Hidrometría

El hidrométrico es la rama de los términos hidrológicos dondequiera que fluyan las aguas continentales, superficiales o subterráneas. En general, la hidrometría se relaciona con la medición del caudal de los ríos , que se indica con la letra Q.

La mayoría de las estaciones hidrométricas automáticas solo miden la profundidad del agua. Luego, el caudal se vuelve a calcular a partir de una relación que vincula el caudal con la altura del agua: la curva de clasificación . Sin embargo, esta relación es específica de cada sitio de medición y puede variar con el tiempo, en particular después de una inundación si esta última ha excavado o depositado sedimentos en el lecho del curso de agua. Por tanto, es necesario medir el caudal con regularidad para definir la relación altura-caudal y seguir su evolución. Una medición puntual del flujo se llama calibrar .

Concepto de flujo instantáneo

El caudal instantáneo, Q , es el volumen de agua que pasa a través de la sección de un curso de agua durante una unidad de tiempo.

Q=Vt{\ Displaystyle Q = {\ frac {V} {t}}}

{\ Displaystyle Q = {\ frac {V} {t}}}

$Q$ : caudal (en m 3 / s)
$V$ : volumen (en m 3 )
$t$ : tiempo (en s)

Considerando el "área mojada" ( , en metros cuadrados), definida como la sección del curso de agua tomada perpendicular al flujo, el volumen corresponde al producto de esta área por una longitud en la dirección del flujo ( en metros): $S$ $V$ $L$

V=S×L{\ Displaystyle V = S \ times L}

{\ Displaystyle V = S \ times L}

Por tanto, la longitud corresponde a la distancia recorrida por la corriente durante una unidad de tiempo. Por tanto, la relación de esta duración con respecto al tiempo corresponde a la velocidad media de la corriente en la sección ( ):

L

t

{\ Displaystyle v _ {\ text {avg}}}

Lt=vpromedio{\ Displaystyle {\ frac {L} {t}} = v _ {\ text {avg}}}

{\ Displaystyle {\ frac {L} {t}} = v _ {\ text {avg}}}

Por tanto, el caudal viene dado por la relación: Q=Vt=S×Lt=Lt×S=vpromedio×S{\ Displaystyle Q = {\ frac {V} {t}} = {\ frac {S \ times L} {t}} = {\ frac {L} {t}} \ times S = v _ {\ text { avg}} \ times S}

{\ Displaystyle Q = {\ frac {V} {t}} = {\ frac {S \ times L} {t}} = {\ frac {L} {t}} \ times S = v _ {\ text { avg}} \ times S}

Los diferentes métodos de medición de caudal

No existe un método ni un dispositivo universal para la medición de caudal, la elección de un método está condicionada por varios factores, podemos mencionar en particular:

el orden de magnitud del flujo;
configuración del sitio y condiciones de flujo;
el equipo de medición y el tiempo disponible;
el número de personas que pueden participar en la medida;
finalmente la precisión que queremos obtener.

La medición del caudal de un líquido que fluye al aire libre se basa en tres familias principales de métodos (clasificados según el principio físico en el que se basan) que son:

métodos cinemáticos ;
métodos dinámicos ;
métodos físicos.

Métodos cinemáticos

Consideran principalmente la velocidad del flujo. Los dos tipos de métodos que se presentan a continuación se relacionan con esta categoría:

El método capacitivo

Este método consiste en medir el tiempo de llenado de un volumen determinado mediante un cronómetro. Este método funciona bien para caudales pequeños (unos pocos litros por segundo) y secciones pequeñas. El método debe repetirse al menos tres veces. Si obtenemos el mismo orden de magnitud las tres veces, promediamos las tres medidas y usamos la fórmula . Este método es sencillo, rápido y económico. ${\ Displaystyle Q = V / T _ {\ text {avg}}}$

El método explorando el campo de velocidad.

La velocidad del flujo no es uniforme a lo largo de la sección transversal de la corriente.

Por tanto, es necesario “explorar el campo de velocidades” realizando mediciones en varios puntos del tramo, generalmente ubicados a lo largo de verticales juiciosamente distribuidas a lo largo del ancho del río.

A partir de estas lecturas puntuales, se determina una velocidad promedio en cada una de las verticales, que se considera representativa de la velocidad de flujo sobre un elemento de la superficie mojada.

