MANUAL DE PROCEDIMIENTOS HIDROMETRICOS … Equipos de Telemetría 2.9 2.6 TIPOS DE AFORO 2.9 2.6.1...

CORPORACION AUTONOMA REGIONAL DEL VALLE DEL CAUCA

CARACTERIZACION Y MODELACION MATEMATICA DEL RIO CAUCA - PMC FASE II

Convenio Interadministrativo 0168 de Noviembre 27 de 2002

UNIVERSIDAD DEL VALLE FACULTAD DE INGENIERIA

ESCUELA DE INGENIERIA DE RECURSOS NATURALES Y DEL AMBIENTE

Santiago de Cali, mayo de 2005

MANUAL DE PROCEDIMIENTOS HIDROMETRICOS

VOLUMEN XIII

E I D E N A R

CORPORACION AUTONOMA REGIONAL DEL VALLE DEL CAUCA SUBDIRECCION DE CONOCIMIENTO AMBIENTAL TERRITORIAL

Convenio Interadministrativo 0168 de Noviembre 27 de 2002 entre la CVC y la Universidad del Valle

PROYECTO DE MODELACION DEL RIO CAUCA – PMC FASE II

MANUAL DE PROCEDIMIENTOS HIDROMÉTRICOS

VOLUMEN XIII

UNIVERSIDAD DEL VALLE FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA

DE RECURSOS NATURALES Y DEL AMBIENTE

Santiago de Cali, Mayo De 2005

El presente documento fue realizado en desarrollo del Proyecto de Modelación Matemática del Río Cauca, Proyecto PMC Fase II, dentro del Convenio Interadministrativo 0168 de Noviembre 27 de 2002 suscrito entre la Corporación Autónoma Regional del Valle del Cauca CVC y la Universidad del Valle. Este informe fue elaborado por la Escuela de Ingeniería de Recursos Naturales y del Ambiente de la Facultad de Ingeniería de la Universidad del Valle. Participaron en el desarrollo del informe los siguientes profesionales: Ing. Carlos Alberto Ramírez Callejas Director del Proyecto Ing. José Luis García Vélez Subdirector del Proyecto Ing. Yesid Carvajal E. Ingeniero del Grupo de Hidrodinámica Ing. Oscar Ramírez Benjumea Ingeniero del Grupo de Hidrodinámica Ing. Ricardo A Bocanegra V. Ingeniero del Grupo de Hidrodinámica Ing. Juan Carlos Loaiza Quintero Ingeniero del Grupo de Hidrodinámica Ing. Juan Carlos Escobar Ingeniero del Grupo de Hidrodinámica Personal Auxiliar: Participaron durante la elaboración del presente informe los siguientes estudiantes de último semestre de Ingeniería: Ángela Cabal, Laura Duarte, Jhon Alexander Prada O, Diego Parra Debe destacarse la colaboración de los profesionales y técnicos de la CVC quienes participaron durante el desarrollo del mismo, desde el suministro de información hasta la revisión y ajuste del informe final. El Comité de Seguimiento de CVC estuvo integrado principalmente por: Ing. María Clemencia Sandoval Coordinadora General Ing. José Antonio Sierra Asesor Técnico Ing. Omar Azcúntar Asesor Técnico Ing. Luisa Marina Baena Asesor Técnico Ing. Amparo Duque Asesor Técnico Ing. José Alberto Riascos Asesor Técnico Ing. Héctor Fabio Aristizábal Asesor Técnico Ing. Claudia Yiselly Soto Asesor Técnico Ing. Mary Loly Bastidas Ingeniera Interventora CVC Los técnicos operativos Tec. Arturo Guerrero Tec. Albeiro Rojas Tec. Ersaín Velasco Tec. Heyner Agudelo Tec. Henry Marín Tec. Felipe Bonilla Tec. Cesar Rivas

Manual de Procedimientos Hidrométricos Contenido

Corporación Autónoma Regional del Valle del Cauca - CVC Universidad del Valle

CONTENIDO

Pág.

1 INTRODUCCION 1.1

2 ASPECTOS GENERALES DE LOS PROCEDIMIENTOS HIDROMETRICOS 2.1

2.1 DEFINICION DE AFORO 2.1

2.1.1 Aforo Líquido 2.1

2.1.2 Aforo Sólido 2.2

2.2 REQUERIMIENTOS PARA LA SELECCION DE LA SECCION DE AFORO 2.2

2.3 DEMARCACION DE LA SECCION DE AFORO SELECCIONADA 2.3

2.4 ESTACIONES HIDROMETRICAS 2.4

2.4.1 Tipo de Medición 2.4

2.4.2 Tipo de Instrumentación 2.4

2.4.3 Frecuencia de Operación 2.5

2.5 EQUIPOS DE MEDICION 2.5

2.5.1 Medidores de la Velocidad del Agua 2.5

2.5.2 Contadores 2.6

2.5.3 Limnímetros 2.7

2.5.4 Limnígrafos 2.7

2.5.5 Malacates 2.7

2.5.6 Equipos para Medición del Ancho 2.8

2.5.7 Equipos de Telemetría 2.9

2.6 TIPOS DE AFORO 2.9

2.6.1 Aforo por Suspensión 2.10

2.6.2 Aforo por Vadeo 2.11

2.6.3 Aforo por Flotadores 2.12

2.6.4 Aforo Volumétrico 2.12

2.6.5 Aforo por el Método de Dilución 2.13

2.6.6 Aforo con Bote en Movimiento 2.13



2.6.7 Aforo desde Bote Estático 2.16

2.6.8 Aforo Mediante Estructuras Hidráulicas 2.17

2.6.8.1 Aforo Mediante Vertedero 2.18

2.6.8.2 Aforo Mediante Canaletas 2.19

2.7 PARAMETROS BASICOS DE LA SECCION TRANSVERSAL DE AFORO 2.21

2.7.1 Número de Verticales 2.21

2.7.2 Ancho 2.22

2.7.3 Profundidad 2.22

2.8 VELOCIDAD MEDIA EN LA VERTICAL 2.23

2.8.1 Método de Distribución de Velocidad 2.23

2.8.2 Método de Puntos Reducidos 2.23

2.8.2.1 Método de un Punto 2.23

2.8.2.2 Método de Dos Puntos 2.23

2.8.2.3 Método de Tres Puntos 2.24

2.8.2.4 Método de Cinco Puntos 2.24

2.8.2.5 Método de Seis Puntos 2.24

2.8.3 Método de Integración 2.24

2.8.4 Método Superficial 2.25

2.8.5 Errores en la Determinación de la Velocidad Media 2.26

3 PROCEDIMIENTOS DE AFOROS LIQUIDOS 3.1

3.1 AFORO POR SUSPENSION 3.1

3.2 AFORO POR VADEO 3.14

3.3 AFORO POR FLOTADORES 3.17

3.4 AFORO MEDIANTE ESTRUCTURAS HIDRAULICAS 3.19

4 PROCEDIMIENTOS DE AFOROS SOLIDOS 4.1

4.1 METODOS DE AFORO DE LA CARGA TOTAL EN SUSPENSION 4.1

4.1.1 Muestreo puntual 4.1

4.1.2 Muestreo integrado 4.2

4.2 MEDICION DEL TRANSPORTE O CARGA DE FONDO 4.4

4.3 CARACTERIZACION DEL MATERIAL DEL LECHO 4.5



4.3.1 Muestreo Denso 4.5

4.3.2 Muestreo en Estaciones Hidrométricas 4.7

5 MEDICION DE LA PENDIENTE HIDRAULICA 5.1

6 CONSIDERACIONES GENERALES SOBRE BATIMETRIAS 6.1

6.1 EJECUCION DE BATIMETRIA CON INSTRUMENTOS TRADICIONALES 6.1

6.2 EJECUCION DE BATIMETRIA CON INSTRUMENTOS DE ULTIMA

TECNOLOGIA

6.2

7 ASPECTOS DE SEGURIDAD EN LOS PROCEDIMIENTOS

HIDROMETRICOS

7.1

7.1 PRECAUCIONES CUANDO SE TRABAJA DESDE PUENTES 7.1

7.1.1 Riesgos debidos al Tráfico de Vehículos 7.1

7.1.2 Riesgos debidos al Equipo Suspendido 7.2

7.2 PRECAUCIONES DURANTE EL VADEO 7.2

7.2.1 Evaluación de la Situación 7.2

7.2.2 Uso de Chalecos Salvavidas 7.2

7.2.3 Líneas de Seguridad y Líneas Indicadoras 7.2

7.2.4 Técnica de Vadeo 7.2

7.2.5 En caso de Accidente 7.3

7.2.6 Responsabilidad 7.3

7.3 PRECAUCIONES CUANDO SE UTILIZA UNA TARABITA 7.4

7.4 OTROS RIESGOS 7.4

8 ASPECTOS GENERALES A CONSIDERAR EN LOS PROCEDIMIENTOS

HIDROMETRICOS

8.1

9 DESCRIPCION DEL SECTOR Y LA SECCION TRANSVERSAL DE CADA

UNA DE LAS ESTACIONES HIDROMETRICAS

9.1

9.1 ESTACION PAN DE AZÚCAR 9.2

9.2 ESTACION SUÁREZ 9.3

9.3 ESTACION LA BALSA 9.4

9.4 ESTACION TABLANCA 9.5



9.5 ESTACION LA BOLSA 9.6

9.6 ESTACION HORMIGUERO 9.7

9.7 ESTACION JUANCHITO 9.8

9.8 ESTACION PASO DE LA TORRE 9.9

9.9 ESTACION MEDIACANOA 9.10

9.10 ESTACION GUAYABAL 9.11

9.11 ESTACION LA VICTORIA 9.12

9.12 ESTACION ANACARO 9.13

10 RECOMENDACIONES 10.1

10.1 ASPECTOS RELACIONADOS CON LOS INSTRUMENTOS DE

MEDICION

10.1

10.2 ASPECTOS RELACIONADOS CON LOS PROCEDIMIENTOS DE

CAMPO

10.1

10.3 OTRAS RECOMENDACIONES

LISTADO DE CUADROS

LISTADO DE FIGURAS

LISTADO DE FOTOGRAFIAS

BIBLIOGRAFIA

GLOSARIO

10.7

ANEXO No. 1 FORMATOS DE REGISTRO DE DATOS A1.1

ANEXO No. 2 CONSIDERACIONES GENERALES SOBRE EL

MANTENIMIENTO DE ESTACIONES HIDROMETRICAS

A2.1

ANEXO No. 3 METODOS GRAFICOS PARA EL CALCULO DEL CAUDAL

LIQUIDO

A3.1



ANEXO No. 4 EJEMPLO DE CALCULO DEL CAUDAL MEDIANTE UN

VERTEDERO

A4.1

ANEXO No. 5 TABLAS MUESTREADORES INTEGRADORES A5.1

ANEXO No. 6 APROXIMACION AL CALCULO DEL ERROR EN LA

DETERMINACION DEL CAUDAL EN LAS ESTACIONES

HIDROMETRICAS DEL RIO CAUCA

A6.1

Manual de Procedimientos Hidrométricos Listado de Cuadros


LISTADO DE CUADROS

Capítulo 2 Pág.

Cuadro No. 2.1 Número de Verticales en función del Ancho del Canal 2.22

Capítulo 3

Cuadro No. 3.1 Factores de Corrección A y B para valores dados del Ángulo Vertical ϕ 3.10

Cuadro No. 3.2 Valores de la constante C (m) 3.11

Cuadro No 3.3 Valores del Coeficiente de Corrección de la Velocidad Media para el

Método de Flotador

3.18

Capítulo 10

Cuadro No. 10.1 Normas vs Procedimientos CVC. Recomendaciones 10.3

Manual de Procedimientos Hidrométricos Listado de Figuras


LISTADO DE FIGURAS

Capítulo 2 Pág.

Figura No. 2.1 Representación aforo por bote en movimiento 2.14

Figura No. 2.2 Representación de velocidades 2.14

Figura No. 2.3 Determinación de la posición en la sección transversal. Método de la

estadía

2.17

Figura No. 2.4 Determinación de la posición en la sección transversal. Método angular 2.17

Figura No. 2.5 Tipos de vertederos 2.20

Figura No. 2.6 Planta y sección longitudinal de una canaleta Parshall 2.21

Capítulo 3

Figura No. 3.1 Cálculo del caudal y nivel medio del agua cuando la fluctuación del

nivel del agua es superior de 5 cm o menor del 5% de la profundidad

media

3.3

Figura No. 3.2 Nivel de fondo real y calculado para una sección transversal 3.4

Figura No. 3.3 Representación de las abscisas en las que se encuentra el nivel del agua

en las márgenes de un cauce

3.6

Figura No. 3.4 Relación entre la profundidad de Flujo Real, PF y la profundidad no

corregida, PT

3.9

Figura No. 3.5 Método de la sección media para el cálculo del caudal 3.12

Figura No. 3.6 Método de la semisección para el cálculo del caudal 3.13

Figura No. 3.7 Perfilómetro para medición de secciones transversales 3.18

Figura No. 3.8 Selección del tramo para instalación de una estructura 3.20

Figura No. 3.9 Instalación de un vertedero en una corriente 3.20

Figura No. 3.10 Instalación de la reglilla de medición 3.21

Figura No. 3.11 Ejecución de un aforo mediante estructuras 3.22

Capítulo 4

Figura No. 4.1 Muestreador integrador en profundidad de sedimento en suspensión

tipo USDH – 49

4.3

Manual de Procedimientos Hidrométricos Listado de Figuras


Figura No. 4.2 Muestreador integrador en profundidad de sedimento en suspensión

tipo USDH – 48

4.3

Figura No. 4.3 Rótulo para identificación de muestras 4.8

Capítulo 5

Figura No. 5.1 Ubicación de los limnímetros para la medición de la pendiente

hidráulica

5.1

Figura No. 5.2 Medición de la pendiente hidráulica en una corriente 5.2

Figura No. 5.3 Diferencia de nivel entre dos limnímetros 5.3

Capítulo 6

Figura No. 6.1 Ubicación en planta de secciones transversales y poligonales de apoyo 6.3

Figura No. 6.2 Esquema de isóbatas en planta y en 3D 6.5

Capítulo 7

Figura No. 7.1 Esquema de canastilla de tarabita de movimiento horizontal 7.4

Capítulo 10

Figura No. 10.1 Sección transversal calculada con el nivel en cada vertical 10.8

Manual de Procedimientos Hidrométricos Listado de Fotos


LISTADO DE FOTOS

Capítulo 2 Pág.

Foto No. 2.1 Molinete de eje horizontal acoplado a varilla de soporte para aforo por

vadeo 2.6

Foto No. 2.2 Contador de revoluciones 2.6

Foto No. 2.3 Limnímetro Estación Pan de Azúcar, Río Cauca 2.7

Foto No. 2.4 Limnígrafo marca Stevens de larga duración, Estación Suárez, Río Cauca 2.8

Foto No. 2.5 Malacate para operación del molinete y medición de profundidades 2.8

Foto No. 2.6 Aforo desde tarabita, Estación Tablanca, Río Cauca 2.10

Foto No. 2.7 Molinete y lastre acoplados 2.11

Foto No. 2.8 Aforo por vadeo en el Río Jamundí, Valle del Cauca 2.11

Foto No. 2.9 Aforo desde bote estático 2.16

Foto No. 2.10 Aforo mediante vertedero 2.19

Capítulo 3

Foto No. 3.1 Río con niveles y caudales altos 3.1

Foto No. 3.2 Limnímetro Estación La Victoria, Río Cauca 3.2

Foto No. 3.3 Armado del equipo hidrométrico 3.4

Foto No. 3.4 Representación de la línea de aire 3.5

Foto No. 3.5 Medición de la altura de suspensión 3.6

Foto No. 3.6 Transportador para medir ángulo de arrastre 3.7

Foto No. 3.7 Medición del ángulo de arrastre en la Estacón Suárez – Río Cauca 3.9

Foto No. 3.8 Medición del ancho de un río 3.14

Foto No. 3.9 Punto fijo de amarre de la cinta métrica 3.15

Foto No. 3.10 Traslado del equipo hidrométrico 3.16

Foto No. 3.11 Medición de velocidades 3.16

Capítulo 4

Foto No. 4.1 Draga Pettersen 4.6

Foto No. 4.2 Tubo Cilíndrico de Boca Cónica 4.6

Manual de Procedimientos Hidrométricos Listado de Fotos


Foto No. 4.3 Extracción de muestra con la draga Pettersen 4.7

Foto No. 4.4 Identificación de muestras 4.7

Foto No. 4.5 Empaque de muestras 4.7

Foto No. 4.6 Muestreo con draga tipo Pettersen desde puente 4.8

Foto No. 4.7 Muestreo con tubo cilíndrico de boca cónica desde orilla 4.9

Capítulo 6

Foto No. 6.1 Mediciones en zona húmeda con instrumentos topográficos 6.2

Foto No. 6.2 Ubicación de equipos en el bote 6.4

Capítulo 7

Foto No. 7.1 Riesgo debido al tránsito de vehículos en estación de aforo 7.1

Foto No. 7.2 Inspección del río previa a la ejecución de un aforo por vadeo 7.3

Foto No. 7.3 Mecanismo de desplazamiento de una tarabita 7.5

CAPITULO 1

INTRODUCCIÓN

Manual de Procedimientos Hidrométricos Capítulo 1, Introducción

Corporación Autónoma Regional del Valle del Cauca - CVC Universidad del Valle 1.1

1 INTRODUCCIÓN

La hidrometría es la parte de la hidrología que se encarga de tomar y proveer datos relacionados con la distribución espacial y temporal del agua sobre la tierra. Esta información es un insumo fundamental para proyectos de planeamiento y manejo de los recursos hídricos, para los cuales es de vital importancia conocer las variaciones hidráulicas (caudales, niveles, velocidades, etc.) de cada una de las corrientes y cuerpos de agua. La calidad de los análisis hidrológicos depende de la calidad de los datos obtenidos por medio de los procedimientos de medición llevados a cabo en las estaciones hidrométricas y de su procesamiento inicial. Por lo tanto, es necesario normalizar estos procedimientos con el propósito de minimizar los errores que puedan presentarse. La Corporación Autónoma Regional del Valle del Cauca, CVC, viene realizando desde hace más de 40 años programas hidrométricos que han permitido generar una base de datos importante de niveles y caudales de las diferentes corrientes de la región. Considerando que es necesario revisar y actualizar periódicamente los diferentes procedimientos hidrométricos de campo, con el fin de ajustarlos a la normatividad y los estándares de calidad más recientes propuestos por organismos internacionales como la Organización Meteorológica Mundial (OMM) y nacionales como el Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales (IDEAM), se ha elaborado el presente manual. El objetivo fundamental es brindar los conceptos y procedimientos básicos para la realización de aforos líquidos de tal manera que estos se encuentren ajustados a la normatividad nacional e internacional existente. También se incluyen los aspectos básicos de los procedimientos de campo para la medición de otros parámetros tales como el transporte o carga total en suspensión, la batimetría del fondo del cauce y la pendiente hidráulica de un río. El manual está dirigido a personal operativo de campo y oficina encargado de llevar a cabo el procesamiento inicial de la información. Se hace especial énfasis en la determinación del caudal por el método área – velocidad, debido a que es el método comúnmente empleado por el personal de la CVC. El Capítulo 2 de este manual presenta los aspectos generales de las mediciones hidrométricas relacionados con tipos de aforo, selección del sitio para la ubicación de estaciones de medición, tipos de estaciones, equipos de medición, métodos de determinación de velocidades medias y cálculo del caudal, etc. Los procedimientos de campo para la ejecución de los aforos líquidos y el cálculo del caudal por los métodos de suspensión, vadeo, flotadores y estructuras hidráulicas se describen en el Capítulo 3. Los métodos de aforo del transporte total de sedimentos en suspensión, sedimentos de lecho y muestreo del material de fondo se tratan en el Capítulo 4. El Capítulo 5 presenta el procedimiento para la obtención de la pendiente hidráulica de una corriente.

Manual de Procedimientos Hidrométricos Capítulo 1, Introducción


En el Capítulo 6 se indican algunas consideraciones generales sobre la realización de batimetrías. El Capítulo 7 brinda recomendaciones generales relacionadas con los aspectos de seguridad que se deben tener en cuenta cuando se realizan procedimientos hidrométricos. Las recomendaciones generales sobre operación de equipos y procedimientos se hacen en el Capítulo 8. En el Capítulo 9 se hace una descripción de los sectores y secciones transversales de aforo en las estaciones hidrométricas y de las condiciones locales que afectan la medición del caudal. En el Capítulo 10 se presentan sugerencias para ajustar algunos de los procedimientos implementados por CVC a las normas vigentes. Con el propósito de facilitar al lector la comprensión del manual se incluyen anexos que explican algunos conceptos involucrados y se presenta un glosario de términos.

CAPITULO 2

ASPECTOS GENERALES DE LOS PROCEDIMIENTOS HIDROMÉTRICOS

Manual de Procedimientos Hidrométricos Capítulo 2, Generalidades Procedimientos Hidrométricos


2 ASPECTOS GENERALES DE LOS PROCEDIMIENTOS HIDROMETRICOS

La base sobre la cual se apoyan los estudios para el manejo y aprovechamiento de los recursos hídricos son las mediciones de cada una de las variables que involucra el ciclo hidrológico. Cualquiera que sea el método de análisis su precisión se verá limitada por dichas mediciones. Son muchos los factores que pueden originar inexactitudes en una medición hidrométrica; por esto, para la recolección de esta información se requiere del concurso de técnicos capacitados en cada uno de los diferentes procesos y actividades que forman parte del amplio campo de la hidrología, la cual comprende ramas como la hidrometeorología, hidrometría y sedimentología. En cada una de ellas son numerosas las labores que deben ejecutarse para producir, al final, la información hidrométrica veraz, adecuada, confiable y oportuna. La mayor parte de la información hidrológica directa se obtiene en puntos de observación y medición, ubicados en ríos y/o cuerpos de agua, denominados estaciones hidrométricas, el conjunto de estos puntos constituye una red. En las estaciones hidrométricas se toma información del cuerpo de agua relativa a nivel, caudal y sedimentos. Para las mediciones del nivel del agua se utilizan dos tipos de instrumentos: los de lectura directa (mira limnimétrica, limnicontacto y maxímetro) y los registradores continuos (limnígrafos). Para la medición de las velocidades de las corrientes se emplean los correntómetros o molinetes que peden ser de eje vertical u horizontal; en ciertos casos se usan flotadores y trazadores como sales, colorantes y radioisótopos, entre otros. Durante la ejecución de los aforos (líquidos o sólidos) se utilizan diversos equipos y accesorios, como malacates, varillas de vadeo, contadores, escandallos o tocadores de fondo, muestreadores de sedimentos, molinetes, además de los instrumentos específicos de topografía. 2.1 DEFINICION DE AFORO 2.1.1 Aforo Líquido Es un procedimiento que consiste en realizar una serie de mediciones en campo que permiten posteriormente calcular el caudal de una corriente. Este caudal debe estar asociado a un nivel del agua. El caudal puede medirse por diferentes métodos. La elección del método de aforo depende de las condiciones específicas de cada sitio; la mayoría de estos métodos están basados en la medición de la velocidad y el área en una sección transversal determinada. Generalmente se efectúan aforos periódicos para determinar la relación entre el nivel del agua y el caudal en la estación hidrométrica, con estos datos se construye la curva de gastos o curva de calibración nivel de agua – caudal con la cual es posible determinar el flujo cuando sólo se cuenta con el dato de nivel.



Se define el caudal como el volumen de agua que pasa a través de una sección transversal de una corriente en la unidad de tiempo; generalmente se expresa en metros cúbicos por segundo (m3/s) o litros por segundo (l/s). 2.1.2 Aforo Sólido 0El aforo sólido es el procedimiento de campo que permite determinar la cantidad de sedimentos en suspensión, asociados a un caudal líquido, que transporta una corriente en un instante determinado. Los sedimentos son transportados por las corrientes de agua de diferentes maneras. Las partículas granulares que constituyen el sedimento se pueden trasladar por saltos, rodadura, deslizamiento sobre el fondo o cerca de él o pueden ser arrastrados fuera de su lugar y quedar en suspensión. El tipo de movimiento experimentado por las partículas depende de las características físicas (tamaño, forma, peso específico, etc.), de la composición granular del sedimento y de las condiciones de la corriente (velocidad, profundidad, pendiente de las superficies, etc.). Las diferentes fases del transporte de sedimentos ocurren simultáneamente en las corrientes naturales y no hay una separación neta entre ellas. Por conveniencia, el caudal de sedimento se divide en dos categorías: caudal o transporte de sedimentos en suspensión y caudal o transporte de sedimentos de fondo. Este último consiste en el salto, rodamiento o deslizamiento de las partículas en el lecho o cerca de él. Numerosas mediciones de los caudales líquidos y sólidos sirven para la obtención de relaciones entre estas dos variables, de tal manera que se pueda estimar el peso de los sedimentos que por unidad de tiempo puede estar transportando el cuerpo de agua. El caudal sólido se puede expresar en las mismas unidades que el caudal líquido o en unidades de masa por unidad de tiempo: kilogramos por segundo (kg/s), toneladas por mes (ton/mes), toneladas por año (ton/año), etc. 2.2 REQUERIMIENTOS PARA LA SELECCION DE LA SECCION DE AFORO

El sitio seleccionado para efectuar los aforos deberá cumplir, tanto como sea posible, con los siguientes requerimientos: a) El canal en el sitio de medición debe ser recto y tener sección transversal uniforme y una

pendiente que minimice las distribuciones anormales de velocidad.

Nota: cuando la longitud del tramo recto del río es limitada, para hacer las mediciones con molinetes u otros métodos de determinación de velocidad se debe ubicar la sección de tal manera que la longitud aguas arriba sea por lo menos dos veces la de aguas abajo.

b) Las direcciones de flujo para todos los puntos en cualquier vertical a través del ancho del cauce deben ser paralelas unas a otras y perpendiculares a la sección transversal. Los sitios que presenten vórtices, flujo reversible o zonas muertas deben ser rechazados.



c) El lecho y las márgenes del río deben ser estables y bien definidas para todas las condiciones del flujo, de tal manera que se pueda hacer una medición precisa del área de la sección transversal.

d) Las curvas de distribución de velocidades deben ser regulares en los planos verticales y

horizontales de medición. e) Las condiciones de la sección y de su entorno no deben ocasionar cambios en la

distribución de la velocidad durante la medición. f) La sección de medición debe ser claramente visible a través del ancho y no debe presentar

obstrucciones como árboles, plantas acuáticas u otros. Cuando se afora desde un puente con varios estribos que dividen la sección transversal cada subsección del canal debe ser tratada individualmente.

g) La profundidad del agua en la sección debe ser suficiente para proveer una inmersión

efectiva del molinete en cualquier punto en que se mida. h) El sitio debe tener fácil acceso en todo momento y contar con los equipos necesarios de

medición. i) La sección debe estar ubicada lejos de estaciones de bombeo y vertimientos. Si éstos

operan durante las mediciones, probablemente crearán condiciones inconsistentes con la relación natural Nivel – Caudal que se tiene para la estación.

j) Los sitios donde hay convergencia o divergencia de flujo deben descartarse. k) En donde sea necesario hacer mediciones en cercanías de un puente, es preferible que el

sitio de aforo esté ubicado aguas arriba del mismo. l) En ciertas ocasiones es necesario verificar datos haciendo aforos en secciones diferentes a

la seleccionada para la estación. Esto se puede hacer siempre y cuando no haya cambios sustanciales por pérdidas o ganancias de caudal ocasionados por intervenciones y cuando las mediciones se relacionen con los niveles registrados en la sección principal.

Nota: si el sitio ha sido estabilizado para una estación permanente o para ser usado en futuras mediciones, debe estar provisto de medios para demarcación de la sección transversal y para determinación de los niveles, de tal forma que sea fácilmente identificable en otras mediciones y los datos tomados sean comparables con datos anteriores.

2.3 DEMARCACION DE LA SECCION DE AFORO SELECCIONADA

Cuando se ha seleccionado una sección idónea para el aforo y sobre ésta se inicie un programa de medición periódico, bien sea permanente o transitorio, la sección se debe demarcar así:



a) Debe definirse en las dos bancas con marcas claramente visibles y fácilmente identificables la posición de la sección transversal, normal a la dirección de flujo.

b) Los niveles durante la medición deben leerse en una mira (limnímetro), cuyo dátum o cero

debe estar asociado a un sistema de referencia común a nivel nacional o regional (sistema altimétrico del IGAC).

c) Cuando se considere que existen diferencias de nivel de agua que sean importantes entre

las dos bancas del río, debe instalarse una referencia auxiliar en la banca opuesta. Esto toma importancia particular en el caso de ríos muy anchos.

