• Author / Uploaded
• Percy Farfan Enciso

Citation preview

ESTIMACIÓN DEL AFORO DE CAUDAL DE UNA ACEQUIA UBICADA DENTRO DEL DISTRITO DE SAN JERÓNIMO, REGIÓN CUSCO

UNIVERSIDAD PARTICULAR ALAS PERUANAS

ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL

TEMA : ESTIMACIÓN DEL AFORO DE CAUDAL DE UNA ACEQUIA UBICADA DENTRO DEL DISTRITO DE SAN JERÓNIMO, REGIÓN CUSCO CURSO

: ABASTECIMIENTOS DE AGUA

DOCENTE :

Ing. EDILBERTO TOVAR CAYO

NOMBRES :

PERCY ANTONIO FARFAN ENCISO CUSCO –PERU OCTUBRE DEL 2016

Página 1 de 25

ESTIMACIÓN DEL AFORO DE CAUDAL DE UNA ACEQUIA UBICADA DENTRO DEL DISTRITO DE SAN JERÓNIMO, REGIÓN CUSCO

RESUMEN EJECUTIVO DEL TRABAJO En la distribución del agua en la superficie, la Hidrometría tiene como objetivo principal, medir y registrar los caudales de agua que son captados, derivados y distribuidos a los usuarios, a través de los sistemas en la superficie. La hidrometría permite conocer los datos de caudales y volúmenes en forma oportuna y veraz. La información hidrométrica también permite lograr una mayor eficiencia en la programación, ejecución y evaluación del manejo del agua en un sistema en la superficie. El uso de una información hidrométrica ordenada permite:  Dotar de información para los pronósticos de la disponibilidad de agua, esta información es importante para elaborar el balance hídrico y planificar la distribución del agua en la superficie.  Monitorear la ejecución de la distribución del agua en la superficie.  La información hidrométrica también permite determinar la eficiencia en el sistema en la superficie y de apoyo para la solución de conflictos.

Es de suma importancia conocer el caudal que fluye por una determinada fuente ya que ese caudal fluctúa según las épocas del año y las condiciones meteorológicas

Página 2 de 25

ESTIMACIÓN DEL AFORO DE CAUDAL DE UNA ACEQUIA UBICADA DENTRO DEL DISTRITO DE SAN JERÓNIMO, REGIÓN CUSCO

CONTENIDO TEMATICO 1.

UBICACIÓN Y LOCALIZACION: la zona en estudio se encuentra localizado en la zona de PATAPATA del distrito de San Jerónimo, provincia del Cusco región Cusco.

Imagen N° 1 Ubicación y localización de la provincia de Cusco Fuente: Mapa político región Cusco Página 3 de 25

ESTIMACIÓN DEL AFORO DE CAUDAL DE UNA ACEQUIA UBICADA DENTRO DEL DISTRITO DE SAN JERÓNIMO, REGIÓN CUSCO

La zona de trabajo se encuentra en las siguientes coordenadas: Latitud: 13º32’38” Sur. Longitud: 71º53’14” Oeste. Cota:

2.

3245 msnm.

VIAS DE ACCESO O ACCESIBILIDAD.

La zona de estudio se accede por la vía nacional Cusco- Arequipa, a la altura del distrito de San Jerónimo se toma un ramal de vía afirmada, se encuentra el rio en estudio.

3.

OBJETIVO Y JUSTIFICACION DEL TRABAJO DE CAMPO  Estimación del caudal de una acequia ubicada dentro del distrito de San

Jerónimo, región Cusco mediante los métodos del vertedero y del flotador.  Comparar los dos métodos de medición de caudales utilizados en la

práctica.

4. MARCO TEORICO. 4.1.

CONCEPTOS Y DEFINICIONES.

