Manual de Protocolo Del Equipo “RiverSurveyor De Sontek–M9” Con Funcionamiento De Tecnología Satelital Del Laboratorio De Servicios Públicos

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1 Manual de protocolo del Equipo “RiverSurveyor de Sontek–M9” con funcionamiento de

tecnología satelital del Laboratorio de Servicios Públicos.

Nelly Alejandra Vanegas Guzmán Yina Paola López Moreno

Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad de Medio Ambiente y Recursos Naturales Tecnología en Gestión Ambiental y Servicios Públicos

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2 Manual de protocolo del Equipo “RiverSurveyor de Sontek–M9” con funcionamiento de

tecnología satelital del Laboratorio de Servicios Públicos.

Nelly Alejandra Vanegas Guzmán Yina Paola López Moreno

Trabajo de grado presentado como requisito para optar al título de: Tecnólogas en Gestión Ambiental y Servicios Públicos

Director: Ingeniero Mecánico; Magister En Desarrollo Rural.; Especialización en Computación para la Docencia.; Especialización en Ecología Medio Ambiente y Desarrollo.

Rafael Eduardo Ladino Peralta

Línea de investigación: Manejo Integrado del Recurso Hídrico

Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad de Medio Ambiente y Recursos Naturales Tecnología en Gestión Ambiental y Servicios Públicos

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3 Agradecimientos El desarrollo de este trabajo fue posible gracias a la participación de varias personas e instituciones que fueron piezas clave para culminar esta etapa con determinación y entusiasmo.

Agradecemos a nuestros familiares, en especial las familias López Moreno y Vanegas Guzmán por siempre brindar su apoyo, confianza, esfuerzo y dedicación a lo largo de nuestras vidas y de este ciclo que ya culmina.

A nuestro director Rafael Eduardo Ladino por su dedicación y asesoría a lo largo de este proceso de aprendizaje.

A Helmut Espinosa por su disposición, ayuda y compromiso con su labor como docente y por la orientación, sugerencias e ideas para nuestra continua mejora.

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4 TABLA DE CONTENIDO

RESUMEN ... 9

ABSTRACT ... 10

0. INTRODUCCIÓN ... 11

1. OBJETIVOS ... 12

1.1. Objetivo General ... 12

1.2. Objetivos específicos ... 12

2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ... 13

2.1. Descripción del problema. ... 13

2.2. Formulación del problema. ... 13

3. JUSTIFICACIÓN ... 14

4. MARCOS DE REFERENCIA ... 15

4.1. Marco teórico conceptual ... 15

4.1.1. Caudal. ... 15

4.1.2. Medición de caudal. ... 15

4.1.3. EQUIPO RIVERSURVEYOR DE SONTEK (M9) ... 29

4.2. Marco legal ... 34

4.3. Marco geográfico ... 35

5. METODOLOGÍA DE INVESTIGACIÓN ... 37

5.1. Tipo de investigación ... 37

5.2. Diseño metodológico ... 37

5.2.1. Fases de la investigación. ... 38

6. RESULTADOS ... 41

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6.1.1. Ubicación Geográfica ... 41

6.1.2. Levantamiento de la estación ... 42

6.1.3. Procedimiento de medición ... 42

6.1.4. Post-procesamiento ... 43

6.1.5. Datos obtenidos durante el proceso de medición ... 44

6.2. Diseño y construcción de un banco de pruebas para el laboratorio de Servicios Públicos. ... 49

6.2.1. Diseño del banco de pruebas ... 49

6.2.2. Construcción del banco de pruebas ... 50

6.2.2. Montaje del banco de pruebas con la unidad satelital. ... 51

6.2.1. Montaje del equipo ... 51

6.2.2. Pruebas realizadas ... 53

6.2.3. Datos obtenidos durante el proceso de medición en el laboratorio ... 53

7. PRODUCTOS OBTENIDOS ... 62

8. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS ... 63

9. CONCLUSIONES ... 66

10. RECOMENDACIONES ... 67

11. GLOSARIO ... 68

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6 LISTA DE ILUSTRACIONES

Ilustración 1 Medición método directo ... 18

Ilustración 2 Método de placas de orificio ... 18

Ilustración 3 Clasificación de tipo de vertederos ... 19

Ilustración 4 Partes de la Canal Parshall ... 20

Ilustración 5 Medición por flotadores ... 21

Ilustración 6 Molinete tipo Gurley. Método del molinete hidrométrico ... 22

Ilustración 7 Molinete tipo Ott. Método del molinete hidrométrico. ... 22

Ilustración 8 Molinete. Hidrología Superficial 1: Medidas y tratamiento de los datos ... 23

Ilustración 9 Principio de medición de los caudalímetros Vortex. [Esquema] d= Diámetro del cuerpo sólido, f= Frecuencia de desprendimiento de vórtices, v= Velocidad del fluido, L=Distancia entre dos vórtices. ... 23

Ilustración 10 Principio de medición de los caudalímetros de sección variable ... 24

Ilustración 11 Medición de caudal, caudalímetros ultrasónicos Efecto Doppler ... 25

Ilustración 12 Flujo metro para canal abierto de ultrasonido ... 27

Ilustración 13 Medición de caudal (en tubería cerrada)... 28

Ilustración 14 Métodos empleados para la medición de caudales ... 29

Ilustración 15 Modulo de alimentación y comunicaciones. (2015). ... 30

Ilustración 16 Partes del ADP M9... 31

Ilustración 17 Detalles de sensores ADP M9 ... 31

Ilustración 18 Estación base ... 32

Ilustración 19 Izquierda: (SonTek, 2014). Hydroboard. Sontek M9. Derecha: Ensamble del RoverSurveyor en el Laboratorio de Servicion Publicos. ... 32

Ilustración 20 Principio de funcionamiento. ... 33

Ilustración 21 Ubicación de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas- Facultad de Medio Ambiente y Recursos Naturales ... 36

Ilustración 22 Laboratorio de Servicios Públicos ... 36

Ilustración 23 Fases de la investigación. ... 38

Ilustración 24 Ubicación del Puente del Común, Chía ... 41

Ilustración 25 Esquema final del montaje de la estación móvil. ... 42

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7

Ilustración 27 Diseño del banco de pruebas en Autodesk Inventor ... 49

Ilustración 28 Evidencia fotográfica: Construcción del banco de trabajo ... 50

Ilustración 29 Evidencia fotográfica: Trabajo en Laboratorio ... 51

Ilustración 30 Evidencia fotográfica: Trabajo en Laboratorio. ... 52

LISTA DE TABLAS Tabla 1Tipos de canaleta ... 20

Tabla 2 Tipos de molinete ... 22

Tabla 3 Ventajas y desventajas de los caudalímetros ultrasónicos Efecto Doppler ... 26

Tabla 4 Especificaciones técnicas ADP M9 ... 30

Tabla 5 Normas legales ... 34

Tabla 6 Tabla de resultados de la medición de caudal- Campo ... 44

Tabla 7 Tabla de resultados de la medición de caudal- Laboratorio de Servicios Públicos ... 53

Tabla 8 Tabla de cálculos obtenidos durante la práctica en el laboratorio. ... 60

LISTA DE GRÁFICAS Gráfico 1 Duracion de la medida-Campo. ... 45

Gráfico 2 Anchura del río-Campo. ... 45

Gráfico 3 Área del río-Campo. (2016). ... 46

Gráfico 4 Velocidad del río-Campo. ... 46

Gráfico 5 Caudal del río-Campo. ... 47

Gráfico 6 Profundidad del río Bogotá (Cuenca alta). ... 48

Gráfico 7 Caudal del río Bogotá (Cuenca alta). ... 48

Gráfico 8 Duración de la medida-Laboratorio. ... 54

Gráfico 9 Anchura del río-Laboratorio. ... 54

Gráfico 10 Área del río-Laboratorio. ... 55

Gráfico 11 Velocidad del río-Laboratorio. ... 55

Gráfico 12 Caudal del río-Laboratorio. ... 56

Gráfico 13 Profundidad del río- Banco de pruebas. ... 56

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8

Gráfico 15Caudal del río- Banco de pruebas Ejercicio 2 ... 57

Gráfico 16 Caudal del río- Banco de pruebas Ejercicio 3 ... 58

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9 RESUMEN

El siguiente documento tiene como objetivo estructurar el conjunto de protocolos para desarrollar prácticas de carácter batimétrico con el apoyo del equipo RiverSurveyor de SontekM9, instalado en el Laboratorio de Servicios Públicos de la Universidad Distrital, que además contribuya a los procesos de enseñanza - aprendizaje de los estudiantes.

