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HIDROMETRIA ING CRISTIAN COELLO MSc Mar- Ago 2016 FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL
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HIDROMETRIA
ING CRISTIAN COELLO MSc
Mar- Ago
2016
FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL
Hidrometría Contenido del Programa 1/3
Introducción: Conceptos generales
Caudal y Aforos
Métodos empleados en Hidrometría
Flotador
Velocidad Sección (ADV, molinete)
Volumétrico
Químico y Radiactivo
Acústicos y Doppler (ADV, ADCP)
Radar
Estructuras de medición de flujo
Vertederos
Flume o canal Parshall
Hidrometría
Contenido del Programa 2/3
Estación Hidrométrica
Curvas de descarga
Extrapolación de curvas para caudales extremos
Curvas y análisis de calidad – correlación
Manejo de Anuarios Hidrológicos
Índices hidrométricos generales
Consideraciones de diseño de una red hidrométrica.
Equipos automáticos (Marcas y Características)
Hidrometría
Contenido del Programa 3/3
Datos de precipitación
Manejo de Anuarios Meteorológicos
Procesamiento y control de calidad
Índices pluviométricos generales
Red Hidrometeorológica PROMAS U de Cuenca
Uso y Aplicaciones en Investigación y Extensión
Practica de laboratorio: Aforos líquidos
Trabajos
Cálculo del caudal a partir de información
obtenida en campo y varias metodologías (5p)
Trabajo general de aforos (10p).
Obtención de curvas de descarga (5p)
Comparación de métodos de aforo. (5p)
Diseños de estructuras hidráulicas para
medición (10p)
Trabajo de laboratorio (10p)
Trabajo en manejo de Anuarios (5p)
Exámenes
Interciclo (20p)
Final de ciclo (30p).
Notas
Los trabajos se entregaran exclusivamente la
fecha y hora acordada profesor-estudiante
La asistencia al laboratorio es obligatoria para
la presentación del trabajo y optar por la nota
total de la actividad.
Bibliografía
Chow, V.T.; Maidment, D.; Mays L., “Hidrología
Aplicada.”, McGraw-Hill Interamericana S. A., 1994.
Chow, Ven Te “Hidráulica de Canales Abiertos”,
McGraw-Hill, 1994.
King, H.W “Handbook of Hydraulics”. Ed McGraw-Hill.
Anuarios hidrológicos del INAMHI
Anuarios meteorológicos del INAMHI
Paginas de internet de fabricantes de equipos: Sommer,
Teledyne, Osceancience, Sontek.
Hidrometría: Capitulo 5. Fundamentos de Hidráulica
USGS : Use of flumes in measuring discharge 1983
Hidrometría
La palabra hidrometría proviene del griego hydro-
‘agua’ y –metría „medición‟. Entonces, hidrometría
significa ‘medición del agua’, sea el agua que corre en
un riachuelo o en un río, la que pasa por una tubería, la
que se produce en un pozo, la que llega o sale de una
planta de tratamiento, la que se consume en una ciudad,
industria o residencia, etc.
La medición de las precipitación en la actualidad es
también parte de la hidrometría
Hidrometría
La Hidrometría se encarga de medir, registrar, calcular y
analizar los volúmenes de agua que circulan en una
sección transversal de un río, canal o tubería en la unidad de
tiempo.
La hidrometría tiene como propósitos medir el agua, planear,
ejecutar y procesar la información que se registra en un
sistema de medición; a través del cual se puede:
a) Conocer el volumen de agua disponible en la fuente
(hidrometría a nivel de fuente natural).
b) Conocer el grado de eficiencia de la distribución
(hidrometría de operación)
Hidrometría Importancia
La hidrometría permite conocer los datos de caudales y volúmenes
en forma oportuna. La información hidrométrica también permite
lograr una mayor eficiencia en la programación, ejecución y
evaluación del manejo del agua en un sistema hídrico.
El uso de una información hidrométrica ordenada permite:
a. Dotar de información para los pronósticos de la disponibilidad de
agua, esta información es importante para elaborar el balance
hídrico y planificar la distribución del agua de un sistema.
b. Monitorear la ejecución de la distribución del agua de riego,
potable.
c. La información hidrométrica también permite determinar la
eficiencia en el sistema de riego, agua potable y de apoyo para la
solución de conflictos.
Hidrometría
Sistema Hidrométrico
Es el conjunto de actividades y procedimientos que permiten
conocer los caudales de agua que circulan en los cauces de los
ríos, canales, y cualquier sección hidráulica con el fin de
registrar, procesar y programar la distribución del agua. El
sistema hidrométrico tiene como soporte físico la red
hidrométrica.
Red Hidrométrica.
Es el conjunto de puntos de control ubicados estratégicamente
en un sistema de control de agua.
Hidrometría
Puntos de control
Son los lugares donde se registran los caudales de agua que circulan
por una sección hidráulica que pueden ser: estaciones hidrométricas,
estructuras_hidráulicas, compuertas, caídas, vertederos, medidores
Parshall, miras, etc.
Puntos de Control
Red Hidrometeorológica: Puntos de
Control
¾
¾
¾
¾
¾
¾
¾
¾
n
nn
Vert canal Gualay
Vert. Bermejos
Vert. Calluancay
Vert. canal San Gerardo
Vert. Zhurucay
Campamento Base
Bermejos alto
Calluancay
Zhurucay
Vert. Jordanita
Bermejos bajo
¾
¾
¾
¾
¾
¾
¾
¾
Irquis
Bermejos
Portete
Zhurucay Bajo
Quinuahuaycu
CalluancayZhurucay
Jordanita
Río
Fals
o
Río Qunuas
Vert. Quinuhuacu
San Gerardo
Bermejos Medio
Est. Quim 3
Est. Quim 2
693000
693000
696000
696000
699000
699000
702000
702000
705000
705000
708000
708000
711000
711000
714000
714000
96
54
00
0
96
54
00
0
96
57
00
0
96
57
00
0
96
60
00
0
96
60
00
0
96
63
00
0
96
63
00
0
96
66
00
0
96
66
00
0
Leyenda
n Estaciones Meteorológicas
¾ Red de Pluviógrafos
Vertederos
Red Hidrográfica
Vías
Cuencas de Aporte ±UTM ZONA 17S PSAD 56
0 2000 4000 60001000
Metros
Aplicaciones y usos
Corrientes Superficiales
Pozos
Control de sistemas de distribución por canales Perdidas
Distribución por ramales
Aforos de ingreso y salida
Derivadores de caudal
Manejo eficiente del agua en general
Conceptos Generales
Registro Hidrométrico
Es la recopilación de todos los datos de campo
determinados en la sección de un determinado punto de
control.