2.4 ESTACIONES HIDROMETRICAS Una estación hidrométrica es un lugar fijo en una sección transversal del río donde se realiza un conjunto de operaciones que permiten determinar el caudal que fluye en un tiempo determinado. Las estaciones hidrométricas se pueden clasificar de acuerdo con: • El tipo de mediciones hidrométricas • El tipo de instrumentación • La frecuencia de operación 2.4.1 Tipo de Medición - Registro de nivel de agua: son aquellas estaciones en las cuales sólo se toman datos de

nivel de agua y no se realizan aforos, por lo tanto no es posible definir una curva de calibración Nivel – Caudal. La frecuencia de medición en ellas depende de las necesidades de información. En el Valle del Cauca se realizan tres lecturas diarias de nivel de agua (6:00, 12:00, 18:00) (ver Anexo No. 1, Formatos para la toma de datos hidrométricos empleados por la CVC).

- Registro de nivel y caudal: en este tipo de estaciones, adicional a la frecuencia de lecturas

diarias de nivel, se realizan mediciones de las descargas asociadas a su respectivo nivel de agua instantáneo. Con estos pares de datos se va construyendo y/o actualizando la relación Nivel – Caudal para la estación.

2.4.2 Tipo de Instrumentación - Manuales: son estaciones en las cuales la medición o lectura la realiza de forma directa la

persona encargada, mediante el respectivo registro en los formatos destinados para ello; la frecuencia de medición está preestablecida, bien sea para datos diarios, horarios, así como, para intervalos de tiempo en el día.



- Automáticas: son estaciones que cuentan con equipos de registro continuo como limnígrafos. Estos son instrumentos que permiten obtener datos del nivel del agua con una frecuencia alta. Este tipo de estaciones se clasifican en dos grupos:

Con registro análogo: en donde los mecanismos que se encargan de transmitir el

nivel del agua desde el pozo de aquietamiento al registrador lo hacen de forma gráfica, es decir, se imprimen en una banda de papel.

Con registro digital: en donde, además de contar con el registro análogo, se tienen

equipos que convierten el nivel transmitido por los mecanismos en una señal digital que puede ser almacenada y en algunos casos transmitida a un centro de control lejos de la estación. Estas se denominan estaciones telemétricas.

2.4.3 Frecuencia de Operación • Anuales: son aquellas estaciones que por su difícil acceso no permiten una frecuencia

mayor de operación; por lo tanto, deben tener equipos especiales que permitan hacer un registro continuo durante un período hidrológico largo.

• Estacionales: son aquellas en las que su operación tiene en cuenta la recolección de

información para un período específico de tiempo, en el cual se considera importante obtener los datos; estos períodos pueden asociarse al registro de caudales extremos (máximos o mínimos).

• Mixtas: son estaciones en las cuales su operación se hace de manera continua y con una

frecuencia específica en la cual se pueden medir datos extremos, bien sea máximos o mínimos, de manera aleatoria y en donde la mayoría de las mediciones corresponde a situaciones promedias.

En el Anexo No. 2 se indican algunas consideraciones generales sobre mantenimiento de estaciones hidrométricas. 2.5 EQUIPOS DE MEDICION Los parámetros básicos a determinar cuando se ejecuta un aforo líquido (exceptuando los métodos de aforo por trazadores y volumétrico) son la profundidad y la velocidad de flujo en las verticales, el nivel del agua y el ancho de la sección transversal. La medición de estas variables se lleva a cabo mediante instrumentos apropiados, los cuales se seleccionan según el método de aforo empleado. A continuación se describen este tipo de instrumentos. 2.5.1 Medidores de la Velocidad del Agua La medición de la velocidad del agua (para los métodos de vadeo y suspensión) se hace utilizando un equipo denominado molinete o correntómetro (Foto No. 2.1). Los molinetes más



empleados son el de cazoletas (con eje vertical) y el de hélice (de eje horizontal). Las revoluciones efectuadas por la hélice del molinete se registran en un contador. Los molinetes se calibran para un rango de velocidades dado. La relación entre la velocidad del flujo y la velocidad del rotor se expresa, por lo general, en revoluciones por segundo (rev/s).

Foto No. 2.1 Molinete de Eje Horizontal acoplado a varilla de soporte para Aforo por Vadeo

2.5.2 Contadores Son equipos que se encargan de registrar el número de revoluciones dadas por la hélice de un molinete en un tiempo determinado cuando se va a calcular velocidad de flujo en una corriente (Foto No. 2.2). El contador por cada giro de la hélice recibe un impulso eléctrico y lo convierte en una señal análoga o digital, permitiendo así establecer el número de revoluciones.

Foto No. 2.2 Contador de revoluciones



2.5.3 Limnímetros El nivel del agua en una estación se registra por medio de una mira o limnímetro (Foto No.2.3), el cual consiste en una regla graduada que permite determinar la observación de las fluctuaciones de los niveles del cuerpo de agua. Se ubica en un punto fijo sobre la sección transversal y permanece en contacto con la corriente. Cuando el talud de la sección transversal es muy tendido (de pendiente muy baja) y el nivel del agua en el cauce puede presentar grandes variaciones se suele instalar una serie de limnímetros, cada uno de los cuales permitirán registrar diferentes rangos de variación de esta variable.

Foto No. 2.3 Limnímetro Estación Pan de Azúcar, Río Cauca 2.5.4 Limnígrafos En lugares en donde el nivel de agua cambia con mucha frecuencia es necesario instalar equipos especiales de registro continuo llamados limnígrafos (Foto No. 2.4) por medio de los cuales es posible obtener datos del nivel del agua en función del tiempo con una alta frecuencia. Estos equipos están compuestos fundamentalmente por 3 dispositivos: el primero corresponde al elemento sensible (flotador y contrapeso o manómetro), el segundo es el sistema que traduce a escala y registra los niveles del agua (eje helicoidal, poleas de escala y sistema inscriptor y de registro), y el tercero, basado en un mecanismo de relojería, alimentado mecánicamente (cuerda) o por medio de baterías (pilas de 6V), que proporciona una escala de tiempo. 2.5.5 Malacates Para la manipulación del conjunto molinete-lastre en los aforos que se realizan por suspensión es necesario contar con un equipo (malacate) que facilite su manejo teniendo en cuenta que éste normalmente es pesado (entre 30 y 75 lb.) (Foto No. 2.5). Los malacates, además de permitir manipular grandes pesos con relativa facilidad, están provistos de mecanismos



especiales (contador) para registrar la longitud desplegada del cable y de esta manera obtener la medición de la altura de suspensión y la profundidad de la corriente.

Foto No. 2.4 Limnígrafo marca Stevens de larga duración, Estación Suárez, Río Cauca

Foto No. 2.5 Malacate para Operación del Molinete y Medición de Profundidades 2.5.6 Equipos para Medición del Ancho El ancho de la sección transversal húmeda se mide utilizando una cinta métrica convencional (cuando las condiciones así lo permiten) o equipos topográficos. En estaciones de medición preestablecidas, el ancho se determina mediante el abscisado existente, el cual se encuentra referenciado o marcado sobre la estructura (bien sea puente o tarabita).



2.5.7 Equipos de Telemetría Los equipos de telemetría consisten de tres elementos: un instrumento de detección sobre el terreno, un medio de comunicación, como el teléfono o enlaces de radiocomunicación, y las estaciones de recepción. El equipo de detección sobre el terreno puede ser un registrador de datos de varios parámetros, con un subsistema de almacenamiento y control. El registrador debe interactuar con otros factores exteriores, como el sistema de suministro de energía eléctrica, el ambiente hidrológico propiamente dicho, la pantalla de visualización de datos y los operadores que dan inicio o ponen en funcionamiento de rutina el equipo. La función de un equipo de medición hidrológica es captar una señal específica del agua y convertirla en un dato adecuado para ser visualizado, registrado o procesado. Por ejemplo, la medición mecánica del nivel del agua por medio de limnígrafos se obtiene con un flotador conectado a una plumilla que marca sobre una banda registradora, mientras que los sistemas microelectrónicos generan una señal eléctrica indispensable para la transmisión telemétrica. En algunos modelos de estaciones telemétricas se ha previsto una comunicación bidireccional entre una estación hidrológica a distancia y una estación central de recepción. En otros modelos el sistema sólo acepta una comunicación unidireccional desde la estación a distancia hasta la estación central de recepción. En el primer caso, la estación se interroga y se le ordena transmitir los datos. En el segundo caso, la estación inicia una transmisión después de un tiempo determinado o cuando el dato hidrológico excede una condición límite (caso CVC). Se puede controlar la transmisión de manera que se produzca a intervalos fijos o aleatorios. Las estaciones de CVC envían información por vía satelital cada 4 horas al centro de control. En la actualidad, los registradores automáticos de datos de varios parámetros son pequeños y ligeros en comparación con los instrumentos tradicionales de recopilación de datos hidrológicos. Gracias a su tamaño reducido y a las bajas exigencias de potencia eléctrica con frecuencia funcionan con baterías y se pueden instalar en pequeñas casetas protegidas de la intemperie. Muchos de ellos tienen una pantalla, lo que permite en las visitas de técnicos o hidrólogos evaluar el estado de funcionamiento y revisar la calidad de los datos recopilados. 2.6 TIPOS DE AFORO

Existen diferentes tipos de aforo, cuya elección se realiza teniendo en cuenta las condiciones específicas de la corriente, la precisión requerida en la medición, la disponibilidad de recursos (equipos, personal, insumos (trazadores), transporte). Entre ellos se pueden mencionar: • Aforo por suspensión • Aforo por vadeo • Aforo por flotadores • Aforo volumétrico • Aforo por el método de dilución • Aforo con bote en movimiento • Aforo desde bote estático



• Aforo mediante estructuras hidráulicas (vertederos y canaletas) 2.6.1 Aforo por Suspensión El aforo por suspensión se realiza desde una estructura (generalmente un puente o una tarabita), sobre la cual se hace la medición de profundidades y velocidades de flujo en cada una de las verticales seleccionadas (Foto No. 2.6). La medición de la velocidad del agua se hace utilizando un molinete o correntómetro.

Foto No.2.6 Aforo desde tarabita, Estación Tablanca, Río Cauca El aforo por suspensión se realiza cuando: • La corriente a aforar es de magnitud considerable, de manera que no es posible aplicar el

método de vadeo. • Se dispone de un puente (o tarabita) en el cual la sección transversal cumple con las

condiciones técnicas requeridas para la realización del aforo. En el método de aforo por suspensión el equipo hidrométrico se suspende generalmente de un cable, el cual está acoplado a un malacate que permite medir la profundidad con ayuda de un contador. El equipo requerido para llevar a cabo un aforo por suspensión es el siguiente: malacate y tabla con polea, molinete completo incluido cola estabilizadora (Foto No. 2.7), contador, formato para registro de datos de campo, lastres de 30, 60 y 75 lb. Este tipo de aforo requiere de dos personas (ver Capítulo No. 3).



En algunos casos, dependiendo de las condiciones de velocidad de la corriente, es necesario hacer correcciones (por ángulo de arrastre) a la profundidad medida. Este tema se tratará más adelante en el Capítulo No. 3.

Foto No. 2.7 Molinete y Lastre Acoplados 2.6.2 Aforo por Vadeo Se emplea cuando la corriente es poco profunda, pequeña y de fondo resistente. Al igual que en el método de aforo por suspensión, es necesario tener un abscisado que permita determinar la posición de las verticales sobre las cuales se hace la medición de profundidades y velocidades de flujo. Para medir estos parámetros, el técnico entra al río con el equipo de medición, toma como referencia una cuerda abscisada o una cinta métrica y efectúa las mediciones (Foto No. 2.8).

Foto No. 2.8 Aforo por vadeo en el Río Jamundí, Valle del Cauca



El equipo requerido para ejecutar un aforo por vadeo consta de: cinta métrica, varillas de vadeo, contador, molinete, formato para registro de datos en campo. Se requieren dos técnicos aforadores (ver Capítulo No. 3). 2.6.3 Aforo por Flotadores Este método de aforo comúnmente se utiliza cuando es difícil o peligroso implementar el método de aforo por molinete o cuando la corriente es muy pequeña y no brinda las condiciones mínimas para la inmersión del mismo. Cuando esto ocurre, es necesario realizar el aforo por medio de flotadores para medir la velocidad superficial del flujo. En general se puede utilizar cualquier elemento natural que esté en condiciones de flotar. Este método se aplica en corrientes medianas y pequeñas en un tramo que tenga forma recta, y del cual se conozca su longitud (se recomiendan distancias mayores o iguales a 30 m). Debe usarse la mayor cantidad de flotadores posible, que cubran todo el ancho del río en franjas proporcionales. El equipo necesario para realizar un aforo de este tipo es el siguiente: flotadores, cinta métrica, cronómetro, formato para registro de datos de campo, radios portátiles. Se requieren dos técnicos (ver Capítulo No. 3). 2.6.4 Aforo Volumétrico La medida volumétrica del caudal se aplica solamente a las corrientes muy pequeñas, siendo éste el método más exacto para medirlas. Se determina el tiempo requerido para llenar un recipiente de capacidad conocida o el tiempo necesario para llenar parcialmente un recipiente calibrado a un volumen determinado. Las medidas volumétricas se recomiendan en casos en los cuales se concentra el flujo en una corriente estrecha, o donde éste se puede direccionar para captarlo en un recipiente. La medida se efectúa tres o cuatro veces tratando de minimizar el error comparando los datos obtenidos (los resultados deben ser constantes). El aforo volumétrico se aplica bajo circunstancias especiales en las cuales no es posible emplear otros métodos; por ejemplo, cuando el tirante es muy pequeño y no hay molinete que pueda utilizarse o cuando la velocidad es muy baja. El procedimiento consiste en captar una cantidad de agua en un recipiente durante un tiempo determinado. Luego se mide el volumen recogido y se divide su valor entre la magnitud del tiempo empleado para recogerlo. El equipo requerido para ejecutar un aforo volumétrico es: canaleta, balde aforado en litros (l), cronómetro, formato para registro de datos de campo. Son necesarias dos personas, una para captar el agua en el balde y la otra para contabilizar el tiempo que tarda éste en llenarse.



2.6.5 Aforo por el Método de Dilución La existencia de corrientes con características especiales, 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) en cuyo caso se aplica el método de aforo por dilución (el método puede emplearse también en ríos con características normales cuando se quiere determinar el caudal con una mayor precisión que la que ofrecen los métodos convencionales). Los aforos con trazadores o aforos químicos permiten calcular el caudal a partir de la variación de la concentración de una sustancia que es inyectada en el cauce. El procedimiento consiste en realizar aguas abajo, a una distancia lo suficientemente lejos del sitio de inyección del trazador, mediciones de la concentración y muestreos que permitan calcular el caudal; sin embargo existen equipos con los cuales es posible hacer la medición en campo. En todo este procedimiento no se requiere conocer el área de la sección transversal de medición. Puede definirse como trazador a toda sustancia que incorporada a un proceso físico o químico permite estudiar su comportamiento y evolución a lo largo de un tramo de la corriente. Entre los trazadores más empleados pueden citarse los sólidos en suspensión, los trazadores químicos solubles en el agua, los colorantes y los elementos radioactivos. La medición del caudal mediante este método está basada en la determinación del grado de dilución en el agua del río de una solución trazadora. Para las mediciones del caudal se pueden emplear principalmente dos métodos en los que intervengan sustancias trazadoras; el primero basado en la inyección de la sustancia a un ritmo constante y el segundo, aquel en que la solución se vierte en forma instantánea. El equipo requerido para ejecutar un aforo por el método de dilución es: trazador, conductímetro, cronómetro, cinta métrica, probetas, baldes graduados, frascos de 100 cm3, agua destilada, radios portátiles, formato para registro de datos de campo. Esta metodología es considerada una de las más adecuadas. Sin embargo puede suceder que su ejecución sea difícil debido a la excesiva velocidad del agua o a la presencia de cuerpos extraños que pongan en peligro la integridad física de los aforadores o la seguridad del equipo hidrométrico empleado. 2.6.6 Aforo con Bote en Movimiento Frecuentemente, en ríos muy anchos y caudalosos, la aplicación de los métodos convencionales de aforo no es posible debido a que no existe la infraestructura necesaria (puentes o tarabitas). El fundamento del método de aforo con bote en movimiento es el mismo del procedimiento habitual de los aforos convencionales y se basa en la determinación de áreas parciales de subsecciones y las velocidades del agua para cada una de ellas. La diferencia radica en la manera de tomar los datos, el aforador con su molinete viaja en un bote que se traslada de una orilla a la opuesta en forma continua y a una velocidad constante (ver Figura No. 2.1).



Figura No. 2.1 Representación aforo por Bote en Movimiento 32 Para la ejecución de este método se debe contar con el siguiente equipo: un molinete direccional el cual registra la velocidad combinada del bote y del río, una ecosonda que mide las profundidades de la sección transversal, equipos de posicionamiento como GPS que indican la trayectoria perpendicular al flujo que debe seguir la embarcación, bote con motor fuera de borda, contador, soporte para fijación del molinete, batería de 12 V, formato para registro de datos de campo, cronómetro. La velocidad observada, vtot obtenida a partir del número de revoluciones dadas por el molinete es el vector resultante de la velocidad del bote con relación al fondo del canal, v y la velocidad u perpendicular a la sección transversal en el punto de muestreo (ver Figura No. 2.2). La velocidad de flujo u requerida para la determinación del caudal se puede calcular de las mediciones de vtot y α, usando la ecuación: αsenvu tot= (2.1)

Figura No. 2.2 Representación de velocidades

Si la distancia entre puntos de observación no se determina con relación al punto de referencia en la banca, esta se puede calcular por medio de la ecuación:

Bote

Inicio Final

α μ

vtot



∫= dtvL tot αcos (2.2) Generalmente, la distancia entre dos puntos de observación se toma constante. Puede ser que la sumatoria de las distancias entre varios puntos de observación sea diferente al ancho real de sección transversal. Por lo tanto para el cálculo del caudal es necesario introducir un factor KB definido por medio de la ecuación:

calculadoAncho

realAnchoKB = (2.3)

Se debe introducir una corrección ya que la velocidad del flujo, la cual se mide en un punto a profundidad constante, no representa la velocidad media en las verticales muestreadas. Idealmente, cada velocidad, u determinada debe multiplicarse por un coeficiente para ajustarla a la velocidad media en esa vertical. En vez de esto se emplea un factor Ku que puede calcularse determinando la velocidad media en unas verticales seleccionadas por métodos convencionales y comparando este valor con las velocidades medidas en puntos a profundidad constante. Por definición:

∑=

=n

i i

iu u

un

K1

1 (2.4)

donde:

iu = velocidad promedia en las n verticales (m/s) iu = velocidad de flujo observada en n verticales de profundidad constante (m/s)

Cuando no se dispone de equipos GPS se pueden utilizar banderolas de colores vivos para indicar la dirección perpendicular al flujo que debe seguir el bote y un compás especial o giro que determine su posicionamiento con respecto a la orilla. Generalmente se realizan alrededor de 6 travesías en direcciones opuestas y se hace el promedio para obtener el caudal. El caudal se calcula de manera similar al método convencional de área – velocidad, es decir se suman los productos de las áreas de los segmentos y las velocidades medias (ver ecuación No. 2.5).

∑= iiiuB LhuKKQ (2.5)

donde: Q = caudal total (m3/s) hi = profundidad de flujo en la vertical i (m) En ríos grandes, el coeficiente Ku es generalmente uniforme a través de la sección. Las mediciones efectuadas en varios ríos han mostrado que Ku varía entre 0.90 y 0.95.



2.6.7 Aforo desde Bote Estático Este tipo de aforo es muy similar al que se realiza con bote en movimiento, excepto que éste se mantiene fijo en una vertical en la corriente mientras se realizan las mediciones de profundidad y velocidad (Foto No. 2.9). La seguridad del personal es un factor limitante para el uso de lanchas en corrientes que presentan altas velocidades de flujo.

Foto No. 2.9 Aforo desde Bote Estático. Fuente: Manual of Standard Operating, 1998 Se pueden utilizar cables de referencia anclados firmemente entre las dos orillas y sobre los cuales se puede trasladar el bote el cual está equipado con mecanismos de freno para mantenerlo quieto al momento de hacer la medición. Si existe trafico de otras embarcaciones en el río, un auxiliar debe estar atento para dar las instrucciones respectivas. Cuando no se utilizan cables de referencia el bote se puede mantener en el plano de la sección transversal alineándose con banderas colocadas en cada extremo de la misma. Con las banderas ubicadas en una de las bancas es suficiente, aunque es mejor tenerlas en ambas. La posición del bote en la sección transversal se puede determinar utilizando un teodolito midiendo ángulos rectos entre una bandera colocada en la orilla y una barra guía sostenida en el bote (Figura No. 2.3). Otro método para determinar la posición de la embarcación es colocando el teodolito en una banca a una distancia conveniente y en ángulo recto a la línea de la sección transversal (Figura No. 2.4). Un tercer método para determinar la posición se hace leyendo el ángulo con un sextante desde la embarcación. Se posiciona una bandera en línea con la sección transversal y otra a una distancia conocida perpendicular a la anterior. La posición se puede calcular midiendo con un sextante o con un tránsito el ángulo ß formado entre la línea que une esta última bandera con el bote y la línea que une las dos banderas (ver figura No. 2.4) A menos que sea conveniente el anclaje con cables, el motor puede mantener estática la lancha mientras se realizan las mediciones de profundidades y velocidades.



Figura No. 2.3 Determinación de la posición del bote en la Sección Transversal, método de la Estadía

Figura No. 2.4 Determinación de la posición del bote en la Sección Transversal, Método

Angular Si la profundidad máxima en la sección transversal es menor de 3 m y la velocidad lo permite, se puede usar una barra para medir la profundidad y sostener el molinete. Para profundidades mayores se usa un cable de suspensión con un carrete y un lastre. Las mediciones desde bote estático no se recomiendan para velocidades de flujo menores de 0.3 m/s (≈ 1 pie/s), donde el bote está sujeto a la acción de las ondas en la corriente y el movimiento de subida y bajada afecta seriamente las mediciones de velocidad. 2.6.8 Aforo Mediante Estructuras Hidráulicas En algunos casos de corrientes pequeñas es posible realizar el aforo utilizando un control artificial (canaletas y vertederos) de tal manera que el caudal se pueda determinar directamente

Barra guía

Teodolito

Sextante

A B C D

Tránsito

E β



con la lectura del nivel en la estructura la cual ha sido precalibrada y por lo tanto cuenta con una ecuación para realizar el cálculo. Existe una variedad de vertederos y canaletas que poseen una relación Nivel – Caudal bien establecida. Sin embargo, sólo en condiciones favorables del terreno se pueden utilizar con exactitud. En lo posible los vertederos y las canaletas deben ser calibrados previamente en un laboratorio de hidráulica, es decir, la relación nivel – Caudal debe determinarse mediante ensayos en laboratorio. Cuando se realizan aforos con estructuras se debe controlar cuidadosamente su construcción, de tal manera que se cumplan las condiciones físicas para la implementación de una fórmula de cálculo para el caudal en función del nivel leído. En condiciones menos favorables, es necesaria una calibración sobre el terreno para establecer la importancia de las desviaciones con respecto a la fórmula normalizada o para determinar la función que relaciona el nivel con el caudal. Por consiguiente, es muy importante medir periódicamente el caudal por otros métodos con el propósito de detectar posibles variaciones. Los vertederos y las canaletas pueden ser de flujo libre o sumergido. En el primer caso, el caudal es función de la altura del nivel de aguas arriba de la estructura y se pueden realizar calibraciones de exactitud. En el segundo caso, el caudal es función de los niveles aguas arriba y aguas debajo de la estructura, por lo que las calibraciones efectuadas en el laboratorio son menos exactas. En muchos sitios, los vertederos y las canaletas se usan solamente para medir los caudales más bajos (caudales de estiaje); para los caudales altos, la relación Nivel – Caudal se determina por métodos directos. 2.6.8.1 Aforo Mediante Vertedero El vertedero se usa cuando las profundidades y las velocidades del flujo son muy bajas de tal manera que no es posible aforar utilizando molinetes (Foto No.2.10). Es conveniente emplear un vertedero de cresta aguda en forma de V con ángulo de 90° cuando se requiere medir caudales bajos dada su gran sensibilidad y precisión. El vertedero se hace de láminas de hierro galvanizado o cualquier otro material que asegure su durabilidad. Para instalar el vertedero, la lámina se empuja en el fondo del canal. Se puede utilizar una pala para quitar las piedras o las rocas que impiden su penetración uniforme. Generalmente se utiliza un nivel de mano para asegurar que la parte superior de la placa sea horizontal y que las caras sean verticales. La carga o altura de agua que pasa sobre la cresta del vertedero debe medirse a una distancia aguas arriba tal que no sea afectada por la depresión de la superficie del agua que se produce al aproximarse a la cresta. Esto se consigue haciendo las mediciones del nivel del agua a una distancia de por lo menos seis veces la carga (altura) máxima a la que puede llegar el vertedero. La forma más conveniente de realizar las mediciones es clavando una estaca en el fondo del canal o acequia aguas arriba del vertedero sobre la cual se fija una reglilla graduada en



centímetros, procurando que su origen (el cero de la reglilla), quede a la altura de la cresta del vertedero. Si el cero de la reglilla no coincide con el nivel del vértice de la cresta del vertedero se deberá determinar la altura de dicho vértice. La carga sobre el vertedero será igual a la diferencia de niveles entre la superficie libre del agua en el sitio de la reglilla y el vértice del vertedero.

Foto No. 2.10 Aforo Mediante Vertedero. Fuente: Manual of Standard Operating, 1998 Existen diferentes tipos de vertederos siendo los más comunes el triangular y el rectangular. El vertedero rectangular es uno de los más sencillos para construir y por este motivo, se emplea con mucha frecuencia. La precisión de la lectura que ofrece está determinada por su nivel de error, que fluctúa entre 3 y 5%. Dentro de los vertederos triangulares, el más comúnmente utilizado es el que tiene 90° en su vértice inferior, o sea, la escotadura forma un ángulo recto. Este tipo de vertederos es bastante eficiente, pero presenta una gran pérdida de carga, motivo por el cual se recomienda especialmente para caudales pequeños (menores de 110 l/s), ya que para estos caudales su precisión es mayor que la de otros tipos de vertederos. Otro tipo de vertedero es el que tiene forma trapezoidal en su abertura, el cual también es conocido como vertedero Cipolletti. Esta estructura requiere que el talud de sus lados sea 1:4. Este vertedero es de construcción más compleja que los otros dos y no ofrece ventajas significativas que lo hagan destacar, razón por la que es menos usado que los anteriores. En la Figura No.2.5 se observa un esquema de los tipos de vertederos descritos.

2.6.8.2 Aforo Mediante Canaletas Las canaletas portátiles son otro tipo de dispositivos que comúnmente se utilizan para determinar el caudal cuando las profundidades y las velocidades del flujo son demasiado bajas para realizar mediciones con molinete. Existen diferentes tipos de canaletas como la Parshall (Figura No. 2.6). En general, una canaleta consta de las siguientes secciones:



Figura No. 2.5 Tipos de Vertederos

90°

h

a) Vertedero triangular

c) Vertedero rectangular

L

H

P >0.05m

B

b) Vertedero Cipolletti

L

H

1

4



• Sección de entrada (aguas arriba) • Sección convergente • Sección de contracción o cuello • Sección divergente o de expansión (aguas abajo)

Figura No. 2.6 Planta y Sección Longitudinal de una Canaleta Parshall

2.7 PARAMETROS BASICOS DE LA SECCION TRANSVERSAL DE AFORO 2.7.1 Número de Verticales La exactitud de las mediciones del caudal depende en gran parte del número de verticales en que se hagan observaciones de la profundidad y la velocidad. Las verticales de observación deben localizarse de modo que se puedan definir adecuadamente los cambios del lecho de la corriente y la variación horizontal de la velocidad. En general, el espacio entre dos verticales sucesivas no debe superar 1/20 del ancho total y el caudal entre ellas no deberá ser mayor al 10 % del caudal total. “El ancho del cauce y la distancia entre las verticales deben ser obtenidos por mediciones hechas a partir de un punto fijo de referencia (generalmente un punto inicial en la margen), que deberá hallarse en el mismo plano de la sección transversal. Normalmente la distancia entre las verticales se determina con la ayuda de una cinta métrica o de una cuerda que se

Garganta

Sección Convergente

SecciónDivergente

PLANTA

SECCIÓN LONGITUDINAL



tiende provisionalmente a través del cauce o de marcas semipermanentes pintadas en el pasamanos de un puente o en un cable de suspensión” (OMM, 1994). La división de la sección en verticales de medición comienza siempre en un punto fijo de origen establecido de manera definitiva para todos los aforos que se realicen sobre la sección transversal. En lo posible se utilizan siempre las mismas verticales de medición para hacer comparables unos aforos con otros. Considerando un número n de verticales que pueden ser definidas para propósitos de medición del flujo en una sección, se puede aplicar el criterio que se indica en el Cuadro No. 2.1.

