Anexo:Definiciones usuales en hidráulica

Definiciones usuales en hidráulica: se agrupan aquí algunas definiciones de conceptos generalmente usados en Hidráulica, con la intención de facilitar la lectura de algunos artículos relacionados con este tema. Solo se reportan aquí las definiciones que darían origen a artículos demasiado cortos.

Altura de velocidad

Se define como altura de velocidad o carga de velocidad a la relación entre la velocidad al cuadrado y el doble de la aceleración de la gravedad es decir:

${\frac {V^{2}}{2g}}$
ver:Salto hidráulico

Canal

Los elementos geométricos son propiedades de una sección del canal que puede ser definida enteramente por la geometría de la sección y la profundidad del flujo. Estos elementos son muy importantes para los cálculos del escurrimiento. Los elementos básicos de un canal son:

Profundidad del flujo

Profundidad del flujo, calado o tirante es la profundidad del flujo (generalmente representada con la letra h) es la distancia vertical del punto más bajo de la sección del canal a la superficie libre del agua.

Área mojada

En un canal, el área mojada, se entiende como la superficie que ocupa el agua en una sección perpendicular al flujo. Esta sección está definida, en la parte superior por la línea de agua, y en la parte inferior por el canal mismo.

En un tubo trabajando a sección llena, el área mojada coincide con la sección del tubo.

Perímetro mojado

En un canal, el perímetro mojado es el contorno del canal que está en contacto con el agua.

En un tubo, trabajando a sección llena, el perímetro mojado coincide con la circunferencia interior del tubo.

Ancho superior

Ancho superior es el ancho (generalmente representada con la letra T) de la sección del canal en la superficie libre, de orilla a orilla, medido perpendicularmente al flujo.

Profundidad hidráulica

Profundidad hidráulica (generalmente representada con la letra D) es la relación del área mojada con el ancho superior, se expresa como: D = A / T

Factor de la sección

El factor de la sección (generalmente representada con la letra Z), para cálculos de escurrimiento o flujo crítico es el producto del área mojada con la raíz cuadrada de la profundidad hidráulica, se expresa como: Z = A. SQRT (D)

El factor de la sección, para cálculos de escurrimiento uniforme es el producto del área mojada con la potencia 2/3 del radio hidráulico, se expresa como: A. R^(2/3)

Capa de fondo

Según Einstein la capa de fondo es aquella cuya altura es igual a 2 veces el diámetro de la partícula. ​

Caudal firme

El caudal firme es el que se puede disponer en un curso de agua incluso al término de la estación seca más crítica, en un período de observación largo.

Si existe un embalse aguas arriba de la sección del curso de agua que se está analizando, el caudal firme, en proximidad de la presa, es equivalente al caudal regularizado por el embalse menos la suma de los caudales que se derivan del embalse para los diversos usos.

Caudal medio diario de aguas residuales

Se obtiene al sumar el caudal producido por hogares (Qdoméstico), el caudal producido por la industria (Qindustrial), el caudal producido por el área comercial (Qcomercial) y el caudal producido por el resto de instituciones que no están comprendidas en las anteriores categorías, tales como escuelas, hospitales etc. (Qinstitucional).

$QMD=Q_{domestico}+Q_{industrial}+Q_{comercial}+Q_{insitucional}$

El QMD no es en sí un parámetro de diseño de sistemas de drenaje, pues no precisa los momentos del día donde el caudal es mayor. Lo que se busca con el QMD es encontrar un Caudal Máximo Horario (QMH) del área a la cual donde se requiere diseñar un sistema de drenaje. Para encontrar el QMH solo hace falta multiplicar el QMD por un factor F, conocido como factor de mayoración, de la siguiente manera:

$QMH=F*QMD$

Este factor F ha sido propuesto por varios autores desde diferentes enfoques: Harmon:$F=1+{\frac {14}{4+P^{0.5}}}$, donde P representa el número de habitantes (en miles de habitantes).

