Ciencia y Técnica de la Ingeniería Civil

Aprovechamiento hidroeléctrico en Siberia Influencia de los atascos y barreras de hielo en la Central Hidroeléctrica de Motyginskaya Angara hydropower development scheme in Siberia. Influence of ice jams in the Motyginskaya Hydropower Plant

César Adolfo Alvarado-Ancieta. Ingeniero Civil, M.Sc. ILF Beratende Ingenieure ZT Gesellschaft mbH, Austria Departamento de Centrales Hidroeléctricas, Presas e Ingeniería de Ríos Feldkreuzstrasse 3, A-6063 Rum bei Innsbruck, www.ilf.com. [email protected]

Resumen: Se hace una breve descripción del aprovechamiento hidroeléctrico del río Angara en Siberia, y se analiza la influencia de la ola producida por los atascos / barreras de hielo, y como ésta impacta en la avenida de diseño del proyecto hidroeléctrico Motyginskaya. La estimación del caudal de la máxima avenida para un determinado período de retorno es un factor elemental a fin de brindar seguridad y adecuado diseño al proyecto hidroeléctrico.

Palabras Clave: Río Angara; Ro ; Siberia; Rusia; Aprovechamiento hidroeléctrico; Esquema en cascada; Inundaciones-avenidas; Avenida de diseño; Atascos de hielo; Barrera de hielo; Presas de hielo

Abstract: A brief resume on the hydropower development at river Angara in Siberia is presented, together with the analysis of how the break-up of ice jam can impact on the design flood of the Motyginskaya hydropower project. The maximum flood flow estimates for a return period is a vital element in ensuring the safety and design of the HPP.

Keywords: River Angara; River Yenisey; Siberia; Rusia; Hydropower development; Cascade scheme; Flooding-floods; Design flood; Ice jams; Ice barriers; Ice dams

1. Introducción nómeno de los atascos o barreras de hielo sobre la avenida de diseño de la futura central hidroeléctrica La última década (1998-2008) ha registrado un Motyginskaya. crecimiento sostenido en el consumo eléctrico debido al desarrollo económico de la Comunidad de Estados Independientes de la antigua Unión Soviética. El incre- 2. El esquema en cascada del aprovechamiento mento de la demanda de energía necesita ser satisfe- hidroeléctrico Angara cha. En Siberia el aprovechamiento hidroeléctrico empieza hacia 1950. El río Angara, de 1,850 km de El mayor aprovechamiento hidroeléctrico en Sibe- longitud hasta su confluencia con el río Yenisey con ria pertenece al esquema en cascada del río Angara, una cuenca de 1,039,000 km2 de área es uno de los rí- el cual básicamente consiste de 5 centrales hidroeléc- os más importantes en Siberia y ha sido aprovechado tricas, ver Figura 1 –sin considerar la propuesta de la considerando un esquema hidroeléctrico en casca- central hidroeléctrica Nizhme-Boguchanskaya–, el da. La construcción de la central hidroeléctrica Moty- cual después de su completa ejecución aprovechará ginskaya se tiene previsto iniciar para el año 2010. Un prácticamente todo el potencial energético del río. tema importante en el proyecto se encuentra deter- El potencial energético anual ha sido estimado en minado por el impacto de la ola producida por el fe- aproximadamente 163 TWh. El actual potencial ener-

Se admiten comentarios a este artículo, que deberán ser remitidos a la Redacción de la ROP antes del 28 de febrero de 2009. Recibido: septiembre/2008. Aprobado: noviembre/2008

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abastecimiento de energía para la industria en el Lago Embalse Baikal Irkutskaya 457 m snm área del proyecto. En la actualidad operan en el esquema 3 centrales 63,000 M m3 hidroeléctricas, ver Figuras 1 y 2. Estas son las centrales de Irkutsk, Bratsk y Ust-Ilimsk, las cuales ingresaron en Embalse Bratskaya 401,73 m snm CH Irkutskaya operación en 1959, 1967 y 1977 respectivamente. Estas centrales hdiroeléctricas disponen de una capacidad 169,300 M m3 instalada totalizada en 9,002 MW. Brastk y Ust-Ilimsk son

Embalse aproximadamente de similar capacidad y son las ma- Ust-llimskaya 496 m snm CH Bratskaya yores plantas hidroeléctricas con una capacidad ins-

58,930 M m3 talada de 8,820 MW, que en su conjunto producen el

Embalse 93% de la energía existente. La planta de Ust-Ilimsk ha Boguchanskaya 208,5 m snm CH Ust-llimskaya visto reducida su potencial instalada de 4,320 MW a

58,200 M m3 3,840 MW. Embalse 127 m snm En la Tabla 2 se presentan los principales paráme- CH Boguchanskaya Motyginskaya (en construcción) tros de los embalses en el esquema del río Angara. 4,800 M m3

CH Motyginskaya (proyectada) 3. La Central Hidroeléctrica Motyginskaya

Fig. 1. Esquema del gético anual aprovechable es de 72.70 TWh con una aprovechamiento El proyecto hidroeléctrico Motyginskaya, tipo run-of- hidroeléctrico en capacidad de potencia instalada de 14,252 MW, ver cascada del río river, comprende el aprovechamiento de las descargas Tabla 1. Dicha capacidad instalada ha sido cuantifi- Angara. provenientes de la central hidroeléctrica Boguchanska- cada para las centrales hidroeléctricas existentes y en ya (en construcción) y de seis ríos tributarios (Chadobez, actual construcción teniendo como base información Mura, Karabula, Irkiniyeva, Manzya y Kamenka) en el río disponible. La justificación económica para la imple- Angara, en el tramo comprendido entre los sitios de pro- mentación y producción energética se apoya en el yecto Boguchanskaya y Motyginskaya.

