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CAPITULO 1

ASPECTOS GENERALES

1.1 INTRODUCCION

La cordillera del Tunari es la principal fuente de agua para casi todo el Valle Central de Cochabamba, y en esta se vinieron desarrollando varios sistemas de riego desde la época de la colonia.

Los sistemas de riego campesino de nuestra región utilizan con frecuencia varias fuentes de agua (ríos, lagunas, pozos) y/o tipos de agua (mit’a, aguas comunes, riadas, etc.) para regar sus tierras. Estas fuentes dan lugar a complejos sistemas de riego, originando la sobreposición de aguas cuya distribución no es fácil de comprender. En la zona de El Paso, existen 9 lagunas que funcionan agrupadas en seis sistemas relativamente independientes utilizando una sola infraestructura de riego con sus propias derechos de agua y normas de operación.

Hoy en día la distribución del agua en los canales de riego del valle central es una tarea dirigida por los Jueces de agua quienes a simple vista (apreciación o tanteo) de la profundidad de agua, realizan la repartición sin conocer de forma precisa de medir la cantidad de agua que pasa por los puntos de distribución.

La infraestructura de riego de nuestra región, por lo general no posee medidores de caudal, que puedan servir a los usuarios en el control y la distribución clara y equitativa del agua.

Un aforador o medidor de caudal puede resolver la incertidumbre de saber cuanta agua ingresa a un canal determinado. Existe una gran variedad de aforadores capaces de medir caudales con buena precisión, de bajo costo, de uso simple y construcción sencilla. Encontrar el aforador más hábil y versátil que responda a las exigencias y necesidades de los usuarios es la tarea más importante trazada en la presente investigación.

1.2 ANTECEDENTES

Como el tema de la presente investigación lo menciona, la zona de estudio es El Paso y sus sistemas de riego que actualmente existen.

A continuación se describen las características físicas, las fuentes de agua y los sistemas de riego correspondientes a la zona mencionada.

1.2.1 Descr ipción del área de estudio

La descripción del área de estudio comprende los siguientes puntos: Ubicación, características geográficas y su sistema de riego actual.

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1.2.1.1 Ubicación del área de estudio

El paso se ubica en el sector Nor Oeste (N-O) del valle central, enmarcada dentro de la provincia Quillacollo (Cantón El Paso), del Departamento de Cochabamba. El área de estudio limita al Norte con la cordillera del Tunari (cota 2900 msnm), al Oeste con la zona de Bella Vista, al Sur con la carretera Cochabamba –Quillacollo y Colcapirhua y al Este con la 3ra sección Tiquipaya, así como lo muestra la Figura N°1.1.

La zona en estudio se encuentra dentro del área de influencia del proyecto Misicuni, y además corresponde al área de protección de recursos hídricos subterráneos.

1.2.1.2 Caracter ísticas geográficas

La zona geográficamente se halla situada entre las coordenadas 17° 18’ a 17° 22’ de latitud Sur y 66° 14’ a 66° 18’ de longitud Oeste. Su altitud varía entre 2560 msnm y 2900 msnm. El área cubre una superficie bruta aproximada de 900 ha.

1.2.2 Sistema de r iego actual

Las comunidades de El Paso, tienen acceso a diferentes fuentes de agua entre las cuales se pueden mencionar: el caudal básico de río, las aguas subterráneas y las aguas de embalse.

El uso de agua ha originado un complejo sistema de riego tradicional en el cual coexisten diversos sistemas sobrepuestos que obtienen agua de diferentes fuentes que riegan a su vez zonas o áreas diferentes.

Se han identificado dos grandes sistemas de acuerdo a las fuentes de agua:

a) Sistema de Aguas del Río

b) Sistema de Lagunas

1.2.2.1 Sistema de aguas del r ío

Este sistema utiliza el agua superficial, producto de las precipitaciones pluviales o de vertientes existentes en la parte alta de las cuencas, las cuales corren por el lecho de los ríos de la zona en estudio.

Para hacer un análisis de las aguas del río se pueden tomar en cuenta los siguientes factores de diferenciación:

a) los períodos pluviométricos anuales,

b) los tipos de agua,

c) las cuencas o corrientes principales, y

d) los sistemas o zonas de riego.

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1.2.2.1.1 Per íodos pluviométr icos anuales

En las aguas del río pueden diferenciarse claramente dos períodos: la época lluviosa y la de estiaje.

a) el período lluvioso se caracteriza por la ocurrencia de avenidas y de grandes caudales producto de la intensidad pluvial. Normalmente ocurre entre los meses de Diciembre a Marzo.

b) el período de estiaje en el cual ocurre el caudal básico del río producto normalmente de vertientes y rebalses de lagunas en la cordillera. En esta época se van implementando sistemas de control de agua basados en los derechos de agua adquiridos a lo largo de la historia y en el que se distingue a su vez, dos períodos:

• Período de transición, entre los meses de Marzo o Abril a fines de Julio, en el cual los derechos de agua, de los sistemas que usan aguas del río, son relativamente recientes.

• Período de control estricto en el uso de agua, de principios de Agosto a fines de Noviembre, en el que rigen derechos de agua adquiridos en la época colonial y manejados actualmente por usos y costumbres.

1.2.2.1.2 Tipos de Agua

En lo referente a los tipos de agua, la dinámica histórica de la región y de los derechos de agua han dado origen a los siguientes tipos de agua: Aguas comunes (Mit’as comunes), Machu Mit’a, Aguas del Pueblo (Pueblo Yacu) y Machu Yacu.

Durante el período de estiaje existen dos tipos especiales de aguas, denominados chorreras y aguas de robo.

a) Las chorreras son aguas que escurren o filtran de las bocatomas ubicadas aguas arriba. Estas chorreras son a su vez captadas río abajo por otras bocatomas.

b) Las aguas de robo, son aprovechadas por comunidades ubicadas en la parte inicial de los canales.

1.2.2.1.3 Cuencas y Sistemas

Por otra parte, la zona en estudio es influenciada por tres cuencas y sus cauces principales, los cuales son: el río Chocaya, el río Okhosuro y el río Molle Molle. En estos ríos podemos encontrar diferentes sistemas de riego con sus propios tipos de agua.

El río Chocaya, actualmente se alimenta con las aguas superficiales y vertientes provenientes de la cordillera que fluyen por su cauce natural. Dentro del área de influencia del río Chocaya se encuentran cuatro sistemas que permiten el aprovechamiento de las aguas del río, los cuales son:

• El sistema El Paso – Bella Vista,

• El sistema Chocaya,

• El sistema Pucara, y

• El sistema Puca Puca,Estos sistemas captan la aguas en diferentes puntos (bocatomas) a lo largo del río y forman en su conjunto un complejo sistema de distribución de aguas. Los ríos Okhosuro y Molle Molle sirven con sus aguas a dos sistemas simples:

• El sistema Okhosuro,

• El sistema Molle Molle.

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Un detalle de los, sistemas de riego, comunidades beneficiadas y tipos de agua clasificadas por zonas se presentan en el Cuadro 1.1.

Cuadro 1.1 Comunidades beneficiadas con Aguas del Río.

Sistemas Comunidades Beneficiadas Tipos de agua

Zona El Paso

Mosoj Rancho AP, AC.Aransaya MM, AP, AC.Urinsaya MM, AP, AC.Khorapata MM, AC.Pandoja MM, AC.Llauquinquiri MM, AC.

El Paso - Bella Vista Callajchullpa MM, AC.Totorcahua MM, AC.

Zona Bella Vista

Bella Vista MM, PY, MC, my.Marquina MM, PY, MC.Sanja Pampa MM, PY, MC.Paucarpata MM, MC.Illitaco MM, MC.

Pucara Pucara MM, AC.

Puca - Puca Puca Puca MM, AC.

Chocaya Chocaya MM, AC.

Okhosuro Okhosuro MM, AC.

Molle Molle Molle Molle MM, AC.

Fuente: Vargas 1995

Referencias: MM = Machu Mit'a AC = Aguas ComunesAP = Aguas del Pueblo MC = Mit'as ComunesPY = Pueblo Yacu my = Machu yacu

1.2.3 Infraestructura de r iego

La infraestructura del área de riego presenta una combinación de infraestructura tradicional con infraestructura moderna recientemente construida por los usuarios en cooperación con INCAS.

La mayor parte de la red de canales está conformada por canales rústicos de tierra, excepto algunos canales principales.

Una de las características más llamativas de riego en la zona de El Paso es el carácter de propiedad común de las obras en la zona de riego. Todos los sistemas que existen y operan en la zona utilizan la misma infraestructura de canales.

Según Vargas (1995) las características mas importantes de la infraestructura en el sistema de riego tradicional de El Paso, son:

• La infraestructura está diseñada para cumplir funciones múltiples. (conducción, riego a la parcela y drenaje de excedentes.)

• La existencia de canales combinados con cursos naturales, (ríos, quebradas, torrenteras, etc.) durante la conducción de las aguas.

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• La rusticidad de las tomas de agua, construidas con piedras y que deben ser reconstruidas cada año pasada la temporada de lluvias.

• La ausencia de estructuras de aforo, lo que da lugar a la aplicación de técnicas empíricas y tradicionales de medición de caudales que a pesar de sus limitaciones cumple su objetivo desde el punto de vista operativo.

Para la mejor comprensión y ubicación de los tramos de canal, la Figura 1.2 muestra las estructuras del sistema de riego de El paso.

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Río Chocaya

Río Okhosuro

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Mosoj Rancho

Chocaya

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Urinsaya

PandojaKhorapata

Río Huayculi

Río Tacata

Llauquinquiri

Río Piusi

Totorcahua

Río Malpasomayu

Río Llauquinquiri

Galería filtrante Galería filtrante

REFERENCIASA Bocatoma Cebolla HuertaB Camara ChillcaD Toma RetamaI Bocatoma ChocayaJ Camara ChocayaK Bocatoma OkhosuruL Camara OkhosuruM Bocatoma Molle MolleN Camara Molle Molle20 Toma Chirimolle21 Toma Valencia22 Toma Paso23 Toma Pandoja24 Toma Tupuyan25 Toma El Morro26 Toma Baya27 Toma Molle Molle28 Toma Jailla29 Toma Calliyan30 Toma 221 Yan31 Toma Ghonto32 Toma Cruz Cruz40 Toma Calli Esquina41 Toma NN50 Toma Jove Rancho

Río San Miguel

Fuente: Vargas (1995)

Figura 1.2 Infraestructura del área de r iego.

1.2.3.1 Bocatoma Cebolla Huer ta (A)

Es el punto de adquisición de aguas, tanto de aguas del río como de lagunas para los sistemas de El Paso y Bella Vista. Se encuentra en la zona de Liriuni en la ribera Este del río y su uso data desde antes de la Reforma Agraria. Al igual que el canal de conducción principal, fue construido por la empresa de electrificación regional.

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1.2.3.2 Canal de conducción pr incipal A – B

Este canal nace en la Bocatoma Cebolla Huerta (A), se extiende de Norte a Sud – Este y tiene una longitud aproximada de 1431 m. La central hidroeléctrica de ENDE, alimenta en períodos no establecidos a la comunidad de Chocaya y a las zonas de riego de El Paso y Bella Vista.

Por otra parte este canal desemboca las aguas a la cámara de distribución Ch’illca (B).

1.2.3.3 Bocatoma Chocaya (I)

Es la bocatoma más antigua de la zona de captación, construida para dotar de agua a los molinos de la zona de Chocaya. Actualmente, y a diferencia de las otras, funciona durante la época lluviosa y capta aguas para el sistema de riego Chocaya.

1.2.3.4 Cámara Ch’illca (B)

La cámara Ch’illca se encuentra en la zona de Chocaya en la ribera Este del río. Este es el punto de división de aguas para las zonas de El Paso y Bella Vista. La estructura actual de los canales de riego es de mampostería de piedra con compuertas de metal.

1.2.3.5 Toma Retama (D)

La Toma Retama se encuentra en la zona de Mosoj Rancho a corta distancia de la ribera Este del río, es el punto de división de aguas para los canales A y B – C. Actualmente su estructura es de mampostería de piedra con compuertas de metal con un buen tiempo de uso.

