INTRODUCTION

Currently, the world is facing new challenges to solve the problems derived from traditional energy systems; among these problems are the increase in energy demand, the increase in generation costs and the need to replace the oil resource with renewable energy sources, where around 20% of electricity is produced using hydraulic energy or hydropower (Monirul et al., 2021MONIRUL, I.M.; ASHFAQ, A.; SALMAN, R.; HEMAL, C.; TAMAL, C.; PIYAL, C.; SADIQ, M.S.; YOUNG, K.P.: “An overview of the hydropower production potential in Bangladesh to meet the energy requirements”, Environ. Eng. Res., 26(6): 200-514, 2021, ISSN: 1226-1025, DOI: https://doi.org/10.4491/eer.2020.514.; Pérez et al., 2022PÉREZ, C.B.; GARCÍA, F.L.; FONG, B.J.; DOMÍNGUEZ, A.H.R.; PEÑA, P.L.: “Control del proyecto de una mini hidroeléctrica auxiliar para una pequeña central”, Ingeniería Mecánica, 25(2): 647, 2022, ISSN: 1815-5944.).

The agrarian transformation of Cuba has been based from its beginnings on the vision of an alternative model that included the recovery and use of water and energy resources, the construction of new plants for the use of hydroenergy, the installation of windmills and the dissemination of new agroecological technologies for the transition towards a new organizational technological model in the agricultural sector Arias, (2009)ARIAS, G.M.D.L.A.: “Cuba: reforma y transformación agraria. La crisis de los noventa y el proceso de desestatalización de la agricultura”, Revista IDeAS, 3(1): 6-29, 2009, ISSN: 2451-6910.; as well as the preservation of the environment and sustainable development (Paneque et al., 2015PANEQUE, P.L.A.; KINDELÁN, C.L.; COPA, R.J.R.: “Identificación de aspectos ambientales en la comunidad La Victoria, Santiago de Cuba”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 24(1): 65-71, 2015, ISSN: 1010-2760.).

Hydroelectric energy is a type of renewable energy that produces negative environmental impacts in the case of water impounded in dams; however, the use of this technology offers the advantage of energy diversification and the possibility of development of communities where the energy generated supports productive activities (Reyna et al., 2017 REYNA, T.; REYNA, S.; LÁBAQUE, M.; RIHA, C.; GÓNGORA, C.: “Desafíos ambientales para uso de la hidrogeneración”, Avances en Ciencias e Ingeniería, 8(3): 1-12, 2017, ISSN: 0718-8706. ). This energy is related to hydrological factors of a hydrographic basin, essential in the generation of electrical energy; especially the flow duration curve (Gallego & Carvajal, 2017GALLEGO, A.S.; CARVAJAL, S.L.F.: “Regionalización de curvas de duración de caudales en el Departamento de Antioquia-Colombia”, Revista EIA, 27: 21-30, 2017, ISSN: 1794-1237.). The objective of this work was to evaluate different hydrological factors of the Chambas Basin and their contribution to the generation of hydroenergy and the supply of water to the agricultural sector.

MATERIALS AND METHODS

The research was carried out in the Chambas River Hydrographic Basin, located on the northern slope of Cuba in the province of Ciego de Ávila; It covers the municipalities of Florencia and Chambas with an area of 384.374 km². The coordinates are included according to the North Cuba Coordinate System GCS_NAD27-CU in: Upper: 286754.723900 m; Left: 700995.360200 m; Right: 720785.727100 m; Lower: 248273.406300 m.

In this basin is the Florencia Liberation Hydraulic Complex, of Ciego de Ávila, made up of the Chambas I (Cañada Blanca) and Chambas II reservoirs; as well as the Small Hydroelectric Power Plant “Alzamiento de Jagüecito” with a generation capacity of 1.2 MW with the use of Francis type turbines.

In the investigation, the diagnostic technique was used to obtain all possible information related to precipitation, the filling volume of the reservoir and energy production for 10 years (2008-2018) with the use of different tools such as documentary analysis. of technical reports, from the Hydraulic Use Company and the Electrical Union respectively.

