Hidrometría

Hidrometría
Boris Ochoa Tocachi Curso Internacional “Hidrología y Monitoreo Hidrológico en
Ecosistemas Andinos” 10-14 de junio de 2013. Piura, Perú.

Contenido
• Introducción.
• Medición de nivel.
• Medición de velocidad.
• Trazadores químicos.
• Estructuras de medición de flujo.
– Vertederos rectangulares.
– Vertederos V.
– Vertederos mixtos.

Introducción
• “Hidrometría significa ‘medición del agua’, sea el agua que
corre en un riachuelo o en un río, la que pasa por una
tubería, la que se produce en un pozo, la que llega a —o
sale de— una planta de tratamiento, la que se consume en
una ciudad, industria o residencia, etcétera”.
• “Hidrometría es la medición del flujo en corrientes de agua
abiertas, apoyados o complementados con mediciones de
niveles del agua, niveles de lecho de cauce y transporte de
sedimentos”.
• Hidrometría = Medición del agua.

Introducción
• Cuando se mide el agua que pasa por un riachuelo o río, por una
tubería, por una sección normal de una corriente de agua, o cuando
se mide el volumen del agua que produce un pozo o la que entra a
—o sale de— una planta de tratamiento, en una unidad de tiempo,
se conoce el caudal.
• Q = Sección x velocidad = m2 x m/s = m3/s
• Caudal.

Introducción
• Caudal.
Fuente: http://ponce.sdsu.edu
• Q = [V]/[T] l/s, m3/s
• Es importante saber cuál es el caudal (Q) de una fuente, porque ese
caudal fluctúa según las condiciones meteorológicas. En tiempo de
lluvias, el caudal es mayor, y más pequeño al final del estiaje.

Introducción
• Tipos de flujo.
• Canales abiertos.
• Flujo que tiene una superficie libre que está abierta a la
atmósfera, la única fuerza que actúa es la gravedad.
– Ríos, quebradas, etc.
– Canales.
– Tuberías que no trabajan a sección llena.
• Conductos cerrados.
• Flujo en tuberías (circular, rectangular, etc.) llenas. Flujo
ocurre cuando existe una diferencia de presión o carga
entre los 2 extremos de la tubería.

Introducción
• Aforo de caudal.
• Aforar una corriente de agua es cuantificar por medios indirectos o
directos el caudal que circula por una sección determinada.
• ¿Cómo se puede aforar una corriente?
– Midiendo el nivel del agua.
– Midiendo la velocidad del flujo.
– Midiendo la “concentración” de trazadores en el agua.
• Aforos directos.
• Con molinete.
• Con trazadores químicos.
• Con flotadores.
• Electromagnético.
• Estaciones de aforo.
• Por vertedero.
• Por resalto.
• Regleta, sistema flotador,
presión, ultrasonido, sistemas
electromagnéticos, etc.

Introducción
• Mediciones indirectas.
• Carga/Presión (m).
• La carga (h) o profundidad se usa comúnmente en canales abiertos.
– Estaciones aforo.
– Vertederos.
– Medidores régimen crítico (Parshall).
• Velocidad (m/s).
• Por lo general no miden la velocidad media (V) de la sección completa de
flujo.
• Relación entre la velocidad muestreada (v) y la velocidad media (V).
• Se debe conocer el área de la sección del flujo (A).
• El caudal (Q [m3/s]) es el producto de A x V.
– (1) Correntómetros.
– (2) Molinetes de aspa.
– (3) Flotadores (estimar velocidad).

Introducción
Métodos de
Aforo
Estaciones
de Aforo
Aforos
directos
Limnimétricas
Con trazadores químicos
Con trazadores radiactivos
Con flotadores
Limnímetros: regleta
Limnígrafos De flotador
De Vertedero
De Resalto
Presas y Centrales hidroeléctricas
Neumático
De burbujas
De banda perforada
De ultrasonido
De sistema electromagnético
Por ultrasonido
Con molinete
Nivel
Nivel y/o
velocidad
Velocidad
ADP, Radar

Introducción
• Estación de aforo limnimétrica:

Introducción
• Estación de aforo limnigráfica:

Introducción
• Estación de aforo con resalto y ultrasonido:

Medición de niveles
• Los niveles de agua se obtienen:
– (a) por observación directa.
– (b) en forma de registros.
• Propósitos:
– Obtener el hidrograma para una estación de medición:
• Determinar curvas de duración.
• Probabilidad de ocurrencia de niveles o caudales.
– Determinar la curva de descarga: relación nivel – caudal.
– Usos:
• Estudios hidrológicos
• Diseño de obras.
• Navegación.
• Predicción de inundaciones.
• Gestión del agua.