Para el desarrollo de este proyecto fue necesario un constante aprendizaje a través de capacitaciones teóricas, en las instalaciones de la universidad, y prácticas en el Puente del Común, Chía, donde se identificaron tanto los componentes del equipo como su funcionamiento, configuración, proceso de medición, cuidados y mantenimiento.

Posteriormente se redactó el Manual de Protocolos y la Guía Práctica, con un alto contenido de ilustraciones en tres (3) dimensiones, facilitando así la comprensión del tema. Para ello se realizó una capacitación en el programa Inventor 2016 versión para estudiante, otorgando un valor agregado al presente proyecto. Adicionalmente, se construyó un banco de pruebas que simula una sección transversal de un cuerpo hídrico para realizar prácticas experimentales en el laboratorio, permitiendo al estudiante tener un primer acercamiento con el equipo, proporcionándole herramientas necesarias para un óptimo trabajo en campo.

Finalmente obteniendo dos productos en el proyecto de grado: el Manual de Protocolos del equipo y la Guía Práctica.

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10 ABSTRACT

The following document has as aim structure the set of protocols to develop practices of character bathymetric taking the equipment as a support “RiverSurveyor” of Sontek M9 present in the Laboratory of Public Services of the District University that in addition it contributes to the processes of education and learning for the students.

For the development of this project was necessary a constant learning where there realized trainings of theoretical character in the facilities of the university and trainings of practical character in the Común Bridge -Chía. In these trainings there were identified the components of the equipment as well as its functioning, configuration, process of measurement, taken care and maintenance.

Later, it was necessary to design the Manual of Protocols and the Practical Guide structure, where it was determined that they would have high place contained of illustrations in three (3) Dimensions. For it, a training was carried out through Inventor Software version 2016 for Students granting an added value to the present project. Additionally, it was constructed a tank which simulates a transversal section of a waterbody in order to realize practices in the laboratory, allowing the student to have a first approach with the equipment and provide tools necessary for optimal field work.

Finally obtaining three products in our project of degree: the Manual of Protocols of the equipment and the Practical Guide.

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0. INTRODUCCIÓN

Es importante determinar que la medición de caudal no es un procedimiento reciente, por el contrario se ha llevado a cabo durante siglos, dando como resultado principios básicos que se aplican hoy en día y que contribuyen a la evolución de la tecnología.

La medición de caudales es un parámetro estratégico que permite tomar decisiones futuras en diferentes campos de aplicación pero que además es del diario vivir es decir, todos los días se están realizando mediciones de caudales en fluidos, procediendo a determinar la calidad, parámetros físicos, químicos, uso de los elementos naturales, entre otras funciones.

Existen gran cantidad de métodos para la medición de caudales desde los más rústicos, artesanales y asequibles hasta los más complejos, innovadores y precisos. Este proyecto pretende dar a conocer de forma general los métodos más usados en la actualidad, mostrando la evolución, sus ventajas y desventajas. Se hace énfasis en la medición de caudales medianos con tecnología satelital y principios del efecto Doppler es decir, el principio de funcionamiento del ADP (Acoustic Doppler Profiler) M9.

Debido a la ausencia de los protocolos requeridos para hacer uso del equipo, se torna indispensable un documento de fácil comprensión como lo es el manual, producto de este trabajo de grado. Esto permite al estudiante llevar los conocimientos teóricos adquiridos a lo largo de su formación académica a un desarrollo empírico.

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12 1. OBJETIVOS

1.1. Objetivo General

Estructurar el conjunto de protocolos requeridos para el desarrollo de prácticas de carácter batimétrico con apoyo del equipo RiverSurveyor de Sontek M9 que contribuya a los procesos de enseñanza-aprendizaje en el Laboratorio de Servicios Públicos de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas.

1.2. Objetivos específicos

 Establecer la línea base de procedimientos de software y herramientas para las operaciones

del equipo en estudio.

 Definir los procedimientos funcionales del equipo en relación al uso y a la calibración.

 Formular el conjunto de prácticas y operaciones aplicables en la medición del caudal con

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2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

2.1. Descripción del problema.

Colombia es un país que cuenta con abundantes fuentes hídricas, tanto subterráneas como superficiales, pero la aplicación de tecnologías para la medición de caudales no está a la vanguardia en comparación con otros países; aún son muy utilizados métodos artesanales y medianamente especializados como flotadores y molinetes, algunos con baja precisión y poca eficiencia. La intervención antrópica en los ecosistemas y una inadecuada administración del recurso hídrico han ocasionado una disminución de las fuentes hídricas, problema que ha de abordar el futuro Gestor Ambiental y de los Servicios Públicos, donde la medición de caudales se torna una medida primordial de monitoreo y control, para la toma de decisiones y para poder preservar este recurso.

Sin embargo, los métodos de medición de caudal que se utilizan en las prácticas de hidrología y cuencas hidrográficas implican factores que dificultan el proceso como lo son el tiempo, ya que requiere una gran disponibilidad de este; la precisión, la cual se convierte en un punto crítico dependiendo del operario que realice la actividad; los riesgos ocupacionales que se puedan generar en el momento de la medición, haciendo que el procedimiento se torne largo y repetitivo.

Frente a esta problemática el laboratorio de Servicios Públicos de la FAMARENA adquiere el equipo (ADP M9) que tiene como principio de funcionamiento la tecnología de ultrasonido; sin embargo, el estudiante desconoce los protocolos necesarios para hacer uso adecuado del equipo. 2.2. Formulación del problema.

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14 3. JUSTIFICACIÓN

El tecnólogo en Gestión Ambiental y Servicios Públicos debe estar contextualizado en la actual era tecnológica, con el fin de que su formación académica influya inmediatamente en el campo laboral y pueda desarrollar estrategias que le permitan satisfacer necesidades básicas de la población actual y futura en materia medio ambiental y de Servicios Públicos. Es por ello que se hace necesario que el estudiante conozca, entienda y aplique la tecnología satelital, el principio del Efecto Doppler y el tipo de medición por ultrasonido, como una herramienta para estar actualizado consecutivamente en referencia al marco de medición de caudales en el mundo.

El equipo RiverSurveyor de Sontek (M9) permite dicha contextualización, haciendo al tecnólogo más competitivo y eficiente en el mercado laboral, logrando explorar nuevas tecnologías y ampliando sus conocimientos.

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15

4. MARCOS DE REFERENCIA

4.1. Marco teórico conceptual

4.1.1. Caudal.

Se define como caudal a la cantidad de un fluido (agua en este caso) que pasa por una sección transversal en un determinado tiempo y en dirección a la corriente. Se expresa en metros cúbicos (m3/s) o en litros por segundo (l/s) cuando se manejan pequeñas magnitudes. El caudal se ha convertido en la variable que se mide hoy en día con más frecuencia en la industria, independientemente del fluido a utilizar.

4.1.2. Medición de caudal.

Pertenece al campo de la hidrometría el cual permite calcular y analizar los datos obtenidos y destinarlos para tales propósitos como:

 Disponibilidad de agua que se cuenta en una fuente hídrica.

 Distribuir el agua a los usuarios de manera adecuada.

 Determinar la eficiencia de uso y manejo del agua.

 Entre otros campos de aplicación.

El método para calcular el caudal se puede expresar en dos fórmulas:

1.Volumen sobre tiempo 2.Velocidad-Área

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16

4.1.2.1.Parámetros para la medición de caudales.

