manual de operación hidraulica

7/25/2019 Manual de Operacin Hidraulica

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Bogot, D. C. Carrera 7 N. 36 45Conmutador: 320 9000 Ext. 1374 www.car.gov.co

Fax: 1315. Correo electrnico:[email protected]

CORPORACIN AUTNOMAREGIONAL DE CUNDINAMARCA

Subdireccin de Administracin de los RecursosNaturales y reas Protegidas

MANUAL DE OPERACI N PARA LAREGULACIN HDRICA DE LA LAGUNA PEDRO
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INTRODUCCIN

A la CAR le corresponde administrar y planificar el aprovechamiento del recursohdrico que discurre dentro de su jurisdiccin en nombre del estado, segn lodispuesto en el artculo 8 de la Constitucin Poltica de Colombia y ley 99 de 1993que lo desarroll. Como autoridad ambiental, le compete dar las directrices para elmanejo adecuado del agua, en aspectos tales como: permisos deaprovechamiento, declarar y definir vedas y reas de proteccin, manejo tcnico yadministracin de fuentes hdricas, sistemas lenticos (natural y artificial), entreotros.

La laguna Pedro Palo fue declarada reserva natural protegida dada su importanciahdrica y como smbolo histrico y cultural de la regin. Este es uno de los motivospor los cuales se plantea la necesidad de darle un manejo tcnico adecuadodesde el punto de vista hidrolgico e hidrulico, debido a que parte del agua quese encuentra almacenada en la laguna, es empleada peridicamente como fuentede abastecimiento para una poblacin rural importante de la zona. Esteaprovechamiento se realiza bsicamente durante la temporada seca, a travs deuna compuerta maniobrada por particulares, sin tener en cuenta reglas deoperacin impartidas por una entidad competente como la CAR.

En el presente documento se encuentra descrito el reglamento tcnico para laoperacin de la laguna Pedro Palo, que en adelante se manejar como un sistemaregulado. Las descargas estarn condicionadas a la dinmica de la laguna yvariables hidroclimticas tales como la pluviosidad, evaporacin, niveles de lalaguna, caudales afluentes y efluentes, y magnitud de de las demandas. Se partede un estudio y anlisis detallado del comportamiento hidrolgico e hidrulico delsistema hdrico, adems de la descripcin de las estructuras hidrulicasconstruidas para derivar agua de la laguna durante ciertas pocas del ao. Ladecisin de apertura o cierre y magnitud de la descarga, estar asociada almonitoreo y requerimientos que los usuarios le hagan a la Corporacin mediantesolicitud verbal o por escrito, para lo cual se evaluarn las condicioneshidrolgicas y meteorolgicas reinantes para determinar el caudal a descargar.


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OBJETIVOSGENERAL

Elaborar las reglas de operacin para el manejo hidrolgico e hidrulico de lalaguna Pedro Palo, con fundamento en tcnicas apropiadas para el control desistemas regulados.

ESPECFICOS

Describir la cuenca hidrogrfica y el sistema hdrico.

Estimar los caudales que confluyen en la laguna a partir de mtodosindirectos de lluvia-escorrenta.

Transitar las crecientes mximas a travs de la Laguna y determinar susposibles efectos aguas abajo ante un hipottico rebose.

Elaborar las reglas de operacin de la compuerta de descarga de la laguna,tomando como referencia aspectos hidrolgicos, ambientales y legales.

Estructurar un flujo esquemtico para la toma, recopilacin, reporte yanlisis de la informacin generada diariamente.

Describir el protocolo de comunicacin entre los usuarios y la autoridadambiental en relacin con la apertura o cierre de la compuerta de descarga,de acuerdo a las condiciones hidroclimticas reinantes.


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1. CARACTERSTICAS GENERALES

1.1 LOCALIZACIN

La laguna de Pedro Palo se encuentra ubicada en la jurisdiccin del municipio deTena (vereda Catalamonte), al occidente de la Sabana de Bogot. Se llega por lacarretera que conduce de Mosquera al municipio de la Mesa, de donde se derivaun carreteable por el costado derecho en el punto denominado Patio Bonito, desdedonde existe una distancia de 4.5 Km a la laguna. Se encuentra sobre lascoordenadas geogrficas as : latitud norte: 4 34 58.9 y longitud oeste 74 15

49.8 y en coordenadas planas est a: 1009,939 m Nor te y 965,745 m Este. Enel mapa N 1 se puntualiza la localizacin de la laguna y su rea de influencia

Mapa N 1. Localizacin general de la laguna Pedro Palo


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1.2 DESCRIPCIN DE LA CUENCA

El sistema hdrico de la laguna Pedro Palo est compuesto por el rea aferente,por corrientes superficiales efmeras y permanentes, y el cuerpo de agua donde

confluye la escorrenta superficial y es el eje estructural del sistema.1.2.1 Laguna

Se trata de un cuerpo de agua en forma circular con un rea promedio de 18.3 ha,variando levemente su extensin entre niveles mximos y mnimos. Su origen esproducto del levantamiento de las cadenas montaosas que produjeron una seriede plegamientos que taponaron las salidas de agua, formando un embalse naturalo laguna de tipo endorreico, es decir, que no tiene descarga de agua en otro sitio ypor tanto, nace y muere en ella misma sin ser depositaria o afluente natural de otrocuerpo de agua. Segn sostiene una versin, es probable que debajo de ella haya

quedado inmerso el crter de un volcn, el cual permite el flujo interno de agua.

1.2.2 Cuenca receptora

El rea aferente, incluido el cuerpo de agua, es de 123 ha, distribuida sobre unazona con pendientes suaves y predominio de pastizales, alternado con zonasboscosas. Las siguientes son caractersticas tpicas de la cuenca y su rea deinfluencia:

Foto N 1. Vista general de la laguna PedroPalo y sus alrededores .


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1.2.3 Geologa

Afloran rocas de la Guadalupe Superior, subdividido en tres formacionesdiferenciadas: arenisca tierna, plaeners y arenisca dura. En la parte baja

predominan coluviones compuestos por arcillas y bloques de areniscas, los cualesson impermeables con alto contenido de arcilla.

