Manual Lab de Hidrología Superficial 2009

INSTITUTO TECNOLGICO DE SONORA Direccin de Ingeniera y Tecnologa

Departamento de Ingeniera Civil

MANUAL DE LABORATORIO

DE HIDROLOGA SUPERFICIAL

Cd. Obregn, Sonora. Mayo de 2014

INSTITUTO TECNOLGICO DE SONORA

Rector

Dr. Isidro Roberto Cruz Medina

Vicerrector Acadmico

Dr. Jess Hctor Hernndez Lpez

Director Acadmico del rea de Ingeniera y Tecnologa

Dr. Joaqun Cortez Gonzlez

Jefe del Depto. de Ingeniera Civil

M.I. Luis Alonso Islas Escalante

Manual de Laboratorio de Hidrologa Superficial, plan 2009.

Maestro Luis Islas Escalante.

ii

INDICE GENERAL

Sesin 1. Indicaciones respecto al nmero de prcticas, modalidad de evaluacin y normas

generales.-----------------------------------------------------------------------------------------------iii

Sesin 2.

PRCTICA 1; Subsistemas del ciclo hidrolgico.-----------------------------------------------1

Sesin 3.

PRCTICA 2; Elementos de una estacin climatolgica y su funcionamiento.-------------3

Sesin 4 y 5

PRCTICA 3; Curvas Intensidad duracin perodo de retorno.---------------------------5

Sesin 6.

PRCTICA 4; Aforo de corrientes, mtodo Velocidad Conductividad, con Equipo

Flowmeter.---------------------------------------------------------------------------------------------- 7

Sesin 7.

PRCTICA 5; Aforo de corrientes, mtodo Seccin Velocidad (Molinete). -------------9

Sesin 8.

PRCTICA 6; Aforo de corrientes, mtodo SeccinPendiente. ----------------------------16

Sesin 9.

PRCTICA 7; Estimacin de la capacidad de infiltracin de suelos In Situ.---------------20

Sesin 10.

Examen de Laboratorio. ---------------------------------------------------------------------------22

Sesin 11.

PRCTICA 8; Visita a presas de almacenamiento y Derivacin ---------------------------23

Sesin 12 y 13.

PRCTICA 9; Funcionamiento de Vaso.--------------------------------------------------------25

Sesin 14.

PRCTICA 10; Trnsito de avenidas en Vasos. -----------------------------------------------30

Sesin 15.

PRCTICA 11; Trnsito de avenidas en Cauces. ----------------------------------------------34

BIBLIOGRAFA------------------------------------------------------------------------------------38



iii

Sesin 1. Indicaciones respecto al nmero de prcticas, modalidades de evaluacin y

normas generales.

1. Nmero de prcticas: 11.

2. Se entregar un reporte individual de las prcticas (con excepciones

consideradas por el Profesor del curso).

3. La entrega del reporte ser una semana despus, o en la siguiente sesin, de

haberla llevado a cabo en laboratorio o en campo.

4. La presentacin del reporte deber incluir:

Portada; Indicando nmero y nombre de la prctica, fecha de entrega y datos

de identificacin personal. Diseo personal.

Introduccin.

Objetivo.

Materiales y Equipo.

Procedimiento.

Tabla de parmetros registrados durante la prctica.

Clculos; operaciones a mano.

Tabla de resultados y su anlisis.

Conclusin.

Bibliografa.

5. No se reciben reportes extemporneos.

6. Cinco faltas al curso de Laboratorio de hidrologa superficial causa la

reprobacin automtica, de acuerdo a reglamento ITSON. Mximo permitido

ser cuatro faltas.

7. La calificacin final estar integrada por; el promedio de la calificacin de los

11 reportes entregados (CPR), el cual equivale al 65% de la calificacin final y

la participacin y asistencia en la prctica (CPA), con 35%. Para determinar si

se acredita el Laboratorio, deber obtener una calificacin integrada mayor o

igual a 7. Calificacin Final = 0.65*(CPR)+0.35*(CPA).

8. Las prcticas en laboratorio tendrn una duracin mnima de dos horas y si el

proceso requiere de mayor tiempo se tomarn datos hasta por un perodo de 48

horas. En salidas al campo la duracin de prctica es aproximadamente dos



iv

horas (depende de la habilidad de los estudiantes para manejar el equipo) ms

el tiempo de traslado al sitio, por lo que habr que considerar un tiempo de tres

a cuatro horas.

9. Las prcticas en campo sern: Prctica 1, 2, 4, 5, 6 y 8.

10. Se formarn equipos de estudiantes con cinco integrantes como mximo, para

trabajar en laboratorio o en campo.



1

PRCTICA 1; SUBSISTEMAS DEL CICLO HIDROLGICO.

Unidad de competencia 1.

Describir el ciclo hidrolgico y su relacin con la probabilidad y estadstica aplicable a

eventos hidrolgicos.

Descripcin del problema a resolver:

Se ubica la zona de estudio en el Valle Aluvial del Ro Yaqui, se solicita al estudiante

describir la zona de estudio indicando aspectos topogrficos, geolgicos, cobertura vegetal

(%), uso y tipo de suelo e indicar de forma preliminar, la existencia de agua en cualquiera

de los elementos del ciclo hidrolgico. Adems, se deben reportar los parmetros de CE,

Salinidad, STD, pH y temperatura del agua que se encuentre en la zona de estudio.

Objetivo: Describir los subsistemas del ciclo hidrolgico en la zona del Valle Aluvial del

ro Yaqui, as como, las caractersticas topogrficas y geolgicas de la zona, cobertura

vegetal y uso de suelo.

Material y Equipo:

1 GPS.

1 cinta mtrica de 30 m.

1 Cubeta

1 Pala

1 Potencimetro.

1 Conductmetro YSI 30.

Libreta de apuntes y cmara fotogrfica.

