manual de procedimientos hidrométricos

Transcripción

CORPORACION AUTONOMA REGIONAL
DEL VALLE DEL CAUCA
CARACTERIZACION Y MODELACION MATEMATICA
DEL RIO CAUCA - PMC FASE II
Convenio Interadministrativo 0168 de Noviembre 27 de 2002
MANUAL DE PROCEDIMIENTOS HIDROMETRICOS
VOLUMEN XIII
UNIVERSIDAD DEL VALLE
FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA DE INGENIERIA DE RECURSOS
NATURALES Y DEL AMBIENTE
Santiago de Cali, mayo de 2005
EIDENAR
CORPORACION AUTONOMA REGIONAL DEL VALLE DEL CAUCA
SUBDIRECCION DE CONOCIMIENTO AMBIENTAL TERRITORIAL
Convenio Interadministrativo 0168 de Noviembre 27 de 2002
entre la CVC y la Universidad del Valle
PROYECTO DE MODELACION DEL RIO CAUCA – PMC FASE II
MANUAL DE PROCEDIMIENTOS HIDROMÉTRICOS
VOLUMEN XIII
UNIVERSIDAD DEL VALLE
FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA DE INGENIERIA
DE RECURSOS NATURALES Y DEL AMBIENTE
Santiago de Cali, Mayo De 2005
El presente documento fue realizado en desarrollo del Proyecto de Modelación Matemática
del Río Cauca, Proyecto PMC Fase II, dentro del Convenio Interadministrativo 0168 de
Noviembre 27 de 2002 suscrito entre la Corporación Autónoma Regional del Valle del
Cauca CVC y la Universidad del Valle.
Este informe fue elaborado por la Escuela de Ingeniería de Recursos Naturales y del
Ambiente de la Facultad de Ingeniería de la Universidad del Valle. Participaron en el
desarrollo del informe los siguientes profesionales:
Ing. Carlos Alberto Ramírez Callejas
Ing. José Luis García Vélez
Ing. Yesid Carvajal E.
Ing. Oscar Ramírez Benjumea
Ing. Ricardo A Bocanegra V.
Ing. Juan Carlos Loaiza Quintero
Ing. Juan Carlos Escobar
Director del Proyecto
Subdirector del Proyecto
Ingeniero del Grupo de Hidrodinámica
Personal Auxiliar:
Participaron durante la elaboración del presente informe los siguientes estudiantes de
último semestre de Ingeniería:
Ángela Cabal, Laura Duarte, Jhon Alexander Prada O, Diego Parra
Debe destacarse la colaboración de los profesionales y técnicos de la CVC quienes
participaron durante el desarrollo del mismo, desde el suministro de información hasta la
revisión y ajuste del informe final.
El Comité de Seguimiento de CVC estuvo integrado principalmente por:
Ing. María Clemencia Sandoval
Ing. José Antonio Sierra
Ing. Omar Azcúntar
Ing. Luisa Marina Baena
Ing. Amparo Duque
Ing. José Alberto Riascos
Ing. Héctor Fabio Aristizábal
Ing. Claudia Yiselly Soto
Ing. Mary Loly Bastidas
Coordinadora General
Asesor Técnico
Asesor Técnico
Asesor Técnico
Asesor Técnico
Asesor Técnico
Asesor Técnico
Asesor Técnico
Ingeniera Interventora CVC
Los técnicos operativos
Tec. Arturo Guerrero
Tec. Heyner Agudelo
Tec. Cesar Rivas
Tec. Albeiro Rojas
Tec. Henry Marín
Tec. Ersaín Velasco
Tec. Felipe Bonilla
Manual de Procedimientos Hidrométricos
Contenido
CONTENIDO
Pág.
1 INTRODUCCION
1.1
2 ASPECTOS GENERALES DE LOS PROCEDIMIENTOS HIDROMETRICOS
2.1
2.1 DEFINICION DE AFORO
2.1
2.1.1 Aforo Líquido
2.1
2.1.2 Aforo Sólido
2.2
2.2 REQUERIMIENTOS PARA LA SELECCION DE LA SECCION DE AFORO
2.2
2.3 DEMARCACION DE LA SECCION DE AFORO SELECCIONADA
2.3
2.4 ESTACIONES HIDROMETRICAS
2.4
2.4.1 Tipo de Medición
2.4
2.4.2 Tipo de Instrumentación
2.4
2.4.3 Frecuencia de Operación
2.5
2.5 EQUIPOS DE MEDICION
2.5
2.5.1 Medidores de la Velocidad del Agua
2.5
2.5.2 Contadores
2.6
2.5.3 Limnímetros
2.7
2.5.4 Limnígrafos
2.7
2.5.5 Malacates
2.7
2.5.6 Equipos para Medición del Ancho
2.8
2.5.7 Equipos de Telemetría
2.9
2.6 TIPOS DE AFORO
2.9
2.6.1 Aforo por Suspensión
2.10
2.6.2 Aforo por Vadeo
2.11
2.6.3 Aforo por Flotadores
2.12
2.6.4 Aforo Volumétrico
2.12
2.6.5 Aforo por el Método de Dilución
2.13
2.6.6 Aforo con Bote en Movimiento
2.13
Corporación Autónoma Regional del Valle del Cauca - CVC
Universidad del Valle
Contenido
2.6.7 Aforo desde Bote Estático
2.16
2.6.8 Aforo Mediante Estructuras Hidráulicas
2.17
2.6.8.1 Aforo Mediante Vertedero
2.18
2.6.8.2 Aforo Mediante Canaletas
2.19
2.7 PARAMETROS BASICOS DE LA SECCION TRANSVERSAL DE AFORO
2.21
2.7.1 Número de Verticales
2.21
2.7.2 Ancho
2.22
2.7.3 Profundidad
2.22
2.8 VELOCIDAD MEDIA EN LA VERTICAL
2.23
2.8.1 Método de Distribución de Velocidad
2.23
2.8.2 Método de Puntos Reducidos
2.23
2.8.2.1 Método de un Punto
2.23
2.8.2.2 Método de Dos Puntos
2.23
2.8.2.3 Método de Tres Puntos
2.24
2.8.2.4 Método de Cinco Puntos
2.24
2.8.2.5 Método de Seis Puntos
2.24
2.8.3 Método de Integración
2.24
2.8.4 Método Superficial
2.25
2.8.5 Errores en la Determinación de la Velocidad Media
2.26
3.1
3 PROCEDIMIENTOS DE AFOROS LIQUIDOS
3.1 AFORO POR SUSPENSION
3.1
3.2 AFORO POR VADEO
3.14
3.3 AFORO POR FLOTADORES
3.17
3.4 AFORO MEDIANTE ESTRUCTURAS HIDRAULICAS
3.19
4.1
4 PROCEDIMIENTOS DE AFOROS SOLIDOS
4.1 METODOS DE AFORO DE LA CARGA TOTAL EN SUSPENSION
4.1
4.1.1 Muestreo puntual
4.1
4.1.2 Muestreo integrado
4.2
4.2 MEDICION DEL TRANSPORTE O CARGA DE FONDO
4.4
4.3 CARACTERIZACION DEL MATERIAL DEL LECHO
4.5
Contenido
4.3.1 Muestreo Denso
4.5
4.3.2 Muestreo en Estaciones Hidrométricas
4.7
5 MEDICION DE LA PENDIENTE HIDRAULICA
5.1
6 CONSIDERACIONES GENERALES SOBRE BATIMETRIAS
6.1
6.1 EJECUCION DE BATIMETRIA CON INSTRUMENTOS TRADICIONALES
6.1
6.2 EJECUCION DE BATIMETRIA CON INSTRUMENTOS DE ULTIMA
TECNOLOGIA
6.2
7 ASPECTOS DE SEGURIDAD EN LOS PROCEDIMIENTOS
HIDROMETRICOS
7.1
7.1 PRECAUCIONES CUANDO SE TRABAJA DESDE PUENTES
7.1
7.1.1 Riesgos debidos al Tráfico de Vehículos
7.1
7.1.2 Riesgos debidos al Equipo Suspendido
7.2
7.2 PRECAUCIONES DURANTE EL VADEO
7.2
7.2.1 Evaluación de la Situación
7.2
7.2.2 Uso de Chalecos Salvavidas
7.2
7.2.3 Líneas de Seguridad y Líneas Indicadoras
7.2
7.2.4 Técnica de Vadeo
7.2
7.2.5 En caso de Accidente
7.3
7.2.6 Responsabilidad
7.3
7.3 PRECAUCIONES CUANDO SE UTILIZA UNA TARABITA
7.4
7.4 OTROS RIESGOS
7.4
8 ASPECTOS GENERALES A CONSIDERAR EN LOS PROCEDIMIENTOS
8.1
HIDROMETRICOS
9 DESCRIPCION DEL SECTOR Y LA SECCION TRANSVERSAL DE CADA
UNA DE LAS ESTACIONES HIDROMETRICAS
9.1
9.1 ESTACION PAN DE AZÚCAR
9.2
9.2 ESTACION SUÁREZ
9.3
9.3 ESTACION LA BALSA
9.4
9.4 ESTACION TABLANCA
9.5
Contenido
9.5 ESTACION LA BOLSA
9.6
9.6 ESTACION HORMIGUERO
9.7
9.7 ESTACION JUANCHITO
9.8
9.8 ESTACION PASO DE LA TORRE
9.9
9.9 ESTACION MEDIACANOA
9.10
9.10 ESTACION GUAYABAL
9.11
9.11 ESTACION LA VICTORIA
9.12
9.12 ESTACION ANACARO
9.13
10.1
10 RECOMENDACIONES
10.1 ASPECTOS RELACIONADOS CON LOS INSTRUMENTOS DE
10.1
MEDICION
10.2 ASPECTOS RELACIONADOS CON LOS PROCEDIMIENTOS DE
10.1
CAMPO
10.3 OTRAS RECOMENDACIONES
10.7
LISTADO DE CUADROS
LISTADO DE FIGURAS
LISTADO DE FOTOGRAFIAS
BIBLIOGRAFIA
GLOSARIO
A1.1
ANEXO No. 1 FORMATOS DE REGISTRO DE DATOS
ANEXO No. 2 CONSIDERACIONES GENERALES SOBRE EL
MANTENIMIENTO DE ESTACIONES HIDROMETRICAS
ANEXO No. 3 METODOS GRAFICOS PARA EL CALCULO DEL CAUDAL
A2.1
A3.1
LIQUIDO
Contenido
ANEXO No. 4 EJEMPLO DE CALCULO DEL CAUDAL MEDIANTE UN
A4.1
VERTEDERO
ANEXO No. 5 TABLAS MUESTREADORES INTEGRADORES
A5.1
ANEXO No. 6 APROXIMACION AL CALCULO DEL ERROR EN LA
A6.1
DETERMINACION DEL CAUDAL EN LAS ESTACIONES
HIDROMETRICAS DEL RIO CAUCA
Listado de Cuadros
LISTADO DE CUADROS
Capítulo 2
Pág.
Cuadro No. 2.1 Número de Verticales en función del Ancho del Canal
2.22
Capítulo 3
Cuadro No. 3.1 Factores de Corrección A y B para valores dados del Ángulo Vertical ϕ
3.10
Cuadro No. 3.2 Valores de la constante C (m)
3.11
Cuadro No 3.3 Valores del Coeficiente de Corrección de la Velocidad Media para el
Método de Flotador
3.18
Capítulo 10
Cuadro No. 10.1 Normas vs Procedimientos CVC. Recomendaciones
10.3
Listado de Figuras
LISTADO DE FIGURAS
Capítulo 2
Pág.
Figura No. 2.1 Representación aforo por bote en movimiento
2.14
Figura No. 2.2 Representación de velocidades
2.14
Figura No. 2.3 Determinación de la posición en la sección transversal. Método de la
estadía
2.17
Figura No. 2.4 Determinación de la posición en la sección transversal. Método angular
2.17
Figura No. 2.5 Tipos de vertederos
2.20
Figura No. 2.6 Planta y sección longitudinal de una canaleta Parshall
2.21
Capítulo 3
Figura No. 3.1 Cálculo del caudal y nivel medio del agua cuando la fluctuación del
nivel del agua es superior de 5 cm o menor del 5% de la profundidad
media
3.3
Figura No. 3.2 Nivel de fondo real y calculado para una sección transversal
3.4
Figura No. 3.3 Representación de las abscisas en las que se encuentra el nivel del agua
en las márgenes de un cauce
3.6
Figura No. 3.4 Relación entre la profundidad de Flujo Real, PF y la profundidad no
3.9
corregida, PT
Figura No. 3.5 Método de la sección media para el cálculo del caudal
3.12
Figura No. 3.6 Método de la semisección para el cálculo del caudal
3.13
Figura No. 3.7 Perfilómetro para medición de secciones transversales
3.18
Figura No. 3.8 Selección del tramo para instalación de una estructura
3.20
Figura No. 3.9 Instalación de un vertedero en una corriente
3.20
Figura No. 3.10 Instalación de la reglilla de medición
3.21
Figura No. 3.11 Ejecución de un aforo mediante estructuras
3.22
Capítulo 4
Figura No. 4.1 Muestreador integrador en profundidad de sedimento en suspensión
tipo USDH – 49
4.3
Listado de Figuras
Figura No. 4.2 Muestreador integrador en profundidad de sedimento en suspensión
tipo USDH – 48
4.3
Figura No. 4.3 Rótulo para identificación de muestras
4.8
Capítulo 5
Figura No. 5.1 Ubicación de los limnímetros para la medición de la pendiente
hidráulica
5.1
Figura No. 5.2 Medición de la pendiente hidráulica en una corriente
5.2
Figura No. 5.3 Diferencia de nivel entre dos limnímetros
5.3
Capítulo 6
Figura No. 6.1 Ubicación en planta de secciones transversales y poligonales de apoyo
6.3
Figura No. 6.2 Esquema de isóbatas en planta y en 3D
6.5
Capítulo 7
Figura No. 7.1 Esquema de canastilla de tarabita de movimiento horizontal
7.4
Capítulo 10
Figura No. 10.1 Sección transversal calculada con el nivel en cada vertical
10.8
Listado de Fotos
LISTADO DE FOTOS
Pág.
Capítulo 2
Foto No. 2.1 Molinete de eje horizontal acoplado a varilla de soporte para aforo por
vadeo
2.6
Foto No. 2.2 Contador de revoluciones
2.6
Foto No. 2.3 Limnímetro Estación Pan de Azúcar, Río Cauca
2.7
Foto No. 2.4 Limnígrafo marca Stevens de larga duración, Estación Suárez, Río Cauca
2.8
Foto No. 2.5 Malacate para operación del molinete y medición de profundidades
2.8
Foto No. 2.6 Aforo desde tarabita, Estación Tablanca, Río Cauca
2.10
Foto No. 2.7 Molinete y lastre acoplados
2.11
Foto No. 2.8 Aforo por vadeo en el Río Jamundí, Valle del Cauca
2.11
Foto No. 2.9 Aforo desde bote estático
2.16
Foto No. 2.10 Aforo mediante vertedero
2.19
Capítulo 3
Foto No. 3.1 Río con niveles y caudales altos
3.1
Foto No. 3.2 Limnímetro Estación La Victoria, Río Cauca
3.2
Foto No. 3.3 Armado del equipo hidrométrico
3.4
Foto No. 3.4 Representación de la línea de aire
3.5
Foto No. 3.5 Medición de la altura de suspensión
3.6
Foto No. 3.6 Transportador para medir ángulo de arrastre
3.7
Foto No. 3.7 Medición del ángulo de arrastre en la Estacón Suárez – Río Cauca
3.9
Foto No. 3.8 Medición del ancho de un río
3.14
Foto No. 3.9 Punto fijo de amarre de la cinta métrica
3.15
Foto No. 3.10 Traslado del equipo hidrométrico
3.16
Foto No. 3.11 Medición de velocidades
3.16
Capítulo 4
Foto No. 4.1 Draga Pettersen
4.6
Foto No. 4.2 Tubo Cilíndrico de Boca Cónica
4.6
Listado de Fotos
Foto No. 4.3 Extracción de muestra con la draga Pettersen
4.7
Foto No. 4.4 Identificación de muestras
4.7
Foto No. 4.5 Empaque de muestras
4.7
Foto No. 4.6 Muestreo con draga tipo Pettersen desde puente
4.8
Foto No. 4.7 Muestreo con tubo cilíndrico de boca cónica desde orilla
4.9
Capítulo 6
Foto No. 6.1 Mediciones en zona húmeda con instrumentos topográficos
6.2
Foto No. 6.2 Ubicación de equipos en el bote
6.4
Capítulo 7
Foto No. 7.1 Riesgo debido al tránsito de vehículos en estación de aforo
7.1
Foto No. 7.2 Inspección del río previa a la ejecución de un aforo por vadeo
7.3
Foto No. 7.3 Mecanismo de desplazamiento de una tarabita
7.5
CAPITULO 1
INTRODUCCIÓN
Capítulo 1, Introducción
1 INTRODUCCIÓN
La hidrometría es la parte de la hidrología que se encarga de tomar y proveer datos
relacionados con la distribución espacial y temporal del agua sobre la tierra. Esta información
es un insumo fundamental para proyectos de planeamiento y manejo de los recursos hídricos,
para los cuales es de vital importancia conocer las variaciones hidráulicas (caudales, niveles,
velocidades, etc.) de cada una de las corrientes y cuerpos de agua.
La calidad de los análisis hidrológicos depende de la calidad de los datos obtenidos por medio
de los procedimientos de medición llevados a cabo en las estaciones hidrométricas y de su
procesamiento inicial. Por lo tanto, es necesario normalizar estos procedimientos con el
propósito de minimizar los errores que puedan presentarse.
La Corporación Autónoma Regional del Valle del Cauca, CVC, viene realizando desde hace
más de 40 años programas hidrométricos que han permitido generar una base de datos
importante de niveles y caudales de las diferentes corrientes de la región. Considerando que es
necesario revisar y actualizar periódicamente los diferentes procedimientos hidrométricos de
campo, con el fin de ajustarlos a la normatividad y los estándares de calidad más recientes
propuestos por organismos internacionales como la Organización Meteorológica Mundial
(OMM) y nacionales como el Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales
(IDEAM), se ha elaborado el presente manual. El objetivo fundamental es brindar los
conceptos y procedimientos básicos para la realización de aforos líquidos de tal manera que
estos se encuentren ajustados a la normatividad nacional e internacional existente. También se
incluyen los aspectos básicos de los procedimientos de campo para la medición de otros
parámetros tales como el transporte o carga total en suspensión, la batimetría del fondo del
cauce y la pendiente hidráulica de un río.
El manual está dirigido a personal operativo de campo y oficina encargado de llevar a cabo el
procesamiento inicial de la información. Se hace especial énfasis en la determinación del
caudal por el método área – velocidad, debido a que es el método comúnmente empleado por
el personal de la CVC.
El Capítulo 2 de este manual presenta los aspectos generales de las mediciones hidrométricas
relacionados con tipos de aforo, selección del sitio para la ubicación de estaciones de
medición, tipos de estaciones, equipos de medición, métodos de determinación de velocidades
medias y cálculo del caudal, etc.
Los procedimientos de campo para la ejecución de los aforos líquidos y el cálculo del caudal
por los métodos de suspensión, vadeo, flotadores y estructuras hidráulicas se describen en el
Capítulo 3.
Los métodos de aforo del transporte total de sedimentos en suspensión, sedimentos de lecho y
muestreo del material de fondo se tratan en el Capítulo 4. El Capítulo 5 presenta el
procedimiento para la obtención de la pendiente hidráulica de una corriente.
1.1
Capítulo 1, Introducción
En el Capítulo 6 se indican algunas consideraciones generales sobre la realización de
batimetrías. El Capítulo 7 brinda recomendaciones generales relacionadas con los aspectos de
seguridad que se deben tener en cuenta cuando se realizan procedimientos hidrométricos.
Las recomendaciones generales sobre operación de equipos y procedimientos se hacen en el
Capítulo 8. En el Capítulo 9 se hace una descripción de los sectores y secciones transversales
de aforo en las estaciones hidrométricas y de las condiciones locales que afectan la medición
del caudal.
En el Capítulo 10 se presentan sugerencias para ajustar algunos de los procedimientos
implementados por CVC a las normas vigentes.
Con el propósito de facilitar al lector la comprensión del manual se incluyen anexos que
explican algunos conceptos involucrados y se presenta un glosario de términos.
1.2
CAPITULO 2
ASPECTOS GENERALES DE LOS
PROCEDIMIENTOS HIDROMÉTRICOS
Capítulo 2, Generalidades Procedimientos Hidrométricos
2 ASPECTOS GENERALES DE LOS PROCEDIMIENTOS
HIDROMETRICOS
La base sobre la cual se apoyan los estudios para el manejo y aprovechamiento de los recursos
hídricos son las mediciones de cada una de las variables que involucra el ciclo hidrológico.
Cualquiera que sea el método de análisis su precisión se verá limitada por dichas mediciones.
Son muchos los factores que pueden originar inexactitudes en una medición hidrométrica; por
esto, para la recolección de esta información se requiere del concurso de técnicos capacitados
en cada uno de los diferentes procesos y actividades que forman parte del amplio campo de la
hidrología, la cual comprende ramas como la hidrometeorología, hidrometría y
sedimentología. En cada una de ellas son numerosas las labores que deben ejecutarse para
producir, al final, la información hidrométrica veraz, adecuada, confiable y oportuna.
La mayor parte de la información hidrológica directa se obtiene en puntos de observación y
medición, ubicados en ríos y/o cuerpos de agua, denominados estaciones hidrométricas, el
conjunto de estos puntos constituye una red.
En las estaciones hidrométricas se toma información del cuerpo de agua relativa a nivel,
caudal y sedimentos. Para las mediciones del nivel del agua se utilizan dos tipos de
instrumentos: los de lectura directa (mira limnimétrica, limnicontacto y maxímetro) y los
registradores continuos (limnígrafos). Para la medición de las velocidades de las corrientes se
emplean los correntómetros o molinetes que peden ser de eje vertical u horizontal; en ciertos
casos se usan flotadores y trazadores como sales, colorantes y radioisótopos, entre otros.
Durante la ejecución de los aforos (líquidos o sólidos) se utilizan diversos equipos y
accesorios, como malacates, varillas de vadeo, contadores, escandallos o tocadores de fondo,
muestreadores de sedimentos, molinetes, además de los instrumentos específicos de
topografía.
2.1 DEFINICION DE AFORO
2.1.1 Aforo Líquido
Es un procedimiento que consiste en realizar una serie de mediciones en campo que permiten
posteriormente calcular el caudal de una corriente. Este caudal debe estar asociado a un nivel
del agua.
El caudal puede medirse por diferentes métodos. La elección del método de aforo depende de
las condiciones específicas de cada sitio; la mayoría de estos métodos están basados en la
medición de la velocidad y el área en una sección transversal determinada.
Generalmente se efectúan aforos periódicos para determinar la relación entre el nivel del agua
y el caudal en la estación hidrométrica, con estos datos se construye la curva de gastos o curva
de calibración nivel de agua – caudal con la cual es posible determinar el flujo cuando sólo se
cuenta con el dato de nivel.
2.1
Se define el caudal como el volumen de agua que pasa a través de una sección transversal de
una corriente en la unidad de tiempo; generalmente se expresa en metros cúbicos por segundo
(m3/s) o litros por segundo (l/s).
2.1.2 Aforo Sólido
0El aforo sólido es el procedimiento de campo que permite determinar la cantidad de
sedimentos en suspensión, asociados a un caudal líquido, que transporta una corriente en un
instante determinado.
Los sedimentos son transportados por las corrientes de agua de diferentes maneras. Las
partículas granulares que constituyen el sedimento se pueden trasladar por saltos, rodadura,
deslizamiento sobre el fondo o cerca de él o pueden ser arrastrados fuera de su lugar y quedar
en suspensión. El tipo de movimiento experimentado por las partículas depende de las
características físicas (tamaño, forma, peso específico, etc.), de la composición granular del
sedimento y de las condiciones de la corriente (velocidad, profundidad, pendiente de las
superficies, etc.). Las diferentes fases del transporte de sedimentos ocurren simultáneamente
en las corrientes naturales y no hay una separación neta entre ellas. Por conveniencia, el caudal
de sedimento se divide en dos categorías: caudal o transporte de sedimentos en suspensión y
caudal o transporte de sedimentos de fondo. Este último consiste en el salto, rodamiento o
deslizamiento de las partículas en el lecho o cerca de él.
Numerosas mediciones de los caudales líquidos y sólidos sirven para la obtención de
relaciones entre estas dos variables, de tal manera que se pueda estimar el peso de los
sedimentos que por unidad de tiempo puede estar transportando el cuerpo de agua.
El caudal sólido se puede expresar en las mismas unidades que el caudal líquido o en unidades
de masa por unidad de tiempo: kilogramos por segundo (kg/s), toneladas por mes (ton/mes),
toneladas por año (ton/año), etc.
2.2 REQUERIMIENTOS PARA LA SELECCION DE LA SECCION DE AFORO
El sitio seleccionado para efectuar los aforos deberá cumplir, tanto como sea posible, con los
siguientes requerimientos:
a) El canal en el sitio de medición debe ser recto y tener sección transversal uniforme y una
pendiente que minimice las distribuciones anormales de velocidad.
Nota: cuando la longitud del tramo recto del río es limitada, para hacer las mediciones con
molinetes u otros métodos de determinación de velocidad se debe ubicar la sección de tal
manera que la longitud aguas arriba sea por lo menos dos veces la de aguas abajo.
b) Las direcciones de flujo para todos los puntos en cualquier vertical a través del ancho del
cauce deben ser paralelas unas a otras y perpendiculares a la sección transversal. Los sitios
que presenten vórtices, flujo reversible o zonas muertas deben ser rechazados.
2.2
c) El lecho y las márgenes del río deben ser estables y bien definidas para todas las
condiciones del flujo, de tal manera que se pueda hacer una medición precisa del área de la
sección transversal.
d) Las curvas de distribución de velocidades deben ser regulares en los planos verticales y
horizontales de medición.
e) Las condiciones de la sección y de su entorno no deben ocasionar cambios en la
distribución de la velocidad durante la medición.
f) La sección de medición debe ser claramente visible a través del ancho y no debe presentar
obstrucciones como árboles, plantas acuáticas u otros. Cuando se afora desde un puente
con varios estribos que dividen la sección transversal cada subsección del canal debe ser
tratada individualmente.
g) La profundidad del agua en la sección debe ser suficiente para proveer una inmersión
efectiva del molinete en cualquier punto en que se mida.
h) El sitio debe tener fácil acceso en todo momento y contar con los equipos necesarios de
medición.
i) La sección debe estar ubicada lejos de estaciones de bombeo y vertimientos. Si éstos
operan durante las mediciones, probablemente crearán condiciones inconsistentes con la
relación natural Nivel – Caudal que se tiene para la estación.
j) Los sitios donde hay convergencia o divergencia de flujo deben descartarse.
k) En donde sea necesario hacer mediciones en cercanías de un puente, es preferible que el
sitio de aforo esté ubicado aguas arriba del mismo.
l) En ciertas ocasiones es necesario verificar datos haciendo aforos en secciones diferentes a
la seleccionada para la estación. Esto se puede hacer siempre y cuando no haya cambios
sustanciales por pérdidas o ganancias de caudal ocasionados por intervenciones y cuando
las mediciones se relacionen con los niveles registrados en la sección principal.
Nota: si el sitio ha sido estabilizado para una estación permanente o para ser usado en
futuras mediciones, debe estar provisto de medios para demarcación de la sección
transversal y para determinación de los niveles, de tal forma que sea fácilmente
identificable en otras mediciones y los datos tomados sean comparables con datos
anteriores.
2.3 DEMARCACION DE LA SECCION DE AFORO SELECCIONADA
Cuando se ha seleccionado una sección idónea para el aforo y sobre ésta se inicie un programa
de medición periódico, bien sea permanente o transitorio, la sección se debe demarcar así:
2.3
a) Debe definirse en las dos bancas con marcas claramente visibles y fácilmente
identificables la posición de la sección transversal, normal a la dirección de flujo.
b) Los niveles durante la medición deben leerse en una mira (limnímetro), cuyo dátum o cero
debe estar asociado a un sistema de referencia común a nivel nacional o regional (sistema
altimétrico del IGAC).
c) Cuando se considere que existen diferencias de nivel de agua que sean importantes entre
las dos bancas del río, debe instalarse una referencia auxiliar en la banca opuesta. Esto
toma importancia particular en el caso de ríos muy anchos.
2.4 ESTACIONES HIDROMETRICAS
Una estación hidrométrica es un lugar fijo en una sección transversal del río donde se realiza
un conjunto de operaciones que permiten determinar el caudal que fluye en un tiempo
determinado.
Las estaciones hidrométricas se pueden clasificar de acuerdo con:
•
•
•
El tipo de mediciones hidrométricas
El tipo de instrumentación
La frecuencia de operación
2.4.1 Tipo de Medición
-
Registro de nivel de agua: son aquellas estaciones en las cuales sólo se toman datos de
nivel de agua y no se realizan aforos, por lo tanto no es posible definir una curva de
calibración Nivel – Caudal. La frecuencia de medición en ellas depende de las necesidades
de información. En el Valle del Cauca se realizan tres lecturas diarias de nivel de agua
(6:00, 12:00, 18:00) (ver Anexo No. 1, Formatos para la toma de datos hidrométricos
empleados por la CVC).
-
Registro de nivel y caudal: en este tipo de estaciones, adicional a la frecuencia de lecturas
diarias de nivel, se realizan mediciones de las descargas asociadas a su respectivo nivel de
agua instantáneo. Con estos pares de datos se va construyendo y/o actualizando la relación
Nivel – Caudal para la estación.
2.4.2 Tipo de Instrumentación
-
Manuales: son estaciones en las cuales la medición o lectura la realiza de forma directa la
persona encargada, mediante el respectivo registro en los formatos destinados para ello; la
frecuencia de medición está preestablecida, bien sea para datos diarios, horarios, así como,
para intervalos de tiempo en el día.
2.4
-
Automáticas: son estaciones que cuentan con equipos de registro continuo como
limnígrafos. Estos son instrumentos que permiten obtener datos del nivel del agua con una
frecuencia alta. Este tipo de estaciones se clasifican en dos grupos:

Con registro análogo: en donde los mecanismos que se encargan de transmitir el
nivel del agua desde el pozo de aquietamiento al registrador lo hacen de forma
gráfica, es decir, se imprimen en una banda de papel.

