9.. HHIIDDRRO OMMEETTRRÍÍAA YY AAFFOORRO DE ...bdigital.unal.edu.co/12697/68/3353962.2005.Parte...

MANUAL DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO DE HIDRÁULICA

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA Ramiro Marbello Pérez

SEDE MEDELLÍN Escuela de Geociencias y Medio Ambiente

237

99.. HHIIDDRROOMMEETTRRÍÍAA YY AAFFOORROO DDEE CCOORRRRIIEENNTTEESS NNAATTUURRAALLEESS

9.1 OBJETIVOS

Conocer los diferentes métodos comúnmente empleados en la medición de velocidades y

caudales en canales y corrientes naturales.

Suministrar criterios técnicos necesarios para la instalación de una estación hidrométrica y para

la selección de una sección de aforo en una corriente natural.

Conocer el principio de funcionamiento de los correntómetros, y aprender su manejo en

mediciones de velocidad de corrientes líquidas.

Realizar el aforo con correntómetro de una corriente natural de agua

9.2 FUNDAMENTOS TEÓRICOS

9.2.1 Introducción. La hidrosfera es una de las capas de la Tierra que se extiende desde 1 km en

la litosfera, por debajo de la superficie terrestre, hasta unos 15 km arriba en la atmósfera. El agua,

en sus distintas formas, se mueve o circula en la hidrosfera, siguiendo vías y procesos de carácter

aleatorio o probabilístico, conformando el ya conocido Ciclo Hidrológico. Recuérdese que éste es un

proceso cíclico que no tiene principio ni fin, y ocurre continuamente.

En dicho ciclo, el agua se evapora desde los océanos, ríos, lagos, embalses y desde la superficie

terrestre, para formar parte de la atmósfera; el vapor de agua circula en la atmósfera hasta que se

condensa y precipita sobre la superficie terrestre y los océanos; una parte del agua de precipitación

es interceptada por la vegetación, otra se convierte en flujo superficial sobre el suelo; parte de ésta

se infiltra en el suelo, se mueve a través de él como flujo subsuperficial, y el agua restante va a dar

a los ríos y demás corrientes naturales de agua, conformando la escorrentía superficial. Es ésta,

precisamente, la que en determinados estudios se requiere medir, y la técnica para su medición

será objeto de esta práctica de laboratorio.

De otro lado, para el estudio de cualquier fenómeno de ocurrencia del agua en la superficie terrestre

es imprescindible conocer el comportamiento del ciclo hidrológico, y en la concepción de proyectos

de ingeniería hidráulica, tales como centrales hidroeléctricas, represas, embalses, diques,

captaciones, puentes, sistemas de riego y sistemas de abastecimiento de agua, es esencial el

estudio hidrológico de la cuenca, conocer el régimen de caudales de sus corrientes naturales,

determinar los perfiles longitudinal y transversal de los cauces de éstas, medir niveles de aguas y

planicies de inundación, el transporte de sedimentos y las características de calidad de aguas.

Además, si se conocieran con exactitud las relaciones entre la precipitación, la evapotranspiración y

la infiltración, la escorrentía superficial estaría completamente determinada, y sería innecesario el

establecimiento de estaciones fluviométricas para colectar datos de niveles y descargas.

9. HIDROMETRÍA Y AFORO DE CORRIENTES NATURALES



238

Como quiera que estas relaciones no son bien conocidas, el hidrólogo siempre necesitará conocer

datos de niveles y caudales, a través de registros continuos o mediciones puntuales, más o menos

extensos en el tiempo, para determinar las características hidrológicas de la cuenca y conocer el

comportamiento de la corriente en estudio.

Parte de estas necesidades se lograrían suplir con la aplicación de los fundamentos que aquí se

esbozan.

9.2.2 Definición de conceptos básicos

Hidrometría. Es la parte aplicada de la Hidrodinámica que trata de los métodos de medición de la

velocidad, el caudal y las fuerzas de los líquidos en movimiento. La hidrometría comprende también

las mediciones de niveles de agua, concentración y transporte de sedimentos, y los levantamientos

altimétricos de los perfiles longitudinal y transversal del cauce de las corrientes naturales y de

masas de agua.

Batimetría. Es una actividad hidrométrica cuya finalidad es el levantamiento alti-planimétrico del

fondo de corrientes y cuerpos de agua, tales como lagos, lagunas, embalses, bahías, ciénagas,

estuarios, mares y océanos. Comúnmente, se aplica a la medición de niveles de sedimentos

depositados en el fondo de una masa de agua. El batitermógrafo es el instrumento comúnmente

empleado para medir y registrar continuamente la profundidad y la temperatura del agua. Véase la

Figura 9.1. Aparte del batitermógrafo, también se emplean las ecosondas para hacer estudios

batimétricos en sistemas acuáticos. Ver numeral 9.2.4.4.

FIGURA 9.1. Esquema de un batitermógrafo y su operación desde superficie




239

Perfil de velocidades. En un cauce natural, las velocidades de corrientes de agua presentan

diferentes valores, desde valores próximos a cero, en las orillas y en el fondo, hasta valores muy

altos, del orden de varios metros por segundo, inmediatamente debajo de la superficie libre. El perfil

de velocidades es el lugar geométrico de los puntos determinados por los extremos de los vectores

que representan las velocidades de la corriente, a una profundidad de flujo, y, determinada. Véase

la Figura 9.2.

FIGURA 9.2. Perfiles de velocidad típicos de corrientes naturales.

La distribución o perfil de velocidades se puede describir matemáticamente como una función

logarítmica, aunque en la práctica se asimila a un arco de parábola. Sin embargo, esta distribución

de velocidades depende de muchos factores, como por ejemplo: la rugosidad y la forma del lecho, el

régimen del escurrimiento, etc., y no siempre se ajustará a un arco parabólico.

La experiencia muestra que las velocidades máximas ocurren aproximadamente a 0.2h por debajo

de la superficie libre, siendo h la profundidad del flujo. La velocidad media se encuentra

aproximadamente a 0.6h, a partir de la superficie (Véase la Figura 9.3). Además, la velocidad

media se puede tomar igual a 0.85·vS, siendo vS la velocidad superficial.

El molinete cumple la función de determinar el valor de la velocidad a diferentes profundidades y

sobre diferentes verticales en la misma sección. Ello permite conocer los perfiles de velocidad

necesarios para determinar la velocidad media en una o varias verticales de una misma sección, y

para obtener la velocidad media de un curso de agua y el caudal total del mismo.




240

FIGURA 9.3. Perfil de velocidades y velocidad media en una vertical de aforo.

Velocidad media. En la hidrometría de corrientes de agua suele trabajarse con dos tipos de

velocidad media del flujo: una correspondiente al área mojada total de la sección transversal del

flujo, A, y al caudal total, Q; la otra, es la velocidad media correspondiente a una vertical dentro de

la sección transversal del flujo.

Como se explicará en el numeral 9.2.5.7, el caudal se puede conocer a través de mediciones de

velocidad en diferentes puntos, tomando áreas parciales, en las cuales se supone que la velocidad

del agua es la del punto. La sumatoria de los caudales parciales dará el caudal total, y la sumatoria

de las áreas parciales dará el área total en la sección. A partir de estos dos elementos, se calculará

la velocidad media, vm , en toda la sección, según la siguiente ecuación:

(9.1) A

Qvm

La velocidad media del flujo, en una vertical de la sección transversal del cauce, se puede

determinar calculando el área de la curva de distribución de velocidades en dicha vertical,

empleando un planímetro, por ejemplo, y dividiéndola por la profundidad del flujo en la misma.

Véase la Figura 9.3.

