PROTOCOLO DE MEDICIÓN DE PÉRDIDAS DE AGUA POR CONDUCCIÓN EN CAUCES ARTIFICIALES (CANALES)

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1 DISEÑO Y PUESTA EN MARCHA DE UN SISTEMA DE MONITOREO DE CAUDALES Y DE UN PROTOCOLO DE DETERMINACIÓN DE PÉRDIDAS DE AGUA, PARA LA PRIORIZACIÓN DE LAS INVERSIONES PÚBLICO-PRIVADAS FIC-R 2013 Universidad de La Serena Región de Coquimbo PROTOCOLO DE MEDICIÓN DE PÉRDIDAS DE AGUA POR CONDUCCIÓN EN CAUCES ARTIFICIALES (CANALES) Protocolo desarrollado por el Laboratorio de Prospección, Monitoreo y Modelación de Recursos Agrícolas y Ambientales (PROMMRA). JULIO 2016

2 INDICE Recopilación de antecedentes previos para la elaboración de protocolo de aforo y determinación de pérdidas en canales Introducción Metodología Prospección de equipos destinados al aforo en canales Protocolo de determinación de pérdidas Sección de aforo Métodos de Aforo Aforo con Flotador Aforo volumétrico Aforo con trazadores químicos Aforo con estructuras hidráulicas (Vertederos y/o Canaletas) Aforo área velocidad por medio de Molinete (Correntómetro) Consideraciones previas a la utilización del Molinete Método de distribución de velocidades Métodos de un número discreto de puntos Determinación de Caudal aforado Aforo mediante métodos no tradicionales Aforo mediante método de ultrasonido Aforo mediante método electromagnético Aforo mediante método efecto Doppler Determinación de pérdidas en canales Protocolo de determinación de pérdidas de agua en canales A. Protocolo de Selección de Equipos destinados al aforo de canales (PSE) Caracterización del canal o tramo donde se desea determinar pérdidas Procedimiento y materiales Determinación de velocidad y/o caudal mínimo y máximo que el canal o tramo del mismo es capaz de conducir Determinación de rango de medición y precisión del equipo de aforo Clasificación del canal Selección del equipo de medición Molinetes o Correntómetros Equipos basados en trazadores químicos Equipos de tipo electromagnéticos o doppler B. Protocolo de aforo con molinetes (PAFM) Consideraciones al momento de seleccionar la sección de aforo Procedimiento Consideraciones generales para el aforo Materiales Determinación del caudal C. Protocolo de aforo con trazadores químicos (PAFQ) Consideraciones generales para la selección del sitio de inyección... 40

3 2. Consideraciones generales previas al aforo Consideraciones generales al momento del aforo Materiales D. Protocolo de determinación de perdidas (PDP) Caracterización del canal o tramo a evaluar Definición de tramo matriz y subtramos, antes de la primera entrega predial Materiales Definición de tramos al interior del canal Canal o sección revestido Aforo de los tramos seleccionados Procesamiento de los datos obtenidos en terreno ANEXO Anexo 1. Metodología de aforo mediante flotador Procedimiento de medición Calculo de velocidad Calculo de caudal Requerimientos Anexo 2. Planillas y Check List incluidos en el Protocolo de Determinación de Perdidas (PDP) Planillas y Check list Protocolo de selección de equipos (PSE) Planillas y Check list Protocolo de Aforo con Molinete (PAFM) Planilla y Check list Protocolo de Aforo con Trazadores Químicos (PAFQ) Planilla y Check list Protocolo de Determinación de Perdidas en canales (PDP) Equipos catastrados para la aplicación del protocolo de selección de equipos de aforo Equipos basados en el método de burbujas Equipos basados en métodos de ultrasonido, doppler y/o electromagnéticos Equipos basados en método de presión hidrostática Aplicación del protocolo de determinación de pérdidas para definir los equipos de aforo i. Revisión en terreno de las distintas realidades existentes en los canales de la cuenca 71 ii. Determinación de precisión para equipos de medición de caudales iii. Requerimientos mínimos de equipos para la medición de velocidad y/o caudal iv. Selección de equipos para el aforo en canales... 90

4 Recopilación de antecedentes previos para la elaboración de protocolo de aforo y determinación de pérdidas en canales 1. Introducción Estandarizar y homogeneizar los procedimientos con los cuales se afora tanto a nivel de cauces naturales como canales, es fundamental para obtener información precisa y real del caudal pasante al momento de la medición. De esta manera se logran disminuir los errores al momento de la medición, producto de un desconocimiento de los procedimientos o por falta de experiencia, con lo cual la diferencias registradas se pueden asignar o a los equipos de medición o los métodos empleados para medir los caudales. Este documento pretende orientar el monitoreo de caudales, así como la determinación de pérdidas por conducción, a través de la entrega de información debidamente estandarizados desde su origen, logrando con ello replicar los procedimientos bajo distintas condiciones y por cualquier persona que haya podido leer el siguiente protocolo. 2. Metodología Para la elaboración del presente protocolo se procedió a la recopilación de información a partir tanto de literatura, así como de una búsqueda a través de la web. La búsqueda incluyo tanto estudios y material nacional como internacional, de manera tal de contrastar las diferentes metodologías de medición de caudales y perdidas, bajo condiciones locales así como en otras latitudes. Se describieron aquellos procedimientos de medición de caudales, más utilizados tanto en Chile como en el mundo, para cada uno de ellos se definió una metodología de aplicación, requerimientos, cuidados al momento de la medición, así como bajo qué condiciones se recomendaba o no la utilización del mismo. Además se reseñaron procedimientos simples para la medición de caudales (flotador, volumétrico, etc.), así como otros más complejos y que requieren de la utilización de equipamiento especial (molinetes, equipos de ultrasonido, etc.), todo esto con la finalidad de que el presente protocolo pueda ser aplicado bajo las distintas condiciones y realidades de los regantes y organismos encargados de la administración del recurso hídrico del país. A continuación se presenta una recopilación de los principales estudios considerados para la elaboración del presente informe, ordenados según el grado de utilidad de estos. a) Protocolo para el monitoreo y seguimiento del agua. INSTITUTO DE HIDROLOGÍA, METEOROLOGÍA Y ESTUDIOS AMBIENTALES b) Guía de prácticas Hidrológicas. Volumen I. Hidrología. De la medición a la información hidrológica. ORGANIZACIÓN MUNDIAL DE METEOROLOGÍA c) Guía para el monitoreo y seguimiento del agua. INSTITUTO DE HIDROLOGÍA, METEOROLOGÍA Y ESTUDIOS AMBIENTALES d) Aforos y medición de pérdidas (ITC-09). COMISIÓN NACIONAL DE RIEGO e) Aforo en Canales no revestidos. COMISIÓN NACIONAL DE RIEGO f) Medida de caudal de líquidos en canales abiertos. Métodos de exploración del campo de las velocidades" (AENOR) de acuerdo a la ISO 748:1997. ORGANIZACIÓN INTERNACIONAL DE NORMALIZACIÓN g) Optimización de la conducción de aguas mediante la evaluación de filtraciones en canales de regadío. INNOVA-CHILE