Cuadro No. 2.1 Número de Verticales en función del ancho del canal

Fuente: Norma ISO 748 Generalmente las verticales de medición son equidistantes, pero en determinadas circunstancias se definen algunas de ellas más próximas al eje de velocidades máximas, en pilares de puentes y en orillas o márgenes verticales (bancas). 2.7.2 Ancho El ancho de la sección transversal se obtiene mediante la sumatoria de los anchos parciales existentes entre las verticales utilizadas para el aforo, que como se había mencionado anteriormente, pueden obtenerse por medición de la distancia horizontal desde o hasta el punto fijo de referencia el cual debe estar ubicado en el mismo plano de la sección transversal en el sitio de medición. Cuando el canal es demasiado ancho para aplicar métodos convencionales de medición, la distancia horizontal se puede determinar por distanciómetros ópticos, electrónicos o por métodos planimétricos. 2.7.3 Profundidad La profundidad total es la distancia en metros que existe en cada una de las verticales de medición entre la superficie y el lecho de la corriente. Cuando se trata de aforos líquidos las profundidades del lecho y de medición de velocidades se toman desde la superficie libre del

Ancho del canal (m) No. de verticales 0 – 0.5 3 a 4 0.5 – 1 4 a 5 1 – 3 5 a 8 3 – 5 8 a 10 5 – 10 10 a 20

Mas de 10 20 o más



agua hacia el fondo. Cuando la medición se realiza por vadeo, se puede determinar directamente la profundidad con una varilla graduada colocada en el lecho de la corriente. Si se utiliza para la medición el sistema de malacate y molinete, el equipo se hace descender hasta que el eje de la hélice quede rozando con la superficie libre del agua y a partir de allí se hace la medición. 2.8 VELOCIDAD MEDIA EN LA VERTICAL La velocidad media del agua en cada vertical se puede determinar mediante alguno de los siguientes métodos: a) Método de distribución de velocidad b) Método de puntos reducidos c) Método de integración d) Método de un punto superficial La selección del método apropiado de medición de la velocidad depende del tiempo disponible para el aforo, el ancho de la sección, la profundidad del agua, las condiciones del lecho, las variaciones del nivel del agua y la exactitud requerida. 2.8.1 Método de Distribución de Velocidad “Los valores de la velocidad se obtienen de observaciones en un número de puntos en cada vertical entre la superficie libre del agua y el fondo del canal. El número y espaciamiento entre puntos debe seleccionarse según la distribución de velocidad en cada vertical, la diferencia de lecturas entre dos puntos adyacentes no debe ser mayor al 20% con respecto al valor mayor”(ISO 1088, 1985). “El método no es conveniente para mediciones rutinarias de caudal por que el aumento aparente en la precisión se puede perder por errores ocasionados por las variaciones del nivel del agua durante los largos períodos de tiempo que son necesarios para hacer este tipo de aforo” (ISO 748 ,1997). 2.8.2 Método de Puntos Reducidos 2.8.2.1 Método de Un Punto

La velocidad se debe medir en cada vertical colocando el molinete al 60% de la profundidad a partir de la superficie libre del agua. El valor observado se considera como la velocidad media en la vertical. El método de un punto se usa en aguas someras o poco profundas (profundidades menores a 60 cm).

2.8.2.2 Método de Dos Puntos Las observaciones de velocidad se deben hacer en cada vertical colocando el molinete al 20% y 80% de la profundidad del agua a partir de la superficie libre del agua. El promedio de los



dos valores puede considerarse como la velocidad media en la vertical. El método de dos puntos se emplea cuando la distribución de velocidades es regular y la profundidad del agua es superior a 60 cm. 2.8.2.3 Método de Tres Puntos La velocidad se mide colocando el molinete en cada vertical al 20%, 60% y 80% de la profundidad a partir de la superficie libre del agua. El promedio de los tres valores puede ser considerado como la velocidad media en la vertical. El método de tres puntos debe utilizarse para mediciones en canales cubiertos por vegetación acuática. 2.8.2.4 Método de Cinco Puntos El método de cinco puntos puede utilizarse cuando el río está libre de vegetación acuática. Consiste en medir la velocidad en cada vertical al 20%, 60% y 80% de la profundidad a partir de la superficie y tan cerca como sea posible de la superficie (vsuperficie) y del lecho (vlecho). La velocidad media podrá determinarse del gráfico que represente el perfil de velocidades como se hace en el método de distribución de velocidades o a partir de la ecuación No. 2.6:

( )lechoerficiemedia vvvvvV ++++= 8.06.02.0sup 2331.0 (2.6) El método de cinco puntos se utiliza cuando la distribución vertical de la velocidad es muy irregular. 2.8.2.5 Método de Seis Puntos Este método se puede utilizar en condiciones difíciles, cuando por ejemplo hay vegetación acuática. La velocidad se mide colocando el molinete en cada vertical al 20%, 40% 60% y 80% de la profundidad a partir de la superficie libre del agua y tan cerca como sea posible de la superficie y del lecho. Los valores de la velocidad se trazan en un gráfico y la velocidad media se determina como se hace en el método de distribución de velocidad o mediante la ecuación No. 2.7:

( )lecho8.06.04.02.0erficiesupmedia vv2v2v2v2v1.0V +++++= (2.7) La exactitud de un método en particular debe determinarse al medir, si es posible, la velocidad en 6 a 10 puntos en cada vertical para las primeras mediciones del caudal efectuadas en un nuevo sitio. 2.8.3 Método de Integración En este método el molinete se baja y se sube a través de toda la profundidad en cada vertical a una velocidad uniforme. La velocidad a la que se sube o se baja el molinete no debe ser



superior al 5% de la velocidad media del flujo y en ningún momento debe ser superior a 0.04 m/s. Se deben realizar dos ciclos completos de medición en cada vertical y si los resultados obtenidos difieren en más del 10%, la operación (dos ciclos completos) debe repetirse hasta que los resultados obtenidos estén dentro de este límite. El método de integración arroja buenos resultados si el tiempo de medición es suficiente (60 a 100 seg). Esta técnica generalmente no se usa para corrientes con profundidades menores de 1 m. Con un molinete de hélices, la velocidad promedio se puede leer de la tabla de calibración del instrumento según el número promedio de revoluciones (siendo calculada como el número total de revoluciones dividido por el tiempo total empleado en la medición en la vertical). Se deben evitar las incertidumbres introducidas por el uso de molinetes que poseen más de una ecuación. Cuando se usa una barra de sondeo o un lastre en cualquiera de los tipos de aforo no será posible medir la velocidad cerca de la superficie y del fondo del canal. Una estimación del caudal por unidad de ancho para esta zona se puede obtener de la ecuación No. 2.8:

32 fm

u

hVq

×= (2.8)

Donde: qu = caudal por unidad de ancho sobre la zona de medición (m3/s) vm = velocidad media para la parte medida de la vertical (m/s) hf = profundidad de la zona no medida (m) De manera similar, el caudal por unidad de ancho para la zona no medida cercana a la superficie se obtiene de la ecuación No. 2.9:

9.02 sm

shV

q×

= (2.9)

Donde: qs = caudal por unidad de ancho sobre la zona no medida (m3/s*m) hs = profundidad de la zona no medida (m) En la medida de lo posible, los equipos de medición se deben seleccionar adecuadamente para disminuir la profundidad de las zonas no medidas. 2.8.4 Método de un Punto Superficial En condiciones especiales donde no es posible aplicar los otros métodos, la profundidad del molinete para la medición de la velocidad puede ser uniforme en todas las verticales, asegurándose de que las observaciones no sean afectadas por olas producidas por el viento. La



velocidad superficial se puede transformar en velocidad media en la vertical multiplicándola por un coeficiente determinado específicamente para la sección y el caudal. El coeficiente se puede calcular para las estaciones correlacionando la velocidad superficial con la velocidad al 60% de la profundidad o, donde se requiera una mayor precisión con la velocidad media obtenida por algún otro método. Si lo anterior no es posible de realizar, como guía general puede considerarse que el coeficiente varía entre 0.84 y 0.90, dependiendo de la forma del perfil de velocidades. Valores entre 0.88 y 0.90 se obtienen cuando la rugosidad del lecho del río es baja. Nota: el empleo de molinetes cerca de la superficie libre del agua, o del lecho del río debe estar de acuerdo con las instrucciones de uso de los equipos dadas por los fabricantes. 2.8.5 Fuentes de Error en la Determinación de la Velocidad Media Cuando se miden velocidades por cualquiera de los métodos descritos se cometen errores de origen aleatorio o sistemático. Por consiguiente es conveniente determinar un orden de magnitud de este error de tal manera que se pueda estimar la incertidumbre total de la medición. Los errores pueden ser debidos a alguno(s) de los siguientes aspectos: • El flujo es inestable, es decir el nivel de agua cambia apreciablemente durante la medición • El material en suspensión interfiere el molinete, distorsionando el valor de velocidad • La dirección del flujo no es paralela a la hélice del molinete • Se usa un molinete para medir velocidades que se encuentran fuera de su rango de

calibración (en algunos casos se mide con molinetes que poseen dos curvas de calibración, y esta condición no se tiene en cuenta al momento de medir)

• Los equipos para la medición (tales como barras de vadeo o cables de suspensión) son diferentes a los usados durante la calibración del molinete, en cuyo caso se introducen errores sistemáticos

• Es significativa la perturbación de la superficie libre del agua por acción del viento, o cualquier otra causa, cuando se va a medir la velocidad superficial

• El molinete no es sostenido de manera estable en el lugar correcto durante la medición.

CAPITULO 3

PROCEDIMIENTOS DE AFOROS LÍQUIDOS

Manual de Procedimientos Hidrométricos Capítulo 3, Procedimientos de Aforos Líquidos


3 PROCEDIMIENTOS DE AFOROS LIQUIDOS

En el presente capítulo se describen los procedimientos de campo para llevar a cabo aforos líquidos por los métodos de suspensión, vadeo, flotadores y estructuras y la forma como se calcula el caudal para cada uno de ellos. 3.1 AFORO POR SUSPENSION 3.1.1 Ejecución del Aforo El procedimiento recomendado para la ejecución de un aforo por suspensión consta de las siguientes etapas: 1) Inspección de las condiciones generales del río: se observan las condiciones de niveles y

velocidades que presenta la corriente para establecer si es posible llevar a cabo el aforo. Esto obedece a que cuando un río presenta niveles y caudales altos (Foto No. 3.1) arrastra materiales como troncos, plantas, basuras, etc., que pueden poner en riesgo la integridad de los técnicos aforadores y los equipos de medición.

Foto No. 3.1 Río con Niveles y Caudales Altos

2) Registro de datos e información general en el Formato A1: una vez ubicados los técnicos aforadores en la estación hidrométrica deben llenar los datos correspondientes al nombre de la estación, el código, la fecha, el nombre de los técnicos, la hora inicial (en formato sinóptico), la marca del molinete, el número de serie, el número de hélice empleada y su ecuación y el método de aforo utilizado. El Formato A1 se puede observar en el Anexo No. 1. Nota: la hora sinóptica está en escala de 0 a 24 horas. Por ejemplo, las 7:00 AM corresponde a las 7:00 en hora sinóptica, las 3:00 PM corresponde a las 15:00 en hora sinóptica.



3) Lectura del nivel del agua en la mira: luego de consignar los datos generales de la estación y el equipo de medición, la comisión de aforo debe leer la mira o limnímetro (Foto No. 3.2) para establecer el nivel de agua inicial que presenta el río. El dato de nivel del agua se registra en el Formato A1 en el campo denominado m.ppal inicial. Si se presentan variaciones importantes del nivel durante la ejecución del aforo, se debe leer la mira cada vez que se realiza la medición en una vertical. Este dato se anota en el Formato A1 en la columna NA (nivel del agua).

Foto No. 3.2 Limnímetro Estación La Victoria, Río Cauca

4) Armado del equipo hidrométrico: se debe ensamblar correctamente el equipo hidrométrico (Foto No. 3.3), que consta básicamente de malacate, molinete y contador. Para ello es necesario tener en cuenta las especificaciones técnicas de estos aparatos, las cuales se encuentran consignadas en los catálogos. Una vez ensamblado el conjunto hidrométrico se verifica que funcione adecuadamente; la hélice del molinete debe hacerse girar para asegurar que no está frenada ni presenta otro tipo de problemas, debe ensayarse el funcionamiento del contador comprobando que exista continuidad y que las condiciones iniciales del tiempo de medición sean las que se han determinado para el aforo.

5) Selección de la pesa o lastre a utilizar: dependiendo de las condiciones que presente la

corriente al momento de realizar el aforo, es posible que se requiera utilizar un lastre o pesa para minimizar el ángulo de arrastre producido por el empuje del agua sobre el equipo hidrométrico. El peso del lastre depende principalmente de la velocidad de la corriente. No existe un criterio que establezca la magnitud del peso a emplear, por tanto, este parámetro es definido por los técnicos aforadores con base en su experiencia o por medio de ensayos repetitivos hasta encontrar el peso adecuado.

6) Medición de la línea de aire: la constante de la línea de aire corresponde a la distancia que

hay entre la base de la pesa o lastre y el eje de la hélice del molinete (Foto No. 3.4). Este valor se mide utilizando una cinta métrica y debe tenerse en cuenta para el cálculo del valor de profundidad de aforo.



Foto No. 3.3 Armado del equipo hidrométrico

Foto No. 3.4 Representación de la Línea de Aire

7) Determinación de la abscisa del punto de intersección del nivel del agua con la banca o

margen donde se inicia el aforo: la abscisa en la que se sitúa el nivel del agua corresponde a la distancia a la cual se encuentra el punto de intersección de la superficie libre del agua con el contorno de la sección transversal, con respecto a un sistema de referencia preestablecido. Para hallarla se baja el equipo hidrométrico hasta el punto de intersección y se lee sobre la baranda del puente (o cable de la tarabita) la abscisa correspondiente utilizando una cinta métrica. Se toma como referencia la abscisa más cercana (Figura No. 3.1), este valor se escribe en el formato A1 bajo el campo nivel inicial.

Línea de Aire



Figura No. 3.1 Representación de las abscisas en las que se encuentra el Nivel del Agua en las márgenes de un cauce

8) Traslado de equipos: se traslada el equipo hidrométrico a la abscisa siguiente teniendo

cuidado de no afectarlo por golpes y rozamientos. Una vez se ha ubicado éste en la nueva abscisa es importante mantener el eje del cable sobre la marca que la identifica. En la columna correspondiente a distancia desde el punto de referencia (DPR en el Formato A1), se indica la distancia (en metros) existente entre la vertical de medición y el punto de referencia. El aforo se inicia por una orilla (se señala en el formato A1 cual de ellas es) y se termina en la orilla opuesta.

9) Medición de la altura de suspensión: para medir la altura de suspensión, denominada AS en

el formato A1, se coloca en ceros el contador del malacate y se hace descender el equipo hidrométrico hasta que la parte inferior del lastre toque la superficie libre del agua (Foto No. 3.5), se suma el valor de la línea de aire a la longitud medida y su resultado se anota en el Formato A1 en el campo AS. Debe tenerse cuidado en el registro de las abscisas y la altura de suspensión correspondiente a cada una de ellas.

10) Medición de la Longitud del Cable Sumergido desde la Superficie Libre del Agua hasta

el Fondo del Río: Para medir la longitud del cable sumergido, LS, se baja el equipo hidrométrico hasta que el eje de la hélice toque la superficie libre del agua, se coloca en ceros el contador del malacate y se hace descender el lastre hasta que toque el lecho del río, a este valor se suma la línea de aire. Debe tenerse cuidado en esta operación: una vez la pesa toque el fondo de la corriente se enrolla el cable unos 10 cm y vuelve a descenderse hasta que lo toque nuevamente. Esta operación se repite hasta lograr una posición estable del conjunto. El valor obtenido corresponde a la longitud del cable sumergido y se escribe en la columna LS del Formato A1.

135 105 45 60 75 150 120 90

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

Abscisa inicio de aforo

Abscisa finalización de aforo

Abscisa del nivel inicial de agua

Abscisado marcado en la estructura

Abscisa del nivel final de agua



Foto No. 3.5 Medición de la Altura de Suspensión 11) Determinación de la Profundidad de Flujo no Corregida: Si el lastre no pesa lo suficiente

para mantenerse perpendicular a la superficie del agua, el molinete es arrastrado por la corriente. En tal situación el cable se aleja de la posición vertical normal formando un ángulo de inclinación ϕ, denominado ángulo de arrastre (ver Figura No. 3.2). Como consecuencia de esto las mediciones de profundidad del agua deben ser corregidas. La corrección debe aplicarse cuando el ángulo de arrastre es superior a 4°, redondeando el resultado al grado más próximo.

Figura No. 3.2 Relación entre la Profundidad de Flujo Real, PF,

Y la Profundidad no Corregida, PT

PF

PT

AS

AS

C1 *AS ϕ NA

LS

C



Simultáneamente a la medición de la longitud del cable sumergido desde la superficie libre del agua hasta el fondo del río, debe determinarse el ángulo de arrastre φ (se mide con un transportador el ángulo que forma el cable con la vertical, ver Fotos No. 3.6 y 3.7) consignándolo en la columna AA del formato A1. La profundidad de flujo no corregida (denominada PT en el formato A1) se determina restando de la longitud del cable sumergido el producto del factor de corrección C1 por la altura de suspensión AS, tal como se expresa en la ecuación No. 3.1. El factor de corrección C1 se calcula de acuerdo con la expresión consignada en la ecuación No. 3.2 (ver Cuadro No. 3.1).

Foto No. 3.6 Medición del Ángulo de Arrastre en la Estación Suárez, Río Cauca

Foto No. 3.7 Transportador para medir Ángulo de Arrastre

Línea de suspensión del molinete

Plomada de referenciaφ



ASCLSPT *1−= (3.1)

1sec1 −= ϕC (3.2)

donde: C1 = Factor de corrección por ángulo de arrastre (adimensional) φ = Angulo de arrastre (º) PT = Profundidad no corregida (m) LS = Longitud del cable sumergido desde la superficie libre del agua hasta el fondo del río (m) AS = Altura de Suspensión (m)

Cuadro No. 3.1 Factores de Corrección C1 y C2

Ángulo vertical φ

(°) C1 C2

4 0.0024 0.0006 6 0.0055 0.0016 8 0.0098 0.0032

10 0.0154 0.00050 12 0.0223 0.0072 14 0.0306 0.0098 16 0.0403 0.0128 18 0.0515 0.0164 20 0.0642 0.0204 22 0.0785 0.0248 24 0.0946 0.0296 26 0.1126 0.0350 28 0.1326 0.0408 30 0.1547 0.0472

Fuente: ISO 748, 1997. 12) Medición de las velocidades del flujo: Con base en la profundidad de flujo no corregida

medida en la vertical y el método empleado para la determinación de la velocidad se establece el número de puntos en los cuales se debe medir esta variable. Si la profundidad no corregida u observada es superior a 60 cm se emplea el método de los dos puntos (descrito en el numeral 2.8.2.2), en caso contrario se utiliza el método de un punto (descrito en el numeral 2.8.2.1).

De acuerdo al método seleccionado se calcula la profundidad o las profundidades a las que debería medirse la velocidad. Al valor o a los valores calculados se le suma el producto del factor de corrección C1 por la altura de suspensión AS. El resultado o los resultados de esta operación corresponden a las profundidades a las que debe colocarse el molinete para medir las velocidades. Para medir las velocidades se coloca en ceros el contador del malacate cuando el eje de la hélice del molinete coincide con la superficie libre del agua y luego se desciende el equipo a



las profundidades halladas. Se toman las revoluciones del molinete por un tiempo mínimo de 60 s (que se anota en la columna T del Formato A1) (OMM, 1994) y se escriben en la columna REV del Formato A1.

13) Determinación de la Profundidad Real: Debido a la fuerza ejercida por la masa de agua en movimiento el cable sumergido experimenta una curvatura (ver Figura No. 3.2), por lo cual para determinar la profundidad de flujo real, PF, es necesario ajustar la profundidad de flujo no corregida, PT, de acuerdo con las expresiones planteadas en las ecuaciones No. 3.3 y 3.4. Esta corrección se realiza cuando el ángulo de arrastre es superior a 4°.

)1(* 2CPTPF −= (3.3)

)1(*)*( 21 CASCLSPF −−= (3.4) donde : PF = Profundidad de flujo real (m) PT = Profundidad de flujo no corregida (m) C1 = Factor de corrección por ángulo de arrastre (adimensional) C2 = Factor de corrección por curvatura (adimensional) LS = Longitud del cable sumergido desde la superficie libre del agua hasta el fondo del río (m) AS = Altura de Suspensión (m) Los valores de los factores C1 y C2 se indican en el Cuadro No. 3.1. Estos factores están basados en el supuesto de que la fuerza de arrastre ejercida sobre el lastre en la capa de agua relativamente tranquila próxima al fondo puede despreciarse y que la línea de suspensión y de la pesa están diseñados de modo que ofrezcan poca resistencia a la corriente. La incertidumbre de esta estimación es tal que si el ángulo que la línea de suspensión forma con la vertical es mayor a 30° pueden producirse errores importantes y en ese caso se debe emplear un lastre de mayor peso (IDEAM, 1999). Otra forma de determinar el valor de la profundidad de flujo real, PF, consiste en restar de la profundidad de flujo no corregida, PT, el valor de la corrección C (ver Figura No. 3.2), de acuerdo con las ecuaciones No. 3.5 y 3.6. Los valores de C se indican en el Cuadro No. 3.2.

CPTPF −= (3.5)

CASCLSPF −−= )*( 1 (3.6)

A manera de ejemplo se propone calcular el valor de la profundidad de agua real, PF para un aforo realizado en la Estación Suárez (Río Cauca) con base en los siguientes datos de campo: • Método de aforo: área – velocidad, tomando las velocidades al 20% y al 80% de la

profundidad total. • Distancia entre el eje de la hélice del molinete y la base del lastre o valor de la línea de

aire = 0.25 m • Altura de suspensión, AS = 7.75 m



• Ángulo de arrastre , ϕ = 8° • Longitud de cable sumergida LS= 2.62 m

Cuadro No. 3.2 Factor de Corrección, C (m)

Factor de Corrección, C (m)

Angulo de Arrastre φ (º)

8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 1 0.01 0.01 0.01 0.01 0.02 0.02 0.03 0.03 0.04 0.04 0.052 0.01 0.01 0.01 0.02 0.03 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.103 0.01 0.02 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.08 0.09 0.11 0.13 0.154 0.02 0.02 0.03 0.04 0.05 0.07 0.08 0.10 0.12 0.14 0.17 0.195 0.02 0.03 0.04 0.05 0.07 0.08 0.11 0.13 0.15 0.18 0.21 0.246 0.02 0.03 0.04 0.06 0.08 0.10 0.13 0.15 0.18 0.22 0.25 0.297 0.02 0.04 0.05 0.07 0.09 0.12 0.15 0.17 0.21 0.25 0.29 0.348 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.13 0.17 0.20 0.24 0.29 0.34 0.399 0.03 0.05 0.06 0.09 0.12 0.15 0.19 0.23 0.27 0.32 0.38 0.4410 0.03 0.05 0.07 0.10 0.13 0.17 0.21 0.26 0.31 0.36 0.42 0.4811 0.03 0.06 0.08 0.10 0.14 0.18 0.23 0.28 0.34 0.40 0.46 0.5312 0.04 0.06 0.08 0.11 0.16 0.20 0.25 0.31 0.37 0.43 0.50 0.5813 0.04 0.07 0.09 0.12 0.17 0.21 0.27 0.33 0.40 0.47 0.55 0.6314 0.04 0.07 0.10 0.13 0.18 0.23 0.29 0.36 0.43 0.50 0.59 0.6815 0.05 0.08 0.11 0.14 0.20 0.25 0.32 0.38 0.46 0.54 0.63 0.7316 0.05 0.08 0.11 0.15 0.21 0.26 0.34 0.41 0.49 0.58 0.67 0.7817 0.05 0.09 0.12 0.16 0.22 0.28 0.36 0.43 0.52 0.61 0.71 0.8218 0.05 0.09 0.13 0.17 0.23 0.30 0.38 0.46 0.55 0.65 0.76 0.8719 0.06 0.10 0.13 0.18 0.25 0.31 0.40 0.48 0.58 0.68 0.80 0.9220 0.06 0.10 0.14 0.19 0.26 0.33 0.42 0.51 0.61 0.72 0.84 0.97

Fuente IDEAM, 1999

Solución De acuerdo con la ecuación No. 3.5 la profundidad de flujo real es igual a:

)1(*)*( 21 CASCLSPF −−= Los valores de los factores C1 y C2 se obtienen del Cuadro No. 3.1. Al reemplazar valores se tiene que:

[ ] [ ] mmmPF 54.20032.010098.075.762.2 =−×−=

PT (m)



14) Determinación de la abscisa a la que se encuentra el nivel del agua en la margen donde

termina el aforo: se aplica el mismo procedimiento empleado para la determinación de la abscisa correspondiente a la margen donde se inició el aforo. El dato se consigna en el Formato A1, haciendo la anotación respectiva.

15) Lectura de mira una vez ha concluido el aforo: al final del aforo se lee nuevamente la mira para determinar el nivel del agua. El dato se registra en el Formato A1, al igual que la hora correspondiente.

3.1.2 Cálculo del caudal 3.1.2.1 Nivel Constante Si la fluctuación del nivel del agua durante la medición de velocidades es menor al 5% de la profundidad media o es inferior a 5 cm, se debe adoptar el valor promedio del nivel para el cálculo de la descarga. El caudal se calcula utilizando alguno de los siguientes métodos: sección media y semisección. Método de la Sección Media Se considera que la sección transversal está compuesta de un número de franjas, cada una de ellas limitada por dos verticales adyacentes. Si iv es la velocidad media en la vertical i y 1+iv la velocidad media de la vertical adyacente i+1, y si id y 1+id representan las profundidades totales respectivas en las verticales i e i+1 y b es la distancia horizontal existente entre ellas (Figura No. 3.3), entonces el caudal q de la franja será:

bddvvq iiii ×⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ += ++

2211 (3.7)

El caudal en la primera y última franjas de la sección transversal (es decir, en los sectores inmediatos a las bancas) se puede estimar por medio de la ecuación anterior asumiendo que la profundidad y la velocidad en las bancas son iguales a cero.

El caudal total en la sección de aforo se obtiene sumando los caudales parciales en cada una de las franjas así:

∑=

=n

iiqQ

1

; (3.8)

donde n es el número de franjas



Figura No. 3.3 Método de la Sección Media para el cálculo del caudal

Método de la Semisección

Asumiendo una variación lineal del producto de v y d (velocidad media y profundidad en una vertical determinada), el caudal en cada segmento se puede calcular multiplicando v por d y el ancho correspondiente medido a lo largo de la línea superficial del agua, el cual puede tomarse como la suma de los anchos medios existentes entre las verticales adyacentes y la vertical para la cual se ha calculado el producto de estas variables. El valor de vd en los dos anchos medios próximos a las bancas se puede considerar como cero. Por esta razón la primera y última verticales de medición deben tomarse tan próximas a las bancas como sea posible. En la Figura No. 3.4 se ilustra el cálculo del caudal por este método. El cálculo de la descarga se realiza para cada vertical y el caudal total se obtiene sumando las descargas parciales mediante la siguiente ecuación:

21++

= iiii

bbdvQ (3.9)

Una vez se haya elegido el método de cálculo del caudal se realizan las operaciones matemáticas necesarias y se registran los datos obtenidos en el Formato A1. En el Anexo No. 3 se describen algunos métodos gráficos para calcular el caudal, los cuales requieren de una mayor cantidad de información y, generalmente, se aplican cuando se inicia un programa de aforos en una nueva estación hidrométrica.

Vertical i Vertical i+1

2 8 7 6 5 4 3 14 11 10 9 13 12 1 Verticales

di+1

Vi (0.2)

Vi (0.8)

di

Vi+1(0.2)

Vi+1 (0.8)



Figura No. 3.4 Método de la Semisección para el cálculo del caudal

3.1.2.2 Nivel Variable

Si la fluctuación del nivel del agua durante la medición de velocidades es mayor al 5% de la profundidad media o es superior a 5 cm, el caudal y el nivel promedio del agua deben calcularse como se indica a continuación: Para calcular el caudal se grafica el nivel del agua separadamente para cada franja formando una serie de gradas como se muestra en la Figura No. 3.5. De manera alternativa, el nivel se puede representar mediante una curva suave. Luego, se dibuja sobre la línea que indica la superficie del agua una curva cuyas ordenadas corresponden al producto de la velocidad media y la profundidad en las verticales de medición (que corresponden a las abscisas). El área comprendida entre la curva anteriormente dibujada y la línea que indica el nivel del agua representa el caudal total que fluye por la sección transversal. Figura No. 3.5 Cálculo del Caudal y el Nivel Medio del Agua cuando la fluctuación del Nivel

del Agua es superior de 5 cm o menor del 5% de la Profundidad Media

Vertical i

i + 2i + 1i i - 1 i - 2 Verticales

Vi (0.2)

Vi (0.8)

bi bi+1

vd

Δd

di

Nivel medio del agua

Nivel de referencia

zi

vd

z

bi



El nivel medio del agua representativo para el caudal aforado se calcula utilizando las siguientes ecuaciones:

Qzq

z ii∑= (3.10)

iiii vdbq = (3.11) donde

z = nivel medio del agua sobre el nivel de referencia iq = caudal parcial en el segmento i iz = nivel medio del agua correspondiente al caudal parcial iq

Q = caudal total y es igual a la sumatoria de los caudales parciales ∑ iq

ib = ancho en el segmento i

id = profundidad en el segmento i

iv = velocidad media Cuando el nivel del agua varía durante el aforo es importante considerar esta situación para determinar los niveles reales del fondo del cauce; si se calculan los niveles del fondo con base en el nivel medio del agua se obtendrá una sección y niveles del lecho ligeramente diferentes de la sección y niveles reales. En la Figura No. 3.6 se muestra esta situación.