Babbit:$F={\frac {5}{P^{0.2}}}$, donde P representa el número de habitantes (en miles de habitantes).

Los Ángeles: $F={\frac {3.53}{QMD^{0.0914}}}$, donde QMD esta entre 2.8 y 28,400 L/s.

Usualmente F es mayor a 1.4 y puede ser calculado por microcuencas o localmente.

QMD a partir de la una curva de Caudal total vs. tiempo

Es el resultado de la suma del Caudal Máximo Horario (QMH), el caudal perdido debido a las posibles conexiones erradas en el sistema (Qconexiones erradas) y el caudal suministrado al sistema debido a posibles infiltraciones a lo largo de la red de drenaje (Qinfiltraciones).

$QDT=QMH+Q_{infiltraciones}+Q_{conexioneserradas}$, sin embargo, se recomienda que este caudal nunca sea menor a 1,5L/s.

Componentes hidráulicos de una represa

Descargas de superficie

Las descargas de superficie son imprescindibles en todos los embalses, para permitir descargar excesos de agua sin causar daños aguas abajo, o por lo menos restringiendo estos daños al mínimo.

Las descargas de superficie, descargan el agua que se encuentra próxima a la superficie del lago creado por la represa. y pueden ser de dos tipos.

• Vertederos con compuertas. (Órganos operables).
• Vertederos sin compuertas, o vertederos líbres. (Órganos de descarga no operables).

Descarga de fondo

Las descargas de fondo, como su nombre lo dice están situadas en las cotas inferiores del embalse, y tienen básicamente dos funciones.

• Vaciar el embalse.
• Permitir la eliminación de las aguas en las camadas inferiores del embalse, que tienden a ser propensos a la formación de procesos anaeróbicos.

Obras de toma

Las obras de toma tienen la función de permitir la extracción del agua almacenada en el embalse y conducirla hacia su uso final, que puede ser entre otros: generación de energía eléctrica; uso para riego; abastecimiento de agua potable.

Esclusas

Las esclusas tienen la función de permitir la navegación venciendo el desnivel creado por la represa.

Escaleras de peces

La función de la escalera de peces es la de permitir las migraciones de los peces venciendo el desnivel creado por la represa.

Obras de desvío

Son obras provisorias que se construyen para desviar el cauce del río durante el período de construcción de la presa.

Si la sección del río donde se está construyendo la presa es lo bastante ancha, la obra de desvío cierra, mediante diques provisorios, la parte del río en la que se trabaja construyendo la presa definitiva.

Si la sección del río en la que se construye la presa es estrecha, el desvío generalmente se hace mediante un túnel, en una de las márgenes.

Densidad relativa

Con relación al transporte sólido, $S_{\delta }$ densidad relativa de las partículas. se obtiene de la relación:

$S_{\delta }={\frac {\rho _{\delta }}{\rho }}={\frac {\gamma _{\delta }}{\gamma }}$

$\Delta =$ densidad relativa de las partículas sumergidas

$\Delta ={\frac {\gamma _{\delta }-\gamma }{\gamma }}={\frac {\rho _{\delta }-\rho }{\rho }}$

donde: $\rho$ y $\rho _{\delta }$ son la densidad del agua y de las partículas, [kg f/m³].

Energía Específica

La energía específica de una sección es igual a la suma de la profundidad del agua y la altura de velocidad.
ver:Salto hidráulico

Energía generada

Referido a una usina generadora, es la energía efectivamente generada en el periodo en que los generadores están funcionando, se expresa en kWh (Kilo Vatio hora) o MWh (Mega Vatio hora). (Véase también: Potencia instalada aquí abajo)

Índice ANF

En sistemas de abastecimiento de agua potable, es el Índice de Agua No Facturada. Se define como, en un período determinado como: $IndiceANF={\frac {V_{Aguaproducida}-V_{Aguafacturada}}{V_{Aguaproducida}}}$

${V_{Aguaproducida}-V_{Aguafacturada}}$ está formada por las pérdidas físicas en el sistema y la sub-valoración del consumo en las conexiones registradas y no registradas.