5 h) Optimización del sistema de riego, embalse Corrales, rio Choapa. Informe final. Resumen y conclusiones. COMISIÓN NACIONAL DE RIEGO i) Aforadores para canales abiertos. BOS, M., REPOGLE, J. & CLEMMENS A j) Cálculo de incertidumbre en la medida de caudales en ríos y canales: herramientas y aplicaciones prácticas innovadoras. HELMBRECHT, J., LÓPEZ, J. &VILLEGAS, J k) Propagación de errores en cálculos hidrológicos con caudales obtenidos construidas con una baja densidad propagación de errores en cálculos hidrológicos con caudales obtenidos mediante curvas nivel construidas con una baja densidad de aforos líquidos propagación de errores en cálculos hidrológicos con curvas nivel caudal de aforos líquidos. MARTINEZ, J l) Consideraciones sobre aforos de caudales pequeños, con una aplicación a un aforo realizado de 40 l/s. MALMCRONA, K m) Hidrología I. Trabajo práctico: aforos directos. UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA n) Evaluación técnica en tres marcos partidores del canal Ranquililahue, rio Chillan. HENRÍQUEZ, B o) Manual de normas y procedimientos para la administración de recursos hídricos. DIRECCIÓN GENERAL DE AGUAS Prospección de equipos destinados al aforo en canales Otra sección de este protocolo dice relación con una prospección a nivel local e internacional de equipamiento destinado a la medición de caudales, donde los distintos equipos fueron agrupados según el tipo de principio de funcionamiento utilizado para llevar adelante el aforo. Entre los principios de funcionamiento más comunes encontrados en los equipos de medición de caudal tenemos: Conductividad eléctrica Método de burbuja Ultrasonido Doppler Electromagnético Presión hidrostática Métodos tradicionales (molinetes) Métodos combinados (más de un principio para definir caudal) Otros. Se utilizó este tipo de clasificación de los equipos, para facilitar la comparación entre instrumentos agrupados bajo el mismo principio, así como entre equipos con diferentes principios de funcionamiento. Un aspecto central al momento de prospectar equipos, fue la capacidad de estos de ser transportables, así como la de requerir de una sección de aforo o sección de control previamente establecida. Un punto importante considerado al momento de describir los equipos (Anexo 1) fue la precisión de las medidas que estos entregaban. La descripción de los equipos fue en base a una ficha técnica que considero: Nombre Modelo Principio de funcionamiento

6 Origen Empresa fabricante y web de contacto Precio, en aquellos casos que este se encuentre fácilmente disponible Además se incorpora una imagen del equipo. 22 equipos funcionan bajo el principio del Ultrasonido, cuyo sensor se basa en la medición de la altura de un flujo el cual posteriormente es transformado en un valor de caudal. El sensor no tiene contacto con el agua y transmite ondas que se reflejan en la superficie de esta, detectando el eco. De esta forma conocido el tiempo de transmisión y de recepción de la onda se determina el nivel del agua. 8 equipos funcionan bajo el principio del efecto Doppler, un sensor, que se ubica en el interior del área de escurrimiento del agua, se transmite una onda ultrasónica continua, con lo cual se mide la variación de la frecuencia de los ecos devueltos que son reflejados en las burbujas de aire o en las partículas del fluido utilizando la tecnología de Doppler de onda continua. Los datos entregados por el sensor se utilizan para estimar la velocidad media o la distribución de velocidades del flujo en la sección. Además el sensor cuenta con un transductor de presión, con lo cual se determina el nivel del flujo sobre el mismo. 5 equipos se basan en el principio de conductividad eléctrica por medio de un trazador, el procedimiento consiste en inyectar un trazador en una sección de la corriente y realizar aguas abajo, a una distancia lo suficientemente lejos para que haya dilución total, mediciones de conductividad eléctrica para detectar el paso de la nube y así calcular el caudal. En todo este desarrollo no se requiere conocer el área de la sección de medición. 2 equipos funcionan en base al método de las burbujas, el cual se basa en la instalación de una manguera en el fondo del canal, siendo estimada la profundidad el flujo por la presión necesaria para forzar a las burbujas de salir de la manguera 2 equipos funcionan en base al principio de presión hidrostática, este sistema se basa en la instalación de un sensor en el fondo de un canal, el cual determina la presión del flujo sobre este y de esta forma la profundidad. 2 equipos tradicionales correspondientes a Molinetes, este método consiste en dividir la sección de escurrimiento en varias subsecciones menores, en cada una de las cuales se realiza una medición de velocidad de escurrimiento mediante el uso de un molinete que se introduce en el centro de cada subsección. Luego se calcula para cada subsección el caudal como el producto de su área por su velocidad media y finalmente, el caudal de la sección como la suma de los correspondientes a cada subsección. La velocidad medida por el molinete tiene directa relación con el número de vueltas por segundo que realiza la hélice. Cada molinete tiene asociada una curva de calibración que permite relacionar la velocidad con respecto al número de vueltas por segundos de la hélice. 2 equipos funcionan en base al método electromagnético, este sistema se basa en que el movimiento del agua en un cauce natural o canal atraviesa la componente vertical del campo magnético de la Tierra e induce en el agua, por consiguiente, una fuerza electromotriz que será posible medir mediante dos electrodos. Esta fuerza, que es directamente proporcional a la velocidad promedia del río, es inducida a lo largo de cada filamento transversal de agua a medida que ésta atraviesa la vertical del campo magnético terrestre.