Figura No. 3.6 Nivel de Fondo real y calculado para una Sección Transversal

∆ N

ivel

Nivel real

Nivel promedio

Prof

undi

dad

Sección calculada con el nivel de cada

vertical

Sección calculada con el nivel medio



3.2 AFORO POR VADEO Cuando se afora una corriente por vadeo se debe emplear el siguiente procedimiento: 1) Verificación de las condiciones de la corriente: antes de iniciar el aforo se debe verificar las

condiciones de seguridad que ofrece el río (velocidad de la corriente y profundidad de flujo), de acuerdo con los procedimientos sugeridos en el ítem 7.2 de este manual.

2) Registro de datos e información general en el Formato A1: una vez ubicados los técnicos

aforadores en la estación hidrométrica deben llenar los datos correspondientes al nombre de la estación, el código, la fecha, el nombre de los técnicos, la hora inicial (en formato sinóptico), la marca del molinete, el número de serie, el número de hélice empleada y su ecuación y el método de aforo utilizado.

3) Lectura del nivel del agua en la mira: luego de consignar los datos generales de la estación

y el equipo de medición, la comisión de aforo debe leer la mira para establecer el nivel inicial que presenta el río. El dato obtenido de nivel de agua se registra en el Formato A1 en el campo denominado m.ppal inicial. Si se presentan variaciones importantes del nivel del agua durante la ejecución del aforo se debe leer la mira cada vez que se va a realizar la medición en una vertical. Este dato se escribe en el Formato A1 en la columna NA (nivel de agua).

4) Armado del equipo hidrométrico: el equipo consta básicamente de molinete, varilla de

vadeo (graduada en sistema métrico y con punta de forma conveniente para evitar que se entierre en el lecho y se sobreestime la profundidad) y contador. La varilla se emplea para acoplar en ella el molinete y medir la profundidad. Luego de ensamblar el equipo se verifica que funcione adecuadamente.

5) Determinación del ancho de la corriente: el ancho del río se mide tendiendo una cinta

métrica de orilla a orilla de manera perpendicular a la dirección de flujo (Foto No. 3.8). El dato obtenido se tiene en cuenta para el cálculo del número de verticales a utilizar en el aforo.

O

Foto No. 3.8 Medición del Ancho de un río



6) Cálculo del espaciamiento o distancia entre verticales: cuando no existe una sección de

aforo predeterminada en una corriente se establece el número de verticales de medición por medio del criterio descrito en la sección 2.7.1, procurando que este valor sea fácil de leer en la cinta métrica. El técnico aforador debe elaborar un esquema representativo de la sección transversal, en el cual registre los datos de ancho de la sección transversal y número de verticales empleadas.

7) Tendido de la cinta métrica: la cinta métrica (también puede utilizarse una cuerda graduada

adecuadamente) se tiende y sujeta a dos puntos fijos (Foto No. 3.9), de modo que sea perpendicular en cualquier punto a la dirección de flujo. La cinta debe tener la tensión necesaria para minimizar la catenaria y, además, debe estar situada a una altura que facilite al aforador la determinación de las abscisas correspondientes a cada una de las verticales de medición.

Foto No. 3.9 Punto fijo de amarre de la cinta métrica 8) Determinación de la abscisa del punto de intersección del nivel del agua con la banca o

margen donde se inicia el aforo: se sostiene la varilla junto con el equipo hidrométrico sobre el punto en el cual se intercepta el nivel del agua con el contorno de la sección transversal, de tal modo que se garantice la perpendicularidad del conjunto; se lee el valor de la abscisa correspondiente basándose en la abscisa más cercana. Este valor se escribe en el Formato A1 bajo el campo Nivel Inicial.

9) Traslado de equipos a la abscisa siguiente: se posiciona el aforador con el equipo

hidrométrico en la abscisa siguiente (Foto No. 3.10). 10) Medición de la profundidad de flujo: para medir la profundidad de flujo en una vertical se

desciende la varilla junto con el equipo hidrométrico hasta que toque el lecho de la corriente procurando que el conjunto permanezca siempre en una posición tal que sea perpendicular al fondo. Se debe tener la precaución de evitar que la varilla se hunda y por tanto se produzcan errores en la medición. Luego, se escribe este valor en el formato A1 en la columna PF.



Foto No. 3.10 Traslado del Equipo Hidrométrico

11) Medición de las velocidades de flujo: con base en la profundidad de flujo medida en una

vertical se establece el número de puntos en los cuales es necesario tomar la velocidad mediante el siguiente criterio: si la profundidad de flujo es igual o superior a 60 cm se determina la velocidad al 20% y al 80% de la profundidad, medida desde la superficie libre del agua; en caso contrario, se toma la velocidad al 60% (OMM, 1994). Se calcula el (los) porcentaje (s) para determinar la(s) profundidad (es) a la que debe colocarse el equipo hidrométrico, se posiciona el molinete sobre la varilla a la longitud correspondiente y se toman las revoluciones para un tiempo de 60 s. En caso que sea necesario tomar las revoluciones a dos profundidades, se saca el equipo del agua, se posiciona nuevamente el molinete sobre la varilla y se registran las revoluciones. Se consignan los datos en el Formato A1 en la columna REV. Este procedimiento se repite para cada una de las verticales de medición seleccionadas. En la Foto No. 3.11 se observa la medición de velocidades en una corriente (Río Jamundí, Valle del Cauca, Colombia).

Foto No. 3.11 Medición de Velocidades



12) Determinación de la abscisa a la que se encuentra el nivel del agua en la margen donde termina el aforo: se aplica el mismo procedimiento empleado para la determinación de la abscisa correspondiente al nivel de agua inicial. Se escribe el dato en el Formato A1 luego de la última abscisa en la cual se hicieron determinaciones de profundidad y velocidad (es).

13) Lectura de mira una vez ha concluido el aforo: al final del aforo se lee nuevamente la mira

para determinar el nivel del agua. El dato se registra en el Formato A1 en el campo denominado mppal final. Al concluir el aforo se registra el dato correspondiente a la hora en formato sinóptico.

14) Cálculo del caudal: para calcular el caudal se aplica el método de sección media o

semisección tal como se describió para el método de aforo por suspensión teniendo en cuenta que no es necesario hacer correcciones a las profundidades.

3.3 AFORO POR FLOTADORES El procedimiento para llevar a cabo un aforo por el método de flotadores es el siguiente: 1) Registro de datos e información general en el Formato A2: una vez ubicados los técnicos

aforadores en el sitio de medición deben llenar los datos correspondientes al nombre de la corriente, la fecha, el nombre de los técnicos, la hora inicial (en formato sinóptico), el tipo de flotador utilizado y la cuenca hidrográfica.

2) Selección de las secciones de medición: se deben seleccionar dos secciones transversales en

un tramo recto del curso de agua, las cuales deben estar lo suficientemente espaciadas entre sí de manera que sea posible medir con exactitud el tiempo necesario para que el flotador pase de una sección a la siguiente. Se recomienda un lapso de 20 s, aunque podrán emplearse intervalos más breves en el caso de ríos pequeños en los que sea muy difícil seleccionar un tramo recto de longitud adecuada y presenten altas velocidades de flujo.

3) Medición de la distancia entre secciones transversales: una vez se han seleccionado las

secciones convenientes se procede a medir la distancia entre ellas utilizando cinta métrica y, de ser posible, teodolito u otro tipo de instrumento para mejorar la precisión en la toma de los datos. La distancia se registra en el Formato A2 (ver Anexo No. 1).

4) Lanzamiento del flotador y medición del tiempo de recorrido entre secciones: el flotador

se debe lanzar aguas arriba a una distancia suficiente de la primera sección transversal para permitir que alcance una velocidad constante antes de llegar a ésta. Una vez el flotador la ha atravesado, se registra el tiempo que éste tarda en recorrer la distancia existente entre ésta y la sección siguiente. Este procedimiento se realiza con un número determinado de flotadores (entre 20 y 35. En caso de utilizarse flotadores naturales se debe hacer como mínimo 20 mediciones), los cuales se deben lanzar en diferentes posiciones sobre el ancho del río. Los datos correspondientes al tiempo utilizado por cada flotador se registran en el formato A2 en el campo tiempo utilizado.



5) Determinación de la forma de las secciones transversales: la forma de las secciones transversales se establece por medio de levantamientos topográficos realizados con equipos de precisión. En caso de que la corriente sea pequeña y por lo tanto no se justifique el empleo de estos instrumentos, la forma y dimensiones de la sección transversal se pueden establecer mediante un perfilómetro de construcción artesanal como el que se muestra en la Figura No. 3.7.

Figura No. 3.7 Perfilómetro para medición de Secciones Transversales

6) Cálculo del caudal: con los datos recolectados en campo se realiza el cálculo del caudal, prestando atención a la determinación de la velocidad media, la cual se calcula con base en las observaciones hechas para cada uno de los flotadores utilizados. El valor de la velocidad se debe afectar por un coeficiente que depende del tipo de flotador (ver Cuadro No. 3.3). El caudal se determina como el producto de la velocidad media corregida y el área de la sección transversal. El dato se registra en el formato A2.

Cuadro No. 3.3 Valores del coeficiente de corrección de la Velocidad Media para el método

de flotador

Tipo de flotador Valor del coeficiente

Superficial 0.84 a 1.0

Doble 1.0 (60% de profundidad) 0.96 (50% de profundidad)

Otros 0.80 a 1.0

Fuente: ISO 748, 1997

20 40 60 80 100 120 140 160 180



3.4 AFORO MEDIANTE ESTRUCTURAS HIDRÁULICAS En muchas ocasiones es necesario aforar corrientes muy pequeñas en las cuales la presión por el uso es muy importante debido, por ejemplo, a un gran número de usuarios que necesitan el agua. En estos casos la correcta medición de los caudales cobra singular importancia ya que se trata del aprovechamiento de un recurso escaso y, por lo tanto, pueden crearse conflictos relacionados con su distribución. En estas situaciones regularmente se procede a realizar aforos puntuales por métodos como el flotador con las limitaciones en precisión que este conlleva. Existen estructuras hidráulicas de fácil construcción, transporte y manipulación que permiten realizar un aforo con un grado de precisión aceptable; éstas se pueden utilizar para ejecutar aforos puntuales, así como para el establecimiento de programas de monitoreo transitorios que ayuden a conocer mejor la hidrología de la corriente. Estas estructuras son los vertederos y las canaletas. El procedimiento para llevar a cabo aforos mediante estructuras es el siguiente: selección del sitio, registro de datos e información general en el formato A3, adecuación del canal, instalación de la estructura de aforo, ejecución del aforo (toma de datos) y cálculo del caudal. A continuación se describe cada una de estas etapas: 1) Selección del sitio: el sitio donde se instala la estructura de aforo debe cumplir con una serie

de condiciones especiales que permitan llevar a cabo la determinación del caudal de manera exitosa. Entre ellas se pueden citar las siguientes:

• El cauce debe tener una pendiente suave y uniforme aguas arriba de la estructura de

manera que el agua no ejerza mucha presión sobre ella y pueda modificar su posición una vez se ha instalado correctamente.

• La sección de la corriente debe ser uniforme para que exista una adecuada distribución del

flujo.

• El canal debe tener un tramo recto de longitud conveniente (por lo menos 10 veces la longitud de la cresta para el caso de vertederos), al final del cual se instala la estructura de aforo.

2) Registro de datos e información general en el Formato A3: una vez ubicados los técnicos

aforadores en el sitio de medición deben llenar los datos correspondientes al nombre de la corriente, la fecha, el nombre de los técnicos, la hora inicial (en formato sinóptico), el tipo de estructura utilizada y la cuenca hidrográfica.

3) Adecuación del canal: después de seleccionar la sección de aforo más conveniente, es

necesario adecuar el tramo donde se instalará la estructura. Para ello hay que retirar malezas, piedras o sedimentos que se encuentren en el fondo, palos que obstruyan el flujo, etc. En algunos casos, es posible que se deba modificar la sección transversal para darle un ancho o pendiente uniforme, por lo que se recomienda llevar al campo herramientas como pala o palín, pica, nivel de mano o manguera pasaniveles, machete, flexómetro, etc.



4) Instalación de la estructura de aforo: una vez se ha adecuado el tramo del canal para el

aforo se procede a instalar la estructura hidráulica, la cual puede ser un vertedero o una canaleta. Las etapas para instalar un vertedero son las siguientes:

• Elegir un sector del canal lo más recto posible y más angosto que el vertedero y colocar

éste en forma perpendicular a la corriente del agua (Figura No. 3.8).

Figura No. 3.8 Selección del tramo para instalación de una estructura

• Excavar el borde y fondo del canal e instalar la estructura de manera que quede nivelada y sellar los bordes para que no se produzcan filtraciones por el fondo y los lados (Figura No. 3.9).

Figura No. 3.9 Instalación de un Vertedero en una corriente

• Instalar la reglilla de lectura de carga o altura de agua sobre el vertedero a una distancia aguas arriba igual o mayor de 6 veces el valor de la carga que se va a medir (Figura No.



3.10). Esto se hace con el fin de evitar que el valor no sea afectado por la depresión de la superficie del agua que se produce al aproximarse a la cresta (error de remanso).

Figura No. 3.10 Instalación de la reglilla de medición

El procedimiento descrito anteriormente corresponde a la instalación de un vertedero. Para instalar una canaleta se puede seguir un procedimiento similar, teniendo en cuenta que ésta no requiere colocarle reglilla por que la puede traer dibujada o adherida sobre la sección convergente.

Para la instalación de las estructuras hidráulicas se deben tener en cuenta las siguientes recomendaciones:

• La cresta o umbral de los vertederos debe ser horizontal y de espesor constante. Para

el caso de canaletas se debe garantizar la horizontalidad del umbral, para lo cual se utiliza un nivel de mano.

• La distancia desde el fondo del canal hasta la cresta (para el caso de vertederos) debe

tener un valor mínimo de 3 veces la carga o altura de agua sobre el vertedero.

• El valor de la carga a medir no debe ser menor de 6 cm para el caso de vertederos.

H

L > 6H

H

L>6H

P > 3H

Reglilla

P > 3H



• Debe existir caída libre del chorro de agua que sale de las estructuras.

• Para el caso de vertederos se debe garantizar la verticalidad de la pared.

5) Ejecución del aforo: una vez se haya instalado correctamente la estructura se procede a

ejecutar el aforo (Figura No. 3.11), el cual consiste en realizar lecturas del nivel del agua en la reglilla de medición. Se debe verificar que el flujo sea estable y que no haya presencia de obstáculos flotantes que podrían distorsionar los datos.

Figura No. 3.11 Ejecución de un aforo mediante Estructuras

6) Cálculo del caudal: con los valores registrados de nivel se determina el caudal por medio de

una ecuación o una tabla H-Q, la cual ha sido establecida previamente mediante calibración del aforador en laboratorio. Los datos se registran en el formato A3. En el Anexo No.4 se muestra, a manera de ejemplo, el cálculo del caudal mediante un vertedero.

CAPITULO 4

PROCEDIMIENTOS DE AFORO DE CAUDALES SÓLIDOS

Manual de Procedimientos Hidrométricos Capítulo 4, Aforo de Caudales Sólidos


4 PROCEDIMIENTOS DE AFORO DE CAUDALES SOLIDOS En términos generales sedimento es cualquier fragmento de material transportado, suspendido o depositado por el agua o por el aire. El fenómeno de la erosión está íntimamente ligado al fenómeno de los sedimentos en los cursos de agua; en donde el principal factor erosivo es el agua. La erosión producida por el agua es de tres tipos: • Laminar, que consiste en la remoción de la capa superficial de suelo. • Zanjas o cárcavas, que es un estado en que los cauces van creciendo y profundizándose

cada vez más. • Fluvial, que es el fenómeno por el cual un río socava su propio lecho y eroda el talud de

sus orillas. La mayoría de los ríos arrastran sedimentos de muy variadas características, tanto en su origen mineralógico como en densidad y tamaño. Es lógico, por consiguiente, esperar que los procesos de sedimentación presenten diferencias de acuerdo con el tipo de material. Los sedimentos se clasifican según su tamaño en: (i) gruesos, con diámetros en el rango de gravas y arenas; (ii) finos, en rango de arenas finas, limos y arcillas. Esta clasificación no es simplemente estática sino que tiene implicaciones dinámicas relacionadas con la forma como estos materiales son transportados y depositados por el flujo. La obtención de muestras de sedimentos transportados por la corriente permite determinar la cantidad de sólidos que ésta lleva por unidad de tiempo. El transporte total comprende tanto el sedimento que se traslada suspendido en la corriente como el que viaja arrastrándose o rodando por el fondo. El transporte de arrastre de fondo se mide directamente con muestreadores y se expresa generalmente en metros cúbicos por día (m3/día) El transporte de sedimentos en suspensión se refiere a la cantidad de sólidos o sedimentos suspendidos que pasan por la sección de una corriente en una unidad de tiempo, se expresa generalmente en toneladas por día (Ton/día) o kilogramos por segundo (kg/s). 4.1 METODOS DE AFORO DE LA CARGA TOTAL EN SUSPENSION Para los métodos de aforo de sedimentos la medición del caudal líquido debe ser simultánea o previa al aforo sólido. Para medir el transporte o carga total en suspensión existen dos tipos de muestreadores: puntuales e integradores.

4.1.1 Muestreo Puntual Generalmente en grandes ríos cuyas profundidades son mayores de 5 m se utiliza el método de mediciones puntuales.



Los muestreadores de tipo puntual están diseñados de tal manera que la entrada del flujo por la boquilla hacia el recipiente está controlada por una válvula que puede ser abierta o cerrada de forma manual o eléctricamente por el técnico desde la superficie. El tiempo de llenado depende de la velocidad del flujo y del tamaño de la boquilla. El instrumento más utilizado para esta clase de mediciones es el conocido como USP-61. Existen varias formas de seleccionar los puntos de muestreo para la medición de los sedimentos en suspensión en la vertical empleando el método puntual: • Una muestra única tomada a una distancia desde la superficie libre del agua al 60% de la

profundidad. • Dos muestras, una al 20% y otra al 80% de la profundidad, con igual factor de

ponderación. • Tres muestras tomadas al 20%, al 60% y al 80% de la profundidad, también con igual

factor de ponderación. • Varias muestras tomadas en diferentes puntos para establecer la distribución de la

concentración en la vertical con el grado de precisión requerida. Generalmente se toman muestras cada 10% de la profundidad, es decir 10 puntos repartidos equitativamente en la vertical.

4.1.2 Muestreo Integrado Los equipos muestreadores integradores en profundidad no disponen de válvulas para controlar la entrada del agua y sedimento al recipiente, por lo cual el equipo recolecta agua y sedimentos siempre que se halle sumergido. En las muestras integradas el muestreador recorre la vertical en ambas direcciones (superficie – fondo – superficie), de tal manera que toma una cantidad de muestra a lo largo de la vertical y así la medida representa la concentración promedia en ella. En CVC se utiliza para esta clase de muestreo los integradores USDH – 48 para mediciones por vadeo y USDH – 49 para suspensión, los anteriores muestreadores deben emplearse en profundidades menores o iguales a 5 m. En las figuras No. 4.1 y 4.2, se presentan esquemas de estos equipos. El procedimiento para aforar con integradores USDH – 48 Y USDH – 49 es el siguiente: • Del aforo líquido realizado previamente se toman las velocidades medias de las verticales

para determinar, empleando un nomograma o ábaco, las velocidades de tránsito y tiempos necesarios para tomar una muestra adecuada.

• Se selecciona la boquilla de acuerdo con las velocidades del flujo y se coloca la botella

correspondiente en el instrumento (ver Anexo No. 5 Tablas de velocidad).



• El número de verticales en la sección para el muestreo debe estar entre 3 y 10 (OMM, 1994).

Figura No. 4.1 Muestreador Integrador en profundidad de Sedimento en Suspensión

Tipo USDH – 49

Figura No. 4.2 Muestreador Integrador en profundidad de Sedimento en Suspensión

Tipo USDH – 48 • Se coloca el equipo de manera que la boquilla enfrente la corriente, se baja hasta el fondo

y se regresa nuevamente a la superficie a una velocidad de desplazamiento constante. Se debe tener precaución de no demorar el muestreador en el fondo e impedir que toque el lecho del río, llevándolo a unos pocos centímetros por encima de éste y así evitar que el sedimento se levante y altere la muestra. Para esto es necesario conocer de antemano el valor de la profundidad en el sitio de medición.

• La velocidad de desplazamiento, Vt a la cual el muestreador se opera hacia el fondo y luego hacia la superficie no debe exceder el 40% de la velocidad media del flujo en la vertical de muestreo.

Platina de Suspensión

Boquilla

Perforaciones de drenaje

Boquilla

Platina de Suspensión



• La velocidad de desplazamiento hacia el fondo debe ser tal que la relación de compresión del volumen de aire en la botella no debe exceder su velocidad de llenado.

• Se rechazarán las muestras que sobrepasen los 4/5 de la capacidad de la botella con lo cual

se asegura que no se presenta recirculación. Muestras con volumen inferior a los 2/3 de la capacidad de la botella se consideran pequeñas; se pueden admitir sólo cuando estén muy cerca a este límite inferior.

• Se emplea una botella en cada muestra y se evita el trasvase. • Se toman por lo menos 3 muestras integradas en cada vertical. • Las botellas que contienen las muestras se tapan en forma hermética (tapa y contratapa)

para evitar pérdidas de líquido y se transportan al laboratorio en donde se hará el análisis. • En forma simultánea a la medición se consignan los datos obtenidos en un formato

conveniente (ver Anexo No. 1, formato A6). Se requiere un malacate de 30 kg de capacidad y suficientes botellas para el muestreo. 4.2 MEDICION DEL TRANSPORTE O CARGA DE FONDO La forma más sencilla de calcular el arrastre de fondo consiste en excavar un agujero o trampa en el lecho de la corriente y retirar el material que cae en él en un tiempo determinado, éste posteriormente se pesa y se relaciona con el caudal circulante durante la medición. La zona situada aguas arriba de un vertedero o canaleta de aforo puede actuar análogamente como una trampa de sedimentos, pero es posible que no se sepa si se ha recogido todo el arrastre de fondo. En los lugares con grandes cargas de arrastre este procedimiento puede necesitar mucho tiempo y resultar engorroso. La medición del transporte de fondo es difícil debido a la naturaleza estocástica del movimiento del sedimento y a que el fenómeno se produce en forma de ondas de fondo, dunas y barras. Ningún equipo resulta completamente adecuado para retener tanto las partículas más grandes como las más pequeñas con la misma eficiencia, permaneciendo en una posición estable y orientado hacia la corriente sobre el fondo del río, sin perturbar el flujo natural y el movimiento del sedimento. Los muestreadores disponibles se clasifican en tres tipos: de cesta, de cazoleta y de diferencia de presión. Los muestreadores de tipo cesta están hechos, por lo general, de mallas y tienen una abertura en la parte orientada contra la corriente por la que se desliza la mezcla de agua y sedimento. La malla deja pasar el sedimento en suspensión, pero retiene el sedimento que se desliza a lo largo del lecho. Los muestreadores de tipo cazoleta suelen ser de sección longitudinal en forma de cuña y se instalan de modo que la arista de la cuña corte la corriente. La cazoleta contiene ranuras para retener los materiales en movimiento.



Los muestreadores basados en el principio de la diferencia de presión están diseñados para producir en la salida del instrumento una caída de presión lo suficientemente importante para contrarrestar las pérdidas de energía y asegurar así una velocidad de entrada igual a la de la corriente en condiciones normales. Un diafragma perforado dentro del equipo obliga a la corriente a hacer caer el sedimento en una cámara de retención y luego salir a través de una salida superior. Dado que medir el arrastre de fondo necesita de un soporte logístico importante y presenta limitaciones por la eficiencia de los equipos y la escasez de metodologías disponibles para ello, regularmente la implementación de este tipo de mediciones obedece a estudios muy específicos que no son objeto de este manual. 4.3 CARACTERIZACION DEL MATERIAL DEL LECHO Caracterizar el material del lecho de una corriente es importante en la medida en que permite definir la distribución granulométrica de los sedimentos que lo conforman en un sitio determinado y con condiciones hidrológicas e hidráulicas específicas. Con esta información se soporta la aplicación de metodologías para el cálculo de diferentes variables que influyen en el comportamiento hidrodinámico de la corriente, como por ejemplo la rugosidad y el transporte de fondo, entre otros. Para caracterizar el material del lecho es necesario tomar muestras mediante distintos métodos. Las normas internacionales (ISO, ASTM, BS) no son muy específicas en cuanto a la selección del sitio de muestreo y el número de muestras requeridas. Dependiendo de la disponibilidad de recursos, el muestreo se puede hacer de forma densa, de tal manera que se tomen muchas muestras en sitios representativos como se explica más adelante o se pueden tomar muestras en las estaciones de medición hidrométrica ya establecidas; en cualquiera de los dos casos se sugiere el siguiente procedimiento para llevar a cabo el muestreo: 4.3.1 Muestreo Denso Este tipo de muestreo busca obtener información sobre la distribución longitudinal y transversal de los materiales en el lecho para un tramo del río; para ello se necesita de un soporte logístico importante. El procedimiento de muestreo es el siguiente: 1. Selección de los sitios de muestreo: sobre una base cartográfica existente se realiza una

preselección y determinación en un sistema de coordenadas confiable de los sitios de muestreo, incluyendo las secciones de especial interés (puentes, sitios en los que existe información previa, etc.) y considerando la facilidad de ubicación de estos lugares en campo. A cada sección se le da un nombre apropiado que facilite su localización. Igualmente se seleccionan puntos de muestreo ubicados entre 100 y 200 m aguas arriba y aguas abajo de la confluencia de los ríos tributarios de importancia para el estudio.

2. Selección de equipos: los equipos empleados para la caracterización del material del lecho

están conformados por muestreadores y equipos de georeferenciación (GPS), cuya



selección depende de las características de los sedimentos del lecho del cauce principal y los tributarios, la magnitud de las corrientes, la disponibilidad de recursos económicos y de personal, la logística con que se cuenta, etc. En las Fotos No. 4.1 y 4.2 se muestran algunos equipos empleados para el muestreo de sedimentos del lecho.

Foto No. 4.1 Draga Pettersen. Fuente: PMC, 2003 Foto No. 4.2 Tubo Cilíndrico de

boca cónica. Fuente:PMC, 2003

3. Ejecución de la campaña de campo: una vez se ha establecido el diseño de la campaña de muestreo, preparado todo el componente logístico de equipo, transporte fluvial y terrestre y definida la metodología, se ejecuta el trabajo de campo. Se puede utilizar la draga Pettersen cuando el material predominante está conformado por arenas, limos, arcillas y gravas finas; el tubo cilíndrico de boca cónica se emplea cuando el material es ligeramente más grueso. En cualquiera de los casos se deben hacer varios intentos con ambos equipos hasta obtener una muestra lo más representativa posible, sin lavado de finos y en cantidad suficiente para el análisis granulométrico.

Para la toma de las muestras se puede adoptar el siguiente procedimiento:

• Navegar con el GPS hasta encontrar las coordenadas de la sección a muestrear (previamente seleccionada en oficina).

• Una vez ubicada la sección se evalúa la conveniencia o no de realizar en ella el muestreo. En algunas ocasiones es posible que los sitios no sean los más adecuados por encontrarse en curvas, por lo cual la ubicación se debe cambiar ligeramente hasta encontrar una sección más representativa.

• Sobre la sección se ubica la embarcación en la vertical de muestreo (franja derecha, centro o franja izquierda).

• Se extrae la muestra por medio de la draga Pettersen o el tubo cilíndrico. En términos generales el tubo cilíndrico se utiliza para el muestreo cuando se observa



que la draga no recupera un volumen suficiente de muestra. Esto sucede cuando se encuentran materiales gruesos (gravas y arenas gruesas) (Foto No. 4.3).

Foto No. 4.3 Extracción de Muestra con la Draga Pettersen. Fuente: PMC, 2003

• Se empaca y rotula la muestra para ser enviada al laboratorio. Es necesario utilizar doble bolsa con adhesivo externo para garantizar la identificación de la muestra en laboratorio, ya que en el proceso de almacenamiento en la lancha, transporte y, en general, con la manipulación, los rótulos se deterioran por la humedad. En las Fotos No. 4.4 y 4.5 se ilustra el procedimiento de rotulación y empaque. En la Figura No. 4.3 se muestra el rótulo diseñado para la identificación de las muestras.

