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CONCEPTOS GENERALES:

El agua es la sustancia más abundante en la tierra, es el principal constituyente

de todos los seres vivos y es una fuerza importante que constantemente está

cambiando la superficie terrestre. La Hidrología versa sobre el agua de la tierra, su

existencia y distribución, sus propiedades físicas y químicas y su influencia sobre el

medio ambiente, incluyendo su relación con los seres vivos. El dominio de la

Hidrología abarca la historia completa del agua sobre la tierra. Desde el punto de vista

de este curso, hablaremos de Hidrología como la parte de la geofísica que estudia la

ocurrencia de las aguas en la superficie terrestre dicho así, podemos establecer tres

partes importantes que son:

a) Hidrometría: Se encarga de obtener su información mediante la medición de los

elementos constitutivos de los regímenes del agua.

b) Hidrología Aplicada: Obtiene beneficios a partir de la Hidrometría. Por ejemplo;

la creación de Hidroeléctricas, puentes.

c) Hidrografía: Representa en gráficos y mapas toda la información recopilada por

la Hidrometría. Por ejemplo; datos de temperatura, presión, precipitación, etc.,

Sin embargo, para obtener la información necesaria para realizar lo anteriormente

expuesto, se debe planificar una red de estaciones la cual permitirá obtener los

beneficios necesarios. En esta red tendremos diversos tipos de estaciones que son:

Estaciones de Primer Orden: Se encargan de medir y registrar el nivel del agua,

caudal, tiempo, sedimentos y temperatura de¡ río. Se instalan en ríos principales

y cuenta con instrumentos especializados para una mejor recopilación de la

información.

Estaciones de Segundo Orden: Se encargan de registrar nivel de agua y caudal.

Por lo general son establecidas en las orillas de afluentes.

Estaciones en Estudios: Debido a la importancia de alguna obra a construir, se

instalan para registrar niveles bajos o altos de caudal y agua, además de

sedimentos y temperatura. Hay que señalar que si estas estaciones

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complementan su equipo pueden convertirse posteriormente en estaciones de

primer orden.

Estaciones Especiales o Temporales: Se instalan para un fin especifico y tienen

una unidad temporal para recoger información para un determinado proyecto. Al

finalizar el mismo, la estación es desmantelada y abandonada.

En Panamá la entidad encargada de registrar y manejar las estaciones

mencionadas es el Instituto de Recursos Hidráulicos y Electrificación, I.R.H.E.

Para establecer estaciones en un sitio determinado hay que considerar la importancia

del recurso en el desarrollo nacional, la accesibilidad, la no contaminación del

ambiente; características especiales que definirán la densidad de estaciones por lo cual

se puede hablar de alta densidad de estaciones, por ejemplo en la provincia de

Chiriquí.

Una estación hidrométrica es un sitio determinado en una corriente de agua con

características especiales en la cual se van a medir los elementos constitutivos de los

regímenes de agua, por ejemplo nivel de agua, profundidad, velocidad, área de la

sección transversal, etc.

De acuerdo a lo anterior, pasaremos a definir algunos términos ampliamente utilizados

en hidrología:

Caudal: Volumen de agua que pasa por una sección transversal normal al flujo

por unidad de tiempo.

Aforo: Es la medida del caudal, el cual se obtiene de manera indirecta como se

verá posteriormente.

Cuenca de captación: Extensión de terreno de limitada por la divisoria de aguas;

recoge las aguas de lluvia o manantiales, formando así los ríos o corrientes.

Escorrentía: Flujo de agua proveniente de las aguas de lluvia que van a dar a los

cauces naturales de los ríos. La escorrentía puede ser superficial o

subsuperficial, la primera es la que nos interesa en este curso.

Estación de aforo: Sinónimo de estación hidrométrica, estación medidora de

caudal,

Caudal medio: puede ser diario (volumen de agua en un día entre el número de

segundos de un día), mensual (volumen de agua en un mes entre el número de

segundos de un mes), anual

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(Volumen de agua en un año entre el número de días del año).

Caudal máximo o mínimo: El caudal más alto o más bajo registrado en cierto

periodo.

En la escorrentía superficial podemos establecer tres tipos de corrientes:

Corriente efímera: proveniente del agua que cae en el momento de la

precipitación.

