Aforos

INSTITUTO DE HIDROLOGIA, METEOROLOGIA Y ESTUDIOS AMBIENTALES - IDEAM

MEDICIONES HIDROMETRICAS

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1 OBJETIVOS

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2 ALCANCES

5

3 NIVEL

5

4 MEDIDORES DE NIVELES

5

4.1 DE OBSERVACIÓN DIRECTA 4.2 DE REGISTRO CONTINUO 4.3 CLASES DE LIMNÍMETRO. 4.3.1 TIPOS DE INSTALACIÓN DE LIMNÍMETROS 4.3.2 MANTENIMIENTO 4.4 TIPOS O CLASES DE MAXÍMETROS. 4.4.1 INSTALACIÓN DE MAXIMETROS 4.4.2 MANTENIMIENTO 4.5 LIMNÍMETROS DE CONTACTO. 4.5.1 INSTALACIÓN DE LIMNICONTACTOS 4.5.2 TIPOS DE LIMNICONTACTOS 4.5.2.1 Limnicontactos o Sonda Luminosa 4.5.2.2 Sonda de Presión con o sin Colector de Datos 4.5.3 MANTENIMIENTO 4.6 INSTRUMENTOS DE REGISTRO CONTINUÓ - LIMNÍGRAFOS 4.6.1 MANTENIMIENTO 4.6.2 TIPOS DE LIMNÍGRAFOS 4.6.2.1 Limnígrafo Seba Modelo Delta 4.6.2.2 Limnígrafo Stevens 4.6.2.3 Otros limnígrafos limnígrafos 4.6.4 INSTALACIÓN DE LIMNÍGRAFOS 4.7 OTRAS INSTALACIONES 4.7.1 PUENTES HIDROMETRICOS Y TARABITAS 4.7.2 CABLES E INSTALACIONES DE ORILLA

5 6 6 7 8 9 10 10 10 11 11 12 12 13 13 15 16 16 20 22 23 24 24 25

5 TOMA DE LOS DATOS DE NIVEL

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6 VERIFICACION DE LA INFORMACION OBTENIDA EN CAMPO

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7 AFOROS LIQUIDOS

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1 SECCION DE AFOROS 2 TIPOS DE AFOROS 3 EQUIPO Y PERSONAL REQUERIDO EN CADA TIPO DE AFORO 7.3.1 AFORO POR SUSPENSION 7.3.2 AFORO ANGULAR 7.3.3 AFORO EN BOTE CAUTIVO 7.3.4 AFORO POR VADEO 7.3.5 AFORO VOLUMETRICO 7.3.6 AFORO POR TRAZADORES - DILUCION 7.3.7 AFORO CON LANCHA EN MOVIMIENTO 7.3.8 AFORO POR FLOTADORES 7.4 SELECCIÓN DEL NUMERO DE VERTICALES 7.5 MEDICION DEL ANCHO 7.6 MEDICION DE LA PROFUNDIDAD 7.7 CORRECCION POR ANGULO DE ARRASTRE

28 28 29 29 29 29 29 30 30 30 30 31 31 32 33 1

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INSTITUTO DE HIDROLOGIA, METEOROLOGIA Y ESTUDIOS AMBIENTALES - IDEAM 7.7.1 PROCEDIMIENTO EN CAMPO 7.8 MEDIDORES DE LA VELOCIDAD DEL AGUA 7.8.1 MOLINETES 7.8.2 OTROS SENSORES 7.8.3 DETERMINACION DE LA VELOCIDAD MEDIA EN LA VERTICAL 7.8.3.1 Métodos de Puntos Reducidos 7.8.4 DETERMINACION DE LA VELOCIDAD MEDIA DE LA SECCION 7.8.5 MEDIDA DE LA PROFUNDIDAD 7.8.6 CALCULO DEL CAUDAL PARCIAL 7.9 AFOROS CON TRAZADORES 7.9.1 REQUERIMIENTOS DE LOS TRAZADORES. 7.9.2 TIPO DE TRAZADORES. 7.10 MEDICION DE CAUDAL POR EL METODO DE DILUCION

7.10.1 SELECCIÓN DEL EMPLAZAMIENTO. 7.10.2 PROCEDIMIENTO. 7.10.3 DETERMINACION DEL PESO DEL TRAZADOR. 7.10.4 DETERMINACION DE TIEMPO DE MEDICION. 7.10.5 CALCULO DEL CAUDAL 7.10.5.1 Método de Inyección Continua. 7.10.5.2 Método de Inyección Instantánea 7.11 AFORO CON LANCHA EN MOVIMIENTO 7.11.1 CONTROL DE CAMPO 7.12 AFORO VOLUMETRICO 7.13 AFORO CON FLOTADORES 7.13.1 SELECCIÓN DE SECCIONES. 7.13.2 FLOTADORES. 7.13.3 PROCEDIMIENTOS DE MEDICION. 7.13.4 CALCULO DE LA VELOCIDAD. 7.10.5 CALCULO DEL CAUDAL. 7.14 ESTRUCTURAS AFORADORAS 7.14.1 CAMPO DE APLICACION. 7.14.2 SELECCIÓN DE LA ESTRUCTURA. 7.14.3 MEDICION DEL NIVEL DEL AGUA. 7.14.4 FUNCIONAMIENTO DE LAS ESTRUCTURAS DE MEDICION. 8 AFOROS SOLIDOS

8.1 CONCENTRACIÓN 8.2 TRANSPORTE DE SEDIMENTOS. 8.3 CLASES DE SEDIMENTOS 8.4 MUESTRAS DIARIAS 8.4.1 METODOLOGÍA. 8.5. DEFINICION SITIOS DE MEDICION 8.6. EQUIPOS E INSTRUMENTAL 8.6.1.MUESTREADORES INTEGRADORES PUNTUALES. 8.6.2 MUESTREADORES INTEGRADORES EN PROFUNDIDAD 8.7 MÉTODOS DE AFORO 8.7.1 PUNTUAL 8.7.1.1 Aforo Puntual Con Muestreador U.S.P.-61 8.7.2 INTEGRADO 8.7.2.1 Procedimiento 8.7.3 MUESTRAS DE FONDO 8.7.3.1 Muestreador Tipo Almeja "Van Veen´s Grab" 8.7.3.2 Muestreador US-BMH-60 y US-BMH-54 8.7.3.3 Muestreador de Cono 8.7.4 BOLSA PLEGABLE

35 37 37 40 41 41 47 47 48 48 49 50 51

51 53 54 55 56 56 57 60 61 62 62 62 62 62 63 63 64 65 65 65 65 66

67 68 68 69 69 70 70 71 72 75 75 76 77 78 79 79 80 81 82 2


INSTITUTO DE HIDROLOGIA, METEOROLOGIA Y ESTUDIOS AMBIENTALES - IDEAM 8.7.4.1 Ventajas 8.7.4.2 Desventajas 8.7.4.3 Componentes del Muestreador 8.7.4.4 Bolsas de Plástico 8.7.4.5 Pesa o Escandallo 8.7.4.6 Lastre de la Bolsa 8.9 ERRORES Y LIMITACIONES EN LAS MEDICIONES DE SEDIMENTOS 8.8.1 USO INCORRECTO DE LOS MUESTREADORES DE SEDIMENTOS 8.8.2 EFICIENCIA Y LIMITACIONES DE LOS MUESTREADORES DE SEDIMENTOS. 8.9 MONTAJE Y USO DEL MUESTREADOR 8.9.1 TAMAÑO DE LA BOQUILLA, TASA DE TRÁNSITO Y CALIBRACIÓN DE CAMPO 8.9.2 CALIBRACION DE CAMPO 8.10 PROCESAMIENTO DE MUESTRAS EN EL SITIO 8.11 ANÁLISIS DE LABORATORIO 8.11.1 ACTIVIDADES 8.11.2 PROCEDIMIENTO 8.11.2.1 Procedimiento De Laboratorio Para Bolsa Plegable 8.11.3 PROCESOS Y CÁLCULOS 8.11.3.1 Cálculo de aforos puntuales

83 83 83 84 84 84 85 85 85 86 87 89 90 91 92 92 94 95 95

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MEDICIONES HIDROMETRICAS La hidrología es una parte de las ciencias ambientales que trata del origen y la distribución de las aguas superficiales y subterráneas, estudia la evolución de las masas de agua y cuantifica los volúmenes que se mueven dentro de las diferentes fases del ciclo hidrológico. En un sentido amplio, el objetivo fundamental de la hidrología y más precisamente de la hidrometría es proveer datos relacionados con la distribución espacial y temporal del agua sobre la tierra ; esta es la información que requieren los proyectos de planeamiento y manejo de los recursos hídricos, para los cuales es indispensable conocer las variaciones de cada una de las corrientes y cuerpos de agua. La base sobre la cual se apoyan los estudios hidrológicos son las mediciones de cada uno de los parámetros, y cualesquiera que sean los métodos de análisis, su precisión se verá limitada por dichas mediciones; las variaciones de los parámetros hidrológicos son grandes, y de allí la necesidad de realizar mediciones con una gran frecuencia y en muchas estaciones, por otra parte es también de gran importancia la oportunidad con que se hagan. Son muchos los factores que pueden involucrar inexactitudes en una medición hidrométrica, razón por la cual para el suministro de esta información se requiere del concurso de técnicos capacitados en cada uno de los diferentes procesos y actividades que forman parte del amplio campo de aplicación de la hidrología, la cual abarca ramas como la hidrometeorología, hidrometría y sedimentología, dentro de cada una de las cuales se ramifican y multiplican las labores que deben ejecutarse para producir, al final, la información hidrométrica veraz, adecuada, confiable y oportuna. La mayor parte de la información hidrológica directa se obtiene en puntos de observación y medición, ubicados en ríos y/o cuerpos de agua, denominados estaciones hidrométricas, el conjunto de estos puntos constituye la red de estaciones hidrométricas y ambiental. Para las mediciones el nivel de agua se utilizan dos tipos de instrumentos: los de lectura directa como lo son la mira hidrométrica o limnímetro, el limnicontacto y el maximétro, y los registradores que se conocen bajo el nombre de limnígrafos. Para la medición de las velocidades de las corrientes se emplean los correntómetros o molinetes que pedem ser de eje vertical u horizontal; en ciertos casos se usan flotadores y trazadores como sales, colorantes y radioisótopos entre otros. Durante la ejecución de aforos sean estos líquidos o sólidos se utilizan diversos equipos y accesorios como malacates, varillas de vadeo, contadores, escandallos o tocadores de fondo, muestreadores de sedimentos, molinetes, además de los instrumentos específicos de topografía.

1 OBJETIVOS Se ha creído conveniente iniciar la exposición de tan extenso y variado tema, con un capitulo denominado mediciones hidrométricas, entendiéndose como mediciones todas las actividades que permitan obtener datos observados o registrados en estaciones de medición y que tienen que ver específicamente con niveles, caudales y sedimentos. La importancia de la distribución del agua en la superficie terrestre es fácilmente comprensible cuando se considera su papel en la vida humana y en 4

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general de todas las especies, por ello el hombre se ha ingeniado a través de la historia formas para intentar cuantificarla. Pretendemos hacer una compilación detallada y profunda con ejemplos sencillos pero prácticos en los temas de medición de niveles y caudales.

2 ALCANCES El objeto de este manual, es el de suministrar a todos los interesados en las actividades hidrométricas, la información correspondiente a las prácticas y procedimientos necesarios para realizar mediciones confiables y oportunas de los diferentes elementos y parámetros hidrológicos. Se han utilizado las diferentes publicaciones que sobre estos aspectos ha realizado el SCMH, HIMAT e IDEAM y las ideas, conceptos y experiencias acumuladas o recopiladas por los ingenieros de la Subdirección de Hidrología, así como las especificaciones y normas técnicas impartidas por la Organización Meteorológica Mundial - OMM.

3 NIVEL Se denomina nivel del agua en una corriente (río, arroyo, caño, quebrada, etc.) o en un cuerpo de agua (ciénaga, embalses, lago, etc.), a la elevación o altura de la superficie del agua en un punto determinado, el cual está referido a un origen de referencia identificado con una cota arbitraria o al nivel medio del mar. En Colombia existen cerca de 1400 estaciones hidrométricas, de estas 900 son del IDEAM, en cada una se toman niveles diariamente, lecturas que realiza un observador quien reside generalmente cerca a la estación. El IDEAM, da entrenamiento e instrucción a estas personas para la toma adecuada y oportuna de datos y les asigna una tarifa mensual para la compra.

4 MEDIDORES DE NIVELES 4.1 DE OBSERVACIÓN DIRECTA Los medidores de niveles de agua, se pueden dividir principalmente en tres clases: a) Miras o limnímetros b) Maxímetro c) De contacto o Limnicontacto.

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4.2 DE REGISTRO CONTINUO a) Limnígrafos

4.3 CLASES DE LIMNÍMETRO. La mira o limnímetro es una regla graduada de un (1) metro, que se utiliza para medir las fluctuaciones de los niveles del agua en un punto determinado de una corriente o de un cuerpo de agua. (figura N° 1).

Figura N° 1

Río Atacuari - Estación Bocas. Henry Arturo Romero P.

Las miras pueden ser construidas en varios materiales: •

Hierro fundido. Es un tipo de mira, donde los caracteres están en alto relieve, esta mira tiene la ventaja que dichos caracteres no se borran lo cual da a esta una mayor durabilidad.

•

Lámina esmaltada. Esta clase de miras están limitadas por la fragilidad del esmalte, se deben usar únicamente en ríos que no tengan arrastre de rocas o palizadas que las puedan dañar .

•

Lámina pintada: Las miras de lámina pintada tienen poca duración, debido a que la pintura se deteriora poco a poco con el tiempo. Estas miras tienen la ventaja de ser las más baratas y de fácil construcción. 6



Las miras en general pueden ser fijadas en madera, rieles, acero, roca o concreto, (Figura N° 2 y 3), se ilustran la forma como se deben fijar e instalar dichos limnímetros.

Figuras N° 2 - 3

Río Chiticuy - Estación Las Vegas. Henry A. Romero Río Negro - Estación Tobia. Henry Arturo Romero P.

4.3.1 TIPOS DE INSTALACIÓN DE LIMNÍMETROS Las miras hidrométricas directas se instalan sobre la orilla más próxima al sector más profundo; el plano (0) debe quedar 0.5 metros por debajo de la profundidad mínima del nivel de agua para ríos pequeños, y en lo posible por debajo del nivel de aguas mínimas, en ríos grandes. El extremo superior del limnímetro debe sobrepasar por lo menos en un metro el nivel máximo de la creciente posible. Las miras se acoplan a listones de madera empotrados en concreto o atornillados a perfiles metálicos (T, U, I, etc.). El montaje se hará de tal forma que el plano (0) esté conveniente mente relacionado o empalmado por nivelación topográfica, y referirlo a un punto invariable de referencia localizado o BM en cercanías de la estación. •

Miras verticales. Cuando las reglas se colocan en forma vertical, en uno o varios tramos. (Ver Figuras N° 2 - 3)

•

Miras inclinadas. Esta clase de miras están colocadas de acuerdo a la inclinación del talud, también se usan en vertederos y su relación puede ser 1:10, es decir que 100 cm., leídos en la mira inclinada, equivalen realmente a 10 cm., en altura.(Figura 4)

7



Figura N° 4

Estación Calamar - río Magdalena.

Héctor Guzmán A.

En cuanto a la colocación de los limnímetros o miras se debe considerar los siguientes requerimientos técnicos: •

Buena fijación. Garantiza que no se produzcan movimientos verticales que puedan alterar las lecturas. Para ello se recomienda su instalación en sitios estables como en rocas, pilas de puentes, muelles, u otras estructuras resistentes.

En el caso que sea imposible encontrar una estructura estable, se recomienda fijar los limnímetros en rieles, listones de madera, perfiles de acero, o anclarlas en muros de concreto construidos para tal fin. •

El limnímetro o mira deberá estar colocado de tal forma que puedan leerse fácilmente; deben tener facilidad de acceso para que las lecturas se hagan con comodidad y seguridad.

•

Los limnímetros o miras deben estar relacionados a un punto de referencia (BM) a fin de verificar periódicamente la cota del acero. Este punto o BM deberá estar colocado en un sitio seguro, arriba del nivel de aguas máximas y en un terreno estable que no sufra alteraciones.

4.3.2 MANTENIMIENTO Para mantener en funcionamiento una instalación limnimétrica es importante seguir las siguientes instrucciones: •

Visitar la estación periódicamente para revisar su estado, (parte física y operativa).

•

Revisar los empalmes de los tramos de limnímetro instalados en la estación, así como el cero de la mira. 8



•

Cambiar los tramos que se encuentren averiados especialmente cuando la pintura o esmalte del tramo correspondiente se ha deteriorado.

•

Revisar los numeradores que indican los tramos cada metro.

4.4 TIPOS O CLASES DE MAXÍMETROS. Se puede llamar maxímetro a cualquier ingenio asociado a una mira limnimétrica que permita con posterioridad determinar el nivel alcanzado por las aguas. También se denominan instrumentos medidores de crecientes en los ríos, en el cual queda señalado el nivel alcanzado; según el tipo de maxímetro, ésta se deposita en una serie de recipientes que se encuentran colocados dentro de un tubo con perforaciones laterales que permiten la entrada del agua, o borra una señal previamente pintada o dejan una huella (corcho) adherida a las paredes interiores de un tubo. Existen otros sistemas para medir los niveles máximos, pero solamente se describe el instrumento convencional utilizado por el IDEAM. Los recipientes del maxímetro tienen 5 cm., de altura y pueden ser de vidrio, latón, tubo galvanizado o PVC colocados dentro de un soporte cilíndrico el cual es introducido en un tubo galvanizado, este a su vez es fijado mediante platinas en los extremos a una estructura firme (Figura N° 5)

Figura N° 5

Río Chiticuy - Estación Las Vegas.

Henry Arturo Romero P.

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Las dimensiones más usuales son las siguientes: * Diámetro del tubo 2.5 pulgadas (6.35 cm.) puede ser de hierro galvanizado o PVC. * Longitud de 1.00 m. o 1.50 m. La operación de dicho instrumento se basa únicamente en hacer una inspección después de una creciente; se retira la tapa superior del maxímetro y se saca el soporte cilíndrico con los recipientes, identificando el frasco superior que contenga agua, y así se determina el nivel máximo que alcanzó dicha creciente. Otros maxímetros se construyen con una placa graduada que se pinta con tiza o cal; al subir las aguas, la tiza es lavada hasta el nivel más alto en donde se puede observar la altura alcanzada por las aguas. La placa se puede colocar dentro de un tubo perforado u otro recinto que admita el acceso de agua. Existen en el mercado otros tipos de instrumentos hidrométricos que han sido diseñados y construidos en fibra de vidrio, es un tubo de 1 metro de longitud, graduado en centímetros y decímetros, con cinta adhesiva, la cual en contacto con el agua cambia de color, indicando así al altura alcanzada. 4.4.1 INSTALACIÓN DE MAXIMETROS Los maxímetros deberán ser referenciados a un punto de nivelación que debe ser el mismo al cual se referencia las miras o limnímetros. Se instalan generalmente a continuación del penúltimo metro de mira, al igual que en el caso de los limitemos, para la instalación de estos, se deben seguir los mismos patrones y requerimientos técnicos que garanticen una buena fijación y comodidad para realizar las lecturas. El cero (0) del Maxímetro debe coincidir con un valor del limnímetro que sea múltiplo de 0, es decir 3.50, 4.00, 4.30, 470, 5.20, etc. 4.4.2 MANTENIMIENTO El mantenimiento de los maxímetros es muy sencillo solamente necesita que los recipientes estén en buen estado. Después de una crecida se debe lavar el tubo y los vasos, para evacuar el sedimento depositado, con los de tiza se vuelve a marcar la placa, en el caso de los cinta adhesiva se cambia y en los de huella se lavan y se aplica la sustancia molida.

4.5 LIMNÍMETROS DE CONTACTO. El limnicontacto o sonda indicadora de profundidad (nivel) es un dispositivo simple y elemental constituido esencialmente por una polea, un contrapeso y un flotador unidos por un cordel o cable 10



abcisado, para facilitar la medición; su operación es sencilla, según el nivel de agua el cable se desplaza con relación a un punto de referencia, permitiendo así obtener la lectura de nivel. (Figura N° 6). La mira propiamente dicha, colocada sobre las estructuras superiores de los puentes, esta conformada por placas metálicas de 1 metro del tipo de las descritas en el numeral 4.3 4.5.1 INSTALACIÓN DE LIMNICONTACTOS Los limnicontactos se instalan generalmente sobre barandas de puentes en lugares que permitan medir toda la gama de variación de niveles. La parte fija de esta instalación es el punto de referencia, los demás elementos el observador los instala en el momento de la medida. El sitio elegido para el contacto del flotador con el agua debe estar alejado de la línea de velocidades máximas, para evitar la inclinación (ángulo) del cable por el arrastre del flotador.

