Tomas-laterales y Estaciones de Aforo

UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUIZ GALLO FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL, SISTEMAS Y ARQUITECTURA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

INTRODUCCIÓN El propósito de este tema es considerar las principales alternativas utilizadas para derivar un determinado caudal de agua de un canal principal a los laterales o de éstos a los sublaterales y de estos últimos a los ramales para luego irrigar las parcelas. Generalmente su capacidad guarda relación con el concepto de concentración de riesgo y extensión del área de riego que domina el lateral, veremos aquí las consideraciones que debemos tener en cuenta para el diseño hidráulico de tomas laterales.

OBJETIVOS 

Determinar la pérdida de carga en la toma lateral.



Calcular el gasto que pasa por esa toma.



Saber el coeficiente de rugosidad según el tipo de material a que va a ser construido el canal lateral.



Determinar el coeficiente en la la entrada según la forma de la la entrada del canal canal lateral.



Normalizar el diseño de sistemas de captación por gravedad de aguas superficiales.

HIDRÁULICA APLICADA – TOMAS LATERALES Y ESTACIONES DE AFORO

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OBRAS DE TOMA La obra de toma es la estructura hidráulica de mayor importancia de un sistema de aducción que alimentará un sistema de generación de energía hidroeléctrica, riego, agua potable, etc. A partir de la obra de toma, se tomarán decisiones respecto a la disposición de los demás componentes compon entes de la obra. Los diferentes tipos tipo s de obras de toma han sido desarrollados sobre la base de estudios en modelos hidráulicos, principalmente en aquellos aplicados a cursos de agua con gran transporte de sedimentos. Cada intervención sobre el recurso hídrico, origina alteraciones en el régimen de caudales, aguas abajo de la estructura de captación, por lo que su aplicación deberá considerar al mismo tiempo la satisfacción de la demanda definida por el proyecto y los impactos sobre sectores ubicados en niveles inferiores. En general la obra de toma está constituida por un órgano de cierre, estructuras de control, estructuras de limpieza, seguridad y la boca toma. Cada uno de los elementos indicados cumple una función o misión específica, a saber: 

El órgano de cierre tiene por objeto elevar el nivel de las aguas de manera de permitir el desvío de los volúmenes de agua requeridos.



Las estructuras de control permitirán la regulación del ingreso de las aguas a la obra de conducción.



Las estructuras de limpieza limpieza serán elementos elementos estructurales estructurales que puedan puedan evacuar evacuar los sedimentos que se acumulan inmediatamente aguas arriba del órgano de cierre.



Las estructuras de seguridad evacuarán las aguas que superen los volúmenes requeridos por el sistema receptor.



La boca toma será el elemento que permita el ingreso de agua agua de captación hacia la estructura de conducción.

En general, el diseño de la obra de toma debe considerar los siguientes aspectos: 

No debe generar perturbaciones excesivas.



No debe generar choques excesivos sobre las paredes de las estructuras. estructu ras.



No debe generar cambios bruscos en la dirección general de escurrimiento. escurrimie nto.



Debe devolver las aguas en exceso al río sin originar solicitaciones que excedan las que puede resistir el medio físico. f ísico.



Debe permitir una transición gradual del flujo desde el curso natural hacia la bocatoma.


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Naturalmente, no es posible, en muchos casos, cumplir todas las condiciones al mismo tiempo, por lo cual se sacrificarán algunas bajo compromiso, es decir, tomando medidas complementarias que logren mitigar las eventuales consecuencias negativas. Los tipos de obra de toma adquirirán una conformación según la naturaleza del recurso que se pretende utilizar. En general se pueden considerar tres tipos: 

TOMA SUPERFICIAL

-

Tomas directas

-

Toma tirolesa, y su respectiva obra de limpieza (Desarenador)

-

Toma lateral



TOMA SUBSUPERFICIAL

-

Galerías filtrantes



TOMA SUBTERRÁNEA

-

Aducción por Bombeo REFERENCIA: https://es.scribd.com/doc/98452433/Captaciones-Laterales