Este último así cortado en varios elementos yuxtapuestos, el caudal total se obtiene sumando, en todo el ancho del río, los productos de la velocidad media del caudal por la superficie del elemento de sección correspondiente. Las mediciones de la velocidad del flujo se pueden realizar con diferentes tipos de equipos, siendo los más utilizados los carretes y los flotadores . En la década de 1990 apareció la técnica de medición del medidor de corriente Doppler, utilizada en oceanografía para estudiar las corrientes marinas .

La precisión en la medición de flujo aumenta si:

las condiciones de flujo no varían durante la medición;
las velocidades en todos los puntos son mutuamente paralelas y perpendiculares a la sección de medición;
las curvas de distribución de velocidad a lo largo de las verticales u horizontales son regulares;
las dimensiones geométricas de la sección están claramente definidas.

Para dar cumplimiento a estas recomendaciones, la ubicación de la medida elegida debe, en la medida de lo posible, tener las siguientes características:

el alcance debe ser recta y tienen una sección uniforme y la pendiente;
el flujo debe estar alejado de cualquier curva u obstáculo, natural o artificial, que pueda causar una perturbación del flujo (las corrientes de líquido deben ser paralelas);
Se deben evitar los sitios donde hay remolinos, áreas de agua muerta, flujos demasiado convergentes o divergentes.

Medición con carrete clásico

Las mediciones generalmente se realizan con carretes de hélice. Un carrete impulsado por hélice es un "carrete cuyo rotor es una hélice que gira alrededor de un eje aproximadamente paralelo al flujo" . El carrete está formado por un elemento denominado "cuerpo del carrete" que tiene un eje horizontal sobre el que gira la hélice . La rotación de la hélice produce pulsos que son detectados y contados por un dispositivo electrónico llamado contador, conectado al cuerpo del carrete.

El medidor de corriente está sumergido en la corriente frente a la corriente, la velocidad de rotación de la hélice está vinculada, por una relación, a la velocidad local de flujo. Una hélice se caracteriza por su paso y diámetro. El paso es la distancia recorrida por el agua para generar una vuelta de la hélice. La relación entre la velocidad del flujo y la velocidad de rotación de la hélice se denomina "curva de calibración" de la hélice .

V=a×no+B{\ Displaystyle V = a \ times n + b} ${\ Displaystyle V = a \ times n + b}$

$V$ : velocidad actual en m / s
$a$ : paso de la hélice en m
$no$ : número de vueltas de la hélice por segundo
$B$ : velocidad de fricción o velocidad inicial

Ejemplo de hélice Dumas n o 1-71605:

{v=0.0615×no+0,012para no<1,8v=0,0572×no+0,02para 1,8<no<6,67{\ Displaystyle {\ begin {cases} v = 0 {,} 0615 \ times n + 0 {,} 012 & {\ text {for}} n <1 {,} 8 \\ v = 0 {,} 0572 \ veces n + 0 {,} 02 & {\ text {for}} 1 {,} 8 <n <6 {,} 67 \ end {cases}}}

{\ Displaystyle {\ begin {cases} v = 0 {,} 0615 \ times n + 0 {,} 012 & {\ text {for}} n <1 {,} 8 \\ v = 0 {,} 0572 \ veces n + 0 {,} 02 & {\ text {for}} 1 {,} 8 <n <6 {,} 67 \ end {cases}}}

Cada hélice debe utilizarse en el rango de velocidad para el que ha sido calibrada.

Medición con un medidor de corriente electromagnética.

Se puede utilizar otro tipo de dispositivo para medir la velocidad del flujo. Este es el actualómetro electromagnético (sonda electromagnética asociada a un indicador de velocidad electrónico).

El agua, moviéndose en el campo magnético generado por la sonda, produce una fuerza electromotriz inducida proporcional a la velocidad del flujo.

Este tipo de material tiene muchas ventajas: sin partes móviles (bajo riesgo de deterioro y bajo mantenimiento), indicación directa de la velocidad del flujo, amplio rango de velocidades medibles - 0.1 a + 6 m / s

Este tipo de material es muy interesante porque permite medir velocidades muy bajas y no le molestan las malas hierbas acuáticas.

El recuento, que antes se realizaba de forma manual, ahora se realiza automáticamente mediante la herramienta informática.

Medición mediante flotadores

Este proceso se utilizará:

si es imposible utilizar un carrete (velocidades o profundidad excesivas, presencia de materiales en suspensión o velocidades demasiado bajas, etc.);
si desea obtener una estimación rápida del flujo.

