CALCULO DE AFORO O CAUDAL EN LABORATORIO

1. INTRODUCCIÓN

En forma clásica, se define la hidrometría como la parte de la hidrología que tiene por objeto medir el volumen de agua que pasa por unidad de tiempo dentro de una sección transversal de flujo.

La hidrometría aparte de medir el agua, comprende también el planear, ejecutar y procesar la información que se registra de un sistema de riego, sistema de una cuenca hidrográfica, sistema urbano de distribución de agua. En el contexto del ingeniero agrícola, la hidrometría tiene dos propósitos generales

1. Conocer el volumen de agua disponible en la fuente (hidrometría a nivel de fuente natural).
2. Conocer el grado de eficiencia de la distribución (hidrometría de operación.

2. OBJETIVOS

Objetivo general

Conocer el grado de eficiencia de la distribución (hidrometría de operación)

Tener conocimiento curso de práctica en laboratorio de hidráulica y canales

Objetivo especifico

Tener conocimiento del cálculo medida de caudal en laboratorio

3. MARCO TEORICO

En forma clásica, se define la hidrometría como la parte de la hidrología que tiene por objeto medir el volumen de agua que pasa por unidad de tiempo dentro de una sección transversal de flujo.

La hidrometría aparte de medir el agua, comprende también el planear, ejecutar y procesar la información que se registra de un sistema de riego, sistema de una cuenca hidrográfica, sistema urbano de distribución de agua. En el contexto del ingeniero agrícola, la hidrometría tiene dos propósitos generales Conocer el volumen de agua disponible en la fuente (hidrometría a nivel de fuente natural).

SISTEMA HIDROMÉTRICO.

Es el conjunto de pasos, actividades y procedimientos tendientes a conocer (medir, registrar, calcular y analizar) los volúmenes de agua que circulan en cauces y canales de un sistema de riego, con el fin de programar, corregir, mejorar la distribución del agua. El sistema hidrométrico tiene como soporte físico una red hidrométrica.

Red Hidrométrica.

Es el conjunto de puntos de medición del agua estratégicamente ubicados en un sistema de riego, de tal forma que constituya una red que permita interrelacionar la información obtenida.

Puntos de Control.

Son los puntos donde se registran los caudales que pasan por la sección.

Los puntos de control son de gran variedad de tipos, como: estaciones hidrométricas en el río, la presa de almacenamiento, las compuertas de la estructura de captación o de toma, las obras de toma del canal principal, las caídas, vertedero, medidor Parshall, etc.

REGISTRO.

Dependiendo de la ubicación del punto de control, los registros obtenidos son:

REPORTE.

Es el resultado del procesamiento de un conjunto de datos obtenidos, en el cual normalmente una secuencia de caudales medidos se convierte en un volumen por período mayor ( m3/día, m3/mes, etc..

MEDICIÓN DE AGUA.

La medición del caudal o gasto de agua que pasa por la sección transversal de un conducto (río, riachuelo, canal, tubería) de agua, se conoce como aforo o medición de caudales. Este caudal depende directamente del área de la sección transversal a la corriente y de la velocidad media del agua.

La fórmula que representa este concepto es la siguiente:

Q = A x V (1)

Donde:

Q = Caudal o Gasto.

A = Área de la sección transversal.

V= Velocidad media del agua en el punto.

IMPORTANCIA

1. Dotar de información para el ajuste del pronóstico de la disponibilidad de agua. Mediante el análisis estadístico de los registros históricos de caudales de la fuente (río, aguas subterráneas, etc.), no es posible conocer los volúmenes probables de agua que podemos disponer durante los meses de duración de la campaña agrícola. Esta información es de suma importancia para la elaboración del balance hídrico, planificación de siembras y el plan de distribución del agua de riego.
2. Monitorear la ejecución de la distribución. La hidrometría proporciona los resultados que nos permiten conocer la cantidad, calidad y la oportunidad de los riegos; estableciendo si los caudales establecidos en el plan de distribución son los realmente entregados y sobre esta base decidir la modificación del plan de distribución, en caso sea necesario.
3. Además de los anteriormente la hidrometría nos sirve para determinar la eficiencia en el sistema de riego y eventualmente como información de apoyo para la solución de conflictos.

El siguiente gráfico muestra la ubicación y la relación de la hidrometría con la rutina de operación del sistema.

LA HIDROMETRÍA EN LA OPERACIÓN DEL SISTEMA DE RIEGO

Métodosde Medición

Velocidad y sección.

Los métodos de aforo basados con este método son los mas empleados; se requiere medir el área de la sección transversal del flujo de agua y la velocidad media de este flujo.

Q = A x v

Donde:

Qes el caudal del agua.

A es área de la sección transversal del flujo de agua.

v es la velocidad media del agua.

