ING. Virginia Miranda 2016 DEFINICIÓN AFORAR significa determinar el caudal o gasto a través de un curso NATURAL o ARTIFICIAL de agua. Las mediciones tienen como fin obtener información de procesos hidrológicos, entender mejor dichos procesos y como información de entrada de modelos de simulación. TIPOS DE MEDICIÓN Existen básicamente dos grandes grupos de sistemas de medición de caudales. Los cuales son: DIRECTOS Estos miden la velocidad del escurrimiento y la sección mojada de manera directa: • Métodos de Área- Velocidad: Molinete o Correntómetro • Métodos de dilución con trazadores: Aforo Químico Vertido Ctte Vertido Único INDIRECTOS En estos se estima la velocidad mediante mediciones y reconocimiento de campo; luego con formulas matemáticas derivadas de la hidráulica (Bernoulli ; ChezyManning) • Estructuras hidráulicas: Limnígrafo Escalas Limnimetricas • Método del Área-Pendiente ELECCION DE LA SECCION DE AFORO Dicha elección tiene gran incidencia en la calidad del aforo, por ello deben tenerse en cuenta las siguientes consideraciones: sección bien definida; márgenes y fondo preferentemente estables. Debe tenerse un fácil acceso a la misma. Debe ser estrecha y continua a fin de evitar los cambios bruscos en la ley H-Q. Debe existir un control seccional, evitándose las afectaciones por fenómenos producidos aguas abajo( remansos, mareas, etc.), es decir relación H-Q biunívoca. La sección servirá para encontrar la relación adecuada Altura- Caudal, que se conocerá como CURVA CARACTERISTICA DE LA SECCION O LEY H-Q MEDICIÓN DE AGUA SUPERFICIAL MEDIDORES DE NIVEL MAXIMO O MAXIMETROS Incluyen niveles pico ( de máxima creciente) y niveles en función del tiempo, midiéndose de forma manual o automática, estos se utilizan en lugares donde no puede colocarse otro tipo de aparatos. Están compuestos por una mira o escala dentro de un tubo perforado, que permite la entrada del agua, teniendo además algún elemento que me permite, obtener el registro de la medición. 1. Aparatos de sondeo. (manual) 2. Medidores de burbujas (automático) Se basan en medir la velocidad del agua y aplicar la ecuación: ó ∗ V (m/s) La velocidad se calcula mediante la utilización de un aparato o un elemento. Los aforos directos, proporcionan los puntos, para el trazado de la curva de gastos, en una sección. Siendo su realización fundamental por dos motivos: 1. Las estaciones registran nivel de agua, y necesitan calibraciones de las secciones 2. La variabilidad estacional de los cursos, proliferación de vegetación, erosión y sedimentación produce cambios de sección METODO DEL AREA-VELOCIDAD: MOLINETE O CORRENTÓMETRO El procedimiento consiste en posicionar el molinete en ubicaciones preestablecidas en la sección transversal del ríos, en franjas verticales de la misma, tomando los tiempos de giro de la hélice. A fin de calcular la velocidad En el sitio se hace un levantamiento topográfico, la sección se divide en tramos iguales, en las medias de cada una, se mide la velocidad a 0,2; 0,6 y 0,8 de la profundidad total. Los aforos con correntómetro pueden realizarse de cuatro formas distintas dependiendo de la profundidad y accesibilidad del rio: 1. Por vadeo. 2. Por bote. 3. Desde un puente. 4. Por carrileros. VELOCIDAD DEL FLUJO La velocidad del flujo se calculara, del siguiente modo: +'∗( Donde: a; b son constantes del aparato. N: numero de revoluciones de la hélice. La velocidad de cada franja será: , ∑%% Δ#$ . + , 3 + , El área es igual a A Siendo el caudal Q, igual a & A ∗ ∑%% Por otro lado, existen diversas formas de obtener la : Método de integración. Método de la velocidad a 0,6 de la profundidad. Método de los dos puntos. Método de los tres puntos. Método de la velocidad a 0,2 de la profundidad. Método de la velocidad a profundidad constante. METODO DE DILUCION CON TRAZADORES: AFOROS QUIMICOS Su fundamento es; se arroja una sustancia de concentración conocida , que se diluye en la corriente y aguas abajo se toman muestras y se analiza. A mayor caudal, mayor