1.2.3.6 Cámara Chir imolle (20)

La cámara Chirimolle también se encuentra en la zona de Mosoj Rancho. Es el punto de división de aguas para los canales B y C. Su estructura actual es de mampostería de piedra con compuertas de metal.

1.3 JUSTIFICACION

Los distintos sistemas de riego que usan aguas de los diferentes reservorios de la cordillera, no solo llevan sus aguas por el mismo lecho del río, sino también por los mismos canales principales de riego. Este hecho hace que los sistemas de riego coordinen sobre las fechas de las largadas, con el fin de evitar la sobreposición de aguas. Aún así, existen largadas durante el año en las cuales se sobreponen las aguas provenientes de la cordillera.

La sobreposición de las aguas se debe a que la infraestructura de conducción y distribución de los sistemas de riego, es en gran parte la misma para todos los sistemas de riego. Es decir los mismos canales son usados para transportar las aguas de Machu Mit’a, Aguas Comunes, Aguas del Pueblo, Pueblo Yacu y Machu Yacu.

La presente investigación se ha desarrollado con el objetivo de aportar al conocimiento de los caudales correspondientes a cada sistema de riego por medio de estructuras adecuadas de aforo, que estén de acuerdo con las exigencias de los usuarios para una distribución clara y justa de las aguas de riego.

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1.4 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA DE INVESTIGACION

El problema principal es identificado como la falta de conocimiento sobre aforadores aptos a ser instalados en sistemas similares de riego como El Paso.

Debido al problema citado anteriormente el presente trabajo de investigación plantea un estudio de medición de agua, mediante aforadores adecuados implantados en los puntos de distribución de agua más importantes de los sistemas de riego de El Paso.

1.5 PREGUNTA CENTRAL

El presente trabajo se desarrollará respondiendo a la siguiente pregunta:

a) ¿Qué tipo de aforadores serán los más adecuados y aptos para aplicar en los puntos principales de reparto de los sistemas de riego de El Paso y cuales serán sus dimensiones?

1.5.1 Subpreguntas

a) ¿En que lugares deberá implementarse aforadores?

b) ¿Qué rango y que proporciones de caudales se tendrán que medir en los puntos de reparto de los sistemas de riego en El Paso durante todo el año.?

c) ¿Con qué frecuencia será necesario medir el caudal en los puntos preestablecidos de aforo?

d) ¿Cuál será la precisión deseada en las mediciones?

1.6 OBJETIVO GENERAL

La implementación de estructuras de aforo para sistemas de riego por gravedad, típicos de nuestra región, deben ser económicas, de fácil construcción, uso y mantenimiento, por lo tanto el objetivo general planteado para el presente trabajo de investigación es el siguiente:

“La comparación cualitativa de aptitudes entre diferentes medidores del caudal (aforadores), aplicado en la zona de r iego de El Paso”, desde los punto de vista:

• técnico, (diseño hidráulico)

• económico (bajo costo)

• operativo (fácil lectura, operación)

• constructivo (mas fáciles de reparar y mantener con materiales del lugar)

Con estos aforadores se logrará una mejor división del agua según corresponda a cada sistema de riego y además facilitará el control por parte de los usuarios.

1.6.1 Objetivos específicos

Como tareas complementarias se han desarrollado los siguientes objetivos específicos:

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a) La identificación de los puntos más importantes en los cuales los caudales serán medidos.

b) Un inventario comparativo de los diferentes tipos de aforadores.

c) La selección de los aforadores aptos en nuestro medio.

d) El diseño de los aforadores seleccionados.

e) La calibración matemática de los aforadores elegidos.

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CAPITULO 2

METODOLOGIA

2.1 INTRODUCCION

Con el presente trabajo se tratará de determinar los aforadores más hábiles que podrán ser implantados en los sistemas de riego de nuestra región. Este trabajo se puede identificar como una Investigación de Calidad Comparativa entre diferentes aforadores.

La metodología a seguir involucra cuatro etapas en general. La primera está dirigida a estudiar la zona de aplicación, donde se incluyen aspectos sociales y económicos. La segunda reúne el inventario de los diferentes tipos de aforadores. La tercera etapa desarrollará el diseño final del o los aforadores más aptos. Finalmente en la cuarta etapa, se elaborará el informe respectivo de esta investigación. El esquema mostrado en la Figura N° 2.1 muestra a grandes rasgos los pasos descritos anteriormente.

2.2 PRIMERA ETAPA: RECONOCIMIENTO DE CAMPO

Se plantea como principales actividades las siguientes:

a) Revisar información sobre los sistemas de riego en El Paso.

A través de la búsqueda de información sobre los diferentes proyectos realizados por el PEIRAV y los dirigentes de los sistemas de riego.

b) Definir puntos de aforo con la asociación de riego de El Paso.

Se realizaran entrevistas con el Presidente y Socios de los Sistemas de Riego para identificar y definir puntos de aforo.

Se tomaron en cuenta la ubicación exacta de los aforadores y las condiciones hidráulicas del curso de agua, tanto aguas arriba, como abajo de la misma.

Se formularon preguntas relacionadas al actual estado actual del sistema de riego, como las siguientes:

• ¿Cuáles y cuántos son los puntos de aforos necesarios para un adecuado control del caudal en los sistemas de riego?

• ¿Con qué frecuencia desean medir estos caudales?

• ¿Cuales son los caudales máximos y mínimos con los que ellos cuentan actualmente?

• ¿Cuáles son los niveles máximos y mínimos de agua, para estos puntos? ¿Cuál será la precisión con la que quieren medir los caudales?

• ¿Qué condiciones de medición existen y qué ocurre con el arrastre de sedimentos o cuerpos flotantes?

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Clasificación y preselección de losaforadores existentes

Análisis de aptitud

Inventario de distintos aforadores

1ra. EtapaInvestigación bibliográfica

3ra EtapaDiseño y calibración

2da EtapaReconocimiento de campo

Selección de los aforadores aptos enel sistema de riego andino.

Revisar información sobre lossistemas de riego en El Paso

Definir puntos de aforo con laasociación de riego de El Paso

Diseño preliminar

Calibración matemática

Elaboración del documento de tesishasta su presentación final

4ta EtapaEdicion de la investigación

Selección definitiva de los aforadorespara cada punto de reparto y/o

medición

Diseño final

Figura N° 2.1 Esquema metodológico.

El formulario básico que se ha utilizado para las entrevistas y visitas a los puntos de aforo, se muestra en el Cuadro N° 2.1. En este formulario se tomaron nota de las condiciones físicas del medio donde se construirán los aforadores y sus requerimientos de uso demandados por los usuarios.

2.3 SEGUNDA ETAPA: INVENTARIO DE AFORADORES

En esta segunda etapa se investigaron teóricamente todos los tipos de estructuras de medición de caudales en canales abiertos. Para esto se ha trazado como principales actividades las siguientes:

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Cuadro N° 2.1 Formular io para la toma de datos sobre el posible emplazamiento del medidor

NOMBRE DEL LUGAR: FECHA:

NECESIDADES HIDRAULICAS

Gama de caudales a medir Altura de agua actual en el canal

Qmin= (m3/s) Y2 min = (m)

Qmax= (m3/s) Y2 max = (m)

DESCRIPCION HIDRAULICA Croquis de la sección transversal del canal

Anchura de la solera del canal b = (m)

Profundidad del canal d = (m)

Profundida máxima admisible

de agua en el canal Y1 max = (m)

Descenso disponible de la superficie

del agua en el emplazamiento H = (m)

Salto de la solera del canal

en el emplazamiento p = (m) Revestimiento de hormigón Canal de tierra

FUNCION DE LA OBRA Perfil longitudinal de la solera.

Sólo de medición

Regulación y aforo del canal

PERIODO DE FUNCIONAMIENTO DE LA OBRA

Diario Estacional

Mensual Permanente

DESCRIPCION DEL ENTORNO

Canal principal

Canal secundario

Acequia en finca

Acequia en parcela

DESCRIPCION POSTERIOR Plano del emplazamiento

Fuente Bos (1986)

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a) Revisión de libros relacionados al tema de “estructuras de aforo”:

La revisión bibliográfica se ha realizado en los siguientes ambientes

• Biblioteca del Laboratorio de Hidráulica

• Biblioteca del la facultad de Agronomía

• Biblioteca del PEIRAV

• Consulta a las bibliotecas internacionales en la red Internet

• Consulta a personas entendidas en el tema.

b) Clasificación y preselección de los aforadores existentes.

En este punto se ha detallado un Inventario de los diversos tipos de aforadores existentes, dando a conocer las ecuaciones que rigen su comportamiento hidráulico, su forma de instalación, sus ventajas y desventajas.

c) Análisis de aptitud de los aforadores para las condiciones identificadas.

Se dieron mayor énfasis en los siguientes criterios de selección:

• Técnico, para analizar su comportamiento hidráulico. Se tomó en cuenta la gama de caudales a medir, la geometría y sinuosidad de los canales.

• Duradero, para que tenga una vida útil de entre 20 a 30 años.

• Económico, para determinar cuál es el más barato de construir, previa selección de los más duraderos.

• Operativo, para que su uso sea sencillo, y no traiga confusiones en su empleo.

En la parte operativa por ejemplo, si se adopta un aforador con regla graduada que dé directamente las lecturas de caudales en litros por segundo, puede traer confusiones a cualquier agricultor, debido a que la regla de mediciones presentará una escala variable (en la parte inferior escalas grandes y en la parte superior escalas cada vez más pequeñas). Ese agricultor esperará que la regla sea de escala constante, para cualquier incremento de caudal, cosa que no es cierto.

d) Selección de los aforadores aptos en el sistema de riego andino, particularmente en la zona de riego de El Paso.

2.4 TERCERA ETAPA: DISEÑO Y CALIBRACION.

a) Selección definitiva de aforadores para cada punto de reparto y/o medición

Se ha definido el tipo de aforador dependiendo de la magnitud del caudal, la precisión buscada y de las características hidráulicas que impone el medio donde serán construidos.

b) Diseño preliminar de los aforadores seleccionados en los puntos de aforo previamente identificados. Este punto abarca el conocimiento de las dimensiones de los aforadores.

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c) Calibración Matemática. A través de la modelación matemática se ha verificado con mayor precisión el comportamiento hidráulico de los aforadores seleccionados.

2.5 CUARTA ETAPA: EDICION DE LA INVESTIGACIÓN

a) Elaboración del documento de tesis hasta su presentación final.

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CAPITULO 3

MARCO CONCEPTUAL

3.1 INTRODUCCION

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.

3.2 CONCEPTOS RELATIVOS A LOS SISTEMAS DE RIEGO

Cuando se habla de sistemas de riego entran en juego términos técnicos muy usados en nuestro medio, los cuales deben estar muy bien conceptualizados para su correcta utilización, como ser:

Puntos de distribución: son los puntos en la red de canales de un sistema de riego, donde se separan los caudales. Por ejemplo si en un canal fluye un caudal (100%) este puede distribuirse en diferentes proporciones (75%, 50%, 25%, etc.).

Uso del agua de riego: Según Olarte (1992) define el uso del agua de riego como la práctica general que adopta un usuario o conjunto de usuarios dentro el contexto físico del recurso. La utilización del agua en la gestión campesina es muy variable, lo cual determina modalidades de uso de diferentes aguas.

Sistema de riego: Un sistema de riego esta definido como un producto social, históricamente constituido, pero nunca totalmente concluido. Aunque el agua de riego sea sometida a las leyes hidráulicas e hidrológicas, cuando la maneja un campesino, obedece más que todo a las leyes y reglas sociales del grupo que la aprovecha. La gestión social del agua descansa particularmente sobre un saber hidráulico y agronómico, desde la evaluación y la captación del recurso, hasta su repartición en las parcelas con dosis y frecuencias adecuadas a los requerimientos de los cultivos.