Con registro digital: en donde, además de contar con el registro análogo, se tienen
equipos que convierten el nivel transmitido por los mecanismos en una señal digital
que puede ser almacenada y en algunos casos transmitida a un centro de control
lejos de la estación. Estas se denominan estaciones telemétricas.
2.4.3 Frecuencia de Operación
•
Anuales: son aquellas estaciones que por su difícil acceso no permiten una frecuencia
mayor de operación; por lo tanto, deben tener equipos especiales que permitan hacer un
registro continuo durante un período hidrológico largo.
•
Estacionales: son aquellas en las que su operación tiene en cuenta la recolección de
información para un período específico de tiempo, en el cual se considera importante
obtener los datos; estos períodos pueden asociarse al registro de caudales extremos
(máximos o mínimos).
•
Mixtas: son estaciones en las cuales su operación se hace de manera continua y con una
frecuencia específica en la cual se pueden medir datos extremos, bien sea máximos o
mínimos, de manera aleatoria y en donde la mayoría de las mediciones corresponde a
situaciones promedias.
En el Anexo No. 2 se indican algunas consideraciones generales sobre mantenimiento de
estaciones hidrométricas.
2.5 EQUIPOS DE MEDICION
Los parámetros básicos a determinar cuando se ejecuta un aforo líquido (exceptuando los
métodos de aforo por trazadores y volumétrico) son la profundidad y la velocidad de flujo en
las verticales, el nivel del agua y el ancho de la sección transversal. La medición de estas
variables se lleva a cabo mediante instrumentos apropiados, los cuales se seleccionan según el
método de aforo empleado. A continuación se describen este tipo de instrumentos.
2.5.1 Medidores de la Velocidad del Agua
La medición de la velocidad del agua (para los métodos de vadeo y suspensión) se hace
utilizando un equipo denominado molinete o correntómetro (Foto No. 2.1). Los molinetes más
2.5
empleados son el de cazoletas (con eje vertical) y el de hélice (de eje horizontal). Las
revoluciones efectuadas por la hélice del molinete se registran en un contador. Los molinetes
se calibran para un rango de velocidades dado. La relación entre la velocidad del flujo y la
velocidad del rotor se expresa, por lo general, en revoluciones por segundo (rev/s).
Foto No. 2.1 Molinete de Eje Horizontal acoplado a varilla de soporte para Aforo por
Vadeo
2.5.2 Contadores
Son equipos que se encargan de registrar el número de revoluciones dadas por la hélice de un
molinete en un tiempo determinado cuando se va a calcular velocidad de flujo en una corriente
(Foto No. 2.2). El contador por cada giro de la hélice recibe un impulso eléctrico y lo
convierte en una señal análoga o digital, permitiendo así establecer el número de revoluciones.
Foto No. 2.2 Contador de revoluciones
2.6
2.5.3 Limnímetros
El nivel del agua en una estación se registra por medio de una mira o limnímetro (Foto
No.2.3), el cual consiste en una regla graduada que permite determinar la observación de las
fluctuaciones de los niveles del cuerpo de agua. Se ubica en un punto fijo sobre la sección
transversal y permanece en contacto con la corriente. Cuando el talud de la sección transversal
es muy tendido (de pendiente muy baja) y el nivel del agua en el cauce puede presentar
grandes variaciones se suele instalar una serie de limnímetros, cada uno de los cuales
permitirán registrar diferentes rangos de variación de esta variable.
Foto No. 2.3 Limnímetro Estación Pan de Azúcar, Río Cauca
2.5.4 Limnígrafos
En lugares en donde el nivel de agua cambia con mucha frecuencia es necesario instalar
equipos especiales de registro continuo llamados limnígrafos (Foto No. 2.4) por medio de los
cuales es posible obtener datos del nivel del agua en función del tiempo con una alta
frecuencia. Estos equipos están compuestos fundamentalmente por 3 dispositivos: el primero
corresponde al elemento sensible (flotador y contrapeso o manómetro), el segundo es el
sistema que traduce a escala y registra los niveles del agua (eje helicoidal, poleas de escala y
sistema inscriptor y de registro), y el tercero, basado en un mecanismo de relojería, alimentado
mecánicamente (cuerda) o por medio de baterías (pilas de 6V), que proporciona una escala de
tiempo.
2.5.5 Malacates
Para la manipulación del conjunto molinete-lastre en los aforos que se realizan por suspensión
es necesario contar con un equipo (malacate) que facilite su manejo teniendo en cuenta que
éste normalmente es pesado (entre 30 y 75 lb.) (Foto No. 2.5). Los malacates, además de
permitir manipular grandes pesos con relativa facilidad, están provistos de mecanismos
2.7
especiales (contador) para registrar la longitud desplegada del cable y de esta manera obtener
la medición de la altura de suspensión y la profundidad de la corriente.
Foto No. 2.4 Limnígrafo marca Stevens de larga duración, Estación Suárez, Río Cauca
Foto No. 2.5 Malacate para Operación del Molinete y Medición de Profundidades
2.5.6 Equipos para Medición del Ancho
El ancho de la sección transversal húmeda se mide utilizando una cinta métrica convencional
(cuando las condiciones así lo permiten) o equipos topográficos. En estaciones de medición
preestablecidas, el ancho se determina mediante el abscisado existente, el cual se encuentra
referenciado o marcado sobre la estructura (bien sea puente o tarabita).
2.8
2.5.7 Equipos de Telemetría
Los equipos de telemetría consisten de tres elementos: un instrumento de detección sobre el
terreno, un medio de comunicación, como el teléfono o enlaces de radiocomunicación, y las
estaciones de recepción. El equipo de detección sobre el terreno puede ser un registrador de
datos de varios parámetros, con un subsistema de almacenamiento y control. El registrador
debe interactuar con otros factores exteriores, como el sistema de suministro de energía
eléctrica, el ambiente hidrológico propiamente dicho, la pantalla de visualización de datos y
los operadores que dan inicio o ponen en funcionamiento de rutina el equipo.
La función de un equipo de medición hidrológica es captar una señal específica del agua y
convertirla en un dato adecuado para ser visualizado, registrado o procesado. Por ejemplo, la
medición mecánica del nivel del agua por medio de limnígrafos se obtiene con un flotador
conectado a una plumilla que marca sobre una banda registradora, mientras que los sistemas
microelectrónicos generan una señal eléctrica indispensable para la transmisión telemétrica.
En algunos modelos de estaciones telemétricas se ha previsto una comunicación bidireccional
entre una estación hidrológica a distancia y una estación central de recepción. En otros
modelos el sistema sólo acepta una comunicación unidireccional desde la estación a distancia
hasta la estación central de recepción. En el primer caso, la estación se interroga y se le ordena
transmitir los datos. En el segundo caso, la estación inicia una transmisión después de un
tiempo determinado o cuando el dato hidrológico excede una condición límite (caso CVC). Se
puede controlar la transmisión de manera que se produzca a intervalos fijos o aleatorios. Las
estaciones de CVC envían información por vía satelital cada 4 horas al centro de control.
En la actualidad, los registradores automáticos de datos de varios parámetros son pequeños y
ligeros en comparación con los instrumentos tradicionales de recopilación de datos
hidrológicos. Gracias a su tamaño reducido y a las bajas exigencias de potencia eléctrica con
frecuencia funcionan con baterías y se pueden instalar en pequeñas casetas protegidas de la
intemperie. Muchos de ellos tienen una pantalla, lo que permite en las visitas de técnicos o
hidrólogos evaluar el estado de funcionamiento y revisar la calidad de los datos recopilados.
2.6 TIPOS DE AFORO
Existen diferentes tipos de aforo, cuya elección se realiza teniendo en cuenta las condiciones
específicas de la corriente, la precisión requerida en la medición, la disponibilidad de recursos
(equipos, personal, insumos (trazadores), transporte). Entre ellos se pueden mencionar:
•
•
•
•
•
•
•
Aforo por suspensión
Aforo por vadeo
Aforo por flotadores
Aforo volumétrico
Aforo por el método de dilución
Aforo con bote en movimiento
Aforo desde bote estático
2.9
•
Aforo mediante estructuras hidráulicas (vertederos y canaletas)
2.6.1 Aforo por Suspensión
El aforo por suspensión se realiza desde una estructura (generalmente un puente o una
tarabita), sobre la cual se hace la medición de profundidades y velocidades de flujo en cada
una de las verticales seleccionadas (Foto No. 2.6). La medición de la velocidad del agua se
hace utilizando un molinete o correntómetro.
Foto No.2.6 Aforo desde tarabita, Estación Tablanca, Río Cauca
El aforo por suspensión se realiza cuando:
•
La corriente a aforar es de magnitud considerable, de manera que no es posible aplicar el
método de vadeo.
•
Se dispone de un puente (o tarabita) en el cual la sección transversal cumple con las
condiciones técnicas requeridas para la realización del aforo.
En el método de aforo por suspensión el equipo hidrométrico se suspende generalmente de un
cable, el cual está acoplado a un malacate que permite medir la profundidad con ayuda de un
contador.
El equipo requerido para llevar a cabo un aforo por suspensión es el siguiente: malacate y
tabla con polea, molinete completo incluido cola estabilizadora (Foto No. 2.7), contador,
formato para registro de datos de campo, lastres de 30, 60 y 75 lb. Este tipo de aforo requiere
de dos personas (ver Capítulo No. 3).
2.10
En algunos casos, dependiendo de las condiciones de velocidad de la corriente, es necesario
hacer correcciones (por ángulo de arrastre) a la profundidad medida. Este tema se tratará más
adelante en el Capítulo No. 3.
Foto No. 2.7 Molinete y Lastre Acoplados
2.6.2 Aforo por Vadeo
Se emplea cuando la corriente es poco profunda, pequeña y de fondo resistente. Al igual que
en el método de aforo por suspensión, es necesario tener un abscisado que permita determinar
la posición de las verticales sobre las cuales se hace la medición de profundidades y
velocidades de flujo. Para medir estos parámetros, el técnico entra al río con el equipo de
medición, toma como referencia una cuerda abscisada o una cinta métrica y efectúa las
mediciones (Foto No. 2.8).
Foto No. 2.8 Aforo por vadeo en el Río Jamundí, Valle del Cauca
2.11
El equipo requerido para ejecutar un aforo por vadeo consta de: cinta métrica, varillas de
vadeo, contador, molinete, formato para registro de datos en campo. Se requieren dos técnicos
aforadores (ver Capítulo No. 3).
2.6.3 Aforo por Flotadores
Este método de aforo comúnmente se utiliza cuando es difícil o peligroso implementar el
método de aforo por molinete o cuando la corriente es muy pequeña y no brinda las
condiciones mínimas para la inmersión del mismo. Cuando esto ocurre, es necesario realizar el
aforo por medio de flotadores para medir la velocidad superficial del flujo. En general se
puede utilizar cualquier elemento natural que esté en condiciones de flotar.
Este método se aplica en corrientes medianas y pequeñas en un tramo que tenga forma recta, y
del cual se conozca su longitud (se recomiendan distancias mayores o iguales a 30 m). Debe
usarse la mayor cantidad de flotadores posible, que cubran todo el ancho del río en franjas
proporcionales.
El equipo necesario para realizar un aforo de este tipo es el siguiente: flotadores, cinta métrica,
cronómetro, formato para registro de datos de campo, radios portátiles. Se requieren dos
técnicos (ver Capítulo No. 3).
2.6.4 Aforo Volumétrico
La medida volumétrica del caudal se aplica solamente a las corrientes muy pequeñas, siendo
éste el método más exacto para medirlas. Se determina el tiempo requerido para llenar un
recipiente de capacidad conocida o el tiempo necesario para llenar parcialmente un recipiente
calibrado a un volumen determinado.
Las medidas volumétricas se recomiendan en casos en los cuales se concentra el flujo en una
corriente estrecha, o donde éste se puede direccionar para captarlo en un recipiente. La medida
se efectúa tres o cuatro veces tratando de minimizar el error comparando los datos obtenidos
(los resultados deben ser constantes).
El aforo volumétrico se aplica bajo circunstancias especiales en las cuales no es posible
emplear otros métodos; por ejemplo, cuando el tirante es muy pequeño y no hay molinete que
pueda utilizarse o cuando la velocidad es muy baja.
El procedimiento consiste en captar una cantidad de agua en un recipiente durante un tiempo
determinado. Luego se mide el volumen recogido y se divide su valor entre la magnitud del
tiempo empleado para recogerlo.
El equipo requerido para ejecutar un aforo volumétrico es: canaleta, balde aforado en litros (l),
cronómetro, formato para registro de datos de campo. Son necesarias dos personas, una para
captar el agua en el balde y la otra para contabilizar el tiempo que tarda éste en llenarse.
2.12
2.6.5 Aforo por el Método de Dilución
La existencia de corrientes con características especiales, tales como: régimen torrencial, alta
pendiente, poca profundidad, lechos inestables y líneas de flujo desordenadas en las secciones
de aforo, hacen poco aplicable el método convencional (con molinete) en cuyo caso se aplica
el método de aforo por dilución (el método puede emplearse también en ríos con
características normales cuando se quiere determinar el caudal con una mayor precisión que la
que ofrecen los métodos convencionales).
Los aforos con trazadores o aforos químicos permiten calcular el caudal a partir de la variación
de la concentración de una sustancia que es inyectada en el cauce. El procedimiento consiste
en realizar aguas abajo, a una distancia lo suficientemente lejos del sitio de inyección del
trazador, mediciones de la concentración y muestreos que permitan calcular el caudal; sin
embargo existen equipos con los cuales es posible hacer la medición en campo. En todo este
procedimiento no se requiere conocer el área de la sección transversal de medición.
Puede definirse como trazador a toda sustancia que incorporada a un proceso físico o químico
permite estudiar su comportamiento y evolución a lo largo de un tramo de la corriente. Entre
los trazadores más empleados pueden citarse los sólidos en suspensión, los trazadores
químicos solubles en el agua, los colorantes y los elementos radioactivos.
La medición del caudal mediante este método está basada en la determinación del grado de
dilución en el agua del río de una solución trazadora. Para las mediciones del caudal se pueden
emplear principalmente dos métodos en los que intervengan sustancias trazadoras; el primero
basado en la inyección de la sustancia a un ritmo constante y el segundo, aquel en que la
solución se vierte en forma instantánea.
El equipo requerido para ejecutar un aforo por el método de dilución es: trazador,
conductímetro, cronómetro, cinta métrica, probetas, baldes graduados, frascos de 100 cm3,
agua destilada, radios portátiles, formato para registro de datos de campo.
Esta metodología es considerada una de las más adecuadas. Sin embargo puede suceder que su
ejecución sea difícil debido a la excesiva velocidad del agua o a la presencia de cuerpos
extraños que pongan en peligro la integridad física de los aforadores o la seguridad del equipo
hidrométrico empleado.
2.6.6 Aforo con Bote en Movimiento
Frecuentemente, en ríos muy anchos y caudalosos, la aplicación de los métodos
convencionales de aforo no es posible debido a que no existe la infraestructura necesaria
(puentes o tarabitas). El fundamento del método de aforo con bote en movimiento es el mismo
del procedimiento habitual de los aforos convencionales y se basa en la determinación de áreas
parciales de subsecciones y las velocidades del agua para cada una de ellas. La diferencia
radica en la manera de tomar los datos, el aforador con su molinete viaja en un bote que se
traslada de una orilla a la opuesta en forma continua y a una velocidad constante (ver Figura
No. 2.1).
2.13
Figura No. 2.1 Representación aforo por Bote en Movimiento
32
Final
Inicio
Bote
Para la ejecución de este método se debe contar con el siguiente equipo: un molinete
direccional el cual registra la velocidad combinada del bote y del río, una ecosonda que mide
las profundidades de la sección transversal, equipos de posicionamiento como GPS que
indican la trayectoria perpendicular al flujo que debe seguir la embarcación, bote con motor
fuera de borda, contador, soporte para fijación del molinete, batería de 12 V, formato para
registro de datos de campo, cronómetro.
La velocidad observada, vtot obtenida a partir del número de revoluciones dadas por el
molinete es el vector resultante de la velocidad del bote con relación al fondo del canal, v y la
velocidad u perpendicular a la sección transversal en el punto de muestreo (ver Figura No.
2.2). La velocidad de flujo u requerida para la determinación del caudal se puede calcular de
las mediciones de vtot y α, usando la ecuación:
u = vtot sen α
(2.1)
Figura No. 2.2 Representación de velocidades
vtot
α
μ
Si la distancia entre puntos de observación no se determina con relación al punto de referencia
en la banca, esta se puede calcular por medio de la ecuación:
2.14
L = ∫ vtot cos α dt
(2.2)
Generalmente, la distancia entre dos puntos de observación se toma constante.
Puede ser que la sumatoria de las distancias entre varios puntos de observación sea diferente al
ancho real de sección transversal. Por lo tanto para el cálculo del caudal es necesario
introducir un factor KB definido por medio de la ecuación:
KB =
Ancho real
Ancho calculado
(2.3)
Se debe introducir una corrección ya que la velocidad del flujo, la cual se mide en un punto a
profundidad constante, no representa la velocidad media en las verticales muestreadas.
Idealmente, cada velocidad, u determinada debe multiplicarse por un coeficiente para ajustarla
a la velocidad media en esa vertical. En vez de esto se emplea un factor Ku que puede
calcularse determinando la velocidad media en unas verticales seleccionadas por métodos
convencionales y comparando este valor con las velocidades medidas en puntos a
profundidad constante. Por definición:
Ku =
1
n
n
∑
i =1
ui
ui
(2.4)
donde:
u i = velocidad promedia en las n verticales (m/s)
u i = velocidad de flujo observada en n verticales de profundidad constante (m/s)
Cuando no se dispone de equipos GPS se pueden utilizar banderolas de colores vivos para
indicar la dirección perpendicular al flujo que debe seguir el bote y un compás especial o giro
que determine su posicionamiento con respecto a la orilla. Generalmente se realizan alrededor
de 6 travesías en direcciones opuestas y se hace el promedio para obtener el caudal.
El caudal se calcula de manera similar al método convencional de área – velocidad, es decir se
suman los productos de las áreas de los segmentos y las velocidades medias (ver ecuación No.
2.5).
Q = KB Ku
∑u
i
hi L i
(2.5)
donde:
Q = caudal total (m3/s)
hi = profundidad de flujo en la vertical i (m)
En ríos grandes, el coeficiente Ku es generalmente uniforme a través de la sección. Las
mediciones efectuadas en varios ríos han mostrado que Ku varía entre 0.90 y 0.95.
2.15
2.6.7 Aforo desde Bote Estático
Este tipo de aforo es muy similar al que se realiza con bote en movimiento, excepto que éste
se mantiene fijo en una vertical en la corriente mientras se realizan las mediciones de
profundidad y velocidad (Foto No. 2.9). La seguridad del personal es un factor limitante para
el uso de lanchas en corrientes que presentan altas velocidades de flujo.
Foto No. 2.9 Aforo desde Bote Estático. Fuente: Manual of Standard Operating, 1998
Se pueden utilizar cables de referencia anclados firmemente entre las dos orillas y sobre los
cuales se puede trasladar el bote el cual está equipado con mecanismos de freno para
mantenerlo quieto al momento de hacer la medición. Si existe trafico de otras embarcaciones
en el río, un auxiliar debe estar atento para dar las instrucciones respectivas.
Cuando no se utilizan cables de referencia el bote se puede mantener en el plano de la sección
transversal alineándose con banderas colocadas en cada extremo de la misma. Con las
banderas ubicadas en una de las bancas es suficiente, aunque es mejor tenerlas en ambas. La
posición del bote en la sección transversal se puede determinar utilizando un teodolito
midiendo ángulos rectos entre una bandera colocada en la orilla y una barra guía sostenida en
el bote (Figura No. 2.3). Otro método para determinar la posición de la embarcación es
colocando el teodolito en una banca a una distancia conveniente y en ángulo recto a la línea de
la sección transversal (Figura No. 2.4).
Un tercer método para determinar la posición se hace leyendo el ángulo con un sextante desde
la embarcación. Se posiciona una bandera en línea con la sección transversal y otra a una
distancia conocida perpendicular a la anterior. La posición se puede calcular midiendo con un
sextante o con un tránsito el ángulo ß formado entre la línea que une esta última bandera con
el bote y la línea que une las dos banderas (ver figura No. 2.4)
A menos que sea conveniente el anclaje con cables, el motor puede mantener estática la lancha
mientras se realizan las mediciones de profundidades y velocidades.
2.16
Figura No. 2.3 Determinación de la posición del bote en la Sección Transversal, método
de la Estadía
Teodolito
Barra guía
Figura No. 2.4 Determinación de la posición del bote en la Sección Transversal, Método
Angular
A
C
B
D
Sextante
β
E
Tránsito
Si la profundidad máxima en la sección transversal es menor de 3 m y la velocidad lo permite,
se puede usar una barra para medir la profundidad y sostener el molinete. Para profundidades
mayores se usa un cable de suspensión con un carrete y un lastre.
Las mediciones desde bote estático no se recomiendan para velocidades de flujo menores de
0.3 m/s (≈ 1 pie/s), donde el bote está sujeto a la acción de las ondas en la corriente y el
movimiento de subida y bajada afecta seriamente las mediciones de velocidad.
2.6.8 Aforo Mediante Estructuras Hidráulicas
En algunos casos de corrientes pequeñas es posible realizar el aforo utilizando un control
artificial (canaletas y vertederos) de tal manera que el caudal se pueda determinar directamente
2.17
con la lectura del nivel en la estructura la cual ha sido precalibrada y por lo tanto cuenta con
una ecuación para realizar el cálculo. Existe una variedad de vertederos y canaletas que poseen
una relación Nivel – Caudal bien establecida. Sin embargo, sólo en condiciones favorables del
terreno se pueden utilizar con exactitud. En lo posible los vertederos y las canaletas deben ser
calibrados previamente en un laboratorio de hidráulica, es decir, la relación nivel – Caudal
debe determinarse mediante ensayos en laboratorio.
Cuando se realizan aforos con estructuras se debe controlar cuidadosamente su construcción,
de tal manera que se cumplan las condiciones físicas para la implementación de una fórmula
de cálculo para el caudal en función del nivel leído.
En condiciones menos favorables, es necesaria una calibración sobre el terreno para establecer
la importancia de las desviaciones con respecto a la fórmula normalizada o para determinar la
función que relaciona el nivel con el caudal. Por consiguiente, es muy importante medir
periódicamente el caudal por otros métodos con el propósito de detectar posibles variaciones.
Los vertederos y las canaletas pueden ser de flujo libre o sumergido. En el primer caso, el
caudal es función de la altura del nivel de aguas arriba de la estructura y se pueden realizar
calibraciones de exactitud. En el segundo caso, el caudal es función de los niveles aguas arriba
y aguas debajo de la estructura, por lo que las calibraciones efectuadas en el laboratorio son
menos exactas. En muchos sitios, los vertederos y las canaletas se usan solamente para medir
los caudales más bajos (caudales de estiaje); para los caudales altos, la relación Nivel – Caudal
se determina por métodos directos.
2.6.8.1 Aforo Mediante Vertedero
El vertedero se usa cuando las profundidades y las velocidades del flujo son muy bajas de tal
manera que no es posible aforar utilizando molinetes (Foto No.2.10). Es conveniente emplear
un vertedero de cresta aguda en forma de V con ángulo de 90° cuando se requiere medir
caudales bajos dada su gran sensibilidad y precisión.
El vertedero se hace de láminas de hierro galvanizado o cualquier otro material que asegure su
durabilidad.
Para instalar el vertedero, la lámina se empuja en el fondo del canal. Se puede utilizar una pala
para quitar las piedras o las rocas que impiden su penetración uniforme. Generalmente se
utiliza un nivel de mano para asegurar que la parte superior de la placa sea horizontal y que las
caras sean verticales.
La carga o altura de agua que pasa sobre la cresta del vertedero debe medirse a una distancia
aguas arriba tal que no sea afectada por la depresión de la superficie del agua que se produce
al aproximarse a la cresta. Esto se consigue haciendo las mediciones del nivel del agua a una
distancia de por lo menos seis veces la carga (altura) máxima a la que puede llegar el
vertedero.
La forma más conveniente de realizar las mediciones es clavando una estaca en el fondo del
canal o acequia aguas arriba del vertedero sobre la cual se fija una reglilla graduada en
2.18
centímetros, procurando que su origen (el cero de la reglilla), quede a la altura de la cresta del
vertedero. Si el cero de la reglilla no coincide con el nivel del vértice de la cresta del vertedero
se deberá determinar la altura de dicho vértice. La carga sobre el vertedero será igual a la
diferencia de niveles entre la superficie libre del agua en el sitio de la reglilla y el vértice del
vertedero.
Foto No. 2.10 Aforo Mediante Vertedero. Fuente: Manual of Standard Operating, 1998
Existen diferentes tipos de vertederos siendo los más comunes el triangular y el rectangular. El
vertedero rectangular es uno de los más sencillos para construir y por este motivo, se emplea
con mucha frecuencia. La precisión de la lectura que ofrece está determinada por su nivel de
error, que fluctúa entre 3 y 5%. Dentro de los vertederos triangulares, el más comúnmente
utilizado es el que tiene 90° en su vértice inferior, o sea, la escotadura forma un ángulo recto.
Este tipo de vertederos es bastante eficiente, pero presenta una gran pérdida de carga, motivo
por el cual se recomienda especialmente para caudales pequeños (menores de 110 l/s), ya que
para estos caudales su precisión es mayor que la de otros tipos de vertederos.
Otro tipo de vertedero es el que tiene forma trapezoidal en su abertura, el cual también es
conocido como vertedero Cipolletti. Esta estructura requiere que el talud de sus lados sea 1:4.
Este vertedero es de construcción más compleja que los otros dos y no ofrece ventajas
significativas que lo hagan destacar, razón por la que es menos usado que los anteriores. En la
Figura No.2.5 se observa un esquema de los tipos de vertederos descritos.
2.6.8.2 Aforo Mediante Canaletas
Las canaletas portátiles son otro tipo de dispositivos que comúnmente se utilizan para
determinar el caudal cuando las profundidades y las velocidades del flujo son demasiado bajas
para realizar mediciones con molinete. Existen diferentes tipos de canaletas como la Parshall
(Figura No. 2.6). En general, una canaleta consta de las siguientes secciones:
2.19
Figura No. 2.5 Tipos de Vertederos
90°
h
a) Vertedero triangular
4
H
L
1
b) Vertedero Cipolletti
B
L
H
P
>0.05m
c) Vertedero rectangular
2.20
•
•
•
•
Sección de entrada (aguas arriba)
Sección convergente
Sección de contracción o cuello
Sección divergente o de expansión (aguas abajo)
Figura No. 2.6 Planta y Sección Longitudinal de una Canaleta Parshall
Garganta
Sección
Convergente
Sección
Divergente
PLANTA
SECCIÓN LONGITUDINAL
2.7 PARAMETROS BASICOS DE LA SECCION TRANSVERSAL DE AFORO
2.7.1 Número de Verticales
La exactitud de las mediciones del caudal depende en gran parte del número de verticales en
que se hagan observaciones de la profundidad y la velocidad. Las verticales de observación
deben localizarse de modo que se puedan definir adecuadamente los cambios del lecho de la
corriente y la variación horizontal de la velocidad.
En general, el espacio entre dos verticales sucesivas no debe superar 1/20 del ancho total y el
caudal entre ellas no deberá ser mayor al 10 % del caudal total.
“El ancho del cauce y la distancia entre las verticales deben ser obtenidos por mediciones
hechas a partir de un punto fijo de referencia (generalmente un punto inicial en la margen),
que deberá hallarse en el mismo plano de la sección transversal. Normalmente la distancia
entre las verticales se determina con la ayuda de una cinta métrica o de una cuerda que se
2.21
tiende provisionalmente a través del cauce o de marcas semipermanentes pintadas en el
pasamanos de un puente o en un cable de suspensión” (OMM, 1994).
La división de la sección en verticales de medición comienza siempre en un punto fijo de
origen establecido de manera definitiva para todos los aforos que se realicen sobre la sección
transversal. En lo posible se utilizan siempre las mismas verticales de medición para hacer
comparables unos aforos con otros.
Considerando un número n de verticales que pueden ser definidas para propósitos de medición
del flujo en una sección, se puede aplicar el criterio que se indica en el Cuadro No. 2.1.
Cuadro No. 2.1 Número de Verticales en función del ancho del canal
Ancho del canal (m)
0 – 0.5
0.5 – 1
1–3
3–5
5 – 10
Mas de 10
No. de verticales
3a4
4a5
5a8
8 a 10
10 a 20
20 o más
Fuente: Norma ISO 748
Generalmente las verticales de medición son equidistantes, pero en determinadas
circunstancias se definen algunas de ellas más próximas al eje de velocidades máximas, en
pilares de puentes y en orillas o márgenes verticales (bancas).
2.7.2 Ancho
El ancho de la sección transversal se obtiene mediante la sumatoria de los anchos parciales
existentes entre las verticales utilizadas para el aforo, que como se había mencionado
anteriormente, pueden obtenerse por medición de la distancia horizontal desde o hasta el punto
fijo de referencia el cual debe estar ubicado en el mismo plano de la sección transversal en el
sitio de medición.
Cuando el canal es demasiado ancho para aplicar métodos convencionales de medición, la
distancia horizontal se puede determinar por distanciómetros ópticos, electrónicos o por
métodos planimétricos.
2.7.3 Profundidad
La profundidad total es la distancia en metros que existe en cada una de las verticales de
medición entre la superficie y el lecho de la corriente. Cuando se trata de aforos líquidos las
profundidades del lecho y de medición de velocidades se toman desde la superficie libre del
2.22
agua hacia el fondo. Cuando la medición se realiza por vadeo, se puede determinar
directamente la profundidad con una varilla graduada colocada en el lecho de la corriente.
Si se utiliza para la medición el sistema de malacate y molinete, el equipo se hace descender
hasta que el eje de la hélice quede rozando con la superficie libre del agua y a partir de allí se
hace la medición.
2.8 VELOCIDAD MEDIA EN LA VERTICAL
La velocidad media del agua en cada vertical se puede determinar mediante alguno de los
siguientes métodos:
a) Método de distribución de velocidad
b) Método de puntos reducidos
c) Método de integración
d) Método de un punto superficial
La selección del método apropiado de medición de la velocidad depende del tiempo disponible
para el aforo, el ancho de la sección, la profundidad del agua, las condiciones del lecho, las
variaciones del nivel del agua y la exactitud requerida.
2.8.1 Método de Distribución de Velocidad
“Los valores de la velocidad se obtienen de observaciones en un número de puntos en cada
vertical entre la superficie libre del agua y el fondo del canal. El número y espaciamiento entre
puntos debe seleccionarse según la distribución de velocidad en cada vertical, la diferencia de
lecturas entre dos puntos adyacentes no debe ser mayor al 20% con respecto al valor
mayor”(ISO 1088, 1985).
“El método no es conveniente para mediciones rutinarias de caudal por que el aumento
aparente en la precisión se puede perder por errores ocasionados por las variaciones del nivel
del agua durante los largos períodos de tiempo que son necesarios para hacer este tipo de
aforo” (ISO 748 ,1997).
2.8.2 Método de Puntos Reducidos
2.8.2.1 Método de Un Punto
La velocidad se debe medir en cada vertical colocando el molinete al 60% de la profundidad a
partir de la superficie libre del agua. El valor observado se considera como la velocidad media
en la vertical. El método de un punto se usa en aguas someras o poco profundas
(profundidades menores a 60 cm).
2.8.2.2 Método de Dos Puntos
Las observaciones de velocidad se deben hacer en cada vertical colocando el molinete al 20%
y 80% de la profundidad del agua a partir de la superficie libre del agua. El promedio de los
2.23
dos valores puede considerarse como la velocidad media en la vertical. El método de dos
puntos se emplea cuando la distribución de velocidades es regular y la profundidad del agua es
superior a 60 cm.
2.8.2.3 Método de Tres Puntos
La velocidad se mide colocando el molinete en cada vertical al 20%, 60% y 80% de la
profundidad a partir de la superficie libre del agua. El promedio de los tres valores puede ser
considerado como la velocidad media en la vertical. El método de tres puntos debe utilizarse
para mediciones en canales cubiertos por vegetación acuática.
2.8.2.4 Método de Cinco Puntos
El método de cinco puntos puede utilizarse cuando el río está libre de vegetación acuática.
Consiste en medir la velocidad en cada vertical al 20%, 60% y 80% de la profundidad a partir
de la superficie y tan cerca como sea posible de la superficie (vsuperficie) y del lecho (vlecho). La
velocidad media podrá determinarse del gráfico que represente el perfil de velocidades como
se hace en el método de distribución de velocidades o a partir de la ecuación No. 2.6:
Vmedia = 0.1(vsup erficie + 3v0.2 + 3v0.6 + 2v0.8 + vlecho )
(2.6)
El método de cinco puntos se utiliza cuando la distribución vertical de la velocidad es muy
irregular.
2.8.2.5 Método de Seis Puntos
Este método se puede utilizar en condiciones difíciles, cuando por ejemplo hay vegetación
acuática. La velocidad se mide colocando el molinete en cada vertical al 20%, 40% 60% y
80% de la profundidad a partir de la superficie libre del agua y tan cerca como sea posible de
la superficie y del lecho. Los valores de la velocidad se trazan en un gráfico y la velocidad
media se determina como se hace en el método de distribución de velocidad o mediante la
ecuación No. 2.7:
Vmedia = 0.1(v sup erficie + 2v 0.2 + 2v 0.4 + 2 v 0.6 + 2v 0.8 + v lecho )
(2.7)
La exactitud de un método en particular debe determinarse al medir, si es posible, la velocidad
en 6 a 10 puntos en cada vertical para las primeras mediciones del caudal efectuadas en un
nuevo sitio.
2.8.3 Método de Integración
En este método el molinete se baja y se sube a través de toda la profundidad en cada vertical a
una velocidad uniforme. La velocidad a la que se sube o se baja el molinete no debe ser
2.24
superior al 5% de la velocidad media del flujo y en ningún momento debe ser superior a 0.04
m/s. Se deben realizar dos ciclos completos de medición en cada vertical y si los resultados
obtenidos difieren en más del 10%, la operación (dos ciclos completos) debe repetirse hasta
que los resultados obtenidos estén dentro de este límite.
El método de integración arroja buenos resultados si el tiempo de medición es suficiente (60 a
100 seg). Esta técnica generalmente no se usa para corrientes con profundidades menores de 1
m.
Con un molinete de hélices, la velocidad promedio se puede leer de la tabla de calibración del
instrumento según el número promedio de revoluciones (siendo calculada como el número
total de revoluciones dividido por el tiempo total empleado en la medición en la vertical). Se
deben evitar las incertidumbres introducidas por el uso de molinetes que poseen más de una
ecuación.
Cuando se usa una barra de sondeo o un lastre en cualquiera de los tipos de aforo no será
posible medir la velocidad cerca de la superficie y del fondo del canal. Una estimación del
caudal por unidad de ancho para esta zona se puede obtener de la ecuación No. 2.8:
qu = 2
Vm × h f
3
(2.8)
Donde:
qu = caudal por unidad de ancho sobre la zona de medición (m3/s)
vm = velocidad media para la parte medida de la vertical (m/s)
hf = profundidad de la zona no medida (m)
De manera similar, el caudal por unidad de ancho para la zona no medida cercana a la
superficie se obtiene de la ecuación No. 2.9:
qs = 2
Vm × hs
0. 9
(2.9)
Donde:
qs = caudal por unidad de ancho sobre la zona no medida (m3/s*m)
hs = profundidad de la zona no medida (m)
En la medida de lo posible, los equipos de medición se deben seleccionar adecuadamente para
disminuir la profundidad de las zonas no medidas.
2.8.4 Método de un Punto Superficial
En condiciones especiales donde no es posible aplicar los otros métodos, la profundidad del
molinete para la medición de la velocidad puede ser uniforme en todas las verticales,
asegurándose de que las observaciones no sean afectadas por olas producidas por el viento. La
2.25
velocidad superficial se puede transformar en velocidad media en la vertical multiplicándola
por un coeficiente determinado específicamente para la sección y el caudal.
El coeficiente se puede calcular para las estaciones correlacionando la velocidad superficial
con la velocidad al 60% de la profundidad o, donde se requiera una mayor precisión con la
velocidad media obtenida por algún otro método.
Si lo anterior no es posible de realizar, como guía general puede considerarse que el
coeficiente varía entre 0.84 y 0.90, dependiendo de la forma del perfil de velocidades. Valores
entre 0.88 y 0.90 se obtienen cuando la rugosidad del lecho del río es baja.
Nota: el empleo de molinetes cerca de la superficie libre del agua, o del lecho del río debe
estar de acuerdo con las instrucciones de uso de los equipos dadas por los fabricantes.
2.8.5 Fuentes de Error en la Determinación de la Velocidad Media
Cuando se miden velocidades por cualquiera de los métodos descritos se cometen errores de
origen aleatorio o sistemático. Por consiguiente es conveniente determinar un orden de
magnitud de este error de tal manera que se pueda estimar la incertidumbre total de la
medición.
Los errores pueden ser debidos a alguno(s) de los siguientes aspectos:
•
•
•
•
•
•
•
El flujo es inestable, es decir el nivel de agua cambia apreciablemente durante la medición
El material en suspensión interfiere el molinete, distorsionando el valor de velocidad
La dirección del flujo no es paralela a la hélice del molinete
Se usa un molinete para medir velocidades que se encuentran fuera de su rango de
calibración (en algunos casos se mide con molinetes que poseen dos curvas de calibración,
y esta condición no se tiene en cuenta al momento de medir)
Los equipos para la medición (tales como barras de vadeo o cables de suspensión) son
diferentes a los usados durante la calibración del molinete, en cuyo caso se introducen
errores sistemáticos
Es significativa la perturbación de la superficie libre del agua por acción del viento, o
cualquier otra causa, cuando se va a medir la velocidad superficial
El molinete no es sostenido de manera estable en el lugar correcto durante la medición.
2.26
CAPITULO 3
PROCEDIMIENTOS DE AFOROS
LÍQUIDOS
Capítulo 3, Procedimientos de Aforos Líquidos
3 PROCEDIMIENTOS DE AFOROS LIQUIDOS
En el presente capítulo se describen los procedimientos de campo para llevar a cabo aforos
líquidos por los métodos de suspensión, vadeo, flotadores y estructuras y la forma como se
calcula el caudal para cada uno de ellos.
3.1 AFORO POR SUSPENSION
3.1.1 Ejecución del Aforo
El procedimiento recomendado para la ejecución de un aforo por suspensión consta de las
siguientes etapas:
1) Inspección de las condiciones generales del río: se observan las condiciones de niveles y
velocidades que presenta la corriente para establecer si es posible llevar a cabo el aforo. Esto
obedece a que cuando un río presenta niveles y caudales altos (Foto No. 3.1) arrastra
materiales como troncos, plantas, basuras, etc., que pueden poner en riesgo la integridad de
los técnicos aforadores y los equipos de medición.
Foto No. 3.1 Río con Niveles y Caudales Altos
2) Registro de datos e información general en el Formato A1: una vez ubicados los técnicos
aforadores en la estación hidrométrica deben llenar los datos correspondientes al nombre de la
estación, el código, la fecha, el nombre de los técnicos, la hora inicial (en formato sinóptico),
la marca del molinete, el número de serie, el número de hélice empleada y su ecuación y el
método de aforo utilizado. El Formato A1 se puede observar en el Anexo No. 1.
Nota: la hora sinóptica está en escala de 0 a 24 horas. Por ejemplo, las 7:00 AM corresponde
a las 7:00 en hora sinóptica, las 3:00 PM corresponde a las 15:00 en hora sinóptica.
3.1
3) Lectura del nivel del agua en la mira: luego de consignar los datos generales de la estación
y el equipo de medición, la comisión de aforo debe leer la mira o limnímetro (Foto No. 3.2)
para establecer el nivel de agua inicial que presenta el río. El dato de nivel del agua se registra
en el Formato A1 en el campo denominado m.ppal inicial. Si se presentan variaciones
importantes del nivel durante la ejecución del aforo, se debe leer la mira cada vez que se
realiza la medición en una vertical. Este dato se anota en el Formato A1 en la columna NA
(nivel del agua).
Foto No. 3.2 Limnímetro Estación La Victoria, Río Cauca
4) Armado del equipo hidrométrico: se debe ensamblar correctamente el equipo hidrométrico
(Foto No. 3.3), que consta básicamente de malacate, molinete y contador. Para ello es
necesario tener en cuenta las especificaciones técnicas de estos aparatos, las cuales se
encuentran consignadas en los catálogos. Una vez ensamblado el conjunto hidrométrico se
verifica que funcione adecuadamente; la hélice del molinete debe hacerse girar para asegurar
que no está frenada ni presenta otro tipo de problemas, debe ensayarse el funcionamiento del
contador comprobando que exista continuidad y que las condiciones iniciales del tiempo de
medición sean las que se han determinado para el aforo.
5) Selección de la pesa o lastre a utilizar: dependiendo de las condiciones que presente la
corriente al momento de realizar el aforo, es posible que se requiera utilizar un lastre o pesa
para minimizar el ángulo de arrastre producido por el empuje del agua sobre el equipo
hidrométrico. El peso del lastre depende principalmente de la velocidad de la corriente. No
existe un criterio que establezca la magnitud del peso a emplear, por tanto, este parámetro es
definido por los técnicos aforadores con base en su experiencia o por medio de ensayos
repetitivos hasta encontrar el peso adecuado.
6) Medición de la línea de aire: la constante de la línea de aire corresponde a la distancia que
hay entre la base de la pesa o lastre y el eje de la hélice del molinete (Foto No. 3.4). Este
valor se mide utilizando una cinta métrica y debe tenerse en cuenta para el cálculo del valor
de profundidad de aforo.
3.2
Foto No. 3.3 Armado del equipo hidrométrico
Línea de Aire
Foto No. 3.4 Representación de la Línea de Aire
7) Determinación de la abscisa del punto de intersección del nivel del agua con la banca o
margen donde se inicia el aforo: la abscisa en la que se sitúa el nivel del agua corresponde a
la distancia a la cual se encuentra el punto de intersección de la superficie libre del agua con
el contorno de la sección transversal, con respecto a un sistema de referencia preestablecido.
Para hallarla se baja el equipo hidrométrico hasta el punto de intersección y se lee sobre la
baranda del puente (o cable de la tarabita) la abscisa correspondiente utilizando una cinta
métrica. Se toma como referencia la abscisa más cercana (Figura No. 3.1), este valor se
escribe en el formato A1 bajo el campo nivel inicial.
3.3
Figura No. 3.1 Representación de las abscisas en las que se encuentra el Nivel del Agua en
las márgenes de un cauce
Abscisado marcado
en la estructura
Abscisa inicio
de aforo
7.0
Abscisa finalización
de aforo
Abscisa del nivel final de agua
6.0
Abscisa del nivel inicial de agua
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
45
60
75
90
105
120
135
150
8) Traslado de equipos: se traslada el equipo hidrométrico a la abscisa siguiente teniendo
cuidado de no afectarlo por golpes y rozamientos. Una vez se ha ubicado éste en la nueva
abscisa es importante mantener el eje del cable sobre la marca que la identifica. En la
columna correspondiente a distancia desde el punto de referencia (DPR en el Formato A1), se
indica la distancia (en metros) existente entre la vertical de medición y el punto de referencia.
El aforo se inicia por una orilla (se señala en el formato A1 cual de ellas es) y se termina en la
orilla opuesta.
9) Medición de la altura de suspensión: para medir la altura de suspensión, denominada AS en
el formato A1, se coloca en ceros el contador del malacate y se hace descender el equipo
hidrométrico hasta que la parte inferior del lastre toque la superficie libre del agua (Foto No.
3.5), se suma el valor de la línea de aire a la longitud medida y su resultado se anota en el
Formato A1 en el campo AS. Debe tenerse cuidado en el registro de las abscisas y la altura de
suspensión correspondiente a cada una de ellas.
10) Medición de la Longitud del Cable Sumergido desde la Superficie Libre del Agua hasta
el Fondo del Río: Para medir la longitud del cable sumergido, LS, se baja el equipo
hidrométrico hasta que el eje de la hélice toque la superficie libre del agua, se coloca en ceros
el contador del malacate y se hace descender el lastre hasta que toque el lecho del río, a este
valor se suma la línea de aire. Debe tenerse cuidado en esta operación: una vez la pesa toque
el fondo de la corriente se enrolla el cable unos 10 cm y vuelve a descenderse hasta que lo
toque nuevamente. Esta operación se repite hasta lograr una posición estable del conjunto. El
valor obtenido corresponde a la longitud del cable sumergido y se escribe en la columna LS
del Formato A1.
3.4
Foto No. 3.5 Medición de la Altura de Suspensión
11) Determinación de la Profundidad de Flujo no Corregida: Si el lastre no pesa lo suficiente
para mantenerse perpendicular a la superficie del agua, el molinete es arrastrado por la
corriente. En tal situación el cable se aleja de la posición vertical normal formando un ángulo
de inclinación ϕ, denominado ángulo de arrastre (ver Figura No. 3.2). Como consecuencia de
esto las mediciones de profundidad del agua deben ser corregidas. La corrección debe
aplicarse cuando el ángulo de arrastre es superior a 4°, redondeando el resultado al grado más
próximo.
Figura No. 3.2 Relación entre la Profundidad de Flujo Real, PF,
Y la Profundidad no Corregida, PT
AS
AS
ϕ
C1 *AS
NA
LS
PF
PT
C
3.5
Simultáneamente a la medición de la longitud del cable sumergido desde la superficie libre
del agua hasta el fondo del río, debe determinarse el ángulo de arrastre φ (se mide con un
transportador el ángulo que forma el cable con la vertical, ver Fotos No. 3.6 y 3.7)
consignándolo en la columna AA del formato A1. La profundidad de flujo no corregida
(denominada PT en el formato A1) se determina restando de la longitud del cable sumergido
el producto del factor de corrección C1 por la altura de suspensión AS, tal como se expresa en
la ecuación No. 3.1. El factor de corrección C1 se calcula de acuerdo con la expresión
consignada en la ecuación No. 3.2 (ver Cuadro No. 3.1).
Línea de suspensión
del molinete
φ
Plomada de referencia
Foto No. 3.6 Medición del Ángulo de Arrastre en la Estación Suárez, Río Cauca
Foto No. 3.7 Transportador para medir Ángulo de Arrastre
3.6
PT = LS − C1 * AS
(3.1)
C1 = sec ϕ − 1
(3.2)
donde:
C1 = Factor de corrección por ángulo de arrastre (adimensional)
φ = Angulo de arrastre (º)
PT = Profundidad no corregida (m)
LS = Longitud del cable sumergido desde la superficie libre del agua hasta el fondo del río (m)
AS = Altura de Suspensión (m)
Cuadro No. 3.1 Factores de Corrección C1 y C2
Ángulo vertical φ
(°)
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
C1
C2
0.0024
0.0055
0.0098
0.0154
0.0223
0.0306
0.0403
0.0515
0.0642
0.0785
0.0946
0.1126
0.1326
0.1547
0.0006
0.0016
0.0032
0.00050
0.0072
0.0098
0.0128
0.0164
0.0204
0.0248
0.0296
0.0350
0.0408
0.0472
Fuente: ISO 748, 1997.
12) Medición de las velocidades del flujo: Con base en la profundidad de flujo no corregida
medida en la vertical y el método empleado para la determinación de la velocidad se establece
el número de puntos en los cuales se debe medir esta variable. Si la profundidad no corregida
u observada es superior a 60 cm se emplea el método de los dos puntos (descrito en el
numeral 2.8.2.2), en caso contrario se utiliza el método de un punto (descrito en el numeral
2.8.2.1).
De acuerdo al método seleccionado se calcula la profundidad o las profundidades a las que
debería medirse la velocidad. Al valor o a los valores calculados se le suma el producto del
factor de corrección C1 por la altura de suspensión AS. El resultado o los resultados de esta
operación corresponden a las profundidades a las que debe colocarse el molinete para medir
las velocidades.
Para medir las velocidades se coloca en ceros el contador del malacate cuando el eje de la
hélice del molinete coincide con la superficie libre del agua y luego se desciende el equipo a
3.7
las profundidades halladas. Se toman las revoluciones del molinete por un tiempo mínimo de
60 s (que se anota en la columna T del Formato A1) (OMM, 1994) y se escriben en la
columna REV del Formato A1.
13) Determinación de la Profundidad Real: Debido a la fuerza ejercida por la masa de agua en
movimiento el cable sumergido experimenta una curvatura (ver Figura No. 3.2), por lo cual
para determinar la profundidad de flujo real, PF, es necesario ajustar la profundidad de flujo
no corregida, PT, de acuerdo con las expresiones planteadas en las ecuaciones No. 3.3 y 3.4.
Esta corrección se realiza cuando el ángulo de arrastre es superior a 4°.
PF = PT * (1 − C2 )
(3.3)
PF = ( LS − C1 * AS ) * (1 − C2 )
(3.4)
donde :
PF = Profundidad de flujo real (m)
PT = Profundidad de flujo no corregida (m)
C1 = Factor de corrección por ángulo de arrastre (adimensional)
C2 = Factor de corrección por curvatura (adimensional)
LS = Longitud del cable sumergido desde la superficie libre del agua hasta el fondo del río (m)
AS = Altura de Suspensión (m)
Los valores de los factores C1 y C2 se indican en el Cuadro No. 3.1. Estos factores están
basados en el supuesto de que la fuerza de arrastre ejercida sobre el lastre en la capa de agua
relativamente tranquila próxima al fondo puede despreciarse y que la línea de suspensión y de
la pesa están diseñados de modo que ofrezcan poca resistencia a la corriente. La
incertidumbre de esta estimación es tal que si el ángulo que la línea de suspensión forma con
la vertical es mayor a 30° pueden producirse errores importantes y en ese caso se debe
emplear un lastre de mayor peso (IDEAM, 1999).
Otra forma de determinar el valor de la profundidad de flujo real, PF, consiste en restar de la
profundidad de flujo no corregida, PT, el valor de la corrección C (ver Figura No. 3.2), de
acuerdo con las ecuaciones No. 3.5 y 3.6. Los valores de C se indican en el Cuadro No. 3.2.
PF = PT − C
(3.5)
PF = ( LS − C1 * AS ) − C
(3.6)
A manera de ejemplo se propone calcular el valor de la profundidad de agua real, PF para un
aforo realizado en la Estación Suárez (Río Cauca) con base en los siguientes datos de
campo:
•
•
•
Método de aforo: área – velocidad, tomando las velocidades al 20% y al 80% de la
profundidad total.
Distancia entre el eje de la hélice del molinete y la base del lastre o valor de la línea de
aire = 0.25 m
Altura de suspensión, AS = 7.75 m
3.8
•
•
Ángulo de arrastre , ϕ = 8°
Longitud de cable sumergida LS= 2.62 m
Cuadro No. 3.2 Factor de Corrección, C (m)
Factor de Corrección, C (m)
PT
(m)
Angulo de Arrastre φ (º)
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
1
2
0.01 0.01 0.01 0.02 0.03 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.10
3
0.01 0.02 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.08 0.09 0.11 0.13 0.15
4
0.02 0.02 0.03 0.04 0.05 0.07 0.08 0.10 0.12 0.14 0.17 0.19
5
0.02 0.03 0.04 0.05 0.07 0.08 0.11 0.13 0.15 0.18 0.21 0.24
6
0.02 0.03 0.04 0.06 0.08 0.10 0.13 0.15 0.18 0.22 0.25 0.29
7
0.02 0.04 0.05 0.07 0.09 0.12 0.15 0.17 0.21 0.25 0.29 0.34
8
0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.13 0.17 0.20 0.24 0.29 0.34 0.39
9
0.03 0.05 0.06 0.09 0.12 0.15 0.19 0.23 0.27 0.32 0.38 0.44
10
0.03 0.05 0.07 0.10 0.13 0.17 0.21 0.26 0.31 0.36 0.42 0.48
11
0.03 0.06 0.08 0.10 0.14 0.18 0.23 0.28 0.34 0.40 0.46 0.53
12
0.04 0.06 0.08 0.11 0.16 0.20 0.25 0.31 0.37 0.43 0.50 0.58
13
0.04 0.07 0.09 0.12 0.17 0.21 0.27 0.33 0.40 0.47 0.55 0.63
14
0.04 0.07 0.10 0.13 0.18 0.23 0.29 0.36 0.43 0.50 0.59 0.68
15
0.05 0.08 0.11 0.14 0.20 0.25 0.32 0.38 0.46 0.54 0.63 0.73
16
0.05 0.08 0.11 0.15 0.21 0.26 0.34 0.41 0.49 0.58 0.67 0.78
17
0.05 0.09 0.12 0.16 0.22 0.28 0.36 0.43 0.52 0.61 0.71 0.82
18
0.05 0.09 0.13 0.17 0.23 0.30 0.38 0.46 0.55 0.65 0.76 0.87
19
0.06 0.10 0.13 0.18 0.25 0.31 0.40 0.48 0.58 0.68 0.80 0.92
20
0.06 0.10 0.14 0.19 0.26 0.33 0.42 0.51 0.61 0.72 0.84 0.97
0.01 0.01 0.01 0.01 0.02 0.02 0.03 0.03 0.04 0.04 0.05
Fuente IDEAM, 1999
Solución
De acuerdo con la ecuación No. 3.5 la profundidad de flujo real es igual a:
PF = ( LS − C1 * AS ) * (1 − C2 )
Los valores de los factores C1 y C2 se obtienen del Cuadro No. 3.1. Al reemplazar valores se
tiene que:
PF = [ 2.62 m − 7.75 m × 0.0098
]
3.9
[ 1 − 0.0032 ] = 2.54
m
14) Determinación de la abscisa a la que se encuentra el nivel del agua en la margen donde
termina el aforo: se aplica el mismo procedimiento empleado para la determinación de la
abscisa correspondiente a la margen donde se inició el aforo. El dato se consigna en el
Formato A1, haciendo la anotación respectiva.
15) Lectura de mira una vez ha concluido el aforo: al final del aforo se lee nuevamente la mira
para determinar el nivel del agua. El dato se registra en el Formato A1, al igual que la hora
correspondiente.
3.1.2
3.1.2.1
Cálculo del caudal
Nivel Constante
Si la fluctuación del nivel del agua durante la medición de velocidades es menor al 5% de la
profundidad media o es inferior a 5 cm, se debe adoptar el valor promedio del nivel para el
cálculo de la descarga. El caudal se calcula utilizando alguno de los siguientes métodos: sección
media y semisección.
Método de la Sección Media
Se considera que la sección transversal está compuesta de un número de franjas, cada una de ellas
limitada por dos verticales adyacentes. Si vi es la velocidad media en la vertical i y v i +1 la
velocidad media de la vertical adyacente i+1, y si d i y d i +1 representan las profundidades totales
respectivas en las verticales i e i+1 y b es la distancia horizontal existente entre ellas (Figura No.
3.3), entonces el caudal q de la franja será:
⎛ v i + v i +1 ⎞ ⎛ d i + d i +1 ⎞
⎟⎜
⎟⎟ × b
q = ⎜⎜
⎟⎜
2
2
⎠
⎝
⎠⎝
(3.7)
El caudal en la primera y última franjas de la sección transversal (es decir, en los sectores
inmediatos a las bancas) se puede estimar por medio de la ecuación anterior asumiendo que la
profundidad y la velocidad en las bancas son iguales a cero.
El caudal total en la sección de aforo se obtiene sumando los caudales parciales en cada una de
las franjas así:
n
Q = ∑ qi ;
(3.8)
i =1
donde n es el número de franjas
3.10
Figura No. 3.3 Método de la Sección Media para el cálculo del caudal
Vertical i
Vertical i+1
Vi+1(0.2)
Vi (0.2)
di
di+1
Vi+1 (0.8)
Vi (0.8)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Verticales
Método de la Semisección
Asumiendo una variación lineal del producto de v y d (velocidad media y profundidad en una
vertical determinada), el caudal en cada segmento se puede calcular multiplicando v por d y el
ancho correspondiente medido a lo largo de la línea superficial del agua, el cual puede tomarse
como la suma de los anchos medios existentes entre las verticales adyacentes y la vertical para la
cual se ha calculado el producto de estas variables. El valor de vd en los dos anchos medios
próximos a las bancas se puede considerar como cero. Por esta razón la primera y última
verticales de medición deben tomarse tan próximas a las bancas como sea posible. En la Figura
No. 3.4 se ilustra el cálculo del caudal por este método.
El cálculo de la descarga se realiza para cada vertical y el caudal total se obtiene sumando las
descargas parciales mediante la siguiente ecuación:
Q = vi di
bi + bi +1
2
(3.9)
Una vez se haya elegido el método de cálculo del caudal se realizan las operaciones matemáticas
necesarias y se registran los datos obtenidos en el Formato A1. En el Anexo No. 3 se describen
algunos métodos gráficos para calcular el caudal, los cuales requieren de una mayor cantidad de
información y, generalmente, se aplican cuando se inicia un programa de aforos en una nueva
estación hidrométrica.
3.11
Figura No. 3.4 Método de la Semisección para el cálculo del caudal
Vertical i
Vi (0.2)
Vi (0.8)
bi
i-2 i-1
3.1.2.2
bi+1
i
Verticales
i+1 i+2
Nivel Variable
Si la fluctuación del nivel del agua durante la medición de velocidades es mayor al 5% de la
profundidad media o es superior a 5 cm, el caudal y el nivel promedio del agua deben calcularse
como se indica a continuación: Para calcular el caudal se grafica el nivel del agua separadamente
para cada franja formando una serie de gradas como se muestra en la Figura No. 3.5. De manera
alternativa, el nivel se puede representar mediante una curva suave. Luego, se dibuja sobre la
línea que indica la superficie del agua una curva cuyas ordenadas corresponden al producto de la
velocidad media y la profundidad en las verticales de medición (que corresponden a las abscisas).
El área comprendida entre la curva anteriormente dibujada y la línea que indica el nivel del agua
representa el caudal total que fluye por la sección transversal.
Figura No. 3.5 Cálculo del Caudal y el Nivel Medio del Agua cuando la fluctuación del Nivel
del Agua es superior de 5 cm o menor del 5% de la Profundidad Media
vd
bi
vd
Nivel medio del agua
Δd
di
zi
z
Nivel de referencia
3.12
El nivel medio del agua representativo para el caudal aforado se calcula utilizando las siguientes
ecuaciones:
z=
∑q z
i
i
(3.10)
qi = bi d i v i
(3.11)
Q
donde
z = nivel medio del agua sobre el nivel de referencia
q i = caudal parcial en el segmento i
z i = nivel medio del agua correspondiente al caudal parcial q i
Q = caudal total y es igual a la sumatoria de los caudales parciales
∑q
i
bi = ancho en el segmento i
d i = profundidad en el segmento i
v i = velocidad media
Cuando el nivel del agua varía durante el aforo es importante considerar esta situación para
determinar los niveles reales del fondo del cauce; si se calculan los niveles del fondo con base en
el nivel medio del agua se obtendrá una sección y niveles del lecho ligeramente diferentes de la
