Este artículo se publica con la intención de compartir una recopilación estudiantil que necesariamente está sujeta a correcciones ortográficas, gramaticales, de forma  y de contenido.  Por este motivo debe considerarse como material en proceso de elaboración, aún no terminado.


MÉTODOS DE AFORO EN CAUCES NATURALES


 

El aforador o molinete: El elemento actuante de un aforador, o medidor de corriente, es una rueda con una serie de aspas o cazoletas impelidas por la corriente. La rapidez de su rotación varía con la velocidad del agua. Hay varios dispositivos para determinar la velocidad de la rueda. Por lo general se hace por medio de un mecanismo que, a cada revolución o a un número dado de revoluciones, abre y cierra un circuito eléctrico que comprende un receptor telefónico u otro aparato eléctrico adecuado, indicador o registrador. El aforador acústico tiene un aditamento que golpea sobre un tambor aun número dado de revoluciones, y el sonido se transmite al observador a través del tubo que sostiene el medidor. Otros aforadores tienen dispositivos mecánicos registradores. Los medidores de corriente se suspenden de un cable o sujetan a una varilla. Para el aforo de corrientes grandes es preferible la primera disposición. Los medidores sujetos a una varilla son convenientes para aforar corrientes pequeñas.

Hay dos tipos generales de aforadores o medidores de corriente: el diferencial o tipo de cazoletas, que consiste en un eje vertical con una serie de cazoletas que giran por el exceso de presión de su parte cóncava sobre la convexa, y el del tipo directo o de hélice con aspas dispuestas sobre un eje horizontal que giran por la acción directa de la corriente. El aforador de cazoletas registra siempre la plena velocidad cualquiera que sea el sentido de la corriente o aquel a que apunte el medidor. El movimiento vertical de éste, lo mismo hacia arriba que hacia abajo, hace girar la rueda en su sentido positivo, por lo que siempre tiene tendencia a indicar una velocidad demasiado alta. El aforador del tipo de hélice no tiene esta característica inconveniente a lo menos en el mismo grado que el de cazoletas. Sin embargo, es probable que cualquiera de las marcas estándares de aforadores, si se usa en forma apropiada, bajo las condiciones a las que se adaptan mejor, será satisfactoria en el aforo ordinario de corrientes.

Las características que conviene reúna un aforador son: a) ser tan pequeño como sea posible; b) las corrientes parásitas producidas deben ser mínimas; c) el rozamiento de la rueda debe ser pequeño; d) no deben influir en él las corrientes verticales; y e) debe funcionar solamente bajo la acción de la componente hacia adelante de las corrientes. Ningún aforador cumple perfectamente estas condiciones.

Graduado o calibrado del aforador. Se puede establecer una relación entre su número de revoluciones y la velocidad del agua moviendo el aforador en agua tranquila a velocidad conocida. A esta operación se le llama graduado del aforador o medidor. Esta graduación puede hacerse desde un bote que se mueva a una velocidad uniforme en agua tranquila, pero es mejor hacer esta labor en una

estación graduadora equipada en forma apropiada. Un aforador deberá calibrarse cuando se usa por primera vez, y luego una vez al año a lo menos, y también después de cada accidente que sufra o de cualquiera alteración de sus partes que pueda cambiar su graduación.

Las observaciones para la graduación de un aforador dan velocidades en metros por segundo (o en pies por segundo) en correspondencia con su número de revoluciones por segundo. Estos valores se transportan generalmente a una cuadrícula, ya la línea continua ( o líneas) que pasa por sus posiciones intermedias se le llama gráfica de calibración o de graduación. En la figura (arriba), A es una gráfica de graduación típica para un aforador de eje horizontal y rueda del tipo de hélice y B es otra para uno de eje vertical y de rueda de cazoletas. Se observará que la primera indica una rueda más sensible, característica conveniente para la medición de velocidades pequeñas. Las gráficas de graduación de todos los aforadores son rectas con una irregularidad o discontinuidad característica cerca del extremo inferior.

A partir de la gráfica de graduación se prepara una tabla de graduación que dé las velocidades correspondientes a diferentes velocidades de rotación de la rueda.

 

Las mediciones con un aforador pueden hacerse desde un puente, un carrito suspendido de un cable aéreo o un bote, o bien, si la corriente es poco profunda y bastante pequeña, vadeándola.

