metodos de terminacion de caudal_ hidrologia

8/10/2019 Metodos de Terminacion de Caudal_ Hidrologia

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MTODOS DE DETERMINACIN DE CAUDAL (FUENTE)

El caudal es la cantidad de agua que pasa en un cierto instante a travs de una seccin.

El caudal, siendo una de las variables ms importantes en estudios hidrolgicos se mide

indirectamente en funcin del nivel de la corriente (y el rea de la seccin) y la

velocidad del flujo (caudal es igual a rea por velocidad).

La determinacin de caudales para diferentes niveles, permite el clculo de la relacin

altura/caudal o tabla de calibracin o curva si se grafican los valores (Ejemplo 4.18). Se

asume que existe, para una seccin de un curso de agua, una relacin biunvoca entre

caudal y nivel (escala de la seccin) que permite obtener el caudal con la observacin

del nivel del agua.

Molinete de medicin de velocidad de la corriente

Los niveles de cursos de agua y caudales, se miden frecuentemente desde estructuras

hidrulicas calibradas como: cadas, vertederos, orificios (compuertas) (Henderson,

1966).

En la Figura 3.8 se muestra un vertedero triangular, calibrado para determinar niveles y

caudales en el torrente de Divisadero Largo (Mendoza, Argentina). Los niveles se

obtienen con una estacin telemtrica de burbujeo como la de la Figura 3.5.

El caudal en estos casos se determina con la ecuacin de la estructura del tipo


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Q = c hn

Dnde: Q = caudal en m3h = nivel hidromtrico desde el vrtice en metros

c y n = constantes de calibracin de la estructura

La Curva de Descarga

Para llegar a conocer los recursos hidrulicos de una cuenca es necesario averiguar el

caudal, diariamente, a la misma hora, y durante el mayor nmero posible de aos. As es

como se llega a conocer el rgimen de los ros. Todos los pases cuidan de organizar

este servicio, estableciendo estaciones de aforo y publicando los resultados. En el Per

esta labor la realiza principalmente Senamhi.

Los trminos caudal, gasto y descarga son sinnimos. Aforar significa medir caudales.

El principal mtodo para aforar corrientes naturales es el del correntmetro, el cual es

descrito en el apartado siguiente.

Despus de seleccionar adecuadamente la seccin del ro, se establece la seccin de

aforo y se procede a medir diariamente el caudal; tambin se mide el nivel. Luego de un

tiempo es posible dibujar la curva de descarga del ro en el lugar de la estacin. Es una

curva de caudales versus niveles o alturas de agua. Se usa en proyectos.

Los niveles se miden con limnmetros o limngrafos instalados a un costado de la

estacin de aforo.

Dibujada la curva de descarga pueden suspenderse los aforos directos, pues bastar~

entonces con medir el nivel para conocer el caudal. Se recomienda revisar

peridicamente la curva de descarga con mediciones directas de caudal.

Medicin de Caudales

De los varios mtodos disponibles para aforar corrientes naturales el principal es con

correntmetro. De estos aparatos hay dos tipos, de hlice, de rueda de copas. Instalar el

correntmetro significa ubicar la hlice en el punto (P) donde se va a medir la velocidad

del agua. Tomar lectura significa anotar el nmero de revoluciones (R) de la hlice en el


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tiempo arbitrario (t) en segundos. El fabricante proporciona para cada hlice la frmula

de calibracin.

v = a n + b

v = velocidad en el punto

n = nmero de revoluciones por segundo =R/t

a , b = constantes de calibracin.

Para iniciar un aforo es necesario dividir la seccin transversal (rea majada) en franjas,

como indica la figura 6.2, usando verticales.

El rea de cada franja se asimila a un rectngulo de igual ancho y de altura igual al

promedio de las alturas de las 3 verticales que definen la franja.

La idea es medir el caudal en cada franja (Q) y luego obtener el caudal total por

sumatoria

El caudal en una franja es igual a la velocidad media en la franja multiplicada por el

rea. Se toma como velocidad media en la franja la velocidad media en la vertical. Y

esta ltima se define en funcin de la velocidad puntual medida con el corrent6metro,

segn el siguiente argumento (figura 6.3).