dilución de la muestra. Los trazadores deben cumplir las siguientes propiedades: a) No deben ser absorbidos por sedimentos o vegetación, ni reaccionar químicamente. b) No deben ser tóxicos. c) Deben ser fáciles de detectar. d) Deben ser baratos. Tipos de trazadores; Químicos, son la sal común y el dicromato de sodio; Fluorescentes, como la Rhodamina y los Radioactivos, los más usados son el yodo 132, bromo 82 y sodio. AFORO DE VERTIDO CONSTANTE A un cauce de caudal Q se añade un caudal q de un sustancia de concentración conocida C1. Se supone el rio tenia concentración de la misma sustancia C0. cumpliéndose que: &+) Suponemos que; & &∗ +)∗ * & ≈&, ≈0 ∴ & )∗ * − ∗& )∗ * AFORO DE VERTIDO UNICO Requiere una corriente turbulenta, para asegurar la mezcla del vertido con el caudal circulante hasta la toma de muestras. Se vierte un peso conocido, AAb y supuesta la homogeneización se toman muestras a intervalos de tiempo ∆t, calculando el principio y final de la toma de muestra. Las concentraciones en la n muestras serán C1,C2,……Cn . Luego el calculo del peso del vertido será: 0 0* ∆2 * + 0 ∆2 + ⋯ … . . +06 ∆2 6 ∗ & ∗ ∆2 + ⋯ … . . + 6 ∗ &6 ∗ ∆2 6 * ∗ &* ∗ ∆2 * + & ∗ ∆2 ∗ * + + ⋯ … … + 6 ∴ ∆2 ∗ * + 0 + ⋯……+ 6 ESCALAS LIMNIMÉTRICAS En una sección fija del rio se debe colocar este implemento que nos permite por su fácil acceso la medición del caudal del circulante en momento y tiempo determinado. Tiene como característica que la sección no se modifique , erosione, sedimente o inunde de manera fácil, esta debe ser lo mas recta posible (50 m AAR y AAB). En este tipo de medición se registra datos 4 o 5 veces al día dependiendo de la época. Se trata de escalas graduadas en cm, fijas al suelo, en cauces muy abiertos puede colocarse más de una, de manera que correspondan su comienzo y final ∗7 & * 6 ∗ 89 :⁄ ∗ < =⁄ : LIMNÍGRAFO El principio básico es el mismo, la diferencia radica en que este guarda un registro, permitiendo apreciar la evolución del caudal de modo continuo . El clásico funciona con un flotador que al subir y bajar una plumilla sobre un tambor giratorio, va graficando los datos, los equipos modernos almacenan de manera digital enviándose al organismo de control correspondiente. SENSORES ELECTROMAGNETICOS Posee un sistema electrónico en una pequeña caja, con un sensor electromagnético conectado mediante un cable. Al ingresar el sensor en el agua, se altera el campo magnético debido al flujo, variando el voltaje. La amplitud de dicha variación es proporcional a la velocidad del agua, esta es transmitida a un procesador electrónico que promedia la velocidad. La profundidad del agua se obtiene mediante un medidor de burbuja, para así poder calcular el caudal. ESTRUCTURAS HIDRAULICAS El principio fundamental es el de construir una sección de control a fin de, en función de la profundidad calcular el caudal. Las estructuras mas comúnmente usadas son: vertederos, canaletas o compuertas. Estas estructuras son normalmente denominadas AFORADORES. Los vertederos calculan el caudal en función de la altura, a través de la siguiente ecuación: & Donde: C= coef. Del vertedero. b= ancho de la escotadura del vertedero (m) Q= caudal (m3/s) ∗'∗ℎ ?@ VERTEDEROS El caudal se conoce ingresando a una curva ( curva de calibración). El umbral o LABIO es la sección de control, donde se origina la velocidad critica. Los vertederos son estructuras transversales a la corriente que eleven el nivel de aguas arriba y permiten la circulación a través de una apertura de diferentes formas conocidas, las más comunes son: TRIANGULAR, RECTANGULAR, DE PARED GRUESA, DE PARED DELGADA, ETC. Algunas de las ecuaciones de calculo son las siguientes: & 2 ∗ 3 ∗ % 2∗B ∗ℎ & 2 % ∗ 2∗B ∗C 3 Si L > 3C 8 ∗ 15 D E 1,06 ∗ 1 + 9 @? ∗ % 2∗B ∗N C . # 0,611 + 0,08 ∗ 9⁄# )≅ @? B ⁄: I 9⁄ # > 20 Ec. de pared gruesa O@ Ec. de vertedero triangular con pico en V a 90° Las compuertas se comportan como ORIFICIOS HIDRAULICOS. Por ultimo la estructura de medición es la denominada canaleta