La velocidad del flujo se determina midiendo la velocidad de movimiento de los flotadores liberados en el curso de agua. Se pueden utilizar flotadores naturales o artificiales: tapones de pesca, burbuja de agua, trozos de madera, tubos de PVC taponados, botellas, pelotas de ping-pong, pelota de goma, naranja (casi la misma densidad que el agua natural y luz indicadora), etc.

Los flotadores se pueden usar para determinar las velocidades de flujo en la superficie, en profundidad o promedio sobre una vertical

Q=k×Vpromedio×S{\ Displaystyle Q = k \ times V _ {\ text {avg}} \ times S} ${\ Displaystyle Q = k \ times V _ {\ text {avg}} \ times S}$

$k$ coeficiente de flujo, menor o igual a 1 (adimensional);
${\ Displaystyle V_ {avg}}$ velocidad media (en m / s) dada por el tiempo medio que tardan los flotadores en cubrir una distancia;
$S$ sección mojada en m 2 .

Métodos dinámicos

Método hidraulico

Estos métodos se pueden implementar cuando el flujo ocurre en estructuras de estructura bien definida para las cuales el flujo se puede obtener, en particular, de la altura del agua medida aguas arriba de la estructura.

La relación utilizada para obtener el caudal “ ” $Q$ en función del nivel de agua aguas arriba “ ” $h$ proviene de los resultados de las pruebas realizadas en el laboratorio o en el sitio, que constituyen la “calibración” (o tara) de la estructura. La relación “ ” ${\ Displaystyle Q = f (h)}$ puede tener la forma de una curva o de una tabla que dé directamente la correspondencia altura-caudal, o de una fórmula hidráulica que comprenda uno o más coeficientes resultantes de la calibración.

El nivel de precisión que se puede esperar de estos métodos depende obviamente del cuidado que se tenga al realizar las mediciones, pero también:

la calidad de la calibración previa y, en el caso de utilizar fórmulas, la elección del coeficiente adoptado;
la importancia de la diferencia entre las condiciones que prevalecieron durante la calibración y las condiciones realmente encontradas durante la medición (en particular, las características de la estructura y las condiciones de flujo).

En un río , se pueden encontrar muchos tipos de estructuras hidráulicas: presas o umbrales , válvulas , orificios, escalera para peces , etc. Se pueden agrupar en dos categorías principales:

trabajo calibrado o copia certificada de trabajo calibrado;
trabajo no calibrado.

La relación nivel de agua-descarga se puede calcular sin calibración para umbrales regulares.

Actualmente, las estructuras sobre las que debe comprobarse el caudal según el artículo "L 232-5" no están, en su mayor parte, calibradas. Sin embargo, esta situación debería cambiar ya que la normativa impone a los operadores, durante cualquier nueva construcción o cualquier renovación de una concesión, la instalación de un dispositivo calibrado que permita el control permanente del caudal mantenido en el río.

Métodos físicos

Método de dilución

El método de dilución entra en la categoría de métodos físicos, ya que se basa en tener en cuenta las variaciones en la concentración (propiedad física) de un trazador en el agua. Sin embargo, los trazadores utilizados son a menudo sustancias químicas que se dosifican mediante procesos químicos; de ahí el nombre de "método químico" o "medición química" para calificar también el método de dilución.

El método solo se explica aquí de manera resumida y simplificada: se da el principio general de uno de los métodos de medición por este método (método de inyección instantánea).

Il faut signaler d'emblée que cette méthode, plus que les autres, exige beaucoup de technicité et pour une mise en œuvre effective, il est nécessaire d'avoir suivi une formation pratique préalable ou de faire appel à une ou plusieurs personnes expérimentées pour conduire las operaciones.

Dadas estas recomendaciones, el método de dilución presenta potencialidades interesantes, y cuando las condiciones de medición son óptimas, la precisión obtenida es muy satisfactoria (del orden del 5%). Además, es especialmente adecuado para pequeños caudales y representa, en determinadas condiciones del lugar (en particular para determinados tramos de arroyos de montaña), el único medio para determinar el caudal. También es complementario al método por exploración del campo de velocidades: las características de flujo adecuadas para el uso del método de dilución son precisamente, en su mayor parte, las que hacen desaconsejable el uso del método por exploración del campo.