3.3 CONCEPTOS RELATIVOS A LA MEDICION DE CAUDALES

La medición de caudales parte de conceptos basados en la hidráulica básica de canales abiertos, como ser:

Aptitud: Se define como: la cualidad que hace que un objeto sea apto, adecuado o acomodado para cierto fin. Apto se define como idóneo, hábil para hacer alguna cosa. Sin embargo desde el punto de vista ingenieril y dentro de un marco de los sistemas de riego aptitud es la capacidad de manejar, usar, mantener y además servir para propósitos bien definidos.

Vertedero: Es una escotadura de forma regular a través de la cual pasa el agua, incluye esta definición a la estructura misma que contiene el dispositivo hidráulico. La altura de agua por encima de la cresta del vertedero se relaciona con el caudal en una curva de calibración.

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Medición de caudales: La exigencia de los agricultores ha hecho que se confíen más en estructuras fijas (permanentes) de medición de caudales, y la experiencia ha demostrado que el método más adecuado para cada caso depende de tres factores importantes:

• La magnitud del caudal,

• La precisión buscada,

• Las condiciones que impone el medio.

Las estructuras más importantes de medición de caudales son:

a) Estructuras con vertederos de cresta delgada.

• Rectangular

• Triangular

• Trapezoidal (Cipolletti)

• Circular

b) Estructuras con vertederos de cresta ancha

• Aforadores RBC

c) Estructuras con conductos medidores a régimen crítico

• Aforadores Parshall

• Aforadores sin cuello.

• Aforadores de garganta larga

Curva de calibración H-Q: La curva de calibración o relación Altura de agua (H) Vs. caudal (Q), es una curva característica de una sección de control, la cual se construye realizando mediciones sucesivas de caudal y altura en una estación y luego se obtiene una gráfica tal como se muestra en la Figura N° 3.1, esta curva se utiliza para convertir registros de nivel de agua en caudales.

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ar

: Se dice flujo modular cuando el flujo es libre, es decir cuando el flujo no está influenciado por el nivel aguas abajo si la sección de control se encuentra aguas arriba.

Z

e

o

n

P

D

F

D

r

i

v

e

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T

r

i

a

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w

w

.

z

e

o

n

.

c

o

m

.

t

w

-17-

Gama de caudales: El caudal en un canal abierto suele variar con el tiempo. Los límites entre Qmax y Qmin, entre los que puede medirse el caudal, dependen de la naturaleza del canal en el que se instala la obra de aforo. Los canales de riego, por ejemplo, necesitan un margen de oscilación considerablemente menor que los cauces naturales. La amplitud de la gama de variación de los caudales previsibles viene definida por la siguiente ecuación:

min

maxQQ=γ (3.1)

Capacidad de eliminación de sedimentos: Casi todos los canales abiertos, además de agua, transportan sedimentos que, ordinariamente, reciben denominaciones diversas, según la forma o proceso de transporte o según sea su origen. Estos nombres aparecen ilustrados en la Figura 3.2, y se definen como sigue:

Origen de lossedimentos

transportados

Carga de finos

Material dearrastre de fondo

Proceso detransporte desedimentos

Materiales ensuspención

Arrastre defondos

Fuente: Bos (1986)

Figura N° 3.2 Terminología aplicada al transpor te de sedimentos

Arrastre de fondo: Es el transporte de partículas de sedimento que se deslizan, ruedan o rebotan sobre la solera del canal, o cerca de ella, generalmente en forma de lecho móvil, semejante a las dunas y crestas de arena.

Arrastre de sólidos en suspensión: Por arrastres suspendidos se entiende el transporte de partículas de fondo, cuando la fuerza de la gravedad está contrarrestada por otras fuerzas ascendentes, debidas a la turbulencia de la corriente de agua. Esto supone que tales partículas pueden dar rebotes más o menos grandes pero, siempre vuelven a caer a la solera del canal, aunque en ese momento, sin embargo. otras partículas arrastradas puedan encontrarse en suspensión.

Carga sólida total: Dado que no es posible hacer una separación estricta entre el arrastre de fondo y los sólidos en suspensión, es frecuente calcular la carga sólida total como la suma de los dos arrastres mencionados.

Carga de finos: La carga de finos está compuesta por partículas más pequeñas que el grueso del material del fondo (generalmente menores de 50 µm) y raras veces se encuentran sobre la solera. El volumen de esta carga no se puede calcular y se determina principalmente por las características climáticas y por las condiciones de erosión de toda la cuenca receptora. Las cargas de finos son las responsables del color del agua.

El método más apropiado para impedir la deposición de sedimentos en el tramo del canal de aguas arriba de la obra de aforo, es evitar un descenso del parámetro de corriente Y, el cual se define como:

Z

e

o

n

P

D

F

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w

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.

z

e

o

n

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c

o

m

.

t

w

-18-

ar

f

DSy

Yρµ

= (3.2)

Donde:

µ = Factor de rugosidad que depende de la forma de la solera del canal, varía entre 0.5 a 1.0.

y = Profundidad del agua en (m)

Sf = Gradiente hidráulico

ρr = Densidad relativa = (ρs-ρ)/ρ ≅ 1.65

ρs = Densidad de las partículas del sedimento

ρ = Densidad del agua

Da = Diámetro característico de las partículas (m)

Para evitar las sedimentaciones entre la sección de medida de la altura de agua y la sección de control, la capacidad de evacuación de sedimentos del aforador debe ser mayor que la capacidad de transporte del tramo de canal de aguas arriba.

El paso de cuerpos flotantes y en suspensión: Los canales abiertos, especialmente los que atraviesan bosques o zonas urbanizadas, transportan toda clase de cuerpos flotantes o en suspensión. Si estos cuerpos quedan retenidos por la obra de aforo, tanto el canal de aproximación como la sección de control quedan obstruidos, lo cual reduce la posibilidad de medición de caudales con la instalación y se producen desbordamientos del canal aguas arriba.

En caso de instalar dos o más vertederos juntos, las pilas intermedias deberán tener al menos, una anchura de 0,30 m, con su tajamar redondeado. Los tajamares afilados o las pilas muy estrechas tienden a atrapar los cuerpos transportados por la corriente.

Exactitud necesaria en las medidas: La exactitud con la que es posible aforar un caudal mediante una instalación dada está limitada por la precisión con la que se pueda efectuar una medida. Si se construyen dos obras de medición idénticas e independientes y se hace pasar por ellas dos corrientes que tengan exactamente la misma altura de carga con respecto al nivel de sus resaltos, lo normal es que los dos caudales medidos sean diferentes.

Errores sistemáticos: Si, por ejemplo, la regla de medición de h1 está colocado demasiado bajo, todos los valores medidos de h1 serán, sistemáticamente, mayores que los verdaderos, en tanto no se verifique la posición del cero y se corrija la altura de la escala. Cualquier error sistemático puede corregirse, si se llega a conocer.

Errores aleatorios: Si dos personas leen el valor de h1 en un limnímetro o en un gráfico del registrador, con frecuencia leerán valores diferentes, e incluso una tercera persona podría leer otro valor distinto. Algunos de estos valores leídos son superiores y otros inferiores al verdadero de h1. Dicho de otro modo, los valores leídos se distribuyen al azar en torno al verdadero valor de h1.

Errores por equivocación: Errores como estos invalidan la medida del caudal y se deben a equivocaciones humanas, a defectos de funcionamiento de los limnígrafos automáticos o a obstrucciones del curso normal del agua.

Z

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m

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t

w

-19-

Los errores de medición de la altura de carga aguas arriba pueden provenir de múltiples causas. Algunas de las más frecuentes son las siguientes:

Colocación del cero: además del error sistemático citado anteriormente, en la colocación del cero de la regla, una cimentación inestable de toda la obra, o simplemente del dispositivo de medida, pueden ser la causa de otro error, por desplazamiento de la posición del cero. Si el terreno donde se construirá la obra de aforo, está sujeto a heladas o se mueve con la humedad del suelo, podría modificar la posición del cero. Para reducir los efectos de tales alteraciones, se recomienda comprobar su posición, al menos, dos veces al año, por ejemplo,después de una época de grandes heladas, o después de la estación de las lluvias, y antes de la temporada de riego. También puede alterar la posición del cero la presencia de una capa de hielo sobre el agua.

Crecimiento de algas: Una fuente importante de errores sistemáticos en la determinación de la altura de carga es la proliferación de algas sobre el fondo y sobre las paredes de la sección de control. La cubierta de algas produce dos efectos: (1) el nivel de referencia del resalto queda elevado por el espesor de la vegetación y origina un error en la altura de carga, y (2) la capa de algas que recubre las paredes de la sección de control reduce la superficie mojada. Para eliminar el error debido a las algas adheridas a la superficie de la sección de control, deberá limpiarse periódicamente la sección de control con un cepillo o escobón. Puede reducirse el desarrollo de las algas pintando la obra con algún producto alguicida marino.

Error en la lectura de la altura de carga: En el error de lectura de la escala de la regla, básicamente influyen la distancia entre ésta escala y el observador, el ángulo en el cual se realiza la lectura, la turbulencia del agua y el tamaño de las divisiones de dicha regla. Una escala sucia dificulta la lectura y puede ser causa de errores importantes, por lo que las regletas deben instalarse en lugares en los que resulte fácil su limpieza por el observador. El orden aproximado de magnitud de los errores de lectura en una regleta limnimétrica, con graduación en centímetros, es el que aparece en el Cuadro N° 3.1.

Cuadro N° 3.1 Errores de lectura

Escala colocada en Er ror Sistemático Er ror Aleator io

Agua quieta 0 0.003 m

Canal con lámina de agua tranquila 0.005 m 0.005 m

Mayor que una unidad de Mayor que una unidad de

graduación (> 0.01 m) graduación (> 0.01 m)

Fuente Bos (1986)

Canal con lámina de agua turbulenta

Esto demuestra que las lecturas de la escala, efectuadas con aguas turbulentas, son inexactas. El error sistemático asignado al régimen turbulento se atribuye a la dificultad general de los observadores para dar valores promedios de la fluctuación del agua. Por eso, para obtener lecturas exactas en aguas turbulentas, se recomienda utilizar pocillos de amortiguación.

Errores relacionados con la construcción: Las dimensiones de la construcción de las obras de aforo deben ser lo más ajustadas posibles a las que se dan en los diseños. Cualquier variación de estas dimensiones influirá sobre el error entre el verdadero caudal y el que se señalan en el diseñoZ

e

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z

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t

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-20-

CAPITULO 4

COMPARACION DE AFORADORES FIJOS

4.1 INTRODUCCION

La medición de los caudales de agua en los sistemas de riego, son actividades realizadas no solo por los técnicos encargados en su reparto y distribución, sino también por el agricultor común y corriente que requiere conocer acerca de las cantidades de agua que entrega a sus parcelas cultivadas.

Si bien es cierto que el conocer los métodos de medida de caudales de agua es importante para el técnico en materia de aguas, lo es también para el usuario que desea conocer si los suministros de caudal que precisa coinciden con los requeridos, especialmente en épocas críticas, cuando el agua es escasa. Por ello debe estar enterado de los medios más adecuados y versátiles disponibles para esta determinación, de tal manera que le permita comprobar si esta es correcta.

Las razones por las cuales se debe medir el agua en movimiento, están estrictamente ligadas a las actividades de riego, al margen de aquellos que se efectúan con fines específicos o en laboratorio y que tienen carácter experimental, así mismo para medir las fuentes de abastecimiento naturales como pozos y manantiales, etc.

4.2 OBRAS DE MEDICION.

Una obra de medición es una estructura hidráulica fija introducida en el cauce de un canal. La función de la estructura hidráulica es producir un flujo modular, que es caracterizado por una relación conocida entre la medida de nivel de agua (H) y el caudal (Q). El cambio del nivel es medido por un dispositivo secundario que puede convertir automáticamente el nivel de agua en caudal.

