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HIDROLOGÍA GENERAL

INTRODUCCION:

Desde el punto de vista del aprovechamiento de los recursos hidráulicos de una región o del país, el escurrimiento de una corriente, constituye la disponibilidad para ser derivada y utilizada inmediatamente, en el riego y/o el abastecimiento de agua a las poblaciones, o bien, para ser almacenada en los embalses y empleada posteriormente en diversos fines, inclusive retenida para su control, con el objeto de reducir los daños que causa su abundancia.

El estudio del escurrimiento, comprenderá la descripción del proceso y los factores que lo condicionan, así como de los diversos procedimientos empleados para su medición.

El caudal o tasa de flujo volumétrico de agua puede considerarse como una de las variables fundamentales en análisis de cualquier Hidrosistema, y aspecto clave de estudio en la modelación hidrológica y el diseño hidráulico, razón por la cual, es necesario e indispensable establecer su valor como punto de partida para cualquier investigación en este campo y otros afines

1ALUMNA: CORONACION DIESTRA STHEPHANNY

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MÉTODO PARA M E DIR CA UD A L E S

Los métodos para medir caudales pueden clasificares en dos grandes categorías: Métodos directos y Métodos indirectos.

I. Métodos directos:

Método área velocidad

Dilución con trazadores

II. Métodos indirectos:

Estructuras hidráulicas.

Método área pendiente

I. MÉTODOS DI R EC T OS

1. Método área velocidad: Este método consiste básicamente en medir en un área transversal de la corriente, previamente determinada, las velocidades de flujo con las cuales se puede obtener luego el caudal.

Fig. N° 01. Se muestra el aforo en un canal.

El lugar elegido para hacer la medición debe cumplir los siguientes requisitos:

La sección transversal debe estar bien definida y en lo posible no se presente degradación del lecho.

Debe tener fácil acceso. El sitio debe estar libre de efectos de controles aguas abajo.

Métodos basados end la medición de la velocidad del agua y área transversal del río:

1. Aforos con flotadores2. Aforos con molinete (o correntómetro)3. Aforos con medidas de la sección y la pendiente


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1. AF O R O CON FL O T A D O R ES:

Este método se utiliza para medir la velocidad del agua, no el caudal directamente Los flotadores proporcionan una velocidad aproximada de la velocidad de flujo y se utiliza cuando no se requiere gran exactitud o cuando no se justifica la utilización de dispositivos de aforo más precisos.

Cualquiera que sea el flotador empleado: botella lastrada, madera, cuerpos flotantes naturales, la velocidad se calcula en función de la distancia recorrida (L) y el tiempo empleado en recorrerla (t). A pesar que la trayectoria recorrida es rectilínea, es conveniente dividir la sección de entrada y de salida del flotador en sub secciones para determinar con la mayor exactitud la trayectoria.

Con este método se pretende conocer la velocidad media de la sección para ser multiplicada por el área, y conocer el caudal, según la ecuación de continuidad.

K MATERIAL FONDO DEL CANAL

0.40 - 0.52 Poco áspero

0.46 - 0.75 Grava con Hierba y Caña

0.58 - 0.70 Grava Gruesa y Piedras

0.70 - 0.90 Madera, Hormigón o Pavimento

0.62 - 0.75 Grava

0.65 - 0.83 Arcilla y Arena


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Características del flotador:

o La parte expuesta al viento debe ser lo más reducida posible, pero el flotador siempre debe estar visible.

o La parte sumergida no debe ser voluminosa, para evitar interferencia con objetos sumergidos.

o Debe ser, en lo posible, simétrico y de preferencia de plantilla redonda, esto con objeto de que al rotar siga ofreciendo la misma resistencia tanto al agua como al aire.

o De fácil manejo resistente a las sacudidas bruscas, sencillo de construir, ligero y económico.

o Fácil de transportar.

o Debe ser pequeño, ya que muchos canales de descarga tienen poca profundidad

o Deben adquirir una velocidad cercana a la velocidad de la corriente de agua y esto sólo se consigue si es ligero y está expuesto al viento.

