AFORO EN EL RÍO SINÚ

JULIO CAMACHO

RONAL DAVID HERNANDEZ MARTINEZ

JOSE NOBLE

TEOBALDIS MERCADO FERNÁNDEZ

Ph.D. Hidrociencias

Hidráulica

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA AGRONÓMICA

FACULTAD DE CIENCIAS AGRÍCOLAS

UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA

MONTERÍA

24/11/2014

TABLA DE CONTENIDO

Página

1. Introducción 3

2. Objetivos 4

3. Justificación 5

4. Estado del arte 6

4.1 Marco teórico 6

5. Materiales 11

6. Metodología

6.1 Fase de campo 12

6.2 Fase Analítica 12

7. Resultados y cálculos 13

8. Análisis de resultados 19

9. Discusión 21

10. Conclusión 22

11. Referencias bibliográficas 23

1. INTRODUCCIÓN

Desde hace varios siglos el ser humano ha tenido la necesidad de medir el comportamiento físico del agua en movimiento o en reposo, mediante la ciencia de la Hidrometría que es la ciencia encarga de medir, registrar, calcular y analizar los volúmenes de agua que circulan en una sección transversal de un río, canal o tubería; pertenecientes a un pequeño o gran sistema de riego en funcionamiento, es decir, mide el comportamiento físico del agua en movimiento o en reposo. Es por ello que ha inventado y construido muchos instrumentos encargados de registrar la velocidad, la presión, la temperatura y el caudal.

Es de suma importancia realizar aforos en los causes (ríos, canales, distritos de riego etc.) ya que nos provee de datos adecuados y reales, que una vez estudiados podemos proporcionar un manejo adecuado para la disponibilidad del agua en las sociedades, además podemos obtener datos que nos ayudan a lograr una mayor eficiencia en los objetivos de un sistema de riego.

Cabe abarcar que no importa cuántos análisis estadísticos se le realicen a los caudales (río, aguas subterráneas, etc.), no es posible conocer los volúmenes de agua necesarios para el buen desarrollo de un cultivo cualquiera (problemas ambientales, sociales entre otros). Con esta información podemos plantear y sospechar el balance hídrico, planificación de siembras y el plan de distribución del agua de riego.

Gracias a la calidad y la cantidad de los registros obtenidos en los causes de los estudios hidrológicos, podemos realizar de diferentes maneras las mediciones (manera continua o permanente o de una manera puntual o instantánea).

En el siguiente informe se realizara un breve resumen, donde daremos a explicar el desarrollo de la práctica de aforo en el rio Sinú el cual cuenta con un caudal natural.

2- OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Realizar, analizar y explicar el método de aforo en una sección transversal del Río Sinú utilizando un molinete hidráulico.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Encontrar las distintas velocidades del flujo de agua a profundidades (superficial, media e inferior) en cada vertical a largo de la sección transversal estudiada.

Conocer y analizar la distribución de velocidades en la sección transversal aforada del Río Sinú.

Determinar la velocidad media y el caudal que fluye en esta sección transversal

3. JUSTIFICACIÓN

Al ser el agua un recurso tan importante para la vida en el planeta, ya sea para suplir todas la necesidades básicas que el hombre pueda subsanar con esta o simplemente como este recurso es primordial para la vida de todos los ecosistemas que la rodeas y que habitan es esta; Por este motivo nosotros los ingenieros debemos manejar y dar a conocer la forma más viable u óptima en la cual podamos utilizar dicho recurso de la mejor manera posible, es así como debemos conocer a fondo la forma de determinar todas las características que puede presentar un rio; motivo por el cual llevaremos a cabo dicha práctica, con el fin de comprender y aprender a determinar el caudal del rio Sinú; ya que, este es una fuente tanto económica como social para la ciudad de montería y todos sus alrededores.

4. ESTADO DEL ARTE

4.1 MARCO TEÓRICO

AFORO

El aforo es la operación de medición del caudal en una sección de un curso de agua. En los ríos se mide teniendo en cuenta que:

Q [m3/seg] = V [m/seg] x A [m2]

CAUDAL = VELOCIDAD x AREA

El método consiste entonces en medir la sección del curso y la velocidad en la misma. Ello se hace a través de verticales referidas a las márgenes en las que se mide profundidad y velocidad. Se determinan así áreas parciales y velocidades medias en las áreas parciales con las cuales se determinan caudales parciales, cuya sumatoria arroja el caudal total.