A pesar de que todos los cuerpos hídricos son diferentes tienen parámetros en común que intervienen en la medición de un caudal. Dichos parámetros son:

 Profundidad (𝑑̅).

“Se refiere a la máxima profundidad del rio. Tiene en cuenta la pendiente transversal del fondo, de modo que es una relación entre el área transversal (A) y la anchura (w).”(Roldan Perez & Ramirez Restrepo, 2008, pág. 87).

 Longitud.

Se refiere a la distancia total del río desde el nacimiento hasta la desembocadura; por ello es llamada también longitud real.(Roldan Perez & Ramirez Restrepo, 2008, pág. 88).

 Anchura.

Medida transversal real del cauce entre orillas bien establecidas. Esto es fácil de determinar en ríos localizados en valles profundos, pero es menos evidente en llanuras donde los procesos de erosión cambian constantemente la forma del cauce.(Roldan Perez & Ramirez Restrepo, 2008, pág. 88).

 Área.

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17

 Volumen.

Es la cantidad de agua contenida en el cauce o un río. Se calcula sumando la cantidad de agua contenida en cada contorno o profundidad determinada del cauce. Puesto que el agua está en movimiento, el volumen de un río se expresa mejor como descarga, es decir, como volumen de agua que fluye por unidad de tiempo en litros o metros cúbicos por segundo.(Roldan Perez & Ramirez Restrepo, 2008, pág. 88).

4.1.2.2. Mecanismos de medición de caudales.

Los diferentes métodos que se utilizan para medir caudales se dividen de acuerdo con la ecuación de caudal empleada en donde se mide el volumen o la velocidad del fluido. Sin embargo existen otros mecanismos de medición que no se clasifican en estos grupos. A continuación se muestran algunos métodos empleados.

 Método por descarga directa.

Se tiene en cuenta la primera fórmula empleada donde la variable es el volumen en función del tiempo. La exactitud de los datos obtenidos dependerá del operario y será eficiente cuando el flujo de agua no presente perdidas, cuando los elementos usados tengan dimensiones precisas y el tiempo de medida sea muy exacto. Se clasifican en:

o Método Volumétrico

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18 Los elementos comúnmente utilizados son un

recipiente con medida en su interior y un dispositivo para medir el tiempo que tarda el recipiente en ser llenado.

Ilustración 1 Medición método directo. [Figura].

Autores

Ilustración 2 (Industrial, 2013). Método de placas de

orificio. [Figura]. Recuperado de: http://automatismo

industrial.es.tl/Placa-Orificio.html

o Método Vertederos:

Son dispositivos hidráulicos fijos o removibles, se utiliza en canales abiertos, el agua se ve obligada a pasar por un canal el cual tiene un rebosadero en el extremo, el líquido se rebosa provocando una diferencia de alturas en el canal entre la zona anterior del vertedero y su punto más bajo, determinando que el caudal se encuentra en función de la altura de manera directamente proporcional es decir a mayor altura mayor será el caudal.

Medición de caudal- Método Volumétrico

Método directo Método indirecto

Este método es el más sencillo, rápido, de alta precisión, dependiendo de quién realice la medición y solo sirve para pequeños caudales.

Presión Diferencial

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19 La siguiente ilustración muestra parte de su clasificación: según el ancho de la pared (gruesa y delgada) y su forma (triangular, rectangular, trapezoidal y lineal).

Ilustración 3(UNAD, 2013). Clasificación de tipo de vertederos. Lección 5. Muestreo de aforo y aforo de aguas

residuales [Figura]. Recuperado de: http://datateca.unad.edu.co/contenidos/301332/contLinea/leccin_5_mue

streo_y_aforo_de_aguas_residuales.html

Este tipo de canal tiene como ventajas una fácil construcción, bajo costo y un buen rango de precisión en líquidos con ausencia de sólidos. Como desventajas es necesario un cuidado especial cuando se represan líquidos con sólidos que infieren directamente en la calidad y precisión de la medida.(UNAD, 2013)

o Método canaleta

Son estructuras de gran aplicación en terrenos planos ya que funcionan a flujo libre con pérdidas de carga pequeñas. Son utilizadas con frecuencia Balloffet, Parshall y Garganta cortada.(Instituto de Hidrologia y Metereologia y Estudios Ambientales IDEAM, 2007, pág. 60). En la ilustración 4 se muestra en general las secciones de una canaleta (Sección de convergencia, sección de garganta y sección de divergencia).

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20 Ilustración 4 Partes de la Canal Parshall (UNAD, 2013). Lección 5. Muestreo y aforo de aguas residuales

[Figura]. Recuperado de: http://datateca.unad.edu.co/contenidos/301332/contLinea/leccin_5_muestre

Tabla 1 Tipos de canaleta

Método Canaleta Parshall Tipo Balloffet. Medidor sin cuello

(Cutthroat) Es un elemento primario de

flujo con una amplia gama de aplicaciones basado en un

En cuanto a las ventajas se encuentra que cuando fluido pasa por la garganta las partículas no se sedimentan y como desventaja es que su construcción debe ser rigorosa. (UNAD, 2013)

Su nombre se debe a su promotor Armando Balloffet; esta canaleta tiene paredes paralelas, un fondo plano y presenta un escurrimiento crítico en la garganta por lo cual los problemas de sedimentación representan una desventaja.

Esta estructura consiste en una sección de entrada, una de salida, la garganta y la placa de fondo; la sección de entrada está constituida por dos paredes verticales con una convergencia de 3:1; la sección de salida la conforman dos muros verticales divergentes 6:1. La unión de la sección de entrada y salida da como resultado la garganta. El fondo es totalmente horizontal. (Instituto de Hidrologia y Metereologia y Estudios Ambientales IDEAM, 2007, pág. 62)

 Método por Velocidad-Área

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21 sección transversal. La precisión dependerá del número de verticales que se tomen para medir el aforo, la profundidad, la velocidad, etc. (Klohn & Stanescu, 1970)Y los más utilizados son:

o Flotadores

Se realiza en un tramo recto del río sin meandros, destinando dos puntos (A-B) en donde se inserta un flotador (esfera que flote) y se toma el tiempo que tarda en recorrer desde el punto A hasta el punto B; deben realizarse varias mediciones y ser promediadas. Se halla la velocidad y posteriormente el área. El área se establece mediante la medición de las diferentes verticales del área transversal y la medición del ancho del cauce.

Ilustración 5 Medición por flotadores(Canyon Industries, 2004). Guide to Hydropower. [Figura]. Recuperado

de: http://www.canyonhydro.com/guide_sp/HydroGuide09_sp.html

o Molinetes o Correntómetro

El molinete es un instrumento usado para medir la velocidad en un punto específico del área de un cuerpo hídrico o canal abierto. Para obtener la velocidad media de un curso de agua se debe medir en más de tres punto a diversas profundidades a lo largo de una vertical.

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22 Tabla 2 Tipos de molinete

1. Molinete de Eje Vertical 2. Molinete de Eje Horizontal

Opera a velocidades más bajas que lo de eje

horizontal. Debido a la simetría axial con la dirección del

flujo, el rotor perturba el flujo menos que los de eje vertical.

Los cojinetes están bien protegidos contra el agua fangosa.

El rotor se puede reparar en campo sin afectar la

calibración. Por la forma del rotor es menos probable que

se enrede con los desechos que arrastra la corriente.

Utiliza un rotor único que sirve para toda la gama de velocidades.

Es conocido como el tipo Gurley. Conocido como molinete universal o tipo Ott.

Ilustración 6 (Civil, 2016)Molinete tipo Gurley.

Método del molinete hidrométrico. [Figura].

