METODOS DE AFORO

[Escribir el título del documento]

FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL Y ARQUITECTURA

E.A.P. INGENERÍA CIVIL

CURSO: DOCENTE: INTEGRANTES:

HIDROLOGIA GENERAL ING. JOHN WILLIAMS CHAMOLI FALCON CERVANTES EUSEBIO, Elvis A.

HUANUCO – PERU 2014

UNIVERSIDAD NACIONAL HERMILIO VALDIZAN E.A.P INGENIERIA CIVIL

INTRODUCCION

Desde hace varios siglos el ser humano ha tenido la necesidad de medir el comportamiento físico del agua en movimiento o en reposo. Es por ello que se ha inventado muchos métodos para el cálculo cálculo del caudal, ya que dicho valor obtenido sirve para realizar obras hidráulicas, etc. El siguiente informe tiene como finalidad resumir y explicar los diferentes métodos usados para medir o aforar el agua de un rio, etc.

HIDROLOGIA

ING. JHON WILLIAMS CHAMOLI FALCON


INTRODUCCION

Desde hace varios siglos el ser humano ha tenido la necesidad de medir el comportamiento físico del agua en movimiento o en reposo. Es por ello que se ha inventado muchos métodos para el cálculo cálculo del caudal, ya que dicho valor obtenido sirve para realizar obras hidráulicas, etc. El siguiente informe tiene como finalidad resumir y explicar los diferentes métodos usados para medir o aforar el agua de un rio, etc.

HIDROLOGIA



MEDICION DEL CAUDAL

Se denomina caudal en hidrología, hidrología, al volumen de agua que circula por el cauce de un río un río en un lugar y tiempo determinados. Se refiere fundamentalmente al volumen hidráulico de la escorrentía la escorrentía de una cuenca una cuenca hidrográfica concentrada en el río principal de la misma. Por lo tanto se dice que el caudal es la cantidad de agua que pasa por un punto o sección de un un canal, acequia, perforación de agua subterránea o surco durante un determinado intervalo de tiempo. Así por ejemplo un caudal de 10 litros/segundo, significa que pasan pasan 10 litros de agua por una punto o “sección” del canal durante 1 segundo.

El caudal suele medirse en litros/segundo, la equivalencia con m3/segundo es la siguiente: 1000 l/s = 1   Son varios los métodos que se pueden emplear para aforar, estando la mayoría de ellos basados en la determinación del área de la sección mojada transversal y la velocidad media, para lo cual se utiliza la fórmula clásica:

Q=Axv

Donde: Q = caudal en m3/s. A = Área de la sección mojada transversal en m2. v = velocidad en m/s. Entre los métodos más utilizados utilizados para medir caudales caudales se encuentran los siguientes:

HIDROLOGIA



a) Método volumétrico b) Método del flotador (sección mojada y velocidad media) c) Método de aforo por compuerta d) Métodos de aforo de cañería de pozos pozos agua subterránea e) Métodos mediante estructuras de medida (vertederos y aforadores) f) Método de la sección y la pendiente g) Molinete h) Medidor ultrasónico i) Aforo químico j) Aforo por resalto K) Método del aforo Gravimétrico.

HIDROLOGIA



METODOS DE AFORO PARA EL CALCULO DE CAUDAL C AUDAL DE AGUA METODO VOLUMETRICO: Este método permite medir pequeños caudales de agua menores de 20 litros/segundo, como son los que escurren en surcos de riego o pequeñas acequias. MATERIALES: -

Balde Cronometro Personal que conozca el método

PROCEDIMIENTO: - Inicialmente, se realiza una inspección al sitio a investigar; días antes de la prueba. - El funcionario, debe mantener el cronometro en cero, luego en la salida del flujo constante de la tubería o canal, se coloca el recipiente, simultáneamente se activa el cronometro; este proceso finaliza en el momento en que el flujo llegue a la marca del recipiente y se desactiva el cronometro inmediatamente. - El resultado de este procedimiento es volumen llenado entre el tiempo de llenado (Q = v/t); el mismo, debe ser repetido de tres (3) (3) a cinco (5) (5) veces, de esta manera se verifica si el flujo es constante o variable. - Con los datos tomados de tiempo y el delta de volumen de agua escogido se obtiene el caudal que está recorriendo.

Ejemplo:

Se quiere medir el caudal de agua que entrega un sifón de riego a un surco. Para ello se practica el aforo volumétrico con un balde de 10 litros. Se efectúan 3 mediciones tomado el tiempo en que llenamos el balde Tiempo (segundos)

Medición

8

1era

7

2da

7.5

3era

7.5

Promedio

Tiempo promedio = (8 + 7 + 7.5)/3 7.5)/3 = 7.5 seg.

HIDROLOGIA



También: -Volumen del Balde : 18 litros. -Tiempo promedio que demoró en llenarse : 5 segundos. Dividiendo el volumen de agua recogido en el recipiente por el tiempo (promedio) que demoró en llenarse, se obtiene el caudal en litros por segundo.

 () 

HIDROLOGIA

       



METODO DEL FLOTADOR: Este método se utiliza tanto para conocer el agua que circula en canales como en acequias de riego, dando sólo una medida aproximada de los caudales. Se presenta como una metodología sencilla de campo. MATERIALES:      

Wincha de 50 m. Wincha de 5 m. Cordel Objeto flotador (bola de tecknoport) Cronometro Cuaderno de apuntes.

PROCEDIMIENTO:  





Delimitar una zona de río para el aforo, en nuestro caso fue de 10 m. Marca con un cordel a cada extremo del río en la respectiva sección. Lanzar el objeto flotador y tomar los tiempos en 10 repeticiones en que se demora en recorrer la distancia de 10 m. Finalmente tomar los datos de las secciones del río en el punto inicial y en el punto final.

Ejemplo:

Calcular el caudal del rio Huacarmayo por el método del flotador.

