MANUAL DE HIDROMETRIA BASICA

Elaborado por: Ing. Javier Mendoza Rodríguez.

SERVICIO NACIONAL DE METEOROLOGIA E HIDROLOGIA

PROYECTO BOL/59514

INDICE

1. INTRODUCCIÓN.  2

2. EL CICLO HIDROLÓGICO.  2

3.  HIDROMETRÍA.  3

4. ESTACIONES HIDROMÉTRICAS.  5

5. TOMA DE DATOS HIDROMÉTRICOS.  6

6. AFOROS.  8

7. CÁLCULO DE LOS CAUDALES LÍQUIDOS.  9

8. CURVAS DE CALIBRACIÓN H­Q.  16

9. REFERENCIAS.  19

1. Introducción. El Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología “SENAMHI”, es la institución encargada de la instalación y administración de la red nacional hidrometeorológica; la Dirección Nacional de Hidrología se encarga de las estaciones hidrométricas que permiten medir los niveles de los principales ríos y lagos del territorio Nacional, con la finalidad de obtener el comportamiento espacial y temporal del escurrimiento superficial en las principales cuencas y subcuencas. La información que proviene de los datos hidrométricos, se constituye en la base para la elaboración de una diversidad de proyectos que van desde el interés local, regional, nacional, e internacional. En este sentido, la instalación de una estación hidrométrica y la toma de datos debe ser realizada en apego riguroso a las instrucciones emanadas de la Organización Meteorológica Mundial “OMM”; de la cual el SENAMHI forma parte. En el país donde se tiene una importante red de drenaje correspondiente a las tres cuencas más grandes del continente (Amazonas, Plata y Cerrada), las limitaciones económicas hacen que tengamos una densidad de estaciones que se encuentra por debajo de lo recomendado; sin embargo la red actual cumple un papel de suma importancia dentro del desarrollo Nacional. La presente guía muestra principalmente las técnicas de medición tradicionales, que en nuestro medio son las que se dan con mayor frecuencia; la toma de datos de las escalas, los métodos de aforos líquidos y sólidos, la construcción de curvas de descarga, el tratamiento estadístico básico de la información y una introducción al manejo de la base de datos HYDRACCESS; forman un bloque temático que permitirá reforzar los conocimientos del personal técnico superior de las diferentes oficinas regionales del País.

2. El Ciclo Hidrológico. El Ciclo Hidrológico o también conocido como el Ciclo del Agua, no se inicia en un lugar específico, pero para esta explicación asumimos que comienza en los océanos. El sol, que dirige el ciclo del agua, calienta el agua de los océanos, la cual se evapora hacia el aire como vapor de agua. Corrientes ascendentes de aire llevan el vapor a las capas superiores de la atmósfera, donde la menor temperatura causa que el vapor de agua se condense y forme las nubes. Las corrientes de aire mueven las nubes sobre el globo, las partículas de nube colisionan, crecen y caen en forma de precipitación. Parte de esta precipitación cae en forma de nieve, y se acumula en capas de hielo y en los glaciares, los cuales pueden almacenar agua congelada por millones de años. En los climas más cálidos, la nieve acumulada se funde y derrite cuando llega la primavera. La nieve derretida corre sobre la superficie del terreno como agua de deshielo y a veces provoca inundaciones. La mayor parte de la precipitación cae en los océanos o sobre la tierra, donde, debido a la gravedad, corre sobre la superficie como escorrentía superficial. Una parte de esta escorrentía alcanza los ríos en las depresiones del terreno; en la corriente de los ríos el agua se transporta de vuelta a los océanos. El agua de escorrentía y el agua subterránea que brota hacia la superficie, se acumula y almacena en los lagos de agua dulce. No toda el agua de lluvia fluye hacia los ríos, una gran parte es absorbida por el suelo como infiltración. Parte de esta agua permanece en las capas superiores del suelo, y vuelve a los cuerpos de agua y a los océanos como descarga de agua subterránea. Otra parte del agua subterránea encuentra

aperturas en la superficie terrestre y emerge como manantiales de agua dulce. El agua subterránea que se encuentra a poca profundidad, es tomada por las raíces de las plantas y transpirada a través de la superficie de las hojas, regresando a la atmósfera. Otra parte del agua infiltrada alcanza las capas más profundas de suelo y recarga los acuíferos (roca su superficial saturada), los cuales almacenan grandes cantidades de agua dulce por largos períodos de tiempo. A lo largo del tiempo, esta agua continua moviéndose, parte de ella retornará a los océanos, donde el ciclo del agua se "cierra"...y comienza nuevamente.