 

Se toma primeramente un punto de referencia inicial permanente y después se marcan distancias, generalmente de 1.50 a 3.0m, a lo largo del puente o del cable aéreo o de una línea especial tendida transversalmente al canal. En corrientes pequeñas y poco profundas, en que el aforo se hace por vadeo, se tiende a veces una cinta de tela transversalmente a la corriente desde el punto inicial. Luego se hacen sondeos u aforos con el medidor de corriente, aforos para determinar las profundidades y las velocidades medias verticales que pasen por puntos bien elegidos a lo largo de la sección transversal del canal. Estos puntos deberán situarse en los cambios bruscos de velocidad o del perfil del fondo. Cuando las condiciones son bastante uniforme se acostumbra hacer las mediciones en puntos igualmente distanciados. Por lo general, es necesario hacer una o dos mediciones cerca de ambas márgenes del canal. Al elegir los puntos se deberá procurar que el promedio de las velocidades tomadas en dos verticales adyacentes dé aproximadamente la velocidad media entre ellas y además que el promedio de las profundidades en puntos adyacentes sea aproximadamente la profundidad media entre ellos. La velocidad media en una vertical se obtiene por uno de los métodos siguientes:

  1. Curvas de variación vertical de la velocidad.
  2. 2. Velocidad a 0.6 de la profundidad.
  3. El promedio de las velocidades a 0.2 y 0.8 de la profundidad.
  4. Integración, es decir, moviendo el medidor lentamente a velocidad uniforme desde la superficie libre hasta el fondo del canal y volviendo nuevamente a dicha superficie y observando el tiempo y el número de revoluciones. Este método no se recomienda a observadores sin experiencia.
  5. Una medición de la velocidad cerca de la superficie libre de la corriente, a la cual se aplica un coeficiente ( 0.80 a 0.95, siendo el promedio 0.85) para reducirla a la velocidad media. A veces se recurre a este método aproximado cuando la corriente es demasiado rápida para hacer medidas a las profundidades requeridas por cualquiera de los métodos anteriores.

 

Para aforar en corrientes cubiertas de hielo, se taladra la capa de éste para dar paso al aforador y, además de la profundidad del agua, se determina la profundidad hasta la cara inferior del hielo, que se resta de la primera para obtener la que ha de utilizarse para calcular el área de la sección transversal. Las velocidades medias en las verticales para corrientes cubiertas de hielo pueden obtener por

1. Curvas de variación vertical de la velocidad.

2: El promedio de las velocidades a 0.2 y 0.8 de la profundidad..

El tubo de Darcy: En la figura 154 (arriba) se representa un dispositivo construido por Darcy para medir velocidades en los canales abiertos. Una pata cinética y otra estática, como las (a) y ( b) , respectivamente, de la figura de abajo, tienen tubos de vidrio sujetos a sus extremos superiores que están conectados a una bomba aspirante del aire a través de una cámara común con una válvula. Justo debajo de los tubos de vidrio hay dos válvulas sobre un vástago. Para obtener una medición de la velocidad, la pata cinética ( cualquiera de las dos en este modelo particular) se mantiene apuntando contra la corriente, y haciendo trabajar la bomba, se enrarece el aire lo suficiente para que el agua fluya dentro de los tubos de vidrio. Se cierran entonces las válvulas, se saca el instrumento y se hacen las lecturas. Cualquiera de las formas de pata estática (e), (d), (e) o (f), figura inferior, así como otros modelos no ilustrados, podrían sustituir a ( b ).

 

Si h1 -h2 ( Fig. 154) es la diferencia de alturas de las columnas de agua en metros y c es un coeficiente, constante para cada instrumento, la velocidad es

Los valores aproximados de c para algunas de las formas de pata estática representadas en la figura (abajo) son

 

Para (b), c = 0.84

Para (c), c = 0.77

Para (e) y (f), c = 1

Para aforos de precisión, cada instrumento se gradúa moviéndolo en agua tranquila, y se halla c para varias velocidades.

Para el calculo del caudal se debe escoger una sección lo mas regular posible y encontrar su área.

Los flotadores, que pueden ser objetos flotantes cualesquiera, adquieren prácticamente la misma velocidad que el agua en contacto con ellos, y se emplean, por tanto, para medir la velocidad en la trayectoria que recorren. Se emplean tres clases de flotadores: de superficie, de subsuperficie, y de bastón o varilla.

Cualquier objeto que flote con su centro de gravedad cerca de la superficie libre del agua puede usarse como flotador de superficie. Los flotadores de superficie dan la velocidad cerca de la superficie libre de la corriente. La velocidad media en la vertical se obtiene multiplicando la velocidad en la superficie por un coeficiente (0.80 a 0.95, siendo el promedio 0.85).

 

Un flotador de subsuperficie consiste en uno de superficie unido por un cable a otro sumergido mayor, de tal peso que mantenga tirante el cable sin hundir el flotador de superficie. Como el flotador sumergido es relativamente grande, se desprecia por lo general el efecto del de superficie. Para obtener directamente la velocidad media en la vertical, el flotador sumergido debe quedar a alrededor de 0.6 de la profundidad media a lo largo de la trayectoria seguida. El flotador de subsuperficie tiene poco valor para aforos de corrientes. Se usa a veces para determinar la velocidad y dirección de las corrientes subsuperficiales en lagos, puertos y otras grandes masas de agua.

