Aforo de CaudalAFORO DE CAUDALES EN CORRIENTES Y AFLUENTESIntroducciónNo aplica.Definiciones especialesCaudal: flujo de agua por unidad de tiempo.Efluente: salida de un sistema de tratamiento.Responsables de ejecución y supervisión.E l O f i c i a l de Ca l i dad es responsab le po r l a adecuada imp lementac ión de es te procedimiento. E l p e r s o n a l q u e r e a l i z a e l m u e s t r e o e s e l r e s p o n s a b l e p o r l a o b s e r v a n c i a d e l presente documento.RecursosEquiposCronómetro. Cinta métrica, con graduaciones en centímetros y pulgadas. Regla de perfil cuadrado, graduada en centímetros, para medición de altura libre y las coordenadas X, Y Correntómetro o molinete, con todos sus accesorios y con hélice liviana #3.MaterialesBalde o caneca plástica de 10 a 100 L de capacidad, con graduaciones de 1 L , paraaforo volumétrico.P robe ta p lás t i ca , de 100 a 1000 mL de capac idad , pa ra a fo ro vo lumét r i co decaudales bajos.Esferas plásticas huecas (pimpones), para aforo por área-velocidad.Limitaciones e interferenciasEn la determinación de caudales debe adoptarse la forma más práctica de aforardependiendo del tipo de descarga que se tenga; si se hace necesario adecuar elsitio de muestreo, se deben dar las instrucciones para la implementación de laadecuación. Los factores que se han de tener en cuenta en el momento deseleccionar un sistema de aforo son los siguientes:•Tipo de conducto y accesibilidad.•El intervalo de medida debe cubrir, con la mejor precisión posible, los caudalesmáximo y mínimo previstos teóricamente. Si el punto de medida recoge aguaspluviales e interesa determinar su caudal, habrá que tener en cuenta la lluviamáxima registrada caída en la zona.•Debido a que los vertimientos de aguas residuales se hacen por gravedad, elmétodo seleccionado deberá producir la mínima pérdida posible de carga.•Distancia mínima a la que se encuentran todos aquellos servicios generalesprecisos para el funcionamiento de todos los aparatos de medida (aire a presión,corriente eléctrica, etc.).•Máxima sencillez de manejo y lectura.•Características del agua r esidual a medir, y su influencia en el equipo (corrosión,abrasión, ataque químico, taponamiento, etc.).•Como norma general, todas las partes en contacto con el líquido deben estartotalmente protegidas, y en aquellos casos en que se puedan desprender g ases ovapores, los equipos y el personal se separan de su acción lo más lejos que seaposible, o bien se dotan con la protección adecuada.ProcedimientoAforo volumétricoLa medición del caudal se realiza de forma manual utilizando un cronómetro y unrecipiente aforado, generalmente un balde. El procedimiento a seguir es tomar unvolumen de muestra cualquiera (V) y medir el tiempo transcurrido (t) desde que seintroduce a la descarga hasta que se retira de ella; la relación de estos dos valorespermite conocer el caudal (Q) en ese instante de tiempo. Se debe tener un especialcuidado en el momento de la toma de muestra y la medición del tiempo, ya que esun proceso