Aforar consiste en aplicar algunas técnicas que permiten determinar el caudal de agua que circula por algún medio de conducción (tubo, canal, lecho abierto (río-quebrada)) a presión o en superficie libre, o en un período determinado
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El objetivo principal al determinar el caudal de agua que aporta un canal, una tubería, una fuente natural o un pozo es el de distribuirla adecuadamente y el uso futuro de la misma. La aplicación eficiente del agua, efectuada con un aforo previo, es el factor más importante para prevenir una escasez en el suministro, para reducir los problemas de drenaje cuando hay exceso de agua, lo mismo que para programar procesos de mantenimiento de pozos, motobombas y estructuras de derivación, conducción, distribución y aplicación
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El caudal se mide en unidades de volumen por unidad de tiempo. En el sistema métrico, las unidades de caudalmás usadas son el litro por segundo y el metro cúbico por segundo.
Los métodos para medir el agua se pueden agrupar en las siguientes clases
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Métodos directos
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Entre los sistemas de aforo directos están los siguientes:
a. Método volumétrico. El aforo volumétrico se emplea para canales pequeños y consiste en recolectar el agua en un recipiente de volumen conocido, tomando el tiempo transcurrido en su llenado. La capacidad del recipiente puede ser ampliamente variable
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El caudal medido por este sistema se expresa por la siguiente ecuación
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Donde Q, representa el caudal [l/s]; V, el volumen del recipiente [l] y t, el tiempo transcurrido para el llenado del recipiente [s
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b.Método gravimétrico. Es un sistema que sigue el mismo principio que el volumétrico con la única diferencia que el volumen se obtiene pesando el agua, en lugar de utilizar un depósito calibrado
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El caudal medido por este sistema se expresa por la siguiente ecuación
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Donde Q, representa el caudal [l/s]; W, el peso del agua dentro del recipiente [kg] y t, el tiempo transcurrido para el llenado del recipiente [s]. Recordar que el agua tiene una densidad de aproximadamente de 1 kg/l, razón por lacual puede aplicarse con buena aproximación este método
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Métodos indirectos o métodos de la velocidad y el área
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Estos métodos se basan en la aplicación de la ecuación.(17)
Donde Q, representa el caudal [m3/s]; V, la velocidad de la corriente [m/s] y A, el área transversal del cauce [m2
].
Para averiguar el área transversal del cauce se coloca una cinta métrica que permita medir el ancho del mismo y sobre esta cinta se van tomando alturas a distancias preestablecidas
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El sistema de aforo consiste en dividir el cauce del río en varias secciones, y luego se determina el área de cada sección y se suman para determinar el área transversal que al multiplicarla por la velocidad de agua se obtiene el caudal o volumen de agua que circula por un punto determinado en la unidad de tiempo
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Para estimar la velocidad del agua del cauce se utilizan diferentes sistemas. Para obtener un valor preciso de la velocidad promedia del agua en el cauce sería necesario tomar la velocidad del agua en muchos puntos a lo largo de cada sección lo cual resultaría muy laborioso, por esta razón se han seleccionado las siguientes prácticas
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a
.Uso de flotadores. Este consiste en dejar desplazar un objeto más liviano que el agua (unabotella cerrada, un limón, un corcho, etc) desde un punto fijado aguas arriba del lugar donde se midió el área en distancias que oscilan entre 20 y 100 metros, tomando el tiempo que demora el flotador en recorrer este espacio, de donde se deduce el valor de la velocidad utilizando la ecuación
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Donde V, representa la velocidad de la corriente [m/s]; d, la distancia definida [m] y t, el tiempo transcurrido en que el flotador recorra la distancia [s]
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b
.Colorantes. Para medir la velocidad del agua se utilizan colorantes los cuales se inyectan o aplican a las corrientes y se detectan aguas abajo del sitio seleccionado para aplicarlos. Los colorantes se pueden visualizar sobre el agua y los más utilizados son, la fluoresceína, el permanganato de potasio, el azul de metileno y violeta de genciana.
Este tipo de aforos son relativamente prácticos, aunque suponen que el caudal del río no varía entre el punto de incorporación de la sustancia y el punto de medida, por lo que debe garantizarse que esta distancia no sea muy larga (en la práctica menos de 30 metros) para evitar el aporte de tributarios
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c
.Métodos de aforos químicos. El primer tipo de aforo químico, implica el aporte constante deuna pequeña cantidad del químico con una concentración determinada, midiendo aguas abajo la concentración de la sustancia luego de la dilución. Por la ecuación de continuidad, sabemos que el total de sustancia aplicada a la corriente permanece constante, solo varía su concentración, lo cual está dado en función del caudal total. El caudal se determina de la siguiente forma:
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Donde Q, es el caudal de la fuente; q, es el caudal de la sustancia agregada a la fuente; Co, es la concentración inicial y C1 la concentración final
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El segundo tipo de aforo químico, consiste en el aporte único de una cantidad de la sustancia indicadora, midiendo luego a intervalos regulares de tiempo, la variación de la concentración aguas abajo. Esto requiere de fuentes turbulentas que permitan la dispersión de la sustancia en todo el caudal. El caudal total se determina de la siguiente forma
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d.Molinete o correntómetro. Este dispositivo consta de un rotor montado sobre un eje vertical y
provisto de copas que giran en virtud de la velocidad del agua.
Las revoluciones del rotor son directamente proporcionales a la velocidad del agua y así se puede determinar la velocidad promedio
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Para lograr un promedio exacto de la velocidad del agua, se ha demostrado experimentalmente que existen ciertos puntos donde la velocidad representa dicho promedio
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Para la medición de la velocidad de la corriente, se divide el cauce en secciones, en lo posible, de igual ancho (en teoría por una sección en particular no debería pasar más del 10% del caudal total, pero a veces esto en la práctica no es posible). La velocidad se mide con el molinete a una profundidad de 0.2h, 0.6h y 0.8h, donde h representa la profundidad total de la sección. Se estima que para fuentes poco profundas, esto es, con menos de 60 cm, la velocidad se puede medir solamente a 0.6h, en la cual se encuentra la velocidad promedio de la corriente
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Con estas mediciones, se calcula la velocidad promedio de la corriente en cada sección, obteniendo el caudal como el producto entre la velocidad y el área
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Ejemplo 4.
Luego del trabajo de campo en una fuente de agua, se cuenta con datos de velocidad en cada una de las secciones en las que fue dividida. Estos datos están consignados en la Tabla 5. Las secciones se tomaron de 20 cm de ancho cada una. Obtenga el valor del caudal de la fuente.
Lo que hacemos es calcular la velocidad promedio de cada sección. El área de la sección, se asemeja a un rectángulo y por tanto su área será base por altura. El caudal total se obtiene sumando los caudales parciales obtenidos para cada sección. En la Tabla 6 se presentan los cálculos correspondientes