V Hidrometria

HIDROMETRIA

Bibliografía recomendada:

Boiten (2000). Hydrometry. Lecture Notes. IHE (L057)

National Engineering Handbook. Technical Supplement 3E.

Rosgen Stream Classification (Digital)

Hudson (1997). Medición sobre el Terreno de la Erosión del

Suelo y de la Escorrentía. Boletin de suelos de la FAO. No 68,

Capitulo 4(Digital)

• Un sistema de clasificación se usa comúnmente paraestratificar tramos de ríos en grupos que compartencaracterísticas físicas comunes. Un sistema declasificación proporciona una mejor comunicaciónentre aquellos que estudian el sistema de ríos ypromueve un mejor entendimiento de los procesosque influencian el río.

• Cada curso de agua realiza un balance de la erosión,el transporte de sedimentos, y la deposición dentrodel contexto de su clima y de su entorno.

CLASIFICACIÓN DE CURSOS DE AGUA

• Clasificación de canales de río usando algunas variables :

ancho

profundidad

velocidad

descarga o caudal

pendiente

rugosidad del lecho y de los materiales del talud

carga y tamaño de los sedimentos


El sistema de clasificación propuesto es de Rosgen,

cuyos objetivos son:

• proporcionar un marco consistente y de referenciapara aquellos que trabajan con sistemas de ríos, quepermita hablar términos comunes acerca de loscursos de agua

• incentivar al análisis de los procesos que delineanlos cursos de agua (cambios y tendencias)

• proporcionar una herramienta para definir tramosestables de referencia para apoyar en la definición deobjetivos de restauración o rehabilitación


Los cursos de agua no son aleatorios en sus variaciones.

Un río de montaña

que ingresa a un valle

mostrará un cambio

continuo en varios de

sus parámetros desde

un estado (cascadas y

pozas escalonadas) a

otro (meandros,

pozas, y riffles).

Un evento destacado como ser un árbol que cae al río, un

deslizamiento transversal al canal, o la construcción de un nuevo

camino cambia este proceso


Sistemas generalizados

(A-G) a nivel del paisaje

A - cabecera

B- intermedio

C & E - meandros

D - trenzado

F - encajonada

G - cárcava.

Subtipos siguientes en base a

rangos de pendiente y al

tamaño predominante de las

partículas del material del

canal:

1 = roca madre

2 = pedrones

3 = piedras

4 = cascajo

5 = arena

6 = limo/arcilla.


Tipos de ríos en

un paisaje

montañoso


Tipos de río: gradiente, sección transversal, vista esquemática.


Vista de secciones transversales de los tipos de ríos



Vista aérea Vista superficie

A, Lecho de pozas, cascadas, rápidos



B, Lecho plano o de pozas, pozas-riffles



C, Lecho plano o pozas-riffles, dunas-pliegues



D, Lecho trenzado, algunas pozas-riffles desarrollados en

convergencia y divergencia



DA, Lecho Anostomosado, trenzado, pozas-riffles o

pliegues-dunas



E, pozas-riffles, pliegues-dunas, Barras deposicionales



F, pozas-riffles, pliegues-dunas, Barras deposicionales



G, pozas en pendiente, con algunos lechos planos

HIDROMETRIA significa literalmente la medición del agua

La HIDROMETRIA es la ciencia de medición del flujo de agua en

canales abiertos, complementada o apoyada por mediciones

de niveles de agua, niveles de lecho y transporte de

sedimentos

Medidas principales

Medidas de flujo

(CAUDAL)

Medidas de apoyo Medidas complementarias

Niveles de agua

Niveles de lechoTransporte de sedimentos

HIDROMETRÍA

NIVELES DE AGUA

• Sinonimos: Altura de agua, Tirante hidraúlico, Elevación de la

superficie de agua

• Los niveles se obtienen directamente de medidores, ya sea por

observación directa o de forma automática

• Los niveles pueden aplicarse a:

• La obtención de hidrogramas (Curvas de duración)

• La obtención de Curvas H-Q (Rating Curve)

• Curvas de relación de altura

• Navegación, Predicción de flujos, Eliminación de

aguas residuales, Distribución de agua

NIVELES DE AGUA

• El nivel de agua es la altura de la superficie arriba de un plano

de referencia establecido

NIVELES DE AGUA

• REGLETAS: Material antioxidante Aluminio o Acero

NIVELES DE AGUA

• MEDIDORES FLOTANTES:

NIVELES DE AGUA

• SISTEMAS AUTOMÁTICOS:

NIVELES DE AGUA

• TRADUCTORES DE PRESION:

NIVELES DE AGUA

• SENSOR ULTRASÓNICO:

NIVELES DE AGUA

• INDICADORES DEL NIVEL PICO:

NIVELES DE AGUA

• SISTEMAS AUTOMÁTICOS:

NIVELES DE AGUA

• RESULTADOS: Hidrogramas

NIVELES DE AGUA

CURVA H-Q = Curva de calibración

Q = a(hw - ho)b

Q: Caudal (m3/s)

hw: Nivel de agua medido (m)

ho: Nivel de agua para Q = 0

a,b: Parámetros de estación de aforo

Canales rectangulares

a B*S1/2/n y b 5/3

B: Ancho del canal

S: Pendiente del canal

n: Coeficiente de rugosidad de Manning

NIVELES DE AGUA

CURVA H-Q

2

2.5

3

3.5

4

4.5

20 40 60 80 100 120 140

Caudal (m3/s)

hw

(m

)

NIVELES DE AGUA

CURVA H-Q Elaborar

1. Determinar ho

2. Determinar a y b por transformación logarítmica

Q Q * Q2

2

1 3 hoh h h

h h 2h1 3 2

2

1 3 2

Q = a(hw - ho)b

log Q = log a + b log (hw - ho)

Y ao X

Y = ao + b X

Y a * N b* X

XY a * X b* X

0

0

2

N: Número de datos

NIVELES DE AGUA

CURVA H-Q

Q1(m3/s) 30 h1(m) 2.6

Q3(m3/s) 145 h3(m) 4.46

Q2(m3/s) 66 h2(m) 3.28

ho (m) 1.68

Q Q * Q2 1 3 h o

h h h

h h 2 h

1 3 2

2

1 3 2

NIVELES DE AGUA

CURVA H-Q

hw (m) Q (m3/s) hw - 1.68 y = log Q xy

1 2.41 22.0 0.73 1.342 -0.1367 -0.1835 0.0187

2 2.55 26.4 0.87 1.422 -0.0605 -0.0860 0.0037

3 2.83 42.1 1.15 1.624 0.0607 0.0986 0.0037

4 3.00 49.1 1.32 1.691 0.1206 0.2039 0.0145

5 3.09 56.7 1.41 1.754 0.1492 0.2617 0.0223

6 3.20 59.9 1.52 1.777 0.1818 0.3232 0.0331

7 3.40 74.5 1.72 1.872 0.2355 0.4409 0.0555

8 3.48 75.7 1.80 1.879 0.2553 0.4797 0.0652

9 3.65 90.9 1.97 1.959 0.2945 0.5767 0.0867

10 3.80 95.6 2.12 1.980 0.3263 0.6463 0.1065

11 4.01 117.5 2.33 2.070 0.3674 0.7604 0.1350

12 4.15 119.6 2.47 2.078 0.3927 0.8159 0.1542

13 4.30 136.0 2.62 2.134 0.4183 0.8925 0.1750

14 4.41 137.4 2.73 2.138 0.4362 0.9325 0.1902

N = 15 4.59 158.7 2.91 2.201 0.4639 1.0208 0.2152

27.921 3.5052 7.1837 1.2793

27.921 = 15 ao + 3.5052 b b = 1.433

7.1843 = 3.5052 ao + 1.2795 ao = 1.527 a = 33.6

X lo g (h 1 .6 8 )w

X2

Q = 33.6(hw

- 1.68)1.43 3

NIVELES DE AGUA

CURVA H-Q con planos de inundación

B1

h1

h

B

q h B C h Srio 1 1 1 1

q (h h )(B - B )C (h - h )Splano inundacion 1 1 2 1

NIVELES DE AGUA

NIVELES DE AGUA

• SONARES: Batimetría

NIVELES DEL LECHO

• SONARES

NIVELES DEL LECHO

• SONARES: Posicionamiento

Método Angular

NIVELES DEL LECHO

VC = CT tg


Método linear para ríos pequeños

NIVELES DEL LECHO

BECO

CO*BCVC


Método linear para ríos anchos

NIVELES DEL LECHO

CODE

CD*DEVC

• SONARES: Resultados

NIVELES DEL LECHO

NIVELES DEL LECHO

MEDICION DE CAUDAL

• CLASIFICACION DE TIPOS DE FLUJO

Flujos pueden ser clasificados por dos parámetros:

Tiempo y Distancia

Tiempo

Flujo No permanente

Flujo Permanente

Distancia

Flujo No Uniforme

Flujo Uniforme

Flujo permanente uniforme

El caudal es constante en el tiempo, y la sección por la que

circula el agua es de área constante

(Canal de riego rectangular revestido, libre de remanso)

Flujo permanente no uniforme

El caudal es constante en el tiempo pero el área de la sección por

la que circula el agua varía con la distancia

(Caudal del río es constante, sección variante)

MEDICION DE CAUDAL


Flujo no permanente uniforme

La sección se mantiene constante pero el caudal varia con el

tiempo. Patrón de flujo complejo.