simultáneo donde el tiempo comienza a tomarse en el preciso instanteque el recipiente se introduce a la descarga y se detiene en el momento en que seretira de ella. Se deben realizar varias mediciones y calcular el promedio.El caudal se calcula como: Q = V / tSiendo: Q = caudal, en L/s; V = volumen, en L; t = tiempo, en segundos.Este método tiene la ventaja de ser el más sencillo y confiable, siempre y cuando ellugar donde se realice el aforo garantice que al recipiente llegue todo el volumen deagua que sale por la descarga. Entre sus desventajas se cuenta que la mayoría deveces es necesario adecuar el sitio de aforo para evitar pérdida de muestra en el momento de aforar; también se deben evitar represamientos que permitan laacumulación de sólidos y grasas.2. Aforo en canales abiertosVertederoEl vertedero es un canal en el cual se coloca una estructura de rebose que puedeadoptar distintas formas; el líquido represado alcanzará distintas alturas en funcióndel caudal, relacionadas por ecuaciones dependientes del tipo de vertedero, quepuede ser rectangular, triangular o trapezoidal. Las ventajas de este tipo devertederos radican en su fácil construcción, bajo costo y buen rango de precisión enlíquidos que no contengan sólidos.Vertedero rectangularEs el más utilizado y puede ser de dos tipos:Con contracción:Tiene una abertura rectangular más pequeña que el ancho delcanal, la cual produce con el caudal un chorro angosto y más acelerado que el flujodel canal. El flujo se calcula con la fórmula de Francis:Q = 1.83 ´ L ´ H 1.5Donde: Q= caudal en m 3 /s; L= longitud de la cresta, en m; H= cabeza, en m.Sin contracción:Tienen el ancho de la cresta igual al ancho del canal, por lo tantolos lados del canal actúan como los lados del vertedero. La ecuación para el cálculodel caudal es la siguiente:Q = 3.3 ´ L ´ H 1.5Donde: Q = caudal, en pies cúbicos/s; L = longitud de la cresta, en pies; H =cabeza, en pies.Vertedero triangularConsiste en una ranura angular cortada en el centro del vertedero de tal forma queel ápice de la ranura esté a la misma distancia del fondo del canal como los ladosdel ángulo a la pared del canal. Los ángulos más utilizados son de 90° y 60°. Sonlos mejores para medir caudales menores de 28 L/s. El cálculo del caudal es:Para 90°: Q = 1.4 ´ H (2.5)Para 60°: Q = 0.775 ´ H (2.47)Donde: Q = caudal, en m 3 /s; H = altura, en m.Vertedero trapezoidalTambién llamado vertedero Cipolleti, se caracteriza por su forma trapezoidal siendolas proyecciones de sus paredes 1horizontal y 4 vertical. El cálculo del caudal sehace aplicando la expresión Q = 1.859 ´ L ´ H 1.5Donde: Q = caudal, en m 3 /seg; H = Altura, en m; L = Longitud de la cresta, enm.Método de área–velocidadEste método es utilizado para hallar el caudal en corrientes superficiales y canalesabiertos. Para ello es necesario definir el área de la sección (A) y la velocidadpromedio (V). El caudal se calcula como:Q = A ´ VEn la práctica, el área transversal total de la corriente o canal se divide enpequeñas áreas seccionales y en