Como la corriente presenta muchos valores en su velocidad, el molinete es un buen instrumento

para explorar el campo de velocidades en la sección. La medición se debe hacer en numerosos

puntos de la sección para tener un resultado más próximo al valor real.

Caudal. También llamado Gasto o Descarga, es la medida del volumen de líquido que fluye o

atraviesa normalmente la sección transversal del cauce de una corriente, en la unidad de tiempo.

Matemáticamente se expresa así:




241

tiempo de unidad

líquido de volumenQ

El caudal se puede calcular fácilmente aplicando la ecuación de continuidad de masa, así:

(9.2) AvQ

siendo

Q : caudal de la corriente, L3 / T.

v : velocidad media del flujo en dirección perpendicular a la sección transversal, L / T.

A : área de la sección transversal del cauce, L2 .

Algunas unidades de caudal son: l /s, m3 /s, pie3 /s, gal /min.

Aforo. Es el conjunto de actividades hidrométricas conducentes a la determinación del caudal de

una corriente de agua. Entre las principales actividades hidrométricas, comúnmente realizadas en

un aforo, se cuentan el levantamiento del perfil transversal de la sección de aforo y las mediciones

de profundidades y velocidades del flujo en distintos puntos de la sección transversal.

Sección de aforo. También llamada estación de aforo, es la sección transversal del cauce

de la corriente de agua que se desea aforar, esto es, medir su caudal. Véase la Figura 9.4.

Previo al conjunto de mediciones necesarias para realizar un aforo de una corriente natural de agua,

se requiere hacer un levantamiento altimétrico de la sección transversal del cauce en la estación de

aforo.

FIGURA 9.4 Perfil transversal de una sección de aforo.

La sección donde se efectúan los aforos debe reunir una serie de condiciones que se listan en el

numeral 9.2.3.




242

Estación hidrométrica. Es el lugar o la instalación debidamente localizada en una de las

márgenes de un curso de agua, dotada de instrumentos hidrométricos, tales como flotadores, miras,

limnímetros, limnígrafos, maxímetros y otros elementos, con el objeto de registrar las variaciones de

ciertas características de la corriente, y facilitar el estudio del régimen de la misma. La Figura 9.5

muestra dos estaciones hidrométricas típicas, con flotador, mira y limnígrafo.

FIGURA 9.5 Estación hidrométrica típica.

En nuestro medio, el IDEAM (Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales) tiene

establecidas redes hidrométricas para diferentes cuencas hidrográficas, con base en la Guía de

Prácticas Hidrometeorológicas de la OMM (Organización Meteorológica Mundial), por lo cual no se

profundizará aquí sobre las técnicas y recomendaciones para el establecimiento de una red, sino

que se harán recomendaciones para el establecimiento de una estación en particular.

Correntómetro. También llamado molinete o reómetro, es el aparato concebido para determinar la

velocidad de una corriente de agua, tales como canales de laboratorio, alcantarillados, mares, ríos,

estuarios, bahías, arroyos y quebradas. Según su técnica de fabricación, los correntómetros

permiten medir velocidades altas, medias y bajas. El correntómetro está provisto de una hélice

(también llamada rotor, aspa, copa o cazoleta, según el tipo del correntómetro) que gira en un eje,

por efecto de la corriente líquida. Por cada vuelta que dé la hélice, un imán, que gira con ésta,

establece un contacto eléctrico que envía una señal a un contador de revoluciones (Véase la Figura

9.6). La sucesión de los contactos y señales es proporcional a la velocidad de la corriente en el

punto de medición, la cual se puede calcular a partir de una ecuación de calibración de la forma:

(9.3) bnav




243

donde:

v : velocidad de la corriente líquida, (m/s).

n : número de revoluciones dadas por la hélice en la unidad de tiempo, (rad/s).

a : constante de paso hidráulico, obtenida experimentalmente a través de ensayos de arrastre en

un canal de calibración, (m).

b : constante que considera la inercia de la hélice y la mínima velocidad de la corriente para

accionarla. Se expresa en m/s y también se determina experimentalmente.

FIGURA 9.6 Molinetes marca A.OTT KEMPTEN ( tomados de catálogos de la firma fabricante).




244

FIGURA 9.7. Otros tipos de molinetes y contadores de la fábrica A. OTT KEMPTEN. ( tomados de catálogos de la firma fabricante).

Dependiendo de la profundidad y del ancho de la corriente, de la magnitud de las velocidades a

medir y del grado de accesibilidad, el correntómetro se puede operar vadeando la sección

transversal del cauce, o desde un puente hidrométrico o desde una tarabita, o empleando un bote,

una lancha o un sistema flotador. Véase la Figura 9.8.




245

Algunos tipos de molinetes disponen de aletas en su parte posterior para equilibrarlo dentro de la

corriente; así mismo, se le puede acondicionar un contrapeso en la parte inferior, para evitar que se

incline cuando se sumerge en el flujo. Véanse las Figuras 9.7 y 9.8.

La profundidad a la cual se va a tomar la velocidad se mide con un cable graduado o una barra,

también debidamente graduada, que se pueden acondicionar al aparato, como se muestran en las

Figuras 9.6, 9.7 y 9.8.

La determinación del caudal, a partir de las mediciones de velocidad con correntómetro, se explica

en el numeral 9.2.6.

9.2.3 Características de la sección de aforo. La sección donde se efectúen los aforos debe

reunir las siguientes condiciones:

Estar comprendida dentro de un tramo del curso de agua que presente características alti-

planimétricas regulares, estos es, regularidad en los perfiles longitudinal y transversal del cauce,

con el objeto de garantizar un escurriemiento tranquilo y uniforme, exento de arremolinamientos,

y que pueda aprovecharse para mediciones puntuales o continuas de caudal.

Quedar comprendida dentro de un tramo recto y uniforme, con una longitud no menor de siete

veces el ancho del río, dispuesta así: aguas arriba, mínimo cinco veces el ancho, y aguas abajo,

mínimo dos veces el ancho. Se aclara que, dadas las características del lecho, no es posible

encontrar tales rectitud y uniformidad del tramo.

El fondo del río debe ser suave y libre de plantas acuáticas, piedras u otros obstáculos, que, por

sus dimensiones puedan interferir en la medición de la velocidad de la corriente.

Deben evitarse las secciones cercanas a los estribos de los puentes.




246

FIGURA 9.8. Molinetes accionados desde un puente, una tarabita y una lancha.

La sección debe ser firme, estable y definida. Para garantizar una sección firme y estable sería

conveniente revestirla en concreto, mampostería o con placas prefabricadas. De no ser posible el

revestimiento, la sección se escogerá en una zona de formación rocosa, preferiblemente. La




247

sección definida se logra colocando tres mojones alineados perpendicularmente a la dirección de

la corriente. Los mojones extremos se instalarán en el nivel de aguas máximas, y el mojón

central, en un nivel de aguas medias de la corriente.

Las velocidades de la corriente deben ser mayores que 0.3 m/s (o mayor que la mínima

recomendable para el correntómetro empleado) y menores que 3.0 m/s (o menor que la máxima

recomendable para el molinete empleado).

La sección debe ser de fácil acceso.

9.2.4 Instrumentos hidrométricos. Son aparatos e instrumentos de medida, requeridos para

realizar mediciones de campo relacionadas con corrientes de agua; pueden ser registradores y no-

registradores. Los registradores dibujan continuamente un gráfico de las fluctuaciones de la

característica medida. Los aparatos no-registradores requieren de un observador, quien anota las

lecturas a intervalos regulares de tiempo.

