tecnología satelital del laboratorio de servicios públicos

1

Manual de protocolo del Equipo “RiverSurveyor de Sontek–M9” con funcionamiento de

tecnología satelital del Laboratorio de Servicios Públicos.

Nelly Alejandra Vanegas Guzmán

Yina Paola López Moreno

Universidad Distrital Francisco José de Caldas

Facultad de Medio Ambiente y Recursos Naturales

Tecnología en Gestión Ambiental y Servicios Públicos

Bogotá, Colombia

2016

2

Manual de protocolo del Equipo “RiverSurveyor de Sontek–M9” con funcionamiento de

tecnología satelital del Laboratorio de Servicios Públicos.

Nelly Alejandra Vanegas Guzmán

Yina Paola López Moreno

Trabajo de grado presentado como requisito para optar al título de:

Tecnólogas en Gestión Ambiental y Servicios Públicos

Director: Ingeniero Mecánico; Magister En Desarrollo Rural.; Especialización en Computación

para la Docencia.; Especialización en Ecología Medio Ambiente y Desarrollo.

Rafael Eduardo Ladino Peralta

Línea de investigación: Manejo Integrado del Recurso Hídrico

Universidad Distrital Francisco José de Caldas

Facultad de Medio Ambiente y Recursos Naturales

Tecnología en Gestión Ambiental y Servicios Públicos

Bogotá, Colombia

2016

3

Agradecimientos

El desarrollo de este trabajo fue posible gracias a la participación de

varias personas e instituciones que fueron piezas clave para culminar

esta etapa con determinación y entusiasmo.

Agradecemos a nuestros familiares, en especial las familias López

Moreno y Vanegas Guzmán por siempre brindar su apoyo,

confianza, esfuerzo y dedicación a lo largo de nuestras vidas y de

este ciclo que ya culmina.

A nuestro director Rafael Eduardo Ladino por su dedicación y

asesoría a lo largo de este proceso de aprendizaje.

A Helmut Espinosa por su disposición, ayuda y compromiso con su

labor como docente y por la orientación, sugerencias e ideas para

nuestra continua mejora.

A la Auxiliar del Laboratorio de Servicios Públicos Sully Ardila que

siempre estuvo dispuesta a socorrer y resolver dudas siendo participe

en la toma de decisiones para la elaboración del presente trabajo.

A la Universidad Distrital Francisco José de Caldas- sede Vivero-,

en especial el equipo del Laboratorio de Servicios Públicos por

brindarnos los espacios para nuestro desarrollo empírico.

4

TABLA DE CONTENIDO

RESUMEN ..................................................................................................................................... 9

ABSTRACT .................................................................................................................................. 10

0. INTRODUCCIÓN .................................................................................................................... 11

1. OBJETIVOS ......................................................................................................................... 12

1.1. Objetivo General ............................................................................................................ 12

1.2. Objetivos específicos ..................................................................................................... 12

2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................................. 13

2.1. Descripción del problema. ............................................................................................. 13

2.2. Formulación del problema. ............................................................................................ 13

3. JUSTIFICACIÓN ................................................................................................................. 14

4. MARCOS DE REFERENCIA .............................................................................................. 15

4.1. Marco teórico conceptual ............................................................................................... 15

4.1.1. Caudal. .................................................................................................................... 15

4.1.2. Medición de caudal. ................................................................................................ 15

4.1.3. EQUIPO RIVERSURVEYOR DE SONTEK (M9) ............................................... 29

4.2. Marco legal ..................................................................................................................... 34

4.3. Marco geográfico ........................................................................................................... 35

5. METODOLOGÍA DE INVESTIGACIÓN .......................................................................... 37

5.1. Tipo de investigación ..................................................................................................... 37

5.2. Diseño metodológico ..................................................................................................... 37

5.2.1. Fases de la investigación. ........................................................................................ 38

6. RESULTADOS .................................................................................................................... 41

6.1. Trabajo de Campo .......................................................................................................... 41

5

6.1.1. Ubicación Geográfica ............................................................................................. 41

6.1.2. Levantamiento de la estación .................................................................................. 42

6.1.3. Procedimiento de medición .................................................................................... 42

6.1.4. Post-procesamiento ................................................................................................. 43

6.1.5. Datos obtenidos durante el proceso de medición .................................................... 44

6.2. Diseño y construcción de un banco de pruebas para el laboratorio de Servicios

Públicos. .................................................................................................................................... 49

6.2.1. Diseño del banco de pruebas .................................................................................. 49

6.2.2. Construcción del banco de pruebas ......................................................................... 50

6.2.2. Montaje del banco de pruebas con la unidad satelital. ........................................... 51

6.2.1. Montaje del equipo ................................................................................................. 51

6.2.2. Pruebas realizadas ................................................................................................... 53

6.2.3. Datos obtenidos durante el proceso de medición en el laboratorio ........................ 53

7. PRODUCTOS OBTENIDOS ............................................................................................... 62

8. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS .................................................................................. 63

9. CONCLUSIONES ................................................................................................................ 66

10. RECOMENDACIONES .................................................................................................... 67

11. GLOSARIO ....................................................................................................................... 68

12. BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................... 72

6

LISTA DE ILUSTRACIONES

Ilustración 1 Medición método directo ......................................................................................... 18

Ilustración 2 Método de placas de orificio ................................................................................... 18

Ilustración 3 Clasificación de tipo de vertederos ......................................................................... 19

Ilustración 4 Partes de la Canal Parshall .................................................................................... 20

Ilustración 5 Medición por flotadores .......................................................................................... 21

Ilustración 6 Molinete tipo Gurley. Método del molinete hidrométrico ....................................... 22

Ilustración 7 Molinete tipo Ott. Método del molinete hidrométrico. ............................................ 22

Ilustración 8 Molinete. Hidrología Superficial 1: Medidas y tratamiento de los datos ............... 23

Ilustración 9 Principio de medición de los caudalímetros Vortex. [Esquema] d= Diámetro del

cuerpo sólido, f= Frecuencia de desprendimiento de vórtices, v= Velocidad del fluido,

L=Distancia entre dos vórtices. .................................................................................................... 23

Ilustración 10 Principio de medición de los caudalímetros de sección variable ......................... 24

Ilustración 11 Medición de caudal, caudalímetros ultrasónicos Efecto Doppler ........................ 25

Ilustración 12 Flujo metro para canal abierto de ultrasonido ..................................................... 27

Ilustración 13 Medición de caudal (en tubería cerrada).............................................................. 28

Ilustración 14 Métodos empleados para la medición de caudales ............................................... 29

Ilustración 15 Modulo de alimentación y comunicaciones. (2015). ............................................. 30

Ilustración 16 Partes del ADP M9................................................................................................ 31

Ilustración 17 Detalles de sensores ADP M9 ............................................................................... 31

Ilustración 18 Estación base ......................................................................................................... 32

Ilustración 19 Izquierda: (SonTek, 2014). Hydroboard. Sontek M9. Derecha: Ensamble del

RoverSurveyor en el Laboratorio de Servicion Publicos. ............................................................ 32

Ilustración 20 Principio de funcionamiento. ................................................................................ 33

Ilustración 21 Ubicación de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas- Facultad de

Medio Ambiente y Recursos Naturales ......................................................................................... 36

Ilustración 22 Laboratorio de Servicios Públicos ........................................................................ 36

Ilustración 23 Fases de la investigación. ..................................................................................... 38

Ilustración 24 Ubicación del Puente del Común, Chía ................................................................ 41

Ilustración 25 Esquema final del montaje de la estación móvil. .................................................. 42

Ilustración 26 Evidencia fotográfica: Trabajo en Campo ............................................................ 43

7

Ilustración 27 Diseño del banco de pruebas en Autodesk Inventor ............................................. 49

Ilustración 28 Evidencia fotográfica: Construcción del banco de trabajo .................................. 50

Ilustración 29 Evidencia fotográfica: Trabajo en Laboratorio .................................................... 51

Ilustración 30 Evidencia fotográfica: Trabajo en Laboratorio. ................................................... 52

LISTA DE TABLAS

Tabla 1Tipos de canaleta .............................................................................................................. 20

Tabla 2 Tipos de molinete ............................................................................................................. 22

Tabla 3 Ventajas y desventajas de los caudalímetros ultrasónicos Efecto Doppler .................... 26

Tabla 4 Especificaciones técnicas ADP M9 ................................................................................. 30

Tabla 5 Normas legales ................................................................................................................ 34

Tabla 6 Tabla de resultados de la medición de caudal- Campo .................................................. 44

Tabla 7 Tabla de resultados de la medición de caudal- Laboratorio de Servicios Públicos ....... 53

Tabla 8 Tabla de cálculos obtenidos durante la práctica en el laboratorio. ............................... 60

LISTA DE GRÁFICAS

Gráfico 1 Duracion de la medida-Campo. ................................................................................... 45

Gráfico 2 Anchura del río-Campo. ............................................................................................... 45

Gráfico 3 Área del río-Campo. (2016). ........................................................................................ 46

Gráfico 4 Velocidad del río-Campo. ............................................................................................ 46

Gráfico 5 Caudal del río-Campo. ................................................................................................. 47

Gráfico 6 Profundidad del río Bogotá (Cuenca alta). ................................................................. 48

Gráfico 7 Caudal del río Bogotá (Cuenca alta). ......................................................................... 48

Gráfico 8 Duración de la medida-Laboratorio. .......................................................................... 54

Gráfico 9 Anchura del río-Laboratorio. ....................................................................................... 54

Gráfico 10 Área del río-Laboratorio. ........................................................................................... 55

Gráfico 11 Velocidad del río-Laboratorio. .................................................................................. 55

Gráfico 12 Caudal del río-Laboratorio. ....................................................................................... 56

Gráfico 13 Profundidad del río- Banco de pruebas. ................................................................... 56

Gráfico 14Caudal del río- Banco de pruebas Ejercicio 1 ........................................................... 57

8

Gráfico 15Caudal del río- Banco de pruebas Ejercicio 2 ........................................................... 57

Gráfico 16 Caudal del río- Banco de pruebas Ejercicio 3 .......................................................... 58





9

RESUMEN

El siguiente documento tiene como objetivo estructurar el conjunto de protocolos para

desarrollar prácticas de carácter batimétrico con el apoyo del equipo RiverSurveyor de

SontekM9, instalado en el Laboratorio de Servicios Públicos de la Universidad Distrital, que

además contribuya a los procesos de enseñanza - aprendizaje de los estudiantes.

Para el desarrollo de este proyecto fue necesario un constante aprendizaje a través de

capacitaciones teóricas, en las instalaciones de la universidad, y prácticas en el Puente del

Común, Chía, donde se identificaron tanto los componentes del equipo como su

funcionamiento, configuración, proceso de medición, cuidados y mantenimiento.

Posteriormente se redactó el Manual de Protocolos y la Guía Práctica, con un alto contenido

de ilustraciones en tres (3) dimensiones, facilitando así la comprensión del tema. Para ello se

realizó una capacitación en el programa Inventor 2016 versión para estudiante, otorgando un

valor agregado al presente proyecto. Adicionalmente, se construyó un banco de pruebas que

simula una sección transversal de un cuerpo hídrico para realizar prácticas experimentales en

el laboratorio, permitiendo al estudiante tener un primer acercamiento con el equipo,

proporcionándole herramientas necesarias para un óptimo trabajo en campo.

