i.
AFORO VOLUMÉTRICO Es aplicable en la medición de pequeños caudales y se realiza midiendo el tiempo de llenado (t) de un recipiente r ecipiente de volumen conocido (V), donde se colecta la descarga. Ecuación:
=
1. Objetivo del procedimiento:
Medir o determinar el flujo de agua a la salida de una sección de tubería o canal; también, comprobar si el cliente cumple con las Normas establecidas por el país.
2. Definiciones:
Aforo: Medida del caudal de una corriente de agua. Volumétrico: Dícese de lo correspondiente a la medición m edición por volumen.
3. Abreviaturas:
gpm: galones por minuto C: Grados Centígrado mL: mililitro m2 /L: metros cuadrados por litro
hr: Hora m: metro min: Minuto AH: Área de Hidráulica
4. Referencias:
Norma Técnica DGNTI-COPANIT 35-2000, Aguas Descargas de efluentes líquidos directamente a cuerpos y masa de aguas superficiales y subterráneas. Norma Técnica DGNTI-COPANIT 39-2000, Aguas Descargas de efluentes líquidos directamente a sistemas de recolección de aguas residuales. Normas de la ANAM.
5. Equipos y herramientas: Equipo o Instrumentos:
Recipiente con graduaciones (5 gal.) Cronómetro. Probeta.
6. Procedimiento de la Prueba de Aforo Volumétrico: 1º Inicialmente, se realiza una inspección al sitio a investigar; días antes de la prueba se se revisa y calibra el recipiente recipiente a utilizar (cubo o tanque tanque de 5 galones), mediante una probeta calibrada, para verificar que el volumen a medir sea exacto, posteriormente se procede a marcar el recipiente.
2º En campo o área del proyecto, se ubica el canal o tubería a aforar; en caso de ser una tubería, que esté conectada a una serie de ellas, se procede a aislar por medio del juego de válvulas existente, luego se pone en función la bomba para realizar la purga de la misma, el objetivo consiste en sacar de la tubería todo el aire que esta pueda tener, esto puede ser bastante perjudicial, ya que el aire nos va a incidir de una manera negativa en los resultados. 3º 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. 4º El resultado de este procedimiento es volumen llenado entre el tiempo de llenado (Q = v/t); el mismo, debe ser repetido cinco (5) veces, de esta manera se verifica si el flujo es constante o variable. 5º Con los datos tomados de tiempo y el delta de volumen de agua escogido se obtiene el caudal que está recorriendo la tubería o el canal, después de hacerle un tratamiento estadístico a los datos. 6º El funcionario del CIHH, genera el análisis e informe final (conclusiones y recomendaciones) y lo remite a su jefe inmediato, para su revisión y envió al cliente; dichos trámites conllevan copias para sus respectivos archivos.
7. Cálculo de los resultados:
v1 ... vn = Volumen para la medición del llenado del tanque (L). T1 ... Tn = Tiempo para la medición del llenado del tanque (seg). N = Cantidades de veces que se repite la prueba de llenado del tanque. Caudal del tanque (L/seg). Q1 = v1. / T1 Promedio del caudal del tanque. Qp =Q1 + Q2 +...+QN / N
Nota: se puede considerar también tomar los diferentes tiempos de llenado para el mismo volumen, y con esos tiempos sacar un promedio de todos ellos: =
ii.
123⋯
AFORO CON MOLINETE La medida exacta de la velociad se realiza con un molinete. Se mide la velocidad de la corriente en varios puntos de la misma vertical y en varias verticales de la seccion del cauce. A la ves que se mide la profundidad en cada vertical y la anchura exacta del cauce y, lo que nos permite establecer la sección con bastante precisión. El aforo, fundamentado en la expresión: =∗ Q: caudal líquido, en m3 /s A: sección transversal de medición, en m2 V: velocidad media de la corriente, en m/s. 1. Objetivos del procedimiento
Conocer el principio de funcionamiento de los correntómetros, y aprender su manejo en mediciones de velocidad de corrientes líquidas. Realizar el aforo con correntómetro de una corriente natural de agua.