A. La Hidrometría: Se encarga de medir, registrar, calcular y analizar los volúmenes de agua que circulan en una sección transversal de un río, canal o tubería en la unidad de tiempo. La hidrometría tiene como propósitos medir el agua, planear, ejecutar y procesar la información que se registra en el sistema torrentes de agua; a través del cual se puede:  Conocer el volumen de agua disponible en la fuente (hidrometría a nivel de fuente natural)  Conocer el grado de eficiencia de la distribución (hidrometría de operación).

Página 4 de 25

ESTIMACIÓN DEL AFORO DE CAUDAL DE UNA ACEQUIA UBICADA DENTRO DEL DISTRITO DE SAN JERÓNIMO, REGIÓN CUSCO

B. Sistema Hidrométrico: Es el conjunto de actividades y procedimientos que permiten conocer los caudales de agua que circulan en los cauces de los ríos y canales de un sistema en la superficie, con el fin de registrar, procesar y programar la distribución del agua. El sistema hidrométrico tiene como soporte físico la red hidrométrica. C. Red Hidrométrica: Es el conjunto de puntos de control ubicados estratégicamente en el sistema en la superficie. D. Puntos de Control: Son los lugares donde se registran los caudales de agua que circulan por una sección hidráulica que pueden ser:  estaciones hidrométricas, estructuras hidráulicas, compuertas, caídas, vertederos,  medidores Parshall, RBC, ASC (Aforador Sin Cuello), miras, etc. E. Registro hidrométrico: Es la recopilación de todos los datos de caudales que circulan por la sección de un determinado punto de control. Dependiendo de la ubicación del punto de control, los registros pueden ser:  De caudales en ríos.  De salidas de agua de reservorios.  Caudales captados y entregados al sistema en la superficie; Etc. F. Reporte: Puede darse las siguientes acepciones:  Comunicación en tiempo real de los datos de campo al responsable de la operación del sistema.  Resultado del procesamiento de un conjunto de datos obtenidos, en el cual normalmente una secuencia de caudales medidos se convierten en volúmenes por período mayor (m3/día; m3/día m3/día, m3/mes; etc...) G. Medición de agua: Es la cuantificación del caudal de agua que pasa por la sección transversal de un conducto (río, riachuelo, canal, tubería) de agua; también se le conoce como aforo caudal de agua. Página 5 de 25

ESTIMACIÓN DEL AFORO DE CAUDAL DE UNA ACEQUIA UBICADA DENTRO DEL DISTRITO DE SAN JERÓNIMO, REGIÓN CUSCO

Para cuantificar el caudal de agua se puede utilizar la siguiente fórmula

Para cuantificar el caudal de agua se puede utilizar la siguiente: fórmula: Q = A x V (1) Donde:  Q = Caudal o Gasto (m3/s)  A= Área de la sección transversal (m2)  V= Velocidad media del agua en la sección hidráulica (m/s)

H. Caudal: El caudal corresponde a una cantidad de agua que pasa por un lugar (canal, tubería, entre otros) en una cierta cantidad de tiempo, o sea, corresponde a un volumen de agua (Litros, Metros Cúbicos, etc.), por unidad de tiempo (Segundos, Minutos. Horas, etc.). Es la cuantificación del caudal de agua que pasa por la sección transversal de un conducto (río, riachuelo, canal, tubería) de agua; también se le conoce como aforo caudal de agua. Para cuantificar el caudal de agua se puede utilizar la siguiente fórmula:

CAUDAL = VELOCIDAD x AREA Q=V x A Donde:  Q = Caudal o Gasto (m3/s)  A = Área de la sección transversal (m2)  V = Velocidad media del agua en la sección hidráulica (m/s)

I. AFORO LÍQUIDO: Cuando hablamos de medición del agua hacemos alusión al término AFORO, ya que este, constituye un método para analizar la cantidad de agua que es transportada a través de una sección transversal de un cauce en un tiempo y momento determinado. Debido a la inexistencia de instrumentos o métodos que permitan el registro continuo de datos a través del tiempo, se realizan Página 6 de 25