Dependiendo de la ubicación del punto de control, los
registros pueden ser:
Velocidad.
Tiempo
Profundidad de agua.
Caudales captados y entregados al sistema de riego; etc
Conceptos Generales
Reporte
Resultado del procesamiento de un conjunto de
datos obtenidos, en el cual normalmente una
secuencia de información medida se convierten un
caudal o volumen (m³/s, m³/día, m³, etc.…)
El reporte generalmente presenta los resultados u
objetivos previstos en el punto de control. Ej Caudal del río
Tomebamba estimado al medio día es de 5m³/s.
Conceptos Generales
Caudal
Es la cantidad de agua por unidad de tiempo que
circula por una sección hidráulica cualquiera, sea
riachuelo, quebrada, rio, canal, tubería, pozo, orificio etc.
El caudal de un río o canal es de tantos metros cúbicos de agua por
segundo (m³/s);
El caudal de una tubería es de tantos litros por segundo (L/seg);
El caudal de un pozo o de una mina es de tantos litros por minuto (L/min);
El volumen de ingreso al embalse es de tantos metros cúbicos por segundo
Conceptos Generales
Precipitación
La precipitación es cualquier forma de agua que cae de
la atmósfera y llega a la superficie terrestre. Este
fenómeno incluye lluvia, llovizna, nieve, aguanieve,
granizo
La cantidad de precipitación sobre un punto de la superficie terrestre es
llamada pluviosidad.
La precipitación es generada por las nubes, cuando alcanzan un punto
de saturación; en este punto las gotas de agua aumentan de tamaño
hasta alcanzar el punto en que se precipitan por la fuerza de gravedad.
La precipitación se expresa en mm.
Caudal Aforos en ríos
Sección de Medición
El lugar donde se va ha efectuar la medición de la velocidad del
agua, se conoce como la sección transversal del curso de agua,
esta debe estar ubicada en un tramo del cauce o canal donde el
flujo de agua tenga las siguientes características:
1) El tramo del río que se escoja para medir el agua debe ser en lo
posible recto, en una distancia de 50 a 80 metros, tanto aguas
arriba como agua abajo de la estación de aforo. En este tramo
recto, no debe confluir ninguna otra corriente de agua.
2) La sección de control debe estar ubicada en un tramo en el cual el
flujo sea calmado y con flujo constante, por lo tanto, libre de
turbulencias, y donde la velocidad misma de la corriente este,
dentro de un rango que pueda ser registrado por un aforador.
(0.1m/s - 4m/s)
Aforos en ríos
3) El cauce del tramo recto debe estar limpio de malezas o matorrales,
de piedras grandes, bancos de arenas, etc. para evitar
imprecisiones en las mediciones de agua. Estos obstáculos hacen
más imprecisas las mediciones en épocas de estiaje.
4) El lugar debe ser de fácil acceso para realizar las mediciones.
Aforos en ríos
3) El cauce del tramo recto debe estar limpio de malezas o matorrales,
de piedras grandes, bancos de arenas, etc. para evitar
imprecisiones en las mediciones de agua. Estos obstáculos hacen
más imprecisas las mediciones en épocas de estiaje.
4) El lugar debe ser de fácil acceso para realizar las mediciones.
Aforos en ríos
5) Tanto aguas abajo como aguas arriba, la estación de aforo debe
estar libre de la influencia de puentes con estribos en el cauce,
presas o cualquier otra construcción que pueda afectar la medición.
Medición del caudal Es la cuantificación del volumen de agua que pasa por
una sección transversal de un conducto (río, riachuelo,
canal, tubería, pozo); también se le conoce como aforo
liquido.
Para cuantificar la cantidad de agua se puede utilizar las
siguientes fórmulas:
Q = A x V o Q = Vol / t Donde:
Q = Caudal o Gasto (m³/s)
A = Área de la sección transversal (m²)
V = Velocidad media del agua en la sección hidráulica (m/s)
Vol = Volumen (m³ o lt)
T= Tiempo (s)
Métodos de Medición
Los métodos de aforo más utilizados son:
1. Método del flotador (Empírico)
2. Velocidad y sección (Mecánico y electrónico)
3. Estructuras Hidráulicas (Ecuaciones)
4. Método volumétrico (Empírico)
5. Método químico (trazadores)
6. Radar
7. Acústico y Doppler (Alta tecnología)
Métodos de Medición
Grado de dificultad y eficacia de los métodos:
1. Método del flotador (Simple y aproximado)
2. Velocidad y sección (Moderado y bueno)
3. Estructuras Hidráulicas (Simple y precisa)
4. Método volumétrico (Empírico y bueno)
5. Método químico (difícil y bueno)
6. Radar, Acústico y Doppler ADCP (moderado
y preciso)
Método del Flotador
Este método se utiliza cuando no se dispone de
equipos de medición; para medir la velocidad del
agua, se usa un flotador con el se mide la velocidad
superficial del agua; pudiendo utilizarse como
flotador, un pequeño pedazo de madera, corcho,
una pequeña botella lastrada.
