CAPITULO 1 ASPECTOS GENERALES
1. 1
INTRODUCCION
La cordillera del Tunari es la principal fuente de agua para casi todo el Valle Central de Cochabamba, y en esta se vinieron desarrollando varios sistemas sistemas de riego desde d esde la época de la colonia. Los sistemas de riego campesino de nuestra región utilizan con frecuencia varias fuentes de agua (ríos, lagunas, pozos) y/o tipos de agua (mit’a, (mit’a, aguas comunes, riadas, etc.) para regar sus tierras. Estas fuentes dan lugar a complejos sistemas sistemas de riego, originando la sobreposición de aguas cuya distribución distribución no es fácil de comprender. En la zona de El Paso, existen 9 lagunas que funcionan agrupadas agrupadas en seis sistemas relativament relativamentee independientes utilizando una sola infraestructura de riego con sus propias derechos de agua y normas de operación. Hoy en día la distribución del agua en los canales de riego del valle central es una tarea dirigida por los Jueces de agua quienes a simple vista (apreciación o tanteo) de la profundidad de agua, realizan la repartición sin conocer de forma precisa de medir la cantidad de agua que pasa por los puntos de distribución. La infraestructura de riego de nuestra región, por lo general no posee medidores de caudal, que puedan servir a los usuarios en el control y la distribución clara y equitativa del agua. Un aforador o medidor de caudal puede resolver la incertidumbre de saber cuanta agua ingresa a un canal determinado. Existe una gran variedad de aforadores aforadores capaces de medir medir caudales con buena precisión, precisión, de bajo costo, de uso simple simple y construcción construcción sencilla. sencilla. Encontrar el aforador aforador más hábil y versátil que responda a las exigencias y necesidades de los usuarios es la tarea más importante trazada en la presente investigación.
1. 2
ANTECEDENTES
Como el tema de la presente investigación lo menciona, la zona de estudio es El Paso y sus sistemas de riego que actualmente existen. A continuación se describen las características físicas, las fuentes de agua y los sistemas de riego correspondientes a la zona mencionada.
1.2.1 1.2.1 Descri Descripci pción ón del del área área de estu estudio dio La descripción del área de estudio comprende los siguientes puntos: Ubicación, características geográficas y su sistema de riego actual.
-1-
1.2.1.1 Ubicación del área de estudio El paso se ubica en el sector Nor Oeste (N-O) del valle central, enmarcada dentro de la provincia Quillacollo (Cantón El Paso), del Departamento de Cochabamba. El área de estudio limita al Norte con la cordillera del Tunari (cota 2900 msnm), al Oeste con la zona de Bella Vista, al Sur con la carretera Cochabamba – Quillacollo y Colcapirhua y al Este con la 3ra sección Tiquipaya, así como lo muestra la Figura N°1.1. La zona en estudio se encuentra dentro del área de influencia del proyecto Misicuni, y además corresponde al área de protección de recursos hídricos subterráneos.
1.2.1.2 Características geográficas La zona geográficamente se halla situada entre las coordenadas 17° 18’ a 17° 22’ de latitud Sur y 66° 14’ a 66° 18’ de longitud longitud Oeste. Su altitud varía entre 2560 msnm msnm y 2900 msnm. El área cubre una superficie bruta aproximada de 900 ha.
1.2.2 1.2.2 Sist Sistem emaa de rieg riegoo actua actuall Las comunidades de El Paso, tienen acceso a diferentes fuentes de agua entre las cuales se pueden mencionar: el caudal básico de río, las aguas subterráneas y las aguas de embalse. El uso de agua ha originado un complejo sistema de riego tradicional en el cual coexisten diversos sistemas sobrepuestos que obtienen agua de diferentes fuentes que riegan a su vez zonas o áreas diferentes. Se han identificado dos grandes sistemas de acuerdo a las fuentes de agua: a)
Sistema de de Ag Aguas de del Rí Río
b)
Sistema de Lagunas
1.2.2.1 Sistema de de aguas del río Este sistema utiliza el agua superficial, producto de las precipitaciones pluviales o de vertientes existentes en la parte alta de las cuencas, las cuales corren por el lecho de los ríos de la zona en estudio. Para hacer un análisis de las aguas del río se pueden tomar en cuenta los siguientes factores de diferenciación: a)
los los per perío íodo doss plu pluvi viom omét étri rico coss anu anual ales es,,
b)
los tipos de agua,
c)
las las cue cuenc ncas as o cor corri rien ente tess pri princ ncip ipal ales es,, y
d)
los los siste stemas o zon zonaas de de rie rieggo.
-2-
1.2.1.1 Ubicación del área de estudio El paso se ubica en el sector Nor Oeste (N-O) del valle central, enmarcada dentro de la provincia Quillacollo (Cantón El Paso), del Departamento de Cochabamba. El área de estudio limita al Norte con la cordillera del Tunari (cota 2900 msnm), al Oeste con la zona de Bella Vista, al Sur con la carretera Cochabamba – Quillacollo y Colcapirhua y al Este con la 3ra sección Tiquipaya, así como lo muestra la Figura N°1.1. La zona en estudio se encuentra dentro del área de influencia del proyecto Misicuni, y además corresponde al área de protección de recursos hídricos subterráneos.
1.2.1.2 Características geográficas La zona geográficamente se halla situada entre las coordenadas 17° 18’ a 17° 22’ de latitud Sur y 66° 14’ a 66° 18’ de longitud longitud Oeste. Su altitud varía entre 2560 msnm msnm y 2900 msnm. El área cubre una superficie bruta aproximada de 900 ha.
1.2.2 1.2.2 Sist Sistem emaa de rieg riegoo actua actuall Las comunidades de El Paso, tienen acceso a diferentes fuentes de agua entre las cuales se pueden mencionar: el caudal básico de río, las aguas subterráneas y las aguas de embalse. El uso de agua ha originado un complejo sistema de riego tradicional en el cual coexisten diversos sistemas sobrepuestos que obtienen agua de diferentes fuentes que riegan a su vez zonas o áreas diferentes. Se han identificado dos grandes sistemas de acuerdo a las fuentes de agua: a)
Sistema de de Ag Aguas de del Rí Río
b)
Sistema de Lagunas
1.2.2.1 Sistema de de aguas del río Este sistema utiliza el agua superficial, producto de las precipitaciones pluviales o de vertientes existentes en la parte alta de las cuencas, las cuales corren por el lecho de los ríos de la zona en estudio. Para hacer un análisis de las aguas del río se pueden tomar en cuenta los siguientes factores de diferenciación: a)
los los per perío íodo doss plu pluvi viom omét étri rico coss anu anual ales es,,
b)
los tipos de agua,
c)
las las cue cuenc ncas as o cor corri rien ente tess pri princ ncip ipal ales es,, y
d)
los los siste stemas o zon zonaas de de rie rieggo.
-2-
-3-
1.2.2.1.1 Períodos pluviométricos anuales En las aguas del río pueden diferenciarse claramente claramente dos períodos: la época lluviosa y la de estiaje. a)
el período período lluvioso lluvioso se caract caracteriza eriza por la la ocurren ocurrencia cia de avenida avenidass y de grande grandess caudal caudales es produc producto to de la intensidad pluvial. Normalmente Normalmente ocurre entre los meses de Diciembre a Marzo.
b)
el perío período do de estia estiaje je en el el cual cual ocurr ocurree el cauda caudall básico básico del del río río produc producto to norm normalm alment entee de vertientes y rebalses de lagunas en la cordillera. En esta época se van implementando sistemas sistemas de control de agua basados en los derechos de agua adquiridos a lo largo de la historia y en el que se distingue a su vez, dos períodos: •
Período de transición, entre los meses de Marzo o Abril a fines de Julio, en el cual los derechos de agua, de los sistemas que usan aguas del río, son relativamente recientes.
•
Período de control estricto en el uso de agua, de principios de Agosto a fines de Noviembre, en el que rigen derechos de agua adquiridos en la época colonial y manejados actualmente por usos y costumbres.
1.2.2.1.2 Tipos de Agua En lo referente a los tipos de agua, la dinámica histórica de la región y de los derechos de agua han dado origen a los siguientes tipos de agua: Aguas comunes (Mit’as comunes), Machu Mit’a, Aguas del Pueblo (Pueblo Yacu) y Machu Yacu. Durante el período de estiaje existen dos tipos especiales de aguas, denominados chorreras y aguas de robo. a)
Las chorre chorreras ras son son aguas aguas que escurr escurren en o filtr filtran an de de las las bocato bocatoma mass ubica ubicadas das aguas aguas arri arriba. ba. Estas Estas chorreras son a su vez captadas río abajo por otras bocatomas.
b)
Las agu aguas as de robo robo,, son apro aprovec vechad hadas as por por comun comunida idades des ubic ubicada adass en la la parte parte inic inicial ial de los los canales.