En algunos países se le llama también Índice ANC (Agua No Contabilizada).

Línea de flujo

Trayectoria de una partícula líquida en el seno del mismo.

Mal paso

Sección o tramo de un río o canal navegable donde la navegabilidad se ve perjudicada por algún motivo ya sea en forma permanente o estacionalmente, por ejemplo en época de caudales bajos.

Número de Shields

El número de Shields, en ríos donde se cumple que el radio hidráulico $R$ es igual al tirante medio $d_{m}$. El parámetro adimensional de Shields $\tau$ vale:

$\tau ={\frac {R.S}{\left(S_{\delta }-1\right).D_{m}}}={\frac {R.S}{\Delta .D_{m}}}$

donde:

$R$ es el radio hidráulico

$S$ es la pendiente del cauce

$S_{\delta }$ es la densidad relativa de las partículas de fondo del cauce

$D_{m}$ es el diámetro medio del material de fondo

$\Delta$ es la densidad relativa de las partículas sumergidas en agua

PAP - Puerto de Aguas Profundas

Puerto oceánico con calado del orden de los 20 metros de profundidad o más.​

Potencia instalada

Con referencia a una central hidroeléctrica es la capacidad de producir energía eléctrica, es función de la potencia de las turbinas instaladas (ver arriba: Energía eléctrica producida)

Presión Nominal (PN)

Se define la presión nominal como un valor numérico de una serie convencional que se adopta, a efectos de referencia, para caracterizar los tubos, las piezas especiales y los demás elementos de la tubería en relación con la presión hidráulica interior (en bar) que son capaces de resistir en ausencia de cargas externas.

Otra definición según UNE-EN 12201-1: Designación numérica utilizada con fines de referencia y relacionada con las características mecánicas del componente de un sistema de canalización. Para los sistemas de canalización en materiales plásticos para la conducción de agua, se corresponde con la presión máxima de operación, en bar, que puede mantenerse con agua a 20 °C, basada en el coeficiente de diseño mínimo.​

NOTA
La PN es un concepto de gran tradición en el ámbito de las tuberías a presión que no figura recogido en la norma UNE-EN 805, si bien sí se considera en las normas específicas de tuberías y accesorios plásticos.

Hay que resaltar que si bien en la actualidad la PN se identifica con la máxima DP que un componente es capaz de resistir, en los tubos de materiales termoplásticos hasta hace relativamente poco tiempo se ha venido entendiendo que se refería a la máxima MDP (incluyendo las sobrepresiones debidas al golpe de ariete).

Presión Máxima de Operación (MOP)

Es la presión efectiva máxima del fluido en el sistema de canalización que se permite en funcionamiento continuo.​

Presión de funcionamiento admisible (PFA)

Presión hidrostática máxima que un componente es capaz de soportar de forma permanente en servicio, equivalente de algún modo, al concepto anterior de PN.​

Presión de prueba en obra admisible (PEA)

Presión hidrostática máxima que un componente recién instalado en obra es capaz de soportar, durante un período de tiempo relativamente corto, con objeto de asegurar la integridad y la estanquidad de la conducción.​

Presión máxima admisible (PMA)

Presión máxima, incluido el golpe de ariete, que un componente es capaz de soportar en servicio.​

Presión de diseño (DP)

Presión máxima de funcionamiento (en régimen permanente) de la red o de la zona de presión, fijada por el proyectista, considerando futuras ampliaciones, pero excluyendo golpe de ariete.​

Presión máxima de diseño (MDP)

Presión máxima de funcionamiento de la red o de la zona de presión, fijada por el proyectista, considerando futuras ampliaciones e incluyendo golpe de ariete, donde:​

• MDP se designa MDPa, cuando se fije previamente el golpe de ariete admitido.
• MDP se designa MDPc, cuando el golpe de ariete se calcule.

Presión de funcionamiento (OP)

Presión interna que aparece en un instante dado en un punto determinado de la red de abastecimiento de agua.​

Régimen permanente

Un flujo cuyas características NO cambian en el tiempo.