Finalmente obteniendo dos productos en el proyecto de grado: el Manual de Protocolos del

equipo y la Guía Práctica.

Palabras Claves: Batimetría; cuerpo hídrico; medición; prácticas; protocolos de

laboratorio; ultrasonido.

10

ABSTRACT

The following document has as aim structure the set of protocols to develop practices of

character bathymetric taking the equipment as a support “RiverSurveyor” of Sontek M9

present in the Laboratory of Public Services of the District University that in addition it

contributes to the processes of education and learning for the students.

For the development of this project was necessary a constant learning where there realized

trainings of theoretical character in the facilities of the university and trainings of practical

character in the Común Bridge -Chía. In these trainings there were identified the components

of the equipment as well as its functioning, configuration, process of measurement, taken care

and maintenance.

Later, it was necessary to design the Manual of Protocols and the Practical Guide structure,

where it was determined that they would have high place contained of illustrations in three (3)

Dimensions. For it, a training was carried out through Inventor Software version 2016 for

Students granting an added value to the present project. Additionally, it was constructed a tank

which simulates a transversal section of a waterbody in order to realize practices in the

laboratory, allowing the student to have a first approach with the equipment and provide tools

necessary for optimal field work.

Finally obtaining three products in our project of degree: the Manual of Protocols of the

equipment and the Practical Guide.

Key Words: Bathymetric; water; measurement; practice; laboratory protocols, ultrasound.

11

0. INTRODUCCIÓN

Es importante determinar que la medición de caudal no es un procedimiento reciente, por

el contrario se ha llevado a cabo durante siglos, dando como resultado principios básicos que

se aplican hoy en día y que contribuyen a la evolución de la tecnología.

La medición de caudales es un parámetro estratégico que permite tomar decisiones futuras

en diferentes campos de aplicación pero que además es del diario vivir es decir, todos los días

se están realizando mediciones de caudales en fluidos, procediendo a determinar la calidad,

parámetros físicos, químicos, uso de los elementos naturales, entre otras funciones.

Existen gran cantidad de métodos para la medición de caudales desde los más rústicos,

artesanales y asequibles hasta los más complejos, innovadores y precisos. Este proyecto

pretende dar a conocer de forma general los métodos más usados en la actualidad, mostrando

la evolución, sus ventajas y desventajas. Se hace énfasis en la medición de caudales medianos

con tecnología satelital y principios del efecto Doppler es decir, el principio de funcionamiento

del ADP (Acoustic Doppler Profiler) M9.

Debido a la ausencia de los protocolos requeridos para hacer uso del equipo, se torna

indispensable un documento de fácil comprensión como lo es el manual, producto de este

trabajo de grado. Esto permite al estudiante llevar los conocimientos teóricos adquiridos a lo

largo de su formación académica a un desarrollo empírico.

Se hace indispensable que el egresado en Gestión Ambiental y Servicios Públicos conozca

los instrumentos de medición, el funcionamiento, rangos de aplicación, forma de instalación y

demás parámetros que dan una idea de la importancia de la tecnología Doppler acústica en su

vida profesional.

12

1. OBJETIVOS

1.1. Objetivo General

Estructurar el conjunto de protocolos requeridos para el desarrollo de prácticas de carácter

batimétrico con apoyo del equipo RiverSurveyor de Sontek M9 que contribuya a los procesos

de enseñanza-aprendizaje en el Laboratorio de Servicios Públicos de la Universidad Distrital

Francisco José de Caldas.

1.2. Objetivos específicos

Establecer la línea base de procedimientos de software y herramientas para las operaciones

del equipo en estudio.

Definir los procedimientos funcionales del equipo en relación al uso y a la calibración.

Formular el conjunto de prácticas y operaciones aplicables en la medición del caudal con

un tipo de tecnología especializada.

13

2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

2.1. Descripción del problema.

Colombia es un país que cuenta con abundantes fuentes hídricas, tanto subterráneas como

superficiales, pero la aplicación de tecnologías para la medición de caudales no está a la vanguardia

en comparación con otros países; aún son muy utilizados métodos artesanales y medianamente

especializados como flotadores y molinetes, algunos con baja precisión y poca eficiencia. La

intervención antrópica en los ecosistemas y una inadecuada administración del recurso hídrico han

ocasionado una disminución de las fuentes hídricas, problema que ha de abordar el futuro Gestor

Ambiental y de los Servicios Públicos, donde la medición de caudales se torna una medida

primordial de monitoreo y control, para la toma de decisiones y para poder preservar este recurso.

Sin embargo, los métodos de medición de caudal que se utilizan en las prácticas de hidrología

y cuencas hidrográficas implican factores que dificultan el proceso como lo son el tiempo, ya que

requiere una gran disponibilidad de este; la precisión, la cual se convierte en un punto crítico

dependiendo del operario que realice la actividad; los riesgos ocupacionales que se puedan generar

en el momento de la medición, haciendo que el procedimiento se torne largo y repetitivo.

Frente a esta problemática el laboratorio de Servicios Públicos de la FAMARENA adquiere el

equipo (ADP M9) que tiene como principio de funcionamiento la tecnología de ultrasonido; sin

embargo, el estudiante desconoce los protocolos necesarios para hacer uso adecuado del equipo.

2.2. Formulación del problema.

Este proyecto pretende dar solución a la pregunta problema ¿Qué protocolos ha de seguir el

estudiante para realizar el proceso de ensamblaje, funcionamiento y mantenimiento del equipo

M9?, con ayuda de un Manual de Protocolos y una Guía Práctica en el laboratorio.

14

3. JUSTIFICACIÓN

El tecnólogo en Gestión Ambiental y Servicios Públicos debe estar contextualizado en la actual

era tecnológica, con el fin de que su formación académica influya inmediatamente en el campo

laboral y pueda desarrollar estrategias que le permitan satisfacer necesidades básicas de la

población actual y futura en materia medio ambiental y de Servicios Públicos. Es por ello que se

hace necesario que el estudiante conozca, entienda y aplique la tecnología satelital, el principio del

Efecto Doppler y el tipo de medición por ultrasonido, como una herramienta para estar actualizado

consecutivamente en referencia al marco de medición de caudales en el mundo.

El equipo RiverSurveyor de Sontek (M9) permite dicha contextualización, haciendo al

tecnólogo más competitivo y eficiente en el mercado laboral, logrando explorar nuevas tecnologías

y ampliando sus conocimientos.

Este equipo actualmente se encuentra en el laboratorio de Servicios Públicos de la facultad de

Medio Ambiente y Recursos Naturales; sin embargo, al ser una tecnología nueva los estudiantes

no cuentan con el conocimiento necesario para su uso, es por ello que este proyecto pretende dar

solución a lo dicho anteriormente, facilitando un Manual de Protocolos que será didáctico,

utilizando como apoyo una guía práctica que permitirá la interacción más aplicada del estudiante,

sin necesidad de transportar todo el equipo a campo.

15

4. MARCOS DE REFERENCIA

4.1. Marco teórico conceptual

4.1.1. Caudal.

Se define como caudal a la cantidad de un fluido (agua en este caso) que pasa por una

sección transversal en un determinado tiempo y en dirección a la corriente. Se expresa en metros

cúbicos (m3/s) o en litros por segundo (l/s) cuando se manejan pequeñas magnitudes. El caudal se

ha convertido en la variable que se mide hoy en día con más frecuencia en la industria,

independientemente del fluido a utilizar.

4.1.2. Medición de caudal.

Pertenece al campo de la hidrometría el cual permite calcular y analizar los datos obtenidos

y destinarlos para tales propósitos como:

Disponibilidad de agua que se cuenta en una fuente hídrica.

Distribuir el agua a los usuarios de manera adecuada.

Determinar la eficiencia de uso y manejo del agua.

Entre otros campos de aplicación.

El método para calcular el caudal se puede expresar en dos fórmulas:

1.Volumen sobre tiempo

2.Velocidad-Área

𝑄 =𝑉0

𝑡

𝐷𝑜𝑛𝑑𝑒

𝑄: 𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙

𝑉0 : 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛

𝑡: 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜

𝑄 = 𝑉𝑒 ∗ 𝐴


𝑄: 𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙

𝑉𝑒 : 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑

𝐴: Á𝑟𝑒𝑎

16

4.1.2.1.Parámetros para la medición de caudales.

A pesar de que todos los cuerpos hídricos son diferentes tienen parámetros en común que

intervienen en la medición de un caudal. Dichos parámetros son:

Profundidad (�̅�).

“Se refiere a la máxima profundidad del rio. Tiene en cuenta la pendiente transversal del

fondo, de modo que es una relación entre el área transversal (A) y la anchura (w).”(Roldan

Perez & Ramirez Restrepo, 2008, pág. 87).

Longitud.

Se refiere a la distancia total del río desde el nacimiento hasta la desembocadura; por ello es

llamada también longitud real.(Roldan Perez & Ramirez Restrepo, 2008, pág. 88).

Anchura.

Medida transversal real del cauce entre orillas bien establecidas. Esto es fácil de determinar en

ríos localizados en valles profundos, pero es menos evidente en llanuras donde los procesos de

erosión cambian constantemente la forma del cauce.(Roldan Perez & Ramirez Restrepo, 2008,

pág. 88).

Área.

El área transversal medida de un río es la medida de la superficie del agua expuesta; este

parámetro varía considerablemente en los periodos de lluvia y sequía.(Roldan Perez & Ramirez

Restrepo, 2008, pág. 88).

𝐴 = �̅� ∗ �̅��̅� =𝐴

𝑤


𝐴: Á𝑟𝑒𝑎

𝑑:̅ 𝑃𝑟𝑜𝑓𝑢𝑛𝑑𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜

�̅�: 𝐴𝑛𝑐ℎ𝑢𝑟𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜

17

Volumen.

Es la cantidad de agua contenida en el cauce o un río. Se calcula sumando la cantidad de agua

contenida en cada contorno o profundidad determinada del cauce. Puesto que el agua está en

movimiento, el volumen de un río se expresa mejor como descarga, es decir, como volumen de

agua que fluye por unidad de tiempo en litros o metros cúbicos por segundo.(Roldan Perez &

Ramirez Restrepo, 2008, pág. 88).

4.1.2.2. Mecanismos de medición de caudales.

Los diferentes métodos que se utilizan para medir caudales se dividen de acuerdo con la

ecuación de caudal empleada en donde se mide el volumen o la velocidad del fluido. Sin embargo

existen otros mecanismos de medición que no se clasifican en estos grupos. A continuación se

muestran algunos métodos empleados.

Método por descarga directa.

Se tiene en cuenta la primera fórmula empleada donde la variable es el volumen en función del

tiempo. La exactitud de los datos obtenidos dependerá del operario y será eficiente cuando el flujo

de agua no presente perdidas, cuando los elementos usados tengan dimensiones precisas y el

tiempo de medida sea muy exacto. Se clasifican en:

o Método Volumétrico

Determinan el flujo en volumen del fluido, bien sea indirectamente por deducción (presión

diferencial, área variable, velocidad fuerza, tensión incluida, torbellino) o bien sea directamente

(desplazamiento). (Barreto Canaval, Gomez Realpe, Leon Marin , & Williams Vallejo, 2012)

18

Los elementos comúnmente utilizados son un

recipiente con medida en su interior y un

dispositivo para medir el tiempo que tarda el

recipiente en ser llenado.

Ilustración 1 Medición método directo. [Figura].

