Estudio de caso histórico del embalse Cresta

Dragado ambiental en el embalse de Cresta
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Demostración de dragado con bomba EDDY en el embalse de Cresta

por LARRY L. HARRISON 1, Miembro ASCE y HARRY P. WEINRIB

EDDY Pump environmental dredging

En 1994 se realizó en Cresta Reservoir en el norte de California una prueba de demostración de una nueva tecnología de dragado de lodo respetuosa con el medio ambiente utilizando la «bomba EDDY», una bomba de lodo de vórtice patentada, para verificar sus capacidades de rendimiento y determinar los impactos ambientales potenciales del dragado propuesto. El embalse, ubicado en el río North Fork Feather en el condado de Plumas, ha acumulado aproximadamente 2,3 millones de metros cúbicos de sedimentos, llenando casi la mitad de su capacidad total desde que se puso en servicio en 1949. Los sedimentos ponen en peligro el funcionamiento confiable de la presa y de la central eléctrica Cresta de 70 000 kW al obstruir las salidas del embalse. El propietario ha realizado una serie de estudios exhaustivos que investigan las alternativas de gestión de sedimentos para el embalse desde mediados de la década de 1980.

Para la demostración de la bomba EDDY, se dragaron aproximadamente 7833 metros cúbicos de depósitos de sedimentos arenosos cerca de la presa Cresta y se devolvieron al fondo del embalse 600 metros río arriba. Se monitorearon la turbidez, los sólidos en suspensión, el oxígeno disuelto, el flujo, la densidad de la suspensión y la tasa de producción. Se concluyó que el desempeño de la draga excedió las especificaciones de producción del fabricante y cumplió fácilmente con los estándares restrictivos de calidad del agua. Se mantuvieron densidades de lodos superiores al 70 por ciento de sólidos en peso, mientras que se alcanzaron picos superiores al 90 por ciento. Se observaron tasas de producción de más de 230 metros cúbicos por hora. La turbidez máxima de la columna de descarga fue de solo 12 unidades de turbidez nefelométrica (NTU) sobre la temperatura ambiente.

Fondo

Cable Deployed Dredge 8-inch Pump

Proyecto 2017 – Proyecto Sistema de Esclusas del Canal. La bomba de dragado colgante de cable de 8 pulgadas se utilizó para eliminar arena para este proyecto de expansión.

Desde 1984, el propietario de Cresta Reservoir ha evaluado una serie de métodos para abordar los problemas de sedimentos allí. y en el embalse similar de Rock Creek ubicado aguas arriba. Se consideró el dragado de almeja y de succión hidráulica con eliminación de sedimentos por camión, ferrocarril o tubería de lodo a vertederos distantes. Todas estas opciones implican impactos ambientales potenciales que podrían afectar negativamente la ecología acuática y terrestre de interés para las agencias reguladoras. El plan actual del propietario exige un dragado limitado en las presas seguido de un paso controlado de sedimentos río abajo durante las crecidas. Para el dragado de producción, la Junta Regional de Control de Calidad del Agua (RWQCB, por sus siglas en inglés) propuso el límite superior para la turbidez a 25 NTU por encima del nivel de fondo y limitó los sólidos suspendidos totales (TSS) a 80 mg/1 independientemente del nivel de fondo. El propietario, preocupado de que el equipo de dragado convencional no pudiera cumplir con estos estándares restrictivos, identificó la tecnología de dragado con bomba EDDY como una alternativa que podría cumplir con los estándares ambientales y dragar económicamente grandes volúmenes de sedimentos. (Han·ison, 1995)

La novedosa bomba EDDY es una máquina físicamente simple que contrasta con su diseño y rendimiento hidrodinámicos avanzados. La bomba consta de un rotor en voluta con una boquilla de succión y una salida de descarga. Las bombas para el servicio de dragado están construidas con aceros aleados de alta resistencia y resistentes a la abrasión. Las únicas partes móviles son el rotor y su eje. La potencia rotatoria puede ser aplicada por motores eléctricos o hidráulicos, o por ejes mecánicos de motores diesel u otros. Las velocidades de operación típicas están en el rango de 1000 a 2000 RPM. El rotor, ubicado dentro de la voluta opuesta a la boquilla de succión, imparte rotación a la columna de agua en la voluta y el tubo de succión, creando un vórtice que atrae agua y sólidos de la misma manera que un tornado levanta objetos. El vórtice de alta energía también sirve para aflojar sedimentos u otros sólidos, lo que les permite ser arrastrados por el flujo. Esta característica permite la formación de lodos con concentraciones muy altas de sólidos sin necesidad de chorros de agua o cabezales de corte. El rotor está fuera de la corriente de flujo, de modo que la grava e incluso los guijarros pueden pasar fácilmente a través de la bomba y descargarse sin chocar contra el rotor. La bomba también pasa fácilmente trapos, vegetación y desechos leñosos que atascarían otros tipos de bombas. Las bombas son fabricadas a medida por EDDY Pump Corporation en tamaños (diámetro de descarga) de 0,10 metros a 0,36 metros para una variedad de aplicaciones además del dragado.