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TOMAS LATERALES Las obras de toma para canales (o reguladores de cabecera), son dispositivos hidráulicos construídos en la cabecera de un canal de riego. La finalidad de estos dispositivos es derivar y regular el agua procedente del canal principal, a los laterales o de éstos a los sublaterales y de estos últimos a los ramales. Estas obras pueden servir también para medir la cantidad de agua que circula por ellas. Para obtener una medición exacta del caudal a derivar, estas tomas se diseñan dobles, es decir, se utilizan dos baterías de compuerta; la primera denominada Compuerta de Orificio y la segunda Compuerta de Toma y entre ellas un espacio que actúa como cámara de regulación. Para caudales pequeños y considerando el aspecto económico, se utilizan tomas con una sola compuerta con el cual la medición del caudal no será muy exacto pero sí bastante aproximado.

IMAGEN 01: CANAL MOCHUMI (IZQUIERDA), CANAL TÚCUME (DERECHA)

FUENTE:

“DISEÑO DE ESTRUCTURAS HIDRAULICAS” -MAXIMO VILLON BEJAR


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Los componentes principales para el diseño de una toma lateral son: 

Boca de toma: cuya sección efectiva se determina en función del caudal medio diario, el diseño de la reja de protección y a los niveles de fluctuación del curso de agua. El dimensionamiento de la boca de toma se realizará de la misma forma que la señalada para canales de derivación.



Canales/tuberías de conducción: debe ser calculada en función al caudal máximo diario.



Obras de encause y protección: dependiendo de las características morfológicas del lugar de toma, deberán construirse ataguías y muros de protección y/o encause. Estos aspectos deben ser determinados por el responsable del proyecto con conocimiento pleno del sector de captación.

https://es.scribd.com/doc/98452433/Captaciones-Laterales#download

FUENTE:

Imagen: Partidor Cachinche km. 48+ 880


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CONSIDERACIONES HIDRÁULICAS En una red de riego, en especial en los canales secundarios o terciarios, las tomas se instalan normalmente al canal alimentador, lo que facilita la construcción de la estructura. Generalmente se utilizan compuertas cuadradas las que se acoplan a una tubería. La dimensiones de las compuertas, son iguales al diámetro de la tubería y ésta tendrá una longitud variable dependiendo del caso específico, por ejemplo, cuando la toma tenga que atravesar una carretera o cualquier otra estructura, se puede fijar una longitud de 5m para permitir un sobre ancho de la berma del canal en el sitio de toma por razones de operación.

CÁLCULOS HIDRÁULICOS 1. Ecuación de las pérdidas de carga total (Δh) Aplicando la ecuación de Bernoulli en las secciones 1 (entrada al conducto), y 2 (salida), y considerando como nivel de referencia al eje del conducto, se tiene:

       + 2∗ =  + 2∗ + ℎ− Ya que V1 ≈ 0 (esto debido a que la velocidad en el canal es perpendicular a la dirección de flujo en la alcantarilla), se tiene:

    =  + 2∗ + ℎ−


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      = 2∗ + ℎ− Δh = ∗ +∑ℎ− …… (1)

Donde: Δh = carga total, diferencia de altura entre la superficie libre de agua en el canal

principal y el canal secundario. V22/2g = carga de velocidad en el conducto (tubería) Ʃh1-2 = sumatoria de pérdidas entre los puntos 1 y 2

En la sumatoria de pérdidas se tienen que considerar; pérdida de carga por entrada (he), pérdida de carga por fricción (h f ) Y pérdida de carga por salida (h s), siendo esta última despreciable, es decir se tiene:

∑ℎ− = ℎ + ℎ

…… (2)

a.- Las pérdidas por entrada se calculan con la siguiente relación:

ℎ =  ∗ Donde:

…… (3)

he = pérdidas por entrada V2 = velocidad en la tubería Ke = coeficiente que depende de la forma de entrada (tabla 1) FORMA DE ENTRADA compuerta en pared delgada-contracción suprimida en los lados y en el fondo Tubo entrante Entrada con arista en ángulo recto Entrada con arista ligeramente redondeada Entrada con arista completamente redondeada r/D = 0.15 Entrada abocinada circular

Ke 1.00 0.78 0.50 0.23 0.10 0.004

TABLA 1

b.- Las pérdidas pro fricción se calcula con la ecuación:

ℎ =  ∗  Donde:

Hf = pérdida por fricción L = longitud de la tubería SE = pendiente de la línea de energía


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La ecuación de Mannig establece que:

 = 1 ∗ ⁄ ∗⁄ 

De donde:

 =  ⁄

Para el caso de una tubería que trabaja llena, se tiene:

 = 4

Luego, la pendiente de la línea de energía, se expresa:

⁄ ∗  ∗   4   = ⁄   = ⁄  4 Entonces la pérdida por fricción será:

⁄  ∗  ∗  ∗  4 ℎ = ⁄ Ordenando los factores en forma adecuada, se tiene:

∗∗ ℎ = ..∗ ∗∗

…… (4)

Sustituyendo (3) y (4) en (2), resulta:

∗∗ ∑ℎ− =  ∗ + ..∗ ∗∗

…… (5)

Reemplazando (5) en (1), se obtiene:

Haciendo:

 = ℎ ∗ ∗

Δh =  1+ + ..∗ ∗∗ ∗

Además, considerando una tubería de concreto con n=0.015 y que existe entrada con arista en ángulo recto, es decir, K e=0.5, se tiene:


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 ∗  124. 5 79∗0. 0 15 Δh =  1 +0.5 + . ∗ℎ ∗

Δh = ( 1.5 +0.028∗ .)∗ ℎ ∗ Que es la expresión para la carga total

2. Velocidad en el conducto (V 2) Según el Bureau of Reclamation, la velocidad en el conducto no debe superar a 1.07m/s 3. Diámetro (D) y área (A) del conducto Aplicando la ecuación de continuidad: Q = V*A

A=Q/V …(7)

De otro lado:

 = ∗ 

 = ∗⁄

… (8)

Procedimiento de cálculo Para los cálculos, con el dato de Q y suponiendo v=1.07m/s, de la ecuación (7) se encuentra A, con la ecuación (8) se determina D, este valor se redondea de acuerdo al diámetro superior inmediato que ofrecen los fabricantes. Con este valor se recalcula A y posteriormente v.

4. Sumergencia a la entrada (Sme) Puede usarse cualquiera de los siguientes criterios: Sme = D

…

(9)

Sme = 1.78hv + 0.0762

…

(10)

5. Sumergencia en la salida (Sms) Sms = 0.0762


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6. Ancho de la caja de entrada a la toma (B) B = D + 0.305

…

(11)

7. Carga en la caja (h) Se calcula como un vertedero de pared delgada

 = 1.84∗ ∗ℎ⁄

ℎ = .⁄

… (12)

Procedimiento de cálculo El diseño de la toma lateral implica dar dimensiones a la tubería (diámetro y longitud), calcular la velocidad en el conducto, las dimensiones de la caja, la sumergencia a la entrada y salida, las dimensiones de la transición de salida y su inclinación y las cotas de fondo correspondientes, conforme se indica en la siguiente figura:

El U.S. Bureau of Reclamation proporciona ciertas recomendaciones para el diseño, del cual se ha adaptado el siguiente proceso de cálculo: 1. Aceptar la recomendación para la velocidad del conducto v=1.07m/s para iniciar los cálculos. 2. Calcular el área A=Q/V


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3. Calcular el diámetro de la tubería.

 = ∗ 

 =  

4. Redondear el diámetro a uno superior inmediato que se encuentre disponible en el mercado.

5. Recalcular el área

  ∗   = 4 6. Recalcular la velocidad V = Q/A 7. Calcular la carga de velocidad en la tubería

8.

  ℎ = 2∗ Calcular la carga total Δh = ( 1.5+0.028∗ .)∗ ℎ ∗

9. Calcular la sumergencia de la entrada (Sme) Sme = 1.78hv + 0.25pies Sme = 1.78hv + 0.0762m 10. Calcular la sumergencia de la salida (Sms) Sms = 0.0762m (3”)

11. Calcular los lados de la caja de entrada B = D + 0.305m

(D+1')


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12. Calcular la carga en la caja

 = 1.84∗ ∗ℎ⁄ cresta

ℎ = .⁄

, donde “B” es la longitud de la

13. Calcular cotas SLAC = cota fondo de canal +y 1 Cota A = SLAC – h Cota B = SLAC – Sme – D Cota B' = Cota B + D Cota C = cota B – 4 pulg. = cota B – 0.1016m SLAL =SLAC – Δh Cota D = SLAL – Sms – D Cota E = SLAL - y2 14. Calcular la longitud de salida Lmin = 1.525m (5') De acuerdo a Hinds

