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Universidad Andina Néstor Cáceres Velásquez
1. INTRODUCCIÓN
En la distribución del agua, la Hidrometría tiene como objetivo principal, medir y
registrar los caudales de agua que son captados, derivados y distribuidos a los
usuarios, como ejemplo examinaremos a fondo el “Medidor Parshall”.
En este trabajo se presentaran las orientaciones técnicas, que se deben conocer
del Medidor Parshall o aforador, de tal manera que podamos medir los caudales de
agua captados y entregados, que se obtienen por medio de estructuras hidráulicas y
equipos hidrométricos debidamente diseñados.
La precisión de la medición del agua, garantiza una mejor eficiencia en la
distribución y como consecuencia mejora la recaudación de la tarifa.
Para un mejor entendimiento del tema, se exponen a continuación algunos
conceptos y términos utilizados a lo alargo del documento, como son los conceptos
de la gestión de riego y aquellos relacionados a la medición de caudales.
Hidráulica de canales y tuberías
Universidad Andina Néstor Cáceres Velásquez
2. OBJETIVOS
Aprender los métodos más usuales de medida de caudal en canales abiertos, así
como ciertos fenómenos como el resalto hidráulico.
Determinar el funcionamiento adecuado para un Medidor Parshall.
Determinar el caudal que pasa por la canaleta con el Medidor de Parshall.
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3. MARCO TEÓRICO
3.1. GENERALIDADES
En la explotación de un sistema de riego es importante poder medir con
exactitud el caudal en las derivaciones y en la toma del canal de modo que el agua
disponible pueda suministrarse a las zonas que verdaderamente la necesitan y evitar
su distribución incorrecta. La mayoría de las obras de medición o de regulación de
caudales constan de un tramo convergente, en donde el agua, que llega en régimen
subcritico, se acelera y conduce hacia una contracción o garganta, en la que alcanza
una velocidad supercrítica, a partir de la cual esta velocidad se va reduciendo
gradualmente, hasta llegar, de nuevo, a un régimen subcritico, en el que se recupera
la energía potencial.
Aguas arriba de la obra existe un canal de aproximación, que es necesario
para que se produzca un régimen laminar, de modo que la superficie del agua se
mantenga estable y poder medir su altura con exactitud. Aguas abajo del medidor
hay un canal de cola, que es de capital importancia para el diseño de la obra, debido a
que la gama de niveles de agua en el mismo, que resultan de variar los caudales, será
la que determine la altura del resalto en el estrangulamiento, con respecto a la cota de
la solera de éste canal de cola. Algunas obras de medición comúnmente aceptadas
eliminan o prescinden de uno o más de estos elementos y, en consecuencia, la
función de la parte suprimida no se realiza, quedando reducidas por ello sus
posibilidades de aplicación.
Esta predicción teórica es importante no só1o para diseñar obras que
cumplen ciertas condiciones específicas sino también para determinar la
aceptabilidad de los errores de construcción y las modificaciones en su ejecución.
Las gargantas muy cortas (o inexistentes) producen flujos tridimensionales, para los
que no se conoce ninguna teoría, y esto limita la posibilidad de predecir su
comportamiento hidráulico.
Para un mejor entendimiento del tema, se exponen a continuación algunos
conceptos y términos utilizados a lo alargo del documento.
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3.2. CONCEPTOS Y DEFINICIONES
La Hidrometría
Se encarga de medir, registrar, calcular y analizar los volúmenes de
agua que circulan en una sección transversal de un río, canal o tubería en la
unidad de tiempo.
Para los fines del presente manual, la hidrometría tiene como
propósitos medir el agua, planear, ejecutar y procesar la información que se
registra en el sistema de riego; a través del cual se puede:
a) Conocer el volumen de agua disponible en la fuente (hidrometría a nivel de
fuente natural)
b) Conocer el grado de eficiencia de la distribución (hidrometría de
operación)
Sistema Hidrométrico.
Es el conjunto de actividades y procedimientos que permiten conocer los
caudales de agua que circulan en los cauces de los ríos y canales de un sistema de
riego, con el fin de registrar, procesar y programar la distribución del agua.
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GRAFICO N° 1: Sistema hidrométrico tiene como soporte físico la red hidrométrica.
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Red Hidrométrica.
Es el conjunto de puntos de control ubicados estratégicamente en el
sistema de riego.
Puntos de Control.
