AFORO DEL RIO COATA (PUENTE UNOCOLLA) USANDO EL MÉTODO DEL CORRENTÓMETRO Y EL MÉTODO DE FLOTACIÓN 1. INTRODUCCIÓN La curiosidad del ser humano por entender el comportamiento del agua y sus múltiples beneficios hacia el desarrollo de la humanidad, se extiende desde las épocas prehispánicas hasta la actualidad, dando como resultados estudios rigurosos de los que surge la hidrología como una ciencia. La necesidad de utilizar toda el agua disponible, aun en regiones húmedas, y el aumento en los costos para desarrollar nuevas fuentes de agua hacen necesario que esta sea aprovechada con menores costos y sin desperdicio. Esto no se puede lograr si no se utilizan sistemas de medición adecuadas. Juliaca tiene diversidad Topográfica e Hidrográfica y no es aprovechado este recurso en su totalidad. El manejo del recurso hídrico de un curso de agua (rio, canal, etc.) con distintos propósitos (agua potable, riego, etc.) debe ser de manera eficiente requiriendo el conocimiento de la cantidad de agua por un lugar y un tiempo determinado, durante todo un año. El aforo en el rio Coata es de preliminar importancia por ser fuente principal de agua para la captación de SEDA JULIACA y ser una red de distribución de agua potable en todo el distrito de Juliaca. Nosotros como estudiantes de Ingenieria Sanitaria y Ambiental debemos tener conocimiento de los aforos realizados en cuencas ya que es una fuentes principal de agua que al ser tratada puede consumida y ver las consecuencias de sus actos del hombre causas disminución de los caudales.
2. OBJETIVOS: Calcular el caudal del rio Coata usando el método del Correntómetro Calcular el caudal del rio Coata usando el método de Flotación
3. MARCO CONCEPTO 3.1. MEDICION DE ESCURRIMIENTO (AFOROS) La hidrometría, es la rama de la hidrología que estudia la medición del escurrimiento. Para este mismo fin, es usual emplear otro término denominado aforo. Aforar una corriente, significa determinar a través de mediciones, el caudal que pasa por una sección dada y en un momento dado. (Villón Bejar, Hidrología) Medición de agua.
Es la cuantificación del caudal de agua que pasa por la sección transversal de un conducto (río, riachuelo, canal, tubería) de agua; también se le conoce como aforo caudal de agua. (INRENA-UCPSI, 2005) Para cuantificar el caudal de agua se puede utilizar la siguiente fórmula: Q=AxV Donde: Q = Caudal o Gasto (m3/s) A = Área de la sección transversal (m2) V= velocidad media del agua en la sección hidráulica (m/s) Importancia La medición o aforo de agua del río o de cualquier curso de agua es importante desde diferentes puntos de vista, como: - Saber la disponibilidad de agua con que se cuenta. - Distribuir el agua a los usuarios en la cantidad deseada. - Saber el volumen de agua con que se riegan los cultivos. - Poder determinar la eficiencia de uso y de manejo del agua de riego. 3.2 TIPOS DE AFORO METODO ESCALAS LIMNIMETRICAS Se trata de escalas graduadas en centímetros y firmemente sujetas en el suelo, a veces adosadas al pilar de un puente. En cauces muy abiertos puede ser necesario instalar varias escalas de manera que el final de una corresponda al comienzo de la siguiente fig(8) es necesario que un operario acuda cada dia a tomas nota cada dia a tomar nota de la altura del agua. Limnigrafos Miden el nivel guardando un registro o digital del mismo a lo largo del tiempo. El grafico que proporciona (altura del agua en función del tiempo) de denomina limnigrama. No solamente evitan la presencia diaria de un operario, sino que permiten apreciar la evolución del caudal de un modo continuo.