Corriente intermitente: Proveniente del agua que fluye en los tiempos de invierno

(quebradas en el interior del país).

Corriente permanente: el agua que fluye durante todo del año.

Es preciso señalar que una estación hidrométrica debe constar con:

Un control.

Una sección limnimétrica o limnigráfica.

Una sección de aforo.

Un control es la parte del río donde este deja de ser río para convertirse en corriente o

torrente. Siempre está aguas debajo de la estación hidrométrica y puede ser de dos

tipos:

a) Estable: compuesto de rocas fijas as lo ancho de la sección transversal del río.

b) Inestable: compuesto de cantos rodados, piedras, arena, piedra menuda,

material del río que es arrastrado.

Para la instalación de una estación hidrométrica se debe tener un perfil a lo

ancho del control y se debe determinar la profundidad máxima para colocar la regia.

Características de la Sección de Aforo:

1. Que esté en un tramo recto y que la sección de aforo sea 6 veces el ancho del río

en este tramo.

2. Que las líneas de flujo sean paralelas a las orillas.

3. Que el cauce del río esté confinado en una sección definida.

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4. Que el fondo del cauce sea lo más estable posible, evitando que haya dunas

(arena), vegetación o lodo en el fondo.

5. No debe haber remansos, ni aguas muertas (bases de puentes).

6. Que el observador viva lo más cerca de la estación si esta es limnimétrica.

7. Que la estación sea accesible en toda época del año.

Los Limnímetros y Limnígrafos son específicamente para indicar el nivel del agua y con

este entonces calcular el caudal del río, por medio de una curva de nivel versus caudal

generada después de múltiples mediciones en un río.

La sección Limnimétrica: sirve para medir las fluctuaciones en los niveles de agua en la

estación hidrométrica.

1. Debe haber estabilidad (en los barrancos) que no haya deslizamientos.

2. Que haya sensibilidad.

3. Que haya ausencia de oleaje (para leer más rápido).

4. Que no haya remansos.

Tipos de Limnímetros:

1. En forma escalonada o escalonado: es cuando la orilla tiene poca pendiente,

este consta de varios trozos usados a medida que el nivel de agua sube. Similar a

varias reglas verticales en el piso sobre la pendiente de la orilla.

2. De un sólo tramo: es el que se usa cuando la orilla es abrupta. Es similar a una

regla muy larga.

3. Miras indirectas o limnicontactos: Del B.M. a la superficie del agua, se resta la

altura del B.M. y hallamos el nivel del río.

4. Inclinados o acostados: también llamados sesgados, estos están inclínados en el

fondo del río y sus divisiones son graduadas de tal forma que cada unidad sobre este

represente una unidad en la vertical, este tipo de limnimétrico es usado cuando el río

lleva mucha corriente.

5. Limnímetros de cinta (pozos).

6. Limnímetros de aguja: consta de una aguja en forma de garfio y un brazo o nonio el

cual se lee cuando la aguja rompe la tensión superficial del agua; se usa para registrar

cambios de nivel de agua muy pequeños en laboratorios o en estaciones

hidrometeorológicas.

7. Limnímetros eléctrico o electrónico.

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8. Maxímetros o Limnímetros de Máxima: Los maxímetros están en capacidad de

proporcionar a un costo muy bajo, registros suplementarios de los niveles máximos en

las localizaciones donde los registradores no justifican y en los casos donde las minas

limnimétricas son inadecuadas. Algunos son tubos de 2 pulgadas, perforados con

huecos de % pulgadas, se le introduce una tabla pintada con cal. Son útiles para medir

cambios de nivel de agua grandes y niveles máximos de mareas, etc. La mira utilizada

por el U.S. Geological Survey consiste en un tubo de cierta longitud, vea la figura, que

contiene una regla graduada y una pequeña cantidad de corcho. El corcho flota a

medida que el agua se levanta y parte de este se adhiere a la regla graduada en el

nivel máximo alcanzado por el agua, Entonces se puede sacar la regla graduada,

registrar la lectura máxima, limpiar el corcho y poner de nuevo la regla en su lugar para

medir la siguiente creciente.

Los Limnígrafos constan de tres elementos principales: el elemento sensor, el elemento

inscriptor y el elemento de relojería.