Polea Mira ⊕Punto Referencia

Contrapeso

Flotador Figura N° 6 Esquema de Limnicontacto El limnicontacto también ha sido desarrollado además como una unidad portátil para la rápida observación de niveles de pozos en aguas subterráneas. igualmente pueden utilizarse en mediciones de niveles en aguas superficiales. 4.5.2 TIPOS DE LIMNICONTACTOS Existen varias clases de limnicontactos o sondas, las más usadas son : -

Sonda Luminosa o eléctrica. Sonda de Presión 11



4.5. 4.5.2. 2.1 1 Limnicon Limn icontactos tactos o Sonda Sonda Luminosa Este instrumento consiste en una cinta graduada que tiene un dispositivo al final de esta, que al hacer contacto con el agua emite un impulso eléctrico que enciende una lámpara de señal instalada en la bobina en donde se enrolla la cinta (Figura N° 7), además este tipo de sondas pueden enviar señales acústicas. Son preferencialmente empleadas en profundidades menores de 100 metros; existen varias clases de sondas luminosas, las cuales varían su forma y tamaño según el constructor, pero el principio de funcionamiento es el mismo.

Figura N° 7 Sonda Luminosa

4.5. 4.5.2. 2.2 2 Sonda de Presión con co n o sin Colector Colect or de Datos Datos Este instrumento tiene bastante utilidad en la medición de niveles en pozos, sondeos, tubos de agua subterránea, especialmente en pruebas de bombeo, es portátil a pesar de su construcción robusta. La medición de nivel de agua se efectúa mediante una célula capacitiva de cerámica, sin aceite, que mide la presión hidrostática de la columna de agua a través de una membrana de presión que la transforma en señal eléctrica. Los valores medidos pueden ser leídos en una pantalla (display) o 12



almacenados en un colector de datos, que esta incorporado en el cuerpo de la sonda en este caso la forma de obtener la información se hace a través de una unidad lectora que se conecta a la sonda, para manipular la información requiere de un software especializado. Normalmente estas sondas, eléctricas y de presión se colocan en la parte superior de un punto de medición (pozo, tanque, tubo de observación, etc.) y con una sencilla manipulación se desciende el cable por medio de una manivela. 4.5.3 MANTENIMIENTO Para el buen funcionamiento y duración del instrumento, es importante la limpieza, especialmente el cable o la cinta graduada, después de cada medición. La revisión de los contactos eléctricos antes de cada medida, es determinante para el éxito de las mediciones, además las partes móviles necesitan lubricación permanente.

4.6 INSTRUMENTOS DE REGISTRO CONTINUÓ - LIMNÍGRAFOS LIMNÍGRA FOS El limnígrafo es un instrumento que registra continuamente los niveles de agua en el transcurso del tiempo. Los registradores del nivel o limnígrafo están compuestos fundamentalmente por tres partes o dispositivos: el primero corresponde al elemento sensible, que puede ser un flotador y contrapeso o un manómetro, el segundo que es el sistema que traduce a escala y registra los niveles del agua (eje helicoidal, poleas de escala y sistema inscriptor o de registro), y el tercero, basado en un mecanismo de relojería, relojería, alimentado mecánicamente mecánicamente (cuerda) o por por medio de baterías baterías (pilas de 6 voltios), que proporciona una escala de tiempo. El mecanismo o instrumental viene protegido contra la humedad y los animales, instalado en una caja hermética, resistente, en el terreno se alberga una caseta que protege el conjunto, contra las inclemencias del clima y la intervención de personas no autorizadas. (Figura N° 8).

Figura N° 8

Río Nrgro Estación - Charcolargo.

Henry Arturo Romero P. 13



En los limnígrafos de flotador, el contacto con la superficie del agua se establece por medio de un flotador a través de un cable provisto de contrapeso que acciona una polea, el flotador se encuentra en el tubo cono, cuando cuando la instalación es directa y en el pozo aquietador, unido hidráulicamente hidráulicamente a la corriente por el principio de los vasos comunicantes (tuberías de aguas máximas, medias y mínimas). En los limnígrafos manométricos, la presión del agua se transmite hasta un manómetro al que se acopla el mecanismo de inscripción. Para transmitir la presión sirve una tubería que contiene gas, en cuanto al sistema de funcionamiento, se distinguen los limnígrafos manométricos estáticos, en los cuales el gas permanece encerrado en la tubería, y los limnígrafos manométricos de burbujas, en los cuales la tubería es alimentada con un leve flujo de gas que burbujea lentamente por su extremo abierto. Los limnígrafos manométricos estáticos funcionan con base de aire y disponen de una bomba manual que sirve para reponer el aire que se pierde por fugas en la tubería. Al ser inyectado inyect ado el aire a la tubería pasa por un medio disecante, tal como ácido sulfúrico; en cuanto al terminal de la tubería hacia el lado de la corriente, se puede encontrar abierto hacia abajo en una campana, o bien cerrado con una colchoneta o vejiga comprensible. Los limnígrafos manométricos de burbuja alimentados a presión con un gas, generalmente nitrógeno, que burbujea a través de la tubería, asegurándose así que permanezca libre de obstrucciones. Para asegurar el funcionamiento de éste tipo de limnígrafos se necesita en la estación, un cilindro del gas especificado por el fabricante. Entre los mecanismos de registro gráfico utilizados para limnígrafos de flotador o de manómetro se distinguen los de tambor o los de banda. Los limnígrafos de tambor tienen una duración de registro limitada por el el tamaño del tambor tambor y se fabrican habitualmente para una duración duración de 1 a 30 días. Los limnígrafos de banda tienen tienen una cuerda o batería de de larga duración mayor a 90 días y no exigen, dentro de este plazo, una fecha fija de inspección y cambio de papel; en cada inspección se recorta la parte registrada de la banda que transita de una bobina de alimentación a otra de recepción. En los limnígrafos de banda el avance del papel es generalmente del orden de 2 mm por hora, y la altura útil de registro de 250 mm, pero muchos modelos de éstos instrumentos contemplan la posibilidad de cambiar la velocidad de avance y la escala de medición por intercambio de engranajes y poleas; tanto los limnígrafos de tambor como los de banda suelen contar con un recurso que extiende indefinidamente el rango de niveles que el instrumento puede registrar y que se conoce con el nombre de inversión, inversión, consiste básicamente en que el registro registro no se detiene cuando esta esta ha llegado al máximo de la escala, sino que continúa registrando en sentido inverso. La inscripción se realiza con lápiz o tinta sobre el papel corriente o por medio de un estilete sobre papel encerado, los lápices o minas de grafito proporcionan un registro seguro pero poco nítido, por lo que generalmente se prefiere la inscripción con tinta; en los limnígrafos de tambor, de duración limitada se usa frecuentemente una plumilla en forma de tetraedro que se recarga en cada inspección; en cambio, los limnígrafos de larga duración vienen provistos de una plumilla de tipo capilar unida a un depósito de tinta. En ocasiones, el sistema inscriptor basado en tinta se convierte en fuente de perturbaciones por fallas de la plumilla; en estos casos se puede botar por un sistema 14



inscriptor basado en un estilete que registra por presión sobre papel encerado, este último sistema tiene el inconveniente del mayor costo del papel encerado, exigiendo además manipulación cuidadosa debido a que el papel encerado continúa acogiendo cualquier tipo de marcas a la presión. En circunstancias especiales, cuando se necesita información continua en inmediata sobre los niveles de una corriente sea por razones de operación de obras hidráulicas o por alarma ante crecidas, se acopla a los instrumentos registradores un sistema automático (Figura N° 9), que consta de un decodificador, un panel de sensores y una antena todo este sistema es alimentado por una batería, la cual a su vez es recargada a través de un panel solar, el dato colectado es transmitido a intervalos de tiempo (cada 4 horas) al satélite y este envía a una plataforma central de recepción instalada convenientemente en oficinas. Los datos recibidos se puede manipular (graficar, hacer tratamiento estadístico).

Figura N° 9

Río Sogamoso - Pte La Paz.

Guillermo Olaya T.

4.6.1 MANTENIMIENTO Siendo el limnígrafo un instrumento registrador automático, las intervenciones sobre él se limitan al servicio rutinario de verificar el buen funcionamiento y a ciertos ajustes de calibración en caso de necesidad. El inspector de estaciones hidrométricas se familiarizará a conciencia y llevará siempre 15



consigo los elementos y materiales necesarios para la operación y buen mantenimiento de los mismos. 4.6.2 TIPOS DE LIMNÍGRAFOS Existen en el mercado nacional e internacional diferentes tipos de limnígrafos, pero todos se basan en el mismo principio mecánico de un flotador como sensor, un sistema de inscripción o registro y un mecanismo de reloj. En este documento se hará una descripción detallada de dos tipos de instrumentos usados tradicionalmente por el IDEAM y sobre los cuales tenemos una muy buena experiencia. Estos son:

4.6.2.1 Limnígrafo Seba Modelo Delta Fabricante : SEBA HYDROMETRIE GMBH 8951 Oberbeuren Rep. Federal de Alemania a) Características

El mecanismo del limnígrafo se aloja en una caja hermética de aluminio (Figura N° 10), la cual tiene una llave tipo Bristol, hexagonal, que gira un tornillo que asegura la puerta de dicha caja, al lado derecho exterior de la caja se encuentran una o dos poleas que son accionadas por el sistema de flotador y el contrapeso. La parte superior interna de la caja es ocupada a todo su ancho por un eje horizontal unido a la polea superior externa, está provisto de dos ranuras helicoidales contrarias, a medida que gira la polea y el eje, la ranura helicoidal obliga a desplazar el conjunto de inscripción sobre la banda de registro, al llegar el conjunto de inscripción a un extremo del eje, ingresan a la segunda ranura helicoidal invirtiendo el sentido de tránsito; En esta forma se obtiene un registro ilimitado de niveles de agua. El sistema de inscripción es de plumilla capilar con depósito de tinta de larga duración, a solicitud, el fabricante puede suministrar otros sistemas de inscripción. También en la parte superior, al centro un indicador de nivel de dígitos es accionado por la polea externa a través de un engranaje y un eje, horizontalmente se encuentran las bobinas de alimentación y de recepción entre las que transita la banda de papel, estando la bobina de alimentación arriba y la receptora abajo. Levantando la plumilla de inscripción, la varilla pisa papel y empujando hacia abajo los ganchos de fijación, el conjunto de bobinas y rodillos con el papel se basculan hacia adelante, quedando a la vista el mecanismo motriz que hace avanzar la banda de papel. El mecanismo motriz o de avance es accionado por un reloj de cuerda de resorte de larga duración (normalmente mayor a 90 días) situado abajo y a la izquierda de la caja, a solicitud, el fabricante puede suministrar mecanismos de poder tipo eléctrico o de batería (pilas). La caja de instrumento tiene cuatro patas, una de ellas provista de tornillo de nivelación, el cual se emplea para instalarlo totalmente horizontal con respecto al plano de referencia o base de la caseta. 16



Figura N° 10

Limnígrafo SEBA

b) Instrucciones de instalación

Desempacar cuidadosamente verificando la lista de piezas, antes de eliminar el material de empaque, la caja con el instrumento se atornilla a la base de montaje por medio de cuatro pernos, uno de nivelación permite dejar en posición horizontal el instrumento; el cable del flotador se recorta, de manera que su longitud comprenda la distancia desde el instrumento hasta el nivel de aguas mínimas, más un metro; subiendo el flotador hasta aguas máximas el contrapeso no debe tocar el fondo. Al manipular el cable, tener cuidado de no doblar produciendo quiebres y colocar los casquillos en los extremos cortados para que no se destroce, luego sujetar el flotador y el contrapeso con los ganchos proporcionados para tal efecto; el cable del flotador y el contrapeso se colocan sobre la polea de tal manera que el flotador quede por delante, por medio de la polea guía con tuerca de mariposa se separa el flotador del contrapeso para que en todo su recorrido, el flotador y el contrapeso no se toquen entre sí, ni rocen con las paredes del pozo o del tubo flanche. Cuando una vez instalado el instrumento, resulta necesario retirarlo para su transporte a otro lugar, se saca el cable con el flotador y el contrapeso, se desenganchan estos y se enrollan sin causar quiebres; sobre la polea se coloca una protección metálica y el reloj se frena bajando la palanca correspondiente hasta el punto rojo. El depósito con la plumilla capilar se retiran de su respectivo soporte, girándolo hacia arriba, se saca toda la tinta del estanque y se limpian, envolviendo las piezas. Todo el instrumento y sus partes y accesorios se guardan en un cajón, utilizando el material de empaque y relleno necesario para que no sufran daños durante el transporte. 17



c) Operación •

Colocación y extracción del papel de inscripción.

Se utiliza papel de bordes perforados para registradores, cuyo ancho útil es de 25 Cm, cuadriculado a escala. Cada rollo tiene 15 m de longitud y alcanza para 10 meses a una velocidad de avance de 2 mm/hora. A solicitud, el fabricante puede proporcionar papel con revestimiento de tipo especial, el cual es particularmente inerte frente a los efectos de la humedad. Para colocar un nuevo rollo, se levantan las dos platinas de sujeción y la varilla situada sobre el papel entre la bobina abastecedora y el rodillo guía, y se empujan los ganchos hacia abajo, en esta forma se puede bascular hacia adelante el conjunto y sacar el papel, la bobina de abastecimiento se quita de sus descansos halando los retenes respectivos, luego se saca hacia la derecha la alina del cartón del rollo gastado y se introduce el nuevo rollo; la bobina cargada con un nuevo rollo se vuelve a colocar en sus descansos, cuidando de dejar el extremo más largo a la izquierda, a continuación se levanta el conjunto de rodillos y bobinas a su posición normal, verificando que los ganchos queden perfectamente encajados. La bobina receptora se saca de sus descansos halando las palancas, el extremo de la banda de papel se corta formando una punta que se introduce bajo la abrazadera de la bobina receptora, dando algunas vueltas hasta afirmarlas bien, luego la bobina receptora se vuelve a colocar en sus descansos, asegurando con las palancas y enrollando la banda hasta que el papel quede tenso; para tensionar más el papel, se baja la varilla situada sobre el papel entre la bobina abastecedora y el rodillo guía superior. Para comprobar que el papel corre adecuadamente, se gira hacia abajo el disco negro estriado situado a la derecha; nunca girar el disco negro en el sentido de retroceso del papel ni hacer avanzar el papel desde la bobina receptora hacia la abastecedora porque las perforaciones del papel se rompen o saltan de la rueda dentada. Finalmente se cierran las platinas y se baja la plumilla a su sitio, teniendo la precaución de dejar esta sobre la misma línea horizontal del papel. • Sistema de inscripción

Normalmente el instrumento viene provisto de un sistema de plumilla capilar y depósito de tinta, para cargar el depósito, se saca hacia arriba de su soporte y se retira la tapa con la plumilla capilar llenando hasta la mitad con la tinta proporcionada para el instrumento, al volver a tapar el estanque se cierra con un dedo el respiradero de la tapa haciendo coincidir la ranura de la tapa con la vena del depósito de manera que la presión interior ayude a la tinta a subir por el capilar, si la tinta no llega al extremo de la plumilla al primer intento, se repite la operación. • Para poner en marcha el reloj.

Para efectos del transporte el reloj del limnígrafo viene frenando con una palanca, el color rojo indica que está en stop, y el verde que está en condiciones de iniciar su funcionamiento, para dar cuerda se introduce la llave tipo mariposa sobre el vástago y se gira hacia la derecha hasta notar resistencia (74 medias vueltas aproximadamente). 18



• Ajuste a la hora y regulación del reloj

Girando el disco estriado negro que se encuentra en la parte derecha del instrumento, se puede mover la banda de papel en sentido descendente (de avance), hasta que la plumilla se enfrente al tiempo correcto sobre la escala impresa en la banda. No girar el disco negro en el sentido del retroceso de la banda. Si el reloj que controla el avance de la banda adelanta o atrasa, se puede regular con una holgura de ± 60 minutos por día, para ello se levantan las platinas y la varilla pisa papel, inmediatamente se empujan hacia abajo los ganchos de fijación, en esta forma se puede bascular el conjunto, quedando a la vista el mecanismo de relojería; Sobre la cara izquierda de la caja del reloj se encuentra la palanca de regulación, si el reloj se atrasa, se mueve la palanca en dirección al ( + ) y si se adelanta, hacia el ( - ); cuando el desajuste del reloj excede los límites se requieren reparaciones de taller especializado. • Indicador del nivel de dígitos

Para ajustar los dígitos al nivel del agua se desplaza hacia la derecha el disco negro, que está frente al indicador, y se le dan vueltas. Después se repone este disco a su posición normal a la izquierda. • Ajuste de las escalas de inscripción

Para cambiar la escala, se afloja el tornillo pequeño de fijación del engranaje, en la parte superior izquierda del instrumento y se desplazan lateralmente las ruedas dentadas cuidando que los engranajes respectivos queden acoplados. Se pueden obtener las siguientes escalas de inscripción.

Ruedas izquierdas Ruedas centrales Ruedas derechas

1:20 1:10 1: 5

El uso de estas depende de la magnitud de variación de los niveles, para una corriente en la cual la variación de los niveles es superior a 3 m., lo lógico es emplear la escala 1: 20 que nos da un rango de registro de 0 a 5 m., en un sólo sentido de desplazamiento, si por el contrario la variación es menor se emplearan las escalas 1:10 o 1:5 que permiten rangos de registro de 0 a 2.5 m., y 0 a 1.25m. • Ajuste de las escalas de tiempo

El instrumento viene ajustado a un avance del papel de 2 mm/hora. Para modificar la escala de tiempo algunos modelos vienen provistos de una palanca con la indicación adecuada (2;5 y 10 mm/hora. En los modelos standard, hay que retirar las dos ruedas dentadas que hay en la parte central izquierda del instrumento e instalar otras diferentes que, a solicitud, proporciona el fabricante, 19



en esta forma se puede obtener avances 2, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 15 y 20 mm/hora. Este trabajo se recomienda realizarlo en el taller. d) Mantenimiento • Accesorios para el mantenimiento de limnígrafos

- Destornillador largo grande - Destornillador pequeño - Jeringa para limpieza de plumillas capilares, con su tubito de plástico para conexión. - Pincel para limpiar - Alcohol - Tetracloruro de Carbono - Aceite para instrumentos - Bayetilla o dulce abrigo - Pinza o Alicate • Limpieza de la plumilla

Se recomienda limpiar la plumilla capilar a intervalos no mayores de seis meses, con este fin se saca el depósito de su soporte y se retira la tapa con la plumilla, al extremo sobresaliente inferior del capilar se conecta la manguera de plástico de la jeringa del equipo de limpieza y presionando con la jeringa se hace pasar alcohol por el capilar, cuando el capilar está completamente limpio aparece un chorrito fino de alcohol en el extremo de la plumilla, los restos de alcohol se expulsan del capilar utilizando una segunda jeringa seca. • Lubricación

Una vez al año o según necesidad se lava todo residuo de aceite viejo y polvo utilizando un pincel con Tetracloruro de Carbono, una vez limpio, se aplica con un palillo una o dos gotas de aceite para instrumentos en todos los puntos de fricción. • Intercambio de la unidad motriz

El reloj de los limnígrafos SEBA-DELTA es intercambiable, este trabajo preferentemente se realiza en el taller pero también se puede efectuar en el terreno, para cambiar el reloj es necesario antes sacar de la caja las otras unidades del instrumento.

4.6.2.2 Limnígrafo Stevens Fabricante : Leupol & Stevens, Inc. P. O. Box 688, Beaverton, Oregon 97005 Estados Unidos de Norte América 20



a) Características

Es un registrador de banda, mecánico o eléctrico, de larga duración (figura N° 11), sus características son similares al descrito anteriormente, aunque ciertos detalles de construcción lo distinguen, las diferencias más notables se encuentran en la posición de las partes: la tapa de la caja está en la parte superior y tiene una ventada en material transparente vidrio o plástico, que permite sin quitar esta, ver el registro de los últimos días; el papel se mueve en sentido horizontal de atrás hacia adelante; el mecanismo de inscripción se encuentra en la parte delantera, al igual que las poleas que también están en la parte delantera, pero por fuera de la caja. b) Instrucciones de instalación

Las tres patas del instrumento se sujetan a la base, utilizando las tuercas de nivelación para dejarlo perfectamente horizontal, la polea o poleas se montan en la parte frontal del instrumento, apretando primero la tuerca central y luego los tornillos estriados, uno a la izquierda y otro a la derecha; el flotador que es de 20 cm., de diámetro y contrapeso de 570 gramos, se sujetan al cable por medio de tornillos fijadores proporcionados para tal efecto; el cable que tiene unas guías (bolitas) que se alojan en pequeños huecos en la ranura de la polea, su longitud se determina de la misma manera que se hace para el LG. SEBA. El cable con el flotador y contrapeso se colocan sobre la polea de manera que el flotador queda a la derecha.

