Medición de caudal - prasdes

Medición de caudal
Jarkko Koskela
Hidrológo
Instituto del medio ambiente de Finlandia
(SYKE)
Contenido
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Introducción
Medición de caudal mediante métodos convencionales
¿Qué mide un ADCP?
medición en la práctica
Incertidumbre de la medición de caudal
● Este material se basa en el material proporcionado por la
OMM (Organización Meteorológica Mundial)
Curvas de gasto de caudal con una
relación altura-caudal simple
3
Procedimientos generales de aforo de
caudales:
1.
2.
3.
4.
5.
Medición y registro de la altura.
Medición y estimación de
caudal.
Elaboración de curvas de gasto.
Análisis y revisión de datos.
Publicación de datos.
Tipos de flujo
● Flujo uniforme (uniform flow) vs. flujo variable (varied flow)
○ un flujo uniforme a los factores de flujo permanecen sin
cambios a lo largo de la sección de canal
● Flujo estacionario (steady flow) vs. Flujo estacionario
(unsteady flow)
○ un flujo estacionario no cambia con el tiempo
Tipos de flujo
● Flujo laminar vs. flujo turbulento
○ En flujo laminar las partículas de agua no se mezclan, y
el movimiento puede ser descrito por líneas paralelas
Flujo subcrítico vs. flujo supercrítico
○ En flujo subcrítico la velocidad de onda de interferencia es
mayor que la velocidad de flujo
○ Número de Froude
Fr 
v
gh
Fr < 1, flujo subcrítico
Fr = 1 flujo crítico
Fr > 1 flujo supercrítico
Medición de caudal
● Medición de caudal mediante métodos convencionales
● Medición de caudal con métodos acústicos
● Medición de caudal mediante estructuras de medición
precalibradas
● Mediciones con varios métodos
○ Los flotadores
○ Los instrumentos de radar
○ Los vertederos de placas portátiles
○ Las mediciones volumétricas
○ Los trazadores
● Medición indirecta de caudales
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Los trazadores:
Dilución de sal
● 𝑄=
∞
0
𝑀
𝐶−𝐶0 𝑑𝑡
● <200 m3/s
● cerka 1kg sal por 1 m3/s
AutoQ
Source: NVE
Medición de caudal mediante métodos
convencionales
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WMO
Muchas agencias de recursos hídricos utilizan el
método de la sección central para el aforo en vado, las
mediciones desde puentes y/o desde teleféricos.
Caudal = (área de agua en la sección transversal) x (velocidad del agua)
x
velocidad del agua
Superficie de la sección transversal
WMO
La sección transversal del cauce se divide en
múltiples subsecciones.
Caudal de cada subsección = área x velocidad media del agua.
Caudal total = suma de caudales de la subsección.
WMO
El área de cada subsección está determinada por la
medición directa de la anchura y la profundidad.
Anchura
Área = anchura x profundidad
Profundidad
Método de la sección media
● 𝑞1−2 =
𝑣1 +𝑣2
2
𝑑1 +𝑑2
2
∙b
b
v1
q1-2
v2
d1
d2
17
método de la sección central
● 𝑞1 =
𝑏1 +𝑏2
2
∙ 𝑑1 𝑣1
b1
b2
q1
v1
d1
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discutir en grupo
● ¿Qué método está usando para el cálculo del caudal?
● ¿Te estandarizado la metodología (por ejemplo número de
verticales)?
● ¿Cuáles son los mayores retos en el uso de métodos
convencionales ?
● ¿Cómo se ha resuelto estos problemas en la práctica?
19
WMO
El diagrama esquemático siguiente
ilustra el método de la sección central:
• Los ejes verticales
deberían espaciarse de
modo que ninguna
subsección contenga más
del 10% del total del caudal.
•La medición ideal consta de
no más del 5% del total del
caudal en cualquier
subsección.
• Debería haber entre 20 y
30 subsecciones.