Tipos de Limnígrafos,

1. Por Flotadores

2. A presión

3. Digitales

1. Por flotadores: Stevens A-35 el más antiguo con engranaje de metal y sistema

de relojería de cuerda y el Stevens A-71 con engranaje de plástico y sistema de

relojería digital. Tanto el A-35 como el A-71 inscriben un gráfico sobre papel, mediante

una aguja que se mueve a medida que aumenta o disminuye el nivel de¡ agua y

registra este de manera continua en el papel; además el registro no se ve limitado, ya

que cuando el nivel de agua exceda la capacidad del papel de registro (gráfico) en una

crecida, la aguja se invierte de manera que se pueda determinar el nivel del agua.

Estos aparatos son limnígrafos de inscripción continua, con gráficos de duración de 1

año y necesitan visita cada 3 meses.

.2. A presión: El sistema NEYRPIC de procedencia alemana usa un sistema sensor

basado en la presión que viene del río y un mecanismo de aire comprimido. Sus

inconvenientes para implementarlo se centran en que la salida del tanque con aire

comprimido que usaba tenla que ser calibrado, y este duraba sólo mes y medio;

además la longitud del registro era sólo de 3 meses. El gráfico que tiene es de 6

6

metros solamente y si la crecida era superior a esto, el mercurio se derrama y no

registra nada. La toma tenía que estar bien empotrada.

3. Digitales: trabajan con telemetría, el aparato utilizado era el Fisher and Porter, el

cual no trajo muy buenos resultados, este daba niveles de agua a períodos de tiempo

de 5 minutos o más. Sus inconvenientes vienen de que perforaba grandes cantidades

de papel que luego podrían atascar los engranajes, por otra parte algo más significativo

era que habla que tener vigilancia permanente para verificar que la batería de 12 v se

encontrase en buen estado.

Diferentes tipos de aforo:

1. Radio Isótopo

2. Vertedero

3. Volumétrico

4. Area Pendiente o Método Indirecto

5. Químico

6. Flotadores

7. Hidrométrico

Método de Radio Isótopo:

Se usa en países industrializados donde se va a medir el caudal, por medio de radio

sondas, instalados en la orilla del río, por las cuales se obtiene velocidad, caudal y

profundidad.

Método de Vertedero:

Se usa en ríos de poca velocidad en donde se hace el vertedero, esto se hace

de una a otra orilla; es costoso, cada vertedero tiene su fórmula y debe ser calibrado

aguas arriba, se usa el molinete pigmeo.

Método Volumétrico:

Se usa para medir caudales pequeños, consiste en usar un recipiente de

volumen conocido, luego se registra el tiempo en que se llena el volumen, y luego se

usa la relación sencilla de Q = Volumen/ tiempo. Esto se realiza por lo general en

pequeños ojos de agua indirectamente construyendo un pequeño canal que lleve el

agua del afloramiento al recipiente sin pérdidas y se pueda efectuar la medición.

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Para emanaciones subterráneas (termales): se construye un dique alrededor de la

emanación, dejando una salida no muy grande en una de las paredes luego se procede

igual que antes con el agua que sale del agujero, cuando el agua está más o menos al

mismo nivel. Se mide le temperatura de la salida, con estos datos y una serie de

aforos podemos encontrar una curva de caudal vs temperatura, donde encontraremos

que a mayor temperatura mayor caudal es emanado.

Método de área Pendiente:

Consta de dos etapas, el trabajo de campo y el trabajo de escritorio:

a) Trabajo de Campo: se escogen tres secciones de¡ río, separadas a 100 metros

cada una, para luego obtener el perfil de cada sección cuando el río tiene menos agua,

se toman fotos a cada lado de las secciones para establecer el coeficiente de

rugosidad de Manning, luego se gráfica cada una y se obtiene un rectángulo

equivalente de igual área a la sección del río.

b) En el trabajo de escritorio, se utiliza la ecuación de Manning y las siguientes

relaciones para cada sección transversal:

A=W*D

D=A/W

P=2D + W

Rh = A/Ph

V=1/n*R2/3S1/2

Q=V*A

Donde:

W = ancho de la sección transversal

A = área

Dh= profundidad del rectángulo equivalente

Ph = perímetro mojado

Rh = radio hidráulico

S = pendiente entre las dos secciones

V = velocidad en la sección

Q = Caudal

Los resultados finales se obtienen de la siguiente manera:

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VI + V2 + V3 3

Ql + Q2 + Q3 3

Método del Aforo Químico:

La sección del aforo químico deberá tener las siguientes características:

1. Que esté en un tramo recto.

2. Que no haya aguas muertas, es cuando el río no tiene velocidad.

3. Se requiere turbulencias.

4. Es recomendable una sección medio estrecha.

5. Orilla abrupta en la sección de inyección.

6. Entre la sección de muestreo y la de experimentación, no exista aportes o

afluentes de importancia.