Dónde:

   = 2∗22. 5°

T = espejo de agua en el canal D = diámetro de la tubería

15. Calcular el talud de la transición de salida Talud máximo 4:1

FUENTE: “DISEÑO

DE ESTRUCTURAS HIDRÁULICAS” -MAXIMO VILLON BEJAR


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TOMAS LATERALES TUBULARES Estas estructuras hidráulicas son muy frecuentes en los distritos de riego. Se proyectan por lo general para derivar agua de canales principales. La línea de derivación puede hacerse con tubería que atraviese el fondo de la berma del canal. Cuando así ocurre se diseña como un conducto a presión en donde se presentan pérdidas locales y pérdidas por fricción. En el diseño de una toma lateral pueden ocurrir dos casos generales: 

No existe restricción en la selección del diámetro de tubería.



Existe un diámetro comercial de tubería ya sea instalado, caso en el cual se trata de una revisión, ya sea que se haga necesaria su compra en el comercio local, caso en el cual se debe diseñar dentro de un rango de pendientes fijadas por las características topográficas del terreno y obliga además a ajustar las pérdidas mediante el uso de válvulas, compuertas, dispositivos adecuados para estas situaciones.

Imagen: Toma Lateral Tubular

https://es.scribd.com/doc/94845326/DISENO-HIDRAULICO-TOMASLATERALES#download

FUENTE:


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TOMAS MODULARES Dado que los gastos a distribuir en las parcelas se expresan en valores constantes, según los riegos, que pueden variar entre una semana y un mes; por razones técnicas y prácticas es necesario expresar dichos valores en caudales constantes denominados MODULOS. Las fluctuaciones de gasto pueden variar de un 5 al 10 % dependiendo de si tienen uno o dos reductores. Los reductores son dispositivos que no permiten variaciones del caudal a variaciones de nivel aguas abajo. Los módulos son juegos metálicos que se instalan a una altura adecuada en una estructura de concreto formando unidades de diferente capacidad. Los dispositivos que generalmente se utilizan tienen tres variantes que se muestran en la figura 83 TOMAS MODULARES, que consisten: -

En un vertedero instalado en el canal principal y los módulos en el canal secundario. Otro consiste en ubicar una compuerta automática en el canal principal y los módulos en el canal secundario. El tercer dispositivo tiene la presa, la compuerta automática y los módulos en el canal secundario.

-

En México se fabrican Tomas Modulares, para las capacidades siguientes: Serie X Serie XX Serie L Serie C

: 10 litros/segundo/decímetro : 20 litros/segundo/decímetro : 50 litros/segundo/decímetro : 100 litros/segundo/decímetro


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Las series X y XX se fabrican con compuertas deslizantes mientras que las series L y C están equipadas de compuertas de Charnela y tienen sellos de bronce flexible.

TAMAÑOS DE MODULOS TIPO PARA TOMAS MODULARES

Gasto lt/seg

Número de Compuertas lt/seg lt/seg

lt/seg

lt/seg

5 1 1 1 1

10 1 1 1 1

15 1 1 1 1

30

10 1 1 1 1

20 1 1 1 1

30 2 1 1 1

60 1 1 1 3

50 2 2 2 2

100 2 2 1 1

200 1 2 2 2

400

100 2 1 2 1

200 2 2 1 1

400 1 1 1 1

600

lt/seg

L cm

tipos X'.X''

30 60 90 120

32 63 94 125

1 2 3

tipos XX'.XX"

150 210 300 420

90 1 2 2

79 109 155 217

tipos L'.L''

500 700 1000 1400

103 144 204 285

1 2

tipos C'.C''

1000 1500 2000 2900

1 2 2

1000

1

104 154 205 295


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TOMAS LATERALES SUMERGIDAS Las Tomas Sumergidas llamadas también CANOAS, se emplean para captar aguas limpias de quebradas o riachuelos, que generalmente discurren en las zonas de puna del territorio peruano. Es una estructura, que se asemeja a un puente para conducir el caudal de agua de la quebrada, encima del canal colector pero como su fondo está formado de una rejilla de rieles separados permite el paso de parte del caudal de agua de la quebrada hacia el canal inferior. El ing. Tsuguo Nokazi, incluye el nomograma preparado por el Ing. Miguel Soto para el cálculo de tomas sumergidas de sección rectangular.