1.2.2.1.3 Cuencas y Sistemas Por otra parte, la zona en estudio es influenciada por tres cuencas y sus cauces principales, los cuales son: el río Chocaya, el río Okhosuro y el río Molle Molle Molle. En estos ríos podemos encontrar encontrar diferentes sistemas sistemas de riego con sus propios tipos de agua. El río Chocaya, actualmente se alimenta con las aguas superficiales y vertientes provenientes de la cordillera que fluyen por su cauce natural. Dentro del área de influencia del río Chocaya se encuentran cuatro sistemas sistemas que permiten el aprovechamiento aprovechamiento de las aguas del río, los cuales son: • El sistema El Paso – Bella Vista, •
El sistema Chocaya,
•
El sistema Pucara, y
• El sistema Puca Puca, Estos sistemas captan la aguas en diferentes puntos (bocatomas) a lo largo del río y forman en su conjunto un complejo sistema sistema de distribución distribución de aguas. aguas. Los ríos Okhosuro Okhosuro y Molle Molle Molle sirven con sus aguas a dos sistemas simples: • El sistema Okhosuro, •
El sistema Molle Molle. -4-
Un detalle de los, sistemas de riego, comunidades beneficiadas y tipos de agua clasificadas por zonas se presentan en el Cuadro 1.1.
Cuadro Cuadro 1.1 Comunidade Comunidadess beneficia beneficiadas das con Aguas Aguas del Río. Sist Sistem emas as
El Paso - Bella Vista
Comu Comunid nidade adess Benefi Benefici ciada adass Mosoj Ranch o Aran saya Urin saya Khorapata Pandoja Llauquin quiri Callajch ullpa Totor cah ua Bella Vista Mar quin a Sanja Pampa Paucarpata Illitaco
Tipo Tiposs de agua agua
Zona El Paso AP, AC. MM, AP, AC. MM, AP, AC. MM, AC. MM, AC. MM, AC. MM, AC. MM, AC. Zona Bella Vista MM, PY, MC, my. MM, PY, MC. MM, PY, MC. MM, MC. MM, MC. MM, AC.
Pucara
Pucara
Puca - Puca
Puca Puca
MM, AC.
Chocaya
Chocaya
MM, AC.
Okhosuro
Okhosuro
MM, AC.
Molle Molle
Molle Molle
MM, AC.
MM = Mach u Mit'a AP = Aguas del Pueblo PY = Pueblo Yacu
AC = Aguas Comunes MC = Mit'as Comun es my = Machu yacu
Fuente: Vargas 1995
Referencias:
1.2.3 Infraestructura de riego La infraestructura del área de riego presenta una combinación de infraestructura tradicional con infraestructura infraestructura moderna recientemente construida construida por los usuarios en cooperación con INCAS. La mayor parte de la red de canales está conformada por canales rústicos rústicos de tierra, excepto algunos canales principales. Una de las características más llamativas de riego en la zona de El Paso es el carácter de propiedad común de las obras en la zona de riego. Todos los sistemas que existen y operan en la zona utilizan la la misma misma infraestructura infraestructura de canales. Según Vargas (1995) las características mas importantes de la infraestructura en el sistema de riego tradicional de El Paso, son: •
La infraestructura está diseñada para cumplir funciones múltiples. (conducción, riego a la parcela y drenaje de excedentes.)
•
La existencia de canales combinados con cursos naturales, (ríos, quebradas, torrenteras, etc.) durante la conducción de las aguas. -5-
•
La rusticidad de las tomas de agua, construidas con piedras y que deben ser reconstruidas cada año pasada la temporada de lluvias.
•
La ausencia de estructuras de aforo, lo que da lugar a la aplicación de técnicas empíricas y tradicionales de medición de caudales que a pesar de sus limitaciones cumple su objetivo desde el punto de vista operativo.
Para la mejor comprensión y ubicación de los tramos de canal, la Figura 1.2 muestra las estructuras del sistema de riego de El paso. Río Okhosuro
A
Río Malpasomayu
Río San Miguel
Galería filtrante
I
Galería filtrante
M
J
B
K
Molle Molle
L
N 50
Chocaya 40
D
41
Río Piusi
Canal A
27
Mosoj Rancho 20 28
Río Chocaya
Canal B
Urinsaya
21
A B D I J K L M N 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 40 41 50
REFERENCIAS Bocatoma Cebolla Huerta Camara Chillca Toma Retama Bocatoma Chocaya Camara Chocaya Bocatoma Okhosuru Camara Okhosuru Bocatoma Molle Molle Camara Molle Molle Toma Chirimolle Toma Valencia Toma Paso Toma Pandoja Toma Tupuyan Toma El Morro Toma Baya Toma Molle Molle Toma Jailla Toma Calliyan Toma 221 Yan Toma Ghonto Toma Cruz Cruz Toma Calli Esquina Toma NN Toma Jove Rancho
29
Aransaya 22
Canal C
32
Totorcahua
30
23
31
25
26
24
Pandoja Khorapata
Llauquinquiri Río Huayculi Río Llauquinquiri
Río Tacata Fuente: Vargas (1995)
Figura 1.2
Infraestructura del área de riego.
1.2.3.1 Bocatoma Cebolla Huerta (A) Es el punto de adquisición de aguas, tanto de aguas del río como de lagunas para los sistemas de El Paso y Bella Vista. Se encuentra en la zona de Liriuni en la ribera Este del río y su uso data desde antes de la Reforma Agraria. Al igual que el canal de conducción principal, fue construido por la empresa de electrificación regional.
-6-
1.2.3.2 Canal de conducción principal A – B Este canal nace en la Bocatoma Cebolla Huerta (A), se extiende de Norte a Sud – Este y tiene una longitud aproximada de 1431 m. La central hidroeléctrica de ENDE, alimenta en períodos no establecidos a la comunidad de Chocaya y a las zonas de riego de El Paso y Bella Vista. Por otra parte este canal desemboca las aguas a la cámara de distribución Ch’illca (B).
1.2.3.3 Bocatoma Chocaya (I) Es la bocatoma más antigua de la zona de captación, construida para dotar de agua a los molinos de la zona de Chocaya. Actualmente, y a diferencia de las otras, funciona durante la época lluviosa y capta aguas para el sistema de riego Chocaya.
1.2.3.4 Cámara Ch’illca (B) La cámara Ch’illca se encuentra en la zona de Chocaya en la ribera Este del río. Este es el punto de división de aguas para las zonas de El Paso y Bella Vista. La estructura actual de los canales de riego es de mampostería de piedra con compuertas de metal.
1.2.3.5 Toma Retama (D) La Toma Retama se encuentra en la zona de Mosoj Rancho a corta distancia de la ribera Este del río, es el punto de división de aguas para los canales A y B – C. Actualmente su estructura es de mampostería de piedra con compuertas de metal con un buen tiempo de uso.
1.2.3.6 Cámara Chirimolle (20) La cámara Chirimolle también se encuentra en la zona de Mosoj Rancho. Es el punto de división de aguas para los canales B y C. Su estructura actual es de mampostería de piedra con compuertas de metal.
1.3
JUSTIFICACION
Los distintos sistemas de riego que usan aguas de los diferentes reservorios de la cordillera, no solo llevan sus aguas por el mismo lecho del río, sino también por los mismos canales principales de riego. Este hecho hace que los sistemas de riego coordinen sobre las fechas de las largadas, con el fin de evitar la sobreposición de aguas. Aún así, existen largadas durante el año en las cuales se sobreponen las aguas provenientes de la cordillera. La sobreposición de las aguas se debe a que la infraestructura de conducción y distribución de los sistemas de riego, es en gran parte la misma para todos los sistemas de riego. Es decir los mismos canales son usados para transportar las aguas de Machu Mit’a, Aguas Comunes, Aguas del Pueblo, Pueblo Yacu y Machu Yacu. La presente investigación se ha desarrollado con el objetivo de aportar al conocimiento de los caudales correspondientes a cada sistema de riego por medio de estructuras adecuadas de aforo, que estén de acuerdo con las exigencias de los usuarios para una distribución clara y justa de las aguas de riego.
-7-
1.4
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA DE INVESTIGACION
El problema principal es identificado como la falta de conocimiento sobre aforadores aptos a ser instalados en sistemas similares de riego como El Paso. Debido al problema citado anteriormente el presente trabajo de investigación plantea un estudio de medición de agua, mediante aforadores adecuados implantados en los puntos de distribución de agua más importantes de los sistemas de riego de El Paso.
1.5
PREGUNTA CENTRAL
El presente trabajo se desarrollará respondiendo a la siguiente pregunta: a) ¿Qué tipo de aforadores serán los más adecuados y aptos para aplicar en los puntos principales de reparto de los sistemas de riego de El Paso y cuales serán sus dimensiones?
1.5.1 Subpreguntas a) ¿En que lugares deberá implementarse aforadores? b) ¿Qué rango y que proporciones de caudales se tendrán que medir en los puntos de reparto de los sistemas de riego en El Paso durante todo el año.? c) ¿Con qué frecuencia será necesario medir el caudal en los puntos preestablecidos de aforo? d) ¿Cuál será la precisión deseada en las mediciones?
1.6
OBJETIVO GENERAL
La implementación de estructuras de aforo para sistemas de riego por gravedad, típicos de nuestra región, deben ser económicas, de fácil construcción, uso y mantenimiento, por lo tanto el objetivo general planteado para el presente trabajo de investigación es el siguiente:
“La comparación cualitativa de aptitudes entre diferentes medidores del caudal (aforadores), aplicado en la zona de riego de El Paso”, desde los punto de vista: •
técnico, (diseño hidráulico)
•
económico (bajo costo)
•
operativo (fácil lectura, operación)
•
constructivo (mas fáciles de reparar y mantener con materiales del lugar)
Con estos aforadores se logrará una mejor división del agua según corresponda a cada sistema de riego y además facilitará el control por parte de los usuarios.