1.2.4 Fisiografa y suelos

La formacin Guadalupe ha originado suelos pobres, con alta porosidad debido alcontenido de arena, lo que ha permitido que se desarrollen con gran contenidoorgnico, aptos para albergar todo tipo de vegetacin nativa. Generalmente sonsuelos jvenes que se formaron sobre roca poco alterada, los cuales son frgilesde tipo Inceptisol y Entisol, con un solo horizonte rico en materia orgnica. Lossuelos en la parte plana son de mayor profundidad y de textura areno arcillosa,

alta Capacidad de Intercambio Catinico (CIC), bajo contenido de fsforo y sales.El relieve es suave en los alrededores a la laguna y ondulado en la parte alta (verfoto No 1).

1.2.5 Clima

Foto N 2. Aspecto general de la fisiografa de lacuenca. Ntese la diferencia de pendiente entre la

parte alta (al fondo), y el rea adyacente a lalaguna.


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El anlisis climatolgico est encaminado a conocer valores caractersticos devariables meteorolgicas del rea de influencia de la laguna. Para este fin, seemple informacin de las estaciones Pedro Palo (pluviogrfica) y La Esperanza

(Climatolgica Principal), que hacen parte de las series histricas que administrala Corporacin, cuyos registros se encuentran almacenados desde 1,988.

1.2.5.1 Precipitaciones

Por su posicin altitudinal es una zona tpica del bosque de niebla, cuyaimportancia es la alta condensacin que aporta humedad adicional gracias a ladenominada precipitacin de niebla o lluvia horizontal.

El origen de las lluvias est influenciado por la humedad procedente del Valle delro Magdalena, que en su ascenso choca contra el relieve, elevando el aire, que alcondensarse, forma un manto nuboso sobre el rea de influencia de la laguna, loque origina lloviznas constantes. Sin embargo, por encima de los 2,400 msnmcircula otro aire ms seco, proveniente del oriente donde existe un clima menoslluvioso. Los vientos Alisios son los encargados de definir el rgimen pluviomtricode la zona, por el aporte de grandes sistemas de aire hmedo procedentesprincipalmente del ocano Pacfico, durante abril/mayo y octubre/noviembre,periodo durante los cuales se presentan las dos temporadas lluviosas del ao.

a). Distribucin temporal

Las lluvias en el rea de la cuenca presenta dos temporadas hmedas, la primerade las cuales se inicia en marzo y se prolonga hasta mayo. La segunda temporadalluviosa comienza en octubre y se extiende hasta los primeros das de diciembre,siendo octubre el mes ms lluvioso del ao, con un promedio superior a 130 mm.

Existen dos periodos secos: el primero es leve y se presenta entre enero y febrero,con lluvias bien distribuidas durante el bimestre. La segunda temporada seca esms intensa, comenzando en junio y extendindose hasta finales de agosto yprincipios de septiembre, periodo durante el cual el dficit de lluvias es notorio,principalmente entre julio y agosto. En el grfico No 1 se muestra el valor promediode lluvias en el rea de influencia a la hoya tributaria de la laguna.
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ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DICTOTAL: 979 71.3 103.2 96.3 86.9 82.2 44.1 38.4 43.4 79.0 117.9 132.2 83.8

P r e c

i p i t a c

i n ( m m

)

PRECIPITACIN MEDIA MENSUAL MULTIANUAL- ESTACIN PEDRO PALO

b). Distribucin espacialPor tratarse de una cuenca aferente pequea, no existe variacin importante delvolumen de precipitacin que cae entre un sector y otro. El promedio anualalcanza un valor zade 960 mm, condicin que cataloga a esta zona comomedianamente hmeda, cuya importancia hidrolgica obedece a la notableinfluencia sobre la oferta hdrica regional. El mapa N 2 describe la distribucinespacial de las lluvias, donde se observa que hacia el oriente la cantidaddisminuye, mientras que hacia el noroccidente se incrementa en direccin a losmunicipios de Cachipay y Anolaima.

Grfico N 1. Valores medios mensuales multianuales, estacin Pedro Palo


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1.2.5.2 Otras variables climticas

La zona se caracteriza por un clima medianamente frio, con buen contendido dehumedad en el aire, condicin tpica de la altitud y condiciones ecolgicas yambientales de la cuenca y sus alrededores. Tomando como referencia lainformacin obtenida en la estacin La Esperanza, ubicada en la zona rural delmunicipio de La Mesa, los valores de los parmetros meteorolgicos msrepresentativos son los siguientes:

Temperatura:Temperatura media: 16.3 C.Temperatura media mxima: 23.7 CTemperatura media mnima: 11.5 C

Vientos:Velocidad media: 2.1 m/sDireccin predominante: del norte

Evaporacin media: 695 mmBrillo Solar: 4.2 horas da

Mapa N 2. Distribucin de las lluvias en el rea influencia de la Laguna Pedro Palo


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Humedad Relativa: 79%

1.2.5.3 Otros factores que influyen en el clima local

El anlisis climtico realizado anteriormente debe tomarse como un punto dereferencia, que representa un periodo relativamente corto de registro y no muestralos ciclos multitemporales, los cuales influyen en la caracterizacin del climaregional. Adicionalmente, la variabilidad climtica es otro factor para tener encuenta, que de acuerdo con las tenencias de los ltimos tres aos (2009 a 2011),se ha observado una alteracin del rgimen pluviomtrico de la regin, notndoseque fenmenos como la Nia y El Nio, han estado muy dinmicos,probablemente por efecto del cambio climtico.

a. Fenmeno de El Nio

Se conoce con este nombre a la aparicin de corrientes ocenicas clidas en lascostas del Ocano Pacifico de Amrica del Sur, durante el verano de fin de aodel hemisferio Sur. Se caracteriza porque la superficie del mar y la atmsferasobre l, presentan una condicin anormal durante un perodo, que va de doce adieciocho meses.