2. Definiciones
Hidrometría.- Es la parte aplicada de la Hidrodinámica que trata de los métodos de medición de la velocidad, el caudal y las fuerzas de los líquidos en movimiento. La hidrometría comprende también las mediciones de niveles de agua,
concentración y transporte de sedimentos, y los levantamientos altimétricos de los perfiles longitudinal y transversal del cauce de las corrientes naturales y de masas de agua.
Batimetría.- Es una actividad hidrométrica cuya finalidad es el levantamiento alti planimétrico del fondo de corrientes y cuerpos de agua, tales como lagos, lagunas, embalses, bahías, ciénagas, estuarios, mares y océanos. Comúnmente, se aplica a la medición de niveles de sedimentos depositados en el fondo de una masa de agua. El batitermógrafo es el instrumento comúnmente empleado para medir y registrar continuamente la profundidad y la temperatura del agua. Aparte del batitermógrafo, también se emplean los ecosondas para hacer estudios batimétricos en sistemas acuáticos. Ver numeral.
3. Equipos y herramientas -
Molinete hidrométrico: molinete universal (hélice de 12 cm de diámetro); el micro molinete (hélice de 3 cm de diámetro) Barras: están compuestas por tramos de 1 m de longitud, graduadas cada cm, o cada 10 cm Cable y contrapeso. El torno y botalón: se utilizan en corrientes profundas y/o rápidas, donde el sistema de barra no puede ser utilizado y se necesita más contrapeso. La curva de calibración: relaciona las vueltas de la hélice (revoluciones) con la velocidad de la corriente.
4. Procedimiento Al hacer uso del molinete hidrométrico para determinar la velocidad en distintos puntos de la sección, permite lograr la mejor aproximación a los valores reales de este parámetro. El equipo de medición cuenta las revoluciones que efectúa una hélice al sumergirla en la corriente a una profundidad prefijada. Midiendo el tiempo de trabajo de la hélice en cada punto se obtiene un valor de revoluciones/seg que a través de una ecuación de calibración permite obtener la velocidad en m/seg. El procedimiento de campaña consiste en:
Se divide la sección transversal del rio en un cierto número de verticales para el levantamiento del perfil. Se determina en cada vertical el perfil de las velocidades por medio del molinete. Se halla la velocidad media del perfil. El caudal será la sumatoria del producto de cada velocidad media por su área de influencia.
Debe luego calcularse la velocidad media en cada vertical aplicando los dos criterios mencionados, partiendo de la concepción general de que la distribución de la velocidad en una vertical adopta - gráficamente - forma parabólica con valores decrecientes hacia el fondo del cauce.
La profundidad en cada vertical se identifica con h y las mediciones se hacen en fracciones de la profundidad total, tomándolas desde la superficie hacia el fondo. 5. 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: a) 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. En la Tabla 2.1 se resumen los antecedentes necesarios para el cálculo de la velocidad media de acuerdo a la profundidad del cauce:
-
Método de 0,6 de la profundidad En este caso se admite que la velocidad medida al 60% de la profundidad (0.6 h) es igual a la velocidad media en la vertical. Este método se emplea cuando hay bajas profundidades, cuando no hay tiempo para efectuar más mediciones - crecidas de rápida evolución o debido a obstrucciones que no permiten variar la profundidad de medición. Para calcular el Caudal se divide a la sección de aforo en subsecciones que tienen por profundidad la de la vertical considerada y como ancho la suma de la mitad de la distancia (semi distancia) a las verticales adyacentes: − + =∗ℎ∗( ) 2 2
El caudal será igual a la sumatoria de los caudales parciales señalados. Para el procedimiento del cálculo del aforo, debe desarrollarse una planilla, según el siguiente esquema, por cada método:
b) 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. c) 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. d) 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 realizan dos ciclos completos y, si los resultados difieren de más de 10%, se repite la medición. e) 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.
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.
iii.