Figura 2.1: Esquema gráfico de El Ciclo Hidrológico

3. Hidrometría. Hidrometría proviene de las palabras griegas: hydro = agua y metría = medida. Entonces, hidrometría significa “medición del agua”, sea el agua que corre en un riachuelo o en un río, la que pasa por una tubería o un canal, la que se consume en una ciudad, industria o vivienda, etcétera. El interés principal está en medir el escurrimiento de los cursos principales de la red de drenaje de una cuenca; los escurrimientos en una cuenca se dividen en tres componentes: superficial, su superficial y subterráneo. El superficial es el que se manifiesta por encima del terreno natural, primariamente laminar hasta que luego se va concentrando en cauces, y sale finalmente de la cuenca. Se lo denomina rápido, por ser el primer escurrimiento que se manifiesta en la sección de control de la cuenca. El su superficial es aquél que luego de infiltrada una determinada cantidad en el perfil del

Suelo, en la profundidad donde la humedad es aprovechable por las raíces, se manifiesta escurriendo en esa primera capa del suelo, y en algunos casos, vuelve a aparecer en superficie, sumándose al superficial. La cantidad depende de las características del suelo. El subterráneo es el escurrimiento que se da en las capas saturadas del suelo, ya sea en lo que se considera acuífero freático, como en los acuíferos cautivos o profundos. Los primeros aportan a los cauces del río, en especial en épocas de estiaje, drenando las capas subterráneas. Por el proceso que tiene el agua desde la precipitación, infiltración profunda a las napas, y de éstas al cauce, el escurrimiento es muy lento. Caudal: Es el volumen de agua por unidad de tiempo que pasa por una sección de un cauce, y se lo determina multiplicando la velocidad media del flujo, que atraviesa la sección, por el área de la misma; sus unidades más empleadas son m3/s o l/s. Hidrograma: Es la representación del caudal en función del tiempo (figura 3.1), expresando las variaciones temporales de los caudales o los aportes de un río en una sección determinada.

Figura 3.1: La figura de la izquierda muestra la variación del caudal en relación al tiempo en una determinada sección del río, la figura de la derecha muestra las partes de las que se compone un

hidrograma durante un evento. Presenta 4 puntos característicos (figura 3.1): A: Inicio del escurrimiento directo. B: Momento del caudal pico o máximo. C: Cese del escurrimiento laminar. D: Cese del escurrimiento directo. En base a ello se definen los tiempos: Tiempo al pico entre A y B, tiempo base del hidrograma entre A y D, tiempo de vaciado del escurrimiento directo entre C y D. Medición de niveles: La determinación de los niveles que puede alcanzar el agua o las alturas de agua de un río, se deben hacer en una sección determinada, que debe cumplir ciertos requisitos; como ser fija e inalterable en el tiempo, para que las mediciones de alturas de agua se puedan relacionar con el mismo. Las mediciones de las alturas de agua de un río se hacen en estaciones hidrométricas, y todas las mediciones de alturas de agua, medidas en metros y centímetros, deben referirse a un cero (0), que debe ser el nivel mínimo que tiene el agua en una sección, o aquél nivel debajo del cual no existe escurrimiento en ese río.

La altura de agua se mide con escalas hidrométricas o limnímetros. Son reglas graduadas en metros, decímetros y centímetros, que deben colocarse en un lugar visible para el observador, en un solo tramo si el río lo permite, o en tramos escalonados hacia fuera del centro del cauce, de modo de medir con precisión los valores mínimos y máximos. Las lecturas de las escalas hidrométricas deben realizarse con una frecuencia acorde a la manifestación de las variaciones de alturas del río, con frecuencia de horas o días: En ríos localizados en ambientes de montaña deben realizarse mediciones frecuentes para poder captar el paso de las crecidas, no así en ríos de llanura donde los movimientos de elevación o descenso de las aguas son lentos y previsibles. En algunas secciones hidrométricas no se puede acceder fácilmente para su lectura o no se puede estar todo el tiempo de manifestación de una crecida. En esos casos se instalan limnígrafos, que registran en un papel las oscilaciones de altura de agua. Contienen una boya que actúa como flotador en el agua, un cable que llega hasta el equipo registrador y un contrapeso para equilibrar el movimiento de la boya. El equipo registrador tiene un tambor o cilindro donde se enrolla una faja de papel, y una aguja con tinta, que va marcando dichas oscilaciones, con un mecanismo de relojería que mueve el tambor. Periódicamente, cada día, 7, 15 o 30 días, se saca la faja marcada y se coloca una nueva, dependiendo de las variaciones de altura y de la accesibilidad al lugar de medición. En la actualidad se emplean los sensores de nivel, dispositivos que determinan los niveles del río a través de la presión que ejerce sobre el sensor la altura de agua; esta información es almacenada en un dispositivo magnético que puede ser descargada mediante una computadora. Aforo: Es la operación de campo que tiene como fin realizar el cálculo del volumen de agua que escurre por una sección de un río en la unidad del tiempo.