La nueva tecnología EDDY Pump prometía: 1) poca o ninguna turbidez o resuspensión en la succión de la draga, 2) capacidad de dragar hasta la profundidad total de los embalses, 3) capacidad para manejar una amplia gama de materiales, desde arcilla hasta adoquines y desechos orgánicos, 4) capacidad para transportar sedimentos como lodo de alta densidad y mínimo efluente para ser tratado en el sitio de disposición. Además, la alta densidad de la lechada sugirió la viabilidad de depositar la lechada bajo el agua sin una resuspensión excesiva, con el potencial de ahorrar millones de dólares al propietario del embalse en comparación con la eliminación en vertederos.

Para verificar la viabilidad del dragado de EDDY Pump y la deposición en el depósito, el propietario firmó un acuerdo con «PB-MK Consultants and Engineers», una filial de EDDY Pump Corporation, para realizar un estudio del proyecto. una demostración a gran escala de la tecnología en Cresta Reservoir. La demostración pidió que se dragaran aproximadamente 7.646 metros cúbicos cerca de la presa y se depositaran en el fondo del embalse 610 metros río arriba. Los parámetros ambientales de turbidez, sólidos suspendidos y oxígeno disuelto debían ser monitoreados además del desempeño del dragado. El RWQCB impuso las mismas limitaciones restrictivas sobre la calidad del agua para la demostración que había propuesto para el dragado de producción.

Descripción de la draga

PB-MK diseñó y construyó una nueva e innovadora draga para la demostración. La draga se construyó en módulos para transportar en camiones al sitio de trabajo como cargas sin permiso. Esto era importante para el acceso al embalse de Cresta, ya que varios túneles de carretera restringían los espacios libres. El diseño modular permitió ensamblar la draga de manera eficiente sin volver a soldar los componentes principales. Se requirió una grúa para colocar los subconjuntos principales en el agua debido a las orillas empinadas y las aguas poco profundas cerca de la costa en el área de movilización, lo que impidió que los conjuntos se deslizaran o rodaran hacia el depósito. De lo contrario, el único equipo grande que se necesitaba para la movilización era una carretilla elevadora.

cable deployed dredge pump floating bargeLa plataforma principal de la barcaza de dragado que soporta los módulos de cabina de control y potencia, y la plataforma de bombeo de la que se suspendieron la bomba de dragado y el motor de accionamiento. Las dos plataformas estaban conectadas por una pluma con una conexión de pivote en la plataforma principal. Una bomba EDDY con descarga de 0,254 metros de diámetro impulsada por un motor eléctrico sumergible de velocidad variable de 224 kW era el corazón del sistema. La energía eléctrica principal fue suministrada por un generador diesel de 500 kW. El control de la velocidad de la bomba se logró variando la frecuencia de la energía utilizando un controlador de frecuencia de estado sólido. Se montó una bomba de agua de lavado impulsada por diesel de 7,6 metros cúbicos por minuto en la plataforma principal y se operó en modo de espera para proteger contra obstrucciones en la tubería en caso de mal funcionamiento. Una manguera flexible de descarga de la bomba, de aproximadamente 60 metros de largo, se colocó desde la plataforma de la bomba a través de la pluma y debajo de la plataforma principal en un sistema de rodillos, lo que permitió subir y bajar la bomba según fuera necesario. El equipo se configuró para dragar hasta 30 metros de profundidad. Se utilizaron accionamientos eléctricos para la mayoría de los equipos motorizados para minimizar cualquier posibilidad de derrames de petróleo.

Se montó un medidor de flujo de tipo de inducción y un densitómetro nuclear en una pequeña barcaza de instrumentos al final de la manguera de descarga detrás de la plataforma principal para monitorear el flujo y la densidad. Otros instrumentos incluyeron una cámara de video subacuática para observar el área de succión de dragado, un sonar de barrido lateral, turbidímetros de lectura continua, medidores de demanda de energía e indicadores de posición. Una computadora a bordo asistida con control del sistema calculó la tasa de producción y registró los datos de producción y calidad del agua.