• Estación de aforo de niveles:
– Miden la altura de la superficie de agua por encima de un
plano de referencia establecido: altura de aforo (m y cm).
– Registro del nivel se obtiene por:
• Observaciones sistemáticas de una regla de medición (limnímetro)
– Bajo costo inicial, fácil instalación.
– Requiere de un observador.
– Baja precisión.
• Registrador/medidor automático de niveles de agua (limnígrafo)
– Costo mayor y requiere cierta infraestructura.
– Para funcionamiento a largo plazo se recomienda este sistema.
– Cuando se usa un vertedero o aforador, el nivel de
referencia se fija en la cresta del vertedero (nivel cero).

• Selección de sitios de medición o aforo:
– Ser accesible al observador del medidor (“a menos” que se use
un medidor de grabación automático).
– Niveles bajos agua: el medidor debería tener conexión con el río
(no seco).
– Niveles altos agua: el medidor no debería estar desbordado.
– Prevenir daños del medidor: buques, desechos flotantes,
deslizamientos.
– No existe influencia de los efectos de remanso debido a
confluencias.
– Preferiblemente ubicar justo aguas arriba de una sección de
control (para evitar socavación local y sedimentación).
– Tener 1-2 puntos cercanos de referencia nivelados (revisión
regular del datum del medidor).

• Frecuencia de lecturas:
– Depende de la fluctuación de los niveles.
– Fluctuaciones pequeñas: una lectura al día puede ser suficiente.
– Fluctuaciones grandes: tres o más lecturas al día.
– En lugares con cambios muy rápidos en los niveles: lecturas horarias.
– Es preferible tomar lecturas continuas con un medidor automático.
• Tipos de medidores de niveles:
Tipo de medidor Pozo amortiguamiento
recomendado
Forma de lectura
No continua,
observación visual
Continua, equipado con
sistema grabación
Regleta (limnígrafo)
Medidor de flotador
Transductor de presión
Medidor de burbujas
Sensores ultrasónicos
Medidores nivel crecida
-
Indispensable
Preferible
-
-
-
Si
-
-
-
-
Si
-
Si
Si
Si
Si
-

1. Regla limnimétrica:
– Es el más simple y la más popular.
– Consiste de placa de medición graduada:
fundición aluminio/acero esmaltado.
– Se fija verticalmente sobre una estructura
estable: pila/columna de un puente o en
una pared.
– A veces el medidor se coloca en una
posición inclinada (orilla inclinada del río) .
– Único medidor que puede ser leído
directamente, en cualquier momento y sin
manipulación previa.
– Si el rango de niveles del agua excede la
capacidad de un solo medidor, pueden
instalarse medidores adicionales.
– Las escalas en esta serie de medidores
escalonados deben tener un traslape
adecuado.

2. Limnígrafo de flotador:
– Consiste de un flotador dentro de un pozo de amortiguamiento,
conectado al río por medio de un tubo de entrada.
– Registra cambios en el nivel del agua en:
• papel (mecánicamente).
• una memoria fija (electrónicamente).
– Se recomienda operar el flotador en un pozo de amortiguamiento.

2. Limnígrafo de flotador:
• Requisitos funcionales:
– Medidor de flotador debe permitir medir
todo el rango de niveles (más bajo al más
alto).
– Dimensiones del flotador/contrapeso, y la
calidad de los elementos del aparato
mecánico debe seleccionarse de manera que
tenga una precisión suficientemente alta.
– Material del flotador debe ser resistente a la
corrosión y anticontaminante.
– A prueba de fugas y funcionar en una
dirección verdaderamente vertical.
– El flotador debe flotar apropiadamente y la
cinta/cable no debe tener torcedura o
pliegues.