Escenario:

Trabajo en campo, laboratorio y gabinete.



2

Indicaciones:

Registrar evidencia de los subsistemas del ciclo hidrolgico identificados en campo,

capturando imgenes fotogrficas de los mismos.

Describir cada uno de estos subsistemas.

Describir las caractersticas topogrficas y geolgicas de la zona, as como

cobertura vegetal, uso de suelo.

Obtener una muestra de suelo (20 cm de la capa superior) para determinar la

granulometra del mismo (en laboratorio) e indicar la permeabilidad terica

correspondiente.

Registrar Conductividad Elctrica, Slidos Totales Disueltos, Temperatura y pH del

agua superficial y/o subterrnea que se encuentre en la zona de estudio.

Indicar el procedimiento detallado llevado a cabo durante la prctica:

Resultados y Conclusin.



3

PRCTICA 2; ELEMENTOS DE UNA ESTACIN CLIMATOLGICA

Y SU FUNCIONAMIENTO.

Unidad de competencia III.

Distinguir el proceso de la precipitacin y las tcnicas de su cuantificacin para estudios

hidrolgicos de anlisis o diseo de obras hidrulicas.


Obtener, en tiempo real, los datos climatolgicos registrados por una estacin ubicada en el

Valle del Yaqui, describiendo cada uno de los equipos instalados en sta, as como la

utilidad de los valores de la medicin.

Objetivo: Conocer el funcionamiento general de la estacin climatolgica, la captura de los

datos de cada equipo en las unidades correspondientes.

Material y Equipo:

Estacin climatolgica y accesorios.


Escenario:

Trabajo en campo y gabinete.

Indicaciones:

Localizar una estacin climatolgica en el Valle del Yaqui, capturar imgenes

fotogrficas de cada uno de los equipos que la componen.

Describir cada uno de los equipos que componen la estacin climatolgica.

Indicar el procedimiento de registro de valores de cada uno de los equipos que

componen la estacin climatolgica.

Registrar nombre, dato observado y los valores con unidades, de todos los equipos

que componen la estacin climatolgica.



4


Conclusin.

Tabla 2.1 Equipo, datos y su cuantificacin en estacin climatolgica.

Equipo Dato Registrado Valor y Unidad



5

PRCTICA 3; CURVAS INTENSIDAD DURACIN PERODO DE RETORNO.

Unidad de competencia III.

Distinguir el proceso de la precipitacin y las tcnicas de su cuantificacin para estudios

hidrolgicos de anlisis o diseo de obras hidrulicas.


Para facilitar la toma de decisiones de un ingeniero que requiere disear una obra

hidrulica, se ha solicitado al hidrlogo presentar un proceso grfico para predecir la

intensidad de la precipitacin, si la duracin de la misma es de 50 min y el perodo de

retorno es de 30 aos, necesaria para obtener el gasto y dimensionar una estructura

hidrulica. El grfico solicitado ser aplicable a la zona de influencia de una estacin

climatolgica ubicada en el Valle del Yaqui.

Los datos se muestran en la Tabla 3.1

Tabla 3.1 Estacin del Servicio Meteorolgico (Manzana 910 del Valle del Yaqui).

INTENSIDADES (mm/hora)

Datos de 1983 a 1993 con duracin de 10 min a 8 horas

Ao/durac.

10.00 20.00 30.00 60.00 120.00 180.00 240.00 480.00

1983 59.40 59.70 67.80 35.30 19.30 11.00 8.83 6.25

1984 61.20 29.10 19.40 40.70 25.75 18.13 13.78 5.78

1985 116.40 87.90 65.20 33.00 16.55 11.07 8.30 4.15

1986 40.80 29.70 20.00 31.80 15.90 10.60 10.60 8.15

1987 61.20 39.60 40.40 36.50 19.15 13.03 9.93 5.00

1988 39.00 29.40 36.80 6.20 3.30 2.23 6.25 5.96

1991 60.00 30.00 39.40 65.10 35.15 23.67 7.05 5.10

1992 159.00 120.00 88.00 56.00 33.25 22.93 17.33 2.04

1993 60.00 59.40 40.60 33.00 20.40 16.43 5.45 4.53

Objetivo:

Obtener las curvas I-d-Tr, para datos de precipitacin registrados en una estacin

climatolgica de la regin, aplicando los mtodos de Gumbel y Correlacin Lineal Mltiple

con el software HidSup y Excel.



6

Material y Equipo:

1 PC con software HIDSUP, manual de usuario del software paquete de hidrologa

superficial.

Datos de precipitacin.

Escenario:

Un aula de cmputo con una PC por alumno y PC con can para el maestro.

Indicaciones:

Ubicar la estacin climatolgica en un plano del Valle del Yaqui.

Utilizando el software HIDSUP, aplicar el mtodo de Gumbel y obtener grfica de

curvas i-d-Tr, en escala aritmtica, con software Excel.

Utilizando el software HIDSUP, aplicar el Mtodo de Correlacin Lineal Mltiple y

obtener grfica en escala logartmica, con software Excel.

Determinar la intensidad de la precipitacin para la duracin y perodo de retorno

indicados en el problema, con ambos mtodos.





7

PRCTICA 4; AFORO DE CORRIENTES,

MTODO VELOCIDAD CONDUCTIVIDAD CON EQUIPO FLOWMETER.

Unidad de competencia IV.

Distinguir el proceso del escurrimiento y las tcnicas de cuantificacin de flujo superficial

para estudios hidrolgicos de anlisis o diseo de obras hidrulicas.


El aforo de corrientes superficiales con flujo escaso, requiere de la aplicacin de nuevas

tcnicas de medicin, debido principalmente, a los pequeos tirantes de agua y a las bajas

velocidades de flujo que se presentan en stas, para las cuales no es aplicable el Molinete

tipo Price. Para la obtencin del gasto en este tipo de corrientes, se ha solicitado al

hidrlogo aforar una corriente con estas caractersticas, indicando el gasto (litros/segundo)

al momento de llevar a cabo la prctica, utilizando el equipo de medicin Flowmeter.

