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PROYECTO ESPECIAL CHAVIMOCHIC

DETERMINACION DEL VOLUMEN MUERTO – PRESA PALO REDONDO Los embalses creados al construir una presa, son de dos tipos: los ubicados sobre el lecho del río y los laterales como es el caso de la Presa Palo Redondo. Cuando se construye la presa en el lecho del río, esta actúa como trampa de sedimentos y una parte de los sólidos transportados por la corriente queda retenida en la presa, disminuyendo así el volumen de almacenamiento. Sin embargo para el caso de la Presa Palo Redondo son varios los factores que intervienen en la determinación del Volumen Muerto de la presa, sin embargo todos giran en torno a una idea principal, saber cuál es la cantidad de sedimentos en suspensión que traerá el canal de alimentación en los años futuros y luego calcular que porcentaje quedará retenido en la presa. La presa Palo Redondo como se describe en la Fig. 1. Fig. 1. – Bloques de la Presa Palo Redondo

DETERMINACION DEL VOLUMEN MUERTO – PRESA PALO REDONDO

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PROYECTO ESPECIAL CHAVIMOCHIC

CONSIDERACIONES SOBRE EL CALCULO DEL APORTE DE SOLIDOS EN LA PRESA PALO REDONDO a) La presa Palo Redondo por ser del tipo lateral, la carga de sólidos son exclusivamente en suspensión; los sólidos de arrastre del río Santa son eliminados en su totalidad en la captación (Bocatoma Chavimochic), en el canal desripiador (0+500) y por ultimo en la Pre-purga del desarenador. b) El desarenador retira en su totalidad los sólidos en suspensión hasta diámetros mayores a 0.15 mm. c) Los análisis de sedimentos por difracción de Rayos X efectuados en el INGEMMET, detallan que los sedimentos muestreados en las naves del desarenador están conformados principalmente con 87% en promedio de Cuarzo (sedimento de fondo). Ver Cuadro - 1. Cuadro - 1: Análisis de sedimentos por Difracción de Rayos X ANALISIS DE SEDIMENTOS POR DIFRACCION DE RAYOS X GERENCIA DE ESTUDIOS - 2007 LABORATORIO: INGEMMET - INSTITUTO GEOLÓGICO MINERO Y METALÚRGICO Nº

Mineral

Fórmula

1

Cuarzo Albita Clorita Muscovita Andalusita Pirofilita Anhidrita Augita Calcita Dolomita Esseneita Halita Hematita Indialita Microclina

SiO2 Na(Si3Al)O8 (Mg,Al)6(Si,Al)4O10(OH)8 KAl2Si3AlO10(OH)2 Al2(SiO4)O Al2Si4O10(OH)2 CaSO4 Ca(Mag,Fe)Si2O6 CaCO3 CaMg(CO3)2 (Ca,Na)(Fe,Mn,Zn)Si 2O6 NaCl Fe2O3 Mg2Al4Si5O18 KAlSi3O8

Ortoclasa Riebeckita Rodonita Sanderita Yeso

(K,Ba,Na)(Si,Al)4O8 (Na,Ca)2(Fe,Mn) 3Fe2(Si,Al)8O22(OH,F)2 MnSiO3 MgSO4.2H2O CaSO4,2H2O

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

TOTAL

ES-1

ET-1

EC-1

LH-1

DP-1

BO-1

DN-2

DN-4

DN-6

DN-6(1)

DN-6(2)