7 5 equipos cuyo funcionamiento reúne más de un principio de funcionamiento, encontrándonos con equipos que poseen sensores: Ultrasonido y presión hidrostática Electromagnético y presión hidrostática Doppler y presión hidrostática Doppler, burbujas y/o presión hidrostática 2 equipos que presentan sensores clasificados como otros, donde encontramos sistemas de radar y laser. 4. Protocolo de determinación de pérdidas La determinación de pérdidas a nivel de canales se efectúa por medio de aforos, los cuales a su vez presentan una serie de metodologías para su ejecución. El aforo nos permite saber el caudal que pasa por una sección dada en un momento determinado. Es así como se han desarrollado diversos procedimientos que se aplican según el tamaño del cauce, la magnitud del caudal, las características hidráulicas del flujo, la necesidad de contar con datos inmediatos o a corto plazo, la viabilidad de visitar los sitios de medición con mayor o menor frecuencia, dependiendo de las distancias y recursos logísticos, entre otros. Entre los métodos más empleados tenemos: Aforo con flotador. Aforo volumétrico Aforo con trazadores químicos Aforo mediante estructuras hidráulicas (vertederos y/o canaletas) Aforo Área Velocidad (molinete o Correntómetro) La elección del método depende de las condiciones encontradas en el lugar a aforar, observando que el de mayor aplicación práctica está basado en la medición de la Velocidad media del flujo (V) y el Área de la sección transversal (A), obteniéndose el caudal como el producto de ambas magnitudes, según la siguiente expresión: Q=VxA Un elemento crucial previo a la elección del método de aforo es la selección de la sección de aforo, lo que en definitiva nos indicara el método a emplear. 4.1 Sección de aforo Con el propósito de obtener mediciones confiables que faciliten la calibración total de la sección de aforo y que a su vez se tengan facilidades logísticas para el desplazamiento del personal encargado de los aforos, la sección transversal debe cumplir los siguientes requerimientos técnicos y logísticos: La sección de aforo debe estar situada en un tramo recto del cauce o canal. En lo posible, la longitud del tramo tendrá un mínimo equivalente a cinco veces el ancho de la sección. La corriente debe mostrar líneas de flujo uniformes y paralelas a los márgenes de la corriente e igualmente que sean normales a la sección transversal de aforos, de tal manera que la medición de la velocidad sea precisa para la

8 obtención del caudal. Cualquier desviación en las líneas de flujo produce alteración en la magnitud, por cuanto vectorialmente no corresponde al 100% de la velocidad, sino a una componente de la misma. La sección debe ser profunda y tener márgenes naturales altos, para evitar desbordes cuando el canal conduce altos volúmenes, con lo cual se garantiza la calibración de caudales máximos. La pendiente longitudinal del cauce debe ser uniforme, evitándose tramos con quiebres fuertes de pendiente que desequilibran la velocidad del flujo (Manning), así mismo áreas de aguas muertas y contracorrientes o remolinos. La base del canal debe tener una geometría lo más regular posible, cauce estable y no tener obstáculos (troncos de árboles, grandes rocas, vegetación, etc.) Se debe evitar los lechos fangosos. La geología del terreno deberá facilitar, en caso de ser necesario, la construcción de las obras para medición como pequeños puentes, etc. 4.2 Métodos de Aforo Aforo con Flotador Este método se utiliza cuando es imposible utilizar un molinete debido a velocidades o profundidades inadecuadas (lamina muy pequeña, con escasos centímetros de profundidad), cuando se esté en presencia de grandes cantidades de material en suspensión, o cuando deba efectuarse una medición del caudal en un período muy breve. En cuanto a la elección de la sección de aforo, se seleccionaran tres secciones transversales a lo largo de un tramo del canal recto. Las secciones transversales estarán suficientemente separadas de manera que sea posible medir con exactitud el tiempo invertido por el flotador en pasar de una sección transversal a la siguiente. Se recomienda un período de 20 segundos, aunque podría ser necesario utilizar períodos más breves, en caso de no encontrar tramos rectos de la longitud necesaria Procedimiento de medición Las observaciones mediante flotador deberán estar distribuidas uniformemente a todo lo ancho de la corriente. El flotador se depositará a suficiente distancia por encima de la sección transversal superior para que alcance una velocidad constante antes de llegar a la primera sección transversal. Se registrará mediante un cronómetro el instante en que el flotador atraviese cada una de las tres secciones transversales. Este procedimiento se repetirá con los flotadores en varios puntos de la corriente. La anchura del canal se dividirá en segmentos de igual anchura o de caudal aproximadamente igual. El número de segmentos no debería ser inferior a tres aunque, siempre que sea posible, se utilizará un mínimo de cinco. Las distancias entre el flotador y el margen al paso de cada sección transversal se determinarán mediante medios ópticos adecuados, por ejemplo un teodolito. La profundidad del flujo en distintos puntos de la sección transversal podrá determinarse mediante métodos de sondeo Calculo de velocidad La velocidad del flotador es igual a la distancia entre secciones transversales dividida por el tiempo de desplazamiento. Deberían obtenerse como mínimo cinco valores de