Generalmente el caudal Q se expresa en litros por segundo (L / s) o en metros cúbicos por segundo m3/s.

En la ecuación si Q el caudal se expresa en m3/s, A se expresa en m2 y v en m / s, V se expresa en m3 y T que es el tiempo en seg.

Es fácil convertir m3/s a L / s, sabiendo que un m3 equivale a 1,000 litros.

L / s, se puede expresar también como LPS (litros por segundo).

El problema principal es medir la velocidad media en los canales o causes ya que la velocidad varia en los diferentes puntos al interior de una masa de agua.

Los métodos mas conocidos de aforos de agua son los siguientes:

Para la medición del agua existen varios métodos, siendo los mas utilizados el método del correntómetro y el método del flotador.

MÉTODO DEL CORRENTÓMETRO.

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

v = a n + b

Donde:

V es la velocidad del agua, en m / s

n es él numero de vueltas de la hélice por segundo.

a el paso real de la hélice en metros.

b la llamada velocidad de frotamiento en m / s

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.

Conocidas las profundidades se calcula el área de la sección transversal, la que se utilizara para él calculo del caudal

Donde:

V velocidad determinada con el correntómetro

A Área de la sección transversal

Q = v x A

En el formato 1 se registran los datos de campo, y en el Anexo se muestra un ejemplo del.

3.1.1.2. 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:

Él calculo consiste en

Q = A x v

v = e / t

v es la velocidad en m / s

e espacio recorrido en m del flotador

t tiempo en segundos del recorrido e por el flotador

A Área de la sección transversal

Q Caudal

garganta;

H = tirante.

Se emplea por lo general para caudales muy pequeños y se requiere de un recipiente para colectar el agua. El caudal resulta de dividir el volumen de agua que se recoge en el recipiente entre el tiempo que transcurre en colectar dicho volumen.

Q = V / T

Q Caudal m3 /s

V Volumen en m3

T Tiempo en segundos

Consiste en incorporación a la corriente de cierta sustancia química durante un tiempo dado; tomando muestras aguas abajo donde se estime que la sustancia se haya disuelto uniformemente, para determinar la cantidad de sustancia contenida por unidad de volumen.

La compuerta es un orificio en donde se establecen para determinadas condiciones hidráulicas los valores de caudal, con respecto a una abertura medida en el vástago de la compuerta.

Este principio es utilizado dentro de la operación normal de una compuerta; para la construcción de una curva característica, que nos permita determinar tomando como referencia la carga hidráulica sobre la plantilla de la estructura, cual es el gasto en litros por segundo que discurre por el orificio.

Sin embargo, al cambiar las condiciones hidráulicas del canal del cual están derivando, dan lugar a la variación de las curvas establecidas, razón por la cual es necesario establecer una secuencia de aforos para conocer cual es el grado de modificación de la curva utilizada.

Sección de Medición

El lugar donde se va ha efectuar la medición se conoce como la sección transversal del curso de agua y donde se va medir la velocidad del agua, esta debe estar emplazada en un tramo del cauce o canal donde el flujo de agua tenga las siguientes características:

Los filetes líquidos son paralelos entre sí

Las velocidades son suficientes para una buena utilización del correntómetro, en caso de utilice este instrumento.

Las velocidades son constantes, para una misma altura del tirante de agua.

La primera característica exige a su vez:

Un tramo recto de cauce, que sus márgenes sean rectas y paralelas.

Un lecho estable, y

Una sección transversal de flujo relativamente constante a lo largo del tramo recto.

Calibración de la Sección

Tanto el área de la sección como la velocidad del agua pueden variar con los cambios de altura en el nivel del agua, si hacemos esto en una sección adecuada, esta relación es generalmente fija, circunstancia que podemos aprovechar para que, una vez conocida esta relación entre nivel del agua, sección transversal y velocidad, puedan obtenerse y registrarse los caudales mediante una escala de alturas, que indica la variación del caudal.

Cuando una sección esta calibrada significa que se conoce la variación de la altura del nivel del agua y el caudal, para el caso de medidores y vertederos existen las formulas en función a la altura y en los casos de los ríos y canales se tienen las curvas de calibración llamadas ( h – Q.), en el grafico No 2 tenemos la relación de altura y caudal

Registros de Medición.