HIDROLOGIA



1. LONGITUD DE AFORO Se tomara una longitud, para hacer las pruebas de tiempo. Es nuestro caso será una longitud de 10 metros.

10 metros

B

A

2. LONGITUD DE AFORO Se lanzó el objeto flotante (bola de tecknoport), y se tomó el tiempo de 10 repeticiones

HIDROLOGIA

N°

TIEMPO (s)

1

19.25

2

18.16

3

15.34

4

15.31

5

16.06

6

16.78

7

17.47

8

15.06

9

14.97

10

15.72

SUMA

164.12

PROMEDIO

16.412



3.

LONGITUD DE AFORO La velocidad es la división de la distancia entre el tiempo que toma en recorrerla. V=d/t En este caso tendremos: V=

0.60931026

m/s

4. SECCIONES DEL RIO En este caso tomaremos 2 secciones cada una al extremo de nuestra distancia de referencia. SECCIÓN A: Para obtener el área de la sección A, se procedió a medir la profundidad del río a cada 20 centímetros, incluyendo una altura de la línea de referencia hasta el nivel río. Obteniéndose los siguientes valores:

HIDROLOGIA



Obteniéndose:

SECCIÓN B: Para obtener el área de la sección B, se procedió a medir la profundidad del río a cada 20 centímetros, incluyendo una altura de la línea de referencia hasta el nivel río. Obteniéndose los siguientes valores:

HIDROLOGIA



Obteniéndose:

4.1

HIDROLOGIA

SECCIONES DEL RÍO



4.2

SECCIONES DEL RÍO

A1 =

1.354

m2

A2=

0.912

m2

Luego obtenemos un promedio de las áreas: A = (A1 + A2)/2 = 1.113 m2

5. CALCULO DEL CAUDAL Se obtendrá el caudal al multiplicar l área promedio por la velocidad y un coeficiente de corrección de la velocidad.

   COEFICIENTE DE CORRECCIÓN:

HIDROLOGIA



CAUDAL Se tendría: Q=

AxVx0.25

Q=

1.113*0.60931026*0.25

m3/s

Q=

0.17258713

m3/s

Q=

172.6

l/s

FINALMENTE SE OBTIENE UN CAUDAL: Q=

HIDROLOGIA

172.6

l/s



METODO DEL AFORO POR COMPUERTA: Las compuertas que comúnmente son utilizadas para dotar el agua de riego pueden considerarse como un orificio en los cuales es factible poder medir el caudal que dejan pasar. Este método no es muy conveniente cuando el nivel de agua aguas arriba y debajo de la compuerta varía mucho en el tiempo, ya que no podremos medir un caudal que sea representativo o estable para el cauce de riego que estamos evaluando. Existen 2 maneras de analizar, una cuando la compuerta es libre y otra cuando la compuerta es ahogada. MATERIALES:  

Wincha. Cuaderno de apuntes.

PROCEDIMIENTO:  



Calcular las medidas de la compuerta, la abertura y el ancho Obtener las medidas de las alturas, aguas arriba de la compuerta y aguas debajo de la compuerta. Realizar los cálculos necesarios aplicando la fórmula de dicho método y así calcular el caudal.

COMPUERTA LIBRE

COMPUERTA AHOGADA

HIDROLOGIA



TENER EN CUENTA:

Q a l h1 h2 c

= caudal que pasa a través de la compuerta = abertura de la compuerta = ancho de la compuerta = altura de agua aguas arriba de la compuerta en metros = altura aguas debajo de la compuerta en metros = coeficiente de gasto

¿Qué es el coeficiente de gasto y que valores tiene?

El coeficiente de gasto en un valor adimensional menor que la unidad que produce una disminución del caudal teórico o práctico. Esta disminución se debe a distintos factores. El primer factor es la contracción de la vena líquida. Esta se produce a la salida del orificio como consecuencia del rozamiento de la vena líquida y deformación de los filetes líquidos al chocar con la arista interna y de las paredes. El otro factor es la velocidad, como el área de la vena líquida es de menor dimensión que el área real, la velocidad teórica que debería producir el líquido a la salida es mayor que la velocidad real de esta. Es así que el efecto de estos dos factores es lo que denominamos coeficiente de gasto de la compuerta. Los valores que puede tomar son los siguientes: * Cuando la compuerta trabaja como libre: c = 0.68 Cuando la solera del canal coincide con la parte inferior de la compuerta y los costados del canal (sin contracciones). c = 0.65 Cuando coincide con el fondo pero no con los costados (contracción lateral). * Cuando la compuerta trabaja ahogada: c = 0.73 Sin contracciones en el fondo y bordes. c = 0.67 Con contracciones en los tres lados.

HIDROLOGIA



¿Qué otra precaución hay que tener en el aforo por compuerta?

Cuando la velocidad de llegada supera 0.5 metros/segundo hay que modificar el cálculo, agregando una sobrecarga de la velocidad de llegada de la siguiente manera:

Ejemplo:

Se quiere conocer el caudal que ingresa por una compuerta de tornillo a una propiedad agrícola. La compuerta se encuentra ubicada en forma paralela al cauce de riego que dota la propiedad y se encuentra trabajando en forma ahogada y no posee contracciones en el fondo ni en los bordes. La compuerta tiene una abertura de a = 0.50 m y el ancho de la misma es de, l = 1m, h1 = 0.70 y h2 = 0.65. Solución:

Nos dice que la compuerta se encuentra trabajando en forma ahogada, entonces:

Dadas las condiciones en que opera la compuerta se mide la altura o carga de agua, aguas arriba de la compuerta y aguas debajo de la compuerta. a = 0.50 m l = 1 m h1 = 0.70 m h2 = 0.65 m

HIDROLOGIA



Entonces: h1 – h2 = 0.70 – 0.65 = 0.05

Velocidad de llegada: < 0,5 m/seg También: c = 0.73, debido a que no existe contracciones en el fondo y bordes.

