ y x α R = β ( 1 α )*ln ln( ) R 1 6. Calculo de Precipitación Máxima P max. en 24 Horas con un periodo de retorno asociado (Ecuación Nº 3) Periodo de retorno 24 Horas

24 Magnitudes e Intensidades de Precipitación n en Tiempos Pequeños Duración t Coeficiente CDt 5 min min min min min min min hrs a Calculo de magnitud de Precipitación en 1 hora 8.a Ingresar Precipitación Máxima en 24 Hrs con periodo de retorno asociado (Valor calculado en punto 6) 9.a Obtención de Coeficiente de duración para 1 Hora (Ver Tabla Nº2; Cdt = 1) 10.a Cálculo de Magnitud en 1 hora con un periodo de retorno asociado (Ver Ecuación Nº4) 11.a Dato Zanja de Infiltración si 10.b.1 Asumir Tiempo 5 min CDt = b Calculo de Intensidad de Precipitación en un Tiempo t 8.b Ingresar Precipitación Máxima en 24 Hrs con periodo de retorno asociado (Valor calculado en punto 6) 9.b Ingresar Tiempo t (en diseño de canal es igual a Tiempo de Concentración Tc) 10 T < 5min No 10.b.2 Calculo de CDT (Según Fig. Nº1) Tc I t = 1 CD x t CD t 24 xp max P t = CD CD t 24 xp max 11.b Cálculo de Intensidad en t min con Periodo de retorno asociado (Ver Ecuación Nº5) 12.b Dato Canal de Desviación Int en sid ad (m m/ hr ) Minutos 2 años 5 años 10 años 15 años 20 años Tiempo Horas Coef. De Duración Periodo de retorno

25 MAUCO : ANALISIS DE LAS PRECIPITACIONES Análisis de Frecuencia : Función de Gumbel Análisis de de magnitudes e intensidades : Método Espildora

26 DISEÑO O DE CANAL DE DESVIACIÓN 1. CANAL DE DESVIACIÓN Ingresar Textura;Cobertura 1. Vegetal; Pendiente; Area de impluvio, 1. distancia del punto mas lejano del area de imluvio al canal (ver Fig. Nº2) Obtención de Coeficiente de Escorrentia (según Tabla Nº3) Calculo Escorrentia Crítica 4. Calculo del Tiempo de Concentración Tc (Ver Ecuación Nº6 o 7) 5. Ingresar Intensidad en tiempo de concentración tc, con periodo de retorno asociado 6. Calculo Escorrentia Crítica Q esc (Ver Ecuación Nº8) Ir a :Análisis de precipitación Cálculo de Intensidad de precipitación en el tiempo de concentración tc ( Ecuación Nº5, diagrama Análisis de precipitaciones) Diseño del canal 7. -Obtención de Rugosidad de Canal (según tabla Nº6) -Obtener Máxima Velocidad Prermisible (según tabla Nº5) 8. Calculo Area Mínima para Canal (Ver EcuaciónNº9) 9. Ingresar - Diseño Sección Transversal - Pendiente del canal 10. Calculo Caudal para 11. Calculo Velocidad para Sección de Canal Diseño, Canal Diseñado, según Manning. según Manning. (Ver EcuaciónNº10) (Ver EcuaciónNº11) REDISEÑO 12. Esc Crítica Q esc < Esc del Canal Vel Max. Permitida > Vel. del Canal Area Min. de diseño < Area del Canal 13. DISEÑO FINAL

27 Calculo de la Escorrentia Superficial Esquema Canal de Desviación 1. CANAL DE DESVIACIÓN Canal de desviación L Area de Impluvio L Zona de evacuación del canal Quebrada 2. Ingresar Textura;Cobertura 1. Vegetal; Pendiente; Area de impluvio, 1. distancia del punto mas lejano del area de imluvio al canal (ver Fig. Nº2) M Zona erosionada Zona Estable L : Distancia mas lejana de el área de impluvio al canal M : Largo del Canal Q esc = CxIxA Obtención de Coeficiente de Escorrentia (según Tabla Nº3) 4. Calculo del Tiempo de Concentración Tc (Ver Ecuación Nº6 o 7) 5. Ingresar Intensidad en tiempo de concentración tc, con periodo de retorno asociado 6. Calculo Escorrentia Crítica Q esc (Ver Ecuación Nº8) Ir a :Análisis de precipitación C : Coeficiente de Escorrentia (Descripción de terreno) I : Intensidad máxima (Curva IDF) A: Area (Medición de terreno)

