Aforos

HIDROLOGIA I
Trabajo Práctico Nº : AFOROS DIRECTOS
1 INTRODUCCION
Aforar significa determinar el gasto que escurre a través de un curso natural o de un canal
artificial de agua1
.
Entre las diversas maneras de efectuar los aforos, existen dos procedimientos que interesan en
Hidrología: a) los denominados métodos directos, en los cuales se mide la velocidad del
escurrimiento y la sección mojada correspondiente y b) los denominados métodos indirectos,
donde la velocidad se estima mediante mediciones y reconocimientos de campo especiales;
con formulaciones matemáticas derivadas de la Hidráulica clásica, como son las ecuaciones de
Bernoulli y de Chezy-Manning. En este Trabajo Práctico analizaremos el caso de aforos
directos.
2 ELECCION DE LA SECCION DE AFORO
La sección del curso tiene una gran incidencia en la calidad del aforo. En algunos casos, se
encuentra preestablecida debido a alguna razón en particular. De lo contrario, para realizar su
elección deben tenerse en cuenta las siguientes consideraciones:
•
•
•
•
debe ser una sección de márgenes y fondo preferentemente estables (sin erosión ni
sedimentación significativa)
en lo posible no debe estar sujeta a desbordes; debe ser más bien estrecha y de
geometría contínua para evitar cambios bruscos en la ley H-Q.
debe tener preferentemente un control seccional o, dicho de otro modo, no debe estar
afectada por fenómenos producidos aguas abajo de la misma (remanso, mareas, etc.);
es decir, la relación entre alturas y caudales debe ser, de preferencia, biunívoca.
debe tener fácil acceso tanto durante estiajes como en crecidas.
En las secciones que reúnan estas condiciones, los aforos realizados para distintas situaciones
del escurrimiento servirán para hallar una relación entre las alturas (tirantes) y los caudales,
conocida como curva Característica de la Sección o Ley H-Q. (Gráfico Nro 1)
1
por extensión se aplica a cualquier otro fluído.
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3 INSTRUMENTAL DE MEDICION
El instrumental utilizado comúnmente en estos casos es el denominado velocímetro o molinete,
que básicamente consta de una hélice o de un rotor de cazoletas que gira al reaccionar ante el
movimiento del agua. Los instrumentos con rotor son de eje vertical -tipo Price- y los que
tienen hélice de eje horizontal -tipo Ott-(Gráfico Nro 2). Además los molinetes se diferencian
por la manera en que registran los giros del eje; los aparatos electricos envían una señal
eléctrica cada vez que se produce una determinada cantidad de giros, en cambio los
electrónicos registran cada vez que el eje completa una vuelta.
El procedimiento de medición consiste en posicionar el molinete en las ubicaciones
preestablecidas de cada vertical de la sección transversal elegida y tomar los tiempos en el
cual el instrumento emite un número fijo de señales (en los aparatos electrónicos se registra la
cantidad de vueltas por minuto), con lo que se obtiene la velocidad de giro de la hélice luego
se transforma a velocidad del escurrimiento mediante la ecuación de calibrado del mismo que
es una ecuación del tipo
V [m/seg] = C1 n [vueltas/seg] + C2
donde C1 y C2 son constantes que se determinan en el calibrado el aparato.
Existen dos sistemas de sujeción del molinete durante el proceso de medición. Generalmente
en cauces poco profundos, se utiliza una barra rígida con la ventaja de mantener la
verticalidad del conjunto, lo que facilita la medición de profundidades. El otro sistema,
aplicable a cursos más profundos, es mediante un cable, un torno y un lastre. Este último para
atenuar el efecto de arrastre del escurrimiento sobre el aparato.
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4 MEDICION DE VELOCIDADES
Debido a las variaciones de la velocidad del escurrimiento dentro de la sección elegida y a los
efectos de facilitar las operaciones en el campo, para la determinación del gasto necesitamos
dividir dicha sección en varias subsecciones. El criterio más generalizado para establecer el
ancho de cada subsección (o la cantidad de verticales donde medir velocidades), es considerar
dentro de cada subsección, como máximo, una variación del gasto del 10 % con respecto al
total.
Otro criterio es analizar las curvas isotáqueas de la sección (líneas de igual velocidad),
realizando mayor cantidad de mediciones en las zonas donde el gradiente de velocidades es
mayor.
Para utilizar este último criterio, en la practica se miden velocidades, en cada vertical, en la
mayor cantidad de puntos posible, luego se marcan esos puntos con sus velocidades sobre la
sección transversal y se trazan las líneas de igual velocidad. Por último se miden las areas
entre las isotáqueas y se las multiplica por la velocidad promedio entre las isotáqueas,
obteniéndose asi los caudales parciales. Sumando los mismos obtenemos el total. Se obtiene la
velocidad media con la expresión:
U = Q / A
siendo A la sección mojada total
Para utilizar el primer criterio, se pueden utilizar los siguientes métodos para evaluar la
velocidad media.
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a) Método de integración
Sobre una vertical se hace descender y ascender el aparato a una velocidad constante y se
toma el tiempo; dividiendo el número de vueltas total sobre el tiempo total se tiene el número
de vueltas por unidad de tiempo promedio en la vertical. Teóricamente lo que se hace es
integrar el diagrama de velocidades en la vertical. La dificultad de este método es la de
obtener una velocidad constante en la práctica.
b) Método de la velocidad a 0,6 de profundidad
Si suponemos que la distribución vertical de velocidades tiene una forma parabólica con eje
horizontal ubicado entre el pelo libre y una profundidad de 0,33h, la velocidad media se halla
entre 0,58h y 0,67h. La velocidad media en la vertical puede ser estimada, entonces, como la
tomada a una profundidad del 60 % del tirante (Gráfico Nro 3)
U1 = V0,6h
c) Método de los dos puntos
Con la hipótesis asumida en el método anterior tambien se puede demostrar que la velocidad
media en la vertical es muy bien estimada con el promedio de las velocidades tomadas a una
profundidad de 0,2 y 0,8 del tirante. Este resultado tambien está avalado por experiencias de
campo y es de mejor calidad que el anterior.
