Medición de la escorrentía.
La medición de la escorrentía requiere de tres actividades: a) aforos,
b) registro de niveles y c) determinación de la relaciones nivel-gasto. Los
aforos se refieren a la medición de la escorrentía en un momento dado y en un
lugar determinado. Los registros de niveles consisten en la medición y
tabulación continua de los niveles de los cauces. La determinación de las
relaciones nivel-gasto consiste en la preparación de curvas o ecuaciones para
determinar el gasto o caudal a partir de los niveles medidos. En el anexo C se
describe en más detalle algunos métodos de medición.
Los aforos.
Un aforo es la medición del caudal instantáneo de un cauce. Existen
varios métodos de medición de la escorrentía los cuales se basan en diferentes
principios físicos. Los métodos existentes se pueden catalogar en cuatro
categorías: a) aforadores, b) velocidad – área, c) aforos químicos y d)
ultrasonido. El método más sencillo es el aforo volumétrico, el cual se puede
realizar en cauces muy pequeños.
Los aforadores son estructuras hidráulicas que permiten determinar el
flujo en cauces y canales. Estos aparatos tienen la ventaja de su fácil uso,
sin embargo sólo pueden ser utilizados en cauces medianos y pequeños. Los
principales aforadores son:
- Canaletas (Parshall, RBC, Balloffet, Cutthroat, etc)
- Vertederos (triangular, rectangular)
- Orificios
El método de Velocidad - Área consiste en medir la velocidad del cauce
con un correntímetro o con un flotante y luego se multiplica la velocidad por
el área de la sección del cauce para obtener el caudal. Este método es el más
utilizado en ríos medianos y grandes. En cauces muy pequeños es difícil obtener
buenos resultados.
Los aforos químicos consisten en la utilización de trazadores que son
vertidos aguas arriba del punto de medición y luego en el sitio de medición se
mide la concentración de la sustancia utilizada. El caudal será proporcional a
la dilución experimentada. Este método es utilizado en cauces muy turbulentos
donde otros métodos no funcionan bien.
Los métodos de ultrasonido son utilizados generalmente en tuberías y
estiman la velocidad del flujo, la cual al multiplicarla por el área del
conducto proporciona el caudal.
4.2.2. El registro de niveles.
Cualquiera que sea el método de aforo, este no puede utilizarse
continuamente. Para poder tener un registro continuo de la escorrentía es
necesario medir el nivel del cauce mediante la colocación de miras o de imnígrafos. Los niveles son correlacionados con los gastos mediante la
utilización de gráficos o ecuaciones.
Las miras son reglas graduadas que se colocan de tal manera que puedan
leerse cualquier nivel del río. Por lo general se colocan de manera escalonada
en los taludes del cauce. Los limnígrafos son aparatos que registran
continuamente los niveles del curso de agua. Estos consisten de un sistema de
tuberías que conectan el cauce con un pozo de amortiguación dentro del cual se
coloca un flotador que asciende o desciende de acuerdo a las fluctuaciones de
los niveles del río.
Conectado al flotador se coloca un aparato registrador que dibuja un gráfico de
losniveles o el limnigrama.
Actualmente existen limnigrafos basados en diferentes principios y que
registran los niveles en forma digital, teniendo la capacidad de almacenar y
transmitir los datos. En el Anexo C se detalla el uso de estos aparatos. La
figura 4.3 muestras un esquema de una estación limnimétrica.
4.2.3. Relación Nivel - Gasto.
Para poder transformar los niveles registrados en caudales o gastos, es
necesario establecer correlaciones entre el gasto y los niveles. Esto se logra
mediante la confección de gráficos de gastos versus niveles. Para obtener esos
gráficos es necesario realizar aforos a diferentes niveles del río. Para
automatizar los cálculos se pueden utilizar métodos de ajuste de curvas y así
utilizar ecuaciones. En el caso de utilizar aforadores o vertederos, las
relaciones nivel - gasto obedecen a ecuaciones exactas.
4.3 Análisis de la información.
Como fue mencionado en el capítulo 3, el análisis de la información
consiste en la manipulación de la información con la finalidad de adecuarla a
las necesidades del usuario.
De esa manera los valores de escorrentía pueden ser presentados a escala
anual, mensual, diaria o de eventos. La información menos detallada consistirá
en valores promedio de los caudales medios y mínimos, los cuales pueden regionalizarse
en figuras o mapas de rendimiento de cuencas. Los valores máximos pueden ser
presentados mediante curvas de frecuencia de caudales y los valores medios en
la forma de curvas de duración de caudales. . Caudales medios y mínimos.
Caudales medios y mínimos.
Del análisis de la información se pueden obtener valores de caudales
medios y mínimos. Estos pueden presentarse como valores mensuales y anuales,
para una estación en particular o para varias estaciones. El cuadro 4.1 muestra
una forma de presentar los valores medios mensuales y el cuadro 4.2 muestra
valores mínimos. Cuando se cuenta con información para varias cuencas de una
región, la información puede presentarse de forma regional para poder hacer
comparaciones entre cuencas y para la estimación de caudales. La figura 4.4
muestra los caudales mínimos para diferentes años. La figura 4.5 muestra la
información de caudales mínimos para diferentes ríos dentro de la misma cuenca.
La figura 4.6 muestra las relaciones entre caudales mínimos y medios y el área de
la cuenca.