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En la vertical 1-1 el diagrama de velocidades es una curva logartmica, con velocidad

mxima ms o menos a un quinto del tirante a partir de la superficie. La velocidad

media es tal que el rea del rectngulo 1-5-6-1' es igual al rea real 1-2-3-4-1'. Como

reglas prcticas para obtener la velocidad media en la vertical (vm) se usan las

siguientes (figura 6.4).

Descripcin del correntmetro (figura 6.5)

FIG. 6.5 CORRENTOMETRO


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Unidades

La unidad bsica de flujo es el m3 /seg. El volumen de flujo se puede expresar en m3,

pero como esto lleva a nmeros demasiado grandes se acostumbra expresar en miles de

m3 (m MC) o en millones de m3 (MMC). Los caudales pueden expresarse tambin en

m3/seg/km2, para comparar casos d flujo en ros con reas tributarias diferentes, y son

iguales al caudal en m31seg dividido entre el rea de drenaje en km 2 .

El mm es la cantidad de agua necesaria para cubrir el rea de drenaje con una

profundidad de un milmetro; es una unidad de volumen bastante til para comparar

caudales con la precipitacin que ha sido la causa.

Caudales medios

En poca de caudales estables solo es necesario determinar el caudal (m 3/seg) una vez

al da, siempre a la misma hora. Ese valor es considerado el caudal medio diario. En

poca de variacin de caudales es necesario determinar el caudal dos o tres veces al da

a fin de obtener el caudal medio diario. Ahora, el promedio mensual de las descargas

medias diarias proporciona la descarga media mensual y el promedio de stas la

descarga media anual.

Hidrogramas

Reciben el nombre de hidrogramas los grficos Q-t, en general. Un hidrograma de

creciente es el hidrograma que corresponde a una crecida aislada del ro por efecto de

una tormenta importante en la cuenca colectora (figura 6.6).

En cuanto a las unidades, stas dependen del tamao de la cuenca, pudiendo emplearse

m3/seg y minutos, u horas para las hoyas ms pequeas, hasta ml1es de m3/seg y horas

o das para las hoyas ms grandes.

Rgimen de los ros

El rgimen de un ro se refiere a la forma cmo se distribuyen los caudales medios

mensuales a lo largo del ao. Puede considerarse el ao calendario o el ao hidrolgico.

La figura 6.7 muestra el rgimen general de los ros del Per de la vertiente del Pacfico.

Se observa que hay una poca de estiaje o de caudales mnimos, otra de caudales

intermedios y una tercera de caudales mximos.


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METODOS DE DETERMINACION DE CAUDAL

Los mtodos para media caudales pueden clasificarse en dos grandes categoras:

mtodos directos y mtodos indirectos. En estas dos categoras los ms utilizados son:

Mtodos Directos:

Mtodos Directos:

Mtodo rea Velocidad

Dilucin con trazadores

Mtodos Indirectos

Estructuras Hidrulicas

Mtodo rea pendiente

METODOS DIRECTOS

1. Mtodo rea velocidad

Los mtodos de aforo basados en este mtodo son los ms empleados; se requiere medir

el rea de la seccin transversal del flujo de agua y la velocidad media de este flujo. Se

emplea la expresin:

Q = A x v

Donde:

Q = caudal del agua.


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A = rea de la seccin transversal del flujo de agua.

v =es la velocidad media del agua.

2. Dilucin con trazadores

I nyectar rpidamente un volumen trazador.

Este mtodo tambin es llamado mtodo de integracin. Supngase que en una seccin

1 de un rio se adiciona un pequeo volumen de trazador (V1) con una concentracin

alta C1.

Si existe en el rio concentracin, Co, en el rio, el perfil de concentraciones se comporta

con el tiempo as:

Por continuidad se tiene:

Donde Q es el caudal de la corriente que se desea conocer, resolviendo la ecuacin para

Q se tiene:


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I nyeccin a caudal constante.

