HIDROLOGÍA MEDICIÓN DEL ESCURRIMIENTO
MEDICIÓN DE ESCURRIMIENTO (aforos) INTRODUCCIÓN: La necesidad creciente de utilizar toda el agua disponible, aún enlas regiones húmedas, y el aumento en los costos para desarrollar nuevasfuentes de agua hacen necesario que ésta sea aprovechada con
menores costos y sin desperdicio. Esto no puede lograrse si no se utilizansistemas de medición adecuados.En nuestra región esa situación recrudece aun en mayor m edida,ya que tiene características semiáridas y el régimen de lluvias se concentraen el verano, existiendo en el resto del año escasas a nulas precipitaciones.Esto hace que para manejar el recurso hídrico de un curso deagua (río, canal, etc.) con distintos propósitos (agua potable, energía,riego, atenuación de crecidas, etc.) de una manera eficiente, requieradel conocimiento de la cantidad de agua que pasa por un lugar en
untiempo determinado (el caudal), durante un período de años lo más largoposible. La hidrometría, es la rama de la hidrología que estudia la medición del escurrimiento. Para este mismo
fin, es usual emplear otro término llamado aforo. Aforar una corriente, significa determinar a través de mediciones, el caudal que pasa por una sección dada y en un momento dado. El gasto depende de la precipitación y de la permeabilidad de la superficie del suelo, de la duración de la precipitación, del tipo de vegetación, de la extensión de la cuenca hidrográfica considerada, de la profundidad del nivel freático y de la pendiente de la superficie del suelo. La aportación de una cuenca se representa
comúnmente en una gráfica llamada "hidrograma", que consiste en una curva que representa las oscilaciones, respecto el tiempo, del nivel del agua de un río en una sección dada del mismo. En el caso de un río con un tiempo de descarga muy largo, los caudales que por él circulan al cabo de un tiempo, son el resultado de la acumulación del escurrimiento superficial con la aportación subterránea. AFORO
Para determinar el volumen que escurre por una cuenca, se deben aforar o medir las corrientes. Los
aforos se realizan en estaciones hidrométricas (en puentes de aforo y usando molinete) o se puede medir la corriente de cualquier río de manera individual. Estos aforos se hacen a través de cierto intervalo de tiempo (horas, días, etc.), con cuyos datos se construyen gráficas de gasto (m 3/s) contra tiempo (h), llamadas hidrogramas.
AFORO CON FLOTADORES FLOTADORES
Este método consiste en determinar la velocidad de la corriente, utilizan do flotadores en una longitud determinada previamente. Se escoge un tramo recto del río, libre de vegetación o cualquier otro
obstáculo que pueda interrumpir el flujo. Se coloca un objeto que flote sobre el agua, a la mitad del tramo. Se mide el tiempo que tarda en recorrer una distancia determinada .La velocidad estará dada por el cociente entre distancia y tiempo.
HIDROLOGÍA MEDICIÓN DEL ESCURRIMIENTO
Donde el área que se debe tomar seria:
A=
Una vez obtenida la velocidad y área se desea conocer el caudal: Según la ecuación de continuidad.
Q = velocidad X área
Este método aunque barato y fácil de usar, es inexacto porque se está midiendo la velocidad en la superficie de la cor riente y de acuerdo a la parábola de velocidades del agua, ésta es la más grande y
no corresponde a la velocidad media del río o canal.
Se considera a la velocidad media de la corriente (
) como:
El valor mayor se aplica a las corrientes de agua más profundas y rápidas
Para velocidades mayores a 2m/s
HIDROLOGÍA MEDICIÓN DEL ESCURRIMIENTO
Se divide la sección transversal del flujo en varias secciones de área velocidades superficiales
, para las cuales se miden
, y se calculan velocidades medias , entonces el caudal seria:
∑
Para obtener resultados más precisos podemos utilizar flotadores lastrados, que consisten en un tubo delgado de aluminio (
) pueden flotar en una posición próxima a la vertical, se sumerjan ha sta 25 a 30
cm sobre el fondo.
Disponer de flotadores del mismo tamaño y peso
Colocar los flotadores en la mitad de la corriente principal y unos 3 m aguas arriba de la primera
sección
Tomar un número de tiempos (mínimo 6) para poder realizar un promedio representativo y poder descartar datos errados.
La sección transversal solo debe considerarse entre las plumas de la corriente principal AFORO CON QUIMICOS Es un método adecuado para corrientes turbulentas, se utilizan de dos maneras:
aforadores químicos (determinar el caudal total de una corriente).
medidores de velocidad de flujo. Para su procedimiento utiliza trazadores radioactivos (fluoricerinas ) o químicos (sales de sodio, cromo o potasio).