Procedimiento aforo con flotadores:

1.-Determinación de la velocidad:

Medir la longitud (L) del tramo AB. Medir con un cronómetro el tiempo (t), que tarda en desplazarse el flotador

(bolitas de plastoformo, botella lastrada, madera, cuerpo flotante natural) en el tramo AB.

Calcular la velocidad superficial:

2.-Cálculo del área promedio del tramo

Calcular el área en la sección A ( AA )

Calcular el área en la sección B (AB)

Calcular el área promedio:

3.-Cálculo del área en una sección

Para calcular el área en cualquiera de las secciones, hacer lo siguiente:


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Medir el espejo de agua (T) (Figura a).

Dividir (T), en cinco o diez partes (midiendo cada 0.20, 0.30, 0.50, etc.), y en

cada extremo medir su profundidad.

Calcular el área para cada tramo, usando el método del trapecio.

Calcular el área total de una sección:

4.-Calculo del Caudal Aplicar la ecuación:

Aforo volumétrico:

Se emplea por lo general para caudales muy pequeños y se requiere de un recipiente para colectar el agua (Figura 6.6). El caudal resulta de dividir el volumen de agua que se recoge en el recipiente entre el tiempo que transcurre en colectar dicho volumen.Para calcular el caudal:

Calcular o medir el volumen del depósito o recipiente (V). Con un cronómetro, medir el tiempo (T), requerido para llenar el depósito. Calcular el caudal con la ecuación:

Este método es el más exacto, pero es aplicable solo cuando se miden caudales pequeños. Por lo general, se usa en los laboratorios para

calibrar diferentes estructuras de aforo, como sifones, vertederos, aforador Parshall, etc.


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Las medidas con recipiente, se deben repetir 3 veces, y en caso de

tener resultados diferentes, sacar un promedio, ya que se puede cometer pequeños errores al

introducir el recipiente bajo el chorro.

2. AF O R OS C ON COR R E N T Ó M E T R OS ( M OLI N E T ES):

El molinete o correntómetro es un instrumento que tiene una hélice o rueda de cazoletas,

que gira al introducirla en una corriente de agua. Estos aparatos miden la velocidad en un

punto dado del curso del río..

La medición con molinete o correntómetro se basa en el conteo del número de revoluciones

que da una hélice colocada en el sentido de flujo, las cuales son proporcionales a la

velocidad del flujo. El número de revoluciones se da a conocer a través de señales sonoras,

visuales o por contadores eléctricos.

Tipos de correntómetros

Existen 3 tipos de molinetes:

Correntómetros de eje vertical


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Correntómetros de eje horizontal

Correntómetros electromagnéticos.

Condiciones de la sección de aforo con correntómetros

La ubicación ideal de una sección es aquella donde:

Los filetes líquidos son paralelos entre sí.

Las velocidades sean suficientes, para una buena utilización del

correntómetro.

Las velocidades son constantes para una misma altura de la escala

limnimétrica.

La primera condición exige:

Un recorrido rectilíneo entre dos riberas o márgenes francas. Un lecho estable. Un perfil transversal relativamente constante, según el perfil en longitud.

Es evidente, que toda irregularidad del lecho del río (piedras, vegetación arbustiva, bancos de arena), altera las condiciones del flujo, y constituye un factor desfavorable para las medidas. Estas influencias, son más notables en los

cursos de agua más pequeños, es por eso, que es más fácil aforar con una misma precisión relativa, un gran río que uno pequeño, y un río en altas aguas que otro en estiaje.

Formas de aforo con correntómetros:

A pie, llamada también por vadeo; se usa cuando el curso de agua es pequeño,

poco profundo y fondo resistente. Para esto, se coloca una cinta graduada de un margen a

otro, y se va midiendo la velocidad a diferentes profundidades, a puntos equidistantes de

un extremo a otro de la sección.


