3. ESTIMACIONES DEL CAUDAL DE AGUA

Nota: este método puede resultar más exacto si se aumenta la distancia de AA a BB a 30 m, a 50 m o incluso a 100 m. Se recomienda una distancia mayor entre AA y BB si la corriente es rápida. Cuanto más veloz sea el agua, mayor deberá ser la distancia.

Nota: puede aumentar la exactitud de este método si se incrementan las medidas del tiempo a 5, 7 o incluso 10 veces.

• cuanto mayor sea el tiempo medido, menor será el número de medidas que se necesiten;
• cuanto más largo sea el tiempo medido, mayor será la diferencia entre cada cifra.

Ejemplo

Distancia de AA a BB = 20 m.

Ha soltado el flotador cinco veces y ha medido el tiempo que tarda en ir de AA a BB como 50, 47, 51, 48 y 54 segundos.

Por término medio ha flotado 50 + 47 + 51 + 48 + 54 =(250 � 5) = 50 s.

Velocidad de la superficie del agua = 20 m � 50 s or 0.4 m/s.

Velocidad media del agua = 0.4 m/s x 0.85 (coeficiente de corrección) = 0.34 m/s.

3.5 Método del colorante y la sección transversal

Este es un método para medir caudales de agua pequeños y grandes con mediana exactitud, y en él se emplea un colorante del agua en vez de un flotador para medir la velocidad de está.

Mida el tiempo (ti1 en segundos) que tarda la parte delantera del colorante en Ilegar a la línea BB.

Arroje una pequeña cantidad de colorante en el centro del arroyo, un poco por encima de la línea AA, de manera que quede una mancha en el agua.

Nota: el permanganato potásico y la fluoresceína son soluciones colorantes convenientes que pueden obtenerse en la farmacia.

Mida el tiempo (t₂,  en segundos) que tarda la parte delantera del colo­rante en Ilegar a la línea BB.

Calcule el tiempo medio que tardan la parte delantera y trasera de la mancha de colorante en Negar a la línea BB, sumando t, y t₂ y dividiendo el resultado por 2.

Tiempo que tarda la mancha de colorante (t1) en Ilegar a la línea BB =
95 s
Tiempo que tarda la parte posterior de la mancha de colorante (t₂) en
Ilegar a la línea BB = 105 s

Tiempo total: 95 + 105 = 200 s

Tiempo medio: 200 -r- 2 = 100 s.

Calcule la velocidad del agua (en m/s) dividiendo la distancia de AA a BB (en m) por el tiempo medio (en s).

Nota: cuando usa un colorante no tiene que multiplicar la velocidad del agua por un coeficiente de corrección como cuando emplea un flotador.

Ejemplo

Distancia de AA a BB = 20 m
Tiempo medio = 100 s
Velocidad del agua = 20 m 4- 100 s

Calcule la sección transversal media del arroyo como se describe (Sección 3.4.

Ejemplo

Sección transversal media = 1,8 m².

El caudal de agua equivale a la velocidad del agua multiplicado por la sección transversal media.

Ejemplo

Velocidad del agua = 0,2 m/s
Sección transversal media = 1,8 ^m2
Caudal de agua = 0.2 m/s x 1.8 m² = 0.36 m³/s or 0.36 m³/s x 1 000 = 360 l/s

¿Qué es una presa?

Una presa es una obstrucción que se pone a través del arroyo y que obliga al agua a pasar por una entalladura. Las presas son de muchas clases y formás. En esta sección nos ocuparemos de dos clases, la triangular y la rectangular.

En la presa triangular y en la rectangular la entalladura empleada tiene bordes agudos, de manera que el agua que pasa por encima de la presa tocará sólo una línea fina; la anchura de la entalladura es menor que la anchura de la corriente (presa contraída).

Cuando la presa está en su lugar a través del arroyo, aumenta el nivel del agua aguas arriba. Para ser eficaz, la presa debe crear una calda vertical suficiente entre el fondo de la entalladura y la superficie del agua aguas abajo. En este caso, la cortina de agua cae libremente y el aire circula detrás de ella.

El coronamiento de una presa es el borde inferior de la entalladura. En una presa rectangular, la longitud del coronamiento es la anchura de la entalladura. En una triangular (o presa de entalladura en V) la longitud del coronamiento es cero.