Figura N° 11

Río Nrgro Estación - Charcolargo.

Henry Arturo Romero

c) Operación y Mantenimiento •

Colocación y extracción del rollo de papel de inscripción.

El papel utilizado tiene un ancho de 25 cm., y una longitud de 23 m., trae un alma metálica, para facilitar su instalación, su desplazamiento por día es de 60 mm. Para colocar el nuevo rollo se 21



levanta la plumilla, se corta el papel antiguo, se retira la plancheta que esta debajo del papel y se procede a retirar la bobina alimentadora; desenroscando el disco estriado del lado derecho, se puede sacar el alma metálica del rollo a cambiar, facilitando introducir el nuevo rollo, observando que la parte del alma metálica que está a ras del papel quede al lado izquierdo, se enrosca el disco estriado y se coloca la bobina en sus descansos nuevamente, al papel se le hace un doblez y se hace pasar entre el rodillo de fricción y el rodillo delantero, dando la vuelta sobre este, se coloca la plancheta y se aprisiona el papel sobre la bobina receptora con la presilla semicilindrica. • Sistemas de Inscripción y de Avance.

Reciben el mismo tratamiento explicado para el caso del registrador anterior, el llenado y limpieza de la plumilla y el dar cuerda al reloj se hace de la misma manera, la cuerda alcanza para 135 días, siempre y cuando el avance de la gráfica sea de 60 mm. /día, si se cambia la rata de avance como es lógico, el número de días de registro igualmente variará. Sólo cambian las formas y tamaños de estos elementos. • Ajustes de las escalas de inscripción.

El instrumento tiene por lo general dos poleas de 375 y 750 mm., de circunferencia, la menor se acopla a la mayor con tres pernos; Con la polea pequeña se obtiene la escala 1:5 y con la grande 1:10 y solamente cambiando el cable de polea, se establece la escala. Se pueden obtener además, al intercambiar los piñones internos escalas de 1:1, 1:2, 1:5, 1:20, 1:25 y 1:50, que equivalen para el primer caso una amplitud de registro de 1 m., y para el último 12.5 m.

4.6.2.3 Otros limnígrafos Existe en el mercado otro tipo de limnígrafos de uso menos frecuente o común en Colombia, los cuales se mencionarán, para quienes estén interesados puedan obtener información a través de sus fabricantes. Limnígrafo AOTT

Fabricante: A. OTT. 8960 Kempent Alemania Limnígrafo FUESS

Fabricante: R. Fuess 1 Berlin 41 (Steglitz) Alemania

22



3.4.6.4 INSTALACIÓN DE LIMNÍGRAFOS Los limnígrafos deben instalarse en la orilla más cercana a la profundidad máxima, para evitar que se queden en seco durante estiajes; cada Instalación limnigráfica estar acompañado de una instalación de mira para su control. Existen tres categorías o tipos principales de instalaciones limnigráficas: de tubo, de pozo y combinados. Los de tubo instalados directamente en el cauce del río se instalan sobre paredes verticales de roca, concreto, ladrillo, etc., para proteger estos limnígrafos de tubo generalmente hay necesidad de construir aletas de protección . (Figura N° 12).

Figura N° 12

Río Rucio Estación - Mundo nuevo.

Henry Arturo Romero P.

Los limnígrafos de pozos se instalan sobre orillas inclinadas, constituidas por materiales fácilmente excavables; el extremo inferior del pozo debe quedar no menos de 1 m por encima del nivel máximo posible de las crecidas. (Figura N° 13). Las instalaciones para limnígrafos neumático se construyen para gamas muy grandes de variación de niveles en condiciones que hacen muy difíciles o costosa cualquier otra instalación. Consta de una caseta para albergar los instrumentos y un tubo de conexión entre el registrador y la corriente fluvial con un extremo empotrado en un bloque de concreto que descansa en el lecho del río, por debajo del nivel de aguas. 23



Figura N° 13

Río Bajira - Estación Bajira.

Henry Romero P.

4.7 OTRAS INSTALACIONES 4.7.1 PUENTES HIDROMETRICOS Y TARABITAS Son instalaciones necesarias para realizar aforos líquidos, sólidos y muestreos para calidad de agua, el puente hidrométrico debe quedar como mínimo 1 m., por encima del nivel máximo histórico, con el objeto de evitar daños durante avenidas; Para ofrecer condiciones óptimas de aforo, el puente debe quedar perpendicular a la corriente, estos pueden ser rígidos y colgantes o suspendidos; los primeros son adecuados para anchos hasta aproximadamente 10 m, más allá de las cuales se emplean puentes colgantes, diseñados siempre de manera que puedan sostener cargas móviles hasta de 1000 Kg. La construcción de cables y canastillas (Tarabitas - Figura N° 14) debe tener en cuenta ciertas condiciones entre las cuales se tienen las siguientes: Deben instalarse de tal manera que las canastillas no toquen la superficie del agua ni durante las más grandes crecientes. Los cables deben formar con la dirección de la corriente ángulos de 90°. El sistema constituido por cables, tensores, anclajes y canastilla debe poder soportar cargas móviles hasta de 500 Kg., y sus componentes deben estar convenientemente protegidas (con pintura y grasas) de la intemperie. En función del ancho de la sección de medición, las tarabitas pueden ser monofilares o bifilares, es decir uno o dos cables. 24



Figura N° 14

4.7.2 CABLES E INSTALACIONES DE ORILLA La instalación de cables se hacen cuando se carece y además no es recomendable instalar estructuras (puentes hidrométricos y tarabitas) para aforar, no pueden ser fijos debido a que en corrientes navegables se convierten en un obstáculo, su instalación se hace en cauces cuyo ancho sea mayor de 100 m. También se construyen instalaciones de aforo desde la orilla en donde con un malacate se realizan los desplazamientos horizontales y verticales del equipo hidrométrico durante la medición, son menos costosos y de fácil traslado a otra sección. Para secciones de gran turbulencia y remolinos se recomienda construir instalaciones para aforos por Trazadores, usados también en zonas afectadas por grandes pérdidas de infiltración o por fenómenos cársticos.

5 TOMA DE LOS DATOS DE NIVEL La información de niveles se puede obtener por observaciones directas en forma sistemática de una manera relativamente fácil en corrientes (ríos, quebradas, arroyos) y cuerpos de agua (embalses, lagunas). En Colombia y por recomendación y estandarización mundial de la O.M.M., en las estaciones Hidrométricas se toma información diaria, realizando dos lecturas, a las 6 a.m. y 6 p.m., (06 y 18 horas). En la (Figura N° 15), se puede observar el formato utilizado por el IDEAM para la toma diaria de niveles. Es importante que el formato contenga la siguiente información: 25



En la primera parte, que corresponde al encabezado o la identificación, se debe colocar el mes y el año, el código, la categoría y el nombre de la estación, el nombre de la corriente o río y el nombre del observador. Además el formato debe tener los espacios o casillas: en donde el observador pueda consignar las lecturas diarias de nivel a las 06 y 18 horas y las extraordinarias que son lecturas tomadas en horas diferentes a las establecidas, cuando hay una variación significativa de nivel, y las temperaturas observadas a esas mismas horas (06 y 18), finalmente debe existir un espacio para observaciones de carácter técnico e informativo.

R E P U B L I C A D E C O L O M B I A M I N I S T E R IO D E L M E D I O A M B I E N T E INSTITUTO DE HIDROLOGIA, METEOROLOG IA Y ESTUDIOS AMBIENTALES NIVELES HORARIOS

C o dific ad o r R e v isor A I D 15

A R O H 17

P ág in a De L E V I N

A R O H 23

L E V I N

A R O H 29

L E V I N

A R O H 35

Figura N° 15

L E V I N

D IA

TR

CODIGO

FECHA M ES AÑ O

T I A Ñ O M E S

4 A R O H

L E V I N

41

A R O H 47

L E V I N

A R O H 53

L E V I N

A R O H

L E V I N

T S N I

59

65

Formato Niveles Horarios

26



6 VERIFICACION DE LA INFORMACION OBTENIDA EN CAMPO Cuando el grupo de trabajo de campo (comisiones), visita la estación debe revisar cuidadosamente la información tomada por el observador haciendo el siguiente procedimiento: Expresarle un cordial saludo al observador y su familia. Este punto aunque pareciera insignificante es el más importante, por una parte somos la imagen de la entidad y por otra el observador merece todo el respeto y motivación. Seguidamente se le solicita la libreta de observaciones diarias. Esta primera revisión permite determinar si hay cumplimiento o no con la toma de datos; haciéndolo de esta manera evitamos que se consigne información que no corresponde a datos reales y que el observador en su afán de entregar datos al día, llena los faltantes de su libreta. Si la estación es limnimétrica se debe revisar la secuencia de variación de los niveles con respecto a la corriente o cuerpo de agua sobre la cual está ubicada la estación. Si es un río con régimen de montaña los niveles pueden presentar variaciones grandes durante el día, mientras que si es un río de régimen aluvial o un cuerpo de agua estancada las variaciones son menor y presentan una secuencia lógica; En ambos casos las variaciones serán mínimas cuando los datos corresponden al período seco o de estiaje. Si la estación es limnigráfica se debe retirar el registro y hacer una primera evaluación para determinar adelantos o atrasos y si hay coincidencia en el nivel registrado y observado en el momento del retiro de la gráfica; realizada esta actividad se procede en presencia del observador a plotear las lecturas de mira sobre la gráfica, ello permitirá determinar la calidad de las lecturas de mira y de no ser así, se tienen argumentos para hacer el respectivo llamado de atención. Si las lecturas falsas son muchas, no se le deben pagar, con el fín de que él sepa que sólo se le pagarán las lecturas que realmente tome a las horas indicadas. Cuando la comisión llega a su cede y habiendo realizado el procedimiento descrito, se le facilitará hacer la evaluación de los niveles observados o registrados; Proceden a hacer las correcciones necesarias en tiempo y nivel para el caso de los registros, seguidamente hacen los cortes de pendiente con el fin de reducir la gráfica que se presenta como un trazo curvo a la unión de segmentos de líneas rectas delimitadas por puntos de ploteo o de corte. Este proceso puede realizarse mediante una mesa digitalizadora o manualmente, a continuación se transcriben los datos, al formato de niveles horarios y a su captura, siguiendo las especificaciones técnicas para tal fin. Cuando se han grabado los datos de cada una de las estaciones se hace una impresión, la cual se confronta contra las codificaciones y así corregir posibles errores cometidos durante grabación.

7 AFOROS LIQUIDOS Este procedimiento que consiste en realizar una serie de mediciones en campo permite posterior e indirectamente calcular el caudal de un corriente, el cual esta referenciado a un nivel de agua. Se define aforo líquido como el volumen de agua que pasa a través de una sección transversal de una corriente en una unidad de tiempo, generalmente se expresa en m 3/s o l/s. 27



El caudal puede puede medirse en un tiempo dado por varios métodos diferentes y la elección del método depende de las condiciones halladas en en un emplazamiento en particular, particular, la mayoría de estos métodos están basados basados en la medición de la velocidad y el área en una sección transversal determinada. Aún no son factibles las mediciones mediciones continuas de caudal, de modo que que se efectúan mediciones mediciones periódicas para determinar determinar la relación entre el nivel y el caudal en la estación de aforo, de estas mediciones periódicas se extraen los pares de valores que permiten construir la curva de gastos o curva de calibración o curva de descarga.

7.1 SECCION DE AFOROS Debe cumplir los siguientes requisitos: • Estar situada a un tramo recto de la corriente. En lo posible, la longitud del tramo tendrá un

mínimo equivalente a cinco (5) veces el ancho de la Sección. Secc ión.

• Dirección de la corriente paralela, para diferentes estados del río; aguas bajas, medias y altas. • Márgenes con taludes naturales sobresalientes de manera que no se produzca desbordamiento

durante las crecidas.

• Pendiente constante y distribución uniforme de velocidades, evitándose aquellas secciones en las

cuales existan sectores de altas velocidades, v elocidades, aguas muertas y contracorrientes o remolinos.

• Lecho del río libre de obstáculos (troncos de árboles, grandes rocas, vegetación, etc.) • Evitar los lechos fangosos. • La geología del terreno deberá facilitar la construcción de las obras para medición como

tarabitas, puentes, pasarelas, etc.

7.2 TIPOS DE AFOROS • • • • • • • •

Aforo por suspensión (puentes y tarabitas) Angular (sextante o tránsito) Bote cautivo Vadeo Volumétrico Trazadores - Dilución Lancha en movimiento Flotadores 28



7.3 EQUIPO Y PERSONAL REQUERIDO EN CADA TIPO DE AFORO 7.3.1 AFORO POR SUSPENSION SUSPENSION Para este tipo de aforo se utiliza utiliz a el siguiente equipo: • • • • • •

Malacate y tabla con polea Molinete completo incluido cola estabilizadora Contador Cartera de aforos y planillero Escandallos 30, 60, 60, 75 75 y 100 kilos Personal Requerido: dos técnicos (Inspector y aforador)

7.3.2 AFORO ANGULAR • • • • • • •

Sección establecida con sus respectivos mojones Jalones y banderolas colores vivos (roja, Naranja y blanca) Sextante o tránsito Lancha con motor fuera de borda El mismo equipo para aforos por suspensión Radios Portátiles Personal Requerido: Requerido: Cuatro técnicos (Inspector, aforador, aforador, auxiliar técnico y motorista)

7.3.3 AFORO EN EN BOTE CAUTIVO • • • • •

Establecer sección Bote Manila El mismo equipo de los aforos anteriores Personal Requerido: Requerido: tres técnicos (inspector, aforador aforador y motorista)

7.3.4 AFORO POR VADEO VADEO • • • • • •

Cinta métrica Varillas de vadeo Contador Molinete Cartera de aforos y planillero Personal Requerido: Dos técnicos (Inspector y aforador) 29



7.3.5 AFORO VOLUMETRICO • • • • • •

Definir y adecuar sección Canaleta Balde aforado en litros Cronómetro Cartera de aforos y planillero Personal requerido: Un técnico (Aforador)

7.3.6 AFORO POR TRAZADORES TRAZADORES - DILUCION • • • • • • • • • • • •

Trazador o tintes Conductimetro Cronómetro Botella de mariotte Cinta métrica Dos probetas Baldes graduados Frascos de 100 ml. Agua destilada Radios portátiles Cartera de aforos y planillero Personal requerido: requerido: Tres técnicos (Inspector, aforador y auxiliar). auxiliar).

7.3.7 AFORO CON LANCHA EN MOVIMIENTO • • • • • • • • • • •

Sección establecida con sus respectivos mojones Jalones y banderolas colores vivos (roja, Naranja y blanca) Lancha con motor fuera de borda Molinete completo Contador Soporte para fijación del molinete Ecosonda Batería de 12 voltios Cartera de aforos y planillero Cronómetro Personal Requerido: Requerido: Cuatro técnicos (Inspector, aforador, aforador, auxiliar técnico y motorista)

7.3.8 AFORO POR POR FLOTADORES FLOTADORES • Flotadores 30



• • • •

Cinta métrica Cronómetro Cartera de aforos y planillero Radios Portátiles

7.4 SELECCIÓN DEL NUMERO DE VERTICALES La precisión de las mediciones del caudal depende en gran parte del número de verticales en que se hagan mediciones de profundidad y velocidad, las verticales de observación deben identificarse de modo que se pueda definir debidamente la variación en elevación del lecho de la corriente y la variación horizontal en velocidad. En general, en el espacio entre verticales debe ser aquella distancia que permita que entre cada una de ellas no escurra más del 10 % del caudal total. (Figura N° 16)

Figura N° 16 Deberá aumentarse el número de verticales cuando por primera vez se realicen mediciones en un nuevo emplazamiento, de modo que se pueda determinar con precisión la distribución de las velocidades en la sección.

7.5 MEDICION DEL ANCHO Normalmente, la posición horizontal de los puntos de observación se determina con el auxilio de una cinta métrica que se tiende provisionalmente a través del río, o de marcas semipermanente 31



pintadas en el pasamanos de un puente o en un cable de suspensión, y referidas a un punto fijo en la orilla (PR).

7.6 MEDICION DE LA PROFUNDIDAD Cuando se trata de aforos líquidos las profundidades de medición de velocidades se toman o hacen desde la superficie hacia el fondo; se puede realizar la medición de la profundidad directamente con una varilla graduada colocada en el lecho de la corriente, en caso de que la medición se realice mediante vadeo; si se utiliza el sistema de malacate de tambor con cable coaxial, escandallo y molinete ya incorporado para la medición, el equipo se hacen descender hasta que el eje del molinete, centro de la hélice, quede arras con la superficie del agua, se coloca el contador de profundidad en ceros, seguidamente se sumergirá el escandallo hasta que toque el lecho del río y se anotará la profundidad registrada por el respectivo contador. Es necesario cuidar que el cable de suspensión del equipo no pierda tensión para asegurarse que el escandallo efectivamente este arras del fondo. Para aumentar la precisión de las mediciones de la profundidad, el escandallo o sondeador podrá estar provisto de un dispositivo eléctrico que envíe directamente una señal tan pronto como la parte inferior del tocador de fondo haga contacto con el lecho del río. (Figura N° 17)

Figura N° 17

Tocador de Fondo tipo SEBA 32



7.7 CORRECCION POR ANGULO DE ARRASTRE1 Si el escandallo no pesa lo suficiente para mantenerse perpendicular a la superficie del agua, el molinete es arrastrado por la corriente y, en tal situación, el cable se aleja de la posición vertical normal; las mediciones de profundidad deben corregirse. Los factores de corrección que se aplican tienen en cuenta, tanto ángulos de inclinación del cable en relación con la vertical, como la curvatura de la parte sumergida de este, debido a la presión de la masa de agua en movimiento; el procedimiento consiste en medir con un transportador el ángulo de arrastre ( ϕ) y las correcciones se aplican cuando este sea superior a 8°, redondeando el resultado al grado más próximo, de ninguna manera este ángulo ( ϕ) resultante debe ser superior a 30°. A continuación se expone el método que debe utilizarse para rectificar la profundidad registrada en función del ángulo de arrastre, no obstante, la precisión de las mediciones puede aumentarse lastrando la sonda con el peso necesario para mantenerla en una posición casi vertical. La relación entre la profundidad exacta ( d ) y la profundidad registrada (d ob), basada en el ángulo (ϕ) medido y en la distancia entre la superficie del agua y el punto de suspensión de la línea de sondeo ( x ), (Figura N° 18), es la siguiente:

d = [dob −x (sec φ−1)][1−k]

(1)

Los valores de k, que se dan en la tabla N° 1 están basados en el supuesto de que la presión de arrastre ejercida sobre el escandallo, en la capa de agua relativamente tranquilla próxima al fondo pueda despreciarse y de que la línea de suspensión y el escandallo están diseñados de modo que ofrezcan poca resistencia a la corriente. Las incertidumbres de esta estimación son tales que, si el ángulo que la línea de suspensión forma con la vertical es superior a 30°, pueden producirse errores importantes y en ese caso se debe emplear un escandallo de más peso Tabla N° 1 Factor de corrección k para valores dados de ( ϕ)

ϕ °

4 6 8 10 12

k

0,0006 0,0016 0,0032 0,0050 0,0072

ϕ °

14 16 18 20 22

k

0,0098 0,0128 0,0164 0,0204 0,0248

ϕ °

24 26 28 30 32

k

0,0296 0,0350 0,0408 0,0472 0,0544

Fuente: Guía de prácticas hidrológicas OMM-N° 168

1

ORDOÑEZ S, Julio. Hidrología para Hidromensores. Partes I -II. SCMH. 1975 RODRIGUEZ B, Guillermo. Aforos por Suspensión con Angulo de Arrastre. SCMH. 1975 33



Otra forma de calcular la profundidad exacta en función del ángulo ϕ°, la altura de suspensión x y línea sumergida PT, es calculando las correcciones C1 y C2.