Autores

Ilustración 2 (Industrial, 2013). Método de placas de

orificio. [Figura]. Recuperado de: http://automatismo

industrial.es.tl/Placa-Orificio.html

o Método Vertederos:

Son dispositivos hidráulicos fijos o removibles, se utiliza en canales abiertos, el agua se ve

obligada a pasar por un canal el cual tiene un rebosadero en el extremo, el líquido se rebosa

provocando una diferencia de alturas en el canal entre la zona anterior del vertedero y su punto

más bajo, determinando que el caudal se encuentra en función de la altura de manera directamente

proporcional es decir a mayor altura mayor será el caudal.

Medición de caudal- Método Volumétrico

Método directo Método indirecto

Este método es el más sencillo, rápido, de alta

precisión, dependiendo de quién realice la

medición y solo sirve para pequeños caudales.

Presión Diferencial

Utiliza la diferencia de presión provocada

por elementos primarios como placas

orificio (ver ilustración 2), toberas, tubos

Venturi, tubos Pitot, etc. Esta presión se

deriva hacia un paso reducido donde se mide

y a partir de ella se determina la velocidad

del caudal.

19

La siguiente ilustración muestra parte de su clasificación: según el ancho de la pared (gruesa y

delgada) y su forma (triangular, rectangular, trapezoidal y lineal).

Ilustración 3(UNAD, 2013). Clasificación de tipo de vertederos. Lección 5. Muestreo de aforo y aforo de aguas

residuales [Figura]. Recuperado de: http://datateca.unad.edu.co/contenidos/301332/contLinea/leccin_5_mue

streo_y_aforo_de_aguas_residuales.html

Este tipo de canal tiene como ventajas una fácil construcción, bajo costo y un buen rango de

precisión en líquidos con ausencia de sólidos. Como desventajas es necesario un cuidado especial

cuando se represan líquidos con sólidos que infieren directamente en la calidad y precisión de la

medida.(UNAD, 2013)

o Método canaleta

Son estructuras de gran aplicación en terrenos planos ya que funcionan a flujo libre con

pérdidas de carga pequeñas. Son utilizadas con frecuencia Balloffet, Parshall y Garganta

cortada.(Instituto de Hidrologia y Metereologia y Estudios Ambientales IDEAM, 2007, pág. 60).

En la ilustración 4 se muestra en general las secciones de una canaleta (Sección de

convergencia, sección de garganta y sección de divergencia).

En la tabla 2 se describen las características, ventajas y desventajas de los tipos de canaleta.

20

Ilustración 4 Partes de la Canal Parshall (UNAD, 2013). Lección 5. Muestreo y aforo de aguas residuales

[Figura]. Recuperado de: http://datateca.unad.edu.co/contenidos/301332/contLinea/leccin_5_muestre

Tabla 1 Tipos de canaleta

Método Canaleta Parshall Tipo Balloffet. Medidor sin cuello

(Cutthroat)

Es un elemento primario de

flujo con una amplia gama de

aplicaciones basado en un

tubo Venturi abierto, (Mendez

& Ortega Mena, 2012).

Para determinar el caudal se

requiere medir la altura del

líquido directamente

utilizando un instrumento que

mida longitud o sensores.

En cuanto a las ventajas se

encuentra que cuando fluido

pasa por la garganta las

partículas no se sedimentan y

como desventaja es que su

construcción debe ser

rigorosa. (UNAD, 2013)

Su nombre se debe a su

promotor Armando Balloffet;

esta canaleta tiene paredes

paralelas, un fondo plano y

presenta un escurrimiento

crítico en la garganta por lo

cual los problemas de

sedimentación representan

una desventaja.

Esta estructura consiste en una

sección de entrada, una de

salida, la garganta y la placa

de fondo; la sección de entrada

está constituida por dos

paredes verticales con una

convergencia de 3:1; la

sección de salida la conforman

dos muros verticales

divergentes 6:1. La unión de la

sección de entrada y salida da

como resultado la garganta. El

fondo es totalmente

horizontal. (Instituto de

Hidrologia y Metereologia y

Estudios Ambientales

IDEAM, 2007, pág. 62)

Método por Velocidad-Área

Se tiene en cuenta la segunda fórmula planteada de caudal en donde la velocidad es una nueva

variable. Es el de mayor uso y tiene en cuenta el número de Reynolds, ya que el flujo debe ser

laminar es decir, presenta una trayectoria definida donde las líneas de flujo son normales a la

http://datateca.unad.edu.co/contenidos/301332/contLinea/leccin_5_muestre

21

sección transversal. La precisión dependerá del número de verticales que se tomen para medir el

aforo, la profundidad, la velocidad, etc. (Klohn & Stanescu, 1970)Y los más utilizados son:

o Flotadores

Se realiza en un tramo recto del río sin meandros, destinando dos puntos (A-B) en donde se

inserta un flotador (esfera que flote) y se toma el tiempo que tarda en recorrer desde el punto A

hasta el punto B; deben realizarse varias mediciones y ser promediadas. Se halla la velocidad y

posteriormente el área. El área se establece mediante la medición de las diferentes verticales del

área transversal y la medición del ancho del cauce.

Ilustración 5 Medición por flotadores(Canyon Industries, 2004). Guide to Hydropower. [Figura]. Recuperado

de: http://www.canyonhydro.com/guide_sp/HydroGuide09_sp.html

o Molinetes o Correntómetro

El molinete es un instrumento usado para medir la velocidad en un punto específico del área

de un cuerpo hídrico o canal abierto. Para obtener la velocidad media de un curso de agua se debe

medir en más de tres punto a diversas profundidades a lo largo de una vertical.

Existen dos tipos principales de molinetes, los medidores que tienen los rotores en el eje

vertical y los que tienen rotores en el eje horizontal. El siguiente cuadro da una breve descripción

de los dos tipos de molinetes o correntómetro.

22

Tabla 2 Tipos de molinete

1. Molinete de Eje Vertical 2. Molinete de Eje Horizontal

Opera a velocidades más bajas que lo de eje

horizontal. Debido a la simetría axial con la dirección del

flujo, el rotor perturba el flujo menos que los

de eje vertical. Los cojinetes están bien protegidos contra el agua

fangosa.

El rotor se puede reparar en campo sin afectar la

calibración. Por la forma del rotor es menos probable que

se enrede con los desechos que arrastra la

corriente. Utiliza un rotor único que sirve para toda la gama

de velocidades.

Es conocido como el tipo Gurley. Conocido como molinete universal o tipo Ott.

Ilustración 6 (Civil, 2016)Molinete tipo Gurley.

Método del molinete hidrométrico. [Figura].

Recuperado de: http://www.cuevadelcivil.com

/2011/02/metodo-del-molinete-hidrometrico.html

Ilustración 7 (Civil, 2016). Molinete tipo Ott. Método

del molinete hidrométrico. [Figura]. Recuperado de:

http://www.cuevadelcivil.com/2011/02/metodo-del-

molinete-hidrometrico.html

En ambos casos el método a realizar la medición será el mismo. Se perfila el río ubicando

puntos estratégicos dependiendo del largo, ancho y profundo del mismo y se mide la velocidad o

flujo de agua que está pasando por esa sección transversal o en los diferentes puntos.

Posteriormente se promedian todas las medidas de velocidad y se aplica la ecuación donde las

variables dependientes son la velocidad y el área.

23

Ilustración 8(Roman, 2013) . Molinete. Hidrología Superficial 1: Medidas y tratamiento de los datos

[Figura]. Recuperado de: http://web.usal.es/~javisan/hidro

La imagen anterior explica el funcionamiento de un molinete que básicamente consiste en

una serie de cazoletas que, impulsadas por la velocidad del agua, giran alrededor de un eje al cual

transmiten un movimiento circular; un sistema eléctrico permite contar el número de revoluciones

(n) por unidad de tiempo.(Saenz, 2002)

o Vortex

Se basa en el hecho de que una corriente debajo de un obstáculo forma vórtices en el fluido, la

frecuencia de desprendimiento de los vórtices a cada lado del pilar es proporcional a la velocidad

media de circulación del fluido y, por lo tanto, el caudal volumétrico. (Altendorf, 2005).

Ilustración 9 (Altendorf, 2005) Principio de medición de los caudalímetros Vortex. [Esquema]

d= Diámetro del cuerpo sólido, f= Frecuencia de desprendimiento de vórtices, v= Velocidad del fluido,

L=Distancia entre dos vórtices.

Según (Altendorf, 2005) el físico Theodore von Kármán analizó que se forma una doble hilera

de vórtices detrás de un cuerpo solido en un flujo y observó que revelaba una relación fija entre la

24

distancia transversal (d) de separación de las dos hileras y la distancia longitudinal (L) de

separación entre vórtices en una misma hilera.

o Sección variable

Es un instrumento relativamente simple y eficaz, el dispositivo consiste en un tubo vertical

graduado hacia arriba en cuyo interior hay un flotador de vidrio o material suspendido. La fuerza

que ejerce el fluido sobre el flotador depende de la densidad, viscosidad y la velocidad del fluido;

cuanto mayor es la velocidad del caudal y por lo tanto la fuerza que desarrolla, más alto flotará el

flotador en el interior del tubo graduado. (Altendorf, 2005).

Ilustración 10 (Altendorf, 2005) Principio de medición de los caudalímetros de sección variable. [Esquema].

Otros.

o Ultrasónicos.

Abarca muchos modelos y tipos de caudalímetros “ultrasónicos”, este término únicamente

indica que la velocidad del caudal se mide por medio de ultrasonidos; el caudal se mide por algunos

de los siguientes métodos:

o El método por efecto Doppler:

Es un método simple y con gran exactitud. Para explicar el concepto de este efecto basta

con un ejemplo muy conocido, las ondas sonoras que produce una ambulancia a medida que

se va acercando o alejando, estas se hacen más agudas o más graves respectivamente. Es así

como el efecto Doppler presenta un incremento o disminución de la frecuencia de las ondas

25

sonoras a medida que la distancia entre una fuente sonora y un receptor aumenta o disminuye.

(Altendorf, 2005)

Es necesario que el fluido a medir presente partículas como burbujas que logren reflejar las

ondas de sonido y se hace indispensable que el equipo tenga dos tipos de sensores, uno que

envíe la onda con un ángulo definido (K) y una frecuencia determinada y otro que reciba la

onda reflejada. Así se logra medir la velocidad en función de la posición de cada partícula y

hacer un promedio ponderado para obtener los resultados de la medición. (Altendorf, 2005)

Ilustración 11 Medición de caudal, caudalímetros ultrasónicos Efecto Doppler. [Figura]. Autores.

De esta manera la velocidad del fluido se determina como la diferencia de las ondas

(emitida, recibida) ∆𝑓 = 𝑓1 − 𝑓2; y se asume que la velocidad de las partículas es igual que

la velocidad del fluido. Finalmente el caudal está dado por la siguiente expresión:

𝑄 = 𝐾 ∗ ∆𝑓 𝐷𝑜𝑛𝑑𝑒

∆𝑓: 𝑉𝑎𝑟𝑖𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑓𝑟𝑒𝑐𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑓1 − 𝑓2

𝐾: Constante. Ángulo de la onda enviada

En la siguiente tabla se muestran las principales ventajas y desventajas que presenta ese

tipo de caudalímetros.