4. Estaciones hidrométricas. Se llaman estaciones hidrométricas, a las estaciones en las cuales se practican sistemáticamente observaciones para conocer el régimen de una corriente, obteniéndose registros continuos de variación en el nivel de las aguas y medición de velocidades de flujo. Se distinguen los siguientes tipos de estaciones hidrométricas: Estaciones de primer orden Estaciones de segundo orden Estaciones de tercer orden Estaciones de primer orden: En este tipo de estaciones los datos obtenidos son los siguientes:

• Variaciones de nivel de las aguas (Lecturas de limnímetro y Limnígrafo) • Aforos a molinete

• Muestreo de sedimentos en suspensión Equipamiento necesario:

• Limnímetros. • Limnígrafo. • Molinete, cronómetro, contador. • Muestreador de sedimentos. • Infraestructura (dependiendo de como se realicen los aforos).

Estaciones de segundo orden: En este tipo de estaciones los datos obtenidos son los siguientes:

• Aforos a flotador. • Lecturas diarias de los Limnímetros o escalas.

Equipamiento necesario:

• Limnímetro. • Flotadores. • Estacas, lienza, cronometro. • Regla de sondeo.

Estaciones de tercer orden: En este tipo de estaciones los datos obtenidos son solamente lecturas de Limnímetros. Condiciones que debe reunir una estación de aforo:

• Debe estar situada sobre un tramo recto del río, que cuente con una sección uniforme y una pendiente constante a lo largo del río.

• La dirección de la corriente en la sección, debe ser paralela a la del río, a su vez debe ser coincidente con la dirección del cable.

• En lo posible la sección debe ser fácilmente accesible. • La sección de aforo debe tener una distribución pareja de velocidades, evitándose

aquellas en que existan sectores de altas velocidades, aguas muertas, contracorrientes o remolinos, tampoco conviene utilizar secciones con lechos fangosos o con mucha vegetación, secciones en curva de los ríos deben evitarse.

• La vegetación excesiva que no pueda ser evitada, debe quitarse periódicamente, además deben eliminarse ciertos obstáculos como ser matorrales en las orillas, y piedras grandes situadas en el lecho de sectores de poca profundidad.

5. Toma de datos hidrométricos. Cada sección de aforo debe contar con un limnimetro, el cual debe ser observado 3 veces por día, a las 8h 00 m, 14 h 00 m y a las 18 h 00 m, el aforo debe referirse a las lecturas observadas.

Limnimetro: Son reglas graduadas (figura 5.1), cuyo objetivo es medir las variaciones del nivel de superficie del agua en una corriente, se debe instalar en una parte accesible y profunda del cauce o en un pozo comunicado con el, donde llega el agua alcanzando el mismo nivel que tiene la corriente. Cada estación tiene un banco de nivel, al cual están relacionadas las graduaciones de la escala, su objeto es poder rectificar cualquier cambio que ocurra en su posición, quedando las graduaciones referidas a un plano invariable de comparación. Así, si por ejemplo, en una estación una crecida se hubiese llevado todas las escalas, o que las hubiese destrozado, se instalaran nuevas escalas referidas al banco de nivel de la estación. Las escalas tendrán una longitud suficiente como para poder registrar todas las fluctuaciones del nivel de las aguas, pueden ser de un solo tramo, o estar divididas en varias secciones (figura 5.2), son construidas de varios materiales, tales como madera, fierro, hormigón, etc. La figura 5.1 muestra los tipos de reglas limnimétricas comúnmente empleadas en las estaciones del país. Figura 5.1: Tipos de escalas limnimétricas empleadas en las estaciones, la de la izquierda es de madera

y la de la derecha es de metal.

Figura 5.2: La figura de la izquierda muestra la instalación de escalas seccionadas, la figura de la derecha muestra la instalación de una única escala.

Las lecturas de escala se deben realizar todos los días de acuerdo al siguiente orden: 1ª lectura A Las 8 h 00 m 2ª Lectura A las 14 h 00 m 3º Lectura A las 18 h 00 m