MÉTODOS DE AFORO QUÍMICO. Es un método muy apto para corrientes turbulentas como las de montaña. Estos trazadores se utilizan de dos maneras: como aforadores químicos, esto es, para determinar el caudal total de una corriente, y como medidores de velocidad de flujo. 1. Objetivos Determinar el caudal de flujos de agua que se presenten en las siguientes situaciones:
Cauces en que la velocidad del flujo es muy grande o que presentan mucha turbulencia, ya que bajo estas condiciones se hace muy difícil utilizar un molinete u otro instrumento convencional de aforo. Cauces que, debido a sus condiciones, son inaccesibles para la aplicación de métodos de aforo convencionales. Cauces en que, al utilizar sistemas de aforo convencionales, presentan tiempos de medición excesivos.
Si los métodos con trazadores se aplican correctamente, presentan un nivel de exactitud mayor al de otros métodos de aforo.
2. Equipos y Herramientas -
-
Trazadores: a) Sales (NaCl) b) Tintas colorantes c) Tintas fluorescentes d) Trazadores radioactivos Conductivímetro Colorímetro Fluorómetro
3. Procedimiento Metodología de Aforos a) Método de inyección instantánea
1º Este método consiste en inyectar una cantidad conocida de masa de trazador en el flujo de un cauce de manera instantánea y luego medir el paso de la nube de trazador a través del tiempo. 2º Si se grafica la concentración de trazador medida en un punto del cauce versus el tiempo en que estás mediciones fueron hechas, se puede obtener una curva conocida como curva de respuesta del trazador. En la figura 3.2 se pueden ver distintas curvas de respuesta que representan mediciones en distintos puntos a lo ancho y largo del cauce.
Figura 3.2: Variación de la curva de respuesta a lo largo del canal (Measurement of dischargeusing tracers,1985).
3º Luego de la inyección de trazador, la nube comienza a viajar con el flujo, dispersándose a lo ancho y largo de éste. 4º Cuando la distancia entre el punto de inyección y el de medición es muy corta, es poco probable que se alcance la mezcla completa, por lo que las curvas medidas tendrían áreas distintas. 5º A medida que el punto de medición se aleja del punto de inyección la mezcla comienza a ser mayor, con lo que las áreas de las curvas comienzan a ser similares, mientras que la forma de las curvas no necesariamente es la misma. 6º Es importante destacar que el grado de mezcla completa está asociada al área de la curva, mientras que la forma está asociada, entre otras cosas, a la velocidad del flujo y a la dispersión del trazador en el agua.
Cálculo de los resultados
El caudal puede ser calculado a partir del principio de la conservación de masa. Según esto se tiene que, si no hay pérdidas de trazador en el cauce, la masa de trazador inyectada sería igual a la masa presente en el canal. El volumen de control definido para ver la masa de trazador presente en el canal estaría definido por la sección del canal, lo que limita la dirección z e y, y por un tramo definido entre el -∞ y +∞ en la dirección x. Lo explicado anteriormente se puede escribir como se muestra en la Ecuación 3.3, teniendo presente que para obtener realmente la masa inyectada hay que descontar, a cada punto del volumen de control, la concentración base presente en el agua de forma natural.
= ∫( ) ∗ = ∭( ) ∗ ∗ ∗ Ecuación (3.3) Donde: M: masa de trazador inyectada en el flujo. C: concentración de trazador medida en cada punto del volumen de control. Cb: concentración inicial del trazador en el agua. Si existe mezcla completa del trazador en la sección, no existe una variación de la concentración en la dirección z e y, por lo que la concentración no depende de estas variables.
Esta es una condición básica para que esta metodología pueda ser aplicada. Este supuesto permite escribir la Ecuación 3.4, la cual se muestra a continuación: = ∬ ∗ ∗ ∫( ) ∗ = ∫( )
…(3.4)
Haciendo un cambio de variable que relacione la distancia con el tiempo de viaje y con la velocidad del flujo se obtiene
Donde: v: velocidad de la nube de trazador en el cauce. A: área de la sección. Q: caudal del cauce. Finalmente a partir de la ecuación anterior se puede obtener una expresión para el cálculo del caudal.
Si el intervalo de tiempo en el cual se mide la concentración de trazador es constante se obtiene la siguiente expresión:
b) Inyección constante.