A

ϕ x + C1 x C1

=

X(Sec ϕ - 1)

C Nivel Agua

S

P

d ob d

D

R

C2 T

Figura N° 18

Xcorregida = x(Secφ − 1)

ó



 1 − 1  Cos φ 

x 

C1

C2 se obtiene directamente de la tabla N° 2 34



Tabla N° 2 CORRECCION POR LONGITUD DE CABLE SUMERGIDO-C2

ϕ PT

8°

10°

12°

14°

16°

18°

0.01 0.01 0.01 0.01 0.02 1 2 0.01 0.01 0.01 0.02 0.03 0.03 3 0.01 0.02 0.02 0.03 0.04 0.05 4 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.07 5 0.02 0.03 0.04 0.05 0.07 0.08 6 0.02 0.03 0.04 0.06 0.08 0.10 7 0.02 0.04 0.05 0.07 0.09 0.12 8 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.13 9 0.03 0.05 0.06 0.09 0.12 0.15 10 0.03 0.05 0.07 0.10 0.13 0.17 11 0.03 0.06 0.08 0.10 0.14 0.18 12 0.04 0.06 0.08 0.11 0.16 0.20 13 0.04 0.07 0.09 0.12 0.17 0.21 14 0.04 0.07 0.10 0.13 0.18 0.23 15 0.05 0.08 0.11 0.14 0.20 0.25 16 0.05 0.08 0.11 0.15 0.21 0.26 17 0.05 0.09 0.12 0.16 0.22 0.28 18 0.05 0.09 0.13 0.17 0.23 0.30 19 0.06 0.10 0.13 0.18 0.25 0.31 20 0.06 0.10 0.14 0.19 0.26 0.33 Fuente: Servicio Colombiano de Hidrología y meteorología.

20° 0.02 0.04 0.06 0.08 0.11 0.13 0.15 0.17 0.19 0.21 0.23 0.25 0.27 0.29 0.32 0.34 0.36 0.38 0.40 0.42

22° 0.03 0.05 0.08 0.10 0.13 0.15 0.17 0.20 0.23 0.26 0.28 0.31 0.33 0.36 0.38 0.41 0.43 0.46 0.48 0.51

24° 0.03 0.06 0.09 0.12 0.15 0.18 0.21 0.24 0.27 0.31 0.34 0.37 0.40 0.43 0.46 0.49 0.52 0.55 0.58 0.61

26° 0.04 0.07 0.11 0.14 0.18 0.22 0.25 0.29 0.32 0.36 0.40 0.43 0.47 0.50 0.54 0.58 0.61 0.65 0.68 0.72

28° 0.04 0.08 0.13 0.17 0.21 0.25 0.29 0.34 0.38 0.42 0.46 0.50 0.55 0.59 0.63 0.67 0.71 0.76 0.80 0.84

30° 0.05 0.10 0.15 0.19 0.24 0.29 0.34 0.39 0.44 0.48 0.53 0.58 0.63 0.68 0.73 0.78 0.82 0.87 0.92 0.97

Las marcas agregadas al cable de sondeo a intervalos predeterminados, pueden utilizarse también para determinar la longitud de la línea de sondeo bajo el agua. Esto elimina la necesidad de calcular la parte seca de la línea de la ecuación de corrección citada anteriormente. 7.7.1 PROCEDIMIENTO EN CAMPO •

Se coloca en "ceros" el contador del malacate.

•

Se hace descender el escandallo hasta tocar la superficie del agua y se anota la lectura del contador del malacate, al anterior valor se le suma la constante - ∆H (distancia entre el eje del molinete y la base del escandallo), el nuevo valor corresponde a la altura de suspensión ( x ).

•

Se coloca nuevamente en "ceros" el contador del malacate.

•

Se sumerge el conjunto hidrométrico hasta que el escandallo toque el lecho de la corriente, lo cual se verifica con la pérdida de tensión del cable. Se anota la lectura ( d ob ) observada en el contador del malacate más la constante - ∆H. 35



•

En esta posición se mide el ángulo que forma el cable con respecto a la vertical, ángulo de arrastre - ϕ.

•

Con los valores de altura de suspensión y ángulo de arrastre se calcula la corrección C 1.

•

Se resta C1 al valor de (d ob ) y el resultado corresponde a la línea sumergida - PT

•

Las profundidades de aforo se calculan tomando los porcentajes correspondientes al método del aforo, directamente de la línea sumergida - PT, ya que cualquier valor de porcentaje tomado sobre la hipotenusa PT, corresponde al mismo valor de la profundidad tomada en d . (Figura N° 19)

•

Se toman las velocidades en los puntos calculados, profundidades de aforo, teniendo el cuidado de sumar la corrección C1, para tomar correctamente las profundidades. Cuando se realizan mediciones superficiales, no se debe sumar la corrección C1, ya que el ángulo de arrastre se reduce notablemente.

Con los valores de PT y ϕ se calcula la corrección C2, longitud de cable sumergido, el cual se resta de la longitud PT, encontrando así la profundidad total d. Ejemplo. Calcular los valores de profundidad de aforo (PA) y profundidad total ( PT) con los

siguientes datos: Método Constante o ∆H Altura de suspensión Angulo de arrastre (d ob )

Super. 0.2

0.8 0.25 m. 20.80 m. 25° 15.65 m.

Reemplazando en la ecuación ( 1) tenemos la profundidad rectificada d : d = 15.65 - 20.8 x (Sec 25° -1)x(1- 0.0323)

⇒

d = (15.65 - 2.15026)x 0.9677

d = 13.06 m. Para hallar las profundidades de aforo (PA) se calcula C1 y para la profundidad real ( d ) C2 1   − 1 ⇒ C1 = 2.15 m.  Cos 25° 

C1 = 20.8 

⇒

PT = d ob - C1

⇒

15.65 - 2.15 = 13..50 m 36



Entonces profundidad de aforo (PA) para:

0.2 0.8

= 13.50 m. x 0.2 = 2.70 m. = 13.50 m. x 0.8 = 10.80 m.

Los valores que se deben leer en el contador del malacate para tomar las velocidades son: PA (0.2) + C1 = 4.85 m. PA (0.8) + C1 = 12.95 m. NIVEL DE AGUA

P

0.2

0.8 R

T

Figura N° 19

Obsérvese que cualquier valor tomado sobre la hipotenusa PT corresponde al mismo valor de profundidad tomado sobre PR. Esta es la razón por la cual se suma la corrección C1. C2 se obtiene de la tabla N° 2. Para el caso ingresando con el ángulo (25°) y la longitud de la línea sumergida, tenemos que C2 es igual a 0.45 m. Entonces el valor de profundidad total d a codificar

en el formato de campo es: d = 13.50 m. - 0.45 m. = 13.05 m.

7.8 MEDIDORES DE LA VELOCIDAD DEL AGUA MOLINETES La velocidad del flujo en un punto determinado se mide generalmente contando el número de revoluciones del rotor de un molinete durante un período de tiempo por lo general 50 segundos. Los molinetes generalmente utilizados son el de cazoletas, con eje vertical, y el de hélice, de eje horizontal (Figura N° 20), las revoluciones se registran en un contador, el cual por cada giro recibe un impulso eléctrico

37



Figura N° 20 Molinete de eje Horizontal Los molinetes se calibran a fin de cubrir la gama de velocidades de flujo a medirse, la relación entre velocidad del flujo y la velocidad de rotor se expresa generalmente en revoluciones por segundo. Los molinetes pueden calibrarse individualmente, o pueden ser calibrados en conjunto, para la primera opción un molinete puede tener una calibración individual en caso que la relación de velocidad - efecto esté basada en una calibración de ese molinete en particular; en caso contrario un fabricante puede suministrar una calibración en conjunto para un determinado tipo de molinete, a condición que la fabricación sea homogénea y se haya realizado un suficiente número de calibraciones individuales bajo condiciones controladas de modo de justificar una calibración standard. A los efectos de la confiabilidad en la curva de calibración o en las ecuaciones de conjuntos, el fabricante o las autoridades en calibración, deberán establecer los límites de tolerancia en el 95 % del nivel de confianza a velocidades de 0,15 m/s., 0,5 m/s, y superiores. 38



En los casos en que se realice un calibrado individual, se debe suministrar una tabla o curva de calibración y la fórmula correspondiente, junto con el molinete, debiéndose registrar para el mismo sus límites reales de calibración; los molinetes calibrados individualmente no deben ser recalibrados, así lo recomiendan fabricantes SEBA Hidrometrie y A.OOT Kempten quienes argumentan que cada hélice tiene una única ecuación y en caso de averiarse o deformarse y es mejor cambiar dicha hélice. En 1984 el HIMAT le solicitó al ingeniero Joachim Weiss asesor de la GTZ, realizar una investigación en el Laboratorio de Hidráulica de la Universidad Nacional, su estudio concluyó que se debían suspender las recalibraciones de los correntómetros. La velocidad se determina en uno o más puntos de la vertical, contando en cada vertical las revoluciones del rotor en un lapso no inferior a los 50 segundos, si se sabe que la velocidad del agua está sujeta a pulsaciones periódicas, es recomendable que el molinete se exponga en cada punto de la nueva sección, durante un período mínimo de 3 minutos. El molinete debe sostenerse en la posición deseada, por medio de una varilla de vadeo en el caso de los canales de poca profundidad, o se debe suspender de una alambre o cable coaxial desde un puente o embarcación. Cuando se utiliza una embarcación, el molinete debe emplazarse de manera que no se vea afectado por las perturbaciones que sufre el flujo, las cuales son originadas por la obstrucción que causa esta embarcación; una vez que se haya colocado el molinete en el punto seleccionado de la vertical, se le orientará en dirección de la corriente antes de comenzar las mediciones, si no se puede evitar el flujo oblicuo, o el ángulo de la dirección del flujo normal y la sección transversal deben ser medidos y debe corregirse la velocidad medida. Se han diseñado instrumentos especiales para medir el ángulo y la velocidad en un punto simultáneamente, sin embargo, en los casos en que no pueden obtenerse tales instrumentos y el viento es insignificante, se debe considerar que el ángulo del flujo a través de la vertical es el mismo que el que se observa en la superficie. Si el ángulo medido con respecto a la normal es diferente a 90°, entonces la velocidad es: Vnormal = Vmedidaxcos

α

El molinete debería sacarse del agua a intervalos para ser examinado, generalmente cuando se pasa de una vertical a otra; en la cercanía de la velocidad mínima de uso, el error en la determinación de la velocidad se incrementa apreciablemente, con molinetes corrientes, la velocidad mínima para velocidades confiables es 0,15 m/s. Los molinetes especiales que permiten la realización de mediciones confiables por debajo de la velocidad, pueden ser utilizados si han sido ensayados en esta escala de velocidades respecto a su repetición y precisión, antes de la medición. El eje horizontal del molinete no debe estar situado a una distancia menor que una vez o una vez y media la altura del rotor con respecto a la superficie del agua, ni deberá estar a una distancia menor que tres veces la altura del rotor desde la parte inferior del canal; además, ninguna parte del molinete deberá rozar la superficie del agua.

39



7.8.2 OTROS SENSORES 1 Existen en el mercado sensores de medición directa basados en el principio de inducción magnética que se emplean para el rango desde velocidades cerca de 0 m/s., hasta 2.5 m/s., y para profundidades desde 3 cm. Es tos sensores se calibran individualmente en el laboratorio, para rangos distintos de velocidad (0 m/s. - 1.5 m/ s. y >1.5 m/s.). Es robusto a prueba de impactos, no tiene piezas móviles, es decir no presenta desgaste. (Figura N° 21).

Figura N° 21 Sensor de Medición Directa El valor medido se indica directamente en la pantalla del indicador de velocidades y es igualmente confiable independiente del las características físicas, químicas y biológicas del agua. Su principio de funcionamiento se basa en la ley de Faraday que dice que si un medio electroconductor se desplaza en un campo magnético, una tensión inducirá dicho conductor; por lo tanto la tensión de salida es proporcionalmente lineal a la velocidad del conductor eléctrico (corriente de agua) 1

OTT - Hydrometrie, Catalogo. sensores de medición 40



7.8.3 DETERMINACION 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:

7.8.3.1 Métodos de Puntos Reducidos 1 a) Método de un punto

Se deben realizar las observaciones de velocidad en cada vertical colocando el molinete a 0.6 de la profundidad total por debajo de la superficie.(Figura N° 22). El valor obtenido se considerará como la velocidad media de la vertical. Este método se emplea en secciones de poca profundidad.

Figura N° 22 1

OMM. Guía de Prácticas Hidrológicas. Volumen I. N° OMM - 168. 1984 41



b) Método de dos puntos

Las observaciones de velocidad se deberán hacer en cada vertical colocando el molinete a 0.2 y 0.8 de la profundidad total por debajo de la superficie. (Figura N° 23), el promedio de los dos valores puede considerarse como velocidad media en la vertical, este método es el más empleado y se usa cuando ya se conoce el comportamiento de la velocidad en la sección. Vmedia = (V0.2 + V0.8 ) /2

Figura N° 23

c) Método de tres puntos

Las observaciones de velocidad se realizan exponiendo el molinete en cada vertical a 0.2 , 0.6 y 0.8 de la profundidad total. (Figura N° 24), el promedio para este método se obtiene mediante la siguiente expresión: 42



Vmedia = 0.25 (V0.2 + 2V0.6 + V0.8 )

Figura N° 24

d) Método de cinco puntos

Cuando el cauce está libre de vegetación acuática y se quiere conocer el comportamiento de una sección transversal por velocidades se utiliza esta metodología. El método de los cinco puntos se aplica midiendo en cada vertical lo más cerca de la superficie, a 0.2, 0,6 y 0.8 de profundidad por debajo de la superficie y tan cerca como sea posible del fondo. (Figura N° 25) La velocidad media podrá determinarse utilizando un planímetro a partir de un gráfico que represente el perfil de velocidades o a partir de la ecuación: 43



Vmedia = 0.1(Vsuper + 3V0.2 + 3V0.6 + 2V0.8 + Vfondo )

Figura N° 25

e) Método de seis puntos

Este método puede ser utilizado en condiciones difíciles cuando hay vegetación acuática. Las observaciones de velocidad se realizan exponiendo el molinete en cada vertical a 0.2, 0.4, 0.6 y 0.8 de la profundidad total y tan cerca como sea posible de la superficie y el lecho (Figura N° 26). Las observaciones de la velocidad en cada posición se grafican y la velocidad media queda determinada mediante un planímetro, o mediante la siguiente ecuación:

44



Vmedia = 0.1(Vsuper + 2V0.2 + 2V0.4 + 2V0.6 + 2V0.8 + Vfondo )

Figura N° 26

f) Método de los diez puntos

Es recomendado utilizarlo cuando se afora por primera vez en una corriente. Siempre que se realice un aforo de líquidos deben tomarse las velocidades superficiales con el fin de conocer el comportamiento de la velocidad media total de la sección con respecto de la velocidad superficial, es decir la relación K= Vm/Vs. (Figura N° 27)

45



Figura N° 27 El método de dos puntos se emplea cuando la distribución de las velocidades es normal y la profundidad superior a 60 cm.; el método de un punto se emplea en aguas poco profundas; el método de tres puntos se puede utilizar en canales cubiertos por vegetación acuática y el método de los cinco puntos se utiliza cuando la distribución de la velocidad en la vertical es muy irregular. De ser posible, la precisión de cualquier método en particular deberá determinarse observando la velocidad en unos 6 a 10 puntos en cada vertical para las primeras mediciones de caudal efectuadas en una estación nueva. g) Método superficial

Se realizan mediciones de velocidad 20 cm por debajo de la superficie del agua, este método se utiliza para medir la velocidad en las crecientes, las cuales no permiten por efecto de las palizadas efectuar un aforo convencional, y en esta forma proteger los técnicas y el equipo hidrométrico. Este caso especifico se utiliza el factor de conversión K , para convertir la velocidad superficial a media en la vertical; cuando no se tiene aforos anteriores y por consiguiente no se han calculado factores de conversión para cada uno de los aforos, se emplea 0.85

46



Vmedia = KVsuper

h) 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 descenso o ascenso 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. 3.7.8.4 DETERMINACION DE LA VELOCIDAD MEDIA DE LA SECCION Para determinar la velocidad media de la sección parcial se toma el valor de la velocidad de dos verticales adyacentes, obtenidas por cualesquiera de los métodos mencionados y se promedian.  V1 + V2  2 

Vmedia =  

3.7.8.5 MEDIDA DE LA PROFUNDIDAD La profundidad total es la distancia en metros que existe en cada una de las verticales de medición entre la superficie y el lecho de la corriente 1(Figura N° 28). La sección se fracciona en un número de franjas, limitada cada una de ellas por dos verticales adyacentes, siendo p 1, p 2, las profundidades totales medidas en las verticales 1 y 2 respectivamente.

La profundidad media de la sección es el promedio de las dos profundidades sucesivas y así para cada una de las secciones parciales. 1

KLOHN Wulf. Instrucciones para aforar con molinete. SCMH. 1973 47



 P1 + P2    2 

Pmedia = 

Se recomienda fraccionar la sección transversal en por lo menos 15 verticales de sondeo, la profundidad total se determina en las corrientes con niveles bajos (poca profundidad), con la varilla de vadeo, y en profundidades mayores a un (1) metro se utiliza una sonda hidrométrica con aleta direccional y un peso proporcional a la velocidad del flujo suspendida desde un malacate o torno hidrométrico desde un puente, un bote o una tarabita de aforos. 7.8.6 CALCULO DEL CAUDAL PARCIAL El producto de la profundidad media en la sección parcial multiplicado por el ancho parcial nos produce el área parcial entre verticales adyacentes y este valor multiplicado por la velocidad media de la sección parcial nos define el caudal parcial.

 V1 + V2  p1 + p2   b1− 2  2  2 

q=

El cálculo del caudal total y la velocidad media de la sección. De la sumatoria de los caudales parciales se obtiene el dato de caudal total y de la división de este por el área total de la sección aforada se obtiene la velocidad media de aforo, y de la sumatoria de los anchos parciales se obtiene el ancho total.

7.9 AFOROS CON TRAZADORES1 La existencia de corrientes con características especiales tales como: Régimen torrencial, alta pendiente, poca profundidad, lechos inestables y líneas de flujo desordenadas en las secciones de aforo, hacen poco aplicable el método convencional (con molinete); para suplir estos inconvenientes se han utilizado los aforos con trazadores también llamados aforos químicos; que permiten conocer el caudal a partir de la variación de concentración de una sustancia que es inyectada en el cauce, el procedimiento consiste en realizar aguas abajo, a una distancia lo suficientemente lejos del sitio de inyección, mediciones y muestreos que permiten una vez analizados en laboratorio, calcular el caudal, en todo este desarrollo no se requiere conocer el área de la sección de medición. 1

LUENGAS C. Belisario. Aforos por Dilución. HIMAT. 1990 KING y BRATER. Manual de Hidráulica. UTEHA.1965 48



Puede definirse como trazador a toda sustancia que incorporada a un proceso físico o químico permita estudiar su comportamiento y evolución. Entre los trazadores empleados pueden citarse los sólidos en suspensión, los trazadores químicos solubles en el medio bajo estudio, los colorantes y los elementos radioactivos. 7.9.1 REQUERIMIENTOS DE LOS TRAZADORES. •

Su comportamiento debe ser idéntico al del medio a medir, en este caso agua, siendo necesario que se desplace a igual velocidad, esto implica que no debe efectuar intercambio iónico y no debe tampoco sufrir absorción química o física, además de no alterar las propiedades y condiciones del agua; tales como densidad, viscosidad y temperatura.

•

Si la sustancia trazadora se inyecta artificialmente al flujo, este no debe contener cantidades apreciables de la sustancia inyectada.

•

Es conveniente que sea fácilmente soluble en agua y no se precipite, permitiendo marcar grandes cantidades de fluido con una pequeña masa de trazador.

•

Es importante que pueda ser medido en "in situ ".

•

No debería, en general, contaminar el medio durante períodos prolongados ni afectar a seres vivos.

•

Es importante que su costo sea reducido.

•

Que se disuelva rápidamente en el río a una temperatura normal. Que no se encuentre en el agua del río o sí esta presente que lo este en cantidades mínimas.

•

Que no se descomponga, ni sea retenido o absorbida por sedimentos, plantas y organismos.

•

Que su concentración sea detectada por métodos sencillos.

•

Que sea inofensiva para el ser humano y los animales, en el grado de concentración que alcance en la corriente.

Solamente un trazador ideal puede cumplir con todos estos requerimientos por lo que se hace indispensable tener un conocimiento práctico de cada uno de estos, para utilizar el apropiado de acuerdo a la necesidad del estudio y a las características morfométricas, y físicas y químicas del cauce y el agua de la corriente. Los trazadores pueden ser utilizados indistintamente en aguas superficiales y subterráneas, en esta documento nos referiremos específicamente a su uso en aguas superficiales.