9 velocidad del flotador en cada segmento, y la media de estos valores se multiplicará por un coeficiente para obtener la velocidad media del agua en cada segmento. El coeficiente está basado en la forma del perfil de velocidad vertical y en la profundidad relativa de inmersión del flotador. El coeficiente a aplicar a la velocidad medida se determinará por medio de un factor de ajuste, F (Cuadro 1), para efectuar una estimación aproximada. Cuadro 1. Factor de ajuste F de la velocidad de un flotador en función del coeficiente R entre la profundidad del flotador sumergido y la profundidad del agua. F R 0,10 o menos 0,86 0,25 0,88 0, ,75 0,94 0,95 0, Calculo de caudal El caudal correspondiente a cada segmento se calcula multiplicando el área promediada de la sección transversal del segmento por la velocidad media del flujo en éste. El caudal total será la suma de todas ellas (ISO, 1979). Normalmente por tratarse de láminas pequeñas la velocidad en la vertical es uniforme, por lo cual la velocidad superficial es representativa para toda la sección de aforo. El área de la sección transversal se establece mediante sondeos de profundidad y medición del ancho del cauce. Para ello se recomienda la utilización de una cinta métrica o una cinta graduada cada 5 cm, en dicho punto se procederá a medir la profundidad del caudal, con la finalidad de establecer el área de la sección transversal. El caudal se obtiene por la relación entre la velocidad (V) previamente definida del caudal y el área (A) anteriormente establecida con la siguiente fórmula: Q=AxV Para que la velocidad superficial, tomada con flotadores, sea representativa de la velocidad media en la vertical, las líneas de flujo deben ser paralelas entre sí y paralelas a las dos márgenes del río para evitar interferencias Requerimientos Flotadores, suministrados por casa especializada en hidrometría (norma técnica) Cinta métrica Cronómetro Planilla de aforo Radios portátiles o celulares Aforo volumétrico Este métodos se recomienda para corrientes pequeñas, en las cuales se pueda colectar en un recipiente calibrado el 100% del flujo a medir, o cuando se trate de medir caudales que no permitan el uso del molinete (laminas con escasa profundidad), o no se cuente con este equipo, se utiliza el aforo volumétrico.

10 Procedimiento de medición El procedimiento es bastante simple y consiste sencillamente en recolectar en un recipiente previamente calibrado, un volumen de agua conocido y tomar con precisión el tiempo de recolección, preferiblemente con cronómetro. La calibración del recipiente y el tiempo de recolección deben ser muy precisos para garantizar la buena calidad de la medición del caudal. Para tal efecto, se recurre a recipientes de uso común como un balde o un jarro graduado que tenga registros de volumen; en otros casos el aforo se realiza en tanques de mayor tamaño que tengan dimensiones precisas, de tal manera que mediante la medición de un diferencial de nivel se determina un incremento de volumen y tomando el tiempo de incremento de volumen se puede calcular directamente el caudal que lleva la corriente o el canal. La calidad de la medición depende del cuidado que se tenga en las maniobras, por ejemplo que ingrese al recipiente el 100% del flujo, es decir que no se presenten pérdidas y que la medición del tiempo sea muy exacta, para lo cual en algunos casos es necesario adelantar adecuaciones en el cauce con el propósito de transportar el total del flujo al recipiente mediante ayudas adicionales, por ejemplo una caña (media) o una canaleta, según la magnitud del caudal Calculo del caudal El caudal se obtiene por la relación entre el volumen recolectado en litros y el tiempo correspondiente en segundos: Q = V/T dónde: V: volumen T: tiempo Requerimientos Definir y adecuar sección Canaleta para conducción del flujo al recipiente Recipiente (balde, Jarro, tanque, etc.) aforado en litros Cronómetro Planilla de aforo Aforo con trazadores químicos Puede definirse como trazador a toda sustancia que incorporada a un proceso físico o químico permita estudiar su comportamiento y evolución. Entre los trazadores empleados pueden citarse los sólidos en suspensión, los trazadores químicos solubles en el medio bajo estudio, los colorantes y los elementos radioactivos. Este método se recomienda para secciones que presenten corrientes con alta turbulencia, remolinos, etc., así como zonas afectadas con altas perdidas por infiltración o por fenómenos cársticos. La existencia de corrientes con las anteriores características sumadas a otras tales como régimen torrencial, alta pendiente, poca profundidad, lechos inestables y líneas de flujo desordenadas en las secciones de aforo, hacen poco aplicable el método convencional (con molinete). Es por esta razón y con la finalidad de suplir estos

11 inconvenientes, es que se desarrolló el método de aforo con trazadores también llamado aforo químico, que permite conocer el caudal a partir de la variación de concentración de una sustancia que es inyectada en el cauce. En definitiva para aquellos canales o cauces naturales con corrientes con flujo turbulento y sección irregular, donde el molinete es incapaz de realizar una correcta medición, se recomienda la utilización de este método de aforo Procedimiento de medición El procedimiento consiste en inyectar un trazador en una sección de la corriente y realizar aguas abajo, a una distancia lo suficientemente lejos para que haya dilución total, mediciones de conductividad eléctrica para detectar el paso de la nube y así calcular el caudal. En todo este desarrollo no se requiere conocer el área de la sección de medición. Las turbulencias, registradas normalmente en las secciones donde se emplea este método de aforo, permiten la dilución total de la sustancia química usada como trazador, en un tramo de la corriente con una longitud determinada que se verifica antes de iniciar la inyección del trazador. Las sustancias más comúnmente utilizadas como trazadores, son las siguientes: Cloruro de Sodio Dicromato de Sodio Cloruro de Litio Rodamina Isotopos radiactivos como Bromo 82, Yodo 131, Sodio 24. Cualquier tipo de sustancia puede servir como trazador siempre que: Se disuelva fácilmente en la corriente a temperatura ambiente Se encuentre ausente en el agua de la corriente o esté presente solo en cantidades desdeñables Que no se descomponga en el agua, y no sea retenida o absorbida por sedimentos plantas u organismos Su concentración pueda ser medida con exactitud mediante métodos simples Sea inocua para los seres humanos, los animales y la vegetación en las concentraciones en que esté presente en la corriente. Para la determinación del lugar donde se efectuara la medición de caudal por medio de trazadores, la condición fundamental, es que se produzca una mezcla homogénea de la solución inyectada a la corriente en un tramo relativamente corto del canal. La mezcla se ve mejorada por las rugosidades del canal y la presencia de cantos rodados que aumentan la turbulencia de la corriente, tal como cascadas y estrangulamientos abruptos del curso del agua. Seleccionado el sitio del emplazamiento o de medición se debe determinar la distancia L aproximada en metros, requerida entre el sitio de inyección y el sitio de medición, la cual se puede calcular a partir de la siguiente expresión definida por: L = 0,13 x C x dónde: (0,7 x C) + 6 g x b2 d

