Caracterización del agua potable (Caudal) UNET DPTO. ING. AMBIENTAL SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE PROF. ING. MARTÍN MOROS
Caudal Métodos para Aforar fuentes de agua y acueductos
Aforos de fuentes de agua y acueductos Es necesario medir la cantidad de agua de las fuentes, para saber la cantidad de población para la que puede alcanzar. El aforo es la operación de medición del volumen de agua en un tiempo determinado. Esto es, el caudal que pasa por una sección de un curso de agua. El valor del caudal mínimo debe ser mayor que el consumo máximo diario con la finalidad de cubrir la demanda de agua de la población futura. Lo ideal sería que los aforos se efectúen en las temporadas críticas de los meses de estiaje (los meses secos) y de lluvias, para conocer caudales mínimos y máximos. La Hidrometría se encarga de medir, registrar, calcular y analizar los volúmenes de agua que circulan en una sección transversal de un río, canal o tubería en la unidad de tiempo.
Hidrometría Red hidrométrica Hidrometría a nivel de fuente natural: Conocer el volumen de agua disponible en la fuente Hidrometría de operación: Conocer el grado de eficiencia de la distribución Sistema Hidrométrico: Es el conjunto de actividades y procedimientos que permiten conocer los caudales de agua que circulan en los cauces de los ríos, con el fin de registrar, procesar y programar la distribución del agua. El sistema hidrométrico tiene como soporte físico la red hidrométrica. Red Hidrométrica: Es el conjunto de puntos de control ubicados estratégicamente en el sistema de riego.
Hidrometría Red hidrométrica Puntos de Control: Son los lugares donde se registran los caudales de agua que circulan por una sección hidráulica que pueden ser: estaciones hidrométricas, estructuras hidráulicas, compuertas, caídas, vertederos, medidores Parshall, RBC, ASC (Aforador Sin Cuello), miras, etc. Registro hidrométrico: Es la recopilación de todos los datos de caudales que circulan por la sección de un determinado punto de control. Dependiendo de la ubicación del punto de control, los registros pueden ser: De caudales en ríos. De salidas de agua de reservorios. Caudales captados y entregados al sistema de aducción; Etc.
Hidrometría Registros La información obtenida en la red a través de los puntos de control, requiere de la adecuación y aplicación de formatos de registro, según el método de aforo a emplearse. Esta información hidrométrica debe ser generada en los siguientes niveles: - Infraestructura mayor (almacenamiento y captación) - Infraestructura menor (conducción y distribución) - Usuarios (distribución) La frecuencia de la recopilación de la información hidrométrica generada, debe efectuarse según las necesidades de la operación del sistema, y pueden ser: - Horarios - Diarios - Semanal - Quincenales - Mensual - Anual
Hidrometría Registros Reporte: Puede darse las siguientes acepciones: - Comunicación en tiempo real de los datos de campo al responsable de la operación del sistema. - Resultado del procesamiento de un conjunto de datos obtenidos, en el cual normalmente una secuencia de caudales medidos se convierten en volúmenes por período mayor ( m3/día, m3/ mes, etc )
Hidrometría Programa de mediciones Definida la localización de los puntos de control y el método de aforo a emplear se procede a la ejecución de las mediciones a través del personal técnicos. Durante la aplicación de los métodos se tomarán en cuenta los errores que ya han sido detectados anteriormente a fin de evitar la repetición de los mismos y por ende realizar la depuración respectiva en los procedimientos. Los caudales obtenidos deberán registrarse inmediatamente después de efectuada la lectura.
Hidrometría Procesamiento e interpretación de la información Los datos serán levantados por el personal técnico en los diferentes puntos de control utilizando los formatos de registro establecidos Entrega según la frecuencia establecida al personal responsable de hacer las operaciones aritméticas necesarias para el cálculo de parámetros que permiten conocer como se comportan la fuente de abastecimiento y los sistemas de aducción y conducción. La supervisión, verificación y aprobación de la información estará a cargo de la Gerencia Técnica. En caso que se cuente con un sistema automatizado de procesamiento y digitación de datos estará a cargo del personal de cómputo. Esta información permite determinar la eficiencias y pérdidas de agua en la red.
