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Henry Jiménez E., Profesor
CLIMATICOS (Meterorológicos)
1. Forma de precipitación.
2) Intensidad de la precipitación.
3) Duración de la precipitación.
4) Distribución de la precipitación en el espacio.
5) Dirección del movimiento de la precipitación.
6) Precipitación antecedente y humedad del suelo.
7. Otras condiciones del clima: Entre ellos la temperatura,
el viento, la presión y la humedad relativa.
Henry Jiménez E., Profesor
FISIOGRAFICOS
• MORFOMETRICOS
– Area
– Forma
– Pendiente
– Orientación
– Elevación.
Henry Jiménez E., Profesor
FISICOS
• Tipo de Suelo
• Uso y/o cobertura del suelo,
• Geología,
• Topografía,
• Red de drenaje:
Coeficiente de escurrimiento
• Se entiende por coeficiente de escurrimiento (K) a la
relación entre la lámina de agua precipitada sobre una
superficie y la lámina de agua que escurre
superficialmente, (ambas expresadas en mm).
• Donde:
• K=Es/P
• Es: Escurrimiento (mm)
• P: Precipitación (mm)
Que es el Caudal ó Gasto:
Es el volumen de agua que atraviesa o conduce un canal ó un río
en un determinado tiempo.
Unidades:
litros/ seg ó lps; m3/s GPM.
Caudal de una corriente de
agua
Henry Jiménez E. Profesor
Uso del caudal
• Dimensionar obras hidráulicas de captación,
canales, etc.
• Conducir y controlar avenidas.
• Satisfacer racionalmente necesidades
humanas.
• Estudio del comportamiento del río y de la
cuenca.
Henry Jiménez E. Profesor
Escuela de Ingeniería de Recursos Naturales y del
Métodos de aforo
Método del volumen y tiempo
Basado en recolectar un cierto volumen de agua dentro de un recipiente en un intervalo de tiempo.
Caudal = Volumen captado
Tiempo empleado
Adecuado para corrientes pequeñas especialmente en zonas de ladera
Henry Jiménez E. Profesor
Metodos de aforo Método de las secciones hidráulicas (Vertederos).
• Consiste en una escotadura por donde fluye agua .
• Las formas mas comunes son: rectangular, triangular, trapezoidal, y parabólico.
• En este tipo de aforador es recomendable remansar el agua cuando llega a la bocatoma, ya que pueden crearse turbulencias y causar defectos en la toma de medidas.
Por tal es recomendable ampliar la sección de entrada para que el agua fluya tranquilamente.
Henry Jiménez E. Profesor
Métodos de aforo Método de las secciones hidráulicas (Vertederos).
Vertedero rectangular
La ecuación que describe al caudal que
pasa por este tipo de aforo, se deduce a
partir de la ecuación para un orificio
rectangular considerándose una carga
media de h.
Por arreglos algebraicos y
consideraciones del aforador se obtiene
la ecuación final
Q = (1.838) . L . h3/2 (Ecuación de
Francis)
Henry Jiménez E. Profesor
Métodos de aforo
Vertedero triangular
En este tipo de aforador el caudal se
deduce a partir de las consideraciones
geométricas, en las cuales el ángulo alfa debe ser de 30° a 45°.
Q = C . tg α . h5/2
Donde:
C = (8/15) . Cd . (2g)1/2
Henry Jiménez E. Profesor
Metodos de aforo AFORO POR MOLINETE
Es un elemento mecánico que gira sobre un eje vertical u horizontal con una velocidad angular que depende de la velocidad lineal del agua en ese punto de medición.
La selección de un molinete varía de acuerdo con la corriente en donde se desea utilizar.
Henry Jiménez E. Profesor
Metodos de aforo AFORO POR MOLINETE
Pasos para aforar:
1. La sección de aforo se divide en un número de franjas de acuerdo al ancho total de la corriente.
2. El caudal total que pasa por la sección de aforo es igual a la suma de los caudales que pasan por cada franja.
Qt = q1+q2+...+qn-1+qn
Henry Jiménez E. Profesor
Metodos de aforo AFORO POR MOLINETE
3. Se estima el caudal en cada franja imaginaria, utilizando la ecuacion de continuidad.
qi = vi . ai
Donde,
qi = caudal que pasa por la franja iésima, en m3/s
Vi = velocidad promedia del agua en la franja iésima, en m/seg
Ai = área de la franja imaginaria iésima, en m2
4. La velocidad promedia se determina promediando el valor de la velocidad obtenida en cada una de las verticales que encierran la respectiva franja.