26

Tabla 3 Ventajas y desventajas de los caudalímetros ultrasónicos Efecto Doppler

VENTAJAS DESVENTAJAS

No cuentan con partes móviles como los

medidores con turbinas, lo que prolonga su

vida útil hasta 5 veces más que el resto de

caudalímetros.

No son susceptibles a obstrucciones por

partículas como sucede con los medidores

de sonda.

A diferencia de medidores

electromagnéticos no son afectados por las

corrientes parásitas.

Pueden ser usados para la medición en

tuberías con diámetros de 2” hasta 200”.

La medición se desarrolla

independientemente del tipo de fluido.

La precisión llega hasta el 0.05%.

El tiempo usado en el proceso de medición

es mínimo.

El cálculo de la velocidad es independiente

de la presión, temperatura y viscosidad del

fluido.

A largo plazo representa menores costos de

operación a diferencia de otros

caudalímetros.

Permite el almacenamiento de numerosos

datos de punto de medición.

En el momento de la medición de cuerpos

hídricos existe una banda muerta en la cual

las ondas no presentan un alcance que

corresponde a los márgenes laterales y al

fondo del cauce.

El rango de medición de la profundidad

presenta especificaciones mínimas y

máximas, lo que representa que en cuerpos

con una lámina de agua baja o muy alta

(mayor a 80 m) no haya medición.

Necesidad de partículas o burbujas en el

medio.

Desconocimiento del punto exacto donde

se miden las velocidades.

Se requiere conocimientos especializados

para la operación de la medición (software-

hardware).

Muchos de los medidores ultrasónicos

usan baterías, siendo un factor limitante en

campo.

o El método por tiempo de tránsito de señal:

Se basa en el hecho de que la velocidad del fluido influye directamente la velocidad de

propagación de las ondas sonoras en dicho fluido. Los vectores de la velocidad en la cual se

propagan las ondas sonoras varían según la velocidad del fluido y su dirección. (Altendorf,

2005).

27

Ilustración 12(DNA Water, 2015). Flujo metro para canal abierto de ultrasonido. [Imagen]. Recuperado de:

http://www.dnk-water.com/es/producto/medicion-flujo/flujometros-ultrasonicos/canal-abierto-caudal-

ecologico/raven-eye

o Electromagnéticos

El fluido conductor que circula por el interior del tubo de medición corresponde a la barra

metálica del experimento de Faraday. Dos bobinas situadas a ambos lados del tubo de medición

generan un campo magnético de intensidad constante. Dos electrodos en la parte interior de la

tubería detectan la tensión inducida por el fluido en movimiento al circular en el seno del campo

magnético. Esta tensión es directamente proporcional a la velocidad del fluido. Y el área es un

parámetro conocido. (Altendorf, 2005)

o Aforo con trazadores o químicos.

Son utilizados para secciones de gran turbulencia y remolinos o zonas afectadas por

grandes pérdidas de infiltración o fenómenos kársticos, terreno con altas pendientes, pocas

profundidades, lechos inestables, secciones irregulares y donde no se puede aplicar métodos

convencionales.

El procedimiento consiste en inyectar un trazado, es decir, una sustancia en una sección de

la corriente y realizar aguas abajo, a una distancia lo suficientemente lejos para que haya una

Este tipo de sensor emite un tren de ondas

que al reflejarse en una superficie y retornar

es detectado por un receptor; la electrónica

del sensor calcula el espacio recorrido por

las ondas, midiendo el tiempo de tránsito, y

en función de otros datos. (EOI, 2012)

28

dilución total, mediciones de conductividad eléctrica para detectar el paso de la nube y así calcular

el caudal.(Instituto de Hidrologia y Metereologia y Estudios Ambientales IDEAM, 2007)

Las sustancias que más se utilizan en Colombia para realizar este tipo de aforos son la sal

común (Cloruro de Sodio) ya que es la más económica en el mercado; Dicromato de Sodio debido

a su alta solubilidad; Cloruro de Litio, Yoduro de sodio, Nitrado de Sodio y Sulfato de Manganeso.

Elementos radiactivos también son utilizados en la industria, en Colombia no se han desarrollado.

A continuación se dan a conocer otro tipo de clasificaciones independiente de las dos

fórmulas planteadas con anterioridad. (Ver ilustraciones 12 y 13)

Ilustración 13 (Altendorf, 2005)Medición de caudal (en tubería cerrada) [Esquemas]

29

Ilustración 14 (Altendorf, 2005)Métodos empleados para la medición de caudales. [Esquemas]

4.1.3. EQUIPO RIVERSURVEYOR DE SONTEK (M9)

Es un sistema Perfilador Doppler Acústico (ADP) robusto, de alta precisión y programable

específicamente diseñado para medir el caudal de los ríos, las corrientes de agua en tres (3)

dimensiones, calados, y la batimetría de una embarcación en movimiento o parada.

El sistema RiverSurveyor combina la instrumentación de perfilador de velocidad acústico

Doppler, probada y de vanguardia, con un paquete de software basado en Windows que puede

utilizarse en un ordenador personal (PC). (SonTek/ YSI Inc., Febrero 2009)

4.1.3.1.Especificaciones técnicas del sistema

La siguiente tabla da una visión general de las especificaciones técnicas del equipo.

30

Tabla 4 Especificaciones técnicas ADP M9

Medida de Velocidad

Rango (Distancia) 0.06 m a 40 m

Rango (Velocidad) ±20 m/s

Precisión ±0.2 cm/s

Resolución 0.001 m/s

Número de celdas Hasta 128

Tamaño de las celdas 0.02 m a 4 m

Configuración del transductor

Nueve (9)Transductores; 4 haces duales

3.0 MHz/1.0 MHz25° del eje vertical;

0.5 MHz haz vertical

Medida de

profundidad

Rango 0.20 m hasta 80 m

Precisión 1%

Resolución 0.001 m

Medida del caudal

Rango con Bottom-

Track 0.3 m hasta 40 m

Rango con RTK GPS 0.3 m hasta 80 m

Cálculos Interna

Sensor de

temperatura T (Grados Centígrados) -10° a 70° C

Peso ADP M9 2.3 kg

4.1.3.2.Partes del sistema

Módulo de Alimentación y Comunicaciones (PCM GPS Rover)

El PCM comunica y alimenta al ADP M9 conectándose directamente con este por un cable.

Su función principal es la comunicación de la información obtenida por el M9 con el PC, mediante

enlaces de radio.

Ilustración 15 Modulo de alimentación y comunicaciones. (2015). [Imagen]. Autores

31

ADP M9

Sistema de 9 haces, dos juegos de cuatro haces perfiladores (cuatro transductores de 3.0-

MHz y cuatro transductores de 1.0-MHz.) y un haz acústico vertical de 0,5-MHz con un rango de

velocidad de perfilado de 0.2 a 30 m y un rango de medición de caudal de 80 m.

Ilustración 16 Partes del ADP M9. (2016). [Imagen]. Autores 1.Sensores de medición. (Ver Detalle 1), 2.

Cubierta de Derlin de 13 cm de diámetro, con registrador de 8 GB, 3. Conexión para cable de 8 Pines,

comunicación y alimentación, 4. Cabezal Removible de Latón.

Ilustración 17 Detalles de sensores ADP M9 (2015). [Imagen]. Autores, 1.Ecosondador de 0,5 MHz, 2.Sensosr

de Temperatura, 3. Transductor de 3 MHz, Transductor de 1 MHz.

32

Estación Base RTK

Está compuesto por un receptor interno GPS, una antena GPS externa y un trípode de soporte.

Su función es recibir los datos cinemáticos de los satélites y proporcionar las correcciones en

tiempo real y preciso. La Estación Base se ubica en una orilla fija del cuerpo hídrico con un alcance

máximo de la comunicación es de cerca de 2 Km.(SonTek/ YSI Inc., Febrero 2009)

Ilustración 18 Estación base. (2016). [Imagen]. Autores

Hydroboard

Es una estructura ligera diseñada para contener el sistema M9 y el PCM, facilitando su uso,

tiene dos aletas para proporcionar estabilidad permitiendo al usuario comodidad y mayor alcance

de medida.

Ilustración 19 Izquierda: (SonTek, 2014). Hydroboard. Sontek M9. [Imagen]. Derecha: Ensamble del

RiverSurveyor en el Laboratorio de Servicion Publicos.Autores (2015). [Imagen]

33

4.1.3.3. Principio de Funcionamiento.

El equipo RiverSurveyor de Sontek M9 utiliza la tecnología satelital y el Efecto Doppler como

soporte para su óptimo funcionamiento. El ADP M9 censa y perfila el río o cuerpo hídrico

enviando la celda en forma de diamante a cada partícula de agua correspondiente en la vertical del

mismo, siendo el ADP M9 el emisor pero también un receptor de información.

Posteriormente se comunica con el satélite, donde se realiza la corrección de (±3 cm de

precisión). Estos datos de medición e información corregida son recibidos a 10 Hz por la estación

base.

La estación base envía nuevamente la información a 1 Hz a la embarcación no tripulada o al

ADP M9 vía comunicaciones de espectro expandido; por otro lado el operario da la orden de

medición y recibe los datos con el software especializado donde procede al análisis de estos.

Ilustración 20 Principio de funcionamiento. (2016). [Imagen]. Autores

34

4.2. Marco legal

En Colombia la normatividad para el manejo de los recursos naturales es una de las más

amplias y completas, hablar de caudal implica relacionarlo inmediatamente con el componente

natural, puesto que la medición de caudales es un parámetro fundamental para determinar la

calidad del agua y preservar los recursos naturales; es por ello que se hace necesario integrar ambos

términos con el fin de establecer un marco legal constituyente. (Parra Rodriguez, 2012)

Tabla 5 Normas legales

MEDICIÓN DE CAUDALES

NORMA OBJETIVO

Constitución Política de 1991

En el artículo 8 se menciona la intervención del Estado

y de las personas sobre la protección de los recursos

naturales renovables.

Decreto-Ley 2811 de 1974 (Código

Nacional de Recursos Renovables)

Plantea como principio que tanto el Estado como los

particulares deben participar en la preservación y el

manejo de los recursos naturales.

GTC 30 (Guía Técnica

Colombiana)

Pertenece a la gestión ambiental y la guía para el

monitoreo de aguas.

NTC ISO 5667-6 (Norma Técnica

Colombiana)

Referente a la calidad, es una guía para el muestreo de

aguas de ríos y corriente.

NTC ISO 5667-11 (Norma Técnica

Colombiana)

Establece las bases de procedimiento para realizar el

monitoreo de aguas subterráneas y superficiales.

NTC 10012 (Norma Técnica

Colombiana)

Define los parámetros y conceptos para la gestión de los

procesos de medición y la instrumentación metrológica

de los equipos de medición.

GTC (Guía Técnica Colombiana)

82

Define buenas prácticas de laboratorio que prestan

servicios de muestreo y de análisis de aguas.

SIGUD (Sistema Integrado de

Gestión)

Es el conjunto de acciones y herramientas que sirven

para dar cumplimiento a los objetivos misionales,

garantizar la satisfacción de las necesidades y

expectativas de la comunidad universitaria y la sociedad

en general, mediante la gestión de procesos, realizando

un enfoque en la gestión de laboratorios.

USO DE TECNOLOGÍAS SATELITALES PARA LA MEDICIÓN DE CAUDALES

ISO/TR 12765 de 1998

Referente a la medición de flujo de fluidos en conductos

cerrados - Métodos utilizando caudalímetros

ultrasónicos de tiempo.