49



7.9.2 TIPO DE TRAZADORES. a) Cloruro de sodio.

La sustancia trazadora más económica es la sal común (NaCl). El trazador se inyecta en la corriente, y su detección "in situ" por el método de conductividad es relativamente sencillo, el grado de disolución es de 600 gramos por litro. b) Dicromato de Sodio.

El dicromato de sodio se usa extensamente como trazador, en el método de aforo por dilución, por su alta solubilidad (600 gramos por litro). Esta sal satisface la mayor parte de los requerimientos indicados y su análisis colorimétrico realizado en el laboratorio permite medir concentraciones muy reducidas de dicromato. c) Cloruro de litio.

El cloruro de litio presenta una solubilidad de (600 gramos por litro), en laboratorio el análisis fotométrico de la llama puede detectar concentraciones de litio de 0.001 gramos por litro (espectrofometría de emisión). Otros trazadores químicos utilizados son el yoduro de sodio, nitrado de sodio y sulfato de manganeso. d) La Rodamina W.

El uso de la rodamina esta ampliamente difundido en los Estados Unidos de América, para el aforo por dilución, sus características de absorción son mejores que las de otras tintas, la concentración de la tinta se puede medir en la estación de aforos usando fluorimetros que puedan detectar concentraciones de 5 a 10 p.p.m. e) Elementos radioactivos.

Se han utilizado elementos radioactivos tales como la bromina 82, la yodina 131 y el sodio 24; las concentraciones de estos elementos del orden de 10-9, pueden determinarse exactamente con un contador o un dosímetro, cuya sonda detectora este suspendida sobre la corriente o en un tanque contador normalizado, aunque los elementos radioactivos constituyen trazadores ideales para el método de dilución, los peligros que presentan para la salud y en general para el medio natural limitan su utilización.

50



7.10 MEDICION DE CAUDAL POR EL METODO DE DILUCION La medición del caudal mediante este método esta basado en la determinación del grado de dilución en el agua del río de una solución trazadora. El empleo de este sistema se recomienda únicamente en los lugares (Figura N° 29), en los que no pueda recurrirse por las razones expuestas a emplear los métodos convencionales, para las mediciones del caudal se pueden emplear principalmente dos (2) métodos en los que intervengan sustancias trazadoras; el primero basado en la inyección de la sustancia a un ritmo constante y el segundo, aquel en que la solución se vierte en forma instantánea.

Figura N° 29

Río Surba - Estación las Vegas

Municipio Duitama. Henry Arturo Romero P.

7.10.1 SELECCIÓN DEL EMPLAZAMIENTO. La condición fundamental de la selección de los emplazamientos para la medición del caudal mediante el método por dilución, es que se produzca una mezcla homogénea de la solución inyectada en el agua de la corriente en un tramo relativamente corto de un canal. La mezcla se ve mejorada por las rugosidades del canal y la presencia de cantos rodados que aumentan la turbulencia de la corriente, tal como cascadas y estrangulamientos abruptos del curso del agua. Seleccionado el sitio del emplazamiento o de medición, se debe determinar la distancia L aproximada en metros, requerida entre el sitio de inyección y el sitio de medición, la cual se puede calcular a partir de la siguiente expresión definida por: 51



(0.7x C) L = 0.13 x C x   g 

+ 6 

 x



b2 d

En donde: b = Ancho medio del río. d = Profundidad media de la corriente. C = Coeficiente de Chezy para el tramo (15 < C < 50). g = Aceleración de la gravedad. Ejemplo:

b = 2.9 metros

d = 0.35 metros

g = 9.81 m/s²

C = 15.33 2

 (0.7 x 15.33 ) + 6  2.9 L = 0.13 x 15.33   x 9.81   0.35

L = 81.7 metros. Según Kutter el coeficiente C se define a partir de la siguiente ecuación, en función de la rugosidad, la pendiente y el factor hidráulico.

(0.00155) 1 + S n C =   0.00155   n  1 + 23 +   x  (1/2)   S   R   23 +

En donde: S = Pendiente del tramo en m/m R = Radio Hidráulico de la sección = A / P m/m A = Area en m² P = Perímetro mojado = Ancho sección + 2 ( profundidad media) n = Rugosidad del cauce 52



En una corriente, en que el tramo de medición tiene una pendiente de 185 m/km. (0.185 m/m), una rugosidad de 0.045 y un radio hidráulico de 0.28194 m, calcular el coeficiente C, tomando como base los datos del ejemplo anterior; el coeficiente de Chezy resultante es: 1   0.00155 +  0.045   0.185  0.00155  0.045   x 1 + 23 + 0.5   . 0 185  0.2819    23 + 

C=

C = 15.33 También puede definirse según otros autores como Manning que emplea una ecuación más sencilla: 1  1 C =  x R6  n 

    

Siendo: n = Rugosidad del cauce R = Radio hidráulico de la sección

C = 17.99

7.10.2 PROCEDIMIENTO. Para describir en forma detallada el procedimiento, se relaciona a continuación el instrumental, equipo y elementos de uso común, que garantizar el desarrollo apropiado de la medición; básicamente se requiere de: Conductimetro Cronómetro Botella de Mariotte Cinta métrica Dos Probetas de 1 lt y 500 ml. Baldes graduados Mezclador que no altere la solución Agua destilada Trazador Frascos de 100 ml. 53



Papelería. Ya en campo, se vierte en la corriente una solución de un elemento químico estable o radioactivo a un ritmo constante o instantáneamente. La solución se diluirá en la corriente por efecto de la mezcla. La relación entre el caudal constante de la solución inyectada y la determinación de la concentración resultante en la corriente en el sitio de medición, nos permite conocer el caudal de la corriente; la precisión del método depende principalmente de: a. Que la solución inyectada se diluya uniformemente en toda la sección transversal de la corriente,

antes de llegar a la sección de muestreo. Si la solución trazadora se inyecta en forma continua, la concentración de esta solución deberá ser constante en toda la sección de medida. Si el elemento trazador se inyecta en forma instantánea se deberá cumplir con que la concentración sea la misma en todos los puntos de la sección y que:

C2

=

T

∫ 0 Cdt

C2 = Concentración resultante T = Tiempo en el que toda la muestra pasa por determinado punto de la sección. b. Que los materiales, sedimentos, plantas u organismos depositados en el lecho del río no

absorban la sustancia trazadora y que esta no se descomponga con el agua de la corriente, la concentración deberá determinarse en la sección de muestreo y como mínimo, en otra sección transversal situada aguas abajo, a fin de asegurar que no existe una diferencia sistemática en la concentración media entre una u otra sección de muestreo. 7.10.3 DETERMINACION DEL PESO DEL TRAZADOR.

El peso (Pe) en gramos de trazador a emplear en una medición de caudal, esta definido por la siguiente expresión: Pe = Qa * T * Co. Ejemplo : Caudal (Qa) aproximado = 300 lt/s. Tiempo (T) en segundos de muestreo = 200 s. Concentración esperada (Co) = 0.010 g / lt . Pe = 300 lt / s * 200 s * 0.010 g / lt Pe = 600 g 54



7.10.4 DETERMINACION DE TIEMPO DE MEDICION. Para el caso de disolución de sales y disponiendo en terreno de un Conductimetro, es posible graficar la conductividad contra el tiempo (Figuras N° 30 y 31), determinado así el comienzo y el final del aforo; las mediciones de conductividad se realizan desde el momento que se inicia la inyección continua o instantánea de la solución y el muestreo comienza cuando se registra el incremento de la conductividad, el cual se continúa a intervalos de tiempo ( ∆t), hasta que la conductividad se haga constante para el primer caso, mientras que en la inyección instantánea el aforo temida cuando la conductividad es igual al dato inicial, es decir que la corriente recupera su estado inicial. El tiempo (Ti), medido desde el momento de iniciarse de la inyección, hasta el instante en que comienza a pasar la onda, esta dado por la relación entre la distancia L y la velocidad (Ve) en m/seg. del agua, estimada previamente para el tramo definido:

Figura N° 30

Ti =

L Ve

Reemplazando tenemos que: 55



Ti = 81.7 m. / 0.65 m/s. ⇒ T = 126 s. El tiempo de muestreo (T) esta dado por la sumatoria de los ∆t constantes, empleados para la extracción de cada una de las muestras, para las cuales se emplean recipientes con capacidad de 100 mililitros, Este tiempo va a depender, para el caso de inyección constante del tiempo que dure la inyección más el Ti y en el caso de inyección instantánea, del tiempo que tarde en pasar totalmente la onda de trazador, aunque no se conoce una norma que defina con precisión, los intervalos de tiempo (∆t), normalmente se utilizan 10 - 15 - 20 - 25 ó 30 segundos; lo importante es que se tomen el número de muestras necesarias para definir con precisión el comportamiento de las concentraciones durante el aforo.

Figura N° 31

7.10.5 CALCULO DEL CAUDAL

7.10.5.1 Método de Inyección Continua. El cálculo del caudal (Q) en lt/s, sin concentración inicial de trazador en la corriente, se determina a partir de la siguiente expresión 56



C1 C2

Q = Qtr x

Qtr = Caudal de inyección C1 = Concentración de la solución inyectada C2 = Concentración obtenida en la sección de muestreo El caudal (Q) en lt/s., con concentración inicial de trazador en la corriente se obtiene a partir de:

Q = Qtr x

C1 - C2 C2 - C0

C0 = Concentración inicial de la corriente

7.10.5.2 Método de Inyección Instantánea Si la corriente no presenta conductividad inicial el caudal (Q) en lt/s., esta dado por: Qtr =

V x C1 t

∫ Cx dt 0

V = Volumen de la solución inyectada en litros ∫ C x dt = Sumatoria de las concentraciones parciales por tiempo parcial. El caudal (Q), cuando la corriente tiene concentración inicial de trazador se obtiene mediante la fórmula de: Q=

V x (C1 - C0 ) T ∫ 0 Cx dt - C0 x T

C0xT = Concentración inicial de la corriente por tiempo total T = Tiempo en que toda la solución cruza por el punto de muestreo. ∫ 0 Cxdt − CoxT = C3 T

57



Tabla N° 3 AFORO INYECCION CONSTANTE ESTACION El puente PESO TRAZ. en gr. 1500 C1 en mg / l 75000 Q INYECCION l/s VELOC. MEDIA m/s AREA en m ²

0.045 0.21 1.3

CORRIENTE VOLUMEN en l C2 en mg / l NIVEL INIC. en m. CAUDAD en l/s

Guaza 20.0 14.2 0.92 276.6

INTERVALO DE t

NUMERO DE

CONCENTRACION

CONCENTRACION

EN SEGUNDOS

MUESTRA

mg / l

CONSTANTE mg /l

15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34

2.1 2.5 2.7 3.5 6.2 5.4 8.3 7.8 9.3 9.9 10.7 11.6 12.3 12.6 12.8 13.1 13.5 13.7 13.8 14.0 14.1 14.3 14.3 14.3 14.1 14.3 14.3 14.1

FECHA CO en mg / l C3

ABR-26-1990 2.0

NIVEL FINAL en m NIVEL MEDIO en m

0.90 0.91

OBSERVACIONES

14.2

13.5 12.3 11.6 10.8 9.8 9.1

510 C2 = 14.2 Q = QI((C1-C2)/(C2-Co ))

Q=

Datos Obtenidos en campo

276.6

l/s Dato obtenido en laboratorio

58



Tabla N°4 AFORO INYECCION INSTANTANEA ESTACION El puente PESO TRAZ. en gr. 300 C1 en mg / l 50000

CORRIENTE VOLUMEN en l C2 en mg / l

San Antonio 6.0

AREA en m ²

OBSERVAC.

INTERVALO t en s

0.77 0.58 10

INTERVALO DE t

NUMERO DE

CONCENTRACION

CONCENTRACION

CxAt

EN SEGUNDOS

MUESTRA

mg / l

CONSTANTE mg /l

(mg / l)*s

10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

0.05 0.06 0.07 0.08 0.08 0.09 0.15 0.64 1.89 3.87 6.94 3.92 1.73 1.02 0.63 0.22 0.10 0.08 0.07 0.05

0.025 0.055 0.065 0.075 0.080 0.085 0.120 0.395 1.265 2.880 5.405 5.430 2.825 1.375 0.825 0.425 0.160 0.090 0.075 0.060

0.25 0.55 0.65 0.75 0.80 0.85 1.20 3.95 12.65 28.80 54.05 54.30 28.25 13.75 8.25 4.25 1.60 0.90 0.75 0.60

NIVEL INICIAL en m. VELOC. MEDIA m/s

0.77 1448

May-17-1990 0.05 207.15 0.77 2.50

FECHA CO en mg / l C3 (mg / l)x s

NIVEL FINAL en m. CAUDAD en l/s

200

NIVEL MEDIO en m

217.15 −

C3 =∑ C x ∆t - (Co

x

∆

t

x

N ° Intervalos

Q = Vx(C1 x C0)/c3

Datos Obtenidos en campo

Q=

)

1448

lt/s Dato obtenido en laboratorio

Tabla N° 5 CLASIFICACION DE LAS AGUAS SEGUN SALINIDAD

Clasificación

C1 C2 C3 C4

Baja Media Alta Muy alta

C.E. micromho s/cm.

0 - 250 251 - 750 751 - 2250 > 2251

59



7.11 AFORO CON LANCHA EN MOVIMIENTO1 Frecuentemente, en ríos muy anchos y caudalosos, la aplicación de los métodos convencionales de aforo, no es la más apropiada por el costo y el tiempo. El fundamento del método de la lancha móvil, es el mismo del procedimiento habitual de los aforos convencionales, se basa en la determinación de áreas parciales de secciones y las velocidades del agua para dichas secciones; la diferencia radica en la manera de recoger los datos, el hidromensor viaja en un bote que se traslada de una orilla a otra en forma continúa y a una velocidad constante (Figura N° 32).

Sentido de desplazamiento del bote P

A

Sección de aforo (w )

B

C α

β

✟

✟

✟

Base

D ✟

Banderola de alineamiento motorista

Figura N° 32

En este método el bote está equipado con un molinete y un giro - compás especial que indica el ángulo de la posición de la embarcación con respecto a la normal de la corriente, las medidas se realizan atravesando el río a lo largo de una sección fija normal a la corriente; durante la travesía, efectuada una Ecosonda registra las profundidades de la sección transversal y el molinete en operación continua mide las velocidades combinadas de la corriente y el bote. Estas medidas se toman 30 o 40 puntos de observación (verticales) a través del recorrido, la velocidad registrada en cada punto de observación de la sección transversal es un vector que representa la velocidad relativa que pasa por el mecanismo del molinete. 1

SANCHEZ ORDOÑES J. Manual de hidrología para hidromensores.SCMH.1975 SANCHEZ L. Felix. Aforos con lancha movil.HIMAT.1987 60



Toda la actividad se realiza alineándose con señales (Banderolas en colores vivos, para facilitar la ubicación y/o posicionamiento de la lancha) que se han colocado cuidadosamente en las orillas, generalmente se realizan alrededor de 6 travesías en direcciones opuestas y se hace el promedio para obtener el caudal. 7.11.1 CONTROL DE CAMPO

Para la ejecución de aforos por el método de lancha móvil se requiere como ya se explico fijar puntos en ambas orillas, los cuales definen la sección de aforos, los puntos de alineamiento y la base. Ver Figura N° 32 a) Ancho de la sección

Para determinar al ancho de la sección ( w ) es necesario realizar el siguiente procedimiento: Fijar los puntos P y C, tratando en lo posible que C este alejado de la orilla aproximadamente 20 m., con el objeto que el ángulo tomado ( β ) sea aproximadamente de 75°, para facilitar la observación de las banderolas, en las ultimas lecturas que se hagan con sextante cuando el aforo ha iniciado en la orilla opuesta o las primeras cuando el aforo se ha iniciado en la misma orilla

V = velocidad de la corriente. Vc = velocidad resultante del agua que pasa por la paleta del molinete. Vb = velocidad del bote α = ángulo entre la paleta y la sección transversal de recorrido y siendo : Lb = distancia recorrida por el bote entre los puntos de observación en la sección transversal, a la velocidad del bote. Vb. Lc = distancia entre dos puntos de observación consecutivos (del indicador y contador), con la velocidad resultante o Vc. ∆t =Tiempo transcurrido entre dos puntos de observación de la corriente. Entonces la velocidad de la corriente requerida es V : V = Vc seno α 61



además Lb = Vc coseno α ∆t y como ∆t = Lc Lb = Lc coseno α El caudal se calcula de manera similar al método convencional área - velocidad sumando los productos de las áreas de los segmentos por las velocidades medias en cada sección parcial. Como el molinete generalmente se sitúa un metro por debajo de la superficie, es necesario el uso de un coeficiente para ajustar la velocidad medida. En ríos grandes, el coeficiente es generalmente uniforme a través de la sección. Investigaciones efectuadas en varios ríos han mostrado que el coeficiente varía entre 0.9 y 0.92. El método de lancha en movimiento proporciona una única medida del caudal, es decir una observación en la relación nivel descarga con una aproximación de más o menos del 5% para un 95% de nivel de confianza .

7.12 AFORO VOLUMÉTRICO 7.13 AFORO CON FLOTADORES1 Este método se utiliza cuando no se puede emplear un molinete debido a velocidades o profundidades inadecuadas, a la presencia de material en suspensión, o cuando la medición del caudal deba realizarse en un período de tiempo muy corto. 7.13.1 SELECCIÓN DE SECCIONES Se deben seleccionar tres secciones transversales en un tramos recto del curso de agua. Las secciones transversales deben estar lo suficientemente espaciadas entre sí de tal manera que se pueda medir con exactitud el tiempo necesario para que el flotador pase de una sección transversal a la siguiente. Se recomienda un lapso de 20 segundos, aunque podrán emplearse intervalos más breves en el caso de ríos pequeños en los que la corriente tenga velocidades altas y en los cuales es a menudo imposible seleccionar un tramo recto de longitud adecuada. 7.13.2 FLOTADORES Se pueden utilizar flotadores de superficie o de varilla. Los flotadores de superficie deben sumergirse a una profundidad inferior a la cuarta parte de la profundidad del agua. No se deberán emplear cuando se tema que la medición pueda ser afectada por el viento. Los flotadores de varilla pueden sumergirse a una profundidad superior a la cuarta parte de la profundidad del río. Los flotadores de varilla no deben rozar el lecho del canal. Durante los períodos en que las maniobras en el río pueden ser peligrosas, se pueden emplear, como flotadores naturales, árboles o fragmentos de hielo que floten en el río. 1

Tomado de la Guía de Prácticas Hidrológicas, OMM-No. 168, Quinta edición 1994 62



7.13.3 PROCEDIMIENTOS DE MEDICION Los flotadores deben distribuirse de manera uniforme a todo lo ancho de la corriente; se deben realizar entre 15 y 35 mediciones con flotadores. Cuando se usan flotadores naturales se deben hacer 20 mediciones como mínimo, en diversas posiciones de la sección del río. El flotador deberá lanzarse a suficiente distancia, aguas arriba de la sección transversal superior, para que pueda alcanzar una velocidad constante antes de llegar a la primera sección transversal. El tiempo en que el flotador atraviesa cada una de las tres secciones transversales se registrará por medio de un cronómetro. Este procedimiento se debe repetir con cada uno de los flotadores distribuidos a todo lo largo de la corriente. La distancia entre el flotador y la orilla al paso de cada una de las secciones transversales puede ser determinada mediante métodos ópticos adecuados, por ejemplo con un teodolito. La profundidad de la corriente en ciertos puntos en la sección transversal se puede determinar mediante métodos de topografía. 7.13.4 CALCULO DE LA VELOCIDAD La velocidad del flotador es igual a la distancia que separa las secciones transversales dividida por el tiempo invertido en recorrerla. La velocidad corregida del flujo en cada sección es igual a la velocidad del flotador multiplicada por un coeficiente basado en la forma del perfil vertical de las velocidades y en la profundidad relativa de inmersión del flotador. El coeficiente que debe aplicarse a la velocidad medida se debe determinar en lo posible, para cada sitio, por medio de un análisis de las mediciones del caudal efectuadas por el método del molinete. Cuando nos e dispone de esas mediciones, se puede utilizar un factor F de ajuste según la siguiente tabla para una estimación aproximada. R

F

0.10 o menos 0.86 0.25 0.88 0.50 0.9 0.75 0.94 0.95 0.98 Factor F de ajuste de la velocidad del flotador en función de la relación profundidad de inmersión del flotador y la profundidad del agua

R,

entre la

Cuando se usan flotadores naturales, se deben trazar en un gráfico las velocidades en función de la distancia a la que se encuentran de la orilla, lo que permitirá determinar la velocidad media en la superficie del río. La velocidad media de la corriente en la sección transversal es igual a la velocidad media en la superficie multiplicada por un coeficiente K, cuyo valor se deduce, si es posible, de las medidas anteriores hechas con un molinete para caudales más pequeños. 7.13.5 CALCULO DEL CAUDAL El caudal en cada sección, se calcula multiplicando la sección transversal media por la velocidad media del flujo en la sección. El caudal total será igual a la suma de caudales de cada una de las secciones. 63