Este método se hace en lugares montañosos o en corrientes demasiado

pequeñas, este aforo consiste en dispersar una sustancia como sal común, agentes

fluorescentes, materiales radioactivos o cualquier otro material que se pueda medir

fácilmente. Para nuestro caso utilizaremos sal, se inyecta colorante al río tomando el

tiempo en que demoró mezclarse esta homogéneamente, desde el momento en que se

abrió el grifo o llave de palanca, luego se lava el conducto y se le agrega ahora una

dilución con NACI o sal de concentración conocida, también se toma una muestra

aguas arriba, con el fin de saber la salinidad del río, si existiera, antes de la sección de

inyección.

Dentro de 10 minutos se toman muestras en 3 botellas (primero a los 5 minutos,

6, 7, 8, etc.) todas deben dar igual resultado al analizarlas.

Las botellas deben ser iguales, se deben separar y etiquetar las muestras del

colorante y las de la sal; además deberán llevarse al laboratorio para determinar sus

concentraciones.

El concepto es sencillo, la sumatoria de todos los caudales que entran en el

tramo de estudio por sus correspondientes concentraciones de sal deberán ser igual a

la suma de todos los aportes de dicho tramo por la concentración total, así-.

donde:

Qi = Caudales aportados

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Ci = Concentraciones respectivas de los caudales tomados

Ct = Concentración total o final del río

Si el río tiene sal:

En caso de que el río aguas arriba no tuviera sal, tendríamos:

En el caso de que existieran dos afluentes entre las dos secciones:

QC1+ qC2 + Q3C3 + Q4C4 = (Q+ q + Q3 + Q4) Ct

Método de Aforo por Flotador:

Este método es muy simple y sencillo, requiere de equipo muy asequible, su

porcentaje de error está en el rango del 30%, pero considerando lo poco que se

requiere para efectuar un aforo por este método, podemos valorar su importancia.

La sección de aforo por flotador debe tener las siguientes características:

a) Seleccionar un tramo recto.

b) Que las líneas de flujo sean rectas, o sea paralelas al cauce del río.

c) Libre de obstáculo.

d) Colocar un cable aguas arriba y otro aguas abajo a una distancia de 15 a 25 m.

e) Seleccionar las estaciones donde se soltará el flotador.

f)· El cable debe estar como a 50 cm del agua, nunca en la superficie del agua.

g) Cuando se suelta el flotador se avisa para que se accione el cronómetro y

cuando este llega aguas abajo se detiene el cronómetro.

h) El aforo por flotador tiene un máximo de 30% de error.

i) Para minimizar error, se corrige caudal con coeficientes de acuerdo al viento.

i

n

itii QCCQ

1

t

t

CCCCqQ

1

2

t

t

t

t

CCC

qCCC

qQ

22

0

10

j) Se necesita el dato del nivel del agua al inicio y al final para buscar el caudal

teórico en la curva de calibración.

La velocidad se calcula de la siguiente manera:

a) Se obtiene la distancia entre las estaciones aguas arriba y aguas abajo llamada

d, y el tiempo que demoró el flotador en recorrer esta distancia.

b) La velocidad se calcula como v = d / t, sin embargo, muchas veces el flotador se

desvía cierta distancia al llegar a la sección aguas abajo por tanto, deberá

corregirse el tiempo; haciendo una analogía con un triángulo rectángulo,

tenemos que, el tiempo podría corregirse suponiendo que este es proporcional a

las distancias recorridas, así:

desviación

donde:

d = distancia entre secciones transversales.

tc= tiempo corregido

t= tiempo medido

Nota: Se recomienda que cuando se calcule manualmente, que si la diferencia entre el

tiempo medido y el tiempo corregido de tiempos es menor de 0.5 segundos no se

efectúe dicha corrección.