35

LEY 1341 DE 2009

Define principios y conceptos sobre la sociedad de la

información y la organización de las Tecnologías de la

Información y las Comunicaciones –TIC–, se crea la

Agencia Nacional de Espectro (ANE).

ENTIDADES REGULATORIAS

IDEAM (Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales)

MADS (Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible)

POMCA (Planes de Ordenación y Manejo de Cuencas)

GIRH (Gestión Integral del Recurso Hídrico)

CRC (Comisión de Regulaciones de Comunicaciones)

CCE Comisión Colombiana del Espacio

MINTIC (Ministerio de Tecnologías de la Información y Comunicaciones)

ITU (Unión Internacional de Telecomunicaciones)

Coordina el conjunto de servicios de radio comunicaciones y se encarga de la gestión

internacional del espectro de frecuencias radioeléctricas y las órbitas del satélite permitiendo

utilizar servicios de navegación por satélite.(Juan & Diego, 2012)

Cantera Kintz J, 2009 dice que “Aun así la norma no ofrece claridad para la

medición de caudales, para establecer prioridades en la distribución, usos, ni deja claro

en qué momento se asigna al ambiente un caudal especial que garantice su sostenibilidad.

Con este inconveniente, las autoridades ambientales tendrán la posibilidad de actuar con

sus propias interpretaciones y decisiones, dejando en peligro la asignación del caudal

ambiental al árbitro de voluntades e intereses de cualquier índole.”

4.3. Marco geográfico

El área geográfica establecida para el desarrollo del proyecto es en la ciudad de Bogotá,

específicamente la Facultad de Medio Ambiente y Recursos Naturales de la Universidad Distrital

Francisco José de Caldas, ubicada en la localidad de la Candelaria, por la avenida circunvalar en

dirección al sur, en los Cerros Orientales, en el barrio la Concordia- Santa Fe, que limita al norte

con el barrio Las Aguas, al sur con el barrio Egipto y al occidente con el centro administrativo.

36

Ilustración 21 Ubicación de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas- Facultad de Medio Ambiente y

Recursos Naturales (2016). [Mapa Satelital]. Geoportal SIRE-IDIGER

En la FAMARENA se encuentra ubicado el laboratorio de Servicios Públicos donde se

llevaron a cabo las pruebas necesarias para realizar este proyecto y en donde se localiza el equipo

RiverSurveyor M9.

Ilustración 22 Laboratorio de Servicios Públicos (2015). [Fotografía] Recuperado de:

http://ambiental.udistrital.edu.co

37

5. METODOLOGÍA DE INVESTIGACIÓN

5.1. Tipo de investigación

Para responder a la pregunta problema de este trabajo de grado fue necesario definir el tipo de

investigación, el cual contiene elementos de la investigación descriptiva y cuasi experimental y

propone describir de modo sistemático las características de una población, situación o área de

interés, en este caso la medición de caudales de un cuerpo hídrico haciendo uso del RiverSurveyor

M9 de Sontek en función de los estudiantes del proyecto curricular de Tecnología en Gestión

Ambiental y Servicios Públicos o en la de cualquier estudiante que requiera realizar un proceso de

investigación con este equipo o con el presente trabajo.

5.2. Diseño metodológico

Con el fin de entender y conocer la importancia de la medición de caudales fue necesario

implementar un diseño metodológico de carácter teórico y práctico, donde las experiencias

obtenidas dan lugar a los protocolos requeridos para el uso del equipo. Adicionalmente facilita las

labores de docencia y enseñanza-aprendizaje en las prácticas de hidrología y cuencas.

Para fundamentar la parte teórica se consultaron fuentes de información secundaria y se

abarcaron, desde los conceptos básicos de medición de caudal realizando un recuento de los

métodos más simples hasta los más sofisticados a lo largo del tiempo, terminando en caudalímetros

de tipo ultrasónico.

En cuanto el diseño metodológico práctico, se realizó una capacitación en campo para

entender con mayor certeza el funcionamiento del equipo ADP M9 y cómo realizar el proceso de

medición en un cuerpo hídrico de caudal medio.

Finalmente en la metodología cuasi experimental se implementó el diseño de un banco de

pruebas que simula el movimiento de un cuerpo hídrico donde se realizaron prácticas

38

experimentales en el laboratorio con el fin de recolectar la información adecuada para el desarrollo

de una guía práctica para los estudiantes.

5.2.1. Fases de la investigación.

El estudio se dividirá en cinco (5) fases:

Ilustración 23 Fases de la investigación. (2016). [Esquema].Autores

Este es un esquema general de las fases de la investigación. A continuación se detallan las

actividades realizadas en cada una de las fases.

5.2.1.1.Fase Inicial de identificación instrumental.

En esta fase se realizó lo pertinente al reconocimiento del equipo RiverSurveyor M9, se

conocieron las partes del equipo y la función de cada una de estas, se identificó el principio de

funcionamiento, calibración y mantenimiento; para ello fue necesario el uso del manual básico del

equipo, así como su traducción y la manipulación de este en el Laboratorio de Servicios Públicos;

además se llevó a cabo una capacitación teórica otorgada por la empresa de SANAmbiente en el

laboratorio de Servicios Públicos, donde se tocaron los temas ya mencionados.

Fas

es d

e la

inves

tigac

ion.

Fase Inicial de identificación instrumental

Fase de reconocimiento operativo

Fase de sistematización y configuración de procedimientos

Fase del banco de pruebas.

Fase Final de consolidación

Manual de protocolos

Guía práctica

39

5.2.1.2.Fase de reconocimiento operativo

En esta fase se utilizó la capacitación que otorga la empresa SANAmbiente Ltda. El equipo

ADP M9 fue llevado al puente del Común en Chía; el objetivo principal fue realizar un proceso

ilustrativo de una medición real en campo, para ello se aplicaron pruebas de medición del caudal

del Río Bogotá en ese punto, complementando la fase anterior, se realizó el ensamblaje del equipo,

el levantamiento de la estación base, calibración, operación del software, cuidados y

mantenimiento, operación posteriores al uso, identificación de posibles dificultades y problemas

que se pueden presentar durante el proceso de medición y así tener mayor claridad para la solución

de estos. Posteriormente el equipo de trabajo se trasladó a las oficinas de la empresa con el fin de

culminar la capacitación teórico-práctica del día; allí se explicaron los elementos y herramientas

que ofrece el software, las funciones de estas, correcciones en los datos de medición, descargue de

los archivos de la memoria del equipo y la aclaración de las inquietudes presentadas. Esta

información obtenida fue utilizada para el desarrollo del Manual de Protocolos y la Guía Práctica.

5.2.1.3.Fase de sistematización y configuración de procedimientos

Una vez se realizaron todas las capacitaciones y se conoció en su totalidad el

funcionamiento del equipo se recolectó toda la información; se realizó la metrología de cada una

de las partes del equipo para diseñarlas en el programa AUTODESK INVENTOR, imágenes que

se usaron en el Manual de Protocolos. Se definieron los protocolos para la sistematización y

configuración de procedimientos en el manejo del equipo (estructuración del manual).

5.2.1.4. Fase del banco de pruebas.

Con el fin de permitir a los estudiantes el uso del equipo sin necesidad de que sea

estrictamente en campo, fue pertinente diseñar un banco de pruebas con las medidas específicas

que permitan al equipo su correcto funcionamiento y ser manipulado en el Laboratorio de Servicios

40

Públicos. Se identificó el tipo de material pertinente que se adaptara a las necesidades y

especificaciones para las pruebas, definir la estructura del banco de pruebas y elección de la bomba

hidráulica.

Adicionalmente se realizaron siete (7) ejercicios diferentes en el banco, ajustando las

válvulas con el fin de ofrecer variaciones en el caudal y de esta manera el estudiante pueda simular

distintas situaciones cuasi experimentales; posteriormente se tabularon y se analizaron los datos

obtenidos. Se verificaron fallas que pudiesen ocurrir durante este proceso y se brindaron opciones

de ayuda para cada uno de los ejercicios.

5.2.1.5.Fase final de consolidación del Manual de Protocolos y la Guía Práctica.

En esta etapa se procedió a organizar y presentar los documentos escritos que contienen

toda la información recolectada así como los resultados de las practicas, la elaboración del Manual

de Protocolos del equipo RiverSurveyor y la Guía Práctica documentado en la presente

monografía, los cuales son productos que quedarán en el Laboratorio de Servicios Públicos, para

uso de los estudiantes del proyecto curricular y en general de todo aquel que considere útil esta

información para el desarrollo de una investigación basado en el ADP M9.

41

6. RESULTADOS

Para implementar las metodologías planteadas anteriormente fue necesario realizar varias

prácticas experimentales que permitieran un adecuado desarrollo del presente trabajo.

6.1. Trabajo de Campo

En primera instancia se realizó un trabajo de campo en el Puente del Común en Chía el día lunes

19 de octubre del año 2015.

6.1.1. Ubicación Geográfica

El desarrollo de este trabajo de campo se llevó a cabo en el río Bogotá en su cuenca alta, el principal

cauce fluvial de la sabana de Bogotá, perteneciente al departamento de Cundinamarca.

Específicamente la práctica se desarrolló debajo del monumento nacional “El Puente del Común”,

ubicado en el municipio de Chía.

Ilustración 24 Ubicación del Puente del Común, Chía. (2016). [Mapa Satelital].Geoportal Instituto Geográfico

Agustín Codazzi

42

6.1.2. Levantamiento de la estación

Una vez se realizó el ensamblaje del equipo ADP M9 y una breve retroalimentación de la

capacitación teórica se procedió al levantamiento de la estación. Para ello se usaron dos estacas

ubicadas en las orillas del río y cuatro (4) cuerdas ubicadas de la siguiente manera:

Una transversal al río atada a cada estaca formando la línea de seguridad del equipo, dos

sujetas a los anillos de seguridad del equipo (derecho e izquierdo) permitiendo movilizarlo

longitudinalmente, y una última cuerda que une el equipo con la línea de seguridad.

Ilustración 25 Esquema final del montaje de la estación móvil. (2016). [Imagen]. Autores

6.1.3. Procedimiento de medición

Con la asesoría brindada por el personal de SANAmbiente se da inicio al proceso de medición

con el software RiverSurveyor Live y posteriormente el RiverSurveyor Stationary Live,

verificando el completo funcionamiento del equipo, la conexión GPS y satelital.

Durante el proceso de medición se explica en detalle el funcionamiento del software y los

posibles análisis que se puedan desarrollar.

43

Con el fin de realizar una capacitación más completa cada integrante desarrolló el proceso de

medición tanto en el software como en terreno. Se brindó solución a inquietudes y problemas

generados durante la medición.

Ilustración 26 Evidencia fotográfica: Trabajo en Campo. (2016). [Fotografía]. Autores

6.1.4. Post-procesamiento

Una vez se recolectaron los datos, los participantes de la capacitación se dirigieron a las

instalaciones de SANAmbiente para realizar el procesamiento de datos. En primera instancia se

explicó el funcionamiento básico del software y las conexiones a realizar para descargar la

Levantamiento de la Estación

Proceso de medición

44

información obtenida en campo (toda esta información especificada en el Manual de Protocolos).

Se conocieron las herramientas del software; las modificaciones que pueden realizarse como lo

son datos erróneos ingresados en campo; las ventajas que este ofrece; la respectiva identificación

de íconos, pestañas, barras, gráficos y, en general, el resumen de la medición.