La altura de una presa es la distancia vertical desde el coronamiento hasta la superficie tranquila del agua aguas arriba.

Ventajas e inconvenientes de las presas

Ventajas:

• Permiten medir el caudal con facilidad y exactitud; se construyen
• Fácilmente y sólo necesitan poco mantenimiento; la broza flotante
• Pequeña pasa fácilmente por la entalladura; son duraderas.

Inconvenientes:

• necesitan mucha altura de caída para funcionar debidamente;
• la broza grande puede obstruir la entalladura y cambiar el flujo de
  agua;
• pueden ocurrir cambios de calibración si se modifica el canal aguas
  arriba, como por ejemplo cuando se forman sedimentos detras de
  la presa
  .

Dónde construir la presa

Una presa debe construirse en un canal que sea recto aguas arriba de ella, con una distancia minima por lo menos 10 veces mayor que la longitud del coronamiento de la presa.

Para aumentar la exactitud, haga la presa en el extremo inferior de un remanso largo, ancho y profundo para que el agua se aproxime con lentitud, regularidad y sin remolinos.

La velocidad del agua inmediatamente aguas arriba de la presa no deberá exceder de 0,14 m/s.

Haga la presa donde el nivel del agua aguas arriba (detras de la presa) no cause pérdidas añormales de agua al inundar las orillas del arroyo o pérdidas por infiltración en la parte superior de las orillas, que no estaban sumergidas anteriormente. Tiene que tener especial cuidado en terrenos Ilanos o donde haya canales o zanjas junto al arroyo, que queden debajo del nuevo nivel del agua detrás de la presa.

Para obtener medidas exactas del caudal con una presa triangular asegúrese de que:

• la altura del agua es mayor de 5 cm;
• la altura del coronamiento por encima del fondo del arroyo aguas
  arriba de la presa es más de 2 o 3 veces mayor que la altura del agua;
• la caída de agua detrás de la presa es lo bastante alta para crear una caída vertical suficiente para que el agua caiga libremente.

Nota: antes de comenzar a construir la presa, haga planes cuidadosos que reúnan las condiciones anteriores de altura, altura del coronamiento y calda del agua. Tenga especial cuidado de la anchura del arroyo (si es posible, que sea más de 7 veces mayor que la altura máxima del agua) y de su profundidad donde intente construir la presa, porque una vez que la haya construido sera difícil modificarla.

Si el caudal de agua es superior a la mayor cifra anterior (110 l/s) tendrá que hacer un cálculo aproximado de la profundidad de la entalladura necesaria. Empleando el Cuadro 4, determine la altura (en cm) correspondiente al caudal máximo de agua (en l/s) que se va a medir y añada unos 10 cm al valor de la altura para obtener la profundidad de la entalladura corregida.

Cómo disertar una presa rectangular

El tipo de presa rectangular que se examina en esta sección tiene una entalladura rectangular con una longitud de coronamiento inferior a la anchura del arroyo. Los tres bordes de la entalladura tienen que ser agudos y de no más de 3 mm de espesor.

Para obtener medidas exactas del caudal con una presa rectangular, asegúrese de que:

• la altura del agua es de más de 5 cm;
• la longitud del coronamiento es por lo menos de 15 cm y debería ser preferiblemente 3 veces mayor que la altura máxima del agua que se va a medir;
• la altura del coronamiento por encima del fondo del arroyo aguas arriba de la presa es mayor que 2 o 3 veces la altura del agua;
• la distancia de los lados de la entalladura hasta los lados del canal del arroyo debe ser más de 2 veces mayor que la altura máxima del agua que se va a medir;
• la caída del agua detrás de la presa debe ser lo bastante alta para que el agua caiga libremente.

Nota: antes de comenzar a construir la presa haga sus planes cuidadosamente para satisfacer las condiciones anteriores de altura, altura del coronamiento y caída del agua. Tenga especial cuidado de la anchura del arroyo; si es posible, que sea m�s de 7 veces mayor que la altura m�xima del agua, y de la profundidad donde intenta construir su presa. Una vez que la presa esté construida sera dificil modificarla.

Construcción de una presa de madera

Se puede construir una presa con tablones o planchas de madera muy ajustados que se sujetan medíante piezas verticales de madera en ambos lados.
El espesor de la madera que emplee dependerá de la anchura del arroyo y de la fuerza de la corriente de agua. En arroyos muy pequeños se pueden usar maderas ligeras, pero para corrientes grandes y fuertes necesitará maderas macizas o de construcción.