Tabla 1. Principales parámetros de las centrales hidroeléctricas en el esquema del río Angara

Centrales Caída bruta Caudal Número de Potencia Potencia P [MW] Energía Hidroeléctricas H [m] Q [m3/s] unidades unitaria E [TWh] Pu [MW] Existente Proyectado Total

Irkutsk 35 3,200 8 82.8 662.4 0 4

Bratsk 108 5,300 18 250 4,500 0 22.5

Ust-Ilimsk 108 5,040 16* 240 3,840* 0 21.2

Boguchanskaya 70 5,175 9 333.3 0 3,000 13.3 - Fase 1

Boguchanskaya 70 5,175 + 1,725 9 + 3 333.3 0 3,000 + 1,000 13.3 + 4.5 - Fase 2 = 6,900 = 12 = 4,000 = 17.8

Motyginskaya 26.5 4,200 8 125 0 1,000 6.95 -Fase 1

Motyginskaya 26.5 4,200 + 1,050 8 + 2 125 0 1,000 + 250 6.95 + 0.25 - Fase 2 = 5,250 = 10 = 1,250 = 7.2

Total 9,002 5,250 14,252 72.70

(*) Inicialmente fueron 18 unidades con una potencia total instalada de 4,320 MW.

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Fig. 2. Esquema hidráulico proyectado del río Angara. CH Irkutsk

Puesta en operación 1959 CH Irkutsk

Q = 3,200 m3/s CH Bratsk Río Angara

Puesta en operación 1967 CH Bratsk

Q = 5,300 m3/s

CH Ust-llimsk Puesta en operación 1977 CH Ust-llimsk

3 Q = 5,400 m /s CH Boyuchanskaya Río Angara

CH Boguchanskaya En construcción

3 A ser puesta en operación 2009 QFase 1 = 5,175 m /s 3 QFase 2 = 1,725 m /s CH Motyginskaya 3 QTotal = 6,900 m /s

Proyectada CH Motyginskaya

3 QFase 1 = 4,200 m /s 3 QFase 2 = 1,050 m /s 3 QTotal = 5,250 m /s Río Angara

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Tabla 2. Principales parámetros de los embalses en el esquema del río Angara

Embalse Nivel Máximo Volumen Total Volumen Útil Capacidad Hidráulica en el Embalse [106 m3] [106 m3] del Aliviadero de Compuertas [m snm] (Avenida de Diseño) [m3/s]

Irkutsk 457.00 63,000 46,000 4,300 Bratsk 401.73 169,300 47,080 4,680 Ust-Ilimsk 296.00 58,930 2,740 13,900 Boguchanskaya 208.50 58,200 2,310 16,700 Motyginsklaya 127.00 4,800 400 a ser definido

El planteamiento de la central hidroeléctrica Moty- proyecto Motyginskaya en dos fases. La primera fase Fig. 3. Esquema hidráulico del río ginskaya en el río Angara se ubica en la progresiva km comprenderá una potencia instalada de 1,000 MW y Angara entre los 151+600, aguas arriba de la confluencia del río Anga- la casa de máquinas sera equipada con 8 unidades sitios de la CH Boguchanskaya ra con el río Yenisey. El proyecto creará un embalse de turbinas tipo Kaplan para un caudal de diseño de (en construcción) 6 3 3 y la CH de aproximadamente 4800 x 10 m y proveerá un vo- 4,200 m /s. Durante una segunda fase se incrementa- Motyginskaya lumen útil de 400 x 106 m3. Se propone implementar el rá la potencia instalada en 250 MW mediante dos uni- (proyectada). dades adicionales para un caudal de diseño de 1,050 m3/s, totalizando 5,250 m3/s.

4. El esquema hidráulico Motyginskaya CH-Embalse Boguchanskaya (en construcción) La Figura 3 presenta el esquema hidráulico para el Syromolotovo Río Chadobez aprovechamiento del proyecto hidroeléctrico Moty- Zaladayevo Yarkino ginskaya. En ésta muestra la ubicación de las estacio- nes de aforo en el río Angara localizadas en Symorolo- Río Mura Irba tovo (C.H. Boguchanskaya), Boguchany y en los prin- Río Angara Chunoyar cipales ríos tributarios: Chadobez, Mura, Karabula, Irki- Boguchany niyeva, Manzya y Kamenka. Información evaluada de Ust Karabula estas 8 estaciones de aforo de caudales fue conside- Río Karabula Karabula Ust´- Karabula rado en el correspondiente análisis. Pinchunga Río Pinchunga

Río Irkiniyevo Irkiniyevo 5. Cuencas aforadas en los alrededores Manzya Río Manzya del área del proyecto Río Uda () Río Kamenka Kamenka CH-Embalse Motyginskaya Se compiló la información de 6 estaciones de aforo (proyectado) correspondientes a 6 sub-cuencas, y 2 estaciones de Río Motygino Motygino aforo ubicadas en el área principal de la cuenca en di- Río Uda (Chuna) ferentes locaciones. El área de la cuenca del proyecto comprendida entre las centrales hidroeléctricas de Bo- Río Tatarka Río Tatarka gunschanskaya y Motyginskaya es de 69,330 km2. Se Leyenda: determinó que de esta área de drenaje el área afora- Río Angara 2 Estación de aforo da es de aproximadamente 47,330 km y el área sin 2 Tramo de cobertura de hielo y aforar es de 22,000 km . Dos estaciones de aforo co- presencia de atascos de hielo rrespondientes a las sub-cuencas Kamenka y Manzya registran caudales precisamente antes de la confluen-