Hidrometría Información (uso - archivo) Empleo de la información: Como elemento de apoyo para realizar los reajustes del programa de distribución de agua, que permitan una correcta operación del sistema de abastecimiento. Estimar los volúmenes de perdidas y facturar adecuadamente el agua entregada en una determinada área o sector servido Documentación y archivo: Se necesita concentrar y conservar toda la información, tanto de base de datos, como la procesada en cuadros, tablas, gráficos, y otros en archivos y sistemas de cómputo en un lugar apropiado, porque es importante a fin de tomar las decisiones adecuadas para la operación del sistema. El análisis y utilización de la información para ser usadas en otras rutinas de O&M, es de responsabilidad de la Gerencia Técnica y de los directivos.
Sistema de información hidrométrica
Métodos para Aforar fuentes de agua y acueductos Los métodos más empleados para aforar son: Método volumétrico Método del flotador (velocidad-área) Medidor parshall Molinete o correntómetro Orificios Vertederos Trazadores fluorescentes o colorantes Trazadores químicos y radioactivos Otros: avances tecnológicos en mediciones de caudal
Método volumétrico y de velocidad área Existen varios métodos para determinar el caudal de agua y los más utilizados en los proyectos en zonas rurales son los métodos volumétrico y de velocidadárea. El primero es utilizado para calcular caudales hasta con un máximo de 10 L/s y el segundo para caudales mayores a 10 L/s. Volumétrico Velocidad-Área
Métodos volumétrico y de velocidad-área Método volumétrico: consiste en tomar el tiempo que demora en llenarse un recipiente de volumen conocido. Posteriormente se divide el volumen en litros entre el tiempo promedio en segundos, obteniéndose el caudal en L/s. Q = V/t
Métodos volumétrico y de velocidad-área Método de velocidad área: Se mide la velocidad del agua superficial que discurre de la fuente tomando el tiempo que demora un objeto flotante en llegar de un punto a otro en una sección uniforme. Se toma un trecho de la corriente; se mide el área de la sección; se lanza un cuerpo que flote, aguas arriba de primer punto de control, y al paso del cuerpo por dicho punto se inicia la toma del tiempo que dura el viaje hasta el punto de control corriente abajo.
Métodos volumétrico y de velocidad-área Método de velocidad área: Este método se utiliza cuando no se dispone de equipos de medición; para medir la velocidad del agua, se usa un flotador con el se mide la velocidad superficial del agua; pudiendo utilizarse como flotador, un pequeño pedazo de madera, corcho, o una pequeña botella lastrada. Q=C.v.A v=d/t A= Ai Donde: Q = Caudal del río o canal v = Velocidad del flotador A= Área de sección transversal del río C = Factor de corrección de la velocidad d = Distancia recorrida por el flotador t = Tiempo en el que el flotador recorre la distancia d Ai = Áreas de sección individuales
Métodos volumétrico y de velocidad-área Factores de corrección de la velocidad
Correntómetro La velocidad del agua se determina por medio del correntómetro. Y se parte nuevamente del principio que caudal = (velocidad del agua) x (área de sección transversal). Existen varios tipos de correntómetros, siendo los mas empleados los de hélice que son de varios tamaños; cuando más grandes sean los caudales o más altas sean las velocidades, mayor debe ser el tamaño del correntómetro. Cada correntómetro debe tener un certificado de calibración en el que figura la fórmula para calcular la velocidad; que son calibrados en laboratorios de hidráulica
Correntómetro La fórmula general es la siguiente: v = a n + b Donde: v = velocidad del agua (m / s) a = paso real de la hélice (m) n = número de vueltas de la hélice por segundo. b = velocidad de frotamiento (m / s) Para obtener la velocidad media de un curso de agua se deben medir la velocidad en dos, tres o más puntos, ubicados a diversas profundidades de la sección del canal.
