• Author / Uploaded
• Jessie Barría

Citation preview

Métodos de medición de agua en canales de riego Autor: Hamil Uribe C.

Centro Regional de Investigación INIA Raihuén

Instituto de Investigaciones Agropecuarias INIA / MINISTERIO DE AGRICULTURA 1

Autor

Hamil Uribe C. Ingeniero Civil Agrícola, Dr. Investigador INIA Quilamapu Edición de Textos

Hugo Rodríguez A. Director Regional INIA

Rodrigo Avilés R.

Boletín INIA N°412 Cita bibliográfica correcta Uribe C., Hamil, 2019. “Métodos de medición de agua en canales de riego”. Boletín INIA N°412, 106 p. Instituto de Investigaciones Agropecuarias, Villa Alegre, Chile. ISSN 0717-4829 Permitida su reproducción total o parcial citando la fuente y autor. Este Boletín fue financiado por el Gobierno Regional del Maule en el marco del proyecto FIC “Reducción de pérdidas en canales de riego mediante la aplicación de Polímeros”. Diseño y diagramación: Ricardo González Toro. Impresión: Trama Impresores S.A. Cantidad de ejemplares: 300.

Villa Alegre, Chile, 2019.

2 BOLETÍN INIA Nº 412

Índice Introducción

5

1. Conceptos de hidrometría 1.1. Hidrometría 1.2. Beneficios de la medición del agua

7 7 8

2. Conceptos fundamentales 2.1. Volumen 2.2. Velocidad 2.3. Caudal o gasto 2.4. Ecuación de continuidad 2.5. Eficiencia 2.6. Pérdidas por conducción (Pc) 2.7. Calidad de las mediciones

11 11 11 12 13 13 14 15

3. Conceptos básicos de hidráulica de canales abiertos 3.1. Geometría de los canales abiertos 3.2. Definiciones 3.3. Flujo en canales abiertos 3.3.1. Ecuación de Manning 3.3.2. Recomendaciones técnicas 3.3.3. Distribución de velocidades en la sección del canal

17 17 18 19 20 21 22

4. Tipos de flujos en canales abiertos 4.1.1. Flujo en canal abierto y en conductos cerrados 4.1.2. Canales naturales y artificiales 4.1.3. Flujo permanente y flujo no permanente 4.1.4. Flujo uniforme y flujo variado 4.1.5. Flujo laminar, turbulento y de transición 4.1.6. Flujo súper-crítico y sub-crítico

25 25 26 26 27 29 30

5. Métodos para medir caudal en canales 5.1. Aspectos generales 5.2. Clasificación de los métodos para medir caudal en canales 5.3. Principios y equipos para medir caudal en canales

33 33 34 34

Instituto de Investigaciones Agropecuarias INIA / MINISTERIO DE AGRICULTURA 3

6. Métodos directos de medición de caudal 6.1. Método volumétrico 6.2. Método gravimétrico 6.3. Método químico o dilución con trazadores 6.3.1. Tipos de trazadores y sus requerimientos 6.3.2. Formas de implementación del método químico

37 37 38 39 41 42

7. Métodos indirectos mediante relaciones área-velocidad 7.1. Clasificación de los métodos Indirectos de relaciones área-velocidad 7.2. Método del flotador 7.3. Método del molinete 7.3.1. Requerimientos del lugar de medición o aforo 7.3.2. Medición del área 7.3.3. Medición de la velocidad y cálculo del caudal 7.3.4. Consideraciones para la medición con molinete hidráulico 7.3.5. Procedimiento de aforo 7.4. Método del tubo de Pitot

49 49

8. Métodos indirectos mediante relación escala-gasto

63



8.1. Métodos de relación escala-gasto 8.2. Uso de la ecuación de Manning

63 67

9. Medición de flujo con vertederos 9.1. Vertederos de pared delgada 9.1.1. Vertedero rectangular 9.1.2. Vertedero Cipoletti o trapezoidal 9.1.3. Vertedero triangular 9.2. Vertederos de pared gruesa

69 70 71 73 75 76

10. Estructuras hidráulicas para medición de flujo 10.1. Canoa de fondo plano 10.2. Canoa Parshall

79 79 84

11. Medición de caudal con orificios y compuertas 11.1. Aforo con orificios 11.2. Aforo con compuertas Conclusiones

93 93 97 101

Bibliografía

103

4 BOLETÍN INIA Nº 412

50 53 54 55 56 58 58 60

Introducción El agua es un recurso cada vez más escaso, tanto debido a los cambios en las condiciones climáticas, como por la creciente demanda hídrica en diferentes sectores de la economía, entre los que se cuentan el consumo humano, el uso industrial, la generación hidroeléctrica, la agricultura y las demandas ambientales. Esto exige mejorar la gestión y prácticas en el manejo de los recursos hídricos, siendo un punto clave la correcta medición del agua. El riego usa la mayor proporción de los recursos hídricos, cercana al 80%. En la zona centro y sur de Chile corresponde principalmente a aguas superficiales captadas desde ríos y esteros, y distribuidas a través de canales, generalmente sin revestir. Por lo anterior, es vital conocer de la cantidad de agua que conducen los canales para lograr una buena administración y un uso eficiente de los recursos hídricos, tanto a nivel extra predial como dentro de los predios. En Chile, la distribución del agua se realiza en base a las acciones o derechos que cada agricultor tiene sobre un río, estero u otra fuente de agua. Por tratarse de fuentes naturales, la cantidad de agua asociada a una acción varía en el tiempo, a lo largo de la temporada de riego e incluso a lo largo del día, en la misma proporción en que varía el caudal de la fuente principal. Por consiguiente, sólo midiendo el caudal es posible conocer el agua disponible en un momento dado. Es a través de la medición o aforo de las aguas de riego que las organizaciones de regantes y los agricultores están en condiciones de conocer el caudal o cantidad de agua por unidad de tiempo que pasa por los canales de distribución, ingresa al predio y cuánto se está aplicando al cultivo. Además, conociendo el caudal disponible en un canal, es posible estimar cuánta superficie se puede regar para reponer la demanda evapotranspirativa de los cultivos. En la medida que cada área de riego necesite más agua, será necesario formular planes para mejorar su uso. Además de encontrar o desarrollar nuevas fuentes,

Instituto de Investigaciones Agropecuarias INIA / MINISTERIO DE AGRICULTURA 5

el agua puede ser provista con menores costos mediante la conservación y distribución equitativa de la oferta hídrica existente. Cada metro cúbico de agua recuperada como resultado de la mejora de su medición, produce mayores beneficios que la misma cantidad obtenida de una nueva fuente. Así, mejores prácticas de medición permiten acrecentar el uso del agua en relación a una operación deficiente, con mala o nula información, que generalmente resulta en sobre-entrega de agua a algunos usuarios y excesivas pérdidas. Más allá del buen manejo de suministro de agua de un área de riego, la atención debe ser extendida también a la medición y gestión del uso de agua a nivel de agricultor, para ayudar a prevenir la disminución de rendimientos y otros daños a los cultivos causados por déficit o exceso de riego. Por lo anterior la correcta medición o aforo del agua en ríos, esteros y canales es de gran ayuda y debe ser realizada mediante métodos adecuados, con el fin de obtener datos de buena calidad que permitan tomar decisiones apropiadas en relación al uso y distribución del recurso hídrico escaso. La determinación del agua disponible para riego es una información básica para el análisis integral sobre la explotación y uso de este recurso, tanto a nivel extra-predial como intra-predial En este sentido este boletín pretende presentar en forma simple los conceptos fundamentales para que profesionales, técnicos y agricultores, no especialistas, puedan entender e implementar técnicas de aforo de acuerdo a sus necesidades y capacidades, y así mejorar el manejo del agua.

6 BOLETÍN INIA Nº 412

Capítulo 1

Conceptos de hidrometría 1.1. Hidrometría El concepto de hidrometría proviene del griego hydro (agua) y metron (medición). La hidrometría es la parte de la hidrología que se encarga de medir, registrar, calcular y analizar los volúmenes de agua que circulan en una sección transversal de un río, estero, canal o tubería, pertenecientes a un pequeño o gran sistema de riego en funcionamiento. En forma clásica, la hidrometría se define como la parte de la hidrología que tiene por objeto medir el volumen de agua que pasa por unidad de tiempo dentro de una sección transversal de flujo y a partir de ello conocer la disponibilidad de agua en la fuente y determinar el nivel de eficiencia de la distribución del recurso hídrico. No es sólo medir. Si bien es posible realizar mediciones de agua aisladas, lo correcto es hablar de un sistema hidrométrico, definido como el conjunto de procedimientos necesarios para conocer el volumen de agua de un sistema, para mejorar la distribución. Un ejemplo típico es el conjunto de mediciones que realizan las canalistas o juntas de vigilancia para distribuir el agua en la forma más correcta posible. Para llevar a cabo la tarea se requiere de redes hidrométricas que son el soporte físico y corresponden al conjunto de puntos de medición del agua de un sistema hidrométrico, distribuidos de forma que permitan analizar la información. En cada nodo de la red existen puntos de control, que son aquellos sectores donde se mide el caudal. Pueden ser de distintos tipos como estaciones hidrométricas, estructuras hidráulicas, compuertas, vertederos, medidores Parshall, reglas y otras, manuales o equipadas con telemetría. La operación, mantención y evaluación de las redes hidrométricas son muy importantes, puesto que permiten contar con información de buena calidad en cada punto de control, en canales principales y derivados. También permiten hacer el seguimiento en el tiempo de distribución del agua, ya sea para

Instituto de Investigaciones Agropecuarias INIA / MINISTERIO DE AGRICULTURA 7

cobranza, análisis de eficiencia de conducción o actualización de la base de datos de los regantes. Para asegurar el correcto funcionamiento del sistema hidrométrico, se requiere programar evaluaciones periódicas del comportamiento hidráulico de las estaciones hidrométricas y calcular la diferencia con los aforos. Se acepta hasta el 5% de diferencia entre los datos obtenidos y la curva de gastos de las estructuras. Además, se debe contar con un sistema de información hidrométrica que incluye la generación, procesamiento, análisis, uso y almacenaje en archivos de la información generada en cada punto de control de la red hidrométrica. Se deben generar registros de acuerdo a los métodos de aforo aplicados y al nivel de la infraestructura: a) Obras de captación o almacenaje. b) Conducción y distribución. c) Nivel de usuario. También se debe considerar la frecuencia de la recopilación de la información de acuerdo a las necesidades, la disponibilidad de equipamiento y recursos humanos que puede ser: a) Continua. b) Semanal. c) Mensual. d) Anual.