Definidos los puntos de medición, los métodos de aforo y establecidas las responsabilidades del personal; se procede a la ejecución de las observaciones y mediciones las que luego deberán registrarse en los formatos

• Registro de aforos con correntómetro
• Resumen mensual de Lectura de Escalas
• Resumen mensual de aforos en Estaciones
• Registro mensual de aforos en medidores
• Análisis de perdidas por distribución de agua por estación de aforo
• Perdidas entre volúmenes asignados y recibidos
• Informe mensual de entrega de agua
• Resumen anual de caudales medios diarios

En el Formato 1 para el aforo para correntómetro, se indican los diferentes elementos para determinar: La profundidad del Cause (columna 1 y 2) a lo ancho de la sección y determinar la profundidad de medición, a partir de este valor, determinamos la profundidad de observación del Correntómetro (columnas 3 y 4). Luego con él numero de revoluciones se determina la velocidad en el punto (Columna 7) y finalmente la velocidad media (columna 9). El área de la sección se calcula con el ancho y la profundidad ( columnas 10 y 11) y el Caudal se calcula a través del producto del área (columna 12) con la velocidad ( columna 9). El Caudal total es la suma de los caudales parciales.

El Formato 2 Es el resumen de las Lecturas horarias y diarias que se hacen durante un mes, para este caso es necesario tener de la estación de aforo la curva de calibración que relaciona la altura del agua en la escala o Limnimetro con el caudal.

El Formato 3, es el registro de los datos de aforo con correntómetro realizado en la estación de aforo, esta información es aquella que se realiza diariamente o periódicamente a lo que se ha determinado.

Formato 4, Al igual que el formato 3 este representa el aforo en una estación que tiene una curva de calibración o un medidor que puede ser un Pashall, "Sin Cuello", Orificio, Compuerta calibrada, etc.

La red Hidrométrica es el conjunto de estaciones de medición que se tiene dentro de un sistema que puede ser: de riego, hidrográfico o de agua potable, este conjunto de estaciones debe ser planeado con la finalidad de determinar el caudal que circula en toda la red y determinar en el caso de un sistema de riego cuales son los caudales o volúmenes recibidos por el sistema, cuales los entregados y cuales los perdidos.

La secuencia a seguir para la aplicación de la rutina dehidrometríase distingue las siguientes etapas:

4.1. Analizar la existencia y pertinencia de la red hidrométrica y de ser necesario mejorarla o implementarla.

Una de las funciones de quien tiene a cargo la operación del sistema, debe ser analizar la pertinencia de que el sistema de riego que administra(en función del servicio que debe brindar a los regantes), cuente con una red hidrométrica y un sistema para registrar y procesar la información. Este análisis comprende establecer la comparación entre el beneficio que otorga la existencia de una red hidrométrica y los costos que representan su implementación o mejoramiento y su operación.

La operación y control de la red hidrométrica es de gran importancia por que permite conocer, graduar y controlar la información hidrológica en el ámbito de tomas directas, de tomas principales y secundarias de las comisiones de regantes; además permite hacer el seguimiento o monitoreo de la Campaña Agrícola; actividades de cobranza (Volúmenes entregados, volúmenes facturados); análisis de eficiencia y/o pérdidas ( sistema, conducción, distribución); así como también tener actualizada la base de datos hidrológicos.

4.2. Verificación del estado de funcionamiento de la red hidrométrica y calibración de las estructuras de medición.

Es necesario determinar cada año el comportamiento hidráulico de las estructuras instaladas en un sistema de riego. Por esta razón es conveniente por que dentro de un grupo de estaciones escoger y efectuar aforos para los gastos mínimos, medios y máximos que pueda medir la estructura y calcular la discrepancia con los aforos; las curvas así obtenidas no deben ser mayores a un 5%. Esta acción debe realizarse periódicamente cada año.

Así por ejemplo, en la JU de Juliaca y Ramis en Puno, anualmente programa supervisiones y operaciones en coordinación con el ATDR, realizándose la calibración de las estaciones de medición, estableciendo luego una serie de aforos con diferentes caudales y a partir de estos las correspondientes curvas de calibración y tablas de descargas.

Aforo por El Método de Correntómetro

En un río para determinar el caudal que pasa por una sección transversal, se requiere saber el caudal que pasa por cada una de la subsecciones en que se divide la sección transversal. Para eso se sigue el siguiente procedimiento que explicaremos con la ayuda de la figura ·1 y del formato 1 para registrar las observaciones y calcular las velocidades y caudales.

La sección transversal del río donde se va ha realizar el aforo se divide en varias subsecciones, tal como se puede observar

El número de subsecciones depende del caudal estimado que podría pasar por la sección : En cada subsección, no debería pasar más del 10% del caudal estimado que pasaría por la sección. Otro criterio es que, en cauces grandes, el número de subsecciones no debe ser menor de 20.

El ancho superior de la sección transversal (superficie libre del agua) se divide en tramos iguales, cuya longitud es igual al ancho superior de la sección transversal dividido por el número de subsecciones calculadas

En los límites de cada tramo del ancho superior del cauce, se trazan verticales, hasta alcanzar el lecho. La profundidad de cada vertical se puede medir con la misma varilla del correntómetro que está graduada. Las verticales se trazan en el mismo momento en que se van a medir las velocidades.