En general, los métodos para medir un caudal de agua se pueden clasificar en tres grupos:

1. Métodos de Aforo Directo

Expresan el caudal como una función de volumen sobre tiempo (Q = V / t ).Entre ellos se tienen   el aforo  gravimétrico, volumétrico, químico y los medidores de hélice, fabricados de acuerdo con el mismo principio. Otro método de aforo directo consiste en medir el descenso en el nivel del agua y el tiempo de vaciado en un depósito con dimensiones conocidas.

Aforo Volumétrico: Es aplicable en la medición de pequeños caudales y se realiza midiendo el tiempo de llenado (t) de un recipiente de volumen conocido (V), donde se colecta la descarga, como se muestra en la Figura, determinando el caudal en al ecuación:

Q=V / t

Aforo gravimétrico: Se sigue un procedimiento similar al método volumétrico, pero el volumen colectado de agua en el intervalo de tiempo cronometrado, en lugar de medirse se pesa, y el peso (W) de agua se transforma a volumen, dividiéndolo entre el peso especifico γ del fluido a temperatura de prueba.

El recipiente vacío debe ser previamente destarado y, una vez lleno, debe pesarse en la misma balanza. Mediante el método gravimétrico, el caudal aforado se determina con el siguiente razonamiento:

pesoespecifico ( γ )= Pesodel aguaVolumenocupado

=WV

Donde

V=Wγ

Por tanto:

CaudalQ=Wγt

2. Método área velocidad.

Este método consiste básicamente en medir en un área transversal de la corriente, previamente determinada, las velocidades de flujo con las cuales se puede obtener luego el caudal. El lugar elegido para hacer el aforo o medición debe cumplir los siguientes requisitos:

La sección transversal debe estar bien definida y que en lo posible no se presente a gradación o degradación del lecho.

Debe tener fácil acceso Debe estar en un sitio recto, para evitar las sobre elevaciones y cambios en

la profundidad producidos por curvas.

Una de los procedimientos más comunes empleados en este método es el descrito a continuación.

En el sitio que se decidió hacer el aforo, se hace un levantamiento topográfico completo de la sección transversal, el cual dependiendo de su ancho y profundidad, puede hacerse con una cinta métrica o con un equipo de topografía. La sección escogida se divide en tramos iguales.

En cada vertical, de las varias en que se divide la sección, se miden velocidades con el correntómetro a 0.2, 0.6 y 0.8 de la profundidad total. Cada vertical tiene su respectiva área de influencia (sombreada en la gráfica).

Las verticales deben tener las siguientes características: El ancho entre ellas no debe ser mayor que 1/15 a 1/20 del ancho total de

la sección. El caudal que pasa por cada área de influencia Ai no debe ser mayor que el

10% del caudal total. La diferencia de velocidades entre verticales no debe sobrepasar un 20%. La velocidad media en cada vertical es:

V i=V 0.2+V 0.6+V 8

3

El caudal Qi correspondiente a la respectiva área de influencia, Ai, es:

Qi=V i Ai

El caudal total, QT, será entonces:

QT=∑i=1

n

Qi

Cuando las profundidades de la sección son pequeñas, menores de 0.6 m, solo se mide la velocidad a 0.6 de la profundidad, velocidad que se considera representativa de la velocidad media de la vertical.

Método del molinete hidrométrico:

Los molinetes son aparatos constituidos de paletas o conchas móviles,  las cuales,  impulsadas por el líquido, dan un número de revoluciones proporcional a la velocidad de la corriente.