1.2. Beneficios de la medición del agua Además del cobro justo o entrega precisa y oportuna del agua, se pueden obtener muchos dividendos de la buena selección y aplicación de los sistemas y programas de medición de agua. El buen manejo del agua requiere una medición correcta. Algunos de los beneficios de la medición de agua son: El balance correcto y los buenos registros permiten la asignación equitativa del agua entre usos competitivos, tanto intra como extra-predial.

8 BOLETÍN INIA Nº 412

Las buenas prácticas de medición de agua facilitan su distribución en forma precisa y equitativa entre zonas de riego y predios. Permite calcular las eficiencias de uso del recurso. Desde el punto de vista económico, permite una correcta facturación y cobranza. Aporta información útil para el mejor manejo del agua por parte de los regantes que reduce los impactos ambientales negativos. La instalación de estructuras de aforo en canales reduce la pérdida de tiempo en mediciones puntuales. Estas estructuras evitan aforar con frecuencia después de hacer cambio en las entregas o al hacer correcciones estacionales por cambios de sección. La implementación de métodos aforo precisos permite la evaluación de las pérdidas por infiltración en canales en tierra. Con esto se logra una mejor evaluación de alternativas para el mejoramiento de infraestructura de canales. Las buenas prácticas de aforo y manejo del agua evitan la excesiva escorrentía superficial y la percolación profunda, reduciendo el riesgo de erosión y la contaminación de las aguas subterráneas con productos químicos.

Instituto de Investigaciones Agropecuarias INIA / MINISTERIO DE AGRICULTURA 9

10 BOLETÍN INIA Nº 412

Capítulo 2

Conceptos fundamentales

Existen varios conceptos básicos que se requiere conocer para entender la dinámica de los flujos de agua y su medición.

2.1. Volumen El volumen es una propiedad física de la materia que mide el espacio que ocupa un cuerpo. En el caso del agua, que es un fluido que toma la forma del recipiente que la contiene, se puede expresar en unidades volumétricas, como litros (l) para volúmenes pequeños, metros cúbicos (m 3 ) para acumuladores o micro embalses, o millones de metros cúbicos (Hm3) si se refiere a grandes embalses.

2.2. Velocidad → La velocidad (V ) corresponde a la distancia recorrida en un tiempo determinado. Se expresa en diferentes unidades como por ejemplo kilómetros por hora (k/h) o millas por hora (mi/h) en el caso de vehículos, aviones, bicicletas o caminantes. Sin embargo para flujos de agua se prefiere metros por segundo (m/s). Notar que cada molécula de agua que pasa por una sección se mueve en una dirección, que es la misma dirección de su velocidad y que en la sección, las velocidades de las moléculas generalmente son diferentes de acuerdo a su ubicación (Figura 2.1).

Instituto de Investigaciones Agropecuarias INIA / MINISTERIO DE AGRICULTURA 11

Figura 2.1. Velocidades en la sección de flujo de un canal (izquierda) y tubería (derecha). La velocidad media se grafica con la flecha roja.

Se puede observar que existe una velocidad que representa al conjunto de las → velocidades de la sección, la velocidad media (V m ).

2.3. Caudal o gasto El caudal (Q) o gasto se define como el volumen de agua que pasa por una sección transversal al flujo por unidad de tiempo. Normalmente se expresa en litros por segundo (l/s) para tuberías y canales pequeños o en metros cúbicos por segundo (m3/s) para canales medianos y grandes. Q= Donde: Q : Caudal V : Volumen T : Tiempo

V T

Otra forma de calcular el Q si se conoce la velocidad del flujo y el área de la sección transversal al mismo es: Q = A × Vm Donde: Q : Caudal → V m : Velocidad media A : Área de la sección transversal

12 BOLETÍN INIA Nº 412

2.4. Ecuación de continuidad En términos simples la ecuación de continuidad se puede explicar viendo la Figura 2.2. El caudal que fluye por la sección 1 es el mismo que en la sección 2. Para que ello ocurra se debe cumplir que la velocidad en la sección 2 sea mayor, dado que la sección de flujo 2 es más pequeña.

Figura 2.2. Ecuación de continuidad.

Expresado matemáticamente, aplicando la ecuación del punto 2.3. se tiene: Q = A × Vm

Q1 = Q2 A1 × V1 = A2 × V2

2.5. Eficiencia El concepto de eficiencia es muy amplio y se refiere a la capacidad de hacer las cosas bien, para garantizar calidad en el producto final de cualquier tarea. En general, se puede definir la eficiencia en el uso del agua, como la relación entre el volumen de agua utilizado en un fin determinado y el volumen de una

Instituto de Investigaciones Agropecuarias INIA / MINISTERIO DE AGRICULTURA 13

fuente de abastecimiento destinado para ese mismo fin, asumiendo que podría perderse agua. Matemáticamente se puede expresar como: Ef =

Vu 100 × Vd

Donde: Ef : Eficiencia (%) Vu : Volumen utilizado Vd : Volumen destinado 100 : Para expresar en porcentaje En el ámbito de la agricultura y los recursos hídricos existen aplicaciones de este concepto, tales como la eficiencia de conducción de agua y la eficiencia de aplicación del riego. En sistemas de transporte de agua en canales se entiende por eficiencia de conducción a la proporción del volumen de agua que llega a destino final en relación al volumen de agua al inicio. Ec =

Vf 100 × Vi

Donde: Ec : Eficiencia de conducción (%) Vi : Volumen al inicio, por ejemplo en bocatoma. Vf : Volumen al final, por ejemplo el agua que llega al predio 100 : Para expresar en porcentaje

2.6. Pérdidas por conducción (Pc) De la misma forma que la eficiencia de conducción indica el porcentaje del agua a que llega a destino y es útil, la fracción que no llega corresponde a las pérdidas. Matemáticamente, Pc = 100 – Ec Donde: Pc : Pérdidas por conducción (%) Ec : Eficiencia de conducción (%) 14 BOLETÍN INIA Nº 412

Las pérdidas por conducción en los canales de riego se producen por: a) infiltración por paredes y fondo, b) evaporación desde la superficie, c) fugas en las estructuras, y d) por mal manejo del agua en la red de distribución. Se han medido las pérdidas por filtración en canales de riego en la zona centro sur de Chile, obteniéndose valores hasta 20% en tramos de 500 m a 4 km. Se estima que considerando los cuatro tipos de pérdidas por conducción, en promedio los sistemas de conducción del país pierden un 20 a 30% del agua o dicho de otra forma, presentan una eficiencia de conducción de 70 a 80%. Parte del agua perdida por los canales puede ser reutilizada aguas abajo dependiendo de las características de cada zona. Otro ejemplo de aplicación en agricultura es la eficiencia de aplicación del riego, que corresponde a la relación entre el volumen de agua útil que queda disponible para la planta en la zona de raíces y el volumen de agua aplicado como riego. Matemáticamente se define como: Ea = Vu × 100 Vr

Donde: Ea : Eficiencia de aplicación del agua de riego (%) Vu : Volumen útil en la zona de raíces. Vr : Volumen de riego aplicado 100 : Para expresar en porcentaje

2.7. Calidad de las mediciones La acción de medir el caudal que lleva un río, canal o una tubería se denomina aforo y existen diversos métodos para realizarlo dependiendo de las características del flujo. Es importante tener en consideración que las mediciones están sujetas a errores, los cuales queremos minimizar mediante el uso correcto y la adecuada selección de las técnicas de aforo. No obstante lo anterior, siempre habrá incertidumbre en los valores obtenidos. El error, por definición, es la diferencia entre el valor medido y el valor verdadero. Los errores en las mediciones no se pueden negar, sin embargo se debe considerar que existe una relación directa entre el esfuerzo para medir

Instituto de Investigaciones Agropecuarias INIA / MINISTERIO DE AGRICULTURA 15

y la exactitud lograda. Un esfuerzo adicional para conseguir una reducción del error una vez que se ha conseguido una exactitud adecuada para los objetivos trazados es innecesario. Lo lógico es tratar de tener en cuenta los errores cometidos al momento de analizar la información y no pedir a los resultados una precisión mayor de la que realmente pueden ofrecer. En el párrafo anterior aparecen dos términos que deben ser descritos en más detalle: exactitud y precisión, que en el día a día a veces se usan como sinónimos, pero en ciencia o en mediciones son cosas totalmente diferentes. La Exactitud refleja cuán cerca del valor verdadero está el valor medido. Por otra parte, la Precisión tiene que ver con qué tan cercanos están los valores medidos entre ellos. Supongamos que lanzamos flechas a un blanco, cuyo centro representa el valor verdadero (Figura 2.3.). Lo que deseamos es que las flechas caigan lo más cerca posible del centro. Pero también queremos que los tiros sucesivos sean similares entre sí, para que los errores de medición sean pequeños. En este ejemplo, si los valores que medimos difieren muy poco entre sí, estamos midiendo con precisión, pero nada indica sobre la cercanía al valor verdadero. Esto refleja cuán reproducible o cuán repetible es una medición. Por otro lado, si los valores medidos se acercan al valor verdadero, diremos que la medición es exacta. En la Figura 2.3. se aprecian las cuatro combinaciones de exactitud y precisión.

Figura 2.3. Combinaciones de precisión y exactitud.

16 BOLETÍN INIA Nº 412

Capítulo 3

Conceptos básicos de hidráulica de canales abiertos Los canales son elementos que transportan agua abiertos en superficie, sin presión, es decir en contacto continuo con la atmósfera. La hidráulica de estas obras se determina por el movimiento del agua que ocurre gracias a su propio peso, sin consumo de energía y aprovechando la fuerza de la gravedad, y las características geométricas del mismo. En el caso de canales naturales es posible asociar su forma a un canal artificial regular para aplicar ecuaciones hidráulicas.

3.1. Geometría de los canales abiertos Para comprender mejor los canales se debe conocer su geometría, es decir, sus partes y la nomenclatura usada (Figura 3.1.).

Figura 3.1. Geometría y partes de un canal.

Instituto de Investigaciones Agropecuarias INIA / MINISTERIO DE AGRICULTURA 17

3.2. Definiciones Tirante hidráulico o profundidad de flujo (Y). Es la distancia vertical desde el punto más bajo de una sección del canal hasta la superficie libre, es decir, la profundidad máxima del agua en el canal. Espejo de agua o Ancho superficial (T). Es el ancho de la superficie libre del agua. Talud (Z). Medida de la inclinación de la pared lateral. Z es el valor de la proyección horizontal cuando la vertical es 1. Por ejemplo, si un canal tiene talud 2:1, significa que la proyección horizontal de la pared lateral es 2 veces mayor que la proyección vertical que es 1, por lo tanto el Z = 2. Depende del tipo de material en que se construya el canal, a fin de evitar su destrucción (Cuadro 3.3.). Coeficiente de rugosidad (n). Depende del tipo de material en que se aloje el canal o su revestimiento (Cuadro 3.1.). Pendiente (i). Es la pendiente longitudinal de la rasante de fondo del canal. Área hidráulica (A). Es la superficie de una sección transversal del canal. Perímetro mojado (P). Es la longitud de la línea de contorno del área mojada entre el agua y las paredes y fondo del canal. Radio hidráulico (Rh). Es el cociente del área hidráulica y el perímetro mojado. Rh =

A P

Tirante medio (Ym). Es el área hidráulica dividida por el ancho de la superficie libre del agua. A Ym = T Revancha (R). Es la distancia vertical que hay desde la superficie libre del agua hasta el nivel del borde superior de la pared del canal.

