PRACTICA Nº 01 “AFORO DE CAUDALES CIRCULANTES EN RIO CLARO
- JAMUNDI”
VANESSA GARCÍA CARDONA CODIGO 0635347
UNIVERSIDAD DEL VALLE ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL Y GEOMÁTICA INGENIERÍA TOPOGRÁFICA MARZO 12 DE 2010 1
PRACTICA Nº 01 “AFORO DE CAUDALES CIRCULANTES EN RIO CLARO
- JAMUNDI”
VANESSA GARCÍA CARDONA CODIGO 0635347
Trabajo presentado a la asignatura Topografía Aplicada
Profesor Alberto Higuera
UNIVERSIDAD DEL VALLE ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL Y GEOMÁTICA INGENIERÍA TOPOGRÁFICA MARZO 12 DE 2010 2
TABLA DE CONTENIDO PÁG. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................ 4 1. OBJETIVOS ............................................................................................................... 5 1.1 Objetivo General ....................................................................................................... 5 1.2 Objetivos Específicos ............................................................................................... 5 2. JUSTIFICACIÓN ........................................................................................................ 6 2. MARCO TEÓRICO .................................................................................................... 7 2.1 Aforo .......................................................................................................................... 7 2.2 Método de medida de velocidades ............................................................................ 7 2.2.1 Método del correntómetro o molinete .......................................................... 7 2.2.2 Método del flotador ...................................................................................... 8 2.2.3 Método del vertedero ................................................................................... 9 2.2.4 Método volumétrico.................................................................................... 11 3. MATERIAL Y EQUIPO ............................................................................................. 11 4. METODOLOGÍA ...................................................................................................... 12 5. RESULTADOS OBTENIDOS ................................................................................... 14 6. CONCLUSIONES .................................................................................................... 19 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................ 20
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INTRODUCCIÓN La cantidad y frecuencia de los caudales circulantes son unos componentes esenciales que determinan la calidad del agua, la capacidad de abastecimiento y la integridad ecológica del ecosistema de ribera. De hecho, el caudal está íntimamente relacionado con los procesos geomorfológicos, físicos, químicos y biológicos del ecosistema, por lo que se considera una variable fundamental de estudio para diferentes proyectos de ingeniería.
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1. OBJETIVOS 1.1 Objetivo General Obtener la medida del caudal en una sección de Rio Claro - Jamundi en un instante determinado Q(t). 1.2 Objetivos Específicos
Calcular el área de la sección transversal del flujo de agua.
Medir la velocidad media de este flujo.
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2. JUSTIFICACIÓN Este trabajo se realiza como complemento a la formación de los estudiantes de ingeniería topográfica, en la asignatura de topografía aplicada, buscando acercar a los estudiantes a problemas mas reales que se pueden presentar en su futura vida laboral, como lo son los aforos de caudales circulantes. Al desarrollar esta práctica se pretende que los estudiantes apliquen en el terreno los conocimientos teóricos adquiridos a lo largo de la carrera y adquieran destreza en cuanto a la manipulación de equipos topográficos, calculo y toma de datos para un aforo en Rio Claro - Jamundi.
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3. MARCO TEÓRICO 3.1 Aforo El aforo de una corriente de agua es la medida del caudal circulante que pasa por una sección en un momento determinado: , donde V es la velocidad de la corriente y A es la sección que es atravesada por la corriente. La medición de caudal se puede desarrollar por varios métodos diferentes y su elección depende del tipo de fuente superficial o vertimiento que se pretenda aforar, de las características del sitio y de las condiciones al momento de su realización. Existen diferentes tipos de aforo, dentro de los cuales se encuentran: 3.2 Métodos de medida de velocidades Los métodos de aforo basados con este método son los más empleados; se requiere medir el área de la sección transversal del flujo de agua y la velocidad media de este flujo.
Donde:
Q es el caudal del agua. A es área de la sección transversal del flujo de agua. v es la velocidad media del agua.