Existen dos  tipos de molinetes,  el  decazoletas y el  de hélice,  los  cuales pueden ser montados sobre una varilla para el aforo de corrientes superficial eso suspendido desde un cable durante el aforo de ríos, diques profundos, etc.

  a)   De  eje vertical o cazoletas: Tipo Price, de origen norte-americano. b)   De eje horizontal o de hélice Más comunes en Europa

Cada molinete viene calibrado de fábrica y acompañado de una tabla o ecuación, donde se relaciona la velocidad angular de la rueda giratoria con la velocidad de la corriente. La relación típica se ajusta a una recta con una ligera desviación cerca del origen 

Cuadro de texto: Velocidad en m/s. Para medir la velocidad de una corriente, el molinete se instala por abajo del espejo de agua, a 0.6 del tirante (medido desde la superficie) y las revoluciones de la ruedecilla se cuentan en un intervalo de tiempo previamente establecido (usualmente un minuto).

Cuanto mayor sea el número de registros realizados en un mismo punto de aforo, más confiable será la apreciación de la velocidad medida; por lo mismo, se sugiere explotar las velocidades de corriente en diferentes puntos igualmente espaciados sobre el espejo del agua, sumergiendo el instrumento a 0.2 y 0.8 del tirante respectivo.

Los métodos indirectos más utilizados son las estructuras hidráulicas y el método área -velocidad.

Estructuras hidráulicas:

El principio de funcionamiento de todas las estructuras hidráulicas es establecer una sección de control, donde a partir de la profundidad se pueda estimar el caudal. Las estructuras hidráulicas más comunes para este tipo de medidas son usar vertederos, canaletas y compuertas

Método área-pendiente.

A veces se presentan crecientes en sitios donde no existe ningún tipo de instrumentación y cuya estimación se requiere para el diseño de estructuras hidráulicas tales como puentes o canales. Las crecientes dejan huellas que permiten hacer una estimación aproximada del caudal determinando las

propiedades geométricas de 2 secciones diferentes, separadas una distancia L y el coeficiente de rugosidad en el tramo.El objetivo de aforar una corriente, durante varias épocas en el año en una sección determinada, es determinar lo que se conoce como curva de calibración de la sección. Esta permite transformar niveles de agua, leídos con una mira, en caudales. Las curvas se construyen a partir de los aforos hechos durante un período largo de tiempo, de tal manera que se tengan niveles bajos y altos del río.

5. MATERIALES

Molinete No 1-171220 tipo A.O.T.I

Cuerda

Bote

Formato de Aforo Y Cálculo De Caudal (m3/s) del IDEAM

Calculadora.

Libreta de anotaciones.

6. METODOLOGÍA

a. FASE DE CAMPO

Para la aplicación del método de aforo con el molinete en el rio Sinú, inicialmente buscamos el tramo más recto, uniforme, con el fin de que fuera adecuado para realizar las diferentes mediciones correspondientes y obtener el menor porcentaje del margen de error en el procedimiento.

Luego se colocó y tensiono una cuerda con la ayuda del bote, desde la margen izquierda, a la derecha del rio, con el único fin de atravesar perpendicularmente el eje del rio, esta cuerda se encontraba marcada en el primer tramo a los 4 metros, luego cada 6 metros(distancias utilizadas para la toma de datos del molinete), en el cauce o ancho del canal del río, de una margen a la otra, donde se obtuvieron 24 verticales, a las cuales se les realizó 3 mediciones.

Luego se realizó el montaje del equipo a utilizar y se inició con la toma de datos, la cual consistió en sumergir el equipo hasta el fondo del rio, luego se sube el equipo hasta el 80%, 20% de la profundidad total y profundidad superficial 0,0, en cada una de las verticales con el único fin de conocer la velocidad del cauce, en cada punto de medición, el equipo muestra el número de revoluciones que realiza el molinete en 50 segundos a cada profundidad.

6.2 FASE DE ANALÍTICA

Con los datos del número de revoluciones del molinete en 50 segundos a cada profundidad obtenidos en campo, se obtiene un valor n que se aplica a la ecuación de velocidad específica para el caso y por medio de cálculos y tabulaciones se conoce el valor del caudal total y la velocidad media del Río Sinú en la sección transversal estudiada para éste caso.Para obtener el perfil de la sección transversal de aforo y la distribución de velocidades en la sección transversal aforada, fue empleado el software o programa SURFER.

7. RESULTADOS Y CÁLCULOS

Los datos tomados en campo fueron los siguientes:

Tabla 1. Datos obtenidos durante el procedimiento en campo.

