1. Educación

XXIII C ON G R E S O N A C I O N A L
AMH
DE
H I D R Á U LI C A
PUERTO VALLARTA, JALISCO, MÉXICO, OCTUBRE 2014
AMH
ESTRUCTURA AFORADORA PARA TOMA GRANJA
Castillo González Jorge A., Herrera Ponce Juan Carlos y Pacheco Hernández Pedro
Instituto Mexicano de Tecnología del Agua. Paseo Cuauhnáhuac No. 8532, Col. Progreso, Jiutepec, Morelos,
México. C.P.62550
[email protected], [email protected], [email protected]
Introducción
En cualquier empresa privada o pública, grande o micro, se
lleva una contabilidad de los ingresos y los egresos y muchas
veces si no es que siempre no puede tener un buen desempaño
si esta contabilidad no tiene un mínimo de precisión, de forma
similar también se contabilizan las entradas y salidas del bien
o servicio que la empresa maneja, es decir los bienes que
maneja, transforma o crea y el cual vende.
De manera similar el principal bien, y su razón de ser de los
módulos de riego es el agua, el cual deberían tener
contabilizado de manera más precisa posible y en muchos
casos esta no es medida, solo es estimada. Existe una creciente
presión por la entrega y cobro volumétrico de los módulos de
riego hacia los usuarios con el objetivo de racionalizar su uso
y optimizar el recurso, de tal manera que los agricultores estén
realmente preocupados y ocupados en dar riegos eficientes, ya
que los riegos ineficientes impactarán en sus bolsillos.
Considerando lo anterior se ha pensado en el desarrollo de
aforadores de bajo costo y fácil utilización e instalación en las
tomas granja.
La necesidad de medir el agua de riego siempre ha estado
presente en la operación de los canales y módulos de riego,
esta es una información que forma parte de la OP5, que es un
formato de operación en el que vienen los datos que permiten
contabilizar con precisión el agua servida en cada riego. Este
formato se llena prácticamente en todos los Módulos de
Riego, pero, como realmente no se realiza la medición del
agua en la gran mayoría de los casos, los valores se estiman
para cumplir con el requisito. De esta manera la información
no es confiable ni permite tener un análisis preciso de la
situación del manejo del agua en los módulos de riego.
El trabajo desarrollado aquí está enfocado a resolver con
tecnología sencilla, pero al mismo tiempo precisa y
económica, el problema de la medición a nivel de toma granja.
Desarrollo y metodología
Para la selección de la estructura aforador se consideraron dos
tipos de estructuras por su sencillez de operación y
construcción, estas son la estructura tipo Guamúchil y un
agorador de garganta larga (AGL). La estructura tipo
Guamúchil está compuesta básicamente por un vertedor de
cresta delgada sin contracciones laterales, se construye en
varios longitudes de cresta, siendo el más común el de 1 metro
de ancho por adaptarse a la mayoría de las condiciones de
campo.
Ilustración 1. Aforador Guamúchil en Perfil.
Muchos de los sistemas de distribución de agua para riego
fueron diseñados y construidos para transportar el agua y
servirla en la parcela, sin embargo no se incluyó ninguna
estructura medidora para el control y cuantificación del agua
entregada, por los que en muchos casos no existe carga
hidráulica suficiente para la instalación de estructuras de
medición, y en otros la carga disponible es relativamente
pequeña para operar de manera eficiente, en algunos la carga
es suficiente incluso sobrada, estos casos son los menos.
Bajo los nuevos esquemas de “entrega volumétrica” es
indispensable cuantificar el agua utilizada en los riegos por lo
que se requiere de estructuras medidoras a nivel de Toma
Granja.
Existen diferentes alternativas para medir, algunas con
tecnología de punta y otras más simples. Las tecnologías como
la ultrasónica o electromagnética son demasiado cara para
usarse a nivel de toma granja.
Ilustración 2. Aforador Guamúchil en Planta.