Los valores de caudal obtenidos por medio de
este método son aproximados, por lo tanto
requieren ser reajustados por medio de factores
empíricos de corrección (C)
Método del Flotador
Para el cálculo del caudal se utiliza la siguiente
fórmula:
Q = C . A . V
V = e / t Donde:
C: Factor de corrección
V : Velocidad (m / s)
e : Espacio recorrido por el flotador (m)
t : Tiempo de recorrido del espacio «e» por el flotador (s)
A : Área de la sección transversal
Q : Caudal
Método del Flotador
Ejercicio: Determine el caudal que circula por el río a partir
de la siguiente información: Se empleo el método de
flotadores, asumiendo rio profundo y lento. Dibuje la
sección transversal.
Abscisa Profundidad Espacio Tiempo
(m) (m) (m) seg
0 0 0 60
5 3.9 80 92
10 5.36 80 52
15 5.26 80 53
20 5.05 80 50
25 5.6 80 57
30 5.24 80 57
35 5.18 80 53
40 3.25 80 75
45 0 0 60
Sección transversal del ejercicio.
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Pro
fun
did
ad
(m
)
Abscisa (m)
Método Velocidad - Seccíon
Es uno de los métodos más utilizados; para determinar
el caudal se requiere medir el área de la sección
transversal del flujo de agua y la velocidad media, se
aplica la siguiente fórmula:
Q = A x V
En general en nuestro medio para este método se
emplea el molinete manual o electrónico, aunque existen
otros métodos como el acústico.
La dificultad principal es determinar la velocidad media
porque varía en los diferentes puntos de la sección
hidráulica.
Método Velocidad - Seccíon
En cauces pequeños es necesario
ingresar al cauce a tomar la medición
En cauces grandes se debe buscar un
puente o estructura estable y aforar a
partir de una grúa mecánica
Equipo del molinete (contador digital o auditivo)
Este medidor de corriente es suspendido en el agua por medio de
un vástago (ríos pequeños) o una grúa usando un cable con un
peso sólido (ríos grandes).
El Molinete consiste esencialmente de una rueda hecha de seis
tazas cónicas, las cuales rotan libremente con la corriente alrededor
de un eje vertical dentro del yugo. Además el molinete está
provisto de un set de dos veletas de cola en ángulo recto, una en el
plano horizontal y la otra en la vertical
Velocidad seccion: Molinete y micromolinete
Molinete y vástago: Ríos pequeños
El molinete es apoyado por una barra o un vástago plano
que pasa a través de una ranura en el yugo y es
asegurado por un perno que le permite un cierto
movimiento en el plano vertical.
Molinete y vástago: Ríos pequeños
Registro de la información en campo
Abscisa Profundidad Observación Revoluciones Tiempo
(m) (m) (m) (%) # (s) 0 0 0 0 0 0
2.5 0.7 0.42 60 25 40
5 2 1.6 80 45 42
1.2 60 50 41 0.4 20 54 42
1. Método del molinete (contador digital o auditivo)
El molinete realiza la medición de la velocidad (V) a
partir de el numero de revoluciones (n) que la canastilla
gira alrededor de su propio eje, provocado por la
velocidad del agua en ese punto.
Generalmente cada molinete presenta una ecuación de
calibración para la transformación del numero de
revoluciones a la velocidad.
EJ: para n (rev/ s) < 0,80 V = 0,2517 n + 0,014
n (rev/s) >0,80 V = 0,2605 n + 0,007
Molinete, grúa y peso de sondeo: Ríos
grandes
Al extremo inferior del molinete en la varilla de soporte se
une un peso de sondeo para ayudar a sostener el
instrumento a una profundidad deseada. Estos pesos vienen
desde 15 hasta 300 libras.
Molinete, grúa y peso de sondeo: Ríos
grandes
Grúa de montaje.- Esta grúa se monta en tres ruedas, diseñadas para
llevar el molinete y el peso en una posición equilibrada mientras se
mueve entre los puntos que se están midiendo. Para la medida de la
corriente, la grúa se inclina contra el carril del puente, el molinete es
levantado y bajado por un carrete de manivela.
Pasos para realizar el aforo con molinete
En un río para determinar el caudal que pasa por una
sección transversal, se requiere saber el caudal que
pasa por cada una de la subsecciones en que se divide
la sección transversal.
Pasos para realizar el aforo con molinete
Si la profundidad del agua es menor a 75 cm, se asume
que la velocidad obtenida en el 60% de la profundidad
es la velocidad promedio en un área rectangular parcial.
Si la profundidad es mayor a 75 cm y menor a 3m , la
velocidad promedio del área rectangular parcial
corresponde al promedio de las velocidades obtenidas al
20%y al 80% y luego promediada con la profundidad del
60% (3 puntos).
Si la profundidad es mayor de 3m se recomienda
realizar el aforo por el método de 5 puntos, añadiendo la
velocidad superficial y del fondo.
Ecuaciones para determinar la velocidad
media
Ecuación con 5 puntos
Ecuación con 1 punto V = V0.6
Ecuación con 3 puntos
V a= (V0.2 + V0.8) / 2 (2puntos)
V = (Va + V0.6) / 2
Perfil de velocidades según la profundidad
La profundidad en cada
vertical se identifica con h y
las mediciones se hacen en
fracciones de la profundidad
total, tomándolas desde la
superficie hacia el fondo.
Se recomienda tomar varias
medidas de velocidad en el
mismo punto.
Ejercicio: Determine el caudal que circula por el río a partir
de la siguiente información: Se empleo el método del
molinete Gurley.