3. Transductores de presión:
– Otro nombres: sensores de presión, sondas de
presión y transmisores de presión.
– Mide el nivel como carga hidrostática que se
transforma en una señal eléctrica.
– Valor medido: el nivel actual del agua sobre del
sensor.
– Errores debido al peso variable de la columna de
agua (salinidad, temperatura y sedimento) y a
fluctuaciones de la presión atmosférica.
– Los transductores de presión se usan para la
medición de niveles de agua en sistemas abiertos y
agua subterránea.
– Los transductores de presión son compensados por
cambios en la presión atmosférica (barómetros).
– Capacidad estándar: registrador datos es de al
menos 10.000 valores.
– Algunos transductores están equipados con un
registrador análogo de tambor o con un indicador
digital del nivel de agua (pantalla).

Medición de velocidad
• Tipos de correntómetros o medidores de velocidad:
• Anemómetro y hélice
– Es el más usado.
– Usa copas cónicas o hélices para medir la velocidad
– Convierten la velocidad en número de rotaciones
– Puede ser: Hélice, eje de rotación horizontal, copas
cónicas, eje de rotación vertical.
• Electromagnético.
• Doppler.
• Óptico.

Molinete Tipo Price AA (eje vertical)
•Aspas para mantener frontal la cabeza del
medidor dentro de la corriente
•Copas cónicas 5”
•Cable o una barra para el manejo del medidor
•Pesos para sumergir el medidor cuando este está
suspendido por un cable
•Un aparato eléctrico para contar el número de
revoluciones
•Profundidad > 0.45 m
•Rango de velocidad recomendado
0.03 – 3.7 m/s
• Tiempo mínimo:
Velocidades altas 30-50 s.
Velocidades bajas 60-100 s.
V = 2.2048 R + 0.0178
R: número revoluciones por segundo
1. Anemómetros:

Molinete Pigmeo (eje vertical)
•Modificación medidor estándar Price
•Se usa para profundidades superficiales
•Copas cónicas de 2” diámetro
•Profundidad: 0.1 – 0.45 m
•Rango de velocidad recomendado
0.91 – 1.22 m/s
V = 0.9604 R + 0.0312
R: número revoluciones por segundo
1. Anemómetros:

Molinete hélice (eje horizontal) tipo “Dumas”
•Más pequeños
•Apropiados para su montaje en múltiples unidades
•Menos sensibles a las componentes de la velocidad no paralelas al eje del medidor
1. Anemómetros:

x Velocidad media
Area sección transversal
Caudal = (Área de agua en la sección transversal) x (Velocidad media)
METODO: VELOCIDAD-AREA

Q de cada subsección = Area x Velocidad media del agua
Sección transversal del canal es dividida en varias
subsecciones

Ancho
Profundidad
Area = Ancho x Profundidad
El área de cada sub-sección es determinada por
medición directa del ancho y profundidad

La velocidad del agua en cada sub-sección es estimada usando
un correntómetro para medir la velocidad del agua en
determinadas ubicaciones

Caudal total = ((Area1 x Velocidad 1) + (Area2 x Velocidad2) + ….. (Arean x Velocidadn))
El caudal del cauce es la suma de caudales de todas
las sub-secciones
1 2 3 n

• Selección del sitio:
• Tramo recto de sección uniforme.
• Profundidad agua debe ser suficiente para una inmersión efectiva
del molinete.
• La orientación del tramo de ser tal que la dirección del flujo sea lo
más perpendicular posible a la de los vientos dominantes.
• Evitar flujo de vórtices o de remanso.
• Se recomienda un sitio aguas arriba de una sección de control.
• Canal del cauce debe ser estable (margen) y con una geometría
bien definida.
• En la sección seleccionada se debe instalar una estación
limnimétrica/limnigráfica.
• El sitio debe ser accesible para visitas periódicas.
• Evitar sitios cercanos a confluencias para prevenir efectos de
remanso.