18 BOLETÍN INIA Nº 412

Gasto o Caudal (Q). Es el volumen de agua que pasa en la sección transversal en la unidad de tiempo. Generalmente se mide en litros por segundo (l/s) o metros cúbicos por segundo (m3/s), para canales pequeños o grandes, respectivamente. Velocidad media (Vm). Es la distancia que fluye el agua en el canal por unidad de tiempo en promedio, ya que la velocidad de flujo varía en distintos puntos del área hidráulica. Secciones. Existen diversos tipos de secciones de los canales, como triangular, trapezoidal, rectangular, circular (tubería no llena) (Figura 3.2.) o irregular como es el caso de un cauce natural.

Figura 3.2. Secciones de canales (Fuente: Hcanales).

3.3. Flujo en canales abiertos En canales abiertos el flujo es causado por la fuerza de gravedad que actúa sobre el líquido. A medida que el flujo se mueve aguas abajo se produce una progresiva caída o disminución de la elevación de la superficie de agua.

Instituto de Investigaciones Agropecuarias INIA / MINISTERIO DE AGRICULTURA 19

3.3.1. Ecuación de Manning El agua se mueve desde un punto de mayor nivel de energía (más alto) hacia uno de menor energía. Los factores que determinan el caudal están dados por la geometría de la sección de escurrimiento del canal, la pendiente y la rugosidad de las paredes y fondo. La expresión más común que relaciona estas variables para calcular el caudal es la ecuación de Manning: Q=

i × A × Rh⅔ n

Donde: Q : Caudal (m3/s). i : Pendiente del canal (m/m). A : Área de la sección de escurrimiento (m2). Rh : Radio hidráulico de la sección de escurrimiento (m). n : Coeficiente de rugosidad de Manning. Las paredes y fondo del canal pueden ser de distintos materiales, lo que junto al estado de mantenimiento de las mismas determina el coeficiente de rugosidad de Manning, relacionado a la mayor o menor dificultad para el escurrimiento del agua. Para definir los valores de dicho coeficiente se puede utilizar el Cuadro 3.1. Cuadro 3.1. Coeficientes de rugosidad de Manning. Canal

20 BOLETÍN INIA Nº 412

Coeficiente Manning (n)

Sin revestir: Excavado en tierra En roca lisa Lecho pedregoso Roca con salientes

0,022 – 0,030 0,030 – 0,040 0,030 – 0,040 0,035 – 0,050

Revestidos: Revestido en hormigón Suelo – cemento Hormigón proyectado Hormigón prefabricado Ladrillos Mampostería piedras Membrana descubierta Membrana cubierta Asfalto Metal (Acero liso) Metal (Acero corrugado) Madera

0,013 – 0,016 0,013 – 0,016 0,013 – 0,016 0,013 – 0,020 0,013 – 0,018 0,018 – 0,025 0,010 – 0,020 0,015 – 0,025 0,013 – 0,018 0,010 – 0,016 0,020 – 0,030 0,010 – 0,015

3.3.2. Recomendaciones técnicas El tipo de suelo donde se emplaza el canal, o bien el tipo de revestimiento, definen ciertas restricciones a la velocidad del flujo del agua, de forma que no produzca erosión de las paredes ni del fondo, con la consiguiente destrucción de ellas. Las velocidades máximas aceptables de acuerdo al tipo de suelo y revestimiento se indican en el Cuadro 3.2. Cuadro 3.2. Velocidades máximas aceptables en canales. Canal tipo

Velocidad (m/s)

Canales sin revestir Roca Sana Arcillas Conglomerado Firme Trumaos Toscas Arena Ripio conglomerados Limos

4,5 1,0 2,5 0,7 2,5 0,5 2,0 0,4

Canales revestidos Homigón Suelo Cemento

4,0 3,5

Si el agua presenta arrastre de sólidos la velocidad mínima deberá ser un 60% de la indicada en el Cuadro 3.2. para evitar la sedimentación en el canal. El tipo de suelo también impone restricciones a la forma del canal, siendo los taludes máximos de las paredes del canal las indicadas en el Cuadro 3.3. Cuadro 3.3. Taludes máximos aceptables en canales. Talud (H/V)

Material Roca Toscas Arcillas Trumaos Arena Limos

1:2 3:4 1:1 1.5:1 2:1 2.5:1

Instituto de Investigaciones Agropecuarias INIA / MINISTERIO DE AGRICULTURA 21

Además de lo antes mencionado, los canales deben contar con una revancha o borde libre del orden de 20 a 50 cm (Cuadro 3.4.). Cuadro 3.4. Recomendaciones técnicas para la revancha de canales. Tamaño Canal

Caudal 3

Q 1 Flujo súper crítico o régimen de torrente (el agua escurre más rápido que una onda) Fr < 1 Flujo sub crítico o régimen de río (la onda es más rápida que el agua) Fr = 1 Régimen crítico Las ecuaciones que relacionan la altura del escurrimiento y el caudal en canales abiertos, que permiten calcular el flujo a partir de mediciones de altura, son mejores cuando el flujo pasa a través de la profundidad crítica, mejorando la exactitud. Así, el caudal puede medirse utilizando un punto de

Instituto de Investigaciones Agropecuarias INIA / MINISTERIO DE AGRICULTURA 31

medición de altura aguas arriba. Esto se aplica en vertederos y canoas, donde gracias a una barrera o angostamiento, respectivamente, se logra una altura de escurrimiento única para cada descarga, simplificando la calibración. Esta condición se denomina flujo libre. Por otra parte, la medición de agua en canal abierto requiere generalmente que el F sea menor a 0,5 para evitar la acción de las olas que dificultan una lectura exacta de la altura.

32 BOLETÍN INIA Nº 412

Capítulo 5

Métodos para medir caudal en canales 5.1. Aspectos generales Existen diversas opciones para medir el caudal en canales abiertos, cuya selección depende de la magnitud del flujo, tamaño del canal o curso de agua, rugosidad del lecho, nivel de turbulencia, recursos disponibles, capacidad técnica de los operadores, requerimientos de datos de los usuarios como frecuencia de medición, precisión y exactitud demandada. Dentro de las características del flujo se pueden mencionar los tipos de flujo descritos en capítulos anteriores, la turbidez y el contenido de sedimentos. Por ejemplo, si se va a medir un estero que presenta mucho sedimento, con una estructura, esta debería ser auto limpiante. Distintos usuarios tienen diferentes necesidades. Un agricultor puede necesitar una medición puntual para un canal que constantemente lleva el mismo caudal, así podría usar un equipo manual. Por el contrario, una mini central hidroeléctrica probablemente solicitará datos de flujo con una frecuencia horaria o cada algunos minutos, por lo que se podría considerar la construcción de un aforador dotado de sensores, datalogger y un sistema de transmisión remota. Los principios básicos aplicados en la medición de agua superficial se basan en las relaciones entre la altura del escurrimiento y el caudal, o en mediciones de velocidad del agua. La mayoría de los dispositivos miden el flujo indirectamente y son comúnmente clasificados en los que miden la velocidad (V) y los que miden la altura de la carga de agua (H) o la presión (P). Una vez medidos estos valores se utilizan gráficos, tablas o ecuaciones para obtener el caudal (Q).

Instituto de Investigaciones Agropecuarias INIA / MINISTERIO DE AGRICULTURA 33

5.2. Clasificación de los métodos para medir caudal en canales Los métodos para medir caudales se pueden clasificar en dos grandes categorías: a) Métodos directos. b) Métodos indirectos. Los métodos directos de aforos de agua más conocidos son los siguientes: Método volumétrico Método gravimétrico Método químico o dilución con trazadores Los métodos indirectos más comunes son: Área – Velocidad Método del flotador Simple Doble Bastones Molinete De eje vertical o cazoletas De eje horizontal o de hélice Tubo de Pitot Medidores acústicos Relación escala-gasto Basados en contracciones Estructuras hidráulicas Calibración de compuertas Orificios

5.3. Principios y equipos para medir caudal en canales La carga o altura H comúnmente se utiliza en los medidores de canal abierto como canoas, vertederos, orificios, compuertas, etc. Los dispositivos que utilizan la medición de la altura (H) pueden ser desde una regla limnimétrica hasta sensores automáticos de presión o altura de agua. Esta altura H permite estimar el caudal mediante ecuaciones.

34 BOLETÍN INIA Nº 412

Otros métodos de medición como el del flotador, molinetes, medidores acústicos, tubos de Pitot, etc., basan la estimación del caudal en la medición de la velocidad del agua (V). Estos dispositivos generalmente miden velocidades en algún punto de la sección de flujo, como por ejemplo, el método del flotador que cuantifica la velocidad en la superficie del agua o al usar molinete se miden varios puntos estandarizados en la sección. Se debe conocer la relación entre velocidades en los puntos de muestreo y la velocidad media ( Vm ), además del área de la sección de flujo (A) donde se está midiendo. Así, el caudal (Q) se calcula como: Q = A × Vm Donde: Q : Caudal (m3/s) Vm : Velocidad media (m/s) A : Área de la sección transversal (m2) Los Tubos de Pitot miden la altura de velocidad y a partir de ella se obtiene la velocidad de flujo en uno o más puntos, la que se relaciona al caudal (Q). La ecuación utilizada es: 2

Hv =

V 2×g

Donde: Hv : Altura de velocidad (m) V : Velocidad (m/s) g : Aceleración de gravedad (9,8 m/s2) Otras formas de medición son mediante la dilución en la concentración de marcadores, tales como sales y colorantes. En el método de dilución, el caudal (Q) se calcula determinando la cantidad de agua necesaria para diluir una cantidad conocida de solución concentrada de la sustancia o tinte. Comparaciones del color o análisis químico se utilizan para determinar el grado de dilución de las muestras inyectadas o mixtas.