1.6.1 Objetivos específicos Como tareas complementarias se han desarrollado los siguientes objetivos específicos: -8-
a)
La identificación de los puntos más importantes en los cuales los caudales serán medidos.
b)
Un inventario comparativo de los diferentes tipos de aforadores.
c)
La selección de los aforadores aptos en nuestro medio.
d)
El diseño de los aforadores seleccionados.
e)
La calibración matemática de los aforadores elegidos.
-9-
CAPITULO 2 METODOLOGIA
2.1
INTRODUCCION
Con el presente trabajo se tratará de determinar los aforadores más hábiles que podrán ser implantados en los sistemas de riego de nuestra región. Este trabajo se puede identificar como una Investigación de Calidad Comparativa entre diferentes aforadores. La metodología a seguir involucra cuatro etapas en general. La primera está dirigida a estudiar la zona de aplicación, donde se incluyen aspectos sociales y económicos. La segunda reúne el inventario de los diferentes tipos de aforadores. La tercera etapa desarrollará el diseño final del o los aforadores más aptos. Finalmente en la cuarta etapa, se elaborará el informe respectivo de esta investigación. El esquema mostrado en la Figura N° 2.1 muestra a grandes rasgos los pasos descritos anteriormente.
2.2
PRIMERA ETAPA: RECONOCIMIENTO DE CAMPO
Se plantea como principales actividades las siguientes: a)
Revisar información sobre los sistemas de riego en El Paso. A través de la búsqueda de información sobre los diferentes proyectos realizados por el PEIRAV y los dirigentes de los sistemas de riego.
b)
Definir puntos de aforo con la asociación de riego de El Paso. Se realizaran entrevistas con el Presidente y Socios de los Sistemas de Riego para identificar y definir puntos de aforo. Se tomaron en cuenta la ubicación exacta de los aforadores y las condiciones hidráulicas del curso de agua, tanto aguas arriba, como abajo de la misma. Se formularon preguntas relacionadas al actual estado actual del sistema de riego, como las siguientes: •
¿Cuáles y cuántos son los puntos de aforos necesarios para un adecuado control del caudal en los sistemas de riego?
•
¿Con qué frecuencia desean medir estos caudales?
•
¿Cuales son los caudales máximos y mínimos con los que ellos cuentan actualmente?
•
¿Cuáles son los niveles máximos y mínimos de agua, para estos puntos? ¿Cuál será la precisión con la que quieren medir los caudales?
•
¿Qué condiciones de medición existen y qué ocurre con el arrastre de sedimentos o cuerpos flotantes? -10-
2da Etapa Reconocimiento de campo 1ra. Etapa Investigación bibliográfica
Inventario de distintos aforadores
Revisar información sobre los sistemas de riego en El Paso
Clasificación y preselección de los aforadores existentes
Definir puntos de aforo con la asociación de riego de El Paso
Análisis de aptitud Selección de los aforadores aptos en el sistema de riego andino.
3ra Etapa Diseño y calibración
Selección definitiva de los aforadores para cada punto de reparto y/o medición
Diseño preliminar Calibración matemática Diseño final
4ta Etapa Edicion de la investigación
Elaboración del documento de tesis hasta su presentación final
Figura N° 2.1 Esquema metodológico. El formulario básico que se ha utilizado para las entrevistas y visitas a los puntos de aforo, se muestra en el Cuadro N° 2.1. En este formulario se tomaron nota de las condiciones físicas del medio donde se construirán los aforadores y sus requerimientos de uso demandados por los usuarios.
2.3
SEGUNDA ETAPA: INVENTARIO DE AFORADORES
En esta segunda etapa se investigaron teóricamente todos los tipos de estructuras de medición de caudales en canales abiertos. Para esto se ha trazado como principales actividades las siguientes:
-11-
Cuadro N° 2.1 Formulario para la toma de datos sobre el posible emplazamiento del medidor NOMBRE DEL LUGAR:
FECHA: NECESIDADES HIDRAULICAS
Gama de caudales a medir
Altura de agua actual en el canal
Qmin=
(m3/s)
Y2 min =
(m)
Qmax=
(m3/s)
Y2 max =
(m)
DESCRIPCION HIDRAULICA
Croquis de la sección transversal del canal
Anchura de la solera del canal
b=
(m)
Profundidad del canal
d=
(m)
Y1 max =
(m)
H=
(m)
p=
(m)
Profundida máxima admisible de agua en el canal Descenso disponible de la superficie del agua en el emplazamiento Salto de la solera del canal en el emplazamiento
FUNCION DE LA OBRA
Revestimiento de hormigón
Canal de tierra
Perfil longitudinal de la solera.
Sólo de medición Regulación y aforo del canal
PERIODO DE FUNCIONAMIENTO DE LA OBRA Diario
Estacional
Mensual
Permanente
DESCRIPCION DEL ENTORNO Canal principal Canal secundario Acequia en finca Acequia en parcela
DESCRIPCION POSTERIOR
Plano del emplazamiento
Fuente Bos (1986)
-12-
a)
Revisión de libros relacionados al tema de “estructuras de aforo”: La revisión bibliográfica se ha realizado en los siguientes ambientes
b)
•
Biblioteca del Laboratorio de Hidráulica
•
Biblioteca del la facultad de Agronomía
•
Biblioteca del PEIRAV
•
Consulta a las bibliotecas internacionales en la red Internet
•
Consulta a personas entendidas en el tema.
Clasificación y preselección de los aforadores existentes. En este punto se ha detallado un Inventario de los diversos tipos de aforadores existentes, dando a conocer las ecuaciones que rigen su comportamiento hidráulico, su forma de instalación, sus ventajas y desventajas.
c)
Análisis de aptitud de los aforadores para las condiciones identificadas. Se dieron mayor énfasis en los siguientes criterios de selección:
• Técnico, para analizar su comportamiento hidráulico. Se tomó en cuenta la gama de caudales a medir, la geometría y sinuosidad de los canales.
• Duradero, para que tenga una vida útil de entre 20 a 30 años. • Económico, para determinar cuál es el más barato de construir, previa selección de los más duraderos.
• Operativo, para que su uso sea sencillo, y no traiga confusiones en su empleo. En la parte operativa por ejemplo, si se adopta un aforador con regla graduada que dé directamente las lecturas de caudales en litros por segundo, puede traer confusiones a cualquier agricultor, debido a que la regla de mediciones presentará una escala variable (en la parte inferior escalas grandes y en la parte superior escalas cada vez más pequeñas). Ese agricultor esperará que la regla sea de escala constante, para cualquier incremento de caudal, cosa que no es cierto. d)
2.4
Selección de los aforadores aptos en el sistema de riego andino, particularmente en la zona de riego de El Paso.
TERCERA ETAPA: DISEÑO Y CALIBRACION. a)
Selección definitiva de aforadores para cada punto de reparto y/o medición Se ha definido el tipo de aforador dependiendo de la magnitud del caudal, la precisión buscada y de las características hidráulicas que impone el medio donde serán construidos.
b)
Diseño preliminar de los aforadores seleccionados en los puntos de aforo previamente identificados. Este punto abarca el conocimiento de las dimensiones de los aforadores.
-13-
c)
2.5
Calibración Matemática. A través de la modelación matemática se ha verificado con mayor precisión el comportamiento hidráulico de los aforadores seleccionados.
CUARTA ETAPA: EDICION DE LA INVESTIGACIÓN a)
Elaboración del documento de tesis hasta su presentación final.
-14-
CAPITULO 3 MARCO CONCEPTUAL
3.1
INTRODUCCION
Para un mejor entendimiento del tema, se exponen a continuación algunos conceptos y términos utilizados a lo alargo del documento, como son los conceptos de la gestión de riego y aquellos relacionados a la medición de caudales.
3.2
CONCEPTOS RELATIVOS A LOS SISTEMAS DE RIEGO
Cuando se habla de sistemas de riego entran en juego términos técnicos muy usados en nuestro medio, los cuales deben estar muy bien conceptualizados para su correcta utilización, como ser: Puntos de distribución:
son los puntos en la red de canales de un sistema de riego, donde se separan los caudales. Por ejemplo si en un canal fluye un caudal (100%) este puede distribuirse en diferentes proporciones (75%, 50%, 25%, etc.). Uso del agua de riego :
Según Olarte (1992) define el uso del agua de riego como la práctica general que adopta un usuario o conjunto de usuarios dentro el contexto físico del recurso. La utilización del agua en la gestión campesina es muy variable, lo cual determina modalidades de uso de diferentes aguas. Sistema de riego : Un sistema de
riego esta definido como un producto social, históricamente constituido, pero nunca totalmente concluido. Aunque el agua de riego sea sometida a las leyes hidráulicas e hidrológicas, cuando la maneja un campesino, obedece más que todo a las leyes y reglas sociales del grupo que la aprovecha. La gestión social del agua descansa particularmente sobre un saber hidráulico y agronómico, desde la evaluación y la captación del recurso, hasta su repartición en las parcelas con dosis y frecuencias adecuadas a los requerimientos de los cultivos.