74,48%

92,46%

88,53%

93,23%

85,58%

91,02%

90,06%

89,30%

81,74%

90,28%

83,30%

12,81% 2,69% 3,23% 0,77% 0,80% 1,02% 0,32% 0,29% 3,59% -

1,83% 2,06% 0,76% 1,42% 0,36% 0,76% 0,15% 0,20% -

3,28% 3,31% 2,15% 0,64%

3,83% 0,49% 0,31% 0,25% 0,49% 0,33% 0,41% 0,66% -

3,71% 3,11% 2,22% 0,65% 0,42% 0,29% -

3,05% 2,11% 1,83%

2,99% 1,89% 1,24% 0,33% 0,95% 0,95% 2,36% -

7,25% 4,01% 3,34% 0,32% 1,80% 1,54% -

3,45% 1,83% 2,19% 0,82% 0,25% 0,49%

0,44% 0,16% 0,55% 2,69% 0,18% -

0,28% 0,31% 0,20% 1,20% -

3,60% 1,55% 2,40% 0,27% 0,80% 0,21% 0,93% 0,18% -

0,38% 0,30% -

5,01% 3,45% 3,30% 1,24% 0,93% 0,37% 1,40% 0,65% 0,35%

100,0%

100,0%

100,0%

100,0%

100,0%

100,0%

100,0%

100,0%

100,0%

100,0%

100,0%

0,56% 0,18% 1,35% -

ES-1

RÍO SANTA - ESTACION SANTA

DN-2

DESARENADOR - NAVE Nº 2

ET-1

RÍO TABLACHACA - ESTACION TABLACHACA

DN-4

DESARENADOR - NAVE Nº 4

EC-1

RÍO SANTA - ESTACION CONDORCERRO

DN-6

DESARENADOR - NAVE Nº 6

LH-1

RÍO SANTA - POBLADO SUCHIMAN - MARGEN DERECHA

DN-6 (1)

DESARENADOR - NAVE Nº 6

DP-1

RÍO SANTA - MCH DESARENADOR - PECH

DN-6 (2)

DESARENADOR - NAVE Nº 6

BO-1

RÍO SANTA - BOCATOMA CHAVIMOCHIC - AGUAS ABAJO - MARGEN DERECHA

d) El laboratorio sedimentológico del proyecto (desarenador) dispone de caudales (m 3/s) y concentraciones de sólidos en suspensión (g/L) del ingreso y salida del desarenador. Para los cálculos respectivos se tiene información desde 2001 hasta setiembre del 2008. e) En el Cuadro - 2, se dispone de eficiencias de retención de sólidos en presas de Irán y Gallito Ciego; tomando un promedio de eficiencia de retención para el caso de la presa Palo Redondo de 98%.

DETERMINACION DEL VOLUMEN MUERTO – PRESA PALO REDONDO

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Cuadro - 2: Trap efficiency coefficients for different Iranian reservoirs, estimated by different methods. Modified Reservoir Brune Churchill Brown Ecuac. Churchill 96.60 99.00 99.20 97.82 97.82 Amirkabir (Karaj) 98.20 99.00 99.20 98.42 97.20 Zayandehrud 97.37 99.00 99.20 98.47 99.84 Lar 98.51 99.00 99.20 97.70 98.14 Dorudzan 94.45 99.00 99.20 94.36 96.70 Zarrinerud 96.85 99.00 97.80 97.50 90.80 Dez 98.00% Embalse Gallito Ciego (Perú) Estudio inicial de aporte de sedimentos del río Jequetepeque al embase Gallito Ciego (1999)

f)

Los cálculos para determinar las densidades del Volumen Muerto de la presa en el lapso de 50 años, se toma la Metodología de la Bureau of Reclamation (Design of Small Dams – Appendix A: Reservoir Sedimentation). g) Los sedimentos por intrusión de arenas eólicas al vaso de la presa se está considerando cero, las razones son: la cantidad de arenas con relación al volumen muerto es casi cero y la falta de información generada en esta zona. h) El cálculo de sedimentos de arrastre y suspensión de la quebrada Palo Redondo se toma de los cálculos realizados en el Estudio de Factibilidad del Embalse Palo Redondo: Volumen II: Hidrología y Sedimentos. i) Los caudales de alimentación (IN) y del túnel de restitución (OUT), han sido suministrados del Proyecto Tercera Etapa – Primera Fase, dicha información consiste un periodo de 600 meses (50 años). j) Los sólidos del Conducto de Purga de la presa no se están considerando debido a que no se define cabalmente el sistema de operación de dichas compuertas, se va a considerar en estos cálculos cero. k) Por último para el cálculo del volumen muerto de la presa se está considerando, de la información Tercera Etapa – Primera Fase: Volumen Total = Volumen Útil = Volumen Muerto =

165 MMC 120 MMC 45 MMC

100% 73% 27%

CALCULO DEL APORTE DE SOLIDOS EN LA PRESA PALO REDONDO Como se describe en la Fig. 2, se va a considerar como un sistema a la presa, donde la sumatoria de sólidos en suspensión que ingresan al vaso menos los sólidos que salen de la presa constituye básicamente el peso total de sólidos depositados en la presa, este peso se va multiplicar con su peso especifico para determinar el Volumen Muerto durante 50 años según su tiempo de vida estimado.