Los instrumentos hidrométricos más comunes en las estaciones hidrométricas son: miras o

limnímetros, limnígrafos, maxímetros, puntos fijos de referencia, secciones y tramos artificiales de

control, diques y vertederos para aforos volumétricos, puentes hidrométricos, cables, tarabitas o

canastillas, flotadores, correntómetros, barcas, lanchas botes, instrumentos para aforos con

trazadores y trampas de sedimentos.

A continuación se describen los instrumentos hidrométricos más usuales:

9.2.4.1 Limnímetros. También llamados miras o escalas graduadas, son miras graduadas de cm

en cm, que se colocan en las márgenes de la corriente de agua para medir el nivel de ésta en un

instante determinado. Véanse las Figuras 9.5 y 9.9.

Para su instalación es recomendable lo siguiente:

Deben instalarse sobre la orilla más próxima al sector más profundo del cauce.

Deben adosarse a listones de madera, empotrados en concreto o atornillados a perfiles

metálicos.

Su instalación se hará de tal manera que el plano “cero” quede convenientemente referenciado,

por nivelación topográfica, a un punto invariable (B.M., del inglés Bench Mark) cercano a la

estación.




248

FIGURA 9.9. Diferentes tipos de placa de mira.

Los puntos fijos de referencia del plano “cero” de la mira deben quedar por encima de los niveles

máximos posibles, y a distancias menores de 100 m de la mira.

El cero de la mira debe quedar, por lo menos, 0.5 m por debajo del nivel mínimo esperado en

época de sequía, en corrientes grandes, ó 0.5 m por debajo del punto más profundo del lecho,

en corrientes pequeñas.

El extremo superior del limnímetro debe quedar, al menos, 1.0 m por encima del nivel en la

máxima crecida posible.

Tramos cortos de mira, de 0.5 m o 1.0 m, pueden quedar empotrados en el suelo, empleando

fundaciones en concreto, como se muestra en la Figura 9.10.

Las miras verticales de un solo tramo se pueden anclar a muros, pilas de puentes o diques o

cualquiera otra estructura. En taludes inclinados conviene instalar tramos cortos de miras

verticales, o miras inclinadas. Véase la Figura 9.11.

Todas las instalaciones se deben construir de tal forma que no obstruyan los perfiles

transversales de la corriente.




249

FIGURA 9.10. Pequeños tramos de mira instalados sobre la planicie de inundación de una corriente natural.

FIGURA 9.11. Miras o limnímetros adosados a muros verticales e inclinados.

9.2.4.2 Limnígrafos. Son aparatos mecánicos que permiten obtener un registro continuo del nivel

del agua. Esencialmente, constan de un flotador incorporado a un tubo, a un pozo o a un sistema

neumático. El flotador registra el nivel de agua y está conectado a un sistema de relojería, el cual

está provisto de un tambor giratorio sobre el cual va colocada una hoja de papel; ésta presenta

graduaciones en unidades de tiempo sobre las abscisas, y alturas en las ordenadas. Sobre esta

hoja, una plantilla va registrando los niveles en función del tiempo. Véase la Figura 9.12.




250

FIGURA 9.12. Limnígrafo Leupold & Stevens, modelo F. ( tomado de catálogo de la firma fabricante).

La plantilla va conectada al flotador, el cual le imprime un movimiento vertical; el movimiento

horizontal lo da el aparato de relojería, a medida que transcurre el tiempo. El resultado es una

gráfica de niveles en función del tiempo. Los limnígrafos tienen una autonomía que puede ir de 24

horas a 200 días. Se recomiendan limnígrafos con autonomía de una semana.

Estos registradores son de varios tipos, como los de eje vertical, de eje horizontal y los limnígrafos

de presión o neumáticos. Este último registra el nivel según la lámina de agua que actúa sobre él.

En general, se recomienda el limnígrafo de eje vertical, pues su instalación no es tan complicada y

es tan costosa como la de los demás limnígrafos.

Las condiciones de instalación de un limnígrafo, en general, son las mismas que para la instalación

de una mira; sin embargo, se pueden destacar algunos requisitos como son:

- El aparato debe quedar debidamente protegido, por medio de una caseta, contra daños, robos, etc.

- El limnígrafo debe estar acompañado de una mira, para su control.

- La estructura de instalación no debe obstruir los cauces naturales y, además, no debe producir perturbaciones en el flujo normal de la corriente.

- El tubo que alimenta el pozo del limnígrafo se debe proteger contra el ingreso de tierra, piedras y otros objetos que obturen el paso del agua.

- El pozo se debe hacer de manera que un operador pueda accederlo en actividades de limpieza y mantenimiento.




251

Las instalaciones para el limnígrafo neumático se construyen para grandes variaciones del nivel, en

condiciones que hacen muy difícil o costosa cualquier otras instalación. Constan de una caseta para

albergar los instrumentos, y un tubo de conexión entre el registrador y la corriente fluvial, con un

extremo empotrado en un bloque de concreto, que descansa en el lecho del río, por debajo del nivel

mínimo de aguas.

9.2.4.3 Sondas. Son cintas flexibles, similares a las cintas métricas, dotadas en su extremo inferior

de un dispositivo de emisión-detección de alguna señal sonora o luminosa, que, sumergidas en un

cuerpo de agua, permiten medir su profundidad. Las ecosondas electrónicas emiten pulsaciones

hacia un sensor-receptor colocado en superficie, y reciben el eco después de transcurrido un tiempo

de ida y regreso. Las sondas luminosas están provistas de un sensor que, al tocar una superficie de

agua, enciende un aparato receptor e ilumina una lámpara, con lo cual se puede medir

instantáneamente el nivel del agua en pozos, tubos de observación y de perforación, y en cualquier

otro sistema de sondeo. El nivel de agua se mide directamente en la cinta, en m y cm, con una

precisión menor de 1 cm. Véase la Figura 9.13a.

9.2.4.4 Ecosondas. El principio de funcionamiento de la ecosonda es, básicamente, el mismo

principio del sonar, transmitir fuertes impulsos sonoros para, luego, captar y clasificar los ecos que

servirán para ubicar la situación del objeto que los produce. La diferencia consiste en que el sonar

mantiene la cara radiante (cristal) del transductor siempre en posición vertical fija, dirigida hacia el

fondo del mar; y el transductor de la ecosonda puede operar horizontal y lateralmente a voluntad.

Ver Figura 9.13b. Ref. [25].

9.2.4.5 Secciones de control artificiales. Como su nombre lo indica, consisten en una

adecuación de la sección natural del cauce, mediante un revestimiento del lecho en un tramo de

longitud conveniente, para hacer las mediciones pertinentes. Además del revestimiento, suele

hacerse un control hidráulico a través de un vertedero, o un estrechamiento de la sección, para

estrangular el flujo, o un umbral o escalón en el fondo del canal. Véase la Figura 9.14. Cualquier de

estos controles permite establecer una relación matemática entre el caudal de la corriente que fluye

y la profundidad de ésta, en la sección de control, de la misma manera como se explicó en el

capítulo sobre medidores de régimen crítico.

a) b)

FIGURA 9.13. a) Sondas luminosas marca A.OTT KEMPTEN; b) Ecosonda




252

FIGURA 9.14. Secciones de control artificiales para aforar corrientes naturales.

9.2.4.6 Estructuras temporales para medición de caudales. Son obras hidráulicas de carácter

transitorio que se construyen en una sección de aforo, con el objeto de determinar el caudal, bien

sea por una relación matemática entre el caudal de la corriente y la profundidad del flujo, como es el

caso de la instalación de un vertedero de medida, o bien sea para aplicar el método volumétrico de

medición de caudales. Véanse las Figuras 9.15 y 9.18.

FIGURA 9.15. Instalación temporal para aforo volumétrico con vertedero.




