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Universidad de San Carlos de Guatemala Facultad de Ingeniería Área de Hidráulica Laboratorio de Hidrología Impartido por: Ing. Claudio Castañón

Reporte 6: “Estaciones hidrométricas y aforo con molinete” Inciso Introducción

Ponderación

Nota

Marco teórico: estaciones hidrométricas y métodos de aforo Memoria de cálculo Resultados: Cálculo del caudal por cada método Análisis de resultados Conclusiones Referencias Bibliográficas

Nota final

/100

Grupo No. #6 No. Nombre completo 1. Jasón Andree Picón Rivera 2. Marlen Cecília Jiménez Guevara 3. Keila Arely Chiquin Selvi 4. Diego Fernando Ochoa Gutiérrez

Reg. Académico 201602991 201513799 201404293 201403537

Guatemala, 24 de septiembre de 2020

No. CUI 2660753390101 3389458732101 2710584390101 2501665930101

INTRODUCCION Las estaciones hidrométricas se elaboran con el único fin de mantener una serie de datos con los que se pueda realizar un estimado de crecidas y decrecidas de una escorrentía. Los métodos que se utilizan para la medición de caudales se realizan bajo ciertos parámetros posteriormente indicados, que los hacen unos más exactos que otros; de esta manera, la variación entre ellos puede suscitarse a los parámetros teóricos utilizados como las pendientes, rugosidad, entre otras. Casi las tres partes de la superficie de nuestro planeta están cubiertas por agua, su ubicación y distribución no permiten utilizarla en su totalidad y de manera adecuada, o simplemente la mayoría de agua no es utilizada para cubrir las necesidades básicas del ser humano, es un porcentaje muy pequeño el que se utiliza para esto. Dada la necesidad de generar información sobre hidrometría superficial, que es la que se encarga de medir, registrar, calcular y analizar los volúmenes de agua que circulan en una sección transversal de un río o arroyo, en el siguiente trabajo se estudiara tres métodos para la estimación del caudal en un rio. La disminución en las lluvias tanto espacial y temporal ha afectado la recarga hídrica y así la poca escorrentía superficial en los ríos. Aunado a eso, la deficiente administración y uso irracional del agua por parte de los usuarios son los principales problemas que en la actualidad afectan a las comunidades y sector productivo; este hecho se evidencia en el bajo caudal de los ríos y lagunas, así como la mala distribución y uso del recurso hídrico, asociado a que el país no cuenta con una legislación sobre el recurso hídrico, esto hace que exista una mayor conflictividad social. De ahí surge la necesidad de la medición de los caudales que permitan monitorear espacial y temporalmente los afluentes, en lugares estratégicos en los cuales se estime la cantidad de agua que circula en los distintos puntos de la cuenca y se construya una base de datos que ayude a tomar decisiones sobre el manejo integral del agua con los diferentes usuarios del agua.

MARCO TEORICO Estaciones Hidrométricas Las estaciones hidrométricas consisten esencialmente en una o varias reglas graduadas (escalas o limnímetros) colocadas escalonadamente en una sección de río, arroyo, laguna o embalse, perfectamente verticales y niveladas entre sí y con referencia a un plano fijo (el cero Wharton corresponde al cero de la escala del Puerto de Montevideo y es utilizado como plano de referencia hidrográfico para todo el país). Mediante el auxilio de un operador (escalera) que reside o trabaja en las proximidades de la estación se registra en planillas los niveles observados a horas preestablecidas y todo otro evento relevante para el funcionamiento de la estación. Estas planillas se remiten mensualmente a las oficinas del Servicio Hidrológico para su ingreso al Banco de Datos y su posterior validación y procesamiento.

Medición de caudales Los caudales se determinan mediante mediciones directas de caudal (aforos) que se correlacionan con las lecturas de nivel simultáneas en la misma sección del río. Cuando se cubre con aforos suficientes una parte significativa del rango de variación de niveles se define la ecuación de caudales o curva de aforo característica de cada estación. Para el cumplimiento de parte de sus cometidos esenciales el Servicio Hidrológico Nacional ha desarrollado a lo largo de su historia una red de estaciones para observaciones hidrométricas (niveles y caudales) en los principales cursos y cuerpos de agua del país. El registro de las observaciones se hace tanto por medios manuales como automáticos. La red básica se fue configurando en respuesta a las necesidades de cada época en cuanto a los proyectos nacionales de desarrollo de los recursos hídricos (navegación, irrigación, generación hidroeléctrica). (Ver evolución) El diseño actual de la red de observaciones procura capturar la información mínima necesaria para evaluar y caracterizar los regímenes de escurrimiento de cada región. Este diseño debe ser periódicamente revisado y adaptado a nuevos requerimientos, así como incorporar nuevas tecnologías de captura y transmisión de datos que permitan extender la red a puntos de interés que no han podido ser incluidos debido a dificultades para acceso o por las limitaciones impuestas por los métodos tradicionales.