Correntómetro
Correntómetro Sección de Medición: El lugar donde se va ha efectuar la medición de la velocidad del agua, se conoce como la sección transversal del curso de agua, esta debe estar ubicada en un tramo del cauce o canal donde el flujo de agua tenga las siguientes características:
Sección de medición Calibración: Tanto el área de la sección como la velocidad del flujo varían con los cambios de altura en el nivel del agua. Una vez conocida la relación entre nivel del agua y el caudal, estas se deben ajustar a una función matemática conocida; y con esta se generan datos de caudales conocidos para construir la regla limnimétrica. Se recomienda que estas reglas sean de lectura directa de caudales.
Procedimiento de Medición - Correntómetro
Procedimiento de medición Correntómetro Las profundidades sugeridas en las cuales se mide las velocidades son las siguientes: se toma el tiempo que demora el correntómetro en dar 100 revoluciones y se calcula el número de revoluciones por segundo; con este dato se calcula la velocidad del agua en cada una de las profundidades utilizando la formula correspondiente, según el número de revoluciones por segundo (n).
Procedimiento de medición Correntómetro
Aforo con limnímetros y Limnigrafos El método que se usa corrientemente para aforar un río, es usando limnímetro o limnígrafo, puesto que usar frecuentemente el correntómetro en impracticable por lo difícil y tedioso de realizar las mediciones con este instrumento. Un limnímetro es simplemente una escala tal como una mira de un topógrafo, graduada en centímetros. Se puede utilizar la mira del topógrafo, pero, por lo general, se pinta una escala en una de las paredes del río o del canal que debe ser de cemento. Basta con leer en la escala o mira, el nivel que alcanza el agua para saber el caudal de agua que pasa en este momento, pero previamente se tiene que calibrar la escala o mira.
Aforo con limnímetros y Limnigrafos La calibración consiste en aforar el río varias veces durante el año, en épocas de estiaje y épocas de avenidas, por el método de correntómetro y anotar la altura que alcanzó el agua, medida con el limnímetro. Se hace varios aforos con correntómetro para cada altura del agua. Con los datos de altura del agua (y) y del caudal (q) correspondiente obtenido, se construye la llamada curva de calibración en un eje de coordenadas cartesianas
Estructuras hidráulicas. Para la medición de caudales también se utilizan algunas estructuras especialmente construidas, llamadas medidores o aforadores, cuyos diseños se basan en los principios hidráulicos de orificios, vertederos y secciones críticas. Orificios: La ecuación general del orificios es Donde: Q = Caudal (m3/s) C = Coeficiente. A = Área (m2) g = Gravedad (m/s2) h = Tirante de agua (m) Q = CA(2gh) 1/2
Calibración de Compuertas La compuerta es un orificio en donde se establecen para determinadas condiciones hidráulicas los valores de caudal, con respecto a una abertura medida en el vástago de la compuerta. Este principio es utilizado dentro de la operación normal de una compuerta; para la construcción de una curva característica, que nos permita determinar el caudal o gasto, tomando como referencia la carga hidráulica sobre la plantilla de la estructura. Sin embargo, al cambiar las condiciones hidráulicas del canal del cual están derivando, dan lugar a la variación de las curvas establecidas, razón por la cual es necesario establecer una secuencia de aforos para conocer cual es el grado de modificación de la curva utilizada.