Mientras esto sucede en el ocano, se altera la presin atmosfrica, se producencambios en la direccin y velocidad del viento y se desplazan las zonas de lluviade la regin tropical, con lo que se reduce el volumen de precipitacin en el interiordel pas. Los impactos ms destacados son: reduccin de las fuentes hdricas aniveles crticos, racionamientos de agua en la mayora de acueductos(municipales, veredales y particulares); prdida de cosechas, disminucin en laproduccin pecuaria y aumento de las temperaturas. Estos efectos fueron notoriosen el primer trimestre de 2010.

b. Fenmeno de la Nia

Hace parte, junto con el fenmeno de de la variabilidad natural que se presentaen el Ocano Pacifico y que alteran el comportamiento del tiempo y el clima a nivelregional y mundial.

El Preludio al fenmeno La Nia es la terminacin del fenmeno de El Nio(Oscilacin del Sur), y su inicio se caracteriza por el fortalecimiento de los vientos

Alisios, que trae como consecuencia la intensificacin de la Zona de ConvergenciaIntertropical y su desplazamiento ms temprano hacia el norte, determinando quelos periodos secos sean cortos y lluviosos. El desarrollo del fenmeno se identificapor el debilitamiento de la las aguas clidas y disminucin anormal de lastemperaturas del Pacifico tropical, oriental y central. La maduracin es el final delevento La Nia, y ocurre despus de que la intensidad de los vientos alisios haregresado a su estado normal.


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La duracin y frecuencia con que aparece vara entre nueve meses hasta tresaos y segn su intensidad se clasifica en dbil, moderado y fuerte. Es ms fuertemientras menor es su duracin, y su mayor impacto en las condiciones

meteorolgicas se observa en los primeros 6 meses de vida del fenmeno. Por logeneral comienza desde mediados de ao, alcanza su intensidad mxima a finalesy se disipa a mediados del ao siguiente. Se presenta con menos frecuencia queel nio y se dice que ocurre por periodo de 3 a 7 aos.

c. Variabilidad climtica

El clima de la regin est dada por lo valores medios de los parmetrosmeteorolgicos, especialmente la temperatura y precipitacin, sin embargo, elvalor promedio no refleja la variabilidad real de dichos parmetros. Es decir, quehacia el futuro los valores tendenciales sern cada da ms inciertos, comoconsecuencia de lo que se conoce como variabilidad climtica, lo cual puede ser elreflejo de los cambios observados en los ltimos tres aos.


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2. ANLISIS HIDROLGICO

El estudio comprendi los siguientes aspectos:

Clculo de afluencia media a la laguna mediante el empleo de un mtodode lluvia-escorrenta.

Balance Hdrico Anlisis de tormentas (lluvias mximas probables). Clculo de caudales mximos (hidrgrafa de entrada). Trnsito de crecientes a travs de la laguna.

2.1 ESQUEMA HIDROLGICO

Antes de realizar el estudio hidrolgico de la cuenca, es importante conocer sudinmica mediante un esquema que muestre las rutas que sigue el agua dentro dela cuenca. Est representado en el grfico N 2, donde se explica que el cuerpo deagua (laguna), es el receptor de las corrientes que fluyen (entradas y salidas)dentro del sistema hdrico. Como se aprecia, se trata de un sistema endorreicomodificado artificialmente, ya que adicional a las prdidas naturales por infiltracinprofunda y evaporacin, existen descargas controladas mediante una compuertamanual. El aporte principal es la lluvia (P), que cae sobre la cuenca aferente yconfluye finalmente a la laguna por tres vas: escorrenta directa (QS), flujosubterrneo (FS), parte del cual alimenta la escorrenta superficial mediante elflujo base (FB), y un aporte subterrneo proveniente de otras cuencas (AS). Elvolumen almacenado es regulado por la evaporacin del espejo de agua (E),descarga de fondo a la quebrada Payacal (DF), e infiltracin profunda quealimenta otras cuencas (IP). Mediante la cuantificacin de estos componentes, seentender mejor la dinmica de la laguna.


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2.2 CLCULO DE AFLUENCIAS A LA LAGUNA

Se trata de cuantificar el volumen que entra al sistema hdrico, constituido por elaporte superficial y subsuperficial de la cuenca, incluido los que caen directamentesobre el espejo de agua de la laguna. El flujo subterrneo no se cuantific debidoa la complejidad de su clculo, aunque es una variable importante por el origen dela laguna y por el tipo de roca que la rodea (Formacin Guadalupe), dada laimportancia geohidrolgica, al permitir la conexin entre el agua almacenada y lasquebradas y manantiales que se originan en esta zona.

2.1.1 Caudal de afluenciaEs el resultado del aporte de lluvias distribuido sobre la cuenca a travs del ao yse divide entre escurrimiento directo y escurrimiento base o subterrneo.

2.1.1.1 Escurrimiento directo (QS)

Grfico N 3. Esquema hidrolgico de la laguna Pedro Palo


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Compuesto por el volumen que aportan las precipitaciones en la cuenca receptoray que discurren por la superficie del suelo o en sus estratos ms elevados, queconfluyen en la laguna. Es decir, se trata del caudal que se genera producto de unaguacero aislado o aguaceros sucesivos, incluido la parte que cae directamente

sobre la superficie de la laguna.2.1.1.2 Flujo base o subterrneo

Como no toda la lluvia se convierte en escorrenta superficial, un porcentaje deesta se infiltra para alimentar el flujo subterrneo, el cual se divide en subterrneopropiamente dicho y subsuperficial lento. Realmente es el flujo que permanecedurante los periodos de escasa precipitacin y que evitan que una corriente seseque totalmente. El valor se determin mediante aforos que peridicamente serealizan en las tres corrientes que alimentan la laguna y que regularmentepermanecen con un caudal estable, que en promedio suma un caudal de 2 l/s.

2.1.2 Generacin de caudales

Debido a que la CAR no cuenta con registros histricos de los caudales queingresa a la laguna mediante escorrenta superficial, fue necesario emplear unmtodo indirecto para estimarlos. Para este fin, se utiliz el desarrollado por elServicio de Conservacin de Suelos de los Estados Unidos (Soil ConservationService SCS), que toma en cuenta, para anlisis de una tormenta, variables comola intercepcin, la detencin superficial y la infiltracin denominada Nmero deCurva de escorrenta (CN).