El procedimiento consiste en soltar una cantidad conocida de partículas fluorescentes, radiactivas, etc., al inicio de una sección recta del río previament e seleccionada, para medir el tiempo
que tarda en llegar al final de dicha sección. Esto se puede hacer visualmente, con contadores de radioactividad, salinidad o cualquier otro aparato, dependiendo del tipo de partículas usadas. Este y otros métodos aún se encuentran en la etapa de experimentación y su uso todavía está limitado en la práctica.
de una sustancia química, de concentración conocida ( ) a la corriente cuyo caudal (Q) se desea determinar y cuya concentración de la sustancia ( ) en la corriente, Se inyecta una caudal constante
HIDROLOGÍA MEDICIÓN DEL ESCURRIMIENTO
también se conoce. A una distancia corriente abajo, se toman muestras de ésta, y se determina la
concentración de la sustancia química o radioactiva ( ). El caudal de la corriente se determinar con la siguiente ecuación:
Aparte de los químicos se puede emplear trazador químico que es una Molécula a la que se une un átomo radiactivo o marcador de tal manera que se pueda seguir su trayectoria a través de un sistema fisiológico con un detector de radiación .
Cuando se emplea la sal común (NaCl) como trazador químico, se mide el tiempo de paso entre los dos puntos de control, utilizando electrodos conectado s a un amperímetro, esto es, un conductímetro.
Este método de medición es posible debido a que la sal inyectada aumenta la concentración de sólidos disueltos y, por lo tanto, la conductividad del agua.
Los trazadores radioactivos más usuales son: el Tritio (T, isótopo del Hidrógeno, con tres protones).
Debe mezclarse fácil y homogéneamente con el agua, para lo cual se requiere de una fuerte turbulencia en el trayecto comprendido desde donde se inyecta la sustancia al cauce, hasta donde se recogen las muestras.
Debe ser barato, soluble en agua, inocuo, no corrosivo, ni tóxico, de densidad cercana a la del agua.
Debe ser fácilmente detectable en el agua, aún en concentraciones pequeñas.
Debe ser conservativo, es decir, no degradable ni reactivo, entre el momento de la inyección y el momento del análisis final de las muestras.
Debe ser foto estable, es decir, no decolorable ni reactivo ante la acción de la luz.
HIDROLOGÍA MEDICIÓN DEL ESCURRIMIENTO
AFORO VOLUMETRICO
Se puede aplicar generalmente en los laboratorios de hidráulica, ya que solo es funcional para pequeños caudales pero también se pueden implementar también en pequeñas corrientes naturales de agua.
Se tiene que tener como materiales balde o recipiente de volumen conocido (Litros) y un reloj cronometro. Se mide el tiempo en que se demora en llenar el balde (segundos),
esto se tendrá que repetir tres veces para luego sacar el promedio de las tres mediciones, el cual tenemos que aplicar en la siguiente
ecuación:
INSTALACIÓN TEMPORAL DE AFORO VOLUMÉTRICO
Para la medición volumétrica de corrientes en los surcos, el agua debe fluir, generalmente, a través de un tubo o cañería pequeña, ubicado de tal manera que permita la fácil descarga en el recipiente.
HIDROLOGÍA MEDICIÓN DEL ESCURRIMIENTO
En la práctica se presentan inconvenientes por terrenos demasiado llanos, para no obstaculizar la corriente, es decir cuando tenemos corrientes dirige a la excavación hecha para colocar el recipiente. Lo que primero se hace es desaguar el pozo hasta que el líquido quede por debajo de la boca del recipiente calibrado. Cuando el agua llega al borde, comienza a derramarse dentro del depósito y allí se hace andar el cronómetro hasta pararlo cuando llega a la marca prefijada de llenado.
Es un método sencillo, exige poco equipo y es muy preciso.
Mientras más grande sea el depósito, mayor es el tiempo para llenarlo y más preciso.
Se puede construir un recipiente de fórmula sencilla (prismático).
También se utiliza generalmente en ensayos de bombeo de perforaciones o pozos, para determinar el rendimiento de dichas obras.
AFORO CON VERTEDEROS Se utilizan principalmente en la medición de caudales en pequeñas corrientes, en canales artificiales y de laboratorio; su uso en corrientes naturales es muy restringido. Los vertederos son aparatos de
diferentes formas y tamaños utilizados para aforar corrientes de agua, son los más utilizados para riego. Son uno de los dispositivos de aforo más estudiados, estando en la actualidad. Formula general:
√
HIDROLOGÍA MEDICIÓN DEL ESCURRIMIENTO
1) vertedero de Cipoletti
En este caso:
Talud z = 1 : 4
Coeficiente de gasto = 0,42 (constante en el aforador Cipoletti, debido a su forma)
Reemplazando en la formula general:
√ 2) el vertedero triangular
Se caracteriza por el ángulo de abertura.
()
B=umbral
HIDROLOGÍA MEDICIÓN DEL ESCURRIMIENTO
Cuando se decide instalar un vertedero, hay que elegir el lugar, para el cual se debe profundizar y ensanchar el canal o acequia aguas arriba del mismo para que la velocidad de
arribo sea menor a 0,50 m/s, logrando la decantación de la sedimentación.