The probability curve of the Chambas river flows was constructed from the recorded flow values, the calculation of the probability of exceedance with the empirical Weibull function and the construction of the graph with the flow data on the ordinate axis. and the respective probability values on the x-axis (Gallego & Carvajal, 2017GALLEGO, A.S.; CARVAJAL, S.L.F.: “Regionalización de curvas de duración de caudales en el Departamento de Antioquia-Colombia”, Revista EIA, 27: 21-30, 2017, ISSN: 1794-1237.).

The ecological flow (Q_eco) was estimated using the Wet Perimeter method Benetti et al. (2003)BENETTI, A.; LANNA, E.; COBALCHINI, M.: “Metodologías para la determinación de caudales ecológicos en ríos”, Revista Brasileña de Recursos Hídricos, 8(2): 149-160, 2003, ISSN: 2318-0331.; Brown et al. (2016)BROWN, M.O.; GALLARDO, B.Y.; WILLIAMS, H.P.W.; TORRES, M.Y.: “Caudal ecológico del río Chambas en la provincia Ciego de Ávila”, Ingeniería hidráulica y ambiental, 37(1): 58-71, 2016, ISSN: 1680-0338., was found at the inflection point of this curve. This procedure requires knowing the height of each vertical (h), the average instantaneous velocity in each vertical, the partial flows, the total flow, the average velocity and the hydraulic radius for the simulation of the expected depths in each vertical of the section. transversal by varying the average flow of the river (Q_m) and the functional relationship between Δ_v and ΔA.

The equipment flow (Q_e) and the minimum technical flow (Q_mt) of the turbine were estimated according to Castro (2006)CASTRO, A.: Minicentrales hidroeléctricas, [en línea], Inst. Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía (IDAE), Madrid, España, 175 p., 2006, Disponible en: http://dl.idae.es/Publicaciones/10374_Minicentrales_hidroelectricas_A2006.pdf, [Consulta: 18 de enero de 2017].. In the case of the minimum technical flow, a proportionality factor (K) of 0.35 was selected for the Francis turbine. The equations used were:

The evaluation of the hydroenergy potential was carried out based on data on the turbine flow (Q_e ), the characteristic curves of the reservoir and the turbine location elevation. This information allowed us to calculate the difference in level at each topographical elevation of the volume of water in the reservoir and finally the power of the turbine with the use of the following equations:

Where P is the turbine power (kW), ρ the density of water (kg m^-3), g the acceleration of gravity (m s^-2), Q_e the turbine flow (m³ s^-1), H_n the height of the net head (m), η the efficiency of the turbine (dimensionless), C_NA the topographical elevation of the water level in the reservoir (m), C_IT the installation dimension of the turbine (m), L the length of the pressure pipe (m), C the roughness coefficient of the pipe, D the diameter of the pipe (m).

The evaluation of hydropower production consisted of analyzing the behavior of the variables rainfall, reservoir filling volume and energy production in each of the months of the evaluated period. Using the data, the behavior graph of the variables in the evaluated period was constructed and the facility's energy production trend curve was drawn up.

The evaluation of the use of the runoff stored in the dam's reservoir for agricultural purposes was based on the behavior of the volume of water delivered by the dam to be used in food production in the area served by this important hydraulic work.

RESULTS AND DISCUSSION

In the Figure 1 the probability curve of the average daily flows corresponding to the Chambas River in the Ciego de Ávila province is shown. In the figure it is possible to obtain the value of the daily flow of the river for any characteristic year desired. In this sense Rivera & Penalba (2018) RIVERA, J.A.; PENALBA, O.C.: “Distribución de probabilidades de los caudales mensuales en las regiones de cuyo y patagonia (Argentina): Aplicación al monitoreo de sequías hidrológicas”, Meteorológica, 43(2): 25-46, 2018, ISSN: 1850-468X. carried out studies in regions of Cuyo and Patagonia in Argentina to select the probability distribution with the best fit to the observed flow frequencies; however, in this study it was achieved that the daily flow values of the river adequately adjusted the probability of occurrence (P_r) through a second-order polynomial model with a high coefficient of determination (R²) that in this case reached a value of 0.9903:

The analysis of the time series of the daily flows of the Chambas River allowed us to determine the average flow (Q_m) with a value of 2.12 m³ s^-1. This parameter constitutes the basis for the design of the Francis turbine; obtaining a turbine flow (Q_e) of 2.08 m³ s^-1, an ecological flow (Q_eco) of 0.038 m³ s^-1 and a minimum technical flow (Q_mt) of 0.73 m³ s^-1; which indicates that this is the lower limit for the installed hydraulic turbine to generate electrical energy.

