FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL
HIDROMETRIA
ING CRISTIAN COELLO MSc
Mar- Ago 2016
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 693000
696000
699000
702000
705000
708000
711000
714000
Leyenda
n ¾
¾
9666000
Estaciones Meteorológicas Red de Pluviógrafos Vertederos
Vert canal Gualay
±
Red Hidrográfica Vías
Quinuahuaycu
Bermejos
Cuencas de Aporte
Bermejos Medio
9663000
¾
n
UTM ZONA 17S PSAD 56
Vert. Quinuhuacu
0
1000
2000
4000
Bermejos alto
6000 Metros
¾
Calluancay Calluancay Zhurucay ¾
9660000
Vert. Zhurucay
¾
Irquis
Vert. Calluancay
Est. Quim 3 Est. Quim 2
nn
9660000
Zhurucay
9663000
Bermejos bajo
9666000
Vert. Bermejos
Vert. canal San Gerardo
¾
Jordanita
Zhurucay Bajo
Vert. Jordanita
9657000
als o
¾
9654000
9654000
Campamento Base
oF
a
Rí
Qu nu
s
9657000
Portete Río
San Gerardo
¾ 693000
696000
699000
702000
705000
708000
711000
714000
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=AxV 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 (m) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Profundidad (m) 0 3.9 5.36 5.26 5.05 5.6 5.24 5.18 3.25 0
Espacio (m) 0 80 80 80 80 80 80 80 80 0
Tiempo seg 60 92 52 53 50 57 57 53 75 60
Sección transversal del ejercicio. 0
5
10
15
20
25
0
Profundidad (m)
-1
-2
-3
-4
-5
-6
Abscisa (m)
30
35
40
45
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=AxV
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
Velocidad seccion: Molinete y micromolinete 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
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
(m) 0 2.5
(m) 0 0.7
5
2
Observación (m) 0 0.42 1.6 1.2 0.4
(%) 0 60 80 60 20
Revoluciones
Tiempo
# 0 25 45 50 54
(s) 0 40 42 41 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 n (rev/s) >0,80
V = 0,2517 n + 0,014 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 1 punto
V = V0.6
Ecuación con 3 puntos V a= (V0.2 + V0.8) / 2 (2puntos) V = (Va + V0.6) / 2
Ecuación con 5 puntos
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
(m) 0
(m) 0
1
0.52
2.2
4.8
7.2
9
Profundidad de Observación (m) (%) 0 60 0.312
60
0.16
20
0.64
80
0.194
20
0.776
80
0.244
20
0.732
60
0.976
80
0.24
20
0.96
80
0.8
0.97
1.22
1.2
11.2
0.72
0.432
60
13
0
0
60
Revoluciones
Tiempo
# 0 48 50 86 84 56 55 72 70 76 82 89 90 92 94 88 86 87 89 84 83 20 21 0.0
(s) 40.0 40.0 42.0 40.0 41.0 40.0
40.0 42.0 40.0 40.0 43.0 40.0 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.
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:
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.
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 0
Prof (m) 0
1
1
2
2
3
4
4
5
5
5
6
4
7
2.5
8
0
Prof medida (m) sup sup 0.5 sup 1 1.5 sup 1 2 3 sup 1 2 3 4 sup 1 2 3 4 sup 1 2 3 sup 1 2 sup
V (m/s) 0 1.1 1.5 1.5 2.0 2.5 1.8 2.5 3.0 3.5 2.2 2.8 3.5 3.8 3.4 2.5 3.0 3.4 3.0 3.1 2.1 2.6 2.9 2.5 1.6 2.0 2.5 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
Río Bulubulu en M. J. Calle 500 450 400 Caudal [m³/s]
Los 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.
350 300 250 200 150 100 50 0
Fecha [resolución horaria]
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 180
140
160
120
140
120
Caudal (m³/s)
Precipitación (mm/mes)
100 80
60
100 80 60
40
40
20
20
0
0
ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Mes
El Labrado
Matadero
Bulubulu AJ Payo
Cañar DJ Raura
Cañar en Puerto Inca
12
Elaboración de la curva de descarga Aforo #
Fecha
V
H
Q
m/s
m
m³/s
Río Quevedo - Quevedo 4
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
3.5
y = 0.377x0.317 R² = 0.974
Nivel de Agua (m)
3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0
200
400 600 Caudal (m³/s)
800
1000
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. 2. 3. 4. 5. 6.