Este modelo utiliza una expresin bsica:

Donde:

E: Escorrenta en milmetrosP: Precipitacin diaria en mm

Donde:

S 0.8 PS) 0.2 - (P E

2

N

1) - (100 254 S


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S: Parmetro emprico hallado por el S.C.S. y se refiere a la capacidad de retencinpotencial de una cuenca.

N: Nmero de Curva, parmetro emprico del S.C.S. que depende de las condiciones

de permeabilidad de los suelos, la cobertura vegetal y las condiciones antecedentes dehumedad.

Los datos de entrada que requiere el modelo son los siguientes:

Precipitacin diaria. rea de la cuenca. Nmero de curva. Caudal base.

Para el clculo del caudal en el sistema hdrico, se emple la precipitacin diaria de laestacin Pedro Palo. Esta informacin se obtuvo de la base de datos que administra laCorporacin, con un periodo de registro de 22 aos (1988 a 2010).

El nmero de curva se estableci de acuerdo con las condiciones de permeabilidad delos suelos, cobertura vegetal, humedad antecedente y prcticas agrcolas o forestalespredominantes en la cuenca. Se emplearon tablas publicadas por el S.C.S. eincorporadas al modelo de acuerdo con las equivalencias encontradas. En la tabla N o.1 se describe los usos promedio del suelo con sus respectivos valores de Curva.

Tabla No. 1. Valor ponderado del Nmero de Curva (CN) para la cuenca de laguna de PedroPalo

2.1.2.1 Caudales obtenidos

El volumen de agua que fluye hacia la laguna mediante el escurrimiento superficialy el aporte directo de las lluvias, se muestra en el grfico No. 4. El promedioestimado de afluencias es un caudal del orden de 0.034 m 3/s, que se distribuyeen dos temporadas hmedas y dos secas, siguiendo el mismo comportamiento delas lluvias. Los caudales mximos se registran entre octubre y noviembre, sin

Usos del suelo Usos del sueloSCSCondicinhidrolgica

NCurva

rea(ha)

rea(%)

Bosque Primario Bosque A 36 13.0 10Bosque secundario y plantado Bosque A 36 22.1 18Pastos Pasto de pastoreo B 61 62.0 50Pasto con rastrojo Pasto de pastoreo B 55 5.5 4Espejo de agua reaspavimentadas D 98 21.8 18

N. cu rv a po nd era da 60


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embargo, el efecto sobre los niveles de la laguna no es tan notorio como ocurreentre abril y mayo.

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ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DICMEDIO: 0.034 0.018 0.032 0.048 0.053 0.040 0.012 0.005 0.011 0.035 0.065 0.057 0.027

C a u

d a

l ( m

3 / s )

CAUDALES DE AFLUENCIAS A LA LAGUNA PEDRO PALO

2.2 BALANCE HDRICO

Tiene por objeto identificar y cuantificar las variables que intervienen en el ciclohidrolgico de la cuenca, es decir, el recorrido ms probable que sigue unapartcula de agua al ingresar al sistema hdrico.

2.2.1 Ecuacin general

En un lago o embalse el clculo del balance hdrico tiene en cuenta elementoscomo la evaporacin (E), caudal de entrada o afluencia (A), precipitacin (P),infiltracin neta (I), caudal de salida o efluencia (O), y variacin dealmacenamiento ( S). Si se puede medir estos elementos se cumple que:

S = P-E-O-I+A

Para la aplicacin de esta ecuacin se emple unidades de volumen y el periodoanalizado comprendi entre 1988 y 2010. Se pretende estimar el aporte superficialneto a la laguna, e indirectamente evaluar el aporte subterrneo. Su importanciaradica en que es un insumo esencial para programar la operacin de la laguna.

2.2.1 Parmetros empleados

De la ecuacin general, las variables que se incluyeron para el clculo porque fueposible cuantificarlas, fueron las siguientes:

Grfico N 4. Afluencias medias a la laguna Pedro Palo


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Precipitacin (P) Evaporacin (E) Caudal de entrada o afluencia (A) Caudal de salida o efluencia (O).

Dado que la precipitacin es la fuente principal de entrada al sistema que cuentacon informacin (A = P), y la evaporacin hace parte del caudal de salida (O=E), elbalance hdrico de la laguna se resume en afluencias (A), producto de las lluviasmenos las efluencias (O), definidas por la evaporacin de la superficie del agua. Elaporte de aguas subterrneas no se tuvo en cuenta como variable debido a queno est cuantificada, aunque influye notoriamente al mantener en equilibrio elvolumen de la laguna.

2.2.1.1 Caudal de Afluencias

Est determinado por el aporte de las lluvias cadas sobre la cuenca receptora,cuya metodologa de clculo se explic en el numeral 2.1. Al aporte directo se leadicion un flujo base de 2 l/s, valor promedio que se obtuvo producto delmonitoreo de las corrientes principales a travs de aforos puntuales realizadosdesde 1988.

2.2.1.2 Caudal de Efluencias

Se compone de las prdidas como consecuencia de la evaporacin de lasuperficie de la laguna, cuya rea permanece casi estable en 21 ha. Las prdidaspor infiltracin se consideran importantes porque alimenta corrientes superficialesque nacen en la periferia, sin embargo, no se tuvo en cuenta al no contar conestudios donde se estime esta variable. La descarga por la compuerta es latercera componente que constituyen las afluencias.

a). Estimacin de la evaporacin de la superficie de agua

Para el clculo, Penman combin la ley de Dalton y el balance de energa parallegar a una ecuacin semi-emprica de uso universal. Esta frmula difiere con laempleada en el clculo de la ETP en la cifra adoptada para el albedo, que es del25% para la capa vegetal y slo del 5% para la superficie del agua. Otra diferenciaes la correspondiente al denominado trmino aerodinmico, en que el factorconstante relacionado con la velocidad del viento es de 1.0 en el caso de lavegetacin, con el fin de tener en cuenta la mayor rugosidad de la superficie deevaporacin, y de 0.5 cuando se trata de la evaporacin del agua.

