Canal abierto

un canal abierto es un conducto en el cual el agua fluye a superficie libre.de acuerdo con su origen un canal s puede clasificar en natural y artificial.

Los canales naturales son todos los cursos de agua que existen de manera natural en la tierra, los cuales varían en tamaño desde pequeños arroyuelos en montañas, hasta quebradas, arroyos ríos pequeños y grandes, y santuarios de mareas.

A diferencia de los anteriores los canales artificiales son obras de infraestructura hechos por el hombre los cuales son destinados para un fin en específico, como los canales de navegación o canales de plantas hidroeléctricas, las propiedades de estos pueden ser medidas de una manera mas precisa debido a que estos estan desarrollados por la mano del hombre.

PROPIEDADES FÍSICO-HIDRAULICAS DE LOS CANALES ABIERTOS

Las siguientes características físico-hidraulicas son las que presenta un canal abierto en función del flujo que transporta y de la sección geométrica del canal.

a) Tirante, y. Es la distancia perpendicular a la plantilla, medida desde en punto mas bajo de la sección hasta la superficie libre del agua. Es decir, es normal a la coordenada X.

se designa por h a la distancia vertical desde la superficie al punto mas bajo de la sección, es decir, a la profundidad de dicho punto, satisface la relación:

y=h*cosθ

b) Tirantenormal, d. Es la profundidad del fluido normal a la dirección del flujo. En un canal con una pendiente θ, el tirante hidraulico es igual al tirante hidraulico normal dividido por cos• θ.

c) Ancho superficial, T ó B. Es el ancho del canal, medido al nivel de la superficie libre.

d) Area hidraulica, A. Es el area A ocupada por el flujo en la sección del canal.

e) Perímetro mojado, P. Es la longitud P de la línea de contacto entre el agua y las paredes del canal, es decir no incluye a la superficie libre.

h) Radio hidraulico, R. Es la relación entre el area hidraulica y su perímetro mojado:
R=AP

g) Tirante hidraulico, D. Es la relación entre el area hidraulica de la sección y el ancho superficial:
D=AT

h) Factor de sección, Z. Es el producto del area hidraulica y la raíz cuadrada del
Tirante hidraulico:
Z=AD=AAT

Fig. 1.1 Elementos geométricos de un canal

Flujo uniforme y permanente

Flujo uniforme
Es el flujo que se da en un canal recto, con sección y pendiente constante, a una distancia considerable (20 a 30 veces la profundidad del agua en el canal) de un punto singular, es decir un punto donde hay una mudanza de sección transversal ya sea de forma o de rugosidad, un cambio de pendiente o una variación en el caudal. En el tramo considerado, se las funciones arriba mencionadas asumen la forma
V = fv(x) = Constante
Q =fq(x) = Constante
h = fh(x) = Constante

Flujo permanente
Un flujo permanente es aquel en el que las propiedades fluidas permanecen constantes en el tiempo, aunque pueden no ser constantes en el espacio.
Las características del flujo, como son: Velocidad (V), Caudal (Q), y Calado (h), son independientes del tiempo, si bien pueden variar a lo largo del canal, siendo x la abscisa de una sección genérica, se tiene que:
V = fv(x)
Q = fq(x)
h = fh(x)

Fig.1.2. Volumen de control con flujo uniforme

El flujo uniforme permanente se puede calcular con la siguiente fórmula

Q=AnR23S12
Donde:

Q= Gasto, m3/s
A= Area hidraulica, m2
R= Radio hidraulico
S= Pendiente del canal
n= Coeficiente de rugosidad

Distribución de Velocidades en una Sección de Canal

Debido a la presencia de la superficie libre y a la fricción a lo largo de las paredes del canal, las velocidades no estan uniformemente distribuidas en su sección. Para el estudio de la distribución de las velocidades se consideran dos secciones: 

a)  Sección transversal: La resistencia ofrecida por  las paredes y por el fondo del canal, reduce la velocidad. En la superficie libre, la resistencia ofrecida por la atmósfera y por el viento (aunque este  último tiene muy poco efecto) también influye sobre la velocidad.

b) Sección longitudinal: En la siguiente figura se muestra lavariación de la velocidad en las verticales (1), (2) y (3), indicadas anteriormente. Considerandose la velocidad media en determinada sección como igual  a 1.0, se puede trazar el diagrama de variación de la velocidad con la profundidad.