Mida la anchura del arroyo y la distancia desde las partes superiores de la orilla hasta el lecho para determinar el tamaño de la presa que tiene que construir. Una presa debe tener anchura y altura suficientes para que encaje bien en las orillas y fondo del arroyo de modo que esté bien sustentada e impida fugas de agua por los lados y debajo de la presa.

Construya la presa de manera que quede espacio suficiente en el centro entre las piezas verticales, para la entalladura del tamaño que necesitará.

Cubra las juntas de las planchas o tablones de madera con listones de madera para impedir fugas de agua.

Una vez que ha construido la presa, puede hacer la entalladura en el borde superior.

Presa triangular

Cómo construir una entalladura triangular de 90°:

• busque el punto central en el borde superior de la presa;
• en cada lado de este punto mida y marque una distancia igual a la altura de la entalladura (digamos 30 cm) que va a emplear;
• en el centro del punto trace una línea en �ngulo recto hacia abajo, igual en longitud a la altura de la entalladura;
• una el extremo de esta línea con las dos marcas en el borde superior de la presa. De esta manera ha construido una entalladura triangular de ángulo recto;

• con una sierra corte cuidadosamente la entalladura;
• compruebe con una escuadra la entalladura que ha hecho para ver
  si tiene una abertura de 90° y que todas las demás medidas son
  exactas;
• si es necesario, refuerce las planchas o tablones que haya cortado.
  Haga esto con refuerzos de madera en la parte aguas abajo de la
  presa;
• lime los dos lados de la entalladura hasta formar ángulo con el borde agudo de no más de 3 mm en el lado aguas arriba de la presa.

Construcción de una presa con otros materiales

También se puede construir una presa con láminas de metal o planchas onduladas de tejados.

Láminas de metal

El espesor y fuerza de la lámina de metal que tenga que emplear dependerán de la velocidad del agua y del tamaño del arroyo.

Cuando haga una entalladura en una lámina de metal tenga cuidado de que los bordes sean rectos y agudos. Puede pedir ayuda al herrero local.

Nota: si una presa de láminas de metal necesita refuerzos adicionales, deje las estacas verticales que ha puesto en el arroyo para marcar la posición de la presa, pero asegúrese de quitarlas delante de la entalladura.

Plancha acanalada de tejado

Este metal acanalado es fácil de encontrar en grandes planchas y mucho más barato que las láminas de metal.

Las planchas onduladas tienen el inconveniente de que se doblan a lo largo de las ondulaciones. Si éstas se colocan a través de la corriente y la presa está bien empotrada en las orillas y el fondo, la plancha sera lo bastante fuerte.

Una entalladura que se haga en una plancha ondulada sera irregular y dará un resultado menos exacto. Para evitarlo ponga un trozo de madera en el centro de la plancha y haga la entalladura como se describe para una presa de madera normal.

Nota: si una presa de planchas onduladas necesita refuerzos adicionales, deje las estacas verticales que ha clavado en el arroyo para marcar la posición de la presa, pero asegúrese de quitarlas delante de la entalladura.

Para obtener una medida exacta es esencial que su presa:

• se construya en �ngulo recto (90�) respecto del flujo de agua;
• se coloque exactamente vertical, en �ngulo de 90� con la superficie del agua.

Cuando instale o construya una presa en el lugar, compuebe esto periódi-camente.

Empleo de una presa para determinar el caudal de agua

Se emplea una presa para determinar el caudal de agua midiendo la altura, o diferencia entre el nivel del coronamiento de la presa y el nivel del agua, aguas arriba de la presa.
El nivel del agua que pasa por el coronamiento de la presa no sera tan alto como el del agua aguas arriba, porque al aproximarse el agua a la presa, el nivel comienza a descender antes de pasar por encima del coronamiento.

Para medir la altura, o el nivel del agua constante aguas arriba equivalente al de la presa, tendrá que transferir un punto igual a la altura del coronamiento a otro punto aguas arriba donde el nivel del agua sea constante.

Determine el punto aguas arriba midiendo una distancia encima de la presa que sea por lo menos 10 veces la profundidad de la entalladura de la presa.