El flujo en estructuras de medición de caudales pueden ser:

Por desbordamiento:

a) Vertederos de cresta delgada (Rectangular, triangular, Cipolletti)

b) Vertederos de cresta ancha (Aforadores RBC)

c) Por compuertas de fondo (orificios)

Por contracción:

a) Medidores a régimen crítico (Aforador Parshall, aforador sin cuello, aforador de garganta larga)

La ecuación de descarga para estas estructuras pueden ser expresadas como:

ud HdCQ = (4.1)

Donde:

Z

e

o

n

P

D

F

D

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T

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n

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c

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m

.

t

w

-21-

Cd = Coeficiente de descarga

d = Coeficiente que depende del tipo de estructura

H = Nivel de agua en la sección aguas arriba.

u = exponente que depende del tipo de estructura.

Los valores de “u” se muestran en el Cuadro N° 4.1 junto con los caudales máximos en función al tipo de estructura.

Cuadro N° 4.1 Algunas estructuras de medición de caudales

Estructura Exponente u Min. Perdida de carga Rango de caudales

Vertedero de cresta ancha 3/2 > 0.3 * H q < 5 (m2/s)

Romijn 3/3 > 0.3 * H Q = 0.9 (m3/s)

Cipolletti 3/4 > 1.0 * H q < 0.8 (m2/s)

Parshall 1/6 > 1.0 * H Q < 90 (m3/s)

Orificio de carga constante 0.5 > 0.3 m Q < 0.3 (m3/s)

Pantalla repartidora 0.5 > 0.4 * H q = 0.2 (m2/s)

Fuente Depeweg (1995)

El uso de vertederos para efectuar la medida de caudales, consiste en interceptar el curso de agua para represarla y obligarla a pasar por la escotadura o vertedero propiamente dicho. En estas condiciones el caudal depende de la amplitud de la cresta del vertedero, de la altura de agua sobre la cresta (carga hidráulica) y de la velocidad de llegada al vertedor, cuando esta es considerable, por su naturaleza física estos medidores se adaptan a la medida de pequeños caudales (recomendables menores de 500 lt/s).

4.3 VERTEDEROS DE CRESTA DELGADA

Un vertedero de pared delgada es una escotadura en el cual el ancho de la cresta en el sentido longitudinal del flujo, es suficientemente pequeño para no influir en el desarrollo del flujo sobre el vertedero.

Para la determinación de la relación altura (H) – caudal (Q), se aplica el teorema de Bernoulli, asumiendo que el vertedero funciona como un orificio con superficie libre. Para ello se deben asumir las siguientes condiciones :

a) La altura de agua sobre la cresta es igual a la altura de energía por la que no existe contracción.

b) Las velocidades y líneas de corriente sobre la cresta son paralelas y casi horizontales

c) La altura de la velocidad de aproximación aguas arriba es despreciable.

La velocidad en un punto arbitrario de la sección de control se calcula mediante la ecuación de Torricelli, referida a la Figura 4.1 :

)mg2

vh(g2v21

1 −+= (4.2)

Z

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F

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c

o

m

.

t

w

-22-

p

h1

v'

m

yp

linea de energía

Figura 4.1 Per fil longitudinal de un ver tedero de pared delgada

Donde :

v = velocidad en el punto m de la sección de control

g = aceleración de la gravedad

h1= altura de agua sobre la cresta del vertedero

v1= velocidad de aproximación

m= altura hasta el punto m

El caudal total se obtiene integrando la ecuación anterior entre los límites m = 0 y m = h1

dm)mh(x)g2(Q 5.0h

01

5.0 −= ∫ (4.3)

Donde x denota el ancho de la garganta del vertedero a la altura del punto m. Finalmente se introduce un coeficiente de descarga Cd y se obtiene la ecuación general de flujo sobre un vertedero de pared delgada :

∫ −=h

0

5.05.0d dm)mh(x)g2(CQ (4.4)

El ancho de la cresta del vertedero debe cumplir :

15LH1 > (4.5)

Donde :

H1 = Altura de energía medida desde la base del vertedero

L = Espesor de la cresta del vertedero

Z

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F

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m

.

t

w

-23-

También se debe cumplir la condición de que la pared de aguas abajo del vertedero mantenga una circulación de aire adecuada para lograr un flujo libre de la capa de agua, de lo contrario, además de la distorsión del flujo sobre la cresta, es posible ocasionar daños en el material del vertedero si las frecuencias del flujo, del aire y de la pared del vertedero se aproximan.

Cabe hacer notar que la Figura 4.1 anterior, muestra el perfil longitudinal de un vertedero de pared delgada con flujo en condiciones ideales.

Existen diversas clases de vertederos atendiendo a la forma de la sección de vertido, como ser: rectangular, triangular, trapezoidal (Cipolletti), parabólica, circular o de cualquier otra sección curva, siendo las más utilizadas las tres primeras debido a la facilidad de su contracción.

4.3.1 Ver tedero rectangular

Esta estructura fue ideada y desarrollada por J. B. Francis en 1825. La deducción de las ecuaciones que rigen el paso del agua sobre un vertedero rectangular es la siguiente:

Sea una sección de control rectangular, x = bc = constante. La ecuación (4.4) se puede escribir de la siguiente forma :

∫ −=h

0cd dmmhbg2CQ (4.6)

Resolviendo :

23

1cd hbg232CQ= (4.7)

Donde:

Q = caudal medido en (m3/s)

bc= Longitud de la cresta en (m)

h1 = Altura de agua sobre la cresta del vertedero en (m)

Bc = bc

m

dmh1

Figura N° 4.3 Sección transversal de un ver tedero rectangular

Las formula práctica para un vertedero sin contracciones laterales es:

Z

e

o

n

P

D

F

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.

z

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n

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m

.

t

w

-24-

23

1c hB84.1Q = (4.8)

La contracción en el flujo sobre un vertedero ocurre cuando el ancho de la base del vertedero es menor que el ancho del canal (bc < B). En la Figura 4.4 se muestra el efecto de la contracción en las líneas de flujo.

Vertedero

Sin contracciónUna contracciónDos contracciones

Figura 4.4. Efecto de una y dos contracciones en el flujo sobre un ver tedero

Para evitar la distorsión en la medición de caudales debida a la contracción del flujo, Francis propuso corregir el valor del ancho del vertedero mediante las siguiente relación

1cc h*n*10.0B'B −= (4.9)

Donde:

n = número de contracciones laterales

Para estos casos la ecuación (4.8) queda modificada a la siguiente fórmula para vertederos con contracciones laterales:

23

11c h)h*n*1.0B(84.1Q −= (4.10)

En los mismos casos anteriores y cuando la velocidad de llegada supera 0.75 m/s, las ecuaciones son:()

23

01c hhB84.1Q += (4.11)()()

23

011c hhh*n*1.0B84.1Q +−= (4.12)

Donde h0 = Carga de presión asignada por la velocidad de llegada V0 calculada iterativamente, su valor es:

g2V

h20

0 = (4.13)

Z

e

o

n

P

D

F

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r

T

r

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l

w

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z

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c

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m

.

t

w

-25-

4.3.2 Ver tedero tr iangular

Desarrollado por R. Thompson en 1865 para solucionar el problema de las contracciones laterales, tiene la ventaja fundamental de adecuarse a la medida de caudales muy pequeños por la amplitud de la carga h1 para caudales pequeños.

Para la deducción de la fórmula del vertedero triangular de pared delgada, se tomará en cuenta las variables mostradas en la Figura 4.5:

2tanm2x β= (4.14)

Reemplazando en la ecuación (4.4), se obtiene:

∫ −β

=1h

0

5.05.0d dm)mh(m)

2tan2()g2(CQ (4.15)

Donde:

Cd = Coeficiente de descarga.

β = ángulo de la escotadura

h1 = carga hidráulica del vertedero en m.

Resolviendo :

5.21

5.0d h

2tan)g2(

158CQ β= (4.16)

ß/2dm

Bc

mh1

Figura 4.5 Dimensiones de una sección de control tr iangular

La formula más practica para este vertedor es:

25

1h2

tanCQ β= (4.17)

Si no se considera la velocidad de llegada y de acuerdo al ángulo de la escotadura tenemos las siguientes ecuaciones:

47.21h34.1Q90Para =→°=β (4.18)

Z

e

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m

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t

w

-26-

47.21h775.0Q60Para =→°=β (4.19)

48.21h35.2Q120Para =→°=β (4.20)

43.21h254.0Q5.22Para =→°=β (4.21)

4.3.3 Ver tedero trapezoidal (Cipolletti)

Planteado por R. Cipolletti en 1874, resulta de la combinación de los vertederos anteriores y la idea es aprovechar la ventaja del vertedero triangular sin necesidad de efectuar correcciones por contracción lateral y la capacidad volumétrica del vertedero rectangular. El vertido de este medidor es igual a la suma de un vertedero rectangular y otro triangular con la condición de que sus paredes verticales estén en la proporción 4V:1H.

La fórmula para un vertedero trapezoidal con relación 4V:1H, es:

23

1vd hg232BCCQ= (4.22)

Donde:

Cd = Coeficiente de descarga.

Cv = coeficiente de velocidad.

Q = caudal en m3/s.

B = Longitud de la cresta en m.

h1 = altura de agua sobre la cresta del vertedero en m.

La fórmula práctica para este vertedero (con Cv=1 y Cd = 0.63) es:

23

1hB86.1Q = (4.23)

4.3.4 Algunas consideraciones mínimas sobre la instalación de ver tederos

a) El vertedero debe colocarse en ángulo recto con respecto a la dirección del flujo.

b) El canal debe ser recto por lo menos una distancia igual a 10 veces la longitud de la cresta, aguas arriba del vertedero.

c) La cresta o umbral de los vertederos debe ser horizontal y del mismo espesor en toda su anchura.

d) La distancia mínima del fondo del canal a la cresta debe tener un valor mínimo de 3h1.

e) La carga sobre el vertedor debe ser medida por lo menos a una distancia de 4h1 aguas arriba, para evitar el error por remanso.

f) El valor de h1 no debe ser menor de 0.06 m.

Z

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-27-

g) Debe haber caída libre del chorro de agua.

Ventajas: Las principales ventajas de estos aforadores son:

• La construcción de vertederos es por lo general de bajo costo

• Su construcción es sencilla, si se lo hace con material delgado o planchas de metal.

• Los usuarios del agua pueden verificar el suministro de caudal

Desventajas: De las características y experiencias de campo, se admite que este medidor no debe usarse para mediciones de alta precisión toda vez que se han sugerido correcciones por velocidad de acceso, aunque si se recomienda su uso en condiciones de velocidad de acceso muy grande.

• Para su buen funcionamiento se requiere de una calibración en laboratorio.

• Los cuerpo flotantes no pueden pasar con facilidad y pueden causar daños que afectan a la exactitud de la medición del caudal, obstruyendo el flujo y elevando la carga de agua.

• La medición es imposible cuando el nivel aguas abajo se eleva por encima de la cresta del vertedero.

• La perdida de carga es considerable.

• El uso de vertederos como instrumento de medición de caudales, es hoy en día de uso algo restringido, no solo por los problemas de azolve que producen, el represamiento que ocasionan, pérdidas de carga, efecto de materiales flotantes, la velocidad de llegada, etc., sino más que todo por la dificultad de su calibración.

4.4 VERTEDEROS DE CRESTA ANCHA (RBC)

Llamado también vertedero RBC por las iniciales de los autores de este aforador (Replogle, Bos y Clemmens), es una estructura de medición de caudales para puntos donde la perdida de energía es limitada. Estos vertederos se encuentran por lo general en los canales principales, en bifurcación de canales y en aguas debajo de una compuerta.

Un vertedero de cresta ancha posee una estrecha relación entre el nivel aguas arriba y el caudal. La longitud de la cresta del vertedero en la dirección del flujo es tan larga que permite que las líneas de corriente sobre lacresta sean rectas y paralelas.

La cara aguas arriba influye a la relación altura (H) – caudal (Q). La cara posterior puede ser vertical o puede tener una cierta pendiente. A causa de la inclinación de la rampa en el tramo de convergencia, parte de la energía cinética, es transformada en energía potencial en la sección aguas abajo. La transición aguas arriba conduce el flujo a la sección de control sin separación ni contracción del flujo.