12 b: Ancho medio del canal o cauce natural d: Profundidad media de la corriente. C: Coeficiente de Chezy para el tramo (15 < C < 50) g: Aceleración de gravedad El coeficiente C, se puede definir a partir de las siguientes ecuaciones: Kuttler dónde: S: pendiente del tramo en m/m R: radio hidráulico de la sección (A/P) en m/m A: área en m2 P: perímetro mojado = ancho sección + 2 (profundidad media) n: rugosidad del cauce C= 1 x R 1/6 n Manning dónde: n: rugosidad del cauce R: radio hidráulico de la sección Requerimientos Conductímetro Cronómetro Frasco de Mariotte Cinta métrica Dos Probetas de 1 lt y 500 ml. Baldes graduados Mezclador que no altere la solución Agua destilada Trazador Frascos de 100 ml. Radios portátiles o celulares Planilla de aforo Calculo del caudal Las ecuaciones utilizadas para calcular el caudal de una corriente, Q, están basadas en el principio de continuidad del trazador:

13 Q = Qtr x Ci Cs Q = Ci x V 0 Cs x δt Inyección continua Inyección repentina dónde: Qtr: tasa de inyección Ci: concentración de la solución inyectada Cs: concentración en la corriente en el punto de muestreo V: volumen de solución inyectada t: tiempo Aforo con estructuras hidráulicas (Vertederos y/o Canaletas) Este método está limitado principalmente por el caudal que estas estructuras son capaces de medir. Los caudales máximos para los cuales se recomiendan rondan en torno a los 0,5 m3/s. En el caso particular del aforador tipo Parshall, su rango se funcionamiento está limitado entre los 3 a 200 l/s Procedimiento de medición Este tipo de estructuras hidráulicas han sido diseñadas y calibradas bajo diferentes condiciones experimentales, en consecuencia cada una tiene una ecuación de descarga que permite determinar el caudal instantáneo en función de la geometría, dimensiones, características hidráulicas del flujo, perdidas hidráulicas, es decir la altura de la lámina de agua con respecto a un punto de la estructura, que se mide con ayuda de una mira o un limnígrafos mecánico o digital. Es conveniente hacer la distinción entre el término Vertedero y Aforador. El termino vertedero se utiliza cuando la sección de control se forma esencialmente elevando el fondo del canal. Por su parte Aforador se emplea cuando la sección de control se forma a partir de un estrechamiento lateral del canal o cuando la sección de control se forma elevando el fondo y estrechando las paredes. No obstante, existe una porción de obras y dispositivos de medida que pueden denominarse, indistintamente, vertederos o aforadores. Figura 1. Diferencias entre vertedero y aforador

14 Vertederos Son dispositivos hidráulicos fijos o removibles que consisten en una escotadura a través de la cual se hace circular el caudal que se quiere medir en el canal o corriente natural. El gasto que fluye por un vertedero depende de la velocidad de llegada del agua; si la velocidad es considerable el gasto se incrementa un poco y el aforo pierde precisión, por esta razón, es importante remansar el agua ampliando la sección del canal arriba del sitio de la estructura para obtener velocidades mínimas. La elección del tipo y las dimensiones del vertedero se basan, en primera instancia, en el caudal máximo previsto a medir o en los límites del caudal en el caso de corrientes fluctuantes. Debe tomarse en consideración lo siguiente: La altura no debe ser inferior a 6 centímetros (cm) para el caudal previsto y no debe exceder de 60 cm. Para vertederos rectangulares o trapeciales, la altura no debe exceder de un tercio de la longitud del vertedero. Los vertederos más utilizados en nuestro país son: Vertedero Cipoletti o trapezoidal Vertedero Triangular i. Vertedero Cipoletti Este vertedero se caracteriza por tener una sección trapecial de control, con un talud H:V = 1:4. La fórmula para determinar el caudal está dado por: dónde: b: ancho basal en m h: altura de carga en m ii. Vertedero Triangular Este vertedero se caracteriza por tener una sección triangular de control, que forma un ángulo entre 30º y 60º. La fórmula para determinar el caudal está dada por: dónde: α: ángulo de abertura h: altura de carga en m En ambos vertederos las pérdidas se determinan, midiendo el caudal aguas arriba y aguas abajo, siendo la diferencia de caudal las pérdidas del tramo.