XXIII C ON G R E S O N A C I O N A L
AMH
DE
H I D R Á U LI C A
AMH
PUERTO VALLARTA, JALISCO, MÉXICO, OCTUBRE 2014
Este tipo de estructuras se construyeron de origen en el
Distrito de Riego 010, Culiacán – Humaya, por la falta de
interés en la medición la gran mayoría de estas estructuras se
encuentra destruidas, su construcción es muy simple, sin
embargo en algunos casos donde la carga se reducido al
mínimo ya no es posible su reconstrucción. Su calibración es
con la fórmula de Francis. La cual se muestra enseguida.
(1)
Para el caso de una estructura tipo Guamúchil de 1metro de
ancho, que es la más común se tiene el siguiente
comportamiento de la relación carga – gasto.
Q ϵ [20 l/s, 120 l/s], entonces,
H ϵ [4.91 cm, 16.20 cm], y
S ϵ [6.12 l/s/cm, 11.11 l/s/cm]
Considerando que las condiciones de campo han cambiado, y
en muchas es difícil obtener la carga requerida para el buen
funcionamiento de un vertedor de cresta delgada, se pensó en
una estructura con menores requerimientos de carga, precisa,
de fácil operación, aunque su construcción es un poco más
compleja, esta es el Aforador de Garganta Larga.
Como una propuesta alternativa de mayor precisión y con
menos requerimiento de carga es un Aforador de Garganta
Larga (AGL), sin embargo su diseño es un poco más
complicado, su operación es igual de sencilla que la del
aforador Guamúchil.
Relación gasto carga
160.0
140.0
120.0
Q (l/s)
100.0
80.0
60.0
40.0
20.0
0.0
0
5
10
15
20
Carga en cm
Ilustración 3. Relación Q – H de aforador Guamuchil.
Si definimos como nivel de sensibilidad S como la relación
entre la cantidad medida en diferencia ΔQ cometida por un
posible error de medición ΔH, esto quedaría como:
(2)
La expresión anterior cambia dependiendo de la carga a la que
se mida, por lo que se puede decir que cada punto tiene una
sensibilidad diferente, y que un objetivo es minimizar la
sensibilidad del error de medición en el rango de
funcionamiento de la estructura. De esta manera puede
definirse la sensibilidad en todo el rango como:
(3)
De la ecuación de Francis obtenemos:
(4)
Para acotar los valores máximos y mínimos dentro de los
cuales se encuentran los gastos de operación, en forma
práctica se considerarán gastos de 20 l/s hasta 120 l/s, que
engloba la gran mayoría de los gastos de operación en campo
en el los distritos de riego de Sinaloa. De esta forma se
despeja de la ecuación 1, queda:
Ilustración 4. Diseño del Aforador de Garganta Larga.
El resultado del diseño del Aforador de Garganta Larga
(AGL) se muestra en las ilustraciones 4,6 y 7. Como puede
verse la geometría es un poco más compleja que la estructura
Guamúchil, por lo que no es tan compleja su construcción y
solo requiere un poco más cuidado.
Nuevo Medidor 120lps - Revision 7
35
30
25
Head, cm
20
Water level at
gage, h1
15
(5)
Considerando un vertedor de 1metro de ancho, que es el más
común, de la ecuación 5, se tiene que para 20 l/s, H = 4.91 cm,
y para 120 l/s, H = 16.20 cm. Con la ecuación 4 tenemos que
para el rango calculado de H se tiene que para H= 4.91, S =
6.12 l/s/cm, y para H = 16.20, S = 11.11 l/s/cm. De esta
manera se tiene que, para el rango de gastos
10
5
0
0
50
100
150
Discharge, liters/s
Ilustración 5. Curva de calibración del AGL.
200
AMH
XXIII C ON G R E S O N A C I O N A L
DE
H I D R Á U LI C A
AMH
PUERTO VALLARTA, JALISCO, MÉXICO, OCTUBRE 2014
De la calibración del AGL diseñado resulto la siguiente
ecuación que aproxima su funcionamiento.
Tabla 1. Valores de Q, H y S del aforador Guamúchil y el AGL.
Guamúchil
(6)
La cual tiene un R2 de 0.99996397 que más que aceptable para
el cálculo de los valores de Q y H respectivos.
