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Metodos de aforo- métodos de aforo de corrientes naturales de agua mas utilizados, aforo con flotadores




INTRODUCCIÓN
El conocimiento de la variación del caudal que fluye por una determinada sección de un cauce natural es de suma importancia en los estudios hidrológicos.
De acuerdo con la calidad y la cantidad de los registros de caudales necesarios en un estudio hidrológico, las mediciones se pueden hacer de una manera continua o permanente o de una manera puntual o instantanea, las mediciones continuas de caudales requieren de la instalación de una estación medidora (limnimétrica) o de una estación registradora (limnigrafica).
Es necesario medir la cantidad de agua de las fuentes, para saber la cantidad de población para la que puede alcanzar. El aforo es la operación de medición del volumen de agua en un tiempo determinado. Esto es, el caudal que pasa por una sección de un curso de agua. El valor del caudal mínimo debe ser mayor que el consumo maximo diario con la finalidad de cubrir la demanda de agua de la población futura. Lo ideal sería que los aforos se efectúen en las temporadas críticas de los meses de estiaje (los meses secos) y de lluvias, para conocer caudales mínimos y maximos.


Existen varios métodos para determinar el caudal de agua y los mas utilizados en los proyectos en zonas rurales son los métodos volumétrico y de velocidad-area. El primero es utilizado para calcular caudales hasta con un maximo de 10 lts seg. y el segundo para caudales mayores a 10 lts./seg.
Las mediciones aisladas, puntuales o instantaneas, serealizan en determinados momentos en que se desee conocer la magnitud de una corriente en particular.
La mayoría de los métodos de aforo se basan en la ecuación de continuidad (Q = V * A).
I. MÉTODOS DE AFORO DE AGUA

A. MÉTODOS DE AFORO DE CORRIENTES NATURALES DE AGUA MAS UTILIZADOS.

Aforar” el agua consiste en medir el caudal del agua. En vez de “caudal” también se puede emplear los términos “gasto”, “descarga” y a nivel de campo “riegos”.

Importancia
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.

- Poder determinar la eficiencia de uso y de manejo del agua de riego.


1. AFORO VOLUMÉTRICO. Se aplica generalmente en los laboratorios de hidraulica, ya que solo es funcional para pequeños caudales; sin embargo se pueden implementar también en pequeñas corrientes naturales de agua.


Instalación para un aforo Volumétrico con vertedero. Volumétrico.
El aforo volumétrico consiste en medir el tiempo que gasta el agua en llenar un recipiente de volumen conocido para lo cual, el caudal es facilmente calculable con la siguiente ecuación: Q=V/t.
2. AFORO CON VERTEDEROS Y CANALETAS. 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. Un funcionamiento típico de un vertedero paraaforar corrientes naturales se muestra en la figura.

Secciones de control artificiales para aforar corrientes naturales.
3. AFORO CON TUBO DE PITOT. Su mayor aplicación se encuentra en la medición de velocidades en flujo a presión, es decir, flujos en tuberías. Sin embargo, también se utiliza en la medición de velocidades en canales de laboratorio y en pequeñas corrientes naturales. Es tubo de pitot permite medir la velocidad de la corriente a diferentes profundidades, por lo cual se puede conocer la velocidad media en la sección, que multiplicada por el area de ésta, produce el caudal de la corriente.
4. AFORO CON TRAZADORES FLUORESCENTES 0 COLORANTES. El empleo de colorantes para medir la velocidad del flujo en corrientes de agua es uno de los métodos mas sencillos y de mayor éxito. Una vez elegida la sección de aforo, en la que el flujo es practicamente constante y uniforme se agrega el colorante en el extremo de aguas arriba y se mide el tiempo de llegada al extremo de aguas abajo. Conocida la distancia entre los dos extremos de control, se puede dividir esta por el tiempo de viaje del colorante, obteniéndose así la velocidad superficial o subsuperficial de la corriente liquida. La velocidad media de flujo se obtendra dividiendo la distancia entre los dos extremos o puntos de control, por el tiempo medio de viaje.
Si se inyecto un colorante de tipo brillante, como la eosina, y si se suspende horizontalmente una lamina brillante, delongitud conocida, en un sitio aguas debajo de la inyección, es posible detectar los instantes en que desaparecen y aparece el colorante en los extremos de dicha lamina. La medida del tiempo que transcurre entre los instantes de desaparición y aparición del colorante se puede emplear como representativo del tiempo medio del flujo a lo largo de la lamina. La velocidad media superficial del flujo se obtendra dividiendo la longitud de la lamina por el tiempo medio del flujo.
Otros colorantes, común y eficazmente empleados como trazadores, son la fluoresceína, el rojo congo, el permanganato de potasio, la rodamina b y el pontacil rosa B brillante. Este último es especialmente útil en estudios de dispersión de contaminantes en el agua. En los últimos años se han logrado considerables mejoras en las técnicas de medición con trazadores fluorescentes, especialmente con la rodamina B, rodamina WT, las sulforrodaminas B y G la uramina y el bromuro 82.
5. AFOROS CON TRAZADORES QUÍMICOS Y RADIOACTIVOS. Es un método muy adecuado para corrientes turbulentas como las de montañas. Estos trazadores se utilizan de dos maneras: como aforadores químicos, esto es, para determinar el caudal total de una corriente y como medidores de velocidad de flujo.