15 Aforadores o Canaletas Los aforadores se utilizan ampliamente debido a sus ventajas, entre las que tenemos: Se construyen para satisfacer una necesidad particular Son dispositivos de medición "normalizados", es decir, que se fabrican e instalan de acuerdo con las especificaciones y no necesitan calibración La medición se puede tomar directamente de las tablas publicadas. Al igual que los vertederos, es preferible que los aforadores funcionen con descarga libre; algunos tipos pueden funcionar de manera satisfactoria en situación en parte sumergida, es decir, cuando las aguas descansan en el aforador y crean cierta restricción de la corriente. El aforador más utilizado en el país, es el Parshall. i. Aforador Parshall El aforador Parshall está formado por tres secciones principales: una sección convergente de contracción se localiza en su extremo aguas arriba; una sección constreñida o garganta; y una última sección divergente o expansión aguas abajo. Sus principales ventajas son que sólo existe una pequeña pérdida de carga a través del aforador, que deja pasar fácilmente sedimentos o desechos, que no necesita condiciones especiales de acceso o una poza de amortiguación y que tampoco necesita correcciones para una sumersión de hasta el 70%. En consecuencia, es adecuado para la medición del caudal en los canales de riego o en las corrientes naturales con una pendiente suave. Como desventaja de este aforador, se puede mencionar su diseño relativamente complicado y su tolerancia crítica en lo que se refiere a construcción e instalación, por lo cual se requiere mano de obra calificada y supervisión cuidadosa para obtener aforos satisfactorios; el error del aforador Parshall es generalmente inferior al 2%. El flujo en la estructura puede ocurrir bajo dos diferentes condiciones hidráulicas: una donde no existe sumergimiento, llamado flujo libre y otra donde la elevación de la superficie del agua corriente hacia abajo, desde el aforador, tiene altura suficiente para retardar el índice de descarga, denominada flujo sumergido. Para determinar el gasto, se dispone de dos medidores de profundidad (Ha y Hb), los cuales se calibran colocando la cota cero coincidiendo con la cota de la cresta del canal (sección convergente). El cálculo del caudal en el caso del flujo libre solo requiere medir una altura de nivel del agua, lo cual ocurre cuando la altura de la escala inferior es menor del 60% de la que se lee en la escala superior. La salida libre se determina midiendo la altura en la escala superior y la anchura de garganta, con estos datos se entra a una tabla que da el caudal. La expresión asociada a este cálculo es la siguiente: Q = m x Han

16 El cálculo del caudal en el caso del flujo sumergido se determina a través de la siguiente ecuación: Q = m x Han - C Los valores que pueden tomar los parámetros m y n varían de acuerdo con el tamaño del aforador. Parshall encontró experimentalmente los valores de los parámetros que se muestran a continuación (Cuadro 2): Cuadro 2. Valores de m y n para formula de descarga en unidades métricas. Donde W, corresponde al ancho de la garganta del aforador en metros. El parámetro C, se pude determinar por medio de las siguientes expresiones: dónde: C: Coeficiente de flujo libre Ha: profundidad de flujo arriba Hb: profundidad flujo abajo S: grado de sumergimiento (Ha/Hb) W: ancho de la garganta del aforador (m) Aforo área velocidad por medio de Molinete (Correntómetro) La medida del caudal de un río o canal puede realizarse por diferentes metodologías aunque la más utilizada es el método Área-Velocidad que consiste en la determinación del área de la sección transversal (A) y de la velocidad media del flujo (Vm), obteniéndose el caudal como el producto de ambas magnitudes. Dado que la

17 distribución espacial de las velocidades en la sección transversal suele ser desconocida (especialmente en secciones naturales), para obtener la velocidad media de la sección (Vm) es necesario discretizar la sección completa en áreas de menor tamaño, concretamente en franjas verticales, donde se supone que el perfil de velocidad vertical es constante a lo ancho de la franja. Cada franja puede definirse como el área entre dos perfiles de velocidad sucesivos, o como el área centrada en cada perfil de velocidad equidistante a los perfiles adyacentes. Concretamente durante el aforo deben medirse las siguientes variables: ancho total, ancho de cada franja, profundidad de cada perfil vertical y diversas velocidades puntuales en cada perfil vertical. Este sistema de aforo requiere que el flujo tenga un comportamiento laminar y que las líneas de flujo sean normales a la sección transversal de aforo. Para la determinación de las velocidades se emplea normalmente el molinete ya sea de eje vertical u horizontal. La velocidad medida por el molinete tiene directa relación con el número de vueltas por segundo que realiza la hélice. Cada molinete tiene asociada una curva de calibración que permite relacionar la velocidad con respecto al número de vueltas por segundos de la hélice. Esta curva de calibración es única para cada aparato y cada hélice. Actualmente existen molinetes digitales que entregan de forma directa la velocidad en el punto de medición, sin tener que contabilizar el número de vueltas. Los molinetes y micro-molinetes se pueden clasificar en dos tipos principales, los medidores que tienen rotores de eje vertical y los que tienen rotores de eje horizontal. Las características más destacadas de estos dos tipos se resumen a continuación: Eje vertical: Opera en velocidades más bajas que los de eje horizontal. Los cojinetes están bien protegidos contra el agua fangosa. El rotor se puede reparar en el campo sin afectar la calibración. Utiliza un rotor único que sirve para toda la gama de velocidades. También es conocido como tipo Gurley. Eje horizontal: Debido a la simetría axial con la dirección del flujo, el rotor perturba el flujo menos que los de eje vertical. Por la forma del rotor es menos probable que se enrede con los desechos que arrastre la corriente. También es conocido como Molinete Universal o tipo OTT. Figura 2. Tipos de aforadores. (a) Hélice o de eje horizontal. (b) tasa cónica o de eje vertical En ambos casos la velocidad de rotación es proporcional a la velocidad de la corriente; se cuenta el número de revoluciones en un tiempo dado, ya sea con un contador digital o como golpes oídos en los auriculares que lleva el operador.