7.14 ESTRUCTURAS AFORADORAS1 En algunas estaciones de aforo es posible utilizar un control artificial de forma que la relación nivelcaudal se pueda determinar sin necesidad de calibración, por ejemplo, por la aplicación de una

fórmula del caudal. Existe una variedad limitada de vertederos y canales en los que la relación nivelcaudal está bien determinada. Sin embargo, sólo en condiciones favorables de terreno se puede utilizar con exactitud una fórmula para algunos tipos de vertederos o canales aforadores. Por lo tanto, es importante que si el caudal se mide directamente a partir de la lectura del nivel de agua, se tenga cuidado en su construcción y empleo y que se aplique la fórmula más adecuada. En condiciones menos favorables, es necesaria una calibración sobre el terreno para establecer la importancia de las desviaciones con respecto a la fórmula normalizada o para determinar la función que relaciona el nivel con el caudal. Por consiguiente, es muy importante medir periódicamente en el estiaje el caudal por otros medios con el propósito de detectar variaciones en el coeficiente del caudal debido a los depósitos de sedimentos en el embalse o al crecimiento de algas en el vertedero o canal. Una vez expuestos los métodos anteriores y los instrumentos, se deduce que la exactitud de las mediciones de caudal depende de la fiabilidad de las calibración del instrumento de medición, de las condiciones del río y del número de mediciones de la profundidad y la velocidad que se hayan efectuado. Las mediciones se hacen normalmente registrando la profundidad y la velocidad en dos puntos, en cada una de las 20 a 25 verticales de la sección transversal. El error típico para un nivel de confianza del 95 por ciento en este tipo de mediciones efectuadas en condiciones normales, es alrededor de un cinco por ciento. 1

Tomado de la Guía de Prácticas Hidrológicas, OMM-No. 168, Quinta edición 1994 64



7.14.1 CAMPO DE APLICACION Los vertederos y canales usados en las estaciones de aforo se pueden clasificar en tres grupos: a) vertederos de pared delgada, generalmente usados en ríos pequeños, poco cargados de sedimentos o en pequeñas cuencas de investigación; b) canales aforadores que se emplean en corrientes pequeñas y acequias que transportan sedimentos y escombros o, en otros casos, donde la pérdida de carga correspondiente a vertederos de pared delgada es inaceptable; c) vertederos de pared gruesa, de perfil triangular, de forma redondeada, que se emplean en ríos grandes. Los vertederos y canales pueden ser de flujo libre o sumergidos. En el primer caso, el caudal es función de la altura de nivel aguas arriba y se pueden realizar calibraciones de exactitud. En el segundo caso, el caudal es función tanto del nivel de aguas arriba como aguas abajo por lo que las calibraciones efectuadas en el laboratorio son menos exactas. En muchos sitios, los vertederos y canales se usan solamente para medir los caudales más bajos y, para los caudales altos, la relación nivel-caudal se determina por métodos directos. 7.14.2 SELECCIÓN DE LA ESTRUCTURA La selección de la estructura de medición depende de¡ costo, de las características del río y del cauce en el sitio, de la magnitud del caudal, de la exactitud que se desea obtener y de la pérdida de carga. Los criterios que se deben tener en cuenta en la selección de la estructura son: a) el costo constituye, en general, el factor principal al decidir si una estructura de medición se debe construir o no. El costo de la estructura depende, sobre todo, de la anchura del río y del tipo de materiales que constituyen el lecho y las orillas. La anchura del río determina el tamaño de la estructura y los materiales del lecho y de las riberas, el tipo de construcción que debe usarse para minimizar las filtraciones debajo y alrededor de la estructura; b) las características del cauce y las condiciones del flujo influyen en el diseño de la estructura de medición. En este diseño se deben tener en cuenta los factores que controlan la velocidad o el número de Froude, la carga de sedimentos y la estabilidad del lecho; c) la variedad de caudales, la gama de niveles, la sensibilidad deseada y la pérdida de carga máxima admitida se deben también tener en cuenta en el diseño de la estructura y en su ubicación. la sumersión por flujos altos o por remansos influencian tanto el diseño como la altura de la estructura. La sensibilidad, es decir la variación en el nivel correspondiente a un cambio en el caudal para flujos muy bajos, permite decidir si un vertedero en V o de cresta plana es el apropiado. 7.14.3 MEDICION DEL NIVEL DEL AGUA El nivel del agua con respecto a la estructura se mide generalmente aguas arriba, a una distancia igual a tres veces la profundidad del agua en el sitio de control, al máximo nivel, h max, para el cual la sección de control es efectiva. Algunos vertederos de forma especial y todos los canales requieren que el nivel sea medido a distancias específicas de la sección de control que difieren de la regla general antes mencionada. El cero de la escala debe colocarse a nivel de la cresta y ser comprobado periódicamente. 65



7.14.4 FUNCIONAMIENTO DE LAS ESTRUCTURAS DE MEDICIÓN Tanto el cauce como la estructura están sujetos a cambios, con el tiempo, que afectan la relación nivel-caudal. Arena, piedras o escombros se pueden depositar en el canal de aproximación o en la estructura misma. Pueden crecer algas en la cresta de la estructura durante el verano y se puede formar hielo en la estructura durante el invierno. Para lograr una exactitud óptima en las mediciones, el canal de aproximación a los vertederos debe mantenerse limpio y libre de cualquier acumulación de arena y vegetación. La estructura debe mantenerse limpia y libre de escombros, de algas y de hielo. Se deben reparar los daños en la parte esencial de la estructura. El cero de la escala se debe controlar periódicamente. Se deben efectuar mediciones periódicas del caudal para determinar posibles variaciones en la calibración original.

8 AFOROS SOLIDOS En términos generales sedimento es cualquier fragmento de material transportado, suspendido o depositado por el agua o por el aire. El fenómeno de la erosión está íntimamente ligado al fenómeno de los sedimentos en los cursos de agua, el principal factor erosivo es el agua. La erosión producida por el agua es de tres tipos: ♦ Laminar, que consiste en la remoción de la capa superficial de suelo. ♦ Zanjas o cárcavas, es un estado en que los cauces van creciendo y profundizándose cada

vez más. ♦ Fluvial, es el fenómeno por el cuál un río socava su propio lecho y eroda el talud de sus orillas.

La mayoría de los ríos arrastran sedimentos de muy variadas características tanto en su origen mineralógico como en densidad y tamaño. Es lógico por consiguiente, esperar que los procesos de sedimentación presenten una diferencia de acuerdo con el tipo de material. Los sedimentos se clasifican según su tamaño, en gruesos, con diámetros en el rango de gravas y arenas y finos en rango de arenas finas, limos y arcillas. Esta clasificación no es simplemente estática sino que tienen implicaciones dinámicas relacionadas con la forma como estos materiales son transportados y depositados por el flujo. Los sedimentos gruesos se mueven preferencialmente por arrastre sobre el fondo de las corrientes y la intensidad de su movimiento depende fundamentalmente de las condiciones del flujo y de la turbulencia de las aguas en las vecindades del fondo. Estas partículas viajan parcialmente sustentadas por el lecho del río, y rara vez se encuentran en suspensión en cantidades apreciables; por esta razón, su transporte disminuye rápidamente en cualquier reducción de la intensidad del flujo, causada por ejemplo por aumento en la profundidad, o reducción de la pendiente y la velocidad. Es fácil prever entonces que en el caso de un embalse, en donde todas las fuentes que 66



llegan al embalse depositarían la mayoría de las partículas gruesas que colmatan rápidamente los cauces. Los sedimentos finos, cuya velocidad de asentamiento es mucho menor que el orden de magnitud de las fluctuaciones turbulentas de la velocidad en el sentido vertical, viajan preferiblemente en suspensión en el agua y están totalmente sustentados por el flujo, aún para velocidades muy bajas. Por esta razón no responden inmediatamente a los cambios de velocidad del agua o de intensidad general del flujo. Estas partículas suelen por esto depositarse en forma más uniforme en el canal o en cualquier cuerpo de agua donde las aguas se embalsan como las ciénagas o reservorios. Las partículas cuyos diámetros son intermedios entre los anteriores, se depositan diferencialmente mostrando alguna preferencia por las zonas cercanas a los cambios de flujo. En ciertos casos, como ocurre por ejemplo en embalses con afluentes de alta pendiente, es posible que ocurran deslizamientos subacuáticos, a partir de los depósitos , formando masas de agua mezclada con materiales finos en forma de un líquido viscoso , más pesado que el agua , capaz de desplazarse a alta velocidad hacia el interior del embalse como una corriente de densidad.

8.1 CONCENTRACIÓN En general se denomina concentración a la cantidad de sólidos que se encuentran en una unidad de solución (sólido + líquido). Las concentraciones se expresan en partes por millón (PPM), o en peso de sólido por unidad de volumen líquido, es decir una parte por millón (1PPM) es igual a 1 mg/lt y a 0.001 kg/m3. Para este análisis se tiene en cuenta el mecanismo de las partículas en suspensión y su distribución debido al flujo turbulento. Teóricamente las mayores concentraciones se deben distribuir más en los estratos más bajos que en los más altos dentro de un cauce natural, pero este proceso no es así cuando existe un intercambio turbulento de las masas de agua que suben transportando más partículas hacia la superficie que las masas equivalentes de agua que transportan hacia abajo. De esta forma se establece un estado de equilibrio entre el transporte descendente promedio debido al intercambio turbulento y el asentamiento de las partículas y el transporte ascendente promedio debido al intercambio turbulento. Esto demuestra que una mayor turbulencia genera una mayor uniformidad en la distribución de los sedimentos mientras que mayores velocidades de asentamiento derivados por un flujo más lento y regulado resulta una distribución menos uniforme, con grandes concentraciones próximas al fondo y bajas concentraciones hacia la superficie de la corriente. Para determinar la carga sólida en suspensión de una corriente y para establecer tanto el transporte como la distribución de las diferentes partículas del material que la componen, normalmente se toman muestras a lo ancho de la sección de medida. La concentración media en una vertical es el promedio de las concentraciones de todos los puntos de la vertical. El propósito de realizar una campaña de mediciones es establecer un sistema adecuado para la selección de un número limitado de muestras que garanticen la representatividad de las 67



concentraciones obtenidas, o sea un buen estimativo de la concentración media en la sección de medida. La concentración media en la sección resulta de dividir la carga de sedimentos (kg/s) entre el caudal líquido (m3/s), C = T / Q

8.2 TRANSPORTE DE SEDIMENTOS. La obtención de muestras de sedimentos permite determinar la cantidad de sólidos que transporta una corriente en la unidad de tiempo. El transporte total comprende tanto el sedimento que se traslada suspendido en la corriente como el que viaja arrastrándose o rodando por el fondo. El transporte de arrastre de fondo se mide directamente con muestreadores y se expresa generalmente en m 3/día. El transporte de sedimentos en suspensión se refiere a la cantidad de sólidos o sedimentos suspendidos que pasan por la sección de una corriente en una unidad de tiempo, se expresa generalmente en Ton/día o kg/s. El transporte de sedimento en suspensión es igual al producto de la concentración media por el caudal líquido que pasa por una sección, T = QC

8.3 CLASES DE SEDIMENTOS De acuerdo con la manera como se transportan los sedimentos en las corrientes, estos se clasifican en:  De fondo ; están compuestos por los materiales depositados por la corriente en el lecho del río 

De arrastre de fondo ; son aquellos materiales que se deslizan o ruedan por el lecho de un río



En saltación ; es el material procedente del fondo de la corriente constituido por las partículas



En suspensión ; el material es mantenido en suspensión por la turbulencia de la corriente y se

por acción de la velocidad de la corriente, formando rizos y dunas.

mas finas, que en un momento dado adquiere la suficiente energía para abandonar el lecho, mantenerse en suspensión durante algún tiempo y caer mas adelante. mueven a velocidad mas o menos igual a la de ésta.

Es importante mencionar que el fenómeno del transporte de sedimentos en los cauces está gobernado por la turbulencia y las formas de los lechos de los ríos, lo cual imprime al proceso un carácter muy variable en el tiempo y el espacio. Aún en este momento, desafortunadamente, con los conocimientos y tecnologías actuales, no ha sido posible establecer una formula simple que determine realmente la cuantía exacta del transporte de los sedimentos en los cauces fluviales. Debido a este hecho hace imperiosa la necesidad de realizar mediciones específicas en los propios cauces para establecer, al menos en parte, la magnitud del transporte sólido y determine, con cierta 68



aproximación, el comportamiento sedimentológico para una amplia gama de condiciones hidrológicas. En la medida que dicha gama sea más amplia, se obtendrá una mayor precisión en la estimación del transporte sólido anual típico de las corrientes. Esto quiere decir, que es necesario realizar mediciones mínimo en varios estados de la corriente que cubra todos los rangos de variación de caudales desde mínimos hasta máximos durante todo el transcurso del año hidrológico. Otro aspecto importante es la determinación de la carga de arrastre de fondo; claro está, que la determinación directa no se ha desarrollado debido a la dificultad para medir la carga sólida cerca del fondo, lo que hace que esta clase de muestreo sea poco frecuente en todo el mundo.

8.4 MUESTRAS DIARIAS La metodología y análisis de la información de sedimentos para reducir el número de muestras superficiales diarias a lo ancho de una sección sin que se altere la precisión o la calidad de la medición; y determinar la viabilidad de tomar una sola muestra en la orilla o en cualquier punto a lo largo de la sección, que sea lo suficientemente representativa para correlacionarla sin riesgo en la generación de los datos diarios de transporte de sedimentos. El conocimiento de la distribución de los sedimentos en cada una de las estaciones con programa de sedimentos es de gran importancia debido a que con ello se pueden tomar decisiones en cuanto a las técnicas de muestreo, optimización del número de muestras en la vertical, número de verticales de medición y toma de muestras superficiales. 8.4.1 METODOLOGÍA .

La toma de muestras diarias de sedimentos se realiza fundamentalmente para obtener información diaria sobre transporte de sedimentos y concentración de cada una de las estaciones de medición y cuando las mediciones detalladas no son frecuentes.

69



El método está basado en la correlación directa entre la concentración media del material sólido de las muestras superficiales y la concentración media de la sección transversal de la estación de cada aforo realizado. Esta relación muchas veces presenta cierta dispersión lo que es frecuente en las determinaciones de sedimentos; por esta razón se esta estudiando una metodología para el análisis de consistencia mediante pruebas estadísticas de significancia.

8.5. DEFINICION SITIOS DE MEDICION No existe una forma única para efectuar medidas del transporte de sedimentos en las corrientes. Por otra parte, este es un fenómeno que depende de muchas circunstancias y varía fundamentalmente en el tiempo y en el espacio. La selección del sitio de medición o muestreo, depende de las características de la cuenca y de los requerimientos de la información. Previamente debe conocerse el caudal líquido, porque este dato es indispensable para el cálculo del transporte de sedimentos, por lo cuál el aforo de caudal líquido y sólido debe realizarse en la misma sección transversal.

8.6. EQUIPOS E INSTRUMENTAL 70


INSTITUTO DE HIDROLOGIA, METEOROLOGIA Y ESTUDIOS AMBIENTALES - IDEAM 

Instrumental utilizado en un aforo de sedimentos :    



Muestreadores tipo USDH-48, USD-49, USDH-59 Y US-P-61 Muestreadores con bolsa plegable. Tomamuestras superficiales con frascos de 470 ml. Tomamuestras de fondo, tipos, draga y US-BMH

Tipos de muestreadores .    

Muestreadores integradores puntuales. (U.S.P-61) Muestreadores integradores en profundidad. (USDH-48, USD-49, USDH-59, bolsa plegable) Medidores de acción continua (Bombeo) Muestreadores instantáneos. (tipo Van Dorn)

8.6.1.MUESTREADORES INTEGRADORES PUNTUALES.

Consisten, en principio, en un recipiente provisto de una válvula accionada desde la superficie que permite abrir y cerrar a voluntad, el acceso del agua, y permite así tomar muestras en los puntos deseados. Conjuntamente con la válvula de acceso funciona un dispositivo de compensación de presiones que facilita la entrada del agua a la misma velocidad del flujo.

Un modelo perfeccionado es el desarrollado por el Inter-Agency Committe on Water Resources (Comité inter-institucional de los E.U., sobre Recursos Hídricos), corresponden al tipo U.S.P.-61 el cual fue construido en forma original con características hidrodinámicas y consta de un cuerpo de bronce fundido y está provisto de aletas y cola direccional. En la parte anterior se aloja un frasco (en Colombia se utilizan botellas de 500 c.c) de 0.473 litros. La parte delantera del muestreador es rebatible para permitir el acceso a la cavidad donde se aloja el frasco de la muestra; al cerrarla se ajusta a la boca del frasco un empaque en forma de anillo dejando la botella solamente en 71



comunicación con la válvula de acceso y el escape de aire. El muestreador tiene un peso de 46 kilogramos, (100 libras). Para el acceso del agua al frasco se utilizan tres tamaños de boquillas (de 1/4", 3/16" y 1/8"), para utilizar de acuerdo a la velocidad de agua y tiempo de llenado en el punto en donde se va a medir.

8.6.2 MUESTREADORES INTEGRADORES EN PROFUNDIDAD

Los más utilizados son los tipos USDH-48, USD-49 Y USDH-59. Tienen forma hidrodinámica y su peso de 2, 28 y 11 kilogramos respectivamente. Poseen una válvula reguladora de presión que 72



permite la entrada del agua a la boquilla a la misma velocidad del flujo. La botella para la muestra es igual que para el U.S.P.-61, de 0.473 litros(en Colombia, botellas plásticas de 500 c.c). Se utilizan las mismas boquillas de diámetros de 1/4", 3/16" y 1/8".

Los muestreadores USD-49 y USDH-59 se emplean para mediciones en profundidad hasta un máximo de 5 metros y velocidades máximas de 2.0 y 1.5 m/seg. Respectivamente.

El muestreador USDH-48 es el más pequeño de todos y está construido para operarlo con la mano por medio de una varilla en secciones en donde se afore por el sistema de vadeo. La bolsa plegable según experiencias alcanza hasta profundidades del orden de 75 metros. 73



Estos no poseen válvula que controle el acceso del agua y se utilizan para obtener muestras representativas de toda una vertical de medición, haciendo descender el instrumento hasta el fondo y de vuelta a la superficie en una vertical de medición de tal manera que recorra dicha vertical a una velocidad de tránsito constante que está en función de la velocidad de la corriente, de la profundidad y diámetro de la boquilla del muestreador.

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8.7 MÉTODOS DE AFORO 8.7.1 PUNTUAL

En secciones profundas mayores de 5.00 metros se utiliza el método de mediciones puntuales, el cual se práctica generalmente en grandes ríos. 75



Los muestreadores de tipo puntual están diseñados de tal manera que la entrada del flujo por la boquilla hacia el recipiente está controlada por una válvula que puede ser abierta o cerrada eléctricamente desde la superficie. El tiempo de llenado depende de la velocidad del flujo y del tamaño de la boquilla; el instrumento más utilizado para esta clase de mediciones es el USP-61. Para la medición de los sedimentos en suspensión en la vertical con el método puntual existen varias formas de selección de puntos de muestreo: Una muestra única tomada a una distancia desde la superficie a 0.6 veces de la profundidad. Dos muestras, una a 0.2 y otra a 0.8 de la profundidad con igual factor de ponderación. Tres muestras tomadas una cerca de la superficie a 0.2, en la mitad a 0,6 y cerca del fondo a 0.8 de la profundidad, también con igual factor de ponderación. Muestras varias tomadas en diferentes puntos para establecer la distribución de la concentración en la vertical con el grado de precisión requerida, Generalmente se toman muestras al 10% de la profundidad, o sea 10 puntos repartidos equitativamente en la vertical. 

Otras variaciones de las anteriores formas .

Para estas mediciones se debe tener en cuenta la siguiente consideración según Vanoni: el problema en la estimación de la concentración media derivada de varias muestras puntuales conlleva a que pequeñas variaciones de la concentración con la profundidad son de esperarse que sean anormales para el sedimento fino (limo, arcilla), de tal suerte que unos cuantos muestreos darán la concentración media en la vertical. Sin embargo, las arenas tienden a estar localizadas cerca del fondo, de tal manera que las muestras puntuales pueden dar valores erróneos respecto a la concentración de arenas. También la distribución de arenas a lo largo de la profundidad varía con el tamaño de los granos. Así el error en concentración para diferentes tamaños podrá diferir, ocasionando errores en la distribución de tamaños en las arenas. Debido a esto, puede resultar un error apreciable en la concentración de las arenas y solamente un pequeño error en la concentración total. La relación de la concentración verdadera y aquella determinada por medio de una o más muestras puntuales, puede ser definida comparando las concentraciones provenientes de muestreos integrados y las resultantes de muestreos puntuales. Si las concentraciones y volúmenes de transporte se calculan por medio de muestras puntuales, está relación deberá determinarse tanto para la concentración total como para la concentración de arena.

