I.
INTRODUCCIÓN
Desde tiempos ancestrales el ser humano ha tenido la necesidad de cuantificar el agua, para satisfacer sus necesidades de consumo y poder utilizar de forma eficiente sus recursos hídricos. Debido a esta necesidad del ser humano de medir el comportamiento físico del agua en movimiento o en reposo, se han inventado muchos aparatos que registran la velocidad, la presión, la temperatura y el caudal. Una de las variables que más interesan es esta última, el caudal, puesto que a través de él se cuantifican consumos, se evalúa eval úa la disponibilidad del d el recurso hídrico y se planifica la respectiva gestión de la cuenca. La Hidráulica cuenta con dispositivos que se utilizan para medir caudales en corrientes naturales y artificiales, para uso del ser humano como abastecimiento de agua y drenajes, así como de uso veterinario y en sistemas de riego en agricultura. El caudal, Q, se define como el volumen de agua, V, que pasa por una sección en un determinado tiempo, t, es decir: =
La mayoría de los métodos de aforo se basan en la ecuación de continuidad: =.
Siendo: • Q: Caudal • V: Velocidad • A: Área Página | 1
II.
OBJETIVOS
Objetivo General
• Aprender a medir el caudal de flujo de agua, mediante la adecuada
utilización del método del correntómetro, empleando varilla metálica y, tomando como referencia un punto en el canal “CUMBIBIRA”.
Objetivos Específicos
• Conocer el funcionamiento correcto del correntómetro y cada una de las
partes del mismo. • Aprender el adecuado procedimiento de la medición de caudal por el
método del correntómetro utilizando varilla. • Reconocer acertadamente el tipo de método de aforo a utilizar en la
medición de caudal y las fórmulas a utilizar.
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III.
3.1.
DESCRIPCIÓN GENERAL: CANAL CUMBIBIRA
Ubicación de la zona de Estudio
La zona de estudio, se ubica en el sector hidráulico Medio y Bajo Piura, Sub Sector Hidráulico de Cumbibira, perteneciente al distrito de Catacaos, Provincia y Región Piura.
3.2.
Descripción de la Fuente de Agua Canal Cumbibira
El Canal Cumbibira capta el agua de la Presa “Los Ejidos” a través del Canal Principal al Bajo Piura “Canal de Derivación Biaggio Arbulú”,
provenientes del Sistema Hidráulico de los ríos Chira y Piura. Estas aguas son utilizadas por agricultores asentados en el curso de las aguas del Canal Cumbibira, originando que su caudal disminuya, situación que se debe tener en cuenta a la hora de realizar el aforo.
Fig. 1.- Segunda Etapa “Proyecto Chira – Piura”
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IV. METODOLOGÍA 4.1.
Aforo de Agua
Con fecha 20/06/2017, se ha realizado la práctica de aforo de agua en un (01) punto de control establecido en curso de agua del Canal Cumbibira, para lo cual se ha realizado las siguientes acciones: a)
Método de Medición: Método del Correntómetro
Para calcular el caudal de agua en el canal hemos utilizado un equipo llamado molinete hidráulico o correntómetro que consiste esencialmente en un cuerpo hidrodinámico compuesto de dos partes principales que son: Un rotor provisto de un dispositivo, mediante el cual el agua en su movimiento hace girar, y un mecanismo que permite contar el número de revoluciones que da el citado rotor al generar un impulso eléctrico. b)
Materiales y Equipos Utilizados
Para desarrollar la práctica de aforo se emplearon los siguientes equipos: • 01 molinete o Correntómetro Marca OTT – C 34 N° 169047, Hélice N° 1-
184682 y demás accesorios. • Dispositivo contador de vueltas (calibrado a 50 segundos) • Flexómetro de 5.0 m. • Pluma o lápiz • Libreta de apuntes (formato especial) • Cronómetro • Varilla de metal (graduada cada 10 cm)
c)
Personal • 02 Ingenieros: 01 Ing. Responsable, 01 Ing. especialista en Hidrometría. • 01 Ayudante Página | 4
d)
Procedimiento del Aforo
Trabajo de campo de aforo de agua en el punto de control consistió en: • La sección elegida para la medida con el correntómetro debe estar situada
en un tramo recto y de una sección lo más homogénea posible a lo largo de dicho tramo. • Medir el ancho de la sección del canal, para determinar el ancho de solera y “zy”. Para lo que se dividirá en una primera etapa en 3 secciones: zy=1.48 m
1.54 m zy=1.46 m
solera
• Fijar la cantidad de subsecciones a las que se realizarán las mediciones,
luego, dividir cada una de las tres secciones (antes definidas) entre la cantidad de subsecciones, obteniendo el ancho parcial de cada subsección. El número de subsecciones deberá ser par, siendo la dimensión de éstas menor o igual a 40 cm. La cantidad de las subsecciones de “zy” serán iguales en los dos extremos del canal. 4 div.