(Onda de presión en una tubería de diámetro uniforme)

Flujo no permanente no uniforme

El caudal y la sección varían en tiempo y distancia

Es el flujo más complejo para analizar

(Crecida de un río, sección variante)

La medición de descarga puede ser realizado para los 4 tipos

MEDICION DE CAUDAL


MEDICION DE CAUDAL


MEDICION DE CAUDAL

Permanente - Uniforme

Permanente - No Uniforme


MEDICION DE CAUDAL

No Permanente - Uniforme

No Permanente - No Uniforme


Cada uno de los 4 tipos puede ser subcrítico, crítico o supercrítico,

dependiendo de los valores del número de Froude (Fr)

Fr v g.A / Bs

v Velocidad promedio de flujo en la sección (m/s)

g Aceleración de la gravedad (m2/s)

A Area de la sección (m2)

Bs Ancho del espejo del agua

Subcrítico Fr < 1, Pendientes ligeras, Velocidad moderada

Crítico Fr = 1

Supercrítico Fr > 1, Pendientes empinadas, Velocidad alta

MEDICION DE CAUDAL


• CONCEPTO BASICO DE CAUDAL

En canales abiertos (Artificial y ríos naturales) el caudal (Q) puede ser

determinado si tanto el área de la sección (A) y la velocidad promedio son

conocidos

Q vAPropósitos de medir el caudal

• Distribución del agua en presas y reservorios

• Acuerdos en ríos internacionales

• Distribución de agua de riego

• Tasación de impuestos para industrias (aguas servidas)

y pago a empresas de tratamiento de aguas

• Estadísticas para monitoreo a largo plazo (Sistema

lluvia- escurrimiento es estocástico )

MEDICION DE CAUDAL

s

mm*

s

m 32

RELACION CAUDAL-RUGOSIDAD DEL LECHO

• Introduciendo la velocidad por ecuación de Chezy

Q C RSh dB0

B

y

Q: Caudal (m3/s)

C: Coeficiente de Chezy para rugosidad del lecho (m1/2/s)

S: Gradiente del nivel de agua (-)

R: Radio hidráulico, área sección/Perímetro mojado, R=A/P (m)

hy: Profundidad de agua en la vertical correspondiente (m)

B: Ancho del río (m)

MEDICION DE CAUDAL

RELACION CAUDAL-RUGOSIDAD DEL LECHO

MEDICION DE CAUDAL

METODOS DE MEDICION SIMPLES

• Área-Velocidad**

• Área-pendiente**

• Dilución**

METODOS DE MEDICION CONTINUA

• Nivel-Descarga

• Nivel-Pendiente-Descarga

• Acústico

• Electromagnético

• Estructuras de medición

MEDICION DE CAUDAL

METODO AREA-VELOCIDAD

MEDICION DE CAUDAL

v

v

y

a

y

a

1/ n

n =1.77 + 0.098C

yn

n 1v

n

_

Distribución de velocidad en la vertical

MEDICION DE CAUDALMETODO AREA-VELOCIDAD

Distribución de velocidad en sección

MEDICION DE CAUDAL

METODO AREA-VELOCIDAD

Distribución de velocidad en sección

MEDICION DE CAUDALMETODO AREA-VELOCIDAD

MOLINETES (Current meters)

MEDICION DE CAUDAL

Número de medidas en la vertical y número de verticales

Profundidad del agua (m) Numero de medidas en la vertical

< 0.25 1

De 0.25 a 0.50 2

> 0.50 3 o mas

Tiempo de medición:

Altas velocidades 30 a 50 segundos

Bajas velocidades 60 a 100 segundos

MEDICION DE CAUDAL

Una medida en la vertical

60.VV

Dos medidas en la vertical)V(V.V .. 802050

Tres medidas en la vertical

806020 250500250 ... V.V.V.V

Cinco medidas en la vertical

Vb)VVV(Vs.V ... 806020 32310

Vs Velocidad en la superficie

Vb velocidad en el fondo

MEDICION DE CAUDAL

bddVV

Q *2

*2

3232

2V 3V

d2 d3

b

1

1

Q V d d b 2

3

1

21 0 1

* ( )*

V1

d1d0 b

2

2

MEDICION DE CAUDAL

Número de medidas en la vertical y número de verticales

Espejo de agua (m) Numero de verticales

< 0.5 3

De 0.5 a 1 4 a 5

De 1 a 3 5 a 8

De 3 a 6 8 a 12

> 6 12 o mas

MEDICION DE CAUDAL

MEDICION DE CAUDAL

MEDICION DE CAUDAL

Extremos

????????

