Hidrología Superficial (I): Medidas y Tratamiento de los datos Medidas de los caudales: Tipos de aforos Aforar es medir un caudal. En Hidrología superficial puede ser necesario medir desde pequeños caudales (unos pocos litros /seg.) hasta grandes ríos con caudales de centenares o miles de m 3 /seg. Distinguimos dos tipos de aforos: Aforos directos. Con algún aparato o procedimiento medimos directamente el caudal Aforos indirectos o continuos. Medimos el nivel del agua en el cauce, y a partir del nivel estimamos el caudal. Para medir el caudal diariamente o de un modo continuo en diversos puntos de una cuenca se utilizan los aforos indirectos, por eso también se les denomina continuos. Estimación aproximada con flotadores Aforos Directos El procedimiento se basa en medir la velocidad del agua y aplicar a ecuación: Caudal= Sección x Velocidad m 3 / seg = m 2 x m/seg Para una estimación, la velocidad se calcula arrojando algún objeto que flote al agua, y la sección se estima muy aproximadamente (anchura media x profundidad media). Este procedimiento da grandes errores, pero proporciona un orden de magnitud. A veces se aconseja multiplicar el valor obtenido con flotadores por un coeficiente del orden de 0,7 ó 0,8, ya que con los flotadores suele medirse preferentemente la velocidad en la parte central del cauce, no teniendo en cuenta las partes próximas a las orillas, de velocidades más bajas, obteniéndose un error por exceso. Molinete La medida exacta de la velocidad se realiza con un molinete, que mide la velocidad de la corriente en varios puntos de la misma vertical y en varias verticales de la sección del cauce. A la vez que se miden las velocidades se mide la profundidad en cada vertical y la anchura exacta del cauce y, lo que nos permite establecer la sección con bastante precisión. F. Javier Sánchez San Román Dpto. Geología Univ. Salamanca http://web.usal.es/~javisan/hidro Pág.
En el cauce de la Figura 3 se han realizado medidas en Figura 3 B cuatro verticales: En cada 4 3 vertical se mide la distancia a 2 la margen elegida, la profundidad en ese punto, y se A realizan una o varias medidas de la velocidad a distintas profundidades. En el ejemplo del dibujo se han realizado: dos medidas en la vertical, cuatro medidas en las verticales 2 y 3 y tres medidas en la vertical 4. A partir de las velocidades se obtiene el caudal por el siguiente procedimiento: º) Se dibujan a escala los perfiles de corriente correspondientes a cada vertical donde se midió con el molinete (Figura 4). Se planimetra cada uno de los perfiles. Como en horizontal están las velocidades en m/seg y en vertical la profundidad en metros, la superficie planimetrada en cada perfil estará en m 2 /seg. 2º) Se dibuja una vista en planta del cauce, en abcisas la anchura del mismo, señalando los puntos exactos donde se midió, y en ordenadas los vectores en m 2 /seg cuyas longitudes corresponden a la planimetría del punto anterior. Se traza la envolvente de todos estos vectores, planimetrando de nuevo. Esta planimetría, convertida a la escala del gráfico, ya es el caudal (en horizontal la anchura en metros, en vertical m 2 /seg: el producto en m 3 /seg). (Ver un ejemplo detallado en el documento Aforo con molinete en Prácticas) Aforos químicos Su fundamento es el siguiente: Si arrojamos una sustancia de concentración conocida a un cauce, se diluye en la corriente, y aguas abajo tomamos muestras y las analizamos, cuanto mayor sea el caudal, más diluidas estarán las muestras analizadas. La aplicación concreta de este principio se plasma en dos procedimientos distintos: Aforos de vertido constante Figura 4: Perfiles de velocidad m 2 /seg Planimetrar metros 2 /seg A un cauce de caudal Q (que queremos medir) se añade un pequeño caudal continuo q de una disolución de concentración conocida C. Supongamos que el río ya tenía una concentración C0 de esa misma sustancia. Se cumplirá que: Q. C0 + q. C = C2. Q2 Prof. (metros) Veloc. (m/seg) Figura 5 (Vista en planta) Anchura (metros) A 2 3 4 Planimetrar metros 3 /seg 2 3 4 B F. Javier Sánchez San Román Dpto. Geología Univ. Salamanca http://web.usal.es/~javisan/hidro Pág. 2