El método consiste en inyectar un trazador en solución (de concentración conocida) en un punto del curso de agua y seguir la evolución de su concentración a nivel de un tramo situado aguas abajo. La distancia entre el punto de inyección y la sección aguas abajo seleccionada debe ser suficiente para que la mezcla del trazador con el agua se pueda lograr por completo. La longitud mínima del tramo de río necesaria para asegurar esta mezcla se denomina comúnmente "longitud de buena mezcla" .

La méthode est particulièrement adaptée aux torrents de montagne sur lesquels le brassage est important (tourbillons, lits sinueux, forte rugosité ), mais elle peut également être employée sur des cours d'eau plus calmes, à condition de prendre une « longueur de mélange » mayor.

La inyección se realiza en forma de solución concentrada, de forma casi instantánea o continua a un caudal constante.

Aquí solo se da el método por inyección instantánea (también llamado método global o método por integración), porque:

su implementación sigue siendo simple (en particular, no hay necesidad de equipos de inyección especiales);
requiere la inyección de solo una pequeña cantidad de marcador, por lo tanto, menos riesgo para la calidad del agua y un bajo costo.

Q=k(VS1VS2){\ Displaystyle Q = k \ left ({\ frac {C_ {1}} {C_ {2}}} \ right)} ${\ Displaystyle Q = k \ left ({\ frac {C_ {1}} {C_ {2}}} \ right)}$

$k$ coeficiente de flujo menor o igual a 1 (adimensional)
$C_1$ concentración del marcador en el lugar de la inyección
$C_2$ concentración del trazador aguas abajo del punto de inyección

Las distintas estaciones de débito permanentes

Estaciones clásicas

Se trata de estaciones que permiten calcular el caudal gracias a una relación inequívoca entre la altura y el caudal. Para una altura determinada, solo hay un flujo. $h$

Estas estaciones albergan una unidad de adquisición que mide el nivel en pasos de tiempo fijos o variables y almacena la información en forma de un archivo de altura-tiempo.

Los equipos de campo realizan regularmente mediciones de caudal puntuales, describiendo así todos los regímenes hidrológicos (agua alta, media y baja).

Cada medida de caudal permite obtener un par (altura media, caudal). El conjunto de parejas permite trazar una curva que pasa lo más cerca posible de los puntos, cuya curva se denomina curva de calificación. La curva se define en forma de funciones matemáticas, parabólicas o más arbitrarias en forma de líneas discontinuas. ${\ Displaystyle (h, Q)}$

Estas curvas cambian con el tiempo y las mediciones de flujo puntuales pueden desviarse de la curva ideal, lo que se conoce como reducción de potencia durante el período en que crece la vegetación acuática. El trabajo realizado en un río, como la limpieza, también puede hacer que una curva de clasificación sea obsoleta.

Por lo tanto, una curva de calificación es válida de una fecha a otra. El uso de archivos de altura-tiempo depende de la calidad de la curva: si se excede un nivel y no se conoce su caudal correspondiente, se denomina altura fuera de la curva. En este caso, extrapolamos la curva y en ocasiones esperamos años antes de tener la confirmación de esta extrapolación. El coste medio de una estación de transmisión remota automática es de 7.500 euros. ${\ Displaystyle (h, t)}$

Algunos ríos naturales o canalizados no tienen una curva de calificación: el conjunto de puntos es una nube de puntos. En particular, para cursos de agua de pendiente suave, el nivel de inundación es mayor que el nivel de inundación en un flujo dado. Podemos construir una curva de calificación mediante el método de gradiente limnimétrico. Algunas estaciones de caudalímetros miden el caudal instantáneo sin necesidad de curvas de clasificación. ${\ Displaystyle (h, Q)}$

Estaciones ultrasónicas

La técnica utilizada se basa en medir el tiempo de viaje de los pulsos ultrasónicos que cruzan el río en ángulo con la corriente. De ahí se deduce el tiempo según la velocidad del agua y el caudal.

Este sistema no es adecuado para mediciones de caudal en ríos anchos y poco profundos (riesgo de reflexión en la superficie o en el fondo). El curso de agua debe ser recto en una longitud de al menos 10 veces su ancho. Su geometría debe ser estable en el tiempo. El agua debe ser lo más homogénea posible desde el punto de vista de la temperatura. Debe evitarse la presencia de burbujas de aire provocadas por la caída de agua.

Descripción de la medida

Varios pares de transductores están montados en oposición en las orillas, a diferentes profundidades bien definidas, cada transductor se comporta alternativamente como un transmisor y luego como un receptor de ondas ultrasónicas.