Se inyecta un trazador en una seccin dada a un caudal constante con una

concentracin de trazador Co as:

Si se realiza un balance de masa de trazador entre el punto 1 y el punto 2 y suponiendo

que la corriente lleva una concentracin de

trazador de C1se tiene:

Despejando el caudal Q:


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METODOS INDIRECTOS

Los mtodos indirectos ms utilizados son las estructuras hidrulicas y el mtodo rea

pendiente.

Estructuras Hidrulicas

El principio de funcionamiento de todas las estructuras hidrulicas es establecer una

seccin de control, donde a partir de la profundidad se pueda estimar el caudal. Las

estructuras hidrulicas mas comunes para este tipo de medidas son usar vertederos,

canaletas y compuertas: Para los vertederos es obtienen relaciones entre el caudal Q y la

lmina de agua H del tipo:

donde C y n son coeficientes que dependen de la forma geomtrica del vertedero.

Mtodo rea-Pendiente

A veces se presentan crecientes en sitios donde no existe ningn tipo de y cuya

estimacin se requiere para el diseo de estructuras hidrulicas tales como puentes ocanales. Las crecientes dejan huellas que permiten hacer una estimacin aproximada del

caudal determinando las propiedades geomtricas de 2 secciones diferentes, separadas

una distancia L y el coeficiente de rugosidad en el tramo. Supngase que se tiene un

tramo de ro con profundidades Y1 y Y2 en las secciones 1 y 2 respectivamente, siendo

NR el nivel de referencia:


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Aplicando la ecuacin de Bernoulli se tiene:

donde: h= Y+Z y hf son las prdidas de energa que se pueden hallar usando la frmula

de Manning:

Donde:

V: velocidad en m/s

RH: radio hidrulico en m

Sf: pendiente de la lnea de energa

A: rea de la seccin transversal en m2

n: coeficiente de rugosidad de Manning

La metodologa que debe seguirse es la siguiente:

1)

Asumir que V1 = V2 lo que implica que:

2) Si en la frmula de Manning :

el caudal puede expresarse como:


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Se encuentra un valor promedio de K para las dos secciones, el cual puede hallarse con

la media geomtrica as:

3) Se calculan las cabezas de velocidad en cada seccin usando el caudal hallado con la

expresin anterior (V1=Q/A1; V2=Q/A2).

2. Mtodo volumtrico

Permite medir pequeos caudales, como los que escurren en surcos de riego, pequeas

acequias o tuberas.

El mtodo requiere de:

Depsito (balde o tambor ) de volumen conocido en el cual se colecta el agua,

Cronmetro para medir el tiempo de llenado del depsito

Repetir 2 3 veces el procedimiento y promediar para asegurar mayor

exactitud.

Entre otros mtodos tenemos tambin:


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METODO DEL CORRENTOMETRO

En este mtodo la velocidad del agua se mide por medio de un instrumento llamado

correntmetro que mide la velocidad en un punto dado de la masa de agua.

Existen varios tipos de correntmetros, siendo los ms empleados los de hlice de los

cuales hay de varios tamaos; cuando ms grandes sean los caudales o ms altas las

velocidades, mayores debe ser el tamao del aparato.

Cada correntmetro debe tener un certificado de calibracin en el que figura la frmula

para calcular la velocidad sabiendo el nmero de vueltas o revoluciones de la hlice por

segundo.

METODO DEL FLOTADOR

Se utiliza cuando no se tiene equipos de medicin y para este fin se tiene que conocer el

rea de la seccin y la velocidad del agua, para medir la velocidad se utiliza un flotador

con el se mide la velocidad del agua de la superficie, pudiendo utilizarse como flotadorcualquier cuerpo pequeo que flote: como un corcho, un pedacito de madera, una

botella lastrada, Este mtodo se emplea en los siguientes casos:

A falta de correntmetro

Excesiva velocidad del agua que dificulta el uso del correntmetro.

Presencia frecuente de cuerpos extraos en el curso del agua, que dificulta el uso

del correntmetro.

Cuando peligra la vida del que efecta el aforo.

Cuando peligra la integridad del correntmetro.

Problema 1:

Calcule el caudal con la informacin dada en la tabla de abajo. Suponga que la

calibracin del medidor es de la forma v = a + b n, con a = 0.1 Y b = 2.2 para v en

pie/seg.

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