Rendimiento de Cuencas.
Una forma de presentar la información de escorrentía es mediante
cuadros, mapas y figuras representando el rendimiento de las cuencas. El
rendimiento se puede expresar en términos de litros por segundo por Km2
(lps/Km2). La figura 4.7 presenta este tipo de información. Esta información es
útil para planificación y clasificación de cuencas.
Curva de Frecuencia de caudales.
La curva de frecuencia de caudales se refiere, por lo general, a las
crecidas máximas. Esta curva se elabora mediante la recopilación de valores
máximos anuales para el período de registro. Con esa información se realiza un
estudio de probabilidad de ocurrencia o de frecuencia. Para ello se ordenan los
valores en orden decreciente y se calculan sus probabilidades. El procedimiento
a seguir es el siguiente:
a) Recopilación de la información.
b) Los valores se ordenan de forma decreciente y se calcula el período
de retorno o tiempo de recurrencia, TR. Para cada uno de los valores. El valor
de TR se calcula
como:
mn TR +1 = (4.1)
en donde:
TR = es el período de retorno en años
n = es el número de años del registro (o el número de valores)
m = el orden de magnitud del valor (m=1 para el mayor valor).
En el cuadro 4.3 se presenta un ejemplo.
c) Se grafican los valores de TR versus qmax en papel de probabilidades
de Gumbel y se traza la recta que mejor se ajuste a los valores. La figura
insertada en el cuadro 4.3 muestra un ejemplo de la curva de frecuencia.
Cuando el registro es corto, pero mayor de 5 años, se pueden extender
los registros utilizando correlaciones con estaciones vecinas. De esta manera
se modifican los valores de TR propiciando un mejor ajuste y una mejor estimación.
Al elaborar la curva de
frecuencia, sólo se grafican los valores medidos. Cabe destacar que como
la curva de frecuencia se elabora en base a probabilidades, no importa que los
datos sean discontinuos; lo importante es la longitud del registro. El cuadro
4.4 muestra los valores de crecidas máximas para varias estaciones vecinas
indicando que las grandes diferencias en períodos de registro. La figura 4.8
muestra las correlaciones entre varias de esas estaciones. Aunque los ajustes
no son excelentes, por lo menos se puede estimar el orden de magnitud a fin de
corregir los valores de TR.
4 Curva de Duración de caudales.
La curva de duración de caudales indica los caudales para una cierta
probabilidad, en términos de porcentaje del tiempo, en ese sentido, los
caudales mayores tienen menos probabilidad de ocurrir durante un año, o sea que
se presentan en un porcentaje del tiempo menor que los caudales mínimos. Su
importancia consiste en que las curvas se pueden utilizar en la planificación y
diseño de obras de abastecimiento de agua.
Él procedimiento de obtención de la curva de duración de caudales es el
siguiente:
a) Se recopilan y tabulan los datos de la estación de medición. Estos
pueden ser datos diarios o mensuales, de acuerdo a la información disponible o
el grado de exactitud que se requiera.
b) De acuerdo al rango total de valores observados, se establecen entre
10 y 20 rangos o intervalos de valores. Estos rangos serán mayores para los
caudales mayores y menores para caudales menores. Por ejemplo si el caudal
mayor observado es de
1500 m3/s y el menor de 10 m3/s, los rangos mayores pueden ser de 100
m3/s reduciéndolos en la medida en que los valores sean menores; en éstos, los
rangos serán de 20 o 10 m3/s.
c) Se prepara una tabla similar a la que aparece en el cuadro 4.5. En la
primera columna se entran los rangos. En la segunda columna se entra el valor
medio de cada rango. Luego se cuenta el número de observaciones que ocurre
dentro de cada rango y se tabula en la tercera columna.
d) En la cuarta columna se calcula el porcentaje de ocurrencia sobre el
número total de valores observados. En la quinta columna se calcula el
porcentaje acumulado el cual representa el porcentaje del tiempo en el cual
ocurre un caudal mayor o igual al valor medio del rango.
e) Con los valores de la quinta columna y el valor medio del intervalo,
se prepara un gráfico que representa la curva de duración, tal como lo muestra
la figura incluida en el cuadro.
f) Del cuadro 4.5 puede deducirse que los valores de de los caudales
para 50, 80 y 90 por ciento del tiempo son: 34.4, 11.9 y 7.9 m3/s,
respectivamente. Los valores del cuadro indican que el promedio es de
43.8 m3/s y el valor mínimo es de 3.4 m3/s.
Análisis de Hidrogramas.
Los análisis anteriores se refieren a la
información registrada a escala diaria o mayor. Para otro tipo de uso, tal como
estimar crecidas máximas o desarrollar metodologías que requieran información
más detallada, es necesario realizar análisis de Hidrogramas. Esto implica
trabajar con eventos los cuales, de acuerdo al tamaño de la cuenca, pueden
tener duraciones de horas o minutos.
El Hidrograma.
El hidrograma es una representación
gráfica de la escorrentía en función del tiempo. Este puede representar la
escorrentía para un período largo, una serie de eventos o un evento en
particular. Por lo general el análisis de hidrogramas se realiza para un solo
evento. El hidrograma de escorrentía es importante en el análisis de la
respuesta de la cuenca a un cierto evento de precipitación. La figura 4.9
representa un hidrograma con su respectivo hietograma o diagrama de
precipitación.
