Definición La hidrometría fluvial fluvial es una ciencia que trata de la medición y análisis del agua que fluye en las corrientes (ríos, quebradas, arroyos, caños) por medio de métodos, técnicas e instrumentos utilizados en la Hidrología. El procesamiento de datos hidrométricos se refiere generalmente a los niveles, caudales y sedimentos (transporte y concentración), variables y parámetros de calidad del agua, incluyendo las características fisiográficas y morfométricas de los sistemas hídricos. Este procesamiento implica transformar los datos primarios en información para ser utilizada por los usuarios. Importancia La hidrometría fluvial es de gran importancia para la predicción de crecidas (máximas alturas de agua), definir o delinear zonas con riesgo de inundación, estudios de sedimentación en ríos y para proyectar estructuras (puentes u otras obras hidráulicas). Definición El
Glosario
Hidrológico
Internacional
(1994)
define
a
la estación
hidrométrica como hidrométrica como el lugar de observación en la cual se obtienen datos sobre el agua de ríos, lagos o embalses. En una estación hidrométrica se deberá observar uno o más de los elementos que se citan a continuación: a) El nivel de agua b) El caudal o flujo de las corrientes c) Transporte o depósito de sedimentos o ambos d) La temperatura y otras propiedades físicas del agua e) Las características y extensión de la capa de hielo f) Las propiedades químicas del agua Selección del sitio ideal para instalar una estación hidrométrica
La selección del sitio ideal para una estación hidrométrica debe basarse en los siguientes criterios: 1) El tramo a escoger deberá tener en lo posible en un tramo recto unos 100 metros aguas arriba y debajo de la estación de aforo. 2) La corriente total debe estar confinada en un solo cauce para todos los niveles y pueden existir corrientes subterráneas. 3) El lecho del río no debe estar sujeto a socavaciones ni a rellenos y debe estar libre de plantas acuáticas. 4) Las orillas deben ser permanentes, lo suficientemente altas para contener las crecidas y deben estar libres de arbustos. 5) Deben haber controles naturales inalterables: afloramiento de rocas en el fondo o un cañón estable durante el estiaje, y un cauce encajonado para las crecientes caídas o cascadas, insumergible en todos los niveles de manera de tener una relación estable entre el nivel y el caudal. Si no hay condiciones naturales satisfactorias para un control de aguas bajas, se debe prever la instalación de un control artificial. 6) Se debe disponer de un sitio conveniente para alojar el limnígrafo, inmediatamente aguas arriba del control, y protegerlo contra posibles daños por los escombros llevados por las aguas durante las crecidas del río. El limnígrafo debe estar por encima de toda crecida probable que pueda ocurrir durante el período de vida de la estación. 7) El sitio de aforo debe estar lo suficientemente aguas arriba de la confluencia con otro río o de los efectos de la marea, para evitar toda influencia variable que puedan ejercer sobre el nivel en el sitio de la estación. 8) Se debe disponer de una longitud de tramo suficiente para medir el caudal a todos los niveles dentro de una razonable proximidad de la estación de aforo. No es necesario que las mediciones para aguas altas y bajas se efectúen en la misma sección transversal del río. 9) El sitio debe ser fácilmente accesible para facilitar la instalación y el funcionamiento de la estación de aforo. 10) El sitio debe disponer de instalaciones de telemetría o transmisión por satélite, si se requieren.
11) La formación de hielo en el área no debe interrumpir el registro de los niveles y las mediciones del caudal. 12) Muy pocas veces se encontrará un sitio que satisfaga todos esos criterios; por lo tanto, se deberá seleccionar el sitio que más convenga y sobre todo que sea accesible para las mediciones y contar con un observador hidrológico. Nivel de la corriente El nivel del agua en una corriente (río, quebrada, arroyo, caño) es la altura de la superficie del agua en un punto determinado con relación a su lecho, a una cota arbitraria, o al nivel medio del mar. En general, el nivel o altura de la corriente debe ser medida con una exactitud de un centímetro, mientras que en las estaciones de aforo que efectúan registros continuos la exactitud debe ser de tres milímetros. Instrumentos para medir el nivel del agua La medición directa y puntual de nivel del agua a una hora determinada, se realiza mediante la utilización de instrumentos con diferente conformación física y diferente protocolo de operación. Estos instrumentos son la mira hidrométrica o limnímetro, el maxímetro y el limnicontacto o sonda indicadora de nivel. Gasto líquido El
gasto
o
caudal
líquido
corresponde
al
volumen
de
agua
que
pasa
instantáneamente por una sección de aforos en una corriente de agua (río, quebrada, arroyo o caño) en la unidad de tiempo, y se expresa en metros cúbicos por segundo 3
(m /s). El caudal en una corriente de agua es función del área de la sección de aforos (A) y de la velocidad media del flujo (V) y se obtiene mediante el producto de estas dos variables: Q=V*A El gasto sólido se refiere al volumen de sólidos totales en suspensión (arenas, limos, arcillas) que transportan las corrientes de agua (río, quebrada, arroyo o caño), que pasa instantáneamente por una sección de aforos en la unidad de tiempo, y se 3
expresa en metros cúbicos por segundo (m /s).