La ecuación de descarga para un vertedero de cresta ancha de sección rectangular es:

23

d H*g32

32*B*CQ = (4.24)

Donde:

Cd = Coeficiente de descarga

Q = caudal en (m3/s)

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-28-

H = Energía aguas arriba en (m)

B = Ancho de la cresta del vertedero en (m)

p1

YcY1

Q

h1

Y2

h2

w

3

1

Perfil longitudinal

V1^2/(2*g)

LLb

H1

Figura N° 4.6 Esquema de un ver tedero de cresta ancha

Algunas características de estos vertederos son:

• Para un flujo crítico una tabla de calibración puede ser calculada con un error menor del 2 % de caudal.

• La perdida de carga para obtener un flujo modular es más baja que para cualquier otro tipo de estructura.

• La gradual transición convergente no tiene problemas con los cuerpos flotantes.

• Las observaciones de campo muestran que la forma de los vertederos no son obstáculo para el transporte de sedimentos.

• Para el flujo de la cresta horizontal una tabla de calibración en función a las dimensiones pueden ser producidas. Eso significa que el vertedero puede ser cambiado de forma si es necesario.

• Los vertederos son macizos.

Ventajas:

• La lectura de la regla o limnímetro es fácil.

• La forma hidráulica es flexible y simple.

• La construcción es simple.

• Los cuerpos sólidos pasan sin problema.

• La operación es fácil.

• Son las más económicas para las mediciones de flujo exactas.

• Para funcionar adecuadamente, necesita una pequeña caída de la superficie libre del agua a través de la instalación.

• Pueden adaptarse a cualquier forma de canales, sin necesidad de reconstruir los canales.

• Mínima profundidad de corriente, comparada con los aforadores de garganta.

Desventajas y limitaciones:

• La estructura es una obra de medición simplemente.

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t

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-29-

• El flujo debe ser modular (libre) para una medida más exacta.

• La utilización de vertederos de profundidad crítica no es recomendable bajo condiciones de flujo no modular.

• Si el aforador no es construido con las dimensiones exactas, entonces será necesario una calibración.

4.4.1 Cr iter ios de construcción

La construcción de un vertedero de resalto como el de la Figura N° 4.6 es sencilla. Este tipo de vertedero de pared gruesa necesita únicamente que la superficie de su umbral se construya con cuidado. Las demás superficies pueden dimensionarse y determinarse con una aproximación de alrededor del + 10% sin que afecte la calibración más allá del 1%.

En construcciones nuevas puede seleccionarse el dispositivo de medida para satisfacer la profundidad normal del canal de aproximación y puede diseñarse un escalón en el canal que iguale o supere la pérdida de carga necesaria. Esto impedirá que los problemas de sedimentación se agraven.

A pesar de la existencia de los sedimentos que fluyen por la solera del canal, estos se esparcen por la rampa y pasan la coronación sin causar problemas importantes.

4.4.1.1 Bordo libre del canal

Se recomienda que el Bordo libre del canal sea, al menos, el 20% de y1max, ya que las velocidades de la corriente en los canales de riego en los que pueden instalarse estos vertederos de resalto varían en un intervalo relativamente estrecho.

Esto permite un exceso de caudal del 40% antes de llegar al borde superior del canal, sin tener en cuenta el efecto de las olas. Naturalmente, si se espera la existencia de oleaje o grandes elevaciones del nivel del agua, debidas al manejo, deben considerarse estas circunstancias en el diseño del Bordo libre. Sin embargo, se debe procurar evitar estas condiciones, ya que son causa de inexactitud de las medidas del caudal.

4.4.1.2 Control de er rores

El control de errores se puede llevar a cabo de las siguientes formas:

a) La coronación del vertedero es lo suficientemente ancha para que puedan absorberse fácilmente los errores inherentes a las construcciones de hormigón en la anchura de la sección de control, por lo que los canales de hormigón existentes pueden utilizarse para la mayor parte de los dispositivos de medida.

b) La longitud de la coronación del vertedero, en la dirección de la corriente, y la pendiente de la rampa de aproximación. dan lugar a un tipo de flujo que puede ser ajustado a modelos matemáticamente exactos (±2%) y resuelto mediante las técnicas informáticas, para casi cualquier forma de sección transversal del canal.

c) La colocación exacta de la escala limnimétrica vertical situada aguas arriba del vertedero, son las operaciones de campo más críticas y cuidadosas.

Z

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-30-

4.5 MEDIDORES A REGIMEN CRITICO

La mayoría de las obras de medición de caudales a régimen crítico constan de un tramo convergente, en el que el agua, que llega en régimen subcrítico se acelera y conduce hacia una contracción o garganta, en la que alcanza una velocidad supercrítica, a partir de esta velocidad se va reduciendo gradualmente, hasta llegar, de nuevo, a un régimen subcrítico, en el que se recupera la energía potencial.

Como se aprecia en la Figura 4.7, aguas arriba de la obra existe un canal de aproximación, cuya función es producir un régimen laminar, de tal modo que la superficie de agua se mantenga estable y así medir su altura con gran precisión. Aguas abajo del medidor hay un canal denominado de cola, que es de gran importancia para el diseño de una obra de medición, debido a que la gama de niveles de agua en el mismo, será la que determine la altura del resalto en el estrangulamiento, con respecto a la cota de la solera de éste canal de cola.

Canal de aguas arriba

Canal de

aproximación

Distancia a la estación de

aforo

Transición

convergente

Contracción

Embocadura

Transición

divergenteCanal de cola

Posillo de

amortiguación

Limnímetro

Fuente Bos (1986)

Figura N° 4.7 Par tes pr incipales de una obra de aforo para la medición de caudales a régimen cr ítico.

Dentro de las obras semejantes a las descritas se clasifican aquellos vertederos o aforadores en los que, a su

paso por la garganta, en la denominada sección de control, las líneas de corriente van casi paralelas, al menos

en una corta distancia en sentido longitudinal.

Los medidores de caudal a régimen crítico esencialmente consisten en la contracción de las líneas de flujo en

un canal abierto, de tal modo que se alcanza la altura crítica en la garganta de la estructura. La contracción se

produce por un estrechamiento en el canal, ya sea lateral , de fondo, o de ambos.

El desempeño hidráulico de una estructura de este tipo es similar al comportamiento de un vertedero de cresta

ancha. La relación altura – caudal de la mayoría de los medidores a régimen crítico tiene la siguiente forma :

ud HCQ=

(4.25)

Donde :

Cd = coeficiente de descarga que depende de las dimensiones de la garganta.

H = altura piezométrica sobre la cresta en el canal de aproximación.

u = factor que varía entre 1.50 y 2.50 dependiendo de la geometría del canal.

Z

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-31-

Algunos ejemplos de estructuras de medición de caudales a régimen crítico son : los Parshall, aforadores sin cuello, y aforadores de garganta larga.

4.5.1 Medidor Parshall

Este medidor a régimen crítico fue ideado por Ralp L. Parshall. En este aforador se aplica el aparato de Venturi y por lo tanto se usa el teorema de Bernoulli;.

En la literatura es posible encontrar las dimensiones estándar de los Parshall, así como sus relaciones altura caudal. El rango para la medición práctica de caudales con estas estructuras es de 0.09 lt/s a 93 m3/s.

La medición del nivel de agua en un Parshall se la hace en una de las paredes convergentes de la base

horizontal a la distancia de A32 , medida de la forma en que se ilustra en la Figura 4.8 En esta figura,

también se puede observar la geometría de un medidor Parshall, mas el detalle de sus dimensiones.

A

B

C

M T G

DW P

A A

PLANTA

CORTE A -A

2/3A

Medidor de tirantes

Ha

P

E

H

N K

Figura N° 4.8 Esquema de un aforador Parshall

Las dimensiones para diferentes magnitudes Parshall y las relaciones altura (H) – caudal (Q), se indican en el Cuadro 4.2. La identificación de los diferentes Parshall se la hace en base a su magnitud más representativa, el ancho de la garganta (W).

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-32-

Cuadro 4.2 Magnitudes de los aforadores Parshall más usados.

Parshall W A B C D T G Rango de Q Ecuación

[mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [lt/s] [m3/s]

1" 25.4 363 356 93 167 76 203 0.14 - 4.33

2” 50.8 414 406 135 214 114 254 0.311 - 8.66

3” 76.2 467 457 178 259 152 305 0.79 - 52.7

6” 152.4 621 610 394 397 305 610 1.53 - 110.7

9” 228.6 879 864 381 575 305 757 2.58 - 251.2

1' 304.8 1371.6 1343 609.6 844.6 609.6 914.4 4.9 - 455.9

Fuente Grant (1991)

55.1h*0604.0

551.1h*1209.0

547.1h*1771.0

58.1h*3812.0

53.1h*5354.0

026.0W*522.1h*W*4

Este medidor básicamente consta de las siguientes partes:

a) Una sección de entrada formada por dos muros convergentes, sobre un piso horizontal, a nivel, donde está ubicada la escala de medida, a 2/3 del punto final de la sección de convergencia.

b) Una garganta que es un elemento básico de medida y que puede tener diversas dimensiones, a la cual se le ha asignado la letra “W”. Esta garganta está formada por dos muros paralelos y verticales sobre un piso inclinado hacia abajo con pendiente de 2.67:1 que en conjunto se denomina cuello, es decir, la garganta es la intersección de la entrada con el cuello.

c) Una sección de salida formado por dos muros divergentes apoyados en un piso inclinado hacia arriba.

Las medidas del medidor Parshall deben ser cuidadosamente respetados para poder utilizar las mismas tablas dadas por el autor; pues de variar es necesario efectuar ensayos de calibración para ajustar los coeficientes de medida y corrección.

Ventajas:

• Permite medir con precisión tanto caudales pequeños como grandes, para tal fin se construyen de diversos materiales.

• Soluciona el problema de azolve muy comprometido y notorio en los vertederos, por mantenerse libre de obstrucciones gracias a su geometría y la velocidad en la garganta.

• El caudal no está influenciado por la velocidad de llegada.

• Las pérdidas de carga son insignificantes frente a otras estructuras.

• Su uso está recomendado tanto para el aforo de canales de riego, canales de drenaje así como de ríos pequeños.

• La velocidad de aproximación no afecta las medidas de caudal cuando el aforador es construido de acuerdo a las dimensiones dadas y son usadas cuando el ingreso de flujo es uniformemente distribuido y libre de turbulencia

Desventajas:

• Son generalmente más caros en su construcción que los vertederos.

• No pueden ser usados en lugares cercanos a las derivaciones.

• El flujo de entrada debe ser uniforme y la superficie del agua relativamente suave

Z

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• Sus mediciones son satisfactorias solo si la construcción es cuidadosa y exacta.

• Si no se construye con las dimensiones exactas la tabla de magnitudes no es confiable.

• Los pequeños aforadores requieren una pequeña perdida de carga para la medición de flujo modular; aunque las calibraciones de flujo sumergido son confiables no es recomendable diseñar aforadores para flujo no modular porque el manejo de las dos cargas consume tiempo y da como resultado mediciones de baja exactitud.

• Este aforador tiene el grave inconveniente de no poder adaptarse a nuestras condiciones topográficas accidentadas, como lo que es más insalvable aún, el hecho de tener que afrontar la gran dificultad de su construcción con los siguientes problemas de calibración y de poca adaptación a la forma de canales de riego; razón por la cual su empleo se hace cada vez más restringido.

4.5.2 Aforador sin cuello

Este medidor relativamente conocido con el nombre de “Cutthroat Flume” fue desarrollado en EE.UU., y al igual que los aforadores Parshall, las dimensiones están definidas por la amplitud de la garganta W y por la longitud total “L”.

La construcción es más simple que el Parshall, y está compuesta por dos partes fundamentales, así como lo muestra la Figura N° 4.9.

L2L1

W A

PLANTA

CORTE A -A

Medidor de tirantes

Ha

B

BA

13

16

L1

La

Figura N° 4.9 Esquema de un aforador sin cuello.

a) Una sección de salida, formada también por dos paredes verticales, pero divergentes en relación 6:1, sobre fondo también horizontal y continuado con respecto al anterior y donde se halla la escala de lectura Hb.