MIN
MAX
AGL
MIN
MAX
Q (l/s)
20
120
20
120
H (cm)
4.91
16.20
9.04
25.89
S (l/s/cm)
6.12
11.11
3.59
8.17
De los valores de la tabla 1 puede verse que los valores de
carga o tirante de la estructura son menores para el Aforador
Guamúchil por lo que aparentemente requiere menos carga,
sin embargo si se considera el valor del desnivel del escalón
en el AGL y de la altura de la cresta en el aforador Guamúchil
tendría que sumarse 30 cm a la carga del AGL y 51 cm a la
carga del aforador Guamúchil respectivamente para tener el
tirante Y. De esta forma la tabla 1 se transforma en la tabla 2.
Tabla 2. Valores de Q, H y S del aforador Guamúchil y el AGL.
Guamúchil
Ilustración 6. Geometría del Aforador de Garganta Larga.
AGL
MIN
MAX
MIN
MAX
Q (l/s)
20
120
20
120
H (cm)
55.91
67.20
39.04
55.89
S (l/s/cm)
6.12
11.11
3.59
8.17
En la tabla 2 puede verse que el AGL requiere de tirantes
menores para el rango de gastos considerados además de tener
una menor sensibilidad a los errores de medición por lo que
resulta, desde el punto de vista de la medición más adecuado.
Debido a que requiere de tirantes menores también requiere de
tirantes menores en el canal donde se encuentra la toma.
Ilustración 7. Dimensiones del Aforador de Garganta Larga.
Para conocer los valores de H en los límites, de la ecuación 6
se despeja H.
(7)
De la ecuación 6 también puede obtenerse el valor de la
sensibilidad al error de medición, el cual queda para el AGL
como:
Además de las consideraciones anteriores se tiene el
ahogamiento, el aforador Guamúchil en teoría soporta que el
nivel aguas abajo como máximo hasta el nivel de la cresta
vertedora, es decir para gastos muy pequeños el ahogamiento
máximo soportado sería muy alto debido a que la carga sería
pequeña comparada con la altura de la cresta vertedora, pero
para gastos grandes esto se invierte ya que el nivel máximo
aguas abajo es el mismo. En cambio el AGL soporta
porcentajes de ahogamiento altos en este caso según la
calibración de diseño el ahogamiento máximo soportado es de
92% para gasto mínimo y 89% para gasto máximo, de esta
manera la tabla se complementa con la tabla 3.
Tabla 3. Valores de Ymax para Guamúchil y el AGL.
(8)
Guamúchil
De manera similar se tienen los rangos de operación.
Q ϵ [20 l/s, 120 l/s], entonces,
Ymax (cm)
AGL
MIN
MAX
MIN
MAX
51.00
51.00
35.92
49.74
H ϵ [9.04 cm, 25.89 cm], y
S ϵ [3.59 l/s/cm, 8.17 l/s/cm]
En la siguiente tabla puede se comparan los resultados de
ambos tipos de aforador.
En este caso la capacidad de resistir el ahogamiento y ser
confiable es mayor para el aforador tipo guamúchil, sin
embargo, esto es solo aparente debido a la altura de la cresta
del aforador tipo Guamúchil de 51 cm, cabe recordar que el
AGL tiene un desnivel de caída de 30 cm, sin embargo esto es
ajustable, y para hacer la comparación, si este fuera de 50 cm
en lugar de 30 cm, que es una condición similar al tipo
guamúchil, se tendría.
XXIII C ON G R E S O N A C I O N A L
AMH
Tabla 4. Valores de Ymax para Guamúchil y el AGL con 50 cm de
desnivel.
Guamúchil
Ymax (cm)
DE
H I D R Á U LI C A
PUERTO VALLARTA, JALISCO, MÉXICO, OCTUBRE 2014
AGL
MIN
MAX
MIN
MAX
51.00
51.00
55.92
69.74
Aquí claramente puede verse que la capacidad de funcionar en
condiciones de ahogamiento es mucho mayor en el AGL que
en la estructura tipo Guamúchil.
