UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD DE CIENCIAS AGRÍCOLAS AGRONOMÍA RIEGO Y DRENAJE Medición de caudales Autor: Nicolalde Cadena Steven Eduardo Obando Cerón Jennyfer Amanda Padilla Cotera María Johanna Pastillo Colta Daysi Estefani Curso: A5-001 Docente: Ing. Jorge Espinoza Periodo Académico 2023-2024 MEDICIÓN DE CAUDALES INTRODUCCIÓN En el vasto y complejo mundo de la hidrología y la gestión del agua, la medición precisa de caudales en diversos cursos de agua, como surcos, acequias y canales, desempeña un papel fundamental (Castro & Bahamondes,1992). Para el agricultor que dispone de agua para regar es importante conocer la cantidad de agua (caudal) que recibe en el predio, la que transportan los canales, o poder determinar el caudal que entregan algunas estructuras como los sifones, por lo que se ha estimado conveniente dar a conocer algunos métodos (ICC, 2017). El método del vertedero se erige como uno de los enfoques más utilizados para medir caudales en canales y acequias. Este método aprovecha la capacidad de un vertedero para controlar el flujo de agua y proporcionar mediciones precisas basadas en la geometría del vertedero y la altura del agua. La apertura del vertedero, junto con la ley de Torricelli, permite calcular el caudal con precisión. A través de esta práctica, se explorarán las distintas formas de vertederos, desde los simples hasta los compuestos, y se analizarán los factores que influyen en la eficacia de este método (Geta & Hernández,2010). Otro método crucial en la medición de caudales es el método del flotador. Este enfoque se basa en la observación del tiempo que un objeto flotante tarda en recorrer una distancia específica en la corriente de agua. Seleccionando cuidadosamente un tramo recto de canal con condiciones uniformes, se instalan estacas a intervalos específicos a lo largo de una de las márgenes del canal. Un flotador, generalmente hecho de espuma flexible, se lanza aguas arriba de la primera estaca, y se registra el tiempo que tarda en pasar por ambas estacas. Repitiendo este procedimiento y promediando los resultados, se obtiene una medida confiable de la velocidad del flujo, que se puede utilizar para calcular el caudal (Quintana, 2017). El método volumétrico, por otro lado, se centra en la recopilación directa de agua en un recipiente graduado. Este método implica colocar un balde debajo de la corriente de agua y medir el volumen acumulado durante un período específico. Aunque puede parecer más directo, este enfoque requiere una cuidadosa consideración de la geometría del balde y las condiciones del flujo para obtener resultados precisos (ICC , 2017). En este contexto, es esencial reconocer la importancia de comprender y evaluar la variabilidad de los métodos de medición en diferentes entornos acuáticos. Los surcos, acequias y canales presentan desafíos únicos debido a sus características geomorfológicas y patrones de flujo específicos. Este aspecto de la práctica se enfocará en la selección adecuada del método de medición en función de las características del entorno, asegurando así resultados precisos y aplicables. OBJETIVO El objetivo de la presente práctica es el conocer el procedimiento para medir caudales en un surco, acequia o canal. REVISIÓN DE LITERATURA De acuerdo a Bello & Pino (2000) el caudal se define como una cantidad de agua que pasa por un lugar en una cierta cantidad de tiempo, resultando en volumen (litros, metros cúbicos, etc.) por unidad de tiempo (segundos, minutos, horas, etc.). Existen varias formas de calcular los caudales entre estos encontramos al método del flotador, vertedero y volumétrico, este último lo podemos observar en la Imagen 1 y de acuerdo a la Hudson (1997) es considerada la manera más sencilla de calcular los caudales pequeños, consistiendo en la medición de del tiempo en el que se demora el agua en llenar un recipiente de volumen conocido de esta manera obteniendo la medida de volumen sobre tiempo (l/s), el tiempo se medirá con precisión gracias a la ayuda de un cronometro y el proceso se repetirá varias veces ya que la variación entre diversas mediciones efectuadas sucesivamente dará una indicación de la precisión de los resultados. Este método es adecuado para caudales pequeños y se utiliza en proyectos de riego y otras aplicaciones donde se requiere medir volúmenes de agua reducidos. Figura 