Para sacar el ancho entre estaciones, tomamos la estación siguiente menos la

anterior y luego la dividimos entre dos.

La profundidad promedio se obtiene sumando las dos profundidades, en la

sección aguas arriba y la estación aguas abajo, divididas entre dos.

22 dx

22 dxdttc

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Luego el área de cada estación se obtiene multiplicando el ancho por la

profundidad, excepto en las orillas donde la profundidad es cero, allí se dividirá la

profundidad anterior entre dos y se obtiene el área como la de un triángulo, esto es

igual a dividir la profundidad anterior entre cuatro y multiplicaba por el ancho.

Método Hidrométrico:

La medición de caudal por medio de este método se efectúa por medio del uso de

correntómetros o molinetes, estos aparatos se basan en la rotación de una hélice o de

una copa, las cuales miden la velocidad puntual de la corriente. Los molinetes pueden

ser de dos tipos:

1. De eje horizontal: tenemos el correntómetro A - OTT, en sus dos versiones, el

Arkansas y el Universal. Estos emplean un elemento de rotación tipo hélice y se

diferencian en que el Arkansas tiene un contacto mecánico y el Universal uno

magnético, que indican las revoluciones dadas. Estos tipos de correntómetros pueden

medir velocidades de hasta 10 m/s. Además a estos aparatos se les intercambian

distintos tipos de hélice y cada hélice tiene su ecuación particular.

2. De eje vertical: tenemos el molinete Price, el cual es de fabricación Gurley, de

aquí en adelante llamado así. El Gurley consta de seis copas cónicas que giran

alrededor de un eje vertical. Los contactos eléctricos accionados por las copas cierran

un circuito a través de una batería y el alambre eléctrico del cable que soporta el

molinete, produciendo un ' click ' por cada vuelta (o cada cinco vueltas que es

transmitido a unos audífonos de los cuales dispone el operador. Pueden medir

velocidades desde 0.3 m/s hasta 3 m/s.

El aparato utilizado en el transcurso del laboratorio fue el Gurley, este tiene las

siguientes ecuaciones:

Gurley convencional:

V = 0.675 R / t + 0.008

Gurley pigmeo:

V=0.30 R/t

Donde son revoluciones y t representa el tiempo de las mismas.

Las ecuaciones anteriores comienzan a fallar cuando el aparato está

desgastado, por algún accidente o se cambia la hélice.

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El tiempo en que se debe poner el molinete Price-Gurley en el punto de medida

es de 40 segundos o más.

Por lo general:

a) Se deberán usar de 20 a 25 estaciones, y si el río cambia el nivel muy rápido

deberá hacerse las mínimas estaciones, b) Cuando se afora se aspira que el nivel de agua se mantenga constante.

c) Para tener una idea del tamaño de las estaciones, se puede dividir el ancho de

la sección entre la cantidad de estaciones.

d) Para ubicar las estaciones se deberá tomar en cuenta la cantidad de caudal que

pase por cada una, se aspira que con un aforador de experiencia se logre que pase

aproximadamente el mismo caudal por cada estación, que sería lo mejor. Esto se

consigue visualizando por donde pasa menos agua y en estos lugares aumentar la

distancia entre estaciones.

e) Pararlos pequeños se pueden hacer hasta l5 estaciones,

Básicamente existen dos tipos de aforo hidrométrico:

1. Aforo por vadeo.

2. Aforo por suspensión o cablevía.

Para realizar un aforo por vadeo la medición de las velocidades se hacen con la

persona dentro del agua, mientras que el aforo por suspensión se realiza desde un

puente, cablevía o bote.

Aforo por vadeo:

1. Seleccionar una sección de aforo.

2. Extender un cable con escala conocida (de un metro) normal a la orilla de la sección

de aforo.

3.Se mide la cantidad de revoluciones en un determinado tiempo parta cada una de las

estaciones seleccionadas.

4. En las estaciones donde la profundidad es menor de 0.50 cm, se toma una sola

medida a 6/10 de la profundidad medidos desde la superficie. En el caso de que la

profundidad sea mayor de 0.50 cm, se tomarán dos medidas, una a 2/10 de la

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profundidad y otra a 8/10 de la profundidad , distancias que deben ser medidas desde

la superficie, La velocidad se calcula como el promedio de las dos medidas,

5. La s estaciones deberán estar menos separadas en las estaciones donde pase

mayor caudal.