Henry Jiménez E. Profesor
Metodos de aforo AFORO POR MOLINETE
5. Se determina la velocidad promedio del agua en cada vertical. Las profundidades se especifican en porcentajes de la altura correspondiente.
6. La velocidad sobre un punto en la vertical se calcula teniendo la ecuación característica del molinete que relaciona el numero de vueltas de la hélice con la velocidad del flujo de agua.
V = aN + b Donde
V = velocidad media del agua obtenida con molinete en el punto de interes (m/s)
n = numero de revoluciones por minuto (rev/min).
a y b = constantes propias del molinete suministradas por el proveedor.
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Metodos de aforo AFORO POR MOLINETE
7. Se promedia las velocidades en las verticales de cada franja.
8. Al haber encontrado las velocidades promedio, se hallan las áreas correspondientes a cada franja, teniendo en cuenta su forma trapezoidal en todo el borde transversal del rió y triangular en sus extremos.
9. Con la ecuación de continuidad se calcula el caudal promedio de cada franja.
10. Se suman todos los caudales hallados en cada franja.
Henry Jiménez E. Profesor
Metodos de aforo AFORO POR FLOTADORES
Se realiza colocando sobre la superficie de flujo a medir un flotador.
El caudal es hallado simplemente con el producto de la velocidad tomada para el flotador y el area por el cual circula el flujo.
Por tanto:
Q = C . A . V = A . (L / T)
Donde
A = área de la sección transversal del canal (m²).
V = velocidad del flotador (m /seg).
L = largo del canal (m).
T = tiempo de recorrido del flotador (seg).
C = coeficiente de flotación (hallado en tablas teniendo en cuenta el radio hidráulico y la rugosidad del canal. Henry Jiménez E. Profesor
Aforo de corrientes
• Evitar ubicar la estación a en sitios muy cercanos a curvas y a
remansos, debidos a acción de compuertas o ríos aledaños.
• La sección seleccionada deberá recoger los posibles caudales
máximos y mínimos; de tal forma que refleje cualquier incremento
del caudal producido.
• Seleccionar la estructura y los equipos en base a criterios económicos, eficientes y funcionales a largo plazo.
Los Requerimientos necesarios en un lugar de aforo son:
• Fácil acceso para el observador
• La sección deber ser lo mas regular posible y estable con
el tiempo; puede considerarse una sección rocosa o una
estructura bajo un puente.
Henry Jiménez E. Profesor
Escuela de Ingeniería de Recursos Naturales y del
Métodos de aforo
Estos métodos son basados en la ecuacion de continuidad.
Q= A ۔ V
Donde:
A= Area de la seccion transversal (m2).
V= Velocidad del agua (m/s).
La selección del método está en función de las necesidades técnicas y de la naturaleza de la corriente que se desea medir.
Henry Jiménez E. Profesor
Escuela de Ingeniería de Recursos Naturales y del
Métodos de aforo Método de las secciones hidráulicas (Orificios Circular).
Consiste en hacer pasar el agua orificio encontrado en una pared transversal a la dirección de flujo.
El caudal se obtiene estableciendo la ecuación de Bernoulli entre los puntos 1 y 2, de tal forma que:
Q = A . V = A . (2gh)1/2
1
2
Q = A . V = Cd A . (2gh)1/2
Donde: Q = caudal (m3/seg)
Cd = coeficiente de descarga, para efectos prácticos puede tomarse 0.61.
A= área del orificio (m2).
g= aceleración de la gravedad (m/s2).
h= carga desde el punto 1 al 2 (m).
Gasto Teórico
Gasto Real
Henry Jiménez E. Profesor
Métodos de aforo Método de las secciones hidráulicas (Orificio Rectangular).
dA = L . dh
dQ = Cd . L . dh . (2gh)1/2
dQ = (Cd . L . (2gh)1/2 . dh)
h2
h1
Q = 2/3 Cd . L . (2g)1/2 . ((h2)3/2-(h1)
3/2)
Donde:
L = ancho del orificio en metros.
h = carga media en metros.
Los orificios con bordes afilados con contracción completa son mas recomendables para mayor precisión
Henry Jiménez E. Profesor
Métodos de aforo
Vertedor trapezoidal
• Es una combinación de la forma
rectangular y triangular.
• Debido al efecto de las contracciones, los
ángulo del vertedero rectangular se
amplían hasta obtener un talud de 1: 4,
obteniéndose así la forma trapezoidal.
• La ecuación que describe el caudal de
este tipo de aforo se deduce a partir de la
suma de los caudales obtenidos en forma
rectangular y triangular.