1. Método de vertedero Fuente: DGIAR (2015) Por otro lado tenemos el metodo del flotador mismo que podemos observar en la Imagen 2, este metodo deacuerdo a DGIAR (2015) es el más utilizado en canales abiertos debido a su sencillez, sin embargo, sólo permite estimar en forma aproximada el caudal. Para llevar a cabo este método no solo se debe de estimar la velocidad del agua sino también el área del canal. Para esto se toma en cuenta valores como la longitud del canal y el área del mismo además del tiempo medido en segundo y por último el factor de corrección que dependerá del material del revestimiento del canal. Los pasos a seguir son los siguientes: seleccionar el lugar adecuado, medir del área del cauce o canal, medir la velocidad del agua y realizar el cálculo con los datos obtenidos. Este procedimiento se repite varias veces con el fin de obtener un promedio, el valor promedio obtenido del caudal de agua estudiada permitirá conocer el volumen de agua del que se dispone por unidad de tiempo, información importante a la hora de tomar decisiones sobre posibles proyectos de riego. Figura 2. Metodo del fotador Fuente: DGIAR (2015) Otro método de medición de caudales es el método de vertedero mismo que podemos observar en la Imagen 3, que según Bello & Pino (2000) es uno de los métodos más eficientes y exactos para medir caudales en canales abiertos, este método consiste en la utilización de obstáculos en el canal que obliguen al agua a adoptar una forma específica según la clase de vertedero que sea, entre estos tenemos al: Vertedero rectangular: es uno de los más usados debido a la facilidad de su construcción y su precisión ya que su nivel de error fluctúa entre el 3 al 5%. Vertedero triangular: existen varias clases de vertederos triangulares definidas por el ángulo que posee su vértice inferior, siendo el más utilizado el que tiene 90 utilizado frecuentemente en canales pequeños. Vertedero trapezoidal: este vertedero es el menos utilizado debido a la dificultad que conlleva su construcción además de no ofrecer ventajas significativas en comparación de los anteriores vertederos. Para realizar este método se debe medir la altura que pasa sobre la cresta del vertedero, con ayuda de una regleta graduada en centímetros, cuidando que su origen quede a la altura de la cresta del vertedero, con los datos obtenido se aplica la formula específica de cada vertedero. Figura 3. Metodo de vertedero (rectangular) Fuente: Hudson (1997) MATERIALES -Estacas -Un flotador (espuma flex). -Un cronómetro -Un flexómetro -Calculadora -Vertederos del canal de las parcelas demostrativas -Escuadra que mida 25 cm el lado Y -Cronómetro -Recipiente de 20 litros -Cámara de fotos -Lápiz y papel PROCEDIMIENTO Método del Flotador a) Se identificó un tramo de canal recto y sin cambios en la sección trasversal del CADET con una superficie lisa del agua. b) En una de las márgenes del canal, se instalaron dos estacas distanciadas a 10 metros entre ellas. c) A una distancia de 2 metros aguas arriba de la primera estaca, se lanzó el flotador (espuma flex). d) Se midió el tiempo que el flotador tomaba en atravesar las dos estacas marcadas. Se tomaron medidas con el flotador moviéndose cerca del centro de la anchura de la superficie del flujo, sin chocar con los lados del canal y sin hundirse. e) Se repitió la medición en tres ocasiones y se obtuvo un tiempo promedio para disminuir la probabilidad de error. f) Se calculó la velocidad del flujo del canal con las distancia y tiempo obtenidos. g) Se midió la sección mojada del canal en los dos extremos y se promedió el área mojada. h) Se obtuvo el coeficiente de ajuste en base a la profundidad media para obtener la velocidad promedio del flujo del canal en función de la velocidad del flotador. i) Se midió el ancho superior de la superficie de agua en el canal. j) Finalmente se determinó el caudal multiplicando el área mojada por la velocidad promedio del flotador y por el coeficiente de ajuste. Método del Vertedero a) Se realizo una ligera limpieza de las malas hierbas existentes alrededor de la estructura hidráulica de medición de caudales en el vertedero ubicado en la FCA CADET. b) A 1.5 metros de distancia aguas arriba del vertedero, se midio la carga hidráulica sobre el vertedero y se repitió el proceso 3 veces. c) Se promedio la carga hidráulica. d) Enseguida se midió el ángulo del