•El espaciado entre los ejes
verticales debería ser más
reducido en aquellas partes
de la sección transversal con
mayores profundidades y
velocidades.
WMO
La velocidad del agua en cualquier subsección se calcula
mediante un medidor de velocidad puntual para medir la
velocidad del agua en lugares seleccionados.
0.6 de
profundidad
0.2 de
profundidad
0.8 de
profundidad
FlowTracker
utilizado para
medir la
velocidad.
WMO
El objetivo consiste en representar la velocidad
media en el eje vertical.
Perfil ideal de la velocidad
WMO
En el mejor de los casos, la velocidad debería
medirse en incrementos de profundidad del 10%.
Perfil ideal de la velocidad
WMO
Mediante los estudios se ha determinado que un perfil
razonablemente normal puede muestrearse de forma adecuada,
midiendo la velocidad en 0.2 y 0.8 de profundidad.
Como medida
práctica, la velocidad
en 0.2 y 0.8 de
profundidad suele
emplearse para
representar la
velocidad media en el
eje vertical.
Perfil ideal de la velocidad
Cuando las profundidades son poco profundas, las
irregularidades en el lecho de la corriente y la superficie de
WMO agua interfieren con el funcionamiento de los molinetes.
Cuando las
profundidades son muy
poco profundas para
aplicar el método de 0.2
y 0.8, puede utilizarse
la velocidad medida en
una profundidad de 0.6
para representar la
velocidad media en el
eje vertical.
Perfil ideal de la velocidad
WMO
A continuación, se examinará cómo deben calcularse la
anchura y la profundidad de las subsecciones:
Ubicación de los molinetes
0
1
3
5
• Ejemplo de cálculo de la
anchura de una subsección
• Considere la aplicación
de las mediciones
siguientes:
• Punto inicial:
0
• Punto siguiente:
1m
• Punto siguiente:
3m
• Punto siguiente:
5m
WMO
La anchura se calcula como sigue:
Ubicación de los molinetes
0
1
3
5
0.5
1.5
Anchuras
2
?
• Anchura en el punto 0 = (1 - 0)/2 = 0.5
• Anchura en el punto 1 = (3 - 0)/2 = 1.5
• Anchura en el punto 3 = (5 - 1)/2 = 2.0
WMO
En el ejemplo siguiente, no se puede medir la
profundidad en la primera subsección:
Ubicación de los molinetes
0
En este ejemplo, la
profundidad está en
cero, por lo tanto
no hay flujo.
1
3
5
0.5
1.5
Anchuras
2
?
WMO
Un caudal es la suma de caudales en
todas las subsecciones.
Total del caudal = ((área1 x velocidad 1) + (área2 x velocidad2) + …..
(árean x velocidadn))
1 2 3
n
Medición de caudal con métodos
acústicos
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Los instrumentos hidroacústicos transmiten un sonido en el agua y utilizan
el sonido que rebota para medir parámetros, como la velocidad del agua,
la profundidad de los ríos y la velocidad de los botes.
Las crecidas pueden medirse rápida y eficientemente.
WMO
La dirección del movimiento del dispersor también la
determina el desplazamiento de la frecuencia:
WMO
La ecuación que permite calcular la velocidad de la
fuente del sonido desde una frecuencia de sonido de
desviación Doppler es la siguiente:
fD = fS * V/C
fD = frecuencia de desviación Doppler.
fS = frecuencia de la fuente (frecuencia del
ADCP).
V = velocidad de los dispersores en el agua.
C = velocidad del sonido (según las
características del agua).
Importancia de la velocidad del sonido
WMO
(C)
V = (fD /2fS *)C
Importante:
El instrumento debe calcular con exactitud la velocidad del
sonido (C).
• Un error de temperatura de 2o C (5o F) o error
de salinidad de 5 puntos se traducirá en un
1% de error de velocidad.
• El instrumento debe tener un detector de
temperatura preciso y debe estar configurado
para una salinidad correcta.