6.1.5. Datos obtenidos durante el proceso de medición

Se obtuvieron cinco (5) mediciones diferentes correspondientes a cada uno de los ensayos

realizados por cada participante de la capacitación y dirigidos a una medición más precisa y

completa; una de las ventajas que ofrece el software corresponde a la obtención de datos de manera

inmediata a través de cálculos internos, dando como resultado un ponderado del proceso de

medición. Estas mediciones realizadas corresponden a muestras tomadas a lo largo del eje

horizontal del río en sentido derecha a izquierda y viceversa.

6.1.5.1. Tabla y gráficos de los datos obtenidos de la medida de caudal

A continuación se dan a conocer tanto los resultados más significativos obtenidos durante el

proceso de medición del río Bogotá como el promedio estadístico de estos, permitiendo un análisis

completo de datos.

Tabla 6 Tabla de resultados de la medición de caudal- Campo

Número Del

Transecto Tiempo Distancia

Velocidad

Promedio Caudal

#

Duración

de medida

(hh/mm/ss)

Temperatura

(°C)

Anchura

del río

(m)

Área

(m2)

Agua

(m/s)

Total

(m3/s)

1 00:05:16 19,5 12,89 21,51 0,23 5,09

2 00:02:47 19,5 12,95 21,05 0,22 4,71

3 00:03:58 19,4 12,12 20,67 0,21 4,51

4 00:03:30 19,5 12,65 21,97 0,24 5,37

5 00:03:30 19,6 12,06 20,46 0,23 4,71

Promedio 00:03:49 19,5 12,53 21,13 0,23 4,88

45

Gráfico 1 Duracion de la medida-Campo. (2016). [Gráfica]. Autores

Según el promedio obtenido en la gráfica, se observa que los datos tienen distribución

uniforme y tienden a una duración de 3 minutos más 49 segundos.

Gráfico 2 Anchura del río-Campo. (2016). [Gráfica]. Autores

Referente al ancho del río se evidenció que durante el transecto 3 y 5 el resultado obtenido

fue de menor valor, lo que influyó directamente en los cálculos realizados internamente por el

software y en las siguientes gráficas.

12:05:16 a. m.

12:02:47 a. m.

12:03:58 a. m.12:03:30 a. m. 12:03:30 a. m.

12:00:00 a. m.

12:00:43 a. m.

12:01:26 a. m.

12:02:10 a. m.

12:02:53 a. m.

12:03:36 a. m.

12:04:19 a. m.

12:05:02 a. m.

12:05:46 a. m.

Transecto 1 Transecto 2 Transecto 3 Transecto 4 Transecto 5

DURACIÓN DE LA MEDIDA

Duración de la medida Promedio

12,89 12,95

12,12

12,65

12,06

11,60

11,80

12,00

12,20

12,40

12,60

12,80

13,00

13,20


ANCHURA DEL RÍO

Anchura del río Promedio

46

Gráfico 3 Área del río-Campo. (2016). [Gráfica]. Autores

Una vez se definió la distancia recorrida o anchura del río se resalta que la medición más

cercana de área al promedio correspondió a transecto 2. Es por ello que se identificó como el

transecto más característico.

Gráfico 4 Velocidad del río-Campo. (2016). [Gráfica]. Autores

El promedio de la velocidad da una muestra referente donde cada uno de los transectos es

tomado de forma independiente y definido por las condiciones del cauce en cada instante.

21,51

21,05

20,67

21,97

20,96

20,00

20,50

21,00

21,50

22,00

22,50


ÁREA DEL RÍO

Área Promedio

0,23

0,22

0,21

0,24

0,23

0,19

0,20

0,21

0,22

0,23

0,24

0,25


VELOCIDAD DEL RÍO

Velocidad Promedio

47

Gráfico 5 Caudal del río-Campo. (2016). [Gráfica]. Autores

Existe una correlación directa entre la gráfica de caudal y las gráficas evidenciadas con

anterioridad, debido a los cálculos internos y ajustes inteligentes con los que cuenta el software,

disminuyendo errores humanos y aumentando la exactitud. Adicionalmente la línea promedio y la

regresión lineal muestran una recta semejante debido a la tendencia de los datos.

A continuación se muestran las gráficas de las variables más representativas de la práctica,

para ello se escogió el transecto número dos (2) como el transecto más característico de acuerdo

con los promedios obtenidos de todas las mediciones. El objetivo principal de la medición con el

equipo RiverSurveyor M9 fue determinar el caudal de un cuerpo hídrico usando todas las variables

posibles. Se enfatizó en el carácter batimétrico del río teniendo en cuenta el caudal y la

profundidad, variables escogidas para el análisis.

5,09

4,71

4,51

5,37

4,71

4,00

4,20

4,40

4,60

4,80

5,00

5,20

5,40

5,60


CAUDAL DEL RÍO

Caudal Promedio Lineal (Caudal)

48

Gráfico 6 Profundidad del río Bogotá (Cuenca alta). (2016). [Gráfica]. Autores

En esta gráfica se demostró que las medidas equidistantes de profundidad tomadas por el

sensor ADP M9 corresponden al perfil batimétrico del río. Adicionalmente con ayuda del cálculo

integral se logró hallar el área del cauce del río en el plano de medición.

Gráfico 7 Caudal del río Bogotá (Cuenca alta). (2016). [Gráfica]. Autores

Una vez determinada la gráfica del caudal del río se logra afirmar que guarda una estrecha

relación respecto a la gráfica de profundidad en cuanto a forma, ya que el caudal es directamente

proporcional al área, que como ya se mencionó, corresponde a la integral del perfil batimétrico.

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,0

5

0,4

8

0,9

4

1,5

8

1,9

3

2,1

8

2,4

9

2,7

6

0,3

1

1,5

6

2,2

5

3,0

3

3,9

9

4,6

8

5,3

3

5,9

7

6,5

7

7,3

7,9

9

8,7

9,4

6

10

,31

11

,27

12

,19

12

,8

CA

UD

AL

(m3

/s)

DISTANCIA DE LA MEDIDA (m)

CAUDAL DEL RÍO

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0,0

5

0,4

8

0,9

4

1,5

8

1,9

3

2,1

8

2,4

9

2,7

6

0,3

1

1,5

6

2,2

5

3,0

3

3,9

9

4,6

8

5,3

3

5,9

7

6,5

7

7,3

7,9

9

8,7

9,4

6

10

,31

11

,27

12

,19

12

,8

PR

OFU

ND

IDA

D (

m)


PROFUNDIDAD DEL RÍO

49

6.2. Diseño y construcción de un banco de pruebas para el laboratorio de Servicios Públicos.

6.2.1. Diseño del banco de pruebas

Con ayuda del software Autodesk Inventor se diseñó del banco de pruebas: se tomaron

como punto de partida las limitaciones espaciales del Laboratorio de Servicios Públicos y las

especificaciones técnicas del sensor.

Con el fin de cumplir el parámetro de profundidad de medida se definió una altura de 0,50 m

presentando 0,30 m por encima del límite inferior del sensor.

El segundo parámetro correspondió al ancho del banco de pruebas de 0,40 m y se tuvo como

referencia la limitación de espacio en el laboratorio.

Y como último parámetro se escogió una longitud de 1,25 m con el fin de proporcionar una

medición semejante a un río con caudal bajo.

Ilustración 27 Diseño del banco de pruebas en Autodesk Inventor. (2016). [Imagen]. Autores

50

6.2.2. Construcción del banco de pruebas

Se evaluaron diferentes materiales que permitieran las condiciones óptimas para el banco

de pruebas y definir la construcción en material galvanizado por ser resistente y liviano. Se

abrieron 3 agujeros equidistantes a la longitud en las partes laterales del banco de pruebas, la

succión con una altura de 0,15 m. y la descarga con una altura superior a 0,30 m.

Una estructura en PVC con una succión de ¾ pulgada y una salida de ½ pulgada, (para

otorgar presiones ideales y menores pérdidas en el sistema), con válvulas de emergencia y

regulación de caudal. Se necesitó una motobomba hidráulica que proporciona un caudal de 31

galones por minuto con 0.25 hp de fuerza y con conexión para voltaje de 110 ó 220.

Ilustración 28 Evidencia fotográfica: Construcción del banco de trabajo. (2016). [Fotografía]. Autores

51

Montaje del banco de pruebas

6.2.2. Montaje del banco de pruebas con la unidad satelital.

Se realizó el montaje del banco, la unidad satelital M9 y la bomba uniendo las universales de

succión y descarga, áreas identificadas cada una en la parte inferior externa del banco de pruebas

y se procedió al llenado de este hasta donde indica el nivel de la línea azul.

Ilustración 29 Evidencia fotográfica: Trabajo en Laboratorio. (2016). [Fotografía]. Autores.

6.2.1. Montaje del equipo

Se procedió a realizar el montaje del equipo en el soporte dinámico especialmente diseñado

para esta estructura. Los pasos a seguir de este proceso se encuentran disponibles en la guía

práctica anexo a este documento. (Ver anexo 2: “Guía Práctica del Laboratorio de Servicios

Públicos EQUIPO M9 RIVERSURVEYOR DE SONTEK”. Pág. 6-Pág 7).

52

Ilustración 30 Evidencia fotográfica: Trabajo en Laboratorio. (2016). [Fotografía]. Autores

Conexión de la bomba de agua

Montaje final del banco de pruebas

53

6.2.2. Pruebas realizadas

Se encendió la bomba y se inició el proceso de medición utilizando el software RiverSurveyor

Continuo Live. Con el fin de verificar el correcto funcionamiento del equipo y los procedimientos

necesarios para la estructuración de la guía práctica se realizaron siete (7) ejercicios descritos a

continuación.

Ejercicio 1: Las tres (3) válvulas abiertas.

Ejercicio 2: Válvulas #1 y #2 abiertas y válvula #3 cerrada.



Ejercicio 5: Válvula #3 abierta y válvulas #2 y #1 cerradas.



6.2.3. Datos obtenidos durante el proceso de medición en el laboratorio

A continuación se relacionan los datos obtenidos durante los siete diferentes ejercicios.

6.2.3.1.Tabla y gráficos de resultados de la medida de caudal

Tabla 7 Tabla de resultados de la medición de caudal- Laboratorio de Servicios Públicos

Número Del

Transecto Tiempo Distancia

Velocidad

Promedio Caudal

#

Duración

de medida

(hh/mm/ss)

Temperatura

(°C)

Anchura

del banco

de pruebas

(m)

Área

(m2)

Agua

(m/s)

Total

(m3/s)

1 00:01:40 19,2 0,707 0,660 0,031 0,020

2 00:01:21 19,3 1,833 0,611 0,102 0,062

3 00:01:32 19,4 0,924 0,309 0,428 0,132

4 00:01:19 19,4 1,018 1,937 0,002 0,004

5 00:01:27 19,6 1,455 0,942 0,011 0,031

6 00:01:34 19,7 1,430 0,073 2,207 0,160

7 00:01:24 19,8 2,109 0,947 0,093 0,088

Promedio 00:01:28 19,48 1,782 1,060 0,410 0,071

54

Gráfico 8 Duración de la medida-Laboratorio. (2016). [Gráfica]. Autores

Según el promedio obtenido en la gráfica, se logra observar que los datos tienen

distribución uniforme y tienden a una duración de medida de 1 minuto más 28 segundos.