3.2.1 Método del correntómetro o molinete En este método la velocidad del agua se mide por medio de un instrumento llamado correntómetro que mide la velocidad en un punto dado de la masa de agua. Existen varios tipos de correntómetros, siendo los mas empleados los de hélice de los cuales hay de varios tamaños; cuando más grandes sean los caudales o más altas sean las velocidades, mayor debe ser el tamaño del aparato. Cada correntómetro debe tener un certificado de calibración en el que figura la formula para calcular la velocidad sabiendo él numero de vueltas o revoluciones de la hélice por segundo. Estos correntómetros se calibran en laboratorios de hidráulica: una formula de calibración es la siguiente
Donde: 7
es la velocidad del agua, en
es él numero de vueltas de la hélice por segundo.
es el paso real de la hélice en metros.
es la llamada velocidad de frotamiento en
Como el Correntómetro mide la velocidad en un punto, para obtener la velocidad media de un curso de agua se deben en ciertos casos, medir la velocidad en dos, tres o más puntos, a diversas profundidades a lo largo de una vertical y a partir de la superficie del agua. Las profundidades en las cuales se mide las velocidades con el correntómetro en función de la altura del tirante de agua d. Tirante de agua ( d ) Profundidad de lectura del Correntómetro cm cm < 15 0,6 d > 45 0,2 d y 0.8 d ó 0.2 d, 0.6 d y 0.8 d Conocidas las profundidades se calcula el área de la sección transversal, la que se utilizara para él cálculo del caudal Donde: V velocidad determinada con el correntómetro A Área de la sección transversal
3.2.2 Método del flotador El método del flotador se utiliza cuando no se tiene equipos de medición y para este fin se tiene que conocer el área de la sección y la velocidad del agua, para medir la velocidad se utiliza un flotador con el se mide la velocidad del agua de la superficie, pudiendo utilizarse como flotador cualquier cuerpo pequeño que flote: como un corcho, un pedacito de madera, una botellita lastrada, Este método se emplea en los siguientes casos:
A falta de correntómetro. Excesiva velocidad del agua que dificulta el uso del correntómetro. 8
Presencia frecuente de cuerpos extraños en el curso del agua, que dificulta el uso del correntómetro. Cuando peligra la vida del que efectúa el aforo. Cuando peligra la integridad del correntómetro.
Él calculo consiste en →
→
Donde: Es
la velocidad en
Espacio recorrido en m del flotador
Tiempo en segundos del recorrido e por el flotador
Área de la sección transversal
Caudal
3.2.3 Método del Vertedero Este método es comúnmente utilizado para corrientes de bajo caudal, en plantas de tratamiento de aguas residuales y en industrias que manejan bajos caudales. Según las características físicas (geometría) de la salida del afluente, y en el caso que el método volumétrico sea inoperante, se puede aplicar el método del vertedero, que consiste en una obstrucción hecha en el canal para que el agua (superficial, residual domestica o industrial) retroceda un poco atrás de la obstrucción y fluya sobre o a través de ella. Si se mide la altura de la superficie líquida corriente arriba es posible determinar el flujo. La posibilidad de utilizar este método dependerá de las características del efluente y de las instalaciones que este posea. En caso de tomar la decisión de utilizar un vertedero de geometría conocida implica necesariamente que el flujo del vertimiento se dirija sobre un canal abierto, en el cual se pueda conocer la carga o cabeza (H) de la corriente sobre el vertedero. Con este valor se podrá determinar el caudal en el canal. Este método no es muy aplicable por dos razones: a) la mayoría de descargas se realizan por medio de tuberías y b) el lograr coincidir un vertedero de geometría conocida (rectangular con o sin contracción, triangular o trapezoidal) y graduado con el ancho del canal es bastante improbable. En la siguiente tabla se presentan algunas de las de las ecuaciones y características de los vertederos comúnmente utilizados: 9