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-34-

b) La unión de estas dos secciones forma una contracción en la estructura, conocida como garganta de aforador, (W) la cual carece de cuello, de allí su denominación, tanto la sección de entrada como la de salida tienen un mismo ancho (B) que es función de la garganta y de la longitud del aforador (L) de acuerdo a la relación:

+=

5.4L

WB (4.26)

L = 4.5 W

h = 0.5 L

Ventajas:

Tal como se indicó en líneas anteriores, la ventaja de este aforador es evidentemente la facilidad de su construcción, ya que todas las dimensiones de su estructura giran en torno a los valores de L y W.

Para medir el caudal de los aforadores sin cuello se miden las cargas Ha y Hb, para luego hallar el grado de sumersión de acuerdo a S = Hb/Ha. Para cuatro dimensiones de L de este medidor son:

L = 0.90 m S = 65 %

L = 1.80 m S = 74 %

L = 2.70 m S = 80 %

L = 5.40 m S = 83%

Cuando estos medidores trabajan a descarga libre, la ecuación del caudal es:

nHaCQ = (4.27)

Donde;

Q = Caudal en m3/s

C = Coeficiente que depende de L y W

Ha = altura de agua en m.

n = Coeficiente de flujo libre que depende de L

W = Garganta del aforador en m.

Por otra parte:

025.1WKC = (4.28)

Donde los valores de K y n se determinan en función a la longitud L, siendo estos los siguientes:

L = 0.90 m K = 3.90 n = 1.84

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L = 1.80 m K = 2.50 n = 1.66

L = 2.70 m K = 2.10 n = 1.57

L = 5.40 m K = 2.00 n = 1.41

4.5.4 Aforador de garganta larga

Los aforadores de garganta larga son aforadores de sección crítica, en los cuales el flujo crítico se produce mediante una contracción tanto en las paredes laterales como en el fondo, o en ambos, así lo muestra la Figura N° 4.10.

La sección contraída se denomina “garganta”, y debe tener una longitud suficiente para que en ella las líneas de corriente sean prácticamente paralelas. En este sentido es que se denominan de “garganta larga”.

Ventajas:

Los aforadores de garganta larga tienen, según Bos et al (1986) las siguientes ventajas:

• Si ocurre el régimen crítico dentro de la sección de garganta, es posible calcular la curva de calibración con un error no mayor del 2%.

• Pueden lograrse diseños en los que es posible medir con gran exactitud el rango de caudales esperados.

• Las pérdidas de carga son mínimas y pueden estimarse con gran exactitud.

• Se tienen pocos problemas ocasionados por materiales flotantes, debido a que las transiciones de entrada y salida son graduales.

• Estos aforadores son, los más sencillos y económicos.

Figura N° 4.10 Esquema de los aforadores de garganta larga.

Los aforadores de garganta larga, de los cuales los vertedores de cresta ancha son un caso especial, han sido usados con éxito desde hace varios años.

Debido a que el flujo en la sección crítica es muy inestable, el tirante debe medirse en una sección aguas arriba del aforador, donde el flujo es subcrítico, y la superficie libre es estable. La sección de medición se ubica aguas arriba de la transición de entrada al aforador.

4.6 COMPARACION DE VENTAJAS Y DESVENTAJAS

Tomando en consideración los diferentes parámetros planteados para la comparación de los aforadores el Cuadro N° 4.3 muestra la comparación de los diferentes tipos de aforadores clasificados en tres grupos:

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a) Vertederos de cresta delgada

b) Vertederos de cresta ancha

c) Medidores a régimen crítico

Cuadro N° 4.3 Comparación de aforadores

TIPO DE OBRA VENTAJAS DESVENTAJAS

Vertederos de pareddelgada:

Rectangular,Triangular,

Trapezoidal oCipollety

-La construcción de vertederos es por logeneral de bajo costo.-Su construcción es sencilla, se lo hacecon material delgado o planchas de metal.-Los usuarios del agua pueden verificar lamedición de caudal

-No debe usarse para mediciones de altaprecisión-Se recomienda su uso en condiciones develocidad de acceso muy grande, haciendocorrecciones por velocidad.-Para su buen funcionamiento se requierede una calibración en laboratorio.-Los cuerpos flotantes no pueden pasar confacilidad y pueden causar daños queafectan la exactitud.-La medición es imposible cuando el nivelaguas abajo se eleva por encima de lacresta del vertedero-La perdida de carga es considerable.

-La lectura de caudal es fácil.-La construcción es simple.-Los cuerpos sólidos pasan sin problema.-La operación es fácil-Son los más económicos para medicionesde flujo exactas.-Requiere una pequeña caída de lasuperficie libre del agua a través de lainstalación.-La forma hidráulica es flexible y simpleporque pueden adaptarse a cualquierforma de canales, sin necesidad dereconstruir los canales.-Tiene mínima profundidad de carga,comparada con los aforadores de gargantalarga.

-El flujo debe ser modular (libre) para unamedida más exacta.-La utilización de vertederos de profundidadcrítica no es recomendable bajo condicionesde flujo no modular.-Si el aforador no es construido con lasdimensiones exactas, entonces seránecesario una calibración

Vertederos decresta ancha:

Medidores arégimen crítico:

Aforador Parshall,Aforador sin cuello,

y Aforador degarganta larga.

-Permite medir con precisión tantocaudales pequeños como medianos ygrandes.-Se mantiene libre de obstruccionesgracias a su geometría y la velocidad en lagarganta.-El gasto no está influenciado por lavelocidad de llegada.-Las pérdidas de carga son insignificantesfrente a otras estructuras.-Su uso está recomendado tanto para elaforo de canales de riego, canales dedrenaje y como de ríos pequeños.

-Son más caros en su construcción que losvertederos.-No pueden ser usados en lugares cercanos alas derivaciones.-El flujo de entrada debe ser uniforme y lasuperficie del agua relativamente suave-Sus mediciones son satisfactorias solo si laconstrucción es cuidadosa y exacta.-Si no se construye con las dimensionesexactas la tabla de magnitudes no esconfiable.-Los pequeños aforadores requieren unapequeña perdida de carga para la mediciónde flujo modular; aunque las calibracionesde flujo sumergido son confiables no esrecomendable diseñar aforadores para flujono modular.

Fuente: Elaboración propia

Z

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-37-

CAPITULO 5

TRABAJO DE CAMPO

5.1 INTRODUCCION

Una de las tareas fundamentales antes de diseñar cualquier obra hidráulica es la obtención de datos confiables y muy precisos mediante un reconocimiento previo y luego un levantamiento de los datos del terreno. Dentro de la actividad de la obtención de datos del terreno siempre es recomendable un reconocimiento previo a la zona de estudio, ya que una visita al lugar impone la manera más adecuada del levantamiento de datos.

Es así que en el presente capitulo se describen el reconocimiento de campo y el nivelamiento de los perfiles longitudinales de los canales en cuestión, para que luego con ayuda de estos datos se pueda diseñar el tipo de aforador más adecuado a las condiciones del lugar y de los usuarios.

5.2 RECONOCIMIENTO DE CAMPO

Se ha efectuado un reconocimiento de la zona de estudio con la ayuda del Presidente del Sistema de Riego El Paso, Sr. Cenon Patsi, quién con buena voluntad, me condujo a los puntos donde necesitan que se construyan los aforadores. También me expuso los diferentes problemas que actualmente atraviesa la infraestructura de riego de El Paso.

Las características más importantes observadas en el reconocimiento de campo fueron:

a) Los canales por lo menos en sus tramos principales tienen revestimiento con hormigón ciclópeo, sin embargo se apreció un notable desgaste de la solera del canal debido al arrastre de material grueso.

b) La pendiente de los canales de riego varían desde 0.8 % hasta 8 %, haciendo que el flujo sea supercrítico e inestable.

c) Existen dos aforadores en los puntos Camara Chillka (B) y Toma Retama (D) construidos por el PEIRAV, los cuales se encuentran descalibrados por el tiempo de uso que tienen, aproximadamente 14 años según el presidente de Riego de El Paso, Sr. Cenon Patsi.

d) La obra de toma Cebolla Huerta (A) fue reconstruida por los propios socios, sin embargo en la solera del canal aún existen infiltraciones de aproximadamente 10% del caudal total.

En esta etapa del trabajo de campo se tomaron algunas fotografías de los puntos de aforo en los canales de riego. Estas fotografías se muestran en el Anexo A, donde se puede apreciar el actual estado de los canales.

5.3 DEFINICION DE LOS PUNTOS DE AFORO

Los puntos de aforo definidos por los socios del sistema de riego El Paso son los siguientes:

Z

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-38-

Con un punto de aforo:

• (A) Bocatoma Cebolla Huerta

Con dos puntos de aforo:

• (B) Cámara Chillka

• (D) Toma Retama

• (20) Toma Chirimolle

Como se puede apreciar, los puntos de aforo son siete en total.

Los datos tomados en cuenta en el reconocimiento de campo se detallan en el Anexo B, donde se muestra los requerimientos de la medición de agua y las características geométricas de los puntos definidos por los usuarios.

5.4 NIVELAMIENTO DE LOS PUNTOS DEFINIDOS

Se ha realizado el levantamiento de los perfiles longitudinales de los canales de riego involucrados en los puntos anteriormente mencionados.

El trabajo de nivelamiento se lo hizo con ayuda de un equipo de nivelamiento que consta de un nivel de ingeniero, un trípode para el nivel de ingeniero, una regla de nivelamiento, una huincha, planillas de nivelamiento y otros.

Los puntos de partida para la nivelación denominados BM, fueron pintados con pintura de color rojo, para un posterior replanteo de los perfiles longitudinales y la construcción de los aforadores. Los puntos BM fueron establecidos en las cabeceras de los canales principales, alejados aproximadamente 30 metros de los puntos de bifurcación y unos 20 metros de los posibles puntos de medición donde se construirían los aforadores.

5.5 SECCION TRANSVERSAL Y PERFIL LONGITUDINAL DE LOS PUNTOS DE AFORO

El procesamiento de los datos de nivelamiento dio como resultado las secciones transversales y los perfiles longitudinales mostrados en el Anexo C, donde se muestran las pendientes promedios y las distancias tomadas en tramos rectos para cada punto de aforo.

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CAPITULO 6

ELECCION DE AFORADORES APTOS

6.1 INTRODUCCION

La elección de aforadores trajo consigo una serie de aspectos que deben ser tomados en cuenta, como por ejemplo los aspectos físicos del lugar donde se construirá la obra de aforo, los aspectos hidráulicos quedeterminarán la forma y dimensiones de la obra y lo más importante, dentro del aspecto social está la necesidad de medir el agua en los puntos de división de agua.

Todos estos aspectos en conjunto ayudaron a definir el aforador más apto aplicable a la zona de estudio.

6.2 CARACTERISTICAS DE LAS DIVISIONES DE AGUA

La bocatoma Cebolla Huerta tal como se observa en la Figura 6.1, tiene las siguientes características:

• Es una obra rústica, que cada periodo de lluvias es reconstruido.

• Su canal principal fue reconstruido recientemente por los socios del sistema de riego.

• Presenta infiltraciones de agua menores al 10 % de caudal.

L = 40 mts

So = 0.0083BM

Obra detoma

Obra detoma

BM

Canal principal

Figura N° 6.1 Croquis del per fil y planta de la Bocatoma Cebolla Huer ta (A)

Los puntos Cámara Chillka (B), Toma Retama (D) y Toma Chirimolle (20) son puntos de bifurcación de canales y sus principales características son:

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Como se puede apreciar en la Figura 6.2, el punto Cámara Chillka (B), se caracteriza por ser el punto donde se dividen las aguas provenientes de la Bocatoma Cebolla Huerta (A) en aguas hacia El Paso y aguas a Bella Vista. Se ha podido notar que existe una notable pérdida de agua en el canal principal aguas arriba (tramo del punto A al punto B), debido a que en el trayecto la mayor parte del canal no está revestido.