El modulo clásico funciona con un flotador que, después de disminuir la amplitud de sus oscilaciones mediante unos engranajes, hace subir y bajar una plumilla sobre un tambor giratorio. En la figura se muestran dos posibles acceso
al
centro del cauce: aéreo o subterráneo Los equipos más modernos almacenan los niveles de flotador digitalmente, parar después leerlos en un ordenador, o bien los
envían
instantáneamente
al
organismo de control. Otro tipo de dispositivos sin ninguna pieza móvil se colocan en el fondo del cauce, miden la presión y la traducen a altura de Columna de agua sobre él. (Roman, 2013) METODO QUIMICO Su fundamento es el siguiente: arrojamos una sustancia de concentración conocida a un cauce, se diluye en la corriente, y aguas abajo tomamos muestras y las analizamos. Cuanto mayor sea el caudal, mas diluidas estarán las muestras recogidas. La aplicación concreta de este principio se puede ejecutar con dos procedimientos distintos: Aforos de vertido constante A un cauce de caudal Q (que queremos medir) de añade un pequeño caudal continuo q de una disolución de concentración conocida C1. Supongamos que el rio ya tenía una concentración C0 de esa misma sustancia. Se cumplirá que:
Podemos suponer que Q2 es casi igual a Q(es decir que el caudal del rio prácticamente no ha variado con el vertido q). Haciendo Q2=Q y despejando resulta:
Sin considerar la simplificación Q2=Q sustituimos Q2 de [1] en
[2], y
despejamos Q, obteniendo la siguiente expresión,
que
en
la
práctica
proporciona un resultado casi idéntico al obtenido mediante [3]:
Se utiliza una sustancia no contenida previamente en el rio C 0 ~ 0, la ecuación [3] se simplifica asi:
Ejemplo: Se vierte una caudal constante de 0.4 litros/seg con una concentración de 30 g/L y en la muestra recogida aguas abajo se registra una concentración de 3.1 mg/L. La concentración previa en el rio de la sustancia vertida es de 0.5 mg/L. Aplicando la formula [3] (convertimos los 30 g/L en 30000 mg/L):
Si aplicamos la formula exacta [4], obtenemos un resultado casi idéntico:
Si no hubiéramos tenido en cuenta la concentración previa del rio (C 0 = 0,5 mg/L), habríamos aplicado la expresión [5], con un error apreciable:
Aforos de vertido único de integración
Si no se dispone del equipo necesario para el vertido continuo o no es posible por otras razones, el vertido único de una sustancia al cauce es otra alternativa, aunque requiere una corriente turbulenta que asegure la mezcla del vertido con todo el caudal circulante hasta el punto de toma de muestras.
Se vierte un peso conocido; aguas abajo, y supuesta la homogenizacion, se toman varias muestras a intervalos iguales de tiempo
calculando previamente el
principio y el final de la toma de muestras con un colorante. Las concentraciones en las n muestras tomadas serian C1, C2,… Cn. El cálculo seria así:
En lo anterior hemos supuesto que el rio no contenía la sustancia vertida. Si, por el contrario, la concentración previa en el cauce es C 0, y no es despreciable, y C1,C2, etc. Son las concentraciones recogidas agua abajo, la expresión que utilizaremos para el cálculo seria: (Roman, 2013)
[7]
METODO VOLUMETRICO Es un método de fácil utilización y elemental
concepción.
Es
necesario contar con recipiente: balde o tubo u otro que se conozca la capacidad de contención. Dicha capacidad se estima en litros.
Es imprescindible contar con un tubo o canalete, se recomienda que el tamaño del tubo facilite su transporte manual. Un reloj con segundero debe sr parte del equipo. Procedimiento:
Con los materiales a la mano, se escoge un punto del rio en donde la
corriente no sea fuerte. En el lugar escogido se hace un dique rustico para represar al agua. Es posible que cerca de la corriente de agua haya piedras, palos y hojas de
árboles. Con estos recursos naturales se puede levantar el pequeño dique. El tubo se introduce o empotra en el dique para que el agua salga por ese
ducto. Hay que evitar en lo posible fugas de agua por el borde del tubo adherido al
dique. En la boca del tubo por donde sale el agua el recipiente a llenar y al mismo
instante se observa el tiempo de duración de llenado del recipiente. Es importante tener la observación aguda en este momento para dar la
mayor exactitud en el registro del tiempo. Ahora prosigue la sección de cálculo numérico: la división. Se divide la capacidad del recipiente entre el tiempo que registro el llenado. El resultado o
cociente de la operación indica cual es el caudal del curso del agua. En términos de notación esquemática la operación es: Capacidad = C Tiempo = T Caudal = Q
Entonces: Q=C/T (dividido entre T). Como ejemplo, resolvamos un problema ciñiendonos a la fórmula para conocer el caudal aproximado. DATOS: C = 12 litros T = 5 segundos Q = litros por segundo