Recuperado de: http://www.cuevadelcivil.com

/2011/02/metodo-del-molinete-hidrometrico.html

Ilustración 7 (Civil, 2016). Molinete tipo Ott. Método

del molinete hidrométrico. [Figura]. Recuperado de:

http://www.cuevadelcivil.com/2011/02/metodo-del-molinete-hidrometrico.html

En ambos casos el método a realizar la medición será el mismo. Se perfila el río ubicando puntos estratégicos dependiendo del largo, ancho y profundo del mismo y se mide la velocidad o flujo de agua que está pasando por esa sección transversal o en los diferentes puntos.

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23 Ilustración 8(Roman, 2013) . Molinete. Hidrología Superficial 1: Medidas y tratamiento de los datos

[Figura]. Recuperado de: http://web.usal.es/~javisan/hidro

La imagen anterior explica el funcionamiento de un molinete que básicamente consiste en una serie de cazoletas que, impulsadas por la velocidad del agua, giran alrededor de un eje al cual transmiten un movimiento circular; un sistema eléctrico permite contar el número de revoluciones (n) por unidad de tiempo.(Saenz, 2002)

o Vortex

Se basa en el hecho de que una corriente debajo de un obstáculo forma vórtices en el fluido, la frecuencia de desprendimiento de los vórtices a cada lado del pilar es proporcional a la velocidad media de circulación del fluido y, por lo tanto, el caudal volumétrico. (Altendorf, 2005).

Ilustración 9 (Altendorf, 2005) Principio de medición de los caudalímetros Vortex. [Esquema]

d= Diámetro del cuerpo sólido, f= Frecuencia de desprendimiento de vórtices, v= Velocidad del fluido,

L=Distancia entre dos vórtices.

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24 distancia transversal (d) de separación de las dos hileras y la distancia longitudinal (L) de separación entre vórtices en una misma hilera.

o Sección variable

Es un instrumento relativamente simple y eficaz, el dispositivo consiste en un tubo vertical graduado hacia arriba en cuyo interior hay un flotador de vidrio o material suspendido. La fuerza que ejerce el fluido sobre el flotador depende de la densidad, viscosidad y la velocidad del fluido; cuanto mayor es la velocidad del caudal y por lo tanto la fuerza que desarrolla, más alto flotará el flotador en el interior del tubo graduado. (Altendorf, 2005).

Ilustración 10 (Altendorf, 2005) Principio de medición de los caudalímetros de sección variable. [Esquema].

 Otros.

o Ultrasónicos.

Abarca muchos modelos y tipos de caudalímetros “ultrasónicos”, este término únicamente indica que la velocidad del caudal se mide por medio de ultrasonidos; el caudal se mide por algunos de los siguientes métodos:

o El método por efecto Doppler:

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25 sonoras a medida que la distancia entre una fuente sonora y un receptor aumenta o disminuye. (Altendorf, 2005)

Es necesario que el fluido a medir presente partículas como burbujas que logren reflejar las ondas de sonido y se hace indispensable que el equipo tenga dos tipos de sensores, uno que envíe la onda con un ángulo definido (K) y una frecuencia determinada y otro que reciba la onda reflejada. Así se logra medir la velocidad en función de la posición de cada partícula y hacer un promedio ponderado para obtener los resultados de la medición. (Altendorf, 2005)

Ilustración 11 Medición de caudal, caudalímetros ultrasónicos Efecto Doppler. [Figura]. Autores.

De esta manera la velocidad del fluido se determina como la diferencia de las ondas (emitida, recibida) ∆𝑓 = 𝑓1 − 𝑓2; y se asume que la velocidad de las partículas es igual que la velocidad del fluido. Finalmente el caudal está dado por la siguiente expresión:

𝑄 = 𝐾 ∗ ∆𝑓

𝐷𝑜𝑛𝑑𝑒

∆𝑓: 𝑉𝑎𝑟𝑖𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑓𝑟𝑒𝑐𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑓1 − 𝑓2

𝐾: Constante. Ángulo de la onda enviada

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26 Tabla 3 Ventajas y desventajas de los caudalímetros ultrasónicos Efecto Doppler

VENTAJAS DESVENTAJAS

 No cuentan con partes móviles como los medidores con turbinas, lo que prolonga su vida útil hasta 5 veces más que el resto de caudalímetros.

 No son susceptibles a obstrucciones por partículas como sucede con los medidores de sonda.

 A diferencia de medidores electromagnéticos no son afectados por las corrientes parásitas.

 Pueden ser usados para la medición en tuberías con diámetros de 2” hasta 200”.

 La medición se desarrolla independientemente del tipo de fluido.

 La precisión llega hasta el 0.05%.

 El tiempo usado en el proceso de medición es mínimo.

 El cálculo de la velocidad es independiente de la presión, temperatura y viscosidad del fluido.

 A largo plazo representa menores costos de operación a diferencia de otros caudalímetros.

 Permite el almacenamiento de numerosos datos de punto de medición.

 En el momento de la medición de cuerpos hídricos existe una banda muerta en la cual las ondas no presentan un alcance que corresponde a los márgenes laterales y al fondo del cauce.

 El rango de medición de la profundidad presenta especificaciones mínimas y máximas, lo que representa que en cuerpos con una lámina de agua baja o muy alta

 Se requiere conocimientos especializados para la operación de la medición (software-hardware).

 Muchos de los medidores ultrasónicos usan baterías, siendo un factor limitante en campo.

o El método por tiempo de tránsito de señal:

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27 Ilustración 12(DNA Water, 2015). Flujo metro para canal abierto de ultrasonido. [Imagen]. Recuperado de:

http://www.dnk-water.com/es/producto/medicion-flujo/flujometros-ultrasonicos/canal-abierto-caudal-ecologico/raven-eye

o Electromagnéticos

El fluido conductor que circula por el interior del tubo de medición corresponde a la barra metálica del experimento de Faraday. Dos bobinas situadas a ambos lados del tubo de medición generan un campo magnético de intensidad constante. Dos electrodos en la parte interior de la tubería detectan la tensión inducida por el fluido en movimiento al circular en el seno del campo magnético. Esta tensión es directamente proporcional a la velocidad del fluido. Y el área es un parámetro conocido. (Altendorf, 2005)

o Aforo con trazadores o químicos.

Son utilizados para secciones de gran turbulencia y remolinos o zonas afectadas por grandes pérdidas de infiltración o fenómenos kársticos, terreno con altas pendientes, pocas profundidades, lechos inestables, secciones irregulares y donde no se puede aplicar métodos convencionales.

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28 dilución total, mediciones de conductividad eléctrica para detectar el paso de la nube y así calcular el caudal.(Instituto de Hidrologia y Metereologia y Estudios Ambientales IDEAM, 2007)

Las sustancias que más se utilizan en Colombia para realizar este tipo de aforos son la sal común (Cloruro de Sodio) ya que es la más económica en el mercado; Dicromato de Sodio debido a su alta solubilidad; Cloruro de Litio, Yoduro de sodio, Nitrado de Sodio y Sulfato de Manganeso. Elementos radiactivos también son utilizados en la industria, en Colombia no se han desarrollado.

A continuación se dan a conocer otro tipo de clasificaciones independiente de las dos fórmulas planteadas con anterioridad. (Ver ilustraciones 12 y 13)

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29 Ilustración 14 (Altendorf, 2005)Métodos empleados para la medición de caudales. [Esquemas]

4.1.3. EQUIPO RIVERSURVEYOR DE SONTEK (M9)

Es un sistema Perfilador Doppler Acústico (ADP) robusto, de alta precisión y programable específicamente diseñado para medir el caudal de los ríos, las corrientes de agua en tres (3) dimensiones, calados, y la batimetría de una embarcación en movimiento o parada.