sección y niveles reales. En la Figura No. 3.6 se muestra esta situación.
Figura No. 3.6 Nivel de Fondo real y calculado para una Sección Transversal
Nivel real
Profundidad
∆ Nivel
Nivel promedio
Sección calculada
con
el
nivel
medio
Sección calculada con
el nivel de cada
vertical
3.13
3.2 AFORO POR VADEO
Cuando se afora una corriente por vadeo se debe emplear el siguiente procedimiento:
1) Verificación de las condiciones de la corriente: antes de iniciar el aforo se debe verificar las
condiciones de seguridad que ofrece el río (velocidad de la corriente y profundidad de flujo),
de acuerdo con los procedimientos sugeridos en el ítem 7.2 de este manual.
aforadores en la estación hidrométrica deben llenar los datos correspondientes al nombre de la
estación, el código, la fecha, el nombre de los técnicos, la hora inicial (en formato sinóptico),
la marca del molinete, el número de serie, el número de hélice empleada y su ecuación y el
método de aforo utilizado.
3) Lectura del nivel del agua en la mira: luego de consignar los datos generales de la estación
y el equipo de medición, la comisión de aforo debe leer la mira para establecer el nivel inicial
que presenta el río. El dato obtenido de nivel de agua se registra en el Formato A1 en el
campo denominado m.ppal inicial. Si se presentan variaciones importantes del nivel del agua
durante la ejecución del aforo se debe leer la mira cada vez que se va a realizar la medición en
una vertical. Este dato se escribe en el Formato A1 en la columna NA (nivel de agua).
4) Armado del equipo hidrométrico: el equipo consta básicamente de molinete, varilla de
vadeo (graduada en sistema métrico y con punta de forma conveniente para evitar que se
entierre en el lecho y se sobreestime la profundidad) y contador. La varilla se emplea para
acoplar en ella el molinete y medir la profundidad. Luego de ensamblar el equipo se verifica
que funcione adecuadamente.
5) Determinación del ancho de la corriente: el ancho del río se mide tendiendo una cinta
métrica de orilla a orilla de manera perpendicular a la dirección de flujo (Foto No. 3.8). El
dato obtenido se tiene en cuenta para el cálculo del número de verticales a utilizar en el aforo.
O
Foto No. 3.8 Medición del Ancho de un río
3.14
6) Cálculo del espaciamiento o distancia entre verticales: cuando no existe una sección de
aforo predeterminada en una corriente se establece el número de verticales de medición por
medio del criterio descrito en la sección 2.7.1, procurando que este valor sea fácil de leer en
la cinta métrica. El técnico aforador debe elaborar un esquema representativo de la sección
transversal, en el cual registre los datos de ancho de la sección transversal y número de
verticales empleadas.
7) Tendido de la cinta métrica: la cinta métrica (también puede utilizarse una cuerda graduada
adecuadamente) se tiende y sujeta a dos puntos fijos (Foto No. 3.9), de modo que sea
perpendicular en cualquier punto a la dirección de flujo. La cinta debe tener la tensión
necesaria para minimizar la catenaria y, además, debe estar situada a una altura que facilite al
aforador la determinación de las abscisas correspondientes a cada una de las verticales de
medición.
Foto No. 3.9 Punto fijo de amarre de la cinta métrica
8) Determinación de la abscisa del punto de intersección del nivel del agua con la banca o
margen donde se inicia el aforo: se sostiene la varilla junto con el equipo hidrométrico
sobre el punto en el cual se intercepta el nivel del agua con el contorno de la sección
transversal, de tal modo que se garantice la perpendicularidad del conjunto; se lee el valor de
la abscisa correspondiente basándose en la abscisa más cercana. Este valor se escribe en el
Formato A1 bajo el campo Nivel Inicial.
9) Traslado de equipos a la abscisa siguiente: se posiciona el aforador con el equipo
hidrométrico en la abscisa siguiente (Foto No. 3.10).
10) Medición de la profundidad de flujo: para medir la profundidad de flujo en una vertical se
desciende la varilla junto con el equipo hidrométrico hasta que toque el lecho de la corriente
procurando que el conjunto permanezca siempre en una posición tal que sea perpendicular al
fondo. Se debe tener la precaución de evitar que la varilla se hunda y por tanto se produzcan
errores en la medición. Luego, se escribe este valor en el formato A1 en la columna PF.
3.15
Foto No. 3.10 Traslado del Equipo Hidrométrico
11) Medición de las velocidades de flujo: con base en la profundidad de flujo medida en una
vertical se establece el número de puntos en los cuales es necesario tomar la velocidad
mediante el siguiente criterio: si la profundidad de flujo es igual o superior a 60 cm se
determina la velocidad al 20% y al 80% de la profundidad, medida desde la superficie libre
del agua; en caso contrario, se toma la velocidad al 60% (OMM, 1994). Se calcula el (los)
porcentaje (s) para determinar la(s) profundidad (es) a la que debe colocarse el equipo
hidrométrico, se posiciona el molinete sobre la varilla a la longitud correspondiente y se
toman las revoluciones para un tiempo de 60 s. En caso que sea necesario tomar las
revoluciones a dos profundidades, se saca el equipo del agua, se posiciona nuevamente el
molinete sobre la varilla y se registran las revoluciones. Se consignan los datos en el Formato
A1 en la columna REV. Este procedimiento se repite para cada una de las verticales de
medición seleccionadas. En la Foto No. 3.11 se observa la medición de velocidades en una
corriente (Río Jamundí, Valle del Cauca, Colombia).
Foto No. 3.11 Medición de Velocidades
3.16
12) Determinación de la abscisa a la que se encuentra el nivel del agua en la margen donde
termina el aforo: se aplica el mismo procedimiento empleado para la determinación de la
abscisa correspondiente al nivel de agua inicial. Se escribe el dato en el Formato A1 luego de
la última abscisa en la cual se hicieron determinaciones de profundidad y velocidad (es).
13) Lectura de mira una vez ha concluido el aforo: al final del aforo se lee nuevamente la mira
para determinar el nivel del agua. El dato se registra en el Formato A1 en el campo
denominado mppal final. Al concluir el aforo se registra el dato correspondiente a la hora en
formato sinóptico.
14) Cálculo del caudal: para calcular el caudal se aplica el método de sección media o
semisección tal como se describió para el método de aforo por suspensión teniendo en cuenta
que no es necesario hacer correcciones a las profundidades.
3.3 AFORO POR FLOTADORES
El procedimiento para llevar a cabo un aforo por el método de flotadores es el siguiente:
aforadores en el sitio de medición deben llenar los datos correspondientes al nombre de la
corriente, la fecha, el nombre de los técnicos, la hora inicial (en formato sinóptico), el tipo de
flotador utilizado y la cuenca hidrográfica.
2) Selección de las secciones de medición: se deben seleccionar dos secciones transversales en
un tramo recto del curso de agua, las cuales deben estar lo suficientemente espaciadas entre sí
de manera que sea posible medir con exactitud el tiempo necesario para que el flotador pase
de una sección a la siguiente. Se recomienda un lapso de 20 s, aunque podrán emplearse
intervalos más breves en el caso de ríos pequeños en los que sea muy difícil seleccionar un
tramo recto de longitud adecuada y presenten altas velocidades de flujo.
3) Medición de la distancia entre secciones transversales: una vez se han seleccionado las
secciones convenientes se procede a medir la distancia entre ellas utilizando cinta métrica y,
de ser posible, teodolito u otro tipo de instrumento para mejorar la precisión en la toma de los
datos. La distancia se registra en el Formato A2 (ver Anexo No. 1).
4) Lanzamiento del flotador y medición del tiempo de recorrido entre secciones: el flotador
se debe lanzar aguas arriba a una distancia suficiente de la primera sección transversal para
permitir que alcance una velocidad constante antes de llegar a ésta. Una vez el flotador la ha
atravesado, se registra el tiempo que éste tarda en recorrer la distancia existente entre ésta y la
sección siguiente. Este procedimiento se realiza con un número determinado de flotadores
(entre 20 y 35. En caso de utilizarse flotadores naturales se debe hacer como mínimo 20
mediciones), los cuales se deben lanzar en diferentes posiciones sobre el ancho del río. Los
datos correspondientes al tiempo utilizado por cada flotador se registran en el formato A2 en
el campo tiempo utilizado.
3.17
5) Determinación de la forma de las secciones transversales: la forma de las secciones
transversales se establece por medio de levantamientos topográficos realizados con equipos
de precisión. En caso de que la corriente sea pequeña y por lo tanto no se justifique el empleo
de estos instrumentos, la forma y dimensiones de la sección transversal se pueden establecer
mediante un perfilómetro de construcción artesanal como el que se muestra en la Figura No.
3.7.
Figura No. 3.7 Perfilómetro para medición de Secciones Transversales
20
40
60
80
100
140
120
160
180
6) Cálculo del caudal: con los datos recolectados en campo se realiza el cálculo del caudal,
prestando atención a la determinación de la velocidad media, la cual se calcula con base en
las observaciones hechas para cada uno de los flotadores utilizados. El valor de la velocidad
se debe afectar por un coeficiente que depende del tipo de flotador (ver Cuadro No. 3.3). El
caudal se determina como el producto de la velocidad media corregida y el área de la sección
transversal. El dato se registra en el formato A2.
Cuadro No. 3.3 Valores del coeficiente de corrección de la Velocidad Media para el método
de flotador
Tipo de flotador
Superficial
Doble
Otros
Valor del coeficiente
0.84 a 1.0
1.0 (60% de profundidad)
0.96 (50% de profundidad)
0.80 a 1.0
Fuente: ISO 748, 1997
3.18
3.4 AFORO MEDIANTE ESTRUCTURAS HIDRÁULICAS
En muchas ocasiones es necesario aforar corrientes muy pequeñas en las cuales la presión por el
uso es muy importante debido, por ejemplo, a un gran número de usuarios que necesitan el agua.
En estos casos la correcta medición de los caudales cobra singular importancia ya que se trata del
aprovechamiento de un recurso escaso y, por lo tanto, pueden crearse conflictos relacionados con
su distribución. En estas situaciones regularmente se procede a realizar aforos puntuales por
métodos como el flotador con las limitaciones en precisión que este conlleva.
Existen estructuras hidráulicas de fácil construcción, transporte y manipulación que permiten
realizar un aforo con un grado de precisión aceptable; éstas se pueden utilizar para ejecutar aforos
puntuales, así como para el establecimiento de programas de monitoreo transitorios que ayuden a
conocer mejor la hidrología de la corriente. Estas estructuras son los vertederos y las canaletas.
El procedimiento para llevar a cabo aforos mediante estructuras es el siguiente: selección del
sitio, registro de datos e información general en el formato A3, adecuación del canal, instalación
de la estructura de aforo, ejecución del aforo (toma de datos) y cálculo del caudal.
A continuación se describe cada una de estas etapas:
1) Selección del sitio: el sitio donde se instala la estructura de aforo debe cumplir con una serie
de condiciones especiales que permitan llevar a cabo la determinación del caudal de manera
exitosa. Entre ellas se pueden citar las siguientes:
•
El cauce debe tener una pendiente suave y uniforme aguas arriba de la estructura de
manera que el agua no ejerza mucha presión sobre ella y pueda modificar su posición una
vez se ha instalado correctamente.
•
La sección de la corriente debe ser uniforme para que exista una adecuada distribución del
flujo.
•
El canal debe tener un tramo recto de longitud conveniente (por lo menos 10 veces la
longitud de la cresta para el caso de vertederos), al final del cual se instala la estructura de
aforo.
aforadores en el sitio de medición deben llenar los datos correspondientes al nombre de la
corriente, la fecha, el nombre de los técnicos, la hora inicial (en formato sinóptico), el tipo de
estructura utilizada y la cuenca hidrográfica.
3) Adecuación del canal: después de seleccionar la sección de aforo más conveniente, es
necesario adecuar el tramo donde se instalará la estructura. Para ello hay que retirar malezas,
piedras o sedimentos que se encuentren en el fondo, palos que obstruyan el flujo, etc. En
algunos casos, es posible que se deba modificar la sección transversal para darle un ancho o
pendiente uniforme, por lo que se recomienda llevar al campo herramientas como pala o
palín, pica, nivel de mano o manguera pasaniveles, machete, flexómetro, etc.
3.19
4) Instalación de la estructura de aforo: una vez se ha adecuado el tramo del canal para el
aforo se procede a instalar la estructura hidráulica, la cual puede ser un vertedero o una
canaleta. Las etapas para instalar un vertedero son las siguientes:
•
Elegir un sector del canal lo más recto posible y más angosto que el vertedero y colocar
éste en forma perpendicular a la corriente del agua (Figura No. 3.8).
Figura No. 3.8 Selección del tramo para instalación de una estructura
•
Excavar el borde y fondo del canal e instalar la estructura de manera que quede nivelada y
sellar los bordes para que no se produzcan filtraciones por el fondo y los lados (Figura
No. 3.9).
Figura No. 3.9 Instalación de un Vertedero en una corriente
•
Instalar la reglilla de lectura de carga o altura de agua sobre el vertedero a una distancia
aguas arriba igual o mayor de 6 veces el valor de la carga que se va a medir (Figura No.
3.20
3.10). Esto se hace con el fin de evitar que el valor no sea afectado por la depresión de la
superficie del agua que se produce al aproximarse a la cresta (error de remanso).
Figura No. 3.10 Instalación de la reglilla de medición
H
L > 6H
Reglilla
H
P > 3H
L>6H
El procedimiento descrito anteriormente corresponde a la instalación de un vertedero.
Para instalar una canaleta se puede seguir un procedimiento similar, teniendo en cuenta
que ésta no requiere colocarle reglilla por que la puede traer dibujada o adherida sobre la
sección convergente.
Para la instalación de las estructuras hidráulicas se deben tener en cuenta las siguientes
recomendaciones:
•
La cresta o umbral de los vertederos debe ser horizontal y de espesor constante. Para
el caso de canaletas se debe garantizar la horizontalidad del umbral, para lo cual se
utiliza un nivel de mano.
•
La distancia desde el fondo del canal hasta la cresta (para el caso de vertederos) debe
tener un valor mínimo de 3 veces la carga o altura de agua sobre el vertedero.
•
El valor de la carga a medir no debe ser menor de 6 cm para el caso de vertederos.
3.21
•
Debe existir caída libre del chorro de agua que sale de las estructuras.
•
Para el caso de vertederos se debe garantizar la verticalidad de la pared.
5) Ejecución del aforo: una vez se haya instalado correctamente la estructura se procede a
ejecutar el aforo (Figura No. 3.11), el cual consiste en realizar lecturas del nivel del agua en la
reglilla de medición. Se debe verificar que el flujo sea estable y que no haya presencia de
obstáculos flotantes que podrían distorsionar los datos.
Figura No. 3.11 Ejecución de un aforo mediante Estructuras
6) Cálculo del caudal: con los valores registrados de nivel se determina el caudal por medio de
una ecuación o una tabla H-Q, la cual ha sido establecida previamente mediante calibración
del aforador en laboratorio. Los datos se registran en el formato A3. En el Anexo No.4 se
muestra, a manera de ejemplo, el cálculo del caudal mediante un vertedero.
3.22
CAPITULO 4
PROCEDIMIENTOS DE AFORO DE
CAUDALES SÓLIDOS
Capítulo 4, Aforo de Caudales Sólidos
4 PROCEDIMIENTOS DE AFORO DE CAUDALES SOLIDOS
En términos generales sedimento es cualquier fragmento de material transportado, suspendido
o depositado por el agua o por el aire.
El fenómeno de la erosión está íntimamente ligado al fenómeno de los sedimentos en los
cursos de agua; en donde el principal factor erosivo es el agua.
La erosión producida por el agua es de tres tipos:
•
•
•
Laminar, que consiste en la remoción de la capa superficial de suelo.
Zanjas o cárcavas, que es un estado en que los cauces van creciendo y profundizándose
cada vez más.
Fluvial, que es el fenómeno por el cual un río socava su propio lecho y eroda el talud de
sus orillas.
La mayoría de los ríos arrastran sedimentos de muy variadas características, tanto en su origen
mineralógico como en densidad y tamaño. Es lógico, por consiguiente, esperar que los
procesos de sedimentación presenten diferencias de acuerdo con el tipo de material.
Los sedimentos se clasifican según su tamaño en: (i) gruesos, con diámetros en el rango de
gravas y arenas; (ii) finos, en rango de arenas finas, limos y arcillas. Esta clasificación no es
simplemente estática sino que tiene implicaciones dinámicas relacionadas con la forma como
estos materiales son transportados y depositados por el flujo.
La obtención de muestras de sedimentos transportados por la corriente permite determinar la
cantidad de sólidos que ésta lleva por unidad de tiempo.
El transporte total comprende tanto el sedimento que se traslada suspendido en la corriente
como el que viaja arrastrándose o rodando por el fondo. El transporte de arrastre de fondo se
mide directamente con muestreadores y se expresa generalmente en metros cúbicos por día
(m3/día) El transporte de sedimentos en suspensión se refiere a la cantidad de sólidos o
sedimentos suspendidos que pasan por la sección de una corriente en una unidad de tiempo, se
expresa generalmente en toneladas por día (Ton/día) o kilogramos por segundo (kg/s).
4.1 METODOS DE AFORO DE LA CARGA TOTAL EN SUSPENSION
Para los métodos de aforo de sedimentos la medición del caudal líquido debe ser simultánea o
previa al aforo sólido. Para medir el transporte o carga total en suspensión existen dos tipos de
muestreadores: puntuales e integradores.
4.1.1 Muestreo Puntual
Generalmente en grandes ríos cuyas profundidades son mayores de 5 m se utiliza el método de
mediciones puntuales.
4.1
Los muestreadores de tipo puntual están diseñados de tal manera que la entrada del flujo por la
boquilla hacia el recipiente está controlada por una válvula que puede ser abierta o cerrada de
forma manual o eléctricamente por el técnico desde la superficie. El tiempo de llenado
depende de la velocidad del flujo y del tamaño de la boquilla. El instrumento más utilizado
para esta clase de mediciones es el conocido como USP-61.
Existen varias formas de seleccionar los puntos de muestreo para la medición de los
sedimentos en suspensión en la vertical empleando el método puntual:
•
•
•
•
Una muestra única tomada a una distancia desde la superficie libre del agua al 60% de la
profundidad.
Dos muestras, una al 20% y otra al 80% de la profundidad, con igual factor de
ponderación.
Tres muestras tomadas al 20%, al 60% y al 80% de la profundidad, también con igual
factor de ponderación.
Varias muestras tomadas en diferentes puntos para establecer la distribución de la
concentración en la vertical con el grado de precisión requerida. Generalmente se toman
muestras cada 10% de la profundidad, es decir 10 puntos repartidos equitativamente en la
vertical.
4.1.2 Muestreo Integrado
Los equipos muestreadores integradores en profundidad no disponen de válvulas para
controlar la entrada del agua y sedimento al recipiente, por lo cual el equipo recolecta agua y
sedimentos siempre que se halle sumergido.
En las muestras integradas el muestreador recorre la vertical en ambas direcciones (superficie
– fondo – superficie), de tal manera que toma una cantidad de muestra a lo largo de la vertical
y así la medida representa la concentración promedia en ella.
En CVC se utiliza para esta clase de muestreo los integradores USDH – 48 para mediciones
por vadeo y USDH – 49 para suspensión, los anteriores muestreadores deben emplearse en
profundidades menores o iguales a 5 m.
En las figuras No. 4.1 y 4.2, se presentan esquemas de estos equipos. El procedimiento para
aforar con integradores USDH – 48 Y USDH – 49 es el siguiente:
•
Del aforo líquido realizado previamente se toman las velocidades medias de las verticales
para determinar, empleando un nomograma o ábaco, las velocidades de tránsito y tiempos
necesarios para tomar una muestra adecuada.
•
Se selecciona la boquilla de acuerdo con las velocidades del flujo y se coloca la botella
correspondiente en el instrumento (ver Anexo No. 5 Tablas de velocidad).
4.2
•
El número de verticales en la sección para el muestreo debe estar entre 3 y 10 (OMM,
1994).
Figura No. 4.1 Muestreador Integrador en profundidad de Sedimento en Suspensión
Tipo USDH – 49
Platina de
Suspensión
Boquilla
Perforaciones
de drenaje
Figura No. 4.2 Muestreador Integrador en profundidad de Sedimento en Suspensión
Tipo USDH – 48
Platina de
Suspensión
Boquilla
•
Se coloca el equipo de manera que la boquilla enfrente la corriente, se baja hasta el fondo
y se regresa nuevamente a la superficie a una velocidad de desplazamiento constante. Se
debe tener precaución de no demorar el muestreador en el fondo e impedir que toque el
lecho del río, llevándolo a unos pocos centímetros por encima de éste y así evitar que el
sedimento se levante y altere la muestra. Para esto es necesario conocer de antemano el
valor de la profundidad en el sitio de medición.
•
La velocidad de desplazamiento, Vt a la cual el muestreador se opera hacia el fondo y
luego hacia la superficie no debe exceder el 40% de la velocidad media del flujo en la
vertical de muestreo.
4.3
•
La velocidad de desplazamiento hacia el fondo debe ser tal que la relación de compresión
del volumen de aire en la botella no debe exceder su velocidad de llenado.
•
Se rechazarán las muestras que sobrepasen los 4/5 de la capacidad de la botella con lo cual
se asegura que no se presenta recirculación. Muestras con volumen inferior a los 2/3 de la
capacidad de la botella se consideran pequeñas; se pueden admitir sólo cuando estén muy
cerca a este límite inferior.
•
Se emplea una botella en cada muestra y se evita el trasvase.
•
Se toman por lo menos 3 muestras integradas en cada vertical.
•
Las botellas que contienen las muestras se tapan en forma hermética (tapa y contratapa)
para evitar pérdidas de líquido y se transportan al laboratorio en donde se hará el análisis.
•
En forma simultánea a la medición se consignan los datos obtenidos en un formato
conveniente (ver Anexo No. 1, formato A6).
Se requiere un malacate de 30 kg de capacidad y suficientes botellas para el muestreo.
4.2 MEDICION DEL TRANSPORTE O CARGA DE FONDO
La forma más sencilla de calcular el arrastre de fondo consiste en excavar un agujero o trampa
en el lecho de la corriente y retirar el material que cae en él en un tiempo determinado, éste
posteriormente se pesa y se relaciona con el caudal circulante durante la medición. La zona
situada aguas arriba de un vertedero o canaleta de aforo puede actuar análogamente como una
trampa de sedimentos, pero es posible que no se sepa si se ha recogido todo el arrastre de
fondo. En los lugares con grandes cargas de arrastre este procedimiento puede necesitar
mucho tiempo y resultar engorroso.
La medición del transporte de fondo es difícil debido a la naturaleza estocástica del
movimiento del sedimento y a que el fenómeno se produce en forma de ondas de fondo, dunas
y barras. Ningún equipo resulta completamente adecuado para retener tanto las partículas más
grandes como las más pequeñas con la misma eficiencia, permaneciendo en una posición
estable y orientado hacia la corriente sobre el fondo del río, sin perturbar el flujo natural y el
movimiento del sedimento. Los muestreadores disponibles se clasifican en tres tipos: de cesta,
de cazoleta y de diferencia de presión.
Los muestreadores de tipo cesta están hechos, por lo general, de mallas y tienen una abertura
en la parte orientada contra la corriente por la que se desliza la mezcla de agua y sedimento.
La malla deja pasar el sedimento en suspensión, pero retiene el sedimento que se desliza a lo
largo del lecho. Los muestreadores de tipo cazoleta suelen ser de sección longitudinal en
forma de cuña y se instalan de modo que la arista de la cuña corte la corriente. La cazoleta
contiene ranuras para retener los materiales en movimiento.
4.4
Los muestreadores basados en el principio de la diferencia de presión están diseñados para
producir en la salida del instrumento una caída de presión lo suficientemente importante para
contrarrestar las pérdidas de energía y asegurar así una velocidad de entrada igual a la de la
corriente en condiciones normales. Un diafragma perforado dentro del equipo obliga a la
corriente a hacer caer el sedimento en una cámara de retención y luego salir a través de una
salida superior.
Dado que medir el arrastre de fondo necesita de un soporte logístico importante y presenta
limitaciones por la eficiencia de los equipos y la escasez de metodologías disponibles para
ello, regularmente la implementación de este tipo de mediciones obedece a estudios muy
específicos que no son objeto de este manual.
4.3 CARACTERIZACION DEL MATERIAL DEL LECHO
Caracterizar el material del lecho de una corriente es importante en la medida en que permite
definir la distribución granulométrica de los sedimentos que lo conforman en un sitio
determinado y con condiciones hidrológicas e hidráulicas específicas. Con esta información se
soporta la aplicación de metodologías para el cálculo de diferentes variables que influyen en el
comportamiento hidrodinámico de la corriente, como por ejemplo la rugosidad y el transporte
de fondo, entre otros.
Para caracterizar el material del lecho es necesario tomar muestras mediante distintos métodos.
Las normas internacionales (ISO, ASTM, BS) no son muy específicas en cuanto a la selección
del sitio de muestreo y el número de muestras requeridas. Dependiendo de la disponibilidad de
recursos, el muestreo se puede hacer de forma densa, de tal manera que se tomen muchas
muestras en sitios representativos como se explica más adelante o se pueden tomar muestras
en las estaciones de medición hidrométrica ya establecidas; en cualquiera de los dos casos se
sugiere el siguiente procedimiento para llevar a cabo el muestreo:
4.3.1 Muestreo Denso
Este tipo de muestreo busca obtener información sobre la distribución longitudinal y
transversal de los materiales en el lecho para un tramo del río; para ello se necesita de un
soporte logístico importante. El procedimiento de muestreo es el siguiente:
1.
Selección de los sitios de muestreo: sobre una base cartográfica existente se realiza una
preselección y determinación en un sistema de coordenadas confiable de los sitios de
muestreo, incluyendo las secciones de especial interés (puentes, sitios en los que existe
información previa, etc.) y considerando la facilidad de ubicación de estos lugares en
campo. A cada sección se le da un nombre apropiado que facilite su localización.
Igualmente se seleccionan puntos de muestreo ubicados entre 100 y 200 m aguas arriba y
aguas abajo de la confluencia de los ríos tributarios de importancia para el estudio.
2. Selección de equipos: los equipos empleados para la caracterización del material del lecho
están conformados por muestreadores y equipos de georeferenciación (GPS), cuya
4.5
selección depende de las características de los sedimentos del lecho del cauce principal y
los tributarios, la magnitud de las corrientes, la disponibilidad de recursos económicos y de
personal, la logística con que se cuenta, etc. En las Fotos No. 4.1 y 4.2 se muestran algunos
equipos empleados para el muestreo de sedimentos del lecho.
Foto No. 4.1 Draga Pettersen. Fuente: PMC, 2003
Foto No. 4.2 Tubo Cilíndrico de
boca cónica. Fuente:PMC, 2003
3. Ejecución de la campaña de campo: una vez se ha establecido el diseño de la campaña
de muestreo, preparado todo el componente logístico de equipo, transporte fluvial y
terrestre y definida la metodología, se ejecuta el trabajo de campo. Se puede utilizar la
draga Pettersen cuando el material predominante está conformado por arenas, limos,
arcillas y gravas finas; el tubo cilíndrico de boca cónica se emplea cuando el material es
ligeramente más grueso. En cualquiera de los casos se deben hacer varios intentos con
ambos equipos hasta obtener una muestra lo más representativa posible, sin lavado de
finos y en cantidad suficiente para el análisis granulométrico.
Para la toma de las muestras se puede adoptar el siguiente procedimiento:
•
Navegar con el GPS hasta encontrar las coordenadas de la sección a muestrear
(previamente seleccionada en oficina).
•
Una vez ubicada la sección se evalúa la conveniencia o no de realizar en ella el
muestreo. En algunas ocasiones es posible que los sitios no sean los más adecuados
por encontrarse en curvas, por lo cual la ubicación se debe cambiar ligeramente
hasta encontrar una sección más representativa.
•
Sobre la sección se ubica la embarcación en la vertical de muestreo (franja derecha,
centro o franja izquierda).
•
Se extrae la muestra por medio de la draga Pettersen o el tubo cilíndrico. En
términos generales el tubo cilíndrico se utiliza para el muestreo cuando se observa
4.6
que la draga no recupera un volumen suficiente de muestra. Esto sucede cuando se
encuentran materiales gruesos (gravas y arenas gruesas) (Foto No. 4.3).
Foto No. 4.3 Extracción de Muestra con la Draga Pettersen. Fuente: PMC, 2003
•
Se empaca y rotula la muestra para ser enviada al laboratorio. Es necesario utilizar
doble bolsa con adhesivo externo para garantizar la identificación de la muestra en
laboratorio, ya que en el proceso de almacenamiento en la lancha, transporte y, en
general, con la manipulación, los rótulos se deterioran por la humedad. En las Fotos
No. 4.4 y 4.5 se ilustra el procedimiento de rotulación y empaque. En la Figura No. 4.3
se muestra el rótulo diseñado para la identificación de las muestras.
Foto No. 4.4 Identificación de muestras
Fuente: PMC, 2003
Foto No. 4.5 Empaque de muestras
Fuente: PMC, 2003
4.3.2 Muestreo en Estaciones Hidrométricas
Normalmente se puede hacer un muestreo menos denso pero más frecuente en las estaciones
de medición hidrométrica; para ello se utilizan los equipos mencionados anteriormente, los
4.7
cuales se pueden operar desde las estructuras utilizadas para el aforo (puentes y tarabitas) o
desde la orilla, para el caso del tubo cónico (Fotos No. 4.6 y 4.7).
Figura No. 4.3 Rótulo para Identificación de Muestras
PROYECTO MODELACIÓN DEL RÍO CAUCA PMC FASE II
Muestreo Sedimentológico
Fecha y hora:
Año
Mes
Día
Hora
Corriente:
Nombre de la sección
transversal:
Coordenadas:
Latitud
Longitud
Equipo de muestreo:
Muestra tomada por:
Observaciones:
Código muestra
Fuente: PMC, 2003
Foto No. 4.6 Muestreo con draga Tipo Pettersen desde Puente.
Fuente: PMC, 2003
4.8
Foto No. 4.7 Muestreo con Tubo Cilíndrico de boca cónica desde orilla
Fuente: PMC, 2003
4.9
CAPITULO 5
MEDICIÓN DE LA PENDIENTE
HIDRÁULICA
Capítulo 5, Medición de la Pendiente Hidráulica
5 MEDICION DE LA PENDIENTE HIDRAULICA
En la hidráulica de ríos y canales una variable muy importante es la pendiente o gradiente
hidráulico el cual interactúa con otras variables para determinar la forma y las características
del cauce.
Medir con precisión la pendiente hidráulica en ríos aluviales como el Río Cauca no es una
tarea sencilla, ya que generalmente ésta es muy pequeña y la diferencia de niveles de agua en
un tramo determinado puede quedar absorbida por el margen de error que presenta la
medición. Los errores en las mediciones se deben principalmente a factores, tales como, el
oleaje y la obstrucción al flujo generada por el limnímetro mismo, que interfiere en su lectura.
Otro factor que induce errores puede ser la variación del nivel del agua durante la medición.
Para hacer una correcta medición de la pendiente hidráulica se debe contar, en la medida de las
posibilidades, con dos limnímetros instalados aguas arriba y aguas abajo de la estación
hidrométrica (Figura No. 5.1). Estos deben estar acompañados de estructuras de aquietamiento
que disminuyan o eliminen la interferencia del oleaje presente en la corriente. Los dos
limnímetros deben estar nivelados y referenciados al mismo dátum o BM.
Figura No. 5.1 Ubicación de los Limnímetros para la medición de la Pendiente Hidráulica
Limnímetro
Estación de aforo
L
Si se dispone de dos limnímetros permanentes éstos deberán nivelarse periódicamente para
garantizar una adecuada medición de la pendiente hidráulica. Cuando no se cuenta con
limnímetros permanentes se pueden instalar limnímetros provisionales – si se requiere medir
la pendiente hidráulica durante un período corto – o se puede medir directamente mediante
procedimientos topográficos convencionales la longitud del tramo y la diferencia de niveles de
agua en él (Figura No. 5.2). El tramo debe ser aproximadamente recto, de geometría uniforme
y no debe presentar estructuras ni intervenciones que afecten las condiciones normales del
flujo, tales como pilas y estribos de puentes, tablestacados, espolones, dragas, etc.
5.1
Figura No. 5.2 Medición de la Pendiente Hidráulica en una Corriente
Estructura de aquietamiento
El tramo donde se instalen los limnímetros debe ser relativamente recto con el fin de evitar
errores debido a la ligera sobreelevación que se presenta en la superficie libre del agua en los
tramos en curva. La distancia entre los limnímetros debe ser suficiente (por lo menos 500 m).
Para la medición de la pendiente hidráulica se requiere de un equipo topográfico de precisión
conformado por nivel, mira, distanciómetro o teodolito, cinta métrica, etc. También se debe
disponer de un tanque aquietador para colocar dentro de él la mira y reducir el posible oleaje
que puede afectar la precisión de la medición.
El procedimiento general para determinar la pendiente hidráulica consiste en la medición de la
diferencia en los niveles de agua tomados de limnímetros instalados entre dos puntos de la
corriente (Figura No. 5.3), los cuales deben ubicarse preferiblemente aguas arriba y aguas
abajo de la estación hidrométrica. Se debe tomar como referencia el NP (nivel de precisión)
más cercano disponible de la Red Geodésica de Alta Precisión PMC – CVC o un BM de la red
IGAC, a partir del cual se inicia la nivelación de precisión de cada uno de los limnímetros, así
como la medición de la distancia que existe entre ellos por la orilla de la corriente tratando
siempre de hacerlo en forma paralela al eje del río. El procedimiento deberá hacerse siguiendo
todas las normas necesarias para lograr un dato exacto incluyendo una contranivelación.
5.2
Figura No. 5.3 Diferencia de Nivel entre dos Limnímetros
Limnímetro 1
Limnímetro 2
Superficie libre del agua
ΔH
L
Con los datos obtenidos (diferencia de niveles y distancia entre los limnímetros) se calcula la
pendiente hidráulica por medio de la siguiente expresión:
SH =
ΔH
L
(5.1)
donde:
SH = Pendiente hidráulica (adimensional)
∆H = diferencia de niveles de agua en el tramo (m.)
L = longitud del tramo (m.)
El valor de la pendiente hidráulica en lo posible debe estar asociado al caudal que circula por
el río al momento de la medición con el fin de correlacionar las variables.
5.3
CAPITULO 6
CONSIDERACIONES GENERALES SOBRE
BATIMETRÍAS
Capítulo 6, Consideraciones sobre Batimetrías
6 CONSIDERACIONES GENERALES SOBRE BATIMETRIAS
Una medición que no es rutinaria, pero que es muy importante para el análisis de diferentes
aspectos relacionados con la hidráulica fluvial corresponde a la batimetría. En términos
generales esta actividad es el proceso mediante el cual se miden las profundidades de los
cuerpos de agua, bien sea ríos, lagos, estuarios, embalses, bahías, con el fin de conocer la
topografía del lecho y la cual se puede realizar para una sección transversal en particular o
para un conjunto de ellas, en cuyo caso se pueden obtener líneas de igual profundidad o
isóbatas. Las actividades relacionadas con las batimetrías también se identifican con términos
como hidrotopografía, topobatimetrías, etc. En ellas se asocia a la forma o contorno de la parte
húmeda la forma o contorno de la parte seca en la vecindad (bancas, llanuras de inundación,
etc.).
La toma de datos en una batimetría se puede realizar de dos maneras: (i) con instrumentos
tradicionales; y, (ii) con instrumentos de última tecnología.
6.1 EJECUCION DE BATIMETRIA CON INSTRUMENTOS TRADICIONALES
En este tipo de procedimientos batimétricos se utilizan equipos topográficos convencionales
(teodolitos y niveles de precisión), varillas y cables de sondeo, distanciómetros o cintas
métricas. Este caso sólo se aplica a las corrientes medianas o pequeñas, donde las condiciones
hacen posible vadearlas o existe una estructura (tarabita o puente) que permite utilizar los
instrumentos para definir el contorno de la sección (o parte) húmeda.
En términos generales el procedimiento consiste en:
•
Armado del equipo topográfico
•
Ubicación del BM (punto de la red geodésica de alta precisión CVC – PMC) el cual se
tomará como referencia altimétrica y planimétrica para el levantamiento de la sección (o
secciones) a considerar.
•
Levantamiento detallado de los principales accidentes topográficos o referencias físicas
que permitan una fácil identificación de la sección o sector. En esta actividad es muy
importante identificar muy bien las coordenadas de los puntos extremos de la sección
transversal, la cual se debe ubicar de forma perpendicular al eje del cauce. Cuando se
requiere levantar un conjunto de secciones topobatimétricas en un sector de la corriente,
éstas deberán estar amarradas a una poligonal (cerrada o abierta), la cual a su vez debe
estar ligada a la red geodésica.
•
Una vez se ha ubicado topográficamente la sección y su trayectoria sobre el río, se procede
a la descripción o medición de la parte húmeda. Para ello se puede utilizar una línea (cable
o cinta) de referencia sobre la cual se marcan las abscisas en donde se hará la lectura de
profundidad con ayuda del equipo topográfico para los casos en donde el procedimiento se
puede hacer por vadeo, debido a que las condiciones del cauce (profundidad y calidad del
6.1
agua) lo permiten (ver Foto No. 6.1). En caso contrario, la mira se lleva en una
embarcación que puede desplazarse sujeta al cable teniendo cuidado de que no se pierda la
trayectoria perpendicular al eje de la corriente.
Foto No. 6.1 Mediciones en zona húmeda con Instrumentos Topográficos
Cuando se encuentren cambios bruscos en la profundidad del cauce debe disminuirse el
espaciamiento entre puntos de medición con el fin de hacer una mejor descripción de la
Los datos obtenidos corresponden a las coordenadas (X, Y, Z) de los puntos considerados
en la medición, los cuales posteriormente serán graficados en planta y perfil a escalas
convenientes. A su vez el levantamiento realizado debe ubicarse sobre la cartografía
existente a escala 1: 10 000 o menor, de tal manera que las secciones queden ubicadas
correctamente y sean fácilmente identificables (ver Figura No. 6.1).
Nota: las batimetrías, además de ofrecer información muy importante sobre la forma del
canal en un momento dado, se hacen particularmente útiles cuando varias de ellas
(realizadas sobre un mismo sector o sección de la corriente) se pueden comparar para
estudiar su evolución. Esto sólo es posible hacerlo cuando se ha utilizado un sistema de
referencia estándar y único y se puede garantizar un margen de precisión en los datos. En
este orden de ideas las carteras topográficas de los levantamientos deben ser organizadas
adecuadamente y archivarse sistemáticamente, para que cuando sea necesario, se puedan
hacer los replanteos o reubicación de nuevas mediciones.
6.2
EJECUCION DE BATIMETRIA CON INSTRUMENTOS DE ULTIMA
TECNOLOGIA
Esta batimetría se realiza con equipos de última tecnología como GPS, ecosondas digitales,
computadores portátiles y software especializado.
6.2
Cuando la corriente es de un tamaño considerable o se desea hacer una descripción muy
precisa del lecho (carta batimétrica) para estudios especiales que así lo ameriten (modelación
matemática p.e) se debe aplicar el siguiente procedimiento:
Figura No. 6.1 Ubicación en planta de Secciones Transversales y Poligonales de apoyo,
RÍO CAUCA
RÍO JAMUNDÍ
LOCALIZACIÓN GENERAL DE SECCIONES
Fuente: Topobatimetría Ríos Tributarios al Río Cauca, PMC – CVC, 2003
•
Ubicación y conexión de los equipos en la embarcación. Éstos deberán localizarse de tal
manera que se facilite su manipulación durante la medición (ver Foto No. 6.2).
•
Ensayo de equipos. Es necesario sincronizar los equipos (ecosonda y GPS) para que
realicen las correspondientes lecturas de coordenadas y profundidad simultáneamente, de
tal manera que sea posible obtener un conjunto de datos (X, Y, Z) representativo para cada
punto. Este procedimiento consiste en determinar el intervalo de tiempo Δt en el cual el
GPS que se tiene en la embarcación recibirá información del satélite sobre sus
coordenadas o posición sobre la tierra (normalmente Δt = 1s); este tiempo debe
programarse mediante un software especializado que hace conversiones geodésicas y envía
la señal a la ecosonda para que ésta de manera simultánea, realice la lectura de
profundidad. Toda la información se almacena en un computador, en el cual se crean los
archivos correspondientes para su posterior procesamiento.
•
Una vez se han sincronizado los equipos y se ha ensayado su funcionamiento, se inicia la
toma de datos sobre el cuerpo de agua. Dependiendo de las dimensiones del lago, embalse,
estuario o río que se vaya a medir, se podrán aplicar los siguientes procedimientos:
6.3
Foto No. 6.2 Ubicación de Equipos en el Bote. Fuente: PMC – CVC, 2000
-
Para el caso de ríos también se puede seguir una trayectoria preestablecida o aleatoria;
para la cual es recomendable hacer un recorrido en zig - zag en el sentido aguas arriba
o contra la corriente para lograr una mejor maniobrabilidad de la embarcación. La
densidad y velocidad del monitoreo batimétrico para el recorrido depende de la
disponibilidad de tiempo y recursos. Se debe tener en cuenta que entre más lento y
denso sea el recorrido mayor será el detalle de la batimetría, lo cual está enmarcado
dentro de los límites logísticos de capacidad de almacenamiento de datos.
Nota: cuando los niveles del río cambian apreciablemente durante la medición, es
necesario contar con referencias (miras transitorias niveladas topográficamente al
sistema que se esté utilizando), de tal manera que se puedan hacer los ajustes
necesarios al perfil de la superficie del agua o gradiente hidráulico, ya que las
profundidades que registra la ecosonda tienen como referencia el nivel del agua
existente al momento de la medición.
Una vez se ha obtenido el archivo de datos (X, Y, Z) se realiza el procesamiento de
esta información para generar las cartas batimétricas, las cuales pueden ser
representadas como líneas isóbatas en planta o en perfiles 2D o 3D (modelos
tridimensionales, ver Figura No. 6.2).
Nota: cuando se dispone de recursos suficientes, se pueden utilizar dos GPS, uno
ubicado en la embarcación y otro en tierra como base, lo cual mejora
considerablemente la calidad de la información y reduce el tiempo de postproceso
utilizado para las correcciones de posición cuando sólo se utiliza un GPS. En este
procedimiento se tienen dos GPS, tal como se indica a continuación:
•
GPS No. 1 o GPS base: se localiza en un punto fijo en tierra de cota conocida o en
las instalaciones de una entidad como puede ser una Corporación Autónoma
Regional. En él se registra la información diaria y continua con intervalos cada
6.4
segundo, para posteriormente en oficina realizar el postproceso (de tipo
cinemático) de la información diaria de los archivos base – remoto y de este modo
obtener las posiciones (X, Y) corregidas de los puntos de sondeo.
Figura No. 6.2 Esquema de Isóbatas en planta y en 3D
Isóbatas
1.5
2.5
Formas de fondo
•
GPS No. 2 o GPS remoto: se transporta en lancha y recibe información satelital
cada segundo de la posición del bote y la transmite a un computador portátil, el
cual por medio de software especializado realiza conversiones de sistemas
geodésicos. De manera simultánea el software recibe cada segundo la señal que
envía la ecosonda al computador correspondiente a la profundidad del agua del
recorrido del bote, para con esta información crear archivos de sondeo que
contienen la información de posición y profundidad del río (archivos X, Y, Z).
Para la determinación de las coordenadas planas X e Y de cada uno de los puntos registrados
durante el sondeo general se utiliza la información colectada en los GPS No.1 y No. 2 por
medio de una corrección de cálculo diferencial o postproceso con el objetivo de disminuir el
error.
6.5
CAPITULO 7
ASPECTOS DE SEGURIDAD EN LOS
Capítulo 7, Aspectos de Seguridad
7 ASPECTOS DE SEGURIDAD EN LOS PROCEDIMIENTOS
HIDROMETRICOS
En este capítulo se presentan algunos aspectos de seguridad que deben ser tenidos en cuenta
por el personal encargado de llevar a cabo la toma de datos en campo, con el propósito de
garantizar su vida e integridad física. Cada persona tiene la responsabilidad de sí mismo y de
sus compañeros y de trabajar tan seguro como sea posible. Las entidades tienen la
responsabilidad de promover la toma de conciencia de riesgos, de poner en práctica los
procedimientos para minimizarlos y de ofrecer un nivel apropiado de equipos y formación en
seguridad.
7.1 PRECAUCIONES CUANDO SE TRABAJA DESDE PUENTES
El principal riesgo al llevar a cabo mediciones o muestreos desde un puente es el tráfico
vehicular.
7.1.1 Riesgos debidos al Tráfico de Vehículos
Los puentes que disponen de andén para peatones proveen un buen margen de seguridad. En
otras circunstancias (Foto No. 7.1), es imperativo advertir al tráfico automotor con señales
adecuadas o, si es posible, con luces intermitentes. El personal técnico debe vestir ropa
fluorescente o brillante y se deben utilizar señaladores portátiles para desviar el tráfico del área
de trabajo. Se deben tomar las medidas necesarias con las autoridades locales cuando sea
necesario.
Foto No. 7.1 Riesgo debido al Tránsito de Vehículos en Estación de Aforo
7.1
7.1.2 Riesgos debidos al Equipo Suspendido
Las estructuras de soporte o suspensión de los malacates y molinetes (tablas) están
potencialmente expuestas a volcarse hacia la corriente cuando el equipo puede llegar a
engancharse con materiales flotantes, principalmente durante una creciente.
La comisión de aforo debe tener al alcance de la mano una pinza o cortafrío con la cual se
debe cortar el cable en caso de una eventualidad de este tipo. Debe prevalecer la integridad del
técnico aforador sobre la del equipo.
7.2 PRECAUCIONES DURANTE EL VADEO
Cuando es posible vadear corrientes, las mediciones pueden realizarse más fácil y
directamente que por otros métodos. Sin embargo, llega a ser muy peligroso cuando la
profundidad o la velocidad o ambas son excesivas.
7.2.1 Evaluación de la Situación
El personal debe tener cuidado y experiencia para decidir si el vadeo puede llevarse a cabo en
una situación particular. Como regla general no se puede realizar el aforo si el producto de la
profundidad en metros y la velocidad en m/s es superior a 1 (OMM, 1994). Esto se ve también
influenciado por el cuerpo de la persona y su vestimenta.
7.2.2 Uso de Chalecos Salvavidas
Cuando las condiciones pueden llegar a ser peligrosas se debe usar un chaleco salvavidas,
correctamente abrochado, de una talla y diseño apropiado.
7.2.3 Líneas de Seguridad y Líneas Indicadoras
Cuando se hacen mediciones de caudales, es útil como apoyo, una cuerda o línea tendida a
través del río que también puede servir para medir distancias y debe estar firmemente anclada
a ambos extremos para sostener el peso de una persona contra la corriente.
7.2.4 Técnica de Vadeo
Se debe seleccionar una sección transversal con profundidades, velocidades y material del
lecho relativamente firme, planificar una ruta diagonalmente aguas abajo y caminar a través de
ella con pasos cortos, viendo la orilla opuesta y de lado a la corriente (Foto No. 7.2).
7.2
Foto No. 7.2 Inspección del Río previa a la ejecución de un Aforo por Vadeo
Puede ser útil usar una varilla de vadeo (sin molinete) en el lado aguas arriba para examinar la
profundidad y tener un soporte. Si el paso llega a ser demasiado difícil, la persona se debe
retirar, caminando hacia atrás hasta que pueda voltearse y quizás encontrar un paso más fácil.
7.2.5 En Caso de Accidente
Si una persona es arrastrada aguas abajo, debe dejarse llevar por la corriente, adelantarse hacia
la orilla, impulsándose con los brazos extendidos y empujándose con los pies. Si el lecho es
rocoso, debe evitar poner los pies abajo ya que pueden quedar atrapados entre las piedras. Si
esto ocurre, la corriente puede empujar fácilmente a una persona bajo el agua con resultados
fatales.
Si el agua es profunda y si es necesario nadar cierta distancia, la persona se debe quitar las
botas de vadeo. Lo mejor es ponérselas en la cadera y tirar los pies hacia fuera uno por uno. Se
debe evitar voltearlas y abstenerse de realizar esta operación donde el agua sea poco profunda
y las botas obstaculicen el desplazamiento. Los tirantes de las botas deben amarrarse de forma
que puedan ser fácilmente desatados.
Es posible atrapar aire en las botas de modo que ayuden a flotar, con un cinturón firmemente
abrochado alrededor de la cintura o tomando rápidamente una posición de flote sobre la
espalda con las rodillas estiradas hacia arriba.
7.2.6 Responsabilidad
Los técnicos operativos no deben obligarse a vadear corrientes en situaciones donde se sientan
inseguros. La experiencia y la confianza son factores importantes, pero se deben moderar con
cierta prudencia.
7.3
7.3 PRECAUCIONES CUANDO SE UTILIZA UNA TARABITA
Antes de usar cualquier tarabita se debe chequear sus condiciones, buscando señales de
movimiento del anclaje, pandeo alterado, vandalismo u otros daños en el cable, barandales,
anclajes, herrajes del cable y en el funicular o canastilla. Las tarabitas tripuladas
frecuentemente requieren inspecciones periódicas.
Todo el personal que usa la tarabita debe saber que nunca se debe tocar el cable con la mano
(ver Figura No. 7.1 y Foto No. 7.3), que esté en movimiento o detenido, debido al peligro de
ser atropellado por las ruedas. Se debe usar un instrumento apropiado para arrastrar o halar.
No se debe exceder la carga máxima de diseño del cable transportador y debe llevarse una
tenaza para cortar el cable de suspensión si llega a enredarse en el río. El cable debe ser
cortado cerca del carrete y el personal debe sostenerse firmemente en la tarabita durante el
rebote.
Figura No. 7.1 Esquema de canastilla de Tarabita de Movimiento Horizontal
No intentar mover la tarabita con las manos ni
sostenerse del cable, en cualquier caso utilizar la
herramienta diseñada para impulsarla.
7.4 OTROS RIESGOS
El personal que trabaja sobre el terreno debe estar siempre a la expectativa de otros peligros
que puedan afectar su ambiente de trabajo. Estos incluyen, por ejemplo, animales peligrosos o
tormentas eléctricas. También, el contacto del cuerpo o la ingestión de algunas aguas pueden
significar riesgos para la salud. En algunas localidades, puede haber la posibilidad de ataques
por parte de otras personas, quienes podrían estar involucradas en actividades ilegales o
7.4
bélicas (tráfico de drogas, subversión, secuestros, delincuencia común). Los empleadores
tienen la responsabilidad de asegurar que su personal conozca cada uno de estos riesgos.
Foto No. 7.3 Mecanismo de desplazamiento de una Tarabita
7.5
CAPITULO 8
ASPECTOS GENERALES A CONSIDERAR
EN LOS PROCEDIMIENTOS
HIDROMÉTRICOS
Capítulo 8, Aspectos Generales
8 ASPECTOS GENERALES A CONSIDERAR EN LOS
Se debe tener en cuenta diferentes aspectos y recomendaciones generales para llevar a cabo un
aforo seguro y confiable, tales como las siguientes:
•
Después de cada aforo, el molinete se debe limpiar, secar y lubricar conforme las
instrucciones del fabricante. Siempre se debe tener presente que el molinete hidrométrico
es un instrumento de precisión que exige buen trato y uso cuidadoso.
•
Los aforos por vadeo son adecuados para profundidades que permitan físicamente al
operador mantenerse en pie y cuando la anchura del curso de agua es superior a 5 veces su
profundidad media. Para definir las verticales de medición se recomienda utilizar cables
marcados sujetos en cada orilla a puntos fijos. El técnico que afora por vadeo debe
mantenerse alejado lateralmente del instrumento, orientando sus piernas en la dirección del
escurrimiento para reducir a un mínimo la perturbación del flujo cerca del molinete.
•
Las mediciones desde un puente se deben efectuar preferiblemente por el costado de aguas
arriba si el río arrastra materiales flotantes, con el fin de retirar oportunamente el molinete.
No son recomendables puentes cuyos pilares producen remanso o represamiento del agua
ni los que están situados en dirección oblicua al flujo.
•
Cuando por la fuerza de la corriente o la insuficiencia del lastre se produzcan ángulos de
arrastre considerables (mayores a 4°), se debe tomar nota del ángulo que se forma entre el
cable y la vertical y de la altura del eje del malacate sobre la superficie del agua (altura de
suspensión). Si no se dispone de un transportador adecuado para medir el ángulo, se mide
(con ayuda de una cinta métrica o una cuerda) la longitud del cable de aforo comprendida
entre el eje del malacate y la superficie del agua, estando el molinete en la posición en la
cual se determinan las velocidades de flujo. Estas mediciones permiten efectuar
posteriormente las correcciones adecuadas.
•
Al aforar en época de crecidas es necesario prestar atención a la superficie libre del agua
en el río aguas arriba del molinete con el fin de sacar rápidamente el equipo en caso de
observarse objetos flotantes que puedan enredarse en el cable o golpear el conjunto
hidrométrico. Si los materiales arrastrados por el agua ponen en peligro la seguridad de los
operadores, el aforo se desarrolla en forma abreviada tomando velocidades superficiales
mediante el método de flotador o con molinete si las condiciones de la corriente lo
permiten.
•
Si durante una medición se verifica que una planta acuática u otro objeto se ha enredado en
el molinete, ésta se debe repetir después de retirar el obstáculo.
•
Se debe tener siempre el cuidado de no amarrar o enrollar en torno al cuerpo ninguna
espira del cable conectado al molinete. En caso de un accidente esta práctica puede ser
fatal.
8.1
Capítulo 8, Aspectos Generales
•
La división de la sección trasversal de aforo en verticales de medición comienza en un
punto fijo de origen establecido de manera definitiva. En lo posible se utilizan siempre las
mismas verticales para hacer comparables unos aforos con otros.
•
Antes de utilizar el molinete se debe verificar el número de vueltas del rotor por señal.
Antes de iniciar a tomar o registrar el tiempo de medición se debe esperar 3 señales por lo
menos, es decir, que la hélice del molinete dé 3 revoluciones, para así permitir al rotor del
molinete ajustarse al régimen de velocidad de la corriente.
•
Observando la tasa en la secuencia de las señales se puede determinar si la hélice gira
uniformemente. Si la secuencia es irregular, se debe establecer el origen de la anomalía,
que puede deberse a obstáculos, al flujo o a falla del instrumento. Al existir obstáculos al
flujo, la medición se debe prolongar y eventualmente repetir en un punto próximo. Si se
detectan velocidades negativas se deja constancia de este hecho, delimitando la zona
donde esto ocurre.
•
Se debe tener en cuenta la incertidumbre que se genera en la toma de los datos en campo
para la determinación del caudal. En el Anexo No. 6 se indica la manera de estimar este
parámetro cuando se afora por el método de área – velocidad.
8.2
CAPITULO 9
DESCRIPCIÓN DEL SECTOR Y LA
SECCIÓN TRANSVERSAL DE CADA UNA
DE LAS ESTACIONES HIDROMÉTRICAS
Capítulo 9, Descripción Sector y Sección Transversal
9 DESCRIPCION DEL SECTOR Y LA SECCION TRANSVERSAL DE
CADA UNA DE LAS ESTACIONES HIDROMETRICAS
Como se ha mencionado en el desarrollo del manual, los sitios seleccionados para el
establecimiento de estaciones permanentes de medición hidrométrica deben cumplir con una
serie de requisitos relacionados con la forma del canal, tanto en planta como en perfil, que
permitan la menor interferencia que sea posible sobre las líneas de corriente a las cuales se
medirá su velocidad. Muy pocas veces se encontrará un lugar que satisfaga todos los criterios
necesarios; por lo tanto, se deberá seleccionar aquel que más convenga de acuerdo con los
recursos disponibles.
Es muy común encontrar estaciones hidrométricas establecidas sobre puentes, dadas las
ventajas o facilidades que ofrecen estas estructuras para la realización del aforo, tales como: el
fácil acceso al sitio, el soporte seguro para las maniobras con el equipo y, en algunos casos, la
minimización del riesgo del personal técnico operativo durante la medición de caudales altos.
Sin embargo, una sección sobre un puente puede no ser la mejor desde el punto de vista de la
calidad de los datos que se toman en ella. Las condiciones locales impuestas al flujo por la
estructura debido a la presencia de pilas sobre el lecho, en unos casos, o los estribos del mismo
coincidiendo con el límite del canal en otros, ocasionan interferencia a las líneas de corriente o
remansos que alteran las condiciones hidrodinámicas naturales y dificultan la obtención de un
dato de velocidad representativo.
Los aforos desde tarabitas, aunque son un poco más dispendiosos desde el punto de vista
operativo; ofrecen mejores condiciones para la medición, por cuanto garantiza una sección
transversal de aforos no intervenida, por lo cual las condiciones del flujo no se alteran.
En 12 estaciones de la red hidrométrica sobre el Río Cauca se mide el caudal, en 5 de ellas
(Pan de Azúcar, Suárez, La Balsa, Tablanca y Mediacanoa) el aforo se realiza desde tarabita y
en las 7 restantes ( La Bolsa, Hormiguero, Juanchito, Paso de la Torre, Guayabal, La Victoria
y Anacaro) se hace desde puentes.
A continuación se hace una descripción de la ubicación en planta y en perfil de las estaciones
de medición de caudales en el Río Cauca:
9.1
9.1 ESTACIÓN PAN DE AZÚCAR
Fotografía Aérea
(
Sección Transversal de Aforo
-
Tipo de Aforo: por suspensión desde tarabita
-
Descripción del sitio: Es una sección muy estable ubicada en un tramo relativamente
recto del río de aproximadamente 400 m con pendiente apreciable; 100 m aguas abajo de
la estación desemboca el río Piendamó el cual podría para algunos caudales generar
remansos que pueden afectar sensiblemente la mediciones (esta situación debe analizarse
mas detenidamente).
9.2
9.2 ESTACIÓN SUÁREZ
Fotografía Aérea
-
Tipo de Aforo: por suspensión desde tarabita.
-
Descripción del Sitio: Está ubicada en un tramo relativamente recto de aproximadamente
650 m en el cual se presentan cambios bruscos de pendiente de fondo del río aguas arriba y
abajo de la sección de medición, en donde como indicador de esta situación se observan