VERTICALDISTANCIASDESDE PR

(m)

PROFUNDIDADES (m)REVOLUCIONES

(No) (s)PT PA N T

1 4,0 0,860,52 48 50

- - -- - -

2 10 3,230 129 50

0,65 121 502,58 96 50

3 16 4,350,0 156 500,87 164 503,48 155 50

4 22 4,370,0 179 500,87 178 503,48 121 50

5 28 4,410,0 187 500,88 183 503,53 173 50

6 344,25 0,0 180 50

4,250,85 183 503,40 133 50

7 40 4,250,0 179 500,87 178 503,40 133 50

8 46 3,730,0 191 500,75 184 502,98 150 50

9 52 3,790,0 171 500,76 156 503,03 120 50

10 58 3,530,0 169 500,71 175 502,82 158 50

11 64 3,120,0 168 500,62 159 502,50 99 50

12 70 3,120,0 157 500,62 140 502,50 116 50

13 76 2,740,0 154 500,55 147 502,19 108 50

14 82 2,510,0 145 500,50 145 502,01 108 50

15 88 2,250,0 142 500,45 149 501,80 112 50

16 94 2,240,0 139 500,45 142 501,79 106 50

17 100 2,310,0 145 500,46 144 501,85 135 50

18 106 2,130,0 143 500,43 135 501,70 120 50

19 112 2,230,0 139 500,45 144 501,78 138 50

20 118 2,220,0 138 500,44 138 501,78 111 50

21 124 2,190,0 143 500,44 143 501,75 114 50

22 130 2,160,0 134 500,43 137 501,73 119 50

23 136 2,090,0 127 500,42 120 501,67 108 50

24 142 1,970,0 64 500,39 68 501,58 56 50

25 146 - -

Para hallar los valores de velocidad en cada punto (VP) muestreado se uso la Ecuación o N° de la Tabla de Calibración:

V=0,32∗n+0,004(ms ), si 0,22 ≤ N ≤ 7,29 ; si 0,08 ≤ v≤ 2,35

Donde:

n=NT

=¿ revolucionestiempo

Para el cálculo de la velocidad media de la vertical (VMV) se promediaron las velocidades obtenidas en cada una de ellas, con la siguiente ecuación:

VMV=V ¿+V 0.2+V 0.8

3

El cálculo del área total de la sección transversal se realiza con la sumatoria de las subáreas obtenidas. Donde la primera y la ultima subárea se hallaron con la formula de área de los triángulos, en la cual la base es la distancia desde la orilla hasta la vertical y la altura es la profundidad de ésta, el resto de subáreas se calcularon con la fórmula de área de los trapecios, en la cual la base mayor corresponde a la vertical con mayor profundidad, la base menor a la vertical con menor profundidad y la base a la distancia que separa una vertical de la otra.

A∆=B∗h2

Atrapecio=(B+b )∗h2

AT=∑i=1

n

Ai

La velocidad del flujo en cada una de las subáreas (VMA) se halla con las siguientes ecuaciones:

Para la primera y última subárea

VMA=23VMV

Para las subáreas desde la segunda hasta la penúltima

VMAn=VMV n−1+VMV n

2Para hallar el caudal total se hace la sumatoria de los caudales parciales, los cuales se hallan con la siguiente fórmula, donde usamos 0,9 como factor de corrección:

q i=Ai∗VMAi∗0,9

Q=∑i=1

n

qi

Ahora, con los datos obtenidos de QT y AT, podemos calcular la velocidad media del flujo en la sección transversal del río en que se realizó el procedimiento

V=QT

AT

Tabla 2. Datos calculados con las fórmulas respectivas.