DESARROLLO Q = C/T Q = 12 litros/ 5 segundos Q = 2.4 LPS
Tenemos determinado que Q es igual a 2.4 litros por segundo. Es necesario reiterar que con el método volumétrico se logra cifras aproximadas del aforo de un caudal de agua. Para adquirir mejor representatividad del aforo, las muestras de agua pueden registrarse de varios sectores de la corriente. Estas muestras se promedian haciendo la sumatoria de todas las mediciones registradas, y dividiendo la suma total entre el número de aforos realizados. Otra recomendación para indagar el comportamiento del cual de la corriente de agua es efectuar los aforos en distintas épocas del año, tanto en sequia como en invierno. (Bustamante, 2006)
MÉTODO DEL CORRENTÓMETRO La velocidad del agua se determina por medio del correntómetro. Existen varios tipos de correntómetros, siendo los más empleados los de hélice que son de varios tamaños; cuando más grandes sean los caudales o más altas sean las velocidades, mayor debe ser el tamaño del correntómetro. Cada correntómetro debe tener un certificado de calibración en el que figura la fórmula para calcular la velocidad; que son calibrados en laboratorios de hidráulica: cuya fórmula general es la siguiente v = a n + b Donde: v = velocidad del agua (m / s) n = número de vueltas de la hélice por segundo. a = paso real de la hélice en metros. b = velocidad de frotamiento (m / s)
Para obtener la velocidad media de un curso de agua se deben medir la velocidad en dos, tres o más puntos, ubicados a diversas profundidades de la sección del canal. Las profundidades sugeridas en las cuales se mide las velocidades son las siguientes: Tirante de agua (d) en cm
Profundidad de lectura del correntómetro en cm
˂ 15 15 ˂ d ˂ 45 ˃ 45
d/2 0.6 d 0.2 d y 0.8 d 0.2 d ; 0.6 d ; 0.8 d
(MINAGRI, 2005) CORRENTÓMETRO El correntómetro consiste en una hélice y cojinete protegida para la medición de la velocidad del agua, acoplado a un mango de la sonda telescópica que termina en una caja de mando donde se activa el cronómetro pre establecido que mide el número de vueltas de la hélice en un determinado período de tiempo. Los datos se registran en un formato Excel para luego realizar el trabajo de gabinete. Condiciones Generales: Para una adecuada medición de caudales se deberá eliminar todos los residuos, piedras o algún otro material, los cuales puedan interferir con el propulsor del correntómetro, para asegurar que la hélice gire libremente al soplar sobre él y dentro del curso de agua, además se debe de considerar lo siguiente: El tramo o sección a medir debe ser un canal abierto y lo más uniforme posible, más o menos recto, de fácil acceso, sin mucha turbulencia. El ancho del Cauce puede sobrepasar las dimensiones del correntómetro siempre y cuando nos ayudemos con una wincha y que no haya mucha corriente de Agua para medir los tirantes del curso de agua. (UNASAM) MÉTODO DE FLOTACIÓN El método del flotador se utiliza en los canales y acequias y da solo una medida aproximada de los caudales. Su uso es limitado debido a que los valores que se obtienen son los estimados de caudal siendo necesario el uso de otros métodos cuando se requiere una mayor precisión. En este método, de
igual manera, se utilizan los valores promedio de las variables determinadas. (Bejar M. V.) Además, es un método de campo, sencillo y rápido para estimar el caudal de agua que pasa en una sección transversal del río. Con este método se calcula las velocidades superficiales de la corriente de un canal o río, utilizando materiales sencillos (flotadores) que se puedan visualizar y cuya recuperación no sea necesaria. Este método debería ser utilizado en forma provisional hasta que se adquiera o se utilice el correntómetro. (RODRÍGUEZ) Este método es el más sencillo, pero sólo permite estimar en forma aproximada el caudal. Se debe estimar la velocidad del agua y el área del canal. El Cálculo del caudal estimado se determina mediante la siguiente expresión matemática: Q= Fc x A x (L/T) Donde: Q = es el caudal, en m3 /s L = es la longitud entre dos puntos en m A = es el área, en m2 T = es el tiempo promedio en segundos Fc = es el factor de corrección. Donde Fc es un factor de corrección relacionado con la velocidad. El valor de Fc se debe seleccionar de acuerdo al tipo de río o canal y a la profundidad del mismo, de acuerdo a los valores del siguiente cuadro: (Ramos, Calderón, & Navarretty) Cuadro 1. Determinación de Factor de Corrección Fc para cálculo de caudales por el método del Flotador
¿CUÁLES SON LAS VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL MÉTODO? VENTAJAS No les afecta
los
acarreos
DESVENTAJAS de a) Imprecisión, debido a que miden la
material.
velocidad superficial
Su costo es pequeño o nulo.