Sección Crítica En una sección de control con flujo crítico la relación entre la altura de flujo y el canal es fija e independiente de la rugosidad del canal, lo cual permite hacer aforos con vertederos y canales parshall Es el paso del agua de una sección ancha hacia una más estrecha, que provoca un cambio del régimen, donde es posible establecer la relación tirante - gasto. La ecuación general utilizada es: Q = K b H N Donde Q = Caudal (m3/s) K, N = Coeficientes b = Ancho de garganta (m) H = Tirante (m)
Vertederos Pueden ser de cresta ancha o delgada y pueden trabajar en flujo de descarga libre, sumergida o ahogada. La ecuación general de los vertederos es: Q = K L H N donde: Q = Caudal (m3/s) K, N = Coeficiente; L = Longitud de cresta (m) H = Tirante de agua (m)
Vertederos La profundidad crítica en un vertedero se logra construyendo una elevación pequeña en el fondo del canal, en las canaletas de flujo crítico, mediante la contracción lateral de la sección VENTAJAS - Estructura sencilla - Barato - Fácil de instalar DESVENTAJAS - Costoso de mantener: Al constituir una presa se acumula material sedimentable que debe removerse constantemente para mantener la exactitud en las mediciones de caudal - Requiere de una cámara de aquietamiento
Vertederos Trayectoria típica de un vertedero rectangular de pared delgada: Siempre debe formarse Se requiere una cabeza suficiente para desarrollar la zona de aquietamiento y obtener descarga libre (eliminar sumergencia y perdidas de exactitud en la lectura del nivel)
Vertederos OJO: Cuando el nivel de agua aguas abajo se eleva a una altura superior a la de la cresta, es necesario medir el nivel del agua aguas arriba y aguas abajo del vertedero para hacer el cálculo del caudal Vertedero rectangular sin contracciones Q = 1,84LH 1,5 Donde: Q (m3/s) H = Cabeza sobre el vertedero (cabeza mínima = 0,06 m) L = Longitud de la cresta del vertedero (m)
Vertederos Vertedero rectangular de pared delgada con contracciones Q = 1,84(L 0,2H)LH 1,5 Vertedero rectangular de pared gruesa Q = 1,7LH 1,5 Si el nivel de agua aguas abajo es suficientemente bajo la profundidad crítica ocurrirá sobre la cresta Puede soportar un grado apreciable de sumergencia sin modificarse su ecuación de cálculo
Vertederos rectangulares Vertederos
Q = 1,4H 2,5 Vertederos Vertedero triangular: Son ideales para aforo de caudales de hasta 125 L/s (los de 90 de pared delgada)
Vertederos Vertedero triangular
Canal Parshall
Canal Parshall Es el aforador de flujo crítico más conocido, introducido en 1920 por R. L. Parshall. Consta de una contracción lateral que forma la garganta (W) y de una caída brusca en el fondo, en la longitud correspondiente a la garganta, seguida por un ascenso gradual coincidente con la parte divergente El aforo se hace con base en las alturas de agua en la sección convergente y en la garganta, leídas por medio de piezómetros laterales
Canal Parshall
Canal Parshall La introducción de la caída en el piso de la canaleta produce un flujo supercrítico a través de la garganta VENTAJAS - Si se construye con las dimensiones recomendadas satisface correctamente la ecuación de cálculo obteniendo cálculos muy precisos de caudal - Es autolimpiante - Genera bajas perdidas de carga - Opera con exactitud en caudales variables, requiriendo sólo una lectura de la lámina de agua (Ha) en flujo libre DESVENTAJAS - Si se presenta flujo sumergido se pierde exactitud en las mediciones
Canal Parshall Dimensionamiento: El tamaño de la canaleta se selecciona teniendo en cuenta el efecto del ascenso en el nivel del agua, el ancho del canal y la capacidad requerida. En general el ancho de la garganta debe estar entre 1/3 y 1/2 del ancho del canal Para evitar flujo sumergido debido a una alta elevación del agua, aguas debajo de la canaleta, y se presente una reducción de velocidad que afecte la medición del caudal (ya que la canaleta está calibrada para flujo libre) se recomienda que la relación de sumergencia Hb/Ha sea: Para W < 0,3 m Para 0,3 m W 2,4 m Para 3 m W 15 m Hb/Ha < 0,6 Hb/Ha < 0,7 Hb/Ha < 0,8
Dimensionamiento: Canal Parshall
Pérdida de carga: Canal Parshall
Canal Parshall Cálculo del caudal: La canaleta parshall se nomina según el ancho de la garganta
Trazadores Consiste en la incorporación a la corriente de cierta sustancia química durante un tiempo dado; tomando muestras aguas abajo donde se estime que la sustancia se haya disuelto uniformemente, para determinar la cantidad de sustancia contenida por unidad de volumen. Esta técnica se usa en aquellas corrientes que presenten dificultades para la aplicación del método área velocidad o medidas con estructuras hidráulicas, como en corrientes muy anchas o en ríos torrenciales.