El sistema RiverSurveyor combina la instrumentación de perfilador de velocidad acústico Doppler, probada y de vanguardia, con un paquete de software basado en Windows que puede utilizarse en un ordenador personal (PC). (SonTek/ YSI Inc., Febrero 2009)

4.1.3.1.Especificaciones técnicas del sistema

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30 Tabla 4 Especificaciones técnicas ADP M9

Medida de Velocidad

Rango (Distancia) 0.06 m a 40 m

Rango (Velocidad) ±20 m/s

Precisión ±0.2 cm/s

Resolución 0.001 m/s

Número de celdas Hasta 128

Tamaño de las celdas 0.02 m a 4 m

Configuración del transductor

Nueve (9)Transductores; 4 haces duales 3.0 MHz/1.0 MHz25° del eje vertical;

0.5 MHz haz vertical

temperatura T (Grados Centígrados) -10° a 70° C

Peso ADP M9 2.3 kg

4.1.3.2.Partes del sistema

 Módulo de Alimentación y Comunicaciones (PCM GPS Rover)

El PCM comunica y alimenta al ADP M9 conectándose directamente con este por un cable. Su función principal es la comunicación de la información obtenida por el M9 con el PC, mediante enlaces de radio.

(31)

31

 ADP M9

Sistema de 9 haces, dos juegos de cuatro haces perfiladores (cuatro transductores de 3.0-MHz y cuatro transductores de 1.0-3.0-MHz.) y un haz acústico vertical de 0,5-3.0-MHz con un rango de velocidad de perfilado de 0.2 a 30 m y un rango de medición de caudal de 80 m.

Ilustración 16 Partes del ADP M9. (2016). [Imagen]. Autores 1.Sensores de medición. (Ver Detalle 1), 2.

Cubierta de Derlin de 13 cm de diámetro, con registrador de 8 GB, 3. Conexión para cable de 8 Pines,

comunicación y alimentación, 4. Cabezal Removible de Latón.

Ilustración 17 Detalles de sensores ADP M9 (2015). [Imagen]. Autores, 1.Ecosondador de 0,5 MHz, 2.Sensosr

(32)

32

 Estación Base RTK

Está compuesto por un receptor interno GPS, una antena GPS externa y un trípode de soporte. Su función es recibir los datos cinemáticos de los satélites y proporcionar las correcciones en tiempo real y preciso. La Estación Base se ubica en una orilla fija del cuerpo hídrico con un alcance máximo de la comunicación es de cerca de 2 Km.(SonTek/ YSI Inc., Febrero 2009)

Ilustración 18 Estación base. (2016). [Imagen]. Autores

 Hydroboard

Es una estructura ligera diseñada para contener el sistema M9 y el PCM, facilitando su uso, tiene dos aletas para proporcionar estabilidad permitiendo al usuario comodidad y mayor alcance de medida.

Ilustración 19 Izquierda: (SonTek, 2014). Hydroboard. Sontek M9. [Imagen]. Derecha: Ensamble del

(33)

33

4.1.3.3. Principio de Funcionamiento.

El equipo RiverSurveyor de Sontek M9 utiliza la tecnología satelital y el Efecto Doppler como soporte para su óptimo funcionamiento. El ADP M9 censa y perfila el río o cuerpo hídrico enviando la celda en forma de diamante a cada partícula de agua correspondiente en la vertical del mismo, siendo el ADP M9 el emisor pero también un receptor de información.

Posteriormente se comunica con el satélite, donde se realiza la corrección de (±3 cm de precisión). Estos datos de medición e información corregida son recibidos a 10 Hz por la estación base.

La estación base envía nuevamente la información a 1 Hz a la embarcación no tripulada o al ADP M9 vía comunicaciones de espectro expandido; por otro lado el operario da la orden de medición y recibe los datos con el software especializado donde procede al análisis de estos.

(34)

34 4.2. Marco legal

En Colombia la normatividad para el manejo de los recursos naturales es una de las más amplias y completas, hablar de caudal implica relacionarlo inmediatamente con el componente natural, puesto que la medición de caudales es un parámetro fundamental para determinar la calidad del agua y preservar los recursos naturales; es por ello que se hace necesario integrar ambos términos con el fin de establecer un marco legal constituyente. (Parra Rodriguez, 2012)

Tabla 5 Normas legales

MEDICIÓN DE CAUDALES

NORMA OBJETIVO

Constitución Política de 1991

En el artículo 8 se menciona la intervención del Estado y de las personas sobre la protección de los recursos naturales renovables.

Decreto-Ley 2811 de 1974 (Código Nacional de Recursos Renovables)

Plantea como principio que tanto el Estado como los particulares deben participar en la preservación y el manejo de los recursos naturales.

GTC 30 (Guía Técnica Colombiana)

Pertenece a la gestión ambiental y la guía para el monitoreo de aguas.

NTC ISO 5667-6 (Norma Técnica Colombiana)

Referente a la calidad, es una guía para el muestreo de aguas de ríos y corriente.

NTC ISO 5667-11 (Norma Técnica Colombiana)

Establece las bases de procedimiento para realizar el monitoreo de aguas subterráneas y superficiales. NTC 10012 (Norma Técnica

Colombiana)

Define los parámetros y conceptos para la gestión de los procesos de medición y la instrumentación metrológica de los equipos de medición.

GTC (Guía Técnica Colombiana) 82

Define buenas prácticas de laboratorio que prestan servicios de muestreo y de análisis de aguas.

SIGUD (Sistema Integrado de Gestión)

Es el conjunto de acciones y herramientas que sirven para dar cumplimiento a los objetivos misionales, garantizar la satisfacción de las necesidades y expectativas de la comunidad universitaria y la sociedad en general, mediante la gestión de procesos, realizando un enfoque en la gestión de laboratorios.

USO DE TECNOLOGÍAS SATELITALES PARA LA MEDICIÓN DE CAUDALES ISO/TR 12765 de 1998

(35)

35 LEY 1341 DE 2009

Define principios y conceptos sobre la sociedad de la información y la organización de las Tecnologías de la Información y las Comunicaciones –TIC–, se crea la Agencia Nacional de Espectro (ANE).

ENTIDADES REGULATORIAS

IDEAM (Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales) MADS (Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible)

POMCA (Planes de Ordenación y Manejo de Cuencas) GIRH (Gestión Integral del Recurso Hídrico)

CRC (Comisión de Regulaciones de Comunicaciones) CCE Comisión Colombiana del Espacio

MINTIC (Ministerio de Tecnologías de la Información y Comunicaciones) ITU (Unión Internacional de Telecomunicaciones)

Coordina el conjunto de servicios de radio comunicaciones y se encarga de la gestión internacional del espectro de frecuencias radioeléctricas y las órbitas del satélite permitiendo utilizar servicios de navegación por satélite.(Juan & Diego, 2012)

Cantera Kintz J, 2009 dice que “Aun así la norma no ofrece claridad para la

medición de caudales, para establecer prioridades en la distribución, usos, ni deja claro en qué momento se asigna al ambiente un caudal especial que garantice su sostenibilidad.

Con este inconveniente, las autoridades ambientales tendrán la posibilidad de actuar con sus propias interpretaciones y decisiones, dejando en peligro la asignación del caudal

ambiental al árbitro de voluntades e intereses de cualquier índole.”

4.3. Marco geográfico

(36)

36 Ilustración 21 Ubicación de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas- Facultad de Medio Ambiente y

Recursos Naturales (2016). [Mapa Satelital]. Geoportal SIRE-IDIGER

En la FAMARENA se encuentra ubicado el laboratorio de Servicios Públicos donde se llevaron a cabo las pruebas necesarias para realizar este proyecto y en donde se localiza el equipo RiverSurveyor M9.

(37)

37

5. METODOLOGÍA DE INVESTIGACIÓN

5.1. Tipo de investigación

Para responder a la pregunta problema de este trabajo de grado fue necesario definir el tipo de investigación, el cual contiene elementos de la investigación descriptiva y cuasi experimental y propone describir de modo sistemático las características de una población, situación o área de interés, en este caso la medición de caudales de un cuerpo hídrico haciendo uso del RiverSurveyor M9 de Sontek en función de los estudiantes del proyecto curricular de Tecnología en Gestión Ambiental y Servicios Públicos o en la de cualquier estudiante que requiera realizar un proceso de investigación con este equipo o con el presente trabajo.