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Procedimiento para realizar aforo con correntómetros:

1.- Calcular el área de la sección transversal:


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Para iniciar un aforo, es necesario dividir la sección transversal (área hidráulica), en franjas, para esto:

Medir el ancho del río (longitud de la superficie libre de agua o espejo de

agua T1)

Dividir el espejo de agua T1, en un número N de tramos (por lo menos N = 10),

siendo el ancho de cada tramo: Li=T1/N

Según, el Proyecto Hidrometeorológico Centroamericano, la distancia mínima entre verticales, se muestra en la siguiente tabla:

Distancias mínimas entre verticales recomendadas

Medir en cada vertical, la profundidad h, puede suceder que en los márgenes la profundidad sea cero o diferente de cero.

El área de cada tramo, se puede determinar como el área de un trapecio. Si la profundidad en algunos de los extremos es cero, se calcula como si fuera un

triángulo.


Ancho total mínimo del río (m)

Distancia entre verticales (m)

< 2 0.202-3 0.303-4 0.40

4-8 0.508-15 1.015-25 2.025-35 3.035-45 4.045-80 5.080-160 10.0160-350 20.0

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2. Calcular la velocidad:Calcular la velocidad puntual.La velocidad en una sección de una corriente varía tanto transversalmente como con la profundidad, como se muestra en la Figura:

Las velocidades, se miden en distintos puntos en una vertical; la cantidad de puntos, depende de las profundidades del cauce y del tamaño del correntómetro.

Para calcular la velocidad en un punto, hacer:

Colocar el instrumento (correntómetro o molinete) a esa profundidad. Medir el número de revoluciones (NR) y el tiempo (T en segundos) Calcular el número de revoluciones por segundo (n), con la ecuación:

Calcular la velocidad puntual en m/s, usando la ecuación proporcionada por el fabricante del equipo, por ejemplo, el correntómetro A-OTT 1-105723, tiene las siguientes ecuaciones:

3. Calcular el caudal

Existen varios métodos para determinar el caudal, que está pasando por el curso de agua que ha sido aforado, dentro de los cuales se pueden mencionar:

Método del área y velocidad promedio

Procedimiento:

Calcular para cada vertical la velocidad media, usando el método de uno, dos o tres puntos.

Determinar la velocidad promedio de cada tramo, como el promedio de dos velocidades medias, entre dos verticales consecutivas, es decir:


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Determinar el área que existe entre dos verticales consecutivas, utilizando la fórmula del trapecio, es decir:

Determinar el caudal que pasa por cada tramo utilizando la ecuación de continuidad, multiplicando la velocidad promedio del tramo por el área del tramo, es decir:

Calcular el caudal total que pasa por la sección, sumando los caudales de cada tramo, es decir:

3. AFO R OS C ON M E D I DAS D E LA SECCIÓN Y LA P END I ENTE:

Este método se utiliza para estimar el gasto máximo que se presentó durante una avenida reciente en un río donde no se cuenta con ningún tipo de aforos. Para su aplicación se requiere contar con topografía de un tramo del cauce y las marcas del nivel máximo del agua durante el paso de una avenida.

Parte el análisis de la formula de velocidad propuesta por Manning:


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4. MÉ T O D OS QUE IN V OLUC R AN LA C ON S T R U C CIÓN DE E S T R UCTU R AS A R T IF I CIALE S , COMO AF O R A DO R ES O V E R T E DO R ES:

Aforo con vertederos:

Este método consiste en interponer una cortina en el cauce con el fin de represar el agua y obligarla a pasar por una escotadura (vertedero) practicado en la misma cortina.

Los vertederos, son los dispositivos más utilizados para medir el caudal en canales abiertos, ya que ofrecen las siguientes ventajas:

Se logra precisión en los aforos. La construcción de la estructura es sencilla. No son obstruidos por los materiales que flotan en el agua. La duración del dispositivo

es relativamente larga.