253

9.2.4.7 Puente hidrométrico. Es un puente de carácter temporal construido con fines hidrométricos,

o un viaducto permanente cuya superestructura se utiliza para realizar las operaciones de

sumersión del correntómetro y de las miras o limnímetros, y otros instrumentos hidrométricos. Véase

la Figura 9.16. Estos puentes pueden ser rígidos o colgantes, y se emplean particularmente en

corrientes profundas y de alta velocidad, en las cuales es imposible o bastante riesgoso el acceso

directo a la corriente.

9.2.4.8 Tarabita o canastilla. Es un andarivel o canastilla móvil que se desplaza sobre un cable,

similar a un teleférico, empleado para transportar una o dos personas, pasar sobre ríos u

hondonadas, y, particularmente, para realizar prácticas hidrométricas. Las tarabitas o teleféricos

pueden ser monofilares o bifilares, según la disponibilidad de recursos que se tenga. Véase la

Figura 9.17.

FIGURA 9.16. Puente hidrométrico colgante.




254

FIGURA 9.17. Operación de tarabitas en actividades hidrométricas.

9.2.5 Aforos de corrientes naturales. 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 instantánea. Las mediciones continuas de caudales requieren de la instalación de

una estación medidora (limnimétrica) o de una estación registradora (limnigráfica). Las mediciones

aisladas, puntuales o instantáneas, se realizan 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 siguiente ecuación de caudal:

(9.4) AvQ

Solamente algunos pocos acuden a otras relaciones.




255

A continuación, se describen sucintamente los métodos más utilizados en la determinación del

caudal en corrientes naturales de agua.

9.2.5.1 Aforo volumétrico. Se aplica generalmente en Laboratorios de Hidráulica, ya que sólo es

funcional para pequeños caudales; sin embargo, se puede implementar también en pequeñas

corrientes naturales de agua. Véanse las Figuras 9.15 y 9.18.

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 fácilmente calculable con la siguiente ecuación:

(9.5) t

v

Tiempo

VolumenQ

9.2.5.2 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. Su funcionamiento se estudia detalladamente en los capítulos 2 y 4,

respectivamente. Una instalación típica de un vertedero, para aforar corrientes naturales se muestra

en las Figuras 9.14 y 9.15.

FIGURA 9.18. Instalación para un aforo volumétrico.

9.2.5.3 Aforo con tubo de Pitot. Su mayor aplicación se encuentra en la medición de velocidades

en flujos 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. El 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 área de ésta, produce el caudal de la

corriente. El principio de funcionamiento de este aparato se estudia en el curso de Mecánica de

Fluidos.




256

9.2.5.4 Aforo con trazadores fluorescentes o colorantes. El empleo de colorantes para medir la

velocidad del flujo en corrientes de agua es uno de los métodos más sencillos y de mayor éxito. Una

vez elegida la sección de aforo, en la que el flujo es prácticamente 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 ésta por el tiempo

de viaje del colorante, obteniéndose así la velocidad superficial o sub-superficial de la corriente

líquida. La velocidad media del flujo se obtendrá dividiendo la distancia entre los dos extremos o

puntos de control, por el tiempo medio de viaje.

Si se inyecta un colorante de tipo brillante, como la eosina, y si se suspende horizontalmente una

lámina brillante, de longitud conocida, en un sitio aguas abajo de la inyección, es posible detectar

los instantes en que desaparece y aparece el colorante en los extremos de dicha lámina. 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 lámina. La velocidad media

superficial del flujo se obtendrá dividiendo la longitud de la lámina 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 pontacyl 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 uranina y el bromuro-82.

9.2.5.5 Aforo con trazadores químicos y radioactivos. Es un método muy apto para corrientes

turbulentas como las de montaña. 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 y cuya 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, Ct. Véase la Figura 9.19.




257

FIGURA 9.19. Ilustración del procedimiento de inyección y muestreo en un aforo con trazador.

El caudal de la corriente se puede determinar, entonces, empleando la siguiente ecuación:

(9.6)

CC

CCQQ

at

titt

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 2 g de Anhídrido

Tálico con 0.125 g de Difenil-Carbazida y 50 cm3 de alcohol de 98º. También, se utilizan el clorato

sódico, la fluoreína y el bicromato de sodio.

Los trazadores radioactivos más usuales son: el Tritio (T, isótopo del Hidrógeno, con tres protones)

como THO, 51Cr en la forma del complejo EDTA, el 82 Br como ión Br- y el 131I como ión I

-. Los

isótopos 99Tc y 198Au, del Tecnecio y del Oro, respectivamente, también son trazadores empleados

en hidrometría.

El Indio, en la forma del complejo In-EDTA, y el bromuro, como NH4Br, son trazadores activables

también empleados en estudios de aguas.




258

Las sustancias químicas o radioactivas empleadas para medición de caudales deben reunir las

siguientes condiciones:

- Deben mezclarse fácil 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.

- Debe ser fácilmente detectable en el agua, aún en concentraciones pequeñas.

- Debe estar ausente o presente en pequeñas cantidades en la corriente natural de agua.

- Debe ser conservativo, es decir, no degradable, ni reactivo, entre el momento de la inyección y el

momento del análisis final de las muestras.

- Debe ser fotoestable, es decir, no decolorable, ni reactivo ante la acción de la luz.

Vale la pena resaltar que los aforos con isótopos radioctivos son demasiados costosos, ya que

requieren de equipos y personal altamente especializados.

9.2.5.6 Aforo con flotadores. Los aforos con flotadores son los más sencillos de realizar, pero

también son los más imprecisos; por lo tanto, su uso queda limitado a situaciones donde no se

requiere mayor precisión. Con este método se pretende conocer la velocidad media en la sección,

para ser multiplicada por el área, y conocer el caudal, de acuerdo con la siguiente ecuación:

(9.7) áreavelocidadQ

Para la ejecución del aforo se procede de la siguiente forma (véase la Figura 9.20): Se toma un

trecho de la corriente, de longitud L; se mide el área A, de la sección, y se lanza un cuerpo que flote,

aguas arriba del primer punto de control, y al paso del cuerpo por dicho punto se inicia la toma del

tiempo que dura el viaje hasta el punto de control, corriente abajo.

FIGURA 9.20. Esquema ilustrativo para el 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.




259

(9.8) t

Lvs

Se considera que la velocidad media de la corriente, vm , es del orden de 0.75 vs a 0.9 vs , donde el

valor mayor se aplica a las corrientes de agua más profundas y rápidas (con velocidades mayores

de 2 m/s). Habitualmente, se usa la siguiente ecuación para estimar la velocidad media de la

corriente:

(9.9) v85.0v sm

Si se divide el área de la sección transversal del flujo en varias secciones, de área Ai, para las

cuales se miden velocidades superficiales, vsi, y se calculan velocidades medias, vmi, el caudal total

se podrá determinar como la sumatoria de los caudales parciales qi, de la siguiente manera:

(9.10) AvAv AvqQ nnm22m11m

n

1i

i

Se pueden obtener resultados algo más precisos por medio de flotadores lastrados, de sumersión

ajustable, como el que se muestra en la Figura 9.20. Estos flotadores consisten en un tubo delgado

de aluminio, de longitud Lf l , 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 de aproximadamente 25 a 30 cm sobre el fondo, y emerjan unos 5 a 10 cm.

La velocidad observada del flotador sumergido, vf, permite la determinación de la velocidad media

de la corriente, vm, a lo largo de su curso, por la siguiente fórmula experimental, Ref. [1]:

(9.11) y

L1116.00.9vv

lf

lfm

donde y es la profundidad de la corriente de agua.