Desde la barcaza de instrumentación hasta la plataforma de descarga se extendió una tubería de polietileno de alta densidad de 0,254 metros de diámetro y 550 metros de longitud con uniones termosoldadas. Los flotadores se amarraron a la tubería a intervalos de 4,5 metros. Al final de la tubería, se diseñó una plataforma flotante para suspender una cortina de sedimentos y sostener un difusor portado dentro de la cortina. Para la distancia de descarga de 610 metros, no se requirieron bombas de refuerzo. Si es necesario para tuberías más largas, una bomba EDDY también podría servir como una bomba de refuerzo eficiente.

Desafortunadamente, el diseño de la cortina de descarga de sedimentos resultó infructuoso y la cortina se retiró durante la mayor parte de la demostración después de la puesta en marcha inicial. Aun así, los parámetros de calidad del agua se mantuvieron dentro de los requisitos de la agencia. Los autores creen que un diseño de cortina mejorado podría haber logrado niveles aún más bajos de turbidez y TSS y puede ser necesario para sedimentos de grano más fino que los que se encontraron en el embalse Cresta.

Operación de dragado

En funcionamiento, la plataforma principal se colocó mediante líneas de cabrestante en cada esquina amarradas a los puntos de anclaje en tierra y la presa. En aguas abiertas se utilizarían anclas marinas. Un control de joystick para los cabrestantes de la línea de anclaje permitía al operador mover la plataforma principal en cualquier dirección.

Mientras la plataforma principal se mantenía fija, la plataforma de bombeo se balanceaba lentamente sobre la junta de pivote mediante controles de cabrestante a través de un arco de hasta 2,1 radianes (120 grados).

cable deployed dredge pump bargeLa bomba se elevaba o bajaba a la profundidad de dragado mediante cuatro líneas de cabrestante, una unida a cada esquina del marco de soporte de la bomba. Al variar la longitud de los cables de suspensión de forma independiente, la bomba y la boquilla de succión se inclinaron para optimizar la eficiencia de succión. La capacidad de controlar. la actitud y la ubicación de la boquilla en los tres ejes permitieron dragar el material con precisión quirúrgica en comparación con otros métodos de dragado. Además, la bomba estaba montada sobre muñones •. en su estructura de soporte para que un ariete neumático pudiera articularlo de un lado a otro al mismo tiempo que giraba a través del arco para dragar una franja de 2,4 metros de ancho. Después de cada balanceo, la draga se reposicionó para el siguiente paso.

Se montó un medidor de flujo de tipo de inducción y un densitómetro nuclear en una pequeña barcaza de instrumentos al final de la manguera de descarga detrás de la plataforma principal para monitorear el flujo y la densidad. Otros instrumentos incluyeron una cámara de video subacuática para observar el área de succión de la draga, un sonar de barrido lateral, turbidímetros de lectura continua, medidores de demanda de energía e indicadores de posición. Una computadora a bordo asistida con control del sistema calculó la tasa de producción y registró los datos de producción y calidad del agua.

Desde la barcaza de instrumentación hasta la plataforma de descarga se extendió una tubería de polietileno de alta densidad de 0,254 metros de diámetro y 550 metros de longitud con uniones termosoldadas. Los flotadores se amarraron a la tubería a intervalos de 4,5 metros. Al final de la tubería, se diseñó una plataforma flotante para suspender una cortina de sedimentos y sostener un difusor portado dentro de la cortina. Para la distancia de descarga de 610 metros, no se requirieron bombas de refuerzo. Si es necesario para tuberías más largas, una bomba EDDY también podría servir como una bomba de refuerzo eficiente.

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Resultados de demostración

El rendimiento físico de la draga superó las expectativas. Se mantuvieron densidades de lodos superiores al 70 por ciento de sólidos en peso, mientras que se alcanzaron picos superiores al 90 por ciento. Se observaron tasas de producción sostenida de más de 230 metros cúbicos por hora. En una prueba de 6,5 horas de duración, se dragaron aproximadamente 1681 metros cúbicos. El material dragado fue predominantemente arena media a fina con un D-50 de 0,5 mm. La cámara de video subacuática observó que cantidades de madera flotante hundida y desechos orgánicos se bombeaban a través del sistema sin obstruirse. En varios casos, se observó que la bomba succionaba grandes trozos de madera y trozos de hormigón y los descargaba a través de la tubería. Se bordearon profundidades de 15 metros sin problema. No se intentó un dragado más profundo, hasta la capacidad de diseño de 30 metros, porque el volumen de excavación resultante habría excedido el volumen aprobado por el permiso del Cuerpo de Ingenieros del Ejército de EE. UU. La demostración de dragado se detuvo cuando el volumen acumulado alcanzó los 7.833 metros cúbicos.