Planta y elevación de una CANOA

Diseño Hidráulico de la Toma Sumergida Teniendo en cuenta la gradiente de energía del flujo, en el perfil de la canoa podemos establecer las siguientes ecuaciones:

 = ..√ 2   + 

1. 2. 3.

Gasto a través de la rejilla

 = ... √ 2

(Se desprecia el efecto del ángulo α)


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Donde:

     = ∑   = ℎ      Diferenciando la ecuación 2 y considerando de acuerdo a la hipótesis demostrada por G. Noseda que:

 = 0 

Tenemos:

 =  [ .    .  .1 ]+

4. Dividiendo por

 

Resulta:

Finalmente si:

 = [1 .   3 .  .1  ]+   2  2     =  y  =  ′  

Resulta:

 =  [ .    .  .1 ]+′

5.

Para el diseño de las Tomas Sumergidas se utiliza el ábaco preparado por el ing. Miguel Soto

Salvador,

que

tiene

tres

ejes

con

los

valores

Z,

X’

Ver figura Veamos a continuación los pasos necesarios para la utilización del abaco: a) Para

las

condiciones

iniciales

Y=Y,

X=0,

y

Y/E.

N°87 Z=0

Se determina X’ (constante de integración) en el abaco, para lo cual es suficiente unir Z=0 con Y/E, y obtener en el eje central el valor de X’.

En seguida, si para estas condiciones queremos, que la totalidad del caudal Q 1 pase por la rejilla, bastará unir el valor Y/E = 0 con el valor X’ (ya calculado) y en

el eje Z se obtendría la longitud necesaria para que pase la totalidad del caudal. b) En caso que se desee pasar una pasar una parte del caudal será necesario los siguientes pasos: 1. Se calcula el tirante Y1 para el máximo caudal de la canoa 2. Con Y1/E y Z=0 determinados X’ en el eje central 3. Calculamos Z para la condición x=ancho del canal colector y luego unimos Z con el X’ (ya calculado) para obtener Y 2/E/mc y despejamos Y2, enseguida se calcula Q 2 con la fórmula: y restando el máximo caudal Q 1: se obtiene Q w que pasa por la rejilla es decir

 = ..2   =      


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NOTA: El valor de “c” coeficiente de descarga de la rejill a varía desde 0.435 a 0.800. El valor de “m” se escoge de acuerdo al ancho del riel y a la luz de la descarga, para

evitar que pase el material de determinado diámetro. El ábaco permite efectuar varios tanteos para el dimensionamiento más apropiado de la canoa.

FUENTE:

Separatas “Proyecto de Zonas de Riego, Secretaría de Recursos Hidráulicos de México”-CESAR ARTURO ROSELL CALDERON


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TOMAS LATERALES GRANJA Sirven para abastecer directamente el agua a los predios agrícolas. Constan de las mismas partes que las tomas laterales, solo que las dimensiones son menores; sus mecanismos de operación casi siempre son compuertas tipo Miller. Es recomendable que la toma granja se localicen en un canal secundario y no en canal principal ya que así se mejora la operación de los canales y se reducen los costos de construcción. Las tomas granjas alimentan a las regaderas y se diseñarán para gastos de 50lt/s a 100lt/s. En este caso se construirá la estructura tipo “Tecamachalco” con aforador

Venturi. http://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/5570/Capitulo4.pdf

FUENTE:

Son las que se encuentran en las últimas ramificaciones de la red o sea que mediante ellas se suministran el agua a las regaderas de las parcelas, son por lo tanto de menor dimensión que las tomas laterales pero su funcionamiento es similar. http://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/3487/Capitulo5.pdf

FUENTE:

Aunque generalmente las Tomas Granja son estructuras que se construyen en los canales de la zona de distribución, hay ocasiones en que es necesario construirlas en el canal principal para proporcionar riego directamente a algunos lotes.