Objetivo:

Aplicar el Mtodo de aforo Velocidad - Conductividad, utilizando el equipo Flowmeter,

para determinar el gasto de pequeas corrientes superficiales.

Material y Equipo:

Flowmeter con accesorios (electrodo, balanza, manual).

1 GPS.


1 kg de sal.

1 cubeta de 19 litros.


Escenario:




8

Indicaciones:

Verificar el equipo, materiales y accesorios antes de salir a desarrollar la prctica.

Localizar una seccin de una corriente superficial donde se observen las

caractersticas mencionadas en la descripcin del problema.

Revisar el manual de uso del equipo Flowmeter y sus accesorios (Con la

supervisin del responsable del curso).

Registrar el ancho de la corriente y el tirante hidrulico.

Obtener relaciones entre las dimensiones anteriores.

Anotar datos de conductividad elctrica inicial del agua en la corriente superficial.

Determinar la cantidad de soluto requerida para elaborar la solucin salina.

Anotar el gasto registrado con el equipo Flowmeter.

Capturar imgenes fotogrficas del equipo Flowmeter y sus accesorios, durante el

desarrollo de la prctica.





9

PRCTICA 5; AFORO DE CORRIENTES,

MTODO SECCIN VELOCIDAD (MOLINETE).





Cuantificar el volumen de agua que pasa por una seccin del ro Yaqui, a la altura de la

poblacin de Hornos, Sonora, identificando la seccin y tramo del ro que cumplan con las

caractersticas para aplicar el mtodo Seccin Velocidad y el uso del molinete tipo Price.

Objetivo:

Aplicar el Mtodo de aforo Seccin Velocidad utilizando el Molinete tipo Price y equipo

topogrfico, para determinar el escurrimiento en corrientes.

Material y Equipo:

1 Molinete tipo Price con accesorios (escandallo, audfonos, batera y cables).

1 GPS.


1 estadal de aluminio.

1 nivel topogrfico.

1 tripi.


Escenario:


Indicaciones:




10

Localizar en campo, una seccin transversal de la corriente superficial donde se

observen las caractersticas fsicas e hidrulicas necesarias para la aplicacin del

mtodo de aforo Seccin-Velocidad.

Ubicar la seccin transversal en la corriente superficial en estudio.

Obtener el rea hidrulica y tirante de la seccin seleccionada.

Dividir el rea hidrulica en dovelas de acuerdo a la Tabla 5.1 del mtodo de aforo

Seccin-Velocidad.

Determinar el rea de cada dovela.

Obtener las velocidades medias en cada dovela, utilizando el Molinete y determinar

los gastos parciales qi = ai*vi

Aplicar la Ecuacin 5.1, indicada en la teora del mtodo, presentada en hojas

siguientes, para la estimacin del gasto total conducido por la corriente.

Capturar imgenes fotogrficas del equipo de aforo, durante el desarrollo de la

prctica.

Analizar la aplicabilidad del mtodo que se presenta en hojas siguientes.



Mtodo de Aforo Seccin Velocidad.

En general, consiste en determinar el rea de una seccin transversal de la corriente del ro

y la velocidad del agua que fluye a travs de sta.

La seccin transversal puede obtenerse a travs de mtodos topogrficos sondeos y la

velocidad por medio del molinete.

En base a mediciones experimentales, la distribucin de velocidades que se presenta en un

perfil vertical de la corriente, Brater y King, citados por IMTA (1992), concluyen las

siguientes reglas prcticas:

La velocidad mxima se presenta entre el 5% y el 25% de la profundidad del agua

en el canal y el porcentaje aumenta con incrementos en la profundidad del canal. En



11

corrientes poco profundas con lecho rugoso la velocidad mxima se presenta muy

cerca de la superficie.

La velocidad media en un perfil vertical de un canal se presenta a 0.6 de la

profundidad. Esto se cumpli con un error medio de 1% y un error mximo de 3%.

La velocidad media en un perfil vertical, es la media aritmtica de las velocidades a

0.2 y 0.8 de la profundidad, respectivamente. Esto se cumpli con un error medio de

0% y error mximo de 1%.

La velocidad media en un perfil vertical de un canal es del 85% al 95% de la

velocidad de la superficie, siendo 90% el promedio de cientos de observaciones. La

variacin de este coeficiente es ms irregular que los anteriores.

El perfil vertical de velocidades se aproxima a una parbola de eje vertical, es decir

aumenta de la superficie del agua hacia abajo, hasta llegar al punto de velocidad

mxima y a partir de ste comienza a disminuir.

rea de la Seccin Transversal de una Corriente.

Para determinar el gasto en una seccin se requiere conocer el rea hidrulica de la seccin

transversal de la corriente. El mtodo a emplear depender de las condiciones del cauce; en

el caso de canales revestidos con materiales cementados, las secciones estn bien definidas

y el rea hidrulica es calculada con facilidad, en el caso de secciones naturales se tendr

que determinar por medio de sondeo (utilizando un estadal y cinta mtrica o con el mismo

cable y escandallo del molinete).

La seccin transversal de una corriente est limitada en la parte superior por la superficie

del agua, que es prcticamente horizontal, por las paredes del cauce que forman los lados y

por el fondo.

El rea puede determinarse usando sondas, ya sean rgidas o flexibles. La separacin de los

sondeos depender del ancho de la corriente (Tabla 5.1).

Las sondas rgidas consisten en una varilla metlica o de madera graduada, del tamao

suficiente como para tocar el fondo del cauce, pudiendo medir con ella la profundidad en

las secciones transversales; este tipo de sonda se emplea cuando la corriente lleva gastos

pequeos o en canales de riego.