9.2.5.7 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, es decir, recorriendo una vuelta

completa de la hélice. La situación es análoga al suponer quieta el agua y el molinete

desplazándose a través de ésta con velocidad v. Para un desplazamiento s, la hélice también dará

una vuelta.




260

Para un movimiento uniforme,

) (9.12 t

sv

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,

) (9.13 t

Nv

Como existen fricciones en las partes mecánicas del aparato, es necesario introducir un coeficiente

de corrección, b.

Entonces,

) (9.14 t

Nbv

y haciendo n = N/t, la frecuencia de giro, se tiene:

) (9.15 nbv

Como la sensibilidad del aparato se hace sentir a partir de determinada velocidad mínima, a, que, en

general, es del orden de 1.0 cm/s, por debajo de la cual el aparato no se mueve, la ecuación del

aparato se transforma en:

(9.16) nbav

Ecuación ésta que corresponde a una línea recta. Los aparatos vienen con su respectiva ecuación

de calibración, dependiendo del tipo de molinete y de la casa productora, o traen tabuladas las

velocidades en función del número de revoluciones por minuto.

Por ejemplo, para el correntómetro Price’s Electric Currentmeter No. 17110B Serial No. 101-A, la

ecuación de calibración para la velocidad, en m/s, es:

(9.17) n702.0019.0v

9.2.6 Métodos de aforo de corrientes con molinete. A continuación se presentan los métodos de

aforo con correntómetro más usuales, para la determinación de la velocidad media del flujo en la

vertical de aforo, unos más laboriosos que otros, dependiendo del grado de exactitud que se desee

para tal propósito.




261

9.2.6.1 Método de la curva de distribución de velocidades. También es conocido como el

método de la medición completa, y consiste en medir las velocidades en, por lo menos, 10 puntos

de la vertical, situados entre la superficie y el fondo. Con las mediciones realizadas se dibuja a

escala la curva correspondiente de velocidad vs. profundidad. Luego, con planímetro o con

cualquier otro método, se mide el área bajo la curva, y el resultado se divide por el valor de la

profundidad de la vertical de aforo, con lo cual se obtiene la velocidad media en la misma.

Con este método se logra bastante exactitud, pero se requiere gran cantidad de trabajo, por lo cual

se emplea sólo como método de verificación y comparación, o en secciones caracterizadas por

irregularidades del flujo que no permiten aplicar otros métodos más simplificados.

9.2.6.2 Método de los cinco puntos. Consiste en medir la velocidad del flujo en la superficie, en

un punto cercano al fondo y en tres puntos intermedios, situados a 0.2, 0.6 y 0.8 veces la

profundidad, h, de la vertical de aforo, medidos desde la superficie libre. La velocidad media del flujo

se obtiene, con buena aproximación, a partir de la siguiente ecuación:

(9.18) 10

vv3v2v3vv f8.00.60.2s

m

donde,

vs : velocidad superficial

v0.2 : velocidad a 0.2 h



vf : velocidad sobre el lecho o velocidad en el fondo.

9.2.6.3 Método 0.2 - 0.8. Es el método más utilizado, debido a la rapidez de ejecución que

presenta. Se toman medidas de velocidad en dos puntos de la vertical: a 0.2 h y 0.8 h de

profundidad, y la velocidad media en la vertical viene dada por:

(9.19) 2

vvv 8.00.2

m

Este método está fundamentado en el hecho de que, si se suponen las velocidades distribuidas a lo

largo de un arco de parábola, la velocidad media es el promedio de las abscisas 0.2114 h y 0.7886

h, las cuales son prácticamente 0.2h y 0.8h, medidas desde la superficie.

Se acepta un error del 5 % con este método, en relación con otros de mayor exactitud.




262

9.2.6.4 Método 0.6. En este caso solamente se realiza una medición de velocidad, a 0.6 h

medidos desde la superficie libre. Esta velocidad se considera ser la velocidad media en la vertical,

suponiendo que la distribución de velocidades corresponde a un arco de parábola, en cuyo caso la

abscisa media se encuentra entre 0.58 h y 0.62 h, bajo la superficie.

Este método, obviamente, no es muy exacto, por lo cual sólo se recomienda en aquellos casos que

no requieran mayor rigor en la determinación del caudal, y en corrientes de poca profundidad que

hacen impracticable la aplicación del método anterior, como quiera que la hélice del molinete podría

tocar el fondo del lecho, cuando se le coloque a 0.8 h.

9.2.6.5 Método 0.2- 0.6 - 0.8. Combina los dos procedimientos anteriores y es, lógicamente, más

exacto que los mismos, y se aplica cuando se duda de las velocidades medidas a 0.2 h y a 0.8 h.

La velocidad media se obtiene empleando la siguiente ecuación:

(9.20) 3

vvvv 8.00.60.2

m

En casos en que la velocidad puntual v0.8 resulte insegura, como consecuencia de la turbulencia

producida por las irregularidades del lecho, la velocidad media se calcula promediando las tres

velocidades anteriores, pero ponderando doblemente la velocidad v0.6; esto es:

(9.21) 4

vv2vv 8.00.60.2

m

Los norteamericanos usan, muy a menudo, la siguiente fórmula:

(9.22) 5

vv3vv 8.00.60.2

m

9.2.6.6 Método de la medición sub-superficial. Este método se aplica en estaciones de aforo

que ya han sido estudiadas hidrométricamente, y consiste en medir la velocidad en un punto por

debajo de la superficie del agua, situado aproximadamente a 0.2 h, para estimar la velocidad media

en la vertical, a través de correlaciones entre las velocidades v0.2 y las velocidades promedias,

determinadas por mediciones más completas en aforos anteriores.

Este procedimiento simplifica los aforos en secciones ya trabajadas, en eventos de avenidas o

cuando no se puedan efectuar aforos más detallados.

9.2.6.7 Método de la medición superficial. Este método es similar al anterior y se aplica sólo

durante crecidas que llevan mucho material flotante, lo cual pondría en peligro el molinete. Consiste

en medir la velocidad superficial del flujo, para obtener la velocidad media a partir de correlaciones

entre ésta y la velocidad superficial, obtenidas a través de mediciones en, por lo menos, cinco

puntos de la vertical, incluyendo, entre éstos, la medición superficial.




263

9.2.6.8 Método de la integración en profundidad. Consiste en obtener la velocidad media del

flujo en una vertical, a través del desplazamiento continuo del correntómetro entre la superficie y el

fondo, contabilizando el tiempo t, empleado en dicho desplazamiento, y el número N de

revoluciones dadas por la hélice del molinete en ese tiempo. El número de revoluciones por

segundo, n = N/t, se reemplaza en la ecuación de calibración correspondiente a la hélice empleada,

determinándose así la velocidad media del flujo en la vertical.

Este método encuentra mayor aplicación en ríos grandes, con pendientes y velocidades bajas,

reduciéndose ostensiblemente la duración total del aforo, y obteniendo resultados satisfactorios.

9.2.6.9 Método de Cunningham. Este autor propone la siguiente fórmula simplificada, para

calcular la velocidad media en la vertical:

(9.23) 4

v3vv

32s

m

donde,

vs : velocidad superficial de la corriente

v2/3 : velocidad a los 2/3 de la profundidad h, en la vertical.

9.2.7 Curva de calibración de una sección de aforo. Como se vio en los párrafos anteriores, las

estaciones fluviométricas registran los niveles de agua, y los aforos permiten conocer el campo de

velocidades y el caudal del flujo en la sección de aforo. Sin embargo, ninguno de estos métodos

permite conocer en forma continua el caudal de la corriente, es decir, su variación con el tiempo.