Aplique la ecuación característica del molinete
V = 0.4675 n + 0.0054 n(rev/s)
Grafique la sección de aforo y determine el punto que
corresponde a la curva de aforo (altura) para ese caudal
Abscisa Profundidad Profundidad de
Revoluciones Tiempo Observación
(m) (m) (m) (%) # (s)
0 0 0 60 0 40.0
1 0.52 0.312 60 48
40.0 50
2.2 0.8
0.16 20 86
42.0 84
0.64 80 56
40.0 55
4.8 0.97 0.194 20
72 41.0
70
0.776 80 76
40.0 82
7.2 1.22
0.244 20 89
40.0 90
0.732 60 92
42.0 94
0.976 80 88
40.0 86
9 1.2 0.24 20
87 40.0
89
0.96 80 84
43.0 83
11.2 0.72 0.432 60 20
40.0 21
13 0 0 60 0.0 40.0
Trabajo
Determinar el caudal que circula por un río de llanura
cuyos registros de aforo presenta los siguientes
resultados indicado en el documento entregado.
Calcule el caudal obtenido anteriormente a partir del
método de 1 y 2 puntos
Graficar la sección de aforo y grafique al menos 5 de las
curvas profundidad – velocidad.
Comente los resultados y en función a ellos apruebe o
recomiende acciones para mejorar la toma de registros.
Curvas Isotáquicas:
Consiste en trazar líneas
de igual velocidad en el
perfil del cauce y obtener
la velocidad media de la
sección por integración
directa.
Nota: La velocidad media del agua en cada vertical puede
determinarse dependiendo del tiempo disponible y teniendo en
consideración el ancho, la profundidad del agua, las condiciones del
lecho, los cambios de nivel, así como la precisión con que se desea
operar:
Ejercicio
Dibuje las curvas
isotáquicas para los
siguientes valores de
medición de la
velocidad:1.5, 2, 2.5,
3 y 3.5m/s.
Abscisa Prof (m) Prof medida (m) V (m/s) 0 0 sup 0
1 1 sup 1.1 0.5 1.5
2 2 sup 1.5
1 2.0 1.5 2.5
3 4
sup 1.8 1 2.5 2 3.0 3 3.5
4 5
sup 2.2 1 2.8 2 3.5 3 3.8 4 3.4
5 5
sup 2.5 1 3.0 2 3.4 3 3.0 4 3.1
6 4
sup 2.1 1 2.6 2 2.9 3 2.5
7 2.5 sup 1.6
1 2.0 2 2.5
8 0 sup 0
Calibración de la sección de medición:
Curva de descarga
Tanto el área de la sección como la velocidad del flujo varían
con los cambios de altura en el nivel del agua. La
característica de la sección seleccionada debe ser estable y
de fácil acceso. Una vez conocida la relación entre nivel del
agua y el caudal, estas se deben ajustar a una función
matemática conocida ;y con esta se generan datos de
caudales conocidos para construir la regla limnimétrica.
Calibración de la sección de medición:
Curva de descarga
Con la realización de
varios aforos en una
sección para distintos
niveles de agua, se
puede establecer una
relación H–Q
denominada curva de
descarga.
Calibración de la sección de medición:
Curva de descarga
Los aforos se deben
realizar periódicamente al
menos durante un año
hidrológico completo
abarcando invierno y
verano.
La calibración de la curva
permite la construcción
de los limnímetros para
registro continuo de
caudales
1 Aforo
Información reportada de sensores
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
Ca
ud
al [
m³/
s]
Fecha [resolución horaria]
Río Bulubulu en M. J. CalleLos aforos constituyen
la medida del caudal
en cualquier momento
y no se puede
programar con
facilidad esta actividad,
es necesario una
coordinación adecuada
para obtener
información valida para
la construcción de la
curva.
Comportamiento anual de lluvias y caudales
Las precipitaciones a lo largo del año son diferentes, por
tanto el caudal de los ríos o fuentes naturales también lo
será
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC
Pre
cip
ita
ció
n (
mm
/m
es)
El Labrado Matadero
0
20
40
60
80
100
120
140
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12Mes
Ca
ud
al (
m³/
s)
Bulubulu AJ Payo Cañar DJ Raura Cañar en Puerto Inca
Elaboración de la curva de descarga
y = 0.377x0.317 R² = 0.974
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
0 200 400 600 800 1000
Niv
el d
e A
gu
a (
m)
Caudal (m³/s)
Río Quevedo - Quevedo
Aforo Fecha V H Q
# m/s m m³/s
1 22/01/2013 1.37 2.10 297.68
2 19/02/2013 1.82 2.70 468.63
3 19/03/2013 2.37 3.60 910.66
4 17/04/2013 1.65 3.23 855.67
5 15/05/2013 0.97 1.93 152.76
6 12/06/2013 1.01 1.60 135.47
7 10/07/2013 0.72 1.40 69.47
8 07/08/2013 0.57 1.25 49.37
9 04/09/2013 0.61 1.25 43.91
10 01/10/2013 0.50 1.30 39.64
11 13/11/2013 0.38 1.10 23.62
Determinación de la curva de descarga
Matemáticamente la curva de descarga se expresa con la siguiente
ecuación:
Q = K*(H - Ho)^b
Donde:
Q = Caudal
K y b = Son parámetros de ajuste
Ho = Nivel al cual el caudal es cero
H = Nivel del agua
La curva de descarga tiene forma potencial, sin embargo y en función a
la información disponible se puede general otro tipo de ajuste Ej lineal.
En la practica las curvas son obtenidas por tramos, esto debido a la
sensibilidad que representa su obtención
Implementación de limnímetros en el punto de
control
Ejercicio
Dibuje la nube de
puntos y determine la
curva de descarga y su
función a partir de la
siguiente información
de 20 aforos líquidos
realizados en el río
Bulubulu.