Como se observa en el grfico N 5, existe evaporacin alta entre julio yseptiembre, como consecuencia de la temporada seca generalizada en la zonadurante este periodo, mientras que entre enero y febrero se aprecia un incrementomoderado que corresponde a la primera temporada seca, la cual regularmente


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poco intensa. Durante un ao normal las prdidas de agua por la superficie de lalaguna se estiman en 506 mm, equivalentes a 111,336 m 3 de volumen.

b). Descarga a la quebrada Payacal

Existe un sistema de derivacin que se conduce a travs de una tubera a laquebrada Payacal, generalmente durante la temporada seca, con el propsito demantener la oferta hdrica para el abastecimiento de las veredas El Rosal, Payacal(municipio de de Tena), y Florian (municipio de la Mesa). A pesar de suimportancia en el balance hdrico de la laguna, no se cuenta con registros delvolumen de descarga y por tanto, ser una variable que se incluir cuando semaneje tcnicamente dicha compuerta por parte de la CAR.

2.2.2 Resultados

El balance hdrico se cuantific para tres escenarios: un ao tpico normal, aotpico seco y ao tpico hmedo. Con base en la tabla N 2, se deduce que elvolumen de afluencias predomina sobre las efluencias o prdidas, sin tener encuenta las descargas a la quebrada Payacal ni las infiltraciones profundas.Durante un ao hidrolgicamente normal, existe un aporte positivo de 1.25millones de m3 con respecto al estado inicial del primero de enero, mientras quepara un ao seco, ste se incrementa en 0.67 millones de m 3. La diferencia ms

Grfico N 5. Evaporacin estimada de la laguna Pedro Palo


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crecientes en cuencas pequeas y homogneas, como es la caractersticaprincipal de la cuenca de la laguna Pedro Palo.

2.3.1 Hidrograma Unitario (HU)

Esta representado para una cuenca de drenaje como el hidrograma deescurrimiento directo unitario generado por una precipitacin efectiva unitaria, condistribucin uniforme sobre el rea de drenaje e intensidad uniforme durante unperiodo de duracin especfico.

Las componentes del hidrograma unitario triangular se dedujeron de lascaractersticas morfomtricas de la cuenca y se expresan por medio de lassiguientes ecuaciones:

Donde:

Qp: Caudal pico o mximo en m3/s.Tp: Tiempo de crecida o tiempo pico, en horas.

A: rea en Km2.Tc: Tiempo de concentracin en horas.Pe: Precipitacin efectiva o escorrenta.Tl: Tiempo de retardo.L: Longitud del cauce principalS: Pendiente media

Qp = (0.191xAxPe)/Tp

Tp = D/2 + 0.6 Tc

Tl = 8/3 Tp

Tc = 0.067 ( L / S . ) .

Pe = (P-I a ) /(P-I a +S)


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Para aplicar el mtodo se emple informacin relacionada con: tiempo deconcentracin, Coeficiente de Escorrenta, Curvas de Intensidad Duracin (I.D.F.),y caractersticas morfomtricas de la cuenca.

La lluvia de exceso, Pe, es una parte de P y se determin aplicando lametodologa del Soil Conservation Service que se basa en las caractersticas delos suelos y en el ndice CN, segn lo expuesto en el numeral 2.1.

2.3.1.1 Tiempo de Concentracin (Tc)

Es el tiempo que emplea la lluvia que cae en el sitio ms lejano de una cuencapara llegar a un punto determinado de ella, en este caso la laguna Pedro Palo. Secalcul con base en la formula de Kirpich a partir de la informacin de la quebradaCampo Hermoso, tomando como referencia su nacimiento hasta la confluencia en

la laguna, con una longitud de 1,200 m y una diferencia de altura de 130 m. Eltiempo estimado fue de 13 minutos, que equivale a decir que despus de iniciadoun aguacero uniforme, al cuarto de hora aproximadamente, se registrar el caudalmximo instantneo que es aportado a la laguna.

2.3.1.3 Curva de Intensidad-Duracin-Frecuencia (IDF)

Se determin a partir del anlisis de los registros pluviogrficos histricospresentados en la estacin Pedro Palo, tomando para cada ao hidrolgico losmayores aguaceros, los cuales se ajustaron a la Ley de Distribucin Pearson tipoIII, calculando posteriormente las intensidades que corresponden a cada periodode retorno definido. En el grfico No 6 se encuentran los valores de lasintensidades obtenidas segn el periodo de retorno para diferente duracin delaguacero.


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0 50 100 150 200 250 300 350 400

I n t e n s

i d a

d m m

/ h o r a

Duracin en minutos

CURVA DE INTENSIDAD- DURACIN-FRECUENCAEstacin Pedro Palo

2.3.1.4 Clculo de la intensidad

Con base en la curva I.D.F. se ajustaron los valores de intensidad para periodosde retorno de 2, 5,10, 20, 50 y 100 aos; con un tiempo de concentracin de 13minutos, que es el valor estimado para la cuenca receptora, e indica la intensidadacorde con su morfometria. Los resultados son (tabla No. 3):

2.3.2 Caudales mximos instantneos

Es el valor mximo de caudal que la cuenca probablemente puede aportar a lalaguna en un instante dado, teniendo en cuenta un aguacero tpico distribuidouniformente sobre la superficie de la cuenca y para un periodo de retorno definido.

PERIODO DE RETORNO(AOS)

CUENCA LAGUNAPEDRO PALO

Intensidad (mm/hora) 2 7.25 18.910 26.725 36.550 43.8

100 51.0

Grfico N 6. Curva de Intensidad Frecuencia para la laguna Pedro Palo

Tabla N 3. Clculo de intensidad para la cuenca


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Los resultados del Hidrograma Unitario Sinttico, son descritos en la tabla N 4 yel grafico N 7.