Por esta razón, se recurre a establecer una relación empírica entre los niveles H y los caudales Q,

es decir, que, para conocer los caudales, se necesita establecer una ecuación matemática para la

relación Q = f(H).

Si se conoce esta función, se puede pasar del registro de niveles al de caudal. La gráfica de esta

función recibe los nombres de curva de gasto, curva de descarga, curva de caudales, curva de

patronamiento, curva de calibración, etc., para la sección considerada, y tiene la forma presentada

en la Figura 9.21.




264

H

(m)

Q (m3/s)

FIGURA 9.21. Curva de calibración Q vs. H, típica en corrientes naturales.

En ríos de morfología constante o poco variable, en que la pendiente de la línea de agua es

aproximadamente la misma en épocas de creciente y de estiaje (o sequía), la relación nivel-caudal,

resulta unívoca y estable, permitiendo la definición de una curva de descarga única. Teóricamente,

muy pocos ríos llenan este requisito; sin embargo, en la mayoría de los casos son despreciables la

influencia y las variaciones de la pendiente de la línea de agua y es posible aceptar como unívoca y

permanente la relación nivel-caudal de un gran número de estaciones hidrométricas.

Las curvas de descarga exigen en general, para su definición, una serie de medidas de caudal,

abarcando distintos niveles de agua, más o menos distribuidos entre los estiajes y las crecidas.

Cuanto mayor sea el número de mediciones, mayores serán los resultados de definición de la

curva. Se considera como mínimo razonable el de una decena de mediciones de caudal. Cada

medición de caudal debe referenciarse al respectivo nivel que tenía el río en el momento de la

medición.

Los pares de valores nivel-caudal se grafican en un sistema cartesiano, en el cual el eje de las

abscisas represente el caudal, y el de las ordenadas mida el nivel dado por el limnímetro. Los

datos se pueden ajustar a una ley matemática por el método de regresión de potencia, o se recurre

a un método gráfico de ajuste.

Dado que la geometría de la sección transversal de una corriente natural puede variar

estacionalmente, la curva de calibración de toda sección de aforo debe actualizarse con cierta

frecuencia.




265

9.2.8 Recomendaciones generales para el aforo de corrientes naturales. Estrictamente

hablando, la corriente debe ser permanente durante el tiempo que dura el aforo; sin embargo, esta

condición en muchos casos es difícil de conseguir, principalmente cuando se aforan crecidas.

En aforos simplificados, los puntos de medición de velocidad deben tomarse a las profundidades

0.2 h, 0.6 h y 0.8 h, a partir de la superficie. Cuando se requiera gran precisión, el número de puntos

de aforo dependerá de la profundidad total, h, así:

3 ó 4 puntos, si h 1.0 m

4 a 7 puntos, si 1 < h 7 m

10 puntos, si h > 7 m

También se puede adoptar la siguiente regla:

- Para profundidades de 0.0 m a 1.0 m, se requieren tres tomas de velocidad.

- Para profundidades de 1.0 m a 3.0 m, se requieren cuatro tomas de velocidad.

- Para profundidades de 3.0 m a 5.0 m, se requieren cinco tomas de velocidad.

Para profundidades mayores de 5.0 m, se harán tomas de velocidad de metro en metro, hasta los

10 m de profundidad, y de 1.5 m en 1.5 m, para profundidades superiores a 10 m.

La toma de velocidad, en gran número de puntos, para determinar la distribución completa de

velocidades, resulta sumamente larga y laboriosa, por lo cual, si el régimen no es rigurosamente

permanente, la demora en el aforo puede introducir error apreciable en la medición.

Los grupos encargados de las mediciones deberán disponer del siguiente equipo:

- Carreteles con cables de acero, de diámetro y longitudes suficientes y compatibles con el ancho

del río, debidamente marcados de metro en metro; ganchos para fijación de canoas; molinetes

con todos sus aditamentos; cronómetros; sondas para determinación de profundidades; miras;

bases especiales para anclar el molinete, cuando se trata de aforar corrientes pequeñas;

plantillas; etc.

En los aforos de ríos hasta de 100 m de ancho, se usarán dos cables transversales a la corriente,

uno para medir el ancho de la sección, y el otro para amarrar la canoa y evitar su desplazamiento

longitudinal que originaria incorrecciones en la determinación de la sección (véase la Figura 9.8).

Para ríos más anchos se usará un solo cable que cumpla las dos funciones. Cuando el ancho del río

supera los 400 m, se usan métodos más complejos, como barcos especiales.

Cuando la corriente es poco profunda, el molinete se amarra a una barra clavada en el fondo del

cauce, de manera que aquél se pueda desplazar, a discreción, a todo lo largo de la profundidad. El

molinete se debe mantener orientado perpendicular a la sección, y con la hélice enfrentando la

corriente. La barra debe mantenerse en posición vertical. Este aforo se puede hacer vadeando la

sección, a pie o a caballo, cuidando de que las extremidades no formen perturbaciones cerca del

molinete.




266

Cuando, debido a una gran profundidad, no se pueda usar una barra, el molinete se suspende de

un cable graduado y debidamente lastrado, para evitar que sea arrastrado y se mantenga en

posición vertical. En este caso, es necesario operar el correntómetro desde una lancha, un puente,

un teleférico o una tarabita, como se indica en las Figuras 9.8 y 9.17.

Para la toma de velocidades, el espaciamiento de las verticales debe obedecer a algunas

indicaciones, puesto que, con base en estas verticales, se determina la sección. Se recomienda que

entre vertical y vertical no debe escurrir más del 10 % del caudal total. Evidentemente, cuanto más

cerca entre sí estén las verticales, el campo de velocidades quedará mejor explorado.

Algunos autores proponen la siguiente tabla para definir el número de verticales, en función del

ancho del río.

TABLA 9.1 Espaciamiento entre verticales de aforo en función del ancho de la corriente.

Cerca a las márgenes se observarán distancias menores.

De todas formas, en la práctica, el espaciamiento dependerá de muchos factores, por lo cual será

importante la experiencia y habilidad del técnico.

9.2.9 Recomendaciones para el establecimiento de una estación fluviométrica. Para la

instalación de una estación fluviométrica, se deben llenar algunos requisitos mínimos, tales como:

- El trecho del curso de agua debe presentar condiciones alti-planimétricas regulares, es decir, una

variación continua en el perfil transversal, paralelismo entre las márgenes con desarrollo

rectilíneo, y regularidad en el perfil longitudinal. Con ello se asegura un escurrimiento tranquilo y

uniforme, exento de arremolinamiento, y una sección transversal adecuada para las mediciones

del caudal.

- La escala y los aparatos deben instalarse en un sitio donde haya una persona habilitada para

ejecutar las lecturas o mantener los equipos.

Ancho de la corriente Espaciamiento entre

verticales

Menor de 3 m 0.2 m 3 - 5 m 0.3 m 5 - 10 m 0.5 m 10 - 20 m 1.0 m 20 - 30 m 2.0 m 30 - 50 m 3.0 m 50 - 100 m 5.0 m

Mayor de 100 m 10.0 m




267

- El sitio debe estar protegido contra daños que, posiblemente, causen embarcaciones o cuerpos

flotantes en época de crecidas.

- Debe haber accesibilidad para permitir la lectura en cualquier condición de nivel de agua.

- La escala debe permitir las lecturas de los niveles extremos previstos, es decir, los niveles

máximo y mínimo de la superficie de agua.

- El trecho longitudinal debe tener aproximadamente cinco veces el ancho.

- La mira se debe referenciar a un B.M. que no corra el peligro de desaparecer por cualquier

circunstancia.