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Tabla 3. Áreas de las cuencas entre las centrales hidroeléctricas de Boguchanskaya y Motyginskaya

# Cuenca Estación de Aforo Area [km2] Area Area Area de la cuenca aforada sin aforar Total del Angara hasta [km2] [km2] [km2]

1 Boguchanskaya Syromolotovo 832,000 832,000 0 832,000

2 Chadobez Yarkino 13,300 4,800 34,000

3 Mura Irba 9,320 2,250

4 Otras antes de / Others before - 0 5,670 Boguchany

5 Boguchany (1+2+3+4) Boguchany 866,000 866,000 0 866,000

6 Karabula Karabula 4,190 2,000 35,330

7 Irkiniyevo Bedoba 8,950 2,500

8 Manzya Manzya 1,510 0

9 Kamenka Kamenka 11,400 0

10 Otras antes de / Others before - 0 4,780 Motyginskaya

11 Motyginskaya (5+6+7+8+9+10) - 901,330 880,670 22,000 901,330 cia de estos ríos tributarios con el río Angara. Otras 4 es- 6. Caudales máximos primaverales - período de taciones de aforo, pertenecientes a las sub-cuencas avenidas y formación de atascos/barreras de hielo Chadobez, Mura, Karabula e Irkiniyevo registran cau- dales a aproximadamente 133 km, 168 km, 73 km y 82 Los ríos tributarios de la cuenca baja del río Anga- km aguas arriba de sus confluencias con el río Angara ra empiezan a congelar en promedio durante la se- respectivamente. Debido a esta razón el área no afo- gunda quincena de Noviembre. El incremento de la rada de dichas 4 sub-cuencas es de 11,500 km2. Ade- probabilidad de formación de atascos / barreras de más, se tiene un área sin aforar de 10,450 km2 corres- hielo, el cual es un fenómeno recurrente de los ríos si- pondiente a pequeñas quebradas o riachuelos. Estas berianos, cuyos cursos tienen la dirección sur - norte, dos últimas áreas hacen un total de 22,000 km2 de area como el río Angara-Yenisey, ver Figura 4, juega un rol sin aforo, la cual tiene la característica que se encuen- importante en la avenida de diseño. Los primeros tra ubicada en montañas de baja altura entre los 100- vientos primaverales en el sur, las brisas de cambio de 150 m (230-280 m snm) de diferencia con respecto a los estación que se mueven en dirección norte indicando 130 m snm, que es la cota de elevación de la corona la llegada de la época de avenidas e inundaciones, de la proyectada presa Motyginskaya. Esta característi- producen la rotura o resquebrajamiento de la hasta ca hace que la contribución del caudal medio aguas ahora estable capa o cobertura de hielo. abajo de las estaciones de aforo de los ríos tributarios El período de formación de la cobertura de hielo Chadobez, Mura, Karabula e Irkiniyevo sea considera- tiene una duración de 150 a 170 días, que alcanza un da insignificante. Sin embargo, la contribución de des- espesor de la capa de hielo en promedio de 70 a 90 carga más importante durante época de avenidas es cm (en casos extremos de 100 a 115 cm) en pleno in- la que corresponde al caudal registrado en Boguchany vierno. En el cauce de la cuenca baja de río Angara debido a la formación de atascos / barreras de hielo se localizan dos tramos o secciones singulares, que entre los sitios ubicados aguas abajo de Syromolotovo se diferencian de otras con respecto a las condicio- (Boguchanskaya) y aguas arriba de Boguchany, don- nes favorables para la formación de atascos / barre- de un fenómeno especial ocurre. La Tabla 3 resume las ras de hielo. Un tramo se ubica desde el sitio de la áreas de las pequeñas sub-cuencas ubicadas entre las presa de la existente C.H. Ust-Ilimskaya ubicada en la proyectadas centrales hdiroeléctricas de Boguchans- progresiva km 818+000 hasta el sitio de presa de la kaya y Motyginskaya. C.H. en construcción Boguchanskaya en la progresi-

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Fig. 4. Curso del río Angara- Yenisey de sur a norte. (Fuente Hydrographic Data Network for the Arctic Region).

va km 444+000 en el río Angara. El segundo tramo se ex- gración de la capa de hielo del río Angara en la esta- tiende desde el sitio de presa de la C.H. Boguchanska- ción de aforos en Kezhma, situada a 190 kilómetros ya hasta su confluencia con el río Yenisey, es decir un aguas arriba del sitio de presa Boguchanskaya, ubica- tramo de 444 km. do en la parte media del primer tramo inferior del río An- gara. 6.1. Atasco / Barrera de hielo en el tramo En los últimos 11 años el atasco / barrera de hielo fue comprendido entre las central hidroeléctricas registrado solamente una vez por la estación de aforos Ust-Ilimskaya (existente) y Boguchanskaya en Kezhma, en el año 1996, después de 10 días de la (en construcción) deriva de un pesado bloque de hielo que hizo que el ni- vel del agua se elevara por encima de 349 centímetros Este tramo se ubica entre los sitios de las presas de la (esto es 29 centímetros supeior al nivel del embalse en C.H. Ust-Ilimskaya (progresiva km 818+000 del río Anga- la villa de Kezhma). El año que ocurrió el atasco / barre- ra) y C.H. Boguchanskaya (progresiva km 444+000). En ra de hielo el invierno fue más caliente de lo que suele la mayor parte de esta sección, las condiciones de la ser generalmente, lo que significó la llegada temprana desintegración del hielo se producen principalmente de la primavera. La respuesta de porqué sucedió el por las descargas provenientes de la C.H. Ust-Ilimskaya. atasco / barrera de hielo se debe a la situación del río Su efecto demuestra que durante temperaturas de aguas abajo de la estación de aforos en Kezhma - el lu- agua positivas la desintegración del hielo es más suave gar del cual el hielo se fue a la deriva después de diez debido al debilitamiento de dicha capa de hielo exis- días de niveles altos o elevados en la sección de aforos. tente en el río por las descargas de la C.H. Ust-Ilimskaya. Puesta el hielo en movimiento debido a las descargas Consecuentemente, el proceso de formación de atas- del embalse Ust-Ilimskaya, el hielo llenó o saturo gra- cos / barreras de hielo han perdido su intensidad desde dualmente el canal del río en dirección aguas abajo de los años 80, y el resquebrajamiento de la capa de hielo al estación de aforos Kezhma (ubicada aproximada- ya no es acompañado por la subida súbita de niveles mente a 180 kilómetros río abajo de la C.H. Ust-Ilimsk) de agua. Esta conclusión se ve confirmada trás un aná- formando una cubierta sólida de hielo y originando un lisis de los datos observados del proceso de la desinte-