Selección del sitio

Número y ubicación de verticales (ISO)
• Normalmente las verticales debería estar regularmente espaciadas: equidistantes
• En secciones muy irregulares se tiene que adaptar el espaciamiento a las circunstancias.
Número de verticales en función del ancho del cauce (estándar ISO)

Subsecciones en el cauce
Sección uniforme
Sección irregular

Número y ubicación de puntos en la vertical (ISO)
• Estándar ISO recomienda usar el método 3 puntos: perfil velocidad parabólico.
• Cuando la distribución de velocidad no es parabólica se recomienda espaciamiento
regular equidistante.

El objetivo es representar la
velocidad media (vertical)
• Medir a 0.6 de la profundidad
cuando la profundidad río es
superficial
• Medir a 0.2 y 0.8 de la
profundidad para ríos profundos.
Estas dos velocidades se
promedian para calcular la
velocidad media en el eje vertical
Perfil de velocidad típico
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 0.5 1 1.5
Velocity, in feet per second
Distancebelowwatersurfacein
percentageoftotaldepth
Método 1 punto
Método 2 puntos
Método 3 puntos

Errores medición de la velocidad
Errores (tipo I y II) en función del numero de puntos n en la vertical

Trazadores químicos
• Aforo con sal:
– Materiales:
• Sensor de conductividad.
• Recipiente de agua.
• Sal común.
• Cucharetas de medición.
• Regleta (para enrazar la sal en la
cuchareta).

• Aforo con sal:
– En el siguiente cuadro se relaciona la distancia y la cantidad de sal a diluir en
un recipiente (valde) para inyectar al río, según la altura de agua sobre el
vertedero compuesto y la relación entre la conductividad máxima registrada y
la inicial: (Aforo eficiente: μmáx/μo = 200%)
Cantidad de sal Distancia* Caudal H sobre la “V” Relación μmáx/μo
gr m L/s cm -
10 13 2.19 7.6 3.17
10 13 3.17 8.8 2.98
14 13 5.31 10.8 3.26
16 15 8.51 13.1 2.68
35 15 14.34 16.2 2.73
36 15 18.89 18 3.27
65 18 42.16 24.8 2.94
85 20 51.17 26.9 2.78
148 20 81.75 32.4 3.1
177 25 138.46 36.9 2.29
360 25 384.22 50 2.74
420 30 621.65 60 2.6
2000 50 1420 85 2.8
* La distancia hace mención a la longitud estimada entre el punto de aforo y la inyección de sal aguas arriba.

• Aforo con sal:
– De manera resumida se tiene:
1. Diluir la cantidad de sal determinada en un recipiente,
2. Inyectar la solución aguas arriba del punto de aforo,
3. Registrar la conductividad inicial del flujo de agua y empezar a
grabar para cada intervalo de tiempo (p. ej. cada segundo),
4. Registrar el paso de la solución del trazador hasta que la
conductividad regrese a la inicial (±2μs/cm).
5. Una vez que la conductividad llegue a la inicial se detiene el registro
del sensor y la información se transfiere para su procesamiento.

• Aforo con sal:
– El coeficiente de
transformación de
la conductividad
eléctrica (us/cm) a
la concentración de
sal (mg/l) se debe
realizar cada vez
que se cambie o
compre un tipo de
sal. Como
referencia, se ha
trabajado con un
factor de 2.0832.
0 100 200 300 400 500
C tid d d l /L
0
200
400
600
800
1000
Conductividad(us/cm)
Sal - Conductividad
Cond. Elect.
Regresión lineal
Y = 2.0832 * X + 34.677
R
2
= 0.9995

• Aforo con sal:
– Finalmente el cálculo de caudal es la relación entre el
volumen de sal echada al cauce sobre la transformación de
conductividad en cantidad de sal por unidad de tiempo.
𝑄𝑄 =
𝑉𝑉
𝑘𝑘 ∗ ∑ 𝐸𝐸𝐸𝐸 𝑡𝑡 − 𝐸𝐸𝐸𝐸𝑏𝑏𝑏𝑏 ∆𝑡𝑡