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7

8

9

10

11

12

13

14

0 10 20 30 40 50 60

C a u

d a

l ( m 3 / s )

HIDROGRAMA UNITARIO D E AFLUENCA A LAGUNA PEDRO PALO

TR: 100 AOS

TR: 50 AOS

TR: 20 AOS

TR: 10 AOS

TR: 5 AOS

TR: 2 AOS

Grfico N 7. Hidrograma unitario de aportes a la laguna

Tabla N 4. Caudales de afluencia a la laguna


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2.3.3 Trnsito de crecientes tpicas

Tiene por objeto determinar el efecto de almacenamiento que tiene la laguna, la

cual acta como un embalse sobre la forma y movimiento de la onda de creciente,afectando su propagacin al provocar una atenuacin de la creciente, conocidocomo efecto de laminacin. Existen dos situaciones que se pueden presentardurante un evento extremo: que la salida se encuentre regulada por la compuertao descarga de fondo que se rebose por las partes ms bajas del permetro de lalaguna, ya que no existe vertedero de excesos.

2.3.3.1 Trnsito a travs de la laguna controlada

Es la situacin en que existe la forma de controlar el incremento de nivel mediantela operacin (apertura), de la compuerta de descarga, que tiene una capacidadmxima de 0.050 m3/s sobre la quebrada Payacal. Es decir, para un eventoextremo con un periodo de retorno de 100 aos, por ejemplo, en un momentodado pueden entrar 13.7 m 3/s y salir mximo un caudal controlado de 0.050 m3/s,lo cual indica que la laguna regula 13.20 m3/s, con un incremento de nivel de 10centmetros.

2.2.3.2 Trnsito a travs de la laguna con descarga no controlada

Se origina por un incremento de niveles por un comportamiento atpico de laslluvias en la zona, que produzca el rebose por puntos donde topogrficamentesean ms bajos o que exista un estrato de suelo o roca deleznable, que por efectode la presin hidrosttica los haga colapsar formando un flujo descontrolado. Lossitios vulnerables estn ubicados, segn la topografa, al nororiente de la laguna,sin embargo, este no es el nico factor que incide, por lo que no se debendescartar otros puntos.

En estas condiciones la descarga se efecta en forma tal que el gasto de salida esuna funcin del nivel de almacenamiento (S). Segn lo anterior, el volumenalmacenado y el gasto de salida se relacionan directamente con el nivel en esemomento. La informacin requerida es bsicamente las curvas de elevacin-descarga y de elevacin-almacenamiento. En el caso particular de la laguna PedroPalo se encuentra definida la relacin almacenamiento-elevacin a partir deafluencias estimadas y convertidas en un delta de almacenamiento (S). Laproporcin y el efecto de las crecientes pico sobre la variacin del nivel en funcindel volumen que ingresa durante el delta de tiempo (t) definido en 64 minutos, seencuentran explicadas en la tabla N 5


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AFLUENCIAS REGULACIN NO REGULADO INCREMENTO

Tr Caudal Volumen Caudal Volumen Caudal Volumen Nivel(aos) (m3/s) (m3) (m3/s) (m3) (m3/s) (m 3) (m)

2 0.79 3,044 0.05 192 0.74 2,852 0.015 2.08 7,970 0.05 192 2.03 7,778 0.0410 2.93 11,236 0.05 192 2.88 11,044 0.0525 4.00 15,360 0.05 192 3.95 15,168 0.0750 4.80 18,435 0.05 192 4.75 18,243 0.09

100 5.59 21,452 0.05 192 5.54 21,260 0 10

Tabla N 5. Efecto de los caudales pico sobre el nivel de la laguna

La tabla anterior tiene la siguiente explicacin:

Ante un evento de 2 aos de periodo de retorno (Tr), el incremento de nivel serade solo un (1) centmetro, para el de 5 aos, cuatro (4) centmetros para 50aos, nueve (9) centmetro y 100 aos, 10 centmetros. Este incremento de nivelse reflejara al cumplirse el tiempo que tarda la creciente (hidrograma de entrada).

2.2.3.3 Trnsito de la creciente por el mtodo hidrolgico

Se basa en la ecuacin de continuidad que para un embalse se establece que elvolumen de entrada en un tiempo dado (t), menos el volumen de salida en esemismo tiempo, es igual a un almacenamiento (S), es decir:

I-O = S/t, que equivale a: I -O = (S2 S1)/t

En consecuencia:

Donde:

I = Caudal de entrada medio (durante el tiempo t). O = Caudal de salida medio (durante el tiempo t). S1 = Volumen inicial.S2 = Volumen final.S = S 2 S1 = Incremento de almacenamiento en el tiempo t.

tS- S

2O O -

2I I 212121


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La ecuacin anterior se explica en el grfico N 8. La atenuacin de la crecienteindica que esta se confina por un cauce definido, manteniendo estable sugeometra y funcionando como un vertedero de excesos. En dado caso que

existan varias fugas y se cumpla la anterior condicin, el caudal pico quedadistribuido en el nmero salidas de manera proporcional a las condicionesgeomtricas y topogrficas de cada uno de ellos. Ante un eventohidrometeorolgico extremo que genere un hipottico rebose, ste ocurrira por laparte ms baja y no por un vertedero confinado, como ocurre en los embalsesconstruidos artificialmente.

Grfico N 8. Esquema del sistema de regulacin de la laguna Pedro Palo

S2 S1

TUBERA CON DESCARGACONTROLADA

LAGUNA PEDROPALO

O

I


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3. MANUAL DE OPERACIN PARA LA REGULACIN HDRICA DE LA

LAGUNA PEDRO PALO

3.1 APROVECHAMIENTO HDRICO DE LA LAGUNA

El uso del agua de la laguna comenz formalmente en 1944 con la construccinde la compuerta que conecta con la quebrada Payacal (ver foto N 3), mediantedescargas regulares durante la temporada seca. No se tuvo conocimiento de otrosaprovechamientos que deriven directamente de la laguna, lo cual no indica que nohaya existido.

En cuanto al caudal aprovechado no se tiene referencia debido a que no se lleven su momento el registro respectivo por parte de la comunidad, quienes operaronla compuerta cuando las condiciones lo ameritaban.

El aprovechamiento ictiolgico no es una actividad que se lleva a cabo por partede los vecinos a la laguna, ni la CAR planea contar con un proyecto de este tipoen el futuro.