12

La sonda flexible est compuesta de un escandallo, que es un cuerpo pesado, generalmente

de plomo para no ser arrastrado por la corriente y de forma aerodinmica para no oponer

resistencia, sujeto al extremo de un cable o cadena, similar al empleado para lastrar el

molinete.

Tabla 5.1 Separacin de sondeo en funcin del ancho de la corriente.

En las secciones de aforo seleccionadas, las mediciones se pueden llevar a cabo desde: un

puente, un cable con canastilla o una lancha; con la finalidad de dividir el ancho de la

corriente en franjas, generalmente de igual magnitud, que queden marcadas y sean la base

para dividir la seccin transversal de la corriente en reas pequeas, tambin llamadas

dovelas (Fig. 5.1), en las cuales se mide la velocidad media.

Fondo del ro

MolineteEscandallo

Puente

0.6 de la profundidad

Nivel del agua

Figura 5.1 Seccin transversal dividida en dovelas

Ancho de la corriente (m) Espaciamiento (m)

Hasta 1.2

1.2 5.0

5.0 10.0

10.0 50.0

50.0 100.0

ms de 100

0.2 0.3

0.3 0.5

0.5 1.0

1.0 5.0

5.0 -10.0

10.0 -20.0



13

Aforo con molinete.

El molinete consiste esencialmente de dos partes que son: una hlice de aspas o copas, que

el agua en movimiento hace girar y un mecanismo que permite contar el nmero de vueltas

que da la hlice a intervalos de tiempo definido.

Para el uso del molinete, debe contarse con la calibracin correspondiente, la cual, se lleva

a cabo en laboratorio, donde se registra la relacin velocidad-nmero de revoluciones,

midindose el tiempo en segundos que tarda la hlice en dar un cierto nmero de vueltas y

para diferentes velocidades. Con estos valores se obtiene una ecuacin y una tabla, de las

cuales debe disponer cada molinete.

Las mediciones principales se llevan a cabo en la seccin transversal de la corriente, ya

dividida en franjas verticales (Figura 5.1), debido a que la velocidad media en una corriente

no es uniforme, en cada franja se obtiene el rea (ai) y la velocidad media (vi). El producto

de ai y vi en la franja, proporciona un gasto parcial (qi) de la seccin transversal. El gasto

total se estima, sumando los gastos parciales obtenidos en cada franja, por medio de la

ecuacin:

n

i

iivaQ1

(5.1)

Donde: Q = Gasto total (m3/s)

ai = rea de la franja i (m2)

vi = Velocidad media en la franja i (m/s)

i = 1, 2, 3, n franjas.

En corrientes cuyas velocidades varan desde 0.1 m/s hasta 2.5 m/s, la velocidad se puede

obtener mediante el molinete; si la velocidad esta por debajo de 0.1 m/s, disminuye la

precisin del aparato, mientras que en velocidades arriba de 2.5 m/s, puede ser daado por

objetos que acarrea la corriente.

Para determinar la velocidad media, se pueden aplicar los criterios mencionados

anteriormente, colocando el molinete a 60% de la profundidad, medida a partir de la



14

superficie del agua en cada franja vertical. Si se desea mayor precisin, se pueden tomar

dos lecturas, colocando el molinete a 20% y 80% del tirante a partir de la superficie del

agua y promediar las velocidades a dichas profundidades.

Si la velocidad del agua es mayor a 2.5 m/s, se recomienda no hacer observaciones

profundas, tanto por la dificultad de mantener el molinete en posicin correcta o por el

peligro de que sufra desperfectos, debido a golpes de objetos que arrastre la corriente. En

este caso, es aceptable tomar lecturas a 0.15 m de profundidad y multiplicar el valor

resultante por un factor de reduccin de 0.9 para obtener la velocidad media (IMTA, 1992).

La medicin de velocidad, utilizando el sistema cable canastilla, se recomienda cuando la

corriente presenta anchos mayores a 20 m. En estos casos, debido al empuje de la corriente,

el cable que sostiene el molinete se desplaza un ngulo con respecto a la vertical BC,

presentando una curvatura EF (Figura 5.2), esta lectura se debe corregir para obtener la

profundidad real de la corriente, utilizando la siguiente expresin:

BC = (1-k) * EF (5.2)

Donde: BC = Profundidad real de la corriente (m).

EF = Longitud del cable (m).

k = Coeficiente de correccin, esta en funcin del ngulo (Tabla 5.2).



15

A

B

C

D

Cable

Vertical real

Fondo del ro

Molinete

Escandallo

Direccin de la corriente

F

E

k10 0.005012 0.007214 0.009816 0.012818 0.016420 0.020422 0.024824 0.029626 0.035028 0.040830 0.047232 0.054434 0.062036 0.0698

Tabla 5.2 Coeficiente k

Figura 5.2 Desplazamiento del molinete al utilizar cable.



16

PRCTICA 6; AFORO DE CORRIENTES, MTODO SECCIN PENDIENTE.





Cuantificar el volumen de agua que pasa por una seccin del ro Yaqui, a la altura de la

poblacin de Hornos, Sonora, identificando la seccin y tramo del ro que cumpla con las

caractersticas para aplicar el mtodo Seccin Pendiente. El maestro responsable del

curso de laboratorio puede proponer otra corriente superficial (arroyo) intermitente o

efmera, para el desarrollo de la prctica.

Objetivo:

Aplicar el Mtodo de aforo Seccin Pendiente, utilizando equipo topogrfico y las

ecuaciones de hidrulica necesarias para determinar el escurrimiento en corrientes.

Material y Equipo:

1 GPS.


1 estadal de aluminio.

1 nivel topogrfico.

1 tripi.


Escenario:


Indicaciones:




17

Localizar en campo, un tramo de la corriente superficial donde se observen las

caractersticas necesarias para la aplicacin del mtodo de aforo Seccin- Pendiente.