Instituto de Investigaciones Agropecuarias INIA / MINISTERIO DE AGRICULTURA 35

36 BOLETÍN INIA Nº 412

Capítulo 6

Métodos directos de medición de caudal Como su nombre lo indica, estos métodos miden o calculan directamente el caudal, sin cuantificar previamente otros parámetros y obtenerlo a través de ellos. Los principales métodos directos corresponden a: Método volumétrico Método gravimétrico Método químico o dilución con trazadores

6.1. Método volumétrico Es aplicable en la medición de pequeños caudales y se realiza midiendo el tiempo de llenado (t) de un recipiente de volumen conocido (V), donde se colecta la descarga, como se muestra en la Figura 6.1., determinando el caudal con la ecuación: Q=

v t

Donde: Q = Caudal o gasto. v = Volumen. t = Tiempo de llenado del recipiente.

Figura 6.1. Aforo volumétrico.

Instituto de Investigaciones Agropecuarias INIA / MINISTERIO DE AGRICULTURA 37

Su aplicación es común en aforo de vertientes, equipos de riego, caudal de bombas, etc.

6.2. Método gravimétrico Se sigue un procedimiento similar al método volumétrico, pero el agua colectada en el intervalo de tiempo cronometrado se pesa y el peso (w) de agua se transforma a volumen, dividiéndolo por el peso específico del fluido a temperatura de prueba. En general, bajo las condiciones de trabajo normales se puede decir que el peso específico del agua es 1 g/cc. En otros líquidos, cuyas densidades difieren de 1 g/cc, los valores de volumen y peso son distintos, sin embargo para el caso del agua todo se simplifica por tener densidad unitaria. El recipiente vacío debe ser previamente pesado y una vez lleno, debe pesarse en la misma balanza. El peso del agua contenido se obtiene descontando el peso del recipiente vacío al peso del recipiente con agua. Mediante el método gravimétrico, el caudal aforado se determina como: Peso específico del fluido,

γ=

Peso del agua W = Volumen ocupado v

de donde, v=

W

γ

y por lo tanto el caudal queda definido por: Q=

W

γ×t

Así, Q=

(Peso del agua + Peso del recipiente) – Peso del recipiente

38 BOLETÍN INIA Nº 412

Peso específico × Tiempo de llenado

El método gravimétrico no es de uso tan común en situaciones de campo cuando los caudales no son pequeños. A nivel de mediciones de pequeño volumen o en laboratorio si es muy aplicado.

6.3. Método químico o dilución con trazadores Este método se basa en la Ley de Lavoisier o ley de la conservación de la masa que dice “La masa no se crea ni se destruye, sólo se transforma”. Esto significa que si se aplica un producto químico al flujo, la masa total de éste debería mantenerse y su concentración debería cambiar dependiendo del caudal en el que se diluya. El aforo mediante el método químico o de dilución consiste en aplicar una solución de trazador de concentración conocida, que se diluirá en el río o canal por efecto de la corriente. La relación entre el caudal y la concentración de la solución inyectada y la determinación de la concentración resultante de la dilución en la corriente en el sitio de medición permite conocer el caudal. La precisión del método depende de qué tan uniforme sea la dilución del trazador en la sección transversal del flujo antes de llegar al punto de muestreo y de que la masa de trazador se mantenga constante en el curso del río o canal. Para que la cantidad de trazador se mantenga constante los materiales, sedimentos, plantas u organismos presentes en el lecho del río o canal no deben absorberlo, ni tampoco puede ser descompuesto por el agua. Para asegurar que no exista cambio en la cantidad de trazador a lo largo del flujo se recomienda determinar la concentración en la sección de muestreo y al menos, en otra sección transversal situada aguas abajo. La uniformidad de la dilución del trazador en la sección de flujo ocurre a cierta distancia aguas abajo del punto de aplicación. Para que se cumpla esta condición fundamental, la selección de los puntos para la medición del caudal mediante el método por dilución debe asegurar que se produzca una mezcla homogénea del trazador con el agua en un tramo de la mínima longitud posible. La mezcla es favorecida por la mayor rugosidad de las paredes del canal o río y por la presencia de cambios de sección, caídas de agua y obras de arte que aumenten la turbulencia.

Instituto de Investigaciones Agropecuarias INIA / MINISTERIO DE AGRICULTURA 39

La distancia recomendada que asegura una dilución uniforme puede ser estimada mediante la siguiente ecuación: L = 0,13 c

(0,7 c + 6) b2 Hm g

L = Distancia recomendada (m) b = Ancho medio del río o canal (m) Hm = Profundidad media del flujo (m) c = Coeficiente de Chezy para el tramo (15 < c < 50) g = Aceleración de la gravedad (9,8 m/s). Valores del Coeficiente de Chezy (c) se presentan en el Cuadro 6.1. Cuadro 6.1. Valores del Coeficiente de Chezy (c) según Radio Hidráulico del canal o río. Radio Hidráulico Característica canal

0.1 0.2 0.3 0.5 0.75

1

1.25 1.5

2

2.5

3

4

Canal en tierra, bueno 15 20 23 27 31 34 37 39 42 44 46 49 Canal en tierra, normales 16 20 23 26 28 30 33 35 37 40 Canal en tierra, rugoso 16 19 21 23 24 27 29 31 34

El método de dilución de trazadores se recomienda sólo en aquellas condiciones de flujo que presentan dificultades para la aplicación de los métodos de área-velocidad o medición con estructuras hidráulicas. El uso de este método se recomienda en casos de: Corrientes muy anchas. Corrientes de poca profundidad. Ríos torrenciales. Alta pendiente. Lechos inestables. Líneas de flujo desordenadas en las secciones de aforo. Es importante señalar que para el método de la dilución no se requiere conocer el área de la sección de flujo, lo que explica su utilidad en el caso de corrientes anchas, lechos inestables, etc.

40 BOLETÍN INIA Nº 412

6.3.1. Tipos de trazadores y sus requerimientos Un trazador es una sustancia que al ser incorporada a un proceso físico o químico permite estudiar su comportamiento y evolución. Los trazadores empleados pueden ser sólidos en suspensión, químicos disueltos en el medio bajo estudio, colorantes y elementos radioactivos. Los requerimientos básicos para que un trazador funcione correctamente son: Su comportamiento debe ser idéntico al del medio a medir: en el caso del agua, debe desplazarse a igual velocidad, no debe efectuar intercambio iónico y no debe sufrir absorción química ni física, no debe alterar las propiedades del agua, como temperatura, densidad y viscosidad. No debe descomponerse ni ser absorbido ni adsorbido por plantas, fauna ni sedimentos. El trazador no debe estar presente en el medio en cantidades apreciables. En caso de existir el trazador en el medio a medir, su concentración natural no debe variar durante el aforo. Se recomienda que el trazador sea altamente soluble en agua y no precipite. Debe ser factible la medición in-situ del trazador idealmente en bajas concentraciones. No debe contaminar el medio ambiente ni afectar la flora y fauna local en el grado de concentración manejado. Bajo costo. Los trazadores pueden ser de tres tipos: 1) Químicos Cloruro de Sodio. Es la sustancia trazadora más económica, más conocida como sal común. Si es inyectado instantáneamente en la corriente, no se

Instituto de Investigaciones Agropecuarias INIA / MINISTERIO DE AGRICULTURA 41

requiere gran cantidad y su detección mediante conductividad es simple. Su grado de disolución es de 360 gramos por litro. Dicromato de sodio. De extensivo uso como trazador en el método de aforo gracias a su alta solubilidad (600 gramos por litro). Satisface la mayor parte de las condiciones antes descritas. Mediante análisis colorimétrico es posible medir concentraciones muy reducidas de dicromato de sodio. 2) Fluorescentes Rodamina. Sus características de absorción son mucho mejores que las de otras tintas, pese a que su costo no es el más bajo, las concentraciones usadas son mínimas. Pueden ser medidas mediante fluorímetros que detectan concentraciones muy bajas. 3) Materiales radioactivos Los más usados son el yodo 131, bromo 82 y sodio 24. Las concentraciones de estos elementos son del orden de 10-9 y pueden determinarse con exactitud con una sonda detectora. Aunque los elementos radioactivos constituyen trazadores ideales para el método de dilución, no son los preferidos por el posible peligro para la salud.

6.3.2. Formas de implementación del método químico De acuerdo a cómo se aplique el trazador, existen dos formas principales de medición del caudal mediante el método químico: Inyección del trazador en forma instantánea. Inyección del trazador en forma constante. 1- Inyección instantánea del trazador Este método también es conocido como Método de la Integración. En una sección 1 (S1) localizada aguas arriba en un tramo de un río o canal se aplica un pequeño volumen de trazador (V1) en alta concentración (C1). Si en

42 BOLETÍN INIA Nº 412

el río o canal existiera una concentración base del trazador (C o), el perfil de concentraciones en el tiempo sería el presentado en la Figura 6.2.

Figura 6.2. Perfil de concentración de trazador en el rio o canal.

Por la ecuación de continuidad se tiene que: V1 × C1 =

∫

t2 t1

Q × C2 dt –

∫

t2 t1

Q × Co dt

Donde: Q : Caudal que se desea conocer. C1 : Concentración del trazador aplicado. V1 : Volumen del trazador aplicado. C2 : Función que define la concentración del trazador, en el punto de control en función de t. Co : Concentración encontrada en el rio o canal antes de la dosificación. Resolviendo la ecuación para Q, se tiene: Q=

V1 × C1

∫

t2 t1

(C2 – Co) dt

Ejemplo: Se desea medir el caudal de un pequeño canal, siendo adecuado el uso de cloruro de sodio (NaCl). Se aplicaron 3 litros de solución 1M de NaCl (equivalente a 58.43g/L de NaCl) y se midió a 15 m de distancia de la aplicación.

Instituto de Investigaciones Agropecuarias INIA / MINISTERIO DE AGRICULTURA 43

Con una sonda multiparámetro se midió cada 30 s la concentración de cloruro (C2) 15 m aguas abajo del punto de aplicación. Los resultados obtenidos y cálculos se presentan en el Cuadro 6.2. Se puede apreciar la variación de la concentración de cloruro (C2) y que existía un nivel basal (Co) de 9 mg/l en el agua del canal. En la columna (C2 – Co) se descontó el nivel basal (Co) a la concentración medida (C2). El volumen aplicado (V1) fue de 3 l mientras la concentración del trazador cloruro (C1) corresponde a 1 M de Cl-, es decir, 35450 mg/l. Esto es debido a que el peso atómico del cloro es 35,45 g/mol. Se debe notar que si bien aplicación NaCl, el trazador útil es el cloruro. Cuadro 6.2. Cálculos y resultados para estimación de caudal por inyección instantánea de trazador. T (s) 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600

∆t (s) 0 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 Sumatoria

44 BOLETÍN INIA Nº 412

C2 (mg/l)

C2 - Co (mg/l)

9,0 0 9,0 0 9,0 0 18,0 9 42,0 33 62,0 53 56,0 47 41,9 33 37,0 28 32,0 23 27,0 18 22,0 13 19,0 10 15,0 6 12,0 3 11,0 2 10,0 1 9,0 0 9,0 0 9,0 0 9,0 0

C2 × ∆t (mg s/l) 0 270 270 540 1260 1860 1680 1258 1110 960 810 660 570 450 360 330 300 270 270 270 270 13768

(C2 - Co) × ∆t (mg s/l) 0 0 0 270 990 1590 1410 988 840 690 540 390 300 180 90 60 30 0 0 0 0 8368

También es posibles expresar gráficamente la situación según Figura 6.3.