Podemos suponer que Q2 es casi igual a Q (es decir que el caudal del río prácticamente no ha variado con el vertido q). Haciendo Q2 = Q y despejando resulta: C Q = q (C - C ) 2 0 Q C 0 (muy baja o nula) Figura 6 q (constante) C (alta) concentración C 2 Q 2 C 2 tiempo Si se utiliza una sustancia no contenida previamente en el río: C0 0, y la ecuación anterior se simplifica así: Q = q C C 2 Aforos de vertido único o de integración Si no se dispone del equipo necesario para el vertido continuo o no es posible por otras razones, el vertido único de una sustancia al cauce es otra alternativa, aunque requiere una corriente turbulenta que asegure la mezcla del vertido con todo el caudal circulante hasta el punto de toma de muestras. Peso vertido Toma de muestras concentración Dt tiempo Se vierte un peso de P gramos; aguas abajo, y supuesta la homogeneización, se toman varias muestras a intervalos iguales de tiempo Δt, calculando previamente el principio y el final de la toma de muestras con un colorante. Las concentraciones en las n muestras tomadas serían C, C2,... Cn. El cálculo sería así: Peso vertido= Peso que pasa en el er Δt + Peso en el 2º Δt +...+Peso en el último Δt = = C. Vol que pasa en el er Δt + C2. Vol en el 2º Δt +...+ Cn. Vol en el último Δt = = C. Q. Δt + C2. Q. Δt +... + Cn. Q. Δt = =Q. Δt. ( C + C2 +... +Cn) Por tanto el caudal Q que queremos medir será igual a: Peso vertido Q = Δt.(C + C2 +... + Cn) (Debemos suponer que la concentración que traía el río era 0) F. Javier Sánchez San Román Dpto. Geología Univ. Salamanca http://web.usal.es/~javisan/hidro Pág. 3
Aforos indirectos Escalas limnimétricas Se trata de escalas graduadas en centímetros y firmemente sujetas en el suelo. En cauces muy abiertos suele ser necesario instalar varias de manera que sus escalas se sucedan correlativamente. Es necesario que un operario acuda cada día a tomar nota de la altura del agua. Limnígrafos Miden el nivel guardando un registro gráfico o digital del mismo a lo largo del tiempo. El gráfico que proporcionan (altura del agua en función del tiempo) se denomina limnigrama. No solamente evitan la presencia diaria de un operario, sino que permiten apreciar la evolución del caudal de un modo continuo. El modelo clásico funciona con un flotador que, después de disminuir la amplitud de sus oscilaciones mediante unos engranajes, hace subir y bajar una plumilla sobre un tambor giratorio. En la figura se muestran dos posibles accesos al centro del cauce: aéreo o subterráneo Flotador Los equipos más modernos almacenan los datos digitalmente, para después pasarlos a un ordenador o bien los envían instantáneamente al organismo de control.otro tipo de dispositivos sin ninguna pieza móvil. se colocan en el fondo y miden la presión y la traducen en altura de columna de agua sobre él. Con cualquiera de los tipos, el limnígrafo solamente mide el nivel del agua: Será necesario realizar numerosos aforos directos para establecer la relación entre niveles y caudales, para después obtener el caudal a partir de la altura. Esta relación hay que actualizarla periódicamente ya que la sección del cauce puede sufrir variaciones por erosión o deposición. No en todos los puntos de un cauce el caudal es función solamente de la altura. Puede ser función de la altura y la pendiente del agua. A veces es necesario instalar una presa o barrera para conseguir que sea sólo función de la altura. Aforos de vertedero (Weirs) Un vertedero es cualquier estructura transversal a la corriente que eleva el nivel aguas arriba y permite la circulación a través de una abertura de forma triangular o rectangular (Figura página siguiente). La forma triangular es más sensible a la medida de caudales pequeños que ocuparán solamente el vértice el triángulo invertido. F. Javier Sánchez San Román Dpto. Geología Univ. Salamanca http://web.usal.es/~javisan/hidro Pág. 4