Medición del gasto líquido (aforo líquido) El aforo líquido es un procedimiento que consiste en realizar en campo mediciones de área en la sección transversal y de velocidad del agua, que permiten posteriormente calcular el caudal de una corriente, el cual esta referenciado a un nivel de agua. El aforo se debe realizar periódicamente buscando cubrir toda la gama potencial de niveles, con el fin de obtener parejas
nivel - caudal que faciliten la calibración de la
sección de aforos, la cual se plasma en la curva de gastos o curva de calibración , que permite convertir niveles de agua en caudales. Para ello esta curva se transforma: a) En una ecuación; o b) En una tabla obtenida por lectura de puntos sobre la curva y posterior interpolación. En las estaciones hidrométricas se realizan aforos conjuntos de caudal líquido y caudal sólido en suspensión. Con estos aforos se obtienen curvas de correlación caudal líquido - caudal sólido. Curva de gastos La curva de gastos de una estación hidrométrica es la expresión gráfica de la relación existente entre los niveles del agua y los caudales de la corriente, generalmente en régimen permanente. Esta relación se puede determinar una vez se hayan obtenido aforos suficientes que representen toda la gama de variación de los niveles de la corriente de agua. La curva es aproximadamente parabólica cuando su representación está en coordenadas cartesianas y con tendencia a la recta cuando las coordenadas son logarítmicas. Por procedimientos estadísticos se obtiene una ecuación exponencial del tipo: 2
Q = a . H + b . H - Ho Donde Q = Caudal H = Nivel del agua Ho = Nivel al cual el caudal es cero a, b = Constantes Esta ecuación permite determinar caudales para niveles establecidos.
El proceso de construcción de la curva de gastos es tradicionalmente una rutina manual, siendo la opinión del especialista muy importante. Los pasos son los siguientes: 1. Verificación del resumen de aforos Consiste en el análisis, verificación y concordancia entre los valores consignados en el resumen de aforos para evitar errores de trascripción. 2. Ploteo de los puntos: nivel caudal,
nivel
velocidad
-
área,
nivel
-
Inicialmente y en cada una de las secciones de aforos se debe elaborar las curvas nivel vs caudal, nivel vs área y nivel vs velocidad, a fin de observar el comportamiento hidráulico de la sección. Si la elaboración de las curvas se hace mediante un paquete gráfico o un software especial, se aplica un proceso de aproximación por mínimos cuadrados y se genera automáticamente una ecuación. Al hacerlas
en forma
manual se debe tomar
en cuenta las siguientes
consideraciones: a) Las curvas se construyen en papel milimetrado utilizando el sistema de coordenadas cartesianas. b) La escala de los ejes depende de la amplitud de oscilación de los caudales, áreas, niveles y velocidades. Estas escalas se escogen de tal forma que en lo posible las curvas tengan las siguientes inclinaciones: Nivel - caudal: 45º; Nivel - área y Nivel velocidad: 60º Si la amplitud de los caudales es muy grande, cuando el cociente entre el caudal máximo aforado y el caudal mínimo aforado es igual o mayor que 20, la parte inferior de la curva (primeros 20 - 30% de la curva) se dibuja en una escala mayor (5 - 10 veces), esto permite definir con mayor exactitud los caudales de estiaje en épocas de sequía. d) El trazado de las curvas se realiza con la ayuda de un curvígrafo. 3. Verificaciones de la curva de gastos a) Al inicio, es necesario comparar los caudales que se obtienen a través de la curva H = f(Q), construida con los aforos y los que se obtienen con el producto de las áreas por las velocidades. El error aceptado es 1%. b) Al final, debe evaluarse la estabilidad de la curva de gastos determinando la dispersión de la curva y comparándola con el error sistemático de los aforos (que la variación no supere el 10%).
Si se tienen aforos líquidos cubriendo toda la gama de variaciones de los niveles - medios, máximos y mínimos - se elabora la curva de gasto (o curvas de gastos) que controla dicha sección, y por métodos estadísticos se encuentra la ecuación respectiva de Q (caudal) en función de H (nivel). En muchas ocasiones no se tiene una gama suficiente de aforos líquidos, por lo tanto para niveles altos es necesario utilizar métodos de extrapolación de la curva de gastos.