Preparación de un punto aguas arriba para medir la altura cuando se ha desviado el agua

Si ha desviado el agua del canal para construir la presa, será más fácil preparar este punto aguas arriba.

Clave una estaca en el fondo del arroyo cerca de la orilla en el punto aguas arriba que haya seleccionado. Empleando un nivel de albañil y una tabla derecha transfiera la altura del coronamiento de la presa a la estaca. Siga clavando la estaca hasta que su parte superior esté a la misma altura que el coronamiento de la presa.

Deje ahora que el agua regrese al canal. Asegúrese de que esté cerrada la zanja de desviación de manera que cuando el nivel exceda al de la presa no se perderá agua (véase pág. 63). Cuando se ha alcanzado el nivel constante aguas arriba, el tope de la estaca estará debajo del agua.

Compruebe que la presa funcíona debidamente

Compruebe la altura colocando una vara de medir con la marca cero en el fondo, encima de la estaca y leyendo la profundidad al ras del agua.

Preparación de un punto aguas arriba para medir la altura cuando no se ha desviado la corriente de agua

Si no ha desviado el agua del canal para construir la presa, tendrá que preparar este punto aguas arriba mientras el agua está en el canal.

Clave una estaca en el fondo del arroyo cerca de la orilla en el punto aguas arriba que haya seleccionado.
La estaca deberá ser lo bastante alta para que quede por encima de la superficie cuando el nivel del agua alcanza su altura máxima.

Ponga la vara de medir, con el O en el fondo, en la entalladura de la presa. La vara debe ser un poco más larga que la altura de la entalladura. Empleando un nivel de albañil y un tablero recto, pase la altura de la parte superior de la vara de medir a la estaca y márquela, poniéndola junto a la estaca.

Quite la vara de medir de la entalladura y póngala junto a la estaca atándola a ella a la altura de esta marca.

Compruebe que la presa funciona debidamente

Averigüe la altura leyendo la profundidad en la vara de medir en la superficie del agua.

Hemos visto las presas triangulares se emplean en general para medir caudales pequeños de agua, y las rectangulares para los grandes. Por esta razón, mida la altura de una presa triangular con una vara de medir graduada en medios centímetros, y la de una presa rectangular con una vara graduada en centímetros.

Nota: cuando mida la altura en el punto aguas arriba, tenga cuidado de no perturbar la superficie del agua (por ejemplo, metiéndose en ella), ya que esto puede hacer imprecisa la lectura de la altura.

Mantenimiento de una presa

Para asegurarse de que se estima exactamente el caudal de agua empleando una presa, ésta tiene que estar siempre en buenas condiciones:

• limpie la presa y quite la broza flotante que quede en la entalladura;
• quite los sedimentos que se acumulen en el lado aguas arriba de la presa;
• controle la erosión del fondo del arroyo en el lado aguas abajo de la presa;
• compruebe la alineación de la presa, tanto verticalmente(desde la superficie del agua) como perpendicularmente con respecto al movimiento del agua;
• compruebe que la presa es estanca;
• compruebe que la marca O en la vara de medir aguas arriba está a la altura del coronamiento de la presa.

Cómo calcular el caudal de agua empleando una presa

Presa triangular

Cuando se emplea una presa triangular, la altura se mide al medio centimetro más próximo en el punto de medida aguas arriba. Cuando haya determinado la altura emplee el Cuadro 4 para determinar el caudal de agua (en l/s).

Ejemplos

El nivel de agua constante en el punto de medida aguas arriba está más próximo a 23,5 cm; ésta es la altura en la presa. Empleando el Cuadro 4 observará que para una altura de 23,5 cm, el caudal de agua = 36,68 l/s.

El nivel de agua constante en el punto de medida aguas arriba es de 34 cm; es la altura en la presa. Empleando el Cuadro 4 observará que para una altura de 34 cm el caudal de agua = 92,35 l/s.

Presa rectangular

Cuando se emplea una presa rectangular, la altura se mide al centímetro más próximo en el punto de medida aguas arriba. Cuando haya determinado la altura, emplee el Cuadro 5y en la columna correspondiente a la longitud del coronamiento de la presa encontrará el caudal de agua en l/s.