En caso de encontrar instalado en el afluente un vertedero con una geometría diferente a las consignadas en la tabla anterior, se debe contar con su ecuación de calibración para calcular el caudal, de lo contrario no puede determinarse este valor en campo. Si se instala el vertedero en el momento del aforo, se debe tener cuidado de cubrir la totalidad del ancho del canal de manera que todo el flujo se vea represado por el vertedero, adicionalmente se recomienda tener las siguientes precauciones:
Utilizar vertederos triangulares para descargas pequeñas, en dónde se debe cuidar que la cabeza (H) mínima sea de 6 cm y la máxima de 60 cm. La placa del vertedor debe ser una hoja metálica o de otro material con poca aspereza, ya que al aumentar la aspereza del lado de la corriente aguas arriba de la placa del vertedero el coeficiente de la ecuación de calibración aumenta, al incrementarse el espesor de la capa límite. 10
3.2.4 Método volumétrico Este método se aplica cuando la corriente o vertimiento presenta una caída de agua en la cual se pueda interponer un recipiente; se requiere un cronómetro y un recipiente aforado (balde de 10 o 20 litros con graduaciones de 1 L, o caneca de 55 galones con graduaciones de 1 a 5 galones). Se utiliza un balde para caudales bajos o una caneca cuando se deban manejar grandes caudales. El recipiente debe ser colocado bajo la corriente o vertimiento de tal manera que reciba todo el flujo; simultáneamente se activa el cronómetro. Este proceso inicia en el preciso instante en que el recipiente se introduce a la corriente o vertimiento y se detiene en el momento en que se retira de ella. Se toma un volumen de muestra cualquiera dependiendo de la velocidad de llenado y se mide el tiempo transcurrido desde que se introduce a la corriente o vertimiento hasta que se retira de ella. El caudal se calcula de la siguiente manera:
Donde = Caudal en litros por segundo, L/s = Volumen en litros, L
= Tiempo en segundos, s
Este método tiene la ventaja de ser el más sencillo y confiable, siempre y cuando el lugar donde se realice el aforo garantice que al recipiente llegue todo el volumen de agua que sale por la corriente o vertimiento; se debe evitar la pérdida de muestra en el momento de aforar, así como represamientos que permitan la acumulación de sólidos y grasas. Este método es de fácil utilización en el caso que el suelo donde se disponga la caneca sea firme y no permite que esta se hunda o se mueva. Dentro de los principales problemas que se pueden presentar es la manipulación de las canecas por su peso exagerado. 3. MATERIAL Y EQUIPO Para esta práctica se hizo uso de los siguientes instrumentos:
Nivel de precisión. Mira. Estacones. Piola. 11
Bolas de icopor de 4 tamaños diferentes. Cronometro. 4. METODOLOGÍA
4.1 Trabajo de campo Para la realización de esta práctica nos desplazamos hasta el municipio de Jamundi para realizar un aforo a Rio claro.
Inicialmente, se selecciono un tramo del cause del rio de 60 metros de distancia, el cual se subdividió en 5 secciones transversales que se asignaron a cada uno de los grupos de trabajo, para realizar el aforo se empleo el método de flotadores, ya que no se contaba con equipo especializado que midiera la velocidad entre los diferentes puntos de la sección. Luego de tener definida la sección del rio que se va a aforar, se hallo la velocidad promedio del rio, para ello se tiraron 4 bolas de icopor de diferentes tamaños, desde el inicio hasta el final de la sección de estudio y se tomaron los tiempos respectivos para cada una de ellas, con un cronometro. 12
Lanzamiento
#1
#2
#3
Bola 1 1'27,61'' 1'32,06'' 1'28,05'' 1'31,95'' 1'22,82'' 1'22,64'' 1'22,73'' 1'22,95'' 1'22,84'' 1'29,84'' 1'29,76'' 1'29,76'' 1'30,00'' 1'29,96''
Bola 2 1'27,63'' 1'27,66'' 1'27,68'' 1'27,68'' 1'24,08'' 1'24,09'' 1'23,57'' 1'23,84'' 1'23,86'' 1'17,91'' 1'18,62'' 1'18,45'' 1'18,21'' 1'18,41''
