Aforo 2003 JBS

Juan B. Sciortino

CÁTEDRA: HIDRÁULICA GENERAL

HIDROLOGÍA

Marzo 2003

AFOROS 1. INTRODUCCIÓN El gasto o caudal de un curso de agua es el volumen de agua que fluye a través de una sección transversal de dicho curso por unidad de tiempo.

En una cuenca determinada, el único elemento del balance hidrológico que puede ser medido con suficiente aproximación es el escurrimiento superficial a la salida de la misma, el resto de las componentes del balance son estimados a partir de observaciones en algunos puntos de la cuenca y/o calculados por medio de fórmulas no exactas.

El régimen de caudales es un dato básico, indispensable, para los todos los proyectos que estén relacionados con el escurrimiento. De esta forma es necesaria la instalación de "estaciones de aforo" que permitan observar, en una serie de años tan larga como sea posible, los caudales escurridos en puntos característicos del río, constituyendo estas mediciones la base de todo estudio hidráulico de una cuenca.

La función principal de una estación de aforos es la medición sistemática del caudal que pasa a través de una sección transversal predeterminada de un curso de agua y del nivel de la superficie del agua en dicha sección; en general, se aprovecha la presencia continua de operadores para realizar observaciones meteorológicas y ambientales.

Sin embargo, en nuestro país, no hay estaciones de aforo en la mayor parte de los lugares donde se necesita la información, lo que ha obligado a recurrir a métodos aproximados para la estimación de los caudales de diseño. No hay que olvidarse que ningún método, por bueno que sea, reemplaza la medida directa de la variable escurrimiento.

El flujo en un curso de agua tiene dos componentes principales, una fase líquida y una sólida, esta última es de sumo interés en la mayor parte de los estudios y proyectos hidráulicos, por lo que, además de realizar el aforo líquido también hay que efectuar el aforo sólido para determinar el transporte de sedimentos.

Según la persistencia en el tiempo los aforos pueden ser: Sistemáticos: son las mediciones que normalmente se realizan en las estaciones de aforo; esto implica una continuidad en los registros, realizando al menos un aforo por día en los períodos de estiaje o con escasa variación del caudal del curso de agua y varios aforos al día cuando la variación del escurrimiento sea importante. La cantidad de mediciones depende de la velocidad de variación de los niveles de agua, por ej.: en un río de llanura una creciente puede durar varios días e incluso meses hasta recuperar los niveles normales (dependiendo del tamaño de la cuenca) por lo que es suficiente con un aforo por día o más espaciado aún; en un curso de montaña o pedemontano las avenidas tienen pocas horas de duración por lo que es indispensable realizar la mayor cantidad de aforos que fuera posible para seguir la rápida variación del escurrimiento.

Aislados: las mediciones se realizan en forma puntual en el tiempo (por ej. una vez al mes); por lo general se efectúan en estiaje a los efectos de conocer los caudales mínimos. Es muy difícil realizar aforos aislados para la determinación de caudales máximos o seguimiento de crecidas puesto que esta tarea requiere una infraestructura específica en el curso de agua, a menos que se tenga un programa especial de seguimiento con un equipo adecuado y preparado.

Según el método para la determinación del caudal los aforos pueden ser: Métodos directos: método área-velocidad; dilución con trazadores Métodos indirectos: estructuras hidráulicas; aplicando fórmulas de la hidráulica tradicional.

En muchas ocasiones es necesario determinar el caudal que circula por pequeñas cañerías o conductos de agua; en este caso la técnica más común es el Método Volumétrico, existen otros procedimientos que se encuentran bien descriptos en: “Hidrología Subterránea” Custodio E. Llamas M. (1976)Tomo 1. Capítulo 2.6.

1

Juan B. Sciortino

CÁTEDRA: HIDRÁULICA GENERAL

HIDROLOGÍA

Marzo 2003

2. AFORO EN CAÑERÍAS 2. 1. MÉTODO VOLUMÉTRICO La forma más sencilla de calcular los caudales pequeños es la medición directa del tiempo que se tarda en llenar un recipiente de volumen conocido.

La corriente se desvía hacia un canal o cañería que descarga en un recipiente adecuado y el tiempo que demora su llenado se mide por medio de un cronómetro; el volumen del recipiente debe ser tal que para el llenado no se demore menos de 4 segundos.

La variación entre sucesivas mediciones efectuadas dará una indicación de la precisión de los resultados.

2. 2. MÉTODO DE LA ALTURA DEL CHORRO VERTICAL Cuando se trata de un conducto con un flujo a presión o bien, si la corriente se puede desviar hacia una cañería de manera que descargue sometida a presión, siempre y cuando la cañería se puede colocar de manera tal que la descarga se efectúe verticalmente hacia arriba, se mide la altura que alcanza el chorro por encima del extremo de la tubería y el caudal se calcula a partir de una fórmula adecuada tal como se indica en la siguiente figura: Q = 5,47D1,25 H1,35 (a)

Q = 3,15D1,99 H0,53 (b) Q en metros cúbicos por segundo; D y H en metros.

Si H < 0,4 D utilícese la ecuación (a) Si H > 1,4 D utilícese la ecuación (b) Si 0,4D < H < 1,4D calcúlense ambas ecuaciones y tómese la media

También se pueden efectuar estimaciones del caudal a partir de mediciones de la trayectoria desde tuberías horizontales o en pendiente y desde tuberías parcialmente llenas, pero los resultados son menos confiables.

3. AFOROS EN RÍOS Y CANALES 3. 1. MÉTODO VELOCIDAD - SUPERFICIE Este método depende de la medición de la velocidad media de la corriente y del área de la sección transversal del canal, calculándose a partir de la fórmula: Q(m³/s) = A(m2) x V(m/s) La unidad utilizada es m³/s. Como m³/s es una unidad grande, las corrientes menores se miden en litros por segundo (l/s).

La velocidad se puede calcular en forma aproximada por medio de flotadores o con instrumentos precisos denominados velocímetros o molinetes hidrométricos.

El lugar elegido para hacer el aforo o medición debe cumplir los siguientes requisitos: ! La sección transversal debe estar bien definida y en lo posible debe ser estable, o sea que no haya agradación o degradación del lecho. ! Fácil acceso ! Estar ubicada tramo recto del curso de agua, para evitar las sobreelevaciones del pelo de agua y cambios en la profundidad producidos en las curvas. ! El sitio debe estar libre de efectos de controles agua abajo.

3. 1. 1. DETERMINACIÓN DE LA SECCIÓN TRANSVERSAL La sección donde se van a realizar las mediciones debe ser transversal al escurrimiento y, debe materializarse de tal forma que puedan ubicarse los puntos de sondeo tanto en el campo como en gabinete, cuando se realicen los cálculos definitivos.

2

Juan B. Sciortino

CÁTEDRA: HIDRÁULICA GENERAL

HIDROLOGÍA

Marzo 2003

3. 1. 1. 1. Ubicación de los Puntos de Sondeo Para realizar esta tarea se utilizan técnicas topográficas (batimetría) que se emplean tanto para la definición de una línea transversal al curso de agua, como para un levantamiento topográfico detallado de un tramo de un río.

En general todas las técnicas vinculan los puntos de medición con puntos fijos ubicados en las márgenes.

Los métodos más usuales para la determinación de los puntos de medición son: < Distancia a lo largo de un cable tendido: Aplicable en ríos o canales estrechos y no navegables, marcando con estacas ambas márgenes siguiendo la perpendicularidad con la corriente, una como origen y la otra para materializar la alineación; cuando se requiere un levantamiento detallado se trabaja con pares de estacas; las de origen deben estar perfectamente balizadas.

Por lo general se utiliza un cable de acero, graduado con marcas de pintura de distintos colores, de esta forma cada vertical de medición puede ser perfectamente ubicada desde la margen de origen.

Este cable debe ser tensado cuidadosamente para disminuir el efecto de la desviación por la catenaria.

Cuando el ancho de trabajo es considerable, se ubican boyas ancladas para mantener el cable en superficie y disminuir el efecto del empuje del agua sobre el cable.

Si la diferencia de altura entre ambas márgenes es considerable se debe hacer una corrección, llevando la distancia inclinada desde la margen de origen a la horizontal. < Teodolito y estadía: Método utilizado para batimetrías en cursos con poca velocidad o lagunas más que para determinar alineaciones y ubicar puntos de aforo; la ubicación del punto se determina midiendo las distancias por taquimetría, haciendo base con el teodolito en una de las márgenes y llevando la mira taquimétrica en la embarcación. Si se trabaja en agua poco profunda, se apoya directamente la mira en el lecho determinando de esa forma la profundidad del agua.

No puede ser utilizado cuando hay viento ni en ríos anchos por que los errores aumentan con la distancia.

< Alineación y ángulo leído desde la costa: Técnica que se puede utilizar tanto para relevamientos de grandes tramos como para determinar en forma precisa la ubicación de distintos puntos en una línea transversal.

La alineación se materializa con al menos dos banderolas ubicadas en una de las márgenes y distan3

Juan B. Sciortino

CÁTEDRA: HIDRÁULICA GENERAL

HIDROLOGÍA

Marzo 2003

ciadas entre si a fin de lograr una buena autoalineación desde el agua, si la costa es poco accesible la alineación se complementa con boyas. La ubicación del punto de medición se determina midiendo el ángulo desde la costa.

Se debe realizar una línea base (DE) y una línea auxiliar (AB) donde se instala el teodolito, la precisión del método se basa en la correcta medición de los segmentos, tanto en la línea de base como en la auxiliar, la perpendicularidad con las alineaciones en el curso de agua y en la medición del ángulo de intersección.

< Dos ángulos leídos desde la costa:

El punto de sondeo se determina por la intersección de las visuales dirigidas desde la costa por dos teodolitos estacionados en puntos fijos, extremos de una línea base perfectamente medida. Los puntos de sondeo quedan determinados trigonométricamente a partir de los ángulos medidos desde la costa y la longitud de la base.

Cuando el método es utilizado para una línea transversal a la corriente, la alineación se debe hacer desde el agua a partir de banderolas ubicadas en la costa.

< Dos lados medidos desde un bote: Para determinar la posición de un punto se mide la distancia a dos o más antenas ubicadas en la costa, por medio de un interrogador a microondas y su correspondiente antena instalado en el bote; las antenas de las márgenes se colocan en puntos de coordenadas conocidas.

Con este equipamiento se pueden realizar tanto relevamientos integrales como el posicionamiento de puntos siguiendo una línea transversal a la corriente, pero en este caso es indispensable la autoalineación del bote a partir de señales (boyas, banderolas, jalones) ubicadas en ambas márgenes. < Con distanciómetro desde la costa: Se materializa la alineación a ambas márgenes ubicando el distanciómetro (láser u ondas infrarrojas) en la costa y dentro de la alineación; en el bote se lleva una barra con los prismas para reflejar la señal del instrumento.

El bote se autoalinea ayudado por el operador del distanciómetro y una vez que se ubica en el punto de medición deseado se hace la lectura de la distancia a la margen de origen < Con estación total geodésica: Este equipo de posicionamiento está compuesto por dos GPS comunicados entre si por radios de frecuencia en UHF donde un equipo hace las veces de base en un punto determinado de la costa y el otro se ubica en el bote. Cada GPS contiene, además del radio para la corrección diferencial, una antena para recibir las señales de satélite, una unidad de recepción de la señal y un colector de da4

Juan B. Sciortino

CÁTEDRA: HIDRÁULICA GENERAL

HIDROLOGÍA

Marzo 2003

tos desde donde se maneja el equipo. Funcionando de esta manera la precisión que puede alcanzarse con este montaje es del orden de 75 cm de radio y de hasta 30 cm bajo la opción de corrección de onda portadora.

El bote se debe autoalinear siguiendo las referencias de las márgenes y luego de ubicado el punto de medición se toman las coordenadas; también es muy útil en el caso de querer medir siempre en los mismos lugares con las coordenadas conocidas el bote se posiciona directamente sobre ellas.

Cualquiera sea la metodología utilizada es muy importante previo al trabajo de campo y con un conocimiento acabado del lugar, realizar una planificación adecuada de los trabajos a realizar.

3. 1. 1. 2. Sondeos El objetivo de los sondeos es acotar puntos del lecho para obtener el relieve sumergido, midiendo la profundidad el agua en cada punto y vincularlo con una red de nivelación.

Si bien, para realizar un aforo es necesario realizar únicamente la determinación de la profundidad, en muchos casos es conveniente relacionarlo con cotas locales o del I.G.M. Los equipos normalmente utilizados para esta tarea son: ! Escala Graduada: Por lo general construidas en madera y sección circular, las hay de distintos materiales y secciones; llevan una pletina en el extremo inferior para evitar que se hinque en el barro, un nivel de burbuja para mantenerla vertical y pueden tener o no lastre para facilitar el hundimiento; tienen una graduación estándar al nivel del centímetro o bien del tipo de mira topográfico.

Esté método es preciso y rápido si la profundidad es menor de 4 m. ! Cable y contrapeso: El equipo está conformado por un cable plástico con alma de acero y un escandallo en un extremo, de forma cilíndrica y con un peso que está en función de la relación profundidad – velocidad de la corriente (nunca debe superar los 5 kg).

La soga debe estar graduada con colores diferentes, metros en negro y decímetros en rojo, o bien, los metros están diferenciados por nudos de manera tal que el operador cuente el número de nudos a medida que baja soga.

Este método se lo utiliza en profundidades superiores a los tres metros y hasta una profundidad tal que la desviación por la corriente no supere los 30º con la vertical (esto se corrige aumentando el peso del escandallo pero más de 5 kg no es fácil de operar manualmente). ! Torno, cable y contrapeso: Cuando el escandallo es muy pesado se recurre a un torno, dispositivo con un tambor donde el cable está enrollado y un contador que mide la cantidad de cable devanado, algunas veces se incluye un botalón o ménsula para alejar el escandallo del bote.

Se baja el escandallo hasta tocar el nivel de agua y se pone el contador en cero, luego se baja hasta tocar el fondo y se hace una lectura directa del contador.

Por efecto del empuje de la corriente el cable se desvía de la vertical, cuando esta desviación está en un rango entre 4 y 30 grados es necesario hacer una corrección en la lectura, si es superior a los 30 grados hay que aumentar el peso del escandallo.

5

Juan B. Sciortino

CÁTEDRA: HIDRÁULICA GENERAL

HIDROLOGÍA

Marzo 2003

! Sonda Ecoíca y Ecógrafa: Instrumento que se basa en el principio de que todo sonido producido cerca de la superficie del agua se refleja en el fondo y vuelve a la superficie en forma de eco.

La sonda emite impulsos eléctricos a intervalos constantes y regulares, un transductor los transforma en sonido, luego recibe las ondas sonoras reflejadas en el lecho y las transforma en impulsos eléctricos; un amplificaTransductor dor amplifica la señal y mide el tiempo “T” que media entre la emisión y la recepción; llamando V a la velocidad de propagación del sonido en el agua, la profundidad es P = V T/2; este valor P es enviado a una unidad de salida digital.

A la profundidad medida se debe agregar la profundidad a la que se ha instalado el transductor.