8.7.1.1 Aforo Puntual Con Muestreador U.S.P.-61 USP-61: Profundidades no mayores de 15 metros. Fuente de energía 36 voltios. Aforo normal: Tomar un mínimo de 5 puntos en la vertical, superficial a 0.2, 0.6, 0.8 y fondo. 76



Aforo detallado: al 10% de la profundidad. (mínimo 2 veces al año) En el aforo puntual hay que tener presente la distribución de la concentración tanto en la vertical como a lo ancho de la sección. Se considera que en una vertical no debe tomarse menos de seis muestras igualmente espaciadas para obtener una mejor distribución de la concentración. En cuanto al número de verticales, este no debe ser menor de seis.

a) Procedimiento Para todos los métodos de aforo de sedimentos, la medición del caudal líquido debe ser simultánea o antes del aforo sólido. Se requiere un malacate mínimo de 75 kilogramos de capacidad, una fuente de energía de 36 voltios (tres baterías de 12 voltios de alto amperaje conectadas en serie) y suficientes botellas para las muestras. Comprobar que las baterías tienen la carga requerida y que la válvula de rotación accione correctamente. Se dispondrá de las boquillas de 1/4", 1/8" y 3/16" y de las curvas de tiempo de llenado y velocidad del agua en el punto, en función del diámetro de la boquilla. - El número de verticales no debe ser menor de seis. - En el aforo líquido se medirán las velocidades del flujo en los mismos puntos de la vertical del aforo sólido. Se recomienda tomar muestras en por lo menos seis puntos repartidos igualmente en la vertical. El muestreador debe utilizarse en profundidades no mayores a 15 metros. Se recomienda tomar tres muestras por punto, en un mínimo de seis puntos en la vertical, o sea superficial, 0.2, 0.6, 0.8 y fondo, en profundidades entre 5 y 15 metros. El primer punto debe estar a 0.20 m por debajo de la superficie y el último punto a 0.20 m por encima del fondo. - La operación consiste en bajar y colocar el tomamuestras en el punto predeterminado en la vertical, abrir la válvula durante el tiempo calculado por medio de la gráfica de calibración. Pasado dicho tiempo cerrar la válvula y luego subir el instrumento; extraer la botella y observar si el llenado no ha sobrepasado los 4/5 de su capacidad, lo cual garantiza que el agua no ha recirculado y por lo tanto la muestra está inalterada. Muestras inferiores a los 2/3 de la capacidad de la botella se consideran pequeñas, las cuales se deben rechazar y repetir la medición correspondiente. - Los datos de campo se deben anotar en el formato "Aforo de Sedimentos en Suspensión" y remitir al laboratorio de sedimentos conjuntamente con las muestras debidamente identificadas. 8.7.2 INTEGRADO

En las muestras integradas el muestreador recorre la vertical en ambas direcciones (superficiefondo-superficie), de suerte que toma una cantidad de muestra a lo largo de la vertical y así la medida representa la concentración media en la vertical. 77



El IDEAM utiliza para esta clase de muestreo los integradores USDH-49 y USDH.-59, los cuales no deben emplearse en profundidades mayores a cinco metros.

8.7.2.1 Procedimiento - Se requiere un malacate de mínimo 30 Kg de capacidad y suficiente botellas para el muestreo. - Del aforo líquido realizado anteriormente se toman las velocidades medias de las verticales para determinar por medio de un nomograma o ábaco, las velocidades de tránsito y tiempos necesarios para tomar una muestra adecuada. - Se selecciona la boquilla de acuerdo a las velocidades del flujo y se coloca la botella correspondiente en el instrumento. - El número de verticales no debe ser menor de seis. - Se coloca el tomamuestras de manera que la boquilla enfrente la corriente, se baja entonces hasta el fondo y se regresa nuevamente a la superficie a velocidad de tránsito constante. Se debe tener precaución de no demorar el muestreador en el fondo e impedir que toque el lecho del río, llevándolo a unos pocos centímetros del fondo y así evitar que el sedimento de fondo se levante y altere la muestra. Para esto es necesario conocer de antemano el valor de la profundidad en el sitio de medición. - La velocidad de desplazamiento Vt a la cual el muestreador se opera hacia el fondo y luego hacia la superficie no debe exceder de 0.4 Vm, donde Vm es la velocidad media del flujo en la vertical de muestreo. - La velocidad de desplazamiento hacia el fondo debe ser tal que la relación de compresión del volumen de aire en la botella, no debe exceder a la velocidad de llenado de la botella. - Se rechazarán las muestras que sobrepasen los 4/5 de la capacidad de la botella con lo cual se asegura que no hubo recirculación. Muestras con volumen inferior a los 2/3 de la capacidad de la botella se consideran pequeñas; se podrían admitir cuando estén muy cerca a este límite inferior. - Se empleará una botella en cada muestra y se evitará el trasvase. - Se tomarán por lo menos tres muestras integradas en cada vertical. - Las botellas que contienen las muestras se tapan en forma hermética (tapa y contratapa) para evitar pérdidas de líquido y se transportan al sitio donde se ha de efectuar el filtrado. - En forma simultanea a la medición, se consignarán los datos resultantes en el formato "Aforo de Sedimentos en Suspensión". 78



Muestreo Con El U.S.D.H-48

Es el muestreador más pequeño del tipo U.S.D.H, está construido para operarlo con la mano por medio de una varilla de 1/2” de diámetro colocada en la parte superior del instrumento, la cual es normal a la horizontal de la boquilla. El instrumento se usa en secciones en donde se aforé por el sistema de vadeo. En la parte inferior tiene una cavidad en donde se aloja la botella, la cual se ajusta mediante un dispositivo que aprisiona la botella por medio de un resorte. El muestreador está calibrado para una boquilla de 1/4", sin embargo se puede utilizar con una boquilla de 3/16". • Procedimiento

La operación del muestreador es muy sencilla. Para tomar una muestra integrada, la operación de descenso y ascenso del instrumento se hace con la mano de acuerdo al nomograma que aparece en la figura 19, en donde se toma la velocidad de tránsito y los tiempos necesarios para obtener una muestra adecuada. El instrumento puede tomar una muestra hasta nueve centímetros por encima del fondo. Las normas sobre número de verticales, llenado de botellas, número de muestras y formato de campo son las mismas de los instrumentos antes descritos.

b) Utilización Del U.S.P-61 Como Integrador Para profundidades hasta de cinco metros se puede utilizar el instrumento como integrador, haciendo el recorrido de bajada y subida con la válvula abierta. Para profundidades mayores de cinco metros y menores de diez metros, el muestreador se lleva cerrado hasta el fondo, en este punto se abre la válvula e inmediatamente se inicia el recorrido hasta la superficie. Ahora, para profundidades mayores a diez metros pueden tomarse dos muestras integradas, una desde el fondo a la mitad de la vertical y otra sobre la mitad hasta la superficie del agua. La combinación de ambas dará la muestra integrada sobre toda la vertical. 8.7.3 MUESTRAS DE FONDO

Para la toma de sedimentos de material de fondo, existe una variedad de instrumentos construidos de acuerdo a las condiciones, comportamiento de los cauces y clases de material a tomar. Muestreo: cada vez que se realice un aforo sólido. Debido a la dificultad que implica la toma de las muestras en algunas secciones de aforo, se debe realizar un inventario de aquellos sitios que físicamente no es posible realizarlo para analizar particularmente una solución.

8.7.3.1 Muestreador Tipo Almeja " Van Veen´s Grab" 79



Es un muestreador tipo draga, de fácil manejo, permite tomar la muestra en forma manual. El instrumento está formado por un cucharón de quijadas (almejas) y un sistema de cierre automático que en el momento de lanzar el muestreador al agua, dichas quijadas van abiertas y al tocar el fondo, la palanca que mantiene el cucharón abierto, se desconecta y al halar el cable, se cierra y aprisiona la muestra del fondo, que después se saca a la superficie. Estos aparatos son de construcción sencilla y fuerte, la mayoría están construidos en acero; los más pequeños tienen adicionado un par de lastres o pesas que están localizadas encima de las quijadas.

8.7.3.2 Muestreador US-BMH-60 y US-BMH-54 Son muestreadores con pesos netos de 14 y 45 kilos respectivamente, se utilizan para tomar muestras de fondo en corrientes con fondo compuesto de material fino o arenas y velocidades máximas de 1,5 m/seg. , lagos o embalses. El instrumento fue diseñado por The Federal Inter Agency Project de los EEUU. El cuerpo de los muestreadores, está hecho de aluminio y está equipado con cola y aletas direccionales, con una longitud de 56 cm. Consiste en una cuchara o cubeta, colocada en la parte inferior del instrumento, la cuál se abre por medio de una llave bristol, quedando sujeta por un seguro o trinquete que a su vez se sostiene por el soporte de suspensión del instrumento. La cuchara o cubeta está conectada a un mecanismo de cierre automático que impulsa dicha cuchara por medio de la fuerza de torsión de un resorte, en el momento en que el instrumento toca el fondo, el soporte de suspensión suelta el seguro y se cierra la cubeta, capturando la muestra de fondo correspondiente. La capacidad de la cubeta es de 175 c.c. de material, y esta penetra en el sedimento de fondo 4.3 cm. La caja de la cubeta es completamente hermética cuando está cerrada. Posee empaques que evitan la penetración de agua y sedimento protegiendo la muestra de alteraciones.

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8.7.3.3 Muestreador de Cono Utilizado para muestras de fondo en ríos grandes con fondo de arenas y material fino; de planicie aluvial, bajas pendientes.

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8.7.4 BOLSA PLEGABLE

El uso de muestreadores de sedimentos con bolsa plegable ha sido ensayado en países como los Estados Unidos, Canadá, Alemania, Francia y Holanda. En Colombia fue en el río Orinoco donde se desarrollaron las primeras experiencias con la participación del HIMAT, durante el desarrollo del “ Taller sobre hidrometría de grandes ríos”, organizado por Venezuela y patrocinado por la Organización Meteorológica Mundial - O.M.M. Con base en estas experiencias el HIMAT, implementó esta metodología para grandes ríos por primera vez en el río Putumayo, dentro del marco del convenio Colombo-Peruano, con resultados satisfactorios. En sí, el muestreador de bolsa plegable, diseñado por el Geological Survey de los E.E U.U, se utiliza para recoger muestras integradas de sedimentos en suspensión en corrientes con profundidades mayores a 5 m. También se puede emplear en forma horizontal, para recoger muestras integradas de una sección, a una misma profundidad (Embarcación a velocidad constante y uniforme). 82



8.7.4.1 Ventajas       

Más económicos. Son más sencillos. Son más livianos. Sus partes y elementos se consiguen fácilmente en el mercado nacional o se pueden fabricar, dada su sencillez. Recogen muestras integradas en una misma vertical. Recogen muestras integradas de una sección a una misma profundidad. Recogen muestras de gran volumen.

8.7.4.2 Desventajas • Las muestras recogidas en la bolsa plegable siempre deben ser depositadas en otro recipiente

para enviarlas al laboratorio. • Como los muestreadores van acoplados al escandallo existe una zona que queda sin muestrear debido a la distancia H entre el escandallo y la botella. • Se deben usar tantos tamices como verticales tenga el aforo, para evitar que se retengan partículas de menor tamaño por la acumulación del sedimento una vez se ha pasado por el mismo tamiz varias muestras.

8.7.4.3 Componentes del Muestreador Este consta de los siguientes elementos: ♦ Canastilla.

Fundamentalmente se emplean dos tipos de canastillas, una para contener una botella de 3 o 4 litros (1 galón), y otra para contener una botella de 7 u 8 litros (2 galones). ♦ Botellas o garrafas Plásticas Perforadas.

En el comercio local se consiguen estas botellas plásticas de uno o dos galones con el cuello y la boca localizadas lateralmente. Los huecos que debe tener la botella, sirven para evitar la presión a la que se somete cuando esta sumergida. ♦ Tapa Plástica Hidrodinámica.

En el HIMAT se diseño una tapa especialmente adaptada a la garrafa, la cual soporta la boquilla; esta tapa puede ser de otro material. La tapa original que trae la botella no debe desecharse, ya que se utiliza mientras no se use la tapa con la boquilla y así evitar que se dañe la rosca de la botella.

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♦ Boquillas.

Se usan las mismas boquillas que suelen emplearse en los muestreadores del tipo U.S.P o U.S.D.H y su material puede ser de aleación de bronce o teflon. Los diámetros son: Boquilla N° 1 Boquilla N° 2 Boquilla N° 3 Boquilla N° 4

1 8 3 16 1 4 5 16

de pulgada o 3.18 mm de pulgada o 4.76 mm de pulgada o 6.35 mm de pulgada o 7.94 mm

Las boquillas de teflon se emplean primordialmente cuando se requieren muestras no contaminadas por las boquillas de metal.

8.7.4.4 Bolsas de Plástico Las bolsas de plástico o polietileno utilizadas, tienen un calibre de 45 milésimas de milímetro y el tamaño de 25 por 40 cm. , sirve para botellas de un galón y el tamaño de 35 por 50 cm. , para las botellas de dos galones. Es importante que antes de usarse las bolsas se humedezcan preferiblemente con agua de la corriente objeto de la medición por lo general se llenan con agua hasta la mitad, para verificar que ésta no tenga escapes.

8.7.4.5 Pesa o Escandallo Dependiendo de la profundidad y la velocidad de la corriente se usan las pesas hidrodinámicas o escandallos convencionales de 50, 75 ó 100 kg, con sus respectivas platinas para sujetarlos a la canastilla y al molinete.

8.7.4.6 Lastre de la Bolsa Se usa un lastre de 30 a 50 gramos que debe ser colocado dentro de la bolsa plástica con el objeto de mantener el fondo de ésta en el fondo de la botella, también puede emplearse una esfera de vidrio (bola de cristal de 2 cm de diámetro).

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8.9 ERRORES Y LIMITACIONES EN LAS MEDICIONES DE SEDIMENTOS Se pueden considerar dos formas que originan errores frecuentes durante la actividad de muestreo de los sedimentos: 8.8.1 USO INCORRECTO DE LOS MUESTREADORES DE SEDIMENTOS

La velocidad de acceso en la boquilla del instrumento debe ser igual a la velocidad del flujo en el punto de muestreo. Cuando estas condiciones cambian los errores de medición que se producen pueden ser determinantes. Los errores de medición que se producen cuando la velocidad del agua en la boquilla es diferente de la velocidad de la corriente, estos son inapreciables en el rango de las partículas menores de 0.06 mm. Para partículas mayores de 0.06 mm. el error es tanto más pronunciado cuando mayor es el tamaño de partícula y la desviación de la velocidad de entrada respecto a la velocidad de la corriente en el punto de toma. Cuando la velocidad en la boquilla es menor que la velocidad de la corriente, las muestras contienen un exceso de sedimentos, mientras que las muestras recogidas a mayor velocidad que la que tiene la corriente arrojan valores por defecto de la concentración de sedimentos. La magnitud de los errores en la concentración para diferentes relaciones de velocidad de toma varía entre 0.25, 0.50, 3.0 veces la velocidad de flujo, para diferentes tamaños de partícula de suspensión. A medida que dichas partículas son de inferior diámetro, la magnitud del error decrece. Usualmente los fabricantes de estos equipos advierten que las boquillas están calibradas para cada instrumento individualmente. La incorrecta orientación del equipo respecto a la dirección del flujo reduce la concentración de la muestra. En ensayos en laboratorios de hidráulica se ha encontrado que una desviación angular menores de 20 grados no tiene un efecto apreciable en la precisión del muestreo mientras que una desviación de 30 grados resulta en un error de -7%. Es importante que la sección de la boquilla debe ser normal a las líneas de flujo. La pérdida de representatividad de la muestra por rebosamiento y recirculación del contenido de la botella. Se recomienda que el llenado de la botella se realice de acuerdo a las instrucciones de muestreo en cuanto a tiempos de llenado con relación a la velocidad del flujo, de tal forma que se garantice un volumen no superior al 75% de la capacidad de la botella. Ver instructivos de medición. La extrema aproximación del muestreador al lecho con la consecuente captación de partículas de arrastre o saltación que alteran el contenido de sólidos suspendidos de la muestra. 8.8.2 EFICIENCIA Y LIMITACIONES DE LOS MUESTREADORES DE SEDIMENTOS. 

Representatividad de las muestras.

Dadas las características de variación temporal y espacial del proceso de difusión que gobierna el fenómeno de la suspensión, se puede requerir de un gran número de muestras para definir con 85



exactitud la concentración media de la carga en un punto dado del campo de flujo. La experiencia demuestra que las máximas desviaciones de la concentración media se presentan en corrientes donde la carga suspendida consiste principalmente de partículas de arena, mientras que en la carga compuesta primordialmente por limos y arcillas estas desviaciones son menores. 

Tamaño óptimo de la muestra.

Debido a la limitada capacidad de los recipientes de los muestreadores especialmente de la serie US en donde se aprecia que cuando la muestra presenta baja concentración y las partículas son de variado tamaño puede resultar un peso relativamente mayor que el real, distorsionando la distribución de los tamaños de diámetros a la carga medida, para lo cual es necesario tomar varias muestras del mismo punto. Para obviar este problema se ha implementando el muestreador de la bolsa plegable el cual toma una muestra mucho más grande. 

Otros aspectos importantes.

Las mediciones que se realizan por verticales no muestrean la totalidad de los sedimentos debido a que el instrumento no llega hasta el lecho mismo de la corriente. La magnitud de esta distancia, entre el lecho y el instrumento, dependerá de la forma y tamaño del equipo, del método de operación, de la consistencia o firmeza del fondo y de la presencia de formas del lecho. Como consecuencia, no todos los sedimentos de la vertical tienen la posibilidad de ser captados por el muestreador Para analizar en forma teórica la cantidad de sedimentos no medida, Chien (1952), definió el concepto de eficiencia de una medición integrada en profundidad como la relación entre la cantidad de sedimentos representada en la muestra ( desde la superficie la distancia sobre el fondo) y la cantidad total de sedimentos en suspensión y de arrastre presentes en la vertical, para un cierto tamaño de partículas del material del lecho. Se deduce que cuanto menor es la profundidad, menor es la eficiencia del muestreo, dado que en la zona no medida es proporcionalmente mayor.

8.9 MONTAJE Y USO DEL MUESTREADOR Dependiendo de los muestreos a realizar; es decir, si se requieren tomar solamente muestras integradas se usa el muestreador y el escandallo, si adicionalmente se desea medir la velocidad de la corriente, se adiciona el correntómetro. El orden de colocación de los mismos depende de los medios y facilidades de trabajo en el sitio, de tal forma que se podrá instalar de arriba hacia abajo, el muestreador, el correntómetro y el escandallo o arreglar este orden como convenga, siempre y cuando el escandallo esté por debajo como se observa en la figura, definido esto se procede a introducir la bolsa dentro de la botella, dejando 5 cm. , que se doblan sobre la boca del recipiente, procurando que los pliegues queden uniformemente distribuidos al enroscar la tapa con la boquilla, a continuación la botella se coloca dentro de la canastilla y se asegura con una cuerda, dando una vuelta completa alrededor del cuello.

86



Luego se baja el muestreador al nivel de agua, permitiendo que la botella perforada se llene de agua, teniendo cuidado que no entre agua por la boquilla. Al iniciar el muestreo se pone en funcionamiento el cronómetro, el contador de revoluciones del molinete y se inicia el tránsito vertical el cual debe ser contante, aproximadamente entre 0.2 y 0.4 veces la velocidad de la corriente. Al recuperar la muestra es importante verificar que al salir la boquilla del agua, no salga agua por la misma, si esto ocurre, se ha presentado recirculación, y el muestreo debe realizarse nuevamente; a continuación se toma la botella por el cuello y se inclina ligeramente hacia adelante, se suelta el cordel y se retira la muestra de la canastilla, se desenrosca la tapa de la botella, cuidando que la bolsa no resbale dentro de la misma y se pierda la muestra, después que se haya medido con la probeta y se haya pasado por el microtamiz, parte del sedimento queda pegado a la bolsa y es necesario lavarla con un atomizador, esta agua de lavado debe desecharse ya que no forma parte de la muestra. 8.9.1 TAMAÑO DE LA BOQUILLA, TASA DE TRÁNSITO Y CALIBRACIÓN DE CAMPO

Para determinar el tamaño de la boquilla y la tasa de tránsito, con el fin de evitar el sobrellenado o recirculación se debe tener en cuenta la figura: Tiempo requerido para recoger un litro de muestra.