WMO
Se considera que la velocidad del agua
equivale a la velocidad del dispersor:
V = (fD /2fS *)C
V = velocidad del agua = velocidad del
dispersor
Importante:
Se considera que, en promedio, la velocidad del
dispersor equivale a la velocidad del agua.
La inobservancia de esta consideración dará
lugar a errores en el cálculo de la velocidad
del agua.
WMO
Cuando la velocidad del dispersor no
equivale a la velocidad del agua:
Peces:
Agua
La medición de la velocidad del agua se ve afectada por la
velocidad de los peces.
Objeto estacionario:
Rock
Agua
La medición de la velocidad del agua está sesgada en cero.
Homogeneidad del flujo y error de
velocidad.
HOMOGÉNEO
NO HOMOGÉNEO
Un lecho movil
Imágenes
ADCP asume un lecho
estacionario
El lecho puede tener una capa superior
en movimiento!!
El lecho suave como el barro, limo, arena,
etc. Se resultan un movimiento aparente
del ADCP.
¿Qué mide un ADCP?
WMO
En el diagrama siguiente se ofrece un resumen de las
áreas medidas y no medidas en una sección
transversal:
Es probable que el principal factor para obtener una
medición exacta de caudal sea la selección de la
sección de medición.
• Ponga en marcha el ADCP, al pulsar sin registrar.
• Localice una sección apropiada:
– elija una sección con un flujo uniforme y sin descensos
rápidos, y reduzca las áreas que no se han medido;
– trace el perfil máximo de profundidad, y
– adapte la configuración según proceda.
La selección de la sección de medición
43
La selección de la sección de medición
44
WMO
En el diagrama siguiente se ofrece un resumen de las
áreas medidas y no medidas en una sección
transversal:
Las orillas
● 10 conjuntos (ensembles) de mediciones estacionarios se
recogen mientras está cerca de la orilla. Esto se utiliza para
extrapolar el caudal de la orilla.
● El usuario le dice al ADCP
○ forma de orilla
○ distancia
● ADCP calcula área y caudal de la orilla
○ Ancho x Profundidad (donde está ADCP) x velocidad
del agua x Coeficiente de la orilla
WMO
En el diagrama siguiente se ofrece un resumen de las
áreas medidas y no medidas en una sección
transversal:
Extrap
http://hydroacoustics.usgs.gov/index.shtml
Ruunaa 6.5.2014
Karvio 5.5.2014
Importante!
●
●
●
●
●
Utilice la última versión de firmware!
Utilice la última versión de software!
medir la temperatura por separado
La selección de la sección de medición
calibracion de quadrante y ADCP prueba y prueba de lecho
movil
● procesamiento posterior
● extrapolaciones
51
WMO
Antes de efectuar una medición de ADCP, debe
comprobarse si el lecho de la corriente se está
desplazando.
Luego de haber identificado una sección de medición aceptable y
de haber realizado algunas pruebas de las transecciones, deberán
realizarse y registrarse pruebas en el ADCP.
• Haga una prueba del ADCP.
• Ajuste el cuadrante:
– utilice procedimientos internos de calibración
del cuadrante.
– Se REQUIERE una calibración únicamente si
se utiliza el Sistema de posicionamiento
mundial (GPS) o método de curva de gastos
pero se recomienda para medidas de Río
Grande porque toma poco tiempo.
• Evalúe la calibración del cuadrante. El objetivo
deseado es un error de cuadrante equivalente o
inferior a 2 grados.
El paso siguiente en el proceso de medición es
realizar y registrar una prueba de lecho móvil.
• Realice una prueba de lecho móvil:
– realice una prueba de lecho móvil o de
lecho móvil estable;
– registre los datos utilizando la opción
“Seleccione prueba de lecho móvil” del
menú, y
– utilice el GPS o el método de curva de
gastos de corrección del lecho móvil si
existe este tipo de lecho.