Se debe controlar la frecuencia de envío de la señal puesto que la penetración de una onda sonora en los sedimentos depende fundamentalmente de su frecuencia. En general, los sedimentos más finos son más susceptibles a la penetración, mientras que los gruesos, en especial las arenas, son más reflectivos. Las superficies de fondos planos y lisos, al igual que sitios de aguas muy calmadas o altos contenidos de gases en los sedimentos, pueden presentar señales erróneas por su alta reflectividad La sonda ecógrafa registra las profundidades en un papel representando un perfil en el que las distancias se ubican en el eje horizontal y las profundidades en el eje vertical; de esta forma hay que trabajar con dos escalas: la de profundidad depende del equipo y permite trabajar entre rangos de profundidad con un ancho de papel fijo, cuando se supera un rango, con el simple accionamiento de una perilla se pasa a otro rango quedando una marca en el punto de cambio; la escala horizontal depende de la velocidad de desplazamiento, tanto de la faja, controlada por el equipo, como la de la embarcación que debe ser constante.

Los equipos actuales pueden almacenar la información en una memoria de estado sólido, registrando las observaciones de acuerdo al paso de tiempo seleccionado; también, interconectado con un GPS satelital de última generación, se almacenan las coordenadas de cada punto medido; de esta manera los datos pueden ser fácilmente procesados por un software especial.

Estos instrumentos deben ser calibrados corrigiendo la profundidad en un punto de calado conocido o bien bajando una grilla metálica, por debajo del transductor a una profundidad determinada.

3. 1. 2. DETERMINACIÓN DE LA VELOCIDAD La velocidad de la corriente en una sección de un curso de agua no es constante ni uniforme, tiene importantes variaciones según: la forma de la sección, rugosidad del lecho y márgenes, transporte de elementos flotantes, viento, etc.

La mejor forma de representar esta variación es por medio de las curvas isotáqueas que unen puntos de igual velocidad en el plano de la sección mojada.

6

Juan B. Sciortino

CÁTEDRA: HIDRÁULICA GENERAL

HIDROLOGÍA

Marzo 2003

Para la confección de estas curvas es necesario efectuar numerosas determinaciones de velocidad, y densificar los puntos de medición en aquellos lugares donde mayores sean las variaciones: cerca de las paredes del cauce.

Estas curvas permiten evaluar la variación de la velocidad en la vertical, pudiéndose graficar la superficie de velocidades dibujando en ordenadas las profundidades y en abcisas los vectores velocidad, la envolvente representa el perfil de velocidades.

La velocidad media en la vertical, valor muy importante para la determinación del caudal, se calcula dividiendo la superficie de velocidades por la profundidad. Normalmente se verifica (dentro de un error del 3,5%) que la velocidad media en la vertical es la medida a 0,6 de la profundidad, a partir de la superficie; mientras que varía entre el 0,80 y 0,95 de la velocidad superficial.

3. 1. 2. 1. Flotadores La velocidad se determina cronometrando el tiempo(T) que tarda un elemento flotante en recorrer una longitud(L) conocida.

V = L/T Existen distintos tipos de flotadores, los superficiales y los compuestos; los primeros son cuerpos regulares, más livianos que el agua por lo que deben ser lastrados para disminuir los efectos del viento.

Flotadores Compuestos Flotadores superficiales

Los compuestos tienen un flotador superficial del cual cuelga un cilindro hueco o pantalla a fin de ofrecer una resistencia uniforme a las corrientes horizontales y nula a las verticales, la superficie proyectada de la pantalla debe ser al menos 10 veces mayor a la del flotador superficial para evitar que no distorsione los resultados.

La pantalla puede ser colocada a distintas profundidades, por lo que este tipo de flotadores se utiliza para determinar la velocidad a distintas profundidades, por ejemplo: si se coloca a 0,6 de la profundidad, permite determinar la velocidad media de la trayectoria del flotador.

La varilla lastrada es otro tipo de flotador; consistente en un caño lastrado de tal manera que se mantenga lo más vertical posible; teóricamente, la velocidad que desarrolla es función de los filetes que lo envisten, un promedio; si la parte sumergida fuese igual a la profundidad, la velocidad de la varilla sería la media de la vertical.

Cuando la relación h/H < 0,25 Francis obtuvo la siguiente expresión: Vmedia = Vmedida (1,012 – 0,116 (h/H)0,5) 3. 1. 2. 1. 1. Aforo con flotadores. Cálculo del caudal Para realizar un aforo se debe, en la medida de lo posible seleccionarse un tramo recto y uniforme, sin aguas muertas intermedias y contracorrientes; la separación entre las secciones del tramo debe ser tal que no haya errores en la medición del tiempo, en canales se pueden tomar longitudes menores a los 10 m, mientras que en cursos naturales se toman longitudes que varían de 25 a 50 m.

Las técnicas más comunes, para aforar con flotadores son: 7

Juan B. Sciortino

CÁTEDRA: HIDRÁULICA GENERAL

HIDROLOGÍA

Marzo 2003

# Método de la máxima velocidad superficial: Es una técnica expeditiva, aplicable a corrientes muy veloces, en las que el flotador, luego de recorrer un tramo se alinea en el filete de mayor velocidad.

Consiste en arrojar un flotador superficial, agua arriba de la sección inicial, de manera que al cruzarla, el flotador haya alcanzado la línea de máxima velocidad; se mide el tiempo que tarda en recorre la distancia que existe entre las dos secciones de referencia. Este proceso se repite varias veces a fin de seleccionar el menor tiempo medido; la velocidad máxima superficial se calcula dividiendo la longitud entre secciones por el menor tiempo medido.

La velocidad media se obtiene aplicando a la máxima superficial de un coeficiente que depende de las características del cauce: Vms = Co Vo máx En el siguiente cuadro se presentan los coeficientes que relacionan la velocidad media en la sección (Vms) con la media superficial (Vo) y la máxima superficial (Vo máx) Características del cauce cubierto de vegetación cantos rodados gravas arena o arcilla revestido

Vms / Vo máx 0,55 0,64 0,71 0,74 0,80

Vms / Vo 0,81 0,89 0,92 0,95 0,96

Calculando las superficie mojada como la media de las dos secciones de paso (Am), el caudal se obtiene haciendo: Q = Am x Vms # Método de la velocidad media superficial: Es una técnica más precisa ya que permite evaluar la velocidad media superficial de distintas líneas de corriente, suponiendo que el flujo es paralelo a las márgenes y la velocidad es constante en el tramo y a lo largo del filete.

Para efectuar este aforo se selecciona un sector del curso de agua que cumpla en forma aproximada las hipótesis expuestas, jalonando ambas márgenes en forma paralela, tomando distancias y ángulos para una posterior representación en un plano y midiendo en ambas secciones de paso tanto las profundidades como las distancias a fin de calcular las secciones mojadas.

Se arroja un flotador agua arriba de la sección AB de manera que llegue con una velocidad constante a esta, en la cual, al momento de paso se inicia la toma de tiempos; el primer tiempo (T1) se toma cuando cruza la línea materializada por los jalones DB y el segundo (T2) cuando cruza la segunda sección de paso DC. Esta tarea se repite varias veces arrojando el flotador en distintos puntos de la sección para cubrir todo el ancho del cauce.

En gabinete se reproduce el tramo del río en planta, se calcula la velocidad de cada flotador haciendo: Voi = AD /T2i Para determinar el punto de paso de cada flotador se recurre a una relación de triángulos, se calcula: A’D’ = Voi T1 y con la relación: BA’ / BA = A’D’ / AD se despeja la incógnita BA’ BA’ = BA A’D’ / AD De esta forma se puede ubicar en la mitad del tramo del curso de agua evaluado y, en cada punto de paso, los vectores velocidad superficial medidos, construyendo el siguiente diagrama de velocidades superficiales en planta: 8

Juan B. Sciortino

CÁTEDRA: HIDRÁULICA GENERAL

HIDROLOGÍA

Marzo 2003

Para calcular la velocidad media superficial (Vo) se determina el área de la superficie de velocidades y se divide por el ancho superficial de la sección.

La velocidad media de la sección se obtiene aplicando el coeficiente correspondiente de la tabla precedente: Vms = Co Vo El caudal se calcula multiplicando la velocidad media con la sección media del tramo: Q = Am x Vms Una alternativa, aplicable en cursos profundos, consiste en utilizar flotadores compuestos ubicando la pantalla a 0,6 h (h: profundidad), de esta forma la velocidad del medida en cada corrida es la media en la vertical y no la superficial.

El problema reside en el hecho de que la profundidad a lo largo del filete debe ser aproximadamente constante, por lo que se requiere como tarea inicial una batimetría completa para conocer el relieve del cauce. # Corrida de flotadores: Este método se utiliza para estudios en los que se requiere conocer la velocidad y dirección de los filetes fluidos en tramos específicos de ríos, aunque puede ser utilizado para la determinación del caudal en una sección en particular.

El método consiste en perseguir un flotador, simple o compuesto, arrojado en el río, con dos o más teodolitos ( Dos ángulos leídos desde la costa). Requiere un importante nivel de organización, coordinación y buenas comunicaciones entre los operadores y el anotador que dirige el trabajo.

El flotador, que sigue la trayectoria del filete líquido, es continuamente observado por los operadores, los que, en el momento señalado por el anotador, fijan el instrumento y hacen la lectura del ángulo que es inmediatamente transmitido. El anotador, también se encarga de tomar el tiempo que pasa entre cada observación.

En gabinete, se hace una representación en planta del tramo del río evaluado y se ubican los puntos por donde ha pasado el flotador, de esta forma, se tiene la distancia entre dos observaciones y el tiempo que ha demorado en recorrer esa distancia y por ende la velocidad.

La finalidad es obtener una representación en planta del recorrido de los filetes fluidos con los vectores velocidad (un campo de velocidades); utilizando flotadores compuesto con una profundidad uniforme, se puede obtener un campo de velocidades a distintas profundidades.

3. 1. 2. 2. Molinetes hidrométricos (Velocímetros) Es un instrumento cuyo elemento sensible es una hélice o rotor que se acciona al introducirlo en una corriente de agua, contando el número de revoluciones que se producen en un intervalo de tiempo prefijado; estas revoluciones son proporcionales a la velocidad de la corriente y a las características del aparato.

Para obtener la velocidad es necesario recurrir a una curva de calibración (propia de cada instrumento) que permite transformar las revoluciones por unidad de tiempo en velocidad.

Los elementos que caracterizan un molinete hidrométrico son: Sistema accionante: compuesto por un rotor o una hélice; el primero esta integrado por cazoletas cónicas que giran alrededor de un eje vertical mientras que una hélice gira en un eje horizontal.

Rotor

Hélice

Hélice

9

Juan B. Sciortino

CÁTEDRA: HIDRÁULICA GENERAL

HIDROLOGÍA

Marzo 2003

Interruptor: Las hélices o rotores, luego de un número predeterminado de vueltas, accionan un interruptor que cierra un circuito y emite una señal; estos interruptores pueden ser mecánicos o magnéticos.

En el mecánico, la hélice mueve un tornillo sinfín que hace girar una rueda dentada que tiene 1 o 2 topes, cuando estos topes accionan la palanca se abre un platino que cierra un circuito emitiendo una señal.

Interruptor mecánico

El interruptor magnético es accionado campo magnético oscilante generado por el extremo interno del eje de la hélice que está construido con material magnético; este sistema es más seguro puesto que se encuentra cerrado en un recinto estanco, evitando así la limpieza de los contactos, sinfín y rueda dentada, tarea que es continuamente requerida por el sistema mecánico.

Señal: Con un número determinado de vueltas, el interruptor envía una señal a la superficie que puede ser acústico-luminoso o digital.

La primeras de estas señales consiste generalmente en un impulso eléctrico que es transformado en sonido y amplificado (chicharra) o directamente enciende una luz roja. El procedimiento consiste en se tomar el tiempo entre señales y dividir el numero de vueltas, que es fijo (por lo general 50 revoluciones) por este tiempo; cuando la corriente es rápida, se toman dos o más señales tomando el tiempo total, por ejemplo: se pone el cronómetro en cero cuando suena la chicharra, cuando suena por quinta vez (incluyendo la puesta en cero), se para el cronómetro obteniéndose un tiempo T, las revoluciones correspondientes son 200 rev. (50 por cada intervalo), por lo que el valor a tomar será: 200rev/T. En el sistema digital cada vuelta es un impulso que hace avanzar un punto en el contador; cuando se inicia la medición del tiempo se pone en cero el contador, al cumplirse el tiempo prefijado, se acciona un interruptor y se lee el número de vueltas. Hay equipos en los que no se requiere el uso de cronómetros puesto que incluyen un selector de tiempos, cuando se cumple el tiempo predeterminado se acciona automáticamente el interruptor y se lee el número de vueltas, Sistema de Sujeción: Los molinetes hidrométricos pueden ser operados con barras o bien suspendidos por cables.

Las barras, que se utilizan en cursos de hasta 3 m de profundidad, están compuestas por tramos de 1 m, graduadas en centímetros y la parte inferior de la primer barra cuenta con una plancheta para impedir que la barra se entierre en el lecho.

Cuando se hace el aforo, el operador se ubica en la vertical y mide la profundidad con la barra, la extrae y coloca el molinete en la posición de medición definida, alineado el molinete en la dirección a la corriente, colocando la hélice hacia agua arriba.

Los molinetes suspendidos con cables deben llevar un contrapeso (20 a 50 kg) para disminuir el efecto de la fuerza de arrastre de la corriente, estos por lo general tienen forma hidrodinámica; algunos equipos tienen un contacto abajo del contrapeso, que al tocar el lecho cierra un circuito que enciende una luz en superficie; el contrapeso a utilizar dependerá de las circunstancias de trabajo.

10

Juan B. Sciortino

CÁTEDRA: HIDRÁULICA GENERAL

HIDROLOGÍA

Marzo 2003

Como esto no puede ser operado a mano en forma directa, se incluye un torno y botalón, similares a los descriptos en el punto “Sondeos”, con el agregado de un sistema de enchufe para conectar el contador del molinete.

El operador debe poner el contador de profundidad en cero cuando el eje de la hélice toca el agua, luego baja el instrumento hasta hacer contacto con el fondo, midiendo la profundidad en la vertical a la que se debe agregar la distancia existente entre el contrapeso y el eje de la hélice, finalmente sube el instrumento a la profundidad deseada para realizar la medición correspondiente Algunos equipos poseen regulador de descenso (2 a 5 cm/s) y un tacómetro.

Para conservar la alineación en la corriente y que la hélice quede mirando hacia agua arriba, en la parte posterior del instrumento se coloca un timón o cola de pescado que produce un autodireccionamiento.

En el siguiente gráfico se esquematiza un equipo completo necesario para realizar aforos en cursos de agua:

Referencias: (1,2,3): hélices de distinto paso para distintos rangos de velocidad. (9): cuerpo del molinete hidrométrico. (25): lastre. (28):timón o cola de pescado. (29): torno simple. (30): pluma o botalón. (31): polea de guía. (48 y 32): cables conectores. (15): contador de revoluciones.

Debido a que el molinete es un cuenta revoluciones, para transformar las revoluciones por unidad de tiempo en velocidad se debe disponer de una curva de calibración que es propia de cada equipo; esta curva o función es suministrada por el fabricante previo calibrado en un laboratorio específico.