Figura 6.3. Gráfico de cambio de concentración de cloruro en el tiempo.

Resolviendo la ecuación: Q=

V1 × C1

∫

t2 t1

(C2 – Co) × ∆t

Q : Caudal que se desea conocer C1 : 35450 mg/l V1 : 3 l Σ (C2-Co) × ∆t : 8368 s mg/l Q = 12,7 l/s

2- Inyección de trazador a caudal constante Se añade un flujo continuo y constante (q) de una solución de trazador de concentración conocida (C1) a un río o canal cuyo caudal (Q) se desea medir (Figura 6.4.).

Instituto de Investigaciones Agropecuarias INIA / MINISTERIO DE AGRICULTURA 45

Figura 6.4. Inyección a caudal constante.

Por la balance de masa del agua y del trazador, cuando un caudal constante (q) de una solución con una concentración de trazador (C1) es descargada a un río o canal de caudal (Q), conteniendo las mismas constituyentes a la concentración (C2), la mezcla resultante de caudales (Q+q) alcanzará una concentración (C) proporcional a las concentraciones iniciales (C1 y C2) de los caudales antes del mezclado, como lo indica la siguiente expresión: q × C1 + Q × C2 = (Q + q) × C q × (C1 – C) = Q × (C – C2), siendo C1 > C > C2 De donde se obtiene, Q=

q × (C1 – C) C – C2

Donde: Q : caudal aforado en l/s o m3/s. q : Caudal del trazador o de la solución salina aplicada, en l/s o m3/s. C1 : Concentración del trazador en la solución aplicada. C2 : Concentración del trazador en el canal antes de la aplicación. C : Concentración del trazador en canal después de la aplicación.

46 BOLETÍN INIA Nº 412

Ejemplo: Se requiere conocer el caudal de un canal, para lo cual se aplica un caudal constante de un trazador de 0,5 l/s a una concentración de 60 g/l. Previamente se midió la concentración del trazador en el agua del canal siendo de 0,1 mg/l. Luego de aplicar el trazador, se obtuvo una concentración constante de 10 mg/l en un punto aguas abajo, suficiente para una buena mezcla del mismo. Aplicando la ecuación: Q=

q × (C1 – C) C – C2

Con los datos: C1 : 60000 mg/l q : 0,5 l/s C2 : 0,1 mg/l C : 10 mg/l Se obtiene: Q : 3030 l/s Q : 3.0 m3/s

Instituto de Investigaciones Agropecuarias INIA / MINISTERIO DE AGRICULTURA 47

48 BOLETÍN INIA Nº 412

Capítulo 7

Métodos indirectos mediante relaciones área-velocidad La medición del caudal o gasto de agua que pasa por la sección transversal de un conducto (río, estero, canal, tubería), se conoce como aforo o medición de caudales. Los métodos indirectos se basan en la estimación del caudal a partir de otro parámetro que se pueda medir con mayor facilidad. Dado que el caudal depende directamente del área de la sección transversal a la corriente y de la velocidad media del agua, existe un grupo de métodos indirectos que se sustentan en relaciones de área y velocidad, de acuerdo a la ecuación antes descrita: Q = A × Vm Donde: Q : Caudal Vm : Velocidad media A : Área de la sección transversal

7.1. Clasificación de los métodos indirectos de relaciones área-velocidad Como se mencionó previamente, la clasificación de estos métodos depende de la forma de medir la velocidad: Método del flotador Simple Doble Bastones Molinete De eje vertical o cazoletas De eje horizontal o de hélice Tubo de Pitot

Instituto de Investigaciones Agropecuarias INIA / MINISTERIO DE AGRICULTURA 49

7.2. Método del flotador El Método del Flotador se utiliza en canales y acequias y entrega aproximación de los caudales en forma práctica y sencilla, sin requerir la construcción de estructuras especiales. Su costo es bajo y en condiciones de flujo adecuadas entrega resultados aceptables, no así en corrientes turbulentas. Su uso es limitado debido a que los valores que se obtienen son estimativos del caudal, siendo necesario el uso de otros métodos cuando se requiere una mayor precisión, sin embargo a nivel de regantes que no cuentan con equipamiento, es útil. Procedimiento: Se elige un tramo del cauce recto, de sección uniforme y libre de obstáculos. Sobre él se marcan dos puntos separados 10 por metros. En los puntos elegidos colocar, transversalmente una cuerda o varilla que sirva de referencia para medir el tiempo que un flotador demora en recorrer esa distancia (Figura 7.1.). Colocar el flotador sobre la superficie del agua, en el eje del cauce, algunos metros aguas arriba de la primera referencia. Puede ser una pelota de tenis de mesa o un corcho. Iniciar el conteo del tiempo cuando el flotador pase por la primera referencia. Detener el conteo del tiempo cuando el flotador pase por la segunda referencia.

Figura 7.1. Medición de caudal mediante el método del flotador. Fuente: Maldonado, 2001.

50 BOLETÍN INIA Nº 412

Se recomienda realizar varias mediciones para obtener una buena aproximación de la velocidad. La velocidad de circulación del agua se calcula mediante la división entre la distancia recorrida por el flotador y el tiempo empleado en hacerlo. Por otra parte se debe medir la sección del canal. Se recomienda realizar varios cálculos de la sección del canal, en distintos puntos para así lograr un promedio representativo del canal. Cuando se mide la velocidad superficial esta se debe multiplicar por un factor de 0,8 para obtener una aproximación de la velocidad promedio. Si se trata de canales pequeños o acequias de tierra el factor puede ser menor, con un valor mínimo de 0,6. Q = 0,8 × A × Vf Donde: Q : Caudal Vf : Velocidad del flotador A : Área de la sección transversal Generalmente el caudal Q se expresa en litros por segundo (l/s) o en metros cúbicos por segundo m3/s. En la ecuación las unidades deben ser consistentes. Si Q se expresa en m3/s, A se expresa en m2 y V en m/s. Es fácil convertir m3/s a L/s, sabiendo que 1 m3 equivale a 1000 litros. Ejemplo:

Distancia recorrida Tiempo Velocidad de flotador Área de la sección Caudal circulante

: 10 metros. : 20 segundos : 10/20 = 0,5 (m/s) : 0,732 (m2) : 0,5 × 0,8 (m/s) × 0,732 (m2) = 0,293 (m3/s) = 293 (l/s)

Instituto de Investigaciones Agropecuarias INIA / MINISTERIO DE AGRICULTURA 51

Tipo de flotadores Los flotadores consisten en objetos flotantes que adquieren la velocidad del agua que los circunda. Pueden ser de tres tipos: a) Simples o de superficie: El inconveniente presentado por este flotador único es que recibe influencia del viento, corrientes secundarias y olas, afectando la medición. b) Dobles o subsuperficiales: Un pequeño flotador de superficie va unido por una cuerda a un cuerpo sumergido a la profundidad deseada. El volumen del primero es menor que el segundo. En estas condiciones, manteniéndose el cuerpo sumergido cerca de seis décimos de la profundidad, se determina la velocidad media. c) Bastones flotadores o flotadores lastrados: Son tubos metálicos huecos o de madera, que tienen en la parte inferior un lastre de plomo para que flote en una posición próxima a la vertical. Un ejemplo de flotador fácil de construir es usar dos corchos lastrados con un tornillo (Figura 7.2.). Se le agrega un peso para que no flote totalmente. El tamaño de este aparato debe ser alrededor de 7 cm, quedando no más del 20% sobre la superficie para evitar efectos del viento.

Figura 7.2. Flotador de corcho lastrado.

52 BOLETÍN INIA Nº 412

7.3. Método del molinete Como se mencionó en el punto anterior, la obtención del caudal mediante el método del flotador entrega una estimación grosera del mismo, principalmente debido al problema que implica medir la velocidad media (Vm ) en los canales o causes, si la velocidad (V) varía en los diferentes puntos al interior de una masa de agua (Figura 7.3.).

Figura 7.3. Variación de la velocidad en una corriente.

Por ello existen otros métodos basados en equipos capaces de medir el caudal con menor error, en distintos puntos de la sección de flujo, basados en el mismo principio de: Q = A × Vm Donde: Q : Caudal Vm : Velocidad media A : Área de la sección transversal Es el caso de los molinetes hidráulicos, que son aparatos que miden la velocidad en un punto dado de la sección del canal. En la Figura 7.4. se muestran molinetes de eje horizontal y vertical. La velocidad medida por el molinete tiene directa relación con el número de vueltas por segundo que realiza la hélice o cazoleta, del molinete horizontal o vertical, respectivamente. Cada molinete tiene asociada una curva de calibración que permite relacionar la velocidad con respecto al número de vueltas por segundo de la hélice o cazoleta. Esta curva de calibración es única para cada aparato y cada hélice o cazoleta. Actualmente existen molinetes digitales que entregan de forma directa la velocidad en el punto de medición, sin tener que contabilizar el número de vueltas.

Instituto de Investigaciones Agropecuarias INIA / MINISTERIO DE AGRICULTURA 53

Figura 7.4. Molinete de eje horizontal (izquierda) y vertical (derecha).

Para determinar la velocidad en el punto donde se toma la medida, se debe conocer la curva de calibración, salvo que sea del tipo digital y entregue el valor de la velocidad en forma directa. La relación que permite calcular la velocidad a partir del número de vueltas por segundo de la hélice o cazoleta tiene una forma como la señalada a continuación y es entregada por el proveedor del molinete. v=j×n+k Donde:

v : Velocidad del flujo (m/s) n : Número de vueltas por segundo de la hélice o cazoleta. j y k : Parámetros adimensionales que dependen del molinete.

7.3.1. Requerimientos del lugar de medición o aforo La sección transversal debe estar bien definida y, en lo posible, no presentar agradación o degradación del lecho. Fácil acceso. Debe estar en un sitio recto. Debe estar libre de efectos de controles aguas abajo.

54 BOLETÍN INIA Nº 412

7.3.2. Medición del área Para el aforo se recomienda un levantamiento topográfico de la sección transversal, la cual es dividida en franjas verticales de igual ancho, cuyo número depende del ancho total del canal (Figura 7.5).

Figura 7.5. Sección transversal para el método área-velocidad.