Determinar la ubicacin y longitud del tramo en estudio.

Obtener las secciones de entrada y salida del tramo.

Calcular todos los trminos de las ecuaciones aplicables al mtodo de aforo.

Aplicar la Ecuacin 6.7, presentada en hojas siguientes, para la estimacin de la

capacidad de conduccin de la corriente o del gasto que conduce.

Capturar imgenes fotogrficas durante el desarrollo de la prctica.

Analizar los conceptos hidrulicos que se presentan en las hojas siguientes.



Aforo con Seccin-Pendiente.

Este mtodo se utiliza para estimar el gasto en un cauce, con agua o sin ella. Se requiere

localizar un tramo del cauce, ms o menos recto, en donde se determinan dos secciones

transversales, una de entrada y otra de salida del tramo, se mide la distancia existente entre

stas y se determina la pendiente de la lnea de energa especfica, la cual puede

considerarse como la pendiente de la superficie del agua. Es posible obtener el gasto

mximo de un escurrimiento an despus de haberse terminado el flujo de agua.

Para su aplicacin, de acuerdo con Aparicio (1989), se requiere de la topografa de un

tramo del cauce y las marcas del nivel mximo del agua durante el paso de la avenida.

La ecuacin para calcular el gasto con este mtodo, se obtiene a partir de la ecuacin de

Manning, ecuacin de gasto y continuidad, as como de la ecuacin de Bernoulli.

2/13/21fSR

nV (6.1)

donde: V, es la velocidad media del flujo.

R, es el radio hidrulico de la seccin.

Sf, es la pendiente de la lnea especfica del agua.

N, es el coeficiente de rugosidad



18

Q = V*A (6.2)

fhg

vyz

g

vyz

22

2

222

2

111 (6.3)

De las ecuaciones 6.2 y 6.3 se obtiene:

2

2

2

1

2 11

2 AAg

Qyh f (6.4)

2

2

2

1

2 11

AAbg

Qyh f (6.5)

Donde b = 2 si A1 > A2 y b = 4 si A2 > A1

Con las ecuaciones 5.3 y 5.4 se escribe:

2/1_

2/13/2

fdf SKSRn

AQ (6.6)

Donde n

ARK d

3/2_

es el coeficiente de conduccin medio en el tramo, el cual puede

calcularse como el promedio geomtrico de los coeficientes de conduccin en los extremos

del mismo:

21

_

ddd KKK

Utilizando las ecuaciones 5.7 y 5.8 y considerando que hf = Sf L, se obtiene:

2

2

2

1

2

_2

2 11

AAbgL

Q

L

y

K

Q

d

Despejando Q:



19

2

2

2

1

_2

2/1

1111

AAbgLK

SQ

d

(6.7)

Donde: L

yS



20

PRCTICA 7; ESTIMACIN DE LA CAPACIDAD DE INFILTRACIN DE

SUELOS IN SITU.

Unidad de competencia V.

Distinguir el proceso de infiltracin y las tcnicas de cuantificacin del ndice de

infiltracin, considerando los factores que intervienen en su desarrollo y relacin con el

agua subterrnea, a nivel local o regional.


El proceso de infiltracin est directamente relacionado con la precipitacin y el

escurrimiento. Para cuantificar el volumen de agua que puede escurrir en una cuenca, al

presentarse una precipitacin, es necesario conocer la capacidad de infiltracin de los

suelos que se localizan dentro de la cuenca. La capacidad de infiltracin es la cantidad

mxima de agua que puede fluir a travs del suelo en una unidad de tiempo, la cual,

generalmente es variable con el tiempo, dependiendo de diferentes factores como la

cobertura vegetal del suelo, compactacin, tipo de suelo, etc.

En esta prctica se requiere conocer esta capacidad del suelo, localizado en la zona del

Valle Aluvial del ro Yaqui, a la altura de la poblacin de Hornos, aplicando el mtodo del

infiltrmetro de doble anillo.

Objetivo:

Determinar la capacidad de infiltracin del suelo del Valle Aluvial del ro Yaqui, aplicando

el mtodo del infiltrmetro de doble anillo.

Material y Equipo:

1 Infiltrmetro de doble anillo con accesorios (Recipiente de carga constante).

1 GPS.

1 Cronmetro.

1 Probeta graduada de 500 ml.

1 cinta mtrica de 3 m, o una regla de 30 cm, metlica.

1 Marro (12 lb)



21

1 Martillo de hule.

1 bloque de madera (4x 4) de 2 ft de longitud.

1 cubeta de 19 litros.

1 nivel de carpintero.

2 Bolsas de hule.

Libreta para registro de datos y cmara fotogrfica.

Escenario:


Indicaciones:


Localizar una zona en el Valle Aluvial del ro Yaqui, donde se observen las

condiciones necesarias para la aplicacin del mtodo del infiltrmetro de doble

anillo.

En la zona de prctica, ubicar un rea de 3 m x 3 m.

El sitio de ensayo deber estar, de preferencia, horizontal.

Instalar el infiltrmetro de acuerdo al manual de usuario y las indicaciones del

profesor del curso (Hincar los anillos en el suelo, uniformemente. Anillo exterior,

15 cm y anillo interior, 5 cm).

Revisar si el suelo no est visiblemente alterado en ms de 3 mm a partir de la pared

interior del anillo.

Evitar la erosin del suelo cuando el suministro de agua inicial se vierta

dentro de los anillos (Utilizar las bolsas de hule).

Despus del llenado de agua, retirar las bolsas de hule del interior de los

anillos.

La carga hidrulica deber estar entre 2.5 cm y 15 cm.

Mantener el nivel de agua constante, en cada anillo, durante la prctica.

Registrar todos los volmenes de agua que se agregan para mantener el

nivel de agua constante, as mismo, los intervalos cronometrados.