FUENTE:

http://www.bdigital.unal.edu.co/4784/13/70064307._2002_5.pdf


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ESTACIONES DE AFORO AFORO DE CAUDALES: Es el conjunto de operaciones para determinar el caudal en un

curso de agua para un nivel de observación.

QUÉ ES UNA ESTACIÓN DE AFOROS: Es el lugar en un curso de agua en el que se hacen

con regularidad mediciones del nivel y caudal. Se debe conseguir que todas las estaciones hidrométricas sean de aforos. En el SENAMHI, las estaciones completas o de aforos cuenta con un limnígrafo, reglas, correntómetro, tal como se muestra la Imagen. Es importante también en las estaciones obtener el muestreo de agua para evaluar la cantidad y calidad de las aguas superficiales, en cumplimiento con uno de los Objetivos del SENAMHI. FUENTE:

http://www.senamhi.gob.pe/pdf/aprendiendo_hidrometria.pdf

La clasificación de una estación hidrométrica de aforo está basada en la función al instrumental e implementación con que cuenta cada una de las estaciones hidrométricas. Esta clasificación está elaborada en función al tipo de instrumental que cuenta la estación. Si la estación cuenta con un limnímetro, se denomina Estación Limnímetrica. Si la estación cuenta además del limnímetro, con un limnígrafo, se le denomina Estación Limnígrafica. Así tenemos: a) Estación Limnímetrica. Estación hidrométrica de aforo que solo cuenta con un isntrumento de medición denoinada limnímetro (escala o mira) que registra el nivel del río respecto a una referencia fija.


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UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUIZ GALLO FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL, SISTEMAS Y ARQUITECTURA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL ---------------------------------------------------------------------------------------------------------Imagen: Limnímetro de la estación de aforo – Canal Tucúme

b) Estación Limnígrafica, es una estación fija que además de contar con un limnímetro o regla, tiene además un limnígrafo, el cual registra la variaciones del nivel del agua en la sección de control en forma continua, y debe mantener coincidencia con el nivel del limnímetro.

Imagen: Estructura del Limnígrafo.

AFORADORES MEDIANTE FLOTADORES Es necesario realizar el aforo por medio de flotadores, para medir la velocidad superficial del flujo. En general se puede utilizar como flotador cualquier elemento natural que este en condiciones de flotar, pero que sus pesos y formas sean similares (trozos de madera, palos, botellas plásticas parcialmente con agua, u otros) y se sumerja menos o más de una cuarta parte de la profundidad de la corriente. El flotador es un elemento natural o artificial que esté en condiciones de flotar, y ser arrastrado por las aguas ya sea parcial o totalmente sumergido a ella. Este método de aforo se realiza en un tramo donde el curso del rio tenga forma recta, y del cual se debe conocer su distancia (se recomienda distancias mayores o iguales a 30 metros)


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En los cuadros siguientes, se presenta la relación de proporcionalidad entre el ancho del rio y la cantidad de flotadores a emplear, en época de estiaje o avenida.

Cuadro para Época de Estiaje

ANCHO DE LA SECCIÓN

20 – 100 m.

Menor que 20 m.

100 – 200 m.

Mayor que 200 m.

Número de los flotadores en la medición de la línea

5

10

15

20

de corriente

Cuadro para Época de Avenida ANCHO DE LA SECCIÓN

Menor que 50 m.

50 – 100 m.

100 – 200 m.

200 – 400 m.

400 – 800 m.

Mayor que 800 m.

Número de los flotadores en la medición de la línea

3

4

5

6

7

de corriente

Asumiendo que la trayectoria de los flotadores sea de forma rectilínea, paralela a la corriente, se obtendrán tiempos para un mismo espacio, con los cuales al ser remplazados en la ecuación que a continuación se presenta, se determina las velocidades parciales para cada uno de los flotadores.

 =  Donde. d

  i

: Distancia del tramo recto en metros : Tiempo que demora en recorrer la distancia “d” el flotador número “i” : Velocidad del flotador número “i” : número del flotador i= 1,2,….,n

FUENTE:

http://sisbib.unmsm.edu.pe/bibvirtualdata/tesis/ingenie/vera_h_l/t_completo.pdf


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Tomas-laterales y Estaciones de Aforo

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