• Fije puntos de inicio y finalización:
– se necesita al menos 2 segmentos de
profundidad con una velocidad válida en
cada orilla, y
– de ser posible, utilice boyas, pilotes,
pilares u otras referencias.
La distancia a la costa desde puntos de inicio y de
finalización en cada orilla deberían medirse y no
estimarse.
Mida la distancia hasta la costa:
– telémetro láser, y
– telémetro óptico o cable de
medición.
Las distancias de las orillas también pueden medirse
utilizando marcas en los puentes cuando se maneje un
bote atado desde un puente.
Proceda a la medición de la manera siguiente:
• Posicione el bote en el punto de inicio en el
agua:
– debe tener un mínimo de dos segmentos de
profundidad adecuadas;
– comience a registrar los datos;
– mida y registre la distancia a la costa, y
– mantenga la posición para un mínimo de 10
conjuntos.
• Desplace el bote en el río:
– velocidad del bote ≤ a la velocidad del agua,
cuando sea práctico, y
– maneje el bote cuidadosamente.
WMO
Los ADCP deben desplazarse en el agua con suficiente
lentitud, a fin de reunir datos adecuados.
En general, conviene
mantener la velocidad
del bote de modo que
sea inferior o
equivalente a la
velocidad media del
agua.
Recogida de datos (cont.)
• Apróximese lentamente a la costa:
– mantenga la posición para un mínimo de 10 conjuntos;
– deje de registrar, y
– mida y registre la distancia a la costa.
• Repita el ejercicio 4 veces (o más):
– reúna 4 transecciones (2 en cada dirección);
– los caudales de las 4 transecciones deberían situarse
en un rango del 5% de la media;
– de no ser así, deberían realizarse 4 transecciones
adicionales;
– el caudal medido es el promedio de las 8
transecciones, y
– puede haber excepciones en caso de producirse
cambios rápidos en el flujo.
Los datos deberían evaluarse sobre el terreno.
discutir en grupo
● ¿Cómo se prueba la condición de medidores mecánicos y
acousticos (mantenimiento y verificación)
● ¿Te estandarizado la metodología?
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WMO
Tanto los medidores mecánicos como los acústicos
deberán mantenerse y verificarse antes, durante y
después de las mediciones.
WMO
Antes de cada medición, debería efectuarse un examen
visual de los molinetes mecánicos.
•Inspeccione las cazoletas o álabes, el eje central,
los cojinetes y los ejes del molinete para comprobar
si hay daños, desgaste o defectos. Inspeccione la
superficie de apoyo del agua.
•Gire el rotor para asegurarse de que funciona
libremente, y deje que regrese lentamente a una
posición de reposo.
WMO
Durante las mediciones, verifique el molinete periódicamente cuando esté
fuera del agua, para asegurarse de que el rotor gira libremente y de que no
hay detritos u otras sustancias que lo obstruyan.
Haga clic en la imagen para ver
una inspección visual de un
molinete durante una medición.
WMO
Por último, verifique el molinete inmediatamente
después de la medición.
Asegúrese de que no hubo daños ni obstrucciones
que hayan provocado el mal funcionamiento del
molinete durante la medición.
•Si ocurre algún problema, es probable que
deba efectuar otra medición de caudal.
WMO
Deberán efectuarse pruebas de rotación
periódicamente en todos los molinetes mecánicos.
• Las pruebas de rotación
deberían efectuarse en todos
los molinetes:
• antes de cada excursión;
• cuando hay sospechas
sobre su buen
funcionamiento, y
Haga clic en la imagen para
ver una prueba de rotación.
• antes y después de las
reparaciones.
• Debe mantenerse un registro
de todas las pruebas de
rotación.
WMO
Las pruebas de rotación deberían
documentarse.
Todos los tipos de molinetes Price pygmy deberían girar durante al
menos 0.45 segundos.
Todos los tipos de medidores Price AA deberían girar durante al
menos 2 minutos.
Gracias por su atención!
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