De acuerdo al ancho de la cresta, los vertederos se clasifican en:

Vertederos de cresta Aguda Vertederos de cresta Ancha


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Vertederos de cresta Aguda Vertederos de cresta Ancha

V e r t e d e r os de C r e s t a Agu d a: Existen varias fórmulas halladas en forma experimental, siendo las siguientes, las que se usan más en aforos de cursos de agua:

Vertedero rectangular, de cresta aguda, con contracciones:La ecuación de Francis para este tipo de vertedero es:

Vertedero rectangular, de cresta aguda, sin contracciones:La ecuación de

Francis para este tipo de vertedero es:

Vertedero triangular, de cresta aguda:La ecuación para un ángulo = 90°, de la cresta del vertedero, es:

Vertedero de Sección Trapezoidal


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El vertedero trapezoidal de Cipolleti (Figura 6.27), tiene como característica, de que la inclinación de sus paredes son 1 horizontal por 4 vertical, es decir 1:4, siendo su ecuación:

V e r t e d e r os de C r e s t a A n cha: Se considera que un vertedero es de cresta ancha, si b/h ≥ 10, para un vertedero de cresta ancha de sección rectangular (Figura 6.28), la fórmula para el cálculo del caudal es :

II. METODOS INDIRECTOS:

Este tipo de medición de caudales se realiza mediante una regla limnimétrica y/o limnígrafo, los cuales miden las alturas de agua en el tiempo.

Limnímetros:

Los limnímetros son escalas graduadas en centímetros firmemente sujetados en el lecho y dentro de una sección de control; están destinados a la observación directa del nivel de agua de los ríos por un operario que acude diariamente a tomar nota de la altura del agua. Los limnímetros más comunes son los de madera que son colocados normalmente en la orilla de los ríos, de tal manera que el cero de la escala coincida con el fondo del cauce.


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Limnígrafos:

Los limnígrafos son aparatos que registran continuamente las variaciones del nivel del agua. Son dos los sistemas fundamentales de funcionamiento de estos aparatos: uno basado en el registro del movimiento de un flotador y otro basado en el registro de la variación de la presión del agua.

Limnígrafos de flotador

Un aparato registrador tipo flotador requiere de un pozo amortiguador que sirve para proteger el flotador y los cables de contrapeso de los residuos flotantes y de las olas superficiales de la corriente (Figura 6.32a).

Tipos de limnígrafos

En el caso de los limnígrafos de presión, las fluctuaciones del nivel del agua ejercen variaciones de presión sobre diversos mecanismos instalados en el fondo del cauce, según el modelo del aparato, esas variaciones son transmitidas a un manómetro comunicado con el tambor del limnígrafo en el que se registran gráficamente. Este tipo de aparatos no requieren pozo amortiguador y se emplean en ríos con orillas muy tendidas.


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CURVA DE CALIBRACION

Definicion: Un curva de calibración o curva nivel es la relacion que existe entre un caudal y el nive que se presenta end ese momento es el rio, esta curva se construye con datos de caudal que den una Buena confiabilidad end un rango amplio de valores que representen caudales altos y bajos.

La curva de calibracion de caudales también recibe el nombre de curva de descarga. Matemáticamente la curva de descarga se expresa con la siguiente ecuación:

Q = K*(H - Ho)^b

Donde:Q = CaudalK y b = Son parametros de ajusteHo = Nivel al cual el caudal es ceroH = Nivel del agua

Gráficamente la curva de descarga puede presentar la siguiente forma:


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La curva de descarga nos sirve para conocer el caudal por medio nivel del agua, tambíen para constuir hidrogramas a partir de limnigramas.

M ÉT ODOS D E C O N S T R U CC I ÓN DE L A C U RV A N I V E L – C A U D AL

1. Fórmulas Tradicionales

A nivel internacional, la fórmula mayormente empleada para ajustar la curva nivel – caudal (curva de gastos) es la fórmula potencial (Herschy 1999):

Donde: Q: es el caudal estimado; H: el nivel registrado en la estación; Ho: es el nivel de caudal cero;

a y b: son parámetros de la ecuación obtenidos mediante calibración.