Por lo tanto, en la fórmula: Q = c*a*l*4.43*√     Q = 0.73*0.5*1*4.43*√   

Por lo tanto:

HIDROLOGIA

Q =0.36 m3/seg



METODO DE AFORO DE CAÑERIAS DE POZOS DE AGUA SUBTERRANEA:

Pueden ser: 1.1 Pozo surgente con salida vertical: Se determina en forma muy aproximada el caudal de un pozo surgente con salida de agua vertical. Se mide la altura máxima a que llega el agua en la boca del caño, como se puede observar en la figura. Se toma en cuenta el diámetro interior del caño de descarga en pulgadas.

El caudal el litros por minuto se busca en la Tabla II.6 de acuerdo a la altura y diámetro medido en campo.

HIDROLOGIA



Para las distintas dimensiones de caños y distintas alturas de agua, se puede determinar el caudal mediante la siguiente fórmula:

         √ Q = caudal en litros por minutos d = diámetro interior del caño de descarga en pulgadas h = altura del agua en el caño de descarga en cm C = coeficiente variable de 0,87 a 0,97 por caños de 2 a 4 pulgadas de diámetro y de 15 hasta 60cm de altura.

HIDROLOGIA



Ejemplo: Con un caño de d = 8” y una altura de agua h = 28 cm tendremos un

caudal de: Q = 4605 litros/minutos *para resolver este ejemplo solo se utiliza la tabla que esta en la parte de arriba. 1.2 Pozo con salida horizontal e inclinada:

Pueden darse dos situaciones: caño con salida horizontal e inclinada que fluye lleno y caño de salida horizontal e inclinada que no fluye lleno. Otro método práctico de aforo de un pozo es a través del nomograma de aforo en condiciones de caño lleno. 

Pozo con salida horizontal e inclinada que fluye lleno En una vara de lago menos que un metro, se suspende una plomada que debe tener exactamente 31 cm (Figura II.9). La vara se acerca cuidadosamente al caño de descarga donde mana el agua cuyo caudal se desea medir. Luego, la vara debe ser deslizada adelante o hacia atrás, hasta que la punta de la plomada toque el agua que sale del caño. En ese momento se determina la distancia a (Figura II.9), la misma se mide desde el extremo del caño de descarga y el punto donde se encuentra atada la plomada.

La fórmula para conocer el caudal es la siguiente:

 Q = caudal en litros por minuto. a = distancia en centímetros desde el extremo del caño de descarga y el punto donde se encuentra atada la plomada K = coeficiente que depende del diámetro interno del caño de descarga. (Tabla II.7)

HIDROLOGIA



Ejemplo: Determinar el caudal que eroga un pozo de 7” de diámetro interno, el mismo

tiene la descarga en forma horizontal y fluye lleno de agua. La lectura de regla con plomada dio una distancia desde el extremo del caño de descarga y el punto donde se encuentra atada la plomada de 35 cm K= 59.61 (Tabla II.7)

   

Pozo con salida horizontal e inclinada que no fluye lleno:

Primero se hacen todos los pasos como si el caño de descarga estuviera trabajando lleno. Luego procederemos a medir el espacio que llamaremos “f”, también se debe medir el diámetro exterior del caño de descarga “d”. Si dividimos el valor de f sobre d, obtendremos el porcentaje libre del

caño de descarga.

HIDROLOGIA



Con el valor obtenido se busca en la Tabla II.5 el factor de corrección que multiplicado al caudal obtenido como si el caño fluyera lleno dará como resultado el caudal real en litros por minuto que eroga el caño de descarga que no fluye lleno.

Ejemplo:

Se desea conocer el caudal que eroga un pozo que posee un caño de descarga horizontal y que no fluye lleno. El caño posee d = 15 cm de diámetro exterior se mide su porción libre f = 3 cm, dividiendo f/d = 0.2 = 20 %, para lo cual y mediante la Tabla II.8 el factor de corrección correspondiente es 0,858.

HIDROLOGIA



Solucion:

Calculamos el caudal como si el caño de descarga fluyera lleno, para nuestro ejemplo: Diámetro interno = 7”

K= 59.61 (Tabla II.7)

             

Aforo de un pozo a través del nomograma de aforo (caño lleno): Para determinar el caudal que eroga un pozo utilizando el nomograma de aforo, se debe conocer la distancia en metros del piso o superficie del agua embalsada, al centro del caño “a y la distancia de la salida del chorro hasta el centro del lugar en que cae “b”.

Conociendo el diámetro de caño conocer el área del mismo mediante:    

de

descarga

podremos

Los valores de a y b se miden a campo. Una vez obtenidos todos los datos en el nomograma se procede de la siguiente manera: a) El valor de a se ubica sobre la línea correspondiente. b) Se prolonga una línea que corte al valor de b medida. c) Se continúa la línea hasta cortar la línea de velocidad (metros por segundo), de esta manera determinaremos la velocidad en metros por segundo del agua en la salida del caño de descarga.

HIDROLOGIA



d) Unir el punto de la velocidad obtenida con el área del caño calculado anteriormente. e) La línea resultante del paso anterior contará en un punto a la línea de caudal, ese valor será el que está erogando el pozo con los datos medidos de campo.