Para entender el funcionamiento del método de inyección constante es posible hacer una analogía con una serie de inyecciones instantáneas a intervalos de tiempo pequeños y constantes (ver Figura 3.6). La primera inyección instantánea M1 generará, en el punto de medición, una curva de respuesta 1. Asumiendo que el caudal del cauce es constante, cada una de la siguiente n inyecciones instantáneas generará una curva de respuesta similar con lo que se producirá, aproximadamente a partir del punto donde termina la primera curva, una estabilización de la concentración en el cauce.
Figura 3.6: Forma de la curva de respuesta con inyección constante (Measurement of discharge using tracers, 1985).
El método de inyección constante también necesita como condición básica que exista mezcla completa. En un punto de medición cercano al punto de inyección es poco probable que exista mezcla completa, por lo que las concentraciones de estabilización no serán iguales en las direcciones verticales y transversales del cauce. A medida que nos vamos alejando del punto de inyección la mezcla será mejor, tendiendo las concentraciones de estabilización a ser iguales (ver figura nº 3.7). La distancia necesaria para que se alcance la mezcla completa dependerá de las condiciones de escurrimiento, de la turbulencia, perfil de temperatura, etc. El tiempo mínimo de inyección está dado por el tiempo que demora la curva más alargada en alcanzar la concentración de estabilización, de manera que a lo ancho del cauce se mantenga una concentración constante. La inyección de trazador debe mantenerse por un tiempo suficiente como para poder asegurar que se alcanzará esta concentración de estabilización. El caudal del cauce se obtiene a partir de un balance de masa entre el punto de inyección y el punto de medición (ver Figura 3.8), asumiendo siempre que no hay pérdida de trazador a lo largo del canal.
Figura 3.8: Volumen de control para el balance de masa.
La ecuación que muestra este balance se puede ver a continuación:
Donde: Q: caudal del cauce. Cb: concentración inicial del trazador en el agua del cauce. q: caudal de inyección de trazador, se asume pequeño en comparación con Q. C: concentración de trazador inyectada. c: concentración de estabilización de trazador en el cauce. En la mayoría de los casos se tiene que Cb es despreciable y que c es despreciable en comparación con C. De esta forma se puede escribir la expresión anterior de la siguiente forma:
La principal ventaja que presenta esta metodología es que, a diferencia del método de inyección instantánea, no es necesario tomar muestras durante todo el paso de la nube de trazador, ya que solo se necesita tener bien definida la concentración de estabilización. Esto minimiza los errores asociados al manejo de grandes cantidades de datos. 4. Consideraciones sobre los Métodos de Aforo con Trazadores. La exactitud del cálculo del caudal estará relacionada con minimizar la pérdida de trazador a lo largo del cauce, con el efecto de la turbiedad del agua sobre ciertos trazadores, con el grado de mezcla completa que existe al momento de la medición, con la capacidad del sensor de detectar y medir la concentración de trazador, entre otros.
iv.
AFORO CON FLOTADORES El método de aforo por flotadores, es un método de campo, sencillo y rápido para estimar el caudal de agua que pasa en una sección transversal del río. Con este método se calcula las velocidades superficiales de la corriente de un canal o río, utilizando materiales sencillos (flotadores) que se puedan visualizar y cuya recuperación no sea necesaria. Este método debería ser utilizado en forma provisional hasta que se adquiera o se utilice el correntómetro. 1. Objetivos
Determinar el caudal del fluido en forma experimental y analizarla comparativamente mediante las ecuaciones de rigen el comportamiento de flujo. Realizar observaciones referentes al comportamiento del fluido.
2. ¿Cuándo se puede aplicar el método de flotadores?
Cuando no se cuente con un correntómetro o equipos de aforo. En periodo de máximas avenidas o crecidas de los ríos y peligra el equipo de correntómetro. Cuando existe peligro para ingresar al agua el Observador hidrológico Cuando los niveles de agua son muy bajos y no permite medir con el correntómetro. Cuando existen algas o sedimentos que impide que se haga mediciones con el correntómetro. Cuando se desea conocer el caudal de la corriente en forma aproximada sin tener que recurrir a la construcción de una estación hidrométrica costosa.