Puede considerarse que esta fórmula está inspirada en la ecuación de flujo sobre un vertedero, tomando como constantes los valores de Cv y Lv, y aplicando un parámetro Ho de corrección para la altura del agua.Como alternativa, se acostumbra emplear también la fórmula polinomial (He schy 2008):

c0, c1, … cn: son parámetros de la ecuación obtenidos mediante calibración.

En algunos casos será necesario dividir la curva nivel – caudal en dos o mas segmentos, dependiendo de la forma de la sección transversal, la homogeneidad geométrica y de textura superficial, los cuales harán que la curva tenga un comportamiento distinto entre los niveles inferiores y superiores.

2. Estabilidad de la curva:

Puede decirse que existe estabilidad en la curva nivel - caudal, cuando las características de la sección y las condiciones del tramo donde se ubica la estación permiten que exista una relación unívoca entre el nivel del agua en la sección y el caudal circulante por ella.Entre las principales circunstancias que pueden causar alteración del tipo de control y generar inestabilidad en la curva nivel – caudal se tienen (Herschy 2008):

Cambios morfológicos en la sección (erosión y/o relleno); Efecto de remanso aguas abajo; Crecimiento de vegetación; Formación de capas de hielo; Flujo no permanente por tránsito de crecientes;

En la medida en que las suposiciones expuestas inicialmente no se cumplan y/o se presenten una o más de las circunstancias anteriores, la relación entre el nivel y el


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caudal dejará de ser unívoca, siendo necesario recurrir a metodologías y mecanismos alternativos para la construcción

de la curva nivel – caudal.

En los casos en los que la inestabilidad sea ocasionada por las condiciones hidráulicas del tramo, las principales opciones consisten en considerar modelos o fórmulas alterna ivas que representen con una mayor aproximación del comportamiento de las variables de la sección.

En cualquiera de las situaciones anteriores, cuando se presente inestabilidad será necesaria una mayor cantidad de aforos de caudal para lograr comprender el comportamiento de la sección y el flujo del agua, y por ende para la construcción de la curva nivel – caudal.

3. Fórmulas Alternativas:

Una vez se ha establecido que la curva es inestable es necesario recu rir a las fórmulas o metodologías alternativas, la cuales buscan mediante distintas

aproximaciones proporcionar una mejor representación del modelo propuesto por las ecuaciones de Saint Venant.

En esencia se contempla la ecuación de Chezy para calcular el caudal, junto con la ecuación de momentum para estimar la pendiente de fricción.


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4 Calibración de parámetros:

El ajuste o calibración de los parámetros de la curva nivel - caudal a partir de las observaciones de aforos, consiste en esencia en un ejercicio de regresión. De forma general el modelo de regression puede expresarse de la siguiente manera:

4.1 Fórmula Polinomial:

Consideremos el modelo de regresión lineal con la fórmula polinomial de orden p:


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4.2 Fórmula Potencial:

Consideremos el modelo de regresión no lineal propuesto por la fórmula potencial:


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BIBLIOGRAFIA:

Manual de hidrologia GIOVENE PEREZ CAMPOMANES .


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Material de apoyo didáctico para la enseñanza y aprendizaje de la asignatura de hidrologia civ – 233.

http://ceh-flumen64.cedex.es/hidraulica/Archivos/CGasto.pdf

MÉTODOS DE ESTIMACIÓN DE RELACIONES NIVEL CAUDAL http://www.javeriana.edu.co/biblos/tesis/ingenieria/tesis593.pdf

PROPAGACIÓN DE ERRORES EN CÁLCULOS HIDROLÓGICOS CONCURVAS NIVEL – CAUDAL


http://www.javeriana.edu.co/biblos/tesis/ingenieria/tesis593.pdf

http://ceh-flumen64.cedex.es/hidraulica/Archivos/CGasto.pdf

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