28 Dimensionamiento de Canal de Desviación A = Q min V Q max esc = ar s n = Obtención de Rugosidad de Canal (según tabla Nº6) -Obtener Máxima Velocidad Prermisible (según tabla Nº5) Calculo Area Mínima para Canal (Ver EcuaciónNº9) Ingresar - Diseño Sección Transversal - Pendiente del canal 10. Calculo Caudal para 11. Calculo Velocidad para Sección de Canal Diseño, Canal Diseñado, según Manning. según Manning. (Ver EcuaciónNº10) (Ver EcuaciónNº11) REDISEÑO V = r s n = 12. Esc Crítica Q esc < Esc del Canal Vel Max. Permitida > Vel. del Canal Area Min. de diseño < Area del Canal 13. DISEÑO FINAL

29 MAUCO : CANAL DE DESVIACIÓN Verificación cumplimiento especificaciones técnicas Dimensionamiento de canal de desviación Ingreso de Información

30 DISEÑO O DE SISTEMA DE ZANJAS DE INFILTRACIÓN ZANJA DE DESVIACION Ingresar Tipo Vegetación; Tratamiento; Condición Hidrológica; Tipo de Suelo; Precipitación de Diseño Obtención de Coeficiente Escorrentía: Área de Impluvio; Área de Recepción Distanciamiento D Area d e impluvio Determinaci (ver Ecuación Nº12) Área de Recepción Largo L Volumen Vz Diseño de Sistema Distanciamiento predeterminado Ingresar Área de Impluvio ; Área de Recepción H Calculo Dimensiones de Zanja y diseño DISEÑO FINAL SISTEMA DE ZANJAS DE INFILTRACIÓN Talud Inferior Base V Talud Superior

31 Determinación n Coeficiente de Escorrentía a : CI : Coeficiente Área Impluvio CR : Coeficiente Área de Recepción Martínez de Azagra, A Método de los coeficiente de escorrentía: Mauco Generalizado. Documento inedito. 29 p. Universidad de Valladolid. España. Coeficiente de Escorrentía C = Es P Escorrentía Superficial E s = ( P P + P o ) 2 4 * P o P0 (es función del numero de curva) P 0 = * N 0.2* N = * N N Coeficiente de Escorrentía (en función del numero de curva) C = P 2 ( P P ) o = + 4 * P * P0 2 P * N P N * N + P * N 2 si P d >P 0

32 Determinación n Coeficiente de Escorrentía a : CI : Coeficiente Área Impluvio CR : Coeficiente Área de Recepción Martínez de Azagra, A Método de los coeficiente de escorrentía: Mauco Generalizado. Documento inedito. 29 p. Universidad de Valladolid. España. Tipo de Vegetación Tratamiento Condición Hidrológica Tipo de Suelo Se CR basa : Barbecho Cubierta en una combinación de residuos de factores vegetales Cultivos que afectan Alineados que ocupe a la al menos infiltración el Pastizales 5 % : de la superficie en el Densidad año Matorrales y fracción de cubierta vegetal R : Si Bosques... las labores de la tierra se Grado realizan de cubierta en línea vegetal recta Porcentajes C : Si el cultivo de residuos se realiza vegetales por Grado curvas de rugosidad de nivel T : si se trata de terrenos aterrazados

33 Dimensionamiento de Sistema de Zanjas de Infiltración Diseño de Sistema Distanciamiento predeterminado Ingresar Área de Impluvio ; Área de Recepción Calculo Dimensiones de Zanja y diseño DISEÑO FINAL SISTEMA DE ZANJAS DE INFILTRACIÓN Vz = Pd *( CI * S1 + CR * S2) A z = Pd *( CI * d + CR * as ) H Talud Inferior Base V Talud Superior

34 MAUCO : ZANJAS DE INFILTRACIÓN Determinación de Coeficiente de Escorrentía

35 MAUCO : ZANJAS DE INFILTRACIÓN Diseño de Zanjas de Infiltración Diseño Ingreso de Zanja de Información de Infiltración

36 Observación Final A través de las modificaciones al programa subsana las falencias de utilizar tablas de coeficientes de escorrentía generadas para la estimación de caudales máximos a través del método racional, el diseño de sistema de Zanjas de Infiltración requiere de valores medios globales de coeficientes de escorrentía que considere todo un aguacero en su conjunto (Mauco Generalizado, Martínez de Azagra, 2006) Para dicho efecto se recurrió al una estimación de coeficientes de escorrentía a partir del método de curva(mauco Generalizado, Martínez de Azagra, 2006) C = E s P = P ( P P ) P P 0 < _ C = ( P P )( P + 23 P ) 0 0 ( P + 11 P ) 2 0 (Martínez de Azagra, 2006) (MOPU, 1987)

37 MODIPÉ es un modelo hidrológico sobre recolección de agua basado en el método del número de curva, y permite el Diseño de Sistemas de Recolección de Agua para la Repoblación Forestal (Zanjas Bordos, Microterrazas, Negarin, entre otros... MODIPÉ estima la infiltración (o disponibilidad hídrica) en una ladera degradada antes y después de la intervención proyectada.

38 MUCHAS GRACIAS Programa y Manuel disponible en: mlemus@conaf.tie.cl

39 MUCHAS GRACIAS