Son los lugares donde se registran los caudales de agua que circulan
por una sección hidráulica que pueden ser: estaciones hidrométricas,
estructuras hidráulicas, compuertas, caídas, vertederos, medidores Parshall,
RBC, ASC (Aforador Sin Cuello), miras, etc.
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GRAFICO N° 2: Canaleta Parshall.
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CANAL DE PARSHALL
Llamado así por el nombre del ingeniero de regadío estadounidense
que lo concibió, se describe técnicamente como un canal Venturi o de onda
estacionaria o de un aforador de profundidad crítica. Sus principales ventajas
son que sólo existe una pequeña pérdida de carga a través del aforador, que
deja pasar fácilmente sedimentos o desechos, que no necesita condiciones
especiales de acceso o una poza de amortiguación y que tampoco necesita
correcciones para una sumersión de hasta el 70%.En consecuencia, es
adecuado para la medición del caudal en los canales de riego o en las
corrientes naturales con una pendiente suave.
La canaleta Parshall está constituida por tres partes fundamentales que
son: la entrada, la garganta y la salida.
La entrada está formada por dos paredes verticales simétricas y
convergentes, el fondo es inclinado con pendiente ascendente (4:1).
La garganta está formada por dos paredes verticales paralelas, el fondo es
inclinado con una pendiente descendente (2,67:1). La distancia de la sección
de la garganta determina el tamaño del medidor y se designa por w.
La salida está formada por dos paredes verticales divergentes y el fondo es
ligeramente inclinado con una pendiente ascendente de (17,9:1) En la
canaleta Parshall se pueden presentar dos tipos de flujo. Un flujo a descarga
libre para lo cual es solo necesario medir la carga Ha para determinar el
caudal, un flujo en que se presenta la sumersión o ahogamiento para el cual se
toman las cargas Ha y Hb.
La canaleta Parshall es un elemento primario de flujo con una amplia
gama de aplicaciones para medir el flujo en canales abiertos. Puede ser usado
para medir el flujo en ríos, canales de irrigación y de desagüe, salidas de
alcantarillas, aguas residuales, vertidos de fábricas, etc. La medida del flujo
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está basada en la asunción de que el flujo critico se produce estrechando la
anchura de la garganta de la canaleta y levantando la base.
El aforador Parshall es una estructura hidráulica que permite medirla
cantidad de agua que pasa por una sección de un canal. Consta de cuatro
partes principales: Transición de entrada, Sección convergente, Garganta y
Sección divergente.
En la transición de entrada, el piso se eleva sobre el fondo original del
canal, con una pendiente suave y las paredes se van cerrando, va sea en línea
recta o circular. En la sección convergente, el fondo es horizontal y el ancho
va disminuyendo. En la garganta el pico vuelve a bajar para terminar con otra
pendiente ascendente en la sección divergente.
En cualquier parte del aforador, desde el inicio de la transición de
entrada hasta la salida, el aforador tiene una sección rectangular. Junto a la
estructura del aforador se tienen dos pozos laterales o tanques con la misma
profundidad, o mayor, que la parte más baja del aforador. El agua que escurre
por el aforador pasa a estos tanques por medio de unas perforaciones
colocadas en la pared de la sección convergente y en la garganta.
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GRAFICO N° 3: Medidor Parshall
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a) VENTAJAS Y DESVENTAJAS
Sus ventajas
o Baja inversión
o Más resistente que cualquier metal
o Dimensiones estables
o Es una canaleta prefabricada, se tiene seguridad en sus dimensiones,
moldeada en una sola pieza.
o Construcción resistente
o Resistente a la corrosión
o Su fabricación en fibra de vidrio, permite soportar el ataque químico
de líquidos corrosivos
o Fácil instalación
o Superficie lisa
o Durable
o Más exacta que el concreto
o Opcionalmente se suministra una regleta, la cual se localiza dentro del
canal para una indicación rápida del flujo
o Selección del tamaño de garganta apropiado
Sus principales desventajas son:
o Su costo es mayor en comparación con los vertederos.
o Requieren de fundaciones sólidas e impermeables
o Requieren de mucha precisión en su fabricación para un desempeño
satisfactorio.
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b) CLASIFICACION
Los aforadores Parshall se construyen de muy diversos tamaños y se
clasifican según sea la anchura en la sección de garganta.