Calcule en clase una
expresión lineal
aproximada para el
cálculo de caudales en
el rango de registros
Bulubulu en Manuel J Calle
Aforo H Q
# m m³/s
1 1.3 25
2 1 14
3 1.2 26
4 1.45 34
5 1.55 39
6 1.85 58
7 1.9 60
8 1.6 34
9 1.7 41
10 1.65 37
11 2 82
12 1.95 66
13 1.8 52
14 1.65 49
15 2.1 88
16 2.35 115
17 0.8 6.5
18 0.85 6.2
19 0.7 3.2
20 0.6 2.8
Extrapolación de la curva de descarga
Entre los métodos mas conocidos para la extrapolación de la
curva de descarga tenemos
1. Extrapolación Manual
2. Área y Velocidad Media
3. Método de Manning
4. Método de Stevens
5. Método Ruso
6. Métodos Analíticos
Extrapolación de la curva de descarga
1. Extrapolación Manual .- Siguiendo la tendencia de los aforos
realizados, se grafica la línea por la nube de puntos y se
prolonga hasta mas allá del ultimo punto medido, manteniendo
la tendencia.
Extrapolación de la curva de descarga
1. Extrapolación Manual .- Siguiendo la tendencia de los aforos
realizados, se grafica la línea por la nube de puntos y se
prolonga hasta mas allá del ultimo punto medido, manteniendo
la tendencia.
Extrapolación de la curva de descarga
2. Área y Velocidad Media.- A partir de la sección transversal
completa, se pueden generar mas puntos de la curva a partir
de la curva altura - velocidad media y generar caudales para
valores extremos para alturas mayores a las aforadas.
H(m) V (m/s) A (m²) Q (m³/s) 0.4 0.9 8.9 8 1 1.4 10.7 15 2 1.7 11.2 19 3 2.2 10.9 24 4 2.5 12.0 30 5 2.7 15.2 41 6 3 16.7 50 7 X 17.3 X 8 X 18.8 X
Extrapolación de la curva de descarga
2. Área y Velocidad Media.- A partir de la sección transversal
completa, se pueden generar mas puntos de la curva a partir
de la curva altura - velocidad media y generar caudales para
valores extremos para alturas mayores a las aforadas.
H(m) V (m/s) A (m²) Q
0.4 0.9 8.9 8
1 1.4 10.7 15
2 1.7 11.2 19
3 2.2 10.9 24
4 2.5 12.0 30
5 2.7 15.2 41
6 3 16.7 50
7 3.2 17.3 X
8 3.38 18.8 X
Extrapolación de la curva de descarga
2. Área y Velocidad Media.- A partir de la sección transversal
completa, se pueden generar mas puntos de la curva a partir
de la curva altura - velocidad media y generar caudales para
valores extremos para alturas mayores a las aforadas.
H(m) V (m/s) A (m²) Q
0.4 0.9 8.9 8
1 1.4 10.7 15
2 1.7 11.2 19
3 2.2 10.9 24
4 2.5 12.0 30
5 2.7 15.2 41
6 3 16.7 50
7 3.2 17.3 59
8 3.38 18.8 68
Extrapolación de la curva de descarga
3. Método de Manning.- Aplicando la formula tradicional de Manning
y del levantamiento de la sección completa de aforo su usan:
El término AR2/3, se llama factor geométrico (FG) y depende de
la sección de control, se grafica la relación H vs AR2/3.
Factor Hidráulico FH = S1/2/n. Depende de la rugosidad y la
pendiente, tiende a ser constante para niveles altos, se grafica la
relación H vs S1/2/n
Extrapolación de la curva de descarga
3. Método de Manning
Factor FG
H
AR2/3
Q = FG x FH
Factor FH
H
S1/2/n
Extrapolación de la curva de descarga
4. Método de Stevens
Basado en la formula de Chezy para ríos anchos y poco profundos
Q = A * C * R½ * S½
Donde:
A: Área de la sección de aforo (m²)
C: Coeficiente de rugosidad de Chezy.
R: Radio Hidráulico
S: Pendiente de la línea de Energía
Q: Caudal de la descarga (m³/s)
Stevens asimila el radio hidráulico al tirante medio (D), y considera que
la pendiente también es constante. Estas son las dos suposiciones en
que se basa el método
6
11
Rn
C
Extrapolación de la curva de descarga
4. Método de Stevens
De esta forma el primer factor corresponde al factor hidráulico (FH), y
el segundo al factor geométrico (FG) que viene en unidades de
(A.D^1/2). El factor hidráulico se vuelve constante para valores altos de
mira.
El objetivo es graficar la curva Q vs FG y H vs FG para obtener la
relación nivel - caudal para valores altos de nivel del agua.
Ejemplos de curvas de descarga extrapolada
Extrapolación de la Curva de Descarga Método de Stevens
H (m) 2.5 2.75 3 3.25 3.5
Q(m³/s) 125.2 155.1 188.3 225.0 265.1
Ejemplos de curvas
de descarga
extrapolada
Trabajo
Obtenga y extrapole con
los datos anteriores una
curva de descarga de
tipo potencial que
permita predecir
caudales hasta de
400m³/s con el método
de Stevens a partir de la
siguiente información y
grafique las curvas
resultantes
Abscisa
(m)
Profundidad
(m)
0 0
10 -2
20 -4
30 -5
40 -4
50 0
n = 0.025 S=0.02
Método Volumétrico
Se emplea por lo general para caudales muy
pequeños y se requiere de un recipiente para
colectar el agua. El caudal resulta de dividir el
volumen de agua que se recoge en el recipiente
entre el tiempo que transcurre en colectar dicho
volumen.
Q = Vol / T
Donde:
Q = Caudal (lt/s)
Vol= Volumen (lt)
T = Tiempo (s)
Aplicado en acequias, canales
pequeños, adjudicaciones de
riego, planta pequeñas de
agua
Método Volumétrico
Se emplea por lo general para caudales muy
pequeños y se requiere de un recipiente para
colectar el agua. El caudal resulta de dividir el
volumen de agua que se recoge en el recipiente
entre el tiempo que transcurre en colectar dicho
volumen.
