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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.