El número de franjas (n) depende del ancho del cauce o canal (T), según lo recomendado en el Cuadro 7.1. Cuadro 7.1. Valores del número de franjas (n). Ancho T (m)

n

Menos de 1m 4 1-2m 6 2-4m 10 4-8m 16 8-10m 20 Más de 10m 24

Así, el ancho de las franjas (a) se define como: a=

T n

Y el cálculo del área de cada franja vertical corresponde a: Ai = hi × a

Instituto de Investigaciones Agropecuarias INIA / MINISTERIO DE AGRICULTURA 55

Donde: Ai : Área de la sección i hi : Altura de la sección i, en el centro a : Ancho de la sub-sección o franja i T : Ancho del cauce n : Número de franjas

7.3.3. Medición de la velocidad y cálculo del caudal En cada franja vertical se miden velocidades con el molinete a 0,2h i; 0,6hi y 0,8hi, donde hi es la profundidad en el centro de cada franja vertical. Así, cada franja tiene su propia área de influencia (área sombreada en la Figura 7.5.) y también su propia velocidad. La velocidad media en cada franja vertical queda definida como: Vmi =

V0.2hi + V0.6hi + V0.8hi 3

Cuando los canales son poco profundos y no es posible medir la velocidad a las tres profundidades indicadas, se puede seguir la recomendación del Cuadro 7.2. Cuadro 7.2. Alturas para medir la velocidad según altura de la franja (hi). hi (m)

Medida de la velocidad en sub-sección

h < 0,2m 0,2 < h < 0,5m h > 0,5m

0,6 hi 0,2 hi y 0,6 hi 0,2 hi ; 0,6 hi y 0,8 hi

No se debe olvidar que estas mediciones de velocidad a diferentes alturas buscan determinar una velocidad media representativa de la franja. En la Figura 7.6. se muestra la distribución de velocidades en una vertical.

56 BOLETÍN INIA Nº 412

Figura 7.6. Velocidades en una vertical.

Estas recomendaciones de número de franjas y ancho de franjas, como las mediciones a distintas alturas son lo mínimo que se debe exigir para obtener un resultado confiable en forma práctica. Por supuesto, si aumenta el número de franjas (se reduce su ancho) los resultados serán más precisos, pero poco practicables. Una vez determinada la velocidad media de la franja (Vmi) es posible calcular el caudal de la franja (Qi) correspondiente a la respectiva área de influencia, Ai como: Qi = Ai × Vmi Donde: Qi : Caudal en la sección i Vmi : Velocidad media en la sección i Ai : Área de la franja vertical i Finalmente, sumando los Qi de todas las franjas se obtiene el caudal total, QT, definido como: n QT = Ʃ Qi i=1

Instituto de Investigaciones Agropecuarias INIA / MINISTERIO DE AGRICULTURA 57

7.3.4. Consideraciones para la medición con molinete hidráulico El molinete debe quedar completamente sumergido de forma de no incorporar distorsiones en la medida realizada. El molinete debe colocarse de forma perpendicular a la sección de aforo, paralelo al escurrimiento de forma tal que mida la velocidad en el punto. Se recomienda tomar 3 medidas o repeticiones en cada punto de medición de velocidad en la vertical y obtener un promedio de ellas. Se recomienda medir la velocidad en cada punto durante al menos 60 segundos, anotándose posteriormente el número de vueltas o la velocidad obtenida de forma directa (dependiendo del tipo de molinete).

7.3.5. Procedimiento de aforo a) Medir el ancho superficial o espejo de agua (T), tal como el mostrado en la Figura 7.7.

Figura 7.7. Franjas, ancho (a), alturas (hi), puntos de medición en una sección de aforo de un canal.

b) Dividir el ancho superficial T, en franjas de igual ancho. Según el ancho del canal (T) se determina el número de franjas verticales (n) que se utilizaran para medir la velocidad a la altura deseada (Cuadro 7.1.). En la Figura 7.7. se muestra una sección de aforo con las franjas antes mencionadas, su ancho (a), altura (hi) y los puntos de medición de velocidad con molinete según la hi.

58 BOLETÍN INIA Nº 412

c) Al realizar las mediciones de velocidad en cada franja vertical, por razones físicas, no siempre es posible medir tres puntos. Se deberá medir hi en cada franja y dependiendo de la altura de ellas se determinará cuántos puntos y donde medir siguiendo las indicaciones del Cuadro 7.2. d) Para obtener la velocidad media en cada franja (Vmi) se promedian las mediciones realizadas en la vertical respectiva. e) Para la determinación del caudal que escurre por cada franja, se debe utilizar la velocidad promedio calculada en el punto anterior (Vmi). Qi = Ai × Vmi Donde: Qi : Caudal en la sección i Vmi : Velocidad media en la sección i Ai : Área de la franja vertical i Y

Ai = hi × a

Donde: Ai : Área de la sección i hi : Altura de la sección i, en el centro a : Ancho de la sub-sección o franja i f) El caudal total (QT) del canal corresponde a la sumatoria de todos los caudales Qi de cada sub-sección o franja vertical. n

QT = Ʃ Qi i=1

g) Para llevar un orden en los cómputos y entregar una memoria de cálculo adecuada se recomienda seguir el Cuadro 7.3.

Instituto de Investigaciones Agropecuarias INIA / MINISTERIO DE AGRICULTURA 59

Cuadro 7.3. Cálculo del caudal en la sección de aforo. Franja

hi (m)

V sección (m/s) V 0.2h

V 0.6h

V 0.8h

a (m)

Vm (m/s)

Área ( hi*a) (m2)

Qi (m3/s)

1 2 3 4 5 6 7 8

7.4. Método del tubo Pitot Los tubos de Pitot fueron empleados por primera vez en el río Sena por el físico francés Henri Pitot, en 1730. Consiste en un tubo abierto en la parte delantera que se coloca con su eje central paralelo a la dirección del flujo, en contra la corriente. Es de material transparente con una extremidad doblada en dirección a la corriente del agua, como muestra la Figura 7.8. El tubo de Pitot es un medidor de flujo sencillo, económico y disponible en variados tamaños. En tuberías es uno de los más exactos. El tubo de Pitot solamente conduce a buenos resultados en el caso de corrientes de gran velocidad, siendo por ello más comúnmente empleado en tuberías.

Figura 7.8. Tubo de Pitot. PT: Presión total; PE: Presión estática.

60 BOLETÍN INIA Nº 412

En la Figura 7.8. se puede apreciar que la presión PE no recibe la fuerza del flujo, mientras la presión PT recibe las mismas fuerzas que PE pero adicionalmente la fuerza ejercida por el flujo. La diferencia entre ambas presiones permite el cálculo de la altura de velocidad (Hv). Los Tubos de Pitot miden la altura de velocidad y a partir de ella se obtiene la velocidad de flujo en uno o más puntos, la que se relaciona al caudal (Q). La ecuación utilizada es: Hv =

V2 2×g

Donde: Hv : Altura de velocidad (m) V : Velocidad (m/s) g : Aceleración de gravedad (9,8 m/s2) Una vez conocida la velocidad se calcula el caudal con la ecuación: Qi = Ai × V Donde: Qi : Caudal en la sección i V : Velocidad (m/s) Ai : Área de la franja vertical i

Instituto de Investigaciones Agropecuarias INIA / MINISTERIO DE AGRICULTURA 61

62 BOLETÍN INIA Nº 412

Capítulo 8

Métodos indirectos mediante relación escala-gasto

8.1. Métodos de relación escala-gasto Una curva de descarga es una ecuación que relaciona el caudal de un cauce natural o un canal (Q) con un nivel de referencia o altura (h), de la forma: Q = f(h)

Este método consiste en desarrollar una relación matemática aplicable a un tramo de río o canal que debe cumplir ciertas condiciones, como mantener constantes sus características hidráulicas, es decir, no debe cambiar el área de la sección transversal para un mismo gasto, ni variar los niveles por abrir y cerrar compuertas aguas abajo. En el tramo seleccionado se realizan aforos con un molinete calibrado u otro equipo, a distintas alturas de flujo, asociando a cada caudal medido una altura de escurrimiento o tirante. Los aforos deben realizarse en el rango de caudales de operación del río o del canal y en cantidad suficiente para obtener una relación escala-gasto de buena calidad. Si por razones prácticas no es posible cambiar los caudales en un momento dado, se pueden efectuar las mediciones en distintas fechas del ciclo de riego cuando se presenten diferentes alturas de escurrimiento.

Instituto de Investigaciones Agropecuarias INIA / MINISTERIO DE AGRICULTURA 63

Con los resultados de los aforos es posible obtener una curva de descarga (relación escala-gasto), mediante una ecuación empírica del tipo: Q = p × hq Donde: Q : Gasto del canal, m3/s h : Carga hidráulica, m p y q : Parámetros de la ecuación, adimensionales Los parámetros de la ecuación anterior pueden obtenerse mediante el método de regresión lineal, al considerar la siguiente transformación logarítmica de dicha ecuación: In(q) = In(p) + q × In(h) Ejemplo: Se tiene un canal de sección uniforme en un tramo no afectado por condiciones aguas arriba ni aguas abajo. Se realizaron 11 mediciones de caudal con molinete a distintas alturas de escurrimiento (hi) medidas con limnímetro. Los datos se presentan en el Cuadro 8.1. y el gráfico en la Figura 8.1. Se desarrolla el ejemplo usando el software Excel por ser de amplio uso.

Cuadro 8.1. Caudales (Qi) y alturas de escurrimiento (Hi) asociadas. hi (m)

Qi (m3/s)

0,89 1,38 0,84 1,26 0,8 1,15 0,71 0,93 0,65 0,8 0,54 0,6 0,51 0,55 0,44 0,43 0,39 0,34 0,26 0,18 0,2 0,12

64 BOLETÍN INIA Nº 412

Procedimiento: 1. Abrir una planilla Excel nueva y escribir los datos de altura y caudal. 2. Seleccionar los datos para generar un gráfico. Pinchar la pestaña “insertar” y seleccionar gráfico de dispersión. Aparecerá el gráfico de la Figura 8.1.

Figura 8.1. Generación de la curva de gasto.

3. Una vez trazado el gráfico se debe pinchar la línea con botón derecho del mouse y se desplegará el menú mostrado en la Figura 8.2. Seleccionar “agregar línea de tendencia” y aparecerá el menú de línea de tendencia mostrado en la Figura 8.3.

Instituto de Investigaciones Agropecuarias INIA / MINISTERIO DE AGRICULTURA 65

Figura 8.2. Gráfico y menú para agregar línea de tendencia.

4. Generar la ecuación de gasto que es del tipo potencial, es decir, de la forma: Q = p × hq Donde p y q son los coeficientes que buscamos para tener la ecuación. En las opciones de línea de tendencia en el menú de la Figura 8.3. se debe seleccionar Potencial, que corresponde al tipo de gráfico buscado y poner click en “presentar ecuación del gráfico” y en “Presentar el valor de R2 en el gráfico”.