cada una de estas áreas se determina el flujo ocaudal parcial (q i ). El caudal total se obtiene sumando los caudales parciales.Para medir la velocidad se pueden utilizar correntómetros, molinetes o flotadores.Medida de la velocidad con correntómetro o molineteEl medidor de corriente o molinete es un dispositivo constituido por una serie depaletas las cuales giran al estar en contacto con una corriente de agua, siendo elnúmero de revoluciones proporcional a la velocidad de la corriente. Los aforos delflujo pueden realizarse siguiendo diversos métodos:•Con el método de un solo punto se mantiene el medidor a una profundidad de 0.6h por debajo del agua y en el centro de la misma, siendo poco confiable losresultados obtenidos.•En el método de dos puntos se observa la velocidad a 0.2 y 0.8 h, tomándose elpromedio de estos dos valores para representar la velocidad media en la secciónvertical. La profundidad en el canal o corriente deberá ser suficiente para quepueda trabajar el molinete.Hay varios tipos de hélices dependiendo de la velocidad de la corriente; si es parapoca velocidad se requiere una hélice liviana (#3). En estos medidores la relaciónentre velocidad del agua y el número de revoluciones está dado por:Q = V ´ ADonde: Q= caudal; V= velocidad; A= área de la sección; V= a+bnV= velocidad delagua, en m/seg; a y b son constantes de calibración del equipo; n= N° derevoluciones/seg.El tramo o sección a medir debe ser canal abierto, más o menos recto, de fácilacceso, sin turbulencia. Medir el ancho de la sección y dividirla en 4 franjas,tomando las distancias en cada punto. En la parte central de cada una de estasfranjas medir la altura de la lámina de agua (h). Ajustar el molinete a 0.4h y medirel número de revoluciones en 1 minuto; medir mínimo 2 veces en cada punto y aesa altura. (Si los datos son muy diferentes entre sí es necesario hacer otralectura). Ajustar el equipo a 0.6h y medir nuevamente la velocidad por duplicado encada punto.Nota: Es importante la selección del número de la hélice utilizada; en el casonuestro la más común es la No. 3. La ecuación en este caso es:Para n < 0,6: V= 0,236 ´ n + 0,016Para n > 0,6: V= 0,256 ´ n + 0,004Medida por velocidad superficial (flotadores)Este método sólo se aplica en tramos uniformes. Consiste en determinar lavelocidad del flujo colocando uno ó varios flotadores tales como esferas plásticashuecas, hojas, etc., del mismo tamaño y midiendo el tiempo gastado en recorreruna distancia. Para determinar el área de la sección transversal se mide el largo dela sección escogida, las alturas de la lámina de agua y el ancho de la sección envarias partes.Para medir el tiempo de recorrido del flotador colocar este suavemente sobre lasuperficie del agua; no se los debe arrojar porque le imparte velocidad y puedeafectar la medición. Medir el tiempo de recorrido en la distancia seleccionada variasveces y calcular el promedio.La velocidad resultante se multiplica por un factor entre 0,4 y 0,92 dependiendo dela textura del fondo del lecho o canaleta así:•Poco áspera 0,40 - 0,52•Grava con hierba y caña 0,46 - 0,75•Grava gruesa y piedras 0,58 - 0,70•Madera hormigón pavimento, 0,70 - 0,90•Grava 0,62 - 0,75•Arcilla y arena 0,65 - 0,83Q = V ´ ADonde: V = velocidad promedio; A = área transversal promedio.Este método solo sirve para estimar el caudal. Se recomienda hacer mínimo 3lecturas para el cálculo de la velocidad; Si hay muchas diferencias el proceso sedebe repetir de 20 a 30 veces, luego se debe elaborar una curva y obtener el valormedio.Medida de Caudal en tuberías total o parcialmente llenas Horizontes ó inclinadaspor el método de las Coordenadas X Y.Es posible hacer el cálculo aproximados del caudal que es descargado librementepor una tubería, midiendo las longitudes en las direcciones X, Y del chorro, una vezha dejado la tubería como se muestra a continuación.CanaletasLas canaletas están compuestas de 3 secciones: una sección convergente aguasarriba, una garganta o sección contraída y una sección divergente aguas abajo. Lacanaleta Parshall es el dispositivo ideal para usar en canales abiertos paramonitoreo continuo de caudal.Las canaletas se usan más común mente en canales abiertos donde:•La cantidad de flujo no pueda medirse adecuadamente por un vertedero.•Haya una significante cantidad de partículas y otros materiales que podrían llenarun vertedero.•La capacidad de la cabeza hidráulica sea insuficient e para utilizar el vertedero.Las ventajas que presenta una canaleta es que los sedimentos y otros sólidospueden ser lavados a través de ella (son autolimpiantes) y son útiles para medir unamplio rango de caudales.El caudal puede ser libre o sumergido. El grado de sumergencia es indicado por larelación de la cabeza de aguas abajo (Hb) a la cabeza aguas arriba (Ha): Relaciónde sumergencia = Hb/HaLa fórmula general para calcular el caudal es:Q = 4WH nDonde: Q = caudal, en pies cúbicos por segundo; W = ancho de la garganta, enpies; H = altura, en pies; n = 1.522 * W (0.026)Conversión de unidades1 pie 3 /s = 28,31 L/s; 1 m 3 /s = 1000 L/sSistema de controlAdemás de los métodos de aforo donde se debe medir varias veces el caudal ycalcular el promedio, si para los demás métodos se tienen dudas de los resultadosse deben obtener y registrar varios datos sucesivos del caudal.Cuando sea posible, se pueden utilizar dos o más métodos de aforo, paraestablecer la repetibilidad de resultados entre ellos. Registrar todos los resultados.