3.1.1 Estructuras hidrulicas

La laguna funciona como un pequeo embalse con afluencias naturales y unsistema de control mediante una compuerta de descarga. Actualmente los nivelesson monitoreados mediante una estacin limnimtrica instalada en la laguna,mientras que la precipitacin se registra en una estacin pluviogrfica (PedroPalo). La descarga, por su parte, no es cuantificada porque la comunidad, quien laopera, no cuenta con los medios tcnicos ni logsticos para realizar esta labor.

Por tratarse de una laguna que se form naturalmente, el agua no se retienemediante una presa u otro sistema, ni existe la opcin de evacuar los excesos pormedio de un rebosadero cuando se presenten niveles altos. Para aprovechar elagua almacenada durante ciertas pocas del ao, se construy por parte dealgunos residentes de la zona, una compuerta para controlar la descarga de fondode la laguna a la quebrada Payacal. Consta de una tubera de toma, unacompuerta, caja de inspeccin y una tubera de 14 que descarga a la quebradaPayacal mediante un canal rectangular. La compuerta es accionada manualmentemediante una rueda volante que es operada por usuarios de acueductos, lo queorigina un conflicto permanente entre los usuarios del agua. Un aspecto general seaprecia en la foto No 3.


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Foto No

3. Compuerta de descarga de la laguna Pedro Palo

3.1.2 Calibracin de la descarga

Para cuantificar el volumen de agua que se le extrae a la laguna para elsostenimiento de algunos acueductos veredales, la Corporacin calibr el caudalde descarga en funcin del nmero de vueltas. El mtodo empleado consisti enaperturas controladas de la compuerta, aforando cada dos vueltas mediante elempleo de molinete o correntmetro para medir la velocidad en el canal de salida.

A partir de los resultados se obtuvo las respectivas curva y tabla de calibracinpara niveles medios, cuyos resultados se describen en la tabla N 6 y grfico N 9.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

C a u

d a

l ( l / s e g

)

Vueltas (N)

CURVA DE CALIBRACIN, DESCARGA LAGUNA PEDRO PALO

ECUACIN AFOROS

Grfico N 9. Curva de calibracin de la compuerta


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NVUEL TA S DESCA RGA (l/s eg )

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

0 0 3 5 6 7 8 9 9 10 111 12 12 13 13 14 15 15 16 16 172 17 18 18 18 19 19 20 20 21 213 21 22 22 23 23 23 24 24 25 254 25 26 26 26 27 27 27 28 28 285 29 29 29 30 30 30 31 31 31 316 32 32 32 33 33 33 33 34 34 347 35 35 35 35 36 36 36 37 37 378 37 38 38 38 38 39 39 39 39 409 40 40 40 41 41 41 41 42 42 4210 42 43 43 43 43 43 44 44 44 4411 45 45 45 45 46 46 46 46 46 4712 47 47 47 48 48 48 48 48 49 4913 49 49 49 50 50 50 50 51 51 51

Tabla N 6. Tabla de calibracin

3.1.3 Sistema de monitoreo

3.1.3.1 Registro de niveles

La CAR cuenta con una estacin limnimtrica que registra la variacin diaria delnivel de la laguna desde 1988, la cual consta de tres tramos de mira de un metrode longitud cada uno. Un anlisis de la serie histrica indica que los niveles han

fluctuado entre un mnimo de 1.03 m y un mximo de 1.76 m, este ultimopresentado en mayo de 2006. El promedio es de 1.31 m con respecto a la cota dereferencia en la base de la mira o cota cero.

3.1.3.2 Registro de variables meteorolgicas

El monitoreo de las lluvias es fundamental para operar la laguna, bsicamenteporque esta variable es la que define las afluencias que incide directamente sobreel volumen almacenado. Por otro lado, las prdidas por evaporacin sonimportantes, especialmente durante las temporada seca

3.3 REGLAMENTO TCNICO Y POLTICAS DE OPERACIN

Para operar correctamente la laguna es necesario tener en cuenta umbrales deniveles sobre los cuales debe sustentarse las decisiones que tome el personaltcnico encargado de administrar la reserva hdrica de la laguna de Pedro Palo.Los criterios para tomar las decisiones sern las siguientes:


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Proteccin contra probables reboses. Garantizar niveles operables durante la temporada seca. Descargas controladas para suplir demandas peridicas.

Descargas controladas de emergencia cuando las condiciones lo ameritenpor afluencias altas. Control y registro de descargas y niveles diariamente. Mediciones y reportes de caudales de la quebrada Payacal.

3.3.1 Reglas generales

El objeto es garantizar un rango de niveles que permitan controlar las crecientesatpicas durante la temporada de alta pluviosidad, evitando que se afecten zonasaledaas por inundaciones. Igualmente, se debe garantizar que durante latemporada seca, los niveles de la laguna no deben descender por debajo de lacota de referencia mnima de operacin de la compuerta de descarga.

Las reglas bsicas de operacin son:

La apertura de la compuerta estar en funcin del nivel de la laguna y losrequerimientos de agua presentados por usuarios que se benefician delcaudal regulado que se descarga por la compuerta, que en adelante sedenominar descarga de fondo.

Si el nivel de la laguna supera 1.70 m, es prudente que se hagan descargascontroladas, abriendo total o parcialmente la compuerta para que seestabilicen los niveles. No es recomendable que el nivel de la lagunasupere los 1.90 m.

En dado caso que el nivel sobrepase la cota 1.90 m, se debe avisar a losribereos e iniciar un plan de contingencia tendiente a evitar posibles daospor inundaciones aguas abajo, producto de reboses potenciales.

Teniendo en cuenta que la capacidad mxima de evacuacin es de 0.050m3/s, equivalentes a un volumen de 4,320 m 3/da, es necesario monitorearel efecto que implica esta operacin, tanto en el nivel de la laguna, como enel comportamiento de la quebrada Payacal aguas abajo.

En la temporada seca cuando los niveles estn bajos, debe procurarsemantener los niveles por encima de 0.95 m, ya que por debajo de estepunto de referencia la compuerta queda inoperable.