El dispositivo más común para la calibración es un canal (pileta) con agua en reposo donde se hace desplazar a velocidad constante, una longitud predeterminada. al molinete sujeto a un carro con rodamientos; esta tarea se realiza para distintas velocidades, desde una mínima hasta la máxima, en función del tipo de hélice.

En general este canal debe tener un mínimo de 70 m de largo, con una sección de 2 m de ancho y 2 m de profundidad, para minimizar los errores en la toma de tiempos y distorsiones por oleaje.

La curva de calibración de cada hélice se obtiene dibujando en ordenadas las revoluciones medidas en el molinete luego de cada corrida y en abcisas la velocidad del desplazamiento (longitud conocida dividido por el tiempo que demora el recorrido).

La curva resultante es lineal para valores altos de revoluciones – velocidad pero pierde la linealidad cuando se trata con valores bajos; para evitar ese inconveniente el fabricante sumi11

Juan B. Sciortino

CÁTEDRA: HIDRÁULICA GENERAL

HIDROLOGÍA

Marzo 2003

nistra una ecuación para valores bajos y otra para valores altos; algunos equipos presentan más de dos ecuaciones.

La ecuación es del tipo: V = a N + b donde: V = velocidad del agua (m/s); “a” y “b” = coeficientes experimentales y N = número de revoluciones por segundo.

Curva de calibración con las ecuaciones resultantes.

En caso de que la hélice haya recibido un golpe que la deforme, aún mínimamente, o bien que el eje del molinete esté desviado, es indispensable enviar el equipo al fabricante para su reparación y calibración, puesto que las mediciones realizadas en estas condiciones son erróneas; algunos fabricantes recomiendan una calibración cada dos años de uso normal o cada año de uso intensivo.

3. 1. 2. 2. 1. Aforo con Molinete Hidrométrico. Tareas de Campo.

El conjunto de tareas requeridas para realizar un aforo en un curso de agua, ya sea río o canal se resume en los siguientes pasos: ! Determinación de la sección: Es la medición de las profundidades y distancias a un punto fijo a efectos de la determinación del perfil transversal; para esta tarea se pueden utilizar cualquiera de las técnicas explicadas en el apartado: “Ubicación de los puntos de sondeo”, en cuanto a la determinación de la profundidad, es común realizarla en el momento que se está por efectuar la medidicón de la velocidad, utilizando tanto la barra del molinete como el contador del torno que sostiene el equipo. ! Determinación de los puntos de medición: El criterio recomendado es dividir la sección en subsecciones de manera tal que por cada una de estas no fluya más del 10% del caudal total; es conveniente tomar las verticales extremas lo más próximo posible a las márgenes y buscar en las verticales intermedias los cambios de pendiente del perfil transversal y/o puntos característicos del lecho.

Es evidente que antes de iniciar un aforo se debe conocer perfectamente las características de la sección, por lo que es conveniente antes de comenzar la tarea específica realizar un levantamiento batimétrico del lecho para planificar la ubicación de las verticales y los puntos de medición en cada 12

Juan B. Sciortino

CÁTEDRA: HIDRÁULICA GENERAL

HIDROLOGÍA

Marzo 2003

una de estas. ! Medición de la velocidad en la vertical (cálculo de la velocidad media): Luego de elegido el número de verticales se mide la velocidad en uno o más puntos de cada una de estas; el número de puntos está en función de la profundidad, precisión, tiempo disponible, etc.; la finalidad de esta tarea es la determinación de la velocidad media en la vertical.

Es indispensable, en una estación de aforos fija, tomar la altura de la Escala Limnimétrica a fin de determinar una cota relativa del nivel de agua al inicio del aforo.

3. 1. 2. 2. 2. Determinación de la Velocidad Media en la Vertical.

Existen diferentes métodos para la determinación de la velocidad media en la vertical, estos varía desde medir en muchos puntos en la vertical, hasta tomar la velocidad en un solo punto:

! Puntos Múltiples: Es el método más preciso, se deben medir las siguientes velocidades:

h

Vs: velocidad superficial, cuando el agua cuVs bre completamente la hélice del molinete.

V 0,1h Vf: velocidad en el fondo, la medición más cercana al lecho que permite el instrumento.

V ih: velocidad a cada décimo de profundidad, Vih esta no es una regla perfecta, depende del diámetro de la hélice cuando la profundidad V 0,6h es pequeña o de la variación del perfil de velocidades que se aprecia a medida que se hacen las lecturas.

V 0,9h En general se hace un mayor número de mediVf ciones cerca del fondo puesto que la variación de la velocidad es más notable.

A efectos de cerrar el perfil de velocidades en la parte inferior se toma una velocidad pegada al lecho igual a Vf/2 o 3, según se a la tendencia del perfil; mientras que en la parte superior se toma una velocidad en la superficie de agua a la medida a la profundidad de cubrimiento de la hélice: Vs, La velocidad media en la vertical (Vmv)se obtiene calculando la superficie encerrada entre la vertical y el perfil de velocidades, dividiéndola por la profundidad h ⇒ Vmv = Sup. Veloc. / h

! Cinco Puntos: Se miden las velocidades Vs, Vf, y a 0,2; 0,6 y 0,8 de la profundidad de la vertical, la velocidad media en la vertical se obtiene de la siguiente ponderación: Vmv = Vs + 3 V0,2h + 2 V0,6h + 3 V0,8h + Vf 10

! Tres Puntos: Las velocidades en la vertical se miden a 0,15; 0,50 y 0,85 de la profundidad, La velocidad media es el promedio de los tres valores: Vmv = (V0,15h + V0,5h + V0,85h) / 3

! Dos Puntos: Supone que el perfil de velocidades es parabólico por lo que la velocidad media del perfil es el promedio de la velocidad tomada a 0,2 y 0,8 de la profundidad: Vmv = (V0,2h + V0,8h) / 2

! Un Punto: Supone que la velocidad media en la vertical es la medida a 0,6 de la profundidad total, medida desde la superficie; este método es aplicable para profundidades menores a 0,7 m o cuando no hay tiempo de un mayor número de observaciones o bien por que no se puede introducir más el molinete por la velocidad de la corriente. ⇒ Vmv = V 0,6h

! Superficial: Es una técnica muy poco precisa puesto que requiere un coeficiente para transformar la velocidad superficial en la media de la vertical ⇒ Vmv = coef. V

! Integración: Este método se fundamenta en el supuesto que todas las componentes horizontales de la velocidad actúan de la misma forma sobre el molinete y que su promedio debe ser la velocidad 13

Juan B. Sciortino

CÁTEDRA: HIDRÁULICA GENERAL

HIDROLOGÍA

Marzo 2003

media. Consiste en descender el molinete en forma lenta y a velocidad uniforme contando el número de revoluciones y el tiempo empleado en desplazarse desde la superficie hasta el fondo, se divide el número de revoluciones por el tiempo empleado y se determina la velocidad media de la vertical entrando con las revoluciones por segundo calculada a la curva de calibración del instrumento.

La velocidad de descenso no debe superar los 4 cm/s y ser un 5% menor a la velocidad media de la vertical.

Es indispensable que la hélice del molinete tenga una forma tal que no sea afectada por las componentes verticales de la velocidad, principalmente la inducida por el descenso del aparato; también el equipo debe incluir un tacómetro o freno de descenso constante y un contacto de fondo de manera que se produzca un aviso a efectos de detener el conteo del tiempo.

Como se indicara anteriormente, el método de los puntos múltiples es el más preciso pero se demora mucho tiempo, elemento condicionante cuando se están realizando mediciones en el transcurso de crecidas con una rápida variación de caudales; es una fuente de error muy importante realizar las mediciones en las distintas verticales cuando el nivel de agua aumenta o disminuye en el tiempo en que se desarrolla el aforo.

En general se recomienda: hacer evaluaciones iniciales por medio de los puntos múltiples, tanto para distintos estados del curso de agua como para las distintas verticales, luego, en base a la información existente, se determina cual de los métodos simplificados ajusta mejor y finalmente planificar, según el nivel de agua y las profundidades de cada vertical que método de cálculo se adopta a efectos de definir en que puntos se miden las velocidades.

3. 1. 2. 2. 3. Métodos de Aforo.

La metodología utilizada para realizar un aforo depende del equipo con que se cuenta y, principalmente de las características del curso de agua donde se va a realizar una medición. ! Aforo por Vadeo: Se lo utiliza en ríos de escasa profundidad y velocidad, el límite esta en función de la comodidad en el trabajo y en el riesgo del operador; el equipo utilizado es un molinete suspendido con una barra graduada.

En general la sección se delimita con un cable graduado que se tiende perpendicular a la corriente; el operador se para en el punto de medición, establece la distancia con respecto al origen y mide la profundidad con la barra graduada; determina las distintas profundidades de medición y fija el molinete en la primer profundidad y lo baja para tomar la velocidad; repite el proceso hasta terminar con los puntos de la vertical y así pasar a otra.

Debe tener en cuenta: orientar correctamente el molinete, que la barra se mantenga vertical y no se hinque en el fondo y que su posición no genere una perturbación en el flujo que se está midiendo.

Tanto en la primera como en la última de las verticales hay que ubicarse lo más próximo posible de las márgenes.

14

Juan B. Sciortino

CÁTEDRA: HIDRÁULICA GENERAL

Marzo 2003

HIDROLOGÍA

! Aforo con bote: Este método es utilizado en ríos no vadeables y anchos. La permanencia en el lugar de aforos se logra con un cable que cruza toda la sección (ríos no navegables y no muy anchos) o bien anclando el bote agua arriba de la sección de medición y soltando el cable hasta llegar a la ubicación dada por una alineación desde la costa, la ubicación de la vertical de medición se logra por cualquier método de posicionamiento de puntos de sondeo.

El molinete puede ubicarse en la proa o en los costados del bote.

Una vez que se logra ubicar en la vertical de medición, se estabiliza el bote y se baja el molinete hasta que el eje de la hélice toque el agua, colocando en 0 el contador del torno, luego se baja hasta hacer contacto con el fondo y se hace la lectura de la profundidad a la que se debe sumar la distancia entre el eje de la hélice y la parte inferior del contrapeso, con este valor se planifica las distintas profundidades donde se realizaran las mediciones y se sube el instrumento deteniéndolo en los puntos predeterminados. ! Aforo con cable y vagoneta (teleférico): El aforo se realiza desde una vagoneta aérea que se desplaza, colgada de un cable, en toda la sección transversal por medio de una palanca especial. El cable está tensado entre dos torres ubicadas a ambas márgenes y anclada a sendos muertos de hormigón.

Es una estructura que se utiliza en estaciones de aforo permanentes.

La foto muestra a dos operadores de EVARSA realizando las tareas de aforo.

Cable auxiliar

Molinete hidrométrico

La medición de la distancia horizontal con respecto a un punto fijo se realiza con un cable libre y graduado que va paralelo al cable de acero que sostiene la vagoneta, o bien con un cable auxiliar también graduado que se tensa desde la vagoneta.

Una vez que se llega a la vertical de medición se traban las ruedas de la vagoneta y el instrumento se baja por un orificio central de la vagoneta por medio de un torno, el contador del torno se pone en cero al momento de tocar el agua y se realizan las operaciones comunes a los métodos de aforo; siempre hay que tener en cuenta que la distancia de medición más próxima al fondo es la existente entre el punto más bajo del lastre y el eje de la hélice.

El inconveniente de la instalación de un sistema de medición de estas características está dado por la separación entre torres y la altura necesaria por la deformación del cable cargado con la vagone15

Juan B. Sciortino

CÁTEDRA: HIDRÁULICA GENERAL

HIDROLOGÍA

Marzo 2003

ta, normalmente se utiliza para anchos de hasta 150 m, pero hay casos en que se superan los 200 m. ! Aforo con doble torno: Es un sistema que permite operar el instrumento desde la orilla, por lo que es muy rápido y seguro.

Está compuesto por un doble torno con dos contadores de distancia, uno permite determinar la distancia horizontal a la que se encuentra la vertical de medición y el otro torno, con movimientos verticales, permite determinar la profundidad poniendo en cero este contador cuando el eje de la hélice toca el agua.

El procedimiento de medición es idéntico al de los otros métodos pero es molinete es controlado desde la orilla.

Tiene como limitante el ancho de la sección, a mayor distancia más cara es la estructura y más difícil es el control visual; otro problema reside en la operación cuando hay vientos fuertes que hacen oscilar el instrumento. ! Aforo desde un puente: En general un puente no constituye un buen lugar para realizar las mediciones puesto que la sección transversal varía mucho por socavación tanto localizada como por contracción o por efecto de la sedimentación agua arriba de la estructura; además es muy difícil que la sección de medición no sea transversal al escurrimiento por lo tanto se deben hacer correcciones.

Las distancias horizontales se marcan en la vereda del puente o en la baranda, para operar el instrumento se utiliza una grúa con una ménsula que aleje la vertical de medición, de la estructura del puente.

Se opera desde la baranda de agua arriba para disminuir las perturbaciones, pese a que se recomienda, en el caso de corrientes muy veloces (torrentes) operar desde agua abajo para tener buena visibilidad.

Además de la velocidad en cada punto de la vertical hay que medir el ángulo que forman el puente con las líneas de corriente para realizar las correcciones pertinentes; hay que tener mucho cuidado con las contracorrientes.

3. 1. 2. 2. 4. Cálculo del Caudal Si bien se ha tratado al cálculo de la velocidad media en cada vertical en un apartado en particular, para calcular el caudal que escurre por la sección de un curso de agua, hay métodos que la utilizan y otros que no, los más usuales son: Curvas isotáqueas: Aplicable cuando hay un número suficiente de mediciones que permitan trazar las isolíneas.

El caudal que escurre entre dos curvas isotáqueas Vi y Vi+1 se calcula con la siguiente expresión: siendo: Ai, y+1 la superficie encerrada entre curvas Qi = Ai, i+1 (Vi + Vi+1)/2 el caudal total es: Q = ∑ Qi El problema se presenta en las subsecciones donde las isolíneas adyacentes al lecho, y en la que encierra los valores máximos o en las cerradas; en el primero de los casos la velocidad media se calcula asignándole al lecho el valor medio de la isolínea más cercana, aunque algunos autores recomiendan utilizar la tercera parte cuando el lecho es muy rugoso y las mediciones de fondo se hacen a más de 16

Juan B. Sciortino

CÁTEDRA: HIDRÁULICA GENERAL

HIDROLOGÍA

Marzo 2003

0,3 m por las características del molinete.

Cuando se trata de isolíneas cerradas o que no tienen otra maVmáx yor próxima, la velocidad media se calcula promediando el valor Vi+1 V1 de la isotáquea con el máximo Ai , i+1 Vi V1/2 o /3 valor de velocidad encerrado por la curva.

La precisión del método depende del número de puntos medidos que define la precisión de las curvas trazadas.

Curva doble integral: En cada una de las verticales de la sección aforada se dibuja el perfil de velocidades, en este caso se recomienda el uso del método de los puntos múltiples en cuanto a la densidad de puntos de medición en la vertical.