En los aforos químicos y radioactivos, se inyecta una tasa constante qt, de la sustancia química, radioactiva o trazador, de concentración conocida, Cti, a la corriente cuyo caudal, Q, desee determinarse ycuya concentración de la sustancia, Ca , en la corriente, también se conoce. A una distancia corriente abajo, suficientemente grande para asegurar que se han mezclado totalmente el trazador y el agua, se toman muestras de ésta, y se determina la concentración de la sustancia química o radioactiva.

Procedimiento de inyección y hago un muestreo en un aforo con trazador.
El caudal de la corriente se puede determinar, entonces, empleando la siguiente ecuación.

En su empleo como medidores de velocidad, los trazadores químicos y radioactivos se inyectan aguas arriba del primer punto de control de la corriente. Se calcula el tiempo de paso del prisma de agua que contiene el trazador entre dicho punto de control y otro situado aguas abajo a una distancia previamente determinada. El cociente entre esta distancia y el tiempo de paso es la velocidad media de la corriente.
Cuando se emplea la sal común ( NaCl ) como trazador químico, se mide el tiempo de paso entre los dos puntos de control, utilizando electrodos conectados a un amperímetro, esto es, un conductivímetro. 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.
Un compuesto químico comúnmente empleado como trazador es la mezcla de 2g de Anhídrido Tatico con 0.1259 de Difenil - Carbazida y 50 cm3 de alcohol de 98º. También, se utiliza el clorato de sódico, la fluoreína y el bicromatode sodio.
Los trazadores radioactivos mas usuales son: el Tritio ( T, isótopo del Hidrógeno, con tres protones).
Las sustancias químicas y radioactivas empleadas para medición de caudales deben reunir las siguientes condiciones:
· Debe mezclarse facil 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 facilmente 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 analisis final de las muestras.
· Debe ser foto estable, es decir, no decolorable ni reactivo ante la acción de la luz.
6. AFORO CON FLOTADORES. Son los mas sencillos de realizar, pero también son los mas imprecisos; por lo tanto, su uso queda limitado a situaciones donde no se requiera mayor precisión. Con este método se pretende conocer la velocidad media de la sección para ser multiplicada por el area, y conocer el caudal, según la ecuación de continuidad.
Q = velocidad *area
Para la ejecución del aforo se procede de la siguiente forma. Se toma un techo de la corriente de longitud L; se mide el area A, de la sección, y se lanza un cuerpo que flote, aguas arriba de primer punto de control, y alpaso del cuerpo por dicho punto se inicia la toma del tiempo que dura el viaje hasta el punto de control corriente abajo. Como se muestra en la siguiente figura.

Esquema ilustrativo para aforo con flotador.
La velocidad superficial de la corriente, Vs, se toma igual a la velocidad del cuerpo flotante y se calcula mediante la relación entre el espacio recorrido L, y el tiempo de viaje t.

Se considera que la velocidad media de la corriente, Vm, es del orden de 0.75Vs a 0.90 Vs, donde el valor mayor se aplica a las corrientes de aguas mas profundas y rapidas ( con velocidades mayores de 2 m/s. Habitualmente, se usa la siguiente ecuación para estimar la velocidad media de la corriente. Vm = 0.85VS.
Si se divide el area de la sección transversal del flujo en varías secciones, de area Ai, para las cuales se miden velocidades superficiales, Vsi, y se calculan velocidades medias, Vmi, el caudal total se podra determinar como la sumatoria de los caudales parciales qi, de la siguiente manera

Se pueden obtener resultados algo mas precisos por medio de flotadores lastrados, de sumersión ajustable. Estos flotadores consisten en un tubo delgado de aluminio, de longitud Lfl, cerrado en ambos extremos y con un lastre en su extremo inferior, para que pueda flotar en una posición próxima a la vertical, de tal manera que se sumerjan hasta una profundidad aproximadamente de 25 a 30 cm sobre el fondo, y emerjan unos 5 a 10 cm.
La velocidadobservada de flotador sumergido, Vf, permite la determinación de la velocidad media de la corriente, Vm, a lo largo de su curso, por la siguiente formula experimental:

donde y es la profundidad de la corriente de agua.
7. AFORO CON MOLINETE O CORRENTÓMETRO. El principio de la medición de velocidad con molinete es el siguiente: Supóngase un molinete puesto en un punto de una corriente que tiene una velocidad V. La longitud S, es el recorrido de una partícula fluida moviéndose a lo largo del contorno completo de la línea que determina una vuelta de la hélice. La situación es analoga al suponer quieta el agua y el molinete desplazandose a través de ésta con velocidad V. Para un desplazamiento S, la hélice también dara una vuelta.
Para un movimiento uniforme,
El espacio, S, recorrido por la hélice, o por la partícula líquida a través de ésta, se representa por el número de rotaciones, N, que da el molinete en t segundos.
Luego
Como existen fricciones en las partes mecanicas del aparato, es necesario introducir un coeficiente de corrección, b.
Entonces
Y haciendo, la frecuencia de giro, se tiene: V=b*n
Con la sensibilidad del aparato se hace sentir a partir de determinada velocidad mínima, a, que en general, es del orden de 1 cm/s, por debajo de la cual el aparato no se mueve, la ecuación del aparato se transforma en:
V= a+ b*n
Ecuación que corresponde a una línea recta. Los aparatos vienen con su respectiva ecuación decalibración, dependiendo del tipo de molinete y de la casa productora, o tabuladas las velocidades en función del número de revoluciones por minuto.
Por ejemplo, para el correntómetro Prince's Electric Currentmeter No 17110B, Serial No 101-A, la ecuación de calibración para la velocidad, en m/s es:
V = 0.019 + 0.702 * n
El medidor de corriente o molinete es un dispositivo constituido por una serie de paletas las cuales giran al estar en contacto con una corriente de agua, siendo el número de revoluciones proporcional a la velocidad de la corriente.
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 lamina de agua.
Los pasos a seguir para efectuar un aforo son
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 servira como referencia para los demas aforos. A partir de este punto se coloca la cinta métrica para poder obtener el seccionamiento del area del río.

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 mas corta sea esta longitud, mas exacto sera el valor del caudal aforado), se efectúa elseccionamiento del area 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 condiciones, se establece un lapso de tiempo en el cual se realizara 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 mas grande sea el periodo de tiempo mas exacto sera el caudal aforado pero también mayor sera 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 durante 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 calculo de caudal se hace por medio de la siguiente expresión:









Procedimientos basados en la geometría de la sección y en la velocidadmedia del flujo
Para aplicar este procedimiento se debe conocer exactamente la geometría de la sección en la cual se efectuara la medición, lo cual permite conocer el area A (h) que corresponde a la altura h, y se debe determinar en la forma mas precisa posible:
El nivel del agua en la sección, h
La velocidad media del fluido en la sección, Vmedia
Como consecuencia, el caudal Q sera igual a: Vmedia * A (h)
Una vez conocidas varias parejas de datos [h - Vmedia], se dice que la sección ha sido calibrada, y se puede determinar una fórmula empírica de transformación de nivel en caudal. A partir de este momento, y mientras la sección no se modifique, se puede estimar el caudal midiendo el nivel del agua en la sección, y utilizando la ecuación de transformación. Las ecuaciones de transformación son mas precisas para secciones regulares, cuya geometría sea próxima a la de un rectangulo, un triangulo o un trapecio. Por esa razón, cuando es compatible con los costos, se introducen en los canales, secciones específicas para la medición del caudal.
Procedimientos para determinar la velocidad media del agua en un flujo
Mediante el uso de correntómetro
Mediante el uso de instrumentos basados en el efecto Doppler;
Mediciones mediante el tubo de Pitot;


Medición del caudal en tuberías
En el caso de tuberías, la sección transversal es conocida con la suficiente precisión. Para la medición de la velocidad se utilizan, entre otros lossiguientes procedimientos:
Mediante el uso de correntómetro;
Mediante el uso de instrumentos basados en el efecto Doppler;
Mediciones mediante el tubo de Pitot;
Introduciendo un estrangulamiento del tubo, el que puede ser gradual, mediante una pieza especial denominada Tubo de Venturi; o abrupta, mediante la inserción de un diafragma.


















Conclusión
En la administración del medio “agua” es un objetivo esencial para todos los que de una u otra forma participan en su planificación, control y gestión. El interés es compartido por los usuarios y la sociedad en general. La medición de caudal contribuye a este objetivo permitiendo el desarrollo y la implantación de políticas y planes de uso del agua basados en el conocimiento cuantitativo del recurso.
















Bibliografía
Maza Alvarez J. A. y García Flores M. (1995) Cap.
12 del Manual de Ingeniería de
Ríos “Estabilidad de Cauces”. Instituto de Ingeniería de la UNAM.
- Maza Alvarez J. A. y García Flores M. (1996) Cap. 10 del Manual de Ingeniería de Ríos “Transporte de Sedimentos”. Instituto de Ingeniería de la UNAM.
- Melville B. And Coleman S. (2000) “Bridge Scour” Water Resources Publications
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- Weber J. F. (2000) “Hidraulica del Transporte de Sedimentos” Cap. en Hidrología y Procesos Hidraulicos. FCEFyN, UNC.
- Vide J. P. (1997) “Ingeniería Fluvial” Universidad Politécnica de Cataluña. Barcelona. España.





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