Régimen transitorio

Un flujo cuyas características cambian en el tiempo.

Sistemas de abastecimiento de agua potable

Dotación diaria

Es el volumen de agua que se considera como necesario para el consumo de una persona en un día, incluyendo el agua para beber, para cocinar, para la higiene personal, el lavado de ropa, e higiene de la vivienda. Se expresa en litros por habitante y por día. Esta cantidad varía bastante en función de factores como el clima, la disponibilidad efectiva de agua, del tamaño del centro poblado, del nivel socioeconómico de la población considerada, entre otros. La dotación diaria puede variar entre 20 a 30 litros por habitante y por día, en zonas frías, hasta 250 a 350 litros habitante-día, en zonas cálidas y con abundancia de agua.

Caudal medio diario

Es la forma de determinar la demanda de agua de una población o de una localidad. Se obtiene multiplicando la dotación diaria por la población, actual o futura, así se obtendría en litros por día. Frecuentemente se usa en valor transformado en litros por segundo.

Caudal máximo diario

Las necesidades de agua de la población no son constantes a lo largo del año, los días más calurosos se consumirá más agua que en los días fríos, por ejemplo. El caudal máximo diario sería el del día con máximo consumo en el año. Convencionalmente se determina incrementando de un determinado porcentaje el caudal medio diario, utilizando un factor generalmente denominado K1, que varía entre 1.2 y 1.5.

Caudal máximo horario

El uso que cada individuo hace de la cantidad de agua que consume en el día no es constante a lo largo de las 24 horas del día, hay horarios en que se consume mucha agua, y otros en que no se consume casi. Esta variación se considera frecuentemente por medio de un factor que generalmente se denomina como K2. Este factor generalmente varía entre 1.5 y 2.2.

Sobreexplotación de acuíferos

La sobreexplotación de un acuífero se puede definir como la extracción del agua del mismo en una cantidad superior a la correspondiente a su alimentación, todo ello referido a un período de tiempo suficientemente largo como para diferenciar las consecuencias similares que tendrían períodos anómalamente secos. El efecto más inmediato de la sobreexplotación será el descenso continuado de los niveles piezométricos, que probablemente llevará al agotamiento del acuífero.​

Uniformidad de distribución

En riego, la Uniformidad de distribución (DU) refleja la uniformidad en que el agua es distribuida en una parcela. Se define como:​

$DU=100.{\frac {Z_{25}}{Z_{media}}}$

donde:

$Z_{25}$ es la lámina media infiltrada (mm) en la cuarta parte del área que recibe menos agua y

$Z_{media}$ es la lámina media infiltrada en toda la parcela.

Coeficiente de uniformidad

El Coeficiente de uniformidad (%) (CU) se calcula como:

$CU=100.{\frac {\sum _{i=1}^{n}{(Z_{i}-Z_{media})}}{n.Z_{media}}}$

donde:

$Z_{i}$ es la lámina infiltrada en cada punto (mm),

$Z_{media}$ es la lámina media infiltrada en toda la parcela (mm) y

$n$ es el número de puntos de medida.

Eficiencia de aplicación

La Eficiencia de aplicación (ea) es un concepto ampliamente utilizado y que se deine como la relación entre la lámina de agua que queda almacenada en el suelo, en el espacio radicular, y que, por lo tanto está disponible para el cultivo, y la lámina total aplicada en el riego.

Algunos autores definen la eficiencia con base en la situación del cuarto menos regado de la parcela, según la relación:

$ea=100.{\frac {Z_{r}.l_{q}}{D}}$

donde:

$ea$ es la eficiencia de aplicación (%),

$Z_{r}.l_{q}$ es la cantidad media añadida a la reserva de agua del suelo en la zona radicular (mm) en el cuarto menor de la parcela

$D$ es la dosis bruta (mm) aplicada.