U2 = ( V0,2h + V0,8h ) /2
d) Método de los tres puntos
Este método puede considerarse como una combinación de los dos anteriores. Se miden las
velocidades en tres profundidades: 0,2; 0,6 y 0,8 del tirante y luego se promedian. Se lo
puede hacer como promedio simple o como un promedio de los dos métodos, es decir,
U = ( V0,2h + V0,6h + V0,8h ) / 3
U = (U1 + U2 ) / 2
e) Método de la velocidad a 0,2 de profundidad
Para aplicar este método es necesario tener una serie de valores aforados con la velocidad a
0,2h y habiendo encontrado una relación entre los caudales calculados con la velocidad a 0,2h
y los caudales calculados con el segundo o tercer método.
Tambien se puede determinar en base a la relación entre la velocidad media (U) la velocidad a
0,2h (V0,2h). Esto nos permite medir sólo las velocidades a 0,2h, con lo cual se consigue un
ahorro importante de tiempo, aunque con una cierta pérdida de precisión.
f) Método de la velocidad a profundidad constante
Consiste en fijar una determinada profundidad y medir las velocidades en cada vertical a esa
profundidad. Es mucho más impreciso que el descripto en el punto a) aunque en
circunstancias especiales puede resultar indicado.
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5 CALCULO DEL GASTO
Existen varias maneras de determinar el gasto en función de los datos obtenidos en campaña.
Una de ellas consiste en tomar las subsecciones de forma que la vertical en que se midió la
velocidad quede centrada o sea que se promedian las distancias entre verticales (Gráfico Nro
3). El gasto queda expresado como
Q1 = Ui hi ( wi + wi+1 ) / 2
Otra manera consiste en promediar la velocidad y profundidad en dos verticales sucesivas, de
modo que:
Q2 = wi+1 ( Ui + Ui+1 ) ( hi + hi+1 ) / 4
Tambien se puede proceder, calculando
Q3 = wi+1 ( hi Ui + hi+1 Ui+1 ) / 2
La opción por alguna de ellas se efectúa por razones de modalidad de trabajo, ya que no está
demostrada la superioridad e ninguna de ellas.
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6 METODOS PARA AFORAR
Entre los métodos corrientes de aforo, se encuentran:
6.1 Aforos por vadeo
Obviamente, puede realizarse sólo en cauces poco profundos. Se marca la sección transversal
elegida mediante el tendido de un cable para guiar al aforador. Este se introduce en el cauce
con botas largas. Ubicando la barra del molinete sobre la línea del cable en coincidencia con
las verticales elegidas y posicionándose aguas abajo del mismo mirando hacia una orilla para
disminuir las perturbaciones del flujo y determina las velocidades en las distintas
profundidades.
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6.2 Aforo desde un bote
Es de aplicación en los cursos que no se pueden vadear. Un cable tendido sobre la sección
elegida sirve para guiar al bote y asegurar su permanencia en cada vertical de medición; el
molinete se hace descender por la proa del mismo, orientada hacia aguas arriba, mediante un
cable, accionado por un torno.
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6.3 Aforo desde puentes
Este tipo de aforos es utilizado por lo común debido a la facilidad de aplicación del mismo, en
especial, en crecidas con desbordes.
Consiste en hacer descender el velocímetro mediante un cable accionado por un torno para
determinar las velocidades en los puntos elegidos. El efecto del aire y de la corriente sobre el
cable induce a dos errores en la medición de la profundidad. Existen fórmulas y tablas
empíricas, que permiten corregir el error en la determinación del tirante; aunque esto no
soluciona completamente el problema de evaluar las profundidades parciales a las cuales se ha
de colocar el velocímetro.
A pesar de la gran ventaja que significa tener resuelto el problema del acceso y del apoyo para
efectuar el aforo, este método tiene tambien desventajas como son: la perturbación
introducida por la contracción lateral, las eventuales pilas y los estribos, la imposibilidad de
elegir la sección transversal (lo que puede situarnos sobre secciones ubicadas en curvas,
secciones inestables frente al arrastre de material, etc.).
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6.4 Aforos desde cablecarriles
Presenta una ventaja sobre el resto de los métodos, pues la perturbación sobre el
escurrimiento es mínima. Para practicarlo se construyen dos torres en las orillas del curso, las
cuales sostienen un cable aéreo, sobre el cual se desliza un carro en el que se autotraslada el
aforador con su equipo y desde donde desciende el molinete para efectuar las mediciones.
Tambien existe la posibilidad de que el aparato sea dirigido desde la orilla mediante tornos y
equipos especiales. Esto evita el riesgo que corre el aforador en las grandes crecidas. Este
sistema es utilizado en estaciones permanentes pues su instalación demanda un costo elevado.
Tiene el inconveniente de que es difícil o imposible medir los ángulos verticales y horizontales
producidos, aunque esto se puede evitar en parte o totalmente si se dispone de un tramo de
río recto y se puede lastrar convenientemente el equipo de medida.
Bibliografía:
1. “Los estudios hidrológicos en los EEUU de Norteamérica”, M.Felix Langmann; MOP; 1951.
2. “General Procedure for Gaging Streams”, Carter R.W. Davidian J., Techniques of Water
Resources Investigation of the United States Geological Survey, book 3, Chapter AG, U.S.
Geological Survey, Washington, 1968.
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