(Fuente: Aforo en pequeños canales de riego – Ings Agrs Fernández y C.J Gras)

Ejemplo: Se desea conocer el caudal que eroga un pozo de 8” de diámetro

que fluye lleno y cuyo caño de descarga se encuentra en forma horizontal. El valor de a = 1 m y b = 0,5 m El área del caño según diámetro en de A = 324 cm2 Entrando por el nomograma se determina que el caudal es: Q = 30 litros/segundo

HIDROLOGIA



Si el caño de descarga no trabajara lleno, se puede utilizar el mismo nomograma pero calculando el área según Tabla II.9

HIDROLOGIA



METODO MEDIANTE ESTRUCTURAS DE MEDIDA (VERTEDEROS Y AFORADORES): 1.3 AFORADORES:

Los aforadores son estructuras en donde se puede determinar en forma indirecta el caudal conociendo la altura de agua de una acequia o cauce de riego. Uno de los tantos tipos de aforadores muy práctico es el aforador de cresta ancha, el mismo se basa en la elevación de fondo del canal para conseguir que los filetes de agua sean paralelos (régimen laminar), para de esta manera poder establecer una relación unívoca entre la altura de agua y el caudal que está circulado por la acequia o cauce de riego. Esta relación es la que representa la curva de gasto propia de cada aforador.

De esta manera conociendo la altura de agua en el canal o cauce de riego podremos determinar el caudal que circula por ella. Las ventajas de este tipo de aforadores son: 

El error de medición es menor del 2 %



Se puede construir en canales o acequias de cualquier dimensión.



Deja pasar los sedimentos.



Los cuerpos flotantes que trae el agua causan pocos problemas.



Es de construcción económica. ¿Qué datos son necesarios para construir un aforador?

1. Ancho de la acequia 2. Caudal máximo a medir

HIDROLOGIA



Para conocer el caudal máximo que puede llenar la acequia o cauce de riego se afora la misma con el método del flotador anteriormente explicado en condiciones de máximo caudal transportado por el cauce de riego. ¿Dónde conviene ubicar el aforador?

Aguas arriba del aforador debe existir un tramo recto de una longitud 10 veces mayor que el ancho de la acequia donde se quiere instalar el aforador. La acequia debe tener una ancho uniforme, una pendiente uniforme no menor al 1 %° (desnivel de 1 metro en 1000 metros de largo). Si sobre la acequia existiera algún salto, el aforador debe ubicarse antes de este.

¿Qué medidas debe tener el aforador?

Como mencionáramos anteriormente debemos conocer el ancho de la acequia y el caudal máximo a medir, con estos valores podemos entrar a la Tabla II.11 y seleccionar el aforador con sus correspondientes dimensiones. Tabla II. para la construcción de un aforador de cresta ancha

HIDROLOGIA



¿Cómo construyo mi aforador?

En el lugar seleccionado para colocar el aforador, se debe construir una acequia de hormigón, con el fondo a nivel cero de paredes verticales, lograremos de esta manera tener una sección uniforme. Con las medidas del ancho de la acequia y el caudal máximo a medir, en la Tabla II.11, seleccionamos el aforador y con ello sus dimensiones. Se inicia con la construcción del fondo, el mismo debe estar a nivel cero y ser algo más ancho que la acequia, para que una vez construidas las paredes, tenga el ancho deseado. El largo del fondo y de las paredes se obtiene de la Tabla II.11. Tanto el fondo como las paredes deben tener una terminación perfectamente lisa. El escalón de resalto debe construirse según los datos obtenidos en la Tabla II.11. Para la construcción del resalto basta con colocar un encofrador y rellenar el escalón con hormigón. La parte superior del resalto debe tener nivel cero en todos los sentidos. Una vez fraguado el resalto, se construye la rampa con el largo indicado en la Tabla II.11. Al igual que para las paredes y el resalto, la rampa debe tener una terminación perfectamente lisa. ¿Cómo coloco la escala del aforador?

La escala se coloca sobre una de las paredes a una distancia Lc (que para cada caso se encuentra en detalle en la Tabla II.11), se instala perfectamente nivelada, donde el cero de la escala se encuentra al mismo nivel del resalto.

HIDROLOGIA



¿Cómo obtengo mi curva de gasto?

Para conocer la curva de gasto individual de cada aforador, se toma la Tabla II.12. Los caudales de esta tabla están expresados para 1 metro de ancho del aforador, los valores leídos deben multiplicarse por el ancho real de este.

HIDROLOGIA



1.4 VERTEDEROS: ¿Qué es un vertedero?

Los vertederos son estructuras que se instalan en los canales o acequias (en condiciones especiales) en forma perpendicular a la corriente, de manera que toda el agua pase por la abertura del vertedero forme un salto al caer, la altura de agua tomada aguas arriba del vertedero nos permitirá determinar el caudal que circula por el cauce o acequia de riego.

Los tipos más comunes de vertedero son: rectangular, trapecial (Chipolleti) y triangular. ¿Con qué materiales se construyen?

Para la escotadura, se puede usar chapa de hierro de 3 a 4 mm, colocada sobre un marco de hormigón estable en la acequia. ¿Qué condiciones especiales debe tener la acequia en donde se instala el vertedero?

Se debe ensanchar el cauce arriba de la ubicación del vertedero, de manera que se produzca una disminución de la velocidad de llegada del agua para que esta adquiera valores inferiores a 0,5 m3/seg. ¿Cómo se determina el caudal que circula por la acequia o cauce de riego?

Se determina midiendo la altura de agua sobre la cresta del vertedero que a través de una fórmula específica para cada tipo de vertedero nos permitirá obtener el caudal correspondiente. Para que estos vertederos trabajen bien necesitan buena pendiente. La carga o altura de agua que pase sobre la cresta del vertedero debe medirse a una distancia aguas arriba tal, que no sea afectada por la depresión de la superficie del agua que se produce al aproximarse a la

HIDROLOGIA



cresta. Esto se consigue haciendo las mediciones a una distancia de por lo menos cuatro veces la carga (altura) máxima a la que puede llegar el vertedero h. La forma más conveniente de realizar las mediciones es clavando una estaca en el fondo del canal o acequia aguas arriba del vertedero, (a la distancia señalada), sobre la cual se fija una reglilla graduada en centímetros, cuidando que su origen, el cero, quede a la altura de la cresta del vertedero. 