El operario registrar el da y la hora en que se abre la compuerta,incluyendo el caudal de descarga. Igualmente anotar la fecha cuando seanecesario aumentar o disminuir el volumen de descarga.


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Cuando se cierre la compuerta, se anotar la hora y fecha de la operacin

en la planilla de observaciones, junto al registro de niveles que se tomandiariamente.

Las decisiones sern coordinadas por la CAR, las cuales estarnsoportadas por la informacin que suministren los instrumentos y equiposde medicin instalados y/o adecuados para este fin.

3.3.2 Funciones de la autoridad ambiental y los actores

No toda la responsabilidad de la operacin y mantenimiento del sistema hdricorecae sobre la CAR, sino que tambin existen compromisos de la comunidad conel manejo de la laguna y la infraestructura existente. Cada actor deber cumplir lassiguientes funciones:

Responsabilidad de la CAR

Proveer, operar y garantizar el buen funcionamiento de losinstrumentos y equipos de medicin, como la confiabilidad de lainformacin generada que soportan la operacin del sistema, talescomo estaciones hidrolgicas y meteorolgicas.

Recibir y tramitar los requerimientos de caudales mediante solicitudesformales por parte de los usuarios, como tambin cualquier inquietudrespecto al manejo de las compuertas u otro tema de inters para lacomunidad.

Recopilar, procesar, digitar y almacenar la informacin generadaproducto de la operacin de la laguna.

Garantizar un operario que se encargue de: tomar la informacinrutinaria, reportarla, abrir o cerrar la compuerta de descarga, etc.

Propender por la seguridad y el buen funcionamiento de la compuertade descarga.

Funciones del operario

Adems de otras responsabilidades, el operador designado por la CAR debehacer la siguiente rutina:

Leer diariamente a las 07:00 horas el nivel de la laguna, el pluvimetro yevapormetro. Esta informacin se registrar en las planillas respectivasdiseadas para este fin por parte de la Corporacin.

Una vez compilada la informacin, junto con la descarga en litros porsegundo (l/s) establecida, se reportar a la Subdireccin de Administracin


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de los Recursos naturales y reas Protegidas de la sede central de laCorporacin.

Cada vez que se cambie la apertura de la compuerta descarga se debe

registrar el nivel de la laguna y la hora en que se hizo la operacin, ascomo la descarga antes y despus de la accin.

Reportar oportunamente un cambio drstico en las condicioneshidroclimticas que puedan afectar la operacin normal de la laguna,especialmente durante las temporadas invernales.

El grfico N 10 esquematiza los niveles de operacin

3.3.3 Protocolo de comunicacin

4.6.2 Monitoreo

Tiene como propsito conocer diariamente las condiciones meteorolgicas ehidrolgicas del sistema hdrico, con el fin de apoyar tcnicamente la toma dedecisiones y que estas sean oportunas y eficaces, divulgndose entre la


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comunidad. Para tal fin es necesario contar con un protocolo de comunicacinpara la toma de decisiones para condiciones hidrometeorolgicas normales y otrodurante las emergencias.

4.6.2.1 Protocolo de comunicacin en condiciones normalesa). Reporte diario: todos los das y antes de las 08:00 horas, la informacin,discriminada en la tabla N 1, deber ser recopilada, reportada al responsable dela Corporacin, en donde se almacenar y mantendr disponible para la consultapermanente y ser el soporte tcnico para la operacin del sistema.

b). Apertura o cierre de descarga

El monitoreo permanente permitir detectar oportunamente la necesidad deaumentar o disminuir las descargas de la laguna. Las circunstancias son lassiguientes:

Aumento de las descargas: con la informacin actualizada y/o ante lasolicitud de los usuarios, la CAR proceder a la apertura segnnecesidades. La solicitud puede oficializarse por correo electrnico omediante oficio.

Cierre parcial o total de la descarga: cuando se requiera disminuir ladescarga, bien sea porque los requerimientos de los acueductos estngarantizados, o porque los niveles alcance valores crticos, la CARautorizar el cierre. En caso de ser parcial, se definir el caudal con elcual se mantendr la descarga.

Descargas controladas por volmenes altos en la laguna: esto ocurredurante situaciones en que se requiera mantener ciertos niveles que noofrezca peligro. El aumento de descarga bajo estas circunstancias loautorizar la CAR y ser producto de las condiciones en el momento delsistema hdrico.

4.6.2.2 Protocolo de comunicacin durante emergencias

Las decisiones deben ser tomadas de manera inmediata, por lo que es necesariocontar con un protocolo de comunicacin especial durante las emergencias, queincluya tambin comunicacin directa con los Comits de Atencin deEmergencias Municipales y Regionales. Lo anterior se da para situaciones deinundaciones y/o niveles mnimos. Las situaciones son las siguientes:

Descarga por la compuerta por niveles altos de la laguna: en elmomento en que el nivel sea igual o superior a 1.90 m, el funcionario


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responsable informar telefnicamente al operario de la compuerta paraque abra gradualmente la descarga. Esta operacin se efectuar previacoordinacin con el CREPAD y CLOPAD.

Apertura de la compuerta durante la temporada seca: esta operacin se

har en el momento en que la laguna tcnicamente permite descargas porrequerimientos de usuarios. Cierre parcial o total de las compuertas: a partir del monitoreo se

evaluarn las condiciones de la laguna y en el momento en que el nivel seainferior a 0.30 m, se coordinar el cierre de las compuertas, lo cual se harde manera gradual.

En cuanto a las decisiones de maniobra de la compuerta, la Corporacin, stasdeben ser tomadas por el funcionario responsable de la Subdireccin de

Administracin de los Recursos Naturales y reas Protegidas. Los reportes diariossobre el estado de la laguna se compilan en el Centro de Monitoreo Hidrolgico ydel Clima en la sede central, en donde se evala diariamente las condicioneshidrolgicas (niveles) y meteorolgicas (lluvias).

Elaboro: Ing. Humberto Hernndez Roa

Fecha: 15 de Septiembre de 2011

manual de operación hidraulica

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