In the Figure 2 shows the histogram of flow frequencies of the Chambas River. It is verified that the flow rate of 2.12 m³ s^-1 presents the highest absolute frequency with an occurrence of 170 times, very close to six months, which confirms that this value corresponds to the probability of 50%.

In the Figure 3 The cross section of the Chambas River is shown, which is used as a starting point for subsequent simulations of the flow velocity and the expected depths in each vertical of the cross section when varying the average flow of the river. The functional relationship between the average instantaneous velocity in each vertical (Δv) and the partial areas (ΔA) in the cross section of the river responded to a linear model with a high coefficient of determination (R²) of 0.9989, as shown in the following equation:

The cross section can be simulated from the second-order polynomial type model and coefficient of determination (R²) of 0.9812. This model allows the determination of the depth of each vertical (h) in the river cross section as a function of the distance from the left bank of the cross section.

With the flow and perimeter data, the curve shown in the figure was drawn Figure 4, which shows an inflection point from which the ecological flow of the river was found. This flow reached the value of 0.038 m³ s^-1; being close to the average minimum flow of the river; therefore, the Wetted Perimeter method can be considered an acceptable estimator of the ecological flow under the conditions of the Chambas River.

The values of the characteristic curve of the Chambas I dam (Cañada Blanca), offered by the Hydraulic Use Enterprise, allowed us to relate the water levels of the reservoir, H (m) with the volume of water impounded, V (hm³); obtaining a polynomial function of the second degree with a high coefficient of determination R² of 0.9925.

Table 1 shows the gross power of the Francis turbine for a reservoir power plant, calculated with the design flow and the turbined flow in the range of the normal water level and the turbine location elevation (84.00 and 57.00 m) for the Chambas I dam (Cañada Blanca), which made it possible to find the generation height (H_n) for each of the water level levels (H).

The estimation of the power with the turbine flow of 11.30 m³ s^-1 (50% of the maximum flow of the taking work) and efficiency of 93%, which is recommended for this type of turbine, values were obtained that were higher in relation to the calculation taking into account the gross power of the Francis turbine in the case of a run-of-river plant, calculated with the turbine flow of 2.08 m³ s^-1 (respecting the river ecosystem) and a minimum technical flow rate of 0.73 m³ s^-1 , which represents the lower limit for the turbine hydraulic power can generate electrical energy under the conditions evaluated.

The simulated result for the case of the run-of-river plant responds to the hydrological study carried out in the basin. In this way, hydroenergy use guarantees better protection of the environment based on the planning and operation of hydroelectric projects aimed at minimizing the negative impacts due to the effects of global climate change and extreme weather events (Bedoya & López, 2015BEDOYA, V.H.; LÓPEZ, L.J.M.: “Modelo para el Control de Inundaciones durante el Fenómeno de “La Niña” Utilizando un Embalse Hidroeléctrico”, Información Tecnológica, 26(2): 89-100, 2015, DOI: https://doi.org/10.4067/S0718-07642015000200011.).

The generation of hydroelectric energy is produced by converting the kinetic energy of water into electrical energy using hydraulic turbines, taking into account several factors, such as the amount of water available in the basin, generation height, the type of turbine installed, the flow that reaches the turbine and especially the ecological flow so that the hydroenergy project (Meza & Aparicio, 2018MEZA, P.B.; APARICIO, J.: “Evaluación del potencial hidroenergético a pequeña escala en cuencas hidrológicas con un modelo lluvia-escurrimiento”, Tecnología y Ciencias del Agua, 9(1): 69-87, 2018, ISSN: 0187-8336, DOI: https://doi.org/10.24850/j-tyca-2018-01-05.).