4 div.
4 div.
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• Determinación de la línea en la que se tomarán las medidas con el molinete
o correntómetro. Para ello, desde los extremos se mide el ancho de la subsección entre dos (punto medio del ancho de cada sub-sección), se marcan y se proceden a medir las alturas de tirantes (alturas desde la superficie libre hasta el fondo del canal verticalmente) o profundidades. • Una vez registradas las alturas de tirantes en cada subsección, se determina
el tipo de método que se utilizará para cada sección, calculando las alturas a las que se sumergirá el molinete o correntómetro desde la superficie (0.6y) o desde el fondo (0.4y). • Para determinar las velocidades en cada punto se introduce el
correntómetro, y se busca el valor obtenido del número de vueltas en la tabla de velocidades, registrar las velocidades. Si multiplicamos esta velocidad media por el área de la sección del canal, obtendremos el valor del caudal en ese instante. Normalmente un caudal se mide en litros por segundo () o metros cúbicos por segundo ( ).
• Finalmente se hace la sumatoria de todos los caudales parciales para hallar
el caudal total de agua que pasa por un punto establecido en el Canal Cumbibira. e)
Datos obtenidos en el campo
Siguiendo los procedimientos descritos en el ítem anterior, los resultados obtenidos en el campo de trabajo para el punto de aforo se muestran en el formato de aforo ubicado en anexos.
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V. 5.1.
REVISIÓN TEÓRICA
Hidrometría
La Hidrometría es una de las partes más importantes de la Hidráulica, porque se ocupa de medir, registrar, calcular y analizar los volúmenes de agua que circulan en una sección transversal de un río, canal o tubería, por unidad de tiempo. Se define la Hidrometría como la parte de la Hidráulica que tiene por objeto medir el volumen de agua que pasa por unidad de tiempo dentro de una sección transversal de flujo. Las determinaciones de caudal se realizan para diversos fines: sistemas de abastecimiento de agua, obras de riego, estudios de drenajes, instalaciones hidroeléctricas, etc. 5.2.
Medición del agua
Es la cuantificación del caudal de agua que pasa por la sección transversal de un río, canal o tubería. También se le conoce como aforo. La medición del agua resulta de la necesidad de brindar mayor control sobre su uso y distribución. Dicha medición se realiza a través de medidores de flujo, los cuales son dispositivos que utilizan diferentes principios mecánicos o físicos para permitir que un flujo de agua pueda ser cuantificado. 5.3.