ESTIMACIÓN DEL AFORO DE CAUDAL DE UNA ACEQUIA UBICADA DENTRO DEL DISTRITO DE SAN JERÓNIMO, REGIÓN CUSCO

mediciones periódicas, con la finalidad de relacionar cierto nivel del río con el caudal que es transportada a través de la sección en cuestión, de tal forma que, se puede dibujar una curva de calibración o descarga. Selección de los sitios adecuados para realizar aforos. En la medida de lo posible, optar por tramos de rectos de la corriente, sino es posible, se debe hacer corrección por ángulo de desviación (más adelante se dará detalle en la sección de Corrección por Ángulo). El contorno del tramo seleccionado, preferiblemente debe ser de taludes naturales sobresalientes y firmes, de manera que, cuando incurran crecidas de la corriente de agua, no se erosione demasiado, y por consiguientes, hallan cambios en la sección. Aunque en la realidad es complicado, encontrar distribuciones de velocidad constante a lo largo de la sección (basándonos en el estudio realizado en el Río Risaralda), y aún más, cuando se realizan aforos por suspensión en los puentes que dividen la sección del río, debido a las columnas que soportan el mismo, causando remolinos, reflujos y altas velocidades, se hace necesario buscar tramos con las menores perturbaciones en el flujo de la corriente. Buscar lechos que caractericen debidamente la sección a estudiar, evitando así por ejemplo, obstáculos en el mismo 4.2.

METODOS PARA MEDICION DE CAUDALES: Basados en el estudio a realizar, la precisión, exactitud, información necesaria, sección a estudiar, caudal, condiciones del entorno, entre muchas otras debemos implementar un estudio detallado que nos permita identificar el sistema de aforo más adecuado en cada sitio de interés, de manera que, se pueda emplear de una forma apropiada, para obtener datos coherentes, significativos y característicos del lugar. Entre los métodos más utilizados de aforo más utilizados son: 

Velocidad y sección o Método del vertedero Página 7 de 25

ESTIMACIÓN DEL AFORO DE CAUDAL DE UNA ACEQUIA UBICADA DENTRO DEL DISTRITO DE SAN JERÓNIMO, REGIÓN CUSCO

o Método del flotador  Estructuras Hidráulicas  Método volumétrico  Método químico  Calibración de compuertas

A. Velocidad y Sección. Es uno de los métodos más utilizados; para determinar el caudal se requiere medir el área de la sección transversal del flujo de agua y la velocidad media, se aplica la siguiente fórmula: Q =A x V Donde:  Q= Caudal del agua (m3/s)  A= Área de la sección transversal (m2)  V= Velocidad media del agua (m/s) Generalmente, el caudal (Q) se expresa en litros por segundo (l / s) o metros cúbicos por segundo ( m3/ s.) La dificultad principal es determinar la velocidad media porque varía en los diferentes puntos de la sección hidráulica.

B. Estructuras hidráulicas. Para la medición de caudales también se utilizan algunas estructuras especialmente construidas, llamadas medidores o aforadores, cuyos diseños se basan en los principios hidráulicos de orificios, vertederos y secciones críticas. Orificios. La ecuación general del orificio es Q = CA (2gh)1/2 Donde:  Q= Caudal (m3/s)  C= Coeficiente.  A= Área (m2)  G= Gravedad (m/s2)  h= Tirante de agua (m) Página 8 de 25

ESTIMACIÓN DEL AFORO DE CAUDAL DE UNA ACEQUIA UBICADA DENTRO DEL DISTRITO DE SAN JERÓNIMO, REGIÓN CUSCO

C. Vertederos: Pueden ser de cresta ancha o delgada y pueden trabajar en flujo de descarga libre, sumergida o ahogada. La ecuación general de los vertederos es: Q = K L HN Donde:  Q = Caudal (m3/s)  K, N = Coeficiente;  L = Longitud de cresta (m)  H = Tirante de agua (m)