Foto No. 4.4 Identificación de muestras Foto No. 4.5 Empaque de muestras

Fuente: PMC, 2003 Fuente: PMC, 2003

4.3.2 Muestreo en Estaciones Hidrométricas Normalmente se puede hacer un muestreo menos denso pero más frecuente en las estaciones de medición hidrométrica; para ello se utilizan los equipos mencionados anteriormente, los



cuales se pueden operar desde las estructuras utilizadas para el aforo (puentes y tarabitas) o desde la orilla, para el caso del tubo cónico (Fotos No. 4.6 y 4.7).

Figura No. 4.3 Rótulo para Identificación de Muestras

Fuente: PMC, 2003

Foto No. 4.6 Muestreo con draga Tipo Pettersen desde Puente. Fuente: PMC, 2003

PROYECTO MODELACIÓN DEL RÍO CAUCA PMC FASE II

Muestreo Sedimentológico

Fecha y hora: Año Mes Día Hora

Corriente:

Nombre de la sección transversal:

Coordenadas: Latitud Longitud

Equipo de muestreo:

Muestra tomada por:

Observaciones:

Código muestra



Foto No. 4.7 Muestreo con Tubo Cilíndrico de boca cónica desde orilla Fuente: PMC, 2003

CAPITULO 5

MEDICIÓN DE LA PENDIENTE HIDRÁULICA

Manual de Procedimientos Hidrométricos Capítulo 5, Medición de la Pendiente Hidráulica


5 MEDICION DE LA PENDIENTE HIDRAULICA

En la hidráulica de ríos y canales una variable muy importante es la pendiente o gradiente hidráulico el cual interactúa con otras variables para determinar la forma y las características del cauce. Medir con precisión la pendiente hidráulica en ríos aluviales como el Río Cauca no es una tarea sencilla, ya que generalmente ésta es muy pequeña y la diferencia de niveles de agua en un tramo determinado puede quedar absorbida por el margen de error que presenta la medición. Los errores en las mediciones se deben principalmente a factores, tales como, el oleaje y la obstrucción al flujo generada por el limnímetro mismo, que interfiere en su lectura. Otro factor que induce errores puede ser la variación del nivel del agua durante la medición. Para hacer una correcta medición de la pendiente hidráulica se debe contar, en la medida de las posibilidades, con dos limnímetros instalados aguas arriba y aguas abajo de la estación hidrométrica (Figura No. 5.1). Estos deben estar acompañados de estructuras de aquietamiento que disminuyan o eliminen la interferencia del oleaje presente en la corriente. Los dos limnímetros deben estar nivelados y referenciados al mismo dátum o BM. Figura No. 5.1 Ubicación de los Limnímetros para la medición de la Pendiente Hidráulica Si se dispone de dos limnímetros permanentes éstos deberán nivelarse periódicamente para garantizar una adecuada medición de la pendiente hidráulica. Cuando no se cuenta con limnímetros permanentes se pueden instalar limnímetros provisionales – si se requiere medir la pendiente hidráulica durante un período corto – o se puede medir directamente mediante procedimientos topográficos convencionales la longitud del tramo y la diferencia de niveles de agua en él (Figura No. 5.2). El tramo debe ser aproximadamente recto, de geometría uniforme y no debe presentar estructuras ni intervenciones que afecten las condiciones normales del flujo, tales como pilas y estribos de puentes, tablestacados, espolones, dragas, etc.

Limnímetro

L

Estación de aforo



Figura No. 5.2 Medición de la Pendiente Hidráulica en una Corriente

El tramo donde se instalen los limnímetros debe ser relativamente recto con el fin de evitar errores debido a la ligera sobreelevación que se presenta en la superficie libre del agua en los tramos en curva. La distancia entre los limnímetros debe ser suficiente (por lo menos 500 m). Para la medición de la pendiente hidráulica se requiere de un equipo topográfico de precisión conformado por nivel, mira, distanciómetro o teodolito, cinta métrica, etc. También se debe disponer de un tanque aquietador para colocar dentro de él la mira y reducir el posible oleaje que puede afectar la precisión de la medición. El procedimiento general para determinar la pendiente hidráulica consiste en la medición de la diferencia en los niveles de agua tomados de limnímetros instalados entre dos puntos de la corriente (Figura No. 5.3), los cuales deben ubicarse preferiblemente aguas arriba y aguas abajo de la estación hidrométrica. Se debe tomar como referencia el NP (nivel de precisión) más cercano disponible de la Red Geodésica de Alta Precisión PMC – CVC o un BM de la red IGAC, a partir del cual se inicia la nivelación de precisión de cada uno de los limnímetros, así como la medición de la distancia que existe entre ellos por la orilla de la corriente tratando siempre de hacerlo en forma paralela al eje del río. El procedimiento deberá hacerse siguiendo todas las normas necesarias para lograr un dato exacto incluyendo una contranivelación.

Estructura de aquietamiento



Figura No. 5.3 Diferencia de Nivel entre dos Limnímetros Con los datos obtenidos (diferencia de niveles y distancia entre los limnímetros) se calcula la pendiente hidráulica por medio de la siguiente expresión:

LHSH

Δ= (5.1)

donde: SH = Pendiente hidráulica (adimensional) ∆H = diferencia de niveles de agua en el tramo (m.) L = longitud del tramo (m.) El valor de la pendiente hidráulica en lo posible debe estar asociado al caudal que circula por el río al momento de la medición con el fin de correlacionar las variables.

L

Limnímetro 2

Superficie libre del agua

Limnímetro 1

ΔH

CAPITULO 6

CONSIDERACIONES GENERALES SOBRE BATIMETRÍAS

Manual de Procedimientos Hidrométricos Capítulo 6, Consideraciones sobre Batimetrías


6 CONSIDERACIONES GENERALES SOBRE BATIMETRIAS Una medición que no es rutinaria, pero que es muy importante para el análisis de diferentes aspectos relacionados con la hidráulica fluvial corresponde a la batimetría. En términos generales esta actividad es el proceso mediante el cual se miden las profundidades de los cuerpos de agua, bien sea ríos, lagos, estuarios, embalses, bahías, con el fin de conocer la topografía del lecho y la cual se puede realizar para una sección transversal en particular o para un conjunto de ellas, en cuyo caso se pueden obtener líneas de igual profundidad o isóbatas. Las actividades relacionadas con las batimetrías también se identifican con términos como hidrotopografía, topobatimetrías, etc. En ellas se asocia a la forma o contorno de la parte húmeda la forma o contorno de la parte seca en la vecindad (bancas, llanuras de inundación, etc.). La toma de datos en una batimetría se puede realizar de dos maneras: (i) con instrumentos tradicionales; y, (ii) con instrumentos de última tecnología. 6.1 EJECUCION DE BATIMETRIA CON INSTRUMENTOS TRADICIONALES

En este tipo de procedimientos batimétricos se utilizan equipos topográficos convencionales (teodolitos y niveles de precisión), varillas y cables de sondeo, distanciómetros o cintas métricas. Este caso sólo se aplica a las corrientes medianas o pequeñas, donde las condiciones hacen posible vadearlas o existe una estructura (tarabita o puente) que permite utilizar los instrumentos para definir el contorno de la sección (o parte) húmeda. En términos generales el procedimiento consiste en:

• Armado del equipo topográfico

• Ubicación del BM (punto de la red geodésica de alta precisión CVC – PMC) el cual se

tomará como referencia altimétrica y planimétrica para el levantamiento de la sección (o secciones) a considerar.

• Levantamiento detallado de los principales accidentes topográficos o referencias físicas

que permitan una fácil identificación de la sección o sector. En esta actividad es muy importante identificar muy bien las coordenadas de los puntos extremos de la sección transversal, la cual se debe ubicar de forma perpendicular al eje del cauce. Cuando se requiere levantar un conjunto de secciones topobatimétricas en un sector de la corriente, éstas deberán estar amarradas a una poligonal (cerrada o abierta), la cual a su vez debe estar ligada a la red geodésica.

• Una vez se ha ubicado topográficamente la sección y su trayectoria sobre el río, se procede

a la descripción o medición de la parte húmeda. Para ello se puede utilizar una línea (cable o cinta) de referencia sobre la cual se marcan las abscisas en donde se hará la lectura de profundidad con ayuda del equipo topográfico para los casos en donde el procedimiento se puede hacer por vadeo, debido a que las condiciones del cauce (profundidad y calidad del



agua) lo permiten (ver Foto No. 6.1). En caso contrario, la mira se lleva en una embarcación que puede desplazarse sujeta al cable teniendo cuidado de que no se pierda la trayectoria perpendicular al eje de la corriente.

Foto No. 6.1 Mediciones en zona húmeda con Instrumentos Topográficos

Cuando se encuentren cambios bruscos en la profundidad del cauce debe disminuirse el espaciamiento entre puntos de medición con el fin de hacer una mejor descripción de la sección transversal.

Los datos obtenidos corresponden a las coordenadas (X, Y, Z) de los puntos considerados en la medición, los cuales posteriormente serán graficados en planta y perfil a escalas convenientes. A su vez el levantamiento realizado debe ubicarse sobre la cartografía existente a escala 1: 10 000 o menor, de tal manera que las secciones queden ubicadas correctamente y sean fácilmente identificables (ver Figura No. 6.1).

Nota: las batimetrías, además de ofrecer información muy importante sobre la forma del canal en un momento dado, se hacen particularmente útiles cuando varias de ellas (realizadas sobre un mismo sector o sección de la corriente) se pueden comparar para estudiar su evolución. Esto sólo es posible hacerlo cuando se ha utilizado un sistema de referencia estándar y único y se puede garantizar un margen de precisión en los datos. En este orden de ideas las carteras topográficas de los levantamientos deben ser organizadas adecuadamente y archivarse sistemáticamente, para que cuando sea necesario, se puedan hacer los replanteos o reubicación de nuevas mediciones.

6.2 EJECUCION DE BATIMETRIA CON INSTRUMENTOS DE ULTIMA TECNOLOGIA

Esta batimetría se realiza con equipos de última tecnología como GPS, ecosondas digitales, computadores portátiles y software especializado.



Cuando la corriente es de un tamaño considerable o se desea hacer una descripción muy precisa del lecho (carta batimétrica) para estudios especiales que así lo ameriten (modelación matemática p.e) se debe aplicar el siguiente procedimiento:

Figura No. 6.1 Ubicación en planta de Secciones Transversales y Poligonales de apoyo,

Fuente: Topobatimetría Ríos Tributarios al Río Cauca, PMC – CVC, 2003 • Ubicación y conexión de los equipos en la embarcación. Éstos deberán localizarse de tal

manera que se facilite su manipulación durante la medición (ver Foto No. 6.2). • Ensayo de equipos. Es necesario sincronizar los equipos (ecosonda y GPS) para que

realicen las correspondientes lecturas de coordenadas y profundidad simultáneamente, de tal manera que sea posible obtener un conjunto de datos (X, Y, Z) representativo para cada punto. Este procedimiento consiste en determinar el intervalo de tiempo Δt en el cual el GPS que se tiene en la embarcación recibirá información del satélite sobre sus coordenadas o posición sobre la tierra (normalmente Δt = 1s); este tiempo debe programarse mediante un software especializado que hace conversiones geodésicas y envía la señal a la ecosonda para que ésta de manera simultánea, realice la lectura de profundidad. Toda la información se almacena en un computador, en el cual se crean los archivos correspondientes para su posterior procesamiento.

• Una vez se han sincronizado los equipos y se ha ensayado su funcionamiento, se inicia la

toma de datos sobre el cuerpo de agua. Dependiendo de las dimensiones del lago, embalse, estuario o río que se vaya a medir, se podrán aplicar los siguientes procedimientos:

RÍO JAMUNDÍ LOCALIZACIÓN GENERAL DE SECCIONES

RÍO CAUCA



Foto No. 6.2 Ubicación de Equipos en el Bote. Fuente: PMC – CVC, 2000

- Para el caso de ríos también se puede seguir una trayectoria preestablecida o aleatoria; para la cual es recomendable hacer un recorrido en zig - zag en el sentido aguas arriba o contra la corriente para lograr una mejor maniobrabilidad de la embarcación. La densidad y velocidad del monitoreo batimétrico para el recorrido depende de la disponibilidad de tiempo y recursos. Se debe tener en cuenta que entre más lento y denso sea el recorrido mayor será el detalle de la batimetría, lo cual está enmarcado dentro de los límites logísticos de capacidad de almacenamiento de datos.

Nota: cuando los niveles del río cambian apreciablemente durante la medición, es necesario contar con referencias (miras transitorias niveladas topográficamente al sistema que se esté utilizando), de tal manera que se puedan hacer los ajustes necesarios al perfil de la superficie del agua o gradiente hidráulico, ya que las profundidades que registra la ecosonda tienen como referencia el nivel del agua existente al momento de la medición.

Una vez se ha obtenido el archivo de datos (X, Y, Z) se realiza el procesamiento de esta información para generar las cartas batimétricas, las cuales pueden ser representadas como líneas isóbatas en planta o en perfiles 2D o 3D (modelos tridimensionales, ver Figura No. 6.2).

Nota: cuando se dispone de recursos suficientes, se pueden utilizar dos GPS, uno ubicado en la embarcación y otro en tierra como base, lo cual mejora considerablemente la calidad de la información y reduce el tiempo de postproceso utilizado para las correcciones de posición cuando sólo se utiliza un GPS. En este procedimiento se tienen dos GPS, tal como se indica a continuación:

• GPS No. 1 o GPS base: se localiza en un punto fijo en tierra de cota conocida o en

las instalaciones de una entidad como puede ser una Corporación Autónoma Regional. En él se registra la información diaria y continua con intervalos cada



segundo, para posteriormente en oficina realizar el postproceso (de tipo cinemático) de la información diaria de los archivos base – remoto y de este modo obtener las posiciones (X, Y) corregidas de los puntos de sondeo.

Figura No. 6.2 Esquema de Isóbatas en planta y en 3D

• GPS No. 2 o GPS remoto: se transporta en lancha y recibe información satelital

cada segundo de la posición del bote y la transmite a un computador portátil, el cual por medio de software especializado realiza conversiones de sistemas geodésicos. De manera simultánea el software recibe cada segundo la señal que envía la ecosonda al computador correspondiente a la profundidad del agua del recorrido del bote, para con esta información crear archivos de sondeo que contienen la información de posición y profundidad del río (archivos X, Y, Z).

Para la determinación de las coordenadas planas X e Y de cada uno de los puntos registrados durante el sondeo general se utiliza la información colectada en los GPS No.1 y No. 2 por medio de una corrección de cálculo diferencial o postproceso con el objetivo de disminuir el error.

Isóbatas

Formas de fondo

1.5 2.5

CAPITULO 7

ASPECTOS DE SEGURIDAD EN LOS PROCEDIMIENTOS HIDROMÉTRICOS

Manual de Procedimientos Hidrométricos Capítulo 7, Aspectos de Seguridad


7 ASPECTOS DE SEGURIDAD EN LOS PROCEDIMIENTOS HIDROMETRICOS

En este capítulo se presentan algunos aspectos de seguridad que deben ser tenidos en cuenta por el personal encargado de llevar a cabo la toma de datos en campo, con el propósito de garantizar su vida e integridad física. Cada persona tiene la responsabilidad de sí mismo y de sus compañeros y de trabajar tan seguro como sea posible. Las entidades tienen la responsabilidad de promover la toma de conciencia de riesgos, de poner en práctica los procedimientos para minimizarlos y de ofrecer un nivel apropiado de equipos y formación en seguridad. 7.1 PRECAUCIONES CUANDO SE TRABAJA DESDE PUENTES El principal riesgo al llevar a cabo mediciones o muestreos desde un puente es el tráfico vehicular. 7.1.1 Riesgos debidos al Tráfico de Vehículos Los puentes que disponen de andén para peatones proveen un buen margen de seguridad. En otras circunstancias (Foto No. 7.1), es imperativo advertir al tráfico automotor con señales adecuadas o, si es posible, con luces intermitentes. El personal técnico debe vestir ropa fluorescente o brillante y se deben utilizar señaladores portátiles para desviar el tráfico del área de trabajo. Se deben tomar las medidas necesarias con las autoridades locales cuando sea necesario.

Foto No. 7.1 Riesgo debido al Tránsito de Vehículos en Estación de Aforo



7.1.2 Riesgos debidos al Equipo Suspendido Las estructuras de soporte o suspensión de los malacates y molinetes (tablas) están potencialmente expuestas a volcarse hacia la corriente cuando el equipo puede llegar a engancharse con materiales flotantes, principalmente durante una creciente. La comisión de aforo debe tener al alcance de la mano una pinza o cortafrío con la cual se debe cortar el cable en caso de una eventualidad de este tipo. Debe prevalecer la integridad del técnico aforador sobre la del equipo. 7.2 PRECAUCIONES DURANTE EL VADEO Cuando es posible vadear corrientes, las mediciones pueden realizarse más fácil y directamente que por otros métodos. Sin embargo, llega a ser muy peligroso cuando la profundidad o la velocidad o ambas son excesivas. 7.2.1 Evaluación de la Situación El personal debe tener cuidado y experiencia para decidir si el vadeo puede llevarse a cabo en una situación particular. Como regla general no se puede realizar el aforo si el producto de la profundidad en metros y la velocidad en m/s es superior a 1 (OMM, 1994). Esto se ve también influenciado por el cuerpo de la persona y su vestimenta. 7.2.2 Uso de Chalecos Salvavidas Cuando las condiciones pueden llegar a ser peligrosas se debe usar un chaleco salvavidas, correctamente abrochado, de una talla y diseño apropiado. 7.2.3 Líneas de Seguridad y Líneas Indicadoras Cuando se hacen mediciones de caudales, es útil como apoyo, una cuerda o línea tendida a través del río que también puede servir para medir distancias y debe estar firmemente anclada a ambos extremos para sostener el peso de una persona contra la corriente. 7.2.4 Técnica de Vadeo Se debe seleccionar una sección transversal con profundidades, velocidades y material del lecho relativamente firme, planificar una ruta diagonalmente aguas abajo y caminar a través de ella con pasos cortos, viendo la orilla opuesta y de lado a la corriente (Foto No. 7.2).



Foto No. 7.2 Inspección del Río previa a la ejecución de un Aforo por Vadeo Puede ser útil usar una varilla de vadeo (sin molinete) en el lado aguas arriba para examinar la profundidad y tener un soporte. Si el paso llega a ser demasiado difícil, la persona se debe retirar, caminando hacia atrás hasta que pueda voltearse y quizás encontrar un paso más fácil. 7.2.5 En Caso de Accidente Si una persona es arrastrada aguas abajo, debe dejarse llevar por la corriente, adelantarse hacia la orilla, impulsándose con los brazos extendidos y empujándose con los pies. Si el lecho es rocoso, debe evitar poner los pies abajo ya que pueden quedar atrapados entre las piedras. Si esto ocurre, la corriente puede empujar fácilmente a una persona bajo el agua con resultados fatales. Si el agua es profunda y si es necesario nadar cierta distancia, la persona se debe quitar las botas de vadeo. Lo mejor es ponérselas en la cadera y tirar los pies hacia fuera uno por uno. Se debe evitar voltearlas y abstenerse de realizar esta operación donde el agua sea poco profunda y las botas obstaculicen el desplazamiento. Los tirantes de las botas deben amarrarse de forma que puedan ser fácilmente desatados. Es posible atrapar aire en las botas de modo que ayuden a flotar, con un cinturón firmemente abrochado alrededor de la cintura o tomando rápidamente una posición de flote sobre la espalda con las rodillas estiradas hacia arriba. 7.2.6 Responsabilidad Los técnicos operativos no deben obligarse a vadear corrientes en situaciones donde se sientan inseguros. La experiencia y la confianza son factores importantes, pero se deben moderar con cierta prudencia.



7.3 PRECAUCIONES CUANDO SE UTILIZA UNA TARABITA Antes de usar cualquier tarabita se debe chequear sus condiciones, buscando señales de movimiento del anclaje, pandeo alterado, vandalismo u otros daños en el cable, barandales, anclajes, herrajes del cable y en el funicular o canastilla. Las tarabitas tripuladas frecuentemente requieren inspecciones periódicas. Todo el personal que usa la tarabita debe saber que nunca se debe tocar el cable con la mano (ver Figura No. 7.1 y Foto No. 7.3), que esté en movimiento o detenido, debido al peligro de ser atropellado por las ruedas. Se debe usar un instrumento apropiado para arrastrar o halar. No se debe exceder la carga máxima de diseño del cable transportador y debe llevarse una tenaza para cortar el cable de suspensión si llega a enredarse en el río. El cable debe ser cortado cerca del carrete y el personal debe sostenerse firmemente en la tarabita durante el rebote.

Figura No. 7.1 Esquema de canastilla de Tarabita de Movimiento Horizontal

7.4 OTROS RIESGOS El personal que trabaja sobre el terreno debe estar siempre a la expectativa de otros peligros que puedan afectar su ambiente de trabajo. Estos incluyen, por ejemplo, animales peligrosos o tormentas eléctricas. También, el contacto del cuerpo o la ingestión de algunas aguas pueden significar riesgos para la salud. En algunas localidades, puede haber la posibilidad de ataques por parte de otras personas, quienes podrían estar involucradas en actividades ilegales o

No intentar mover la tarabita con las manos ni sostenerse del cable, en cualquier caso utilizar laherramienta diseñada para impulsarla.



bélicas (tráfico de drogas, subversión, secuestros, delincuencia común). Los empleadores tienen la responsabilidad de asegurar que su personal conozca cada uno de estos riesgos.

Foto No. 7.3 Mecanismo de desplazamiento de una Tarabita

CAPITULO 8

ASPECTOS GENERALES A CONSIDERAR EN LOS PROCEDIMIENTOS

HIDROMÉTRICOS

Manual de Procedimientos Hidrométricos Capítulo 8, Aspectos Generales


8 ASPECTOS GENERALES A CONSIDERAR EN LOS PROCEDIMIENTOS HIDROMÉTRICOS

Se debe tener en cuenta diferentes aspectos y recomendaciones generales para llevar a cabo un aforo seguro y confiable, tales como las siguientes: • Después de cada aforo, el molinete se debe limpiar, secar y lubricar conforme las

instrucciones del fabricante. Siempre se debe tener presente que el molinete hidrométrico es un instrumento de precisión que exige buen trato y uso cuidadoso.

• Los aforos por vadeo son adecuados para profundidades que permitan físicamente al

operador mantenerse en pie y cuando la anchura del curso de agua es superior a 5 veces su profundidad media. Para definir las verticales de medición se recomienda utilizar cables marcados sujetos en cada orilla a puntos fijos. El técnico que afora por vadeo debe mantenerse alejado lateralmente del instrumento, orientando sus piernas en la dirección del escurrimiento para reducir a un mínimo la perturbación del flujo cerca del molinete.

• Las mediciones desde un puente se deben efectuar preferiblemente por el costado de aguas

arriba si el río arrastra materiales flotantes, con el fin de retirar oportunamente el molinete. No son recomendables puentes cuyos pilares producen remanso o represamiento del agua ni los que están situados en dirección oblicua al flujo.

• Cuando por la fuerza de la corriente o la insuficiencia del lastre se produzcan ángulos de

arrastre considerables (mayores a 4°), se debe tomar nota del ángulo que se forma entre el cable y la vertical y de la altura del eje del malacate sobre la superficie del agua (altura de suspensión). Si no se dispone de un transportador adecuado para medir el ángulo, se mide (con ayuda de una cinta métrica o una cuerda) la longitud del cable de aforo comprendida entre el eje del malacate y la superficie del agua, estando el molinete en la posición en la cual se determinan las velocidades de flujo. Estas mediciones permiten efectuar posteriormente las correcciones adecuadas.

• Al aforar en época de crecidas es necesario prestar atención a la superficie libre del agua

en el río aguas arriba del molinete con el fin de sacar rápidamente el equipo en caso de observarse objetos flotantes que puedan enredarse en el cable o golpear el conjunto hidrométrico. Si los materiales arrastrados por el agua ponen en peligro la seguridad de los operadores, el aforo se desarrolla en forma abreviada tomando velocidades superficiales mediante el método de flotador o con molinete si las condiciones de la corriente lo permiten.

• Si durante una medición se verifica que una planta acuática u otro objeto se ha enredado en

el molinete, ésta se debe repetir después de retirar el obstáculo. • Se debe tener siempre el cuidado de no amarrar o enrollar en torno al cuerpo ninguna

espira del cable conectado al molinete. En caso de un accidente esta práctica puede ser fatal.

Manual de Procedimientos Hidrométricos Capítulo 8, Aspectos Generales


• La división de la sección trasversal de aforo en verticales de medición comienza en un punto fijo de origen establecido de manera definitiva. En lo posible se utilizan siempre las mismas verticales para hacer comparables unos aforos con otros.

• Antes de utilizar el molinete se debe verificar el número de vueltas del rotor por señal.

Antes de iniciar a tomar o registrar el tiempo de medición se debe esperar 3 señales por lo menos, es decir, que la hélice del molinete dé 3 revoluciones, para así permitir al rotor del molinete ajustarse al régimen de velocidad de la corriente.

• Observando la tasa en la secuencia de las señales se puede determinar si la hélice gira

uniformemente. Si la secuencia es irregular, se debe establecer el origen de la anomalía, que puede deberse a obstáculos, al flujo o a falla del instrumento. Al existir obstáculos al flujo, la medición se debe prolongar y eventualmente repetir en un punto próximo. Si se detectan velocidades negativas se deja constancia de este hecho, delimitando la zona donde esto ocurre.

• Se debe tener en cuenta la incertidumbre que se genera en la toma de los datos en campo

para la determinación del caudal. En el Anexo No. 6 se indica la manera de estimar este parámetro cuando se afora por el método de área – velocidad.

CAPITULO 9

DESCRIPCIÓN DEL SECTOR Y LA SECCIÓN TRANSVERSAL DE CADA UNA DE LAS ESTACIONES HIDROMÉTRICAS

Manual de Procedimientos Hidrométricos Capítulo 9, Descripción Sector y Sección Transversal


9 DESCRIPCION DEL SECTOR Y LA SECCION TRANSVERSAL DE CADA UNA DE LAS ESTACIONES HIDROMETRICAS

Como se ha mencionado en el desarrollo del manual, los sitios seleccionados para el establecimiento de estaciones permanentes de medición hidrométrica deben cumplir con una serie de requisitos relacionados con la forma del canal, tanto en planta como en perfil, que permitan la menor interferencia que sea posible sobre las líneas de corriente a las cuales se medirá su velocidad. Muy pocas veces se encontrará un lugar que satisfaga todos los criterios necesarios; por lo tanto, se deberá seleccionar aquel que más convenga de acuerdo con los recursos disponibles. Es muy común encontrar estaciones hidrométricas establecidas sobre puentes, dadas las ventajas o facilidades que ofrecen estas estructuras para la realización del aforo, tales como: el fácil acceso al sitio, el soporte seguro para las maniobras con el equipo y, en algunos casos, la minimización del riesgo del personal técnico operativo durante la medición de caudales altos. Sin embargo, una sección sobre un puente puede no ser la mejor desde el punto de vista de la calidad de los datos que se toman en ella. Las condiciones locales impuestas al flujo por la estructura debido a la presencia de pilas sobre el lecho, en unos casos, o los estribos del mismo coincidiendo con el límite del canal en otros, ocasionan interferencia a las líneas de corriente o remansos que alteran las condiciones hidrodinámicas naturales y dificultan la obtención de un dato de velocidad representativo. Los aforos desde tarabitas, aunque son un poco más dispendiosos desde el punto de vista operativo; ofrecen mejores condiciones para la medición, por cuanto garantiza una sección transversal de aforos no intervenida, por lo cual las condiciones del flujo no se alteran. En 12 estaciones de la red hidrométrica sobre el Río Cauca se mide el caudal, en 5 de ellas (Pan de Azúcar, Suárez, La Balsa, Tablanca y Mediacanoa) el aforo se realiza desde tarabita y en las 7 restantes ( La Bolsa, Hormiguero, Juanchito, Paso de la Torre, Guayabal, La Victoria y Anacaro) se hace desde puentes. A continuación se hace una descripción de la ubicación en planta y en perfil de las estaciones de medición de caudales en el Río Cauca:



9.1 ESTACIÓN PAN DE AZÚCAR

Fotografía Aérea

Sección Transversal de Aforo - Tipo de Aforo: por suspensión desde tarabita - Descripción del sitio: Es una sección muy estable ubicada en un tramo relativamente

recto del río de aproximadamente 400 m con pendiente apreciable; 100 m aguas abajo de la estación desemboca el río Piendamó el cual podría para algunos caudales generar remansos que pueden afectar sensiblemente la mediciones (esta situación debe analizarse mas detenidamente).

(



9.2 ESTACIÓN SUÁREZ

Fotografía Aérea

Sección Transversal de Aforo

- Tipo de Aforo: por suspensión desde tarabita. - Descripción del Sitio: Está ubicada en un tramo relativamente recto de aproximadamente

650 m en el cual se presentan cambios bruscos de pendiente de fondo del río aguas arriba y abajo de la sección de medición, en donde como indicador de esta situación se observan islas. Por su cercanía a la represa de Salvajina los cambios de nivel durante los aforos son bastante pronunciados. La medición desde la tarabita es dispendiosa por el obstáculo que representa la antigua estructura de un puente peatonal sobre la cual se instaló la estación.