3.3
CONCEPTOS RELATIVOS A LA MEDICION DE CAUDALES
La medición de caudales parte de conceptos basados en la hidráulica básica de canales abiertos, como ser: Aptitud : Se define como: la cualidad que hace que un objeto sea apto, adecuado o acomodado para cierto fin.
Apto se define como idóneo, hábil para hacer alguna cosa. Sin embargo desde el punto de vista ingenieril y dentro de un marco de los sistemas de riego aptitud es la capacidad de manejar, usar, mantener y además servir para propósitos bien definidos. Vertedero:
Es una escotadura de forma regular a través de la cual pasa el agua, incluye esta definición a la estructura misma que contiene el dispositivo hidráulico. La altura de agua por encima de la cresta del vertedero se relaciona con el caudal en una curva de calibración.
-15-
Medición de caudales:
La exigencia de los agricultores ha hecho que se confíen más en estructuras fijas (permanentes) de medición de caudales, y la experiencia ha demostrado que el método más adecuado para cada caso depende de tres factores importantes: •
La magnitud del caudal,
•
La precisión buscada,
•
Las condiciones que impone el medio.
Las estructuras más importantes de medición de caudales son: a)
b)
Estructuras con vertederos de cresta delgada. •
Rectangular
•
Triangular
•
Trapezoidal (Cipolletti)
•
Circular
Estructuras con vertederos de cresta ancha •
c)
Aforadores RBC
Estructuras con conductos medidores a régimen crítico •
Aforadores Parshall
•
Aforadores sin cuello.
•
Aforadores de garganta larga
Curva de calibración H-Q:
La curva de calibración o relación Altura de agua (H) Vs. caudal (Q), es una curva característica de una sección de control, la cual ) se construye realizando mediciones sucesivas de caudal Q ( ) y altura en una estación y luego se obtiene una gráfica s ltal como se muestra en la Figura N° 3.1, esta curva se / a utiliza para convertir registros de nivel de agua en 3 caudales. m d ( l a d u a C
) m ( a u g a e d a r u t l A
u a C – ) H ( a u g a e d a r u t l A n ó i c a l e R
: Se dice flujo modular cuando el flujo es libre, es decir cuando el flujo no está influenciado r 1 por el nivel aguas abajo si la sección de control se encuentra aguas arriba. a . l 3 ° N a r u g i -16 F
u d o m o j u l F
Gama de caudales:
El caudal en un canal abierto suele variar con el tiempo. Los límites entre Q max y Q min, entre los que puede medirse el caudal, dependen de la naturaleza del canal en el que se instala la obra de aforo. Los canales de riego, por ejemplo, necesitan un margen de oscilación considerablemente menor que los cauces naturales. La amplitud de la gama de variación de los caudales previsibles viene definida por la siguiente ecuación:
γ =
Q max Q min
(3.1)
Capacidad de eliminación de sedimentos :
Casi todos los canales abiertos, además de agua, transportan sedimentos que, ordinariamente, reciben denominaciones diversas, según la forma o proceso de transporte o según sea su origen. Estos nombres aparecen ilustrados en la Figura 3.2, y se definen como sigue: Carga de finos Origen de los sedimentos transportados
Materiales en suspención Proceso de transporte de sedimentos
Material de arrastre de fondo
Arrastre de fondos Fuente: Bos (1986)
Figura N° 3.2
Terminología aplicada al transporte de sedimentos
Arrastre de fondo:
Es el transporte de partículas de sedimento que se deslizan, ruedan o rebotan sobre la solera del canal, o cerca de ella, generalmente en forma de lecho móvil, semejante a las dunas y crestas de arena.
Arrastre de sólidos en suspensión :
Por arrastres suspendidos se entiende el transporte de partículas de fondo, cuando la fuerza de la gravedad está contrarrestada por otras fuerzas ascendentes, debidas a la turbulencia de la corriente de agua. Esto supone que tales partículas pueden dar rebotes más o menos grandes pero, siempre vuelven a caer a la solera del canal, aunque en ese momento, sin embargo. otras partículas arrastradas puedan encontrarse en suspensión. Carga sólida total :
Dado que no es posible hacer una separación estricta entre el arrastre de fondo y los sólidos en suspensión, es frecuente calcular la carga sólida total como la suma de los dos arrastres mencionados. Carga de finos:
La carga de finos está compuesta por partículas más pequeñas que el grueso del material del fondo (generalmente menores de 50 µm) y raras veces se encuentran sobre la solera. El volumen de esta carga no se puede calcular y se determina principalmente por las características climáticas y por las condiciones de erosión de toda la cuenca receptora. Las cargas de finos son las responsables del color del agua. El método más apropiado para impedir la deposición de sedimentos en el tramo del canal de aguas arriba de la obra de aforo, es evitar un descenso del parámetro de corriente Y, el cual se define como:
-17-
Y=
µ y Sf ρr Da
(3.2)
Donde:
µ = Factor de rugosidad que depende de la forma de la solera del canal, varía entre 0.5 a 1.0. y = Profundidad del agua en (m) Sf = Gradiente hidráulico
ρr = Densidad relativa = (ρs-ρ)/ ρ ≅ 1.65 ρs = Densidad de las partículas del sedimento ρ = Densidad del agua Da = Diámetro característico de las partículas (m) Para evitar las sedimentaciones entre la sección de medida de la altura de agua y la sección de control, la capacidad de evacuación de sedimentos del aforador debe ser mayor que la capacidad de transporte del tramo de canal de aguas arriba. El paso de cuerpos flotantes y en suspensión :
Los canales abiertos, especialmente los que atraviesan bosques o zonas urbanizadas, transportan toda clase de cuerpos flotantes o en suspensión. Si estos cuerpos quedan retenidos por la obra de aforo, tanto el canal de aproximación como la sección de control quedan obstruidos, lo cual reduce la posibilidad de medición de caudales con la instalación y se producen desbordamientos del canal aguas arriba. En caso de instalar dos o más vertederos juntos, las pilas intermedias deberán tener al menos, una anchura de 0,30 m, con su tajamar redondeado. Los tajamares afilados o las pilas muy estrechas tienden a atrapar los cuerpos transportados por la corriente.
Exactitud necesaria en las medidas:
La exactitud con la que es posible aforar un caudal mediante una instalación dada está limitada por la precisión con la que se pueda efectuar una medida. Si se construyen dos obras de medición idénticas e independientes y se hace pasar por ellas dos corrientes que tengan exactamente la misma altura de carga con respecto al nivel de sus resaltos, lo normal es que los dos caudales medidos sean diferentes.
Errores sistemáticos:
Si, por ejemplo, la regla de medición de h1 está colocado demasiado bajo, todos los valores medidos de h1 serán, sistemáticamente, mayores que los verdaderos, en tanto no se verifique la posición del cero y se corrija la altura de la escala. Cualquier error sistemático puede corregirse, si se llega a conocer.
Errores aleatorios:
Si dos personas leen el valor de h1 en un limnímetro o en un gráfico del registrador, con frecuencia leerán valores diferentes, e incluso una tercera persona podría leer otro valor distinto. Algunos de estos valores leídos son superiores y otros inferiores al verdadero de h 1. Dicho de otro modo, los valores leídos se distribuyen al azar en torno al verdadero valor de h 1.
Errores por equivocación:
Errores como estos invalidan la medida del caudal y se deben a equivocaciones humanas, a defectos de funcionamiento de los limnígrafos automáticos o a obstrucciones del curso normal del agua. -18-
Los errores de medición de la altura de carga aguas arriba pueden provenir de múltiples causas. Algunas de las más frecuentes son las siguientes: Colocación del cero : además del error sistemático citado anteriormente, en la colocación del cero de la regla,
una cimentación inestable de toda la obra, o simplemente del dispositivo de medida, pueden ser la causa de otro error, por desplazamiento de la posición del cero. Si el terreno donde se construirá la obra de aforo, está sujeto a heladas o se mueve con la humedad del suelo, podría modificar la posición del cero. Para reducir los efectos de tales alteraciones, se recomienda comprobar su posición, al menos, dos veces al año, por ejemplo, después de una época de grandes heladas, o después de la estación de las lluvias, y antes de la temporada de riego. También puede alterar la posición del cero la presencia de una capa de hielo sobre el agua. Crecimiento de algas:
Una fuente importante de errores sistemáticos en la determinación de la altura de carga es la proliferación de algas sobre el fondo y sobre las paredes de la sección de control. La cubierta de algas produce dos efectos: (1) el nivel de referencia del resalto queda elevado por el espesor de la vegetación y origina un error en la altura de carga, y (2) la capa de algas que recubre las paredes de la sección de control reduce la superficie mojada. Para eliminar el error debido a las algas adheridas a la superficie de la sección de control, deberá limpiarse periódicamente la sección de control con un cepillo o escobón. Puede reducirse el desarrollo de las algas pintando la obra con algún producto alguicida marino. Error en la lectura de la altura de carga :
En el error de lectura de la escala de la regla, básicamente influyen la distancia entre ésta escala y el observador, el ángulo en el cual se realiza la lectura, la turbulencia del agua y el tamaño de las divisiones de dicha regla. Una escala sucia dificulta la lectura y puede ser causa de errores importantes, por lo que las regletas deben instalarse en lugares en los que resulte fácil su limpieza por el observador. El orden aproximado de magnitud de los errores de lectura en una regleta limnimétrica, con graduación en centímetros, es el que aparece en el Cuadro N° 3.1.