Se calcula, para cada vertical el área comprendida entre el eje y el perfil se denomina superficie de velocidades (Svi) y se representa en forma vectorial en planta ubicando cada vector en la posición correspondiente a la vertical a la que pertenece, el inicio de cada vector Svi se ubica en una que debe coincidir con la perpendicular al flujo en la sección de medición.

Se unen con una curva los extremos de cada vector y se calcula la superficie encerrada por mencionada curva. Esa superficie es el caudal que fluye por la sección.

En aquellas verticales en las que por su proximidad con las márgenes o por escasa proi fundidad se utiliza algún Sv Sección de aforos método simplificado de meVista en Planta. dición (un, dos puntos, etc.) se calcula la velocidad media de la vertical y la Sv correspondiente se obtiene multiplicándola por la profundidad de la vertical: Svi = Vmvi h.

Para determinar los vectores Sv en los extremos (márgenes) se adopta la mitad o tercera parte de la velocidad de la vertical más próxima o algún criterio en particular en función de lo observado en el terreno.

Sección Media: La sección de aforos se divide en un número determinado de subsecciones limitadas por las verticales adyacentes de medición.

Llamando hi y hi+1 las profundidades de las verticales, b a la separación entre estas y Vmvi y Vmvi+1 a las velocidades medias de cada vertical, el gasto correspondiente a esta franja es: Qi = (Vmvi +Vmvi+1)/2 bi (hi + hi+1)/2 Repitiendo esta operación en Vertical i+1 todas las subsecciones, el cauVertical i bi dal total se obtiene sumando los caudales de cada franja: Q = ∑ Qi h i , i+1 hi i i+1 Vmv Vmv En los extremos de la sección, contra las márgenes no se asigna un valor cero de velocidad, por lo general se asume la mitad de la velocidad de la vertical más cercana, aunque es conveniente analizar cada caso en particular; para disminuir la fuente de error se debe tratar de que estas verticales extremas se encuentren lo más cerca posible de las márgenes.

17

Juan B. Sciortino

CÁTEDRA: HIDRÁULICA GENERAL

HIDROLOGÍA

Marzo 2003

Semisección: Las subsecciones en que se divide la sección tienen una profundidad hi (la de la vertical) y como ancho la suma de la mitad de las distancias a las verticales adyacentes.

El caudal de la subsección i es: Qi = Vmvi hi (bi + bi+1)/2 El caudal total es la suma del caudal de las subsecciones.

En este método se pierde Vertical i de evaluar los extremos b i /2 b i+1 /2 comprendidos entre cada margen y la mitad de la distancia a la vertical más hi próxima; en algunos caso Vmv i se recomienda asignarle a esas subsecciones la mitad de la velocidad de la vertical adyacente.

Aforo contínuo: Más que un método para el cálculo del caudal constituye una metodología de aforo que se utiliza cuando se están realizando las mediciones en el transcurso de una crecida abrupta en la que hay una rápida variación del nivel de agua.

Se deben realizar las mediciones sucesivas y continuas durante el pasaje de una onda de crecida, de manera tal que las verticales ocupen el mismo lugar de la sección para cualquier valor de la escala limnimétrica, la que debe ser continuamente observada durante la medición; luego de terminar con la última vertical de la sección se vuelve a la primera y se repiten las tareas comunes a la medición en la vertical, se debe tener la precaución de tomar el valor de la escala hidrométrica en cada vertical o la hora exacta si se cuenta con un registrador del alturas linmimétricas.

Todo este trabajo concluye cuando ha pasado la crecida.

En gabinete se construyen para cada vertical el perfil de velocidades y se determina la superficie de velocidades, siempre asociado con el valor de la escala correspondiente (Svi - Hi); si se toma la velocidad en uno, dos puntos, etc., para la determinación de la Svi se calcula la velocidad media en la vertical y se multiplica por la profundidad.

De esta forma, para cada vertical se puede desarrollar un gráfico que relaciona la superficie de velocidades en abcisas y altura de escala hidrométrica en ordenadas.

Por lo tanto, para una altura de escala determinada se puede determinar, para cada vertical, el valor de la superficie de velocida18

Juan B. Sciortino

CÁTEDRA: HIDRÁULICA GENERAL

Marzo 2003

HIDROLOGÍA

des, si no hubiera sido medido se interpola; para el cálculo del caudal se procede de idéntica forma al método de la doble integral, teniendo en cuenta que dicho caudal está asociado a la altura de correspondiente.

Como se tiene la evolución de la crecida (alturas de escala) en función del tiempo se puede determinar, también en función del tiempo la variación de los caudales.

3. 1. 2. 2. 5.Corrección de Errores.

Los problemas más comunes que se presentan durante un aforo son: a) desviación de la vertical por efecto del empuje de la corriente; b) falta de perpendicularidad entre el flujo y la sección de medición y c) variación de nivel del curso de agua entre el inicio y el final del aforo. a). Si el ángulo de desviación con la vertical está comprendido entre 4 y 30 grados es necesario corregir la profundidad medida por un coeficiente que se encuentra desarrollado en la tabla adjunta: bc = de x K γ 4 5 6 7 8 9 10

K

0,9994 0,9990 0,9984 0,9977 0,9968 0,9959 0,9950

γ 11 12 13 14 15 16 17

K

0,9939 0,9928 0,9916 0,9902 0,9888 0,9872 0,9855

Estos cálculos se basan en el supuesto de que la presión de arrastre actúa fundamentalmente sobre el cable y es despreciable el efecto del molinete y el contrapeso.

Si en ángulo es mayor a 30° la corrección es imprecisa por lo que se recomienda aumentar el peso de los contrapesos. b). Cuando la corriente no es normal a la sección se debe medir el ángulo que forma con la perpendicular a la dirección del flujo, por lo que la velocidad normal (Vn) se obtiene corrigiendo la velocidad medida (Vo) por el seno del mencionado ángulo Vn = Vo sen α

γ

γ

K

18 19 20 21 22 33 24

0,9836 0,9817 0,9796 0,9775 0,9752 0,9729 0,9704

Vn

25 26 27 28 29 30

K

0,9678 0,9650 0,9624 0,9592 0,0563 0,9528

Vo Sección de aforos

c). Esta corrección es aplicable cuando la variación del nivel de agua en el transcurso de un aforo es menor a 0,10 m, si la diferencia es superior, no hay corrección posible, en esta caso el único método que permite obtener resultados aproximados es el aforo continuo.

Consiste en tomar la lectura hidrométrica en cada vertical en el momento de realizar 19

Juan B. Sciortino

CÁTEDRA: HIDRÁULICA GENERAL

HIDROLOGÍA

Marzo 2003

la medición de la velocidad; llamando H1, H2, ..., Hi. ..., Hn-1, Hn a los niveles limnimétricos en la vertical 1, 2 , ...n respectivamente, se corrige la superficie de velocidades medida en la vertical (Svoi) con un coeficiente tal como se muestra a continuación: Svi = Svoi (Hm/Hi)1,5 siendo Hm = (H1+Hn)/2 3. 1. 2. 3. Sensores de Velocidad Para medir la velocidad de la corriente se pueden utilizar sensores electromagnéticos; se trata de un medidor portátil que tiene un sistema electrónico de estado sólido, un sensor electromagnético y un cable conector.

Cuando el sensor está sumergido en un flujo de agua, su campo magnético se altera creando una variación de voltaje; la amplitud de la variación es proporcional a la velocidad del agua.

Esta variación de voltaje es trasmitida por medio del cable conector hacia la superficie donde el medidor portátil que lo transforma en velocidad.

El equipo tiene un sistema integrador que puede promediar automáticamente las velocidades puntuales medidas en los distintos puntos de la vertical, también cuenta con un sistema de burbuja para determinar la profundidad de medición.

El sensor se ubica en una barra idéntica a la de los molinetes hidrométricos o se puede suspender de un cable con un contrapeso, esto último no es muy común puesto que se trata de un equipo muy caro, por lo general y debido a la gran precisión del instrumento es utilizado en canales de ensayo.

3. 1. 3. LIMNIMETRÍA Una de las relaciones más importantes que se busca obtener al aforar una corriente de agua es la correlación entre los caudales y la altura del nivel de agua o altura hidrométrica correspondiente.

Los valores de nivel de agua están referidos a un cero arbitrario, este debe cumplir la condición de estar por debajo del mínimo valor previsible a fin de evitar alturas negativas y debe estar vinculado al menos a un punto fijo ubicado en una zona estable, lejos del valle de inundación y perfectamente protegido a fin de que pueda ser utilizado cuando las circunstancias lo requieran, por ejemplo: volver a colocar un nuevo instrumento de medición con el mismo cero arbitrario. Normalmente no es necesario que ese valor esté vinculado a la red de nivelación del país, pero el punto fijo permite realizar esta tarea cuando sea requerida y dar una cota real al cero arbitrario.

Las lecturas de niveles se deben hacer, no sólo en el mismo momento en que se realiza un aforo también en forma sistemática, en función de la variación del nivel de agua: dos o tres veces al día cuando la fluctuación del nivel de agua es pequeña (tarea común en pleno estiaje), cada dos o tres horas luego del paso de una crecida y con una frecuencia mucho mayor cuando se trata del seguimiento de una avenida. Esto se simplifica cuando se trabaja con un instrumento registrador continuo o que permite almacenar con intervalos de tiempo fijo las observaciones en una memoria de estado sólido o es transmitida a tiempo real a estaciones receptoras.

Los instrumentos más comunes son para la medición del nivel de agua son: Escalas hidrométricas: Es una regla graduada al centímetro con el mismo sistema de las miras topográficas; pueden estar construidas con diferentes materiales como ser: madera, fundición, hormigón y chapas de acero esmaltado; estas últimas son las más comunes y comercialmente se las consigue en tramos de 0,5 o 1,0 m.

Se las instala en lugares de fácil acceso para no tener inconvenientes al momento de realizar la lectura, estar protegidas de la corriente para evitar que sea arrastrada al engancharse con troncos, ramas, etc. y cubrir todo el rango de variación del nivel de agua en el curso de agua.

Muchas veces hay que fraccionarlas, colocando tramos en distintos lugares a fin poder realizar las lecturas sin inconvenientes tanto en agua baja como en creci20

Juan B. Sciortino

CÁTEDRA: HIDRÁULICA GENERAL

HIDROLOGÍA

Marzo 2003

das; estos tramos deben estar vinculados topográficamente para no cometer errores de referencia.

Cuando por algún motivo no es factible dejar las escalas en lugares fijos se recurre a escalas portátiles (esquema superior derecho); este sistema está constituido por tacos de madera o cubos de hormigón, acotados, numerados y separados entre si a una distancia tal que la diferencia de altura entre dos consecutivos sea de 0,25 m; el operador coloca sobre el primer taco sumergido una regla graduada haciendo una lectura al milímetro, valor al que debe sumar la cota del taco correspondiente o restar de la cota del taco anterior.

Un tipo de escala especial es la denominada Escala de Máxima, se la utiliza cuando se necesita conocer el máximo nivel que alcanza la corriente de agua en lugares despoblados.

Se trata de un tubo de aproximadamente 1 m de altura, agujereado en la parte inferior y con un tapón perforado y a rosca o presión en la parte superior para facilitar el ingreso de agua; en el interior hay una regla graduada y abundante corcho en polvo, cuando el agua ingresa al tubo hace flotar el corcho adhiriéndose a la regleta, al bajar el nivel de agua la regla queda marcada por lo que cuando pasa la crecida el operador destapa el cilindro y lee en la regla el nivel máximo al que ha llegado el agua.

Se pueden utilizar como soportes troncos de árboles, postes, etc.; colocando varias escalas a lo largo de un tramo de un río y haciendo un relevamiento topográfico completo del sector y vinculando las bases de las distintas escalas se puede aplicar un método para determinar el caudal de crecidas denominado Áreas - Pendientes.

Limnímetros a boya: El nivel de agua es seguido por un flotador que acciona un contador de vueltas por medio de un cable y un contrapeso, este último tiene por finalidad mantener el cable tenso para transmitir la variación de nivel sin resbalamientos en la polea calibrada.

Algunos equipos tienen solidario a la polea un potenciómetro de precisión que genera una señal eléctrica proporcional al nivel de agua, esta es enviada a través de un cable conector a un registrador digital.

Es necesario que la boya esté ubicada en una zona de agua quieta por lo que se la coloca dentro de un tubo o cámara aquietadora; cuando se instala el instrumento y se pone en marcha, se hace un relevamiento topográfico para vincular correctamente el contador con el cero o plano de comparación de la sección.

21

Juan B. Sciortino

CÁTEDRA: HIDRÁULICA GENERAL

HIDROLOGÍA

Marzo 2003

Limnímetros a pesa: Es un torno con un sistema contador que posee una pesa en el extremo del cable, se utiliza en muelles o puentes; el nivel de agua se mide a partir de la distancia que hay entre la cota del aparato y el nivel de agua:

Cota pelo de agua (L), cota plano de comparación (C), lectura el instrumento (l) L= C-l

Limnígrafo a boya: El principio de funcionamiento es idéntico al limnímetro a boya, pero como se trata de un sistema registrador incluye un sistema reductor que transforma las variaciones de nivel a una escala adecuada de graficación, habitualmente estos instrumentos tienen varias escalas de altura que se seleccionan haciendo movimientos de poleas o cambios de engranajes.

El sistema inscriptor consta de un cursor con plumas comunes o capilares que se desplaza en dirección horizontal o vertical, según el instrumento, siguiendo el movimiento del flotador.

La mayor parte de los equipos cuenta con un dispositivo de retorno que permite al cursor, una vez que ha llegado al extremo, seguir graficando en sentido inverso haciendo una marca especial en el papel, de esta forma no se pierde información.

La inscripción se realiza sobre un papel que está enrollado alrededor de un tambor o devanado de un rollo continuo accionado por un sistema de relojería; este define la velocidad de desplazamiento (que puede ser escogida) y por ende la duración de la faja o rollo: diaria, semanal, quincenal o mensual según las características de la corriente.

Es evidente que cuando se realicen mediciones en un curso de agua en el que las crecidas duran pocas horas la escala de tiempo a usar es la diaria, mientras que en estiaje las fajas pueden ser quincenales o mensuales; si se trata de un curso de agua de llanura en los que la onda de una crecida demora varios días en desarrollarse, se puede trabajar con fajas semanales o quincenales.

Los equipos que cuentan con un potenciómetro de precisión que genera una señal eléctrica proporcional al nivel de agua, tienen un registrador que digitaliza la señal proveniente del sensor (al nivel del centímetro) junto con el del tiempo y los almacena en una memoria de estado sólido o bien lo transmite a distancia a un equipo receptor; la frecuencia de almacenamiento de datos puede ser periódico, donde el operador elige un intervalo de tiempo entre 1 y 99 minutos, o incremental, donde el operador elige el incremento en centímetros de nivel para el cual se tome el dato y la hora de ocurren22

Juan B. Sciortino

CÁTEDRA: HIDRÁULICA GENERAL

HIDROLOGÍA

Marzo 2003

cia, en caso de no superarse ese nivel se toma un dato cada hora.

Limnígrafo con pluma inscriptora a rollo contínuo.