Vertedero trapecial: (Chipolleti)

Es un vertedero con forma trapezoidal en su abertura, tal como lo indica su nombre, se lo conoce como vertedero Cipoletti en honor a su inventor, el Ingeniero italiano Cesare Chipolleti. Esta estructura requiere que el talud de sus lados sea 1:4 (Figura II.17). La fórmula para calcular el caudal es la siguiente:

         ⁄

vertedero Chipolleti

HIDROLOGIA



Podemos simplificar esta fórmula para determinar de una manera más sencilla el caudal, utilizando la Tabla II.13, de la siguiente manera:

          ⁄      ⁄     

Con la Tabla II.13 y conociendo las dimensiones de b para cada vertedero en particular podremos armar su respectiva curva de gasto y tabla de altura caudal correspondiente. Haremos el ejemplo para un vertedero cuyo valor de b = 0,50

HIDROLOGIA





Vertedero rectangular

Este tipo de vertedero es el más fácil de construir por ello ha sido uno de los más usados a nivel de finca. La precisión de la lectura que ofrece está determinada por su nivel de error, que fluctúa entre un 3 y 5%. Para calcular el caudal o gasto, se pueden utilizar diferentes ecuaciones empíricas; en este caso sólo mencionaremos la de Francis, que es la más utilizada:

         ⁄      ⁄     

HIDROLOGIA



vertedero rectangular Para facilitar el cálculo se puede proceder de la misma manera que para los vertederos trapeciales, si b = 0.5 se puede utilizar la Tabla II.10, ya que la fórmula de vertedero trapecial y rectangular son muy parecidas. 

Vertedero triangular:

El más utilizado es el que en su escotadura forma un ángulo recto (90°). Este tipo de vertederos es bastante eficiente, pero sin embargo presenta una gran pérdida de carga; motivo por el cual se recomienda especialmente para caudales pequeños (menores de110 l/s), ya que en estos niveles de gastos de agua, su precisión es mayor que la de otros tipos de vertederos. La fórmula más utilizada para el cálculo del caudal o gasto es la de King:

               

Para simplificar los cálculos el gasto o caudal de los vertederos triangulares (90° y 60°) puede determinarse por la Tabla II.15.

HIDROLOGIA



Ventajas y desventajas de los vertederos:

El uso de vertederos como aforadores de agua ofrece las siguientes ventajas:



Exactitud (3 – 5 %)



Simplicidad y sencillez de construcción



No se obstruyen con cuerpos flotantes



Duración Entre las desventajas podemos anotar: 

HIDROLOGIA

Necesidad de saltos grandes de aguas, con la consiguiente pérdida de altura, lo que hace que su empleo en terrenos nivelados sea casi impracticable.





HIDROLOGIA

Acumulación de grava, arena y limos aguas arriba del vertedero, lo que resta exactitud a las mediciones y obliga a una continua limpieza y manutención.



METODO DE LA SECCION Y PENDIENTE: Si se considera que en un cauce el flujo es normal, es decir que la pendiente del cauce es aproximadamente igual a la pendiente de la línea de energía del agua, entonces puede hacerse una estimación del caudal, conociendo las condiciones del cauce, como la pendiente, el área hidráulica y un coeficiente de rugosidad o de resistencia al flujo. Estas condiciones pueden darse en canales o acequias pequeñas, en cauces rectos, donde no se observen remansos. Para calcular la velocidad del agua por este método se recurre a la ecuación de Chezy, de modo que el caudal será:

          √    Dónde: C: es el coeficiente de Chezy R: el radio hidráulico de la sección S: la pendiente del cauce. Generalmente se usa el valor dado por Manning para el coeficiente c por lo que se tiene:     ⁄  Dónde: n: es el denominado coeficiente de rugosidad, que es un coeficiente de resistencia al flujo y depende de las condiciones del cauce. Al sustituir este valor en la ecuación del caudal se tiene:

  ⁄  ⁄   Coeficientes de rugosidad Los coeficientes de rugosidad n, propuesto por Horton, para ser utilizados en la fórmula de Manning son los siguientes:

HIDROLOGIA



HIDROLOGIA



METODO DE CORRENTOMETRO O MOLINETE : En este método, la velocidad del agua se mide por medio de un instrumento llamado “correntómetro” que mide la velocidad en un punto dado de la masa de agua. Un tipo bien conocido es el denominado “molinete de Woltmann”.

Existen varios tipos de correntómetros, siendo los más empleados los de hélice de los cuales hay de varios tamaños; cuanto más grandes sean los caudales o más altas sean las velocidades, mayor debe ser también el tamaño del aparato. Cada correntómetro debe tener un certificado de calibración en el que figura la fórmula necesaria para calcular la velocidad del agua sabiendo el número de vueltas o revoluciones de la hélice por segundo. Estos correntómetros se calibran en laboratorios de hidráulica; una fórmula de calibración, como la empleada en nuestro estudio, es la siguiente: v=an+b Donde: v: es la velocidad del agua, expresada en m/s. n: es él número de vueltas de la hélice por segundo. a: es el paso real de la hélice en metros. b: es la llamada velocidad de frotamiento en m/s. Como el correntómetro mide la velocidad en un punto determinado, para obtener la velocidad media de un curso de agua se debe, en ciertos casos, medir la velocidad en dos, tres o más puntos, a diversas profundidades a lo largo de una vertical y a partir de la superficie del agua. Las profundidades en las cuales se miden las velocidades con el correntómetro se hallan en función de la altura del tirante de agua d, siguiendo los parámetros establecidos en la siguiente tabla: Tirante de agua (d) Profundidad de lectura del correntómetro Cm Cm < 15 d / 2 15 < d < 45 0,6 • d > 45 0,2 • d y 0,8 • d 0,2 • d, 0,6 • d y 0,8 • d

En general, la velocidad media a lo largo de un tirante se determina tomando la media de las velocidades a 0’2 y 0’8 del tirante, según las recomendaciones del Departamento de Investigaciones Geológicas de los Estados Unidos, esto es, aplicando la fórmula: V (Velocidad a 0’2 del tirante + Velocidad a 0’8 del tirante).

