Medición de caudal. Jarkko Koskela Hidrológo Instituto del medio ambiente de Finlandia (SYKE)

Transcripción

1 Medición de caudal Jarkko Koskela Hidrológo Instituto del medio ambiente de Finlandia (SYKE)

2 Contenido 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)

3 Curvas de gasto de caudal con una relación altura-caudal simple 3

4 Procedimientos generales de aforo de caudales: 1. Medición y registro de la altura. 2. Medición y estimación de caudal. 3. Elaboración de curvas de gasto. 4. Análisis y revisión de datos. 5. Publicación de datos.

5 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

6 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

7 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

8 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 8

9 Los trazadores: Dilución de sal M Q = 0 <200 m3/s C C 0 dt cerka 1kg sal por 1 m3/s

10

11 AutoQ

12 Source: NVE

13 Medición de caudal mediante métodos convencionales 13

14 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

15 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.

16 WMO El área de cada subsección está determinada por la medición directa de la anchura y la profundidad. Anchura Área = anchura x profundidad Profundidad

17 Método de la sección media q 1 2 = v 1+v 2 2 d 1 +d 2 2 b b v 1 q 1-2 v 2 d 1 d 2 17

18 método de la sección central q 1 = b 1+b 2 2 d 1 v 1 b 1 b 2 q 1 v 1 d 1 18

19 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

20 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.

21 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.

22 WMO El objetivo consiste en representar la velocidad media en el eje vertical. Perfil ideal de la velocidad

23 WMO En el mejor de los casos, la velocidad debería medirse en incrementos de profundidad del 10%. Perfil ideal de la velocidad

24 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

25 WMO Cuando las profundidades son poco profundas, las irregularidades en el lecho de la corriente y la superficie de 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

26 WMO A continuación, se examinará cómo deben calcularse la anchura y la profundidad de las subsecciones: Ubicación de los molinetes Ejemplo de cálculo de la anchura de una subsección Considere la aplicación de las mediciones siguientes: Punto inicial: 0 Punto siguiente: Punto siguiente: Punto siguiente: 1 m 3 m 5 m

27 WMO La anchura se calcula como sigue: Ubicación de los molinetes 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

28 WMO En el ejemplo siguiente, no se puede medir la profundidad en la primera subsección: Ubicación de los molinetes En este ejemplo, la profundidad está en cero, por lo tanto no hay flujo Anchuras 2?

29 WMO Un caudal es la suma de caudales en todas las subsecciones. Total del caudal = ((área 1 x velocidad 1) + (área 2 x velocidad 2 ) +.. (área n x velocidad n )) n

30 Medición de caudal con métodos acústicos 30

31 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.

32 Las crecidas pueden medirse rápida y eficientemente.

33 WMO La dirección del movimiento del dispersor también la determina el desplazamiento de la frecuencia:

34 WMO La ecuación que permite calcular la velocidad de la fuente del sonido desde una frecuencia de sonido de desviación Doppler es la siguiente: f D = f S * V/C f D = frecuencia de desviación Doppler. f S = frecuencia de la fuente (frecuencia del ADCP). V = velocidad de los dispersores en el agua. C = velocidad del sonido (según las características del agua).

35 WMO Importancia de la velocidad del sonido (C) V = (f D /2f S *)C Importante: El instrumento debe calcular con exactitud la velocidad del sonido (C). Un error de temperatura de 2 o C (5 o 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.

36 WMO Se considera que la velocidad del agua equivale a la velocidad del dispersor: V = (f D /2f S *)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.

37 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.

38 Homogeneidad del flujo y error de velocidad. HOMOGÉNEO NO HOMOGÉNEO

39 Imágenes Un lecho movil 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.

40 Qué mide un ADCP?

41 WMO En el diagrama siguiente se ofrece un resumen de las áreas medidas y no medidas en una sección transversal:

42 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.

43 La selección de la sección de medición 43

44 La selección de la sección de medición 44

45 WMO En el diagrama siguiente se ofrece un resumen de las áreas medidas y no medidas en una sección transversal:

46 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

47 WMO En el diagrama siguiente se ofrece un resumen de las áreas medidas y no medidas en una sección transversal:

48 Extrap

49 Ruunaa

50 Karvio

51 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

52 WMO Antes de efectuar una medición de ADCP, debe comprobarse si el lecho de la corriente se está desplazando.

53 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.

54 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.

55 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.

56 Las distancias de las orillas también pueden medirse utilizando marcas en los puentes cuando se maneje un bote atado desde un puente.

57 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.

58 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.

59 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.

60 Los datos deberían evaluarse sobre el terreno.

61 discutir en grupo Cómo se prueba la condición de medidores mecánicos y acousticos (mantenimiento y verificación) Te estandarizado la metodología? 61

62 WMO Tanto los medidores mecánicos como los acústicos deberán mantenerse y verificarse antes, durante y después de las mediciones.

63 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.

64 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.

65 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.

66 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.

67 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.

68 Gracias por su atención! 68