Cuadro N° 3.1
Errores de lectura
Escala colocada en
Error Sistemático
Error Aleatorio
Agua quieta
0
0.003 m
Canal con lámina de agua tranquila
0.005 m
0.005 m
Mayor que una unidad de
Mayor que una unidad de
graduación (> 0.01 m)
graduación (> 0.01 m)
Canal con lámina de agua turbulenta
Fuente Bos (1986)
Esto demuestra que las lecturas de la escala, efectuadas con aguas turbulentas, son inexactas. El error sistemático asignado al régimen turbulento se atribuye a la dificultad general de los observadores para dar valores promedios de la fluctuación del agua. Por eso, para obtener lecturas exactas en aguas turbulentas, se recomienda utilizar pocillos de amortiguación. Errores relacionados con la construcción:
Las dimensiones de la construcción de las obras de aforo deben ser lo más ajustadas posibles a las que se dan en los diseños. Cualquier variación de estas dimensiones influirá sobre el error entre el verdadero caudal y el que se señalan en el diseño
-19-
CAPITULO 4 COMPARACION DE AFORADORES FIJOS
4.1
INTRODUCCION
La medición de los caudales de agua en los sistemas de riego, son actividades realizadas no solo por los técnicos encargados en su reparto y distribución, sino también por el agricultor común y corriente que requiere conocer acerca de las cantidades de agua que entrega a sus parcelas cultivadas. Si bien es cierto que el conocer los métodos de medida de caudales de agua es importante para el técnico en materia de aguas, lo es también para el usuario que desea conocer si los suministros de caudal que precisa coinciden con los requeridos, especialmente en épocas críticas, cuando el agua es escasa. Por ello debe estar enterado de los medios más adecuados y versátiles disponibles para esta determinación, de tal manera que le permita comprobar si esta es correcta. Las razones por las cuales se debe medir el agua en movimiento, están estrictamente ligadas a las actividades de riego, al margen de aquellos que se efectúan con fines específicos o en laboratorio y que tienen carácter experimental, así mismo para medir las fuentes de abastecimiento naturales como pozos y manantiales, etc.
4.2
OBRAS DE MEDICION.
Una obra de medición es una estructura hidráulica fija introducida en el cauce de un canal. La función de la estructura hidráulica es producir un flujo modular, que es caracterizado por una relación conocida entre la medida de nivel de agua (H) y el caudal (Q). El cambio del nivel es medido por un dispositivo secundario que puede convertir automáticamente el nivel de agua en caudal. El flujo en estructuras de medición de caudales pueden ser: Por desbordamiento :
a)
Vertederos de cresta delgada (Rectangular, triangular, Cipolletti)
b)
Vertederos de cresta ancha (Aforadores RBC)
c)
Por compuertas de fondo (orificios)
Por contracción:
a)
Medidores a régimen crítico (Aforador Parshall, aforador sin cuello, aforador de garganta larga)
La ecuación de descarga para estas estructuras pueden ser expresadas como:
Q = Cd d H u
(4.1)
Donde: -20-
Cd = Coeficiente de descarga d = Coeficiente que depende del tipo de estructura H = Nivel de agua en la sección aguas arriba. u = exponente que depende del tipo de estructura. Los valores de “u” se muestran en el Cuadro N° 4.1 junto con los caudales máximos en función al tipo de estructura.
Cuadro N° 4.1
Algunas estructuras de medición de caudales Estructura
Exponente u
Min. Perdida de carga
Rango de caudales
Vertedero de cresta ancha
3/2
> 0.3 * H
q < 5 (m2/s)
Romijn
3/3
> 0.3 * H
Q = 0.9 (m3/s)
Cipolletti
3/4
> 1.0 * H
q < 0.8 (m2/s)
Parshall
1/6
> 1.0 * H
Q < 90 (m3/s)
Orificio de carga constante
0.5
> 0.3 m
Q < 0.3 (m3/s)
Pantalla repartidora
0.5
> 0.4 * H
q = 0.2 (m2/s) Fuente Depeweg (1995)
El uso de vertederos para efectuar la medida de caudales, consiste en interceptar el curso de agua para represarla y obligarla a pasar por la escotadura o vertedero propiamente dicho. En estas condiciones el caudal depende de la amplitud de la cresta del vertedero, de la altura de agua sobre la cresta (carga hidráulica) y de la velocidad de llegada al vertedor, cuando esta es considerable, por su naturaleza física estos medidores se adaptan a la medida de pequeños caudales (recomendables menores de 500 lt/s).
4.3
VERTEDEROS DE CRESTA DELGADA
Un vertedero de pared delgada es una escotadura en el cual el ancho de la cresta en el sentido longitudinal del flujo, es suficientemente pequeño para no influir en el desarrollo del flujo sobre el vertedero. Para la determinación de la relación altura (H) – caudal (Q), se aplica el teorema de Bernoulli, asumiendo que el vertedero funciona como un orificio con superficie libre. Para ello se deben asumir las siguientes condiciones : a)
La altura de agua sobre la cresta es igual a la altura de energía por la que no existe contracción.
b)
Las velocidades y líneas de corriente sobre la cresta son paralelas y casi horizontales
c)
La altura de la velocidad de aproximación aguas arriba es despreciable.
La velocidad en un punto arbitrario de la sección de control se calcula mediante la ecuación de Torricelli, referida a la Figura 4.1 :
v= 2g(h1 +
v12 −m) 2g
(4.2)
-21-
linea de energía v' h1 m
p
yp
Figura 4.1
Perfil longitudinal de un vertedero de pared delgada
Donde : v = velocidad en el punto m de la sección de control g = aceleración de la gravedad h1= altura de agua sobre la cresta del vertedero v1= velocidad de aproximación m= altura hasta el punto m El caudal total se obtiene integrando la ecuación anterior entre los límites m = 0 y m = h1 h
Q =(2g)
0 .5
∫ x(h −m) 1
0 .5
dm
(4.3)
0
Donde x denota el ancho de la garganta del vertedero a la altura del punto m. Finalmente se introduce un coeficiente de descarga Cd y se obtiene la ecuación general de flujo sobre un vertedero de pared delgada : h
Q=Cd (2g)
0.5
∫ x(h−m)
0.5
dm
(4.4)
0
El ancho de la cresta del vertedero debe cumplir :
H1 >15 L
(4.5)
Donde : H1 = Altura de energía medida desde la base del vertedero L = Espesor de la cresta del vertedero
-22-
También se debe cumplir la condición de que la pared de aguas abajo del vertedero mantenga una circulación de aire adecuada para lograr un flujo libre de la capa de agua, de lo contrario, además de la distorsión del flujo sobre la cresta, es posible ocasionar daños en el material del vertedero si las frecuencias del flujo, del aire y de la pared del vertedero se aproximan. Cabe hacer notar que la Figura 4.1 anterior, muestra el perfil longitudinal de un vertedero de pared delgada con flujo en condiciones ideales. Existen diversas clases de vertederos atendiendo a la forma de la sección de vertido, como ser: rectangular, triangular, trapezoidal (Cipolletti), parabólica, circular o de cualquier otra sección curva, siendo las más utilizadas las tres primeras debido a la facilidad de su contracción.
4.3.1 Vertedero rectangular Esta estructura fue ideada y desarrollada por J. B. Francis en 1825. La deducción de las ecuaciones que rigen el paso del agua sobre un vertedero rectangular es la siguiente: Sea una sección de control rectangular, x = b c = constante. La ecuación (4.4) se puede escribir de la siguiente forma : h
∫
(4.6)
3 2 2g b c h1 2 3
(4.7)
Q=C d 2g b c h−m dm 0
Resolviendo :
Q=C d Donde:
Q = caudal medido en (m3 /s) bc= Longitud de la cresta en (m) h1 = Altura de agua sobre la cresta del vertedero en (m)
-23-
3
Q = 1.84 Bc h1 2
(4.8)
La contracción en el flujo sobre un vertedero ocurre cuando el ancho de la base del vertedero es menor que el ancho del canal (bc < B). En la Figura 4.4 se muestra el efecto de la contracción en las líneas de flujo. Vertedero
3
Q = 1.84 (Bc − 0.1* n * h1 ) h1 2
(4.10)
En los mismos casos anteriores y cuando la velocidad de llegada supera 0.75 m/s, las ecuaciones son:
Q = 1.84 Bc h1 + h 0
3
(4.11)
2
Q = 1.84 Bc − 0.1* n * h1 h 1 + h 0
3
()
()()
(4.12)
2
Donde h0 = Carga de presión asignada por la velocidad de llegada V 0 calculada iterativamente, su valor es:
V02 h0 = 2g
(4.13)
-24-
4.3.2 Vertedero triangular Desarrollado por R. Thompson en 1865 para solucionar el problema de las contracciones laterales, tiene la ventaja fundamental de adecuarse a la medida de caudales muy pequeños por la amplitud de la carga h 1 para caudales pequeños. Para la deducción de la fórmula del vertedero triangular de pared delgada, se tomará en cuenta las variables mostradas en la Figura 4.5:
x= 2m tan
β
(4.14)
2
Reemplazando en la ecuación (4.4), se obtiene: h1
Q=C d (2g )
0 .5
∫
β
(2 tan )m (h−m) 0.5 dm 2 0
(4.15)
Donde: Cd = Coeficiente de descarga.