HIDROLOGIA



Conocidas ya las profundidades de lectura, se calcula el área de la sección transversal mojada, que se utilizará para el cálculo del caudal. Así, como siempre: Q = v x A, Donde: v = velocidad determinada con el correntómetro o molinete. A = Área de la sección mojada transversal correspondiente. La distribución de velocidades en una corriente libre resulta muy importante cuando se desea determinar el caudal usando un medidor de velocidad, que es un instrumento construido de tal manera que la velocidad angular de su elemento giratorio (hélice o sistema de álabes) es proporcional a la velocidad de la corriente. Un ejemplo característico es el del molinete de Woltmann, anteriormente citado. Mediante un circuito eléctrico, los valores de la velocidad son registrados en un cuentarrevoluciones. Las isotacas -curvas similares a las de nivel en topografía- que unen los puntos de igual velocidad en una sección transversal, suelen obtenerse por interpolación a partir de las medidas puntuales realizadas con el medidor de velocidad. Materiales: Correntómetro o Molinete de 5 capas Cinta o Metro Varilla de 50cm de largo Contador de sonido. Cronometro El lugar que se escoja para establecer una estación de aforo debe reunir ciertos requisitos. A saber:    

1. El tramo del río que se escoja para medir el caudal del agua circulante debe ser aproximadamente recto, en una distancia de 150 a 200 metros, tanto aguas arriba como aguas abajo de la estación de aforo. En este tramo recto, no debe confluir ninguna otra corriente de agua, ni existir pérdidas o derivaciones del recurso. 2. La sección de control debe estar ubicada en un tramo en el cual el flujo sea calmado y, por lo tanto, libre de turbulencias, y donde la velocidad de la corriente esté ubicada dentro de un rango que pueda ser registrado por un correntómetro. 3. El cauce del tramo recto debe estar limpio de malezas o matorrales, de piedras grandes, bancos de arenas, etc., para evitar imprecisiones en las mediciones de agua. Estos obstáculos hacen más imprecisas las mediciones en épocas de estiaje.

HIDROLOGIA



4. Tanto agua abajo como aguas arriba, la estación de aforo debe estar libre de la influencia de puentes, presas o cualquier otra construcción que pueda afectar las mediciones. 5. El sitio debe ser de fácil acceso para realizar las mediciones. Procedimiento:

1. La sección transversal del río donde se va a realizar el aforo se divide en varias subsecciones. El número de subsecciones depende del caudal estimado que podría pasar por la sección: en cada subsección, no debería pasar más del 10% del caudal estimado que pasaría por la sección. Otro criterio es que, en cauces grandes, el número de subsecciones no debe ser menor de 20. 2. El ancho superior de la sección transversal (superficie libre del agua) se divide en tramos iguales, cuya longitud es igual al ancho superior de la sección transversal dividido por el número de subsecciones calculadas. 3. En los límites de cada tramo del ancho superior del cauce, se trazan verticales, hasta alcanzar el lecho o fondo. La profundidad de cada vertical se puede medir con la misma varilla del correntómetro que está graduada. Las verticales se trazan en el mismo momento en que se van a medir las velocidades. 4. Con el correntómetro se mide la velocidad a dos profundidades en la misma vertical a 0.2 y a 0.8 de la profundidad de la vertical, para lo cual se toma el tiempo que demora el correntómetro en dar 100 revoluciones y se calcula el número de revoluciones por segundo; con este dato, se calcula la velocidad del agua en cada una de las profundidades utilizando la fórmula correspondiente, según el número de revoluciones por segundo (n). En el caso de la medición de la velocidad en una parte del tramo final estudiado del río Ebro (Tortosa-Amposta), se emplean las siguientes fórmulas: v = 0,2590•n + 0,005 cuando n es > 1,51 v = 0,2517•n + 0,016 cuando n es < 1,51

5. Se obtiene la velocidad promedio del agua en cada vertical. La velocidad promedio del agua en cada subsección es el promedio de las velocidades promedio de las verticales, que encierran la subsección. En nuestro caso, ver anexo 2.3. 6. El área de cada subsección se calculará fácilmente considerándola como un paralelogramo cuya base (ancho del tramo) se multiplica por el promedio de las profundidades que delimitan dicha subsección.

HIDROLOGIA



7. El caudal de agua que pasa por una subsección se obtiene multiplicando su área por el promedio de las velocidades medias registradas, en cada extremo de dicha subsección. 8. El caudal de agua que pasa por el río es la suma de los caudales que pasan por todas las subsecciones. Ver, al respecto, el capítulo Ejemplo:

Calcular el aforo de un rio, por el método del aforo del correntómetro: Datos obtenidos de campo:

Este sería el esquema de las medidas realizadas:

HIDROLOGIA



Perfiles de flujo:

Los perfiles del flujo se trazan estimando los valores, siguiendo los extremos de los vectores velocidad, pero la forma curvada del perfil hay que intuirla. De los 5 perfiles obtenemos las superficies, por la escalatilizada cada cm2 equivale a 0.2m/s en horizontal por 0.1 de profundidad en vertical, es decir: 1cm2= 0.2m/s x 0.1m = 0.02m/s2 Multiplicando por el factor de 0.02 se obtiene la tercera columna.