22

Coloque una tapa sobre los anillos durante los intervalos entre las

mediciones de agua, para minimizar la evaporacin.

Al concluir el ensayo, remuvanse los anillos del suelo aplicando ligeros golpes en

los lados con un martillo de hule.

Convirtase el volumen de agua empleado durante cada intervalo de tiempo medido,

en profundidad de agua por unidad de tiempo.

Estimar la capacidad de infiltracin del suelo.

Elaborar grficas de capacidad de infiltracin vs tiempo.

Efectense estos clculos para el anillo interior, el espacio anular y para ambos

anillos combinados.

Capturar imgenes fotogrficas del equipo, durante el desarrollo de la prctica.



PRXIMA SESIN; APLICACIN DE EXAMEN DE LABORATORIO.



23

PRCTICA 8; VISITA A PRESA DE ALMACENAMIENTO.

Unidad de competencia VIII.

Analizar los procedimientos de funcionamiento de vaso, trnsito de avenidas en vasos y

cauces para el manejo y control del agua superficial y crear las bases para el

aprovechamiento sostenible del agua.


El comprender el funcionamiento y operacin de una presa, es necesario para la toma de

decisiones de un ingeniero que requiere disear, dar mantenimiento o dirigir la operacin

de una obra hidrulica. En esta visita se gua al estudiante en la observacin de stos

elementos necesarios para que posteriormente adquiera la competencia de manejar las

herramientas necesarias en el funcionamiento de vasos, trnsito de avenidas en vasos y

cauces.

Objetivo:

Identificar las partes fundamentales que constituyen una presa de almacenamiento para

comprender su funcionamiento y operacin.

Material y Equipo:


Escenario:

Presa de almacenamiento.

Indicaciones:

Cumplir con las instrucciones de seguridad que se dan por parte de la autoridad que

opera la presa, para evitar accidentes.

Informarse en que partes est restringida la toma de fotos.

Mantener la atencin en la explicacin del instructor o gua y hacer las preguntas

pertinentes.



24

Identificar los elementos ms importantes que forman parte de la presa: Longitud,

Altura y material de la cortina, Ancho de la base y corona, Longitud y tipo de

vertedor, nmero y dimensiones de compuertas en obras de toma y de control (si

existen).

En hidroelctrica, identificar el nmero y tipo de turbinas, capacidad de generacin

de energa elctrica, carga mnima para su funcionamiento y su operacin general.

Hacer anotaciones cuando se encuentren en un lugar apropiado para ello.




25

PRCTICA 9; FUNCIONAMIENTO DE VASO.






Se ha solicitado al hidrlogo, indicar que volumen de agua tendra almacenada una presa al

finalizar un ao de demandas de este lquido, si se considera que el agua en la presa se

encuentra al nivel del NAMO (Elev. 514 m) y el inicio del funcionamiento es en el mes de

Octubre, para fundamentar la toma de decisiones del organismo o comisin encargados del

manejo de este recurso. Como mnimo, utilizar los datos que se muestran a continuacin

para la aplicacin del mtodo.

DATOS: de los estudios topogrficos en el Vaso de la presa;

ELEVACIONES AREAS VOLUMENES

( m ) ( km2 ) ( hm

3 )

412 0 0

425 0.856 5.564

450 5.960 90.764

475 18.388 354.114

500 31.256 1015.654

514 40.200 1539.000

520 44.044 1763.554

530 51.829 2249.079

540 62.456 2819.454

550 74.444 3503.954

DATOS: de los estudios hidrolgicos;



26

MES APORTACIONES Xi LLUVIA EVAPORACION

( hm3 ) ( mm ) ( mm )

ENE 400 46 59

FEB 370 46 67

MAR 360 34 117

ABR 370 08 133

MAY 400 76 161

JUN 420 494 138

JUL 580 377 119

AGO 820 255 114

SEP 1850 288 86

OCT 1100 195 86

NOV 420 78 72

DIC 390 70 65

Capacidad al NAMO = 1539 hm3 (Elev. 514 m )

Capacidad muerta al NAMINO = 365 hm3

Longitud del Vertedor = 330 m

Coeficiente de descarga = 2

Descarga por la obra de toma = 0

Poltica de demandas: Sd = 550 hm3, si la Elev NAMO

Sd = 550NAMO

Elev i hm3, si NAMO > Elev NAMINO

Sd = 0 hm3, si Elev < NAMINO

Objetivo:

Aplicar el Funcionamiento de vaso para diseo o anlisis en una presa de almacenamiento.

Material y Equipo:


superficial.

Datos de la presa.



27

Datos Hidrolgicos.

Escenario:


Indicaciones:

Obtener los datos de Elevacin, rea, Volumen de la presa en anlisis, as como

datos de la estructura de excedencia.

Solicitar los datos de volmenes de escurrimiento de entrada al Vaso, lmina de

precipitacin, evaporacin e infiltracin en el Vaso, registrados para la presa.

Revisar la necesidad de conocer las reas correspondientes a la estacin

hidromtrica y a cuenca propia de la presa, dependiendo de los datos anteriores.

Analizar el procedimiento de Funcionamiento de Vaso y elaborar los archivos

necesarios para el programa HIDSUP.

Estimar la demanda de agua para la presa en estudio y aplicarla en el

Funcionamiento de Vaso.

Determinar cul sera el Volumen til si no se aceptan derrames o dficit en el

perodo analizado.



Tipos de Almacenamientos y sus Caractersticas

El Vaso de almacenamiento es formado por la topografa del lugar y la construccin de una

presa, sirve para almacenar el volumen de agua que escurre en exceso en las temporadas de

lluvias para utilizarlo posteriormente en la poca de estiaje.

El propsito de un Vaso de Almacenamiento puede ser: Irrigacin, Generacin de energa

elctrica, Control de avenidas, Abastecimiento de agua potable, Navegacin, Acuacultura,

Recreacin, Retencin de sedimentos.

