ESTIMACIÓN DE VARIABLES HIDRÁULICAS. AFORO DE CAUDALES

JOSÉ CARLOS ROBREDO SÁNCHEZPROFESOR TITULAR DE UNIVERSIDAD

UNIDAD DOCENTE DE HIDRÁULICA E HIDROLOGÍADEPARTAMENTO DE INGENIERÍA FORESTAL

E.T.S. DE INGENIEROS DE MONTESUNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID

Cálculo hidráulico

- Niveles de agua.- Velocidades.- Capacidad de arrastre y transporte.

- Movimiento permanente y uniforme.- Movimiento permanente no uniforme- Movimiento variable- Movimiento bidimensional …

Variables a determinar

Hipótesis de partida

Movimiento permanente y uniforme

Movimiento permanente no uniforme

Movimiento variable

Movimiento bidimensional

x

y

(conos de deyección)

AFORO MEDIANTE MEDICION DE LA VELOCIDAD Y DE LA SECCION MOJADA

MD

MI

MD

MI

∑∑ ⋅== iii uSqq

Si ui

( )

( )

.sup

8.06.02.0

8.02.0

6.0

85.04

22

uu

uuuu

uuu

uu

⋅=

+⋅+=

+=

=

Rev/seg (n) Velocidad (m/seg)0.26-0.97 V= 0.034 + 0.0991·n0.97-4.71 V= 0.023 + 0.1105·n4.71- (*) V= 0.039 + 0.1071·n

VELOCIDAD / REVOLUCIONESMolinete VALEPORT BFM-002

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0 45.0 50.0

revoluciones n/seg

velo

cida

d m

/s

SECCIÓNFechaPunto de referencia de cotasLectura en la mira del pto. ref. (A)Fórmula Molinete

revoluc. tiempo velocidad revoluc. tiempo velocidad revoluc. tiempo velocidad

CAUDALLECTURA EN LA ESCALA

OBSERVACIONES:

Lecturas de velocidadDistanciaPunto

Lectura en la mira

(B)

cota (A - B)

Sección (m2)

Caudal (m3/s)

Velocidad media (m/s)

Calado

AFORO MEDIANTE TRAZADORES: INYECCIÓN CONTINUA

MD

MI

C

t

q*, caudal de trazador inyectadoq, caudal de cauceC1, concentración en caudal inyectadoC2, concentración en la sección de medidaC0, concentración natural en el río

( )

2

1

02

21

20

12

210

***

**

CCq

CCCCq

CCCCqq

CqqCqCq

⋅≈−−

⋅=−−

⋅=

⋅+=⋅+⋅

⋅=

orillacentro

a

qaL

20050

31

AFORO MEDIANTE TRAZADORES: INTEGRACIÓN

MD

MI

C

t

( )

( ) ( )

( ) ( ) ∑∑∫

∫∫

∫

⋅∆=

∆⋅≈

⋅=

⋅⋅≈⋅⋅

+=

⋅

+⋅=⋅=

n

i

n

i

T

TT

T

Ct

P

tC

P

dttC

Pq

dttCqdttCTVqP

dtTVqtCVCP

12

120 2

0 20 2

0 21

V, volumen de trazador vertidoq, caudal de cauceC1, concentración del volumen vertidoC2, concentración en la sección de medida

⋅=

orillacentro

a

qaL

20050

31

Para la estimación de la velocidad del flujo utilizaremos básicamente la fórmula de Manning:

vSq

SRn

jRv

⋅=

=⋅

=χ

;2

13

2

v (m/s) ; R (m) ; j (tanto por uno) ; S (m2) ; χ (m) ; q (m3/s)

calado

energía específica

Ho

flujo críti

co

Q constante

flujo rápido

flujo le

nto

ylento

yrápido

yguF⋅

=

RÉGIMEN RÁPIDO (SUPRACRÍTICO)F > 1

RÉGIMEN LENTO (SUBCRÍTICO)F > 1

flujo lento

flujo rápido

gv2

2

gv2

2

Hoylento

yrápido

MD

MI

medicionesestimaciones

q (m3/s)

h (m)

0,86 m

CURVA DE GASTO

3 m3 m

2 m2 m

1 m1 m

0.5 m0.5 m

Cálculo hidráulico mediante la utilización de software específico

Datos necesarios:

- Un caudal de cálculo, que normalmente se ha obtenido previamente con un modelo hidrológico.

- Una topografía detallada del tramo de cauce a analizar. Esta información puede simplificarse si suponemos que se cumplen las condiciones de movimiento permanente y uniforme. Normalmente esta información será difícil de extraer de la cartografía disponible, por lo que generalmente hay que obtenerla con topografía clásica directamente sobre el terreno.

- Información sobre la rugosidad y características del materialque constituye el lecho del cauce, sobre todo si queremos realizar estudios relativos a los efectos torrenciales de los caudales líquidos circulantes.

Definición de las secciones5

3

2

1

0

4

0 5 15 20 25 3010 35 40 45

MOVIMIENTO PERMANENTE Y

UNIFORME

FLOW MASTER(CAUDAL3)

0 50 100 150 2000

1

2

3

4

5

6

prueba1 Plan: Plan 01 26/05/2005

Main Channel Distance (m)

Ele

vatio

n (m

)

Legend

EG PF 2

WS PF 2

Crit PF 2

Ground

prueba1 canal1

30 29.5*

29.* 28.5*

28.* 27.5*

27.* 26.5*

26.* 25.5*

25.* 24.5*

24.* 23.5*

23.* 22.5*

22.* 21.5*

21.* 20.5*

20 19.5*

19.* 18.5*

18.* 17.5*

17.* 16.5*

16.* 15.5*

15.* 14.5*

14.* 13.5*

13.* 12.5*

12.* 11.5*

11.* 10.5*

10

prueba1 Plan: Plan 01 26/05/2005 Legend

WS PF 2

Ground

Bank Sta

Ground

HEC-RAS

MOVIMIENTO PERMANENTE NO

UNIFORME

MOVIMIENTO VARIABLE

MOVIMIENTO BIDIMENSIONAL Y TRIDIMENSIONAL

DHI MIKE 21

DELFT 3D

Básicamente podemos distinguir tres orientaciones de cálculo:

- Variables hidráulicas (niveles de agua, velocidades, etc.) en la situación actual y después de las obras diseñadas de corrección, para distintos valores de caudal.

- Calibración de parámetros en función de datos conocidos.

- Obtención de curvas de gasto (relaciones entre el caudal circulante y las distintas variables hidráulicas) para utilizarlas posteriormente en diversas aplicaciones entre las que estaría la simulación en tiempo real de dichas variables en los sistemas de alerta.

CÁLCULO DE SECCIONES EN EL PROGRAMA CAUDAL3

1: dis., cota, k

2: dis., cota, k

3: dis., cota, k7: dis., cota, k

8: dis., cota, k

dis.

cota

DATOS DE LA SECCIÓN:

PENDIENTE j (pendiente del tramo de cauce donde esté ubicada la sección)

RUGOSIDAD (Manning) n (valor de referencia para los distintos tramos)Para cada tramo de la sección: ni = ki·n

NÚMERO DE PUNTOSNúmero de puntos que definen la sección

Distancia, cota y coeficiente multiplicador del número de Manning de cada punto.

Problema que puede aparecer en la curva de gasto cuando se utiliza la totalidad de la sección mojada, como unidad de cálculo, para valorar la magnitud del caudal si se utiliza la expresión de Manning para estimar la velocidad media de la sección.

El problema se evita descomponiendo el cálculo del caudal, estimádolo como suma de caudales parciales por tramos de sección.