Con todos los puntos anteriores analizados se ve claramente
las ventajas del aforador tipo AGL, es adaptable prácticamente
a cualquier condición con poca pérdida de carga disponible ya
que se puede jugar con el desnivel de salida desde cero hasta
lo que se necesite, para encontrar el punto óptimo se requiere
de conocer las relaciones de gasto – tirante máximos y
mínimos tanto aguas arriba como aguas debajo de la toma. En
los casos en que no exista carga suficiente para el AGL,
tampoco habrá carga para un aforador tipo Guamúchil.
Debido a su sencillez el aforador tipo Guamúchil es más
simple de instalar. Por practicidad puede recomendarse
instalar un aforador tipo Guamúchil cuando no existan
restricciones de carga, aunque sea un poco menos preciso. Lo
más importante en este momento es la realización de las
mediciones. Cuando las mediciones sean lo cotidiano entonces
la precisión será el tema principal, sin embargo, en los sitios
que tengan problemas de carga, es recomendable colocar un
Aforador tipo Garganta Larga.
Resultados y conclusiones
En el análisis anterior vieron las ventajas y desventajas de los
AGL y los aforadores tipo Guamúchil, donde el AGL tiene
claras ventajas operativas, mayor precisión, menor
requerimiento de carga, mayor porcentaje de ahogamiento
permitido, con la desventaja, ventaja para el aforador tipo
Guamúchil, de su mayor complejidad de construcción.
La complejidad en la construcción, una vez realizado el primer
molde, se va reduciendo con la experiencia de los instaladores
al grado ser prácticamente los mismo instalar un Guamúchil
que un Aforador de Garganta Larga.
El diseño de esta estructura aforadora pretende aportar a la
importante tarea de la medición del agua en los módulos y
distritos de riego del país, con el especial interés de ayudar a
la implantación e instrumentación de la dotación volumétrica,
indispensable para el incremento de la eficiencia del uso del
agua de riego.
Esta estructura, como muchas, otras incluyendo a la tipo
Guamúchil, puede usarse con una simple escala de la cual
toma nota el canalero en diferentes intervalos de tiempo para
cuantificar el volumen servido, o, puede instrumentarse con un
medidor de nivel monitoreado con telemetría que automatiza
la cuantificación de volúmenes pero que también incrementa
los costos.
La medición del agua de riego casi se “perdió” por falta de
interés en ella, sin embargo la necesidad de incrementar las
eficiencias de conducción, operación y aplicación está
trayendo a un primer plano los diferentes dispositivos de
medición. Estos dispositivos van de los más sencillos a los
más sofisticados, algunos acoplados a tecnologías modernas
de control y telemetría que permiten un manejo más preciso.
AMH
La estructura propuesta aquí puede ser de la más simple y
económica operación, o acoplarle la medición del nivel con
sensores para convertirla en una estructura de control y
monitoreo preciso.
Referencias
Clemmens, Wahl, Bos, and Replogle, Water Measurement
with Flumes and Weirs. Water Resource Publications, LLC,
2001.
BOS, Marinus G., REPLOGLE, John A., CLEMMENS,
Albert J., Aforadores de caudal para canales abiertos. ILRI
Publication 38. Wageningen, The Netherlands, 1986.
Martínez-Austria, Polioptro, Castillo, Jorge, DISEÑO POR
COMPUTADORA DE AFORADORES DE GARGANTA
LARGA, Seminario Internacional de Uso Eficiente del Agua.
IWRA-IMTA. 1991.
Apolinario Torres, Luis Alberto, Arriarán Tantaleán, Abelardo
M., Bernal Marchena, Luis S., SOFTWARE PARA EL
DISEÑO Y CALIBRACIÓN DE AFORADORES DE
GARGANTA LARGA Y VERTEDEROS DE CRESTA ANCHA
PARA MEDICION DE DESCARGAS EN CANALES
ABIERTOS, TRADUCCION AL ESPAÑOL, Bureau of
reclamation, U.S. Government, 2001.
Sotelo Ávila, Gilberto, Hidráulica de Canales, UNAM,
Facultad de Ingeniería, México, 2002.