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Fig. 2. - Sistema de la Presa Palo Redondo

1. BALANCE TOTAL DE SÓLIDOS Si consideramos como un sistema al vaso de la presa Palo Redondo, entonces se puede determinar un balance total de sólidos, que consiste básicamente en determinar la masa o peso de sólidos en suspensión o de arrastre que ingresa al vaso; entonces tenemos: Sólidos (Volumen Muerto) = Sólidos (Ingresa) – Sólidos (Sale) DETERMINACION DEL VOLUMEN MUERTO – PRESA PALO REDONDO

FIG. 2: PRESA PALO REDONDO

(1) 4

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Los sólidos que ingresan al sistema consisten en: sólidos en suspensión del canal alimentador que proviene del desarenador, sólidos de las descargas esporádicas por fenómenos extraordinarios (Fenómenos del Niño) y material eólico proveniente de las zonas circundantes a la presa. La masa o sólidos en suspensión y de arrastre que salen del sistema presa Palo Redondo consisten en sólidos del caudal en el Túnel de Restitución que alimenta al canal Madre, y sólidos del conducto de la purga.

S VM = S CANAL-ALI + S DESC-ESP + S EOL - S TR - S PURGA S VM S c CANAL- ALI

= =

S DESC-ESP

=

S EOL S TR S PURGA

= = =

(2)

Sólidos de Volumen Muerto de la presa Palo Redondo Sólidos del canal de alimentación, sólidos en suspensión del Desarenador. Sólidos por descargas esporádicas o descargas extraordinarias (Fenómeno del Niño) Sólidos de material eólico que ingresa al vaso Sólidos del túnel de restitución que ingresa al Canal Madre Sólidos del conducto de purga de la Presa Palo Redondo

2. BALANCE PARCIAL DE SÓLIDOS Un balance parcial consiste en determinar los sólidos del volumen muerto en función al caudal que ingrese o salga del sistema multiplicado por sus respectivas concentraciones; es por ello la necesidad de utilizar las siguientes formulaciones: 

El caudal sólido en la presa de Palo Redondo se calcula de la siguiente forma: S (Tn/día) = 86.40 x CC (g/L) x Q (m3/s) S CC Q



= = =

(3)

Sólidos del canal de alimentación, Tn/día Concentración de sólidos en suspensión, g/L Caudal líquido, m3/s

Concentración de sólidos en suspensión (CC) – parámetros determinados en el laboratorio sedimentológico del Desarenador:

Concentración( g / L) 

Peso Sólido en suspensión Volumen ( L)

(g)

(3)

Actualmente se dispone de información elaborada por el laboratorio sedimentológico desde el 2000 hasta Setiembre del 2008. 

El 2007 la Gerencia de Estudios inicia un programa adicional en el laboratorio sedimentológico que consiste en análisis granulométrico (ASTM D 422-63, NTP 339.128 – 1999) y la determinación del peso específico de los sólidos en suspensión (ASTM D 852-92 y NTP 339.131-1999); las zonas de estos análisis granulométricos fueron en la Estación Condorcerro, Estación Santa, Estación Tablachaca, desarenador (ingreso), desarenador (salida). La información se adjunta a este informe.

DETERMINACION DEL VOLUMEN MUERTO – PRESA PALO REDONDO

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

Así mismo se dispone de análisis Geoquímicos de sedimentos realizado por INGEMMET, en diferentes puntos del sistema, ver Anexos.