Ahora calculamos el caudal: Con los valores de (m2/s) hallados en el apartado anterior, representamos el grafico siguiente:

HIDROLOGIA



Se trata de la planta del cauce, el eje horizontal indica el ancho y la longitud de cada perfil, en la vertical se observa la magnitud de cada perfil de flujo. Luego este grafico lo multiplicamos por una escala que este caso es de 0.05m/s y obtenemos el caudal. Superficie = 46.58cm2 Valor de cada cm2=0.5x 0.05m2/s = 0.025m3/s Caudal = 0.025 x 46.58cm2 = 1.16m3/s

HIDROLOGIA



METODO DEL MEDIDOR ULTRASONICO: Principio de operación El medidor calcula el gasto o caudal en función de dos variables principales: a) b)

Área hidráulica Velocidad media

Cada una de estas variables no se miden directamente, se miden a través de otras variables físicas. El proceso completo se observa en la figura. En este esquema las flechas representan fórmulas que se aplican para obtener cada variable subsecuente. Lo que mide el aparato es: el efecto doppler, la temperatura y la diferencia del voltaje de una corriente eléctrica.

Medición del área hidráulica

El medidor de efecto doppler calcula el área hidráulica en función del tipo de sección (datos a ingresar en el aparato) y la profundidad del agua. Para medir la profundidad utiliza un transductor, que es un dispositivo que proporciona una salida eléctrica en respuesta a una magnitud física que se desea medir. En este caso se desea medir la profundidad del agua y lo que realmente se mide es la presión de la misma. Esto es debido a que mientras más profundidad de agua se tenga mayor presión se presentará. El agua ejerce una presión sobre un material especial sujeto a una corriente eléctrica: dicho material suele ser silicio incorporado a un diafragma. Cuando el diafragma está plano sin presión presenta cierta resistencia al paso de la corriente, y cuando está deformado presenta otra. Esta diferencia de resistencia es la que registra el aparato y la trasforma por medio de fórmulas, primero a presión y después a profundidad de agua. Una vez obtenida la profundidad se calcula posteriormente el área hidráulica.

HIDROLOGIA



Medición de la velocidad

El aparato utiliza el llamado efecto doppler para medir la velocidad en la corriente. El efecto doppler es una alteración de la frecuencia de las ondas, en función del movimiento, ya sea del receptor o del emisor de las ondas. El medidor de ultrasonido utiliza la alteración de las ondas de sonido. Le ultrasonido es un sonido con frecuencia más alta que la perceptible por el oído humano. El medidor tiene unos emisores de onda de ultrasonido y unos receptores de las mismas. Primero el emisor envía una onda a una determinada frecuencia y el receptor capta las ondas que son reflejadas por el agua. Si el agua está esta en movimiento, las ondas reflejadas tendrán una frecuencia diferente a la emitida, la diferencia de frecuencia indica al dispositivo la velocidad de la corriente.

HIDROLOGIA



Medición de la temperatura

El medidor registra la temperatura del agua por medio de un termómetro. Este variable es necesaria para corregir el valor de la velocidad del sonido en le agua ya que el medidor realiza los cálculos para una velocidad de referencia con una temperatura de 20°C. Tipos de medidores:

En función de cómo se envía el rayo se diferencian dos tipos de medidores ultrasónicos: a) Dopplers perfiladores b) Dopplers continuos Dopplers perfiladores: El medidor divide la señal reflejada en intervalos regulares que corresponden a diferentes profundidades de agua. La velocidad se calcula a partir de la señal reflejada en cada intervalo. El resultado es un perfil o distribución de velocidades a lo largo de la dirección del rayo de ultrasonido. Este tipo de dopplers tienen emisores en la parte frontal y posterior. Además los intervalos entre la emisión de un rayo y otro son tan cortos que la velocidad reportada es la de un pequeño volumen de agua (cilindros de 5 cm de largo por 5 mm de diámetro). Los datos de velocidad de los dos rayos acústicos se manejas por medio de fórmulas matemáticas para describir las velocidades en toda el área hidráulica de la sección transversal. Las fórmulas empleadas utilizan algunos artificios para interpolar los puntos medidos, de tal manera que el resultado es la descripción de todas las velocidades en la sección transversal.

HIDROLOGIA



Salto hidráulico

Antes del medidor: si se tiene un salto hidráulico antes el medidor, este debe estar a por lo menos 30 veces la profundidad del canal. Dicho salto hidráulico genera una gran cantidad de burbujas que pueden alterar las mediciones.

Ancho máximo del canal:

Las restricciones relacionadas con el área hidráulica, se consideran por medio del ancho de la superficie del agua. Si la sección es muy ancha se pueden tener errores ya que es muy posible la presencia de velocidades que están fuera del alcance de la zona de influencia del medidor y su magnitud no es igual a la velocidad inferida. Se presentan las siguientes condiciones: Canal regular: si el canal es regular (rectangular, trapecial, etc) no debe tener un ancho mayor a diez veces la profundidad

HIDROLOGIA



Canal irregular: Si el canal es irregular (en tierra), no debe tener un ancho mayor a cinco veces la profundidad.

Ventajas y desventajas de este tipo de medidor Ventajas:

a) No es necesario tener otro elemento de medición. b) Se puede instalar en sitios donde otros no funcionarían. c) Tiene un amplio rango de funcionamiento c) Es posible el envío de información por medio de medios de transmisión remota. d) La información pasa directamente a archivos de computadora. e) No es necesario tomar lecturas diariamente. Desventajas:

a) Costo elevado. b) En caso de fallas sólo el fabricante sabe que hacer. c) Son fácil presa del vandalismo. c) Se requiere secar los canales para su instalación. d) Se debe manejar un programa de cómputos para sacar la información.

HIDROLOGIA



METODO DEL AFORO QUÍMICO: El método químico es un método muy preciso para conocer el caudal que circula por un cauce. Se utiliza para medianos a chicos caudales y cuando la sección del cauce es muy irregular. Se basa en la medición de la Conductividad Eléctrica (CE) del agua que circula por el cauce. Como se sabe la CE es directamente proporcional al contenido salino del agua. MATERIALES: Conductímetro portátil Balde de 10 litros aprox. y tarro adicional Botella de Mariotte o instrumental que asegure un caudal constante (pequeño) Probeta graduada de 500 mililitros Bolsas de sal doméstica (cloruro de sodio) Cronometro.   