9.3 ESTACIÓN LA BALSA

Fotografía Aérea


- Tipo de Aforo: por suspensión desde tarabita. - Descripción del sitio: está ubicada a la salida de una curva del río bastante aguda, el

tramo recto después de ella no supera los 300 m. De acuerdo con la norma ISO 748, apartado 5.1, numeral a, la estación debería estar ubicada en el segundo tercio de este tramo en el sentido aguas abajo, lo cual no se cumple, la sección no transporta los caudales máximos ya que el talud izquierdo es bastante bajo, las líneas de corriente se concentran hacia la margen derecha por la forma de la sección y su ubicación en curva, aguas abajo de



la estación el río sufre un cambio brusco de pendiente, se observa una bifurcación (isla) lo cual puede para ciertos caudales generar distorsiones no deseables en el perfil hidráulico.

9.4 ESTACIÓN TABLANCA

Fotografía Aérea


- Tipo de Aforo: por suspensión desde tarabita. - Descripción del sitio: se encuentra en un tramo relativamente recto del río de

aproximadamente 450 m en un sector en donde aparentemente hay un control litológico, la sección es uniforme lo cual garantiza una distribución adecuada de las velocidades, sin embargo hay una expansión brusca aguas abajo que podría afectar las condiciones del flujo en la sección de aforo.



9.5 ESTACIÓN LA BOLSA

Fotografía Aérea

Sección Transversal de Aforo - Tipo de Aforo: por suspensión desde puente. - Descripción del sitio: se encuentra en un tramo relativamente recto de aproximadamente

430 m. El puente presenta dos pilas en el lecho del río que interfieren notablemente la medición de la velocidad ocasionando contraflujos y zonas muertas. Los estribos están protegidos por tablestacas en ambas márgenes estrechando la sección, situación que puede generar para ciertos caudales un remanso. La sección de aforo no es completamente



perpendicular al eje del canal. El aforo presenta un alto riesgo por la circulación de vehículos en el puente.

9.6 ESTACIÓN HORMIGUERO

Fotografía Aérea


- Tipo de Aforo: por suspensión desde puente. - Descripción del sitio: se encuentra ubicada en un tramo curvo. La sección no es uniforme

y las velocidades se concentran hacia la margen izquierda. El puente desde el cual se realiza el aforo presenta una pila sobre el lecho del río que afecta la medición de la velocidad (actualmente se construye un puente nuevo que no tendrá apoyos sobre el lecho, pero la pila del puente antiguo no será demolida). La margen izquierda está protegida con una tablestaca.



9.7 ESTACIÓN JUANCHITO

Fotografía Aérea

Sección Transversal de Aforo - Tipo de Aforo: por suspensión desde puente. - Descripción del sitio: se encuentra ubicada en un tramo curvo del río, sin embargo la

sección es relativamente uniforme. El puente no presenta pilas sobre el lecho. El aforo es de alto riesgo por la circulación de vehículos y las condiciones de inseguridad del sector. La caseta del limnígrafo ha sido desestabilizada por una estructura de descarga de aguas residuales que fue construida a su lado.



9.8 ESTACIÓN PASO DE LA TORRE

Fotografía Aérea

Sección Transversal de Aforo - Tipo de Aforo: por suspensión desde puente. - Descripción del sitio: se encuentra en un tramo recto de aproximadamente 930 m, la

sección es relativamente uniforme. El puente no tiene pilas en el lecho del río, el apoyo derecho limita la banca en esa margen, el puente tiene una pasarela para peatones lo cual facilita la realización del aforo y no presenta riesgo por circulación de vehículos.

(



9.9 ESTACIÓN MEDIACANOA

Fotografía Aérea


- Tipo de Aforo: por suspensión desde tarabita. - Descripción del sitio: se encuentra sobre un tramo relativamente recto de

aproximadamente 600 m, la sección es uniforme, sin embargo presenta procesos de erosión – sedimentación bastante fuertes entre aforos consecutivos, 100 m aguas arriba de la sección de aforos se encuentra el puente Mediacanoa el cual tiene dos pilas sobre el lecho del río, no se aprecia mayor interferencia sobre las líneas de corriente.



9.10 ESTACIÓN GUAYABAL

Fotografía Aérea


- Tipo de Aforo: por suspensión desde puente. - Descripción del sitio: se ubica en un tramo relativamente recto de aproximadamente 800

m. La sección es uniforme, pero el puente presenta una pila en el lecho del río que interfiere las líneas de corriente. La sección de aforo no es completamente perpendicular al eje del canal. El aforo presenta riesgo por la circulación de vehículos.



9.11 ESTACIÓN LA VICTORIA

Fotografía Aérea

Sección Transversal de Aforo - Tipo de Aforo: por suspensión desde puente. - Descripción del sitio: se ubica en un tramo recto de 540 m aproximadamente. La sección

es uniforme. El Puente no tiene pilas en el lecho del río, el aforo presenta riesgo por la circulación de vehículos.



9.12 ESTACIÓN ANACARO

Fotografía Aérea


- Tipo de Aforo: por suspensión desde puente. - Descripción del sitio: Se encuentra en un tramo recto de aproximadamente 1600 m. La

sección es uniforme. El Puente no tiene pilas en el lecho del río. El aforo presenta riesgo por la circulación de vehículos.

CAPITULO 10

RECOMENDACIONES

Manual de Procedimientos Hidrométricos Capítulo 10, Recomendaciones


10 RECOMENDACIONES El objeto de normalizar los procedimientos para la toma de registros hidrométricos en CVC está estrechamente relacionado con la necesidad de optimizar la calidad de la información de caudales y niveles de agua. Como se menciona en el Anexo No. 6 del presente informe “Aproximación al Error de Medición en las Estaciones Hidrométricas sobre el Río Cauca”, las fuentes de error durante el desarrollo de un aforo son de diferentes tipos y éste nunca podrá ser eliminado por completo. La mayor incertidumbre se genera en la medición de la velocidad, la cual se asocia principalmente a la ubicación del sitio de aforo y a los equipos de medición utilizados (molinetes). La aplicación de prácticas estandarizadas permite disminuir el error y estimar su orden de magnitud. En términos generales los procedimientos hidrométricos que actualmente desarrolla el Grupo de Oferta Ambiental de la CVC en el Río Cauca se encuentran ajustados a las normas vigentes. No obstante, algunos aspectos deben revisarse con el propósito de ajustarlos de mejor manera, ellos se relacionan principalmente con la ubicación de las estaciones, los instrumentos de medición y la naturaleza no permanente del flujo que se presenta con mayor intensidad en la zona sur del Departamento del Valle del Cauca. A continuación se tratan cada uno de estos puntos: 10.1 ASPECTOS RELACIONADOS CON LOS INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN

(MOLINETES) Debido a que el mayor porcentaje de error en la obtención de un caudal por el método área – velocidad proviene principalmente de la medición de estos dos parámetros, y en especial el último, la forma como se obtenga la velocidad influirá notoriamente en los resultados finales. Se sabe que la mayor fuente de incertidumbre en la medición de la velocidad se debe a los errores relacionados con la calibración de los molinetes (ISO 1088, 1985). Es importante tener en cuenta la procedencia de los molinetes ya que éstos de acuerdo con su tipo de fabricación pueden calibrarse de diferentes formas, así un molinete puede presentar una calibración individual la cual sólo aplica para ese equipo en particular; de otro modo, un fabricante puede suministrar una calibración en conjunto para un determinado tipo de molinete. De esta manera el mantenimiento y calibración de los equipos se puede programar adecuadamente teniendo en cuenta esta característica. 10.2 ASPECTOS RELACIONADOS CON LOS PROCEDIMIENTOS DE CAMPO En las estaciones de aforo de caudales, la curva de calibración Nivel – Caudal (H – Q) adquiere un papel muy importante ya que de ella depende la generación de casi el 100% de los datos de caudal que son reportados. De aquí la importancia de que la información que alimenta



dicha curva se obtenga con el menor error posible, además de contar con una estimación de la incertidumbre en la medición del caudal y con un nivel medio asociado que sea representativo. El tipo de aforo que realiza CVC corresponde al del método Área – Velocidad, bien sea por suspensión desde puente o tarabita ó por vadeo. De acuerdo con la norma internacional (ISO 748) se debe cumplir unas condiciones para realizar los aforos, de tal manera que se pueda minimizar el error en la medición. En el Cuadro No. 10.1 se presentan las exigencias de la norma ISO 748 comparadas con los actuales procedimientos realizados por CVC y las recomendaciones para ajustarse. Se hace claridad en que se mencionan sólo aquellos aspectos en los que no se está cumpliendo la norma o en las cuales se pueden hacer mejoras.



Cuadro No. 10.1 Normas vs. Procedimientos CVC, Recomendaciones

PROCEDIMIENTO NORMA ISO, OMM, IDEAM PROCEDIMIENTO CVC RECOMENDACIONES

Localización de Estaciones Ver Ítem No 2.2 Manual de procedimientos. Ver Capítulo No. 9

Se recomienda hacer un análisis de las condiciones locales expuestas en el Capítulo No. 9, profundizar en aquellos sitios que no presentan las mejores características. De acuerdo con la disponibilidad de recursos deberían implementarse secciones de aforo desde tarabita.

MANTENIMIENTO DE EQUIPOS

Equipos de registro

automático (limnígrafos)

Programar un mantenimiento periódico, ajuste, lubricación, control de carga, reemplazo de baterías, reparación, y reporte de fallas.

Se cuenta con un programa de mantenimiento, los técnicos aforadores realizan el chequeo de equipos al momento del aforo, solucionan problemas menores y se reportan mediante Formato A4, para que se programe la reparación si es del caso.

Centralizar en la ficha de la estación en el campo 3, las principales fallas presentadas en los equipos para hacer un seguimiento a su funcionamiento que ayude a tomar decisiones sobre su reemplazo. Usar el formato A4 “Inspección de Estaciones Hidrométricas” para registrar las fallas de los equipos.

Molinetes

Se debe hacer un mantenimiento continuo (lubricación, ajuste, secar y guardar adecuadamente después de cada uso). Se debe calibrar en sitios idóneos el equipo después de un determinado número de horas de uso o después de una reparación importante.

Se hace mantenimiento y lubricación, se chequea continuamente el funcionamiento del molinete. Se hace buen uso. No se tiene un programa periódico de seguimiento y calibración.

Iniciar un programa de seguimiento al funcionamiento del molinete que oriente su frecuencia de calibración. Se debe abrir una carpeta de archivo a cada uno de ellos en donde se incluya la información que hay disponible hasta el momento, calibrarlo e iniciar el registro de su operación (horas de uso, fallas, reparaciones, calibraciones, estimación del error, etc.)

Contadores Revisión periódica de su funcionamiento, chequeo de carga y reemplazo de baterías.

Se chequea correctamente su funcionamiento, se cambian las baterías de acuerdo con el seguimiento que hace el técnico.

Comprobar periódicamente el funcionamiento del contador tomando otro de referencia en iguales condiciones de medición. Por ejemplo: Medición de revoluciones en un canal de laboratorio con diferentes contadores y un mismo molinete. Tomar decisiones.

Malacates No especifica.

Se hace mantenimiento de engrase, ajuste y chequeo de continuidad con cierta frecuencia por parte del técnico aforador.

Se debe chequear o verificar si el contador está midiendo correctamente, para estar seguros que el desgaste de la piñonearía no afecte la medición. Por ejemplo: utilizar una distancia de referencia y medirla con el malacate. Tomar decisiones.




MANTENIMIENTO DE ESTRUCTURAS

Instalaciones en la estación

Programar el mantenimiento de las instalaciones físicas: enlucimiento, acceso y mantenimiento a los pozos del limnígrafo.

Se cuenta con el programa de mantenimiento de acuerdo con el reporte de los técnicos aforadores cuando visitan la estación.

Tarabita Chequear las condiciones físicas, tensión y estado del cable, canastilla y apoyos.

Se realiza el chequeo de las condiciones de seguridad durante cada aforo, si es del caso se reportan anomalías y se programa su solución.

PROCEDIMIENTOS DE AFORO Nota: se hace referencia sólo a aquellos en los cuales se pueden hacer mejoras, se aclara que la mayoría de ellos se encuentran ajustados a la norma.

Medición del ángulo de

arrastre

En todos los casos se debe medir el ángulo de arrastre; si este es mayor de 8° (IDEAM) se debe hacer corrección de la profundidad.

No se mide el ángulo de arrastre. Medir el ángulo de arrastre y anotarlo en el formato A1 celda A4, cuando se encuentran ángulos superiores a 8° el cálculo del caudal se hará en la oficina.

Medición de la altura de suspensión No especifica. No se mide la altura de suspensión.

Medir la altura de suspensión y anotar en el Formato A1 celda A5, esta información facilitará graficar la sección para cada aforo y analizar su cambio entre aforos consecutivos.

Medición de los niveles de agua durante el aforo

Cuando los cambios entre el nivel del agua inicial y final de aforo son superiores a 5 cm se debe hacer la medición del nivel del agua para cada vertical.

Sólo se miden el nivel inicial y final del aforo, no se mide para cada vertical.

Para las estaciones del sur del departamento del Valle del Cauca en donde los cambios de nivel son más bruscos, se recomienda leer la profundidad de flujo para cada una de las verticales y calcular el nivel medio de aforo de acuerdo con la norma ISO 748 o el Ítem 3.1 numeral 3 del manual de procedimientos.

Tiempo de medición de las revoluciones

De acuerdo con las condiciones de la corriente (velocidades) se puede programar el tiempo de exposición del molinete (a mayor velocidad menor tiempo y viceversa). En ningún caso podrá ser inferior a 60 segundos.

Se deja un tiempo de exposición del molinete a la corriente de 50 s, que es estándar para todos los aforos.

Se debe incrementar el tiempo de exposición a 60 s. Cuando las velocidades sean muy bajas en la sección este tiempo debe incrementarse de acuerdo con lo expuesto en el Cuadro No 3 del anexo No 4 del manual de procedimientos hidrométricos.




Cálculo preliminar del caudal No especifica. El cálculo del caudal se hace en campo.

Se debe hacer en oficina un chequeo del caudal calculado en campo mediante la implementación de una hoja electrónica que a su vez permita no sólo corregir posibles errores sino también archivar la información que se registre en el Formato A1 “Notas de aforo” la cual es importante para análisis posteriores. Por ejemplo: gráficas de la sección transversal asociadas a los aforos, procesos de erosión-sedimentación entre aforos consecutivos, etc. Nota: Cuando existan ángulos de arrastre superiores a 8° el cálculo será realizado en oficina.

Cálculo del nivel medio asociado al

aforo

Se debe calcular con la formula propuesta en el Ítem 3.1 numeral 3 del manual de procedimientos cuando la variación del nivel sea superior a 5 cm o al 5% de la profundidad media, el cálculo del caudal se basa en la medición del nivel para cada vertical.

El nivel medio reportado corresponde al promedio del valor inicial y final para todo el aforo.

El cálculo del nivel medio asociado al aforo se debe realizar de acuerdo a la fórmula propuesta en la norma ISO 748 o el Ítem 3.1 del manual de procedimientos.

FRECUENCIA DE AFOROS

Aforos líquidos

La frecuencia depende de la disponibilidad de recursos y obedece a un análisis de las condiciones propias de cada estación. Por ejemplo: estabilidad, necesidades de información, precisión etc. Mínimo se deben hacer 10 aforos al año.

La frecuencia se basa en la disponibilidad logística, no se tienen en cuenta las condiciones locales en cada estación. En promedio se realizan 10 aforos por estación en el año.

Se deben analizar las condiciones de estabilidad de la sección transversal en cada estación, podría disminuirse la frecuencia en las secciones más estables y aumentarse en las más inestables.

Aforos sólidos

Se programa de acuerdo con la disponibilidad de recursos de tal manera que se caracterice el arrastre de sedimentos asociados al caudal mediante ecuaciones. No se especifica la frecuencia.

No se tiene una frecuencia de aforos establecida, obedece a solicitudes particulares.

Se debe seleccionar estaciones claves en el Río Cauca y tributarios para el aforo de caudales sólidos para las cuales se tenga una frecuencia establecida de aforo. El número de aforos sólidos durante el año no debería ser menor a 4 (uno para cada condición hidrológica, 2 periodos secos y 2 periodos de lluvias anuales).




Aforos extraordinarios

Se deben realizar aforos extraordinarios cuando las condiciones de la corriente así lo exijan a fin de obtener datos de caudales extremos (máximos y mínimos) que alimenten la curva H - Q para la estación.

No se realizan aforos extraordinarios, la medición de caudales se hace de forma aleatoria y depende de la programación ya establecida.

Se deben programar campañas en condiciones de extremo verano o invierno. La decisión de aforar un caudal alto debe tener en cuenta las condiciones de seguridad del personal y equipo de acuerdo con lo expuesto en el capítulo 7 del manual de procedimientos.

Error en la medición

Se debe tener una estimación del error en la medición del caudal el cual debe ser publicado con el dato.

No se tiene la estimación del error.

Se deben seguir los procedimientos para calcular el error los cuales parten en primera instancia de la aplicación de las normas y del conocimiento de las condiciones reales de medición. Se debe establecer el patrón de medida para cada estación, el cual consiste en la ejecución de un aforo bajo condiciones estrictas de medición. Por ejemplo: Molinetes calibrados, muchas verticales, bastantes puntos de medición de velocidades por vertical, mayor tiempo de exposición del molinete etc. De tal manera que este aforo sirva como punto de referencia o de comparación para cuando se hacen aforos reducidos o comunes.

Muestreo del material del lecho y arrastre de

fondo

Se debe medir de acuerdo con las metodologías disponibles para ello. No especifica frecuencia.

No hay un programa de medición del arrastre de fondo ya que éste es complicado y obedece a estudios específicos, se ha hecho muestreo del material del lecho (2003) pero no obedece a una frecuencia establecida.

Debe muestrearse el material del lecho con la misma frecuencia que se propone para el muestreo del material en suspensión a aforos sólidos. Se debe analizar la metodología expuesta en el Ítem No 4.3 del manual de procedimientos. Se deben implementar campañas para la medición del arrastre de fondo.



10.3 OTRAS RECOMENDACIONES • El régimen hidrológico que impone al Río Cauca la operación de la represa Salvajina hace

que en la parte sur del departamento del Valle del Cauca se sienta con mayor intensidad la onda de crecida cuando se abren las compuertas para la generación de energía eléctrica, esta situación hace que cuando se programen aforos para las estaciones en esta zona (Suárez, la Balsa, Tablanca, La Bolsa) normalmente se observe que el nivel de agua esté subiendo o bajando; para este caso se presenta una situación de medición en condiciones no permanentes del flujo, lo cual aumenta las posibilidades de cometer errores sino se tienen en cuenta los procedimientos que se deben llevar a cabo en este tipo de situaciones. El caso anterior se asocia al fenómeno conocido como histéresis en donde para un caudal dado, se tendrá un nivel de agua menor cuando las aguas son ascendentes que cuando son descendentes.

Se recomienda el estudio de este fenómeno para las estaciones en donde se presenta con mayor intensidad, para ello sería necesario analizar la trayectoria de una onda de crecida mediante el aforo continuo sobre la sección y con un determinado número de molinetes de acuerdo con las condiciones físicas e hidrológicas de la onda que se desea medir.

Este tipo de medición proporciona la información necesaria para conocer el orden de magnitud de la diferencia entre caudales medidos cuando el nivel sube vs cuando el nivel baja, lo cual se traduce en mejor información para la elaboración de la curva de calibración para la estación.

Con anterioridad se ha propuesto el archivo digital de los datos que son consignados en el Formato A1 “Notas de aforo”, con el fin de hacer una revisión del cálculo del caudal que se realiza preliminarmente por parte de los técnicos aforadores. Esta información puede utilizarse para hacer un perfil de la sección transversal de aforo al momento de la medición, el cual puede compararse con perfiles anteriores que permitan analizar la intensidad de los procesos de erosión y sedimentación que, en ciertos casos, pueden llegar a afectar sensiblemente la validez de la curva de calibración.

• Cuando se grafican las secciones transversales correspondientes a una estación

hidrométrica en la cual se aprecian variaciones importantes del nivel del agua es necesario tener en cuenta que, dado que no se registra el nivel del agua en cada vertical, el gráfico obtenido no corresponde a la sección real (ver Figura No.10.1). Por ello es recomendable medir el nivel del agua en cada vertical.

Con el fin de disponer de una manera más rápida y eficiente de los niveles de agua asociados a cada vertical durante el aforo se recomienda la instalación de un limnímetro en la sección de aforo. Las estaciones Suárez, La Balsa, Juanchito, Paso de la Torre y Anacaro poseen limnígrafo solamente.



Figura No. 10.1 Sección transversal calculada con el nivel en cada vertical

∆ N

ivel

Nivel real

Nivel promedio

Cer

o de

mir

a 95

6.58

7 Sección calculada con

el nivel de cada vertical

Sección calculada con el nivel

medio

BIBLIOGRAFÍA

Manual de Procedimientos Hidrométricos Bibliografía


BIBLIOGRAFÍA

Buchanan, T y Somers, W. Tecniques o Water-Resources Investigations of to United Estates Geological Survey. 1976. US Geological Survey. United States Government printing office, Washington. Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales IDEAM. 1999. Mediciones hidrométricas. Documento preliminar. Santa fe de Bogotá. Colombia. Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales IDEAM. 2004. Guía de monitoreo y seguimiento del agua. Santa fe de Bogotá. Colombia. ISO 748 Measurement of liquid flow in open channels – velocity – area methods. 1997 Milligan, C. Apuntes de conferencias sobre hidrología. 1970. Centro interamericano de desarrollo Integral de Tierras y Aguas CIDIAT. Mérida. Venezuela. III – 1 – III. Organización Meteorológica Mundial OMM. 1994. Guía de Prácticas Hidrológicas. Quinta edición. Servicio Colombiano de Hidrología y Meteorología SCMH. 1969. Publicación periódica 3. Santa fe de Bogotá. Colombia. Servicio Colombiano de Hidrología y Meteorología SCMH. 1969. Instalaciones para mediciones. de niveles o alturas de aguas (instrucciones técnicas). Santa fe de Bogotá. Colombia. Vera H, Luis. Análisis de aforo de la estación hidrométrica Obrajillo, período 2000 – 2001. 2002. Informe profesional. Lima, Perú.

GLOSARIO

Manual de Procedimientos Hidrométricos Glosario


GLOSARIO

A continuación se definen los términos más relevantes que se manejan en el documento, cuyo conocimiento claro y preciso es de vital importancia para la comprensión del mismo. • Abscisado: sistema de referencia establecido en una sección transversal de un cauce que

permite definir las distancias horizontales sobre las cuales se realiza la medición de parámetros de interés.

• Aforador: persona encargada de llevar a cabo un aforo. • Aforo: conjunto de operaciones realizadas con el propósito de medir el caudal de una

corriente superficial para un nivel determinado. Uno de los principales objetivos que se tiene al realizar un aforo es correlacionar los datos obtenidos de niveles y caudales mediante una curva de calibración.

• Ángulo de arrastre: ángulo que se forma entre la vertical y el cable que sujeta el equipo

hidrométrico durante la ejecución de un aforo por suspensión. En algunos documentos se denomina ángulo de deriva.

• Batimetría: proceso mediante el cual se miden las profundidades de corrientes

superficiales para determinar la topografía del fondo. Actualmente las mediciones son realizadas por GPS diferencial para una posición exacta y con ecosondas mono o multifrecuencia.

• Contador de revoluciones: instrumento que permite determinar el número de

revoluciones dadas por la hélice de un molinete. • Caudal: cantidad de agua que fluye a través de una sección transversal expresada en

unidades de volumen por unidad de tiempo. • Curva de calibración: representación gráfica de niveles de agua y caudales por medio de

la cual se define la relación existente entre estas variables. Se utiliza para generar datos de caudales diarios a partir de lecturas de nivel de agua sin tener que realizar el aforo.

• Estación hidrométrica: lugar fijo en una sección de un río donde se realizan un conjunto

de operaciones que permiten determinar el caudal circulante en un momento y tiempo determinados.

• Escandallo o lastre: pieza utilizada en la ejecución de aforos por suspensión cuyo

objetivo es evitar que la corriente arrastre el equipo hidrométrico, de tal manera que éste conserve su verticalidad.

• Flotador: elemento natural o artificial que está en condiciones de flotar y ser arrastrado

por las aguas de manera parcial o totalmente sumergido en ellas.



• Línea de aire: distancia existente entre el punto terminal del cable del malacate y el extremo del lastre. Se mide una sola vez al inicio de un aforo por suspensión.

• Limnígrafo: instrumento que permite el registro continúo de los niveles de agua

presentados por una corriente. Consta de tres componentes básicos que son un elemento sensible (flotador o manómetro), un sistema que traduce a escala y registra los niveles y un mecanismo de relojería que proporciona una escala de tiempo.

• Limnímetro: instrumento que consta de una mira graduada en centímetros la cual permite

el registro puntual de los niveles de agua presentados por una corriente. requiere de un observador que haga las lecturas a unas horas determinadas con base en los requerimientos de información.

• Malacate: máquina a manera cabrestante que tiene el tambor en lo alto y debajo las

palancas a las que se enganchan las caballerías que lo mueven. Se emplea para subir y bajar el equipo hidrométrico durante la realización de un aforo por suspensión.

• Mantenimiento de equipos: conjunto de labores que se realizan a los instrumentos de

medición con el objetivo de garantizar su normal funcionamiento, de tal modo que los datos tomados con ellos sean confiables.

• Molinete o correntómetro: instrumento de precisión que mide la velocidad del agua en

los puntos de medición de una sección de control. Existe variedad de tipos de molinete de eje vertical y de eje horizontal, en este último el elemento móvil es una hélice.

• Nivel: elevación de la superficie del agua por encima o por debajo de algún indicador, el

cual debe estar “amarrado” a un sistema de referencia fijo preestablecido. Hay varias formas de medir el nivel, incluyendo el uso de escalas hidrométricas o limnímetros (más utilizados en la actualidad), cadenas, cintas, etc.

• Observador: persona encargada de llevar a cabo el registro de datos en una estación

hidrométrica. • Programación de aforos: establecimiento de fechas para la realización de aforos basada

en una serie de criterios como puede ser necesidad de información, disponibilidad de equipos y recursos económicos, disponibilidad de técnicos de campo, etc.

• Remanso: aumento gradual y continuo (en un tramo determinado) en la profundidad de

flujo de una corriente por acción de ciertos fenómenos como las mareas altas (en ríos que desembocan en el mar), la reducción de la sección transversal en un punto del río (el remanso se produce en este caso para caudales altos), la desembocadura de ríos tributarios en dirección normal al principal, etc.

• Sección transversal: corte producido en un punto de un cauce por medio de un plano

vertical perpendicular a la dirección del flujo. El establecimiento de secciones



transversales en las corrientes se emplea para la realización de aforos líquidos y sólidos, medición de parámetros de calidad de agua, medida de niveles, etc.

• Tarabita: estructura que se utiliza para realizar aforos por suspensión en ríos. Consta de

un par de columnas sobre las cuales se tiende un cable (amarrado en sus extremos) el cual permite el desplazamiento tanto de equipos como de personal técnico sobre la sección de medición.

• Tirante: valor de la profundidad de flujo en un canal o río, es decir, la distancia que existe

entre la superficie libre del agua y el lecho. • Trazador: sustancia que incorporada a un proceso físico o químico permite estudiar su

comportamiento y evolución. • Vadeo: método de aforo aplicado en ríos pequeños y medianos en las cuales el técnico

aforador entra en la corriente y determina de manera directa las profundidades y velocidades de flujo para luego calcular el caudal.

• Vertical: línea imaginaria ubicada sobre una sección transversal de un río que sirve de

apoyo para la realización de mediciones hidrométricas.