β = ángulo de la escotadura h1 = carga hidráulica del vertedero en m. Resolviendo :
Q =Cd
β 8 (2g)0.5 tan h12.5 15 2
(4.16)
dm ß/2
m
h1
Bc
Figura 4.5
Dimensiones de una sección de control triangular
La formula más practica para este vertedor es:
β
5
Q = C tan h 1 2 2
(4.17)
Si no se considera la velocidad de llegada y de acuerdo al ángulo de la escotadura tenemos las siguientes ecuaciones:
Para β = 90° → Q =1.34 h12.47
(4.18)
-25-
Para β = 60° → Q = 0.775 h12.47
(4.19)
Para β =120° → Q = 2.35 h12.48
(4.20)
Para β = 22.5° → Q = 0.254 h12.43
(4.21)
4.3.3 Vertedero trapezoidal (Cipolletti) Planteado por R. Cipolletti en 1874, resulta de la combinación de los vertederos anteriores y la idea es aprovechar la ventaja del vertedero triangular sin necesidad de efectuar correcciones por contracción lateral y la capacidad volumétrica del vertedero rectangular. El vertido de este medidor es igual a la suma de un vertedero rectangular y otro triangular con la condición de que sus paredes verticales estén en la proporción 4V:1H. La fórmula para un vertedero trapezoidal con relación 4V:1H, es:
Q = Cd C v B
3 2 2g h1 2 3
(4.22)
Donde: Cd = Coeficiente de descarga. Cv = coeficiente de velocidad. Q = caudal en m3 /s. B = Longitud de la cresta en m. h1 = altura de agua sobre la cresta del vertedero en m. La fórmula práctica para este vertedero (con C v=1 y Cd = 0.63) es: 3
Q = 1.86 B h 1 2
(4.23)
4.3.4 Algunas consideraciones mínimas sobre la instalación de vertederos a)
El vertedero debe colocarse en ángulo recto con respecto a la dirección del flujo.
b)
El canal debe ser recto por lo menos una distancia igual a 10 veces la longitud de la cresta, aguas arriba del vertedero.
c)
La cresta o umbral de los vertederos debe ser horizontal y del mismo espesor en toda su anchura.
d)
La distancia mínima del fondo del canal a la cresta debe tener un valor mínimo de 3h1.
e)
La carga sobre el vertedor debe ser medida por lo menos a una distancia de 4h1 aguas arriba, para evitar el error por remanso.
f)
El valor de h1 no debe ser menor de 0.06 m. -26-
g)
Debe haber caída libre del chorro de agua.
Ventajas: Las principales ventajas de estos aforadores
son:
•
La construcción de vertederos es por lo general de bajo costo
•
Su construcción es sencilla, si se lo hace con material delgado o planchas de metal.
•
Los usuarios del agua pueden verificar el suministro de caudal
Desventajas:
De las características y experiencias de campo, se admite que este medidor no debe usarse para mediciones de alta precisión toda vez que se han sugerido correcciones por velocidad de acceso, aunque si se recomienda su uso en condiciones de velocidad de acceso muy grande.
4.4
•
Para su buen funcionamiento se requiere de una calibración en laboratorio.
•
Los cuerpo flotantes no pueden pasar con facilidad y pueden causar daños que afectan a la exactitud de la medición del caudal, obstruyendo el flujo y elevando la carga de agua.
•
La medición es imposible cuando el nivel aguas abajo se eleva por encima de la cresta del vertedero.
•
La perdida de carga es considerable.
•
El uso de vertederos como instrumento de medición de caudales, es hoy en día de uso algo restringido, no solo por los problemas de azolve que producen, el represamiento que ocasionan, pérdidas de carga, efecto de materiales flotantes, la velocidad de llegada, etc., sino más que todo por la dificultad de su calibración.
VERTEDEROS DE CRESTA ANCHA (RBC)
Llamado también vertedero RBC por las iniciales de los autores de este aforador (Replogle, Bos y Clemmens), es una estructura de medición de caudales para puntos donde la perdida de energía es limitada. Estos vertederos se encuentran por lo general en los canales principales, en bifurcación de canales y en aguas debajo de una compuerta. Un vertedero de cresta ancha posee una estrecha relación entre el nivel aguas arriba y el caudal. La longitud de la cresta del vertedero en la dirección del flujo es tan larga que permite que las líneas de corriente sobre la cresta sean rectas y paralelas. La cara aguas arriba influye a la relación altura (H) – caudal (Q). La cara posterior puede ser vertical o puede tener una cierta pendiente. A causa de la inclinación de la rampa en el tramo de convergencia, parte de la energía cinética, es transformada en energía potencial en la sección aguas abajo. La transición aguas arriba conduce el flujo a la sección de control sin separación ni contracción del flujo. La ecuación de descarga para un vertedero de cresta ancha de sección rectangular es:
Q = Cd * B *
3 2 2 g *H 2 3 3
(4.24)
Donde: Cd = Coeficiente de descarga Q = caudal en (m3/s) -27-
H = Energía aguas arriba en (m) B = Ancho de la cresta del vertedero en (m)
Q
Y1
1
Yc
3
p1
-28-
•
El flujo debe ser modular (libre) para una medida más exacta.
•
La utilización de vertederos de profundidad crítica no es recomendable bajo condiciones de flujo no modular.
•
Si el aforador no es construido con las dimensiones exactas, entonces será necesario una calibración.
4.4.1 Criterios de construcción La construcción de un vertedero de resalto como el de la Figura N° 4.6 es sencilla. Este tipo de vertedero de pared gruesa necesita únicamente que la superficie de su umbral se construya con cuidado. Las demás superficies pueden dimensionarse y determinarse con una aproximación de alrededor del + 10% sin que afecte la calibración más allá del 1%. En construcciones nuevas puede seleccionarse el dispositivo de medida para satisfacer la profundidad normal del canal de aproximación y puede diseñarse un escalón en el canal que iguale o supere la pérdida de carga necesaria. Esto impedirá que los problemas de sedimentación se agraven. A pesar de la existencia de los sedimentos que fluyen por la solera del canal, estos se esparcen por la rampa y pasan la coronación sin causar problemas importantes.
4.4.1.1 Bordo libre del canal Se recomienda que el Bordo libre del canal sea, al menos, el 20% de y1max, ya que las velocidades de la corriente en los canales de riego en los que pueden instalarse estos vertederos de resalto varían en un intervalo relativamente estrecho. Esto permite un exceso de caudal del 40% antes de llegar al borde superior del canal, sin tener en cuenta el efecto de las olas. Naturalmente, si se espera la existencia de oleaje o grandes elevaciones del nivel del agua, debidas al manejo, deben considerarse estas circunstancias en el diseño del Bordo libre. Sin embargo, se debe procurar evitar estas condiciones, ya que son causa de inexactitud de las medidas del caudal.
4.4.1.2 Control de errores El control de errores se puede llevar a cabo de las siguientes formas: a)
La coronación del vertedero es lo suficientemente ancha para que puedan absorberse fácilmente los errores inherentes a las construcciones de hormigón en la anchura de la sección de control, por lo que los canales de hormigón existentes pueden utilizarse para la mayor parte de los dispositivos de medida.
b)
La longitud de la coronación del vertedero, en la dirección de la corriente, y la pendiente de la rampa de aproximación. dan lugar a un tipo de flujo que puede ser ajustado a modelos matemáticamente exactos (±2%) y resuelto mediante las técnicas informáticas, para casi cualquier forma de sección transversal del canal.
c)
La colocación exacta de la escala limnimétrica vertical situada aguas arriba del vertedero, son las operaciones de campo más críticas y cuidadosas.