El Parshall más pequeño tiene una anchura de garganta de 1 pulgada
(25,4mm) y el más grande de 50 pies (15.250 mm.).En la ecuación:
Donde:
K= Coeficiente que depende del ancho de la garganta
U= Coeficiente que varia entre1.522 y 1.60
Ha= Altura piezométrica en la sección de control A
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Q= K Ha u
TABLA N° 1: Clasificación
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c) REQUISITOS GENERALES
Para asegurar mayor precisión posible durante la utilización de un
canal aforador Parshall, es necesario tener en cuenta las siguientes
consideraciones. La entrada del canal debe estar limpia, lisa y en ángulos
rectos. Debe presentar antes del canal aforador una sección recta igual por lo
menos a 10 veces el ancho del canal. Para la salida el único requisito consiste
en que el agua debe ser capaz de circular libremente a partir del canal.
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GRAFICO N° 4: Canaleta Parshall
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d) TIPOS DE MEDIDORES
1. Descarga Libre
En este tipo de medidor la descarga es libre como en los vertederos, y
la medición siempre debe efectuarse en la sección a 2/3 del inicio del
estrangulamiento.
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GRAFICO N° 5: Canaleta Parshall Libre
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2. Ahogado
En este medidor, el nivel del líquido aguas abajo tiene influencia sobre
el flujo en el medidor, según se puede observar en el siguiente gráfico.
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GRAFICO N° 6: Canaleta Parshall Ahogada
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e) DIMENSIONES DE LOS MEDIDORES PARSHALL
Se le utiliza normalmente con la doble finalidad de medir el caudal
afluente y realizar la mezcla rápida. Generalmente trabaja con descarga libre.
La corriente líquida pasa de una condición supercrítica a una subcrítica,
originando el resalto. Fue ideada en 1927 por R.L. Parshall y patentada en
varios tamaños con las dimensiones indicadas en la tabla 2.La secuencia de
cálculo incluye alteraciones debida a las variaciones en la sección (0) de
medición.
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GRAFICO N° 7: Dimensionamiento Canaleta Parshall
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Ecuación de dimensionamiento:
La altura de agua en la sección de medición puede ser calculada por la
ecuación
Los valores de (k) y (m) se pueden obtener de la siguiente tabla:
La velocidad en la sección de medición es calculada mediante la relación:
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TABLA N° 2: Valores de K y M
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Corrección para Q
Las siguientes figuras dan las correcciones, Qe para los aforadores de 1 plg
hasta < >1 pie. La corrección de < >1 pie de garganta se aplica a los de hasta 8 pies
de garganta, multiplicando el Qe por los siguientes factores:
Como ejemplo, supongamos que tenemos un aforador con una garganta de2
pies; Ha=50cm y Hb = 40 cm. ¿Cuál sería el caudal bajo estas condiciones?
Que es mayor que el límite de 0.7 para este tamaño de aforador, y hay que
hacer la corrección para sumergencia:
De la figura Qe, para 80% de sumergencia y Ha = 0.5 es 0.024.Multiplicado
este por el factor de 1.8 para aforador de 2 pies nos da:
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TABLA N° 3: Factores de
corrección por sumergencia
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GRAFICO N° 8: Dimensiones del Medidor Parshall
TABLA N° 4: Dimensiones estandarizadas del Medidor Parshall
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Por relaciones geométricas:
D1= 2/3 (D-W) + W
Siendo: D, N y W dimensiones de la canaleta dada en la Tabla anterior, Se puede considerar
que toda la energía disipada en la canaleta Parshall se da entre la salida de la garganta
(sección 2) y la sección de salita de la canaleta(sección 3), y que en este volumen la mezcla
es prácticamente completa. Bajo condiciones de flujo de descarga libre, la pérdida de carga
puede ser calculada por:
hf = Ho + K – h3
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TABLA N° 5: Ejemplo de comprobación de las condiciones de mezcla de una canaleta Parshall
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f) MEDICIÓN EN EL CAMPO
Las lecturas de carga en el vertedero, en el Parshall o en el canal, deben
realizarse preferentemente utilizando un pozo de tranquilización conforme se
muestra en la siguiente figura. Para una buena precisión es fundamental quela
nivelación del cero de la escala fija en el pozo se realice de forma tal que coincida
exactamente con la altura de la superficie del agua que caracteriza una carga nula
(H=0).
La prueba en campo consiste en medir diez caudales por medio del tubo pitot,
para cada uno de los cuales de mide una carga H en el medidor considerado.