Instrumentos de medición de flujo en canales abiertos
Existen varias formas de aforo en canales abiertos, dentro de las principales se encuentran: • • • •
Método volumétrico Vertederos Canal Parshall Método del Correntómetro Página | 7
5.3.1. Método Volumétrico
Se emplea por lo general para caudales muy pequeños y se requiere de un recipiente de un volumen conocido para colectar el agua. El caudal resulta de dividir el volumen de agua que se recoge en el recipiente entre el tiempo que transcurre en colectar dicho volumen. =
Donde:
• Q: Caudal ( ) • V: Volumen ( ) • t: Tiempo ()
Fig. 2.- Aforo volumétrico
5.3.2. Vertederos
La medición del caudal de las corrientes naturales nunca puede ser exacta debido a que el canal suele ser irregular y por lo tanto es irregular la relación entre nivel y caudal. Los canales de corrientes naturales están también sometidos a cambios debidos a erosión o depósitos. Se pueden obtener cálculos más confiables cuando el caudal pasa a través de una sección donde esos problemas se han limitado. Los vertederos pueden ser definidos como simples aberturas, sobre los cuales un líquido fluye. El término se aplica también a obstáculos en el paso de la corriente y a las excedencias de los embalses. Página | 8
Los vertederos son por así decirlo orificios sin el borde superior y ofrecen las siguientes ventajas en la medición del agua: • Se logra con ellos precisión en los aforos • La construcción de la estructura es sencilla • No son obstruidos por materiales que flotan en el agua • La duración del dispositivo es relativamente larga
Los vertederos son utilizados, intensiva y satisfactoriamente en la medición del caudal de pequeños cursos de agua y conductos libres, así como en el control del flujo en galerías y canales, razón por la cual su estudio es de gran importancia. 5.3.2.1.
Terminología
• Cresta (L): Se denomina al borde horizontal, también llamado umbral. • Contracción: Lo constituyen los bordes o caras verticales. • Carga (H): Es la altura alcanzada por el agua a partir de la cresta del vertedero.
Debido a la depresión de la lámina vertiente junto al vertedero, la carga H debe ser medida aguas arriba, a una distancia aproximadamente igual o superior a 4H (Fig. 3). •
Ancho (B): Ancho del canal de acceso al vertedero.
Fig. 3.- Partes del Vertedero
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5.3.2.2.
Clasificación de los vertederos
Los vertederos presentan los más diversos comportamientos siendo muchos los factores que sirven de base para su clasificación: a) Forma: • Simples: rectangulares, triangulares, etc. • Compuestos: secciones combinadas como los trapezoidales.
b) Espesor de la pared: • Vertederos de pared delgada: fabricados de placas o madera biselada. • Vertederos de pared gruesa: con e ≥ 0.66H
c) Longitud de la cresta: • Vertederos sin contracciones laterales: L = B • Vertederos con contracciones: L < B
5.3.3. Método del Correntómetro o Molinete
El molinete es un instrumento que tiene una hélice o rueda de cazoletas, que gira al introducirla en una corriente de agua. El de tipo de taza cónica gira sobre un eje vertical y el de tipo hélice gira sobre un eje horizontal. En ambos casos la velocidad de rotación es proporcional a la velocidad de la corriente; se cuenta el número de revoluciones en un tiempo dado. Los molinetes pueden ir montados en soportes o suspendidos de cables. Antes de ser usados en el campo, deben ser calibrados por el fabricante para determinar la relación entre la velocidad de rotación de la hélice y la velocidad del agua. La sección elegida para la medida con el molinete debe estar situada en un tramo recto y de una sección lo más homogénea posible a lo largo de dicho tramo. Un molinete mide la velocidad en un único punto, es por esto que, para calcular el caudal total se deben realizar varias mediciones. Página | 10
Fig. 4.- Correntómetro de Hélice
Según sea el grado de precisión que se quiera obtener en el aforo, se tomarán mayor o menor número de puntos de medida en la sección. Cuando se pretende obtener una alta precisión, se elegirán mayor número de verticales en la sección y se calculará la velocidad media en cada vertical. Para cada sección entre dos verticales de medida, el área se calcula como el producto del promedio del alto por el ancho, y la velocidad media como el promedio de las velocidades medias en las verticales. El caudal de cada sección resulta directamente como el producto del área y la velocidad media, mientras que el caudal total se calcula como la suma de los caudales entre verticales. 5.3.3.1.