5.2. Diseño metodológico

Con el fin de entender y conocer la importancia de la medición de caudales fue necesario implementar un diseño metodológico de carácter teórico y práctico, donde las experiencias obtenidas dan lugar a los protocolos requeridos para el uso del equipo. Adicionalmente facilita las labores de docencia y enseñanza-aprendizaje en las prácticas de hidrología y cuencas.

Para fundamentar la parte teórica se consultaron fuentes de información secundaria y se abarcaron, desde los conceptos básicos de medición de caudal realizando un recuento de los métodos más simples hasta los más sofisticados a lo largo del tiempo, terminando en caudalímetros de tipo ultrasónico.

En cuanto el diseño metodológico práctico, se realizó una capacitación en campo para entender con mayor certeza el funcionamiento del equipo ADP M9 y cómo realizar el proceso de medición en un cuerpo hídrico de caudal medio.

(38)

38 experimentales en el laboratorio con el fin de recolectar la información adecuada para el desarrollo de una guía práctica para los estudiantes.

5.2.1. Fases de la investigación. El estudio se dividirá en cinco (5) fases:

Ilustración 23 Fases de la investigación. (2016). [Esquema].Autores

Este es un esquema general de las fases de la investigación. A continuación se detallan las actividades realizadas en cada una de las fases.

5.2.1.1.Fase Inicial de identificación instrumental.

En esta fase se realizó lo pertinente al reconocimiento del equipo RiverSurveyor M9, se conocieron las partes del equipo y la función de cada una de estas, se identificó el principio de funcionamiento, calibración y mantenimiento; para ello fue necesario el uso del manual básico del equipo, así como su traducción y la manipulación de este en el Laboratorio de Servicios Públicos; además se llevó a cabo una capacitación teórica otorgada por la empresa de SANAmbiente en el laboratorio de Servicios Públicos, donde se tocaron los temas ya mencionados.

F

Fase de sistematización y configuración de procedimientos

Fase del banco de pruebas.

Fase Final de consolidación

Manual de protocolos

(39)

39

5.2.1.2.Fase de reconocimiento operativo

En esta fase se utilizó la capacitación que otorga la empresa SANAmbiente Ltda. El equipo ADP M9 fue llevado al puente del Común en Chía; el objetivo principal fue realizar un proceso ilustrativo de una medición real en campo, para ello se aplicaron pruebas de medición del caudal del Río Bogotá en ese punto, complementando la fase anterior, se realizó el ensamblaje del equipo, el levantamiento de la estación base, calibración, operación del software, cuidados y mantenimiento, operación posteriores al uso, identificación de posibles dificultades y problemas que se pueden presentar durante el proceso de medición y así tener mayor claridad para la solución de estos. Posteriormente el equipo de trabajo se trasladó a las oficinas de la empresa con el fin de culminar la capacitación teórico-práctica del día; allí se explicaron los elementos y herramientas que ofrece el software, las funciones de estas, correcciones en los datos de medición, descargue de los archivos de la memoria del equipo y la aclaración de las inquietudes presentadas. Esta información obtenida fue utilizada para el desarrollo del Manual de Protocolos y la Guía Práctica.

5.2.1.3.Fase de sistematización y configuración de procedimientos

Una vez se realizaron todas las capacitaciones y se conoció en su totalidad el funcionamiento del equipo se recolectó toda la información; se realizó la metrología de cada una de las partes del equipo para diseñarlas en el programa AUTODESK INVENTOR, imágenes que se usaron en el Manual de Protocolos. Se definieron los protocolos para la sistematización y configuración de procedimientos en el manejo del equipo (estructuración del manual).

5.2.1.4. Fase del banco de pruebas.

(40)

40 Públicos. Se identificó el tipo de material pertinente que se adaptara a las necesidades y especificaciones para las pruebas, definir la estructura del banco de pruebas y elección de la bomba hidráulica.

Adicionalmente se realizaron siete (7) ejercicios diferentes en el banco, ajustando las válvulas con el fin de ofrecer variaciones en el caudal y de esta manera el estudiante pueda simular distintas situaciones cuasi experimentales; posteriormente se tabularon y se analizaron los datos obtenidos. Se verificaron fallas que pudiesen ocurrir durante este proceso y se brindaron opciones de ayuda para cada uno de los ejercicios.

5.2.1.5.Fase final de consolidación del Manual de Protocolos y la Guía Práctica.

(41)

41

6. RESULTADOS

Para implementar las metodologías planteadas anteriormente fue necesario realizar varias prácticas experimentales que permitieran un adecuado desarrollo del presente trabajo.

6.1. Trabajo de Campo

En primera instancia se realizó un trabajo de campo en el Puente del Común en Chía el día lunes 19 de octubre del año 2015.

6.1.1. Ubicación Geográfica

El desarrollo de este trabajo de campo se llevó a cabo en el río Bogotá en su cuenca alta, el principal cauce fluvial de la sabana de Bogotá, perteneciente al departamento de Cundinamarca. Específicamente la práctica se desarrolló debajo del monumento nacional “El Puente del Común”, ubicado en el municipio de Chía.

(42)

42 6.1.2. Levantamiento de la estación

Una vez se realizó el ensamblaje del equipo ADP M9 y una breve retroalimentación de la capacitación teórica se procedió al levantamiento de la estación. Para ello se usaron dos estacas ubicadas en las orillas del río y cuatro (4) cuerdas ubicadas de la siguiente manera:

Una transversal al río atada a cada estaca formando la línea de seguridad del equipo, dos sujetas a los anillos de seguridad del equipo (derecho e izquierdo) permitiendo movilizarlo longitudinalmente, y una última cuerda que une el equipo con la línea de seguridad.

Ilustración 25 Esquema final del montaje de la estación móvil. (2016). [Imagen]. Autores

6.1.3. Procedimiento de medición

Con la asesoría brindada por el personal de SANAmbiente se da inicio al proceso de medición con el software RiverSurveyor Live y posteriormente el RiverSurveyor Stationary Live, verificando el completo funcionamiento del equipo, la conexión GPS y satelital.

(43)

43 Con el fin de realizar una capacitación más completa cada integrante desarrolló el proceso de medición tanto en el software como en terreno. Se brindó solución a inquietudes y problemas generados durante la medición.

Ilustración 26 Evidencia fotográfica: Trabajo en Campo. (2016). [Fotografía]. Autores

6.1.4. Post-procesamiento

Una vez se recolectaron los datos, los participantes de la capacitación se dirigieron a las instalaciones de SANAmbiente para realizar el procesamiento de datos. En primera instancia se explicó el funcionamiento básico del software y las conexiones a realizar para descargar la

Levantamiento de la Estación

(44)

44 información obtenida en campo (toda esta información especificada en el Manual de Protocolos). Se conocieron las herramientas del software; las modificaciones que pueden realizarse como lo son datos erróneos ingresados en campo; las ventajas que este ofrece; la respectiva identificación de íconos, pestañas, barras, gráficos y, en general, el resumen de la medición.

6.1.5. Datos obtenidos durante el proceso de medición

Se obtuvieron cinco (5) mediciones diferentes correspondientes a cada uno de los ensayos realizados por cada participante de la capacitación y dirigidos a una medición más precisa y completa; una de las ventajas que ofrece el software corresponde a la obtención de datos de manera inmediata a través de cálculos internos, dando como resultado un ponderado del proceso de medición. Estas mediciones realizadas corresponden a muestras tomadas a lo largo del eje horizontal del río en sentido derecha a izquierda y viceversa.

6.1.5.1. Tabla y gráficos de los datos obtenidos de la medida de caudal

A continuación se dan a conocer tanto los resultados más significativos obtenidos durante el proceso de medición del río Bogotá como el promedio estadístico de estos, permitiendo un análisis completo de datos.

Tabla 6 Tabla de resultados de la medición de caudal- Campo

Número Del

Transecto Tiempo Distancia

(45)

45

Gráfico 1 Duracion de la medida-Campo. (2016). [Gráfica]. Autores

Según el promedio obtenido en la gráfica, se observa que los datos tienen distribución uniforme y tienden a una duración de 3 minutos más 49 segundos.