AFORO DE SÓLIDOS. GENERALIDADES. EQUIPOS UTILIZADOS. 1. OBJETIVOS El objetivo consiste en realizar aforos de líquidos, sólidos en suspensión y sólidos en disolución en estaciones situadas en diferentes puntos de la red fluvial española. 2. METODOLOGÍA DE LOS AFOROS La carga de sólidos transportada por los ríos está constituida por sólidos en disolución, sólidos en suspensión y arrastres de fondo. Para estimar los dos primeros componentes de la carga se utiliza una técnica común en la toma de muestras en el cauce, diferenciándose únicamente en los análisis de laboratorio. Estando relacionada la carga de sólidos transportados con los caudales líquidos circulantes, resulta imprescindible la medida de estos últimos para poder obtener el valor de los primeros. 2.1. Aforo directo de caudales líquidos

Se llama aforo directo al conjunto de operaciones realizadas en una sección transversal del río, para calcular el caudal circulante por la misma en un momento determinado. Se procurará, si las condiciones de la estación de aforo lo permiten, registrar la altura de la lámina de agua en el cauce. Se obtienen así, pares de valores ("h", "Q") de niveles y caudales correspondientes que, obtenidos para los distintos regímenes estacionales del río a lo largo del año, definen la "curva de gasto" o de correspondencia entre niveles y caudales de la sección de aforo. Cabe reseñar que en general estas curvas no son únicas para cada estación y dependen de las características tanto del flujo como del material transportado. Para realizar el aforo se recurre al empleo de un molinete, que es un aparato de precisión, con el que se mide la velocidad del agua en una serie de puntos de una sección transversal de un cauce. Consta de un cuerpo principal portador de una hélice y de un contador electrónico de revoluciones. Puede introducirse en el agua sujeto a una barra graduada, o por medio de un cable lastrado que se suelta con un torno desde un puente o pasarela. Los molinetes se taran en canales que contienen agua sin circulación, avanzando sujetos a un carro que se mueve con velocidad uniforme, pudiéndose variar la misma a voluntad. La ecuación que gobierna el movimiento es lineal del tipo: V = an + b donde: v = Velocidad de avance del molinete en m.s-1 n = Número de revoluciones por segundo a, b = Coeficientes numéricos obtenidos experimentalmente en el canal de tarado.En un cauce natural la velocidad se mide dejando el molinete fijo en un punto durante T segundos y registrando las revoluciones N de la hélice mediante el contador. La velocidad del flujo se obtiene mediante la expresión: + b El error de un molinete bien calibrado debe ser inferior al 2%. Dado que la corriente presenta continuas variaciones debido tanto a las irregularidades del fondo como de las orillas se procura medir la velocidad en varias verticales y en varios puntos de cada vertical. La distancia entre verticales se mide con cinta métrica y la profundidad con barra graduada o con torno. 2.2. Aforo de sólidos en suspensión La medida de los sólidos en suspensión ha de realizarse con el apoyo de una estación de aforo de caudales líquidos, si se quiere estimar el transporte de los mismos de manera continua y siempre que exista una correlación aceptable entre el caudal líquido y la concentración o carga de sólidos. Para establecer la correspondencia entre la carga de sólidos en suspensión y el caudal líquido Qs = f (Ql) de una estación de aforos, hay que determinar de la manera indicada en el punto anterior el caudal líquido, y a partir de la muestra obtenida con la turbisonda la concentración de sólidos para distintos valores de los niveles alcanzados en el cauce. Los muestreadores de sedimentos recomendados por el F.I.A.S.P., son cinco modelos para sedimentos en suspensión (tres integradores en profundidad y dos puntuales) El muestreador integrador en profundidad recoge y acumula la muestra a medida que se baja hacia el fondo del río y cuando es elevado hacia la superficie. Durante el recorrido debe moverse a velocidad uniforme en cada sentido, pero no es necesario que sea la misma en ambos.E muestreador consta de una pieza de aluminio fundido, aerodinámica, que encierra parcialmente el recipiente recolector de la muestra. Este último se ajusta contra una junta estanca, situada en la cavidad delantera del muestreador, mediante un tirador o tensor regulado por un muelle que está ensamblado en el extremo o cola del muestreador. La muestra se recoge a través de la boquilla de entrada y se almacena dentro de la botella. El aire desplazado de ésta, es expelido corriente abajo a través de la salida de aire emplazada en el costado del cabezal del muestreador. Este último, incluido el recipiente recolector, pesa 2 kg. Para suspenderlo se utiliza una varilla de vadeo normalizada de las empleadas para aforar corrientes fluviales, u otro dispositivo manual adecuado, que se enrosca en la parte superior del muestreador. Cuando las corrientes fluviales no pueden vadearse pero tienen una profundidad moderada (menor de 5 m) y la velocidad del flujo no supera los 2,4 m/s, se utiliza un muestreador integrador en profundidad manejado con la ayuda de un cable y torno.Si la profundidad del río o la velocidad del flujo son superiores a los indicados anteriormente, se deben utilizar muestreadores similares a este último pero con mayores contrapesos. Las verticales elegidas en cada sección transversal donde se efectúe el aforo deben situarse equidistantes unas de otras. El número de verticales requerido para hacer un aforo de sólidos depende del caudal líquido, de las características de los materiales transportados y de la exactitud que se desee en los resultados. Para determinar dicho número se requiere emplear tanto procedimientos estadísticos como el tener gran experiencia de campo. En la práctica se eligen las mismas verticales que las utilizadas en el aforo de los caudales líquidos. Para el muestreo de los sólidos en suspensión se requiere obtener en cada vertical un volumen de muestra proporcional al caudal. Esto se consigue mediante el empleo de boquillas debidamente calibradas. La velocidad del flujo en la boquilla de entrada de la turbisonda debe ser similar a la de la corriente en las inmediaciones, con un error admisible entre el 3 y el 5%. Existen tres tamaños de boquilla eligiéndose el más indicado en cada caso en función de la velocidad del agua en la sección de aforo. Para cada aforo es necesario mantener el tamaño de la boquilla en el muestreador.