Bola 3 1'16,92'' 1'17,27'' 1'17,20'' 1'16,40'' 1'20,84'' 1'19,98'' 1'21,10'' 1'21,45'' 1'21,51'' 1'24,59'' 1'24,84'' 1'24,98'' 1'24,64'' 1'25,07''
Bola 4 1'16,87'' 1'17,09'' 1'16,43'' 1'16,66'' 1'15,54'' 1'15,12'' 1'15,60'' 1'15,10'' 1'15,09'' 1'19,00'' 1'18,92'' 1'18,94'' 1'18,77'' 1'18,79''
Después de tomar los datos del tiempo para poder con ellos posteriormente calcular la velocidad, se realiza un absisado de las secciones, para poder hallar con estos datos el área aproximada de las secciones trasversales del rio, para iniciar nos dan el valor de las coordenadas de la ABS 00 de la sección 5 (1056810E, 847181N), el cual fue tomado con un GPS y el acimut de la línea principal que va paralela al rio que es 310º , y se definió un BM para todos los grupos, todo esto par poder empezar a hallar las coordenadas de cada punto y sus cotas respectivas. Los datos que se tomaron fueron terrenos, borde del rio a ambos lados, y diferentes fondos de este, la cartera obtenida fue la siguiente. ABS 00 2 4 6,6 7 7,2 7,7 8 11 16 20 26 27,3 27,4 27,7
Vi -1,201 -1,329 -1,332 -1,448 -2,508 -3,02 -3,245 -3,32 -3,135 -2,96 -2,835 -2,721 -2,716 -2,508 -2,355
DESC. TERRENO TERRENO TERRENO BORDE RIO NIVEL AGUA FONDO FONDO FONDO FONDO FONDO FONDO FONDO FONDO NIVEL AGUA BORDE RIO
13
28,6 30
-1,829 -1,679
TERRENO TERRENO
5. RESULTADOS OBTENIDOS A partir de los datos tomados con cada una de las bolas de icopor que corrieron a través el rio, se hallo el tiempo promedio: ̃
∑
Hallado el tiempo promedio ̃ , podemos hallar la velocidad, con la formula:
̃
Luego hallamos el área de las secciones transversales del rio, pero para esto se debe completar la cartera que se tomó en el campo con las coordenadas Nortes, Estes y las cotas par cada una de las secciones: Sección 1: SECC COORDENADAS (ABS-00) AZIMUTH SENTIDO A BAJO COTA BM V+ Hi
ABS 0 1 1,32 5 10 15 20 20,09 21,47 25,24
V-1,361 -1,506 -2,803 -3,502 -3,343 -3,121 -2,98 -2,803 -1,989 -1,554
1 N E 220 I-D 980 1,443 981,443
COTA 980,082 979,937 978,640 977,941 978,100 978,322 978,463 978,640 979,454 979,889
847219,567 847219,567
SECCION No. 1 N 847219,567 847218,801 847218,556 847215,737 847211,907 847208,077 847204,246 847204,177 847203,120 847200,232
E 847219,567 847218,924 847218,719 847216,353 847213,139 847209,925 847206,712 847206,654 847205,767 847203,343
DESC TERRENO BORDE RIO NIVEL AGUA FONDO FONDO FONDO FONDO NIVEL AGUA BORDE RIO TERRENO
14
Sección 2: SECC COORDENADAS (ABS-00) AZIMUTH SENTIDO A BAJO COTA BM V+ Hi
ABS 0 1,55 2,03 5 10 15 20 21,13 22,78 24,86
V-1,388 -1,558 -2,743 -3,335 -3,277 -3,11 -3,071 -2,743 -2,074 -1,633
2 N 847209,925 E 1056775,528 220 I-D 980 1,373 981,373
COTA 979,985 979,815 978,630 978,038 978,096 978,263 978,302 978,630 979,299 979,740
SECCION No. 2 N E 847209,925 1056775,528 847208,738 1056774,532 847208,370 1056774,223 847206,095 1056772,314 847202,265 1056769,100 847198,435 1056765,886 847194,605 1056762,672 847193,739 1056761,946 847192,475 1056760,885 847190,882 1056759,548
DESC TERRENO BORDE RIO NIVEL AGUA FONDO FONDO FONDO FONDO NIVEL AGUA BORDE RIO TERRENO
Sección 3: SECC COORDENADAS (ABS-00) AZIMUTH SENTIDO A BAJO COTA BM V+ Hi
ABS 0 0,91 1,22 2,22 5 10
V-1,585 -1,599 -2,092 -2,790 -3,471 -3,350
3 N 847200,284 E 1056787,019 220 I-D 980 1,408 981,408
COTA 979,823 979,809 979,316 978,618 977,937 978,058
SECCION No. 3 N E 847200,284 1056787,019 847199,587 1056786,434 847199,349 1056786,234 847198,583 1056785,592 847196,453 1056783,805 847192,623 1056780,591
DESC TERRENO TERRENO BORDE RIO NIVEL AGUA FONDO FONDO
15
15 20 22,2 22,4 23,05 23,83 24,88 27,15
-3,228 -3,095 -2,976 -2,790 -2,689 -2,060 -1,729 -1,703
978,180 978,313 978,432 978,618 978,719 979,348 979,679 979,705
847188,793 847184,963 847183,277 847183,124 847182,626 847182,029 847181,224 847179,486
1056777,377 1056774,163 1056772,749 1056772,620 1056772,202 1056771,701 1056771,026 1056769,567