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Fig. 5. Cobertura de hielo en el río atasco / una barrera de hielo tan al aproximarse esta a Angara. Izda., cia de los ciclones del oeste y suroeste durante la prima- formación de hielo la estación de aforos Kezhma. ubicada aguas vera causa el resquebrajamiento y desintegración del Así, en los últimos 11 años el máximo nivel de agua arriba del sitio de hielo. presa Motyginskaya. registrado como resultado a la desintegración de la ca- Dcha., formación de Un gran tributario del río Angara, es el río Tasayeva pa de hielo fue registrado en 1996, en que un atasco / hielo situada aguas (ubicado a 55 km aguas abajo del sitio de Motyginska- abajo de la villa de barrera de hielo se formó aguas abajo de la estación Boguchany. ya) el cual es formado por los ríos Chuna y Birsuya, los (Fuente Google de aforos en Kezhma. La posterior desintegración de la Earth, 2008). cuales fluyen de dirección suroeste hacia el noroeste. capa de hielo causó grandes fluctuaciones del nivel de Este acelera el proceso de desintegración del hielo en agua en el río durante ese año, lo que significó que el el tramo del río de Angara aguas abajo del lugar en nivel de agua ascendiera en 2.2 m. donde el río de Taseyeva confluye. Bajo la influencia de las aguas provenientes del deshielo de las áreas de ca- 6.2. Atasco de hielo en el tramo comprendido becera del extremo sur (meridionales) de los ríos Chuna entre las central hidroeléctricas Boguchanskaya y , el río de Taseyeva inicia la desintegración de (en construcción) y la confluencia con el río Yenisey su cobertura de hielo más temprano que el río Angara. La desintegración del hielo de los tramos de desem- El segundo tramo de la cuenca baja del río Angara, bocadura de los ríos Taseyeva y Angara es acompaña- ver Figura 5, comprendido desde el sitio de presa de la da, en general, por la formación de atascos / barreras C.H. Boguchanskaya (actualmente en construcción) de hielo en los ríos Taseyeva o Angara cerca de la esta- hasta la confluencia con el río Yenisey - una distancia ción de aforos de Tatarka (situada a 92 kilómetros de 444 km - no se encuentra bajo la influencia termal aguas abajo del sitio de presa Motyginskaya). Las ma- de las descargas provenientes del embalse de la C.H. sas del agua acumuladas por el atasco / barrera de Ust-Ilimskaya. Los procesos de desintegración de la co- hielo impactan, fuerzan y empujan a la capa de hielo bertura de hielo sobre el río se encuentran determina- existente del río Taseyeva hacia el río Angara. Estas hielo dos por la dinámica de las condiciones hidrometeoroló- transita y se acumula constantemente sobre la margen gicas de los períodos de invierno y primavera. La ubica- izquierda de la desembocadura del río Angara en una ción de la latitud del río en éste tramo y la predominan- longitud de 60 km con inevitables atascos / barreras de