Estructuras de medición de flujo

• Estructuras hidráulicas en cauces abiertos: vertedero o aforador (flume).
• Sirven para medir caudal en ríos pequeños/quebradas.
• Son menos sensibles a las condiciones aguas abajo: rugosidad cauce, remanso.
• Relación nivel caudal: se determina empíricamente o basado en principios físicos.
• Nivel de agua (carga) se mide a una distancia determinada aguas arriba.
• Cuando el nivel aguas abajo no afecta la carga aguas arriba: relación única entre la
carga y el caudal (flujo-libre).
• Si el nivel de aguas abajo afecta al flujo, se dice que el vertedero es ahogado o
sumergido.
- Es necesario una medición adicional aguas abajo.
- Factor de reducción aplicado a la ecuación de flujo-libre.

Tipos de estructuras:
1. Vertederos de cresta delgada (placa)
• Horizontal (rectangular sin contracción)
• Rectangular (con contracción lateral)
• Muesca-V
• Trapecial (Cipolletti)
2. Vertederos de cresta ancha
• Horizontal (perfil redondeado)
• Rectangular.
• Vertedero Romijn de medición y regulación
• Vertedero estándar Fayoum
• Perfil trapecial
• Muesca-V
3. Aforadores (flumes)
• Parshall
• Aforador H
• San Dimas (o San Dimas modificado)
4. Estructuras de medición compuesta

Selección de la estructura de medición

• Pérdida de carga requerida: depende del coeficiente de descarga.
- a mayor coeficiente descarga, menor carga requerida.
• Rango de medición: γ = Qmax/Qmin
- Sección triangular permiten rangos mayores que estructuras con una sección transversal
rectangular.
• Capacidad de transporte de materiales sólidos.
- Aforador/flume: facilitan paso sedimentos (cresta baja, entrada aerodinámica).
• Sensibilidad.
- Compuertas son mucho menos sensibles a cambios en el nivel del agua, estructuras de
desbordamiento son 3-5 veces más sensibles.
• Precisión: depende cantidad y confiabilidad de las calibraciones.
- Vertederos de cresta delgada son famosos por su alta precisión.
• Posibilidades para regular caudal/niveles de agua.
- Partes ajustables: regulación.
Características de la estructura

• Información disponible del cauce/canal:
•Ancho de lecho.
•Pendiente de bancos márgenes.
•Nivel del márgenes.
•Pendiente longitudinal del cauce.
•Nivel agua está o no afectado por restricciones aguas abajo.
• Condiciones adicionales:
•Rango de caudales esperado 1 m3/s < Q < 15 m3/s
•Caída/desnivel disponible.
•Transporte de material solido: sedimentos, detritos flotantes.
Condiciones de campo

• Función de la estructura:
- Es o no necesario regular los caudales/niveles? cresta fija/móvil.
• Mínimo nivel de agua requerido:
- Vertedero móvil / compuertas.
• Precisión requerida.
Requerimientos humanos

Esquema de un vertedero de cresta delgada muesca rectangular
1. Ecuación de descarga (SI):
Q: caudal (m3/s), g: gravedad (9.81 m/s2), Cd: coeficiente descarga, be: ancho efectivo (m), y he: carga
efectiva (m).
Vertedero de cresta delgada rectangular

b/B
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
α 0.588 0.589 0.590 0.591 0.592 0.593 0.594 0.596 0.598 0.602
β -0.002 -0.002 0.002 0.006 0.011 0.018 0.030 0.045 0.064 0.075
Relación entre b/B, α y β
P: altura de la cresta por encima del lecho aguas arriba (m), y α y β dependen de la relación
b/B, donde B: es el ancho aguas arriba de la aproximación al canal (m).