Las estaciones hidrométricas deben reunir ciertas condiciones, entre ellas:

a) Accesibilidad. La estación debe ser visitable en cualquier momento, sobre todo en avenidas. b) Suficiencia. Debe cubrir todo el rango de caudales. Por lo menos hasta desde el mínimo posible hasta el máximo posible. c) Estabilidad. La estación se debe mantenerse con las características geométricas iniciales, además que esté situada en un tramo recto para que la inercia en curva del flujo no afecte a la lectura. d) Permanencia. La estación debe estar situada y construida de forma que las avenidas no la deterioren, esto no siempre es así, pues una avenida muy elevada cambia su comportamiento natural de llevar sólo agua y comienza a transportar sedimento, con lo que es muy probable que las laderas del cauce se vean afectadas. Una estación hidrométrica es un lugar fijo en una sección de control del río, escogiendo el lugar al evaluar los factores que lo rodean, con el fin de realizar un conjunto de operaciones para determinar el caudal que pasa en el río, en un momento y tiempo determinado. 2.

Componentes de una estación hidrométrica

Toda estación hidrométrica debe contar con diferentes componentes básicos necesarios para la recolección de datos los cuales son: •

Limnigrafo

•

Limnímetros

•

Canasta de aforo

MÉTODOS DE AFORO

Expresan el caudal como una función de volumen sobre tiempo (Q = V / t). Entre ellos se tienen el aforo gravimétrico, volumétrico, químico y los medidores de hélice, fabricados de acuerdo con el mismo principio. Otro método de aforo directo consiste en medir el descenso en el nivel del agua y el tiempo de vaciado en un depósito con dimensiones conocidas.

Mediciones con molinetes: Los molinetes son aparatos constituidos de paletas o conchas móviles, las cuales, impulsadas por el líquido, dan un número de revoluciones proporcional a la velocidad de la corriente. Existen dos tipos de molinetes, el de cazoletas y el de hélice, los cuales pueden ser montados sobre una varilla para el aforo de corrientes superficiales o suspendidos desde un cable durante el aforo de ríos, diques profundos, etc. a) De eje vertical o cazoletas: Tipo Price, de origen norte-americano. b) De eje horizontal o de hélice Más comunes en Europa Cada molinete viene calibrado de fábrica y acompañado de una tabla o ecuación, donde se relaciona la velocidad angular de la rueda giratoria con la velocidad de la corriente. La relación típica se ajusta a una recta con una ligera desviación cerca del origen Cuadro de texto: Velocidad en m/s. Para medir la velocidad de una corriente, el molinete se instala por abajo del espejo de agua, a 0.6 del tirante (medido desde la superficie) y las revoluciones de la ruedecilla se cuentan en un intervalo de tiempo previamente establecido (usualmente un minuto). Cuanto mayor sea el número de registros realizados en un mismo punto de aforo, más confiable será la apreciación de la velocidad medida; por lo mismo, se sugiere explotar las velocidades de corriente en diferentes puntos igualmente espaciados sobre el espejo del agua, sumergiendo el instrumento a 0.2 y 0.8 del tirante respectivo. En canales y acequias donde el ancho del espejo del agua sea menor de 3 m, la sección puede dividirse en tres o cuatro segmentos de igual longitud, pero en

corrientes de gran anchura se acostumbra hacer las mediciones cada 3 m sobre el espejo, operando desde un puente o un andamio. Las revoluciones del impulsor, dadas por el intervalo de tiempo, pueden ser contadas visualmente en una corriente superficial de agua clara y tranquila, sin embargo, en corrientes de agua turbia y caudalosa es necesario un contador eléctrico para registrarlas. El número de revoluciones por intervalo de tiempo se transforma a velocidad de la corriente consultando la tabla del instrumento o su ecuación respectiva.