FONDO FONDO FONDO NIVEL AGUA BORDE RIO TERRENO TERRENO TERRENO
SECCION No. 4 N E 847190,642 1056798,509 847189,064 1056797,185 847188,106 1056796,382 847186,812 1056795,295 847182,981 1056792,081 847179,151 1056788,868 847175,321 1056785,654 847171,943 1056782,819 847170,817 1056781,874 847169,422 1056780,704
DESC TERRENO BORDE RIO NIVEL AGUA FONDO FONDO FONDO FONDO NIVEL AGUA BORDE RIO TERRENO
Sección 4: SECC COORDENADAS (ABS-00) AZIMUTH SENTIDO A BAJO COTA BM V+ Hi
ABS 0 2,06 3,31 5 10 15 20 24,41 25,88 27,7
V-1,417 -1,570 -2,710 -3,235 -3,245 -3,154 -3,025 -2,710 -1,753 -1,553
4 N 847190,642 E 1056798,509 220 I-D 980 1,327 981,327
COTA 979,910 979,757 978,617 978,092 978,082 978,173 978,302 978,617 979,574 979,774
Sección 5: SECC COORDENADAS (ABS-00) AZIMUTH SENTIDO A BAJO COTA BM V+ Hi
5 N E 220 I-D 980 0,981 980,981
847181 1056810
16
ABS 0 2 4 6,6 7 7,2 7,7 8 11 16 20 26 27,3 27,4 27,7 28,6 30
V-1,201 -1,329 -1,332 -1,448 -2,508 -3,02 -3,245 -3,32 -3,135 -2,96 -2,835 -2,721 -2,716 -2,508 -2,355 -1,829 -1,679
COTA 979,780 979,652 979,649 979,533 978,473 977,961 977,736 977,661 977,846 978,021 978,146 978,260 978,265 978,473 978,626 979,152 979,302
SECCION No. 5 N E 847181,000 1056810,000 847179,468 1056808,714 847177,936 1056807,429 847175,944 1056805,758 847175,638 1056805,500 847175,484 1056805,372 847175,101 1056805,051 847174,872 1056804,858 847172,574 1056802,929 847168,743 1056799,715 847165,679 1056797,144 847161,083 1056793,288 847160,087 1056792,452 847160,010 1056792,388 847159,781 1056792,195 847159,091 1056791,616 847158,019 1056790,716
DESC TERRENO TERRENO TERRENO BORDE RIO NIVEL AGUA FONDO FONDO FONDO FONDO FONDO FONDO FONDO FONDO NIVEL AGUA BORDE RIO TERRENO TERRENO
Obtenidos todos los datos de cada una de las secciones, aplicamos el método de las cruces par hallar las áreas de cada una de las secciones, teniendo en cuenta que este método se aplica solo par los valores que están entre nivel y nivel del rio:
Área sección 1 980.500
980.000
979.500
979.000
978.500
978.000
977.500 0
Área sección 2 =
5
10
15
20
25
30
17
980.500
980.000
979.500
979.000
978.500
978.000
977.500 0
Área sección 3 =
5
10
15
20
25
30
980.000
979.500
979.000
978.500
978.000
977.500 0
Área sección 4 =
5
10
15
20
25
30
10
15
20
25
30
980.500
980.000
979.500
979.000
978.500
978.000
977.500 0
5
18
Área sección 5 =
980.000
979.500
979.000
978.500
978.000
977.500 0
5
10
15
20
25
30
35
Ahora obtenemos el promedio de estas áreas con:
∑
Conseguidos estos datos, podemos calcular el caudal (Q):
6. CONCLUSIONES En primer lugar debe mencionarse que es fundamental en este tipo de trabajos el coordinar bien al equipo, ya que se requiere de mucha cooperación entre los miembros del grupo para manejar los equipos y realizar las mediciones de manera correcta. Es muy indispensable conocer y realizar este tipo de prácticas, ya que es un proceso utilizado en el campo laboral, y es importantísimo realizar practicas ya que aquí se aplica la teoría aprendida en el transcurso de la carrera, y se desarrollan destrezas necesarias para tomar datos montar equipo, entre otras. El valor que mayor error puede presentar es la velocidad, dado que no se contaba de un equipo que la midiese con exactitud, pero para tratar de solucionar este inconveniente se tomaron muchas medidas con diferentes masas y se promediaron, para así tratar de minimizar el error.
19
6. BIBLIOGRAFÍA Hidrología; Universidad de Chile, Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas, Departamento de Ingeniería Civil, 2008. Hidrología superficial: medidas y tratamiento de los datos. Enlace: http://web.usal.es/~javisan/hidro/temas/T050.pdf “Hidrología para Ingenieros” ;Linsley, Kholer y
Bogotá (Colombia). “Hidrología”;
Paulus (1982);, Editorial McGraw-hill,
Rolando SpringallL, Universidad Autónoma de México. 1976.
20
Anexo 1 “Plano de la sección estudiada de Rio Claro”
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