El dispositivo de retorno hace una inversión en el trazo

Palanca de selección de escala de altura

Hay equipos que en lugar de un potenciómetro cuentan con un disco con ranura que es interceptado por un emisor y un detector de luz, al girar el eje de la polea se produce interrupciones en el rayo de luz, generándose un pulso por cada centímetro de variación de nivel, otro juego de ranuras desfasadas respecto a las anteriores indica el sentido de la variación de nivel.

Los limnígrafos deben instalarse en casillas para su protección y lograr aquietar el agua y que el oleaje no influya los movimientos del flotador; a efectos de que ingrese el agua a la cámara aquietadora debe estar comunicada al río por medio de caños, con un diámetro suficiente para que no se produzcan retraso en la respuesta de niveles en el interior de la cámara con respecto al curso de agua.

Se debe verificar que el cero de la escala coincida con la registrada por el limnígrafo, y que el nivel de agua dentro de la cámara coincida con el del curso de agua, para realizar controles continuos se debe colocar dentro de la cámara escalas auxiliares con el mismo nivel de referencia.

Estos controles son importantes puesto que el instrumento se puede descalibrar (poco probable) o bien se pueden obstruir con sedimentos las cañerías de conexión y/o por efecto de la deposición de sedimentos en el interior de la cámara se bloquee el ingreso de agua.

Casilla metálica prefabricada con ranuras laterales en la parte inferior.

Casilla prefabricada estándar

Ejemplo de instalación de una casilla metálica que incluye escalas en su parte externa (EVARSA)

23

Juan B. Sciortino

CÁTEDRA: HIDRÁULICA GENERAL

HIDROLOGÍA

Marzo 2003

El sistema de limpieza de las cañerías conectoras es muy importante ya que de está depende la continuidad y calidad de los registros; en el caso de la casilla metálica (esquema superior) cuenta con un tapón inferior que al ser levantado se moviliza el sedimento y precipita.

Las casillas comunes cuentan con un tapón en el interior que cierra el ingreso de agua del río, de esta forma se puede vaciar y limpiar a mano la cámara, cuando se obstruye la tubería se puede bajar una cañería conectada con una bomba en un extremo y con un pico en el otro a fin de dirigir un chorro de alta presión en el interior del sistema conector.

Un sistema de limpieza muy usado es el del U.S. Geological Service, donde la tubería Sistema de limpieza del U.S. Geological Service está vinculada a una cisterna mediante una cañería y llaves de paso que según su posición conectan la cámara al río o al río con la cisterna, cuanto más altura tiene la cisterna mayor será la presión del agua para la limpieza.

Limnígrafo a burbuja: Este equipo registra o almacena las presiones a las que está sometida un punto fijo del lecho del río donde se encuentra ubicada la boquilla de burbujeo, como la presión es una función de la altura del agua que se encuentra por encima del punto es posible medir la variación del nivel.

El principio de funcionamiento se basa en la inyección en una tubería de un pequeño caudal de aire o gas que está unida a una toma de presión, la presión en esta tubería equilibra en cada momento a la carga de la columna de agua.

Esta presión es medida por un manómetro de mercurio y esta es seguida por un flotador o un sensor que transmite el movimiento del nivel de mercurio.

Del seguimiento del nivel del mercurio se obtiene en forma gráfica o digital el nivel del pelo de agua en cl curso, la forma digital puede ser almacenada en una memoria o transmitida a distancia.

Limnígrafo a presión: Al igual que en el caso anterior, mide la presión aplicada sobre un sensor ubicado en el lecho de un curso de agua, siempre por debajo del nivel mínimo de la corriente.

El sensor es un transductor de presión alojado en una cámara estanca, la señal del transductor es convertido en una señal eléctrica y transmitida hacia la margen; esta señal es demodulada y transformada en altura de agua sobre el punto de referencia.

La medida obtenida con estos sensores aprovecha la propiedad de algunos materiales en los que, cuando son sometidos a una corriente eléctrica, se produce una variación en esta debido a la deformación del material por la presión de la columna de agua. De esta forma, la variación de tensión eléctrica será proporcional a la altura de la columna de agua existente sobre el sensor. Este dispositivo eléctrico es denominado transductor de presión, hablándose de sensores piezoresistivos cuando el material es sílice.

24

Juan B. Sciortino

CÁTEDRA: HIDRÁULICA GENERAL

HIDROLOGÍA

Marzo 2003

3. 1. 4. CURVA CARACTERÍSTICA – CURVA DE DESCARGA El objetivo de realizar aforos en forma sistemática en una sección determinada de un curso de agua, acompañando por sucesivas observaciones del nivel de agua, es determinar lo que se conoce como curva de calibración de la sección – curva característica – curva de descarga o curva h-Q. Esta permite transformar niveles de agua, determinados por limnímetros o limnígrafos, en caudales.

Las curvas se construyen a partir de los aforos hechos durante un período largo de tiempo, de tal manera que se tengan niveles bajos y altos del río.

En general la forma de la curva de descarga esta condicionada por los distintos elementos que caracterizan el flujo en la sección mensurada: ! Geometría de la sección: La sección mojada puede cambiar abruptamente con el aumento del nivel de agua, esto ocurre cuando se ha superado el primer nivel de barrancas y comienza desbordar hacia el valle de inundación, se produce un cambio en la pendiente de la curva, tal como se puede apreciar en la siguiente Figura:

! Rugosidad: Un aumento de la rugosidad implica la disminución de la velocidad de la corriente, por lo que afecta la curva h-Q de idéntica forma que la geometría de la sección: ! Pendiente del escurrimiento: Cuando se produce una creciente, los niveles del agua son diferentes, en la etapa de aumento del caudal y en la de descenso; al subir los niveles el flujo está acelerado y las velocidades son mayores, al contrario, cuando los niveles del agua descienden, hay una desaceleración del flujo, reduciéndose por consiguiente la velocidad. Por lo tanto la relación niveles - caudales genera una curva como la mostrada en la Figura adjunta y que se la denomina “lazada”: En estos casos, si la diferencia no es notable, se traza una curva media entre las ramas de la lazada. Caso contrario se debe trazar una curva de descarga para distintos rangos de pendientes del nivel de agua.

La pendiente del pelo de agua se obtiene tomando los niveles hidrométricos, también en forma sistemática, en puntos ubicados agua arriba y abajo de la sección de medición, separados entre sí por una distancia conocida.

En el esquema adjunto se puede apreciar la forma típica de este tipo de curvas, donde el caudal depende, además del nivel de agua, de la pendiente del pelo de agua.

25

Juan B. Sciortino

CÁTEDRA: HIDRÁULICA GENERAL

Marzo 2003

HIDROLOGÍA

Para obtener la curva de descarga de la sección de afores hay diversos métodos, el más común consiste en correlacionar la serie de valores observados h – Q por medio de una función del tipo: o Q = K ( h – ho)n Q = a + b h + c h2 donde a, b, c ó K, ho, n respectivamente, son constantes a evaluar por medio del método mínimos cuadrados.

Otra forma más elaborada para determinar la relación altura caudal, se plantea a partir de la ecuación de Manning: Q = 1/n A R2/3 I1/2 En este caso, cada aforo provee la información necesaria para despejar el coeficiente de rugosidad de Manning (n), siempre teniendo en cuenta que se mide el nivel de agua en dos secciones ubicadas agua arriba y abajo para obtener la pendiente del pelo de agua.

Cada par de valores (Qi, hi) permite el cálculo gráfico o analítico de la sección mojada Ai, perímetro mojado Χi y por ende el radio hidráulico Ri, elementos con los que se puede obtener el coeficiente de rugosidad ni; estos valores se representan gráficamente en función de h: h

h Unión directa de puntos

h Mínimos cuadrados o trazo manual

Unión directa de puntos

hj

Aj

Area

Rj

Radio Hidráulico

nj 2/3

n

1/2

por lo tanto, para un nivel determinado hj el caudal es Qj = 1/nj Aj Rj Ij Estos dos métodos requieren que la sección de aforos sea estable, que no sufra modificaciones en el transcurso de crecidas ordinarias, en el caso de avenidas extraordinarias se debe hacer un replanteo total de las ecuaciones.

Cuando se trata con cauces que presentan cambios importantes, aún en crecidas normales, se utiliza h para el trazado de la curva de descarga el denominado método gráfico. Este consiste en trazar la curva en forma manual siguiendo la tendencia de los puntos experimentales, ya sea en papel milimetrado o logarítmico, tePunto de quiebre niendo en cuenta la evolución temporal del fenómeno a día, hora los efectos de que cualquier cambio en la alineación sea señalada por el día y hora en que comienza a producirse; de esta manera los valores de Q se obtienen en función Q del h y del momento de ocurrencia.

3. 2. MÉTODO DE LA DILUCIÓN CON TRAZADORES. AFORO QUÍMICO El método consiste en introducir a la corriente, en una sección predeterminada (sección de dosificación) una sustancia con una concentración conocida, esta se diluye en la corriente y agua abajo (sección de ensayo), a suficiente distancia como para asegurar una mezcla completa y pareja, se toman muestras para determinar la concentración de dicha sustancia; el caudal (Q) que circula en el tramo está directamente relacionado con la disminución de la concentración del elemento incorporado a la corriente.

C2 = f ( q, C1, C0, Q) Donde C2 es la concentración en la sección de ensayo, C1 es la concentración inyectada, C0 es la concentración de la sustancia que se encuentra en forma natural en la corriente, q es el caudal inyecta26

Juan B. Sciortino

CÁTEDRA: HIDRÁULICA GENERAL

HIDROLOGÍA

Marzo 2003

do.

Se utiliza en curso de agua donde es difícil determinar la sección de escurrimiento, en general por efecto de piedras de gran tamaño, cuando no es posible utilizar un molinete por que es superado el límite de velocidad, poca profundidad, etc.; es indispensable que el régimen de la corriente sea torrencial para favorecer el proceso de mezcla, en caso tratarse de un régimen lento la distancia entre secciones debe ser muy grande a fin de que la distribución del trazador sea pareja.

La determinación del caudal depende de la forma de inyección de la sustancia: Inyección Continua: Se inyecta al cauce, en forma continua un caudal q con una sustancia de concentración C1, para ello se utilizan inyectores de nivel constante.

Si esta inyección se mantiene un cierto tiempo, se establece un régimen permanente en la sección ubicada agua abajo, a una distancia suficiente para que la mezcla sea completa.

Tomando muestras en dicha sección, en función del tiempo y se determina la concentración de cada una de estas, se puede construir el siguiente gráfico:

C C2

t

Se puede apreciar que la concentración aumenta hasta llegar a un máximo C2 que se mantiene un determinado tiempo (función de la duración de la inyección) y luego disminuye hasta llegar al valor natural C0. Durante el tiempo en que se mantiene constante se puede plantear la siguiente ecuación de continuidad.

Q1 C0 + q C1 = Q2 C2 siendo: Q 2 = Q1 + q despejado se tiene: Q1 = q (C1 – C2)/(C2 – C0)

Inyección Instantánea: Se vierte a la corriente en forma instantánea un volumen (V) determinado de agua con una dilución concentrada de una sustancia C1, el peso vertido es P = V C1 La nube se expande a medida que avanza la corriente y la transporta hacia agua abajo.

En la sección de ensayo se extraen muestras a intervalo constante ∆t, y se determina la concentración de la sustancia incorporada.

Si se grafica la concentración en función del tiempo se tiene un gráfico de las siguientes características: El valor de C0 es el natural de la corriente, la nube pasa sin perdurar en el tiempo con un máximo.

C Se puede hacer el siguiente balance: T1

P = C1 V = (Q + q) Ci dt T0

Los valores de Ci se obtienen de restar a la concentración medida, la concentración C0. t Como q es despreciable y discretizando la curva en intervalos ∆t se puede hacer la suma integral, se despeja el caudal: Q = P / ∑ (Ci ∆t) Siendo: ∑ (Ci ∆t) el área comprendida entre la curva y la recta horizontal C0.

C0

27

Juan B. Sciortino

CÁTEDRA: HIDRÁULICA GENERAL

HIDROLOGÍA

Marzo 2003

Para determinar la ubicación de la sección de ensayo debe tenerse en cuenta que la mezcla sea completa, no haya tramos intermedios de agua muerta y que no exista vegetación que pueda retener la sustancia; si bien hay expresiones empíricas que dan una noción de la longitud del tramo, es conveniente inyectar un colorante perfectamente distinguible en la sección de dosificación y buscar hacia agua abajo la zona donde se uniformiza el color.

También hay que tener en cuenta que si la corriente transporta sedimento en suspensión, este no reaccione con la solución provocando la floculación del mismo y retención de una fracción en el lecho del curso de agua, esto atraería aparejado un error en la determinación de la concentración y por lógica en el cálculo del caudal.

Los trazadores deben tener las siguientes propiedades: - No deben ser absorbidos por los sedimentos o vegetación, ni deben reaccionar químicamente.

- No es conveniente que esté presente en la corriente, en forma natural en grandes.

- No deben ser tóxicos.

- Se deben detectar fácilmente en pequeñas concentraciones.

- No deben ser costosos.

Los trazadores son de 3 tipos: Químicos: de esta clase son la sal común y el dicromato de sodio Fluorescentes: como la rodamina Radioactivos: los mas usados son el yodo 132, bromo 82 La sal común puede detectarse con un error del 1% para concentraciones de 10 ppm.; el dicromato de sodio puede detectarse a concentraciones de 0,2 ppm y los trazadores fluorescentes con concentraciones de 1/10; los trazadores radioactivos se detectan en concentraciones muy bajas (1/1014 ), sin embargo su utilización requiere personal muy especializado.

3. 3. MÉTODOS ANALÍTICOS. Es un método que se aplica cuando no se cuenta con el instrumental adecuado para realizar un aforo o bien cuando no ha podido medirse una crecida y solo se cuenta con el nivel máximo que ha alcanzado.

La determinación del caudal se realiza a partir de la ecuación de continuidad y la de energía en régimen uniforme (Manning): Q=VA V = 1/n R2/3 I1/2 Las características geométricas se obtiene a partir de un relevamiento topográfico – batimétrico de la sección en consideración, siempre considerando que se tiene una marca, referencia o nivel de escala para definir el nivel alcanzado por el agua.

La sección se determina descomponiendo en polígonos según las b verticales donde se determinó la profundidad: h, h Ai = bi (hi + hi+1)/2 Área total A = ∑ Ai El perímetro mojado se obtiene gráfica o analíticamente haciendo: Χi = [(hi + hi+1)2 + bi2]0,5 Área 2 Área 1 Perímetro total Χ = ∑ Χi Radio hidráulico R = A/ Χ Cuando la sección es compleja puesto que incluye el valle de inundación, con otro tipo de rugosidad i

i

i i+1

28

Juan B. Sciortino

CÁTEDRA: HIDRÁULICA GENERAL

HIDROLOGÍA

Marzo 2003

y/o con menores tirantes que la sección principal u otro tipo de factor que implique un cambio considerable en el escurrimiento, se recomienda dividir la superficie de escurrimiento en tantas secciones como tipologías distintas se encuentren (dos en el caso del esquema anterior) y tratarlos en forma independiente, determinando en cada una A, R, Χ.