Determinación de la velocidad media en la vertical:
La velocidad media del agua en cada vertical puede determinarse mediante los siguientes métodos, dependiendo del tiempo disponible y teniendo en consideración el ancho, la profundidad del agua, las condiciones del lecho, los cambios de nivel, así como la precisión con que se desea operar:
Fig. 5.- División en subsecciones Página | 11
• Método de los puntos:
Se deben realizar distintas observaciones de velocidad en cada vertical dependiendo de la profundidad del curso del agua. Para secciones de poca profundidad (menores a 60 cm) se realizan observaciones en cada vertical colocando el molinete a 0,6 de la profundidad total por debajo de la superficie libre. Para profundidades superiores, generalmente, se mide la velocidad a 0,2 y luego a 0,8 de la profundidad de la superficie libre y se usa el promedio de las dos medidas como la velocidad media en la vertical. • Método de múltiples puntos:
Consiste en medir velocidades en muchas posiciones de la vertical para definir el perfil de velocidad bastante bien y así calcular una velocidad media lo suficientemente exacta. El método es muy preciso, dependiendo del número de puntos de referencia medidos para el perfil, pero requiere de mucho tiempo. • Método superficial:
Implica medir la velocidad cerca de la superficie libre y después multiplicarla por un coeficiente que va desde 0,85 a 0,95, dependiendo de la profundidad del agua, de la velocidad, y de la naturaleza del río o canal. La dificultad de determinar el coeficiente exacto limita la utilidad y la exactitud de este método. En general, se utiliza para medir la velocidad en crecidas, en donde no se recomienda efectuar un aforo convencional, para proteger los equipos hidrométricos. • Método de integración:
En este método el molinete es sumergido y elevado a lo largo de toda la vertical a una velocidad uniforme. La velocidad de ascenso o descenso del molinete no deberá ser superior al 5% de la velocidad media del flujo en toda la sección transversal y en todo caso deberá estar comprendida entre 0.04 y 0.10 m/s. Se determina el número de revoluciones por segundo. En cada vertical se Página | 12
realizan dos ciclos completos y, si los resultados difieren de más de 10%, se repite la medición. • Curvas Isotáquicas:
Consiste en trazar líneas de igual velocidad en el perfil del cauce y obtener la velocidad media de la sección por integración directa.
Fig. 6.- Curvas Isotáquicas
Se deben escoger las secciones a aforar, teniendo presente que: • La sección elegida debe estar situada en un tramo recto y ser lo más
homogénea posible a lo largo de dicho tramo. • Verificar que la sección sea adecuada para el tamaño del molinete. • Examinar las obstrucciones presentes en la sección y en caso de ser
necesario remover las piedras pesadas que puedan dificultar una correcta medición. Todo esto debe ser realizado antes de comenzar el aforo, para así no alterar las condiciones del flujo. Una vez escogido el sitio de medición se debe colocar un lazo de un extremo a otro para marcar bien la perpendicularidad al cauce. Para realizar esta medición es necesario tener la relación entre la velocidad de rotación de la hélice del Molinete y la velocidad del agua, la cual está dada por el fabricante y se resume en la siguiente tabla:
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5.3.4. Método de la Canaleta Parshall
Los aforadores Parshall son instrumentos calibrados para la medida del caudal en cauces abiertos. Se describe técnicamente como un aforador de profundidad crítica. Sus principales ventajas son que sólo existe una pequeña pérdida de carga a través del aforador, que deja pasar fácilmente sedimentos o desechos, que no necesita condiciones especiales de acceso o una poza de amortiguación y que tampoco necesita correcciones para una sumergencia de hasta un 60%. En consecuencia, es adecuado para la medición del caudal en canales de riego o en corrientes naturales con una pendiente suave. El medidor consiste en una sección convergente con el fondo a nivel, una sección de garganta con el fondo con pendiente descendente y una sección divergente con el fondo con pendiente ascendente. Gracias a ello el agua escurre a velocidad crítica a través de la garganta.