ANEXOS 1 FORMATOS DE REGISTRO DE DATOS 2 CONSIDERACIONES GENERALES SOBRE EL

MANTENIMIENTO DE ESTACIONES HIDROMÉTRICAS

3 MÉTODOS GRÁFICOS PARA EL CÁLCULO DEL

CAUDAL LÍQUIDO 4 EJEMPLO DE CÁLCULO DEL CAUDAL MEDIANTE

UN VERTEDERO 5 TABLAS MUESTREADORES INTEGRADORES 6 APROXIMACIÓN AL CÁLCULO DEL ERROR EN LA

DETERMINACIÓN DEL CAUDAL EN LAS ESTACIONES HIDROMÉTRICAS DEL RÍO CAUCA

ANEXO No. 1

FORMATOS DE REGISTRO DE DATOS

Manual de Procedimientos Hidrométricos Anexo No. 1

Corporación Autónoma Regional del Valle del Cauca - CVC Universidad del Valle A1.1

Formato A2 para Registro de Datos de Aforo por Flotadores

CORPORACIÓN AUTÓNOMA REGIONAL DEL VALLE DEL CAUCA

SUBDIRECCIÓN DE CONOCIMIENTO AMBIENTAL TERRITORIAL COAT GRUPO DE OFERTA AMBIENTAL

REGISTRO DE DATOS DE CAMPO PARA AFOROS POR EL MÉTODO DE FLOTADORES

Fecha _____________________________________ Hora ______________________________________ Aforadores_________________________________ Corriente __________________________________ Distancia entre secciones de aforo_______________

No. Repeticiones Tiempo empleado en recorrer distancia entre secciones para el aforo (s)

Tiempo promedio (s)

Velocidad media t/l (m/s)

Área Sección Transversal (m2)

Caudal (m3/s)

Observaciones:



Formato A3 para Registro de datos de Aforo Mediante Estructuras

CORPORACIÓN AUTÓNOMA REGIONAL DEL VALLE DEL CAUCA

SUBDIRECCIÓN DE CONOCIMIENTO AMBIENTAL TERRITORIAL COAT

GRUPO DE OFERTA AMBIENTAL

REGISTRO DE DATOS DE CAMPO PARA AFOROS MEDIANTE ESTRUCTURAS

HIDRÁULICAS

Fecha _______________________________________ Hora________________________________________ Aforadores ___________________________________ Corriente_____________________________________ Estructura Utilizada ____________________________ Ecuación de la estructura ________________________

No. Lectura Lectura Reglilla (cm) Caudal (l/s)

Observaciones:



Formato A4 para Inspección de Estaciones Hidrométricas

CORPORACIÓN AUTÓNOMA REGIONAL DEL VALLE DEL CAUCA SUBDIRECCIÓN DE CONOCIMIENTO AMBIENTAL COAT GRUPO DE OFERTA AMBIENTAL

INSPECCIÓN DE ESTACIONES HIDROMÉTRICAS

NOMBRE: CORRIENTE: CUENCA: CÓDIGO: MUNICIPIO: DEPTO: NOMBRE DEL OBSERVADOR:

COMPLETAS INCOMPLETAS

PAGO HASTA SE LE DEBEN

DUDOSAS ANOTACIONES

EN LA LIBRETA FALSAS

INFORMACIÓN RETIRADA DESDE: HASTA:

FALTA INSTRUCCIÓN AL OBSERVADOR

EXISTENCIA DE PAPELERÍA

AUSENCIA TEMPORAL DEL OBSERVADOR

NOMBRE CANTIDAD DURACIÓN

LIBRETA DAÑOS EN LAS MIRAS LÁPIZ

CAUSAS QUE MOTIVAN LAS FALLAS EN LAS ANOTACIONES

DIFICULTAD EN EL ACCESO A LA LECTURA

PAPEL CARBÓN

LIMNÌMETRO PRINCIPAL TRABAJOS EFECTUADOS CERO DE MIRA DESCRIPCIÓN SI NO DESCRIPCIÓN COTA DEL BM LAVADO Y PINTURA SE REPARÓ TRAMO DE TRAMO DE NIVELACIÓN SE RETIRÓ TRAMO DE LECTURA DE MIRA AJUSTE AL CERO DE MIRA SE REAJUSTÓ TRAMO DE CAMBIO DEL CERO DE MIRA SE TRASLADÓ TRAMO DE

LIMNÌGRAFO INSTALACIÓN LIMNIGRÀFICA MARCA ESCALA H PAPEL DE REGISTRO MODELO ESCALA V REFERENCIA No. BORDE DURACIÓN TIPO DE INSTALACIÓN LIMNIGRÀFICA LECTURA EN EL LMNÌGRAFO

INFORMACIÓN RETIRADA CALIDAD DE LA INFORMACIÓN DESDE HASTA BUENA REGULAR MALA

CAUSAS DEL MAL FUNCIONAMIENTO TRABAJOS EFECTUADOS FALLA EN EL SISTEMA DE INSCRIPCIÓN CAMBIO O LAVADO DE PLUMILLA RETIRO LIMNÌGRAFO FALTA DE TINTA SE DEJÓ TINTA EN LA PLUMILLA REEMPLAZO LIMNÌGRAFO FALLA EN EL SISTEMA DE RELOJERÍA ENGRASE Y/O CALIBRACIÓN DE PIÑONERÌA REINSTALÓ LIMNÌGRAFO PÉRDIDA DEL CABLE FLOTADOR-PESA SE REPUSO CABLE Y/O FLOTADOR-PESA CAMBIO TUBERÍA RELOJ PARADO CUERDA AL SISTEMA DE RELOJERÍA REPARO POZO POZO O TUBERÍA TAPADO LAVADO DE POZO Y/O TUBERÍA PAPEL DE REGISTRO ACABADO SE COLOCÓ ROLLO NUEVO INVERSIÓN DEL REGISTRO CAMBIO DE BORDE OTROS OTROS INSTALACIÓN DE AFOROS – TRABAJOS EFECTUADOS

MEDICIONES EFECTUADAS DESCRIPCIÓN TOTAL MÉTODO INSTRUMENTO USADO AFOROS LÍQUIDOS MUESTREO DE SEDIMENTOS EN SUSPENSIÓN MUESTREO DE SEDIMENTOS DE FONDO HIDROTOPOGRAFÌA SECCIÓN TRANSVERSAL SI NO MEDIDA DE LA PENDIENTE HIDRÁULICA SI NO

OBSERVACIONES GENERALES HORA DE LA INSPECCIÓN

Comienzo_________ Fin_______ FECHA

_____________

(firma inspector)

(firma observador)

Original: sección hidroclimatologìa CVC Copia: observador



Formato A5 para Registro Diario de Lecturas de Mira

CORPORACIÓN AUTÓNOMA REGIONAL DEL VALLE DEL CAUCA SUBDIRECCIÓN DE CONOCIMIENTO AMBIENTAL TERRITORIAL COAT

GRUPO DE OFERTA AMBIENTAL REGISTRO DIARIO DE LECTURAS DE MIRA

Río _______________________________________________ Estación ___________________________________________________ Observador ________________________________________ Código ____________________________________________________ Municipio _________________________________________ Departamento _______________________________________________ Cuenca Hidrográfica ________________________________________________________ Fecha _______________________________

LECTURA DE MIRA MEDIDA A LAS Día 06 12 18

PROMEDIO DIARIO

NIVEL MÁXIMO HORA OBSERVACIONES

1 2 3 4 5 6 7 8 9

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31

CERO MIRA BM TRAMO DE

LIMNÍMETRO PRINCIPAL

LIMNÌMETRO AUXILIAR

NIVEL MÁXIMO MENSUAL: __________

NIVEL MÍNIMO MENSUAL: ___________

NIVEL PROMEDIO MENSUAL: ________



Formato A6 para Registro de Datos de Aforos Sólidos

CORPORACIÓN AUTÓNOMA REGIONAL DEL VALLE DEL CAUCA SUBDIRECCIÓN DE CONOCIMIENTO AMBIENTAL TERRITORIAL COAT

GRUPO DE OFERTA AMBIENTAL REGISTRO DE DATOS DE CAMPO PARA AFOROS SÓLIDOS

Estación ______________________________

Código _______________________________

Fecha_________________________________

Aforadores ____________________________

Hora _________________________________

Muestreador____________________________

Tipo de muestreo________________________

Verticales muestreadas ___________________

Caudal_______________

Observaciones:

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

ANEXO No. 2 CONSIDERACIONES GENERALES SOBRE EL MANTENIMIENTO DE ESTACIONES

HIDROMÉTRICAS

Manual de Procedimientos Hidrométricos Anexo No. 2, Mantenimiento de Estaciones


ANEXO No. 2 CONSIDERACIONES GENERALES SOBRE EL MANTENIMIENTO DE ESTACIONES HIDROMÉTRICAS

Diferentes actividades de mantenimiento deben ser realizadas en las estaciones hidrométricas a intervalos de tiempo determinados para garantizar la calidad de la información que se registra. Estas labores deben ser efectuadas principalmente por los técnicos y observadores encargados de los sitios. En todas las estaciones de recopilación de datos se deben llevar a cabo las siguientes acciones: • Dar mantenimiento adecuado a los instrumentos

• Reemplazar o mejorar los instrumentos, según proceda • Recuperar o grabar las observaciones • Controlar los registros efectuados • Controlar todo el equipo anexo (por ejemplo, líneas de transmisión, etc.) • Controlar y mantener el sitio de acuerdo con las especificaciones recomendadas • Controlar y mantener el acceso a la estación • Registrar todas las actividades anteriores • Comentar y registrar los cambios en el uso del suelo o de la vegetación • Limpiar los escombros y la vegetación que se hallen en la estación o cerca a ella. Para las estaciones de medición de caudales se debe realizar las siguientes actividades: • Controlar y efectuar el servicio a los aparatos de medición de flujo • Controlar y reparar las estructuras de control • Hacer estudios relativos a las condiciones que predominan en determinado momento y

fotografiar los principales cambios en el sector de la estación después de la ocurrencia de fenómenos importantes como crecientes y deslizamientos y de cambios en la vegetación o en el uso del suelo

• Registrar, por escrito, todas las actividades anteriores y sus resultados

Manual de Procedimientos Hidrométricos Anexo No. 2, Mantenimiento de Estaciones


• Inspeccionar el terreno en los alrededores de la estación y registrar cualquier cambio importante del uso del suelo o de las características hidrológicas

En el Anexo No. 1 se incluye el formato de inspección de estaciones hidrométricas utilizado por el personal de la CVC.

ANEXO No. 3

MÉTODOS GRÁFICOS PARA EL CÁLCULO DEL CAUDAL LÍQUIDO

Manual de Procedimientos Hidrométricos Anexo No 3, Métodos Gráficos Cálculo del Caudal


ANEXO No. 3 METODOS GRAFICOS PARA EL CALCULO DEL CAUDAL LIQUIDO

A3.1 METODO DE INTEGRACION DE LA CURVA PROFUNDIDAD – VELOCIDAD Las lecturas de velocidad registradas para cada vertical se dibujan contra la profundidad como se muestra en la Figura No. A3.1. El área bajo la curva de velocidad para una vertical dada representa el caudal por unidad de ancho para la sección correspondiente. Cuando sea necesario, las curvas de velocidad se pueden extrapolar a la superficie y el fondo.

Figura No. A3.1 Perfil de Velocidades en la Estación Suárez, Vertical 24 Una estimación del caudal por unidad de ancho para esta zona se puede obtener de la ecuación:

3hV

2q fmu

×= (A3.1)

Donde qu = caudal por unidad de ancho sobre la zona de medición (m3/s*m) vm = velocidad media para la parte medida de la vertical (m/s) hf = profundidad de la zona no medida (m) De manera similar, el caudal por unidad de ancho para la zona cercana a la superficie donde no se pudo medir se obtiene de la ecuación:

902

.hVq sm

s

×= (A3.2)

y = -0.3409x3 + 1.884x2 - 4.3433x + 7.297 R2 = 0.9964

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

1.9 2.1 2.3 2.5 2.7 2.9 3.1 3.3 3.5 3.7 3.9Velocidad (m/s)

Prof

undi

dad

(m)



donde

qs = caudal por unidad de ancho sobre la zona no medida (m3/s*m) hs = profundidad de la zona no medida (m) Los equipos de medición se deben seleccionar adecuadamente para disminuir la profundidad de las zonas no medidas. Los valores del caudal por unidad de ancho ( d*v ) se dibujan en la parte superior del diagrama (Figura No. A3.2) y al unirlos se forma una curva continua. El área entre la curva y la línea que representa el nivel del agua corresponde al caudal total en la sección.

Figura No. A3.2 Cálculo del Caudal para mediciones con molinetes, método de Integración de la curva Profundidad – Velocidad, Sección de Aforo Estación Suárez

En el caso de mediciones de velocidad por los métodos de integración o puntos reducidos, el caudal por unidad de ancho en cada vertical se obtiene directamente como el producto de la velocidad media v y la profundidad correspondiente d. Cuando las mediciones de velocidad no se realizan en las mismas verticales donde se mide la profundidad, la curva de v se dibuja a través del ancho de la corriente y el valor de v corresponde a las verticales donde se hicieron las mediciones de profundidad tomando para el dibujo la curva de d*v .

BdvQodbqQ iii Δ∫ ∑== (A3.3)

donde

Q = caudal total (m3/s);

1.

2.

3.

4.

5.

3.

6.

9.

12

15

3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54 57 60 63 66 69 72 75 78 81 84 87 90 93

v * d

v

d

v

B



iv = velocidad promedio del segmento (m/s); id = profundidad del segmento (m);

ΔB = incremento del ancho (m).

A3.2 MÉTODO DE LAS CURVAS DE IGUAL VELOCIDAD O ISÓTACAS Se basa en las curvas de distribución de velocidad en las verticales. Se elabora un diagrama de distribución de velocidades en la sección transversal y se trazan las curvas de igual velocidad (Figura No. A3.3). Se miden las áreas delimitadas entre isótacas sucesivas y el valor obtenido se traza en otro diagrama (Figura No. A3.4) en el que las ordenadas indican la velocidad y las abscisas el área correspondiente. La superficie delimitada por la curva área–velocidad representa el caudal en la sección transversal.

Figura No. A3.3 Distribución de Velocidades para un Caudal de 370 m3/s y un Nivel de mira auxiliar de 0.75 m, Estación Suárez, Río Cauca

3. 6. 9. 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54 57 60 63 66 69 72 75 78 81 84 87 90 93

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10

3.7 3.2

2.2

0.2 1.2



Figura No. A3.4 Curva Área – Velocidad para determinar el Caudal Total en la Sección Transversal

0.00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.56.06.5

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300

Area m2

Vel

ocid

ad m

/s

ΔQ = v ΔA

ΔA

ANEXO No. 4

EJEMPLO DE CÁLCULO DEL CAUDAL MEDIANTE UN VERTEDERO

Manual de Procedimientos Hidrométricos Anexo No.4, Cálculo del Caudal con Vertedero


ANEXO No. 4 EJEMPLO DE CALCULO DEL CAUDAL MEDIANTE UN VERTEDERO

El cálculo del caudal mediante el uso de estructuras se realiza aplicando ecuaciones que se han establecido para cada una de ellas por medio de procedimientos de calibración previa o tablas desarrolladas en igual forma. A continuación se describe la manera de determinar el caudal utilizando un vertedero triangular de cresta delgada con ángulo de escotadura de 90º (Figura No. A4.1), cuyas dimensiones se muestran en el Cuadro No. A4.1.

Figura No. A4.1 Vertedero Triangular de cresta delgada con Ángulo de Escotadura de 90

Cuadro No. A4.1 Dimensiones típicas de Vertedero Triangular de cresta delgada con

Ángulo de Escotadura de 90 º *Todas las dimensiones están en m La ecuación para calcular el caudal en función del nivel utilizando un vertedero como el que se ha descrito es:

5.2hCQ = (A4.1) donde: Q = caudal en pie3/s o m3/s C = coeficiente de descarga h = nivel medido en la reglilla en pies o m.

Dimensión* Z h a L A Grande 0.53 0.30 0.23 1.22 0.30 Mediana 0.38 0.24 0.14 0.91 0.21 Pequeña 0.23 0.14 0.08 0.61 0.16

A90

L

Z

Var

a de

med

ició

n h

a

Manual de Procedimientos Hidrométricos Anexo No.4, Cálculo del Caudal con Vertedero


El valor de C para cada vertedero debe ser evaluado previamente en un laboratorio de hidráulica mediante mediciones volumétricas del caudal para diferentes valores del nivel (h). Si no es posible hacer esto, se puede utilizar un valor de 2.47 para C cuando se emplean unidades inglesas y 1.36 cuando se trabaja en unidades métricas. Para medir el caudal por medio de un vertedero se pueden hacer varias lecturas del nivel a intervalos de tiempo definidos (por ejemplo, cada tres minutos durante media hora) y luego promediar estos valores para introducir este dato en la ecuación. Ejemplo de cálculo: Calcular el caudal que circula por un vertedero triangular de cresta delgada y ángulo de escotadura de 90° si el promedio de lecturas de nivel aguas arriba del vertedero es de 0.25 m. Solución: Aplicando la ecuación (A4.1) se tiene:

( ) smQ 35.2 0425.025.036.1 == Se emplea el valor de C = 1.36 dado que el dato del nivel del agua (leído en la reglilla) se encuentra expresado en unidades métricas.

ANEXO No. 5

TABLAS MUESTREADORES INTEGRADORES

Manual de Procedimientos Hidrométricos Anexo No 5, Tablas Muestreadores Integradores


ANEXO No. 5 TABLAS MUESTREADORES INTEGRADORES



TABLAS DE TIEMPO (en segundos) EN FUNCION DE LA VELOCIDAD (m/s) PARA SACAR MUESTRAS Boquilla de 3/16"

Velocidad m/s 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0,2 107,5 102,5 98,0 93,5 89,5 86,0 82,5 79,5 77,0 74,0 0,3 71,5 68,5 67,0 65,0 63,0 61,5 59,5 58,0 56,5 55,0 0,4 54,0 52,5 51,0 50,0 49,0 48,0 47,0 45,5 45,0 44,0 0,5 43,0 42,0 41,5 40,5 40,0 39,0 38,5 38,0 37,0 36,5 0,6 36,0 35,5 35,0 34,0 33,5 33,0 32,5 32,0 31,5 31,0 0,7 31,0 30,5 30,0 29,5 29,0 28,5 28,5 28,0 27,5 27,0 0,8 27,0 26,5 26,0 26,0 25,5 25,5 25,0 25,0 24,5 24,0 0,9 24,0 23,5 23,5 23,0 23,0 22,5 22,5 22,0 22,0 21,5 1,0 21,5 21,5 21,0 21,0 20,5 20,5 20,0 20,0 20,0 19,5 1,1 19,5 19,5 19,0 19,0 19,0 18,5 18,5 18,0 18,0 18,0 1,2 18,0 18,0 17,5 17,5 17,5 17,0 17,0 17,0 17,0 16,5 1,3 16,5 16,5 16,5 16,0 16,0 16,0 16,0 15,5 15,5 15,5 1,4 15,5 15,5 15,0 15,0 15,0 15,0 14,5 14,5 14,5 14,5 1,5 14,5 14,0 14,0 14,0 14,0 14,0 14,0 13,5 13,5 13,5 1,6 13,5 13,5 13,5 13,0 13,0 13,0 13,0 13,0 13,0 13,0 1,7 12,5 12,5 125,0 12,5 12,5 12,5 12,5 12,5 12,5 12,5 1,8 12,0 12,0 12,0 11,5 11,5 11,5 11,5 11,5 11,5 11,5 1,9 11,5 11,5 11,0 11,0 11,0 11,0 11,0 11,0 11,0 11,0 2,0 11,0 10,5 10,5 10,5 10,5 10,5 10,5 10,5 10,5 10,5 2,1 10,0 10,0 10,0 10,0 10,0 10,0 10,0 10,0 10,0 10,0 2,2 10,0 90,5 9,5 9,5 9,5 9,5 9,5 9,5 9,5 9,5 2,3 9,5 90,5 9,5 9,0 9,0 9,0 9,0 9,0 9,0 9,0 2,4 9,0 9,0 9,0 9,0 9,0 8,5 8,5 8,5 8,5 8,5 2,5 8,5 8,5 8,5 8,5 8,5 8,5 8,5 8,5 8,5 8,5 2,6 8,5 8,0 8,0 8,0 8,0 8,0 8,0 8,0 8,0 8,0 2,7 8,0 8,0 8,0 8,0 8,0 8,0 8,0 7,5 7,5 7,5 2,8 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 2,9 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,0 7,0 7,0 3,0 7,0

TABLAS DE TIEMPO (en segundos) EN FUNCIÓN DE LA VELOCIDAD (m/s) PARA SACAR MUESTRAS



Boquilla de 1/4" Velocidad m/s 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

0,2 61,0 58,0 55,5 53,0 51,0 49,0 47,0 45,0 43,5 42,0 0,3 40,5 39,5 38,0 37,0 36,0 35,0 34,0 33,0 32,0 31,0 0,4 30,5 30,0 29,0 28,5 28,0 27,0 26,5 26,0 25,5 25,0 0,5 24,5 24,0 23,5 23,0 22,5 22,0 22,0 21,5 21,0 21,0 0,6 20,5 20,0 19,5 19,5 19,0 19,0 18,5 18,0 18,0 17,5 0,7 17,5 17,0 17,0 16,5 16,5 16,5 16,0 16,0 15,5 15,5 0,8 15,5 15,0 15,0 14,5 14,5 14,5 14,0 14,0 14,0 13,5 0,9 13,5 13,5 13,5 13,0 13,0 13,0 12,5 12,5 12,5 12,5 1,0 12,0 12,0 12,0 12,0 11,5 11,5 11,5 11,5 11,5 11,0 1,1 11,0 11,0 11,0 11,0 10,5 10,5 10,5 10,5 10,5 10,0 1,2 10,0 10,0 10,0 10,0 10,0 10,0 9,5 9,5 9,5 9,5 1,3 9,5 9,5 9,5 9,0 9,0 9,0 9,0 9,0 9,0 9,0 1,4 8,5 8,5 8,5 8,5 8,5 8,5 8,5 8,5 8,0 8,0 1,5 8,0 8,0 8,0 8,0 8,0 8,0 8,0 8,0 7,5 7,5 1,6 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,0 1,7 7,0 7,0 7,0 7,0 7,0 7,0 7,0 7,0 7,0 7,0 1,8 6,5 6,5 6,5 6,5 6,5 6,5 6,5 6,5 6,5 6,5 1,9 6,5 6,5 6,5 6,5 6,5 6,5 6,0 6,0 6,0 6,0 2,0 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 6,0 2,1 6,0 6,0 6,0 6,0 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 2,2 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 2,3 5,5 5,5 5,5 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 2,4 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 2,5 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 4,5 4,5 4,5 2,6 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 2,7 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 2,8 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,0 4,0 4,0 2,9 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 3,0 4,0

TABLAS DE TIEMPO (en segundos) EN FUNCIÓN DE LA VELOCIDAD (m/s) PARA SACAR MUESTRAS Boquilla de 1/8"



Velocidad m/s 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0,3 163,5 158,0 153,0 148,5 144,5 140,0 136,0 13,3 129,0 126,0 0,4 122,5 119,5 117,0 114,0 111,5 109,0 106,5 104,5 102,0 100,0 0,5 98,0 96,0 94,5 92,5 91,0 89,0 87,5 86,0 84,5 83,0 0,6 81,5 80,5 79,0 78,0 76,5 75,5 74,5 73,0 72,0 71,0 0,7 70,0 69,0 68,0 67,0 66,5 65,5 64,5 63,5 63,0 62,0 0,8 61,5 60,5 60,0 59,0 58,5 57,5 57,0 56,5 55,5 55,0 0,9 54,5 54,0 53,5 52,5 52,0 51,5 51,0 50,5 50,0 49,5 1,0 49,5 48,5 48,0 47,5 47,0 46,5 46,0 46,0 45,5 45,0 1,1 44,5 44,0 44,0 43,5 43,0 42,5 42,0 42,0 41,5 41,0 1,2 41,0 40,5 40,0 40,0 39,5 39,0 39,0 38,5 38,0 38,0 1,3 37,5 37,5 37,0 37,0 36,5 36,5 36,0 36,0 35,5 35,5 1,4 35,0 35,0 34,5 34,5 34,0 34,0 33,5 33,5 33,0 33,0 1,5 32,5 32,5 32,0 32,0 32,0 31,5 31,5 31,0 31,0 31,0 1,6 30,5 30,5 30,5 30,0 30,0 30,0 29,5 29,5 29,0 29,0 1,7 29,0 28,5 28,5 28,5 28,0 28,0 28,0 27,5 27,5 27,5 1,8 27,0 27,0 27,0 27,0 26,5 26,5 26,5 26,0 26,0 26,0 1,9 26,0 25,5 25,5 25,5 25,0 25,0 25,0 25,0 25,0 24,5 2,0 24,5 24,5 24,0 24,0 24,0 24,0 24,0 24,0 23,5 23,5 2,1 23,5 23,0 23,0 23,0 23,0 23,0 23,0 22,5 22,5 22,5 2,2 22,5 22,0 22,0 22,0 22,0 22,0 22,0 21,5 21,5 21,5 2,3 21,5 21,0 21,0 21,0 21,0 21,0 21,0 21,0 21,0 20,5 2,4 20,5 20,4 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 19,5 2,5 19,5 19,5 19,5 19,5 19,5 19,0 19,0 19,0 19,0 19,0 2,6 19,0 19,0 18,5 18,5 18,5 18,5 18,5 18,5 18,5 18,0 2,7 18,0 18,0 18,0 18,0 18,0 18,0 18,0 17,5 17,5 17,5 2,8 17,5 17,5 17,5 17,5 17,5 17,0 17,0 17,0 17,0 17,0 2,9 17,0 17,0 17,0 16,5 16,5 16,5 16,5 16,5 16,5 16,5 3,0 16,5

ANEXO No. 6

APROXIMACIÓN AL CÁLCULO DEL ERROR EN LA DETERMINACIÓN DEL

CAUDAL EN LAS ESTACIONES HIDROMÉTRICAS DEL RÍO CAUCA

Manual de Procedimientos Hidrométricos Anexo No. 6, Aproximación al Cálculo del Error


ANEXO No. 6 APROXIMACION AL CALCULO DEL ERROR EN LA DETERMINACION DEL CAUDAL EN LAS ESTACIONES HIDROMETRICAS DEL RIO CAUCA

A6.1 MARCO TEÓRICO Los valores reales (exactos) de los elementos hidrológicos no se pueden determinar por medición porque los errores no se pueden eliminar completamente. La incertidumbre en la toma de los datos tiene un carácter probabilístico que se puede definir como el intervalo donde se espera que el valor real permanezca con una cierta probabilidad o nivel de confianza. El intervalo de confianza se denomina también margen de error. Si las mediciones son independientes unas de otras, se puede estimar la incertidumbre en los resultados tomando unas 20 a 25 observaciones y calculando el valor de la desviación típica, y luego determinando el nivel de confianza de los resultados. En general, este procedimiento no puede aplicarse en mediciones hidrométricas, debido a los cambios en el valor a medir durante el período de medición. Por ejemplo, es evidente que sobre el terreno no se pueden realizar mediciones consecutivas de caudal con un molinete a nivel constante. En consecuencia, se tiene que hacer una estimación de la incertidumbre, examinando las diferentes fuentes de error. Otro problema que se plantea en la aplicación de procedimientos estadísticos a los datos hidrológicos se debe al supuesto de que las observaciones son variables aleatorias independientes de una distribución estadística fija. Esta condición rara vez se cumple en las mediciones hidrológicas. Por ejemplo, el caudal de un río, por naturaleza, no es aleatorio, sino que depende de valores previos. Ningún análisis estadístico puede reemplazar las observaciones directas, en particular porque con estos análisis no se pueden eliminar los errores sistemáticos. Sólo los errores aleatorios pueden caracterizarse por medios estadísticos. A6.2 DEFINICIONES • Exactitud: nivel de aproximación entre una medición y el valor real. Esto supone que

se han aplicado todas las correcciones conocidas. • Nivel de confianza: probabilidad de que el intervalo de confianza incluya el valor

verdadero. • Error: diferencia entre el resultado de una medición y el valor verdadero de la cantidad

medida. Este término designa también la diferencia entre el resultado de una medición y la mejor aproximación al valor verdadero (en vez del propio valor verdadero). La mejor aproximación puede ser la media de varias o muchas mediciones.



• Medición: acción que tiene por objeto asignar un número como valor de una magnitud física en las unidades establecidas. (el resultado de una medición es completo si incluye una estimación (necesariamente en términos estadísticos) de la magnitud probable de la incertidumbre).

• Precisión: es la proximidad entre mediciones independientes de una sola magnitud

obtenidas por la aplicación varias veces de un procedimiento de medición establecido, en condiciones definidas. La exactitud se relaciona con la proximidad al valor verdadero, la precisión se refiere únicamente a la proximidad que existe entre varias mediciones. La precisión de la observación o de la lectura, es la unidad más pequeña de división de una escala de medida en la cual es posible hacer la lectura directamente o por estimación.

• Error aleatorio: parte del error total que varía de manera imprevisible en magnitud y

en signo, cuando se hacen mediciones de una variable determinada en las mismas condiciones.

• Rango: intervalo entre los valores mínimos y máximos de la magnitud que se ha de

medir, para la que se han construido, ajustado o instalado los instrumentos. Puede expresarse como la relación entre los valores máximos y mínimos medidos.

• Medición de referencia: medición en la que se han utilizado los conocimientos

científicos más recientes y las técnicas más avanzadas. El resultado de la medición de referencia se usa para obtener la mejor aproximación del valor verdadero.

• Sensibilidad: relación entre el cambio de la respuesta y el correspondiente cambio del

estímulo o valor del estímulo requerido para producir una respuesta que excede una cantidad determinada.

• Valor falso: valor del cual se está seguro que es un error, por ejemplo debido a errores

humanos o al mal funcionamiento de los instrumentos. • Error sistemático: parte del error que permanece constante durante un número de

mediciones o que varía según una ley definida cuando cambian las condiciones. • Valor verdadero: valor que caracteriza una magnitud en las condiciones que existen en

el momento en que se observa dicha magnitud. Es un valor ideal que sólo podría determinarse si todas las causas de error fueran eliminadas.