La pendiente utilizada en la expresión de energía es la pendiente del fondo del cauce, tomada en un trecho que incluya la sección de referencia, cuando es factible se recomienda utilizar la pendiente del pelo de agua, tomada a partir de dos escalas hidrométricas ubicadas agua arriba y abajo de la sección, o bien marcar el nivel de agua en ese tramo.

La fuente de error más gruesa es la estimación del coeficiente de rugosidad, para ello se requieren las tablas y figuras que se encuentran en la bibliografía específica de hidráulica a cielo abierto más la experiencia en trabajos afines; algunas veces cuando se hay datos de aforos disponibles en esa sección se recomienda utilizarlos para calcular el valor de n en los distintos estados de la corriente.

En el caso de que se observe que en la misma sección la rugosidad es variable se pueden utilizar un valor de n medio calculado con las expresiones que figuran en el libro “Hidráulica de canales abiertos” V. T. Chow.

4. DISPOSITIVOS DE AFORO. AFOROS EN CANALES Y PEQUEÑOS CURSOS DE AGUA. Si bien en cualquier canal o curso de agua pueden aplicarse las técnicas de aforo mencionadas en los apartados anteriores, en este punto se hará referencia a las denominadas estructuras o dispositivos de aforo. Como en nombre lo dice son estructuras que se interponen a la corriente a fin de establecer una sección de control, donde a partir de la profundidad, altura de escala, etc. se pueda estimar el caudal.

Los dispositivos más utilizados son: vertederos, orificios y elementos más complejos denominados aforadores; también se pueden utilizar cualquier tipo de estructura que genere una sección de control estable como: compuertas, saltos, etc.

4. 1. ORIFICIOS El más común de estos dispositivos está compuesto por son placas metálicas portátiles que por lo general se utilizan para la medición de pequeños caudales (recomendado para surcos de riego).

Poseen uno o más orificios con su correspondiente escala, se ubica perpendicular a la corriente (perfectamente vertical y nivelada) eligiendo el orificio que produzca una carga entre 1,5 y 6,5 cm; cuando el orificio no trabaja sumergido se debe colocar algún obstáculo agua abajo para elevar el nivel de agua.

Cuando se compra un dispositivo de estas características viene una tabla que permite calcular el caudal en función de la carga y según el orificio utilizado.

Caso contrario, es necesario calibrarlos, aforando para distintos para distintos caudales para obtener la curva h-Q de cada orificio; la expresión a utilizar es: Q = Co A (2 g h)0,5 siendo Co el coeficiente del orificio.

4. 2. VERTEDEROS Los vertederos son diques o paredes que se oponen al flujo y que poseen una escotadura con una forma geométrica regular por la cual pasa el flujo. En general hay dos tipos de vertederos, los de pared delgada y gruesa.

Los vertederos de pared delgada se usan básicamente para determinar el caudal en 29

Juan B. Sciortino

CÁTEDRA: HIDRÁULICA GENERAL

HIDROLOGÍA

Marzo 2003

cualquier momento en una corriente pequeña.

En general los vertederos de pared gruesa no son utilizados para realizar aforos a menos que se trate de una estructura de control de excedencias de una obra hidráulica de gran magnitud; esta es aprovechada para la medición previo calibrado con mediciones para distintos caudales.

Para el buen funcionamiento hidráulico de un vertederos se debe tiener en consideración los siguientes aspectos: ! Flujo uniforme antes del vertedero, esto supone la superficie del fluido paralela al fondo del canal. ! Se cumple la ley de presiones hidrostática. ! Los efectos de la viscosidad y la tensión superficial se consideran despreciables. ! La lámina de agua vertida esté siempre a presión atmosférica, no se recomienda utilizar para la medición de caudales lo vertederos que trabajan sumergidos. a) Vertedero rectangular En este tipo de vertederos se trabaja con y sin contracciones laterales; este último también denominado de Bazin, es un dique cuya cresta está definida por el ancho del canal, en este caso la presión atmosférica se debe garantizar con conductos de ventilación laterales. En el caso de vertederos rectangulares con contracción, las contracciones garantizan la presión atmosférica alrededor de la lámina de agua.

Los desarrollos matemáticos para el cálculo del caudal en un vertedero rectangular conducen a la siguiente expresión: Q = 2/3 Cd b (2 g)1/2 h3/2 donde: Q: caudal; Cd : coeficiente de descarga; b: ancho de la cresta; h: altura o carga de fluido sobre la cresta del vertedero.

El Cd para vertederos rectangulares con contracciones es aproximadamente, 0.63 (ver Marbello, 1997 y King, 1962). b) Vertedero triangular Se lo usa para medir caudales pequeños, menos de 30 l/s, esto debido al efecto de la escotadura en V, la cual permite tener alturas mayores que los vertederos rectangulares para un mismo caudal, son muy precisos por lo se los utiliza en los laboratorios de hidráulica.

La expresión matemática para el vertedero triangular es: Q = 8/15 Cd (2 g)1/2 tg(θ θ/2) h5/2 donde: θ : es el ángulo en grados de la abertura de la escotadura.

Según Thomson un valor de Cd es 0.593 para 0.05 m ≤ h ≤ 0,25 m. c) Vertedero trapezoidal Se considera que trabaja como la suma de un vertedero rectangular con contracciones más la suma de un vertedero triangular, esto no es del todo verdadera ya que no corrige el caudal por efecto de las contracciones laterales del vertedero rectangular.

Para considerar tal efecto el ingeniero italiano Cipolletti trabajó un vertedero trapezoidal que considera la compensación de las contracciones del caudal debido a las contracciones del vertedero rectangular con un vertedero triangular. El análisis arroja una pendiente para los lados laterales de 1:4. En posteriores estudios se encontró que esta relación no era exacta por lo que Cipolletti presentó la siguiente ecuación para un canal trapezoidal: Q = 1,86 b h3/2 3 donde: Q: caudal (m /s); b: longitud de la cresta (m); h: altura de la lámina de agua sobre la cresta del vertedero (m) 30

Juan B. Sciortino

CÁTEDRA: HIDRÁULICA GENERAL

HIDROLOGÍA

Marzo 2003

Está ecuación tiene como Cd el valor de 0.63 , tg(θ /2) = 1/4, h < b/3, unidades en el sistema internacional.

El vertedero trapezoidal por su falta de precisión y estudio se ha usado comúnmente para aforar aguas destinadas al riego.

Dentro del desarrollo teórico de las ecuaciones se observa que estas tienen una forma potencial:

Q = a hb donde: Q: caudal; h: lámina o carga de fluido sobre el vertedero; a y b: constantes El coeficiente de descarga Cd, permite ajustar la ecuación por efecto del diseño de la cresta, la viscosidad, tensión superficial y contracción lateral del flujo. Este coeficiente depende del tipo de vertedero y existen muchas fórmulas que permiten su cálculo; aunque es conveniente, en todos los casos y tipos de vertederos, hacer determinaciones propias, aforando el canal y determinando la altura de escala correspondiente, de esta forma, de la ecuación del vertedero de determina: la variación del Cd para distintas alturas de escala y, en forma de tabla o gráfica la relación h-Q. Las unidades depende de las unidades de trabajo (mm, cm, l/s).

La anterior expresión se puede linealizar mediante una transformación logarítmica y ajustar una línea recta lo que permite encontrar los valores de las constantes a y b. La constante b toma un valor cercano al teórico para cada tipo de vertedero y la constante a explica los coeficientes de las expresiones de las expresiones teóricas. Para encontrar el valor de un caudal dada una altura de lámina de agua se puede trabajar en tres formas: utilizar la ecuación, utilizar una tabla que proviene de la ecuación en la cual la altura de la lámina de fluido está discretizada y al frente tiene el correspondiente valor de caudal y/o una gráfica de Q vs h.

Para un buen funcionamiento la cresta debe tener forma de arista, buscando que el contacto del fluido con el vertedero sea un borde, esto reduce el efecto de la viscosidad y la tensión superficial; además permite que, para cargas de fluido bajas sobre la cresta, la lámina de agua no se adhiera tan fácilmente; los valores de trabajo normales h debe estar entre 0.06 y 0.6 m.

También la medición de h debe hacerse a una distancia adecuada del vertedero para que la lectura no este afectada por la depresión de la lámina de agua: L ≥ 4h, donde L es la posición del limnímetro aguas arriba del vertedero.

4. 3. DISPOSITIVOS DE AFORO. Son estructuras estudiadas, diseñadas y calibradas a fin de determinar en forma precisa el caudal que circula por estas; estos dispositivos de medición están "normalizados", es decir, que se fabrican e instalan de acuerdo con las especificaciones y no necesitan calibración, y la medición se puede tomar directamente de las tablas o ecuaciones publicadas, pese a esto se recomienda una calibración de prueba para verificar su funcionamiento.

El fundamento teórico de este tipo de aforadores es: establecer una sección de control ya que mantiene una relación altura - caudal fija, independiente de las condiciones agua arriba y agua abajo de la sección.

31

Juan B. Sciortino

CÁTEDRA: HIDRÁULICA GENERAL

HIDROLOGÍA

Marzo 2003

En función del principio del escurrimiento crítico, para la medición del flujo se genera la profundidad crítica a partir de una contracción en la sección transversal del canal; esta canaleta de flujo crítico, también denominada canaleta Venturi, ha sido diseñada de diferentes formas pero en general se trabaja con una condición de flujo libre, con la profundidad crítica en una sección contraída y un salto hidráulico en la sección de salida, aunque en ciertos estados de flujo el salto puede quedar sumergido. Una de las canaletas Venturi más utilizada es la denominada canaleta Parshall, 4. 3. 1. AFORADOR PARSHALL Llamado así por el investigador que realizó numerosas experiencias con estas canaletas obteniendo una serie de relaciones en cuanto a sus dimensiones y una expresión para la determinación del caudal.

Su funcionalidad se da en el hecho de la buena precisión en la medición con mínimas pérdidas de carga y no tiene problemas de colmatación como los vertederos; en estos últimos, al llenarse de sedimentos hacia agua arriba se modifica la contracción de la vena liquida y cambia el coeficiente de vertedero.

La estructura del aforador consta de tres partes específicas, todas con paredes verticales y un sistema de lectura de nivel de agua: ➵ Sección convergente que presenta la solera horizontal. ➵ Garganta, solera con fuerte pendiente en la dirección del flujo. ➵ Sección divergente, solera con pendiente adversa a la dirección del flujo.

El sistema de lectura de niveles está compuesto por dos cámaras ubicadas, una en la sección convergente y otra en la garganta, con el cero coincidente con el nivel del piso convergente.

Vista en Planta

Corte L – L

Corte sistema medición

32

Juan B. Sciortino

CÁTEDRA: HIDRÁULICA GENERAL

HIDROLOGÍA

Marzo 2003

La cresta del aforador es la arista que forma el piso de la sección convergente con el piso de la garganta, su ancho W es el elemento que permite definir las dimensiones del aforador.

El escurrimiento puede darse de dos formas: libre o sumergido, se llama grado de sumersión S a la relación “ Hb / Ha “, según el tamaño del aforador, la descarga libre o sumergida depende del coeficiente S: W Descarga Libre Descarga Sumergida < 0,3 m S < 0,6 0,6 < S < 0,95 0,3 m < W < 2,5 m S < 0,7 0,7 < S < 0,95 2,5 m < W < 15,0 m S < 0,8 0,8 < S < 0,95 Cuando S > 0,95 los resultados de la medición no son confiables.

La expresión general del caudal a descarga libre es:

Q = m Han

donde m y n con coeficientes que dependen del ancho de la cresta W

Cuando la descarga es sumergida hay que realizar una corrección a la expresión anterior, se debe restar un valor C que depende de: W, Ha y se S:

Q = m Han – C(W, Ha, S)

La pérdida de carga de estas estructuras es mínima y se calcula con la siguiente expresión válida para 3,0 m < W < 15,0 m: 33

Juan B. Sciortino

CÁTEDRA: HIDRÁULICA GENERAL

HIDROLOGÍA

Marzo 2003

Cuando se trabaje con un menor W, las pérdidas de carga se determinan por ábacos disponibles en los libros de hidráulica a cielo abierto.

Para dimensionar esta estructura hay que tener en cuenta los siguientes elementos: ! Emplazamiento: Se debe efectuar en un tramo recto del canal, siendo indispensable que el régimen la corriente, agua arriba sea subcrítico, caso contrario hay que realizar una estructura o desvío para lograr esa condición. ! Materiales: Los más pequeños se construyen en chapa, madera o plástico, en cambio lo más grandes se deben realizar en mampostería u hormigón armado. En todos los casos se debe cuidar las dimensiones exactas resultantes del cálculo, la verticalidad de las paredes, horizontalidad del acceso, aristas, etc.; en aquellos en que la cresta esté a más de 0,15 m del fondo del canal se debe construir una rampa de empalme. La salida debe ser reforzada con un cuenco de piedras embolsadas para evitar erosiones que terminen descalzando la estructura. ! Tamaño (W): Se recomienda que el ancho W esté comprendido entre 1/3 y 1/2 del ancho del canal de llegada si este es rectangular y 2/3 de la base de fondo si el canal es trapecial; pese a esto depende específicamente del caudal máximo y mínimo a medir y de la máxima pérdida de carga admisible. Tanto W como el resto de las dimensiones se pueden obtener de la siguiente tabla:

5. AFORO SÓLIDO Cuando se habla del escurrimiento en un río, no sólo se trata de agua, esta, normalmente tiene capacidad para transportar sedimentos, por lo tanto hay pensar que se trata de un flujo compuesto de un complejo agua – sedimento.

Como son fundamentales para el diseño hidráulico todos los procesos inherentes a una corriente, además de la medición del caudal líquido es indispensable conocer y medir el transpor34

Juan B. Sciortino

CÁTEDRA: HIDRÁULICA GENERAL

HIDROLOGÍA

Marzo 2003

te sólido ya que de la combinación de ambas fases, sólida y líquida, se pueden analizar todos los procesos de erosión y deposición, abrasión, etc. y evaluar el comportamiento de una corriente.

El sedimento que moviliza una corriente puede ser dividido en las siguientes formas: $ Carga de fondo (bed load): es el material del lecho arrastrado por la corriente en capas adyacentes al fondo [ gB ] $ Carga de sedimento de fondo en suspensión: es el material del lecho transportado en suspensión por el flujo; debido a la velocidad y turbulencia en el lecho del curso de agua, la corriente toma partículas y la coloca en suspensión hasta que la componente del peso supera la fuerza de turbulencia y vuelve a caer [ gBS ] $ Carga total de sedimentos del fondo: es la suma de los dos primeros [gBT] gBT = gB + gBS $ Carga de lavado(wash load): material muy fino que la corriente transporta en suspensión y no es representativo del lecho, originado generalmente en el lavado o erosión del suelo por las lluvias, viento, etc.; este material se transporta básicamente por difusión y puede ser considerado como casi independiente de las condiciones hidrodinámicas de la corriente [ gL ] $ Sedimentos en suspensión: es la suma total de todas las partículas que están suspendidas en la corriente, ya sea por efecto de la turbulencia o por fenómenos difusivos [ gS ] gS = gL + gBS $ Transporte total: incluye todas las partículas transportadas por el río [gT ] gT = gS + gB Por lo tanto el material sólido transportado por un río tiene los siguientes esquemas de movimiento: Partículas que ruedan y se deslizan por el fondo (bed load) con peso suficiente para no ser arrancados del lecho.