Estas ondas son recibidas por los transductores opuestos de cada par después de un tiempo que depende de la longitud del camino, la velocidad del sonido en ese camino y el componente de velocidad del agua. $vs$

Si el agua está tranquila, las dos olas llegan simultáneamente, pero si está agitada, uno de los dos impulsos llegará antes que el otro. Los instantes de tránsito relacionados con el trayecto considerado se denominan y . A partir de estos tiempos, se puede calcular la velocidad media del corte de agua. $t_1$ $t_2$

Para una trayectoria ultrasónica, de hecho, el componente de velocidad del agua promedio a lo largo de la trayectoria se puede formular de la siguiente manera: y con: ${\ textstyle t_ {1} = {\ frac {L} {c + V_ {p}}}}$ ${\ textstyle t_ {2} = {\ frac {L} {c-V_ {p}}}}$

$L$ longitud de la trayectoria ;
$vs$ velocidad del sonido en el agua;
$V_ {p}$ componente de velocidad media;
$t_1$ y tiempo de viaje . $t_2$

$V_ {p}$ es independiente de y se puede expresar en función de y : $vs$ $t_1$ $t_2$

Vpag=L×t2-t12t1×t2{\ Displaystyle V_ {p} = L \ times {\ frac {t_ {2} -t_ {1}} {2t_ {1} \ times t_ {2}}}} ${\ Displaystyle V_ {p} = L \ times {\ frac {t_ {2} -t_ {1}} {2t_ {1} \ times t_ {2}}}}$

La velocidad media del agua es entonces: $V_ {1}$

V1=Vpagporque⁡θ{\ Displaystyle V_ {1} = {\ frac {V_ {p}} {\ cos \ theta}}} ${\ Displaystyle V_ {1} = {\ frac {V_ {p}} {\ cos \ theta}}}$ donde es el coseno del ángulo entre la dirección del flujo y la trayectoria de las ondas ultrasónicas. ${\ Displaystyle \ cos \ theta}$

El caudal total se obtiene sumando los resultados de estas diferentes medidas

Q=∑I=0noQI×SI{\ Displaystyle Q = \ sum _ {i = 0} ^ {n} Q_ {i} \ times S_ {i}}

{\ Displaystyle Q = \ sum _ {i = 0} ^ {n} Q_ {i} \ times S_ {i}}

$no$ : número de ondas ultrasónicas más una;
$Q_i$ : flujo parcial;
$Sí}$ : superficie entre olas.

El coste de una estación de ultrasonidos varía entre 40.000 euros y 150.000 euros.

Estaciones electromagnéticas

Esta técnica se basa en la inducción electromagnética . Los electrodos colocados en las orillas del río miden un voltaje generado por el paso del agua a través de un campo magnético vertical creado por una bobina electromagnética.

El curso de agua debe estar revestido con una membrana aislante pesada. La ley de Lenz-Faraday da: ${\ textstyle e = - {\ frac {\ mathrm {d} F} {\ mathrm {d} t}}}$

Q=F(F){\ Displaystyle Q = f (F)}

{\ Displaystyle Q = f (F)}

donde F es el flujo magnético.

La técnica electromagnética se puede utilizar cuando el agua no es homogénea debido a una mala mezcla de dos fuentes, o cuando el canal está bloqueado por limo, hierba, depósitos o escombros.

La medición electromagnética no se ve afectada por el paso de barcazas, por la modificación de depósitos y la inestabilidad del fondo marino. Es insensible al crecimiento de vegetación acuática, burbujas de aire y materia en suspensión. No se ve afectado por las variaciones de temperatura ni por las corrientes oblicuas.

Por otro lado, esta medida puede verse perturbada por líneas eléctricas o transmisiones de radio, fuentes de interferencia.

El río debe ser recto en una distancia igual a 3 veces su ancho y tener menos de 20 metros de ancho debido al precio de costo.

El coste de una estación electromagnética es superior o igual a 150.000 euros.

Propósito de la hidrometría

Banco Nacional de Débito: Hydro Bank
Conocimientos generales: gestión del agua (sequía, inundaciones )
Modelización de inundaciones , cálculo de caudales máximos )
Dimensionamiento de estructuras de ingeniería civil
Medición de la contaminación
Redes de saneamiento

Ver también

Notas y referencias

ISO 772: 2011 (en) Hidrometría - Vocabulario y símbolos