6. Aforos. Como se dijo en una anterior sección, el aforo no es nada más que cuantificar el volumen de agua que pasa por una sección en un determinado tiempo, para esto se tiene a disposición varios métodos; en nuestro medio el más utilizado es el que relacional la sección con la velocidad. El análisis parte de la ecuación Q = S * V (caudal = sección * velocidad). Para realizar el aforo debe tenerse una estación de aforos, que contiene una sección de medición donde se materializa el aforo, una escala hidrométrica para relacionar las alturas de agua en el momento del aforo, y un control de que esa estación de aforo sea una sección donde se asegure que la relación altura – caudal sea directa, y no que para una misma altura se manifiesten dos caudales, posibilitando la relación H – Q en todas las alturas de agua del río. El cálculo de caudal se realiza midiendo la sección haciendo una batimetría, y subdividiendo la sección en áreas parciales donde se mide la profundidad en tramos separados un 10 % del ancho total. Para cada profundidad se asigna la superficie de escurrimiento equidistante con las demás profundidades, y la suma de todas da el área transversal total de escurrimiento. En los mismos sitios de medición de profundidades a través de un molinete, se mide la velocidad de escurrimiento del agua con el molinete paralelo al escurrimiento y perpendicular a la sección de paso, a distintas profundidades que en su modo más completo implica medir en superficie, a 0,2 h, 0,6 h, 0,8 h y en el fondo, siendo h la profundidad de la vertical. El gráfico de la profundidad con las velocidades citadas se llama curva de velocidades de la vertical. Luego se calcula la velocidad promedio de cada vertical y los caudales parciales multiplicando la velocidad media de cada vertical por el área parcial, y sumando todas, da el caudal total de escurrimiento por la sección donde se realiza el aforo. El molinete está compuesto por un cuerpo principal que en su parte delantera tiene a la hélice, elemento que gira con la oposición que le genera la velocidad del agua y debe ser contada la cantidad de vueltas que registra en un plazo determinado de tiempo, con un contador digital. Previamente el fabricante ha entregado las ecuaciones que calculan la velocidad en base al número de revoluciones de la hélice. El aforo por molinete requiere del siguiente instrumental de campaña: Molinete, cuyo elemento medidor de la velocidad es una hélice o una cazoleta, puede estar suspendido en el agua por cable accionado por un torno, o si la profundidad es menor por una barra fija apoyada en el fondo de la sección. En el primer caso es un aforo por pasarela y el segundo por vadeo. Según sea el caso y la sección de aforo se requiere una alcantarilla o un puente, carros colgados de un cable entre torres a

ambas márgenes del río, o una embarcación. En el caso de altas velocidades de escurrimiento y profundidades importantes, el molinete es arrastrado por la corriente, y como la medición de la velocidad debe realizarse sobre una profundidad perfectamente vertical, se requiere el auxilio de contrapesos o escandallos de distintos pesos, variables entre 5 y 90 kilos. Cuando aún así la velocidad del agua arrastra el molinete se debe hacer una corrección de la medición de la profundidad teniendo en cuenta el ángulo de arrastre.

7. Cálculo de los caudales líquidos. El ejemplo práctico que se presenta a continuación, para el cálculo de un aforo, contempla todo el proceso de toma de datos con el posterior cálculo del caudal que se realiza en una sección de un río. Este es el caso de un aforo a vadeo, quiere decir que el aforador tiene la posibilidad de entrar en el río por que la velocidad y la profundidad se lo permiten.

10 10 10 10 10 10 10 10 10 4.3

0.85 0.80 0.80 0.80 0.80 0.95 1.00 0.65 0.55 Figura 7.1: Sección transversal del río y su respectiva tabla de valores. Generalmente se inicia el aforo en la margen ubicada a la

izquierda del observador, si este se encuentra mirando hacia aguas abajo del río; previamente, y en función al ancho del espejo de aguas, se realiza una segmentación de la longitud transversal del espejo de aguas preferentemente en longitudes constantes. En el caso del ejemplo se segmentó la longitud transversal en 9 secciones de 10 metros y la última de 4.3 metros; empezando de la orilla se va midiendo las longitudes verticales a partir de la superficie libre hasta el fondo del río; en el caso del ejemplo se tienen 9 verticales. La figura 7.1 muestra la sección transversal del río y la tabla con los datos que se han tomado como se indico anteriormente. En cada vertical se toma el dato del número de vueltas que da un molinete, debido al movimiento de la corriente, en un determinado tiempo; esto permitirá calcular la velocidad de la corriente en cada vertical. Cada molinete tiene su ecuación que permite calcular la velocidad en función del número de revoluciones y el tiempo; en el caso del ejemplo se tiene las siguientes ecuaciones:

Dist. Pto. al origen m

Profundidad m

0.00 0.00 10 0.85 20 0.80 30 0.80 40 0.80 50 0.80 60 0.95 70 1.00 80 0.65

90.0 0.55 94.3 0.00

Para 1≥tn

V = 0.677 n/t + 0.003

Para 1≤tn

V = 0.671 n/t + 0.009

donde n: número de revoluciones

t: tiempo en segundos V: velocidad en m/s La tabla 7.1 muestra los datos obtenidos en campo y el cálculo de las velocidades, La primera columna muestra el tramo asignado con un número, la segunda columna muestra la profundidad del río en cada vertical, la tercera columna muestra la profundidad a la cual se ha tomado la medición con el molinete, la cuarta columna muestra el número de revoluciones del molinete, la quinta columna muestra el tiempo para el número de revoluciones correspondiente, la sexta columna muestra la velocidad calculada para cada vertical, la séptima columna muestra las velocidades correspondientes a cada tramo que se obtiene a través de la media aritmética de las velocidades de dos verticales consecutivas y la última columna muestra el área de cada tramos.