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Fig. 7.- Canaleta Parshall
La sección control del medidor está situada cerca del final de la sección convergente. Los aforadores Parshall están calibrados para una altura piezométrica (ℎ ), medida en un lugar definido de la sección convergente. La altura piezométrica de aguas abajo ( ℎ ) se mide en la sección de la garganta. Los aforadores Parshall se construyen de muy diversos tamaños y se clasifican según sea la anchura en la sección de garganta. El Parshall más pequeño tiene una anchura de garganta de 1 pulgada (25,4 mm) y el más grande de 50 pies (15.250 mm.).
Fig. 8.- Vista Planta Aforador Parshall Página | 15
Fig. 9.- Vista Sección Aforador Parshall
La ecuación de descarga es de la forma: = ℎ
Donde: • = coeficiente que depende del ancho de la garganta • = coeficiente que varía entre 1,522 y 1,60. • ℎ = altura piezométrica en la sección de control A
Cuando la relación de sumergencia ( ℎ ⁄ℎ ) excede el valor de 0,60 en medidores de 3, 6 y 9 pulgadas, entonces la descarga del medidor se reduce debido a la sumergencia. Bajo estas condiciones, las ecuaciones de descarga de los aforadores no son válidas y deben ser reducidas en la variación de la descarga debido a la sumergencia ( ). El caudal corregido ( ) será: = . ; = reducción de descarga debido a sumergencia. Para aforar con una canaleta Parshall, se deben tener presente los siguientes pasos: • Adecuar el terreno con palas e instrumentos disponibles para instalar la
canaleta propiamente tal. • Encauzar el flujo de tal forma que toda el agua sea captada por la canaleta • Cerciorarse de que la canaleta esté horizontal, vale decir, no presente una
inclinación que pueda cambiar la altura del flujo.
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Una vez cumplidos los puntos anteriores se debe medir la altura de agua en la regla de la canaleta. Las fórmulas del fabricante para obtener el caudal en base al uso de la canaleta Parshall están dadas por: • Canaleta Parshall de 3”: (/ ) =176.5.4 • Canaleta Parshall de 6”: (/) = 381.2.0
En donde H es la altura medida en metros.
Fig. 10.- Aforo Parshall con Caudal libre
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VI. RESULTADOS El resultado obtenido de la suma de cada caudal parcial ( + + + ⋯) es:
Punto de Aforo
Punto N° 1
Fuente de Agua
Canal Cumbibira
Caudal ( ) 3.130
Ancho de Solera: 1.50 m, debido a presencia de sedimentos varió a 1.54 m. Talud del canal: 1:1.5
Los resultados se muestran el formato de registro de aforo con correntómetro en el anexo.
VII. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 7.1.
Conclusiones
En el presente trabajo de aforo se determinó que el Caudal del Canal Cumbibira en el Punto de aforo N° 01, se realizó en forma satisfactoria con un caudal de 3.130 .
Se aprendió a utilizar de forma correcta el correntómetro, y a aplicar adecuadamente el método de aforo.
7.2.
Recomendaciones
Es muy importante tener en cuenta a la hora de hacer la medición de caudal algunas observaciones, como la presencia de elementos que puedan obstruir el correcto funcionamiento del correntómetro. (Ejemplos: palizada, desechos sólidos, otros.)
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VIII. ANEXOS
Tablas de calibración de velocidades del correntómetro OTT – C 34.
Formato de Registro de Aforo con correntómetro en el punto de aforo en el Canal Cumbibira.
Vistas Fotográficas del Proceso de Aforo.
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TABLAS DE VELOCIDADES
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VISTAS FOTOGRÁFICAS DEL PROCESO DE AFORO DE AGUA EN EL CANAL CUMBIBIRA
Foto N°1: Canal Cumbibira
Foto N° 2 y 3: Contador de Revoluciones
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Foto N° 4 y 5: Correntómetro de Hélice
Foto N° 6: Medición de Secciones
Foto N° 7: Medición de velocidades Media Página | 23