-29-
4.5
MEDIDORES A REGIMEN CRITICO
La mayoría de las obras de medición de caudales a régimen crítico constan de un tramo convergente, en el que el agua, que llega en régimen subcrítico se acelera y conduce hacia una contracción o garganta, en la que alcanza una velocidad supercrítica, a partir de esta velocidad se va reduciendo gradualmente, hasta llegar, de nuevo, a un régimen subcrítico, en el que se recupera la energía potencial. Como se aprecia en la Figura 4.7, aguas arriba de la obra existe un canal de aproximación, cuya función es producir un régimen laminar, de tal modo que la superficie de agua se mantenga estable y así medir su altura con gran precisión. Aguas abajo del medidor hay un canal denominado de cola, que es de gran importancia para el diseño de una obra de medición, debido a que la gama de niveles de agua en el mismo, será la que determine la altura del resalto en el estrangulamiento, con respecto a la cota de la solera de éste canal de cola. d e i ó n s t a c l a e a c i a r o t a n a f o D i s
n i c ó n s i t e T r a e r g e n i v n d c i ó c a n t r C o
n c i ó t e n s i T r a e r g e n v c o n
a u r a d o c b E m
a ir b s a r a u a g d e n a l a C
a c o l d e l a n C a
d e n a l i ó n C a i m a c o x a p r
L i m n í m e tr o
F i g u r a N ° 4 . 7 D e n P a r p a s t r o d t es p e o e n u p o r l a s o r i n l c i p n a c a g a b r a s a o r t a r g a s e m l es d e L o s d i st nt a , e j an u n a a n c e n l t e s u n m e d i o b r a i a a c d d e n l as e no a d l o r e s p r o a na s e nt m i n d e s e a d u c a b i e d e i c f o r d o a d a r it a e p r to c a u o p l o s o , d s n r a r a E l d g i tu e c c i s e c u n d e t a a l a F u e e s tr l m r é g d i n ó n d la s if l a m nt e a n c e s em p i a e o e i m l c B o s c e d i . ha . ha m d o q e n c o n a n e ño ( 1 9 c a c i t u i ó r q r L a 8 6 ) e nt o e s e ít ic o l , n u e á d l r e la h i dr l a s lo s e c a e n e a lc a o e s e c ió ul ic o l ín e a v e r t u d a a nc ia l c a nz n a l d e s d e e d e r l es n l l Q = a m tu r a u l, y a lt u e nt o a r a – n a e c C d u s o a é g i r r ie o a f s e a r a c r e c o n c a u s tr u H me nt e o r a d e : d a l c tu r l at e í t ic s is t n c v a n d o r d e l a d r a l a e n e n e rí t ic e s c , d e l a a m e e s a s i e n o . g n l a
a y o te t i f o n a r g p a r l o s r ía p o d o , a nt c o n t r a a le l q u d e e a = c o a s , e , a c s d c d s l o s o e f e a m e l a ió n i a l m s u i c ie m e d im d e la r e b e no s t s o l n r i d o a l c s . u c tu a s l t e d = a r o í e s a m p n e d r lt u r a . e e s c a p i L a a s d e r é g i o r ta m a r g a c e zo m o n t f l u j o e n c i e nt o f a c m é q r a c u e to r tr i c r ít ic d e c ió n e n d e p q u e a s o u o e n s e t ie n v e n d e b r e v a r e l a r te d d e l ía e l a c s i g a s d n t r e r e s t u e r o d i me i e n e c a e n 1 .5 ( 4 .2 t e f r e s n s io 0 y e l o r m ta 5 ) c a n 2 .5 n e s d e a : 0 d a l d e p e e l a a g nd i p r o a r g a e n d x i m n t a o d a c . ió n e l a . g e o m e t rí a d e l c -30a na l . C d
e o d n s i l l c i ó P o it g u a o r a m
Algunos ejemplos de estructuras de medición de caudales a régimen crítico son : los Parshall, aforadores sin cuello, y aforadores de garganta larga.
4.5.1 Medidor Parshall Este medidor a régimen crítico fue ideado por Ralp L. Parshall. En este aforador se aplica el aparato de Venturi y por lo tanto se usa el teorema de Bernoulli;. En la literatura es posible encontrar las dimensiones estándar de los Parshall, así como sus relaciones altura caudal. El rango para la medición práctica de caudales con estas estructuras es de 0.09 lt/s a 93 m3 /s. La medición del nivel de agua en un Parshall se la hace en una de las paredes convergentes de la base horizontal a la distancia de 2 A , medida de la forma en que se ilustra en la Figura 4.8 En esta figura,
3
también se puede observar la geometría de un medidor Parshall, mas el detalle de sus dimensiones.
Medidor de tirantes
E
K
N
CORTE A -A M
B
T
G
Ha H
P
A
D
2/3A
W
C
A
P
A
PLANTA
Figura N° 4.8
Esquema de un aforador Parshall
Las dimensiones para diferentes magnitudes Parshall y las relaciones altura (H) – caudal (Q), se indican en el Cuadro 4.2. La identificación de los diferentes Parshall se la hace en base a su magnitud más representativa, el ancho de la garganta (W).
-31-
Cuadro 4.2 Magnitudes de los aforadores Parshall más usados. Parshall
W
A
B
C
D
T
G
Rango de Q
Ecuación
[mm]
[mm]
[mm]
[mm]
[mm]
[mm]
[mm]
[lt/s]
[m3/s]
1"
25.4
363
356
93
167
76
203
0.14 - 4.33
0 .0604 * h 1.55
2”
50.8
414
406
135
214
114
254
0.311 - 8.66
0.1209 * h 1.551
3”
76.2
467
457
178
259
152
305
0.79 - 52.7
0.1771 * h 1.547
6”
152.4
621
610
394
397
305
610
1.53 - 110.7
0 . 3812 * h 1 . 58
9”
228.6
879
864
381
575
305
757
2.58 - 251.2
0 . 5354
1'
304.8
1371.6
1343
609.6
844.6
609.6
914.4
4.9 - 455.9
* h 1 . 53
4 * W * h 1 .522 * W
0 .026
Fuente Grant (1991)
Este medidor básicamente consta de las siguientes partes: a)
Una sección de entrada formada por dos muros convergentes, sobre un piso horizontal, a nivel, donde está ubicada la escala de medida, a 2/3 del punto final de la sección de convergencia.
b)
Una garganta que es un elemento básico de medida y que puede tener diversas dimensiones, a la cual se le ha asignado la letra “W”. Esta garganta está formada por dos muros paralelos y verticales sobre un piso inclinado hacia abajo con pendiente de 2.67:1 que en conjunto se denomina cuello, es decir, la garganta es la intersección de la entrada con el cuello.
c)
Una sección de salida formado por dos muros divergentes apoyados en un piso inclinado hacia arriba.
Las medidas del medidor Parshall deben ser cuidadosamente respetados para poder utilizar las mismas tablas dadas por el autor; pues de variar es necesario efectuar ensayos de calibración para ajustar los coeficientes de medida y corrección. Ventajas:
•
Permite medir con precisión tanto caudales pequeños como grandes, para tal fin se construyen de diversos materiales.
•
Soluciona el problema de azolve muy comprometido y notorio en los vertederos, por mantenerse libre de obstrucciones gracias a su geometría y la velocidad en la garganta.
•
El caudal no está influenciado por la velocidad de llegada.
•
Las pérdidas de carga son insignificantes frente a otras estructuras.
•
Su uso está recomendado tanto para el aforo de canales de riego, canales de drenaje así como de ríos pequeños.
•
La velocidad de aproximación no afecta las medidas de caudal cuando el aforador es construido de acuerdo a las dimensiones dadas y son usadas cuando el ingreso de flujo es uniformemente distribuido y libre de turbulencia
•
Son generalmente más caros en su construcción que los vertederos.
•
No pueden ser usados en lugares cercanos a las derivaciones.
•
El flujo de entrada debe ser uniforme y la superficie del agua relativamente suave
Desventajas:
-32-
•
Sus mediciones son satisfactorias solo si la construcción es cuidadosa y exacta.
•
Si no se construye con las dimensiones exactas la tabla de magnitudes no es confiable.
•
Los pequeños aforadores requieren una pequeña perdida de carga para la medición de flujo modular; aunque las calibraciones de flujo sumergido son confiables no es recomendable diseñar aforadores para flujo no modular porque el manejo de las dos cargas consume tiempo y da como resultado mediciones de baja exactitud.
•
Este aforador tiene el grave inconveniente de no poder adaptarse a nuestras condiciones topográficas accidentadas, como lo que es más insalvable aún, el hecho de tener que afrontar la gran dificultad de su construcción con los siguientes problemas de calibración y de poca adaptación a la forma de canales de riego; razón por la cual su empleo se hace cada vez más restringido.
4.5.2 Aforador sin cuello Este medidor relativamente conocido con el nombre de “Cutthroat Flume” fue desarrollado en EE.UU., y al igual que los aforadores Parshall, las dimensiones están definidas por la amplitud de la garganta W y por la longitud total “L”. La construcción es más simple que el Parshall, y está compuesta por dos partes fundamentales, así como lo muestra la Figura N° 4.9. CORTE A -A Medidor de tirantes
L1
L2
PLANTA Ha
A
B
W B
-33-
A
b)
La unión de estas dos secciones forma una contracción en la estructura, conocida como garganta de aforador, (W) la cual carece de cuello, de allí su denominación, tanto la sección de entrada como la de salida tienen un mismo ancho (B) que es función de la garganta y de la longitud del aforador (L) de acuerdo a la relación:
L 4.5
B= W +
(4.26)
L = 4.5 W h = 0.5 L Ventajas:
Tal como se indicó en líneas anteriores, la ventaja de este aforador es evidentemente la facilidad de su construcción, ya que todas las dimensiones de su estructura giran en torno a los valores de L y W. Para medir el caudal de los aforadores sin cuello se miden las cargas Ha y Hb, para luego hallar el grado de sumersión de acuerdo a S = Hb/Ha. Para cuatro dimensiones de L de este medidor son: L = 0.90 m
S = 65 %
L = 1.80 m
S = 74 %
L = 2.70 m
S = 80 %
L = 5.40 m
S = 83%
Cuando estos medidores trabajan a descarga libre, la ecuación del caudal es:
Q = C Ha n
(4.27)
Donde; Q = Caudal en m3/s C = Coeficiente que depende de L y W Ha = altura de agua en m. n = Coeficiente de flujo libre que depende de L W = Garganta del aforador en m. Por otra parte:
C = K W1.025
(4.28)
Donde los valores de K y n se determinan en función a la longitud L, siendo estos los siguientes: L = 0.90 m
K = 3.90
n = 1.84 -34-
L = 1.80 m
K = 2.50
n = 1.66
L = 2.70 m
K = 2.10
n = 1.57
L = 5.40 m
K = 2.00
n = 1.41
4.5.4 Aforador de garganta larga Los aforadores de garganta larga son aforadores de sección crítica, en los cuales el flujo crítico se produce mediante una contracción tanto en las paredes laterales como en el fondo, o en ambos, así lo muestra la Figura N° 4.10. La sección contraída se denomina “garganta”, y debe tener una longitud suficiente para que en ella las líneas de corriente sean prácticamente paralelas. En este sentido es que se denominan de “garganta larga”. Ventajas:
Los aforadores de garganta larga tienen, según Bos et al (1986) las siguientes ventajas: •
Si ocurre el régimen crítico dentro de la sección de garganta, es posible calcular la curva de calibración con un error no mayor del 2%.