Tramo Prof. Total

m

Prof. Observada

m

No de vueltas

n

Tiempo en segundos

t

Vel. en el Punto m/seg

Vel. en el Tramo m/seg.

Area

m2 1 0.00 0.284 4.25 2 0.85 0.65 25 30 0.567 0.653 8.25 3 0.80 0.60 25 23 0.739 0.841 8.00 4 0.80 0.60 25 18 0.943 0.858 8.00 5 0.80 0.20 25 22 0.772 1.234 8.00 6 0.80 0.20 25 10 1.696 1.619 8.75 7 0.95 0.20 25 11 1.542 1.270 9.75 8 1.00 0.80 25 17 0.999 0.783 8.25 9 0.65 0.45 25 30 0.567 0.624 6.00

10 0.55 0.15 15 15 0.680 0.340 1.18

Tabla 7.1: Valores obtenidos en el aforo con molinete

0.387m/s 0.737m/s 0.943m/s 0.772m/s 1.696m/s 1.542m/s 0.999m/s 0.567m/s 0.680m/s 0.284 m/s 0.653m/s 0.84m/s 0.858m/s 1.234m/s 1.619m/s 1.270m/s 0.783m/s 0.624m/s 0.34m/s

Figura 7.2: Muestra las velocidades en cada vertical y las velocidades en cada tramo. 10 m 10 m 10 m 10 m 10 m 10 m 10 m 10 m 10 m 4.3 m 0.85m 0.80m 0.80m 0.80m 0.80m 0.95m 1.00m 0.65m 0.55m 4.2 m2 8.2 m2 8 m2 8 m2 8 m2 8.7 m2 9.7 m2 8.2 m2 6 m2 1.2 m2

Figura 7.3: Muestra el valor de las áreas de cada tramo que son polígonos irregulares.

Las figuras 7.2 y 7.3 muestran gráficamente las velocidades por tramo y las áreas de los mismos. La tabla 7.2 muestra los valores del caudal en cada tramo, que resulta de multiplicar la velocidad del tramo por su respectiva área.

Tramo Velocidad (m/s) Área (m2) Caudal “q” (m3/s) 1 0.284 4.2 1.193 2 0.653 8.2 5.355 3 0.841 8.0 6.728 4 0.858 8.0 6.864 5 1.234 8.0 9.872 6 1.619 8.7 14.085 7 1.270 9.7 12.319 8 0.785 8.2 6.437 9 0.624 6.0 3.744

10 0.340 1.2 0 .408 Tabla 7.2: Valores del caudal en cada tramo.

El caudal total, que pasa por la sección, será la suma de los caudales de cada tramo; dando el siguiente resultado:

Q = 67.005 .

3

segm

Corrección de aforos por vertical. Se forman ángulos cuando el conjunto molinete escandallo no tiene suficiente peso como para mantener la verticalidad, cuando se encuentra dentro del agua. Si sucede lo anterior, se deberá medir el ángulo que forma el cable con la vertical con un transportador, redondeando al grado más cercano, si el conjunto formado es mayor a 30º se pueden producir errores importantes. Los datos que se toman en el momento del aforo son los siguientes: ϕ = Angulo Medido x = Distancia entre la superficie del agua y el punto desde donde se inicia el sondeo, Puede ser:

• Desde el eje del torno o guinche • El barandado del puente

dob = Profundidad observada Lo que se quiere obtener es d, la profundidad exacta .

d Se obtiene con la siguiente ecuación Para el factor de corrección k, en función del ángulo medido se debe usar la siguiente tabla, o interpolar.

FACTOR DE CONECCION k PARA EL VALORES DADOS DE ϕ

ϕ k ϕ k 4 6 8

10 12 14 16

0.0006 0.0016 0.0032 0.0050 0.0072 0.0098 0.0128

18 20 22 24 26 28 30

0.0164 0.0204 0.0248 0.0296 0.0350 0.0408 0.0472

d = [dob – n(secϕ - 1)] [1 – k]

AFORO NªINICIO DEL AFORO :

DISTANCIA DEL

PUNTO AL RIGEN

MS.

PROFUNDIDAD MTS.