Con el correntómetro se mide la velocidad a dos profundidades en la misma vertical a 0.2 y a 0.8 de la profundidad de la vertical, para lo cual se toma el tiempo que demora el correntómetro en dar 100 revoluciones y se calcula el número de revoluciones por segundo; con este dato se calcula la velocidad del agua en cada una de las profundidades utilizando la formula correspondiente, según el número de revoluciones por segundo (n). En el caso de nuestro ejemplo se emplean las siguientes formulas.

V = 0,2465n + 0,015 cuando n es < 0,72

V = 0,2690n + 0,006 cuando n es > que 0,72

Se obtiene la velocidad promedio del agua en cada vertical. La velocidad promedio del agua en cada subsección es el promedio de las velocidades promedio de las verticales, que encierran la subsección.

El área de cada subsección se calculará fácilmente considerándola como un paralelogramo cuya base ( ancho del tramo) se multiplica por el promedio de las profundidades que delimitan dicha subsección.

El caudal de agua que pasa por una subsección se obtiene multiplicando su área por el promedio de las velocidades medias registradas, en cada extremo de dicha subsección.

El caudal de agua que pasa por el río es la suma de los caudales que pasan por las subsecciones

  Tramos en que se divide el ancho superior del río, sub divisiones y profundidad de las verticales

El método que se usa corrientemente para aforar un río, es usando limnímetro o limnígrafo, puesto que usar frecuentemente el correntómetro en impracticable por lo difícil y tedioso de realizar las mediciones con este instrumento.

Un limnímetro es simplemente una escala tal como una mira de topógrafo, graduada en centímetro. Se puede utilizar la mira del tipógrafo, pero, por lo general, se pinta una escala en una de las paredes del río que debe ser de cemento. Basta con leer en la escala o mira, el nivel que alcanza el agua para saber el caudal de agua que pasa en este momento, pero previamente se tiene que calibrar la escala o mira.

La calibración consiste en aforar el río varias veces durante el año, en épocas de estiaje y épocas de avenidas, por el método de correntómetro y anotar la altura que alcanzó el agua, medida con el limnimetro.

Se hace varios aforos con correntómetro para cada determinada altura del agua. Con los datos de altura del agua (y) y del caudal (q) correspondiente obtenido, se construye la llamada curva de calibración en un eje de coordenadas cartesianas figura (2)

 Para ver el gráfico seleccione la opción "Descargar" del menú superior

Fig. 2 Curva de calibración del limnimetro basado en datos de aforos medido con chorreen metro.

El limnimetro siempre debe colocarse, en el mismo sitio cada vez que se hace las lecturas y su extremidad inferior siempre debe estar sumergida en el agua.

Los Limnimetros pueden ser de metal o de madera. Un a escala graduada pintada en una pared de cemento al costado de unas de las riveras del río, también puede servir de limnimetro.

Por lo general, aforos de agua se hace tres veces en el día, a las 6am, 12 m, y 6 PM. Para obtener el caudal medio diario.

Una mejor manera de aforar el agua es empleando un aparato llamado limnigrafo, el cual tiene la ventaja de poder medir o registrar los niveles de agua en forma continua en un papel especialmente diseñado, que gira alrededor de un tambor movido por un mecanismo de relojería.

Los limnígrafos están protegidos dentro de una caseta. Al comprar uno viene acompañado de las instrucciones para su operación y cuidado.

Para este métodode aforo con flotadores se utiliza generalmente cuando no se tiene correntómetro, existe excesiva velocidades él cause, peligros para las personas y para los equipos.

La metodología consiste:

- Seleccionar un tramo recto del cause entre 15 a 20 metros

- Determinar el ancho del cause y las profundidades de este en tres partes de la sección transversal.

• Calcular el área de la sección transversal

Donde : a, b. c profundidades del cauce

B Ancho del cauce

A = B x H

A Area

H altura promedio de ( a + b + c )/ 3

- Calculo de la velocidad

Para medir la velocidad en canales o causes pequeños, se coge un tramo recto del curso de agua y al rededor de 5 a 10 m, se deja caer el flotador al inicio del tramo que esta debidamente señalado y al centro del curso del agua en lo posible y se toma el tiempo inicial t1; luego se toma el tiempo t2, cuando el flotador alcanza el extremo final del tramo que también esta debidamente marcado; y sabiendo la distancia recorrida y el tiempo que el flotador demora en alcanzar el extremo final del tramo, se calcula la velocidad del curso de agua según la siguiente formula:

V = L / T (Velocidad)

L Longitud del tramo ( aproximadamente 10 m)

T Tiempo de recorrido del flotador entre dos puntos del tramo L

- Calculo del Caudal

Q = A x V

4. PROCEDIMIENTO

Practica realizada en laboratorio

5. RESULTADOS

Estación de Aforo ...........................Mes..............Año..............