Algunos autores concluyen que la uniformidad de distribución (du) funciona como el indicador que caracteriza al sistema, mientras que la eficiencia de aplicación (ea) caracteriza la gestión del mismo en dependencia de las limitaciones impuestas por el sistema.

Velocidad formadora

La velocidad formadora $U_{\phi }=$ se define en la segunda ecuación fundamental, propuesta por Altunin, es la que permite obtener la velocidad media mínima que garantiza el movimiento de las partículas. Altunin utilizó la siguiente expresión:​

$U=a.U_{\phi }.{d_{m}}^{\alpha }$

donde:

$a=$ coeficiente, que según Altunin vale 1 para zona de montaña o intermedia y entre 1.1 y 1.15 en la zona de planicie.

$U_{\phi }=$ velocidad media de la corriente cuando el tirante es de 1 m, que excluye la posibilidad de erosión pero garantiza el movimiento de las partículas. Se denomina también velocidad de formación.

Para evaluarla, Maza propone las siguientes cuatro ecuaciones que obtuvo a partir de datos observados por Altunin y Lebediev.

a) para 0.0003 m ≤ $D_{m}$ ≤ 0.00263 m (con datos de Lebediev)

$U_{\phi }=113.6D_{m}+0.466$

b) para 0.00263 m ≤ $D_{m}$ ≤ 0.0303 m (con datos de Altunin y Lebediev)

$U_{\phi }={\frac {1}{1.341-12.5.D_{m}}}$

c) para 0.0303 m ≤ $D_{m}$ ≤ 0.0865 m (con datos de Altunin)

$U_{\phi }=2.248-{\frac {0.0366}{D_{m}}}$

d) para 0.0865 m ≤ $D_{m}$ (con datos de Altunin)

$U_{\phi }={\frac {D_{m}}{0.259D_{m}+0.0247}}$

En las cuatro ecuaciones anteriores, $D_{m}$ es el diámetro medio del material de fondo, en m. Altunin presentó valores de $U_{\phi }$ para los límites 0.01 m ≤ $D_{m}$ ≤ 0.2 m por lo que su método se propone para material grueso. Este método se ha aplicado para arenas 0.001 m ≤ $D_{m}$ y sus resultados han sido semejantes a otros métodos.

$\alpha =$ exponente, que vale 1/5 si $d_{m}$ > 2.5 m; 1/4 si 2.5 m > $d_{m}$ > 1.5 m y 1/3 si $d_{m}$ < 1.5 m

Volúmenes caractérísticos de un embalse

Volumen muerto

Es el volumen de agua almacenado en el embalse que se encuentra a una cota inferior a la cota de la descarga de fondo, también conocido como nivel mínimo minimorum.

Volumen útil

Volumen útil es el comprendido entre el nivel mínimo minimorum y el nivel máximo operacional.

Volumen de laminación

Volumen de laminación es el volumen comprendido entre el nivel máximo operacional y el nivel máximo normal. Este volumen, como su nombre lo dice, se utiliza para reducir el caudal vertido en las avenidas, para limitar los daños aguas abajo.

Véase también

• Definiciones usuales en hidrología
• Definiciones usuales en calidad del agua
• Definiciones usuales en geología
• Definiciones usuales en planificación de proyectos

Bibliografía

• Manuale dell'Ingegnere. Edición 81. Editado por Ulrico Hoepli, Milano, 1987. ISBN 88-203-1430-4
• Handbook of Applied Hydraulics. Library of Congress Catalog Card Number 67-25809.
• Engenharia de Recursos Hídricos. Ray K.Linsley & Joseph B. Franzini. Editora da Universidade de Sao Paulo e Editora McGraw-Hill do Brasil, Ltda. 1978.
• Handbook of Applied Hydrology. A Compendium of Water-resources Technology. Ven Te Chow, Ph.D., Editor in Chief. Editora McGraw-Hill Book Company. ISBN 07-010774-2. 1964.
• Hidráulica de los Canales Abiertos. Ven Te Chow. Editorial Diana, México, 1983. ISBN 968-13-1327-5