islas. Por su cercanía a la represa de Salvajina los cambios de nivel durante los aforos son
bastante pronunciados. La medición desde la tarabita es dispendiosa por el obstáculo que
representa la antigua estructura de un puente peatonal sobre la cual se instaló la estación.
9.3
9.3 ESTACIÓN LA BALSA
Fotografía Aérea
-
-
Descripción del sitio: está ubicada a la salida de una curva del río bastante aguda, el
tramo recto después de ella no supera los 300 m. De acuerdo con la norma ISO 748,
apartado 5.1, numeral a, la estación debería estar ubicada en el segundo tercio de este
tramo en el sentido aguas abajo, lo cual no se cumple, la sección no transporta los caudales
máximos ya que el talud izquierdo es bastante bajo, las líneas de corriente se concentran
hacia la margen derecha por la forma de la sección y su ubicación en curva, aguas abajo de
9.4
la estación el río sufre un cambio brusco de pendiente, se observa una bifurcación (isla) lo
cual puede para ciertos caudales generar distorsiones no deseables en el perfil hidráulico.
9.4 ESTACIÓN TABLANCA
Fotografía Aérea
-
-
Descripción del sitio: se encuentra en un tramo relativamente recto del río de
aproximadamente 450 m en un sector en donde aparentemente hay un control litológico, la
sección es uniforme lo cual garantiza una distribución adecuada de las velocidades, sin
embargo hay una expansión brusca aguas abajo que podría afectar las condiciones del flujo
en la sección de aforo.
9.5
9.5 ESTACIÓN LA BOLSA
Fotografía Aérea
-
Tipo de Aforo: por suspensión desde puente.
-
Descripción del sitio: se encuentra en un tramo relativamente recto de aproximadamente
430 m. El puente presenta dos pilas en el lecho del río que interfieren notablemente la
medición de la velocidad ocasionando contraflujos y zonas muertas. Los estribos están
protegidos por tablestacas en ambas márgenes estrechando la sección, situación que puede
generar para ciertos caudales un remanso. La sección de aforo no es completamente
9.6
perpendicular al eje del canal. El aforo presenta un alto riesgo por la circulación de
vehículos en el puente.
9.6 ESTACIÓN HORMIGUERO
Fotografía Aérea
-
-
Descripción del sitio: se encuentra ubicada en un tramo curvo. La sección no es uniforme
y las velocidades se concentran hacia la margen izquierda. El puente desde el cual se
realiza el aforo presenta una pila sobre el lecho del río que afecta la medición de la
velocidad (actualmente se construye un puente nuevo que no tendrá apoyos sobre el lecho,
pero la pila del puente antiguo no será demolida). La margen izquierda está protegida con
una tablestaca.
9.7
9.7 ESTACIÓN JUANCHITO
Fotografía Aérea
-
-
Descripción del sitio: se encuentra ubicada en un tramo curvo del río, sin embargo la
sección es relativamente uniforme. El puente no presenta pilas sobre el lecho. El aforo es
de alto riesgo por la circulación de vehículos y las condiciones de inseguridad del sector.
La caseta del limnígrafo ha sido desestabilizada por una estructura de descarga de aguas
residuales que fue construida a su lado.
9.8
9.8 ESTACIÓN PASO DE LA TORRE
Fotografía Aérea
(
-
-
Descripción del sitio: se encuentra en un tramo recto de aproximadamente 930 m, la
sección es relativamente uniforme. El puente no tiene pilas en el lecho del río, el apoyo
derecho limita la banca en esa margen, el puente tiene una pasarela para peatones lo cual
facilita la realización del aforo y no presenta riesgo por circulación de vehículos.
9.9
9.9 ESTACIÓN MEDIACANOA
Fotografía Aérea
-
-
Descripción del sitio: se encuentra sobre un tramo relativamente recto de
aproximadamente 600 m, la sección es uniforme, sin embargo presenta procesos de
erosión – sedimentación bastante fuertes entre aforos consecutivos, 100 m aguas arriba de
la sección de aforos se encuentra el puente Mediacanoa el cual tiene dos pilas sobre el
lecho del río, no se aprecia mayor interferencia sobre las líneas de corriente.
9.10
9.10 ESTACIÓN GUAYABAL
Fotografía Aérea
-
-
Descripción del sitio: se ubica en un tramo relativamente recto de aproximadamente 800
m. La sección es uniforme, pero el puente presenta una pila en el lecho del río que
interfiere las líneas de corriente. La sección de aforo no es completamente perpendicular al
eje del canal. El aforo presenta riesgo por la circulación de vehículos.
9.11
9.11 ESTACIÓN LA VICTORIA
Fotografía Aérea
-
-
Descripción del sitio: se ubica en un tramo recto de 540 m aproximadamente. La sección
es uniforme. El Puente no tiene pilas en el lecho del río, el aforo presenta riesgo por la
circulación de vehículos.
9.12
9.12
ESTACIÓN ANACARO
Fotografía Aérea
-
-
Descripción del sitio: Se encuentra en un tramo recto de aproximadamente 1600 m. La
sección es uniforme. El Puente no tiene pilas en el lecho del río. El aforo presenta riesgo
por la circulación de vehículos.
9.13
CAPITULO 10
RECOMENDACIONES
Capítulo 10, Recomendaciones
10 RECOMENDACIONES
El objeto de normalizar los procedimientos para la toma de registros hidrométricos en CVC
está estrechamente relacionado con la necesidad de optimizar la calidad de la información de
caudales y niveles de agua.
Como se menciona en el Anexo No. 6 del presente informe “Aproximación al Error de
Medición en las Estaciones Hidrométricas sobre el Río Cauca”, las fuentes de error durante el
desarrollo de un aforo son de diferentes tipos y éste nunca podrá ser eliminado por completo.
La mayor incertidumbre se genera en la medición de la velocidad, la cual se asocia
principalmente a la ubicación del sitio de aforo y a los equipos de medición utilizados
(molinetes). La aplicación de prácticas estandarizadas permite disminuir el error y estimar su
orden de magnitud.
En términos generales los procedimientos hidrométricos que actualmente desarrolla el Grupo
de Oferta Ambiental de la CVC en el Río Cauca se encuentran ajustados a las normas
vigentes. No obstante, algunos aspectos deben revisarse con el propósito de ajustarlos de
mejor manera, ellos se relacionan principalmente con la ubicación de las estaciones, los
instrumentos de medición y la naturaleza no permanente del flujo que se presenta con mayor
intensidad en la zona sur del Departamento del Valle del Cauca. A continuación se tratan cada
uno de estos puntos:
10.1 ASPECTOS RELACIONADOS CON LOS INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN
(MOLINETES)
Debido a que el mayor porcentaje de error en la obtención de un caudal por el método área –
velocidad proviene principalmente de la medición de estos dos parámetros, y en especial el
último, la forma como se obtenga la velocidad influirá notoriamente en los resultados finales.
Se sabe que la mayor fuente de incertidumbre en la medición de la velocidad se debe a los
errores relacionados con la calibración de los molinetes (ISO 1088, 1985).
Es importante tener en cuenta la procedencia de los molinetes ya que éstos de acuerdo con su
tipo de fabricación pueden calibrarse de diferentes formas, así un molinete puede presentar
una calibración individual la cual sólo aplica para ese equipo en particular; de otro modo, un
fabricante puede suministrar una calibración en conjunto para un determinado tipo de
molinete. De esta manera el mantenimiento y calibración de los equipos se puede programar
adecuadamente teniendo en cuenta esta característica.
10.2 ASPECTOS RELACIONADOS CON LOS PROCEDIMIENTOS DE CAMPO
En las estaciones de aforo de caudales, la curva de calibración Nivel – Caudal (H – Q)
adquiere un papel muy importante ya que de ella depende la generación de casi el 100% de los
datos de caudal que son reportados. De aquí la importancia de que la información que alimenta
10.1
dicha curva se obtenga con el menor error posible, además de contar con una estimación de la
incertidumbre en la medición del caudal y con un nivel medio asociado que sea representativo.
El tipo de aforo que realiza CVC corresponde al del método Área – Velocidad, bien sea por
suspensión desde puente o tarabita ó por vadeo. De acuerdo con la norma internacional (ISO
748) se debe cumplir unas condiciones para realizar los aforos, de tal manera que se pueda
minimizar el error en la medición.
En el Cuadro No. 10.1 se presentan las exigencias de la norma ISO 748 comparadas con los
actuales procedimientos realizados por CVC y las recomendaciones para ajustarse.
Se hace claridad en que se mencionan sólo aquellos aspectos en los que no se está cumpliendo
la norma o en las cuales se pueden hacer mejoras.
10.2
Cuadro No. 10.1 Normas vs. Procedimientos CVC, Recomendaciones
PROCEDIMIENTO
Localización de Estaciones
NORMA ISO, OMM, IDEAM
Ver Ítem No 2.2 Manual de
procedimientos.
PROCEDIMIENTO CVC
RECOMENDACIONES
Ver Capítulo No. 9
Se recomienda hacer un análisis de las condiciones
locales expuestas en el Capítulo No. 9, profundizar
en aquellos sitios que no presentan las mejores
características. De acuerdo con la disponibilidad de
recursos deberían implementarse secciones de aforo
desde tarabita.
MANTENIMIENTO DE EQUIPOS
Equipos de registro
automático (limnígrafos)
Se cuenta con un programa de
mantenimiento,
los
técnicos
Programar un mantenimiento periódico, aforadores realizan el chequeo de
ajuste, lubricación, control de carga, equipos al momento del aforo,
reemplazo de baterías, reparación, y solucionan problemas menores y se
reporte de fallas.
reportan mediante Formato A4, para
que se programe la reparación si es
del caso.
Molinetes
Se debe hacer un mantenimiento
continuo (lubricación, ajuste, secar y
guardar adecuadamente después de cada
uso). Se debe calibrar en sitios idóneos el
equipo después de un determinado
número de horas de uso o después de una
reparación importante.
Contadores
Se chequea correctamente su
Revisión
periódica
de
su
funcionamiento, se cambian las
funcionamiento, chequeo de carga y
baterías de acuerdo con el
reemplazo de baterías.
seguimiento que hace el técnico.
Malacates
Se hace mantenimiento de engrase,
ajuste y chequeo de continuidad con
cierta frecuencia por parte del
técnico aforador.
No especifica.
Se
hace
mantenimiento
y
lubricación,
se
chequea
continuamente el funcionamiento
del molinete. Se hace buen uso.
No se tiene un programa periódico
de seguimiento y calibración.
Centralizar en la ficha de la estación en el campo 3,
las principales fallas presentadas en los equipos para
hacer un seguimiento a su funcionamiento que
ayude a tomar decisiones sobre su reemplazo.
Usar el formato A4 “Inspección de Estaciones
Hidrométricas” para registrar las fallas de los
equipos.
Iniciar un programa de seguimiento al
funcionamiento del molinete que oriente su
frecuencia de calibración. Se debe abrir una carpeta
de archivo a cada uno de ellos en donde se incluya
la información que hay disponible hasta el
momento, calibrarlo e iniciar el registro de su
operación (horas de uso, fallas, reparaciones,
calibraciones, estimación del error, etc.)
Comprobar periódicamente el funcionamiento del
contador tomando otro de referencia en iguales
condiciones de medición.
Por ejemplo: Medición de revoluciones en un canal
de laboratorio con diferentes contadores y un mismo
molinete. Tomar decisiones.
Se debe chequear o verificar si el contador está
midiendo correctamente, para estar seguros que el
desgaste de la piñonearía no afecte la medición.
Por ejemplo: utilizar una distancia de referencia y
medirla con el malacate. Tomar decisiones.
10.3
PROCEDIMIENTO
PROCEDIMIENTO CVC
RECOMENDACIONES
MANTENIMIENTO DE ESTRUCTURAS
Programar el mantenimiento de las
Instalaciones en la estación instalaciones físicas: enlucimiento,
acceso y mantenimiento a los
pozos del limnígrafo.
Se cuenta con el programa de
mantenimiento de acuerdo con el
reporte de los técnicos aforadores
cuando visitan la estación.
Se realiza el chequeo de las
Chequear las condiciones físicas,
condiciones de seguridad durante cada
Tarabita
tensión y estado del cable,
aforo, si es del caso se reportan
canastilla y apoyos.
anomalías y se programa su solución.
PROCEDIMIENTOS DE AFORO
Nota: se hace referencia sólo a aquellos en los cuales se pueden hacer mejoras, se aclara que la mayoría de ellos se encuentran ajustados a la norma.
En todos los casos se debe medir
Medir el ángulo de arrastre y anotarlo en el formato A1
el ángulo de arrastre; si este es
celda A4, cuando se encuentran ángulos superiores a 8°
Medición del ángulo de mayor de 8° (IDEAM) se debe No se mide el ángulo de arrastre.
hacer
corrección
de
la
el cálculo del caudal se hará en la oficina.
arrastre
profundidad.
Medir la altura de suspensión y anotar en el Formato
A1 celda A5, esta información facilitará graficar la
Medición de la altura de
No especifica.
No se mide la altura de suspensión.
suspensión
sección para cada aforo y analizar su cambio entre
aforos consecutivos.
Para las estaciones del sur del departamento del Valle
Cuando los cambios entre el nivel
del Cauca en donde los cambios de nivel son más
del agua inicial y final de aforo Sólo se miden el nivel inicial y final
bruscos, se recomienda leer la profundidad de flujo
Medición de los niveles de
son superiores a 5 cm se debe del aforo, no se mide para cada
para cada una de las verticales y calcular el nivel medio
agua durante el aforo
hacer la medición del nivel del vertical.
de aforo de acuerdo con la norma ISO 748 o el Ítem 3.1
agua para cada vertical.
numeral 3 del manual de procedimientos.
De acuerdo con las condiciones de
la corriente (velocidades) se puede
programar el tiempo de exposición Se deja un tiempo de exposición del
Tiempo de medición de las
del molinete (a mayor velocidad molinete a la corriente de 50 s, que es
revoluciones
menor tiempo y viceversa). En estándar para todos los aforos.
ningún caso podrá ser inferior a 60
segundos.
Se debe incrementar el tiempo de exposición a 60 s.
Cuando las velocidades sean muy bajas en la sección
este tiempo debe incrementarse de acuerdo con lo
expuesto en el Cuadro No 3 del anexo No 4 del manual
de procedimientos hidrométricos.
10.4
PROCEDIMIENTO
PROCEDIMIENTO CVC
RECOMENDACIONES
Se debe hacer en oficina un chequeo del caudal
calculado en campo mediante la implementación de una
hoja electrónica que a su vez permita no sólo corregir
posibles errores sino también archivar la información
que se registre en el Formato A1 “Notas de aforo” la
El cálculo del caudal se hace en campo. cual es importante para análisis posteriores. Por
ejemplo: gráficas de la sección transversal asociadas a
los aforos, procesos de erosión-sedimentación entre
aforos consecutivos, etc.
Nota: Cuando existan ángulos de arrastre superiores a
8° el cálculo será realizado en oficina.
Cálculo preliminar
del caudal
No especifica.
Cálculo del nivel
medio asociado al
aforo
Se debe calcular con la formula
propuesta en el Ítem 3.1 numeral 3
del manual de procedimientos
El nivel medio reportado corresponde El cálculo del nivel medio asociado al aforo se debe
cuando la variación del nivel sea
al promedio del valor inicial y final realizar de acuerdo a la fórmula propuesta en la norma
superior a 5 cm o al 5% de la
para todo el aforo.
ISO 748 o el Ítem 3.1 del manual de procedimientos.
profundidad media, el cálculo del
caudal se basa en la medición del
nivel para cada vertical.
FRECUENCIA DE AFOROS
Aforos líquidos
Aforos sólidos
La frecuencia depende de la
disponibilidad de recursos y obedece
a un análisis de las condiciones
propias de cada estación. Por
ejemplo: estabilidad, necesidades de
información, precisión etc. Mínimo
se deben hacer 10 aforos al año.
La frecuencia se basa en la
disponibilidad logística, no se tienen en
cuenta las condiciones locales en cada
estación. En promedio se realizan 10
aforos por estación en el año.
Se deben analizar las condiciones de estabilidad de la
sección transversal en cada estación, podría disminuirse
la frecuencia en las secciones más estables y aumentarse
en las más inestables.
Se programa de acuerdo con la
disponibilidad de recursos de tal
No se tiene una frecuencia de aforos
manera que se caracterice el arrastre
establecida, obedece a solicitudes
de sedimentos asociados al caudal
particulares.
mediante ecuaciones.
No se especifica la frecuencia.
Se debe seleccionar estaciones claves en el Río Cauca y
tributarios para el aforo de caudales sólidos para las
cuales se tenga una frecuencia establecida de aforo. El
número de aforos sólidos durante el año no debería ser
menor a 4 (uno para cada condición hidrológica, 2
periodos secos y 2 periodos de lluvias anuales).
10.5
PROCEDIMIENTO
Aforos
extraordinarios
Error en la medición
NORMA ISO, OMM,
IDEAM
Se deben realizar aforos
extraordinarios cuando las
condiciones de la corriente así
lo exijan a fin de obtener datos
de
caudales
extremos
(máximos y mínimos) que
alimenten la curva H - Q para
la estación.
Se debe tener una estimación
del error en la medición del
caudal el cual debe ser
publicado con el dato.
Se debe medir de acuerdo con
Muestreo del material las metodologías disponibles
del lecho y arrastre de para ello.
fondo
No especifica frecuencia.
PROCEDIMIENTO CVC
RECOMENDACIONES
No se realizan aforos
extraordinarios, la medición
de caudales se hace de forma
aleatoria y depende de la
programación ya establecida.
Se deben programar campañas en condiciones de extremo verano o
invierno. La decisión de aforar un caudal alto debe tener en cuenta las
condiciones de seguridad del personal y equipo de acuerdo con lo
expuesto en el capítulo 7 del manual de procedimientos.
Se deben seguir los procedimientos para calcular el error los cuales
parten en primera instancia de la aplicación de las normas y del
conocimiento de las condiciones reales de medición. Se debe
establecer el patrón de medida para cada estación, el cual consiste en
No se tiene la estimación del la ejecución de un aforo bajo condiciones estrictas de medición. Por
ejemplo: Molinetes calibrados, muchas verticales, bastantes puntos de
error.
medición de velocidades por vertical, mayor tiempo de exposición del
molinete etc. De tal manera que este aforo sirva como punto de
referencia o de comparación para cuando se hacen aforos reducidos o
comunes.
No hay un programa de
medición del arrastre de
Debe muestrearse el material del lecho con la misma frecuencia que
fondo ya que éste es
se propone para el muestreo del material en suspensión a aforos
complicado y obedece a
sólidos. Se debe analizar la metodología expuesta en el Ítem No 4.3
estudios específicos, se ha
del manual de procedimientos.
hecho muestreo del material
Se deben implementar campañas para la medición del arrastre de
del lecho (2003) pero no
fondo.
obedece a una frecuencia
establecida.
10.6
10.3 OTRAS RECOMENDACIONES
•
El régimen hidrológico que impone al Río Cauca la operación de la represa Salvajina hace
que en la parte sur del departamento del Valle del Cauca se sienta con mayor intensidad la
onda de crecida cuando se abren las compuertas para la generación de energía eléctrica,
esta situación hace que cuando se programen aforos para las estaciones en esta zona
(Suárez, la Balsa, Tablanca, La Bolsa) normalmente se observe que el nivel de agua esté
subiendo o bajando; para este caso se presenta una situación de medición en condiciones
no permanentes del flujo, lo cual aumenta las posibilidades de cometer errores sino se
tienen en cuenta los procedimientos que se deben llevar a cabo en este tipo de situaciones.
El caso anterior se asocia al fenómeno conocido como histéresis en donde para un caudal
dado, se tendrá un nivel de agua menor cuando las aguas son ascendentes que cuando son
descendentes.
Se recomienda el estudio de este fenómeno para las estaciones en donde se presenta con
mayor intensidad, para ello sería necesario analizar la trayectoria de una onda de crecida
mediante el aforo continuo sobre la sección y con un determinado número de molinetes de
acuerdo con las condiciones físicas e hidrológicas de la onda que se desea medir.
Este tipo de medición proporciona la información necesaria para conocer el orden de
magnitud de la diferencia entre caudales medidos cuando el nivel sube vs cuando el nivel
baja, lo cual se traduce en mejor información para la elaboración de la curva de calibración
para la estación.
Con anterioridad se ha propuesto el archivo digital de los datos que son consignados en el
Formato A1 “Notas de aforo”, con el fin de hacer una revisión del cálculo del caudal que
se realiza preliminarmente por parte de los técnicos aforadores. Esta información puede
utilizarse para hacer un perfil de la sección transversal de aforo al momento de la
medición, el cual puede compararse con perfiles anteriores que permitan analizar la
intensidad de los procesos de erosión y sedimentación que, en ciertos casos, pueden llegar
a afectar sensiblemente la validez de la curva de calibración.
•
Cuando se grafican las secciones transversales correspondientes a una estación
hidrométrica en la cual se aprecian variaciones importantes del nivel del agua es necesario
tener en cuenta que, dado que no se registra el nivel del agua en cada vertical, el gráfico
obtenido no corresponde a la sección real (ver Figura No.10.1). Por ello es recomendable
medir el nivel del agua en cada vertical.
Con el fin de disponer de una manera más rápida y eficiente de los niveles de agua asociados a
cada vertical durante el aforo se recomienda la instalación de un limnímetro en la sección de
aforo. Las estaciones Suárez, La Balsa, Juanchito, Paso de la Torre y Anacaro poseen
limnígrafo solamente.
10.7
Figura No. 10.1 Sección transversal calculada con el nivel en cada vertical
Nivel real
Cero de mira 956.587
∆ Nivel
Nivel promedio
Sección calculada
con el nivel
medio
Sección calculada con
el nivel de cada
vertical
10.8
BIBLIOGRAFÍA
Bibliografía
BIBLIOGRAFÍA
Buchanan, T y Somers, W. Tecniques o Water-Resources Investigations of to United Estates
Geological Survey. 1976. US Geological Survey. United States Government printing office,
Washington.
Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales IDEAM. 1999. Mediciones
hidrométricas. Documento preliminar. Santa fe de Bogotá. Colombia.
Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales IDEAM. 2004. Guía de
monitoreo y seguimiento del agua. Santa fe de Bogotá. Colombia.
ISO 748 Measurement of liquid flow in open channels – velocity – area methods. 1997
Milligan, C. Apuntes de conferencias sobre hidrología. 1970. Centro interamericano de
desarrollo Integral de Tierras y Aguas CIDIAT. Mérida. Venezuela. III – 1 – III.
Organización Meteorológica Mundial OMM. 1994. Guía de Prácticas Hidrológicas. Quinta
edición.
Servicio Colombiano de Hidrología y Meteorología SCMH. 1969. Publicación periódica 3.
Santa fe de Bogotá. Colombia.
Servicio Colombiano de Hidrología y Meteorología SCMH. 1969. Instalaciones para
mediciones. de niveles o alturas de aguas (instrucciones técnicas). Santa fe de Bogotá.
Colombia.
Vera H, Luis. Análisis de aforo de la estación hidrométrica Obrajillo, período 2000 – 2001.
2002. Informe profesional. Lima, Perú.
GLOSARIO
Glosario
GLOSARIO
A continuación se definen los términos más relevantes que se manejan en el documento, cuyo
conocimiento claro y preciso es de vital importancia para la comprensión del mismo.
•
Abscisado: sistema de referencia establecido en una sección transversal de un cauce que
permite definir las distancias horizontales sobre las cuales se realiza la medición de
parámetros de interés.
•
Aforador: persona encargada de llevar a cabo un aforo.
•
Aforo: conjunto de operaciones realizadas con el propósito de medir el caudal de una
corriente superficial para un nivel determinado. Uno de los principales objetivos que se
tiene al realizar un aforo es correlacionar los datos obtenidos de niveles y caudales
mediante una curva de calibración.
•
Ángulo de arrastre: ángulo que se forma entre la vertical y el cable que sujeta el equipo
hidrométrico durante la ejecución de un aforo por suspensión. En algunos documentos se
denomina ángulo de deriva.
•
Batimetría: proceso mediante el cual se miden las profundidades de corrientes
superficiales para determinar la topografía del fondo. Actualmente las mediciones son
realizadas por GPS diferencial para una posición exacta y con ecosondas mono o
multifrecuencia.
•
Contador de revoluciones: instrumento que permite determinar el número de
revoluciones dadas por la hélice de un molinete.
•
Caudal: cantidad de agua que fluye a través de una sección transversal expresada en
unidades de volumen por unidad de tiempo.
•
Curva de calibración: representación gráfica de niveles de agua y caudales por medio de
la cual se define la relación existente entre estas variables. Se utiliza para generar datos de
caudales diarios a partir de lecturas de nivel de agua sin tener que realizar el aforo.
•
Estación hidrométrica: lugar fijo en una sección de un río donde se realizan un conjunto
de operaciones que permiten determinar el caudal circulante en un momento y tiempo
determinados.
•
Escandallo o lastre: pieza utilizada en la ejecución de aforos por suspensión cuyo
objetivo es evitar que la corriente arrastre el equipo hidrométrico, de tal manera que éste
conserve su verticalidad.
•
Flotador: elemento natural o artificial que está en condiciones de flotar y ser arrastrado
por las aguas de manera parcial o totalmente sumergido en ellas.
Glosario
•
Línea de aire: distancia existente entre el punto terminal del cable del malacate y el
extremo del lastre. Se mide una sola vez al inicio de un aforo por suspensión.
•
Limnígrafo: instrumento que permite el registro continúo de los niveles de agua
presentados por una corriente. Consta de tres componentes básicos que son un elemento
sensible (flotador o manómetro), un sistema que traduce a escala y registra los niveles y un
mecanismo de relojería que proporciona una escala de tiempo.
•
Limnímetro: instrumento que consta de una mira graduada en centímetros la cual permite
el registro puntual de los niveles de agua presentados por una corriente. requiere de un
observador que haga las lecturas a unas horas determinadas con base en los requerimientos
de información.
•
Malacate: máquina a manera cabrestante que tiene el tambor en lo alto y debajo las
palancas a las que se enganchan las caballerías que lo mueven. Se emplea para subir y
bajar el equipo hidrométrico durante la realización de un aforo por suspensión.
•
Mantenimiento de equipos: conjunto de labores que se realizan a los instrumentos de
medición con el objetivo de garantizar su normal funcionamiento, de tal modo que los
datos tomados con ellos sean confiables.
•
Molinete o correntómetro: instrumento de precisión que mide la velocidad del agua en
los puntos de medición de una sección de control. Existe variedad de tipos de molinete de
eje vertical y de eje horizontal, en este último el elemento móvil es una hélice.
•
Nivel: elevación de la superficie del agua por encima o por debajo de algún indicador, el
cual debe estar “amarrado” a un sistema de referencia fijo preestablecido. Hay varias
formas de medir el nivel, incluyendo el uso de escalas hidrométricas o limnímetros (más
utilizados en la actualidad), cadenas, cintas, etc.
•
Observador: persona encargada de llevar a cabo el registro de datos en una estación
hidrométrica.
•
Programación de aforos: establecimiento de fechas para la realización de aforos basada
en una serie de criterios como puede ser necesidad de información, disponibilidad de
equipos y recursos económicos, disponibilidad de técnicos de campo, etc.
•
Remanso: aumento gradual y continuo (en un tramo determinado) en la profundidad de
flujo de una corriente por acción de ciertos fenómenos como las mareas altas (en ríos que
desembocan en el mar), la reducción de la sección transversal en un punto del río (el
remanso se produce en este caso para caudales altos), la desembocadura de ríos tributarios
en dirección normal al principal, etc.
•
Sección transversal: corte producido en un punto de un cauce por medio de un plano
vertical perpendicular a la dirección del flujo. El establecimiento de secciones
Glosario
transversales en las corrientes se emplea para la realización de aforos líquidos y sólidos,
medición de parámetros de calidad de agua, medida de niveles, etc.
•
Tarabita: estructura que se utiliza para realizar aforos por suspensión en ríos. Consta de
un par de columnas sobre las cuales se tiende un cable (amarrado en sus extremos) el cual
permite el desplazamiento tanto de equipos como de personal técnico sobre la sección de
medición.
•
Tirante: valor de la profundidad de flujo en un canal o río, es decir, la distancia que existe
entre la superficie libre del agua y el lecho.
•
Trazador: sustancia que incorporada a un proceso físico o químico permite estudiar su
comportamiento y evolución.
•
Vadeo: método de aforo aplicado en ríos pequeños y medianos en las cuales el técnico
aforador entra en la corriente y determina de manera directa las profundidades y
velocidades de flujo para luego calcular el caudal.
•
Vertical: línea imaginaria ubicada sobre una sección transversal de un río que sirve de
apoyo para la realización de mediciones hidrométricas.
ANEXOS
1
FORMATOS DE REGISTRO DE DATOS
2
CONSIDERACIONES GENERALES SOBRE EL
MANTENIMIENTO DE ESTACIONES
HIDROMÉTRICAS
3
MÉTODOS GRÁFICOS PARA EL CÁLCULO DEL
CAUDAL LÍQUIDO
4
EJEMPLO DE CÁLCULO DEL CAUDAL MEDIANTE
UN VERTEDERO
5
TABLAS MUESTREADORES INTEGRADORES
6
APROXIMACIÓN AL CÁLCULO DEL ERROR EN LA
DETERMINACIÓN DEL CAUDAL EN LAS
ESTACIONES HIDROMÉTRICAS DEL RÍO CAUCA
ANEXO No. 1
FORMATOS DE REGISTRO DE DATOS
Anexo No. 1
Formato A2 para Registro de Datos de Aforo por Flotadores
CORPORACIÓN AUTÓNOMA REGIONAL DEL VALLE DEL CAUCA
SUBDIRECCIÓN DE CONOCIMIENTO AMBIENTAL TERRITORIAL COAT
GRUPO DE OFERTA AMBIENTAL
REGISTRO DE DATOS DE CAMPO PARA AFOROS POR EL MÉTODO DE FLOTADORES
Fecha _____________________________________
Hora ______________________________________
Aforadores_________________________________
Corriente __________________________________
Distancia entre secciones de aforo_______________
No. Repeticiones
Tiempo empleado en recorrer
distancia entre secciones para el aforo (s)
Tiempo promedio (s)
Velocidad media t/l (m/s)
Área Sección Transversal (m2)
Caudal (m3/s)
Observaciones:
A1.1
Anexo No. 1
Formato A3 para Registro de datos de Aforo Mediante Estructuras
REGISTRO DE DATOS DE CAMPO PARA AFOROS MEDIANTE ESTRUCTURAS
HIDRÁULICAS
Fecha _______________________________________
Hora________________________________________
Aforadores ___________________________________
Corriente_____________________________________
Estructura Utilizada ____________________________
Ecuación de la estructura ________________________
No. Lectura
Lectura Reglilla (cm)
Caudal (l/s)
Observaciones:
A1.2
Anexo No. 1
Formato A4 para Inspección de Estaciones Hidrométricas
SUBDIRECCIÓN DE CONOCIMIENTO AMBIENTAL COAT GRUPO DE OFERTA AMBIENTAL
INSPECCIÓN DE ESTACIONES HIDROMÉTRICAS
NOMBRE:
MUNICIPIO:
ANOTACIONES
EN LA LIBRETA
CORRIENTE:
DEPTO:
COMPLETAS
INCOMPLETAS
DUDOSAS
FALSAS
FALTA INSTRUCCIÓN AL
OBSERVADOR
CAUSAS QUE MOTIVAN LAS FALLAS EN
LAS ANOTACIONES
CUENCA:
NOMBRE DEL OBSERVADOR:
PAGO HASTA
DIFICULTAD EN EL ACCESO A
LA LECTURA
SE LE DEBEN
INFORMACIÓN RETIRADA
DESDE:
HASTA:
EXISTENCIA DE PAPELERÍA
AUSENCIA TEMPORAL DEL
OBSERVADOR
DAÑOS EN LAS MIRAS
CÓDIGO:
NOMBRE
CANTIDAD
DURACIÓN
LIBRETA
LÁPIZ
PAPEL CARBÓN
LIMNÌMETRO PRINCIPAL
CERO DE MIRA
COTA DEL BM
TRAMO DE
LECTURA DE MIRA
TRABAJOS EFECTUADOS
DESCRIPCIÓN
SI
NO
DESCRIPCIÓN
LAVADO Y PINTURA
SE REPARÓ TRAMO DE
NIVELACIÓN
SE RETIRÓ TRAMO DE
AJUSTE AL CERO DE MIRA
SE REAJUSTÓ TRAMO DE
CAMBIO DEL CERO DE MIRA
SE TRASLADÓ TRAMO DE
LIMNÌGRAFO INSTALACIÓN LIMNIGRÀFICA
MARCA
ESCALA H
PAPEL DE REGISTRO
MODELO
ESCALA V
REFERENCIA
No.
BORDE
DURACIÓN
TIPO DE INSTALACIÓN LIMNIGRÀFICA
LECTURA EN EL LMNÌGRAFO
INFORMACIÓN RETIRADA
CALIDAD DE LA INFORMACIÓN
DESDE
HASTA
BUENA
REGULAR
CAUSAS DEL MAL FUNCIONAMIENTO
TRABAJOS EFECTUADOS
FALLA EN EL SISTEMA DE INSCRIPCIÓN
CAMBIO O LAVADO DE PLUMILLA
RETIRO LIMNÌGRAFO
FALTA DE TINTA
SE DEJÓ TINTA EN LA PLUMILLA
REEMPLAZO LIMNÌGRAFO
FALLA EN EL SISTEMA DE RELOJERÍA
ENGRASE Y/O CALIBRACIÓN DE PIÑONERÌA
REINSTALÓ LIMNÌGRAFO
PÉRDIDA DEL CABLE FLOTADOR-PESA
SE REPUSO CABLE Y/O FLOTADOR-PESA
CAMBIO TUBERÍA
RELOJ PARADO
CUERDA AL SISTEMA DE RELOJERÍA
REPARO POZO
POZO O TUBERÍA TAPADO
LAVADO DE POZO Y/O TUBERÍA
PAPEL DE REGISTRO ACABADO
SE COLOCÓ ROLLO NUEVO
INVERSIÓN DEL REGISTRO
CAMBIO DE BORDE
OTROS
OTROS
INSTALACIÓN DE AFOROS – TRABAJOS EFECTUADOS
DESCRIPCIÓN
AFOROS LÍQUIDOS
MUESTREO DE SEDIMENTOS EN SUSPENSIÓN
MUESTREO DE SEDIMENTOS DE FONDO
HIDROTOPOGRAFÌA SECCIÓN TRANSVERSAL
MEDIDA DE LA PENDIENTE HIDRÁULICA
MEDICIONES EFECTUADAS
TOTAL
SI
SI
MÉTODO
MALA
INSTRUMENTO USADO
NO
NO
OBSERVACIONES GENERALES
HORA DE LA INSPECCIÓN
Comienzo_________ Fin_______
FECHA
_____________
(firma inspector)
(firma observador)
Original: sección hidroclimatologìa CVC
Copia: observador
A1.3
Anexo No. 1
Formato A5 para Registro Diario de Lecturas de Mira
REGISTRO DIARIO DE LECTURAS DE MIRA
Río _______________________________________________ Estación ___________________________________________________
Observador ________________________________________ Código ____________________________________________________
Municipio _________________________________________ Departamento _______________________________________________
Cuenca Hidrográfica ________________________________________________________ Fecha _______________________________
LECTURA DE MIRA
Día
MEDIDA A LAS
06
12
18
PROMEDIO
DIARIO
NIVEL
MÁXIMO
OBSERVACIONES
HORA
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
NIVEL MÁXIMO MENSUAL: __________
NIVEL MÍNIMO MENSUAL: ___________
NIVEL PROMEDIO MENSUAL: ________
CERO MIRA
BM
TRAMO DE
LIMNÍMETRO
PRINCIPAL
LIMNÌMETRO
AUXILIAR
A1.4
Anexo No. 1
Formato A6 para Registro de Datos de Aforos Sólidos
REGISTRO DE DATOS DE CAMPO PARA AFOROS SÓLIDOS
Estación ______________________________
Código _______________________________
Fecha_________________________________
Aforadores ____________________________
Hora _________________________________
Muestreador____________________________
Tipo de muestreo________________________
Verticales muestreadas ___________________
Caudal_______________
Observaciones:
___________________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________________
A1.5
ANEXO No. 2
CONSIDERACIONES GENERALES SOBRE
EL MANTENIMIENTO DE ESTACIONES
HIDROMÉTRICAS
ANEXO No. 2
Anexo No. 2, Mantenimiento de Estaciones
CONSIDERACIONES GENERALES SOBRE EL
MANTENIMIENTO DE ESTACIONES
HIDROMÉTRICAS
Diferentes actividades de mantenimiento deben ser realizadas en las estaciones hidrométricas a
intervalos de tiempo determinados para garantizar la calidad de la información que se registra.
Estas labores deben ser efectuadas principalmente por los técnicos y observadores encargados
de los sitios. En todas las estaciones de recopilación de datos se deben llevar a cabo las
siguientes acciones:
•
Dar mantenimiento adecuado a los instrumentos
•
Reemplazar o mejorar los instrumentos, según proceda
•
Recuperar o grabar las observaciones
•
Controlar los registros efectuados
•
Controlar todo el equipo anexo (por ejemplo, líneas de transmisión, etc.)
•
Controlar y mantener el sitio de acuerdo con las especificaciones recomendadas
•
Controlar y mantener el acceso a la estación
•
Registrar todas las actividades anteriores
•
Comentar y registrar los cambios en el uso del suelo o de la vegetación
•
Limpiar los escombros y la vegetación que se hallen en la estación o cerca a ella.
Para las estaciones de medición de caudales se debe realizar las siguientes actividades:
•
Controlar y efectuar el servicio a los aparatos de medición de flujo
•
Controlar y reparar las estructuras de control
•
Hacer estudios relativos a las condiciones que predominan en determinado momento y
fotografiar los principales cambios en el sector de la estación después de la ocurrencia de
fenómenos importantes como crecientes y deslizamientos y de cambios en la vegetación o
en el uso del suelo
•
Registrar, por escrito, todas las actividades anteriores y sus resultados
A2.1
•
Anexo No. 2, Mantenimiento de Estaciones
Inspeccionar el terreno en los alrededores de la estación y registrar cualquier cambio
importante del uso del suelo o de las características hidrológicas
En el Anexo No. 1 se incluye el formato de inspección de estaciones hidrométricas utilizado
por el personal de la CVC.
A2.2
ANEXO No. 3
MÉTODOS GRÁFICOS PARA EL
CÁLCULO DEL CAUDAL LÍQUIDO
Anexo No 3, Métodos Gráficos Cálculo del Caudal
ANEXO No. 3 METODOS GRAFICOS PARA EL CALCULO DEL
CAUDAL LIQUIDO
A3.1 METODO DE INTEGRACION DE LA CURVA PROFUNDIDAD – VELOCIDAD
Las lecturas de velocidad registradas para cada vertical se dibujan contra la profundidad como
se muestra en la Figura No. A3.1. El área bajo la curva de velocidad para una vertical dada
representa el caudal por unidad de ancho para la sección correspondiente. Cuando sea
necesario, las curvas de velocidad se pueden extrapolar a la superficie y el fondo.
Figura No. A3.1 Perfil de Velocidades en la Estación Suárez, Vertical 24
Velocidad (m/s)
1.9
2.1
2.3
2.5
2.7
2.9
3.1
3.3
3.5
3.7
3.9
0
Profundidad (m)
0.5
1
y = -0.3409x3 + 1.884x2 - 4.3433x + 7.297
R2 = 0.9964
1.5
2
2.5
3
3.5
4
Una estimación del caudal por unidad de ancho para esta zona se puede obtener de la
ecuación:
qu = 2
Vm × h f
3
(A3.1)
Donde
qu = caudal por unidad de ancho sobre la zona de medición (m3/s*m)
vm = velocidad media para la parte medida de la vertical (m/s)
hf = profundidad de la zona no medida (m)
De manera similar, el caudal por unidad de ancho para la zona cercana a la superficie donde
no se pudo medir se obtiene de la ecuación:
qs = 2
Vm × hs
0.9
A3.1
(A3.2)
donde
qs = caudal por unidad de ancho sobre la zona no medida (m3/s*m)
hs = profundidad de la zona no medida (m)
Los equipos de medición se deben seleccionar adecuadamente para disminuir la profundidad
de las zonas no medidas.
Los valores del caudal por unidad de ancho ( v * d ) se dibujan en la parte superior del
diagrama (Figura No. A3.2) y al unirlos se forma una curva continua. El área entre la curva y
la línea que representa el nivel del agua corresponde al caudal total en la sección.
Figura No. A3.2 Cálculo del Caudal para mediciones con molinetes, método de
Integración de la curva Profundidad – Velocidad, Sección de Aforo Estación Suárez
15
v*d
12
9.
6.
v
3.
B
5.
4.
d
3.
2.
v
1.
3 6
9
12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54 57 60 63 66 69 72 75 78 81 84 87 90 93
En el caso de mediciones de velocidad por los métodos de integración o puntos reducidos, el
caudal por unidad de ancho en cada vertical se obtiene directamente como el producto de la
velocidad media v y la profundidad correspondiente d.
Cuando las mediciones de velocidad no se realizan en las mismas verticales donde se mide la
profundidad, la curva de v se dibuja a través del ancho de la corriente y el valor de v
corresponde a las verticales donde se hicieron las mediciones de profundidad tomando para el
dibujo la curva de v * d .
Q = ∫ q i db o Q = ∑ v i d i ΔB
(A3.3)
donde
Q = caudal total (m3/s);
A3.2
v i = velocidad promedio del segmento (m/s);
d i = profundidad del segmento (m);
ΔB = incremento del ancho (m).
A3.2 MÉTODO DE LAS CURVAS DE IGUAL VELOCIDAD O ISÓTACAS
Se basa en las curvas de distribución de velocidad en las verticales. Se elabora un diagrama de
distribución de velocidades en la sección transversal y se trazan las curvas de igual velocidad
(Figura No. A3.3). Se miden las áreas delimitadas entre isótacas sucesivas y el valor obtenido
se traza en otro diagrama (Figura No. A3.4) en el que las ordenadas indican la velocidad y las
abscisas el área correspondiente. La superficie delimitada por la curva área–velocidad
representa el caudal en la sección transversal.
Figura No. A3.3 Distribución de Velocidades para un Caudal de 370 m3/s y un Nivel de
mira auxiliar de 0.75 m, Estación Suárez, Río Cauca
10
9.
8.
7.
6.
5.
4.
3.7
3.2
2.2
0.2
1.2
3.
2.
1.
3. 6. 9. 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54 57 60 63 66 69 72 75 78 81 84 87 90 93
A3.3
Velocidad m/s
Figura No. A3.4 Curva Área – Velocidad para determinar el Caudal Total en la Sección
Transversal
6.5
6.0
5.5
5.0
4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
ΔQ = v ΔA
ΔA
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000 1100 1200 1300
Area m 2
A3.4
ANEXO No. 4
EJEMPLO DE CÁLCULO DEL CAUDAL
MEDIANTE UN VERTEDERO
Anexo No.4, Cálculo del Caudal con Vertedero
ANEXO No. 4 EJEMPLO DE CALCULO DEL CAUDAL MEDIANTE
UN VERTEDERO
El cálculo del caudal mediante el uso de estructuras se realiza aplicando ecuaciones que se han
establecido para cada una de ellas por medio de procedimientos de calibración previa o tablas
desarrolladas en igual forma. A continuación se describe la manera de determinar el caudal
utilizando un vertedero triangular de cresta delgada con ángulo de escotadura de 90º (Figura
No. A4.1), cuyas dimensiones se muestran en el Cuadro No. A4.1.
Figura No. A4.1 Vertedero Triangular de cresta delgada con Ángulo de Escotadura de 90
Vara de medición
A
90
h
a
Z
L
Cuadro No. A4.1 Dimensiones típicas de Vertedero Triangular de cresta delgada con
Ángulo de Escotadura de 90 º
h
a
L
A
Dimensión* Z
Grande
0.53 0.30 0.23 1.22 0.30
Mediana
0.38 0.24 0.14 0.91 0.21
Pequeña
0.23 0.14 0.08 0.61 0.16
*
Todas las dimensiones están en m
La ecuación para calcular el caudal en función del nivel utilizando un vertedero como el que
se ha descrito es:
Q=C h
2.5
(A4.1)
donde:
Q = caudal en pie3/s o m3/s
C = coeficiente de descarga
h = nivel medido en la reglilla en pies o m.
A4.1
Anexo No.4, Cálculo del Caudal con Vertedero
El valor de C para cada vertedero debe ser evaluado previamente en un laboratorio de
hidráulica mediante mediciones volumétricas del caudal para diferentes valores del nivel (h).
Si no es posible hacer esto, se puede utilizar un valor de 2.47 para C cuando se emplean
unidades inglesas y 1.36 cuando se trabaja en unidades métricas.
Para medir el caudal por medio de un vertedero se pueden hacer varias lecturas del nivel a
intervalos de tiempo definidos (por ejemplo, cada tres minutos durante media hora) y luego
promediar estos valores para introducir este dato en la ecuación.
Ejemplo de cálculo:
Calcular el caudal que circula por un vertedero triangular de cresta delgada y ángulo de
escotadura de 90° si el promedio de lecturas de nivel aguas arriba del vertedero es de 0.25 m.
Solución:
Aplicando la ecuación (A4.1) se tiene:
Q = 1.36 (0.25)
2.5
= 0.0425 m 3 s
Se emplea el valor de C = 1.36 dado que el dato del nivel del agua (leído en la reglilla) se
encuentra expresado en unidades métricas.
A4.2
ANEXO No. 5
TABLAS MUESTREADORES
INTEGRADORES
Anexo No 5, Tablas Muestreadores Integradores
ANEXO No. 5 TABLAS MUESTREADORES INTEGRADORES
A5.1
TABLAS DE TIEMPO (en segundos) EN FUNCION DE LA VELOCIDAD (m/s) PARA SACAR MUESTRAS
Boquilla de 3/16"
Velocidad m/s
0
1
2
3
4
5
6
7
8
107,5
102,5
98,0
93,5
89,5
86,0
82,5
79,5
77,0
0,2
71,5
68,5
67,0
65,0
63,0
61,5
59,5
58,0
56,5
0,3
54,0
52,5
51,0
50,0
49,0
48,0
47,0
45,5
45,0
0,4
43,0
42,0
41,5
40,5
40,0
39,0
38,5
38,0
37,0
0,5
36,0
35,5
35,0
34,0
33,5
33,0
32,5
32,0
31,5
0,6
31,0
30,5
30,0
29,5
29,0
28,5
28,5
28,0
27,5
0,7
27,0
26,5
26,0
26,0
25,5
25,5
25,0
25,0
24,5
0,8
24,0
23,5
23,5
23,0
23,0
22,5
22,5
22,0
22,0
0,9
21,5
21,5
21,0
21,0
20,5
20,5
20,0
20,0
20,0
1,0
19,5
19,5
19,0
19,0
19,0
18,5
18,5
18,0
18,0
1,1
18,0
18,0
17,5
17,5
17,5
17,0
17,0
17,0
17,0
1,2
16,5
16,5
16,5
16,0
16,0
16,0
16,0
15,5
15,5
1,3
15,5
15,5
15,0
15,0
15,0
15,0
14,5
14,5
14,5
1,4
14,5
14,0
14,0
14,0
14,0
14,0
14,0
13,5
13,5
1,5
13,5
13,5
13,5
13,0
13,0
13,0
13,0
13,0
13,0
1,6
12,5
12,5
125,0
12,5
12,5
12,5
12,5
12,5
12,5
1,7
12,0
12,0
12,0
11,5
11,5
11,5
11,5
11,5
11,5
1,8
11,5
11,5
11,0
11,0
11,0
11,0
11,0
11,0
11,0
1,9
11,0
10,5
10,5
10,5
10,5
10,5
10,5
10,5
10,5
2,0
10,0
10,0
10,0
10,0
10,0
10,0
10,0
10,0
10,0
2,1
10,0
90,5
9,5
9,5
9,5
9,5
9,5
9,5
9,5
2,2
9,5
90,5
9,5
9,0
9,0
9,0
9,0
9,0
9,0
2,3
9,0
9,0
9,0
9,0
9,0
8,5
8,5
8,5
8,5
2,4
8,5
8,5
8,5
8,5
8,5
8,5
8,5
8,5
8,5
2,5
8,5
8,0
8,0
8,0
8,0
8,0
8,0
8,0
8,0
2,6
8,0
8,0
8,0
8,0
8,0
8,0
8,0
7,5
7,5
2,7
7,5
7,5
7,5
7,5
7,5
7,5
7,5
7,5
7,5
2,8
7,5
7,5
7,5
7,5
7,5
7,5
7,5
7,0
7,0
2,9
7,0
3,0
TABLAS DE TIEMPO (en segundos) EN FUNCIÓN DE LA VELOCIDAD (m/s) PARA SACAR MUESTRAS
A5.2
9
74,0
55,0
44,0
36,5
31,0
27,0
24,0
21,5
19,5
18,0
16,5
15,5
14,5
13,5
13,0
12,5
11,5
11,0
10,5
10,0
9,5
9,0
8,5
8,5
8,0
7,5
7,5
7,0
Boquilla de 1/4"
3
4
53,0
51,0
37,0
36,0
28,5
28,0
23,0
22,5
19,5
19,0
16,5
16,5
14,5
14,5
13,0
13,0
12,0
11,5
11,0
10,5
10,0
10,0
9,0
9,0
8,5
8,5
8,0
8,0
7,5
7,5
7,0
7,0
6,5
6,5
6,5
6,5
6,0
6,0
6,0
5,5
5,5
5,5
5,0
5,0
5,0
5,0
5,0
5,0
4,5
4,5
4,5
4,5
4,5
4,5
4,0
4,0
Velocidad m/s
0
1
2
5
6
7
8
61,0
58,0
55,5
49,0
47,0
45,0
43,5
0,2
40,5
39,5
38,0
35,0
34,0
33,0
32,0
0,3
30,5
30,0
29,0
27,0
26,5
26,0
25,5
0,4
24,5
24,0
23,5
22,0
22,0
21,5
21,0
0,5
20,5
20,0
19,5
19,0
18,5
18,0
18,0
0,6
17,5
17,0
17,0
16,5
16,0
16,0
15,5
0,7
15,5
15,0
15,0
14,5
14,0
14,0
14,0
0,8
13,5
13,5
13,5
13,0
12,5
12,5
12,5
0,9
12,0
12,0
12,0
11,5
11,5
11,5
11,5
1,0
11,0
11,0
11,0
10,5
10,5
10,5
10,5
1,1
10,0
10,0
10,0
10,0
9,5
9,5
9,5
1,2
9,5
9,5
9,5
9,0
9,0
9,0
9,0
1,3
8,5
8,5
8,5
8,5
8,5
8,5
8,0
1,4
8,0
8,0
8,0
8,0
8,0
8,0
7,5
1,5
7,5
7,5
7,5
7,5
7,5
7,5
7,5
1,6
7,0
7,0
7,0
7,0
7,0
7,0
7,0
1,7
6,5
6,5
6,5
6,5
6,5
6,5
6,5
1,8
6,5
6,5
6,5
6,5
6,0
6,0
6,0
1,9
6,0
6,0
6,0
6,0
6,0
6,0
6,0
2,0
6,0
6,0
6,0
5,5
5,5
5,5
5,5
2,1
5,5
5,5
5,5
5,5
5,5
5,5
5,5
2,2
5,5
5,5
5,5
5,0
5,0
5,0
5,0
2,3
5,0
5,0
5,0
5,0
5,0
5,0
5,0
2,4
5,0
5,0
5,0
5,0
5,0
4,5
4,5
2,5
4,5
4,5
4,5
4,5
4,5
4,5
4,5
2,6
4,5
4,5
4,5
4,5
4,5
4,5
4,5
2,7
4,5
4,5
4,5
4,5
4,5
4,0
4,0
2,8
4,0
4,0
4,0
4,0
4,0
4,0
4,0
2,9
4,0
3,0
TABLAS DE TIEMPO (en segundos) EN FUNCIÓN DE LA VELOCIDAD (m/s) PARA SACAR MUESTRAS
Boquilla de 1/8"
A5.3
9
42,0
31,0
25,0
21,0
17,5
15,5
13,5
12,5
11,0
10,0
9,5
9,0
8,0
7,5
7,0
7,0
6,5
6,0
6,0
5,5
5,5
5,0
5,0
4,5
4,5
4,5
4,0
4,0
Velocidad
m/s
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6
1,7
1,8
1,9
2,0
2,1
2,2
2,3
2,4
2,5
2,6
2,7
2,8
2,9
3,0
0
163,5
122,5
98,0
81,5
70,0
61,5
54,5
49,5
44,5
41,0
37,5
35,0
32,5
30,5
29,0
27,0
26,0
24,5
23,5
22,5
21,5
20,5
19,5
19,0
18,0
17,5
17,0
16,5
1
158,0
119,5
96,0
80,5
69,0
60,5
54,0
48,5
44,0
40,5
37,5
35,0
32,5
30,5
28,5
27,0
25,5
24,5
23,0
22,0
21,0
20,4
19,5
19,0
18,0
17,5
17,0
2
153,0
117,0
94,5
79,0
68,0
60,0
53,5
48,0
44,0
40,0
37,0
34,5
32,0
30,5
28,5
27,0
25,5
24,0
23,0
22,0
21,0
20,0
19,5
18,5
18,0
17,5
17,0
A5.4
3
148,5
114,0
92,5
78,0
67,0
59,0
52,5
47,5
43,5
40,0
37,0
34,5
32,0
30,0
28,5
27,0
25,5
24,0
23,0
22,0
21,0
20,0
19,5
18,5
18,0
17,5
16,5
4
144,5
111,5
91,0
76,5
66,5
58,5
52,0
47,0
43,0
39,5
36,5
34,0
32,0
30,0
28,0
26,5
25,0
24,0
23,0
22,0
21,0
20,0
19,5
18,5
18,0
17,5
16,5
5
140,0
109,0
89,0
75,5
65,5
57,5
51,5
46,5
42,5
39,0
36,5
34,0
31,5
30,0
28,0
26,5
25,0
24,0
23,0
22,0
21,0
20,0
19,0
18,5
18,0
17,0
16,5
6
136,0
106,5
87,5
74,5
64,5
57,0
51,0
46,0
42,0
39,0
36,0
33,5
31,5
29,5
28,0
26,5
25,0
24,0
23,0
22,0
21,0
20,0
19,0
18,5
18,0
17,0
16,5
7
13,3
104,5
86,0
73,0
63,5
56,5
50,5
46,0
42,0
38,5
36,0
33,5
31,0
29,5
27,5
26,0
25,0
24,0
22,5
21,5
21,0
20,0
19,0
18,5
17,5
17,0
16,5
8
129,0
102,0
84,5
72,0
63,0
55,5
50,0
45,5
41,5
38,0
35,5
33,0
31,0
29,0
27,5
26,0
25,0
23,5
22,5
21,5
21,0
20,0
19,0
18,5
17,5
17,0
16,5
9
126,0
100,0
83,0
71,0
62,0
55,0
49,5
45,0
41,0
38,0
35,5
33,0
31,0
29,0
27,5
26,0
24,5
23,5
22,5
21,5
20,5
19,5
19,0
18,0
17,5
17,0
16,5
ANEXO No. 6
APROXIMACIÓN AL CÁLCULO DEL
ERROR EN LA DETERMINACIÓN DEL
CAUDAL EN LAS ESTACIONES
HIDROMÉTRICAS DEL RÍO CAUCA
Anexo No. 6, Aproximación al Cálculo del Error
ANEXO No. 6 APROXIMACION AL CALCULO DEL ERROR EN LA
DETERMINACION DEL CAUDAL EN LAS
ESTACIONES HIDROMETRICAS DEL RIO CAUCA
A6.1 MARCO TEÓRICO
Los valores reales (exactos) de los elementos hidrológicos no se pueden determinar por
medición porque los errores no se pueden eliminar completamente. La incertidumbre en la
toma de los datos tiene un carácter probabilístico que se puede definir como el intervalo
donde se espera que el valor real permanezca con una cierta probabilidad o nivel de
confianza. El intervalo de confianza se denomina también margen de error.
Si las mediciones son independientes unas de otras, se puede estimar la incertidumbre en
los resultados tomando unas 20 a 25 observaciones y calculando el valor de la desviación
típica, y luego determinando el nivel de confianza de los resultados. En general, este
procedimiento no puede aplicarse en mediciones hidrométricas, debido a los cambios en el
valor a medir durante el período de medición. Por ejemplo, es evidente que sobre el terreno
no se pueden realizar mediciones consecutivas de caudal con un molinete a nivel constante.
En consecuencia, se tiene que hacer una estimación de la incertidumbre, examinando las
diferentes fuentes de error.
Otro problema que se plantea en la aplicación de procedimientos estadísticos a los datos
hidrológicos se debe al supuesto de que las observaciones son variables aleatorias
independientes de una distribución estadística fija. Esta condición rara vez se cumple en las
mediciones hidrológicas. Por ejemplo, el caudal de un río, por naturaleza, no es aleatorio,
sino que depende de valores previos.
Ningún análisis estadístico puede reemplazar las observaciones directas, en particular
porque con estos análisis no se pueden eliminar los errores sistemáticos. Sólo los errores
aleatorios pueden caracterizarse por medios estadísticos.
A6.2 DEFINICIONES
•
Exactitud: nivel de aproximación entre una medición y el valor real. Esto supone que
se han aplicado todas las correcciones conocidas.
•
Nivel de confianza: probabilidad de que el intervalo de confianza incluya el valor
verdadero.
•
Error: diferencia entre el resultado de una medición y el valor verdadero de la cantidad
medida. Este término designa también la diferencia entre el resultado de una medición y
la mejor aproximación al valor verdadero (en vez del propio valor verdadero). La mejor
aproximación puede ser la media de varias o muchas mediciones.
A6.1
•
Medición: acción que tiene por objeto asignar un número como valor de una magnitud
física en las unidades establecidas. (el resultado de una medición es completo si incluye
una estimación (necesariamente en términos estadísticos) de la magnitud probable de la
incertidumbre).
•
Precisión: es la proximidad entre mediciones independientes de una sola magnitud
obtenidas por la aplicación varias veces de un procedimiento de medición establecido,
en condiciones definidas. La exactitud se relaciona con la proximidad al valor
verdadero, la precisión se refiere únicamente a la proximidad que existe entre varias
mediciones. La precisión de la observación o de la lectura, es la unidad más pequeña de
división de una escala de medida en la cual es posible hacer la lectura directamente o
por estimación.
•
Error aleatorio: parte del error total que varía de manera imprevisible en magnitud y
en signo, cuando se hacen mediciones de una variable determinada en las mismas
condiciones.
•
Rango: intervalo entre los valores mínimos y máximos de la magnitud que se ha de
medir, para la que se han construido, ajustado o instalado los instrumentos. Puede
expresarse como la relación entre los valores máximos y mínimos medidos.
•
Medición de referencia: medición en la que se han utilizado los conocimientos
científicos más recientes y las técnicas más avanzadas. El resultado de la medición de
referencia se usa para obtener la mejor aproximación del valor verdadero.
•
Sensibilidad: relación entre el cambio de la respuesta y el correspondiente cambio del
estímulo o valor del estímulo requerido para producir una respuesta que excede una
cantidad determinada.
•
Valor falso: valor del cual se está seguro que es un error, por ejemplo debido a errores
humanos o al mal funcionamiento de los instrumentos.
•
Error sistemático: parte del error que permanece constante durante un número de
mediciones o que varía según una ley definida cuando cambian las condiciones.
•
Valor verdadero: valor que caracteriza una magnitud en las condiciones que existen en
el momento en que se observa dicha magnitud. Es un valor ideal que sólo podría
determinarse si todas las causas de error fueran eliminadas.
•
Incertidumbre: intervalo dentro del cual cabe esperar que se sitúe el valor verdadero
de una magnitud con una probabilidad establecida.
•
Corrección: valor que se debe agregar al resultado de una medición para tener en
cuenta cualquier error sistemático conocido y, por lo tanto, obtener la mejor
aproximación al valor verdadero.
A6.2
A6.3 TIPOS DE ERROR
Los errores sistemáticos provienen principalmente de los instrumentos y no se pueden
reducir aumentando el número de mediciones o su duración, si los instrumentos y las
condiciones de medición permanecen invariables. Si el error sistemático tiene un valor
conocido, este valor se debe sumar o restar del resultado de la medición. El error
sistemático debe ser eliminado mediante correcciones, ajustes apropiados o cambiando el
instrumento, y/o modificando las condiciones en las cuales se mide el caudal, por ejemplo,
la longitud del tramo recto del canal antes de una estación de aforo. Con frecuencia muchos
errores se deben a condiciones difíciles de medición, como caudales permanentes, ríos muy
meándricos y la mala localización de las estaciones hidrométricas.
Los errores aleatorios no se pueden eliminar, pero se pueden reducir sus efectos mediante la
repetición de las mediciones y la selección de instrumentos apropiados. Su magnitud es
influenciada por la naturaleza de la turbulencia del flujo. La distribución de los errores
aleatorios se puede considerar como normal (gaussiana). En algunos casos, la distribución
normal puede o debería ser remplazada por otras distribuciones estadísticas.
A6.4 FUENTES DE ERROR
Cada instrumento y método de medición tiene sus propias fuentes de error, por lo tanto, es
difícil dar una lista exhaustiva de todas ellas. Las fuentes de error específicas generalmente
se indican en los catálogos de los instrumentos y en su modo de empleo.
Cuando se mide el ancho, la profundidad y la velocidad del flujo se presentan errores. La
aplicación de métodos de cálculo también introduce errores.
Algunas de las fuentes típicas de error en la medición de un caudal son:
•
Teóricamente el caudal se calcula como:
q = ∫∫ v ( x, y ) dx dy
(A6.1)
A
donde:
q
A
v (x,y)
= caudal real que no es posible medir exactamente
= área de la sección transversal
= campo de velocidad sobre el ancho x, y la profundidad, y.
En la práctica, la integral se aproxima por medio de la sumatoria
m
Q = ∑ bi d i v i (2)
(A6.2)
i =1
A6.3
donde:
Q
bi
di
vi
m
=
=
=
=
=
caudal calculado (m3/s)
ancho de la sección i (m)
profundidad en la sección i (m)
velocidad media en la vertical i (m/s)
número de secciones
El error en el cálculo de Q se debe a errores en la medición de las variables bi, di y en
las mediciones individuales de las velocidades de flujo necesarias para determinar el
valor de v i , además de la aproximación de la integral a la sumatoria.
•
Error del punto de referencia de un instrumento, por ejemplo: la asignación errática de
la cota del cero de una escala limnimétrica.
•
Error de lectura que resulta de la observación incorrecta de lo indicado por el
instrumento de medición, por ejemplo, a causa de la mala visibilidad o el oleaje en el
limnímetro.
•
Error de interpolación causado por la evaluación inexacta de la posición del dato con
respecto a las dos marcas consecutivas de la escala entre las cuales se encuentra.
•
Error de observación, similar al error de lectura, pero se atribuye al observador.
•
Error producido por histéresis del instrumento (propiedad de un instrumento por la cual
éste da mediciones diferentes del mismo valor real, de acuerdo a si ese valor se alcanzó
por un cambio creciente continuo o por un cambio decreciente continuo de la variable).
•
Error de no linealidad, parte del error por el cual un cambio de indicación o de
respuesta no es proporcional al cambio correspondiente del valor de la magnitud
medida en un rango determinado.
•
Error de insensibilidad, se produce cuando el instrumento no puede detectar un cambio
dado en el elemento medido.
•
Error de desviación, se debe a las características del instrumento las cuales, con el
tiempo y en condiciones de uso particular, cambian sus propiedades, por ejemplo: la
desviación en la mecánica de relojería de un limnígrafo con el transcurso del tiempo o
debido a la temperatura.
•
Error de inestabilidad, resulta de la incapacidad de un instrumento para mantener
constantes ciertas propiedades específicas.
•
Error fuera de rango causado por el uso de un instrumento más allá del alcance de
medición efectiva, inferior al mínimo o superior al máximo valor para el que se ha
construido, ajustado o instalado. Por ejemplo: una altura inesperada del nivel del agua.
A6.4
•
Error de precisión causado por el uso inadecuado de un instrumento, cuando el error
mínimo es mayor que la tolerancia (precisión permitida en la medición de una variable
dada) para la medición.
A6.5 DETERMINACION DE LA INCERTIDUMBRE EN LOS COMPONENTES
INDIVIDUALES DE LA MEDICION DEL CAUDAL
•
Incertidumbre en el ancho: la obtención del ancho entre verticales se hace
normalmente midiendo las distancias desde un punto de referencia situado en la banca.
Cuando se usa una cinta o un abscisado de referencia el error depende de la distancia
pero generalmente es insignificante. Cuando se mide la distancia por medios
electrónicos, se presenta un error constante que depende de la distancia medida.
Los errores se deben principalmente al equipo de medición.
La incertidumbre en la medición del ancho (X´b) podría no ser mayor que el 1%.
Como ejemplo, el error que se introduce al medir una distancia particular teniendo una
distancia patrón de 800 mm varía aproximadamente como se muestra en el Cuadro No.
A6.1.
Cuadro No. A6.1 Ejemplo de Errores en la Medición del Ancho para un caso
particular
Rango de ancho
(m)
0 a 100
101 a 150
151 a 250
•
Error absoluto
(m)
0 a 0.3
0.3 a 0.5
0.5 a 1.2
Error relativo
(%)
± 0.3
± 0.4
± 0.5
Incertidumbre en la profundidad: algunos errores dependen del tipo y uso de los
instrumentos empleados. La incertidumbre en la profundidad (X´d) puede determinarse
si se tiene en cuenta el método determinado y conociendo las variaciones del nivel del
agua durante la medición.
Para profundidades hasta 0.3 m la incertidumbre no debe exceder ± 3%, y para
profundidades mayores a 0.3 m la incertidumbre no debe exceder ± 1%.
A manera de ejemplo, el error en la profundidad en un río aluvial cuya profundidad
varía de 2 m a 7 m y en donde la velocidad varía hasta 1.5 m/s, es del orden de 0.05 m
usando un cable de suspensión en la medición.
Otro ejemplo, para un caso de mediciones de la profundidad tomadas con una barra de
sondeo hasta un valor de 6 m y más allá de éste por un cable de suspensión con línea de
A6.5
aire, con velocidades en un rango de 0.087 m/s a 1.3 m/s, se obtuvieron los resultados
mostrados en el Cuadro No. A6.2.
Cuadro No. A6.2 Ejemplo de Errores en Mediciones de Profundidad
Profundidad
(m)
6
14
•
Error
absoluto (m)
0.04
0.05
Error relativo
(%)
± 0.7
± 0.4
Observaciones
Con barra de sondeo
Con cable de suspensión
Incertidumbre en la determinación de la velocidad media: la incertidumbre consta
de tres componentes:

El error debido al tiempo empleado en la medición de la velocidad puntual en cada
vertical. Debido a la turbulencia la velocidad cambia continuamente en la sección
transversal o la velocidad media en cualquier punto, determinada en las mediciones
durante un intervalo de tiempo es una aproximación a la velocidad media.
Los porcentajes de incertidumbre en las mediciones de velocidad puntual tomados
en diferentes tiempos de exposición y puntos en la vertical, que se muestran en el
Cuadro No. A6.3 se dan como una guía. Los valores se indican como
incertidumbres a un nivel de confianza del 95%.
Cuadro No. A6.3 Porcentajes de Incertidumbre en mediciones puntuales de Velocidad
Velocidad
(m/s)
0.050
0.100
0.200
0.300
0.400
0.500
1.000
Sobre 1.000

0.5
50
27
15
10
8
8
7
7
Profundidad de medición en la vertical
0.2d, 0.4d o 0.6d
0.8d o 0.9d
Tiempo de lectura en el molinete (Min)
1
2
3
0.5
1
2
50
60
80
20
30
40
20
27
33
13
16
22
10
14
17
7
9
12
6
7
10
5
6
7
6
6
8
5
6
6
6
6
8
4
6
6
6
6
7
4
6
6
5
6
7
4
5
6
3
40
17
8
5
5
4
4
4
El error presentado por el empleo de un número limitado de puntos en la vertical. El
cálculo de la velocidad media en la vertical como un promedio o como un promedio
ponderado de un número de velocidades puntuales resulta en una aproximación a la
velocidad real en la vertical considerada.
A6.6
En el Cuadro No. A6.4 se da una guía de cómo es la incertidumbre en la medición
de la velocidad cuando se aumenta el numero de puntos de observación.
Cuadro No. A6.4 Porcentajes de Incertidumbre en las mediciones de la Velocidad
según el número de puntos en una Vertical