Gráfico 9 Anchura del río-Laboratorio. (2016). [Gráfica]. Autores

Referente al ancho del banco de pruebas se demostró que durante los ejercicios 2 y 7 el

resultado obtenido supera el promedio puesto que en el ejercicio 2 hay dos (2) válvulas abiertas y

en el ejercicio 7 hay dos (2) válvulas cerradas existiendo la correlación directa.

12:01:40 a. m.

12:01:21 a. m.12:01:32 a. m.

12:01:19 a. m.12:01:27 a. m.

12:01:34 a. m.12:01:24 a. m.

12:00:00 a. m.

12:00:17 a. m.

12:00:35 a. m.

12:00:52 a. m.

12:01:09 a. m.

12:01:26 a. m.

12:01:44 a. m.

12:02:01 a. m.

Ejercicio 1 Ejercicio 2 Ejercicio 3 Ejercicio 4 Ejercicio 5 Ejercicio 6 Ejercicio 7

DURACIÓN DE LA MEDIDA

Duración de la medida Promedio

0,71

1,83

0,92 1,02

1,46 1,43

2,11

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50


ANCHURA DEL RÍO-SIMULACIÓN (BANCO DE PRUEBAS)

Anchura del río-Simulación Promedio

55

Gráfico 10 Área del río-Laboratorio. (2016). [Gráfica]. Autores

En esta ocasión el área mayor se presenta en el ejercicio 4 debido a que las válvulas 1 y 3

se encuentran cerradas y el flujo se concentra especialmente en el centro del banco de pruebas

proporcionando una distribución anormal de flujo.

Gráfico 11 Velocidad del río-Laboratorio. (2016). [Gráfica]. Autores

Al estar abierta únicamente la válvula 2 se observó un flujo mayor debido al choque de la

partícula de agua en la pared del banco de pruebas, aumentando la velocidad en la medición.

0,66 0,61

0,31

1,94

0,94

0,07

0,95

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50


ÁREA DEL RÍO-SIMULACIÓN (BANCO DE PRUEBAS)

Área Promedio

0,03 0,10

0,43

0,00 0,01

2,21

0,09

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50


VELOCIDAD DEL RÍO-SIMULACIÓN (BANCO DE PRUEBAS)

Velocidad Promedio

56

Gráfico 12 Caudal del río-Laboratorio. (2016). [Gráfica]. Autores

En cuanto al caudal del banco de pruebas existe una diferencia representativa entre los

datos y el promedio obtenido, esto definido por la apertura y distribución del caudal en cada uno

de los ejercicios planteados.

Se mostrará una sola representación gráfica para los siete ejercicios desarrollados en el

laboratorio ya que estos se hicieron en el banco de pruebas, sin modificación alguna en la base de

este y bajo las mismas condiciones.

Gráfico 13 Profundidad del río- Banco de pruebas (2016). [Gráfica]. Autores

0,02

0,06

0,13

0,00

0,03

0,16

0,09

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20


CAUDAL DEL RÍO- SIMULACIÓN (BANCO DE PRUEBAS)

Caudal Promedio

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

0

0,1

2

0,2

6

0,4

5

0,6

9

0,9

3

1,1

5

1,2

9

1,4

6

0,5

5

0,6

3

0,7

2

0,9

5

1,0

9

1,2

3

PR

OFU

ND

IDA

D (

m)


PROFUNDIDAD

57

Ejercicio 1: Las tres (3) válvulas abiertas.

Gráfico 14Caudal del río- Banco de pruebas Ejercicio 1. (2016). [Gráfica]. Autores


Gráfico 15Caudal del río- Banco de pruebas Ejercicio 2. (2016). [Gráfica]. Autores

0

0,005

0,01

0,015

0,02

0,025

0,03

0,035

0,04

0

0,1

2

0,2

6

0,4

5

0,6

9

0,9

3

1,1

5

1,2

9

1,4

6

0,5

5

0,6

3

0,7

2

0,9

5

1,0

9

1,2

3

CA

UD

AL

(m3

/s)


CAUDAL

0

0,005

0,01

0,015

0,02

0,025

0,03

0,035

0,0

7

0,1

0,3

9

0,7

6

1,1

4

1,2

4

1,2

6

1,2

8

1,2

9

1,3

1

1,3

4

1,3

7

1,4

1,4

8

1,6

6

1,7

1

1,7

6

1,7

8

1,8

1

1,8

3

1,8

6

1,8

9

CA

UD

AL

(M3

/S)

DISTANCIA DE LA MEDIDA (M)

CAUDAL

58


Gráfico 16 Caudal del río- Banco de pruebas Ejercicio 3. (2016). [Gráfica]. Autores



0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0

0,0

7

0,1

3

0,1

9

0,2

5

0,3

1

0,4

6

0,6

1

0,7

5

0,9

1,0

5

1,1

9

1,3

4

1,5

1,6

7

1,8

4 2

2,1

2,1

9

2,2

9

CA

UD

AL

/M3

/S)


CAUDAL

0

0,005

0,01

0,015

0,02

0,025

0,03

0,035

0,04

0

0,0

7

0,1

1

0,3

5

0,4

5

0,6

3

0,7

2

0,9

6

1,0

1

1,3

3

1,6

4

CA

UD

AL

(M3

/S)


CAUDAL

59





0

0,005

0,01

0,015

0,02

0,025

0,03

0,035

0

0,0

5

0,0

7

0,1

1

0,2

2

0,3

5

0,4

5

0,6

3

0,7

2

0,9

6

1,0

1

1,3

3

1,6

4

CA

UD

AL

(M3

/S)


CAUDAL

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

0,18

0

0,0

7

0,2

5

0,3

9

0,8

1

0,8

9

0,9

8

1,1

6

1,2

6

1,5

2

CA

UD

AL

(M3

/S)


CAUDAL

60



6.2.3.2. Tabla de cálculos obtenidos durante la práctica en el laboratorio.

A continuación se muestran los datos obtenidos durante los siete diferentes ejercicios

planteados para la práctica realizada en el banco de pruebas.

Tabla 8 Tabla de cálculos obtenidos durante la práctica en el laboratorio.

N° Resumen

de medida

Caudal del

software

Factor de

corrección

Caudal con

factor

corrección

Caudal de

la bomba

% de error

(QK vs Q

Bomba)

Observaciones

(Q) (K) (Q*K) (Q Bomba)

1 0,020 0,1017 0,0020 0,001956 4

2 0,062 0,0334 0,0020 0,001956 6

3 0,134 0,0154 0,0026 0,001956 6

4 0,001 2,09 0,0021 0,001956 7

5 0,028 0,073 0,0020 0,001956 5

6 0,161 0,0127 0,0020 0,001956 5

7 0,089 0,0232 0,0020 0,001956 6

TOTAL 0,495 2,3494 0,147 0,137 39

PROMEDIO 0,071 0,3356 0,0021 0,002 5,57

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

0,09

0,1

0,1

8

0,3

0,4

0,4

8

0,5

6

0,5

9

0,9

4

1,0

5

1,1

3

1,2

3

1,3

1

1,3

8

1,4

4

1,4

9

1,5

5

1,6

5

1,7

1

1,8

2

1,9

5

1,9

9

CA

UD

AL

(M3

/S)


CAUDAL

61

Durante el análisis de datos fue necesario implementar un factor de corrección ya que se

presentó una diferencia entre el caudal de entrada y el caudal reportado por el equipo

RiverSurveyor de SonTek. Los factores de corrección para cada uno de los ejercicios propuestos

fueron dados en su totalidad por el ingeniero Eduardo Ladino Peralta.

6.2.3.3.Análisis de datos obtenidos en el laboratorio.

Los datos obtenidos son coherentes y corresponden de manera apropiada a las condiciones

dadas para cada ejercicio práctico. Por ejemplo:

En el Ejercicio Nº 1 visual y sensorialmente se determina una concentración de caudal en los

costados laterales del banco de pruebas (gráfica 14) debido a la estructura de la tubería,

permitiendo un recorrido lineal e imposibilitando una desviación por el punto 2.

El Ejercicio Nº 2 muestra un mayor flujo de caudal en la salida uno, debido a la presión dada por

la bomba y al corto recorrido del fluido. Esto se puede justificar para el ejercicio Nº 4.

Finalmente, entre las gráficas más significativas se presenta la resultante del ejercicio Nº 6 donde

se determina que, por la presión del fluido a la salida, este golpea directamente con la pared del

banco de pruebas provocando que se devuelva y tienda a seguir la dirección del flujo inicial.

62

7. PRODUCTOS OBTENIDOS

Con esta metodología se dan a conocer dos (2) productos: primero el Manual de protocolos del

equipo RiverSurveyor de Sontek M9, donde se brindó información clara, se detallaron todos y

cada uno de los pasos a seguir desde el uso previo del equipo, pasando por ensamblaje, manejo del

software, calibración hasta los lineamientos posteriores a su uso. Se emplearon ayudas visuales,

en su mayoría imágenes de autoría propia, que facilitan su comprensión, con la intención de que

cualquier persona que lo consulte obtenga los conocimientos necesarios para realizar un proceso

de medición con ayuda del equipo, ofreciendo una capacidad interpretativa de datos reales y

estadísticos, con la ventaja de crear soluciones ante situaciones reales que se presentan en el ámbito

laboral como Gestor Ambiental y Servicios Públicos

Se procedió a verificar que las instrucciones consignadas en el Manual sean claras y completas;

para ello, dos estudiantes del proyecto curricular, que no habían tenido interacción con el equipo,

desarrollaron el ejercicio de ensamblarlo. Para ello tomaron alrededor de una hora y cinco minutos

según cronómetro.

El siguiente producto, creación propia, es una Guía Práctica para usar en el laboratorio, la cual

tiene como base un banco de pruebas simulador de río; a partir del diseño de planos se construyó

con materiales livianos y resistentes que faciliten el desarrollo de la práctica.

63

8. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS

Concluidos el proceso de medición de caudal del río Bogotá en la cuenca alta del río y el

procesamiento de los datos obtenidos a través del software, se demostró que existe una

concentración de flujo del caudal en la parte central del cauce, determinando un aumento en la

velocidad de la partícula de agua en esta zona, así como una mayor área.

Según las especificaciones del equipo existe una limitante referente a la profundidad mínima

de medición que corresponde a 0.40 m.; durante el ejercicio aplicado en el Puente del Común, y

con los datos estadísticos registrados por el software, el equipo logró detectar medidas a

profundidades menores que la ya mencionada, exactamente 0.28 m., demostrando así que este

punto ciego no es un limitante y atribuye una mayor precisión en la medición de caudal y la

obtención de datos.

Por otro lado debido a las condiciones geográficas de montaña existentes en la topografía

colombiana, la nubosidad y la ubicación cercana a un puente, no permitió una corrección en la

medición final de +/- 3 cm con ayuda del RTK GPS BASE, debido a que se requieren como

mínimo 8 satélites para lograr la comunicación; sin embargo el equipo logró tomar la señal de 7

satélites. Con las condiciones óptimas esta corrección sería posible de establecer definiendo unas

bases óptimas para el desarrollo de una práctica adecuada. Adicionalmente es necesario considerar

la existencia de otras variables que inciden directamente en los resultados obtenidos como las

condiciones meteorológicas, los niveles de contaminación del cuerpo hídrico, las características

dinámicas del fluido y la operación del equipo.