Gráfico 2 Anchura del río-Campo. (2016). [Gráfica]. Autores

Referente al ancho del río se evidenció que durante el transecto 3 y 5 el resultado obtenido fue de menor valor, lo que influyó directamente en los cálculos realizados internamente por el software y en las siguientes gráficas.

12:05:16 a. m.

Transecto 1 Transecto 2 Transecto 3 Transecto 4 Transecto 5

DURACIÓN DE LA MEDIDA

ANCHURA DEL RÍO

(46)

46

Gráfico 3 Área del río-Campo. (2016). [Gráfica]. Autores

Una vez se definió la distancia recorrida o anchura del río se resalta que la medición más cercana de área al promedio correspondió a transecto 2. Es por ello que se identificó como el transecto más característico.

Gráfico 4 Velocidad del río-Campo. (2016). [Gráfica]. Autores

El promedio de la velocidad da una muestra referente donde cada uno de los transectos es tomado de forma independiente y definido por las condiciones del cauce en cada instante.

21,51

ÁREA DEL RÍO

VELOCIDAD DEL RÍO

(47)

47

Gráfico 5 Caudal del río-Campo. (2016). [Gráfica]. Autores

Existe una correlación directa entre la gráfica de caudal y las gráficas evidenciadas con anterioridad, debido a los cálculos internos y ajustes inteligentes con los que cuenta el software, disminuyendo errores humanos y aumentando la exactitud. Adicionalmente la línea promedio y la regresión lineal muestran una recta semejante debido a la tendencia de los datos.

A continuación se muestran las gráficas de las variables más representativas de la práctica, para ello se escogió el transecto número dos (2) como el transecto más característico de acuerdo con los promedios obtenidos de todas las mediciones. El objetivo principal de la medición con el equipo RiverSurveyor M9 fue determinar el caudal de un cuerpo hídrico usando todas las variables posibles. Se enfatizó en el carácter batimétrico del río teniendo en cuenta el caudal y la profundidad, variables escogidas para el análisis.

5,09

CAUDAL DEL RÍO

(48)

48

Gráfico 6 Profundidad del río Bogotá (Cuenca alta). (2016). [Gráfica]. Autores

En esta gráfica se demostró que las medidas equidistantes de profundidad tomadas por el sensor ADP M9 corresponden al perfil batimétrico del río. Adicionalmente con ayuda del cálculo integral se logró hallar el área del cauce del río en el plano de medición.

Gráfico 7 Caudal del río Bogotá (Cuenca alta). (2016). [Gráfica]. Autores

Una vez determinada la gráfica del caudal del río se logra afirmar que guarda una estrecha relación respecto a la gráfica de profundidad en cuanto a forma, ya que el caudal es directamente proporcional al área, que como ya se mencionó, corresponde a la integral del perfil batimétrico.

0

0,05 0,48 0,94 1,58 1,93 2,18 2,49 2,76 0,31 1,56 2,25 3,03 3,99 4,68 5,33 5,97 6,57 7,3 7,99 8,7 9,46 _10,31 _11,27 _12,19 12,8

(49)

49 6.2. Diseño y construcción de un banco de pruebas para el laboratorio de Servicios Públicos.

6.2.1. Diseño del banco de pruebas

Con ayuda del software Autodesk Inventor se diseñó del banco de pruebas: se tomaron como punto de partida las limitaciones espaciales del Laboratorio de Servicios Públicos y las especificaciones técnicas del sensor.

Con el fin de cumplir el parámetro de profundidad de medida se definió una altura de 0,50 m presentando 0,30 m por encima del límite inferior del sensor.

El segundo parámetro correspondió al ancho del banco de pruebas de 0,40 m y se tuvo como referencia la limitación de espacio en el laboratorio.

Y como último parámetro se escogió una longitud de 1,25 m con el fin de proporcionar una medición semejante a un río con caudal bajo.

(50)

50 6.2.2. Construcción del banco de pruebas

Se evaluaron diferentes materiales que permitieran las condiciones óptimas para el banco de pruebas y definir la construcción en material galvanizado por ser resistente y liviano. Se abrieron 3 agujeros equidistantes a la longitud en las partes laterales del banco de pruebas, la succión con una altura de 0,15 m. y la descarga con una altura superior a 0,30 m.

Una estructura en PVC con una succión de ¾ pulgada y una salida de ½ pulgada, (para otorgar presiones ideales y menores pérdidas en el sistema), con válvulas de emergencia y regulación de caudal. Se necesitó una motobomba hidráulica que proporciona un caudal de 31 galones por minuto con 0.25 hp de fuerza y con conexión para voltaje de 110 ó 220.

(51)

51

Montaje del banco de pruebas

6.2.2. Montaje del banco de pruebas con la unidad satelital.

Se realizó el montaje del banco, la unidad satelital M9 y la bomba uniendo las universales de succión y descarga, áreas identificadas cada una en la parte inferior externa del banco de pruebas y se procedió al llenado de este hasta donde indica el nivel de la línea azul.

Ilustración 29 Evidencia fotográfica: Trabajo en Laboratorio. (2016). [Fotografía]. Autores.

6.2.1. Montaje del equipo

Se procedió a realizar el montaje del equipo en el soporte dinámico especialmente diseñado para esta estructura. Los pasos a seguir de este proceso se encuentran disponibles en la guía práctica anexo a este documento. (Ver anexo 2: “Guía Práctica del Laboratorio de Servicios

(52)

52

Ilustración 30 Evidencia fotográfica: Trabajo en Laboratorio. (2016). [Fotografía]. Autores

(53)

53 6.2.2. Pruebas realizadas

Se encendió la bomba y se inició el proceso de medición utilizando el software RiverSurveyor Continuo Live. Con el fin de verificar el correcto funcionamiento del equipo y los procedimientos necesarios para la estructuración de la guía práctica se realizaron siete (7) ejercicios descritos a continuación.

 Ejercicio 1: Las tres (3) válvulas abiertas.

 Ejercicio 2: Válvulas #1 y #2 abiertas y válvula #3 cerrada.

 Ejercicio 5: Válvula #3 abierta y válvulas #2 y #1 cerradas.

6.2.3. Datos obtenidos durante el proceso de medición en el laboratorio A continuación se relacionan los datos obtenidos durante los siete diferentes ejercicios.

6.2.3.1.Tabla y gráficos de resultados de la medida de caudal

Tabla 7 Tabla de resultados de la medición de caudal- Laboratorio de Servicios Públicos

Número Del

Transecto Tiempo Distancia

(54)

54

Gráfico 8 Duración de la medida-Laboratorio. (2016). [Gráfica]. Autores

Según el promedio obtenido en la gráfica, se logra observar que los datos tienen distribución uniforme y tienden a una duración de medida de 1 minuto más 28 segundos.

Gráfico 9 Anchura del río-Laboratorio. (2016). [Gráfica]. Autores

Referente al ancho del banco de pruebas se demostró que durante los ejercicios 2 y 7 el resultado obtenido supera el promedio puesto que en el ejercicio 2 hay dos (2) válvulas abiertas y en el ejercicio 7 hay dos (2) válvulas cerradas existiendo la correlación directa.

12:01:40 a. m.

Ejercicio 1 Ejercicio 2 Ejercicio 3 Ejercicio 4 Ejercicio 5 Ejercicio 6 Ejercicio 7

DURACIÓN DE LA MEDIDA

ANCHURA DEL RÍO-SIMULACIÓN (BANCO DE

PRUEBAS)

(55)

55

Gráfico 10 Área del río-Laboratorio. (2016). [Gráfica]. Autores

En esta ocasión el área mayor se presenta en el ejercicio 4 debido a que las válvulas 1 y 3 se encuentran cerradas y el flujo se concentra especialmente en el centro del banco de pruebas proporcionando una distribución anormal de flujo.