Q = Vol / T
Donde:
Q = Caudal (lt/s)
Vol= Volumen (lt)
T = Tiempo (s)
Herramientas:
• Reloj con cronometro
• Recipiente graduado
• Accesorios (manguera, tubos etc)
Método Químico y radioactivos
Consiste en incorporación a la corriente de cierta
sustancia química durante un tiempo dado; usado donde
las corrientes son muy difíciles de aforar muy conveniente
en ríos turbulentos, se llaman también trazadores y
pueden ser:
1) Químicos: de esta clase son la sal común y el
dicromato de sodio
2) Fluorescentes: como la rodamina B, permanganato
de potasio, fluoresceína, rojo congo.
3) Materiales radioactivos: los mas usados son el yodo
132, bromo 82, sodio, isótopo de hidrógeno
Poco aplicados en nuestro medio por los altos costos que
representa así como su disponibilidad.
Método Químico y radioactivos
Colorantes.- Cuando se emplean colorantes, la
metodología es similar al método del flotador, midiendo
una distancia, el tiempo en que se demora lo solución en
llegar de un extremo a otro.
Químicos y/o radiactivos.- Para corrientes turbulentas
como los ríos de montañas. Estos trazadores se utilizan
de dos maneras: como aforadores químicos, esto es,
para determinar el caudal total de una corriente y como
medidores de velocidad de flujo
Método Químico y radioactivos
La metodología consiste en inyectar una tasa constante de
solución qt (química o radioactiva) de concentración
conocida Cti a la corriente cuya concentración de la
sustancia, Ca , en la corriente, también se conoce.
A una distancia corriente abajo, suficientemente grande para
asegurar que se han mezclado totalmente el trazador y el
agua, se toman muestras de ésta, y se determina la
concentración de la sustancia química o radioactiva, Ct
Calculándose el caudal como Q = qt * (Cti – Ct) / (Ct – Ca)
Método Químico y radioactivos
Condiciones del reactivo
Debe mezclarse fácil y homogéneamente con el agua, para
lo cual se requiere de una fuerte turbulencia en el trayecto
comprendido desde donde se inyecta la sustancia al cauce,
hasta donde se recogen las muestras.
Debe ser barato, soluble en agua, inocuo, no corrosivo, ni
tóxico, de densidad cercana a la del agua.
Debe ser fácilmente detectable en el agua, aún en
concentraciones pequeñas.
Debe ser conservativo, es decir, no degradable ni reactivo,
entre el momento de la inyección y el momento del análisis
final de las muestras.
Aforo con equipo acústicos – Doppler
Efecto Doppler
El efecto Doppler es la alteración de la frecuencia de las
ondas, en función del movimiento; ya sea del receptor o
del emisor de las ondas de sonido. Christian Andreas
Doppler -en 1842- mencionó que había una variación de
la longitud de onda de cualquier tipo de onda emitida o
recibida por un objeto en movimiento
Cuando la fuente se desplace hacia el observador, los
frentes de onda estarán más cerca uno del otro. En
consecuencia, el observador percibe sonidos más agudos
debido a una menor longitud de onda; en contraparte,
cuando la fuente se aleja del observador la frecuencia y
longitud de la onda son más grandes, y el observador
percibe un sonido más grave
Aforo con equipo acústicos – Doppler (ADV)
Un medidor acústico Doppler de velocidad, conocido
como el ADV, ha sido desarrollado para medir las
velocidades del agua en cauces abiertos, a unos pocos
centímetros del sensor. Como la distancia de la medición
de la velocidad es pequeña, proporciona datos de
velocidad que podemos considerar como velocidades
puntuales, para efectos prácticos, el uso de este
instrumento está limitado a medir el caudal en ríos poco
profundos.
En nuestro medio un equipo ADV es el Flow Tracker
Aforo con equipo acústicos – Doppler (ADV)
Flow Tracker (Sontek)
Aforo con equipo acústicos – Doppler (ADV)
Forma de cálculo
Se deben tomar medidas a diferentes
profundidades, recomendándose al 20, 60 y 80%
de profundidad desde la superficie y aplicando la
misma metodología que el molinete tradicional, lo
que difiere es el método de determinación de las
velocidades en el perfil de flujo
V = V0.6
V a= (V0.2 + V0.8) / 2 (2puntos)
V = (Va + V0.6) / 2
Aforo con equipo Doppler (ADCP)
Los ADCP (perfiladores de corriente) necesitan que el
sensor esté en contacto con el agua, para así poder
transmitir y medir los pulsos sonoros (pings) dirigidos a
través de la columna de agua; los reflejos de estos pulsos
sonoros, o bien el eco procedente de partículas o
burbujas pequeñas y suspendidas que se mueven en el
medio acústico, producen un desplazamiento en el sonido
transmitido, a partir del cual se determina la velocidad.
En nuestro medio un equipo ADCP es el de la fabrica
Teledine acompañada del bote Q 1800P de
Oceanscience
Aforo con equipo Doppler (ADCP)
Q 1800P y ADCP Teledyne
Resultados ADCP
Aforo con equipo Doppler (Radar)
La característica única del sistema de radar es la captura
continua de la velocidad de flujo que permite una medición
exacta de descarga en el tiempo, así como del nivel del agua a
la que se encuentra el río o cauce a aforar
Los radares en general presentan las siguientes
características:
- Necesitan de la sección de aforo ingresada al programa
central del radar.
- Mide la velocidad superficial del flujo
- Posee un sensor de nivel radar
- La integración del sensor de nivel por radar y la velocidad
corregida calcula la descarga
En nuestro medio un equipo radar es el RQ-24 de la fabrica
SOMMER
Aforo con equipo Doppler (Radar)
El sistema basa su funcionamiento el uso del Efecto
Doppler la cual aprovecha el principio de la variación de
frecuencia reflejada de un objeto en movimiento.
Aforo con equipo Doppler (Radar)
El sistema RQ-24 combina 2 técnicas
de medición de tipo radar sin contacto
con el agua, medición de nivel y de
velocidad de agua.