Evidentemente, para que se pueda utilizar el tubo pitot en una prueba de este tipo es
necesario que, en serie con el medidor (canal,parshall o vertedero), exista una tubería
bajo presión en la cual se pueda instalar el pitot. En caso que no exista esta tubería,
también se pueden medir caudales utilizando molinetes, procesos químicos,
radioactivos, etc. Los diez caudales deben estar distribuidos uniformemente. La
variación de caudales se consigue operando alguna válvula existente en el circuito
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GRAFICO N° 9: Medidor Parshall en el Campo
GRAFICO N° 10: Medidor Parshall Vista 3D
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g) ELABORACION DE LOS CANALES DE AFORO PARSHALL
Para fabricarlos canales de
aforo Parshall se han utilizado muy
diversos materiales. Se pueden
prefabricar a partir de láminas de
metal o madera o se pueden
construir sobre el terreno con
ladrillo y argamasa utilizando un
armazón de metal prefabricado para
garantizar mediciones exactas.
Si hacen falta varios aforadores, se pueden moldear en hormigón empleando
tableros reutilizables. Se pueden tomar medidas eventuales de la profundidad del
caudal a partir de un puesto de aforo establecido en el muro del canal o, si se
requieren registros constantes, es posible instalaren una poza de amortiguación
colocada en una situación específica un registrador de flotante.
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GRAFICO N° 11: Medidor Parshall Vista 3D
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h) CARACTERISTICAS DE UN MODELO “MEDIDOR PARSHALL”
El canal de entrada debe ser recto y uniforme.
Punto Caudal: Punto de Medición del Caudal.
Medición de la garganta de una canaleta Parshall.
La profundidad de agua debe medirse en el punto "2/3A".
La canaleta debe estar nivelada, y sus paredes laterales deben ser verticales y lisa.
Por lo general, el aforador debe ser instalado cerca al punto de diversión o cerca de la
compuerta de control. Debe estar en un tramo recto del canal a una distancia de la
compuerta donde no hay turbulencia. Después es necesario escoger el ancho de la
garganta y establecer la elevación indicada para la cresta.
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GRAFICO N° 12: Planta de un Medidor Parshall
GRAFICO N° 13: Vista lateral de un Medidor Parshall
GRAFICO N° 14: Vista 3D de un Medidor Parshall
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3.3. CONCLUSIONES
El aforador Parshall es un aparato que se basa en la pérdida de altura del nivel
del agua producida por el paso forzado de una corriente a través de un
estrechamiento inclinado. La entrada, de paredes convergentes, y la salida, de
paredes divergentes, están separadas por una garganta de paredes paralelas y
con el piso inclinado. Se usan aforadores de tamaños escalonados para medir
diferentes caudales de agua. Los de mayor tamaño son fijos y construidos con
obra de albañilería, mientras que los más pequeños son movibles y se
construyen de chapa metálica.
La medición del caudal se obtiene mediante tablas y ábacos específicos para
cada tipo de aforador. Con este procedimiento se obtienen mediciones muy
precisas, aún cuando el aforador trabaje con inmersión casi completa.
Las principales ventajas de un aforador de Parshall son que sólo existe una
pequeña pérdida de carga a través del aforador, que deja pasar fácilmente
sedimentos o desechos, que no necesita condiciones especiales de acceso o
una poza de amortiguación y que tampoco necesita correcciones para una
sumersión de hasta el 70%. En consecuencia, es adecuado para la medición
del caudal en los canales de riego o en las corrientes naturales con una
pendiente suave.
Las desventajas que posee este tipo de medidor son: que son más caros
debido a la fabricación requerida y La fabricación e instalación debe
realizarse con precisión para que funcionen como se debe.
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3.4. BIBLIOGRAFPÍA
ocwus.us.es/ingenieria-agroforestal/hidraulica-yriegos/temario/Tema%204.../
page_10.htm/skinless_view
www.cepis.ops-oms.org/bvsacd/scan2/011643/011643-05.pdf
www.fao.org/docrep/T0848S/t0848s06.htm
www.icpa.org.ar/files/estirriIH1.doc
www.cepis.ops-oms.org/bvsacd/scan/027757/027757-03b.pdf
www.virtual.unal.edu.co/cursos/sedes/palmira/5000117/contenido/cap5/lec5_5.htm
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