Imagen No. 1; Tipo taza cónica

Imagen No. 2; Tipo hélice

Aforos con flotadores Durante décadas el método común era un flotador cuyo ascenso y descenso en una poza de amortiguación registraba en un diagrama movido por un aparato de relojería. Esos registradores eran flexibles en el sentido de que se podía utilizar un engranaje que permitía abarcar variaciones de nivel grandes o pequeñas y la relación tiempo-velocidad de los diagramas podía también variar por medio del engranaje en el aparato de relojería. La desventaja era la sensibilidad a errores accidentales y a un mal funcionamiento; para indicar, por ejemplo, algunos de ellos, la cañería de la poza de amortiguación se bloqueaba, los insectos anidaban en la caja del registrador, la humedad o la aridez provocaban el desborde o la sequedad de la tinta del registrador, el diagrama podía estirarse o contraerse, el reloj se para, el observador no puede llegar al lugar para cambiar el diagrama, y muchos otros problemas. Las inspecciones diarias no son siempre posibles en lugares remotos o de difícil acceso. Además de las dificultades de obtener datos correctos, el análisis y la computación de los diagramas son laboriosos.

Afortunadamente la tecnología moderna ha mejorado considerablemente en lo que hace a la recopilación y el procesamiento de datos. Por ejemplo, los detectores no flotantes del nivel se pueden basar en la resistencia/capacidad eléctrica o en la presión sobre un bulbo herméticamente cerrado o en la descarga de burbujas de aire o en transductores acústicos. Los más comúnmente utilizados hoy son el transductor de presión en el que se capta eléctricamente la desviación de una membrana. Estos detectores se pueden conectar con ordenadores, relojes automáticos y almacenamiento de memoria para lograr cualquier tipo y frecuencia requeridos de registro y traspasar los datos almacenados a un ordenador para efectuar un análisis rápido.

Imagen No. 6; a) Flotador simple, b) Flotador doble, c) Bastón flotador

CALCULOS

Determinar la Velocidad Utilizando la Ecuación del Molinete.

𝑉 = 0.012 + 0.672 (

� �) (𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 1) 𝑇

Donde: 𝑉 = 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 (𝑚/𝑠) 𝑅 = 𝑅𝑒𝑣𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑇 = 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 (𝑠)

METODO DE PROMEDIO DE ANCHO Distancia

Profundidad

m

m 0.40 0.57 0.66 0.67 0.65 0.64 1.31 1.45 1.46 1.31 1.25 1.28 0.99 0.96 0.50 0.69 0.67 0.64 0.65 0.67 0.65 0.55

0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00 16.00 17.00 18.00 19.00 20.00 21.00

0.6 h / 0.2h Tiempo Revolucion (seg) 5 45.06 6 41.03 9 41.04 16 42.00 18 42.06 20 40.07 22 41.07 26 41.03 28 42.00 31 40.08 31 41.03 31 41.08 27 41.01 29 41.00 26 41.04 22 42.01 25 41.08 30 40.08 31 41.03 26 42.00 24 41.04 26 41.04

0.8 h Revolucion

Tiempo (seg)

16 22 22 23 21 20 16 15

41.00 42.07 43.00 42.07 41.00 43.09 42.02 42.05

22.00 23.00 24.00 25.00 26.00

0.54 0.50 0.47 0.35 0.00

22 21 17 14 0

41.05 41.00 40.09 41.03 0.00

Velocidad (m/s) 0.6 h / 0.2h

0.6 h / 0.2h

0.8h

Revolucion angular (N)

Revolucion angular (N)

0.111 0.146 0.219 0.381 0.428 0.499 0.536 0.634 0.667 0.773 0.756 0.755 0.658 0.707 0.634 0.524 0.609 0.749 0.756 0.619 0.585 0.634 0.536 0.512 0.424 0.341 -

Velocidad promedio (m/s)

Velocidad 0.8h (m/s)

V=a+b*N a=0.012 b=0.672 0.087 0.110 0.159 0.268 0.300 0.347 0.372 0.438 0.460 0.532 0.520 0.519 0.454 0.487 0.438 0.364 0.421 0.515 0.520 0.428 0.405 0.438 0.372 0.356 0.297 0.241 -

0.390 0.523 0.512 0.547 0.5 0.464 0.381 0.357

∆𝑋 (𝑚)

𝐴𝑟𝑒𝑎 (𝑚2)