66 BOLETÍN INIA Nº 412

Figura 8.3. Gráfico con su correspondiente ecuación de descarga y R2. Menú para seleccionar tipo de ecuación.

5. De esta forma se tiene una línea de tendencia y ecuación, en este caso del tipo potencial, obtenida a partir de los datos medidos. Además se obtuvo el R2 que indica la calidad de la ecuación para ajustarse a los datos, en este caso 0,99, que es casi perfecto. En otros casos podrá ser más bajo, indicando que la relación entre Q y h no es tan buena, posiblemente por tomar pocos datos o la sección de aforo no es tan regular, etc.

8.2. Uso de la ecuación de Manning El uso de la ecuación de Manning es un método aproximado e indirecto para conocer el caudal en un tramo determinado. En el punto 3.3.1. de este boletín se detallan los aspectos teóricos de dicha ecuación. Se recomienda para aquellas personas que tengan una experiencia adecuada en la determinación de un coeficiente de rugosidad para el cauce. Instituto de Investigaciones Agropecuarias INIA / MINISTERIO DE AGRICULTURA 67

La ecuación de Manning tiene la siguiente forma: Q=

i × A × Rh⅔ n

Donde: Q : Caudal (m3/s). i : Pendiente del canal (m/m). A : Área de la sección de escurrimiento (m2). Rh : Radio hidráulico de la sección de escurrimiento (m) n : Coeficiente de rugosidad de Manning. La ecuación de Manning puede ser reducida a la siguiente expresión: Q= Donde: P : Perímetro mojado (m)

i n

A/ P 5

3

Para estimar el caudal mediante la ecuación de Manning se deben realizar el siguiente procedimiento: Determinar la pendiente media del cauce (i), idealmente con un nivel u otro equipo topográfico. Determinar el área de la sección de escurrimiento (A) en varios puntos. Medir el perímetro mojado (P) para la sección control, si es posible en varios puntos. Estimar el coeficiente de rugosidad correspondiente a las condiciones de las paredes del canal (material de las paredes y vegetación). Ejemplo: Se pide estimar el caudal circulante para un canal revestido en hormigón con las siguientes condiciones: Dato

Valor

Pendiente (por topografía) Área media de escurrimiento Perímetro mojado Altura de escurrimiento Ancho basal Coeficiente de rugosidad de Manning

0,005 0,47 1,85 0,6 0,6 0,015



Unidad m/m m2 m m m Adimensional, para hormigón

Reemplazando los valores anteriores en la ecuación de Manning se estima un caudal de 0,88 m3/s. 68 BOLETÍN INIA Nº 412

Capítulo 9

Medición de flujo con vertederos Es común realizar aforos en canales utilizando estructuras especialmente diseñadas para ello. Estas estructuras de aforo producen un comportamiento de una sección hidráulica conocido y calibrado, de manera que con sólo medir la carga hidráulica (h) de operación se conoce el caudal (Q) que escurre por la sección. Así, se mide la altura y posteriormente se calcula el caudal mediante ecuaciones determinadas específicamente para cada tipo de estructura. Los vertederos son estructuras portátiles o permanentes que se colocan en un cauce o canal, en forma perpendicular al paso del agua, produciendo un cambio en el flujo que puede ser medido para calcular el caudal. Puesto que las paredes y el fondo del canal se encuentran suficientemente lejos del perímetro de la abertura del vertedero, la trayectoria de las partículas de agua converge desde todas las direcciones, siguiendo un recorrido curvilíneo hasta cruzar la abertura del vertedero. Si las distancias antes mencionadas son suficientemente grandes se producirá un estancamiento del agua antes de la barrera, reduciendo la velocidad de acercamiento a la cresta del vertedero, la cual no debería exceder 0,1 m/s. Bajo esta condición se dice que el vertedero se encuentra con contracción completa. Si no se cumple esta condición se dice que el vertedero está en contracción parcial. En general, hay dos tipos de vertederos, los de pared delgada y los de pared gruesa. Los vertederos de pared delgada se usan principalmente para determinar el caudal en una corriente pequeña y son los aplicados en mediciones de canales. Los vertederos de pared gruesa se usan principalmente para control de excedencias, pero pueden ser también calibrados y usados como estructuras de medición de caudal. Su evacuación puede ser libre o controlada.

Instituto de Investigaciones Agropecuarias INIA / MINISTERIO DE AGRICULTURA 69

9.1. Vertederos de pared delgada Los vertederos que más comúnmente se usan son los llamados de pared delgada o cresta viva, en los que se produce una caída del agua, aguas abajo del vertedero. Para que un vertedero sea de pared delgada se debe cumplir que el espesor (e) dividido por la carga de agua (H) sea menor que 0,67 (e/H St

Flujo libre. Flujo sumergido.

Cuadro 10.6. Valores de C, n y sumersión transitoria ( St ) para canoas Parshall según el ancho de garganta (W).

88 BOLETÍN INIA Nº 412

Para condiciones de flujo libre la ecuación para calcular el caudal con una canoa Parshall es: Q = C × han Donde: Q : Caudal (m3/s). ha : Profundidad de flujo aguas arriba (m). C : Coeficiente para flujo libre. (Cuadro 10.6.). Ejemplo: Canoa de ancho W = 6 pulgadas W = 15,24 cm C = 0,381 n = 1,58 Altura (ha) medida = 0,15 m De acuerdo a esta información, suponiendo que hay flujo libre, el cálculo es: Q = 0,381 × 0,151,58 = 0,019

m3 = 19 l/s s

Para condiciones de flujo sumergido se reduce el caudal conducido debido a que el alto nivel de escurrimiento aguas abajo de la canoa limita el paso del agua y su velocidad, afectando la relación altura-caudal. En condición sumergida es necesario aplicar una corrección negativa al caudal calculado con la ecuación para flujo libre considerando la altura. Así: Qs = Q - Qe Qs : Caudal en condición sumergida. Q : Caudal calculado con ecuación para flujo libre. Qe : Caudal de corrección. Para calcular la reducción del caudal de corrección (Q e) provocada por el ahogamiento en las canoas Parshall más aplicables en canales, entre 1 y 8 pies, se puede utilizar la Figura 10.3. Para ello en primer lugar se deben medir las

Instituto de Investigaciones Agropecuarias INIA / MINISTERIO DE AGRICULTURA 89

alturas ha y hb. Con estos valores se calcula el porcentaje de sumersión (S). Con ha en la ordenada (eje Y) y S en la curva se entra al gráfico de la Figura 10.3. y se obtiene Qe en la abscisa (eje X). Esto es válido para aforador W = 1 pie.

Figura 10.3. Gráfico para determinar la reducción de caudal para una canoa Parshall de 1 pie en base a la altura (ha) y el porcentaje de sumersión (S).

A partir de la reducción de caudal (Qe) obtenida de la Figura 10.3, que es para una canoa de 30,48 cm (1 pie) de ancho de garganta, se puede determinar la reducción para otros tamaños de canoas de acuerdo al valor del Factor multiplicador M del Cuadro 10.7. Cuadro 10.7. Factor M para obtener la reducción de caudal (Qe) en canoas Parshall de distinto tamaño a partir del Qe de una canoa de 1 pie.

90 BOLETÍN INIA Nº 412

Así, en forma más generalizada se puede decir: Qs = Q – M x Qe Qs : Caudal en condición sumergida. Q : Caudal calculado con ecuación para flujo libre. Qe : Caudal de corrección para canoa de 1 pie. M : Factor multiplicador.

Instituto de Investigaciones Agropecuarias INIA / MINISTERIO DE AGRICULTURA 91

92 BOLETÍN INIA Nº 412

Capítulo 11

Medición de caudal con orificios y compuertas Es común que los usuarios de canales no cuenten con estructuras de aforo; sin embargo, es fácil encontrar compuertas que pueden ser utilizadas para cuantificar el agua que está escurriendo. Las compuertas pueden ser de tipo radial o rectangular, siendo las últimas las más comunes en canales de riego, mientras las radiales están presentes en bocatomas. El uso de orificios es menos común, sin embargo en ciertas ocasiones es posible utilizarlos para aforar.

11.1. Aforo con orificios Un orificio es una abertura en la pared de un depósito o barrera de forma circular, rectangular, cuadrada u otra, por donde puede fluir el agua. Se debe cumplir que esté completamente sumergido aguas arriba, tal que la superficie del agua siempre rebase el borde superior del orificio (Figura 11.1.). Si esta condición no se cumple se comportaría como vertedero. Funcionan como orificios las compuertas, válvulas de obras de entrega u orificios propiamente tales.

Figura 11.1. Orificio en plano vertical.

Instituto de Investigaciones Agropecuarias INIA / MINISTERIO DE AGRICULTURA 93

Los orificios diseñados para la medición son una perforación de forma regular ubicada en un plano, generalmente vertical y perpendicular al flujo. El flujo en orificios se basa en principios fundamentales y puede ocurrir en forma libre o sumergida, dependiendo de la condición del fluido aguas abajo como se aprecia en la Figura 11.2. También se da el caso de orificios sumergidos parcialmente.

Figura 11.2. Orificio en flujo libre (izquierda) y sumergido (derecha). Fuente: Sotelo.

Otra clasificación de los orificios es de acuerdo a las características de la pared por donde fluye el agua, que otorga diferencias en el comportamiento hidráulico del mismo. Existen orificios de pared delgada, de pared gruesa y de tubo.

Figura 11.3. Orificios de pared delgada (izquierda), de pared gruesa (centro) y de tubo (derecha).

94 BOLETÍN INIA Nº 412

En los orificios de pared delgada el agua tiene contacto con una sola arista y llena completamente el orificio. La vena líquida sufre una contracción, que es máxima en la sección contraída. En los orificios de pared gruesa el agua tiene contacto en más de un punto. Paredes en forma abocinada permite que se forme un chorro de igual diámetro que el orificio. En los orificios de tubo el agua pasa por un tubo corto (2 ó 3 veces el diámetro) antes de salir a la superficie. Para calcular el caudal (Q) que escurre a través de un orificio se aplica una ecuación general de la forma: Q = CD × A ×

2×g×H

Donde: CD : Coeficiente de descarga A : Área del orificio g : Aceleración de gravedad (9,81 m/s2) H : Carga hidráulica El coeficiente de descarga (CD) permite corregir el valor teórico del cálculo y llevarlo a un valor real de caudal y depende de otros coeficientes: el coeficiente de velocidad (C V) y el coeficiente de contracción (C C), que relacionan la velocidad y área de escurrimiento reales con los valores teóricos posibles de calcular con ecuaciones. Los detalles de grosor, forma de pared, forma y tamaño de la abertura y altura de la carga (H) determinan el valor de CD. El Cuadro 11.1. presenta valores de CD para orificios circulares de distintos tamaños, en pared delgada vertical, según carga hidráulica (H).