Método de medición
Incertidumbre (%)
(95% nivel de confianza)
Distribución de velocidad
±1
5 puntos
2 puntos
1 punto
±5
±7
± 15
El error presentado por un número limitado de verticales para realizar las
mediciones de velocidad. El perfil de velocidades horizontales entre dos verticales
se determina por interpolación lo cual introduce un error.
En el Cuadro No. A6.5 se muestra a manera de guía las variaciones en la
incertidumbre cuando se aumenta el número de verticales.
Cuadro No. A6.5 Porcentajes de Incertidumbre en mediciones de la Velocidad Media
según el número de verticales en la Sección de Aforo
Número de verticales
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Incertidumbre (%)
± 15
±9
±6
±5
±4
±3
±2
±2
±2
Los valores de profundidad di y de la velocidad media v i en la vertical se usan para
determinar el caudal por unidad de ancho y el caudal a través de la sección i. La
sumatoria de los caudales a través de cada sección de acuerdo con la ecuación (A6.2)
resulta en una aproximación al valor real del caudal.

Calibración de molinetes (Xć). Los valores mostrados en el Cuadro No. A6.6 se
dan como una guía y están basados en experimentos realizados en varias clases de
tanques.
A6.7
Cuadro No. A6.6 Porcentajes de Incertidumbre en la medición de la Velocidad con
relación a la Velocidad Medida
Incertidumbre (%)
Velocidad medida
(m/s)
Curva individual
0.03
0.10
0.15
0.25
0.50
Sobre 0.50
± 20
±5
± 2.5
±2
±1
±1
Curva por grupo o
estándar
± 20
± 10
±5
±4
±3
±2
A6.6 SÍMBOLOS
Los símbolos usados para la notación de las incertidumbres de las variables de interés para
el cálculo del caudal se indican en el Cuadro No. A6.7
Cuadro No. A6.7 Notación de los diferentes Tipos de Incertidumbre
Incertidumbre1 (%)
Aleatoria Sistemática2
Ancho
X´bi
X´´b
X´di
X´´d
Profundidad
Velocidad media
X ´ vi
X ´´v
Parámetro
(1)
Todas las incertidumbres usadas en este documento se expresan en términos porcentuales correspondientes
al 95% del límite de confianza. X´ se refiere al porcentaje de incertidumbre aleatoria y X´´ se refiere al
porcentaje de incertidumbre sistemática.
(2)
La mayor fuente de incertidumbre sistemática en la determinación de la velocidad se presenta por causa de
errores ocasionados por la calibración de los molinetes.
A6.7 ERRORES DE MEDICIÓN SECUNDARIOS
Las observaciones hidrológicas se calculan frecuentemente a partir de varios componentes
medidos. Por ejemplo, el caudal que atraviesa una estructura se determina como una
función del coeficiente de dicha estructura, de sus dimensiones características y de la carga
sobre ella. Para estimar la incertidumbre resultante se puede aplicar la teoría de
transferencia (propagación) del error de Gauss.
A6.8
La incertidumbre resultante con frecuencia se remite a la incertidumbre total, que se puede
calcular a partir de las incertidumbres de los componentes individuales, si los errores de
éstos se consideran estadísticamente independientes.
En monitoreo hidrológico es muy raro que una medición pueda repetirse bajo las mismas
condiciones de campo. La desviación típica debería, por lo tanto, determinarse mediante el
uso de datos de variables no estables (como en el caso de la curva de caudales).
A6.8 CARACTERIZACION DE LOS INSTRUMENTOS Y METODOS DE
MEDICION
La exactitud de un instrumento de medición se puede caracterizar por una incertidumbre a
un valor dado, correspondiente al valor medible máximo o mínimo, sin ese valor de
referencia puede mal entenderse o mal interpretarse. En muchos casos, la exactitud con que
se caracteriza un instrumento no es más que un componente de la exactitud global de la
medición.
Para la caracterización de la incertidumbre se usa un nivel de confianza al 95%, es decir
que, en el cinco por ciento de los casos, el error podrá estar fuera del intervalo de confianza.
Según el reglamento técnico de la Organización Meteorológica Mundial (OMM), las
incertidumbres de las mediciones se deben presentar en una de las siguientes formas:
•
Incertidumbres expresadas en términos absolutos: valor medido de los elementos
hidrológicos, por ejemplo: caudal
Q = 128.05 m3/s
Incertidumbre aleatoria
(er) 95 = 10 m3/s
•
Incertidumbres expresadas en términos porcentuales: valor medido de los elementos
hidrológicos,
Q = 128.05 m3/s
Porcentaje de incertidumbre
(er )95 = 10%
En la práctica, las incertidumbres de las mediciones son dadas en forma de relación (o
porcentaje) del valor medido Qm. Por ejemplo, en el caso de (er)95 = 10%, Qm ± 0.10 Qm
contendrá el valor real de Q en 95% de los casos. En este caso, la incertidumbre se formula
suponiendo unas condiciones medias de medición.
A6.9 EJEMPLO DE CALCULO DE LA INCERTIDUMBRE EN LA
DETERMINACION DEL CAUDAL
Número de verticales: 25
A6.9
Velocidad promedio en la sección: 0.25 m/s
Tiempo de exposición: 1 min
Método de aforo: método de los dos puntos
Caudal (calibración de grupo): 50 m3/s
Del Cuadro No. A9.1 se tiene: X´b = ±1%
Del Cuadro No. A9.2 se tiene: X´d = ±1%
Del Cuadro No. A9.3 se tiene: Xé = ±10% (velocidad media)
Del Cuadro No. A9.4 se tiene: X´p = ±7% (Número de puntos en la vertical)
Del Cuadro No. A9.6 se tiene: Xć = ±4% (Calibración del molinete)
Del Cuadro No. A9.5 se tiene: X´m = ±4% (Número de verticales en la sección transversal)
El porcentaje de incertidumbres sistemáticas se puede tomar como se indica a continuación:
X´´b = ±0.5%
X´´d = ±0.5%
X´ć = ±0.5%
Entonces:
(
)
⎡ 2 1 + 1 + 10 2 + 7 2 + 4 2 ⎤
X´ Q = ± ⎢ 4 +
⎥ = 4.75
25
⎣
⎦
(
)
X´´ Q = ± 0.5 2 + 0.5 2 + 0.5 2 = 0.87%
Finalmente se obtiene:
(
)
X Q = ± 4.75 2 + 0.87 2 = 4.8% Tómese = 5%
Por lo tanto, el resultado puede presentarse como sigue (ver ISO/TR 5168):
a) caudal = 50 m3/s ± 5%
incertidumbre aleatoria = ± 4.75% (95% nivel de confianza)
o
b) caudal = 50 m3/s
incertidumbre aleatoria = ± 4.75% (95% nivel de confianza)
incertidumbre sistemática = ± 0.87%
Nota 1: Se puede obtener una mejor aproximación de Xé calculando el valor para cada
vertical y promediando todas las verticales.
Nota 2 La información dada en las tablas anteriores se puede usar para determinar el
procedimiento de observación óptimo para una precisión dada. Por ejemplo, si las
velocidades del río estuvieron sobre 0.5 m/s y se requiere una precisión del 4%, se
necesita tomar 30 verticales, el tiempo de exposición necesario sería de 3 minutos
A6.10
y habría que usar el método de los dos puntos con un molinete calibrado
individualmente.
A6.10 APLICACION AL CALCULO DEL ERROR TEORICO EN LA MEDICION
DEL CAUDAL EN LAS ESTACIONES HIDROMETRICAS DEL RIO CAUCA
Con el fin de obtener un valor de la magnitud de la incertidumbre del error que se puede
estar cometiendo en la medición del caudal en las estaciones hidrométricas sobre el Río
Cauca, se han aplicado los conceptos expresados en la norma ISO 748, los cuales se basan
en la determinación del error con un intervalo de confianza del 95% aclarando como lo dice
la norma que los valores presentados como referencia se han obtenido bajo condiciones
controladas y para algunos tipos de ríos.
El cuadro No. A6.8 muestra los datos necesarios para la determinación del error en las
estaciones de aforo ubicadas sobre el Río Cauca.
A manera de ejemplo se presenta el procedimiento seguido en la determinación del error
teórico para la estación La Bolsa.
Cuadro No. A6.8 Datos Promedio pertenecientes al periodo de Aforo (2001-2004).
No
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12