9.3 PROCEDIMIENTO PARA LA PRÁCTICA HIDROMÉTRICA

9.3.1 Descripción de la práctica. El siguiente procedimiento está orientado hacia un aforo

realizable con correntómetro.

Una vez seleccionada la estación de aforo que satisfaga las condiciones expresadas en el numeral

9.2.3, se procede a hacer un levantamiento altimétrico de la sección transversal del cauce, para ello,

se parte de un B.M. conocido u otro punto de referencia, situados en una orilla, y se levanta, lo más

representativo posible, el perfil de la sección transversal, hasta llegar a la orilla opuesta. Este

levantamiento se hará con equipo de topografía o, en su defecto, con cintas métricas y miras, y

permitirá obtener un conjunto de pares ordenados (abscisa o distancia horizontal desde el punto de

referencia, cota o nivel del punto en el fondo del cauce), como se muestra en la Figura 9.22

FIGURA 9.22. Levantamiento altimétrico de la sección transversal del cauce de una corriente natural.

El punto de referencia puede ser la base del tronco de un árbol, el paramento de una construcción

cercana, un mojón, un cercado, etc. Es preferible, aunque no estrictamente necesario, que dicho

punto de referencia sea permanente, de fácil acceso y cercano, para facilitar restituciones y

ulteriores levantamientos.




268

El siguiente es un procedimiento secuencial para determinar el caudal de una corriente natural,

como la suma de los caudales parciales que fluyen por las respectivas subsecciones (o subáreas),

en las cuales se puede dividir el área total de la sección transversal del canal:

9.3.1.1. Extender, de orilla a orilla y horizontalmente, una cuerda o cinta, atando sus respectivos

extremos a un tronco o una estaca clavada en el suelo, y situados en cada una de las orillas del

cauce. Esta cuerda o cinta servirá para demarcar en ella puntos sobre los cuales se bajarán

verticales virtuales de aforo, a través de toda la sección transversal del cauce.

9.3.1.2. Medir el ancho superficial, T, del área mojada, A, de la sección transversal del cauce.

Véase la Figura 9.22.

9.3.1.3. Dividir el ancho superficial en 12 segmentos, como mínimo, para garantizar que, por cada

franja o sub-área, en que se dividirá el área de la sección transversal, no fluya más del 10 % del

caudal total que se desea medir.

9.3.1.4. Enumerar consecutivamente las líneas verticales de aforo, empezando por un extremo de

la superficie de agua, y terminando en el extremo opuesto de la misma. Véase la Figura 9.22.

9.3.1.5. Medir la profundidad del flujo, hi , en cada una de las verticales de aforo, como se indica en

la misma figura.

9.3.1.6. Calcular las profundidades de aforo 0.2 hi, 0.6 hi y 0.8 hi, en cada una de las verticales de

aforo. En estas profundidades, medidas desde la superficie libre, se colocará el eje del molinete

para medir las correspondientes velocidades.

9.3.1.7. Situar el correntómetro en las posiciones calculadas en el paso anterior, poner en

funcionamiento, simultáneamente, el cronómetro y el contador de revoluciones, y medir el número

de vueltas, N, dadas por la hélice en un tiempo preestablecido (t = 50s, por ejemplo). Esto se hará

iniciando en una de las orillas y pasando consecutivamente por todas las verticales predefinidas,

hasta alcanzar la orilla opuesta.

9.3.1.8. Calcular la frecuencia de giro, n, de la hélice empleada, correspondiente a cada

profundidad de aforo, en todas y cada una de las verticales de medida.

9.3.1.9. Calcular las velocidades del flujo, vs, v0.2 , v0.6 , v0.8 y vf , en cada vertical de aforo,

empleando la ecuación de calibración correspondiente a la hélice empleada. De acuerdo con el

método empleado, se podrán emplear o no las velocidades en la superficie, vs , y en el fondo, vf .

9.3.1.10. Calcular el valor de la velocidad media del flujo, vm , en cada una de las verticales de

aforo, empleando uno de los métodos propuestos en el numeral 9.2.6.

9.3.1.11. Calcular el área de influencia, Ai , de cada una de las sub-secciones en que se ha

dividido el área mojada, correspondientes a las velocidades medias obtenidas en el paso anterior.

Existen dos maneras de calcular estas áreas de influencia, y son:




269

i) el área limitada por dos verticales de aforo consecutivas, i e i+1, el fondo y la superficie de agua,

cuya velocidad promedio del flujo, vm , será el promedio aritmético de las velocidades vmi y vmi+1,

correspondientes a dichas verticales. Véase la Figura 9.23.

ii) el área definida por el fondo, la superficie de agua y dos verticales hipotéticas, bajadas éstas por

los puntos medios entre dos verticales de aforo consecutivas, es decir, entre las verticales i - 1

e i , y entre las verticales i e i + 1. La velocidad media para esta sub-sección será la

correspondiente a la vertical iésima, vi. Véase la Figura 9.23.

FIGURA 9.23. Definición de áreas parciales en la sección de aforo.

9.3.1.12. Efectuar los cálculos de los caudales parciales, qi , correspondientes a las sub-secciones

en las cuales se dividió el área total de la sección transversal, aplicando la ecuación de continuidad,

así:

(9.24) Avq iimi

9.3.1.13. Calcular el caudal total de la corriente, como la sumatoria de los caudales parciales, q i,

obtenidos en el paso anterior, así:

(9.25) qQk

1i

i

9.3.2 Registro de datos en la planilla de aforo. Previo a las actividades de medición, se debe

hacer un encabezamiento de la planilla de aforo, con la siguiente información (véase la Tabla 9.2):

nombre de la corriente (río o quebrada), nombre de la cuenca, nombre de la estación hidrométrica,

fecha y hora de iniciación del aforo, fecha y hora de finalización del aforo, niveles inicial y final de la

corriente, datos del molinete (número de la hélice y ecuación de calibración para la velocidad),

método de aforo empleado (ejemplo: método 0.2h - 0.8h) y el número ordinal del aforo desde la

última calibración del correntómetro.




270

TABLA 9.2 Ejemplo de llenado de una planilla de aforo de una corriente natural. Tomado de Ref. [2]

Río: Sinú Cuenca: Río Sinú Estación: Montería Fecha: 24/sept./1969 Hora inicial: 14:30 ; Final: 20:30 Nivel incial: 363 cm Nivel Final: 360 cm. Velocidad Media: 1.17 m/s Ancho: 105 m Area sección: 523 m2 Caudal: 597.85 m3/s

Molinete No.: 5833 Tipo Price Hélice No.: 5 Ecuación de calibración: v = 0.019 + 0.702n Número ordinal del aforo desde la última calibración: Método de aforo: v0.2 - v0.8

Distancias desde PR Orilla Izq.