Si el vertedero cumple ciertas condiciones, no es necesario calibrarlo mediante aforos directos con molinete. El nivel medido aguas arriba (respecto del pico de la V) se convierte directamente en caudal mediante la fórmula correspondiente a ese tipo de vertedero, por lo que en estas circunstancias este tipo de aforos podemos considerarlos como aforos directos Medida de altura del agua En cauces pequeños a veces se realiza una instalación provisional con una placa metálica o de madera(figura adjunta 2 ), mientras que en otras ocasiones se trata de construcciones fijas y de mayores dimensiones. Presentación de los datos de aforos Los datos de aforos pueden presentarse de los siguientes modos, según la utilización que se vaya a hacer de ellos: Caudales (m 3 /seg, litros/seg), que, aunque se trata de un dato instantáneo, pueden referirse al valor medio de distintos periodos de tiempo: Caudales diarios. Pueden corresponder a la lectura diaria de una escala limnimétrica o corresponder a la ordenada media del gráfico diario de un limnígrafo. Caudales mensuales, mensuales medios. Para un año concreto es la media de todos los días de ese mes. Para una serie de años se refiere a la media de todos los Octubres, Noviembres, etc. de la serie estudiada. Caudal anual, anual medio (módulo). Para un año concreto es la media de todos los días de ese año, para una serie de años se refiere a la media de todos los años de la serie considerada. Aportación, normalmente referida a un año, aportación anual, aunque a veces la referimos a un mes, aportación Caudal Anual (m 3 /seg) km 2 superficie cuenca Caudal específico (litros/seg.km 2 ) x nº seg./año Aportación anual (Hm3) km 2 superficie cuenca Lámina de agua equivalente (mm.) (>20 años cuenca cerrada) P-ETR http://www.lmnoeng.com/weirs/vweir.htm 2 Esta figura procede de Hudson, H. (997): Medición sobre el Terreno de la Erosión del Suelo y de la Escorrentía. (Boletín de Suelos de la FAO 68), en: http://www.fao.org/docrep/t0848s/t0848s00.htm#contents F. Javier Sánchez San Román Dpto. Geología Univ. Salamanca http://web.usal.es/~javisan/hidro Pág. 5
mensual. Es el volumen de agua aportado por el cauce en el punto considerado durante un año o un mes (Hm 3 ). Caudal específico: Caudal por unidad de superficie. Representa el caudal aportado por cada km 2 de cuenca. Se calcula dividiendo el caudal (normalmente el caudal medio anual por la superficie de la cuenca o subcuenca considerada. (litros/seg.km 2 ). Nos permite comparar el caudal de diversas cuencas, siendo sus superficies distintas. Las áreas de montaña proporcionan más de 20 litros/seg.km 2, mientras que, en las partes bajas de la misma cuenca se generan solamente 4 ó 5 litros/seg.km 2 Lámina de agua equivalente. Es el espesor de la lámina de agua que se obtendría repartiendo sobre toda la cuenca el volumen de la aportación anual (Unidades: mm). Se obtiene dividiendo al aportación anual por la superficie de la cuenca. Es útil especialmente cuando queremos comparar la escorrentía con las precipitaciones. Si la cuenca es hidrogeológicamente cerrada y los datos proceden de más de 20 años, este valor debe ser similar a las precipitaciones no evapotranspiradas (P ETR). Tratamiento estadístico de los datos de aforos Es necesario disponer de series históricas de más de 20, preferiblemente de 30 ó más. Generalmente, utilizaremos dos tipos de datos: Caudales medios. De una serie de años dispondremos del caudal medio de cada año Caudales extremos. De una serie de años extraemos el caudal del día más caudaloso de cada año El tratamiento estadístico generalmente está encaminado a solucionar dos tipos de cuestiones: Evaluar la probabilidad de que se presente en el futuro un caudal mayor o menor que un determinado valor. Por ejemplo: Qué probabilidad hay de que la aportación anual del Tormes en Salamanca supere los 900 Hm 3? Evaluar qué caudal se superará un determinado % de los años, para conocer la probabilidad de que se produzcan crecidas o estiajes de efectos no deseados. Por ejemplo: Qué aportación se superará el 0% de los años? En estas cuestiones normalmente no se habla de probabilidad sino de periodo de retorno, que es el inverso de la probabilidad. Por ejemplo, si la probabilidad de que se alcance o supere un determinado caudal es del 5%, quiere decir que el 5% de los años el caudal será igual o mayor, o sea un año de cada 20 años (/20= 0,05) Los valores medios suelen ajustarse a la Ley de Gauss y los valores extremos a diversas leyes de distribución asimétricas, la más sencilla de las cuales es la Ley de Gumbel. (Ver el documento Distribuciones Estadísticas en la sección Complementos) F. Javier Sánchez San Román Dpto. Geología Univ. Salamanca http://web.usal.es/~javisan/hidro Pág. 6