PARSHALL, este tiene ventajas sobre los demás, ya que su garganta no se eleva sobre la solera del canal, y no retiene solidos. Tiene calculados los caudales circulantes, permitiendo su utilización en una gama de caudales más amplia. Para ello, necesitamos disponer de escalas de lectura AAR y AAB de dicha estructura. V W El porcentaje de sumergencia, será: % I EB ∗ NY ∗ X 100 Cuando exista sumergencia el caudal real será menor que el obtenido con la formula general del aforador PARSHALL. & 0,37 ∗ ' ∗ 3,28 ∗ ℎ Donde b =ancho de la garganta h= altura del agua sobre el umbral *,O Q∗RS,S:T METODO DEL AREA- PENDIENTE Cuando no se cuenta con la instrumentación, y es necesaria la estimación del caudal, podemos estimar el caudal, debido a las huellas que dejan las crecientes, si tomamos 2 secciones separadas una distancia L, entre si, conociendo la rugosidad del tramo. Aplicando Bernoulli: ℎ* + Z=: [ ℎ + Z:: [ + ℎ< ℎ \+] ℎ< = perdidas de carga obtenidas por Manning ∗7 & * 6 ∗ 89 :⁄ ∗ < =⁄ : METODOLOGIA 1. Se asume * 2. Si en Manning K es: ∴ ℎ< =ℎ* +ℎ ⇒ a * 6 ∗ 89 :⁄ < 9_ ` ∗ 7 promedio entre ambas secciones y obtengo = a % a* ∗ a & a ∗ < ⁄: 3. Calculo las velocidades en función del caudal encontrado, partiendo de que ∗ 7 &. 4. Calculo nuevamente ℎ< usando las velocidades encontradas, si coincidecon la anterior; fin del problema. De lo contrario se itera hasta la igualdad. Los procesos de aforado, nos dan como dato de importancia las isovelas ( líneas de igual velocidad) de la sección aforada. SEDIMENTACIÓN Es un factor de interés en hidrología el conocer la tasa de transporte y la deposición de sedimentos en embalses, puertos, estuarios y los medios de control de erosión. CLASIFICACIÓN DEL TRANSPORTE Según el mecanismo de transporte: CARGA DE LECHO: movimiento de partículas en contacto con el lecho; ruedan, se deslizan o saltan. CARGA EN SUSPENSIÓN: movimiento de partículas en el agua. La tendencia de asentamiento de las partículas es compensada por la acción difusiva del campo de flujo turbulento. Según el origen del material transportado: TRANSPORTE DE MATERIAL DE FONDO: este tiene su origen en el lecho, el transporte se determina por las condiciones del lecho y el caudal. CARGA DE LAVADO: trasporte nulo o en pequeñas cantidades en el lecho. El material es suministrado por fuentes externas (erosión) . MEDICIÓN DEL TRANSPORTE Un buen muestreador debe: Producir un mínimo de perturbación en el flujo. Evitar errores de fluctuaciones. Dar resultados que se relacionen con la velocidad del flujo. Un instrumento es la botella abierta o trampa para partículas. Consiste en un cuerpo hidrodinámico con una botella de vidrio en ella, un ducto para escape de aire y que controla la velocidad de entrada para que se aproxime a la velocidad del flujo. En el extremo de entrada tiene una boquilla que controla la tasa de llenado. El manejo del medidor requiere su descenso vertical, de superficie hasta el fondo. Eso nos da una muestra con la cantidad relativa de material recogido, la muestra se filtra y secamos el sedimento. Con ella se hace una granulometría, con lo obtenido calculo los parámetros correspondientes a las características sedimentarias. 0 I 0 I 2 2 2E 0 I 2 2 D I ' 2 + I2E I2E −D I ' 2 COLMATACIÓN DE EMBALSE La distribución de velocidad de la corriente en un embalse facilita la decantación de sedimentos. Se acostumbra llamar EFICIENCIA EN LA RETENCIÓN, la relación entre la cantidad de sedimentos retenido y la que entra al embalse. El peso unitario inicial de los depósitos puede estimarse usando la siguiente ecuación: b* bc ∗ 0c + b ∗ 0 + b ∗ 0 W1= peso unitario inicial del sedimento Pi= fracción de material fino entrante Wi= peso especifico de los finos. El peso unitario promedio luego de T años de operación se expresa como: bd b* + 0,4343 ∗ f ∗ g@g − 1 ∗ ln g − 1 T= N° de años K= cte. según el tipo de embalse. Para conocer la cantidad de sedimentos que existe en un embalse y sus variaciones, se realizan levantamientos batimétricos periódicos.