Figure 5 shows the behavior of the variables energy production, precipitation and reservoir filling volume on a monthly time scale. The behavior of precipitation reflects that between the months of May and October the highest accumulations are obtained and between November and April there is a considerable decline in this meteorological parameter.

Regarding the accumulated volume, it is observed that, in all months of the year, high percentages are not achieved in filling the reservoir, which influences the production of electrical energy due to the reduction in the generation height, the turbine flow and turbine power. From the month of November to March, considerable decreases in the reservoir volumes occur; However, the volume increases from May to October; being the most favorable period in energy production to satisfy the demand for energy consumption for the different sectors of the economy, especially the population and agriculture.

The analysis of the use of the runoff stored in the dam's reservoir for agricultural purposes reveals that the largest consumer of the Florencia Hydraulic System release is the generation of electrical energy through the Small Hydroelectric Power Plant with 37.7%, followed by the Group AZCUBA Business with 20.5% for activities related to the production of sugar cane and its derivatives; as well as in self-consumption. The Ministry of Agriculture employs 13.9% in livestock farming, rice cultivation, various crops and vegetables; For its part, the Ministry of the Fishing Industry uses 4.6% for aquaculture production.

The remaining consumers are the population that receives 1.4% for supplies and the Ministry of Construction in the construction materials industry. This result indicates the importance of reservoirs for securing water resources for the use of their waters in periods of water deficit, which contributes to the food security of the area.

Studies carried out by Mendoza & Campos (2021)MENDOZA, C.J.; CAMPOS, C.A.: “Análisis Hidrológico de la Cuenca Rocafuerte para Estimar el Potencial Hídrico de la Zona”, Revista Tecnológica - ESPOL, 33(1): 8, 2021, ISSN: 1390-3659, DOI: https://doi.org/10.37815/rte.v33n1.783. demonstrated the need to assess the precipitation and runoff of the basin as it constitutes a contribution to the solution of the problem of the existing water deficit in an area; which contributes to the determination of water potential, its storage in the rainy season and its subsequent use in times of drought to satisfy water needs, both for irrigation and human consumption.

There are contradictions between the water used for hydroelectric generation and agricultural irrigation. These contradictions are manifested in the distribution of water resources between different uses, which makes it difficult to satisfy the demand for water for both purposes and requires making decisions and actions of a comprehensive, transdisciplinary and participatory nature, principles that are related to water management and the Integrated Management of Water Resources (Cazorla, 2003CAZORLA, C.X.: “Conflictos en el Manejo Integrado de los Recursos Hídricos: la Crisis de la Gobernabilidad y los Usuarios del Agua”, Ecología política, 25: 35-52, 2003, ISSN: 1130-6378.).

CONCLUSIONS

INTRODUCCION

En la actualidad el mundo traza nuevos retos para solucionar los problemas derivados de los sistemas energéticos tradicionales; entre estos problemas se encuentran el aumento de la demanda energética, el incremento de los costos de generación y la necesidad de reemplazar el recurso petróleo, por fuentes renovables de energía, donde alrededor del 20% de la electricidad se produce utilizando la energía hidráulica o hidroenergía (Monirul et al., 2021MONIRUL, I.M.; ASHFAQ, A.; SALMAN, R.; HEMAL, C.; TAMAL, C.; PIYAL, C.; SADIQ, M.S.; YOUNG, K.P.: “An overview of the hydropower production potential in Bangladesh to meet the energy requirements”, Environ. Eng. Res., 26(6): 200-514, 2021, ISSN: 1226-1025, DOI: https://doi.org/10.4491/eer.2020.514.; Pérez et al., 2022PÉREZ, C.B.; GARCÍA, F.L.; FONG, B.J.; DOMÍNGUEZ, A.H.R.; PEÑA, P.L.: “Control del proyecto de una mini hidroeléctrica auxiliar para una pequeña central”, Ingeniería Mecánica, 25(2): 647, 2022, ISSN: 1815-5944.).