Instituto de Investigaciones Agropecuarias INIA / MINISTERIO DE AGRICULTURA 95

Cuadro 11.1. Valores de CD para orificios circulares en pared delgada vertical. Carga al centro del orificio (m)

0,12 0,15 0,16 0,21 0,24 0,27 0,3 0,4 0,6 0,9 1,2 1,8 2,4 3 6 30

Diámetro del orificio (m) 0,006

0,015

0,03

0,05

0,18

0,3

0,631 0,618 0,627 0,615 0,6 0,592 0,65 0,624 0,613 0,601 0,593 0,59 0,651 0,622 0,611 0,601 0,594 0,59 0,648 0,62 0,61 0,601 0,594 0,591 0,646 0,618 0,609 0,601 0,595 0,591 0,644 0,617 0,608 0,6 0,595 0,591 0,638 0,613 0,605 0,6 0,596 0,593 0,632 0,61 0,604 0,599 0,597 0,595 0,627 0,606 0,603 0,599 0,597 0,597 0,623 0,611 0,602 0,599 0,598 0,596 0,618 0,604 0,6 0,598 0,597 0,596 0,614 0,603 0,6 0,598 0,596 0,595 0,611 0,601 0,598 0,597 0,596 0,595 0,601 0,598 0,596 0,596 0,596 0,594 0,593 0,592 0,592 0,592 0,592 0,592

Valores generales de CD para orificios de pared delgada son: 0 ,57 < CD < 0 ,70 con valor medio: CD =0 ,62 Para pared gruesa: CD =0 ,83 Para orificios de tubo en pared vertical los coeficientes de descarga se presentan en el Cuadro 11.2. Cuadro 11.2. Coeficientes de descarga para orificios de tubo en pared vertical. e/D

≤ 0,5

1

A,5

2

2,5

3

CD 0,60 0,75 0,78 0,79 0,80 0,82

96 BOLETÍN INIA Nº 412

Para orificios funcionando en condiciones sumergidas se puede usar la misma ecuación, pero cambia el H por ΔH: Q = CD × A ×

2 × g × ∆H

Donde: CD : Coeficiente de descarga A : Área del orificio g : Aceleración de gravedad (9,81 m/s2) ΔH : Carga hidráulica

11.2 Aforo con compuertas Las compuertas son estructuras cuya finalidad principal es la regulación del paso de agua mediante mecanismos de levante o bajada. Hidráulicamente, funcionan como orificios de tamaño variable, que permiten aumentar el flujo del agua al levantarse, mientras su bajada reduce el tamaño del orificio por donde pasa el agua. Dependiendo de las condiciones de flujo aguas abajo, pueden operar con descarga libre o con descarga ahogada. Las compuertas más comunes son las rectangulares (Foto 11.1.). Estas compuertas se usan para regular el flujo de agua en canales de ancho y tirante hidráulico no tan grandes, cuyas presiones permiten su adecuado desplazamiento mediante mecanismos como vástagos y volantes.

Foto 11.1. Compuertas rectangulares.

Instituto de Investigaciones Agropecuarias INIA / MINISTERIO DE AGRICULTURA 97

Las compuertas pueden constituir un elemento muy útil para la medición de flujos de agua puesto que están profusamente distribuidas en canales de riego, hidroelectricidad y otros. Desde el punto de vista hidráulico una compuerta se comporta como un orificio grande con área variable, pudiendo presentar flujo libre o sumergido. Una compuerta trabaja libre si el nivel superficial aguas abajo es inferior al del piso de la compuerta. De lo contrario trabaja sumergida. Dado que una compuerta es una forma particular de orificio, la ecuación que gobierna el flujo es la misma que para otros orificios: Q = CD × A ×

2×g×H

Donde: CD : Coeficiente de descarga A : Área del orificio g : Aceleración de gravedad (9,81 m/s2) H : Carga hidráulica En el caso de compuertas en flujo libre el H corresponde a la distancia entre la superficie del agua y el punto medio de la apertura (a) (Figura 11.4.).

Figura 11.4. Esquema de una compuerta en flujo libre.

Por otro lado, en el caso de compuerta en flujo sumergido, el valor a considerar para la carga hidráulica es ΔH, es decir la diferencia entre el nivel aguas arriba y aguas debajo de la compuerta (Figura 11.5.).

98 BOLETÍN INIA Nº 412

Figura 11.5. Esquema de una compuerta en flujo sumergido o ahogado.

El coeficiente de descarga (CD) para compuertas varía según la forma de la misma con respecto al canal en que se emplaza y de acuerdo al tipo de flujo: libre o sumergido (Figura 11.6.). Caso 1: La compuerta coincide con el piso y lados del canal (se encuentra inserta en un canal de sección constante) y presenta flujo libre. Para este caso CD = 0,68. Caso 2: El piso de la compuerta al mismo nivel que el piso del canal, pero las paredes no coinciden (la sección de la compuerta es menor que la sección del canal) y presenta flujo libre. Para este caso CD = 0,65. Caso 3: La compuerta coincide con el piso y lados del canal (se encuentra inserta en un canal de sección constante) y presenta flujo sumergido. Para este caso CD = 0,73. Caso 4: El piso de la compuerta al mismo nivel que el piso del canal, pero las paredes no coinciden (la sección de la compuerta es menor que la sección del canal) y presenta flujo sumergido. Para este caso CD = 0,67.

Instituto de Investigaciones Agropecuarias INIA / MINISTERIO DE AGRICULTURA 99

Figura 11.6. Esquema de compuertas para caso 1 y 3 (izquierda) y 2 y 4 (derecha).

100 BOLETÍN INIA Nº 412

Conclusiones

Teniendo en consideración que la disponibilidad de agua se está reduciendo día a día, especialmente debido al cambio climático y a que, por otro, lado la sociedad está demandando mayor cantidad de recursos hídricos, éstos se hacen cada vez más escasos y deben ser distribuidos de la mejor forma posible. A pesar de existir un sinnúmero de técnicas para cuantificar los recursos hídricos, hasta hoy la repartición de ellos se realiza en forma muy básica con la consecuente pérdida de recursos. La aplicación de técnicas de medición de agua permitiría apuntar hacia una distribución óptima, pero además se lograría un control por parte de los usuarios, quienes generalmente no aplican herramientas para el monitoreo de las aguas que reciben o usan. Se debe hacer notar que existen métodos de medición de caudal de distintos niveles. Algunos suficientemente simples como para ser aplicados por los agricultores para cuantificar el agua que reciben en sus predios, o incluso saber cuánto se está usando para regar un cultivo. Un ejemplo simple sería un productor agrícola aprovechando una compuerta existente para corroborar si el caudal que le están entregando es el correcto, sin un costo adicional. Si este mismo agricultor desea ser más exacto en sus aforos puede instalar una estructura de medición manual o incluso implementar un sistema con telemetría. Son distintos niveles tecnológicos, todos con muchos beneficios asociados. A nivel de distribución en ríos, canales derivados y sub-derivados, si bien se realizan esfuerzos para lograr información de caudales, no son suficientes. Muchas veces se gastan grandes sumas de dinero para implementar sistemas de medición altamente sofisticados, existiendo muchos métodos simples que podrían aplicar masivamente con resultados apropiados.

Instituto de Investigaciones Agropecuarias INIA / MINISTERIO DE AGRICULTURA 101

Es importante entender que la correcta cuantificación del agua lleva a una mejor asignación de la misma y tiene un efecto positivo sobre la producción y beneficios económicos para los agricultores. Por otro lado, los costos asociados a esta mejor medición del agua, al ser abordados con conocimientos de las técnicas existentes, pueden ser reducidos o incluso puede ser de costo nulo para los usuarios.

102 BOLETÍN INIA Nº 412

Bibliografía

Domínguez, Francisco J. 1999. Sexta edición. Editorial Universitaria. Chile. (773p). French, Richard H. 1988. Hidráulica de canales abiertos. McGraw-Hill/ Interamericana de México, S.A. de C.V., México. (724p). Hammer, M. and Mackickan, K. 1981. Hydrology and quality of water resources. John Wiley and Sons, USA. (486p). Harr, M.E. 1962. Groundwater and Seepage. McGraw-Hill Book Company, Inc. USA. (315p). ICID (International Commission on Irrigation and Drainage). 1979. Canal Construction-Open Channels Construction-Machinery and Techniques. 48, Nyaga Marg, Chanakyapuri, New Delhi. India. (206p). Jara R., Jorge; Edmundo Villarroel S.; y Alejandro Valenzuela A., 1988. Análisis matemático de la eficiencia de conducción en canales. Agro-Ciencia 4(2):153-157. Kraatz, D.D. 1972. Revestimiento de canales de riego. FAO : Estudio sobre riego y avenamiento 2. Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y Alimentación, Roma, Italia. (170p). Linsley, R. 1988. Hidrología para ingenieros. Mc Graw‑Hill, México. (386p). Linsley, R.; N. Kohler and J.L. Paulhus. 1983. (2a. Ed.). Hidrología para Ingenieros. Graw Hill Book, Co. USA. (398p). Maldonado I., Isaac (Ed) 2001. Riego y Drenaje Guía del Extensionista. Instituto de Investigaciones Agropecuarias. Chillán, Chile. Boletín de Bolsillo N°1. (328 p).

Instituto de Investigaciones Agropecuarias INIA / MINISTERIO DE AGRICULTURA 103

Sotelo, G. 1997. Hidráulica general. Limusa, México. (561p). Swamee, P. K. and Chahar, B. R. 2015. Design of Canals. Springer Transaction in Civil and Environmental Engineering. India. (196p). U. S. Department of the Interior, Bureau of Reclamation. 2001. Water Measurement Manual. Revised reprinted. Washington DC. (317p). Villón Béjar, Máximo. Problemas resueltos de Hidráulica de Canales. 2007. Primera edición, Editorial Tecnológica del Instituto Tecnológico de Costa Rica. Costa Rica. (524p). Villón Béjar, Máximo. Diseño de Estructuras Hidráulicas. 2003. Primera Edición: Taller de Publicaciones del Instituto Tecnológico de Costa Rica. Cartago Costa Rica. (185p). Villón Béjar, Máximo. Hidráulica de Canales. 2007. Segunda Edición: Editorial Villón, Lima-Perú. (508p). Villón Béjar, Máximo. Manual de Usuario de HCanales Versión 2.1. 2003. Editorial Tecnológica del Instituto Tecnológico de Costa Rica. Costa Rica. (92p).

104 BOLETÍN INIA Nº 412