2. Ecuación evita el calculo del coeficiente de descarga (SI):
rango de error: 2%.
• he (o h) no debería ser menor que 0.03 m;
• b no debería ser menor que 0.15 m;
• p no debería ser menor que 0.10 m;
• h/p no debería exceder a 2.5;
• (B - b)/2 no debería ser menor que 0.10 m;
• La medición de la sección de carga debería estar ubicada a una distancia de
2 a 4 veces la máxima carga (h) aguas arriba del vertedero.
Limitaciones uso de estas dos ecuaciones:

1. Ecuación de descarga (SI):
Q: caudal (m3/s), g: gravedad (9.81 m/s2), Cd: coeficiente descarga, b: ancho (m), y he: carga efectiva (m).
2. Ecuación evita el calculo del coeficiente de descarga (SI):

•h/p no debería exceder de 4.0;
•h debería estar entre 0.03 y 1.0 m;
•b no debería ser menor a 0.3 m;
•p no debería ser menor que 0.06 m;
•La medición de la sección de carga debería estar ubicada a una distancia de 2
a 4 veces la máxima carga (h) aguas arriba del vertedero.
Limitaciones uso de estas dos ecuaciones:

Procedimiento para el diseño del vertedero:
• Asumir una valor razonable de h1, por ej. asumir la mitad de la profundidad
del agua en el cauce/canal.
• Entonces p es igual a (d – h).
• Asumir la razón ( b/B) igual a 0.6.
• Obtener Cd del grafico.
• Aplicar la ecuación para obtener b.
• Repetir el procedimiento hasta obtener el mismo valor de b.

Gráfico: Valor de Cd en función de b/B y h/p
El valor del coeficiente de descarga se puede obtener del siguiente gráfico:

 Para velocidades pequeñas, bastante sensible a Q pequeños.
 Cuando la profundidad es bastante superficial.
 El ángulo θ puede tomar varios valores (20º-120º), pero el más común es 90°.
 Para el diseño o evaluación del caudal se usa la siguiente ecuación:
Esquema del vertedero de cresta delgada de muesca en V
Muescas en V comúnmente usadas
Vertedero de cresta delgada V

Ecuación de descarga (SI):
Cd relacionado al ángulo de apertura θ, vertedero completamente contraído
La medición de la sección de carga debería estar ubicada a una distancia de 4 a 5 veces la
máxima carga aguas arriba del vertedero.
Parcialmente contraído
h/p ≤ 1.2
h/B ≤ 0.4
0.05 m ≤ h ≤ 0.6 m
p ≥ 0.1 m
B ≥ 0.6 m
Completamente contraído
h/p ≤ 0.4
h/B ≤ 0.2
0.05 m ≤ h ≤ 0.38 m
p ≥ 0.45 m
B ≥ 0.9 m
Restricciones:
θ = 90º, Cd = 0.578

Gráfico: Valor de Cd en función de h/p y p/B para un vertedero de muesca en V de cresta
delgada de 90° (parcialmente contraído).
El valor del coeficiente de descarga se puede obtener del siguiente gráfico:

• El procedimiento de diseño es similar al explicado anteriormente.
• Sin embargo en este caso se asume el valor de h para luego obtenerlo de la
ecuación del vertedero hasta lograr la convergencia.

El vertedero Cipoletti: vertedero de cresta delgada de sección trapecial con pendiente
de los lados 1:4 (horizontal a vertical).
Vertedero Cipolletti

• Vertedero V es apropiado para rangos normales de Q.
• Para caudales un poco mayores se requiera vertedero rectangular.
• Para estas condiciones se puede usar un vertedero compuesto, que consiste de una
muesca rectangular y una en V en el centro de la cresta.
• Desventaja: discontinuidad de la curva de descarga en la transición.
Vertedero compuesto

L = 0, 2, 4 ft
Q: caudal (ft3/s); h1: carga por encima del vértice de la muesca V en (ft, máx: 1 ft), h2: carga
por encima de la cresta horizontal(ft), L: longitud combinada de la parte horizontal del
vertedero (ft)
Vertedero compuesto

Fórmula para calcular caudal en base a nivel de agua en el vertedero (metros):
Donde, Q es el caudal en litros por segundo.
h es la altura de agua en metros desde el vértice hasta la superficie de agua.
h1 es la altura en metros de la sección triangular.
h2 es la altura de agua en metros sobre la sección rectangular.
B es el ancho en metros de la sección rectangular. (Ancho total del vertedero menos el ancho
de la sección triangular).
Vertedero compuesto

boris.ochoa@condesan.org
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