Métodos de aforo de canales abiertos

Existen varios metod0os de aforo de corrientes entre los cuales se encuentran métodos volumétricos y los métodos de velocidad y superficie, algunos de esos métodos de aforo se mencionan a continuación.

Vertedores
Este método se realiza a través de vertedores y solo es practico en corrientes o canales cuyo gasto se pueda considerar pequeño.
Considerando las características del canal o la corriente a aforar las relaciones de los vertedores se mencionan a continuación.

Dilución
Este método consiste en el uso de sustancias que se diluyen en el agua los cuales se vierten en el canal o la corriente y al finalizar la sección de control que se este considerando se mide la concentración de las sustancia que se vertieron. Y el tiempo que tardaron en recorrer la sección.

Linmígrafo
Este método es determinando una sección transversal de una corriente o canal y por medio de un linmígrafo mide el gasto en función de un tirante determinado en una estación de control.

El método de que se utiliza en la practica es descrito tal y como se describe en la practica el cual sebasa en la medición de las velocidades por medio de un molinete.

El método de velocidad/superficie se basa en la fórmula de continuidad y en la de
Manning, por lo que el principal parametro que debe determinarse es la velocidad de la corriente. Sin embargo, es un parametro que puede verse afectado por diversas causas, lo cual dificulta la precisión del método. Entre otros factores, la velocidad del agua que se desliza en una corriente o en un canal abierto esta determinada por

· Gradiente o pendiente. Si todos los demas factores son iguales, la velocidad de la corriente aumenta cuando la pendiente es mas pronunciada.

· Rugosidad. El contacto entre el agua y los margenes de la corriente causa una resistencia (fricción) que depende de la suavidad o rugosidad del canal.
En las corrientes naturales la cantidad de vegetación influye en la rugosidad al igual que cualquier irregularidad que cause turbulencias.

· Forma. Los canales pueden tener idénticas areas de sección transversal, pendientes y rugosidad, pero puede haber diferencias de velocidad de la corriente en función de su forma. La razón es que el agua que esta cerca de los lados y del fondo de una corriente se desliza mas lentamente a causa de la fricción; un canal con una menor superficie de contacto con el agua tendra menor resistencia fricción y, por lo tanto, una mayor velocidad. Elparametro utilizado para medir el efecto de la forma del canal se denomina radio hidraulico del canal. Se define como la superficie de la sección transversal dividida por el perímetro mojado, o sea la longitud del lecho y los lados del canal que estan en contacto con el agua. El radio hidraulico tiene, por consiguiente, una cierta longitud. A veces se denomina también radio medio hidraulico o profundidad media hidraulica.

Todas estas variables que influyen en la velocidad de la corriente se han reunido en una ecuación empírica conocida como la fórmula de Manning.

Para determinar la velocidad en cualquier punto o sección de un canal abierto, se pueden seguir diversos procedimientos y emplear un sinnúmero de equipos, pero, en la mayoría de los casos, por facilidad operativa, se utilizan algunos instrumentos conocidos con el nombre de “molinetes”.

Para obtener aforos precisos y contrarrestar los efectos causados por la fricción, es adecuado calcular la velocidad del flujo en distintos puntos de la sección transversal estudiada y obtener una velocidad promedio para cada sección, este es el principio en el que se fundamentan los métodos y procedimientos de aforo de caudales en canales abiertos.

Fuentes
Presentación de clase “Hidrología”, ing. Jose Carlos Pedrero.
Hidraulica de canales, sotelo.
Hidraulica de canales abiertos, Ven Te Chow.