La transformación agraria de Cuba se ha sustentado desde sus inicios en la visión de un modelo alternativo que incluyó la recuperación y el aprovechamiento de los recursos hídricos y energético, la construcción de nuevas plantas para el aprovechamiento de la hidroenergía, la instalación de molinos de viento y la difusión de las nuevas tecnologías agroecológicas para el tránsito hacia un nuevo modelo tecnológico organizativo en el sector agropecuario Arias, (2009)ARIAS, G.M.D.L.A.: “Cuba: reforma y transformación agraria. La crisis de los noventa y el proceso de desestatalización de la agricultura”, Revista IDeAS, 3(1): 6-29, 2009, ISSN: 2451-6910.; así como la preservación del medio ambiente y el desarrollo sostenible (Paneque et al., 2015PANEQUE, P.L.A.; KINDELÁN, C.L.; COPA, R.J.R.: “Identificación de aspectos ambientales en la comunidad La Victoria, Santiago de Cuba”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 24(1): 65-71, 2015, ISSN: 1010-2760.).

La energía hidroeléctrica es un tipo de energía renovable que produce impactos ambientales negativos en el caso de agua embalsada en presas; no obstante, la utilización de esta tecnología ofrece la ventaja de la diversificación energética y la posibilidad de desarrollo de las comunidades donde la energía generada es el sostén de las actividades productivas (Reyna et al., 2017 REYNA, T.; REYNA, S.; LÁBAQUE, M.; RIHA, C.; GÓNGORA, C.: “Desafíos ambientales para uso de la hidrogeneración”, Avances en Ciencias e Ingeniería, 8(3): 1-12, 2017, ISSN: 0718-8706. ). Esta energía está relacionada con factores hidrológicos de una cuenca hidrográfica, esenciales en la generación de energía eléctrica; especialmente la curva de duración de caudales (Gallego & Carvajal, 2017GALLEGO, A.S.; CARVAJAL, S.L.F.: “Regionalización de curvas de duración de caudales en el Departamento de Antioquia-Colombia”, Revista EIA, 27: 21-30, 2017, ISSN: 1794-1237.). El objetivo del presente trabajo fue evaluar diferentes factores hidrológicos de la Cuenca Chambas y su contribución en la generación de hidroenergía y el abasto de agua al sector agropecuario.

MATERIALES Y METODOS

La investigación se realizó en la Cuenca Hidrográfica del Río Chambas, situada en la vertiente norte de Cuba en la provincia de Ciego de Ávila; abarca los municipios de F y Chambas con un área de 384,374 km². Las coordenadas están comprendidas según el Sistema de Coordenadas Cuba Norte GCS_NAD27-CU en: Superior: 286754,723900 m; Izquierdo: 700995,360200 m; Derecho: 720785,727100 m; Inferior: 248273,406300 m.

En esta cuenca se encuentra el Conjunto Hidráulico Liberación de Florencia, de Ciego de Ávila, constituido por los embalses Chambas I (Cañada Blanca) y Chambas II; así como la Pequeña Central Hidroeléctrica “Alzamiento de Jagüecito” con una capacidad de generación de 1,2 MW con la utilización de turbinas del tipo Francis.

En la investigación se utilizó la técnica diagnóstica para la obtención de toda la información posible relacionada con las precipitaciones, el volumen de llenado del embalse y la producción de energía durante 10 años (2008-2018) con el empleo de diferentes herramientas como el análisis documental de informes técnicos, de la Empresa de Aprovechamientos Hidráulicos y la Unión Eléctrica respectivamente.

La curva de probabilidad de los caudales del rio Chambas se construyó a partir de los valores de caudales registrados, el cálculo de la probabilidad de excedencia con la función empírica de Weibull y la construcción del gráfico con los datos de caudal en el eje de las ordenadas y los respectivos valores de probabilidad en el eje de las abscisas (Gallego y Carvajal, 2017GALLEGO, A.S.; CARVAJAL, S.L.F.: “Regionalización de curvas de duración de caudales en el Departamento de Antioquia-Colombia”, Revista EIA, 27: 21-30, 2017, ISSN: 1794-1237.).