TABLA 1- DATOS DE PRODUCCIÓN DE DRAGADO SELECCIONADOS (PG&E, 1995)

 

Fecha

Dragado

Tiempo- Horas

% de 0(2eración

Hora Dredqinq

Metros cúbicos totales

Tasa de dragado

Metros3/Hora

12/14/94 6.5 87 1479 228
12/16/94 6.5 100 1681 258
12/19/94 5.5 76 1263 229
12/20/94 4.25 81 1154 271
12/21194 2.25 50 462 205

La turbidez, TSS y oxígeno disuelto (OD) se midieron en la estación de control aguas arriba, cerca de la succión de la draga, en el penacho aguas abajo de la descarga y en la estación de cumplimiento establecida en la entrada del túnel de energía. En promedio, turbidez alrededor de la entrada de la bomba. superó los niveles de fondo en solo 1,2 NTU. En ningún momento la turbidez o las concentraciones de sólidos suspendidos medidas en la estación de cumplimiento de la estructura de toma se acercaron a los límites establecidos por las agencias. El aumento máximo de turbidez fue de 1,9 NTU y la medición máxima de sólidos en suspensión fue de 9,0 mg/l. Aguas abajo de la plataforma de descarga, la turbidez estaba muy por debajo de los límites especificados para la estación de cumplimiento. El aumento máximo sobre la temperatura ambiente fue de 12 NTU. Las concentraciones de oxígeno disuelto no se vieron afectadas de manera apreciable por el dragado. (Creek, PG&E, 1995)

turba (UNT) SST (mg/1) turba (UNT) SST (mg/1) turba (UNT) turba (UNT)
12/14/94 105 0.8 1.0 1.9 4.0 2.4 10.5
12/16/94 76 0.6 1.5 2.0 4.0 1.5 5.1
12/19/94 92 0. 5 2. 0 2.4 8.0 0.7 2.2
12/20/96 N / A 0.4 1.0 1.1 2. 5 1.4 N / A
12/21/94 N / A 0.5 2.0 1.0 9.0 1.4 N / A

Ahora se está construyendo una draga de segunda generación que mejorará la draga prototipo utilizada para la demostración de Cresta. La portabilidad y la capacidad de movilización rápida son características principales del nuevo diseño.

Conclusiones

  • El dragado por succión de lodos de la bomba EDDY proporciona un método de dragado ambientalmente superior para cumplir con los estrictos estándares de calidad del agua.
  • Muy poca turbidez o resuspensión de sedimentos en el cabezal de succión.
  • La bomba EDDY es capaz de altas tasas de producción. Comparable a dragas de succión convencionales mucho más grandes.
  • La draga de bomba EDDY es capaz de pasar grandes volúmenes de escombros leñosos y otros materiales extraños en sedimentos sin obstrucciones.
  • La alta densidad del lodo minimiza el volumen de efluentes a tratar y eliminar de la deposición de sedimentos en las tierras altas.
  • La capacidad de la tecnología para bombear lodos densos a largas distancias proporciona una alternativa de tubería para transportar sedimentos a sitios de eliminación distantes.
  • Luego de la solución de los problemas iniciales de puesta en marcha, la draga prototipo demostró ser capaz de operar de manera confiable y sostenida.
  • La descarga de lodo de sedimentos en la columna de agua resultó en bajos niveles de turbidez y TSS, muy dentro de los límites de los estrictos estándares de calidad del agua, sin el uso de una cortina de contención de sedimentos.

REFERENCIAS

Creek, Korbin D. y Timothy H. Sagraves, (1995), “Dragado con bomba EDDY: ¿Produce
¿Impactos en la calidad del agua?”, Conferencia ASCE Waterpower ’95, pág. 2246-2252

Harrison, Larry L., Wing H. Lee y ScottTu, (1995), “Sediment Pass-Through, An
Alternativa al dragado de embalses”, ASCE Waterpower ’95 Conference, p.2236-2245.

• PG&E (Departamento de Servicios Técnicos y Ecológicos de Pacific Gas and Electric Co.) (1995) «Resultados del monitoreo de la calidad del agua durante la demostración de la bomba EDDY de 1994 en el embalse de Cresta», Informe No. 402.331-95.23. REFERENCIAS

Creek, Korbin D. y Timothy H. Sagraves, (1995), “Dragado con bomba EDDY: ¿Produce
¿Impactos en la calidad del agua?”, Conferencia ASCE Waterpower ’95, pág. 2246-2252

Harrison, Larry L., Wing H. Lee y ScottTu, (1995), “Sediment Pass-Through, An
Alternativa al dragado de embalses”, ASCE Waterpower ’95 Conference, p.2236-2245.

• PG&E (Departamento de Servicios Técnicos y Ecológicos de Pacific Gas and Electric Co.) (1995) “Resultados del Monitoreo de la Calidad del Agua Durante la Demostración de la Bomba EDDY de 1994 en el Reservorio Cresta,” Informe No. 402.331-95.23.