D. Sección Crítica: Es el paso del agua de una sección ancha hacia una más estrecha, que provoca un cambio del régimen, donde es posible establecer la relación tirante - gasto. La ecuación general utilizada es: Q = K b HN Donde 

Q = Caudal (m3/s)



K, N = Coeficientes



B = Ancho de gargCusco (m)



H = Tirante (m)

E. Método Volumétrico. Se emplea por lo general para caudales muy pequeños y se requiere de un recipiente para colectar el agua. El caudal resulta de dividir el volumen de agua que se recoge en el recipiente entre el tiempo que transcurre en colectar dicho volumen. Q=V/T Donde:  Q = Caudal (l /s)  V = Volumen (l)  T = Tiempo (s)

Página 9 de 25

ESTIMACIÓN DEL AFORO DE CAUDAL DE UNA ACEQUIA UBICADA DENTRO DEL DISTRITO DE SAN JERÓNIMO, REGIÓN CUSCO

F. Método Químico. Consiste en incorporación a la corriente de cierta sustancia química durante un tiempo dado; tomando muestras aguas abajo donde se estime que la sustancia se haya disuelto uniformemente, para determinar la cantidad de sustancia contenida por unidad de volumen. E. Calibración de Compuertas. La compuerta es un orificio en donde se establecen para determinadas condiciones hidráulicas los valores de caudal, con respecto a una abertura medida en el vástago de la compuerta. Este principio es utilizado dentro de la operación normal de una compuerta; para la construcción de una curva característica, que nos permita determinar el caudal o gasto, tomando como referencia la carga hidráulica sobre la plantilla de la estructura. Sin embargo, al cambiar las condiciones hidráulicas del canal del cual están derivando, dan lugar a la variación de las curvas establecidas, razón por la cual es necesario establecer una secuencia de aforos para conocer cuál es el grado de modificación de la curva utilizada.

Las prácticas más conocidas para determinar la velocidad del agua son:

a. Vertedero. La velocidad del agua se determina por medio del vertedero. Existen varios tipos de vertederos, siendo los mas empleados los de hélice que son de varios tamaños; cuando más grandes sean los caudales o más altas sean las velocidades, mayor debe ser el tamaño del vertedero. Cada vertedero debe tener un certificado de calibración en el que figura la fórmula para calcular la velocidad; que son calibrados en laboratorios de hidráulica: cuya fórmula general es la siguiente v=an+b Donde:  v = velocidad del agua (m / s)  n = número de vueltas de la hélice por segundo. Página 10 de 25

ESTIMACIÓN DEL AFORO DE CAUDAL DE UNA ACEQUIA UBICADA DENTRO DEL DISTRITO DE SAN JERÓNIMO, REGIÓN CUSCO

 a = paso real de la hélice en metros.  b = velocidad de frotamiento (m / s)

Para obtener la velocidad media de un curso de agua se deben medir la velocidad en dos, tres o más puntos, ubicados a diversas profundidades de la sección del canal. Las profundidades sugeridas en las cuales se mide las velocidades son las siguientes Tirante de agua ( d )

Profundidad de lectura del Vertedero

Cm

cm

< 15

d/2

15 < d < 45

0,6 d

> 45

0,2 d y 0.8 d o

0.2 d, 0.6 d y 0.8 d

b. Flotador Este método se utiliza cuando no se dispone de equipos de medición; para medir la velocidad del agua, se usa un flotador con él se mide la velocidad superficial del agua; pudiendo utilizarse como flotador, un pequeño pedazo de madera, corcho, una pequeña botella lastrada. Para el cálculo del caudal se utiliza la siguiente fórmula: Q=C x A x v v=e / t Donde:  C: Factor de corrección  v : Velocidad (m / s)  e : Espacio recorrido por el flotador (m)  t : Tiempo de recorrido del espacio «e» por el flotador (s)  A : Área de la sección transversal  Q : Caudal Los valores de caudal obtenidos por medio de este método son aproximados, por lo tanto requieren ser reajustados por medio de factores empíricos de corrección (C), que para algunos tipos de canal o lechos de río y tipos de material, a continuación se indican: Página 11 de 25

