Herramientas numéricas de apoyo a la gestión de embalses para generación hidroeléctrica : Caso de estudio: Complejo Hidroeléctrico Salto Grande

Abstract

En este trabajo se implementó un modelo hidrodinámico y de transporte de sustancias (denominado SG-T2D) en el código TELEMAC-2D para el embalse del Complejo Hidroeléctrico Salto Grande. Se realizó un análisis de sensibilidad a distintos esquemas y parámetros numéricos, parámetros físicos, condiciones iniciales y de contorno. Posteriormente, se llevó a cabo la calibración y verificación de los niveles de la superficie libre en cinco estaciones, considerando ventanas temporales en un período de 25 meses, entre los años 2018 y 2020. Con el modelo calibrado se realizó una caracterización de la circulación en el embalse entre 2017 y 2020, incluyendo escenarios estacionarios y períodos no estacionarios con forzantes reales. El análisis hidrodinámico mostró que las velocidades en el embalse varían significativamente entre el canal principal y los brazos laterales, con diferencias entre uno y dos órdenes de magnitud. La condición de borde de la represa es relevante hasta aproximadamente 90 km aguas arriba de la misma; más allá de esa distancia, el comportamiento hidrodinámico se asemeja al de un sistema fluvial. El viento es un forzante fundamental en la dinámica de los brazos laterales, particularmente bajo condiciones de caudales bajos y en zonas poco profundas, donde la dirección e intensidad del viento afectan el flujo cortante entre los brazos laterales y el canal principal. En condiciones de caudales altos en los brazos laterales, se observó un patrón de descarga libre hacia el canal principal. En contraste, durante eventos de crecida en el canal principal, la descarga de los brazos laterales se vio atenuada. Utilizando trazadores pasivos, se calcularon distintas escalas temporales de transporte en condiciones estacionarias y en condiciones con forzantes reales. En el canal principal, las escalas temporales de transporte variaron entre 1 y 15 días, en comparación con los brazos laterales, donde las escalas de tiempo variaron entre 1 y 50 días. En los ensayos de trazadores con forzantes reales, la condición seleccionada para iniciar la liberación del trazador es relevante para determinar las escalas de tiempo, considerando que la operación de la represa regula el tránsito en el cuerpo de agua. El modelo desarrollado se sustenta en el uso de herramientas numéricas de código abierto, contribuye a una mejor comprensión de la hidrodinámica del embalse y de los procesos de transporte de sustancias, y ofrece una base útil para desarrollos más complejos, como la implementación tridimensional y la incorporación de otras variables físico-químicas y biológicas para el estudio de la calidad del agua en el embalse.

In this study, a hydrodynamic and substance transport model—referred to as SG-T2D—was implemented within the TELEMAC-2D code for the reservoir of the Salto Grande Hydroelectric Complex. A sensitivity analysis was conducted on various numerical schemes and parameters, physical parameters, and initial and boundary conditions. Subsequently, the model was calibrated and validated using free surface level data from five monitoring stations over a 25-month period between 2018 and 2020. The calibrated model was then employed to characterize the reservoir’s circulation from 2017 to 2020, considering both steady-state and transient scenarios under real forcing conditions. The hydrodynamic analysis revealed substantial velocity differences between the main channel and the lateral arms, ranging from one to two orders of magnitude. The influence of the dam’s boundary condition extends approximately 90 km upstream; beyond this point, the hydrodynamic behavior resembles that of a fluvial system. Wind was identified as a key driver in the dynamics of the lateral arms, particularly under low-flow and shallow conditions, where its direction and intensity modulate the shear exchange between the lateral arms and the main channel. Under high-flow conditions in the lateral arms, a free discharge pattern toward the main channel was observed, whereas during high-flow events in the main channel, discharge from the lateral arms was attenuated. Using passive tracers, transport time scales were estimated under both steady-state and transient conditions. In the main channel, time scales ranged from 1 to 15 days, while in the lateral arms, they ranged from 1 to 50 days. In simulations with real forcing, the timing of tracer release was found to significantly affect transport time scales, as flow regulation by dam operations influences the movement of water throughout the system. The model developed in this study is based on the use of open-source numerical tools, advances the understanding of reservoir hydrodynamics and substance transport processes, and provides a useful foundation for future developments, such as three-dimensional modeling and the integration of additional physico-chemical and biological variables for comprehensive water quality assessments.