Los principales componentes de un Vaso de Almacenamiento son los siguientes:

NAMINO.- Nivel de aguas mnimas de operacin, tambin llamado NAMin, nivel de aguas

mnimas.



28

NAMO.- Nivel de aguas mximo de operacin.

NAME.- Nivel de aguas mximas extraordinarias, es el nivel ms alto del agua en el Vaso

de Almacenamiento, permitido, bajo cualquier condicin.

VOLUMEN TIL.- Tambin llamado Capacidad til, es el volumen de agua que se

almacena entre el NAMO y el NAMINO o NAMin.

VOLUMEN DE SUPERALMACENAMIENTO.- Es el volumen que queda entre el

NAMO y el NAME.

VOLUMEN MUERTO.- Es el volumen que queda abajo del NAMINO o NAMin, es un

volumen del que no se puede disponer. El volumen de azolves es el que queda por abajo del

nivel de la obra de toma.

Ecuacin Fundamental para la Simulacin de Funcionamiento de Vaso.

Se aplica la ecuacin de continuidad, expresada en un intervalo de tiempo t:

X - D = V (9.0)

Donde

X = Volumen de entradas al vaso durante el intervalo t.

D = Volumen de salidas del vaso durante el mismo intervalo de tiempo t.

V = Cambio del volumen almacenado en el vaso durante el intervalo t.

El intervalo de tiempo t, generalmente es de un mes, pero en otros casos, donde el

hidrlogo lo considere, puede cambiar a un da, una semana o un ao, esto depender del

tamao del vaso.

Los volmenes de entrada a un vaso son:

X = Ecp +Et + Ell

Donde

Ecp = entradas por cuenca propia.

Et = entradas por transferencia desde otras cuencas.

Ell = entradas por lluvia directa sobre el vaso.

Los volmenes de salida del vaso son:

D = Sd + Se + Si + Sde

Donde



29

Sd = volumen extrado para satisfacer la demanda.

Se = volumen evaporado.

Si = volumen infiltrado en el vaso.

Sde = volumen derramado por la obra de excedencia.

Por lo tanto la ecuacin 9.0 se escribe como:

Ecp +Et + Ell ( Sd + Se + Si + Sde) = V (9.1)



30

PRCTICA 10; TRNSITO DE AVENIDAS EN VASOS.






Una presa puede tener una o varias funciones; entre las ms importantes estn la de

aprovechamiento y la de defensa. En el caso de defensa, el objetivo principal es el control

de avenidas, para esto, es necesario tener la competencia de Transitar Avenidas en el Vaso

para diseo o anlisis. Cuando es para diseo, el hidrlogo debe indicar el nivel de aguas

mximo extraordinario (NAME) y los gastos de diseo para las obras de control, en caso de

anlisis, debe presentar, como resultado del trnsito de avenidas, la poltica de operacin de

compuertas de la obra de control, para cualquier avenida que se presente, sobre todo,

cuando la presa se encuentra llena (a nivel del NAMO). En nuestro caso, se solicita indicar

cul es el volumen de superalmacenamiento que tendra la presa (de la prctica 9,

Funcionamiento de Vaso) y determinar el nivel mximo que ste alcanza durante el trnsito

por el Vaso, para la avenida que se indica en la hoja siguiente.

Objetivo:

Aplicar el proceso de Trnsito de Avenidas en Vasos en el paso de una avenida por el vaso

de una presa de almacenamiento y control.

Material y Equipo:


superficial.

Datos de la presa.

Datos Hidrolgicos.



31

DATOS:

Datos de la Avenida.

Tiempo Q

en horas m3/s

0 0

8 40

16 160

24 400

8 680

16 800

24 650

8 450

16 260

24 160

8 160

16 160

24 820

8 2480

16 3400

24 2400

8 1640

16 880

24 580

8 450

16 360

24 280

8 240

16 220

24 190

8 170

16 150

24 130

8 110

16 90

24 80

8 70

16 60

24 50

8 40

16 20

24 10

8 0

Escenario:




32

Indicaciones:

Obtener los datos de Elevacin, rea, Volumen de la presa en anlisis, as como

datos de la estructura de excedencia (de la prctica 9).

Calcular los gastos por la obra de excedencia y control para diferentes elevaciones

del agua en el vaso, sobre todo, para elevaciones mayores al NAMO.

Solicitar los datos de volmenes de escurrimiento de entrada al Vaso Hidrograma

de entrada.

Analizar el procedimiento de Trnsito de Avenidas en Vasos y elaborar los archivos

necesarios para el programa HIDSUP.

Determinar los gastos de entrada y salida iniciales.

Indicar cul es el volumen de superalmacenamiento que tendra la presa y

determinar el nivel mximo (NAME) que ste alcanza durante el trnsito por el

Vaso, para la duracin de la avenida (Tiempo Base).

Determinar cul sera el nivel del NAME, si el vertedor tuviera una longitud del

50% de su longitud original.





33

Ecuacin para Trnsito de Avenidas en Vasos.

I O = dt

dV (10.1)

Donde

I = gasto de entrada al vaso.

O = gasto de salida del vaso.

dt

dV = variacin del volumen almacenado respecto al tiempo.

En diferencias finitas:

t

VVOOII iiiiii

111

22 (10.2)

Donde los subndices i e i+1 denotan valores al inicio y al final del intervalo de trnsito t,

respectivamente.

El valor de t, se recomienda que sea menor o igual 0.1 del tiempo pico del hidrograma de

entrada t 0.1 tp

Por lo tanto, es necesario conocer el hidrograma de entrada al vaso e identificar el tiempo

pico, si el 0.1 del tiempo pico, presenta como resultado un t que genera volmenes

mayores a los indicados en los datos de la presa, para la relacin (Elevacin rea

Volumen), es conveniente disminuir el valor de t y obtener las ordenadas del hidrograma

de entrada para cada incremento de tiempo (t) nuevo.