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hielo en su cauce. Las condiciones de la desintegración intermedio de la cuenca baja del río Angara comienza del hielo en éste segundo tramo de la cuenca inferior a romperse desde la estación de aforos en Rybnoye (si- del río Angara fueron analizados en base a datos obser- tuada a 35 km aguas abajo del sitio de presa Motygins- vados y recopilados en cinco estaciones de aforo (Bo- kaya) hacia aguas arriba una vez que alcance la de- guchany, a 316 km; Kamenka, a 207 km; Rybnoye, a 101 sembocadura del río libre de hielo. La situación 3 (el 30% km; y Tatarka, a 30 km de distancia de la desemboca- de todos los casos) se caracteriza por la desintegración dura del río) situadas en el río Angara propiamente di- del hielo prácticamente simultánea de la cobertura de cho, y una quinta estación de aforos, Mashukovka, so- hielo sobre el río Angara en el tramo compendido entre bre el río Taseyeva a 46.5 km de la desembocadura de las villas de Boguchany y Motygino. río. Un análisis de los datos observados muestra que en Se analizaron los datos sobre las condiciones de de- los últimos 11 años las desintegraciones de hielo registra- sintegración del hielo en el río Angara para el período das en la estación de aforos en Kezhma empezaron 1994-2004 dentro de los rangos de las estaciones de más temprano que aquellas sobre el río Taseyeva y en aforo mencionadas. La característica principal que se el tramo de la desembocadura del río Angara. Cada distinguió de los procesos de deshielo del río de Angara año, la cubierta del hielo sobre el río Taseyeva y el tra- fue la formación de los atascos / barreras de hielo mo de desembocadura del río Angara se resquebrajó aguas arriba y abajo de las estaciones de las estaciones antes que el existente en el tramo del río Angara entre de aforo. Estas masas de atascos / barreras de hielo, sig- las villas de Boguchany y Motygino (estación de aforos nificaron el incremento súbito del nivel del agua en el en Rybnoye). Según los datos proveídos por la estación río, variando este de un año a otro. de aforos en Rybnoye, los deshielos o desintegraciones Sobre los últimos 11 años, todas las estaciones de de la primavera fueron acompañados por atascos / aforos han registrado grandes atascos / barreras de hie- barreras de hielo en tres ocasiones durante los últimos 8 lo que se han traducido en el incremento súbito de los años. Los atascos / barreras de hielo más pesados se re- niveles de agua causando inundaciones en los centros portaron durante la primavera de los años 2000 y 2002. poblados más cercanos. Así por ejemplo en la villa de La estación de aforos en Tatarka reporta que las de- Boguchany, se registro que solamente dos de los últimos sintegraciones del hielo fueron acompañadas por atas- 11 años transcurrieron sin atascos / barreras de hielo. El cos / barreras de hielo en 7 ocasiones durante los últi- atasco / barrera de hielo más grande ocurrió en la pri- mos 11 años. Los atascos / barreras de hielo más pesa- mavera de 1999. Según los datos observados y recopila- dos se reportaron durante la primavera de los años dos de la estación de aforos en Kamenka, en los últimos 1991, 1995, 1997 y 2001. El atasco / barrera de hielo del 11 años se atestiguaron 5 atascos / barreras de hielo. mes de Abril de 1991 significó un incremento súbito del Los atascos / barreras de hielo más pesados ocurrieron nivel de agua en 2 m superior al nievl de máximas ave- justamente aguas abajo de la estación de aforos, en la nidas permisible en la villa de Tatarka. Los deshielos del curva del cauce del río de Angara durante el mes de río Taseyeva - el tributario principal de la margen izquier- Mayo de 1998, 2001 y 2004. El atasco más pesado del da del río Angara, ubicado a 70 km de la desemboca- hielo (se registro en el mes de Mayo del 2001) dio lugar dura - fueron acompañados atascos / barreras de hielo al incremento súbito del nivel de agua en el río hasta 2.4 en cinco ocasiones durante los últimos 11 años. Durante m por encima del nivel máximo de avenidas permisible este período, los atascos de hielo más pesados fueron en la villa de Kamenka. observados en 1999 y 2004, con niveles de agua supe- La desintegración del hielo en la parte principal del riores a lo permisible inundando completamente la al- segundo tramo de la cuenca inferior del río Angara en- dea de Mashukovka. tre las villas de Boguchany y Motygino puede, depen- Desde la desembocadura del río Angara, una vasta diendo de la combinación de las condiciones hidrome- parte del río Yenisei permanece sin hielo gracias a que teorologicas durante los meses de invierno y otoño, se- allí ocurre una temprana desintegración, y también de- guir una de las tres siguientes situaciones. Situación 1: ro- bido al efecto termal de las aguas provenientes del em- tura de la cobertura de hielo de aguas arriba hacia balse de Krasnoyarskaya, así como a un posterior calen- aguas abajo, es decir desde la aldea de Boguchany tamiento por los rayos solares durante la primavera. No hasta la desembocadura del río (sucedió en 5 casos de se observó ninguna conexión clara entre las situaciones 11). Situación 2: la capa de hielo sobre el río en el tramo anteriormente dichas con respecto a los deshielos en el

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Fig. 6. Espesor de la cobertura de hielo.

río Angara en el tramo Boguchany-Motygino y la intensi- va de la estación de aforos en Boguchany para el mes dad de los procesos de atascos / barreras de hielo. de Marzo de los años 1975 y 2003. Prácticamente todas estas situaciones pueden ge- nerar pesados atascos / barreras de hielo en los tramos separados descritos. Por otra parte, un invierno suave 7. Caudales en Áreas de Cuencas no aforadas que generalmente no significa necesariamente que és- te no se presentará o que su intensidad será menos, La incertidumbre en la correlación de caudales pico también produce atascos o barreras de hielo en la en áreas de drenaje pequeñas sobre los caudales que cuenca baja del río Angara una vez que la cpa de hie- transitan entre los sitios de las presas de Boguchanskaya lo se ha resquebrajado. Resumiendo, la desintegración y Motyginskaya significa una diferencia del 2.5% del de los atascos / barreras de hielo durante la primavera caudal medio en la presa de Motyginskaya. presenta una gran contribución en el incremento de los Las lluvias máximas nunca exceden el nivel de los pi- niveles de agua y caudales en Boguchany. cos durante el período de avenidas en primavera. Por lo La Figura 6 presenta como ejemplos la situación del tanto dichas lluvias no tienen un impacto significativo en espesor de la capa de hielo en la sección representati- el dimensionamiento de la C.H. Motyginskaya. Esto es

Tabla 4. Relación área de cuenca - caudal específico

# Cuenca Area, Caudal pico Caudal 2 3 A [km ]QP [m /s] específico (registrado) q [l/s km2]

1 Syromolotovo - Boguchanskaya 832,000 5,110 6

2 Chadobez 13,300 1,620 122 3 Mura 9,320 557 60 4 Otras antes de/Others before Boguchany 11,380* 729* 64 5 Boguchany 866,000 20,600x 24 6 Karabula 4190 454 108 7 Irkiniyevo 8,950 3,660 409 8 Manzya 1,510 213 141 9 Kamenka 11,400 2,640 232 10 Otras antes de / Others before Motyginskaya 9,280* 1,830* 197 11 Motyginskaya 901,330 29,397+ x 33

(*) estimado mediante correlación simple de Qp y A. (+) el 94% de éste caudal es registrado x) influenciado de bido a atasco de hielo.