2.1 Sólidos del canal de alimentación, (S CANAL-ALI) Es el parámetro más importante para determinar la vida útil de la presa; estos flujos de sólidos se determinan en función a la concentración de sólidos en suspensión y el caudal que ingrese a la presa (caudal y concentración de salida del desarenador); así mismo la concentración está en función al % de retención del Sistema-desarenador y la operación de captación; su cálculo se determinará con la información proporcionada por el laboratorio sedimentológico del desarenador; el cálculo es de la siguiente manera: S CANAL-ALI (Tn/día) = 86.40 x CC (g/L) x QSAL (m3/s) S CANAL-ALI = CC QSAL

Sólidos del canal de alimentación, Tn/día = Concentración de sólidos en suspensión, g/L = Caudal de salida del desarenador, m3/s

La determinación de los sólidos será en forma mensual y en función a las demandas de las áreas de cultivo del proyecto en el Proyecto de la Tercera Etapa – Primera Fase. Posteriormente se va a determinar la densidad aparente. 2.2 Sólidos de Material Eólico (S EOL) Consisten en material de intrusión de arenas eólicas al vaso de la presa, por carecer de información y por experiencia se puede determinar que la relación de esta masa con respecto al volumen muerto es aproximadamente cero. 2.3 Los sólidos en las descargas esporádicas o extraordinarias, (Fenómeno del Niño) - (S DESC-ESP) En los últimos 100 años el Fenómeno del Niño se ha presentado en cuatro oportunidades con gran intensidad, fuertes daños materiales y considerables arrastres de sólidos de arrastre y en suspensión. El primero fue en 1891, el río Santa se desbordó, Huaraz quedó aislado, Trujillo y Chiclayo hubo lluvias torrenciales que duraron mas de 02 meses, Chimbote quedó destruido en un 95%, Casma en ruinas y Supe desapareció (24/Feb/1891). El segundo, fue en 1925 con elevadas precipitaciones que causaron enormes estragos en la Costa Norte, en el Departamento de Lambayeque se paralizaron las obras del Proyecto Olmos, que estaba siendo iniciado por el Ing. Sutton. El Tercer fenómeno del Niño fue entre 1982-1983, se presentó después de 58 años después del anterior (1925). El cuarto Fenómeno del Niño ocurrió nuevamente entre los años 1997-1998, después de un corto tiempo al anterior del 1983. En la actualidad no sabemos cuándo volverá a ocurrir el siguiente Fenómeno del Niño, pero en los 100 años antes descrito ha ocurrido en cuatro (04) oportunidades, lo que da un promedio de ocurrencia de 25 años.

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En cuanto al transporte de sedimentos en la Quebrada Palo Redondo puede considerarse de menor cuantía con relación al sedimento captado por el río Santa, esto se debe a la escasa escorrentía media anual. Puede efectuarse una estimación del transporte medio anual de acuerdo a la formula de Fleming, quien utilizó datos de 250 cuencas alrededor del mundo para obtener la siguiente formula:

Qs = aQn Qs Q ayn

= = =

(3)

Transporte total medio anual en toneladas Caudal medio anual parámetros que dependen del tipo de cobertura vegetal.

Para zonas desérticas / escasa vegetación, como Palo Redondo, se tiene: n = 0.72 y a = 34 228 En la cuenca vecina de Chao se tiene un caudal medio anual de 1.06 m 3/s, para una cuenca húmeda estimada en 600 Km 2. si se considera la similitud hidrológica existente, para la quebrada Palo Redondo, con una cuenca húmeda de 122 Km 2 se tendrá proporcionalmente un caudal de Q = 0.215 m3/s(7.6 pie3/s); luego

Qs = 34 228(7.6)0.72 = 147 243 Tn Considerando un peso específico de 1.50 Tn/m3 para el sedimento sumergido (mayor % de arena), se tendrá en 50 años un volumen depositado de:

V50 

147423Tn / añox50años 1.50Tn / m 3 V50 = 4 914 100 m3

Una segunda estimación del transporte de sedimentos puede realizarse utilizando datos de las siguientes cuencas, según Cuadro 3: Cuadro 3: Información de hidrológicos de cuencas Área Sedimentos Estación RIO Cuenca medidos hidrométrica (Km2) (106 Tn/año) Chancay Jequetepeque Santa

Carhuaquero Ventanillas Condorcerro

2 260 4 230 10 500

0.48 2.00 15.24

Rendimiento anual medio (Tn/Km2) 212 472 1 451

Fuente: Gerencia de Proyectos Especiales INADE

Utilizando conservadoramente el rendimiento del río Santa y un peso específico de 1.50 Tn/m3 se tendría en Palo Redondo:

V50 

1451Tn / Km 2 / añox122 Km 2 x50años 1.50Tn / m 3 V50 = 5 900 100 m3

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Conservadoramente se adopta esta última cifra como estimada del volumen de sedimento arrastrado por la quebrada Palo Redondo. 2.4 Sólidos en el túnel de restitución que ingresa al Canal Madre (S TR) El siguiente parámetro está en función a las demandas en la época de estiaje y avenidas; los volúmenes serán alimentados al canal madre. El cálculo de los sólidos en suspensión será de la siguiente manera: S TR (Tn/día) = 86.40 x CC (g/L) x QTR (m3/s) S M-TR CC QTR

= = =

Sólidos del canal de restitución, Tn/día Concentración de sólidos en suspensión, gr/L Caudal de salida del túnel de restitución, m3/s

Por carecer de información, se está estimando que la presa de Palo Redondo debe tener una eficiencia de retención de sólidos de 98%, esta información se toma por comparación de presas ya existentes como se explicó anteriormente. 2.5 Sólidos en el conducto de purga de la Presa Palo Redondo (S PURGA) En el primer año de operación es posible que el caudal sea 0.00 m3/s, pero en los años siguientes se tendrá que determinar. S PURGA (Tn/día)= 86.40 x CC (gr/L) x QPURGA (m3/s) S PURGA CC QPURGA

= = =

Sólidos del canal de riego, Tn/día Concentración de sólidos en suspensión, g/L Caudal del canal de purga de la presa, m3/s

Como en el punto 2.5, aun no se ha determinado la operación de estas compuertas, para este caso vamos a reducir su gasto de sólidos a cero. 3. DETERMINACION DE LA DENSIDAD DE LOS SEDIMENTOS DEPOSITADOS El cálculo de este parámetro se basa en la Metodología de la Bureau of Reclamation (Design of Small Dams – Appendix A: Reservoir Sedimentation) y según la clasificación de la Presa Palo redondo corresponde al tipo II. Según Cuadro 4: Cuadro 4: Información según la operación de reservorios (BUREAU OF RECLAMATION)

TIPO DE RESERVORIO I II III IV

Wc Wm

: :

DESCRIPCION Sedimento siempre sumergido Embalse moderadamente vacío Embalse considerablemente vacío Embalse frecuentemente vacío (sedimento expuesto)

Peso unitario inicial de arcilla, kg/m3 Peso unitario inicial del lodos, kg/m3

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Ws

Peso unitario inicial del arenas, kg/m3

:

Cuadro 5: Constantes basados en el tipo de operación del reservorio (BUREAU OF RECLAMATION)

Wo Sistema Inglés(kg/ m3) Wc Wm Ws

Operación 1 2 3 4

pC pm ps

: : :

26(416) 35(561) 40(641) 60(961)

70(1120) 71(1140) 72(1150) 73(1170)

97(1150) 97(1150) 97(1150) 97(1150)

% de arcillas % de lodos % de arenas

Cuadro 6: Análisis hidrométricos en la entrada y salida del Sistema – Desarenador ENTRADA AL DESARENADOR - 2006 DESCRIPCION

ENE

PROM.

FEB

MAR

ABR

MAY

JUN

JUL

AGO

SEP

OCT

NOV

DIC

% Arena

34.37%

34.37%

34.37%

34.04%

34.58%

34.58%

34.58%

34.58%

34.58%

34.58%

34.58%

29.18%

34.03%

% Limo

56.60%

48.44%

48.44%

48.77%

54.40%

54.40%

54.40%

54.40%

54.40%

54.40%

54.40%

53.68%

53.06%

% Arcilla

9.03%

17.19%

17.19%

17.19%

11.02%

11.02%

11.02%

11.02%

11.02%

11.02%

11.02%

17.14%

12.91%

% Total

100.00%

100.00%

100.00%

100.00%

100.00%

100.00%

100.00%

100.00%

100.00%

100.00%

100.00%

100.00%

100.00%

Densidad (g/L)

1,228.63

1,181.39

1,181.39

1,180.03

1,217.97

1,217.97

1,217.97

1,217.97

1,217.97

1,217.97

1,217.97

1,160.40

1,204.80

DESCRIPCION

ENE

FEB

MAR

ABR

MAY

JUN

JUL

AGO

SEP

OCT

NOV

DIC

SALIDA - DESARENADOR - 2006

PROM.