Imposibilidad trayectoria,
Miden
directamente
superficial.
la
de sobre
controlar todo
en
su ríos
amazónicos. velocidad Dificultad de utilizarlos cerca de las márgenes.
CARACTERISITICAS DE UN FLOTADOR a) El flotador puede ser trozos de ramas, pequeños troncos, botellas, latas de leche, etc. b) En caso de utilizar botellas como flotadores éstos serán tapados herméticamente y parcialmente llenas de agua ( ¾ partes de la botella). c) Es importante que el flotador quede sumergido una gran parte de ellos y emergente lo necesario, esto permitirá que el flotador no sea influenciado por el viento y cambie de dirección fácilmente, lo que implicaría velocidades inexactas. d) Los flotadores deben ser similares en forma y peso.
e) A cada flotador se le debe colocar un distintivo de color a fin de que sean observados durante su trayectoria.
4 METODOLOGÍA ÁREA DE ESTUDIO El área de estudio fue en el rio Coata que pertenece a la cuenca del lago Titicaca, la estación donde se trabajo es a la altura del puente Unocolla 210407, está situado al Oeste de la ciudad de Juliaca. Materiales y equipos: -
-
Materiales para el método de correntómetro: Correntómetro N° 81687 Helice 1-122642 Cuaderno de apuntes Materiales para el método de flotador Varillas Cinta Flexómetro Tapas de botellas Botellas descartables Cronometro Cuaderno de apuntes
Para realizar el aforo se tomó dos métodos de medición las cuales son el método del correntómetro y el método de flotación. PROCEDIMIENTO Método del Correntómetro: Se buscó una zona apropiada para el aforamiento, dicho lugar se
encuentra a 200m del puente Unocolla, aguas arriba. En esa zona, se dividió la sección transversal en franjas (según el Proyecto Hidrometeorológico Centroamericano), para ríos poco
anchos 10 franjas como mínimo. Empezando desde la margen izquierda, hacia la margen derecha, en cada franja se midió la profundidad del rio y por ser poco profundos se
utilizó el método de 0.60, para ubicar el correntómetro. En cada punto establecido, ubicamos el correntómetro para obtener
los siguiente datos: Número de revoluciones por segundo. N = rev/seg Con los datos obtenidos, procedimos a realizar el trabajo en gabinete.
Este fue el primer método se realizó de la siguiente manera. - Para este método nos acompañó el encargado de SENAMHI, que en un inicio dándonos una pequeña charla de cómo se aplica este método -
(anexo 1). También nos dio a conocer cada parte del correntómetro asi como su
-
instalación del correntómetro. (anexo 2) En seguida fuimos al del rio a realizar el respectivo aforo de varios
-
puntos cada 30 segundos en puntos separados de cada 1m. (anexo 3) De esta manera se tomó datos de cada punto aforado para poder calcular en gabinete el caudal del rio Unocolla, los datos obtenidos se
encuentran en la parte de anexos. (anexo 4) Método de Flotador: De la sección transversal ya ubicada (final), medimos 15m aguas arriba para ubicar la sección transversal de inicio del recorrido del
flotador. Como objetos flotadores usamos: tapa de plástico y botella
descartable. Para la medición del tiempo se utilizó un cronómetro. Se realizaron varios ensayos, cinco con la tapa de plástico y 3 con la
botella descartable. Con los datos obtenidos procedimos a realizar el trabajo de gabinete