vertedero y se calculó el caudal. e) Por último, se realizar el mismo procedimiento aplicando el software HCANALES. Método volumétrico a) Se posicionó el recipiente debajo de la corriente, permitiendo que el agua fluyera; simultáneamente, se puso en marcha el cronómetro. Durante este procedimiento, el cronómetro comenzó a contar desde el momento en que el recipiente fue introducido en la corriente y se detuvo al retirarlo o al llenarse el balde. b) Se realizó las mediciones tres veces. c) Posteriormente se calculó el caudal mediante la fórmula dada en la guía practica RESULTADOS Y DISCUSIÓN Los datos fueron obtenidos de forma manual en el CADET. Para ambos métodos, se garantizó, en lo posible, que los datos no fueran afetados por influencia del viento o algún otro factor externo. Método del Flotador Como es conocido, se ha calculado las expresiones necesarias para determinar el caudal para el aforado realizado mediante la aplicación del método del flotador. 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 = 𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 (𝑚) 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 (𝑠) 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 = 10 𝑚 = 1.0395𝑚/𝑠 9.62 𝑠 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 = 9.7𝑠 + 9.3𝑠 + 9.86𝑠 3 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 = 9.62 𝑠 Á𝑟𝑒𝑎 = 𝑃𝑟𝑜𝑓𝑢𝑛𝑑𝑖𝑑𝑎𝑑 (𝑚) × 𝐴𝑛𝑐ℎ𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑟í𝑜 (𝑚) Á𝑟𝑒𝑎 = 0.39𝑚 × 1.4 𝑚 = 0.546𝑚2 𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 = Á𝑟𝑒𝑎 × 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 × Coeficientes en base a la profundidad 𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 = 0.546𝑚2 × 1.0395𝑚/𝑠 × 0.66 𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 = 0.37459𝑚3 /𝑠 Esquema gráfico Figura 4. Esquema gráfico del método del flotador. Fuente: Internet. Método Volumétrico Como es conocido, se ha calculado las expresiones necesarias para determinar el caudal mediante la aplicación del método volumétrico. 𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑐𝑎𝑝𝑡𝑢𝑟𝑎𝑑𝑜 𝑒𝑛 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠 (𝐿) 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑙𝑒𝑛𝑎𝑑𝑜 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑏𝑎𝑙𝑑𝑒 (𝑠) 𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 = 20 𝐿 = 0.6784𝐿/𝑠 29.48𝑠 𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 = 0.02 𝑚3 = 0.0006784𝑚3 /𝑠 29.48𝑠 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 = 29.89𝑠 + 29.38𝑠 + 29.17𝑠 3 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 = 29.48 𝑠 Como toda el agua se debe recibir en un balde u otro recipiente, este método sirve para medir caudales no muy grandes, como el caudal de manantiales, reservorios, sifones, caja de distribución, caudal en un surco, la descarga de algunos aspersores, salidas de sistemas californianos (Placencio, 2018). Además de ser un método muy sencillo y con alto porcentaje de error debido a su imprecisión, por lo que requiere de un coeficiente de ajuste. El método del flotador es más impreciso, es decir, sólo permite estimar en forma aproximada el caudal. Se estima la velocidad del agua y el área del canal (Placencio, 2018). Sin embargo, este método nos permite conocer el volumen de agua del que se dispone por unidad de tiempo, información importante a la hora de tomar decisiones sobre posibles proyectos de riego. Esquema gráfico Figura 5. Esquema gráfico del método volumétrico Fuente: Internet. Método de vertedero Rectangular de pared gruesa 3 𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 = 1.84(𝐿)(𝐻 2 ) 3 𝑄 = 1.84(0.222)(0.0782 ) 𝑄 = 0.008898𝑚3 /𝑠 Rectangular de pared fina 3 𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 = 1.84(𝐿)(𝐻 2 ) 3 𝑄 = 1.84(0.187)(0.1132 ) 𝑄 = 0.01307𝑚3 /𝑠 Rectangular de pared fina con contracciones 3 𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 = 1.84(𝐿 − 0.2𝐻)(𝐻 2 ) 3 𝑄 = 1.84(0.199 − 0.2(0.101))(0.1012 ) 𝑄 = 0.01056𝑚3 /𝑠 Trapezoidal 3 𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 = 1.859(𝐿)(𝐻 2 ) 3 𝑄 = 1.859(0.192)(0. 