2.3 Trabajos de laboratorio La muestra contenida en la botella situada en la turbisonda, pasa en el laboratorio por las siguientes operaciones para determinar la concentración de sólidos en suspensión: 1.- Se pesa la botella vacía. 2.- Se pesa el conjunto formado por la botella y la muestra en ella contenida. 3.- Se separan los sólidos en suspensión contenidos en la muestra de la botella por medio de un filtro de 14 micras, utilizando en el proceso una bomba de vacío para agilizar el trabajo. Previamente los filtros han sido desecados y pesados. Cuando la concentración de la muestra es muy elevada las partículas pueden llegar a colmatar el filtro teniendo que separarse los sólidos por el sistema de evaporación. Esta operación se realiza aportando calor por medio de lámparas y posteriormente introdu-ciendo la cápsula en estufa a 105°C hasta peso constante. 4.- El resultado del filtrado se deseca en estufa a 105°C durante un mínimo de 8 horas. 5.- La cápsula con los sólidos se enfría en desecador. 6.- Se pesa la muestra seca. Conocido el volumen de la muestra y el peso de los sólidos en ella contenidos se determina la concentración, C=P/V, en g/L, que representa la concentración media en la vertical donde se tomó la muestra. Normalmente, las muestras utilizadas para determinar los sólidos en disolución son las sobrantes de la muestra total, recogida en la botella de la turbisonda, después de efectuado el proceso de filtrado (filtro de 14 micras).El método que se sigue para obtener los sólidos que se encuentran en disolución es el de evaporación. El residuo seco está formado generalmente por sales minerales, pudiendo también contener pequeñas cantidades de materia orgánica. El equipamiento del laboratorio imprescindible para la determinación de la concentración de los sólidos disueltos constará de: a) Cápsulas de porcelana b) Baño maría c) Estufa de desecación El procedimiento empleado para el cálculo es el siguiente: 1.- Se tara la cápsula de porcelana vacía. Previamente se seca a 110ºC hasta peso constante. 2.- Se evapora en "baño maría", un volumen de agua (muestra) exactamente medido y contenido en la cápsula, hasta sequedad. 3.- Se introduce la cápsula en la estufa y se mantiene a 110ºC durante un mínimo de cuatro horas. 4.- Se deja enfriar en desecador. 5.- Se pesa el conjunto seco (cápsula + residuo). La concentración viene dada por: siendo: P' = Peso de la cápsula + residuo seco en mg P = Peso de la cápsula vacía en mg V = Volumen de agua evaporada en mL