Estación
Pan de azúcar
Suárez
la Balsa
Tablanca
La Bolsa
Hormiguero
Juanchito
Paso de la Torre
Mediacanoa
Guayabal
La Victoria
Anacaro
No.
Verticales
16
16
16
19
20
25
16
20
22
26
19
17
Vel.
Prom
(m/s)
1.041
1.489
0.923
0.821
0.770
1.122
0.809
0.890
0.855
0.826
0.890
1.114
Ancho
Prom (m)
45.0
41.0
64.0
54.0
80.0
96.0
60.0
76.0
84.0
102.0
108.0
80.0
Área
Prom
(m2)
63.542
56.849
120.330
122.785
273.284
288.302
284.330
306.442
358.540
303.043
321.575
210.586
Prof
Prom
(m)
1.412
1.387
1.880
2.274
3.416
3.003
4.739
4.032
4.268
2.971
2.978
2.632
Determinación del porcentaje de incertidumbre según el ancho (X’b):
Debido a que el ancho de la sección de aforo no excede los 100 m se obtiene un porcentaje
del 1% según el ítem 5.
X’b = 1%
Determinación de la incertidumbre debido a la profundidad (X’d)
Para profundidades mayores a 0.3 m se define un porcentaje de incertidumbre del 1%.
A6.11
X’d = 1%