El caudal ecológico (Q_eco) se estimó mediante el método del Perímetro Mojado Benetti et al. (2003)BENETTI, A.; LANNA, E.; COBALCHINI, M.: “Metodologías para la determinación de caudales ecológicos en ríos”, Revista Brasileña de Recursos Hídricos, 8(2): 149-160, 2003, ISSN: 2318-0331.; Brown et al. (2016)BROWN, M.O.; GALLARDO, B.Y.; WILLIAMS, H.P.W.; TORRES, M.Y.: “Caudal ecológico del río Chambas en la provincia Ciego de Ávila”, Ingeniería hidráulica y ambiental, 37(1): 58-71, 2016, ISSN: 1680-0338., sustentado en la construcción de una curva de caudal (Q) en función del perímetro mojado del río (P_m); posteriormente se encontró el caudal ecológico en el punto de inflexión de esta curva. Este procedimiento requiere conocer, la altura de cada vertical (h), la velocidad instantánea promedio en cada vertical, los caudales parciales, el caudal total, la velocidad media y el radio hidráulico para la simulación de las profundidades esperadas en cada vertical de la sección transversal al variar el caudal medio del río (Q_m) y la relación funcional entre Δ_v y ΔA.

El caudal de equipamiento (Q_e) y el caudal mínimo técnico (Q_mt) de la turbina se estimaron según Castro (2006)CASTRO, A.: Minicentrales hidroeléctricas, [en línea], Inst. Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía (IDAE), Madrid, España, 175 p., 2006, Disponible en: http://dl.idae.es/Publicaciones/10374_Minicentrales_hidroelectricas_A2006.pdf, [Consulta: 18 de enero de 2017].. En el caso del caudal mínimo técnico se seleccionó un factor de proporcionalidad (K) de 0,35 para la turbina Francis. Las ecuaciones utilizadas fueron:

La evaluación del potencial hidroenergético se realizó a partir de datos del caudal turbinado (Q_e), las curvas características del embalse y la cota de emplazamiento de la turbina. Esta información permitió calcular el desnivel en cada cota del volumen de agua en el embalse y finalmente la potencia de la turbina con la utilización de las siguientes ecuaciones:

Donde: P es la potencia de la turbina (kW), ρ la densidad del agua (kg m^-3), g la aceleración de la gravedad (m s^-2), Q_e el caudal turbinado (m³ s^-1), H_n la altura del salto neto (m), η la eficiencia de la turbina (adimensional), C_NA la cota del nivel de agua en el embalse (m), C_IT la cota de instalación de la turbina (m), L la longitud de la tubería de presión (m), C el coeficiente de rugosidad de la tubería, D el diámetro de la tubería (m)

La evaluación de la producción hidroenergética consistió en analizar el comportamiento de las variables precipitaciones, volumen de llenado del embalse y producción de energía en cada uno de los meses del periodo evaluado. Con los datos se construyó el gráfico de comportamiento de las variables en el periodo evaluado y se elaboró la curva de tendencia de la producción de energía de la instalación.

La evaluación del uso de la escorrentía almacenada en el embalse de la presa con fines agropecuario se fundamentó en el comportamiento del volumen de agua entregado por la presa para ser utilizado en la producción de alimentos en el área atendida por esta importante obra hidráulica.

RESULTADOS Y DISCUSION

En la Figura 1 se muestra la curva de probabilidad de los caudales diarios promedios correspondiente al rio Chambas en la provincia Ciego de Ávila. En la figura es posible obtener el valor del caudal diario del rio para cualquier año característico que se desee. En este sentido Rivera & Penalba (2018) RIVERA, J.A.; PENALBA, O.C.: “Distribución de probabilidades de los caudales mensuales en las regiones de cuyo y patagonia (Argentina): Aplicación al monitoreo de sequías hidrológicas”, Meteorológica, 43(2): 25-46, 2018, ISSN: 1850-468X. realizaron estudios en regiones de Cuyo y Patagonia en Argentina para seleccionar la distribución de probabilidades con mejor ajuste a las frecuencias de caudales observados; sin embargo, en este estudio se logró que los valores de caudales diarios del rio se ajustaron adecuadamente la probabilidad de ocurrencia (Pr) mediante un modelo polinómico de segundo orden con un alto coeficiente de determinación (R²) que alcanzó en este caso un valor de 0,9903:

El análisis de la serie temporal de los caudales diarios del rio Chambas permitió determinar el caudal medio (Q_m) con un valor de 2,12 m³ s^-1. Este parámetro constituye la base para el diseño de la turbina Francis; obteniéndose, un caudal turbinable (Q_e) de 2,08 m³ s^-1, un caudal ecológico (Q_eco) de 0,038 m³ s^-1 y un caudal mínimo técnico (Q_mt) de 0,73 m³ s^-1; lo que indica que este es el límite inferior para que la turbina hidráulica instalada genere energía eléctrica.