Ejemplo

La longitud del coronamiento de su presa es de 30 cm y ha averiguado que la altura es de 10 cm; encontrará está última cantidad en la escala de la izquierda del cuadro; siga la línea a través del mismo hasta que Ilegue a la columna de la longitud del coronamiento correspondiente a 30 cm (observe que ésta es todavia la sección superior del cuadro, en la que los valores del caudal de agua son los más exactos); encontrará que el valor del caudal de agua es de 16,29 l/s.

Si encuentra valores intermedios o impares, tendrá que hacer una aproximación para determinar el caudal de agua exacto. En el Cuadro 5 sólo se dan valores de altura pares.

Ejemplo

La longitud del coronamiento es de 60 crn y ha medido una altura entre dos valores (H) que es la más próxima a 15 cm. Para encontrar un caudal de agua aproximado a una altura de 15 cm, tiene que promediar la diferencia entre los valores del caudal de agua (F se encuentra en el Cuadro 5 para H = 14 cm y H = 16 cm):

para H = 16 cm, F = 66,89 l/s; para H = 14 cm, F = 55,13 l/s.

Sumando estos dos valores de F y dividiendo el resultado por dos: 66,89 + 55,13 = 122,02 + 2 = 61,01 l/s
o, digamos, 61 l/s que es el valor corregido del caudal de agua para una altura de 15 cm.

Si la longitud del coronamiento de su presa es mayor de 30 cm y no
aparece en el Cuadro 5 (por ejemplo, 40, 50, 70 y 80 cm) puede calcular el caudal de agua empleando la columna de 10 cm que figura a la derecha del cuadro, y procediendo como se indica en el ejemplo de la página siguiente.

• Encuentre la altura en la columna de la derecha del cuadro, y anote el correspondiente valor del caudal que aparece en la columna de 10 cm.
• Determine el valor del caudal de agua que aparece en la columna donde la longitud del coronamiento es menor que la real de la presa que usted emplea, y el valor del caudal de agua en la columna de 10 cm.
• Calcule el número de longitudes adicionales de 10 cm que tiene el coronamiento de la presa, y compárelo con la longitud menor de coronamiento que ha averiguado en el cuadro.
• Multiplique el valor del caudal de agua que ha encontrado en la columna de 10 cm por este número y sume el resultado al valor del caudal de agua correspondiente a la longitud del coronamiento menor que la real.
• El resultado es el valor corregido del caudal de agua para la longitud real del coronamiento.

Ejemplo

La longitud del coronamiento de su presa es de 110 cm, y ha medido la altura más próxima a 34 cm.

La columna donde la longitud del coronamiento es menor de 110 cm, es 90 cm, con un caudal de agua de 303,50 l/s.

Siguiendo la misma Iínea, el caudal de agua en la columna de 10 cm es de 34,40 l/s.

La diferencia entre la longitud real del coronamiento y la longitud en el cuadro es de 110 cm - 90 cm = 20 cm.

El número de longitudes adicionales de 10 cm es 20 -r 10 = 2.

En este caso, el caudal adicional debido a esto es de 34,40x2 = 68,80 l/s.

El valor correcto del caudal de agua para la longitud real del coronamiento de 110 cm es 303,50 l/s + 68,80 l/s = 372,30 l/s.

Si mide un caudal de agua de 130 l/s o menos, puede emplear el Cuadro 6. Haga esto determinando la altura (en cm) en la escala de la izquierda del cuadro y siga este valor horizontalmente hasta que Ilegue a la curva que representa la longitud del coronamiento correcta. Lleve este punto verticalmente hacia abajo hasta el fondo de la escala y lea allí el caudal de agua (en l/s).

Ejemplo

La longitud del coronamiento de su presa es de 50 cm y la altura es de 15 cm; encuentre la altura en la escala de la izquierda del cuadro y siga la línea horizontal hasta que llegue a la curva de una longitud de coronamiento de 50 cm; desde este punto siga verticalmente hacia abajo hasta el fondo de la escala del cuadro. Vera que el caudal de agua es de unos 51 l/s.

3.8 Flujo de agua por un sifón

Con este método se puede estimar el paso de agua por un tubo relativamente corto, curvado, Ilamado sifón, desde un nivel superior hasta otro inferior y puede emplearse, por ejemplo, cuando Ilena o vacía su estanque. Como con el método del tubo (véase Sección 37), para emplear este método tendrá que calcular la altura (en cm).