1082 ) 𝑄 = 0.012668𝑚3 /𝑠 Triangular de 90º 5 𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 = 1.4(𝐻 2 ) 5 𝑄 = 1.4(0.1082 ) 𝑄 = 0.005366𝑚3 /𝑠 Cálculos en Hcanales Tipo de Imagen vertedero Vertedero rectangular de pared gruesa Datos 𝐻 = 0,078 𝑚 𝐿 = 0,222 𝑐𝑚 Calculo 𝑸 = 𝟎, 𝟎𝟏𝟏𝟏𝒎𝟑 /𝒔 Vertedero rectangular de pared fina 𝐻 = 0,113 𝑚 𝐿 = 0,187 𝑚 𝑸 = 𝟎, 𝟎𝟏𝟒𝟔𝒎𝟑 /𝒔 Vertedero regular de pared fina con contracciones 𝐻 = 0,101 𝑚 𝐿 = 0,199𝑚 𝑸 = 𝟎, 𝟎𝟏𝟑𝟕𝒎𝟑 /𝒔 Vertedero trapezoidal 𝐻 = 0,108 𝑚 𝐿 = 0,192𝑚 𝑸 = 𝟎, 𝟎𝟐𝟔𝟐𝒎𝟑 /𝒔 Vertedero Triangular 𝐻 = 0,108𝑚 𝜃 = 90° 𝑸 = 𝟎, 𝟎𝟎𝟔𝟔𝒎𝟑 /𝒔 Figura 1. Cálculos obtenidos en Hcanales Fuente: Elaboración propia Los vertederos se utilizan comúnmente para medir o regular el flujo en ríos, arroyos, canales de riego, etc. La instalación de un vertedero en un sistema de canales abiertos provoca que se forme una profundidad crítica sobre el vertedero. Dado que existe una relación única entre la profundidad crítica y la descarga, se puede diseñar un vertedero como un dispositivo de medición de flujo. El cual puede tener una exactitud alta, sin embargo, el método más exacto que se puede utilizar de forma práctica en canales abiertos que tenga un volumen de agua bajo, es el método volumétrico permite medir pequeños caudales de agua como son los que escurren en surcos de riego o pequeñas acequias, y es más preciso que las mediciones en los diferentes vertederos (González & Olvera, 2017). La medición de caudal volumétrico puede utilizarse para diversas aplicaciones, como líquidos, gases y vapor. De tal manera, que la forma más sencilla de calcular los caudales pequeños es la medición directa del tiempo que se tarda en llenar un recipiente de volumen conocido. Al final de cuentas, medir el caudal correctamente permitirá cumplir los objetivos dentro de algún proyecto con fines de aprovechamiento hídrico, también se construyen presas para elevar el nivel del agua en un canal y desviar el flujo hacia sistemas de riego ubicados en elevaciones más altas. La correcta medición del agua en ríos, esteros y canales es de suma importancia, asimismo se debe realizar mediante métodos apropiados, con la finalidad de obtener datos certeros que permitan tomar decisiones adecuadas con relación al uso y distribución del recurso hídrico escaso (Madrigal et al., 2019). CONCLUSIONES Los métodos utilizados son maneras manuales de calcular el caudal son efectivas, sin embargo, existe cierto porcentaje de error que varía dependiendo a las condiciones de en las que fueron tomadas cada método. Esto se comprueba con la aplicación de Hcanales, la cual, a pesar de tener los mismos datos calcula caudales diferentes, aunque la diferencia entre el programa y el cálculo manual es mínima. La medición de caudal facilita una gestión eficiente, ecológica y sostenible de los recursos hídricos y aumenta también la seguridad de las personas y del medio ambiente, temas cuya importancia es cada vez mayor entre las cuestiones que preocupan a la humanidad. Además es importante para determinar las necesidades de energía que harán que el agua circule por ellas en las condiciones determinadas para un proyecto establecido. BIBLIOGRAFÍA Bello, M., & Pino, M. T. (2000). Medición de presión y caudal. https://bibliotecadigital.ciren.cl/handle/20.500.13082/32174 Castro, M., Bahamondes Parrao, M., & Jaime, M. (1992). Cultura hídrica: un caso en Chile. DGIAR (2015). Manual Nº 5 Medición de agua. San Isidro-Lima. https://www.midagri.gob.pe/portal/download/pdf/manual-riego/manual5.pdf Geta, J. A. L., & Hernández, L. R. (Eds.). (2010). Desarrollo sostenible, uso conjunto y gestión integral de recursos hídricos. IGME. Hudson, NW (1997). Medición sobre el terreno de la erosión del suelo y de la escorrentía. (Boletín de suelos de la FAO - 68). Organización de Alimentos y Agricultura. https://www.fao.org/3/T0848S/t0848s00.htm#Contents ICC (Instituto Privado de Investigación sobre Cambio Climático). 2017. Manual de medición de caudales. Guatemala. Placencio, J. (2018). Determinación de la velocidad del flujo en el río Yanuncay, por método de flotadores [Tesis de grado]. Universidad del Azuay González-Sánchez, Alberto, & Olvera-Aranzolo, Ernesto. (2017). Cálculo de la capacidad volumétrica en diques del canal principal Humaya usando un perfilador de efecto Doppler. Ingeniería agrícola y biosistemas, 9(2), 51-62. Epub 28 de agosto de 2020.https://doi.org/10.5154/r.inagbi.2017.05.010 Madrigal Millian, Oswal, Brown Manrique, Oscar, Pelier, Daniubis Luis, Gallardo Ballat, Yurisbel, & Castellanos, Lázaro. (2019). Análisis del consumo de agua y energía en el riego por surcos. Revista de Ciencia y Tecnología, (32), 1-10.