Determinación de la incertidumbre en la medición de la velocidad media (X’e)
Del cuadro No. A6.3 se obtiene un porcentaje del 6.33% para velocidades mayores a 0.4
m/s, tomadas durante un período de 50 s.
X’e = 6.33%

Determinación de la incertidumbre debido al número de puntos que se toman en
cada vertical (X’p).
Del Cuadro No. A6.4 se obtiene un porcentaje del 7% para el método de los dos puntos el
cual es empleado en todas las estaciones de aforo.
X’p =7%

Determinación de la incertidumbre en los molinetes (X’c).
Del cuadro No. A6.6 se obtiene un porcentaje del 2% para velocidades mayores a 0.5 m/s y
equipos de medición calibrados en grupo.
X’c = 2%

Determinación de la incertidumbre debido al número de verticales empleadas en el
aforo (X’m).
Del cuadro No. A6.5 se obtiene un porcentaje del 5% para el promedio del número de
verticales empleado para el aforo en la estación la Bolsa.
X’m = 5%
9 Determinación de los errores sistemáticos.
Incertidumbre en la medición del ancho
X’’b = 0.5%
Incertidumbre en la medición de la profundidad
X’d = 0.5%
Incertidumbre en los equipos
X’c = 0.5%
A6.12
•
Cálculo de la Aproximación del Error en la Medición del Caudal en la Estación La
Bolsa
Según la ecuación del error aleatorio dada en la norma ISO 748 se tiene que en promedio la
incertidumbre para errores aleatorios es:
X’Q = +
⎡ 2 1 2 + 1 2 + 6.33 2 + 7 2 + 2 2 ⎤
⎢5 +
⎥ = 5.45%
20
⎣
⎦
El error sistemático es:
X’’Q = +
[0.5
2
]
+ 0.5 2 + 0.5 2 = 0.87%
Incertidumbre de la medición del caudal (error teórico)
XQ = +
(5.45
2
)
+ 0.87 2 = 5.52%
El caudal promedio en la estación es de 216.06 m3 s-1; según lo anterior podría tenerse un
caudal de 228 m3 s-1 o de 204.13 m3 s-1; obteniendo un rango de 24 m3 s-1. Bajo estas
condiciones el intervalo de confianza según la norma ISO 748 es del 95%. Lo que esto
significa es que el 95% de los datos se van a encontrar en un intervalo de 24 m3 s-1 y que
sólo un 5% de ellos se encontrarían por fuera de este intervalo. Debe tenerse en cuenta que
el método empleado para la determinación del error fue diseñado para flujo permanente.
A continuación se presentan los datos obtenidos en las estaciones hidrométricas del Río
Cauca.
Cuadro No. A6.9 Error Teórico en la Medición del Caudal para el Periodo de Aforo
(2001-2004)
No
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
X'Q
(%)
Pan de azúcar
6.45
Suárez
6.45
la Balsa
6.45
Tablanca
5.45
La Bolsa
5.41
Hormiguero
4.43
Juanchito
6.45
Paso de la Torre 5.43
Mediacanoa
4.93
Guayabal
4.41
La Victoria
5.45
Anacaro
5.96
Estación
X''Q
(%)
0.87
0.87
0.87
0.87
0.87
0.87
0.87
0.87
0.87
0.87
0.87
0.87
XQ
(%)
6.51
6.51
6.51
5.52
5.48
4.51
6.51
5.50
5.01
4.49
5.52
6.02
A6.13
Qpr
(m3/s)
70.17
87.66
120.33
103.31
216.06
325.94
199.88
275.27
307.61
251.5
290.89
235.64
Q (+)
(m3/s)
74.736
93.365
128.16
109.01
227.9
340.64
212.89
290.4
323.01
262.8
306.95
249.83
Q (-)
Intervalo
(m3/s)
65.6
9.13
81.96 11.41
112.5 15.66
97.61 11.40
204.2 23.67
311.2 29.39
186.9 26.01
260.1 30.27
292.2 30.81
240.2 22.60
274.8 32.11
221.4 28.38
A6.11 APROXIMACION AL CALCULO DEL ERROR REAL EN LA MEDICION
DEL CAUDAL
Teniendo en cuenta que la medición del caudal está influenciada por muchos factores los
cuales son inherentes al método de medición, equipos, condiciones locales en la ubicación
de la estación etc. Se ha sumado un error dependiendo de la situación específica en la que
se afora cada estación.
•
Datos para la determinación del error real.
Los datos indicados a continuación son empleados para calcular el error real de las
estaciones hidrométricas:
-
Determinación del porcentaje de incertidumbre según el ancho (X’b):
Debido a que el ancho de las secciones de aforo no excede los 100 m se toma un porcentaje
del 1%.
-
Determinación de la incertidumbre debido a la profundidad (X’d)
Para profundidades mayores a 0.3 m el porcentaje considerado es del 1%. Teniendo en
cuenta que la profundidad en la estación sobre el río no cambia ni excede este valor.
X’d = 1%
-
Determinación de la incertidumbre en la determinación de la velocidad media
(X’e)
Basándose en la tabla E.3 de la norma ISO 748 y teniendo en cuenta que se toman
velocidades muy bajas en los extremos de las secciones se opta por un porcentaje del 8%.
X’e = 8%
-
Determinación de la incertidumbre debido al número de puntos que se toman en
cada vertical (X’p).
Basándose en el Cuadro No. E.4 de la norma ISO 748 y conociendo que generalmente en
los extremos de las secciones de aforo sobre el Río Cauca se emplea el método de un punto,
se toma un porcentaje del 10%.
X’p = 10%
-
Determinación de la incertidumbre en los molinetes (X’c).
Teniendo en cuenta que los equipos de medición no se han calibrado en los últimos años y
que son utilizados con mucha frecuencia, se toma un porcentaje de error del 5%.
X’c = 5%
A6.14
El Cuadro No. A6.10 muestra el error real obtenido para las estaciones hidrométricas
ubicadas sobre el Río Cauca.
Cuadro No. A6.10 Error Real basado en la Norma ISO 748
No
Estación
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Pan de azúcar
Suárez
la Balsa
Tablanca
La Bolsa
Hormiguero
Juanchito
Paso de la Torre
Mediacanoa
Guayabal
La Victoria
Anacaro
X'Q
(%)
6.92
6.92
6.92
5.91
5.83
4.86
6.92
5.87
5.37
4.83
5.91
6.43
X''Q
(%)
0.87
0.87
0.87
0.87
0.87
0.87
0.87
0.87
0.87
0.87
0.87
0.87
XQ
(%)
6.97
6.97
6.97
5.98
5.90
4.93
6.97
5.94
5.44
4.90
5.98
6.49
Teniendo en cuenta que el método para la determinación del error real fue diseñado para
flujo permanente y que el río Cauca presenta flujo no permanente se les adicionará a cada
una de las estaciones un error del 2%.
A lo largo del río Cauca se encuentran estaciones que presentan factores como pilas de
puentes, los cuales afectan la medición de la toma de la velocidad.
Las estaciones que presentan estas características particulares son La Bolsa, Hormiguero y
Guayabal.
•
La Bolsa
El aforo de la estación La Bolsa se realiza desde un puente el cual cuenta con la presencia
de dos pilas.
La presencia de pilas en una sección de aforo causa la formación de ángulos horizontales
que deben ser medidos cuidadosamente, y además cambios rápidos en la distribución de la
velocidad en la sección. La estación La Bolsa tiene dos pilas ubicadas en la sección de
aforo, las cuales ocasionan velocidades muy bajas en esos puntos, afectando la medición de
la velocidad.
Se debe considerar que para obtener una mejor precisión en los cálculos del caudal la
sección de aforo debería contar con 25 a 30 verticales y considerarse que por el área de las
pilas no circula ningún tipo de flujo, y por lo tanto ésta debe excluirse del área total de la
A6.15
Existe otro método para disminuir el error en una sección con presencia de pilas y es el de
aforar cada tramo por separado. Así en esta estación se tendrían tres tramos para ser
aforados.
Debido a que en la estación sé aforan 20 verticales aproximadamente y además no se
excluye el área de las pilas y tampoco se tiene en cuenta el ángulo horizontal que se forma
en cada una de ellas, se ha estimado un 2% más de error.
•
Hormiguero
El aforo de esta estación se realiza desde un puente, el cual presenta una pila en la mitad de
la sección ocasionando una disminución de la velocidad en este punto.
Para esta estación se ha tomado un 1% más de error, teniendo en cuenta lo explicado en la
estación de la Bolsa.
•
Guayabal
El aforo de la estación Guayabal se realiza desde un puente, el cual presenta una pila que
ocasiona bajas velocidades en ese punto.
Para esta estación se ha tomado un 1% más de error, teniendo en cuenta lo explicado en la
estación de la Bolsa.
A continuación, en el cuadro No. A6.11, se muestra el error real de las estaciones
hidrométricas ubicadas sobre el Río Cauca.
Cuadro No. A6.11 Determinación del Error Real, según características particulares de
las estaciones.
No
Estación
X'Q
(%)
X''Q
(%)
XQ
(%)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Pan de azúcar
Suárez
la Balsa
Tablanca
La Bolsa
Hormiguero
Juanchito
Paso de la Tor
Mediacanoa
Guayabal
La Victoria
Anacaro
6.92
6.92
6.92
5.91
5.83
4.86
6.92
5.87
5.37
4.83
5.91
6.43
0.87
0.87
0.87
0.87
0.87
0.87
0.87
0.87
0.87
0.87
0.87
0.87
6.97
6.97
6.97
5.98
5.90
4.93
6.97
5.94
5.44
4.90
5.98
6.49
%error %error
XQ
Q
Q (+) Q (-) Interv.
otros
por
real prom
factores pilas
2.0
8.97 70.17 76.47 63.87 12.59
2.0
8.97 87.66 95.52 79.80 15.73
2.0
8.97 120.33 131.13 109.53 21.59
2.0
7.98 103.31 111.55 95.07 16.48
2.0
2.0
9.90 216.06 237.44 194.68 42.77
2.0
1.0
7.93 325.94 351.80 300.08 51.71
2.0
8.97 199.88 217.81 181.95 35.86
2.0
7.94 275.27 297.11 253.43 43.69
2.0
7.44 307.61 330.50 284.72 45.79
2.0
1.0
7.90 251.5 271.38 231.62 39.75
2.0
7.98 290.89 314.10 267.68 46.41
8.49 235.64 255.65 215.62 40.02
2.0
A6.16
Nota: es necesario tener en cuenta que los errores anteriormente calculados parten de datos
bibliográficos y los reportados por la norma ISO 748, en donde las estimaciones de estos
errores se han hecho bajo condiciones controladas o para algunos tipos de ríos.
La aplicación de estos conceptos a la medición hidrométrica que se hace actualmente en las
estaciones de la CVC debe mirarse sólo como una aproximación a la magnitud del error
que se puede estar cometiendo sin dejar de tener en cuenta que dicho error es inherente al
proceso mismo de medición; y que este puede reducirse en la medida en que se ajuste y
normalicen los procedimientos.
Para conocer un valor más aproximado a la realidad debe hacerse un patrón de medida para
cada estación, este patrón incluye la implementación de un aforo bajo condiciones estrictas
de medición que pueda tomarse como referencia de la mejor aproximación a la medición
del caudal en la estación, de tal manera que sea posible comparar los datos obtenidos
durante aforos comunes y estimar el error que se puede estar cometiendo.
En cualquiera de los casos sea cual sea el error que actualmente se comete, este nunca
podrá ser inferior a XQ teórico. Para nuestro caso en todas las estaciones sobre el Río
Cauca se tiene un valor promedio del 5.67%.
A6.17

manual de procedimientos hidrométricos

Transcripción

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