(x2-x1)/2

Prof*∆𝑋

0.274 0.363 0.356 0.379 0.356 0.324 0.268 0.252

Caudal (m3/s) Porcentaje

0.087 0.110 0.159

0.5 1 1

0.2 0.57 0.66

0.017 0.063 0.105

0.228 0.828 1.386

0.268 0.300 0.347 0.323 0.401 0.408 0.456 0.438 0.422 0.361 0.370 0.438 0.364 0.421 0.515 0.520 0.428 0.405 0.438 0.372 0.356 0.297 0.241 -

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 -

0.67 0.65 0.64 1.31 1.45 1.46 1.31 1.25 1.28 0.99 0.96 0.5 0.69 0.67 0.64 0.65 0.67 0.65 0.55 0.54 0.5 0.47 0.35

0.180 0.195 0.222 0.423 0.581 0.596 0.597 0.547 0.540 0.358 0.355 0.219 0.251 0.282 0.330 0.338 0.287 0.263 0.241 0.201 0.178 0.140 0.084 0 7.591

2.365 2.565 2.929 5.576 7.653 7.845 7.862 7.212 7.107 4.710 4.673 2.883 3.308 3.715 4.342 4.450 3.778 3.468 3.172 2.647 2.346 1.839 1.113 0.000 100

0123456789 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 1.10 1.20 1.30 1.40 1.50 1.60

METODO DE PROMEDIO DE VELOCIDADES Distancia

Profundidad

0.6 h / 0.2h

m 0.00 1.00 2.00

m 0.40 0.57 0.66

Revolucion 5 6 9

Tiempo (seg) 45.06 41.03 41.04

3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00

0.67 0.65 0.64 1.31 1.45 1.46 1.31 1.25 1.28 0.99 0.96 0.50

16 18 20 22 26 28 31 31 31 27 29 26

42.00 42.06 40.07 41.07 41.03 42.00 40.08 41.03 41.08 41.01 41.00 41.04

15.00 16.00 17.00 18.00 19.00 20.00

0.69 0.67 0.64 0.65 0.67 0.65

22 25 30 31 26 24

42.01 41.08 40.08 41.03 42.00 41.04

21.00 22.00 23.00 24.00 25.00 26.00

0.55 0.54 0.50 0.47 0.35 0.00

26 22 21 17 14 0

41.04 41.05 41.00 40.09 41.03 0.00

0.6 h / 0.2h

0.8h

Revolucion angular (N)

Revolucion angular (N)

0.111 0.146 0.219 0.381 0.428

0.8 h Revolucion

Tiempo (seg)

16 22 22 23 21 20 16 15

41.00 42.07 43.00 42.07 41.00 43.09 42.02 42.05

Velocidad (m/s) 0.6 h / 0.2h

Velocidad 0.8h (m/s)

V=a+b*N a=0.012 b=0.672 0.087 0.110 0.159 0.268 0.300

0.499 0.536 0.634 0.667 0.773 0.756 0.755 0.658 0.707 0.634 0.524 0.609 0.749 0.756 0.619 0.585 0.634 0.536 0.512 0.424 0.341 -

Velocidad promedio (m/s)

0.087 0.110 0.159 0.268 0.300 0.347 0.323 0.401 0.408 0.456 0.438 0.422 0.361 0.370 0.438 0.364 0.421 0.515

0.347 0.372 0.438 0.460 0.532 0.520 0.519 0.454 0.487 0.438 0.364 0.421 0.515 0.520 0.428 0.405 0.438 0.372 0.356 0.297 0.241 -

0.390 0.523 0.512 0.547 0.5 0.464 0.381 0.357

Distancia entre aforo 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

ℎ (𝑚)

0.274 0.363 0.356 0.379 0.356 0.324 0.268 0.252

∆𝑣 (𝑚/𝑠)

(h1+h2)/2 0.485 0.615 0.665 0.66 0.645 0.975 1.38 1.455 1.385 1.28 1.265 1.135 0.975 0.73 0.595 0.68 0.655 0.645

Caudal (m3/s) Porcentaje

(v1+v2)/2 0.098 0.135 0.214 0.284 0.324 0.335 0.362 0.404 0.432 0.447 0.430 0.391 0.365 0.404 0.401 0.392 0.468 0.517

0.048 0.083 0.142 0.187 0.209 0.327 0.499 0.588 0.598 0.572 0.544 0.444 0.356 0.295 0.238 0.267 0.307 0.334