•
Pueden lograrse diseños en los que es posible medir con gran exactitud el rango de caudales esperados.
•
Las pérdidas de carga son mínimas y pueden estimarse con gran exactitud.
•
Se tienen pocos problemas ocasionados por materiales flotantes, debido a que las transiciones de entrada y salida son graduales.
•
Estos aforadores son, los más sencillos y económicos.
Figura N° 4.10 Esquema de los aforadores de garganta larga. Los aforadores de garganta larga, de los cuales los vertedores de cresta ancha son un caso especial, han sido usados con éxito desde hace varios años. Debido a que el flujo en la sección crítica es muy inestable, el tirante debe medirse en una sección aguas arriba del aforador, donde el flujo es subcrítico, y la superficie libre es estable. La sección de medición se ubica aguas arriba de la transición de entrada al aforador.
4.6
COMPARACION DE VENTAJAS Y DESVENTAJAS
Tomando en consideración los diferentes parámetros planteados para la comparación de los aforadores el Cuadro N° 4.3 muestra la comparación de los diferentes tipos de aforadores clasificados en tres grupos: -35-
a)
Vertederos de cresta delgada
b)
Vertederos de cresta ancha
c)
Medidores a régimen crítico
Cuadro N° 4.3 Comparación de aforadores TIPO DE OBRA
Vertederos de pared delgada: Rectangular, Triangular, Trapezoidal o Cipollety
Vertederos de cresta ancha:
Medidores a régimen crítico: Aforador Parshall, Aforador sin cuello, y Aforador de garganta larga.
VENTAJAS
DESVENTAJAS
-La construcción de vertederos es por lo general de bajo costo. -Su construcción es sencilla, se lo hace con material delgado o planchas de metal. -Los usuarios del agua pueden verificar la medición de caudal
-No debe usarse para mediciones de alta precisión -Se recomienda su uso en condiciones de velocidad de acceso muy grande, haciendo correcciones por velocidad. -Para su buen funcionamiento se requiere de una calibración en laboratorio. -Los cuerpos flotantes no pueden pasar con facilidad y pueden causar daños que afectan la exactitud. -La medición es imposible cuando el nivel aguas abajo se eleva por encima de la cresta del vertedero -La perdida de carga es considerable.
-La lectura de caudal es fácil. -La construcción es simple. -Los cuerpos sólidos pasan sin problema. -La operación es fácil -Son los más económicos para mediciones de flujo exactas. -Requiere una pequeña caída de la superficie libre del agua a través de la instalación. -La forma hidráulica es flexible y simple porque pueden adaptarse a cualquier forma de canales, sin necesidad de reconstruir los canales. -Tiene mínima profundidad de carga, comparada con los aforadores de garganta larga.
-El flujo debe ser modular (libre) para una medida más exacta. -La utilización de vertederos de profundidad crítica no es recomendable bajo condiciones de flujo no modular. -Si el aforador no es construido con las dimensiones exactas, entonces será necesario una calibración
-Permite medir con precisión tanto caudales pequeños como medianos y grandes. -Se mantiene libre de obstrucciones gracias a su geometría y la velocidad en la garganta. -El gasto no está influenciado por la velocidad de llegada. -Las pérdidas de carga son insignificantes frente a otras estructuras. -Su uso está recomendado tanto para el aforo de canales de riego, canales de drenaje y como de ríos pequeños.
-Son más caros en su construcción que los vertederos. -No pueden ser usados en lugares cercanos a las derivaciones. -El flujo de entrada debe ser uniforme y la superficie del agua relativamente suave -Sus mediciones son satisfactorias solo si la construcción es cuidadosa y exacta. -Si no se construye con las dimensiones exactas la tabla de magnitudes no es confiable. -Los pequeños aforadores requieren una pequeña perdida de carga para la medición de flujo modular; aunque las calibraciones de flujo sumergido son confiables no es recomendable diseñar aforadores para flujo no modular. Fuente: Elaboración propia
-36-
CAPITULO 5 TRABAJO DE CAMPO
5.1
INTRODUCCION
Una de las tareas fundamentales antes de diseñar cualquier obra hidráulica es la obtención de datos confiables y muy precisos mediante un reconocimiento previo y luego un levantamiento de los datos del terreno. Dentro de la actividad de la obtención de datos del terreno siempre es recomendable un reconocimiento previo a la zona de estudio, ya que una visita al lugar impone la manera más adecuada del levantamiento de datos. Es así que en el presente capitulo se describen el reconocimiento de campo y el nivelamiento de los perfiles longitudinales de los canales en cuestión, para que luego con ayuda de estos datos se pueda diseñar el tipo de aforador más adecuado a las condiciones del lugar y de los usuarios.
5.2
RECONOCIMIENTO DE CAMPO
Se ha efectuado un reconocimiento de la zona de estudio con la ayuda del Presidente del Sistema de Riego El Paso, Sr. Cenon Patsi, quién con buena voluntad, me condujo a los puntos donde necesitan que se construyan los aforadores. También me expuso los diferentes problemas que actualmente atraviesa la infraestructura de riego de El Paso. Las características más importantes observadas en el reconocimiento de campo fueron: a)
Los canales por lo menos en sus tramos principales tienen revestimiento con hormigón ciclópeo, sin embargo se apreció un notable desgaste de la solera del canal debido al arrastre de material grueso.
b)
La pendiente de los canales de riego varían desde 0.8 % hasta 8 %, haciendo que el flujo sea supercrítico e inestable.
c)
Existen dos aforadores en los puntos Camara Chillka (B) y Toma Retama (D) construidos por el PEIRAV, los cuales se encuentran descalibrados por el tiempo de uso que tienen, aproximadamente 14 años según el presidente de Riego de El Paso, Sr. Cenon Patsi.
d)
La obra de toma Cebolla Huerta (A) fue reconstruida por los propios socios, sin embargo en la solera del canal aún existen infiltraciones de aproximadamente 10% del caudal total.
En esta etapa del trabajo de campo se tomaron algunas fotografías de los puntos de aforo en los canales de riego. Estas fotografías se muestran en el Anexo A, donde se puede apreciar el actual estado de los canales.
5.3
DEFINICION DE LOS PUNTOS DE AFORO
Los puntos de aforo definidos por los socios del sistema de riego El Paso son los siguientes:
-37-
Con un punto de aforo:
•
(A) Bocatoma Cebolla Huerta
Con dos puntos de aforo:
•
(B) Cámara Chillka
•
(D) Toma Retama
•
(20) Toma Chirimolle
Como se puede apreciar, los puntos de aforo son siete en total. Los datos tomados en cuenta en el reconocimiento de campo se detallan en el Anexo B, donde se muestra los requerimientos de la medición de agua y las características geométricas de los puntos definidos por los usuarios.
5.4
NIVELAMIENTO DE LOS PUNTOS DEFINIDOS
Se ha realizado el levantamiento de los perfiles longitudinales de los canales de riego involucrados en los puntos anteriormente mencionados. El trabajo de nivelamiento se lo hizo con ayuda de un equipo de nivelamiento que consta de un nivel de ingeniero, un trípode para el nivel de ingeniero, una regla de nivelamiento, una huincha, planillas de nivelamiento y otros. Los puntos de partida para la nivelación denominados BM, fueron pintados con pintura de color rojo, para un posterior replanteo de los perfiles longitudinales y la construcción de los aforadores. Los puntos BM fueron establecidos en las cabeceras de los canales principales, alejados aproximadamente 30 metros de los puntos de bifurcación y unos 20 metros de los posibles puntos de medición donde se construirían los aforadores.
5.5
SECCION TRANSVERSAL Y PERFIL LONGITUDINAL DE LOS PUNTOS DE AFORO
El procesamiento de los datos de nivelamiento dio como resultado las secciones transversales y los perfiles longitudinales mostrados en el Anexo C, donde se muestran las pendientes promedios y las distancias tomadas en tramos rectos para cada punto de aforo.
-38-