 

Los flotadores de bastón o varilla se construyen con palos de madera o cilindros metálicos huecos contrapesados en un extremo de manera que floten aproximadamente en posición vertical con el extremo sin contrapeso saliendo ligeramente de la superficie del agua. Deben acercarse lo más posible al fondo del cauce sin que lo toquen en ningún punto de su trayectoria. Los flotadores de varilla son más satisfactorios en los canales artificiales o en las corrientes naturales de sección regular. Francis 5 dedujo la siguiente fórmula:

en la cual v es la velocidad media en la vertical, Vr la velocidad media del flotador de varilla, D la profundidad del agua, y D' la distancia de la parte inferior del flotador al lecho del canal. La relación anterior da mayor exactitud con valores pequeños de D'/D  y no debe emplearse cuando D'  sea mayor de 0.25D.

 

Antes de efectuar un aforo con flotadores, deberá elegirse un tramo de canal tan recto, uniforme y sin corrientes parásitas como sea posible. En los canales más pequeños, la longitud del tramo deberá ser doble del ancho de la corriente, con un máximo de 90 m para las corrientes anchas.

 

Unwin ilustra un método gráfico para tomar las observaciones y hacer los cálculos. Se eligen dos secciones transversales separadas por una distancia L. Se tienden cordeles marcados con etiquetas identificadoras cada 3 m o a algún otro intervalo conveniente, transversalmente a la corriente encima de las secciones correspondientes. Se hacen sondeos a lo largo de estas secciones transversales. Se observa el tiempo empleado por los flotadores para pasar entre las secciones transversales y el sitio por donde pasan los flotadores en cada sección.

 

A partir de estas observaciones se prepara un diagrama. Las secciones transversales se trazan a escala adecuada y el canal se divide en secciones o partes longitudinales iguales por líneas de trazos. Las trayectorias de los flotadores se indican con líneas llenas. La recta AB está a la mitad de la distancia entre las líneas de la superficie del agua de las dos secciones transversales. Desde los puntos en que las líneas que representan las trayectorias de los flotadores cortan a AB, se bajan verticales sobre las que se toman a escala conveniente las velocidades observadas para cada flotador, multiplicadas por el coeficiente apropiado para reducirlas a las velocidades medias. La línea ACB que une los puntos así obtenidos es la línea de velocidades medias. Las velocidades medias para las secciones o partes I, II, III, etc., se determinan midiendo a escala los segmentos de ordenadas, en el punto medio de dichas secciones, comprendidos entre las líneas AB y ACB. El gasto en cualquiera sección es el producto del área media de sus extremos y la velocidad media.

 

Pantalla corrediza. El método de la pantalla corrediza para medir corrientes de agua, se adapta solamente a cauces de sección transversal muy regular. El trabajo previo es bastante laborioso, pero cuando el aparato ha sido instalado puede emplearse para tantas observaciones como se deseen.

 

Una ligera pantalla de lona, barnizada para impermeabilizarla, se suspende con un bastidor rígido de un carrito con ruedas montadas sobre rieles situados a lo largo de las márgenes del canal. La velocidad con que se mueve la pantalla debe ser necesariamente la velocidad media del agua que la impulsa. Se asegura su movimiento libre por medio de una pequeña holgura, de unos 12 mm. La distancia en que puede moverse la pantalla queda limitada a la longitud del tramo de sección recta uniforme. Generalmente se disponen contactos eléctricos al principio y al final del tramo, y se registra automáticamente el tiempo empleado en el recorrido. Una modificación de este método consiste en suspender la pantalla de flotadores contrapesados de manera que se tenga la holgura correcta.

 

Teóricamente, el resultado debe corregirse por las fugas alrededor de la pantalla, pero el error que se comete despreciando esta corrección es pequeño. El gasto es el producto del área de la sección transversal de la corriente por la velocidad de la pantalla.

 

El aforo químico. Consiste en hallar el caudal introduciendo  en proporción conocida una sustancia química en el agua de la corriente y determinando la cantidad de dicha sustancia que contiene esta en una sección situada suficientemente lejos aguas abajo para asegurar su mezcla perfecta con el agua. La sal común es la sustancia empleada comúnmente. Por conveniencia se disuelve la sal en agua antes de introducirla en la corriente.