• Incertidumbre: intervalo dentro del cual cabe esperar que se sitúe el valor verdadero

de una magnitud con una probabilidad establecida. • Corrección: valor que se debe agregar al resultado de una medición para tener en

cuenta cualquier error sistemático conocido y, por lo tanto, obtener la mejor aproximación al valor verdadero.



A6.3 TIPOS DE ERROR Los errores sistemáticos provienen principalmente de los instrumentos y no se pueden reducir aumentando el número de mediciones o su duración, si los instrumentos y las condiciones de medición permanecen invariables. Si el error sistemático tiene un valor conocido, este valor se debe sumar o restar del resultado de la medición. El error sistemático debe ser eliminado mediante correcciones, ajustes apropiados o cambiando el instrumento, y/o modificando las condiciones en las cuales se mide el caudal, por ejemplo, la longitud del tramo recto del canal antes de una estación de aforo. Con frecuencia muchos errores se deben a condiciones difíciles de medición, como caudales permanentes, ríos muy meándricos y la mala localización de las estaciones hidrométricas. Los errores aleatorios no se pueden eliminar, pero se pueden reducir sus efectos mediante la repetición de las mediciones y la selección de instrumentos apropiados. Su magnitud es influenciada por la naturaleza de la turbulencia del flujo. La distribución de los errores aleatorios se puede considerar como normal (gaussiana). En algunos casos, la distribución normal puede o debería ser remplazada por otras distribuciones estadísticas. A6.4 FUENTES DE ERROR Cada instrumento y método de medición tiene sus propias fuentes de error, por lo tanto, es difícil dar una lista exhaustiva de todas ellas. Las fuentes de error específicas generalmente se indican en los catálogos de los instrumentos y en su modo de empleo. Cuando se mide el ancho, la profundidad y la velocidad del flujo se presentan errores. La aplicación de métodos de cálculo también introduce errores. Algunas de las fuentes típicas de error en la medición de un caudal son: • Teóricamente el caudal se calcula como:

∫∫=A

dydxyxvq ),( (A6.1)

donde: q = caudal real que no es posible medir exactamente A = área de la sección transversal v (x,y) = campo de velocidad sobre el ancho x, y la profundidad, y. En la práctica, la integral se aproxima por medio de la sumatoria

∑=

=m

iiii vdbQ

1 (2) (A6.2)



donde: Q = caudal calculado (m3/s) bi = ancho de la sección i (m) di = profundidad en la sección i (m)

iv = velocidad media en la vertical i (m/s) m = número de secciones El error en el cálculo de Q se debe a errores en la medición de las variables bi, di y en las mediciones individuales de las velocidades de flujo necesarias para determinar el valor de iv , además de la aproximación de la integral a la sumatoria.

• Error del punto de referencia de un instrumento, por ejemplo: la asignación errática de la cota del cero de una escala limnimétrica.

• Error de lectura que resulta de la observación incorrecta de lo indicado por el

instrumento de medición, por ejemplo, a causa de la mala visibilidad o el oleaje en el limnímetro.

• Error de interpolación causado por la evaluación inexacta de la posición del dato con

respecto a las dos marcas consecutivas de la escala entre las cuales se encuentra. • Error de observación, similar al error de lectura, pero se atribuye al observador. • Error producido por histéresis del instrumento (propiedad de un instrumento por la cual

éste da mediciones diferentes del mismo valor real, de acuerdo a si ese valor se alcanzó por un cambio creciente continuo o por un cambio decreciente continuo de la variable).

• Error de no linealidad, parte del error por el cual un cambio de indicación o de

respuesta no es proporcional al cambio correspondiente del valor de la magnitud medida en un rango determinado.

• Error de insensibilidad, se produce cuando el instrumento no puede detectar un cambio

dado en el elemento medido. • Error de desviación, se debe a las características del instrumento las cuales, con el

tiempo y en condiciones de uso particular, cambian sus propiedades, por ejemplo: la desviación en la mecánica de relojería de un limnígrafo con el transcurso del tiempo o debido a la temperatura.

• Error de inestabilidad, resulta de la incapacidad de un instrumento para mantener

constantes ciertas propiedades específicas. • Error fuera de rango causado por el uso de un instrumento más allá del alcance de

medición efectiva, inferior al mínimo o superior al máximo valor para el que se ha construido, ajustado o instalado. Por ejemplo: una altura inesperada del nivel del agua.



• Error de precisión causado por el uso inadecuado de un instrumento, cuando el error mínimo es mayor que la tolerancia (precisión permitida en la medición de una variable dada) para la medición.

A6.5 DETERMINACION DE LA INCERTIDUMBRE EN LOS COMPONENTES

INDIVIDUALES DE LA MEDICION DEL CAUDAL • Incertidumbre en el ancho: la obtención del ancho entre verticales se hace

normalmente midiendo las distancias desde un punto de referencia situado en la banca. Cuando se usa una cinta o un abscisado de referencia el error depende de la distancia pero generalmente es insignificante. Cuando se mide la distancia por medios electrónicos, se presenta un error constante que depende de la distancia medida. Los errores se deben principalmente al equipo de medición. La incertidumbre en la medición del ancho (X´

b) podría no ser mayor que el 1%.

Como ejemplo, el error que se introduce al medir una distancia particular teniendo una distancia patrón de 800 mm varía aproximadamente como se muestra en el Cuadro No. A6.1.

Cuadro No. A6.1 Ejemplo de Errores en la Medición del Ancho para un caso

particular

Rango de ancho (m)

Error absoluto (m)

Error relativo (%)

0 a 100 0 a 0.3 ± 0.3 101 a 150 0.3 a 0.5 ± 0.4 151 a 250 0.5 a 1.2 ± 0.5

• Incertidumbre en la profundidad: algunos errores dependen del tipo y uso de los

instrumentos empleados. La incertidumbre en la profundidad (X´d) puede determinarse si se tiene en cuenta el método determinado y conociendo las variaciones del nivel del agua durante la medición.

Para profundidades hasta 0.3 m la incertidumbre no debe exceder ± 3%, y para profundidades mayores a 0.3 m la incertidumbre no debe exceder ± 1%. A manera de ejemplo, el error en la profundidad en un río aluvial cuya profundidad varía de 2 m a 7 m y en donde la velocidad varía hasta 1.5 m/s, es del orden de 0.05 m usando un cable de suspensión en la medición.

Otro ejemplo, para un caso de mediciones de la profundidad tomadas con una barra de sondeo hasta un valor de 6 m y más allá de éste por un cable de suspensión con línea de



aire, con velocidades en un rango de 0.087 m/s a 1.3 m/s, se obtuvieron los resultados mostrados en el Cuadro No. A6.2.

Cuadro No. A6.2 Ejemplo de Errores en Mediciones de Profundidad

Profundidad

(m) Error

absoluto (m)Error relativo

(%) Observaciones

6 0.04 ± 0.7 Con barra de sondeo 14 0.05 ± 0.4 Con cable de suspensión

• Incertidumbre en la determinación de la velocidad media: la incertidumbre consta

de tres componentes:

El error debido al tiempo empleado en la medición de la velocidad puntual en cada vertical. Debido a la turbulencia la velocidad cambia continuamente en la sección transversal o la velocidad media en cualquier punto, determinada en las mediciones durante un intervalo de tiempo es una aproximación a la velocidad media.

Los porcentajes de incertidumbre en las mediciones de velocidad puntual tomados en diferentes tiempos de exposición y puntos en la vertical, que se muestran en el Cuadro No. A6.3 se dan como una guía. Los valores se indican como incertidumbres a un nivel de confianza del 95%.

Cuadro No. A6.3 Porcentajes de Incertidumbre en mediciones puntuales de Velocidad

Profundidad de medición en la vertical 0.2d, 0.4d o 0.6d 0.8d o 0.9d

Tiempo de lectura en el molinete (Min) Velocidad

(m/s) 0.5 1 2 3 0.5 1 2 3

0.050 0.100 0.200 0.300 0.400 0.500 1.000

Sobre 1.000

50 27 15 10 8 8 7 7

40 22 12 7 6 6 6 6

30 16 9 6 6 6 6 5

20 13 7 5 5 4 4 4

80 33 17 10 8 8 7 7

60 27 14 7 6 6 6 6

50 20 10 6 6 6 6 5

40 17 8 5 5 4 4 4

El error presentado por el empleo de un número limitado de puntos en la vertical. El

cálculo de la velocidad media en la vertical como un promedio o como un promedio ponderado de un número de velocidades puntuales resulta en una aproximación a la velocidad real en la vertical considerada.



En el Cuadro No. A6.4 se da una guía de cómo es la incertidumbre en la medición de la velocidad cuando se aumenta el numero de puntos de observación.

Cuadro No. A6.4 Porcentajes de Incertidumbre en las mediciones de la Velocidad según el número de puntos en una Vertical

Método de medición Incertidumbre (%) (95% nivel de confianza)

Distribución de velocidad ± 1

5 puntos ± 5 2 puntos ± 7 1 punto ± 15

El error presentado por un número limitado de verticales para realizar las

mediciones de velocidad. El perfil de velocidades horizontales entre dos verticales se determina por interpolación lo cual introduce un error.

En el Cuadro No. A6.5 se muestra a manera de guía las variaciones en la incertidumbre cuando se aumenta el número de verticales.

Cuadro No. A6.5 Porcentajes de Incertidumbre en mediciones de la Velocidad Media

según el número de verticales en la Sección de Aforo

Número de verticales Incertidumbre (%) (95% nivel de confianza)

5 10 15 20 25 30 35 40 45

± 15 ± 9 ± 6 ± 5 ± 4 ± 3 ± 2 ± 2 ± 2

Los valores de profundidad di y de la velocidad media iv en la vertical se usan para determinar el caudal por unidad de ancho y el caudal a través de la sección i. La sumatoria de los caudales a través de cada sección de acuerdo con la ecuación (A6.2) resulta en una aproximación al valor real del caudal. Calibración de molinetes (X´c). Los valores mostrados en el Cuadro No. A6.6 se

dan como una guía y están basados en experimentos realizados en varias clases de tanques.



Cuadro No. A6.6 Porcentajes de Incertidumbre en la medición de la Velocidad con relación a la Velocidad Medida

Incertidumbre (%)

(95% nivel de confianza) Velocidad medida (m/s) Curva individual Curva por grupo o

estándar 0.03 ± 20 ± 20 0.10 ± 5 ± 10 0.15 ± 2.5 ± 5 0.25 ± 2 ± 4 0.50 ± 1 ± 3

Sobre 0.50 ± 1 ± 2 A6.6 SÍMBOLOS Los símbolos usados para la notación de las incertidumbres de las variables de interés para el cálculo del caudal se indican en el Cuadro No. A6.7

Cuadro No. A6.7 Notación de los diferentes Tipos de Incertidumbre

Incertidumbre1 (%) Parámetro Aleatoria Sistemática2

Ancho Profundidad

Velocidad media

X´bi X´di

viX ´

X´´b X´´d

vX ´´

(1) Todas las incertidumbres usadas en este documento se expresan en términos porcentuales correspondientes al 95% del límite de confianza. X´ se refiere al porcentaje de incertidumbre aleatoria y X´´ se refiere al porcentaje de incertidumbre sistemática. (2) La mayor fuente de incertidumbre sistemática en la determinación de la velocidad se presenta por causa de errores ocasionados por la calibración de los molinetes. A6.7 ERRORES DE MEDICIÓN SECUNDARIOS Las observaciones hidrológicas se calculan frecuentemente a partir de varios componentes medidos. Por ejemplo, el caudal que atraviesa una estructura se determina como una función del coeficiente de dicha estructura, de sus dimensiones características y de la carga sobre ella. Para estimar la incertidumbre resultante se puede aplicar la teoría de transferencia (propagación) del error de Gauss.



La incertidumbre resultante con frecuencia se remite a la incertidumbre total, que se puede calcular a partir de las incertidumbres de los componentes individuales, si los errores de éstos se consideran estadísticamente independientes. En monitoreo hidrológico es muy raro que una medición pueda repetirse bajo las mismas condiciones de campo. La desviación típica debería, por lo tanto, determinarse mediante el uso de datos de variables no estables (como en el caso de la curva de caudales). A6.8 CARACTERIZACION DE LOS INSTRUMENTOS Y METODOS DE

MEDICION La exactitud de un instrumento de medición se puede caracterizar por una incertidumbre a un valor dado, correspondiente al valor medible máximo o mínimo, sin ese valor de referencia puede mal entenderse o mal interpretarse. En muchos casos, la exactitud con que se caracteriza un instrumento no es más que un componente de la exactitud global de la medición. Para la caracterización de la incertidumbre se usa un nivel de confianza al 95%, es decir que, en el cinco por ciento de los casos, el error podrá estar fuera del intervalo de confianza. Según el reglamento técnico de la Organización Meteorológica Mundial (OMM), las incertidumbres de las mediciones se deben presentar en una de las siguientes formas: • Incertidumbres expresadas en términos absolutos: valor medido de los elementos

hidrológicos, por ejemplo: caudal Q = 128.05 m3/s Incertidumbre aleatoria (er) 95 = 10 m3/s

• Incertidumbres expresadas en términos porcentuales: valor medido de los elementos hidrológicos, Q = 128.05 m3/s Porcentaje de incertidumbre (er )95 = 10%

En la práctica, las incertidumbres de las mediciones son dadas en forma de relación (o porcentaje) del valor medido Qm. Por ejemplo, en el caso de (er)95 = 10%, Qm ± 0.10 Qm contendrá el valor real de Q en 95% de los casos. En este caso, la incertidumbre se formula suponiendo unas condiciones medias de medición. A6.9 EJEMPLO DE CALCULO DE LA INCERTIDUMBRE EN LA

DETERMINACION DEL CAUDAL Número de verticales: 25



Velocidad promedio en la sección: 0.25 m/s Tiempo de exposición: 1 min Método de aforo: método de los dos puntos Caudal (calibración de grupo): 50 m3/s Del Cuadro No. A9.1 se tiene: X´b = ±1% Del Cuadro No. A9.2 se tiene: X´d = ±1% Del Cuadro No. A9.3 se tiene: Xé = ±10% (velocidad media) Del Cuadro No. A9.4 se tiene: X´p = ±7% (Número de puntos en la vertical) Del Cuadro No. A9.6 se tiene: Xć = ±4% (Calibración del molinete) Del Cuadro No. A9.5 se tiene: X´m = ±4% (Número de verticales en la sección transversal) El porcentaje de incertidumbres sistemáticas se puede tomar como se indica a continuación: X´´b = ±0.5% X´´d = ±0.5% X´ć = ±0.5% Entonces:

( ) 75.425

4710114´X222

2Q =⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡ +++++±=

( ) %87.05.05.05.0´´X 222Q =++±=

Finalmente se obtiene:

( ) %8.487.075.4X 22Q =+±= Tómese = 5%

Por lo tanto, el resultado puede presentarse como sigue (ver ISO/TR 5168): a) caudal = 50 m3/s ± 5% incertidumbre aleatoria = ± 4.75% (95% nivel de confianza) o b) caudal = 50 m3/s incertidumbre aleatoria = ± 4.75% (95% nivel de confianza) incertidumbre sistemática = ± 0.87% Nota 1: Se puede obtener una mejor aproximación de Xé calculando el valor para cada

vertical y promediando todas las verticales. Nota 2 La información dada en las tablas anteriores se puede usar para determinar el

procedimiento de observación óptimo para una precisión dada. Por ejemplo, si las velocidades del río estuvieron sobre 0.5 m/s y se requiere una precisión del 4%, se necesita tomar 30 verticales, el tiempo de exposición necesario sería de 3 minutos



y habría que usar el método de los dos puntos con un molinete calibrado individualmente.

A6.10 APLICACION AL CALCULO DEL ERROR TEORICO EN LA MEDICION

DEL CAUDAL EN LAS ESTACIONES HIDROMETRICAS DEL RIO CAUCA Con el fin de obtener un valor de la magnitud de la incertidumbre del error que se puede estar cometiendo en la medición del caudal en las estaciones hidrométricas sobre el Río Cauca, se han aplicado los conceptos expresados en la norma ISO 748, los cuales se basan en la determinación del error con un intervalo de confianza del 95% aclarando como lo dice la norma que los valores presentados como referencia se han obtenido bajo condiciones controladas y para algunos tipos de ríos. El cuadro No. A6.8 muestra los datos necesarios para la determinación del error en las estaciones de aforo ubicadas sobre el Río Cauca. A manera de ejemplo se presenta el procedimiento seguido en la determinación del error teórico para la estación La Bolsa.

Cuadro No. A6.8 Datos Promedio pertenecientes al periodo de Aforo (2001-2004).

No Estación No. Verticales

Vel. Prom (m/s)

Ancho Prom (m)

Área Prom (m2)

Prof Prom (m)

1 Pan de azúcar 16 1.041 45.0 63.542 1.412 2 Suárez 16 1.489 41.0 56.849 1.387 3 la Balsa 16 0.923 64.0 120.330 1.880 4 Tablanca 19 0.821 54.0 122.785 2.274 5 La Bolsa 20 0.770 80.0 273.284 3.416 6 Hormiguero 25 1.122 96.0 288.302 3.003 7 Juanchito 16 0.809 60.0 284.330 4.739 8 Paso de la Torre 20 0.890 76.0 306.442 4.032 9 Mediacanoa 22 0.855 84.0 358.540 4.268 10 Guayabal 26 0.826 102.0 303.043 2.971 11 La Victoria 19 0.890 108.0 321.575 2.978 12 Anacaro 17 1.114 80.0 210.586 2.632

Determinación del porcentaje de incertidumbre según el ancho (X’b):

Debido a que el ancho de la sección de aforo no excede los 100 m se obtiene un porcentaje del 1% según el ítem 5. X’b = 1% Determinación de la incertidumbre debido a la profundidad (X’d)

Para profundidades mayores a 0.3 m se define un porcentaje de incertidumbre del 1%.



X’d = 1% Determinación de la incertidumbre en la medición de la velocidad media (X’e)

Del cuadro No. A6.3 se obtiene un porcentaje del 6.33% para velocidades mayores a 0.4 m/s, tomadas durante un período de 50 s.

X’e = 6.33% Determinación de la incertidumbre debido al número de puntos que se toman en

cada vertical (X’p). Del Cuadro No. A6.4 se obtiene un porcentaje del 7% para el método de los dos puntos el cual es empleado en todas las estaciones de aforo. X’p =7% Determinación de la incertidumbre en los molinetes (X’c).

Del cuadro No. A6.6 se obtiene un porcentaje del 2% para velocidades mayores a 0.5 m/s y equipos de medición calibrados en grupo.

X’c = 2% Determinación de la incertidumbre debido al número de verticales empleadas en el

aforo (X’m).

Del cuadro No. A6.5 se obtiene un porcentaje del 5% para el promedio del número de verticales empleado para el aforo en la estación la Bolsa.

X’m = 5%

Determinación de los errores sistemáticos.

Incertidumbre en la medición del ancho X’’b = 0.5% Incertidumbre en la medición de la profundidad X’d = 0.5% Incertidumbre en los equipos X’c = 0.5%



• Cálculo de la Aproximación del Error en la Medición del Caudal en la Estación La Bolsa

Según la ecuación del error aleatorio dada en la norma ISO 748 se tiene que en promedio la incertidumbre para errores aleatorios es:

X’Q = + %45.520

2733.611522222

2 =⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ +++++

El error sistemático es: X’’Q = + [ ] %87.05.05.05.0 222 =++ Incertidumbre de la medición del caudal (error teórico) XQ = + ( ) %52.587.045.5 22 =+ El caudal promedio en la estación es de 216.06 m3 s-1; según lo anterior podría tenerse un caudal de 228 m3 s-1 o de 204.13 m3 s-1; obteniendo un rango de 24 m3 s-1. Bajo estas condiciones el intervalo de confianza según la norma ISO 748 es del 95%. Lo que esto significa es que el 95% de los datos se van a encontrar en un intervalo de 24 m3 s-1 y que sólo un 5% de ellos se encontrarían por fuera de este intervalo. Debe tenerse en cuenta que el método empleado para la determinación del error fue diseñado para flujo permanente. A continuación se presentan los datos obtenidos en las estaciones hidrométricas del Río Cauca.

Cuadro No. A6.9 Error Teórico en la Medición del Caudal para el Periodo de Aforo (2001-2004)

No Estación X'Q (%)

X''Q (%)

XQ (%)

Qpr (m3/s)

Q (+)(m3/s)

Q (-) (m3/s) Intervalo

1 Pan de azúcar 6.45 0.87 6.51 70.17 74.736 65.6 9.13 2 Suárez 6.45 0.87 6.51 87.66 93.365 81.96 11.41 3 la Balsa 6.45 0.87 6.51 120.33 128.16 112.5 15.66 4 Tablanca 5.45 0.87 5.52 103.31 109.01 97.61 11.40 5 La Bolsa 5.41 0.87 5.48 216.06 227.9 204.2 23.67 6 Hormiguero 4.43 0.87 4.51 325.94 340.64 311.2 29.39 7 Juanchito 6.45 0.87 6.51 199.88 212.89 186.9 26.01 8 Paso de la Torre 5.43 0.87 5.50 275.27 290.4 260.1 30.27 9 Mediacanoa 4.93 0.87 5.01 307.61 323.01 292.2 30.81 10 Guayabal 4.41 0.87 4.49 251.5 262.8 240.2 22.60 11 La Victoria 5.45 0.87 5.52 290.89 306.95 274.8 32.11 12 Anacaro 5.96 0.87 6.02 235.64 249.83 221.4 28.38



A6.11 APROXIMACION AL CALCULO DEL ERROR REAL EN LA MEDICION DEL CAUDAL

Teniendo en cuenta que la medición del caudal está influenciada por muchos factores los cuales son inherentes al método de medición, equipos, condiciones locales en la ubicación de la estación etc. Se ha sumado un error dependiendo de la situación específica en la que se afora cada estación. • Datos para la determinación del error real. Los datos indicados a continuación son empleados para calcular el error real de las estaciones hidrométricas: - Determinación del porcentaje de incertidumbre según el ancho (X’b): Debido a que el ancho de las secciones de aforo no excede los 100 m se toma un porcentaje del 1%. - Determinación de la incertidumbre debido a la profundidad (X’d) Para profundidades mayores a 0.3 m el porcentaje considerado es del 1%. Teniendo en cuenta que la profundidad en la estación sobre el río no cambia ni excede este valor.

X’d = 1% - Determinación de la incertidumbre en la determinación de la velocidad media

(X’e) Basándose en la tabla E.3 de la norma ISO 748 y teniendo en cuenta que se toman velocidades muy bajas en los extremos de las secciones se opta por un porcentaje del 8%.

X’e = 8%

- Determinación de la incertidumbre debido al número de puntos que se toman en cada vertical (X’p).

Basándose en el Cuadro No. E.4 de la norma ISO 748 y conociendo que generalmente en los extremos de las secciones de aforo sobre el Río Cauca se emplea el método de un punto, se toma un porcentaje del 10%. X’p = 10% - Determinación de la incertidumbre en los molinetes (X’c). Teniendo en cuenta que los equipos de medición no se han calibrado en los últimos años y que son utilizados con mucha frecuencia, se toma un porcentaje de error del 5%.

X’c = 5%



El Cuadro No. A6.10 muestra el error real obtenido para las estaciones hidrométricas ubicadas sobre el Río Cauca.

Cuadro No. A6.10 Error Real basado en la Norma ISO 748


X''Q (%)

XQ (%)

1 Pan de azúcar 6.92 0.87 6.97 2 Suárez 6.92 0.87 6.97 3 la Balsa 6.92 0.87 6.97 4 Tablanca 5.91 0.87 5.98 5 La Bolsa 5.83 0.87 5.90 6 Hormiguero 4.86 0.87 4.93 7 Juanchito 6.92 0.87 6.97 8 Paso de la Torre 5.87 0.87 5.94 9 Mediacanoa 5.37 0.87 5.44 10 Guayabal 4.83 0.87 4.90 11 La Victoria 5.91 0.87 5.98 12 Anacaro 6.43 0.87 6.49

Teniendo en cuenta que el método para la determinación del error real fue diseñado para flujo permanente y que el río Cauca presenta flujo no permanente se les adicionará a cada una de las estaciones un error del 2%. A lo largo del río Cauca se encuentran estaciones que presentan factores como pilas de puentes, los cuales afectan la medición de la toma de la velocidad. Las estaciones que presentan estas características particulares son La Bolsa, Hormiguero y Guayabal. • La Bolsa El aforo de la estación La Bolsa se realiza desde un puente el cual cuenta con la presencia de dos pilas. La presencia de pilas en una sección de aforo causa la formación de ángulos horizontales que deben ser medidos cuidadosamente, y además cambios rápidos en la distribución de la velocidad en la sección. La estación La Bolsa tiene dos pilas ubicadas en la sección de aforo, las cuales ocasionan velocidades muy bajas en esos puntos, afectando la medición de la velocidad. Se debe considerar que para obtener una mejor precisión en los cálculos del caudal la sección de aforo debería contar con 25 a 30 verticales y considerarse que por el área de las pilas no circula ningún tipo de flujo, y por lo tanto ésta debe excluirse del área total de la sección transversal.



Existe otro método para disminuir el error en una sección con presencia de pilas y es el de aforar cada tramo por separado. Así en esta estación se tendrían tres tramos para ser aforados. Debido a que en la estación sé aforan 20 verticales aproximadamente y además no se excluye el área de las pilas y tampoco se tiene en cuenta el ángulo horizontal que se forma en cada una de ellas, se ha estimado un 2% más de error. • Hormiguero El aforo de esta estación se realiza desde un puente, el cual presenta una pila en la mitad de la sección ocasionando una disminución de la velocidad en este punto.

Para esta estación se ha tomado un 1% más de error, teniendo en cuenta lo explicado en la estación de la Bolsa. • Guayabal El aforo de la estación Guayabal se realiza desde un puente, el cual presenta una pila que ocasiona bajas velocidades en ese punto. Para esta estación se ha tomado un 1% más de error, teniendo en cuenta lo explicado en la estación de la Bolsa. A continuación, en el cuadro No. A6.11, se muestra el error real de las estaciones hidrométricas ubicadas sobre el Río Cauca.

Cuadro No. A6.11 Determinación del Error Real, según características particulares de las estaciones.


X''Q (%)

XQ(%)

%error otros

factores

%error por

pilas

XQreal

Q prom Q (+) Q (-) Interv.

1 Pan de azúcar 6.92 0.87 6.97 2.0 8.97 70.17 76.47 63.87 12.59 2 Suárez 6.92 0.87 6.97 2.0 8.97 87.66 95.52 79.80 15.73 3 la Balsa 6.92 0.87 6.97 2.0 8.97 120.33 131.13 109.53 21.59 4 Tablanca 5.91 0.87 5.98 2.0 7.98 103.31 111.55 95.07 16.48 5 La Bolsa 5.83 0.87 5.90 2.0 2.0 9.90 216.06 237.44 194.68 42.77 6 Hormiguero 4.86 0.87 4.93 2.0 1.0 7.93 325.94 351.80 300.08 51.71 7 Juanchito 6.92 0.87 6.97 2.0 8.97 199.88 217.81 181.95 35.86 8 Paso de la Tor 5.87 0.87 5.94 2.0 7.94 275.27 297.11 253.43 43.69 9 Mediacanoa 5.37 0.87 5.44 2.0 7.44 307.61 330.50 284.72 45.79

10 Guayabal 4.83 0.87 4.90 2.0 1.0 7.90 251.5 271.38 231.62 39.75 11 La Victoria 5.91 0.87 5.98 2.0 7.98 290.89 314.10 267.68 46.41 12 Anacaro 6.43 0.87 6.49 2.0 8.49 235.64 255.65 215.62 40.02



Nota: es necesario tener en cuenta que los errores anteriormente calculados parten de datos bibliográficos y los reportados por la norma ISO 748, en donde las estimaciones de estos errores se han hecho bajo condiciones controladas o para algunos tipos de ríos. La aplicación de estos conceptos a la medición hidrométrica que se hace actualmente en las estaciones de la CVC debe mirarse sólo como una aproximación a la magnitud del error que se puede estar cometiendo sin dejar de tener en cuenta que dicho error es inherente al proceso mismo de medición; y que este puede reducirse en la medida en que se ajuste y normalicen los procedimientos. Para conocer un valor más aproximado a la realidad debe hacerse un patrón de medida para cada estación, este patrón incluye la implementación de un aforo bajo condiciones estrictas de medición que pueda tomarse como referencia de la mejor aproximación a la medición del caudal en la estación, de tal manera que sea posible comparar los datos obtenidos durante aforos comunes y estimar el error que se puede estar cometiendo. En cualquiera de los casos sea cual sea el error que actualmente se comete, este nunca podrá ser inferior a XQ teórico. Para nuestro caso en todas las estaciones sobre el Río Cauca se tiene un valor promedio del 5.67%.

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