NUMERO DE

REVOLUCIONES

TIEMPO EN

SEGUNDOS

OBSERVACIONES

1 2 3 4 5 6 70 04 0,50 0,25 60 308 0,90 02 0,18 70 30

08 0,72 50 30

12 1,20 02 0,24 100 3008 0,96 90 30

16 1,50 02 0,26 180 30 1,50 3,0 30°08 1,20 150 30

20 1,80 02 0,36 190 30 1,80 3,0 26°08 1,44 150 30

24 1,10 02 0,22 130 30 1,10 3,0 27°08 0,88 110 30

28 0,80 02 0,16 60 3008 0,64 50 30

32 0,55 06 0,33 40 3038 0

SONDEOS

PROFUNDIDAD DE LA OBSERVACION M ETODO MTS.

DATOS PARA CORRECCION POR

ARRASTRE dob X <

LECTURAS DE ESCALA EN CRECIDAS CADA 10

MINUTOS HORA Min. ESCA Mt.

MOINETE

Se corregirán las verticales 16, 20, y 24. Vertical Nº 16.

DATOS REEMPLAZANDO EN LA ECUACIÓN:

ϕ = 30º x = 3.0m

dob = 1.50m

d = [dob – n(secϕ - 1)] [1 – k] d = [1.50-3.0(sec30°-1)] [1-0.04272] d = [1.50-3.0(0.155)] [0.9528] d = [1.50-0.465] [0.9528] d = [1.035] [0.9528] d = 0.99m

Entonces, la profundidad exacta será 0.99m., redondeando 1.00 m. las profundidades de observación cambian de la siguiente manera: Datos originales: Datos corregidos Profundidad original 1.50m. Profundidad original 1.00m. Profundidad de observación 0.2 de 1.50 0.30m. Profundidad de observación 0.2 de 1.00 0.20m. Profundidad de observación 0.8 de 1.50 1.20m. Profundidad de observación 0.8 de 1.00 0.80m.

Vertical Nº 20. DATOS REEMPLAZANDO EN LA ECUACIÓN:

ϕ = 26º x = 3.0m

dob = 1.50m

d = [dob – n(secϕ - 1)] [1 – k] d = [1.80-3.0(sec26°-1)] [1-0.0350] d = [1.80-3.0(1.113-1)] [0.965] d = [1.80-0.339 [0.965] d = [1.461] [0.965] d = 1.41m

Luego se corregirán las profundidades de medición. Datos originales: Datos corregidos Profundidad original 1.80m. Profundidad original 1.41m. Profundidad de observación 0.2 de 1.50 0.36m. Profundidad de observación 0.2 de 1.41 0.28m. Profundidad de observación 0.8 de 1.50 1.44m. Profundidad de observación 0.8 de 1.41 1.13m. Vertical Nº 24

DATOS REEMPLAZANDO EN LA ECUACIÓN:

ϕ = 27º x = 3.0m

dob = 1.10m

d = [dob – n(secϕ - 1)] [1 – k] d = [1.10-3.0(sec27°-1)] [1-0.0379] k se encuentra interpolando d = [1.10-3.0(1.122-1)] [0.9621] d = [1.10-0.366] [0.9621] d = [0.734] [0.9621 d = 0.71m

Luego se corregirán las profundidades de medición Datos originales: Datos corregidos Profundidad original 1.10m. Profundidad original 0.71m. Profundidad de observación 0.2 de 1.50 0.22m. Profundidad de observación 0.2 de 0.71 0.14m. Profundidad de observación 0.8 de 1.50 0.88m. Profundidad de observación 0.8 de 0.71 0.57m. Para comprobar como varían los caudales, se calcularan los caudales de la planilla original y la corregida.

ESTACION :AFORO NªINICIO DEL AFORO :

DISTANCIA DEL

PUNTO AL RIGEN

MS.

PROFUNDIDAD MTS.

NUMERO DE

REVOLUCIONES

TIEMPO EN

SEGUNDOS

OBSERVACIONES

1 2 3 4 5 6 70 04 0,50 0,25 60 308 0,90 02 0,18 70 30

08 0,72 50 30

12 1,20 02 0,24 100 3008 0,96 90 30

16 1,00 02 0,20 180 30 1,50 3,0 30°08 0,80 150 30

20 1,41 02 0,28 190 30 1,80 3,0 26°08 1,13 150 30

24 0,71 02 0,14 130 30 1,10 3,0 27°08 0,57 110 30

28 0,80 02 0,16 60 3008 0,64 50 30

32 0,55 06 0,33 40 3038 0

REGISTRO DE AFORO CON MOLINETE

SONDEOS

PROFUNDIDAD DE LA OBSERVACION M ETODO MTS.