Los vertederos deben trabajar libres
Se logra precisión en los aforos.
La construcción de la estructura es fácil.
No son obstruidos por los materiales en el agua.
La duración del dispositivo es relativamente larga. AFORO CON CORRENTOMETRO O MOLINETE
Este método es más exacto para medir la velocidad media de un río. Consiste en introducir un aparato especialmente diseñado, que se llama molinete. Este método, como el de flotadores, se fundamenta en la ecuación de la continuidad pero en este caso la velocidad se puede determinar en distintos puntos trabajando sobre la misma sección transversal.
tiene una hélice o rueda de aspas o c opas que gira impulsada por la corriente y mediante un mecanismo eléctrico, transmite por un cable el número de revoluciones por minuto o por segundo con que gira la hélice. Esta velocidad angular se traduce después a velocidad del agua usando una fórmula de calibración que previamente se determina para cada aparato en particular.
Un sistema accionante: hélice o rotor.
Un interruptor: mecánico o magnético.
Un sistema de señal: acústico/sonoro o eléctrico digital.
Un sistema de sujeción: barras o cable y contrapeso.
HIDROLOGÍA MEDICIÓN DEL ESCURRIMIENTO
Contacto mecánico: es cuando el interruptor es accionado directamente, o sea que es necesario un contacto físico. Normalmente es un platino preparado para que después de 10 o 20 vueltas de la hélice se cierre y active el circuito eléctrico. Contacto magnético: es cuando el cierre del circuito eléctrico es efectuado por el pasaje de un imán solidario al núcleo de la hélice (por cada vuelta de la hélice da uno o dos impulsos eléctricos). La ventaja que tiene es que al estar el interruptor en un compartimento estanco no requiere
mantenimiento, y al no tener contacto físico, no tiene influencia de roce (frenado) ante las bajas velocidades de la corriente de agua.
Se pone en cero el contador.
Se conecta el contador, y en ese instante se inicia la cuenta del tiempo.
Cuando se cumple el tiempo prefijado de medición se acciona el interruptor y se lee el número de vueltas de la hélice.
Las mediciones de velocidad se hacen generalmente a una profundidad de 0.6h por debajo del
agua o también a profundidades de 0.2 y 0.8 h, siendo h la profundidad total de la lámina de agua.
Seleccionar la sección adecuada. Debe ser uniforme sin cambios bruscos, no necesariamente debe estar ubicada en la misma sección de la mira (en caso de existir), preferiblemente en un tramo recto. Fijar un punto de referencia. Puede ser una estaca o una marca visible, que servirá como referencia
para los demás aforos. A partir de este punto se coloca la cinta métrica para poder obtener el seccionamiento del área del río.
HIDROLOGÍA MEDICIÓN DEL ESCURRIMIENTO
A partir del punto de referencia y con una longitud fija de incremento (10 cm, 20 cm, etc.) dependiendo
de las características de la sección, (entre más corta sea esta longitud, más exacto será el valor del caudal aforado), se efectúa el seccionamiento del área del río; para cada incremento establecido se mide la profundidad total y el número de revoluciones del rotor.
Antes de iniciar el aforo se debe revisar el equipo y verificar sus condi ciones, se establece un lapso de
tiempo en el cual se realizará el conteo de las revoluciones del rotor, generalmente el tiempo establecido para este tipo de aforos es de 40 segundos, pero puede variarse de acuerdo al criterio del
aforador, mientras más grande sea el periodo de tiempo más exacto será el caudal aforado pero también mayor será el tiempo de aforo.
Si se quiere obtener directamente la velocidad media, es necesario efectuar el aforo a 0.6h por debajo del agua; en cada punto se mide la profundidad total y se multiplica por 0.4 (1-0.6), se fija el rotor en el
soporte a la altura calculada, se introduce el soporte en el agua y en el punto señalado cuidando que la hélice quede en dirección contraria a la que lleva la corriente del río, se presiona el botón de arranque en el contador y se espera la señal que indica que la lectura ha terminado, se anota el número obtenido en el contador.
Si el aforo se realiza durant e épocas de lluvias, se debe tener en cuenta los posibles incrementos de niveles en el tiempo en que dura el aforo y se debe dejar constancia en el informe de aforo. El cálculo de caudal se hace por medio de la siguiente expresión:
Conclusiones
El diseño de estructuras hidráulicas conlleva a propender a la formación de Técnicos capacitados en medición de cursos de aguas naturales y artificiales, quepermitan obtener los
datos básicos de cantidad de agua que pasa, para poder tomar las decisiones de manejo más adecuadas.
Saber la disponibilidad de agua con que se cuenta.
Distribuir el agua a los usuarios en la cantidad deseada.
Saber el volumen de agua con que se riegan los cultivos si es que se desea hacer un canal de riego.
Poder determinar la eficiencia de uso y de manejo del agua de riego.