6. El ancho de la estación está definido por la estación siguiente menos la estación

anterior todo esto dividido entre dos. Cuando se está en la orilla se toma la estación

siguiente contra ella misma y ese resultado se divide entre dos. Igual se hace con la

orilla final de la misma manera que cuando haya isletas o columnas a lo largo de la

sección transversal del río.

7. Con los datos de profundidad, ancho y velocidad se pueden obtener los

caudales de cada estación, los cuales a 1 sumarios todos darán como resultado el

caudal total.

8. De igual manera se calcula el área total como la suma de las áreas parciales y

luego se obtiene la velocidad media del río haciendo la división de caudal entre área.

Se debe señalar que en las orillas donde no se puede medir

la velocidad, se toma el dato de velocidad media de la estación siguiente o de la

estación anterior según sea el caso y se divide entre 3.

Aforo por suspensión:

Se realiza desde un puente o cablevía. El procedimiento es prácticamente el mismo,

las variaciones se detallan a continuación

1. Se utiliza un carrete con contador, el cual indicará la distancia vertical que recorrerá

el molinete.

2. El molinete se coloca en la superficie del agua con el carrete en cero, luego se baja

el molinete hasta que el escandallo toque el fondo del río, La profundidad de la

estación está dada por la lectura del carrete más la distancia que hay del molinete

hasta el final del escandallo o lastre.

3. El resto del procedimiento se realiza igual que en vadeo.

4. Para la distancia que existe entre el molinete y el fondo del escandallo, existe el

siguiente criterio:

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Peso del escandalo Distancia

15 lb 15 cm

30 lb 20 cm

50 lb o más 30 cm

Existe un método de aforo para crecidas, en el cual se toman lecturas de

velocidad solamente a 2/10 de la profundidad medidas desde la superficie, esto se

hace así para evitar árboles y basura que corre a través del río mientras ocurre la

crecida. Además se toman lecturas de la distancia del cablevía a la superficie del agua

durante la crecida y lecturas de la distancia del cablevía al fondo del río después de la

crecida. La diferencia de estas dos lecturas nos dará la profundidad de la estación.

Cuando se toman las distancias del cablevía al fondo del río antes de la crecida, se

debe anotar el peso del escandallo, personas y carro. Esto es lo que se conoce como

un sondeo previo a la crecida.

En los aforos anteriores, en aquellos estaciones donde se produzcan turbulencias

debido a piedras, columnas, etc. y se observen remolinos, se considerarán aguas

invertidas las cuales para cualquier cálculo llevarán un signo negativo.

CONTENIDO

Sedimentos:

El origen de los sedimentos los encontramos en la erosión producida

principalmente por la lluvia, al caer sobre la superficie de la tierra sin proteger.

Los tres agentes transportadores más importantes son la lluvia, el viento y los

movimientos sísmicos (deslizamientos).

Los sedimentos se encuentran en el agua suspendidos, en el fondo, y saltando.

Suspensión:

Se encuentran en el agua mezclados, se miden en tres formas: muestreo,

turbidímetro y por sondeo o levantamientos topográficos.

Para muestreo se utilizan diversos dispositivos, como por ejemplo el USD-48 y el

USD-49 en aquellos lugares donde se pueda vadear. Estos dispositivos constan de

botellas con boquillas de diámetros diferentes dependiendo de la velocidad de la

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corriente, por ejemplo 1/8 de pulgada para velocidades menores, 1/4 de pulgada para

velocidades mayores y 3/16 pulgadas para velocidades intermedias

Algunas veces se habla de muestras tipo integral las cuales se deben identificar.

Estas se pueden obtener con un USP-61 por vadeo o un USP-63 por suspensión.

El turbidímetro se utiliza para agua potable, se debe calibrar con un USD-48 o

USD-49 y mide la turbidez del agua.

Para sedimentos en el fondo se utilizan ecosondas que obtiene el perfil del fondo

por ejemplo en embalses.

Finalmente es importante señalar que los sedimentos determinan la vida útil de

una estructura hidráulica porque pueden provocar desgastes en las turbinas, además

de contribuir con la disminución de la vida animal.