DATOS PARA CORRECCION POR

ARRASTRE dob X <

LECTURAS DE ESCALA EN CRECIDAS CADA 10

MINUTOS HORA Min. ESCA Mt.

MOINETE

8. Curvas de calibración H-Q. Con la realización de varios aforos en una sección para distintas niveles de agua, se puede establecer una relación H – Q. Para ello la sección debe ser constante, no tener erosiones o sedimentaciones, no estar afectada por remanso y un régimen del río establecido. La importancia de contar con la curva H – Q es que con el dato de altura se obtiene el caudal, facilitando el cálculo de un hidrograma continuo midiendo sistemáticamente las alturas. Esta relación directa, biunívoca, entre altura y caudal, puede verse afectada por 3 situaciones, y en ese caso se debe realizar trabajos de corrección para tener una adecuada información del caudal. Las correcciones de la curva H – Q se pueden deber a: a) Por variación de la sección. b) Por cambio del régimen del río. c) Por efecto de remanso. a) Corrección por variación de la sección: En el caso que la sección elegida para construir la curva H – Q, tiene cambios debido a acciones de erosión o sedimentación, al no ser fija la superficie de la sección de escurrimiento, la altura medida no reflejará el caudal de la curva, sino otro mayor o menor según la sección sea mayor por erosión o menor por sedimentación. Para remediar este error se debe construir una curva de los ΔH medidos en

base a la erosión o sedimentación de la sección, en función del tiempo, y realizar los siguientes pasos: 1) Tener H medidas con Q aforados y como producto la curva H – Q, previa al cambio de sección. 2) De la curva H – Q, con los aforos efectuados en el momento de la variación de la sección, con el Q aforado determinar la H deducida de la curva citada. 3) Calcular el ΔH con la diferencia H medida – H deducida. 4) Ajustar la H = H medida +- ΔH. 5) Con H ajustada, entrar a la curva H – Q y obtener el caudal para todos los días donde no se hizo aforos en el momento de cambio de la sección. De este modo se puede calcular el hidrograma durante el tiempo donde hubo cambio de sección, uniendo los caudales aforados con los caudales obtenidos con la metodología citada. b) Corrección por cambio de régimen: En crecidas algunos ríos, tienen caudales mayores a los establecidos en la relación H – Q, o en bajantes pronunciadas, caudales menores a los calculados por la relación señalada. Esto se debe a que la celeridad de la onda de crecida U, que está en función de la pendiente del curso de agua en ese momento. No es de los más usados ya que los aforos normalmente se hacen para crecidas y bajantes, y este método se debe utilizar cuando la variación de la pendiente es muy evidente. Para resolver este problema se recurre a las siguientes ecuaciones: 1) S = Sm + 1/U * ΔH/Δt, donde S pendiente en crecida, Sm es en régimen normal, U velocidad de la onda en m/s, y ΔH/Δt es la variación en m/s. 2) Con Manning se deduce Qr/Qm = √(S/Sm), donde Qr caudal con cambio de régimen, Qm caudal normal, y los demás factores constantes. Combinando 1) y 2) se obtiene Qr = Qm * √(1 – (1/U*Sm) * ΔH/Δt), donde todos los términos son conocidos, a excepción de U. La onda de entrada a la sección de aforo puede describirse como: (U – V1) * A1 = (U – V2) * A2, y U = V1 + √g * (A2 * y2 – A1 * y1)/(A1 *(1 – A1/A2)) donde con las características hidráulicas y geométricas de la sección y la variación ΔH/Δt, se puede obtener el Qr caudal con cambio de régimen. c) Corrección por remanso: Al generarse un remanso por obstrucción del río, por la existencia de un tributario a un río de mayor caudal, o la construcción de una presa; cambia la pendiente de normal a la modificada por el remanso, en consecuencia para la misma altura pueden darse varios caudales, anulando la relación H – Q. Con Manning se plantea: Q real / Q normal = √ (S real / S normal). Para calcular el caudal real por efecto de remanso se debe contar con una estación auxiliar, preferentemente aguas abajo, para la determinación de la pendiente real distinta a la pendiente normal, se calcula el caudal real Q real = Q normal * √(S real / S normal). El Q normal se obtiene con la H medida en la escala hidrométrica que tiene la sección de aforo y la curva H – Q.

