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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
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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
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Movimiento permanente y uniforme
Movimiento permanente no uniforme
Movimiento variable
-
Movimiento bidimensional
x
y
(conos de deyección)
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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
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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
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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
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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
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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)
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calado
energía específica
Ho
flujo c
rítico
Q constante
flujo rápido
flujo
lento
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
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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.
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Definición de las secciones5
3
2
1
0
4
0 5 15 20 25 3010 35 40 45
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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
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MOVIMIENTO BIDIMENSIONAL Y TRIDIMENSIONAL
DHI MIKE 21
DELFT 3D
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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.
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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.
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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.