Revista de Obras Públicas/Diciembre 2008/Nº 3.494 15 César Adolfo Alvarado-Ancieta

Tabla 5. Comparación entre caudales pico registrados y estimados con la formula propuesta considerando la influencia de atascos de hielo

Caudal pico [m3/s]

Cuenca Area [km2] Registrado Estimado

Syromolotovo-Boguchanskaya 832,000 5,110 6,280

Boguchany 866,000 20,600 18,170

Motyginskaya 901,330 29,397* 30,520

*el 94% de éste caudal es registrado. relevante para cuatro ríos tributarios (ríos Chadobez, cuenca y el caudal específico para los caudales pico Mura, Karabula e Irkiniyevo) con áreas sin aforar aguas registrados de la serie 1975-2004, incluyendo el efecto de abajo de la ubicación de sus correspondientes estacio- los atascos / barreras de hielo aguas abajo de Bogu- nes de aforo y otras areas sin aforar no incluidas en el chanskaya. drenaje de estos ríos tributarios. Además, es importante La Figura 7 presenta la relación entre el área de la remarcar que el caudal medio proveniente de los ríos cuenca y el caudal específico, y además muestra la di- tributarios localizados entre los sitios de presas Bogu- ferencia existente entre caudales específicos de peque- chanskaya y Motyginskaya es inferior a 180 m3/s, y que ñas cuencas tales como Chadobez, Mura, Karabula, Irki- el caudal medio entre la villa de Boguchany y el sitio de niyevo, Manzya y Kamenka, y la correspondiente a presa Motyginskaya es inferior a 116 m3/s. Esto significa grandes cuencas como Syromolotovo-Boguchanskaya, que el caudal de las cuencas no aforadas asciende a Boguchany y Motyginskaya. El análisis de la información aproximadamente el 5% y 3%, respectivamente, del va- disponible hace viable la estimación de cuadales pico Fig. 7. Relación lor del caudal medio en el sitio de presa Motyginskaya area de cuenca - en el área de las cuencas con la aplicación de las for- equivalente a 3644 m3/s. caudal mulas aquí propuestas para pequeñas y grandes cuen- específico En base a la información recopilada se elaboró la Ta- Boguchany y cas (éste último considerando la influencia de atascos / Motyginskaya bla 4 donde se presenta la relación entre el área de la influenciados por barreras de hielo) que se presenta en la Figura 8. atacos de hielo. Las descargas estimadas en Syromolotovo, Bogu- chany y Motyginskaya se basan en caudales pico y en la complementación de información bajo las fórmulas propuestas dando un resultado similar al caudal regis- ]

2 trado.

8. Avenidas Primaverales

La Figura 9 presenta las avenidas primaverales - cau- dales máximos instantáneos registrados en la estación de aforos de Boguchany en el período 1975-2004. La Fi- gura 10 muestra los caudales medios diarios registrados para la avenida del año 1989 durante los meses de Abril, Mayo y Junio. Una situación peligrosa sucede durante las avenidas primaverales (Burakov, 2007) originado por los atascos /

Caudal específico / Specific discharge, q [l/s.km barreras de hielo sobre el río Angara, en el tramo aguas abajo de la C.H. Ust Ilimsk, en una longitud de aproxima- damente 350 km, donde las inundaciones producto de los deshielos, de la rotura o resquebrajamiento de la co- Area [km2] bertura de hielo en el río y por ende de la formación de

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Fig. 8. Relación área de cuenca - caudal pico Boguchany y Motyginskaya influenciados por atacos de hielo. /s] 3 Caudal / Discharge[m

Area [km2] atascos / barreras, origina la sobreelevación del nivel cual se propaga rápidamente hacia aguas abajo. La de agua en el río hasta un máximo de 9 a 11 m medido altura de ésta ola es inferior a la altura de la ola que en la estación de aforos de Boguchany, así como tam- cuando esta se origina, pero ella todavía puede causar bién en otras tres estaciones (Kamenka, Ribnoe y Tatar- inundaciones en áreas de menor elevación o casi pla- ka) ubicadas aguas abajo, en el tramo final del río An- nas. También la velocidad del caudal en el río se incre- gara. menta, y los grandes pedazos de hielo moviéndose a

Fig. 9. una gran velocidad pueden producer daños severos en Caudales varias estructuras rivereñas. Dicha ola puede también máximos 9. Influencia del hielo en los niveles instantaneos originar la rotura de una cobertura de hielo en el río lo- registrados en de agua - Análisis de frecuencia del espesor el sitio de calizada a una buena distancia aguas abajo, culmi- Boguchany, en nando de ésta manera dicha ola en el inicio de un nue- el río Angara. En base a información registrada, la Figura 11 de- muestra que para la serie de datos 1975-2004, la proba- bilidad de ocurrencia de la altura máxima de la ola de- bido a un intenso flujo del deshielo con resquebraja- miento del mismo y la intervención de atascos / barre- /s] ras de hielo en Boguchany y Kamenka (superior a los 9 3 m hasta los 11 m y superior a los 6 m hasta 8 m respecti- vamente), y un espesor máximo de la capa de hielo en el río en Boguchany (superior a 1 m), esta en el rango

de probabilidad de ocurrencia de hasta el 15%. Caudal pico [m Sin embargo, es muy importante remarcar que los máximos niveles de agua en el río ocurren en el sitio donde se origina el atasco de hielo. Cuando un atasco produce la descarga, éste genera un pico en la ola el Años