Posee salidas tanto de tipo digital como
analogicas
Aforo con equipo Doppler (Radar)
Aplicaciones (Radar)
El radar RQ 24 es aplicado para la medida
de caudales continuo en un río, canal o
cauce natural, permite determinar
hidrogramas completos desde el inicio hasta
el final de un evento meteorológico
Permite a corto plazo calcular curvas de
descarga y captar información de caudales
en fuertes crecientes.
Muy útil para determinar caudales en sitios
de difícil acceso, ya que puede colocarse en
las orillas y tomar datos correctos.
Cálculo del Caudal: Radar
CONSIDERACIONES PARA LA INSTALACION
DISTANCIA A LA SUPERFICIE DEL AGUA
Mínimo 1m
Máximo 30m
ANGULO DE INSTALACIÓN DE MEDICIÓN
De 40 a 60°
Angulo recomendado 55°
DISTANCIA LATERAL A LOS LADOS
Mínimo 50 cm
Instalación
Es posible conectar hasta 5 RQ-24 a un mismo sistema de descarga
todos reportando a un RQ-24 que actua como master
Es necesario configurar las direcciones de cada radar
-3
-2
-1
0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140
Pro
fun
did
ad
(m
)
Abscisa (m)
Sección río Quevedo en Mocache
La velocidad medida de flujo local
difiere de la velocidad media y esta
variación se representa por un
factor K. El factor K es
adimensional y depende del nivel
de agua y la rugosidad. Este factor
es calculado por modelos
hidráulicos.
UNIVERSIDAD DE CUENCA - PROGRAMA PARA EL MANEJO DEL
AGUA Y DEL SUELO ( PROMAS )
Río : Quevedo
Equipo: Radar
RQ-24
Fecha: 19/02/2013
Abscisa inicial:
0 m
Hora: 14H30-15H00
Abscisa Final:
130 m
Realizado por: PA, RC, CC, PF, JN.
Aforo rio Quevedo en Quevedo 19-02-13
Tiempo Velocidad* Área
Descarg
a
(min) (m/s) (m²) (m³/s)
0 1,468 247,35 458,98
1,5 1,449 247,35 453,04
3 1,476 247,35 461,48
4,5 1,496 247,35 467,73
6 1,475 247,35 461,17
7,5 1,445 247,35 451,79
9 1,457 247,35 455,54
10,5 1,426 247,35 445,85
12 1,476 247,35 461,48
13,5 1,476 247,35 461,48
15 1,426 247,35 445,85
16,5 1,476 247,35 461,48
18 1,504 247,35 470,23
19,5 1,463 247,35 457,41
Caudal medio: 460.07
Comparación de métodos
Comparación Cualitativa
Volumétrico Flotador Molinete normal
ADV (FlowTracker)
ADCP + (Q1800p)
Radar (RQ24)
Químico
Caudal x xxx xx xx xxxxx xxxxx xxxxx
Dificultad del aforo (insitu)
x x xx xx xx x xxx
Seguridad equipos x x xx xxx xxxxx xxxxx xx
Traslado de equipos x x xx xx xxxxx xx xx
Resultados (Precisión) x x xxx xxxx xxxxx xxxx xxxx
Costo del Equipo x x xxx xxx xxxxx xxx xxx
# Personas xx xx xx x xxxxx xx xxxx
Tiempo de trabajo (h) x xx xxx xxx X xx xx
Información base requerida
- xx x - - xxx -
Discusión y trabajo en clases: Comparación de métodos
Comparación Cuantitativa
Volu-métrico
Flotador Molinete Molinete y
Grua ADV
(FlowTracker) ADCP
(Q1800p) Radar (RQ24)
Químico
Caudal maximo (m³/s)
Costo Equipo USD 10 10 5000 7500 20000 75000 20000 800
# Personas
Tiempo (h) de ejecución del
aforo
Tiempo de preparación
previo al aforo(h)
Velocidad del agua m/s (Rango)
Altura del agua (m) (Rango)
Precisión +/- (%)
Tipo de flujo
Discusión y trabajo en clases: Comparación de métodos
• Realice la comparación de los métodos analizados en
clase y determine sus ventajas, desventajas,
aplicaciones y usos a partir de las matrices elaboradas
en el taller de curso
• De un ejemplo de aplicación para cada método y en
que lugar se puede aplicar en nuestro medio
Estructuras Hidráulicas
Para la medición de caudales también se
utilizan algunas estructuras especialmente
construidas, llamadas medidores o aforadores,
cuyos diseños se basan en los principios
hidráulicos de orificios, vertederos y secciones
críticas (Venturi, Parshall, etc)
Estructuras Hidráulicas
Orificios.
La ecuación general del orificio es
Q = CA (2gh)1/2
Donde:
Q = Caudal (m³/s)
C = Coeficiente.
A = Área (m²)
G = Gravedad (m/s²)
h = Tirante de agua (m)
Estructuras Hidráulicas
Vertederos.
Pueden ser de cresta ancha o delgada y pueden
trabajar en flujo de descarga libre, sumergida o
ahogada. La ecuación general es:
Q = CbHn
Donde:
Q = Caudal (m³/s)
C, n = Coeficientes.
b = Ancho de la cresta (m)
H = Tirante de Agua (m)
Vertederos
Los vertederos son simples aberturas sobre las que se
desliza un líquido. Pueden ser entendidos como orificios
cuya arista superior está sobre el nivel de la superficie
libre del líquido. Se suelen usar para medir caudales en
conductores libres (canales, ríos, etc).
Pueden ser triangulares o rectangulares trapezoidales o
combinados.
Cuando la inclinación de
los taludes laterales es de
4V:1H, el vertedero recibe
el nombre de Cipolleti
Vertedero Rectangular de pared delgada
Es el vertedero cuya sección de caudal es un rectángulo
de paredes delgadas, de metal o de madera, y la cresta
es achaflanada, es decir, cortada en declive a fin de
obtener una arista delgada.