18 Procedimiento de medición Durante el aforo deben medirse las siguientes variables: ancho total, ancho de cada franja (subsección), profundidad de cada perfil vertical y diversas velocidades puntuales en cada perfil vertical, las cuales nos permitirán luego definir el caudal pasante por una sección determinada. i. Determinación del ancho total de la sección y parcial de cada segmento La medida de la anchura total del canal o río (T), y la de los segmentos individuales (subsecciones), se obtiene mediante la medición (con cinta u otra metodología si el cauce es muy ancho) de la distancia horizontal desde un punto de referencia fijo en el margen ubicado en el plano de la sección transversal. En lo posible, la anchura total debe medirse entre ambos márgenes y no por la acumulación de medidas parciales. ii. Determinación de la profundidad En secciones irregulares la medida de la profundidad debe hacerse a intervalos reducidos para definir correctamente el área hidráulica de cursos de agua. La exactitud de la medida de caudal aumenta significativamente (especialmente en secciones irregulares, pero no necesariamente en secciones muy regulares) si se disminuye la distancia de separación entre los intervalos de medida. Por ejemplo la norma ISO748 recomienda utilizar una separación máxima entre medidas de profundidad de 1/20 de la anchura total de la sección (es decir un mínimo de 19 medidas). Sin embargo esta recomendación ha sido establecida para ríos anchos y secciones muy irregulares, y puede disminuirse la cantidad de medidas de profundidad en secciones más estrechas y regulares, llegando incluso al extremo de medir una sola profundidad si la sección fuera perfectamente rectangular. En cualquier caso, la separación entre los puntos de medida de la profundidad debe hacerse de manera que queden representadas las variaciones de la sección transversal y las irregularidades del lecho. En los casos en que la medición no se realiza por vadeo, es recomendable utilizar aparatos de sondeo por ultrasonido para detectar con detalle la posición y forma del fondo, disminuyendo así la incertidumbre asociada. iii. Determinación del área de la sección transversal La determinación del área de la sección transversal es la consecuencia de la medición de las profundidades en cada perfil vertical y de las distancias parciales entre perfiles. Suponiendo una variación lineal entre las diferentes profundidades medidas, se obtiene la forma de cada franja y por tanto el área. Eventualmente, ya sea para reducir el tiempo total del aforo (midiendo menos perfiles de velocidad) o para disminuir el error de la medida de la sección transversal, se pueden tomar más medidas de profundidad (conocer mejor la forma del lecho) que de velocidad. En todo caso, lo más eficiente (desde el punto de vista del esfuerzo asociado) suele ser la experiencia del técnico aforador que identifique correctamente los cambios significativos de profundidad del lecho intentando medir profundidades en todas estas discontinuidades del perfil del fondo, aunque la anchura de las franjas no sea constante. Es decir que la solución de aumentar indiscriminadamente la cantidad de perfiles verticales puede ser correcta pero no es demasiado eficiente y a veces no es nada práctica, especialmente cuando el tiempo total del aforo está acotado (por ejemplo por posibles variaciones u oscilaciones del caudal, o simplemente por temas de costos).

19 iv. Determinación de la velocidad puntual La posición y la cantidad de franjas en la cuales se divide la sección de aforo para medir perfiles de velocidad, está en función de la anchura, forma y regularidad de la sección, la variabilidad del flujo, oscilación del nivel de agua, duración del aforo, rugosidad e irregularidad del fondo (existencia de vegetación, piedras, obstáculos, posibilidad de erosión, etc.), entre muchos otros. El criterio (ISO748, 2001) generalmente utilizado aunque poco práctico para su uso en campo es que la cantidad de franjas verticales donde se mide la velocidad, debe ser tal que el caudal en cada una de ellas no supere el10% del caudal total a medir, como forma orientativa e indicadora de la calidad del aforo. Para realizar la medida de la velocidad es necesario que el eje horizontal del instrumento sea paralelo a la dirección del flujo, asegurando que la velocidad medida sea la de la dirección principal del flujo y no haya influencia de ninguna componente de la velocidad en el plano de la sección transversal. Otro aspecto importante es que el flujo no se vea afectado por ninguna perturbación durante el proceso de medida, por ejemplo por la posición de la persona que mide dentro del río o de cualquier obstáculo en el agua (ramas, piedras, oscilación del nivel, presencia de vórtices o flujos negativos cerca de los márgenes, etc.). Estos aspectos (que conforman los errores espurios) influyen enormemente en la calidad del aforo, siendo la formación adecuada de los técnicos y la utilización de procedimientos y protocolos detallados de trabajo, la mejor herramienta para prevenirlos. v. Determinación de subsecciones para aforo En nuestro país la Comisión Nacional de Riego, a través de su Instructivo ITC-09 Aforo en canales no revestidos, recomienda definir el número de subsecciones de acuerdo al ancho total del canal, a través de la siguiente formula: dónde: n: Numero de subsecciones valor obtenido del cuadro N 3 L: ancho de cada subsección (m) T: Ancho superficial (m) Cuadro 3. Valores de n Ancho T (m) Menos de m 6 2 4m m m 20 más de 10 m 24 n

20 Figura 2. Subsecciones de aforo en un canal Finalmente los lugares seleccionados para las mediciones de caudal deberían reunir, de ser posible, las siguientes características (ISO, 1979): Las velocidades en todos los puntos serán paralelas entre si y normales a la sección transversal de la corriente Las curvas de distribución de velocidades en la sección serán regulares en los planos vertical y horizontal Las velocidades serán superiores a 0,15 m/s El lecho del canal será regular y estable La profundidad del flujo será superior a 0,3 m vi. Determinación de la velocidad media en la vertical La velocidad media del agua en cada vertical puede determinarse mediante métodos que se aplican dependiendo de la profundidad de la lámina de agua, de las condiciones del lecho, de la distribución de la velocidad en profundidad, del grado de precisión que se quiere y del tiempo disponible. Los métodos se establecen teniendo en cuenta el porcentaje de profundidad en los cuales se posiciona la hélice del molinete para tomar velocidades puntuales en función del número de revoluciones y el tiempo de muestreo. De esta manera la velocidad media del agua en cada vertical puede determinarse mediante uno de los siguientes métodos: Método de distribución de velocidades Métodos de un número discreto de puntos Método de integración. La selección de alguno de los tres métodos anteriormente mencionados dependerá del tiempo disponible, de la anchura y profundidad del agua, de las condiciones del lecho, de la tasa de variación de la altura, de la velocidad del agua, de la existencia o no de una capa de hielo y del grado de exactitud requerido. 4.3 Consideraciones previas a la utilización del Molinete. Para determinar la velocidad del punto donde se toma la medida de velocidad, si el equipo a emplear posee una curva de calibración entregada por una empresa que certifique la calibración del equipo, se debe emplear esta curva junto con el valor medido para obtener el valor real de velocidad. La relación que permite calcular la velocidad a partir del número de vueltas por segundo de la hélice tiene una forma como la señalada a continuación y es entregada por el proveedor del molinete.