Revista de Obras Públicas/Diciembre 2008/Nº 3.494 17 César Adolfo Alvarado-Ancieta

11. Hidrogramas en los sitios de Boguchany y Motyginskaya

La Figura 14 muestra los hidrogramas registrados y estimados en la villa de Boguchany y el sitio de presa /s] 3 Motyginskaya para las avenidas de los años 1989 y 1999 respectivamente. Dichos hidrogramas presentan la im- portancia que tiene la descarga producida en un tiem- po de 25 días debido a la ola generada por el atasco de hielo en el área de Boguchany, el cual alcanza su valor pico a los 12 días. Adicionalmente se presenta el

Caudal / Discharge[m hidrograma de la avenida estimada para la avenida de diseño decamilenaria en el sitio de presa Motygisn- 3 kaya equivalente a Q10,000 years = 33,580 m /s.

Días / Days

12. Avenida de Diseño para la Fig. 10. vo atasco de hielo donde la capa de hielo existente no Hidrograma Central Hidroeléctrica Motyginskaya tiene la resistencia suficiente para atenuar la ola que in- Caudales medios diarios [m3/s] gresa, produciendo por consiguiente una nueva ola, o para los meses de Las avenidas de diseño escogidas se basan en una Abril, Mayo, y la ola que se produciría producto del impacto o del June de la compilación de registros de 30 años (después de la choque es atenuada significativamente. avenida de 1989 puesta en operación de la C.H. Ust-Ilimsk). Este ha sido para La Figura 12 presenta que la cobertura de hielo y el Syromolotovo considerado adecuado para el correspondiente análisis (presa atasco de hielo tienen un impacto significativo en las Boguchanskaya) de frecuencia de avenidas. La importancia del impacto variables del flujo tales como nivel de agua y caudal. y sitio de de los atascos / barreras de hielo en la avenida de dise- Boguchany en río Angara. ño ha sido confirmada y se le considera como la princi- pal contribución en las series de descargas existentes 10. Análisis de Frecuencia de Avenidas analisadas. Las siguientes avenidas de diseño han sido en el sitio de presa Motyginskaya definidas:

En base a los caudales máximos instantaneos regis- 12.1. Avenida de diseño - Caso (n-1) trados, los cuales incluyen las descargas registradas en Boguchany, río Angara (incluyendo el incremento de Bajo esta consideración el valor de la avenida de di- caudales y niveles de agua debido a la ola generada seño decamilenaria, Q10000 es: por el atasco de hielo que se produce generalmente entre la C.H Boguchanskaya y la villa Boguchany), y de Avenida de diseño-Caso (n-1), 3 los principales ríos tributarios ubicados entre Boguchany Qd (n-1) = Q10,000 33,580 m /s y el sitio de Moytginskaya: los ríos Karabula, Irkiniyeva, Manzya y Kamenka, se llevo a cabo una estimación de La definición de la avenida de diseño fue esta- la avenida mediante un análisis de frecuencias. Para es- blecida teniendo en cuenta tal como se muestra to se utilizó una serie de 30 años comprendida entre en la Tabla 6 que los caudales máximos instanta- 1975-2004. neous obervados de las avenidas de los años 1989 Con estos registros se estimaron los parámetros de la y 1999 sobrepasaron los 20,000 m3/s, habiendo al- curva de probabilidad de caudales máximos así como canzado el caudal pico los 25,780 m3/s, y donde también las máximas descargas de diferente probabili- precisamente la principal contribución de descar- dad, ver Figura 13. La avenida de diseño estimada para ga es producto de la ola originada por el atasco diversos períodos de retorno Tr, con indicación de los in- de hielo. Bajo éste considerando la avenida de di- tervalos de confidencia superior e inferior (al 95%) se seño decamilenaria representa una seguridad del presentan en la Tabla 6. orden del 30% sobre el caudal pico existente ob-

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Probabilidad / Probability, P [%] seo áiodlheo/ hielo del máximo Espesor aimietikes[m] thickness ice Maxium Nivel máximo de la ola/ Maximum water level of the wave, WL [m]

Probabilidad / Probability, P [%]

Fig. 11. Probabilidad de ocurrencia de la altura maxima de la ola debido al atasco / barrera de hielo y adlpc ekdshre [m Q discharge, Peak / pico Caudal espesor de la capa hielo en el río. Serie de datos 1975-2004.

Fig. 12. Comparación de los niveles máximos y caudales picos

Nivel máximo de la ola/ debido a atascos /

3 barreras de /s] hielo y espsor de la capa de

Maximum water level of the wave, WL [cm] hielo en el río Angara registrado en las estaciones de aforos en Boguchany Años / Years y Kamenka. Serie de datos 1975-2004.