Trazadores Los trazadores deben tener las siguientes propiedades: No deben ser absorbidos por los sedimentos o vegetación, ni deben reaccionar químicamente. No deben ser tóxicos Se deben detectar fácilmente en pequeñas concentraciones. No deben ser costosos. La cantidad de trazador a dosificarse tiene relación con los siguientes factores: Nivel mínimo del método de detección. Dosificación continua o instantánea Tipo de reactor y grado de mezcla Duración de la prueba
Trazadores Los trazadores son de 3 tipos: Químicos: de esta clase son la sal común y el dicromato de sodio. La sal común puede detectarse con un error del 1% para concentraciones de 10 ppm. El dicromato de sodio puede detectarse a concentraciones de 0,2 ppm Fluorescentes: como la rodamina. los trazadores fluorescentes pueden detectarse en concentraciones de 1/10 11 Materiales radioactivos: los mas usados son el yodo 132 y el bromo 82. Los trazadores radioactivos se detectan en concentraciones muy bajas (1/10 14 ). Sin embargo su utilización requiere personal muy especializado.
Trazadores Se puede implementar de dos maneras: a) Inyectar rápidamente un volumen de trazador (Inyección súbita). Este método es llamado también método de integración. Supóngase que en una sección 1 de un río se adiciona un pequeño volumen de trazador (V1) con una concentración alta C1. Si existe una concentración inicial, Co, en el río, el perfil de concentraciones se comporta con el tiempo de acuerdo con el predicho por el modelo de continuidad:
Trazadores
Trazadores Donde Q es el caudal de la corriente que se desea conocer, resolviendo la ecuación para Q se tiene: En donde el término del denominador representa el área bajo la curva
Trazadores b) Inyección a caudal constante: Se inyecta un trazador en una sección dada a un caudal constante q 0 con una concentración de trazador C1, de la siguiente manera:
Trazadores Si se realiza un balance de masa de trazador entre el punto 1 y el punto 2 y suponiendo que la corriente lleva una concentración de trazador de C0, se tiene: Despejando el caudal Q: Es importante anotar que para aplicar este método se supone que el flujo es permanente.
Aforo en tuberías Mediante el uso de la ecuación de Manning que sólo requiere la profundidad del flujo en la tubería. Para un buen resultado se debe escoger un tramo recto de por lo menos 60 m de longitud aguas arriba del punto de medida de la profundidad del agua. Debe haber pendiente, sección y rugosidad constante y no presentar flujo sumergido aguas abajo
Aforo en tuberías Mediante la aplicación de la ecuación de Manning: Q = 1000. K n. d8 3. S 1 2 Donde: Q (L/s) K = Constante de cálculo para la formula de Manning, está tabulado de acuerdo con el valor de la relación entre la profundidad de flujo y el diámetro D de la tubería n = Coeficiente de rugosidad de Manning (Tabulado) d = Profundidad del flujo (m) D = Diámetro de la tubería (m) S = Pendiente del gradiente hidráulico (m/m)
Aforo en tuberías
Método de área - Pendiente A veces se presentan crecidas en sitios donde no existe ningún tipo de instrumentación, y cuya estimación se requiere para el diseño de estructuras civiles o hidráulicas. Las crecientes dejan huellas que permiten hacer una estimación aproximada del caudal determinando las propiedades geométricas de dos secciones diferentes, separadas una distancia L, si se cuenta con el coeficiente de rugosidad
Método de área - Pendiente Aplicando un balance de energías mecánicas por Bernoulli: Ecuación 3-12 Donde: h = Y + Z Y usando la ecuación de Manning:
Método de área - Pendiente En la ecuación de Manning:
Método de área - Pendiente
Registro de las mediciones Definidos los puntos de medición, los métodos de aforo y establecidas las responsabilidades del personal; se procede a la ejecución de las observaciones y mediciones las que deberán registrarse en los siguientes formatos: Hoja de aforos con correntómetro Resumen mensual de Lectura de Escalas Resumen mensual de aforos en Estaciones Registro mensual de aforos en medidores Pérdida de agua en canales y tuberías de conducción Pérdidas de agua en tuberías de distribución Registro diario mensual
Registro de las mediciones
Registro de las mediciones
Registro de las mediciones
Registro de las mediciones
Registro de las mediciones