El mismo movimiento que el anterior, pero con partículas de menor peso y tamaño, de manera tal que al ser capturadas por un núcleo turbulento son levantadas del fondo y luego vuelven a caer (saltación).

Partículas más finas que están en suspensión en el seno de la corriente por efecto de la turbulencia.

Para determinar la concentración de material que transporta la corriente o el caudal sólido, hay que tomar muestras en distintos puntos de la sección de escurrimiento, para ello se utilizan los denominados muestreadores, debiéndose distinguir entre los que toman muestras del sedimento en suspensión y los que son utilizados para el cálculo del material de arrastre.

De esta forma, y a los efectos del cálculo se divide la evaluación del transporte de sedimentos en dos partes: Caudal sólido en suspensión y Caudal sólido de arrastre o Arrastre de fondo 5. 1. SÓLIDOS EN SUSPENSIÓN En transporte de sólidos en suspensión depende específicamente de las características propias de la corriente pero está fuertemente influenciado por el régimen pluviométrico, intensidad de la lluvia, parte de la cuenca afectada por la tormenta, estabilidad de laderas y de barrancas, etc., un conjunto de factores estacionales y/o circunstanciales que condicionan una mayor o menor disponibilidad de sedimentos.

En rasgos generales la concentración del sedimento en suspensión aumenta desde la superficie hacia el fondo, pero depende mucho de la turbulencia de la corriente y del tamaño del sedimento que transporta; cuanto más fino es el material, más uniforme es la distribución, mientras que a medida que aumenta el diámetro del sedimento la concentración cerca de la superficie tiende a cero y aumenta considerablemente cerca del fondo.

35

Juan B. Sciortino

CÁTEDRA: HIDRÁULICA GENERAL

HIDROLOGÍA

Marzo 2003

En el siguiente esquema se puede apreciar la distribución de la concentración en una vertical tomando distintos rangos de diámetros del sedimento.

Cuanto más torrencial es la corriente, más uniforme es el perfil de concentraciones.

Las mayores concentraciones se presentan en el transcurso de las crecidas, aunque no necesariamente tiene que coincidir el máximo gasto líquido con el máximo transporte sólido.

La concentración de sedimentos en suspensión se mide, en general en [mg/l] o en [g/m3] mientras que el caudal sólido en suspensión se expresa en las siguientes unidades [kg/s], [g/s] o [m3 de sedimento /s].

La medición de la concentración se puede hacer en forma “Detallada”, en distintos puntos en una vertical, en coincidencia con los puntos en los que se ha determinado la velocidad, o según el siguiente esquema: superficie, 0,2h; 0,4h; 0,6h; 0,8h y próximo al fondo. Con este método se puede construir el perfil de variación de la concentración en la vertical.

El otro método, denominado “Integracional” permite obtener la concentración media en la vertical, consiste en extraer una muestra de la vertical por medio de una lenta y uniforme elevación o bajada del captador de sedimentos desde las proximidades del fondo hasta la superficie o al revez; la velocidad de ascenso depende del instrumento, pero hay que tener en cuenta que la velocidad de ingreso de agua en la boquilla debe ser aproximadamente igual a la de la corriente y que el depósito del muestreador llegue casi lleno a la superficie. En general, una limitante del método es la profundidad, no es válido que el depósito se llene antes de llegar a la superficie o el fondo según la técnica adoptada, por lo que se deben hacer sucesivos tanteos para determinar la velocidad de bajada y que la botella no se llene por completo antes de llegar al fondo.

5. 1. 1. CAPTADORES DE SEDIMENTOS EN SUSPENSIÓN. Los captadores de sedimentos, muestreadores o turbizondas, son instrumentos que permiten extraer muestras de agua con sedimentos a distintas profundidades en un curso de agua.

Existen distintos tipos de captadores que pueden ser clasificados como de llenado rápido o instantáneo y de llenado lento, los primeros tienen el problema que no reflejan la pulsación o componente fluctuante de la turbulencia mientras que en los de llenado lento la muestra es tomada durante un lapso de tiempo suficiente para registrar y promediar los efectos pulsantes. ! Captador Scartachini: Es un captador instantáneo y puntual que consta de un tubo cilíndrico de 0,1 m de diámetro y 0,6 m de largo, que se baja a la profundidad deseada con una barra graduada o con un cable de acero, en este caso se requiere un contrapeso.

Dos semiesferas que cierran los extremos del tubo están sujetas por unas gomas que están enganchadas al cable o barra; cuando se llega a la profundidad de medición se suelta desde la superficie un mensajero (peso o plomada) que se desliza por el cable o barra y desengancha las gomas que sujetan los cierres; de esta forma se sellan las bocas de entrada y salida del tubo.

! Botella lastrada: Se trata de una botella que se coloca dentro de una canastilla metálica, se pue36

Juan B. Sciortino

CÁTEDRA: HIDRÁULICA GENERAL

HIDROLOGÍA

Marzo 2003

de operar por medio de un cable con contrapeso o una barra graduada.

Se baja la botella al punto de medición y, por hala una cuerda que sujeta los tapones que cierran las boquillas; luego del paso de un tiempo suficiente para el llenado de la botella se la sube muy lentamente para evitar una recirculación de agua con retención de sedimentos; cuando es factible ver el burbujeo desde la superficie se inicia el ascenso luego de terminado este.

Con esta botella se pueden realizar mediciones puntuales e integracionales y, evidentemente se trata de un captador de llenado lento.

Una alternativa es que la botella tenga un tapón de goma sin las boquillas que se retira al llegar al punto de medición, de esta forma el llenado es casi instantáneo y sirve para mediciones puntuales; en este caso no se obtienen buenos resultados, más aún si la corriente tiene arena en suspensión. ! Captadores Integracionales Estandarizados: Son captadores desarrollados y normalizados en los Estados Unidos, están diseñados en forma hidrodinámica de manera que provocan una mínima distorsión en el entorno (forma de pescado) con aletas direccionables y estabilizadoras que lo orientan perpendicular a la corriente. Consta de un caparazón de bronce o aluminio con una cavidad para alojar una botella (antes de vidrio, ahora de plástico) donde se aloja la muestra, una cámara de equilibrio que iguala la presión del aire en el recipiente con la altura hidrostática en la entrada de la boquilla; tiene un cabezal conde se inserta la boquilla (viene de distintos diámetros) que se orienta perpendicular a la corriente y un escape por el cual sale el aire a medida que el agua entra en el recipiente.

Se los designa de la siguiente forma: US D-(año de fabricación del modelo) El muestreador puede ser suspendido de un cable (puede incluir un contrapeso) o sostenido por medio de una barra.

Cuando se llega a la vertical de medición se coloca la botella en la cámara correspondiente y se baja a una velocidad uniforme desde la superficie hasta el fondo, en el instante que toca el lecho se invierte la posición para evitar el ingreso del flujo de agua, luego se sube muy lentamente; puede Captador US D-72 trabajarse de otra forma, se baja el muestreador muy lenCaptador US D-74 tamente apuntando la boquilla hacia agua abajo hasta hacer contacto con el lecho, en ese momento se cambia la dirección apuntando hacia agua arriba y se lo sube a velocidad uniforme. Para cada vertical se almacena una botella de muestra.

El diámetro de la boquilla depende de la velocidad de la corriente y del tipo de sedimento a captar.

37

Juan B. Sciortino

CÁTEDRA: HIDRÁULICA GENERAL

HIDROLOGÍA

Marzo 2003

Están limitados por la profundidad y alguno modelos más antiguos por la velocidad de la corriente, por ejemplo el US D-48 trabaja hasta 4,5 m de profundidad y el US D-49 hasta 5,5 m, ambos con una máxima velocidad de 1,8 m/s; mientras que el US D-72 no tiene un límite particular de velocidad pero puede trabajar hasta 5,5 m de profundidad.

El peso de este muestreador puede variar según el modelo entre 28 y 45 kg. ! Captadores Puntuales Estandarizados: Son similares a los anteriores pero cuentan con un dispositivo o válvula accionada por un solenoide y controlada desde la superficie (con baterías recargables), que controla la apertura y cierre de la boquilla.

También puede ser suspendido de un cable o sostenido por medio de una barra dependiendo del modelo puesto que, por ejemplo el US P-50 pesa 136 kg, el US P-63 92 kg y el US P-72 llega a 40 kg.

Cuando se llega a la vertical de medición se coloca la botella en la cámara correspondiente y se baja hasta el punto de muestreo, se acciona el solenoide que abre la boquilla y se espera un tiempo determinado (previa prueba) hasta que Captador US P-72 la botella se llena un poco más de la ¾ parte.

Al estar controlado el acceso de agua y por ende la toma de muestra es mucho más versátil que los integradores; esta versatilidad permite que trabaje como integrador en la vertical sin estar limitado por la profundidad ya que accionando a apertura y cierre de la boquilla se puede completar la vertical en tramos, siempre ascendiendo o descendiendo a la misma velocidad constante y juntando todas las muestras en un bidón.

En general se puede trabajar con velocidades altas de la corriente y los límites de profundidad están en el orden de los 50 m. ! Captadores de bombeo: Las muestras se pueden extraer de una corriente por bombeo desde la costa conectada a la embarcación con un caño o desde un bote de mayor tamaño que los usuales, introduciendo a la corriente con un contrapeso la boquilla a la profundidad deseada o bien bajando a velocidad constante para desarrollar el método integracional; un transductor de presión en la corriente permiten desarrollar una variedad casi infinita de programas de toma de muestras; Son posibles desniveles de aspiración de hasta seis metros.

Las muestras se guardan en botellas de plástico en el caso de toma puntual o en bidones para la toma en verticales.

Captador de bombeo.

Equipo completo diseñado por Hydraulics Research of Wallingford.

Cada muestra puntual o la integrada de cada vertical debe ser llevada a gabinete o laboratorio para una correcta determinación del volumen captado (V); luego se procede al filtrado con papel especial o un filtro de laboratorio; el material húmedo que queda se coloca en un cuenco de 38

Juan B. Sciortino

CÁTEDRA: HIDRÁULICA GENERAL

Marzo 2003

HIDROLOGÍA

porcelana para retirar la humedad residual ya sea por evaporado a baño maría o en estufas a 110ºC; finalmente el cuenco con la muestra seca es pesada y se resta el peso conocido del cuenco, obteniéndose el peso del sedimento seco (P). La concentración de sedimentos en suspensión captado es la relación: C = P/V 5. 1. 2. CÁLCULO DEL CAUDAL SÓLIDO EN SUSPENSIÓN

El cálculo de la descarga total de sedimentos en suspensión en un curso de agua pueden efectuarse mediante estimaciones de la concentración de los sedimentos y de la velocidad de la corriente; en el siguiente esquema se puede apreciar en forma gráfica la interacción entre la velocidad y la concentración de sedimentos que generan el transporte de sólidos en suspensión.

X’ Perfiles de velocidad

X’

Perfiles de concentración

Descarga de sedimentos

5. 1. 2. 1. Determinación de la concentración media en la vertical.

Para la determinación de la concentración media en la vertical se puede recurrir a un método muy preciso o a simplificados, en realidad estos últimos se pueden utilizar a partir del conocimiento del transporte en la sección de medición, habiendo verificado cual es el que mejor resultado da según el cálculo más preciso; usualmente el método simplificado a usar puede variar con el nivel de escala o si el río se encuentra en un estado de crecida o de bajante.

Los métodos más usuales son: " Superficie velocidad – concentración (método preciso): La determinación de las velocidades en la vertical se hace por el método de los puntos múltiples y se obtienen las muestras de agua – sedimento en los mismos puntos donde se evaluó la velocidad, con estos elementos se pueden construir el perfil de velocidades y el de concentraciones (de los esquemas anteriores: vertical CE, perfiles CEHG de velocidades y CEX’X de concentraciones).

Se multiplican cada vector velocidad con la concentración de sedimentos correspondiente a la profundidad y se elabora un perfil velocidad – concentración (CEML del esquema anterior); las unidades son: vector velocidad [m/s] ; concentración [g/m3] ⇒ nuevo vector [g/s/m2].

La forma más precisa para calcular la concentración media en la vertical es ponderando la superficie del perfil de velocidad – concentración con la superficie del perfil de velocidades: Cmi(g/m3) = área CEML (g/s/m) 39

Juan B. Sciortino

CÁTEDRA: HIDRÁULICA GENERAL

HIDROLOGÍA

Marzo 2003

área CEHG (m2/s) No es muy recomendable calcular la concentración media haciendo la relación entre la superficie del perfil de concentraciones CEX’X [g/m2] y la profundidad CE [m], a menos que no se cuente con el perfil de velocidades de la vertical. " Método de los 5 puntos (Colby): Consiste en dividir la vertical en unidades iguales de profundidad, tomando la velocidad de la corriente y muestras en el centro de cada una de estas unidades, Colby recomienda hacerlo en: 0,1h; 0,3h; 0,5h; 0,7h y 0,9h (h:profundidad).

La concentración media de la vertical se obtiene de la siguiente expresión: Cmi = C0,1 V0,1 + C0,3 V0,3 + C0,5 V0,5 + C0,7 V0,7 + C0,9 V0,9 V0,1 + V0,3 + V0,5 + V0,7 + V0,9 Algunos autores proponen, cuando se realiza el aforo líquido por el método de los 5 puntos (superficie, 0,2h; 0,6h; 0,8h y fondo), tomar las muestras de sedimentos en los mismos puntos y aplicar el método de Colby con estas profundidades. Se recomienda considerar a este como otro método y verificar su precisión con el más exacto: superficie velocidad – concentración. " Método de los 3 puntos: Las muestras se deben tomar en la superficie, a 0,5h y lo más próximo posible del fondo, teniendo en cuenta que los volúmenes tomados deben ser iguales; la concentración media de la vertical es: Cmi = (Cs + 2 C0,5 + Cf) / 4 " Método de los 2 puntos: Las toma de muestras de sedimentos se deben realizar a 0,2h y 0,8h; la expresión a utilizar es: Cmi = ( 3 C0,8 + 5 C0,2) / 8 El método supone que la distribución de velocidades en la vertical es exponencial y que la concentración de sedimentos aumenta linealmente desde la superficie hacia el fondo.

El comportamiento del transporte líquido – sólido es muy particular en cada tramo y en cada curso de agua, de esta forma y a partir del método superficie de velocidad – concentración se debe buscar el método simplificado más preciso (puede variar según el estado del río); también es factible buscar una relación propia que cumpla con la precisión requerida.

5. 1. 2. 2. Métodos de cálculo del caudal sólido en suspensión.

Luego de calculada la concentración media en cada vertical se debe determinar cual es el transporte sólido en suspensión que fluye por la sección de medición, para esta evaluación hay distintos métodos que se desarrollan a continuación: ! Método de los vectores superficie velocidad – concentración: El área del perfil velocidad – concentración (CEML) desarrollado para cada vertical en el método preciso para el cálculo de la concentración media en la vertical puede ser representado como un vector (Svc) con las siguientes unidades [g/s/m] y graficado en planta en la Svci vertical correspondiente.