21 V=axn+b dónde: V: velocidad del flujo en m/s n: número de vueltas de la hélice por segundo a y b: parámetros adimensionales que dependen del molinete En la práctica se mide el número de vueltas que realiza la hélice en un cierto intervalo de tiempo y de esta forma se obtiene la velocidad. Para la utilización de molinetes con el fin de determinar la velocidad en una sección de un canal se debe tener presente que la distribución de velocidades en éste no es uniforme, es menor cerca de las paredes del canal aumentado cerca de la superficie libre. Este antecedente será considerado al momento de definir la altura a las cuales se debe tomar las medidas con el molinete, con el fin de reproducir esta distribución de velocidades en una sección transversal del canal. Algunas consideraciones al realizar el aforo de la sección son: El molinete debe quedar completamente sumergido de forma de no incorporar distorsiones en la medida realizada. El molinete debe colocarse de forma perpendicular a la sección de aforo, paralelo al escurrimiento de forma tal que mida la velocidad del punto. Se deben tomar 3 medidas o repeticiones para determinar el valor de la velocidad en cada punto. Se considerará el valor promedio de las tres medidas. En caso de utilizar molinetes digitales que obtengan velocidades promedio en un tiempo determinado, este tiempo no podrá ser inferior a 15 segundos pudiendo realizar una medición, ésta no debe considerar obstrucciones tales como lama, piedra, basura, etc. Es recomendable comenzar tomando las medidas en una vertical desde el fondo del canal. La toma de medida en un punto, debe durar al menos 60 segundos (salvo en molinetes digitales), anotándose posteriormente el número de vueltas o la velocidad obtenida de forma directa (dependiendo del tipo de molinete) en la hoja respectiva, destinada para el aforo. Se considerará válido el promedio de 3 repeticiones por punto. 4.4 Método de distribución de velocidades En este método, la medición de la velocidad media se obtiene de observaciones de velocidad efectuadas en distintos puntos a lo largo de cada vertical entre la superficie del agua y el lecho del canal. Las observaciones de velocidad en cada posición se representarán en forma gráfica, y la velocidad media se determinará dividiendo el área de la gráfica por la profundidad. Al confeccionar la gráfica podría ser necesario estimar las velocidades en las proximidades del lecho de la corriente, partiendo del supuesto de que, a lo largo de una cierta distancia desde el lecho del canal la velocidad es proporcional al logaritmo de la distancia x desde esa frontera. Si se representa gráficamente en función de log x la velocidad observada en distintos puntos cada vez más próximos al lecho, la línea recta más ajustada a tales puntos

22 podrá ser prolongada hasta el lecho, y será posible determinar las velocidades en las proximidades del lecho mediante la gráfica. El método de distribución de velocidades es útil con el fin de determinar los coeficientes necesarios para aplicar los resultados obtenidos mediante otros métodos, pero no está generalmente adaptado a las mediciones de caudal habituales, debido al tiempo adicional necesario para calcular la velocidad media. Por otra parte el método de distribución de velocidades puede no ser adecuado para las mediciones de caudal efectuadas durante variaciones apreciables de la altura del agua, ya que la ganancia aparente de precisión Métodos de un número discreto de puntos Método de un punto (60%) Se realiza la observación de velocidad en cada vertical colocando el molinete al 60% de la profundidad total por debajo de la superficie. El valor obtenido se considerará como la velocidad media de la vertical. Este método se emplea en secciones de poca profundidad, pero no menores a 40 centímetros, para evitar que la hélice del molinete roce con el fondo del cauce o con cualquier elemento que se encuentre en él. Para profundidades menores la velocidad obtenida al 50% es representativa para utilizarla en el cálculo del aforo Método de dos puntos (20 80%) Las observaciones de velocidad se hacen en cada vertical colocando el molinete al 20 y 80% de la profundidad total por debajo de la superficie. El promedio de los dos valores puede considerarse como velocidad media en la vertical. Este método es el más empleado y se usa cuando ya se conoce el comportamiento de la velocidad en la sección, obtenido mediante mediciones detalladas en los primeros aforos. También se recomienda este método cuando la distribución de velocidades es normal y la profundidad es superior a aproximadamente 60 cm. V media = (V0,2 + V0,8)/ Método de tres puntos (20 60 y 80%) Las observaciones de velocidad se realizan ubicando el molinete en cada vertical al 20, 60 y 80% de la profundidad total. El promedio para este método se obtiene mediante la siguiente expresión: V media = 0,25 (V0,2 + 2V0,6 + V0,8) Este método se utiliza cuando la velocidad del 80% es insegura a causa de la turbulencia y no se ajusta a la tendencia normal de la velocidad en la vertical, entonces se incluye una medición al 60% para obtener más detalle y ajustar el promedio de la abscisa. Se observa que a la velocidad del 60% se le da un factor de ponderación doble con respecto al 20 y 80%, por la mayor representatividad que tiene esta velocidad en la distribución vertical. Además se recomienda este método para aquellos canales con profusión de vegetación acuática.