En la Figura 2 se muestra el histograma de frecuencias de caudales del rio Chambas. Se comprueba que el caudal de 2,12 m³ s^-1 presenta la mayor frecuencia absoluta con una ocurrencia de 170 veces, muy próximo a seis meses, lo que confirma que este valor se corresponde con la probabilidad del 50%.

En la Figura 3 se muestra la sección transversal del río Chambas, la cual se utiliza como punto de partida para las simulaciones posteriores de la velocidad del flujo y las profundidades esperadas en cada vertical de la sección transversal al variar el caudal promedio del río. La relación funcional entre la velocidad instantánea promedio en cada vertical (Δv) y las áreas parciales (ΔA) en la sección transversal del río respondió a un modelo lineal con elevado coeficiente de determinación (R²) de 0.9989, como se expone en la ecuación siguiente:

La sección transversal puede simularse a partir del modelo tipo polinómico de segundo orden y coeficiente de determinación (R²) de 0,9812. Este modelo permite la determinación de la profundidad de cada vertical (h) en la sección transversal del río en función de la distancia desde la margen izquierda de la sección transversal.

Con los datos de caudales y perímetro se trazó la curva que se muestra en la Figura 4, en la que se observa un punto de inflexión a partir del cual se encontró el caudal ecológico del río. Este caudal alcanzó el valor de 0,038 m³ s^-1; siendo cercano al caudal mínimo promedio del río; por lo que se puede considerar al método del perímetro mojado como un estimador aceptable del caudal ecológico en las condiciones del río Chambas.

Los valores de la curva característica de la presa Chambas I (Cañada Blanca), ofrecida por la Empresa de Aprovechamientos Hidráulicos permitieron relacionar las cotas de agua del embalse, H (m) con el volumen de agua embalsado, V (hm³); obteniéndose una función polinómica de segundo grado con un elevado coeficiente de determinación R² de 0,9925.

En la Tabla 1 se presenta la potencia bruta de la turbina Francis para una central de embalse, calculada con el caudal de diseño y el caudal turbinado en el rango del nivel de aguas normales y la cota de emplazamiento de la turbina (84,00 y 57,00 m) para la presa Chambas I (Cañada Blanca), lo que permitió encontrar la altura de generación (H_n) para cada una de las cotas del nivel del agua (H).

La estimación de la potencia con el caudal turbinado de 11,30 m³ s^-1 (50% del caudal máximo de la obra de toma) y un rendimiento del 93% que es el recomendado para este tipo de turbina, se obtuvieron valores que fueron superiores en relación con el cálculo teniendo en cuenta la potencia bruta de la turbina Francis en caso de que se tratara de una central de agua fluyente, calculada con el caudal turbinado de 2,08 m³ s^-1 (respetando el ecosistema fluvial) y un caudal mínimo técnico de 0,73 m³ s^-1, el cual representa el límite inferior para que la turbina hidráulica pueda generar energía eléctrica bajo las condiciones evaluadas .

El resultado simulado para el caso de la central de agua fluyente responde al estudio hidrológico realizado en la cuenca. De esta manera, el aprovechamiento hidroenergético garantiza una mejor protección del medio ambiente sobre la base de la planeación y operación de los proyectos hidroeléctricos orientados en minimizar los impactos negativos debido a los efectos del cambio climático a nivel mundial y los eventos climáticos extremos (Bedoya & López, 2015BEDOYA, V.H.; LÓPEZ, L.J.M.: “Modelo para el Control de Inundaciones durante el Fenómeno de “La Niña” Utilizando un Embalse Hidroeléctrico”, Información Tecnológica, 26(2): 89-100, 2015, DOI: https://doi.org/10.4067/S0718-07642015000200011.).