Este método se realizó de la siguiente manera: - Primeramente, se empezó con la medición de una distancia de 15m de distancia por ambas riberas del rio (anexo 5) - En seguida se formó una figura cuadrilátera con la cinta que se llevó y a la vez esta se midió con la cinta métrica (anexo 6) - Luego cada uno de los objetos como las tapas de botella, botellas descartables desde un inicio (anexo 7) - Luego se cronometro el tiempo que demoraba para llegar a la parte final del cuadrado. (anexo 8) - De esta manera se hiso con 10 objetos y pues nos resultó diferentes tiempos que demoro en llegar hasta el final (anexo 9) - Y también se halló el caudal con este método, llegando a realizar una tabla. (anexo 10) 5 RESULTADOS
Método del Correntómetro
Ancho sección transversal Franja Velocidad media Área Caudal
7,8m 0,71m 0,08 m/s 2,66m2 0,240 m3/s
Método de Flotación (tapa de plástico) Ancho sección transversal Franja Velocidad media Área Caudal
7,8m 0,71m 0,162 m/s 2,66m2 0,367 m3/s
Método de Flotación (botella descartable) Ancho sección transversal Franja Velocidad media Área Caudal
7,8m 0,71m 0,133 m/s 2,66m2 0,302 m3/s
6 DISCUSIÓN 7 CONCLUSIONES En conclusión se pudo medir el caudal con total conformidad por dos métodos cuales son el método del correntómetro y el método de flotación, analizando los resultados de gabinete se pudo observar que hay una gran diferencia entre los dos métodos esto se debe a que el método de flotación no es tan exacta como la del método del correntómetro.
8 RECOMENDACIONES Tanto aguas abajo como aguas arriba, la estación de aforo debe estar libre de la influencia de puentes, presas o cualesquiera otras construcciones que puedan afectar las mediciones. El cauce del tramo recto debe estar limpio de malezas o matorrales, de piedras grandes, bancos de arenas, etc. para evitar imprecisiones en las mediciones de agua. Estos obstáculos hacen más imprecisas las mediciones en épocas de estiaje.
Para lograr un mejor cálculo del área de la sección transversal se deberá contar con una cinta métrica que se encuentre en buen estado. Informarse más sobre los métodos de aforo (correntómetro y flotación) y seguido por una exploración al lugar donde se realizó dicho trabajo. Para lograr el cálculo de área transversal de deberá medir la profundidad y anchura del rio en los diferentes puntos. Para hallar nuestro caudal de nuestro aforo el clima tiene que estar templado, para que no nos interrumpa nuestro trabajo.
9 BILIOGRAFIA
Bejar, M. V. (s.f.). HIDROLOGIA-metodo del flotador. Lima-Peru. Bejar, M. V. (s.f.). HIDROLOGIA-metodo flotador. Lima.Peru. INRENA-UCPSI, C. M. (2005). Manual de Hidrometria. Maximo, B. V. (s.f.). HIDROLOGIA-Metodo del flotador. Lima-Peru. MINAGRI. (2005). Obtenido de MANUAL DE HIDROMETRIA. Ramos, J. M., Calderón, E. C., & Navarretty, I. J. (s.f.). Obtenido de La Dirección General de Infraestructura Agraria y Riego –DGIAR, tiene entre sus: http://minagri.gob.pe/portal/download/pdf/manual-riego/manual5.pdf RODRÍGUEZ, G. I. (s.f.). ESTIMACIÓN DEL CAUDAL POR EL MÉTODO DE FLOTADORES. Obtenido de GOOGLE: http://www.senamhi.gob.pe/usr/cdc/AFORO_X_FLOTADORES.pdf UNASAM. (s.f.). INSTRUCTIVO DE MEDICION DE CAUDAL. Villón Bejar, M. (s.f.). Hidrología. Lima, Perú.
10 ANEXOS
ANEXO – 1: El encargado de SENAMHI explicando respecto al funcionamiento del correntómetro
ANEXO-2: La imagen nos muestra que ya se va realizando el procedimiento del método de correntómetro.
ANEXO-3: cada 30 segundos se cambiaba de punto para tomar las respectivas mediciones.
ANEXO-5: la imagen muestra las mediciones para tomar una determinada sección.
ANEXO-6: uniendo las varillas con las cinta
ANEXO-7: cronometrando el material que se utilizo para este método de flotación.
ANEXO-8: se utilizó el respectivo cronometro para, ver cuánto demorara los flotadores en llegar a la tarde final
ANEXO-9: La imagen muestra que cada uno de los objetos que flotaron llegaron la final cronometrando el tiempo que demoro.