  

PROCEDIMIENTO: 











Se prepara una solución salina homogénea (agua del lugar + sal de cloruro de sodio) Se coloca en la botella de Mariotte. Se asegura una estructura para un caudal constante Se elige un lugar donde aplicar el caudal. En nuestro caso en el punto 3: boca de registro con tapa circular metálica. Se eroga un caudal constante y se mide (probeta y cronómetro). Al inicio y final del aforo. Se deja caer ese caudal sobre el punto 3 y se mide la CE con el conductímetro en el punto 4. Se observa que la CE del agua que circula comienza a aumentar hasta alcanzar un valor constante y decae cuando se deja de aplicar el caudal en el punto 3. Se toma un volumen conocido de la solución salina y se coloca en el balde. Se le agrega agua del canal que se quiere aforar, midiendo la conductividad eléctrica de la nueva solución salina del balde. Se mide CE y volumen agregado hasta que la CE sea igual al valor máximo Se calcula el caudal del canal con la fórmula: Q = (y/x)*q donde: y = Volumen de agua del cauce agregada al balde hasta

alcanzar la CE máxima del canal x = Volumen de solución salina agregada al balde q = caudal medio erogada por la botella de Mariotte (promedio de valor inicial y final)

HIDROLOGIA



Ejemplo:

Calcular el caudal de riego, si al medir la conductividad eléctrica (C.E) al inicio fue de 1,5 dS/m y al final aumenta hasta 2,3 dS/m. Datos: * 200 ml de solución salina

Solución:

La conductividad eléctrica (C.E) la calculamos de la siguiente manera: * Se saca una muestra de agua del sitio de estudio * Con el GLX (aparato de medida de la C.E) y el sensor se procede a calcular, también tiene que ver l temperatura y el PH. El procedimiento es que el GLX se le conecta al sensor, luego introducimos el sensor a dicha muestra de agua tomada, seguido se le hace una calibración con sales especificados que el fabricante especifica. Los 200 ml de la solución salina que se colocará en el balde vienen a ser el valor de X. X = 200ml Luego se le agrega 10.2 litros de agua al balde, hasta que la C.E baje hasta 2.3 dS/m. Entonces: Y = 1200 ml El caudal erogado por la botella de Mariotte fue de: inicio = 270 ml/min y final 240 ml/min. Caudal promedio: 255 ml/min. POR LO TANTO: y = 10.200 mililitros x = 200 mililitros q = 255 ml/min. Respuesta: Q = (y/x)*q = (10.200 ml/200 ml)*255 ml/min. = 13.005 ml/min. Q = 0,22 L/s

HIDROLOGIA



METODO DEL AFORO POR RESALTO: La determinación del aforo se basa en el Teorema de Bernoulli. Es un método práctico para el aforo de regueras o cauces pequeños, donde se pueda interponer en fondo del mismo algún escalón que no sea llevado por la corriente pero que eleve el pelo de agua. MATERIALES: Wincha Elemento que haga de escalón, comúnmente una roca con sus respectivas dimensiones, ya que otros serían muy livianos y el caudal se los llevaría. Libreta de apuntes  



PROCEDIMIENTO:   

 

Ubicar un punto inicial y un punto final. Se procede a medir el ancho de dicha sección inicial y final Luego se calcula las medidas de las alturas de las secciones indicadas anteriormente. Aplicamos la fórmula de Bernoulli entre dichos puntos. Con la fórmula de Bernoulli calculamos el caudal.

Ejemplo:

Calcular el caudal por el método de aforo por resalto, sabiendo que

HIDROLOGIA



Solución:

De la figura: Z1 = 0.49 m Z2 = 0.45 m L = 0.8 m (Ancho) P1/p*g = P1/p*g = 0 (cero, por ser un área libre)

HIDROLOGIA



METODO DE AFORO GRAVIMETRICO Este método permite medir pequeños caudales de agua, como son los que escurren en surcos de riego o pequeñas acequias. Se sigue un procedimiento similar al del método volumétrico, pero el volumen colectado de agua en el intervalo de tiempo cronometrado, en lugar de medirse se pesa, y el peso (W) de agua se transforma a volumen, dividiéndolo entre el peso específico γ del fluido a temperatura de prueba. El recipiente vacío debe ser previamente destarado y, una vez lleno, debe pesarse en la misma balanza. Mediante el método gravimétrico, el caudal aforado se determina con el siguiente razonamiento: MATERIALES: -

Balde Cronometro Balanza Personal que conozca el método

PROCEDIMIENTO: - Inicialmente, se realiza una inspección al sitio a investigar; días antes de la prueba. - El funcionario, debe mantener el cronometro en cero, luego en la salida del flujo constante de la tubería o canal, se coloca el recipiente, simultáneamente se activa el cronometro; este proceso finaliza en el momento en que el flujo llegue a la marca del recipiente y se desactiva el cronometro inmediatamente. - El resultado de este procedimiento es el peso llenado, en el mismo tiempo de llenado en cada prueba que se hace que se hace. - Con el peso y el volumen obtenido en cada prueba obtenida, procedemos a hacer el cálculo con las formulas ya conocidas.

HIDROLOGIA



Ejemplo:

Se quiere medir el caudal de agua que entrega un sifón de riego a un surco. Para ello se practica el aforo gravimétrico con un balde. Se efectúan 3 pruebas tomado el tiempo en que llenamos el balde

PRUEBA

t =Tiempo (seg)

W del agua (kg)

1

5

18.5

2

5

18

3

5

18.8

"γ" d el ( kg/m3) 1000 1000 1000

V OL = γ /w Q = w/( γ*t) ( m3/s) 0.0185 0.0037 0.018 0.0036 0.0188 0.00376 Q prom

0.00369

Q= 3.7 Litros

HIDROLOGIA


METODOS DE AFORO

Recommend Documents