La generación de la energía hidroeléctrica se produce mediante la conversión de la energía cinética del agua en energía eléctrica utilizando turbinas hidráulicas teniendo en cuenta varios factores, como la cantidad de agua disponible en la cuenca, altura de generación, el tipo de turbina que se instale, el caudal que llega a la turbina y especialmente el caudal ecológico para que sea sostenible el proyecto hidroenergético (Meza & Aparicio, 2018MEZA, P.B.; APARICIO, J.: “Evaluación del potencial hidroenergético a pequeña escala en cuencas hidrológicas con un modelo lluvia-escurrimiento”, Tecnología y Ciencias del Agua, 9(1): 69-87, 2018, ISSN: 0187-8336, DOI: https://doi.org/10.24850/j-tyca-2018-01-05.).

En la Figura 5 se muestra el comportamiento de las variables producción de energía, precipitaciones y volumen de llenado del embalse en una escala de tiempo mensual. El comportamiento de las precipitaciones refleja que entre los meses de mayo a octubre se obtienen los mayores acumulados y entre noviembre y abril existe una decadencia considerable en este parámetro meteorológico.

En cuanto al volumen acumulado se observa que, en todos los meses del año, no se logra altos porcentajes en el llenado del embalse, lo que influye en la producción de energía eléctrica debido a la reducción de la altura de generación, el caudal de turbinado y la potencia de la turbina. A partir del mes de noviembre hasta marzo ocurren descensos considerables en los volúmenes del embalse; sin embargo, el volumen se incrementa a partir del mes de mayo hasta octubre; siendo el periodo más favorable en la producción de energía para satisfacer la demanda de consumo energético para los diferentes sectores de la economía en especial la población y la agricultura.

El análisis del uso de la escorrentía almacenada en el embalse de la presa con fines agropecuario revela que el mayor consumidor del Sistema Hidráulico liberación de Florencia es la generación de energía eléctrica mediante la Pequeña Central Hidroeléctrica con el 37,7%, seguida por el Grupo Empresarial AZCUBA con el 20,5% para actividades relacionadas con la producción de caña de azúcar y sus derivados; así como en el autoconsumo. El ministerio de la agricultura emplea el 13,9% en la ganadería, el cultivo de arroz, cultivos varios y hortalizas; por su parte, el Ministerio de la Industria Pesquera utiliza el 4,6% para la producción acuícola.

Los restantes consumidores son la población que recibe el 1,4% para el abasto y el Ministerio de la Construcción en la industria de materiales de la construcción. Este resultado indica la importancia de los embalses para el aseguramiento de recursos hídricos para la utilización de sus aguas en periodos de déficit hídricos, lo que contribuye a la seguridad alimentaria de la de la zona.

Estudios realizados por Mendoza & Campos (2021)MENDOZA, C.J.; CAMPOS, C.A.: “Análisis Hidrológico de la Cuenca Rocafuerte para Estimar el Potencial Hídrico de la Zona”, Revista Tecnológica - ESPOL, 33(1): 8, 2021, ISSN: 1390-3659, DOI: https://doi.org/10.37815/rte.v33n1.783. demostraron la necesidad de valorar la precipitación y escorrentía de la cuenca por constituir un aporte a la solución del problema del déficit de agua existente en una zona; lo que contribuye a la determinación del potencial hídrico, su almacenamiento en la estación de lluvias y su posterior uso en épocas de sequias para satisfacer las necesidades hídricas, tanto para riego como para consumo humano.

Existen contradicciones entre el agua utilizada para la generación hidroeléctrica y el riego agrícola. Estas contradicciones se manifiestan en la distribución de los recursos hídricos entre diferentes usos, lo que dificulta satisfacer la demanda de agua para ambos fines y requiere tomar decisiones y acciones de naturaleza integral, transdisciplinarias y participativas, principios que se relacionan con la gestión del agua y el Manejo Integrado de los Recursos Hídricos (Cazorla, 2003CAZORLA, C.X.: “Conflictos en el Manejo Integrado de los Recursos Hídricos: la Crisis de la Gobernabilidad y los Usuarios del Agua”, Ecología política, 25: 35-52, 2003, ISSN: 1130-6378.).

CONCLUSIONES