Los vertederos pueden utilizarse en combinación con un
aparato denominado limnígrafo. En este caso, el aparato
registra la variación del nivel aguas arriba del vertedero
Vertedero tipo Azud o Creager
Se usa para evacuar caudales de creciente, pues la
forma especial de su cresta permite la máxima descarga
al compararlo con otra forma de vertedores para igual
altura de carga de agua
Vertedero triangular de pared delgada
Los vertederos triangulares permiten tener medidas más
precisas de las alturas correspondientes a caudales
reducidos. Por lo general, se trabajan en metal.
En la práctica común, únicamente se emplean los que
tienen forma de isósceles y los más usuales son los de
90o.
Localización del vertedero
En un trecho rectilíneo del curso de agua, libre de
turbulencias, preferiblemente sobre una saliente natural,
se coloca el vertedero de tal manera:
1) Que la cresta quede perfectamente colocada en nivel;
2) Que esté en posición normal respecto a la corriente de
agua;
3) Que esté firmemente colocada, y que tenga una buena
cimentación (Resistir el paso del caudal de diseño);
4) Que el agua no corra por el fondo o por los lados; que
toda el agua discurra dentro de la abertura rectangular o
triangular.
5) Que el agua caiga libremente sin represamiento en el
vertedero.
Calculo de un vertedero triangular de
pared delgada
2
5
22
tan15
8hgCdQ
Si el ancho de la cresta del vertedor (e), en la dirección del flujo es
tal que e/h < 0.67, el vertedor se clasifica como de pared delgada
Donde: Q= caudal (m³/s) = Angulo interno del vertedero
h = Carga hidráulica medida aguas arriba del vertedero (m)
Los vertedores triangulares se recomiendan para aforar caudales
pequeños medidos en l/s y cargas en el rango de 0.06m < h ≤
0.60m.
Coeficiente de Gasto
5.0
0087.0565.0
hCd
Formula de Barr
Vale para = 90º con cargas 0.05 m h 0.25 m w 3h, B 8h
El coeficiente de gasto compensa fenómenos tales como las pérdidas
de carga entre las secciones de aforo y de control, la falta de
uniformidad de la distribución de la velocidad y de la curvatura de las
líneas de corriente entre estas dos secciones
Ejercicio
Diseñe un vertedero triangular de pared delgada si el
caudal de diseño es de 100 l/s;
Que calado tendrá el agua en el triángulo si en campo
registro con molinete que la velocidad del agua es de
1.55m/s para ese caudal. Dibuje la sección diseñada
otorgando todas las dimensiones necesarias.
Trabajo
Diseñe y dibuje dos vertederos triangulares si se desea
monitorear una quebrada cuyo caudal estimado de diseño
es de 140 l/s (TR=25años), considere un ángulo 90 y
>90, investigue una nueva expresión para el calculo del
coeficiente de gasto.
Canal Parshall: FLUME
El aforador Parshall o canaleta es una estructura
hidráulica que permite medirla cantidad de agua que
pasa por una sección de un canal. Consta de cuatro
partes principales:
i) Transición de entrada.
ii) Sección convergente
iii) Garganta.
iv) Seccion divergente.
Canal Parshall: FLUME
La caída en el piso de la canaleta produce flujo
supercrítico a través de la garganta. La canaleta debe
construirse de acuerdo con dimensiones específicas
para satisfacer correctamente la ecuación de cálculo.
La canaleta Parshall es auto limpiante, tiene una pérdida
de energía baja y opera con mucha exactitud en
caudales bastante variables, requiriendo sólo una
lectura de lámina de agua (Ha), en flujo libre.
Canal Parshall: FLUME
Los vertederos triangulares permiten tener medidas más
precisas de las alturas correspondientes a caudales
reducidos. Por lo general, se trabajan en metal.
En la práctica, únicamente se emplean los que tienen
forma de isósceles y los más usuales son los de 90o.
Canal Parshall: FLUME
Diseño
Todos los canales de este tipo se pueden expresar como:
Q = K (Ha)n
Donde Q es el gasto, para condiciones de descarga libre; Ha es la
profundidad del agua en una ubicación determinada del aforador en la
zona convergente, K y n son valores diferentes para cada tipo de
estructura y tamaño.
n= coeficiente que varía entre 1,522 y 1,60.
K = coeficiente que depende del ancho de la garganta
Ancho W (m)
Límites de caudal (l/s)
Q Mínimo Q Máximo
0.025 0.28 5.67
0.051 0.57 14.15
0.076 0.85 28.31
0.152 1.42 110.44
0.229 2.58 252.00
0.305 3.11 455.90
0.457 4.24 696.50
0.610 11.90 937.30
0.914 17.27 1427.20
1.219 36.81 1922.70
1.524 45.31 2424.00
1.829 73.62 2931.00
Unidades Métricas
W (m) K n
0.076 0.176 1.547
0.152 0.381 1.58
0.229 0.535 1.53
0.305 0.69 1.522
0.458 1.054 1.538
0.610 1.426 1.55
0.915 2.182 1.566
1.220 2.935 1.578
1.525 3.728 1.587
1.830 4.515 1.595
2.135 5.306 1.601
2.440 6.101 1.606
Proceso Constructivo
Proceso Constructivo
Proceso Constructivo
Proceso Constructivo
Proceso Constructivo
Proceso Constructivo
Proceso Constructivo
Proceso Constructivo
Proceso Constructivo
Monitoreo Continuo
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
21/04/2009 00:00 23/04/2009 00:00 25/04/2009 00:00
Leve
l wat
er (m
)
Bibliografía Principal: USGS
Trabajo: Diseñe un Flume
Diseñar y grafique en perfil y corte dos FLUME que sirva como
aforador en dos puntos, si el caudal previamente calculado para
10 años es de 0.8m3/s y 1.9m³/s, además determine la velocidad
en los sitios de medida Ha