Referente a los otros beneficios que ofrece el equipo, el tiempo de medición no fue superior a

seis (6) horas incluyendo el montaje de la estación así como un refuerzo teórico y un ejercicio de

práctica con cada uno de los integrantes del equipo de trabajo de campo. Sin embargo, el proceso

64

de medición de caudal de una orilla a la otra no toma más de 5 min permitiendo ahorro en tiempo,

costos operacionales, precisión de los datos, adquisición de la información y cálculos realizados

respecto a tecnologías más comunes usadas en la actualidad por Colombia como lo es el molinete.

En cuanto a los resultados obtenidos en la práctica de laboratorio fue necesario implementar

un factor de corrección (K) en el caudal final de cada ejercicio propuesto, obteniendo 7 factores

de corrección, debido a las especificaciones en el diseño del banco de pruebas se presentó una

desviación entre el caudal de entrada al sistema y el caudal registrado por el equipo; dicho factor

fue proporcionado por el director del proyecto de grado. Aunque la profundidad fue la adecuada,

el ancho influyó negativamente en la medición del sensor por el ADP M9. Es necesario indicar

que el ejercicio de práctica en el laboratorio es una experiencia la cual permite un pre

reconocimiento del equipo antes de ser llevado a campo para así eliminar, corregir o prevenir

equivocaciones que impidan un desarrollo adecuado en una práctica real.

Uno de los mayores desafíos durante el proceso de la guía práctica fue la construcción del

banco de pruebas para lograr un acople de los elementos de transmisión satelital, el cual, aparte de

ser un proceso lúdico, debía contener un acercamiento real a una medición en un cuerpo hídrico

de bajo caudal, dando soluciones a cualquier dificultad o problema resultante. Al finalizar la

práctica en el laboratorio y determinando los datos obtenidos se comprobó que el caudal se verá

influenciado dependiendo de cada ejercicio a realizar.

Determinando el análisis de los productos obtenidos con este proyecto la guía práctica del

laboratorio permite una interacción cien por ciento académica y de socialización del conocimiento

con ayuda del Manual de Protocolos que ofrece una estructura muy completa utilizando métodos

gráficos que permiten una atracción visual y detallada del funcionamiento especifico del RIVER

SURVEYOR DE SONTEK.

65

El ejercicio realizado con los estudiantes permitió determinar falencias mínimas en texto y

forma del Manual las cuales fueron corregidas posteriormente pero en general las herramientas

facilitaron el tiempo de ejecución y la comprensión del manual.

66

9. CONCLUSIONES

Una vez desarrollado este trabajo con apoyo del equipo RiverSurveyor de Sontek M9 se

estructuró el conjunto de protocolos necesarios para el desarrollo de prácticas de carácter

batimétricos con el propósito de que contribuyan con los procesos de enseñanza-aprendizaje del

Laboratorio de Servicios Públicos de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas.

Se desarrolló el manual básico con sus respectivos procedimientos, se creó la línea base de

procesos de calibración, software y herramientas para el equipo, y se identificó la funcionalidad

del equipo tanto en el campo como en el laboratorio. Este manual es muy completo, gráfico y

entendible para cualquier persona que tenga poca experiencia en la medición de caudal con este

tipo de tecnologías.

Cabe resaltar que el ADP M9 es un equipo de alta precisión, fácil maniobrabilidad y

entendimiento, que cuenta con dos software muy completos que permiten a los estudiantes un

manejo de información comparativa y un análisis de esta a la hora de tomar decisiones; sin

embargo requiere de cuidados básicos para su correcto funcionamiento y aumento de la vida útil

en el laboratorio.

Se tuvieron inconvenientes a la hora de realizar el banco de pruebas para lograr una

medición óptima con el equipo, además de la ubicación del banco en el reducido espacio que ocupa

el Laboratorio de Servicios Públicos, pero la experimentación realizada con dicha canal permitió

un entendimiento mayor en la medición de caudal en otro tipo de cuerpos hídricos.

La guía práctica surgió como alternativa de solución a un problema que radica en una gestión

difícil para sacar el equipo ADP M9 a campo y a un primer acercamiento de los estudiantes con el

fin de adquirir los conocimientos necesarios.

67

10. RECOMENDACIONES

Usar adecuadamente el Manual de Protocolos del Equipo RiverSurveyor M9 en prácticas

de carácter batimétrico tanto en campo como en el laboratorio. En el proyecto curricular

conviene utilizarlo en asignaturas que pertenecen a la gestión integral del recurso hídrico

como Introducción a las Cuencas Hidrográficas, Operación de Plantas y Estaciones de

Bombeo y Mecánica de Fluídos.

En el trabajo de campo se requiere innovar con un mecanismo que permita un fácil

movimiento del equipo a través del río para realizar la medición de caudal del cuerpo

hídrico de una orilla a la otra.

Permitir al estudiante realizar invenciones sobre el banco de pruebas con el fin de

proporcionar una medida más real y semejante a la simulación de un cuerpo hídrico.

Mejorar procedimientos para accesar al Manual de Protocolos y a la Guía Práctica a través

de una plataforma interactiva, muy similar a las funciones de una aplicación en la web.

68

11. GLOSARIO

AGUA: recurso natural renovable, en estado líquido a temperatura ambiente sin olor, color ni sabor

que se encuentra en la naturaleza en estado más o menos puro formando ríos, lagos y mares; ocupa

las tres cuartas partes del planeta Tierra y forma parte de los seres vivos; está constituida por

hidrógeno y oxígeno (H2O) unidos por un enlace covalente formando un ángulo de 104,5°.

AFORO: procedimiento que consiste en una serie de mediciones de factores de área de la sección

transversal y de velocidad del agua y permite posteriormente calcular el caudal de una corriente,

el cual está referenciado a un nivel de agua para realizar en campo. En otros casos, la medición

entrega resultados inmediatos para ser aplicados en actividades que así lo requieran. (Instituto de

Hidrologia y Metereologia y Estudios Ambientales IDEAM, 2007).

BATIMETRÍA: procede del griego bathýs 'profundo' y –metría ´medida´; el Diccionario de la

Real Academia de la Lengua lo define como “el arte de medir las profundidades”.

En Topografía se entiende por batimetría el levantamiento del relieve de superficies sub-acuáticas,

tanto los del fondo de mar como los de cursos de agua, de embalses, etc., usando diferentes

instrumentos de sonda y posicionamiento de lancha. Estos trabajos son denominados también

topografía hidrográfica, cartográfica náutica, etc.

CAUDAL: cantidad de fluido que circula a través de una sección transversal por unidad de tiempo.

CUENCA HIDROGRÁFICA: zona geográfica cuyo desagüe superficial confluye en un río

principal. Es el elemento que hay que tomar en cuenta en la planificación regional integral,

especialmente en relación con el uso prioritario del agua, y en general, de la explotación racional

de los recursos naturales de esa región. El límite de una cuenca está definido geográficamente por

la divisoria de aguas, el borde superior más allá del cual el agua fluye en otra dirección, por otra

cuenca. (Mata, 2005).

69

CUERPO HÍDRICO: masa o extensión de agua, tal como un lago, mar u océano que cubre parte

de la Tierra. Algunos cuerpos de agua son artificiales, como los estanques, aunque la mayoría son

naturales. Pueden contener agua salada o dulce. Según (CORMACARENA, 2015) los cuerpos

hídricos pueden ser:

Río: corriente de agua de grandes dimensiones que sirven de canal natural en una cuenca

de drenaje.

Quebrada: cuerpo natural de agua normalmente pequeño y poco profundo, por lo general,

de flujo permanente, en cierto modo turbulento y tributario de un río y/o mar.

Arroyo: curso de agua pequeño y poco profundo, por lo general de flujo permanente y en

cierto modo turbulento.

Caño: curso natural de agua de flujo intermitente propio de zonas planas.

Lago: es un cuerpo de agua natural, dulce o salada de tipo continental de gran tamaño y

profundidad, ubicado en depresiones del terreno de formas variadas, que se alimenta de

un río o de aguas freáticas.

Laguna: es un cuerpo de agua natural dulce o salada de tipo continental de menor tamaño

y profundidad que los lagos, ubicado en depresiones del terreno de formas variadas, que

se alimenta de ríos o de aguas freáticas.

Manantial: descarga de agua subterránea al exterior, concentrada en un punto o a lo largo

de una línea.

FLUIDO: es un conjunto de partículas que se mantienen unidas entre sí por fuerzas cohesivas

débiles y las paredes de un recipiente; los fluidos pueden ser líquidos o gases. (Mott, (1996))

SISTEMA DE POSICIONAMIENTO GLOBAL (GPS): es un sistema que permite determinar en

toda la Tierra la posición de un objeto, una persona, un vehículo con una precisión de hasta

https://es.wikipedia.org/wiki/Recipiente

70

centímetros (si se utiliza GPS diferencial), aunque lo habitual son unos pocos metros de precisión.

El sistema fue desarrollado, instalado y empleado por el Departamento de Defensa de los Estados

Unidos, para determinar las posiciones en el globo. El sistema GPS está constituido por 24 satélites

en órbita sobre el planeta Tierra, a 20.200 km de altura, con trayectorias sincronizadas para cubrir

toda la superficie de la Tierra(Sanchez, 2012).

NIVEL DE AGUA: se denomina en una corriente (río, quebrada, arroyo, caño) o cuerpo de agua

(ciénaga, laguna, lago, embalse), a la elevación o altura de la superficie del agua en un punto

determinado, el cual está ligado topográficamente a un origen de referencia identificado con una

cota arbitraria o al nivel medio del mar.(Instituto de Hidrologia y Metereologia y Estudios

Ambientales IDEAM, 2007).

PRESIÓN: es una magnitud física que mide la proyección de la fuerza en dirección perpendicular

por unidad de superficie, y sirve para caracterizar cómo se aplica una determinada fuerza resultante

sobre una línea. En el Sistema Internacional de Unidades la presión se mide en una unidad derivada

que se denomina pascal (Pa) que es equivalente a una fuerza total de un newton (N) actuando

uniformemente en un metro cuadrado (m²). En el Sistema Inglés la presión se mide en libra por

pulgada cuadrada (pound per squareinch o psi) que es equivalente a una fuerza total de una libra

actuando en una pulgada cuadrada. (Giancoli, 2004)

SENSOR: objeto capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de

instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas. Las variables de instrumentación pueden

ser por ejemplo: intensidad lumínica, temperatura, distancia, aceleración, inclinación, presión,

desplazamiento, fuerza, torsión, humedad, movimiento, pH, etc. Una magnitud eléctrica puede ser

una resistencia eléctrica (como en una RTD), una capacidad eléctrica (como en un sensor de

https://es.wikipedia.org/wiki/Departamento_de_Defensa_de_los_Estados_Unidos

https://es.wikipedia.org/wiki/Departamento_de_Defensa_de_los_Estados_Unidos

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https://es.wikipedia.org/wiki/Sensor_de_humedad

71

humedad), una tensión eléctrica (como en un termopar), una corriente eléctrica (como en un

fototransistor), etc. (Realpe, 2013)

VELOCIDAD: es una magnitud física de carácter vectorial que expresa la distancia recorrida de

un objeto por unidad de tiempo. Se representa por o . En análisis dimensional sus dimensiones

son [L] / [T]. Su unidad en el Sistema Internacional de Unidades es el metro por segundo (símbolo

m/s).(Ortega, 2006)

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