ESTIMACIÓN DEL AFORO DE CAUDAL DE UNA ACEQUIA UBICADA DENTRO DEL DISTRITO DE SAN JERÓNIMO, REGIÓN CUSCO

Aquí desarrollaremos los dos métodos ya que fueron estos lo empleados en la práctica:  Método del vertedero  Método del flotador 4.3.

MÉTODOS EMPLEADOS EN LA PRÁCTICA

4.3.1. MATERIALES Y METODOS Materiales  Wincha o cinta medidora  Reloj o Cronómetro  Botas  Un objeto flotante, en este caso 3 boyas (de 1.5, 3 y 10 cm de diámetro

aprox.) 4.3.2. METODO VOLUMETRICO DEL VERTEDERO

MÉTODO VOLUMÉTRICO. Se emplea por lo general para caudales muy pequeños y se requiere de un recipiente para colectar el agua. El caudal resulta de dividir el volumen de agua que se recoge en el recipiente entre el tiempo que transcurre en colectar dicho volumen. Q=V/T

Q Caudal m3 /s

Página 12 de 25

ESTIMACIÓN DEL AFORO DE CAUDAL DE UNA ACEQUIA UBICADA DENTRO DEL DISTRITO DE SAN JERÓNIMO, REGIÓN CUSCO

V Volumen en m3 T Tiempo en segundos 4.3.5.

MÉTODO DEL FLOTADOR

Fig. N°5 Seccionamiento espejo de agua para flotador Fuente: www. Hidraulica.com

1) Se selecciona en nuestra zona un tramo que sea uniforme, sin piedras grandes ni arbustos que puedan interferir para que el agua fluya de manera libre, sin turbulencias ni impedimentos.

2) En nuestro tramo seleccionado debemos ubicar dos puntos, (A) de inicio (B) de final y medir la distancia que para nuestro caso será 11.77 metros resultado del promedio de las medidas de los 2 lados (11.82 metros y 11.72 metros).

3) Ubicar las boyas o cuerpos flotantes en nuestro punto inicial, con lo cual mediremos el tiempo en el cual estas demoran en llegar hacia el punto B. Para ello mínimo se debe realizar tres repeticiones. Con ello podremos determinar la velocidad de la corriente de agua:

Página 13 de 25

ESTIMACIÓN DEL AFORO DE CAUDAL DE UNA ACEQUIA UBICADA DENTRO DEL DISTRITO DE SAN JERÓNIMO, REGIÓN CUSCO

Velocidad = Distancia A-B / tiempo recorrido

4) Se prosigue a medir el área transversal del canal, un método aceptable para calcular la aproximación del área transversal es tomar la altura promedio, en este caso h1, h2, h3 y h4. Consiste en dividir el río en por lo menos tres partes y medir la profundidad en cada punto para luego calcular el promedio 5) Luego de haber calculado la profundidad del río se procede a la medición del ancho de éste. 6) Finalmente se procede a calcular el caudal del río, QR, con base en la siguiente ecuación:

Cálculo del Caudal del río. Con los datos obtenidos se procede a calcular el caudal del río, QR, con base en la siguiente ecuación:

Donde K es un factor de corrección relacionado con la velocidad. El valor de K se debe seleccionar de acuerdo al tipo de río o canal y a la profundidad del mismo, de conformidad con la tabla: Tipo de Canal o río

Factor K

Canal revestido en concreto, profundidad del agua >15

0,8

cm. Canal de tierra, profundidad del agua >15 cm.

0,7

Río o riachuelo, profundidad del agua >15 cm.

0,5

Ríos o canales de tierra, profundidad del agua