Ajuste y extrapolación de H – Q: La construcción de la curva H – Q requiere la ejecución de numerosos aforos, barriendo toda la gama de alturas posibles del agua en la sección elegida. Luego de ello se debe proceder al ajuste de la curva, que es la representación continua de la relación altura caudal, de modo de poder utilizarla como ya se citara. Por otro lado también se puede usar esta curva para tratar de obtener caudales para alturas no aforadas, sean menores o mínimas asociadas a períodos de estiaje o sean alturas máximas no registradas asociadas a inundaciones excepcionales, y a para ello se describen 2 métodos: Stevens y logarítmico. a) Método Curva H – Q por Stevens: Se basa en la ecuación planteada por Chezy:

Q = A * C * R^½ * S^½ Donde: A: es el área de la sección de aforo, C: coeficiente de rugosidad de Chezy. En ríos de llanura como la región noreste de Argentina, el ancho del río es mucho mayor que la altura de agua que tiene ese río, por lo que Stevens asimila el radio hidráulico al tirante medio, y considera que la pendiente también es constante. Estas son las dos suposiciones en que se basa el método. En base a esto la expresión de Chezy queda:

Q = K * A * √D Donde: K es constante, y el caudal depende exclusivamente de las condiciones geométricas de la sección, transformándose esto en una de las ventajas del método. Con la representación gráfica de la expresión A * √D con la H y por otro eje con el Q, se obtienen dos representaciones: 1) Una curva con H - A * √D, que dependerá de las variaciones geométricas de la sección y se puede graficar tan amplia como se quiera, ya que depende del ancho y la altura que se quieran medir. 2) Una recta con Q - A * √D, ya que el enlace es la constante K, y debe construirse con la ejecución de aforos. Luego entrando con H verticalmente hasta la curva y horizontalmente interceptar la recta y desde allí nuevamente en sentido vertical, se obtiene el caudal. Finalmente se grafica la relación H – Q obtenida y los aforos calculados para verificar la bondad del método. La extrapolación se hace con H menores y mayores que las aforadas, teniendo en cuenta que no deben cambiar abruptamente ni la sección ni la rugosidad del cauce, para que la constante K no cambie e invalide los resultados de caudal. b) Método logarítmico: Basa el ajuste de la curva H – Q, en la siguiente expresión:

Q = K * (H – Ho)^n donde K y n son constantes, y Ho es la altura de agua cuando el caudal es 0. Pasando al sistema logarítmico la ecuación es: lg Q = lg K + n * lg (H – Ho). Para hallar los valores numéricos de las constantes y de Ho, se debe representar en un papel bilogarítmico una serie de pares de valores de H – Ho y Q, tanteando con distintos valores de Ho hasta que en la representación gráfica se visualice una recta. Primero se debe analizar cuál puede ser el

valor de Ho y para ello se grafican los valores de H – Q de los aforos, y se proyecta a mano alzada una curva que represente los puntos graficados hacia el eje de ordenadas. Cuando se intercepta el eje de H, allí se ubicaría el valor de Ho que define un Q = 0. Se estiman valores superior e inferior al estimado, y esos son los que se deben graficar en un primer intento. Por otro lado se debe tener en cuenta las condiciones establecidas para instalar la escala: El valor del “0” de la escala hidrométrica tiene que reflejar aproximadamente el fondo del cauce, por lo tanto el valor de Ho debe estar cercano a él, y no tener valores iguales a por ejemplo 3, 4 o -3, -4 metros, al menos en ríos de llanura. Cuando la representación de los valores de H – Ho y Q se hace recta, se ha obtenido el valor de Ho. También se encuentran las constantes n y K. n como el cociente de ΔQ/Δ(H – Ho), y K entrando al gráfico con el valor de H – Ho = 1 hasta interceptar la recta y bajando, en la escala de Q se obtiene el valor numérico de a. Esto es así por que en la expresión logarítmica al ser H – Ho = 1, el lg 1 = 0, y por lo tanto queda lg Q = lg K. Finalmente al igual que en Stevens se realiza el ajuste del método graficando los aforos ejecutados con los pares de valores H y Q, y encima la curva continua representando la ecuación inicial, donde se debe observar una buena superposición. Conociendo la expresión se puede calcular y extrapolar el caudal para cualquier valor de H, desde Ho hacia arriba. La extrapolación hacia valores altos de H debe tener la coherencia que significa que el río efectivamente pueda conducir ese caudal, ya que si cambian las condiciones hidráulicas esto puede no ser así.

9. REFERENCIAS. http://www.explora.cl/ http://ga.water.usgs.gov/edu/watercyclespanish.html Rafael HERAS: “Manual de Hidrología”. Centro de Estudios Hidrográficos. Madrid.1970. Rolando SPRINGALL: “Hidrología”. Universidad Autónoma de México. 1976. VEN TE CHOW, MAIDMENT y MAYS (1994); “Hidrología Aplicada”, Editorial McGraw-Hill, Bogotá (Colombia). LINSLEY, KHOLER y PAULUS (1982); “Hidrología para Ingenieros”, Editorial McGraw-hill, Bogotá (Colombia).