Revista de Obras Públicas/Diciembre 2008/Nº 3.494 19 César Adolfo Alvarado-Ancieta

Fig. 13. Curva de análisis de avenidas para la mejor function probabilística, Gumbel MLH, basada en caudales ] Years / [Años T, Period Return / Retorno de Periodo máximos instantáneos [m3/s] en el sitio de Motyginskaya en el río Angara, serie de datos 1975-2004. Los intervalos de confidencia (95%) son indicados con las curvas límites superior e inferior. Probabilidad de Excedencia / Probability of Excedencia [%]

Caudal / Discharge [m3/s]

servado. Es importante señalar que esto no es un los últimos 30 años fue aproximadamente 12,000 factor adicional. m3/s, en 24 años superior a los 10,000 m3/s y en 8 años cercano a 14,000 m3/s. Debido a esta conside- 12.2. Avenida de diseño - Caso (n) ración se definió aplicar como avenida de diseño todas las compuertas en operación para las obras de desvío una equivalente a 10 años

de período de retorno (Q10): Considerando la capacidad hidráulica, el alivia- dero de compuertas fue previsto con aberturas de Avenida de diseño - Obras de desvío, 3 similar dimensión. La avenida de diseño para el caso Qd OD = Q10 16,000 m /s de operación con todas las compuertas levantadas ha sido definido equivalente a la avenida decamile- Esta avenida de diseno también representa una

naria (Q10,000) más el caudal que transita por una seguridad del orden del 30% por encima del caudal compuerta adicional de similar capacidad. De esta medio máximo instantáneo previsto. Es importante se- manera se cumple con la condición (n-1): ñalar que esto tampoco es un factor adicional.

Avenida de diseño - Caso (n) todas las compuer- 3 tas en operación, Qd (n) 33,580 + Q1compuerta m /s 13. Conclusiones

12.3. Avenida de diseño - Obras de desvío Los atascos / barreras de hielo tienen un papel im- portante en las cosnideraciones de diseño para la esti- Con respecto a la avenida de diseño para las mación de la avenida de diseño en los proyectos hi- obras de desvío, los registros observados han con- droeléctricos en Siberia. Los hechos que aquí se han cluido que el caudal medio máximo instantáneo en presentado son una estimación preliminar de la aveni-

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Tabla 6. Avenidas de diseño para diferentes períodos de retorno

Tr Probabilidad Probabilidad Q Intervalo de confidencia al Intervalo de confidencia al Intervalo [Años) [-] [%] [m3/s] 95%, límite superior 95%, límite inferior extendido [m3/s] [m3/s] con respecto a Q, [+-%]

2 0.5 50 11,240 12,250 10,230 9

5 0.2 20 14,100 15,790 12,410 12

10 0.1 10 16,000 18,080 13,920 13

20 0.05 5 17,820 20,310 15,330 14

50 0.02 2 20,170 23,400 16,940 16

100 0.01 1 21,930 25,660 18,200 17

500 0.002 0.2 26,000 30,680 21,320 18

1,000 0.001 0.1 27,760 33,030 22,490 19

5,000 0.0002 0.02 31,830 38,200 25,460 20

10,000 0.0001 0.01 33,580 40,300 26,860 20 /s] 3

Fig. 14.

Caudal / Discharge [m Hidrogramas en la villa de Boguchany y sitio de presa Motyginskaya, incluyendo el hidrograma estimado de avenidas en la presa de Motyginskaya, para la avenida de diseño Dias / Days decamilenaria, Q10,000 years = 33,580 m3/s.

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con el río Yenisey, el río Angara discurre de este a oeste (ver Figura 2). La formación de atascos / barre- ras de hielo es el resultado de las tempranas brisas de la primavera provenientes del sur, que como conse- cuencia producen la ola de la avenida de dicha temporada moviéndose con dirección norte, la cual produce el resquebrajamiento de hasta ese momen- to aun estable capa de hielo. Esta consideración guía hacia una preliminar estimación para la determi- nación de la avenida de diseño decamilenaria en un valor intermedio entre los valores de confidencia su- perior e inferior, 33,580 m3/s. Además, el volumen de

Elevación [ m snm]/ Elevation [m asl] control de inundaciones del futuro embalse Motygins- kaya es pequeño. Similares aprovechamientos hidroeléctricos en Longitud / Length [km] cascada ejecutados en el Canadá muestran que a Fig. 15. Embalse pesar del volumen de embalse creado por los reser- Motyginskaya - Avenida de da de diseño del proyecto de la C.H. Moytginskaya. vorios, sucede el fenómeno de atascos / barreras de diseño Según las observaciones efectuadas en las centrales hielo con un considerable incremento de la altura de considerando la ola hidroeléctricas aguas arriba existentes (Irkutsk, Bratsk y la ola que estos originan. Por lo tanto la capacidad producida por el atasco de Ust-Ilimsk), los embalses proyectados en Boguchans- hidráulica en el cálculo de aliviadero de avenidas hielo. kaya y Motyginskaya podrían influir en el decrimento debe tener en cuenta la sobrelevación del nivel de de los efectos originados por los atascos / barreras de agua que produce el incremento de la ola de la hielo con respecto a la altura de la ola en el tramo avenida producida por el atasco de hielo. Una presa entre ambas locaciones y como consecuencia de hidroeléctrica construida en una región extrema in- ello una disminución en la avenida de diseño. Por lo vernal reducirá las avenidas producto de los deshie- tanto, la avenida decamilenaria podría también ser los hacia aguas abajo, pero puede agravar los pro- establecida para el límite inferior de conficencia so- blemas de atascos / barreras de hielo aguas arriba bre los 26,860 m3/s (ver Tabla 6) más un margen de (ver Figura 15). Futuras investigaciones serán focaliza- seguridad. Sin embargo, el tramo del río Angara com- das en éste interesante tópico. N prendido entre la C.H. Boguchanskaya y la confluen- cia con el río Yenisey representa una zona activa de Nota: Las figuras y tablas que aquí se presentan formación de atascos / barreras de hielo. Mientras el han sido elaboradas por el autor. Los datos han si- río Angara discurre de sur a norte desde Irkutsk hasta do obtenidos de diversas fuentes durante el estudio la mitad del tramo del río entre Ust-Ilimsk y Bogu- de factibilidad de la central hidroeléctrica Moty- chanskaya, en el tramo restante hasta la confluencia ginskaya.

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