FLOTADORESVelocidad = Longitud / Tiempo

MEDICION DE CAUDAL

v k * vflotador

k = Factor de reducción

k(-) y/d k(-)

0.029 - 0.037 0.78 0.10 0.86

0.021 - 0.028 0.84 0.25 0.88

0.017 - 0.022 0.87 0.50 0.9

0.014 - 0.019 0.89 0.75 0.94

0.012 - 0.016 0.9 0.95 0.95

** 0.50 m < Radio Hidraulico < 2.5 m

Superficiales** Varilla

n (m -1/3 .s )

k es función de rugosidad ( n ) del curso de agua en flotadores

superficiales y de la relación entre la profundidad de inmersión

del flotador (y) y la profundidad total de agua ( d ) en los de

varilla

En ríos montañosos de alta pendiente, k = 0.75

MEDICION DE CAUDALFLOTADORES

TUBO DE PITOT Altas velocidades > 1m/s

hH

v 2g(H h)

MEDICION DE CAUDAL

MEDICION DE CAUDAL

LUGAR DE MEDICION

AFORADORES PARSHALL

• Aforador de profundidad crítica

• Adecuado para la medición del caudal en los canales de

riego o en las corrientes naturales con una pendiente suave

MEDICION DE CAUDAL

MEDICION DE CAUDAL

AFORADORES PARSHALL

AFORADORES PARSHALL ( W = 12 pulgadas )

MEDICION DE CAUDAL

MEDICION DE CAUDAL

AFORADORES PARSHALL

VERTEDEROS

Estructuras a través de la corriente que cambian el nivel de

aguas arriba

De pared

aguda

MEDICION DE CAUDAL

VERTEDEROS

Con contracción Sin contracción

Corriente libre Corriente sumergida

MEDICION DE CAUDAL

De pared

aguda

MEDICION DE CAUDALVERTEDEROS

De pared

ancha


Fórmulas y términos

Q: Caudal (m3/s)

g: Aceleración de la gravedad = 9.81 m/s2

b: Ancho de la cresta del vertedero (m)

CD: Coeficiente característico de descarga (-)

CV: Coeficiente para la velocidad de aproximación (-)

h1: Tirante aguas arriba sobre el vertedero (m)

: Angulo del fondo en vertedero en forma V

yc: Profundidad critica en la sección de control (m)

m: Pendiente lateral de la sección de control (-)

H1: Tirante de energía aguas arriba (m)

Hb; Altura del fondo del triángulo (m)

MEDICION DE CAUDAL

VERTEDEROS

De pared aguda

Q C * g*b*hV.

2

32

1150

Q CV* g* *h .

8

152

2 12 50tan


De pared ancha

Q *g *b*C *C *h

..

D V.

2

3

1 50 5

11 50

Q *g

* *C *C *h

. .

D V.

4

5 2 2

2 5 0 5

12 50tan


De pared ancha

Q C * b y my g H yD c c c c 21

0 52*

.

Q g Bc CD CV h Hb

2

3

150 5

1 0 5 150.

* . * * * * . .


CV: Coeficiente para la velocidad de aproximación (-)

CH

hV

u

1

1

Forma u

Rectangular 1.5

Forma V 2.5

Triangular Entre 1.5 y 2.5

CD: Coeficiente característico de descarga (-)

Ver Figura 6.28, Libro de Boiten, pag. 205


Transporte de información

hidrométrica

Este método se basa en la similitud climática y de

características físicas entre cuencas de una determinada

región geográfica, o de una gran cuenca hidrográfica.

(ANALOGÍA HIDROLÓGICA)

Vd*FVdAd

AxVx 1

Vx = volumen escurrido anual estimado, en Mm3

Ax = área de la cuenca sin datos, en km2

Ad = área de la cuenca de la estación de aforos, en km2

Vd = volumen escurrido anual en la estación hidrométrica, en Mm3

F1 = factor de transporte, adimensional

Transporte de información

hidrométrica

Px = precipitación anual en la estación pluviométrica auxiliar de

la cuenca sin datos, (mm)

Pd = precipitación anual en la estación pluviométrica auxiliar de

la cuenca con datos, (mm)

F3 = factor de transporte, igual al cociente entre la lluvia media

anual (PMA) en la cuenca sin datos y la PMA en su estación

pluviométrica auxiliar (adimensional)

F4 = factor de transporte, igual al cociente entre la lluvia media

anual en la cuenca con datos y la PMA en su estación

pluviométrica auxiliar (adimensional)

Vd*PdF

PxFFVx

4

31

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