Q = Q1 + 2Q2
Q = 1.838 (L - 0.1 n h) h3/2 + (8/15) tg Cd (2g)1/2 h5/2
Q = 1.86 L h3/2 ( 1+0.56 h2/y2) Henry Jiménez E. Profesor
Métodos de aforo
Vertedor Parshall
Se compone de:
•Sección convergente o de contracción.
•Sección constreñida o Garganta.
•Sección divergente o de expansión.
La anchura de la garganta (W), se emplea para señalar el tamaño del aforador.
Henry Jiménez E. Profesor
Metodos de aforo Vertedor Parshall
El gasto en la estructura puede ocurrir bajo dos diferentes condiciones:
Sin sumergencía (Flujo Libre).
Elevación corriente abajo, tiene altura suficiente para retardar el índice de descarga (Flujo Sumergido).
Por lo anterior se dispone de dos medidores de profundidad (Ha y Hb), los cuales son calibrados colocando el punto 0 en la media de la cresta del canal.
Ventajas y Desventajas:
El aforador tiene la ventaja de que opere como un dispositivo de cabeza sencilla con la mínima de perdida de carga. Útil en canales poco profundos con pendiente escasa.
Como desventaja es que su diseño es relativamente complicado y siempre debe hacerse un control en su mantenimiento.
Henry Jiménez E. Profesor
Métodos de aforo Vertedor Parshall
Para el calculo del caudal si:
Hb << Ha, se dice que el aforador funciona a descarga libre y Q es función únicamente de de Ha de la entrada.
Hb = Ha se dice que el medidor trabaja con sumersión y Q es función de Ha y Hb.
La sumersión (S) es la relación de estas dos alturas:
S = Hb/Ha
S = grado de sumersión o de sumergencía.
Ha = Profundidad de flujo aguas arriba.
Hb = Profundidad de flujo aguas abajo.
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Métodos de aforo Vertedor Parshall
Porcentaje de sumersión (S)
Gasto en m3 /S
Tamaño W del medidor en m
Perdida de carga en m.
Henry Jiménez E. Profesor
Métodos de aforo Vertedor sin cuello.
Elemento de fácil construcción e instalación, brinda mayor economía y el error es bajo alrededor del 2 %.
La amplitud (B) en las secciones de la entrada y salida son iguales.
B = w + 2/3 (L1) = w +1/3 (L2)
L = L1 + L2
Grado de sumersion: S = (Hb/Ha)*100
Henry Jiménez E. Profesor
Métodos de aforo
Vertedor sin cuello (flujo libre).
Q = C (Ha)n
Donde:
Q = es la descarga en m3/seg
Ha = es la profundidad de flujo aguas arriba en metros.
n = exponente de flujo libre
C = coeficiente de flujo libre; C = K W1.025
Donde K es el coeficiente de longitud del aforador para flujo libre y W es la amplitud de la garganta.
Henry Jiménez E. Profesor
Métodos de aforo Vertedor sin cuello (flujo sumergido).
Q = Cs (Ha – Hb)n / (Log s)ns
Donde:
Q = es la descarga en m3/seg
Ha = profundidad de flujo aguas arriba en metros.
Hb = profundidad de flujo aguas abajo en metros.
n = exponente de flujo libre
ns = exponente de flujo sumergido
S = sumersión (Ha/Hb) en porcentaje
Cs = coeficiente de flujo sumergido; Cs = Ks W1.025
Donde Ks es el coeficiente de longitud del aforador para flujo sumergido y W es la amplitud de la garganta.
ns solo depende de la longitud del aforador L y Cs varia en función de la
longitud del aforador L y de la amplitud de la carga W. Henry Jiménez E. Profesor
Metodos de aforo
Coeficiente de longitud K
Exponente de flujo n
Lo
ng
itu
d d
el a
fora
do
r L (
m)
Relaciones entre K y n respecto a la longitud L en un aforador sin cuello.
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Metodos de aforo AFORO POR CONCENTRACION DE SALES
Se utiliza para tener velocidades mas exactas, en flujos turbulentos y bajas velocidades
Long. 200 m
Q Co C1 q1
(Q+q) C2
Solucion salina
Bomba
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Metodos de aforo AFORO POR CONCENTRACION DE SALES
Ecuación de Balance.
Q Co + q C1 = (Q + q) C2
Donde:
Q = Caudal que lleva la corriente en m³/ seg
q = Caudal de solución salina que inyecta la bomba en m³/seg
Co = Concentración inicial de solución salina que puede llevar la corriente de agua antes de la inyección Kg /seg
C1 = concentración de solución salina del agua inyectada al rio por la bomba en Kg /seg
C2 = concentración salina final aguas debajo de la corriente en Kg/seg
A partir de la ecuación de balance se despeja el caudal Q.