Profundidades

Revoluciones

Velocidades

Areas Parciales

Caudales Parciales

(m) (m) (m/s) PM AP SP

PT PA N t n = N/t VP VMV VM (m) (m) (m2) (m3/s)

16 0 0 0 0.16 1.15 3.0 3.45 0.55

19 2.31 0.46 20 56 0.357 0.26 0.24 1.84 15 53 0.283 0.21 0.54 3.63 6.0 21.78 11.76

25 4.94 0.99 70 51 1.373 0.99 0.83 3.96 50 53 0.943 0.68 0.90 5.20 6.0 31.20 28.08

31 5.47 1.10 75 50 1.500 1.08 0.98 4.40 65 53 1.226 0.88 1.09 5.66 6.0 33.96 37.02

37 5.86 1.17 100 51 1.961 1.41 1.20 4.68 70 51 1.372 0.99 1.14 5.90 6.0 35.40 40.36

43 5.93 1.19 85 50 1.700 1.22 1.08 4.76 70 53 1.321 0.95 1.18 5.78 6.0 34.68 40.92

49 5.62 1.12 100 50 2.000 1.44 1.27 4.50 80 52 1.538 1.10 1.24 5.78 6.0 34.68 43.00

55 5.93 1.18 105 52 2.019 414 1.20 4.72 70 53 1.321 0.95 1.22 5.65 6.0 33.90 41.36

61 5.37 1.07 110 52 2.115 1.52 1.23 4.28 70 53 1.321 0.95 1.19 5.45 6.0 32.70 38.91

67 5.52 1.10 110 51 2.157 1.55 1.15 4.40 55 53 1.038 0.75 1.24 5.50 6.0 33.00 40.92

73 5.49 1.10 115 50 2.300 1.65 1.33 4.40 75 53 1.415 1.02 1.36 5.26 6.0 31.56 42.92

79 5.03 1.01 115 50 2.300 1.65 1.40 4.04 80 50 1.600 1.15 1.45 4.96 6.0 29.76 43.15

85 4.90 0.98 125 50 2.500 1.79 1.50 3.92 85 50 1.700 1.22 1.46 4.98 6.0 29.88 43.62

91 5.05 1.01 115 50 2.300 1.65 1.43 4.04 85 50 1.700 1.22 1.42 5.20 6.0 31.20 44.30

97 5.34 1.07 115 50 2.300 1.65 1.40 4.28 80 50 1.600 1.15 1.36 5.30 6.0 31.80 43.25

103 5.27 1.05 105 56 1.875 1.35 1.32 4.20 90 50 1.800 1.29 1.18 5.16 6.0 30.96 36.53

109 5.06 1.01 75 51 1.471 1.06 1.04 4.04 70 50 1.400 1.01 0.73 4.84 6.0 29.04 21.20

115 4.64 0.81 40 51 0.784 0.57 0.42 3.24 20 53 0.377 0.27

121 0 0

Observaciones especiales Total 508.95 597.85

Operadores: J. Flórez - C. Soto Calculado por: J. Flórez Revisado por: W. Klohn

PR : Punto Fijo de Referencia PT : Profundidad Total PA : Profundidad de Aforo N : Número de Revoluciones

t : Tiempo de medición n : Revoluciones por segundo VP: Velocidad Puntual VMV: Velocidad Media en la vertical

VM : Velocidad Media PM : Profundidad Media AP : Ancho Parcial SP : Sección Parcial




271

A continuación, se explica el significado de cada una de las columnas de la Tabla 9.2:

Col. 1: Distancias desde un B.M. (Bench Mark) o un punto de referencia, P.R. Se anotará la orilla

en la que está el B.M. o el P.R. Se anotarán también las distancias desde el P.R. hasta cada una de

las verticales, sobre las cuales se medirán las velocidades. Las orillas izquierda y derecha se

definen en el sentido corriente abajo.

Col. 2: En la columna P.T. (profundidad total) se anotará la profundidad total de la vertical

correspondiente.

Col. 3: En la columna P.A. (profundidad de aforo) se anotarán las profundidades en que se mide la

velocidad del flujo.

Col. 4: En la columna N se registra el número de revoluciones que da la hélice del molinete, en el

intervalo de tiempo que se haya elegido, el cual no debe ser inferior a 30 segundos.

Col. 5: En la columna t se anotará el tiempo, en minutos o segundos, que haya durado la medición;

por lo general, es constante para todas las mediciones (50 ó 60 segundos).

Col. 6: En la columna n se coloca el valor de la relación N/t.

Col. 7: En la columna V.P. se anotará la velocidad del flujo en cada punto. Esta velocidad se puede

calcular después del aforo, empleando la ecuación de calibración del molinete.

Col. 8: En la columna distinguida por las iniciales VMV ( velocidad media en la vertical) se anotará

el promedio de las velocidades en los diferentes puntos de una misma vertical, según el método

empleado.

Col. 9: En la columna VM se registra la velocidad media en cada subsección, así:

Para las subsecciones próximas a las orillas se toma como 2

3vmedia correspondiente a la vertical

más próxima a la orilla.

Para las restantes verticales se toma el promedio de las velocidades medias, medidas en dos

verticales consecutivas.

Col. 10: En la columna PM (profundidad media de la subsección) se anota el promedio de las

profundidades totales de las dos verticales que delimitan la subsección.

Col. 11: En la columna AP (ancho de la sección parcial) se anota la diferencia de las distancias

medidas desde el punto de referencia hasta las correspondientes verticales que delimitan la

subsección.

Para las subsecciones adyacentes a las orillas, este valor será igual a la mitad de la profundidad

total de la vertical más próxima a la orilla correspondiente.




272

Col. 12: En la columna SP (área parcial de la sub-sección) se registra el producto del ancho de la

sección parcial por la profundidad calculada en la columna 10.

Col. 13: En la columna de Caudales Parciales se anota el producto de la velocidad media, VM, de

la subsección, calculada en la columna 9, por el área parcial, calculada en la columna 12.

Realmente, durante el aforo se llena la planilla hasta la columna 5; las columnas restantes se

pueden calcular y llenar posteriormente.

Es necesario totalizar las columnas de área parcial y caudal parcial, para hallar los valores totales

de área y caudal, y poder calcular la velocidad media en la sección, así:

(9.26) A

Qv

total

totalm

9.4 CUESTIONARIO

9.4.1 Con los datos obtenidos en la práctica de campo, calcule la velocidad media para la sección

transversal de la corriente.

9.4.2 Con las velocidades medias correspondientes a las subáreas y con los valores calculados de

éstas, calcúlense los coeficientes de Coriolis, , y de Boussinesq, , para la sección de aforo.

9.4.3 Dibuje el perfil de velocidades correspondiente a una vertical de aforo intermedia, a partir de

la aplicación del método de la curva de distribución de velocidades, descrito en el numeral 9.2.6.1.

9.4.4 Verifique la profundidad para la cual es máxima la velocidad del flujo, en una vertical

cualquiera.

9.4.5 Calcúlese la velocidad media del flujo para la vertical de aforo del numeral 9.4.3, y obtenga

una relación entre ésta y la velocidad superficial de la corriente.

9.4.6 Para una vertical de aforo cualquiera, determine el coeficiente de rugosidad, de Manning,

empleando la siguiente ecuación, Tomada de Ref. [4]:

(9.27)

95 . 0 v

v 78 . 6

y 1 v

v

n

8 . 0

0.2

6 1

8 . 0

0.2

Nota 1: Esta ecuación es válida para canales muy anchos con distribución de velocidades

logarítmica, en los cuales RH y, con y en pie y n adimensional.




273

Nota 2: La ecuación (9.27) también se puede emplear en corrientes naturales, haciendo y igual a

la profundidad media del flujo.

9.4.7 Para las restantes verticales de aforo, repita el ejercicio anterior y obtenga un valor promedio

del coeficiente de Manning, para la sección de aforo.

9.4.8 Efectúe tres mediciones de velocidad superficial con flotador, obtenga un valor promedio de

ésta y compárelo con la velocidad superficial medida con el correntómetro, y con el valor de la

velocidad media del flujo correspondiente a la sección completa.

9.4.9 Calcule el error relativo total en la medición del caudal de la corriente natural elegida para la

realización de esta práctica.

9.. HHIIDDRRO OMMEETTRRÍÍAA YY AAFFOORRO DE ...bdigital.unal.edu.co/12697/68/3353962.2005.Parte...

Documents

Transcript of 9.. HHIIDDRRO OMMEETTRRÍÍAA YY AAFFOORRO DE ...bdigital.unal.edu.co/12697/68/3353962.2005.Parte...