VERTICAL N/T VP (m/s)VMV(m/s)

ÁREA (m²)VMA(m/s)

CAUDALPARCIAL

(m³/s)

10,96 0,3112

0,311200

1,72 0,2074670,356843

- -- -

22,58 0,8296

0,742133

12,270,494755

56,0706502,42 0,7784

1,92 0,6184

33,12 1.0024

1,017333

22,74 0,678222 15,4227683,28 1,05363,1 0,996

43,58 1,1496

1,023733

26,16 0,682488 28,2074673,56 1,14322,42 0,7784

53,74 1,2008

1,162400

26,34 0,774933 20,4117353,66 1,17523,46 1,1112

63, 6 1,156

1,062133

25.98 0,708089 18,3749013,66 1,17522,66 0,8552

73.58 1,1496

1,049333

25,50 0,708089 18,0562613,56 1,14322,66 0,8552

83,82 1,2264

1,124 23,94 0,749333 17,9390403,68 1,18163 0,964

93,42 1,0984

0,9576 22,56 0,638400 14,4023043,12 1,00242,4 0,772

103,38 1,0856

1,074933

21,96 0,716622 15,7370193,5 1,1243,16 1,0152

113,36 1,0792

0,912800

19.95 0,608533 12,1402333,18 1,02161,98 0,6376

123,14 1,0088

0,885066

18,72 0,590044 11,0456242,8 0,92,32 0,7464

133,08 0,9896

0,876533

17,58 0,584355 10,2729612,94 0,94482,16 0,6952

142,9 0,932

0,853066

15,75 0,568711 8,9571932,9 0,9322,16 0,6952

152,84 0,9128

0,863733

14,28 0,575822 8,2227382,98 0,95762,24 0,7208

162,78 0,8936

0,899600

13,47 0,599733 8,0784042,84 0,91282,12 0,6824

172,9 0,932

0,908533

13,65 0,605689 8,2676502,88 0,92562,7 0,868

182,86 0,9192

0,853067

13,32 0,568711 7,5752312,7 0,8682,4 0,772

192,78 0,8936

0,902133

13,08 0,601422 7,8666002,88 0,92562,76 0,8872

202,76 0,8872

0,829600

13,35 0,553067 7,3834442,76 0,88722,22 0,7144

212,86 0,9192

0,857333

13,23 0,571555 7,5616732,86 0,91922,28 0,7336

222,68 0,8616

0,829600

13,05 0,553067 7,2175242,68 0,86162,38 0,7656

232,54 0,8168

0,761333

12,75 0,507555 6,4712632,4 0,7722,16 0,6952

241,28 0,4136

0,404967

12,18 0,269978 3,2883321,36 0,43921,12 0,3624

25- -

- - - -- -- -

TOTAL 413,53 479,357528

8. ANÁLISIS DE RESULTADO

Al haber realizado, analizado los datos obtenidos en la práctica de aforo en el caudal del rio Sinú llegamos a una explicaciones lógicas porque en una parte del caudal del rio la velocidad es más fuerte que otra y además que si por que estando en la misma dirección vertical la velocidad de un sector del caudal es mayor que otra.Al realizar los cálculos de la sección transversal del rio podemos argumentar que la parte de la margen derecha del rio es la más profunda del rio, la cual podemos asegurar que se encuentra entre la tercera y novena (16 m - 52 m), con una profundidad promedio 4,16 metros, esta parte del rio la podemos identificar como una zona de socavación, por ser la parte de mayor profundidad del rio es donde se lleva a cabo las mayores velocidades del caudal, mientras tanto la otra margen del rio es donde se lleva a cabo las menores velocidades por ser la zona de sedimentación del rio( donde se ubican todo los sedimentos arrastrados por el cauce de la parte de arriba del rio, la cual en este zona es ubicada en la margen izquierda de este).

Mientras tanto las mayores velocidades en los tramos verticales son las estudiadas a una profundidad del 20 % debido a que la corriente del agua se encuentran sin tantos obstáculos (sedimentos), en comparación de la analizada a los 80% que fue donde se presentaron la menores velocidades debido a la cantidad de residuos encontrados en el fondo del rio. Podemos argumentar que la velocidad del rio depende de la profundidad del rio, debido a que mayor profundidad habrá menos fuerza de fricción y así el cauce encontrara menos oposición en su transcurso por el rio. Por eso encontramos las mayores velocidades, los mayores caudales, las mayores áreas en las zonas con mayores profundidades de los cauces.

Los resultados más bajos obtenidos en la práctica fueron aquellos puntos ubicado en las orillas del rio debido a gran cantidad de sedimento ubicadas en estas zonas y a al ser las partes menos profundas del rio debido a que es el borde del cauce.