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Metodos de aforo AFORO POR CONCENTRACION DE SALES
El caudal por tanto será:
Q = q (C1 – C2)
(C2 – C0)
Para la toma de muestras se acostumbra a usar colorante para saber el momento de la toma de muestra.
Henry Jiménez E. Profesor
Escuela de Ingeniería de Recursos Naturales y del
Limnímetros
Medición convencional de caudales
Ambiente - EIDENAR
Instrumento que toma la medida
del nivel del agua, mediante
una escala graduada.
Consideraciones:
• Instalar rígidamente.
• Las marcas deben ser visibles a
buena distancia y formadas en
relieve, debido a desechos y
sedimentos.
• Inapropiado en ríos con gran
variación de niveles
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Escuela de Ingeniería de Recursos Naturales y del
Limnígrafos
Medición convencional de caudales
•Instrumento que registra los niveles de
agua en forma continua.
•Los registros del nivel de agua y
tiempo, los grafica sobre un papel
graduado.
•Los datos mostrados en un limnígrama
(H vs t) son correlacionados con los de
una curva de Nivel-Caudal (H vs Q)
para obtener posteriormente los
Hidrogramas de escurrimiento (Q vs t). Henry Jiménez E. Profesor
Escuela de Ingeniería de Recursos Naturales y del
• Es el proceso mediante el cual se determina el volumen de agua
que circula por una sección en la unidad de tiempo.
Aforo de corrientes
•En una estación de aforo el principal fin es registrar los caudales
en cualquier momento. Para tal proposito se construyen gráficas
que relacionan el nivel de agua (H) contra los valores de caudal
(Q).
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Escuela de Ingeniería de Recursos Naturales y del
Aforo de corrientes
Curva de calibración
Henry Jiménez E. Profesor
Curva de Masas
•Grafica donde se relacionan la lectura de mira (H) y el tiempo (t) (resulta directamente del limnígrafo).
•En el se pueden presenciar picos
•Pueden deducirse el momento exacto en que inicia y culmina una avenida.
•Junto con la gráfica de nivel caudal (Q vs H) permite construir gráficos de hidrogramas de escurrimientos.
Limnigrama
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Curva de Masas
Grafica donde se relacionan la lectura de mira (Q) y el tiempo (t) (resulta directamente del limnigrafo).
En el se pueden presenciar picos
Pueden deducirse el momento exacto en que inicia y culmina una avenida.
Junto con la grafica de nivel caudal (Q vs H) permite construir gráficos de hidrogramas de escurrimientos.
Hidrograma
Henry Jiménez E. Profesor
Curva de Masas Hidrograma
Para realizar el hidrograma se necesita los datos de :
(Q vs t )
(H vs t).
Con estos datos basta remplazar en un grafico (H vs t) obtenido de un limnigrafo del sitio de aforo, los valores de caudales que coinciden con los tiempos de una grafica calibrada (Q vs t).
Henry Jiménez E. Profesor
Curva de Masas
Altura de Lamina de Agua
(cm)
Cau
dal
en (
m³/
seg)
Alt
ura
de
agu
a (
cm o
m)
Tiempo (minutos, horas, dias)
Curva de Calibración
Liminigrama
Henry Jiménez E. Profesor
Curva de Masas Definición
Este diagrama lo constituye:
•Eje de las ordenadas se grafica el volumen acomulado (m³).
•Eje de las abscisas se coloca el tiempo en que se acomula los escurrimientos.
Se utiliza para el diseño de embalses
Denominado como curva integral de gastos
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CURVAS DE DURACION DE CAUDAL CDC
Graficas que relacionan la relación de magnitud de caudal medio en un río contra la frecuencia de ocurrencia del evento en términos de porcentaje del tiempo total.
Henry Jiménez E. Profesor
Determinar el porcentaje del tiempo en
que un determinado caudal es excedido
CDC
Objetivos
Indagar la posibilidad de satisfacer
nuevas demandas de agua para
potenciales usuarios de un río
Confiabilidad pero con actualizaciones
periódicas
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Q m
³/s
Probabilidad %
Meses
Diagrama probabilistico para construir curvas de variación estacional
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Q m
³/s
Meses
Porcentajes de
probabilidad
Periodo Hidrologico
1972 a 1981
Curvas de variación estacional
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Curvas de variación estacional
Se utilizan para
Regimen de distribucion de los caudales en el tiempo.
La probabilidad que los eventos son igualados o excedidos.
Curvas de duración de caudales
Se utilizan para Calcular el volumen requerido de almacenamiento que debe ser menor o igual que el volumen almacenable del río.
Henry Jiménez E. Profesor