Sección de Uniendo con una curva los extremos aforos Vista en Planta. de cada vector y calculando la superficie encerrada por mencionada curva se obtiene el caudal sólido en suspensión que fluye por la sección.

Gs = Área curva en planta [g/s] En aquellas verticales en las que por su proximidad con las márgenes o por escasa profundidad se utiliza algún método simplificado de medición tanto de la velocidad como de la concentración, se calcula la velocidad media y la concentración media de la vertical y se multiplican ambos elementos(Vmvi Cmi); el vector Svci correspondiente se obtiene multiplicando (Vmvi Cmi) por la profundidad de la vertical (hi) : Svci = (Vmvi Cmi) hi 40

Juan B. Sciortino

CÁTEDRA: HIDRÁULICA GENERAL

HIDROLOGÍA

Marzo 2003

! Método de la concentración media en la vertical: Se utilizan tanto la velocidad media como la concentración media en la vertical, el Vertical i gasto sólido en la franja se obtiene b i /2 b i+1 /2 de multiplicar la concentración media en la vertical con el caudal líquido Cm i que circula por esta: hi Vmv i Gsi = Cmi Vmvi hi (bi + bi+1)/2 Gsi = Cmi Qi Gs = ∑ Gsi

Cm i

! Método de la concentración media ponderada: Básicamente consiste en obtener una concentración media en la sección (Cmp) utilizando como factor de ponderación al caudal que pasa por la subsección de influencia de la vertical donde se obtuvo el Cmi; el gasto sólido en suspensión se calcula multiplicando la concentración media ponderada con el gasto líquido.

Se traza una curva de caudal acuQ% 100 % mulado en la sección en % a partir de una margen predeterminada; el ∆Q % se obtiene de extender los H i+1 Qi+1 límites de la subsección de influencia de la vertical (bi/2 ; ∆Qi bi+1/2) tal como lo muestra el esH i-1 Qi-1 H i Qi quema adjunto.

Por lo tanto: Cmp = [∑ ∑Cmi ∆Qi%]/100 0% Gs = Cmp Q Este método conviene utilizarlo cuando la sección permanece estable en el tiempo (sin erosión ni deposición de sedimentos) ya que la curva caudal acumulado en % se puede construir para distintos estados de la corriente y relacionarlo con los niveles de escala (Hi).

Una variante a este método está dado por el denominado “iguales incrementos de caudal”, en este caso se utiliza la curva de caudal acumulado % para planificar la ubicación de las verticales de toma de muestra; por ejemplo: se divide la curva en 10 partes iguales (10% del caudal) y se ubica en el punto medio de cada una de estas la vertical de medición, de esta forma el Cmp se obtiene con la siguiente expresión: Cmp = ∑Cmi 0,1 5. 2. TRANSPORTE DE MATERIAL DE FONDO. La medición o toma de muestras de este tipo de transporte presenta serias dificultades fundamentadas en las siguientes razones: a) Cualquier dispositivo mecánico apoyado en el lecho genera perturbaciones en la corriente y puede modificar la tasa de entrada de sedimento en la boca del mencionado dispositivo. b) El muestreador tiende a hundirse en el lecho y genera una socavación localizada que puede aumentar la tasa de transporte medida. c) Para mantenerse estable en el fondo tiene que ser pesado, lo que dificulta su uso cuando se lo baja desde puentes, botes o vagonetas; además ofrecen una resistencia al flujo que se 41

Juan B. Sciortino

CÁTEDRA: HIDRÁULICA GENERAL

HIDROLOGÍA

Marzo 2003

traduce en una importante fuerza de arrastre que hace imposible su uso cuando la corriente es veloz o cuando se requiere la toma de muestras en el transcurso de crecidas. d) Es muy difícil el diseño de un muestreador que capte todas las fracciones de sedimento que se arrastra por el fondo, este arrastre puede variar de arenas a rodados de gran tamaño. e) Se deben seleccionar muy bien los puntos de medición que representen los distintos tramos de la sección.

Las siguientes fotos muestran los captadores más comunes:

US B-84 Muestreador suspendido con cable Peso: 15 kg. Diámetro sedimento < a 38 mm.

Velocidad máxima 2,8 m/s

Muestreador de arenas: consta de un trampolín, trampa de arena y cola de guía; se baja al fondo por medio de un cable y cuando este hace contacto se abre el trampolín dejando la caja lista para recibir el acarreo. Diámetro sedimento 0,1 a 5 mm. Velocidad máxima 1,5 m/s.

US BLH-84 Muestreador con barra Peso: 4,5 kg. Diámetro sedimento < a 38 mm.

Velocidad máxima 2,8 m/s

Muestreador de material grueso: caja de malla metálica fija sobre un armazón también metálico con una barra para bajarlo hasta el fondo; la apertura de la malla puede ser de 5 mm aunque se puede trabajar con tamaños inferiores; la sección de entrada puede ser rectangular, o como se muestra en la figura, de 0,25 m de ancho y 0,2 de alto. La máxima velocidad de trabajo depende del empuje que la corriente ejerce sobre el instrumento.

El muestreador se baja hasta hacer contacto con el fondo y se mantiene un intervalo de tiempo ∆t predeterminado, se saca el muestreador y se guarda la muestra para su posterior pesado. Cuando se requiere la granulometría del acarreo se debe mantener un tiempo suficiente como para que el volumen de sedimento captado sea suficiente.

El arrastre de fondo por unidad de ancho se obtiene de la siguiente expresión: gbi (g/s/m)= Pi b ∆ti donde: P es el peso de la muestra captada; b es el ancho del muestreador y ∆t tiempo de medición.

Para calcular el transporte total de fondo se debe asignar a cada vertical el ancho de influencia y sumar los transportes parciales: Gb (g/s) = ∑ gbi anchoi Como se puede apreciar es muy importante la ubicación de cada vertical, puesto que debe ser representativa de un tramo de la sección con idénticas condiciones de transporte de material del lecho.

5. 2. 1. CÁLCULO DEL TRANSPORTE DE FONDO POR MEDIO DE FÓRMULAS Existen fórmulas que permiten estimar el arrastre de fondo basadas en correlaciones con mediciones de campo y/o laboratorio, con planteos teóricos, análisis dimensional de las va42

Juan B. Sciortino

CÁTEDRA: HIDRÁULICA GENERAL

HIDROLOGÍA

Marzo 2003

riables intervinientes y selección de las que más inciden en el proceso de transporte.

Con estas fórmulas se obtiene una aproximación de la capacidad de transporte de los ríos, pero no los valores reales; para que el transporte real sea igual a la capacidad es necesario que el material disponible en el lecho del curso de agua sea suficiente y por supuesto que la estimación de las características hidráulicas de la corriente sean correctas para el estado del río que se esta evaluado.

Estas fórmulas o metodologías de cálculo han sido desarrolladas por distintos autores para distintas condiciones hidráulicas de la corriente, material del lecho, pendientes, etc.; por lo que se debe tener sumo cuidado en su uso, evaluando las condiciones de aplicabilidad.

Una de las más comunes es la desarrolladas por Meyer - Peter - Müller (1948) gB = 8 γs (g ∆ Dm3)0,5 {(n'/n)3/2 τ* - 0,047}3/2 donde: Dm: diámetro medio de la muestra de material del lecho del río. n: rugosidad de Manning n': rugosidad debida al grano, por lo general se utiliza la siguiente expresión: n'= D90 1/6/26 D90: diámetro de sedimento en metros, el cual el 90% de la muestra es más fino τ*: tensión corte adimensional de Shields τ* = γ R S (γs - γ ) Dm R: radio hidráulico de la corriente, en cursos anchos y poco profundos R . profundidad media de la corriente (h); S: pendiente de energía; ∆ = (γs - γ )/ γ Este método se aplica principalmente en ríos con lechos de gravas medias a finas con arena gruesa, extensible también a lechos de arenas medias y finas pero los resultados no son muy buenos.

Einstein (1950) define un parámetro adimensional denominado “Intensidad de Transporte” (Φ): Φ gB 3/2 [D γs ( g ∆ )1/2 ] con D: diámetro representativo de la muestra de material del fondo en metros.

La Intensidad de Transporte es una función de la relación: ψ = ∆ D /( R’ I ) ⇒ Φ = f (ψ) con R’ : radio hidráulico de la corriente relacionado con la rugosidad del grano.

Cuando el sedimento del lecho del río tiene una granulometría uniforme, con el diámetro de sedimento representativo del material del fondo (EINSTEIN recomienda D35) y determinando las características hidráulicas de la corriente se determina el ψ, la Intensidad de transporte Φ se obtiene del siguiente gráfico y se despeja el valor del transporte del material del fondo por el fondo gB. Cuando el material del lecho tiene una granulometría extendida el proceso de cálculo es más complicado requiriéndose para su comprensión y utilización el conocimiento de la hidráulica de cauces aluviales.

6. SEDIMENTOS EN EMBALSES Cuando un curso de agua ingresa a un embalse o lago se produce una importante disminución de la velocidad de la corriente con la consiguiente pérdida de energía, de esta forma pierde capacidad de transporte y el sedimento se deposita.

La deposición de sedimentos en un embalse sigue el siguiente camino, el material 43

Juan B. Sciortino

CÁTEDRA: HIDRÁULICA GENERAL

HIDROLOGÍA

Marzo 2003

grueso, compuesto en general por acarreos de fondo y algo de arena en suspensión, de deposita agua arriba y en la entrada al cuerpo de agua; el material más fino es transportado mucho más adentro del reservorio, a menudo como una corriente de densidad.

1 2 3

El transporte de fondo avanza formando ondas a lo largo del perfil longitudinal (1, 2, y 3 del esquema anterior; el flujo del material fino que es frenado por la presa se deposita en todo el cuenco del cuerpo de agua pero con una mayor predisposición a hacerlo en el tramo inmediato agua arriba de la estructura de cierre.

Los depósitos de agua arriba están formados por capas en correspondencia al tiempo de sedimentación del material, a la secuencia de crecidas, etc. y la pendiente del talud de la cara agua abajo es el ángulo de reposo del sedimento acumulado. Este frente de sedimentos que avanza hacia agua abajo puede dejar al embalse casi completamente lleno de sedimentos cuando llega a la presa.

La vida útil de un embalse no sólo depende de los sedimentos que llegan al mismo, también depende de la cantidad de sedimentos que éste es capaz de retener del volumen total que es aportado.

La eficiencia de retención es función de la velocidad de caída de las partículas de sedimento y del caudal que circula a través del embalse, para un mismo caudal o relación ingreso – egreso de agua, cuanto más pequeño es un cuerpo de agua menor es la eficiencia de retención.

Una metodología para estimar la eficiencia de retención de un emPr balse fue desarrollada por Brune(1953) quién obtuvo el gráfico adjunto donde correlaciona el porcentaje retenido de sedimentos (Pr) en función de la relación entre la capacidad del embalse (Ve) y el volumen anual escurrido hacia este (Vq). Se debe destacar que los cuerpos de agua evaluaVe /Vq dos son del tipo lago, la curva envolvente superior corresponde al material más grueso y la inferior a sedimentos finos.

Existen otros métodos para evaluar la eficiencia como el de Einstein (1965), Churchill (1948), Borland (1971), etc. pero escapan al alcance del curso.

6. 1. PESO ESPECÍFICO DE LOS DEPÓSITOS DE SEDIMENTOS Para determinar el volumen de sedimento que se deposita en un embalse hay que conocer el peso específico del depósito, definiéndose a este como el peso del material sedimentario seco por unidad de volumen; es un valor menor al peso específico de las partículas que lo conforman por la presencia de espacios vacíos intergranulares del depósito de sedimentos.

Los factores que determinan el peso específico de un depósito son: • Composición mecánica del sedimento • Ambiente de acumulación 44

Juan B. Sciortino

CÁTEDRA: HIDRÁULICA GENERAL

HIDROLOGÍA

Marzo 2003

Tiempo Los materiales granulares como gravas y arena tienen escasa modificación del peso específico con el tiempo, mientras que los limos y arcillas conforman una masa acuosa con un peso específico inicial es una fracción del que alcanza luego de varios años de acumularse.

Cuando un deposito queda expuesto al aire se acelera el proceso de compactación, esto depende de la variación del nivel de agua y por ende del tipo de embalse y de la política de operación; la compactación es superior en sedimentos cohesivos y mínima en granulares.

Según Lane y Koelzer(1953) y recomendado por la ASCE (1975) la variación del peso específico de los sedimentos en un embalse puede expresarse de la siguiente forma: γ = γ1 + B log T donde γ es el peso específico de una acumulación de sedimentos luego de T años; γ1 es el peso específico inicial tomado, en general, luego de un año de consolidación y B es un factor de compactación que depende de las características del embalse y del sedimento depositado.

En la siguiente tabla se resumen los valores de γ1 y B según Lane y Koelzer: •

Tipo de Embalse 1. Sedimentos normalmente sumergidos 2. Embalse con descenso de nivel moderado 3. Descenso de nivel considerable y muy frecuente.

4. Embalse normalmente vacio.

3

Arena (kg/m ) B γ1 1490 a 0 1506 1490 a 0 1506 1490 a 0 1506 1490 a 0 1506

Lane y Koelzer Limo (kg/m3) γ1 B 1042 a 91 a 1052 92,3 1186 a 41 a 1198 43,7 1266 a 16 1279 1314 a 0 1328

Arcilla (kg/m3) γ1 B 480 a 256 a 486 259,4 737 a 171 a 745 173,2 961 a 96 a 971 97,1 1250 a 0 1263

El peso específico promedio γm después de un período de T años durante los cuales se ha producido una deposición uniforme de sedimentos se obtiene integrando la ecuación anterior en el tiempo: T γm = 1/(T-1) (γ1 + B log T) dT ⇒ γm = γ1 + 0,4343 B [1/(T-1) ln T – 1] 1

Es evidente que para el cálculo del γm hay que tener en cuenta la fracción correspondiente a gravas – arenas, limos y arcillas presentes en el depósito.

Si luego de T años han ingresado al embalse y quedan retenidos P toneladas de sedimentos con una granulometría determinada, se puede calcular el γm ; por lo tanto el volumen que esta acumulación representa es: V =P/ γm .

45

Juan B. Sciortino

CÁTEDRA: HIDRÁULICA GENERAL

HIDROLOGÍA

Marzo 2003

7. BIBLIOGRAFÍA $

Aguirre Pe, J. (1985) “Hidráulica de sedimentos”. Universidad de los Andes. Facultad de Ingeniería. Mérida. Venezuela.

$

Chow, V.T. (1994). "Hidrologia aplicada". Mc. Graw Hill, Colombia.

$

Chow, V.T. (1964). "Handbook of applied hydrology". Mc. Graw Hill. New York.

$

Hudson N. (1997). “Medición sobre el terreno de la erosión del suelo y de la escorrentía” Boletín de suelos de la FAO. ONU.

$

Picatto, H. (1978) “Curso de capacitación en técnicas de mediciones hidrológicas y tratamiento de datos” UNL – INCYTH.

$

Varios. (1971). "River Mechanics". Editor Shen H. W. Fort Collins. Colorado. EE.UU.

$

Velez, E Picatto, H (1985) “Elementos de aforo” Centro de Investigaciones Hídricas. INCYTH – CONICET.

46