 

Representamos por Q el caudal en metros cúbicos por segundo. Si se introducen w kilogramos por segundo de sal después de tener una mezcla perfecta se toma una muestra de la corriente y esta indica que 1 kilogramo de agua contiene n kilogramos de sal, además de la sal que contiene el agua natural,

            ó             

La formula anterior no es de fácil aplicación, debido a la dificultad de determinar n con exactitud. Se describió el método de los tres grupos de muestras que siguen:

  1. El agua de la corriente dosificada, es decir, el agua de la corriente después de introducir la sal y de que esta se ha mezclado perfectamente con dicha agua.
  2. la muestra de la solución de sal; es decir, la salmuera que se prepara para introducirla en la corriente.
  3. la disolución espacial; es decir, la mezcla de la solución salina con el agua de la corriente natural, preparada en el laboratorio.

 

Por este método no es necesario analizar el agua de la corriente, ya que el efecto de la sal que contiene es eliminado en los cálculos.

 

Es conveniente tener la salmuera que ha de introducirse en el agua lo mas concentrado posible para reducir el tamaño del tanque mezclador. No se aconseja una solución saturada debido a la tendencia de la sal a cristalizarse en los bordes del tanque, pero una solución de 260Kg de sal por metro cúbico de agua será satisfactoria.

 

La solución de sal debe agregarse a la corriente en proporción tal que aumente el contenido de sal de ésta a lo menos en 0.05Kg por metro cúbico y bajo ninguna circunstancia debe exceder el contenido inicial de sal de 25 por ciento de contenido de sal de agua dosificada.

 

Para conseguir la máxima exactitud al hacer las prueba químicas, debe usarse el método de evaporaciones de equilibrado. Esto requiere que las muestras del agua de la corriente dosificada y de la disolución especial sean evaporadas, y la de la solución de sal diluida, hasta que cada una contenga, tan aproximadamente como pueda estimarse, la misma cantidad de sal. Se toman muestras de 500 centímetros cúbicos del agua de la corriente dosificada y de la disolución especial, y se evaporan hasta que su volumen sea de unos 10 centímetros cúbicos. Luego se obtendrá por dilución una muestra de 10cm3 de la solución de sal que contenga aproximadamente la misma cantidad de sal que las muestras anteriores.

 

En general será necesario investigar anticipadamente el lugar apropiado para tomar muestras del agua de la corriente dosificada y el intervalo de tiempo necesario entre la iniciación de la dosificación y el de muestreo. Parker da las siguientes recomendaciones:

Representemos por v la velocidad media de la corriente, y por b su ancho. Entonces para la corrientes con profundidas comprendidas entre 1/10b y 1/3b, la mezcla completa no tendrá lugar hasta que una distancia a lo menos de 6b haya sido recorrida y la descarga de la solución haya continuado durante 24b/v segundos por lo menos.

 

Es evidente que el aforo por el método químico es mas adecuado para aguas turbulentas y es dudoso que se pueda aplicar satisfactoriamente a corrientes lentas.

 

Tubos de Pitot, En algunos casos de conducción de agua esta circula con velocidades muy diferentes en los diversos puntos de una sección debido al rozamiento con las paredes, de condiciones de rugosidad muy variables, como sucede en los canales o en los ríos y entonces, para averiguar las condiciones de circulación se emplea un medidor de velocidad que se llama Tubo de Pitot.

 

Es un tubo vertical en su mayor parte y horizontal en un extremo, el que se sumerge al aperar; esta abierto en ambas extremidades.

 

Si el agua estuviera en reposo, penetraría al tubo hasta alcanzar en el interior un nivel igual al de la superficie fuera del tubo, pero cuando hay circulación, el agua al penetrar al tubo sube hasta un nivel mayor que el nivel exterior.

 

Se observa que a mayor velocidad de circulación del líquido, mayor es la altura h que alcanza el agua en el interior del tubo, entonces la velocidad podrá conocerse midiendo h.

 

Para estudiar la relación que hay entre estas magnitudes, velocidad y altura del agua en el tubo, supondremos dos puntos: uno A dentro del tubo y otro B fuera; podemos considerar que la partícula de agua en B al pasar a A pierde toda su energía de velocidad para convertirla en energía de presión, que es justamente la debida a la columna del líquido h. Aplicando el teorema de Bernoulli entre A y B, tenemos:

Para obtener la curvas de igual velocidad en la sección de una corriente, se hacen exploraciones determinando la velocidad en diferentes puntos, a diferentes profundidades, observando la altura h en el tubo Pitot y la profundidad de la boca con un estadal, marcando con una X en el dibujo de la sección transversal los diferentes puntos de observación e interpolando, se obtienen los puntos de igual velocidad, que unidos por medio de una línea continua, muestran las curvas en cuestión.

 

Con la ayuda de un planímetro se determinan las áreas de las zonas de igual velocidad, que multiplicadas por la velocidad correspondiente y sumando se obtiene el gasto en la corriente.

Ernesto Gutiérrez


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