La erosión también juega un papel importante en estos canales, ya que existe un tramo de fuertes pendientes donde el Canal A sigue un cauce natural (canal de tierra) lo cual origina la erosión del lecho y posterior arrastre de sedimentos.

BELLA VISTA

EL PASO

BM 1.0 m

18.3 m

5.0

Regla sin suso

Canal sin uso actual

BELLA VISTA

EL PASOSo = 0.069

BM

So = 0.024

Figura N° 6.2 Croquis del per fil y planta de la Cámara Chillka (B)

En la Figura N° 6.3 se puede apreciar que el punto Toma Retama (D), presenta una bifurcación del canal principal en los canales A y canal B – C. Los canales de entrada y salida de esta toma presentan un revestimiento desgastado sobre todo en la solera. La distribución de agua en esta cámara se controla por dos compuertas metálicas de salida cuya manipulación es bastante difícil, debido al desgaste y mal uso que le dieron los usuarios.

Canal principal

2.5mRegla sin suso

Canal B-C

Canal A

2.5m

So =

0.0

30

So = 0.051

BM

15m

So = 0.030

Canal B-CCanal A

BM

Figura N° 6.3 Croquis del per fil y planta de la Toma Retama (D)

Z

e

o

n

P

D

F

D

r

i

v

e

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T

r

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a

l

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w

w

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e

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n

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c

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m

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t

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D

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n

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c

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m

.

t

w

-41-

De manera similar la Toma Chirimolle (20) presenta una bifurcación del canal B – C al canal B y canal C. El canal de salida C actualmente es de tierra, así lo muestra la Figura N° 6.4.

So = 0.016

Canal CCanal B

BM

Canal B-C

1.5m

Canal C

Canal B1.6m

So =

0.0

16

So =

0.0

44

BM

Canal B-C

Figura N° 6.4 Croquis del per fil y planta de la Toma Chir imolle (20)

Las estructuras de división de esta cámara presentan dos compuertas metálicas deslizables verticalmente, las cuales tienen un buen tiempo de uso, razón por la cual no trabajan de forma óptima.

Todas estas características tanto físicas de la zona de aplicación como las necesidades de los usuarios, exigen que los aforadores tengan las siguientes características:

a) Que sea de construcción maciza, sencilla y durable para resistir la erosión a causa del arrastre de material grueso.

b) Que su uso sea sencillo, en el que se pueda leer mediante una regla directamente los caudales, asegurando que en la sección donde se instalará la regleta (o limnímetro) exista un flujo de régimen subcrítico.

c) Que su costo de construcción sea bajo.

d) Que no presente ningún obstáculo frente a cuerpos sólidos para que no exista acumulación de sedimento grueso en la obra de aforo.

e) Que su construcción sea insitu con una fácil calibración posterior.

f) Que su mantenimiento y reconstrucción sea fácil de realizar.

g) Que tenga una precisión mayor cuando pasan caudales pequeños.

h) Que el ancho de la solera no sea menor a 30 cm, para permitir una manipulación libre del azadón cuando se desee limpiar la obra de aforo.

6.3 ELECCION DE LOS AFORADORES MAS APTOS

Una primera selección del aforador más apto, se la realizó en base a:

Z

e

o

n

P

D

F

D

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i

v

e

r

T

r

i

a

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n

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c

o

m

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t

w

-42-

• Los criterios de selección descritos en el Capitulo 2 del presente trabajo

• Comparando las ventajas y desventajas de los diferentes aforadores mostrados en el Cuadro N° 4.3.

• Tomando en cuenta las características físicas del lugar y las necesidades de los socios del sistema de riego El Paso.

Esta selección no fue tan sencilla, debido a que no se pudo definir fácilmente entre los aforadores de cresta ancha y los aforadores de garganta larga con solera constante. Es decir que como ambas estructuras mencionadas presentaban similares ventajas, se tubo que recurrir a otros parámetros de diferenciación más claros.

Por otro lado la forma de la sección de control también fue muy discutida. Es cierto que en un aforador de sección transversal de forma trapezoidal, se puede lograr lecturas más precisas para caudales bajos, sin embargo ésta forma abarca más espacio de terreno y además la cantidad de materiales necesarios para su construcción es mayor en comparación con aquellos de forma rectangular. Y más aún para adecuar a la forma rectangular de los canales existentes en el sistema de riego El Paso, es necesario obras de transición las cuales no son tan sencillas de construir. Es por estas razones que la forma de la sección transversal del aforador debe ser rectangular.

Con el fin de elegir la estructura de aforo más adecuada primeramente se procedió al diseñó un aforador de cresta ancha de acuerdo al flujograma de Bos (1986) tal como lo muestra la línea gruesa de la Figura N° 6.5, y luego con ayuda del programa de computación “Winflume Versión 0.66” se diseñó un aforador de garganta larga con solera constante, para el punto (A) Bocatoma Cebolla Huerta.

Z

e

o

n

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D

F

D

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o

n

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c

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m

.

t

w

-43-

Inicio

Describir el lugar demedición y

relacionarlas con lasnecesidades

¿Es posible instalar una obra

permanente?

Se puede elegir unaobra que satisfaga a

todas las necesidadesy exigencias

Decidir si la obraserá solo para medir

caudales o sitambién deberá

regularlos

Está elcanal revestido de

hormigón?

Diseño de vertederode cresta ancha

¿Elcaudal es menor a

0.4 m3/s?

¿Esnecesaria una gran

precisión?

Diseñar unaobra de aforo y

regulación

Calcularγ = Qmax/Qmin

Utilizar el método deárea - velocidad (con

molinete)¿Satisface este método?

Resultado 1

¿Es aceptable la obra?

Diseñar la obra demedicion en canal

de tierra

La obrasolamente necesita

medir?

Usar aforadoresportátiles

Elegir la obraprediseñada más

apropiada

Elegir el aparato demedición para laaltura de carga

Diseñar una obraoriginal con la teoría

de la hidráulicabásica

¿Enunciar qué es lono aceptable y por

qué?

¿La lista delas exigencias era

completa?

Resultado 2

NO

SISI

NO

SI

NO

NO

SI

NO

SI

NO

SI

NO

SI

NO

SI

¿Es γ < 35 ?¿Estará

la obra en un canal deriego?

¿Sedesea una obrapermanente?

¿Es γ < 335 ?

Comprobrar conobras de medición degarganta triangular

NO

SI SI

NONO

SI

Fuente Bos (1986)

NO

SI

Elegir el aparato demedición para laaltura de carga

Figura N° 6.5 Elección del aforador más adecuado.

Teniendo el diseño y las dimensiones de ambas estructuras para cada punto de aforo se procedió a la comparación de la magnitud de cada obra. Así por ejemplo el volumen de obra para el aforador de cresta ancha diseñado para el punto Cebolla Huerta (A), es:

Volumen de obra = 0.15*1.15*5.05*2+5.10*1.15*0.2 = 2.91 m3

Z

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c

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t

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-44-

Para un aforador de garganta larga y solera constante, la magnitud de la obra es:

Volumen de obra = 6.00*0.15*1.20*2+0.20*6.00*1.15=3.54 m3

Lo cual significa que el aforador de garganta larga tiene un 18% de volumen de obra más que el aforador de cresta ancha, de acuerdo a un previo diseño para el punto Cebolla Huerta, así como se muestra en la Figura 6.6 y 6.7

0+028

999

998

997

1000

0.90

1.15

2.10

0+030 0+032

0.30

2.05

0+034 0+036

Soladura diàmetro 15 cm

Hormigón Armado

Hormigon ciclópeo 60%

So = 0.0083

So = 0.0083

N.A.MAX

N.A.MIN

CRESTA

0.150.15

0.30

0.15

0.85

1.00

0.64

0.100.20

1.15

5.05

Figura N° 6.6 Diseño de aforador de cresta ancha

Z

e

o

n

P

D

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n

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c

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w

-45-

999

998

997

1000

0.50

1.20

2.00

0+030 0+032

3.00

0+034 0+036

Soladura diàmetro 15 cm

Hormigón Armado

Hormigon ciclópeo

So = 0.0083 So = 0.0083

N.A.MAX

N.A.MIN

0.50

6.003.00

0.500.85

2.00 0.50 0.50

0.50

0.15

0.150.850.15

1.05

0.50

0.100.20

1.20

Figura N° 6.7 Diseño del aforador de garganta larga con solera constante

Esta comparación dio como resultado que el aforador de garganta larga necesita mayor cantidad de materiales y el reforzamiento con hormigón armado, no solo de la solera sino también de las paredes de los aforadores de garganta larga, debido a que en la sección contraída se desarrollarán velocidades supercríticas que desgastarán las paredes al paso del material grueso.

Finalmente se concluyó que el tipo de aforador más adecuado y apto para ser diseñado y posteriormente construido en los puntos de distribución del sistema de riego El paso, fue el ver tedero de cresta ancha (RBC). Este aforador se adapta a las condiciones físicas del medio, a las necesidades de los usuarios y su uso es muy sencillo.

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-46-

CAPITULO 7

DISEÑO DE AFORADORES

7.1 INTRODUCCION

En este capitulo se muestra el procedimiento de calculo para diseñar los vertederos de cresta ancha de sección rectangular que serán construidos en los puntos de aforo definidos en el anterior capítulo. También se describen las ecuaciones que rigen el comportamiento hidráulico, y las condiciones que deben cumplir dichas ecuaciones.

7.2 PROCEDIMIENTO DE CALCULO

Para el desarrollo del diseño se partieron de los datos recogidos de campo, luego con ayuda de las ecuaciones que rigen el comportamiento hidráulico en el aforador de cresta ancha se obtuvieron las dimensiones de diseño.

7.2.1 Caracter ísticas geométr icas e hidráulicas

Las siguientes variables han sido tomadas en cuenta en el diseño de los vertederos.

• Coeficiente de Manning n

• Pendiente de la solera So (m/m)

• Ancho de la solera B (m)

• Tirante máximo Ymax (m)

• Tirante mínimo Ymin (m)

• Caudal máximo Q max (m)

• Caudal mínimo Q min (m)

7.2.2 Fórmulas usadas

La ecuación que rige el comportamiento hidráulico en un vertedero rectangular de cresta ancha es:

23

1d H*g32

*B*C32

Q = (7.1)

Despejando la altura H1 se obtiene:

Z

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-47-

32

d

1

g32

*B*C*32

QH

= (7.2)

Donde el coeficiente de descarga para este tipo de vertederos se define como:

LH*10.093.0C 1

d += (7.3)

El valor de la relación H1/L varía según Bos (1986), 0.1< H1/L < 1

El tirante crítico Yc para una sección rectangular se determinó bajo la siguiente ecuación:

31

2

c gBQ

Y

= (7.4)

El diseño de este aforador esta regido por las siguientes dos condiciones que debe satisfacer el valor de p1 y Y1:

1121

2

2

1 pHY*B*g*2

QY +=+ (7.5)

12 h32h ≤ (7.6)

De acuerdo a la figura 7.2, se puede definir:

h2 = Y2 – p1

h1 = Y1 – p1

Sustituyendo en la ecuación (7.6) llega a tener la siguiente forma:

()1112 pY

32pY −≤− (7.7)

Donde el valor de Y2, es el tirante aguas abajo en condiciones normales, y puede ser resuelta por la ecuación de Manning.

Partiendo de un valor inicial de p1, se obtiene Y1 con la ecuación (7.5) y luego se verifica si cumple la ecuación (7.6), si no cumple estas ecuaciones entonces se busca otro valor de p1 hasta que ambas ecuaciones sean satisfechas.

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c

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t

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-48-

Luego con los nuevos valores de H1 y L se calcula nuevamente el valor de Cd el cual debe ser igual al Cdimpuesto al principio, de lo contrario se debe realizar una iteración de estos valores hasta que el valor de Cdno sufra variaciones.