Gráfico 11 Velocidad del río-Laboratorio. (2016). [Gráfica]. Autores

Al estar abierta únicamente la válvula 2 se observó un flujo mayor debido al choque de la partícula de agua en la pared del banco de pruebas, aumentando la velocidad en la medición.

0,66 _0,61

ÁREA DEL RÍO-SIMULACIÓN (BANCO DE PRUEBAS)

Área Promedio

VELOCIDAD DEL RÍO-SIMULACIÓN (BANCO DE

PRUEBAS)

(56)

56

Gráfico 12 Caudal del río-Laboratorio. (2016). [Gráfica]. Autores

En cuanto al caudal del banco de pruebas existe una diferencia representativa entre los datos y el promedio obtenido, esto definido por la apertura y distribución del caudal en cada uno de los ejercicios planteados.

Se mostrará una sola representación gráfica para los siete ejercicios desarrollados en el laboratorio ya que estos se hicieron en el banco de pruebas, sin modificación alguna en la base de este y bajo las mismas condiciones.

Gráfico 13 Profundidad del río- Banco de pruebas (2016). [Gráfica]. Autores 0,02

(57)

57

 Ejercicio 1: Las tres (3) válvulas abiertas.

Gráfico 14Caudal del río- Banco de pruebas Ejercicio 1. (2016). [Gráfica]. Autores

 Ejercicio 2: Válvulas #1 y #2 abiertas y válvula #3 cerrada.

Gráfico 15Caudal del río- Banco de pruebas Ejercicio 2. (2016). [Gráfica]. Autores 0

0,12 0,26 0,45 0,69 0,93 1,15 1,29 1,46 0,55 0,63 0,72 0,95 1,09 1,23

C

DISTANCIA DE LA MEDIDA (m)

(58)

58

Gráfico 16 Caudal del río- Banco de pruebas Ejercicio 3. (2016). [Gráfica]. Autores

Gráfico 17 Caudal del río- Banco de pruebas Ejercicio 4. (2016). [Gráfica]. Autores 0

0,07 0,11 0,35 0,45 0,63 0,72 0,96 1,01 1,33 1,64

(59)

59

 Ejercicio 5: Válvula #3 abierta y válvulas #1 y #2 cerradas.

Gráfico 19 Caudal del río- Banco de pruebas Ejercicio 6. (2016). [Gráfica]. Autores 0

0,05 0,07 0,11 0,22 0,35 0,45 0,63 0,72 0,96 1,01 1,33 1,64

C

0,07 0,25 0,39 0,81 0,89 0,98 1,16 1,26 1,52

(60)

60

6.2.3.2. Tabla de cálculos obtenidos durante la práctica en el laboratorio.

A continuación se muestran los datos obtenidos durante los siete diferentes ejercicios planteados para la práctica realizada en el banco de pruebas.

Tabla 8 Tabla de cálculos obtenidos durante la práctica en el laboratorio.

(61)

61 Durante el análisis de datos fue necesario implementar un factor de corrección ya que se presentó una diferencia entre el caudal de entrada y el caudal reportado por el equipo RiverSurveyor de SonTek. Los factores de corrección para cada uno de los ejercicios propuestos fueron dados en su totalidad por el ingeniero Eduardo Ladino Peralta.

6.2.3.3.Análisis de datos obtenidos en el laboratorio.

Los datos obtenidos son coherentes y corresponden de manera apropiada a las condiciones dadas para cada ejercicio práctico. Por ejemplo:

En el Ejercicio Nº 1 visual y sensorialmente se determina una concentración de caudal en los costados laterales del banco de pruebas (gráfica 14) debido a la estructura de la tubería, permitiendo un recorrido lineal e imposibilitando una desviación por el punto 2.

El Ejercicio Nº 2 muestra un mayor flujo de caudal en la salida uno, debido a la presión dada por la bomba y al corto recorrido del fluido. Esto se puede justificar para el ejercicio Nº 4.

(62)

62

7. PRODUCTOS OBTENIDOS

Con esta metodología se dan a conocer dos (2) productos: primero el Manual de protocolos del equipo RiverSurveyor de Sontek M9, donde se brindó información clara, se detallaron todos y cada uno de los pasos a seguir desde el uso previo del equipo, pasando por ensamblaje, manejo del software, calibración hasta los lineamientos posteriores a su uso. Se emplearon ayudas visuales, en su mayoría imágenes de autoría propia, que facilitan su comprensión, con la intención de que cualquier persona que lo consulte obtenga los conocimientos necesarios para realizar un proceso de medición con ayuda del equipo, ofreciendo una capacidad interpretativa de datos reales y estadísticos, con la ventaja de crear soluciones ante situaciones reales que se presentan en el ámbito laboral como Gestor Ambiental y Servicios Públicos

Se procedió a verificar que las instrucciones consignadas en el Manual sean claras y completas; para ello, dos estudiantes del proyecto curricular, que no habían tenido interacción con el equipo, desarrollaron el ejercicio de ensamblarlo. Para ello tomaron alrededor de una hora y cinco minutos según cronómetro.

(63)

63

8. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS

Concluidos el proceso de medición de caudal del río Bogotá en la cuenca alta del río y el procesamiento de los datos obtenidos a través del software, se demostró que existe una concentración de flujo del caudal en la parte central del cauce, determinando un aumento en la velocidad de la partícula de agua en esta zona, así como una mayor área.

Según las especificaciones del equipo existe una limitante referente a la profundidad mínima de medición que corresponde a 0.40 m.; durante el ejercicio aplicado en el Puente del Común, y con los datos estadísticos registrados por el software, el equipo logró detectar medidas a profundidades menores que la ya mencionada, exactamente 0.28 m., demostrando así que este punto ciego no es un limitante y atribuye una mayor precisión en la medición de caudal y la obtención de datos.

Por otro lado debido a las condiciones geográficas de montaña existentes en la topografía colombiana, la nubosidad y la ubicación cercana a un puente, no permitió una corrección en la medición final de +/- 3 cm con ayuda del RTK GPS BASE, debido a que se requieren como mínimo 8 satélites para lograr la comunicación; sin embargo el equipo logró tomar la señal de 7 satélites. Con las condiciones óptimas esta corrección sería posible de establecer definiendo unas bases óptimas para el desarrollo de una práctica adecuada. Adicionalmente es necesario considerar la existencia de otras variables que inciden directamente en los resultados obtenidos como las condiciones meteorológicas, los niveles de contaminación del cuerpo hídrico, las características dinámicas del fluido y la operación del equipo.

(64)

64 de medición de caudal de una orilla a la otra no toma más de 5 min permitiendo ahorro en tiempo, costos operacionales, precisión de los datos, adquisición de la información y cálculos realizados respecto a tecnologías más comunes usadas en la actualidad por Colombia como lo es el molinete. En cuanto a los resultados obtenidos en la práctica de laboratorio fue necesario implementar un factor de corrección (K) en el caudal final de cada ejercicio propuesto, obteniendo 7 factores de corrección, debido a las especificaciones en el diseño del banco de pruebas se presentó una desviación entre el caudal de entrada al sistema y el caudal registrado por el equipo; dicho factor fue proporcionado por el director del proyecto de grado. Aunque la profundidad fue la adecuada, el ancho influyó negativamente en la medición del sensor por el ADP M9. Es necesario indicar que el ejercicio de práctica en el laboratorio es una experiencia la cual permite un pre reconocimiento del equipo antes de ser llevado a campo para así eliminar, corregir o prevenir equivocaciones que impidan un desarrollo adecuado en una práctica real.

Uno de los mayores desafíos durante el proceso de la guía práctica fue la construcción del banco de pruebas para lograr un acople de los elementos de transmisión satelital, el cual, aparte de ser un proceso lúdico, debía contener un acercamiento real a una medición en un cuerpo hídrico de bajo caudal, dando soluciones a cualquier dificultad o problema resultante. Al finalizar la práctica en el laboratorio y determinando los datos obtenidos se comprobó que el caudal se verá influenciado dependiendo de cada ejercicio a realizar.