Estimación de caudal en causes naturales mediante integración numérica aplicando lenguaje PYTHON
Fecha
2021
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Editor
Universidad Católica de Cuenca.
Resumen
The velocity-area methods normally applied for the calculation of the volumetric
flow rate in natural streams consider the average flow velocity, but not the velocity
distribution in the channel cross-section, which causes errors in the interpretation and
processing of data, and also inaccuracy in the hydrological planning and the safety of the
hydraulic system as well. This academic work focuses on developing an algorithm
implemented to the open-source language Python that serves as a tool for flow calculation
and flows behavior analysis in the cross-section of a natural water body.
Through the application of the graphic velocity–area method of flow calculation,
it was determined that the approximation methodology with less uncertainty is the one
that implies the numerical integration of the differential elements which conforms to the
transversal distribution of velocities from the continuity equation.
The calculation process was defined from bibliographic data of water capacity
obtained from hydrological and hydraulic studies, establishing a flow chart for its
codification. The validation of the proposed measurement methodology and the algorithm
calculation was done through field tests calculating the flow in two sections of Burgay
River during a period of ten days.
The algorithm implemented in Python turns out to be an efficient tool for flow
calculation and flow analysis in the cross-section of a channel, these stages are carried
out from a preliminary data validation and are summarized in a result report that contains
the cross and longitudinal distributions of flow velocities and the hydraulic characteristics
of the section. The outcomes provided by the program lead to a wide field of study related
to hydrological and hydraulic issues.
Descripción
Los métodos área – velocidad aplicados generalmente para el cálculo del caudal
aforado en cauces naturales consideran la velocidad media del flujo, mas no la
distribución de velocidades en la sección transversal del canal; lo que provoca errores en
la interpretación y procesamiento de datos, y a su vez, inexactitud en la planificación
hidrológica y en la seguridad de obras hidráulicas. Este trabajo de titulación se enfoca en
desarrollar un algoritmo implementado al lenguaje de código abierto Python que sirva
como una herramienta de cálculo de caudal y análisis del comportamiento del flujo, en la
sección transversal de un cuerpo de agua natural.
Mediante la aplicación de dos métodos gráficos área – velocidad de cálculo de
caudal, se determinó que la metodología de aproximación con menor incertidumbre, es la
que implica la integración numérica de los elementos diferenciales que conforman la
distribución transversal de velocidades, a partir de la ecuación de continuidad.
El proceso de cálculo se definió a partir de datos bibliográficos de aforo obtenidos
de estudios hidrológicos e hidráulicos, estableciendo un diagrama de flujo para su
codificación; la validación de la metodología de medición propuesta y del algoritmo de
cálculo, se realizó mediante ensayos en campo aforando el caudal en dos secciones del
río Burgay durante 10 días.
El algoritmo implementado en Python resulta ser un instrumento eficiente para el
cálculo de caudal y análisis del flujo en la sección transversal de un canal; dichas etapas
se llevan a cabo a partir de una validación preliminar de datos y se resumen en un informe
de resultados que contiene las distribuciones transversal y longitudinal de velocidades del
flujo, y las características hidráulicas de la sección. Los resultados que proporciona el
programa, dan paso a un amplio campo de estudio relacionado a temas hidrológicos e
hidráulicos.
Palabras clave
Aforo de caudal, canales naturales, método área – velocidad, distribución de velocidades, Python
Citación
Jaramillo Campoverde, J.C. (2021) Estimación de caudal en causes naturales mediante integración numérica aplicando lenguaje PYTHON. Universidad Católica de Cuenca.