3.1.1.1. Método del correntómetro o molineteEn este método, la velocidad del agua se mide por medio de un instrumento llamado “correntómetro” que mide la velocidad en un punto dado de la masa de agua. Un tipo bien conocido es el denominado “molinete de Woltmann”.Existen varios tipos de correntómetros, siendo los más empleados los de hélice de los cuales hay de varios tamaños; cuanto más grandes sean los caudales o más altas sean las velocidades, mayor debe ser también el tamaño del aparato. Cada correntómetro debe tener un certificado de calibración en el que figura la fórmula necesaria para calcular la velocidad del agua sabiendo el número de vueltas o revoluciones de la hélice por segundo. Estos correntómetros se calibran en laboratorios de hidráulica; una fórmula de calibración, como la empleada en nuestro estudio, es la siguiente:

v = a n + b

donde:

v es la velocidad del agua, expresada en m/s.n es él numero de vueltas de la hélice por segundo.a es el paso real de la hélice en metros.b es la llamada velocidad de frotamiento en m/s.

Como el correntómetro mide la velocidad en un punto determinado, para obtener la velocidad media de un curso de agua se debe, en ciertos casos, medir la velocidad en dos, tres o más puntos, a diversas profundidades a lo largo de una vertical y a partir de la superficie del agua.Las profundidades en las cuales se miden las velocidades con el correntómetro se hallan en función de la altura del tirante de agua d, siguiendo los parámetros establecidos en la siguiente tabla:

Tirante de agua (d) Profundidad de lectura del correntómetroCm Cm< 15 d / 215 < d < 45 0,6 • d> 45 0,2 • d y 0,8 • d0,2 • d, 0,6 • d y 0,8 • dEn general, la velocidad media a lo largo de un tirante se determina tomando la media de las velocidades a 0’2 y 0’8 del tirante, según las recomendaciones del Departamento de Investigaciones Geológicas de los Estados Unidos, esto es, aplicando la fórmula:

V (Velocidad a 0’2 del tirante + Velocidad a 0’8 del tirante).

Conocidas ya las profundidades de lectura, se calcula el área de la sección transversal mojada, que se utilizará para el cálculo del caudal. Así, como siempre:

Q = v x A,

donde:

v = velocidad determinada con el correntómetro o molinete.

A = Área de la sección mojada transversal correspondiente.

La distribución de velocidades en una corriente libre resulta muy importante cuando se desea determinar el caudal usando un medidor de velocidad, que es un instrumento construido de tal manera que la velocidad angular de su elemento giratorio (hélice o sistema de álabes) es proporcional a la velocidad de la corriente. Un ejemplo característico es el del molinete de Woltmann, anteriormente citado. Mediante un circuito eléctrico, los valores de la velocidad son registrados en un cuentarrevoluciones. Las isotacas -curvas similares a las de nivel en topografía- que unen los puntos de igual velocidad en una sección transversal, suelen obtenerse por interpolación a partir de las medidas puntuales realizadas con el medidor de velocidad.