0.63 1.09 1.87 2.47 2.75 4.31 6.58 7.75 7.88 7.53 7.16 5.85 4.69 3.88 3.14 3.52 4.04 4.40

0.520 0.428 0.405 0.438 0.372 0.356 0.297 0.241 0.000

1 1 1 1 1 1 1 1 1

0.66 0.66 0.6 0.545 0.52 0.485 0.41 0.175 0

0.474 0.416 0.421 0.405 0.364 0.327 0.269 0.121 0.000

0.313 0.275 0.253 0.221 0.189 0.158 0.110 0.021 0.000 7.578

4.12 3.62 3.33 2.91 2.49 2.09 1.45 0.28 0.00 100

ANALISIS DE RESULTADOS

 Para el cálculo óptimo de los caudales mediante estos métodos se precisa de correcta medición de las distancias horizontales y el peralte del cauce en las estaciones predeterminadas, debido a que las ecuaciones de promedio de velocidades y anchos dependen directamente de la medición correcta de estos datos.  El cálculo del caudal total en una sección de aforo se puede determinar a través de los métodos; El primer método es el de promedio de velocidades, que es el más usado para aforar corrientes superficiales de agua, que consiste básicamente en medir las velocidades a varios puntos de la sección transversal de la corriente, en el aforo de un rio, las velocidades se pueden medir a 0.2h, 0.6h y 0.8h, dependiendo de la precisión deseada, de la profundidad del agua y del tiempo disponible para realizar la medición, lo normal es medir a 0.2h y 0.8h, como está indicado en los datos proporcionados, y para corrientes poco profundas se realiza la medición de la velocidad a 0.6h, la velocidad se calculó por medio de la ecuación del molinete, realizando un promedio de velocidades para 0.2h y 0.8h, para la velocidad a 0.6h se tomó como la velocidad promedio, posteriormente se calculó el caudal por el método de promedio de velocidades, conociendo las velocidades promedio, profundidades y la distancia entre estaciones dando por resultado un caudal de 7.591 m3/s.

 El caudal calculado por el método de promedio de anchos tiene por objetivo proporcionar una estimación del caudal para el corrimiento de agua para un cause determinado, el objetivo de este método es determinar un rectángulo promedio para cada una de las verticales en donde se aforo, el cual deberá de ser multiplicado por la velocidad promedio las cuales son las mismas que del cálculo anterior, la base de los rectángulos esta calcula mediante la ecuación de caudal de anchos inscrita en la parte promedio de las diferencias de distancias entre cada elevación considerando la elevación de estudio la elevación intermedia, el caudal obtenido es de 7.578 m3/s.

CONCLUSIONES

 El método de aforo con molinete de hélice es el procedimiento más utilizado para el cálculo de caudales ya que al determinar las revoluciones por un periodo de tiempo es capaz de determinar la velocidad del flujo que se moviliza en una sección estudiada con la ecuación propuesta del fabricante teniendo una única desventaja al estar expuesto al daño de los sedimentos que puedan afectar a la precisión del aforo.  La ecuación de caudal total por el método de promedio de velocidades determina el caudal dependiendo de la geometría del segmento estudiado, aplicando ejes verticales y sondeos con el molinete a uno o más puntos (0.2h, 0.6h, 0.8h). Determinando la velocidad promedio y alturas de dos verticales continuas se determinó el caudal de cada segmento de la sección transversal resultando con un caudal total de 7.591 m3/s  El método de aforamiento por promedio de anchos utiliza una ecuación que determina el caudal estableciendo la velocidad de una vertical a diversas alturas con la ecuación del molinete promediando las velocidades obtenidas junto con la estimación del ancho promedio entre dos segmentos de la sección transversal, obteniendo así el caudal para cada segmento que al sumar el total de la sección transversal resulta en un caudal total de 7.578 m3/s.

BIBLIOGRAFIA

 Cuencas hidrográficas de Guatemala (2011). Ministerio de Ambiente y Recursos Naturales. Gobierno de la República de Guatemala.  Alvarado, Erick (2017). Manual de Medición de Caudales. Instituto Privado de investigación sobre el cambio climático. Guatemala  Manuel de Medición de Caudales, (2017), Tipos de Aforo, Erick Alvarado, Recuperado el 26 de marzo del 2020 de: https://icc.org.gt/wpcontent/uploads/2018/02/Manual-de-medici%C3%B3n-de-caudales-ICC.pdf

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