% Arena

29.18%

18.49%

22.98%

20.48%

29.49%

29.49%

29.49%

29.49%

29.49%

29.49%

29.49%

19.71%

26.44%

% Limo

53.68%

54.02%

51.61%

58.19%

60.44%

60.44%

60.44%

60.44%

60.44%

60.44%

60.44%

58.95%

58.29%

% Arcilla

17.14%

27.49%

25.41%

21.33%

10.07%

10.07%

10.07%

10.07%

10.07%

10.07%

10.07%

21.34%

15.27%

% Total

100.00%

100.00%

100.00%

100.00%

100.00%

100.00%

100.00%

100.00%

100.00%

100.00%

100.00%

100.00%

100.00%

Densidad (g/L)

1,160.40

1,056.64

1,087.09

1,100.47

1,202.60

1,202.60

1,202.60

1,202.60

1,202.60

1,202.60

1,202.60

1,097.25

1,160.01

Cuadro 7: Constantes basados en el tipo de operación del reservorio (BUREAU OF RECLAMATION)

Operación 1 2 3

Kc

K (S.I.) Km

Ks

256 135 0

91 29 0

0 0 0

DETERMINACION DEL VOLUMEN MUERTO – PRESA PALO REDONDO

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Se determina K para los doce meses del año, Wo para el primer año; con un periodo de vida util de T= 50 años se tiene:

WT Wo K

: : :

Peso unitario promedio al cabo de T años Peso unitario inicial del sedimento Constante basada en el tipo de operación del reservorio y la composición granulométrica del sedimento

En la siguiente figura se observa un densidad inicial de 1 160.01 Kg/m3 al final del periodo de 50 años se obtiene una densidad final de 1 210.61 Kg/m3. Fig. 03 - Densidad de sólidos de volumen muerto – Tiempo (1 – 50 años)

DETERMINACION DEL VOLUMEN MUERTO – PRESA PALO REDONDO

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PROYECTO ESPECIAL CHAVIMOCHIC

CONCLUSIONES 

Las densidad inicial del sedimento depositado en la presa es de 1 160.01 Kg/m3 y después de 50 años de servicio se prevé una densidad de 1 210.61 Kg/m3



Si consideramos un periodo de vida en la presa Palo Redondo de 50 años, se tiene aproximadamente un volumen muerto de 34.98 MMC, este volumen son sólidos que ingresan y salen del Canal Alimentador y Túnel de Restitución respectivamente. Ver anexo – Cuadro Nº 11.



El transporte de sedimentos en la quebrada Palo Redondo se ha determinado en 5.90 MMC, cifra conservadora; calculo determinado en los estudios de Factibilidad del Embalse Palo Redondo – Volumen II (Hidrología y Sedimentos).



El Volumen Muerto Total en la presa Palo Redondo para un periodo de 50 años, sería de 40.88 MMC. Ver anexo – Cuadro Nº 11

RECOMENDACIONES 

Las recomendaciones de la Bureau of Reclamation, precisa que es necesario tener aproximadamente un periodo mínimo de 5 años para cubrir adecuadamente un rango completo de análisis de sedimentos en suspensión del sistema de la presa.



El sistema de la presa Palo Redondo, se incrementará la vida útil siempre y cuando se tenga mejores eficiencias de captación (modos de operación) y incrementar los porcentajes de retención en el sistema del desarenador (evaluar una planta de floculación).



Efectuar investigaciones de eficiencia de retención en el desarenador con la planta de floculación (periodos de avenidas y estiajes) e incrementar el ancho del desarenador (una nave adicional).



Continuar con el programa de medición de sólidos en el área del proyecto a través del laboratorio sedimentológico.



Llevar a cabo análisis de contaminantes en los sólidos en suspensión y de arrastre en los puntos de control que realiza el laboratorio sedimentológico.



Continuar con mayores estudios geoquímicas de los sólidos en la infraestructura mayor de riego.

DETERMINACION DEL VOLUMEN MUERTO – PRESA PALO REDONDO

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