Extrapolación Manual Área y Velocidad Media Método de Manning Método de Stevens Método Ruso 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) 0.4 1 2 3 4 5 6 7 8
V (m/s) 0.9 1.4 1.7 2.2 2.5 2.7 3 X X
A (m²) 8.9 10.7 11.2 10.9 12.0 15.2 16.7 17.3 18.8
Q (m³/s) 8 15 19 24 30 41 50 X 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) 0.4 1 2 3 4 5 6 7 8
V (m/s) 0.9 1.4 1.7 2.2 2.5 2.7 3 3.2 3.38
A (m²) 8.9 10.7 11.2 10.9 12.0 15.2 16.7 17.3 18.8
Q 8 15 19 24 30 41 50 X 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) 0.4 1 2 3 4 5 6 7 8
V (m/s) 0.9 1.4 1.7 2.2 2.5 2.7 3 3.2 3.38
A (m²) 8.9 10.7 11.2 10.9 12.0 15.2 16.7 17.3 18.8
Q 8 15 19 24 30 41 50 59 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 FH
Factor FG
H
H
AR2/3
Q = FG x FH
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
C
1 R n
1 6
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
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
n = 0.025
S=0.02
Abscisa (m)
Profundidad (m)
0 10 20 30 40 50
0 -2 -4 -5 -4 0
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
UNIVERSIDAD DE CUENCA - PROGRAMA PARA EL MANEJO DEL AGUA Y DEL SUELO ( PROMAS ) Río :
Fecha: Hora: Realizado por:
Equipo: Quevedo
19/02/2013 14H30-15H00
Radar RQ-24 Abscisa inicial: 0 m Abscisa Final: 130 m
PA, RC, CC, PF, JN.
Velocidad* (m/s) 1,468 1,449 1,476 1,496 1,475 1,445 1,457 1,426 1,476 1,476 1,426 1,476 1,504 1,463 Caudal medio:
-1
-2
-3 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
Abscisa (m)
Aforo rio Quevedo en Quevedo 19-02-13 Tiempo (min) 0 1,5 3 4,5 6 7,5 9 10,5 12 13,5 15 16,5 18 19,5
Profundidad (m)
0
Área (m²) 247,35 247,35 247,35 247,35 247,35 247,35 247,35 247,35 247,35 247,35 247,35 247,35 247,35 247,35
Descarg a (m³/s) 458,98 453,04 461,48 467,73 461,17 451,79 455,54 445,85 461,48 461,48 445,85 461,48 470,23 457,41 460.07
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.
Comparación de métodos Comparación Cualitativa
Volumétrico Flotador
Molinete ADV normal (FlowTracker)
ADCP + (Q1800p)
Radar Químico (RQ24)
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 Cuantitativa
Comparación de métodos
VoluMolinete y ADV ADCP Radar Flotador Molinete métrico Grua (FlowTracker) (Q1800p) (RQ24)
Químico
Caudal maximo (m³/s) Costo Equipo USD
# 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
10
10
5000
7500
20000
75000
20000
800
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 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
8 Q Cd tan 2g h 15 2
5 2
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 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
0.0087 Cd 0.565 0.5 h
Formula de Barr Vale para = 90º con cargas 0.05 m h 0.25 m w 3h, B 8h
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
Unidades Métricas W (m)
K
n
0.076
0.176
1.547
0.152
0.381
1.58
0.229
0.535
0.305
Ancho W (m)
Límites de caudal (l/s)
Q Mínimo Q Máximo
0.025
0.28
5.67
0.051
0.57
14.15
1.53
0.076
0.85
28.31
0.69
1.522
0.152
1.42
110.44
0.458
1.054
1.538
0.229
2.58
252.00
0.610
1.426
1.55
0.305
3.11
455.90
0.915
2.182
1.566
0.457
4.24
696.50
1.220
2.935
1.578
0.610
11.90
937.30
1.525
3.728
1.587
0.914
17.27
1427.20
1.830
4.515
1.595
1.219
36.81
1922.70
2.135
5.306
1.601
1.524
45.31
2424.00
2.440
6.101
1.606
1.829
73.62
2931.00
Proceso Constructivo
Proceso Constructivo
Proceso Constructivo
Proceso Constructivo
Proceso Constructivo
Proceso Constructivo
Proceso Constructivo
Proceso Constructivo
Proceso Constructivo
Monitoreo Continuo
1.4 1.2
Level water (m)
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 21/04/2009 00:00
23/04/2009 00:00
25/04/2009 00:00
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