Cabe destacar que según la dinámica fluvial el río Sinú se clasifica dentro de los ríos como sinuoso esto quiere decir que en este aspecto no vamos a obtener los mismos resultados que si llegamos a medir en otra sección ya que debido a la sinuosidad del río podríamos tener zona de erosión en la margen izquierda y zona de sedimentación en la derecha.

Perfil obtenido de la sección transversal de aforo

9. DISCUSIÓN

El aforo realizado en el Río Sinú a la altura de la Universidad de Córdoba, se elaboró utilizando el método de área-velocidad, en el que la velocidad en un punto determinado se midió usando un molinete.

El tramo donde se llevó a cabo el aforo es recto y homogéneo, no presentaba puntos de socavación o de deposición de sedimentos que pudieran generar turbulencia o disminución de la velocidad del fluido, por lo que el método era coherente con las condiciones del lugar para ejecutar el aforo.

De acuerdo a la revisión bibliográfica, en cauces naturales, como el que fue objeto de la práctica, el flujo del agua es tridimensional para cada punto de la corriente es decir, el vector velocidad tiene componentes en las tres direcciones (X, Y, Z). El perfil de velocidad para las componentes verticales 1,3,6,7,9,10,11,12,15,16,17,19 y 21 conservan el principio de que la velocidad disminuye conforme aumenta la profundidad (Y).

Cabe mencionar, que aquellas verticales en donde no se observó un gradiente de la velocidad, puede estar influenciada por factores como lo es la fricción que existe entre el agua y el aire- ya que generalmente el aire es un fluido estacionario y que está en contacto con el agua en movimiento, la geometría o configuración del fondo y taludes de la sección transversal, la rugosidad superficial; el gasto, la acción de corrientes que contribuyen de manera lateral con gasto al cauce principal o bien obstáculos interpuestos en la corriente afectan la distribución típica de velocidades de la sección transversal de un río natural, teniéndose una distribución más compleja.

10. CONCLUSIONES

El caudal es el volumen de agua que circula por el cauce de un río en un lugar y tiempo determinados. Se refiere fundamentalmente al volumen hidráulico de la escorrentía de una cuenca hidrográfica concentrada en el río principal de la misma. El promedio del caudal estacional o mensual de un río a lo largo de una serie de años constituye lo que se denomina régimen fluvial de ese río.

El conocimiento de la variación del caudal que fluye por una determinada sección de un cauce natural es de suma importancia en los estudios hidrológicos. De acuerdo con la calidad y la cantidad de los registros de caudales necesarios en un estudio hidrológico, las mediciones se pueden hacer de una manera continua o permanente o de una manera puntual o instantánea como fue el caso del método aforo utilizado en una sección transversal del Río Sinú utilizando un molinete hidráulico.

El aforar una sección trasversal del Río Sinú nos sirvió de base para hallar las velocidades de flujo del mismo a distintas profundidades en toda la sección transversal medida; además de determinar el caudal que fluye en esa zona del Río Sinú. En general, el conocer el caudal de un afluente es de vital importancia para las distintas actividades que incluyan el uso de sus aguas, uso para tratamiento y posterior consumo humano, riego de siembra, como hábitat de distintas especies, entre otras.

11.REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

BIBLIOGRAFÍA

VALVERDE CONEJO, JUAN CARLOS. Riego y Drenaje. Métodos de Medición (Aforo), Primera Edición. Editorial Universidad Estatal a Distancia. San José, Costa Rica, 2007

GARCÍA PRATS, ALBERTO. Hidráulica: Prácticas de Laboratorio. Aforo en Cauces Naturales. Editorial Universidad Politécnica de Valencia. Valencia, 2006.

WEB GRAFÍA

Instalaciones de Aforo, Primera Parte. Visto en:ftp://ftp.conagua.gob.mx/Aforadores/instructivo_aforo_1aParte_Cap_I.pdf

http://www.bvsde.ops-oms.org/bvsacg/guialcalde/2sas/2-2sas.htm

http://www.tierradelfuego.org.ar/agua/informacion/aforos.html

http://hidroing.es.tl/Aforo-por-el-metodo-de-Velocidad-y-Secci%F3n.htm