Finalmente usando las ecuaciones (7.8) hasta (7.11) se llega a determinar las dimensiones del aforador de cresta ancha, de acuerdo al esquema mostrado en la Figura N° 7.2

L > 3*h1 (7.8)

La = 3*H - Lb (7.9)

Lb > 3*p1 (7.10)

w1 > 0.2*h1 (7.11)

p2

YcY1

Qh1

Y2h2

w

31

V1^2/(2*g)

LLb

H1

p1

V2^2/(2*g)

H2

∆ H

La

Figura N° 7.2 Esquema de diseño para ver tederos de cresta ancha

El Anexo D muestra la memoria de calculo, para el diseño de los aforadores localizados en los siete puntos del sistema de riego El Paso.

Un resumen de las dimensiones de los aforadores diseñados se muestra en el Cuadro N° 7.1. Estas dimensiones fueron verificadas y calibradas con ayuda del programa “Winflume versión 0.622”

Cuadro N° 7.1 Dimensiones de los aforadores de cresta ancha

Qmax Qmin y1max y1min So error B p1 L La Lb w1

(m3/s) (m3/s) (m) (m) (m/m) (m) (m) (m) (m) (m) (m) (m)

Bocatoma Cebolla Huerta (A) 0.89 0.29 0.98 0.64 0.008 0.025 0.015 0.85 0.30 2.05 2.10 0.90 0.15

Toma Chillka 1 (B) 0.79 0.07 0.81 0.38 0.069 0.025 0.007 1.00 0.25 1.70 1.70 0.75 0.15

Toma Chillka 2 (B) 0.79 0.07 0.81 0.38 0.024 0.025 0.007 1.00 0.25 1.70 1.70 0.75 0.15

Toma Retama 1 (D) 0.74 0.06 0.87 0.34 0.030 0.025 0.007 0.70 0.20 2.00 2.40 0.60 0.15

Toma Retama 2 (D) 0.74 0.06 1.11 0.39 0.051 0.025 0.007 0.45 0.20 2.65 3.40 0.60 0.20

Toma Chirimolle 1 (20) 0.69 0.06 0.88 0.35 0.016 0.025 0.007 0.65 0.20 2.05 2.40 0.60 0.15

Toma Chirimolle 2 (20) 0.69 0.06 1.05 0.35 0.044 0.025 0.007 0.42 0.15 2.60 3.55 0.45 0.20

Punto de aforo n

Las dimensiones de los siete aforadores también son mostrados en el Anexo E.

Y finalmente el Anexo F muestra las curvas de calibración H-Q para los diferentes aforadores, los cuales dan a conocer en forma directa los caudales para cada punto de aforo.

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-49-

7.3 DISEÑO DE ARMADURA PARA LOS OBRAS DE AFORO

Con el fin de evitar la erosión causada por las altas pendientes y velocidades desarrolladas en casi todos los aforadores diseñados, se ha previsto diseñar una armadura en la solera de la sección de control para todos los aforadores. Es así que de acuerdo a las especificaciones de requerimiento mínimo de la Norma Boliviana se ha procedido al diseño de dicha armadura llegando a tener la siguiente disposición de fierros, por ejemplo para el aforador del punto Bocatoma Cebolla Huerta se tiene la disposición mostrada en la Figura N° 7.3.

2.10 0.90 2.050.10

Regla graduada

Ø 6mm c/30

Ø 6mm c/20

0.450.30

Figura N° 7.3 Diseño de armadura

Los demás aforadores tendrán la misma disposición de fierros de acuerdo a las dimensiones que tengan.

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-50-

CAPITULO 8

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

8.1 CONCLUSIONES

En base a los resultados alcanzados en los capítulos anteriores, se presentan las siguientes conclusiones:

En cuanto a los objetivos trazados en la presente investigación

• Se ha logrado realizar un inventario de los aforadores más conocidos, comparar las ventajas y desventajas de estos e identificar el más adecuado para su utilización en el área de aplicación.

• Se pudo identificar los puntos de aforo más importantes dentro del sistema de riego de la zona de estudio.

• Se ha llegado ha identificar las necesidades sociales, las características físicas e hidráulicas de los puntos de aforo.

• Se ha podido definir que la estructura de aforo más adecuada en el sistema de riego de El Paso, es el vertedero de cresta ancha o RBC. Este aforador se acomoda a las exigencias de los usuarios y a las condiciones de nuestra región.

• Se diseñaron los aforadores de cresta ancha para los siete puntos de aforo. Además se hizo el diseño del reforzamiento con Hormigón Armado de la solera de las secciones de dichos aforadores.

• Se consiguió calibrar matemáticamente los aforadores diseñados con ayuda del programa “Winflume versión 0.622”

• Se ha elaboró una tabla de valores de caudal (Q) Vs. altura de agua (H), para las siete obras de medición.

• Se podrá leer los caudales en la regleta de medición de los puntos de aforo del sistema de riego, con una precisión de +/- 0.007 m.

En cuanto al impacto social:

• Con la construcción de estos aforadores se logrará una mejor distribución del agua, y se podrá distinguir las aguas provenientes de las diferentes sistemas de riego.

• Se podrán controlar los caudales suministrados a cada sistema de riego, en especial cuando existen robos de agua en los tramos intermedios a los puntos definidos en la zona de estudio.

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8.2 RECOMENDACIONES

Las siguientes recomendaciones están dirigidas a la construcción de los siete aforadores diseñados en el presente trabajo de investigación.

En cuanto a la construcción de los aforadores:

• La construcción de los aforadores deberá obedecer estrictamente las dimensiones de los diseños presentados en el Anexo E.

• Los diseños elaborados en el Anexo E fueron calibrados con ayuda del programa “Winflume, versión 0.66”, sin embargo luego de la construcción de estas estructuras se recomienda realizar una nueva calibración para que las regletas de medición funcionen correctamente.

• Las regletas de medición deberán ser construidas con plancha metálica de acero esmaltado o pletina de aluminio, adoptando las divisiones de caudal a cada nivel de acuerdo a los valores H-Q mostrados en el Anexo E.

En cuanto al mantenimiento de las obras de aforo:

• Se deberá realizar una limpieza de los aforadores cada inicio de periodo de lluvias, sin dañar las paredes ni el lecho de las estructuras de aforo.

• De la misma forma deberá hacerse la limpieza de las regletas de medición cuando sea necesario, con herramientas adecuadas, evitando dañar las graduaciones de las mismas.

En cuanto a la forma de operar las obras de medición:

• Las lecturas de las regletas se darán en forma directa del caudal de agua en (m3/s).

• Se podrán leer los caudales en la regleta de medición de todos los puntos de aforo, con una precisión de +/- 0.007 m.

• Se recomienda verificar constantemente el buen funcionamiento de estas, y si existieran datos erróneos, luego de una comparación con datos anteriores, se necesitará una nueva calibración.

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-52-

BIBLIOGRAFÍA

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INDICE

Pag.

CAPITULO 1ASPECTOS GENERALES ................................................................................................................................ 11.1 INTRODUCCION................................................................................................................................... 11.2 ANTECEDENTES.................................................................................................................................. 1

1.2.1 Descripción del área de estudio.................................................................................................... 11.2.1.1 Ubicación del área de estudio.......................................................................................... 21.2.1.2 Características geográficas .............................................................................................. 2

1.2.2 Sistema de riego actual................................................................................................................. 21.2.2.1 Sistema de aguas del río .................................................................................................. 21.2.2.1.1 Períodos pluviométricos anuales ................................................................................... 41.2.2.1.2 Tipos de Agua .............................................................................................................. 41.2.2.1.3 Cuencas y Sistemas ...................................................................................................... 4

1.2.3 Infraestructura de riego.................................................................................................................. 51.2.3.1 Bocatoma Cebolla Huerta (A) ......................................................................................... 61.2.3.2 Canal de conducción principal A – B.............................................................................. 71.2.3.3 Bocatoma Chocaya (I)..................................................................................................... 71.2.3.4 Cámara Ch’illca (B) ........................................................................................................ 71.2.3.5 Toma Retama (D)............................................................................................................ 71.2.3.6 Cámara Chirimolle (20)................................................................................................... 7

1.3 JUSTIFICACION.................................................................................................................................... 71.4 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA DE INVESTIGACION.......................................................... 81.5 PREGUNTA CENTRAL ........................................................................................................................ 8

1.5.1 Subpreguntas ................................................................................................................................ 81.6 OBJETIVO GENERAL .......................................................................................................................... 8

1.6.1 Objetivos específicos ................................................................................................................... 8

CAPITULO 2METODOLOGIA............................................................................................................................................. 102.1 INTRODUCCION................................................................................................................................. 102.2 PRIMERA ETAPA: RECONOCIMIENTO DE CAMPO .................................................................... 102.3 SEGUNDA ETAPA: INVENTARIO DE AFORADORES.................................................................. 112.4 TERCERA ETAPA: DISEÑO Y CALIBRACION. ............................................................................ 132.5 CUARTA ETAPA: EDICION DE LA INVESTIGACIÓN.................................................................. 14

CAPITULO 3MARCO CONCEPTUAL ................................................................................................................................ 153.1 INTRODUCCION................................................................................................................................. 153.2 CONCEPTOS RELATIVOS A LOS SISTEMAS DE RIEGO............................................................. 153.3 CONCEPTOS RELATIVOS A LA MEDICION DE CAUDALES ..................................................... 15

CAPITULO 4COMPARACION DE AFORADORES FIJOS................................................................................................ 204.1 INTRODUCCION................................................................................................................................. 204.2 OBRAS DE MEDICION. ..................................................................................................................... 204.3 VERTEDEROS DE CRESTA DELGADA .......................................................................................... 21

4.3.1 Vertedero rectangular................................................................................................................. 234.3.2 Vertedero triangular ................................................................................................................... 254.3.3 Vertedero trapezoidal (Cipolletti) .............................................................................................. 264.3.4 Algunas consideraciones mínimas sobre la instalación de vertederos......................................... 26

4.4 VERTEDEROS DE CRESTA ANCHA (RBC).................................................................................... 27

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4.4.1 Criterios de construcción............................................................................................................ 294.4.1.1 Bordo libre del canal ..................................................................................................... 294.4.1.2 Control de errores.......................................................................................................... 29

4.5 MEDIDORES A REGIMEN CRITICO................................................................................................ 304.5.1 Medidor Parshall ........................................................................................................................ 314.5.2 Aforador sin cuello..................................................................................................................... 334.5.4 Aforador de garganta larga......................................................................................................... 35

4.6 COMPARACION DE VENTAJAS Y DESVENTAJAS...................................................................... 35

CAPITULO 5TRABAJO DE CAMPO................................................................................................................................... 375.1 INTRODUCCION................................................................................................................................. 375.2 RECONOCIMIENTO DE CAMPO...................................................................................................... 375.3 DEFINICION DE LOS PUNTOS DE AFORO .................................................................................... 375.4 NIVELAMIENTO DE LOS PUNTOS DEFINIDOS ........................................................................... 385.5 SECCION TRANSVERSAL Y PERFIL LONGITUDINAL DE LOS PUNTOS DE AFORO ........... 38

CAPITULO 6ELECCION DE AFORADORES APTOS ....................................................................................................... 396.1 INTRODUCCION................................................................................................................................. 396.2 CARACTERISTICAS DE LAS DIVISIONES DE AGUA.................................................................. 396.3 ELECCION DE LOS AFORADORES MAS APTOS.......................................................................... 41

CAPITULO 7DISEÑO DE AFORADORES.......................................................................................................................... 467.1 INTRODUCCION................................................................................................................................. 467.2 PROCEDIMIENTO DE CALCULO .................................................................................................... 46

7.2.1 Características geométricas e hidráulicas................................................................................... 467.2.2 Fórmulas usadas ......................................................................................................................... 46

7.3 DISEÑO DE ARMADURA PARA LOS OBRAS DE AFORO........................................................... 49

CAPITULO 8CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................................................................... 508.1 CONCLUSIONES................................................................................................................................. 508.2 RECOMENDACIONES ....................................................................................................................... 51

BIBLIOGRAFÍA.............................................................................................................................................. 52ANEXOS

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