La ecuacin 10.2 puede presentarse en la forma :

1

1

1

22

i

ii

iii O

t

VO

t

VII (10.3)

112

i

i Ot

V, son trminos desconocidos ya que dependen del nivel del agua en el vaso.



34

PRCTICA 11; TRNSITO DE AVENIDAS EN CAUCES.






Se ha solicitado al hidrlogo indicar cuales son los gastos pico de la avenida que se transita

desde la salida de una presa; desde el vertedor al pueblo 1 y del pueblo 1 al pueblo 2. Con

la finalidad de facilitar la toma de decisiones del organismo o comisin encargados del

manejo de la presa y proteger a estos pueblos de posibles inundaciones. Para la solucin del

problema se utilizarn los datos de la avenida de salida del vertedor que se generan en la

prctica 10 de este manual, adems de considerar lo siguiente:

Considerar un cauce normal.

Tiempos de traslado de la onda;

Del vertedor al Pueblo 1: 6 h 15 min

Del Pueblo 1 al Pueblo 2: 9 h 30 min

Objetivo:

Aplicar el proceso de Trnsito de Avenidas en Cauces para el anlisis de los escurrimientos

de un ro aguas abajo de la presa de almacenamiento.

Material y Equipo:


superficial.

Datos Hidrolgicos.

Datos del Cauce.



35

Escenario:


Indicaciones:

Obtener los datos de la avenida de salida por el vertedor de la presa (de la prctica

10 Trnsito en Vasos), considerando sta como la avenida de entrada al tramo del

vertedor al pueblo 1.

Analizar el procedimiento de Trnsito de Avenidas en Cauces y elaborar los

archivos necesarios para el programa HIDSUP.

Hacer el trnsito de la avenida para el tramo Vertedor Pueblo 1.

Determinar el gasto pico de la avenida en el tramo Vertedor Pueblo 1.

Hacer el trnsito de la avenida para el tramo Pueblo 1 Pueblo 2.

Determinar el gasto pico de la avenida en el tramo Pueblo 1 Pueblo 2.

Si el cauce del ro, solo puede conducir hasta el 80% del gasto pico en ambos

tramos, cul sera la alternativa de solucin al problema?



Trnsito de Avenidas en Cauces, Mtodo de Muskingum.

Utiliza la ecuacin de continuidad 10.1, del tema anterior, en su forma discreta

VtOO

tII iiii

22

11 (11.1)

y una relacin algebrica entre el almacenamiento en el tramo V y las entradas I y salidas O

de la forma:

V = KO + Kx (I-O) = OxxIK )1( (11.2)

Donde K es una constante llamada parmetro de almacenamiento y x es un factor de peso

que expresa la influencia relativa de las entradas y las salidas del almacenamiento en el

tramo del cauce analizado.



36

De la ecuacin 11.2:

))(1()( 111 iiiiii OOxIIxKVVV (11.3)

Sustituyendo la ecuacin 11.3 en la ecuacin 11.1 se tiene:

))(1()(22

11

11

iiiiiiii OOxIIxKt

OOt

II

Despejando Oi+1:

iiii OCICICO 31211 (11.4)

donde

2/1

tKxC

KxtC

2/2

2/)1(3

txKC

y

2/)1( txK

C1 + C2 + C3 = 1

El Parmetro K tiene unidades de tiempo y su valor es aproximadamente igual al tiempo de

viaje del pico de la avenida a lo largo del tramo del cauce en estudio:

K = L/w

L = Longitud del tramo.

w = velocidad promedio del pico de la avenida.

De acuerdo con Aparicio (1989), el parmetro x vara entre 0.0 y 0.5, si x = 0.0, el volumen

almacenado en el tramo es slo funcin de la salida O, no existe almacenamiento en cua y

el tramo se comporta como un vaso de almacenamiento, si x = 0.5, las entradas y salidas

tienen la misma importancia y no habra ningn abatimiento en el gasto pico de la avenida.



37

En forma muy general x se aproxima a 0.0 en cauces muy caudalosos y de pendiente

pequea, y a 0.5 en caso contrario. En caso de no tener informacin suficiente, se

recomienda tomar x = 0.2.

Cuando se tiene al menos una avenida aforada en ambos extremos del cauce en estudio, se

pueden determinar con ms precisin los valores de K y x, elaborando graficas con la

ecuacin OxxI )1( y el volumen de agua en el tramo, obtenido del aforo para cada t .

De la curva que se ajuste mejor a una recta se obtiene la pendiente de sta y se considera

como el valor de K, el valor de x es el correspondiente al utilizado en la ecuacin

OxxI )1( que dio origen a la curva de mejor ajuste.



38

BIBLIOGRAFA

Aparicio, M. Francisco J., Fundamentos de Hidrologa de Superficie, edit.

LIMUSA, 1989.

Daz, M. Salvador, Paquete de Hidrologa Superficial, Manual de Usuario HIDSUP,

ITSON, 1997.

Instituto Mexicano de Tecnologa del Agua, Manual de Aforos, Comisin Nacional

del Agua, 1992.

S. Lawrence Dingman, Physical Hydrology, Prentice Hall, 2002.

Ven Te Chow, Hidrologa Aplicada, McGraw-Hill Interamericana, 1994.

Warren Viessman, Jr., Gary L. Lewis, Introduction to Hydrology, Prentice Hall,

2003.

Philip B. Bedient & Wayne C. Huber, Hydrology and Floodplain Analysis, Prentice

Hall, 2002.

Linsley, Ray K., Hidrologa para Ingenieros, Mc Graw Hill, Mxico, 1981.

Comisin Federal de Electricidad, Hidrotecnia-Relacin, Precipitacin y

Escurrimiento, Mxico, 1983.

Documents

Manual Lab de Hidrología Superficial 2009