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Ejemplo: Profundidad

= 20

mt. 88



= 40 mt. Recorrido superficie - fondo - superficie = 1.2 mt/seg. Velocidad media de la corriente 0.2 de ∇ ≤ tasa de tránsito ≤ 0.4 de ∇ sí se asume 0.3 de ∇ entonces la tasa de tránsito es = = 0.36 mt/seg. 0.3x∇ = 0.3 x 1.2 mt/seg. = 111 Seg. Tiempo de tránsito 40 mt / 0.36 mt/seg.

De la figura anterior y si la velocidad media ∇, es igual a 1 mt/seg. , obtenemos que para recoger un (1) litro de muestra, empleando las 4 boquillas se requiere un tiempo determinado como se observa en la siguiente tabla: BOQUILLA N°.

MUESTRA

1 2 3 4

1 Lt 1 Lt 1 Lt 1 Lt

TIEMPO

130 57 32 20

La capacidad máxima de los muestreadores, para evitar el sobrellenado y la recirculación es de 2.65 litros en la botella de 1 galón (3.785 lt), y 5.30 litros para las botellas de 2 galones. 8.9.2 CALIBRACION DE CAMPO

El muestreador deberá calibrarse en el campo antes de usarlo y chequear esta calibración tantas veces como se pueda. El procedimiento consiste en medir la velocidad de la corriente vc en un punto y recoger una muestra de t segundos en el mismo punto. La velocidad de desplazamiento de la boquilla vb, es: V(cm) 3 cm = vb = A(cm) 2 xT(seg,) seg

En donde: V = Volumen de la muestra en cm3 A = Area de la boquilla en cm² T = Tiempo en segundos El área de cada una de las boquillas es: BOQUILLA N°

1 2

AREA CM²

0.079173 0.178139 89



3 4

0.316692 0.494832

La eficiencia hidráulica eh es: eh =

vb vc

Si la eficiencia hidráulica está por debajo de 0.90, es necesario verificar si la boquilla tiene protuberancias o irregularidades a la entrada, Esta debe ser hidrodinámica y el orificio perfectamente uniforme. La calibración de campo debe mostrar una eficiencia promedio de 0.95 para velocidades entre 1 y 3 mt/seg.

8.10 PROCESAMIENTO DE MUESTRAS EN EL SITIO Siempre ha sido un inconveniente transportar numerosas botellas al campo y regresarlas al laboratorio, por ello se debe disponer de los siguientes elementos: Dos (2) baldes graduados con tapa para mezclar las muestras. Dos (2) probetas graduadas de 500 ó 1000 mililitros. Dos (2) frascos con atomizador. Dos (2) embudos de 20 cm de diámetro superior para colocar el tamiz. Doce (12) microtamices de 3 pulg. de diámetro con malla de 0.063 mm. , es decir 63 micras con base y tapa. Botellas plásticas de 100 y 500 mililitros para muestras. Rótulos para identificar las muestras. Cada una de las muestras se debe analizar por separado, una vez que se ha tomado la muestra, se retira la muestra de la canastilla, se vierte la muestra en el tamiz, pasando ésta por el embudo y quedando en la probeta. Se registra el volumen y se vierte el contenido de la probeta en el balde, que debe permanecer tapado, hasta tanto no se procese otra muestra. Se lava la bolsa plástica, vaciando el agua en el otro tamiz, para rescatar el sedimento que ha quedado adherido en sus paredes interiores, el agua de lavado se desecha. Se continúa con el muestreo de las demás verticales definidas a lo largo de la sección, usando en toda medición la misma tasa de tránsito, las muestras sacadas de cada una de las verticales, se recomienda pasarlas por diferentes tamices, aunque se puede pasar por un único tamiz, corriendo el riesgo acarrear imprecisiones por la retención de partículas de menor tamaño que ocurre en las últimas muestras. Las partículas de lavado que retuvo el otro tamiz se recogen lavando éste en la botella de 100 ml, utilizando para ello el embudo y el atomizador, igualmente se rotula. 90



Se pasa la muestra por un microtamiz de 63 micras, el agua se almacena en un balde una vez tomado el volumen. Se determina el volumen del filtrado con una probeta y posteriormente del volumen total almacenado se toma una alicuota representativa en un frasco de 500 ml, partículas menores de 63 micras. Posteriormente se pasan las partículas mayores de 63 micras a un frasco plástico pequeño. Luego se llevan al Laboratorio donde se toma el volumen de la muestra líquida es decir de las partículas menores de 63 micras, en una probeta graduada.

8.11 ANÁLISIS DE LABORATORIO Para el procesamiento de las muestras de sedimentos es necesario contar con un laboratorio con el fin de determinar las concentraciones de sedimentos en suspensión y la distribución del tamaño de la partículas de sedimentos en suspensión y el material del lecho. Además se incluyen otros tipos de análisis asociados con estas dos formas como son: las determinaciones cuantitativas y remoción de materia orgánica y sólidos disueltos, el peso específico de partículas de sedimentos, el peso unitario de los suelos y depósitos de sedimentos, determinación de la forma de las partículas y análisis mineralógicos asociados con la geoquímica. Las funciones de un laboratorio de sedimentos es determinar la concentración de sedimentos en suspensión en las muestras tomadas por medio de las mediciones en los ríos; determinar la distribución del tamaño de las partículas de sedimentos en suspensión, material de fondo y depósitos en embalses; y analizar la forma de las partículas, el peso específico, la materia orgánica, la densidad, la mineralogía y la composición petrográfica de los materiales. Los datos de la concentración y tamaño de las partículas se emplean para determinar los volúmenes de sedimentos en suspensión y de arrastre de fondo, así como el transporte total de sedimentos de los ríos, como también calcular los volúmenes probables y pesos específicos de depósitos en embalses, canales de riego, dársenas, etc. El carácter muy diverso de los sedimentos fluviales hace que la escogencia de los análisis de laboratorio sea algo difícil, así como el mismo procesamiento de los datos. En general los métodos utilizados son los recomendados por varios investigadores y que han sido desarrollados y usados rutinariamente por científicos y técnicos de laboratorios de sedimentos en todo el mundo. Estos se resumen en los siguientes: métodos de filtración y evaporación para el análisis de la concentración de sedimentos; métodos usados para el análisis del tamaño de las partículas de muestras de sedimentos en suspensión que incluyen el tamizado, pipeteado, el pipeteado-tubo VA, dependiendo del equipo disponible, la concentración y tamaño aproximado del sedimento de la muestra y el medio de asentamiento usado. Para el material del lecho se utiliza generalmente el tamizado usado para el análisis de arenas u otro método de tipo visual para tamaño mayores; los métodos para el análisis de la fracción de limo y arcilla; y los métodos petrográficos que son de gran importancia en los estudios del origen geológico de las partículas. 91



8.11.1 ACTIVIDADES

Determinar las concentraciones de sedimentos en suspensión por medio del método más adecuado que puede ser por filtración o evaporación. Sin embargo el método de filtración tiene ventajas obvias sobre el de evaporación. Se deben utilizar filtros de fibra de vidrio; el secado se debe realizar a 110° C para efectos de análisis de concentración y unificar dicha medida con los demás países. La calcinación a 600° C se debe hacer cuando el material posee porcentajes muy bajos de calcio. Realizar el análisis con los procedimientos propios de cada método. Determinar la distribución del tamaño de sedimentos en suspensión. Este análisis depende del tamaño de las muestras que suministren un volumen suficiente y representativo. Los métodos utilizados son los siguientes: tamizado húmedo y filtrado; tamizado-pipeteado con divisiones de tamaños entre 0.002 y 2.00 mm y si está en rango de limos entre 0.008 y 0.031 mm.; el tubo de acumulación visual VAT; y el tubo granulométrico BWT (Botton Withdrawal Tube). Elaborar las curvas granulométricas correspondientes. Analizar las fracciones de limos y arcillas de las muestras de sedimentos. Separación de la arena de los finos. Utilizar los métodos descritos en el aparte anterior. Determinar las granulometrías de los sedimentos de fondo. Análisis del material grueso (arenas y gravas) por el método de tamizado. Se debe utilizar una serie de tamices normalizados con rangos entre los 76 y 0.037 mm. con mínimo de 15 tamices distribuidos de acuerdo al tamaño máximo y mínimo con el fin de lograr una distribución bien graduada de las arenas, que pueda ajustarse a una recta en un gráfico granulométrico logarítmico de probabilidad o una ese en un gráfico semilogarítmico. Seguir los procedimientos correspondientes a este método. Analizar la composición petrográfica de los sedimentos según tipos de rocas que permita obtener información en relación a las zonas de las cuales es originaria las partículas de acuerdo a las zonas críticas y activas de las cuencas y de los cauces.(geoquímica). El laboratorio de sedimentos debe estar dotado con los equipos completos necesarios para obtener una información precisa y confiable. No se debe escatimar esfuerzos en cuanto el análisis de muestras provenientes del campo, donde el gran número de ellas hace dispendioso y monótono el trabajo de análisis, esta labor seguramente redundará en obtener una información necesaria para el conocimiento del comportamiento morfológico de nuestros ríos y así mismo en el desarrollo del país. Para determinar la concentración de sedimentos, se toman muestras superficiales a, ½ y ¾ de la sección transversal, en botellas plásticas especiales de 500 ml, para luego tomar los volúmenes de muestra y registrarlos en formatos adecuados en el sitio de muestreo. 8.11.2 PROCEDIMIENTO

La determinación del volumen se realiza utilizando una probeta. 92



Se filtra al vacío utilizando un embudo Buchner, empleando un frasco lavador para asegurar que no queden sedimentos en la botella. El filtro ligeramente húmedo se deja secar evitando que se pierda sedimento. Se empaca adecuadamente en sobres de polietileno. 1. Una vez recibidos los filtros de papel que contienen los sedimentos, se procede a realizar la respectiva radicación de las muestras. 93



2. Se almacenan en el cuarto de muestras, clasificando por áreas operativas. 3. Se taran los crisoles, calcinándolos a 600 °C por 30 minutos. Se enfrían a temperatura ambiente en desecadores que contienen cloruro de calcio (Cl 2Ca), se pesan en balanza analítica de precisión con 5 cifras decimales. 4. Se asigna y se coloca cada papel de filtro en un crisol tarado, registrando cada dato en el formato correspondiente. 5. Las muestras se introducen en la mufla a 350 °C durante 15 minutos para carbonización del papel sin que ocurra combustión, posteriormente se sube la temperatura a 600 °C durante 30 minutos. 6. Se deja enfriar en desecador. 7. Se pesan las muestras, manejando los crisoles con pinzas, en balanza analítica de precisión de 5 cifras decimales. 8. Se registra el peso en el formato y se envía al área operativa.

8.11.2.1 Procedimiento De Laboratorio Para Bolsa Plegable Se pasa la muestra a través de un filtro de membrana de Acetato de Celulosa de 0.45 micras y de 47 mm de diámetro. Se elimina la humedad sometiéndola a temperatura de 105 °C para su posterior calcinación durante 1 hora a 600 °C, temperatura que se alcanza progresivamente. Se determina su peso en una balanza analítica de precisión de 3 cifras decimales. El sedimento que quedó en el microtamíz o sea las partículas mayores de 63 micras se colocaron en crisoles previamente marcados y tarados secaron en la estufa a 105 °C durante 1 hora y se pesaron. Posteriormente se tapan y se pasan a la mufla para calcinarlas a 600 °C por media hora con el fin de eliminar la materia orgánica, posteriormente se pesan y se determina el peso neto de las partículas y su concentración de acuerdo al volumen total del aforo líquido. Los resultados se reportan como: Peso neto a 105°C y Peso neto a 600 °C

94



8.11.3 PROCESOS Y CÁLCULOS

8.11.3.1 Cálculo de aforos puntuales Con la información obtenida en campo (muestras) y el formato de "Medición Detallada de Materiales en Suspensión", debidamente diligenciado en sus columnas 1- 2- 3 y 6, se envía a laboratorio para allí iniciar el proceso de cálculo; éste obtiene el volumen, identifica el crisol y determina la tara, el peso (columnas 7 - 8 - 9 y 10). La columna 5 de velocidad debe llenarse una vez calculado el aforo líquido, el dato de velocidad allí consignado para el caso de aforos integrados es la velocidad media en la vertical y para el caso de aforos puntuales es la velocidad en el punto (0.2 - 0.6 -0.8). La columna 4 solo se llena cuando en el campo se hace un aforo sólido, sin haber realizado el aforo líquido, entonces como es lógico el aforador debe medir velocidades por cualquiera de los métodos conocidos. El calculo se continua utilizando para ello el formato adjunto en donde la columna 11 concentración, se calcula siguiendo el siguiente procedimiento, formato de "Medición Detallada de Materiales en Suspensión", se toman los valores de las columnas 7 - 9 y 10 y se realiza la siguiente operación: Cm = Cm =

10 − 9 7

Peso − Tara Volumen

las unidades

mg mg = 1 lt lt ml x 1000 ml

La columna 12 concentración media - Cm , se calcula a partir de la columna 11, para aforos puntuales es igual al valor obtenido en cada punto, si se ha tomado más de una muestra, el valor consignado será el promedio. Se agrega además dos concentraciones una para la profundidad cero (superficie) igual a la concentración en el punto de medición más próximo a la superficie y otra para la profundidad total (fondo) igual a la concentración en el punto de medición más próximo al fondo. La columna 13 gasto sólido puntual - GSP , es igual a la concentración media (columna 12) multiplicada por la velocidad calculada del aforo líquido, columna 5 del formato 32-06-83. GSP = 12X5 GSP =

las unidades mg m 1g 1000lt g x x x = lt seg 1000mg m 3 m 2 xseg

95



La columna 14 son los valores medios del gasto sólido puntual - GSP de puntos sucesivos de la vertical, considerando también los puntos ficticios de la superficie y fondo, tiene las mismas unidades de la columna 13. La columna 15 profundidad del aforo ∆y en metros es igual a la distancia vertical entre puntos sucesivos de medición, que se deducen de las profundidades de medición puntual columna 3 del formato 32 - 06 - 83. La columna 16 gasto s ólido puntual por vertical - GSPV, es el resultado de multiplicar la distancia vertical por el gasto sólido puntual. GSPV = GSPX ∧ Y g

Las unidades

m 2 xseg

xm

=

g m xseg

La columna 17 gasto sólido en la vertical - GSV , se obtiene de la suma de los gastos sólidos parciales por vertical de la columna 16 y conserva las mismas unidades. La columna 18 gasto sól ido medio entre verticales - GSV , es igual al promedio de los valores de la columna 17, asumiendo para la primera y última sección ½ de primera y última vertical y para las restantes el promedio de dos verticales sucesivas. La columna 19 distancias parciales Dx , entre verticales referenciadas al PR, viene dadas en metros m La columna 20 transporte - S, es igual al producto de los datos de la columna 18 por los de la 19. S = Dx * GSV

Las unidades

g g 1kg kg = xm = x m xseg seg 1000g seg

Como el transporte se da en unidades de kilotonelada / día, entonces se hace la respectiva conversión de unidades, kg m 3 kg ton kiloton 86400Seg kiloton x x x x = = 3 Seg Seg 1000kg 1000ton dia dia m

Para calcular la concentración superficial del aforo, a las tres muestras se les hace el mismo procedimiento de laboratorio y posterior cálculo, es decir peso menos tara dividido entre el volumen 96



de la muestra, los tres valores obtenidos se promedian y se expresan en unidades de mg/lt y dividiendo directamente por 1000, obtengo kg/m3. A través de una correlación entre concentración media -Cm y Concentración Superficial - Cs, se obtiene una ecuación del tipo: Cm = Ax X B

A = Constante X = Concentración Superficial B = Exponente conversión de unidades mg 1kg 1000lt kg = 3 x x lt 1000000mg 1m 3 m

Como no es posible estar aforando diariamente, entonces el observador toma 3 muestras diarias (¼ - ½ - ¾ del ancho), A estas muestras diarias se les hace el mismo tratamiento de laboratorio hasta obtener la concentración superficial, la cual a través de la ecuación se convierten en concentración media. El transporte diario se calcula multiplicando CmxQ. IDEAM

MEDICION DETAL LADA DE MATERIALES EN SUSPENSION

INSPECTOR : ................................................................. LA BORA TORISTA : ...................................................... H O R A I N IC I A L : .. .. .. .. .. .. .. .. .. . H O R A F IN A L : . .. .. .. .. .. .. .. .. E Q U IP O : . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. CAUDAL : . .. .. .. .. .. .. .. .. DIST A NC IA DES DE PR

1 1/ 4 1/ 2 3/ 4

PROFUNDIDA D TO TA L PUNTUA L

2

3

ESTA CION : ................................................. CODIGO CORR IENTE : ................................................. FECHA N I VE L IN IC I A L : . .. .. .. .. .. .. .. . N IV E L F I NA L : . .. .. .. .. .. .. .. .. .. I NT E G R A D O : . .. .. .. .. .. .. .. . P U N TU A L : . .. .. .. .. .. .. .. .. ..

VEL OCIDA D A FOR A DOR PR OC ESO

4

5

M UEST R A N°

6

: .............................................. : .............................................. N I VE L PR O M E D IO : . .. .. .. .. .. .. . P A G I NA : . .. .. .. .. . D E . .. .. .. .

VOL UM EN ml gr

C RISOL N°

TA R A mg

PE SO mg

7

8

9

10

32 - 06 - 83

97



IDEAM

CALCULO MEDICION DETALLADA DE MATERIALES EN SUSPENSION

INSPECTOR : ................................................................. LABORATORISTA : ...................................................... HORA INICIAL : ................... HORA FINAL : ................. EQUIPO : ............................. CAUDAL : .................

ESTACION : ................................................. CODIGO : .............................................. CORRIENTE : ................................................. FECHA : .............................................. NIVEL INICIAL : ................ NIVEL FINAL : ................... NIVEL PROMEDIO : .............. INTEGRADO : ................ PUNTUAL : ................... PAGINA : .......... DE ........

C mg/lt

Cm mg/lt

GSP g m xseg

GSP g m xseg

Y m

GSPV g m xseg

GSV g m xseg

GSV g m xseg

Dx m

S kg/seg

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

98



BIBLIOGRAFIA

ARDILA HERNANDEZ, Guillermo. Muestreador de sedimentos con bolsa plegable, Bogotá: HIMAT, 1990. 31 p. BOJEN J., WALLING D.E., DAY T.J. Erosion and Sediment Transport Programmes in River Basins. IAHS Publication N° 210. Oslo, 1992. C.F. Nordin, Jr., 1982, Instructions for use of the 3 liter, 4 liter, and 8 liter: Collapsible bag sampler. USGS WRD, Box 25046, MS 413, Denver Federal Center, Lakewood, Colorado 80225 USA. Revised January 29, 1982. Curso de hidraulica del trasporte de sedimens. Departamento de Ingeniería Civil, Facultad de Ingeniería, Universidad de Los Andes. Santa Fe de Bogotá.1989 Curso internacional de riegos. Ecuación Universal de Pérdida de Suelo. Curso Internacional sobre Conservación y Manejo de Suelos y Agua. Deparment of Agricultural and Irrigation Engineering. Utah State University, Logan, Utah U.S.A. 1985 GRAF, W.H. “Hydraulics of Sediment Transport”, Water Resources Publications. U.S. Library of Congress Catalog Number 79-128788. Guia de practicas hidrologicas. Volumen l. Adquisición y Proceso de Datos. OMM-N° 168. Ginebra. Suiza. 1984 GUZMAN A, Hector, Conceptualización Programa Sedimentos IDEAM, Bogotá 1999. HIDROMETRIA. Manual de Instrucciones. Proyecto Hidrometeorológico Centroamericano. San José, Costa Rica.1980. KLOHN W.,STANESCU S. "Notas Técnicas e Instrucciones para Medición, Cálculo e Interpretación de Cargas de Sedimentos" en Suspensión. SCMH. OMM. Publicación Aperiódica N° 15. Bogotá, 1970 MAKIN, J.H. “Concept of the Graded River”. Boletín de la Geological Society of America. Vol.59 pp. 463-512. 1948. OLAYA T, Guillermo. "Curso Taller práctico para hidromensores- Muestreo de sedimentos- Aforos sólidos". Bogotá 1996. Proyecto cuenca magdalena cauca, convenio colombo-holandes. Transporte de Sedimentos y Morfología fluvial. Himat. Bogotá, 1977.

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Aforos

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