3. Materiales que se utilizan para realizar el aforo por flotadores
Botellas Latas Troncos varillas con un lastre entre otros objetos, es decir cualquier objeto que pueda flotar
cronómetro cinta métrica Formato del flotadores Calculadora
Método
por
4. Procedimiento
1º Selección del tramo recto:
Se escoge el tramo recto “A” y “B”, este lugar debe ser el adecuado, puede coincidir con la sección transversal en donde se encuentra la estación hidrométrica u otro lugar en donde el agua fluya naturalmente, en lo posible que no existan piedras grandes o troncos.
Medir el ancho del río, en metros (a) Medir la distancia que recorrerá el flotador desde A (inicio) y B (final). Se recomienda entre 10 m y menor que 30 m.
2º Obtención del caudal en metros cúbicos por segundo : Q (m3 /s) Cálculo del tiempo promedio en segundos (tp)
Para el cálculo del tiempo que demoran los flotadores de llegar de A hasta B, se requiere del cronómetro, calculadora y formato. Se deben lanzar como mínimo 3 flotadores hacia la margen derecha, 3 en el centro y 3 en la margen izquierda de la sección del río. El número de flotadores que se utilice para el aforo se realice en un tiempo tal que no se produzcan variaciones superiores a 1 cm entre el nivel de agua al inicio y al final del aforo. Se lanzará cada uno de los flotadores (f), antes de pasar por el punto A con la finalidad de que cada flotador alcance una velocidad constante y se estabilice su trayectoria. El tiempo promedio es igual, a la suma del tiempo que se demora cada flotador, y se divide entre el número de los flotadores, en este caso entre 9.
=
4 ⋯ 9
Es importante medir los tiempos con la mayor exactitud posible. Durante el mes se realizará un total de 8 aforos, es decir 2 aforos como mínimo por semana. Cuando se observe vientos fuertes no realizar el aforo para que los flotadores no desvíen su trayectoria
Cálculo de la velocidad en metros sobre segundo: V (m/s)
Fórmula de la velocidad superficial del flotador: (Vs)
=
- V: velocidad es expresada en metros sobre segundos (m/s). - d: distancia recorrida del flotador desde A hasta B, está expresado en metros (m). - tp: es el tiempo promedio que recorre los flotadores desde A hasta B, está expresado en segundos (s)
Cálculo de la velocidad media en la vertical: (Vm) Este valor es la velocidad corregida del flujo de agua en cada sección y es igual a la velocidad del flotador o superficial (Vs) multiplicada por un coeficiente que existe entre la velocidad media de la sección y la superficial, para los diferentes tipos de cauces. Según los hidrólogos esta velocidad media suele variar entre 0’75 y 0’90 veces la velocidad en la superficie según se trate de cauces naturales pequeños o grandes, respectivamente. Para fines de esta Guía, la velocidad superficial obtenida se multiplicará por 0.85.
Cálculo del área de la sección, expresado en metros cuadrados: A (m2)
Fórmula del Área: (A)
= ℎ ∗ - A: área de la sección, expresada en metros cuadrados (m2). - hp: profundidad promedio (m). - a: ancho del río, expresado en metros (m) 3º Se requiere medir el ancho del río y calcular la profundidad promedio del río:
Ancho del río: (a) se mide con una cinta métrica. Cálculo de la profundidad media: (hp)
Dividir como mínimo el río en 3 partes, sondear el ancho del río para medir las diferentes profundidades y se obtiene el promedio. El observador puede medir las profundidades desde el carro huaro, puente o vadeando el río (periodo de estiaje)
y las profundidades puede medirlo por medio de una regla, madera o soga con lastre.
ℎ =
ℎ ℎ ℎ 3
hp: altura o profundidad promedio Dividir el ancho del río, con una regla o varilla se mide las profundidades para obtener el promedio. Cálculo del caudal: (Q)
Fórmula del caudal: (m3 /s)
= ∗ Q: caudal de agua, expresada en metros cúbicos sobre segundos (m3 /s). A: área de la sección, expresada en metros cuadrados (m2) Vm: velocidad media del agua, expresado en metros sobre segundos (m/s). 4º Tabla de datos
