En el presente captulo se analizan los mtodos para medir loscaudales de escorrentaen los canales, los arroyos y los ros. En el Captulo 7 se estudia la estimacin de lacantidad de escorrenta totalpor mtodos empricos o a partir de modelos.Mtodos volumtricosLa forma ms sencilla de calcular los caudales pequeos es la medicin directa del tiempo que se tarda en llenar un recipiente de volumen conocido. La corriente se desva hacia un canal o caera que descarga en un recipiente adecuado y el tiempo que demora su llenado se mide por medio de un cronmetro. Para los caudales de ms de 4 l/s, es adecuado un recipiente de 10 litros de capacidad que se llenar en 2 segundos. Para caudales mayores, un recipiente de 200 litros puede servir para corrientes de hasta 50 1/s. El tiempo que se tarda en llenarlo se medir con precisin, especialmente cuando sea de slo unos pocos segundos. La variacin entre diversas mediciones efectuadas sucesivamente dar una indicacin de la precisin de los resultados.Si la corriente se puede desviar hacia una caera de manera que descargue sometida a presin, el caudal se puede calcular a partir de mediciones del chorro. Si la caera se puede colocar de manera que la descarga se efecte verticalmente hacia arriba, la altura que alcanza el chorro por encima del extremo de la tubera se puede medir y el caudal se calcula a partir de una frmula adecuada tal como se indica en la Figura 19. Es asimismo posible efectuar estimaciones del caudal a partir de mediciones de la trayectoria desde tuberas horizontales o en pendiente y desde tuberas parcialmente llenas, pero los resultados son en este caso menos confiables (Scott y Houston 1959).Mtodo velocidad/superficieEste mtodo depende de la medicin de la velocidad media de la corriente y del rea de la seccin transversal del canal, calculndose a partir de la frmula:O(m/s) = A(m2) x V(m/s)La unidad mtrica es m/s. Como m/s es una unidad grande, las corrientes menores se miden en litros por segundo (1/s).Una forma sencilla de calcular la velocidad consiste en medir el tiempo que tarda un objeto flotante en recorrer, corriente abajo, una distancia conocida. La velocidad no esFIGURA 19 - Clculo de la comente en caeras a partir de la altura de un chorro vertical (Bos 1976)a) Napa de agua baja (altura de descarga baja)

Q = 5,47D1,25H1,35(1)Q en metros cbicos por segundo; D y H en metros.Si H < 0,4 D utilcese la ecuacin (1)Si H > 1,4 D utilcese la ecuacin (2)Si 0,4D < H < 1,4D calclense ambas ecuaciones y tmese la mediab) Chorro

Q = 3,15D1,99H0,53(2)FIGURA 20 -Variacin de la velocidad en una corriente

Otro mtodo consiste en vertir en la corriente una cantidad de colorante muy intenso y medir el tiempo en que recorre aguas abajo una distancia conocida. El colorante debe aadirse rpidamente con un corte neto, para que se desplace aguas abajo como una nube colorante. Se mide el tiempo que tarda el primer colorante y el ltimo en llegar al punto de medicin aguas abajo, y se utiliza la media de los dos tiempos para calcular la velocidad media.En las corrientes turbulentas la nube colorante se dispersa rpidamente y no se puede observar y medir; es posible usar otros indicadores, ya sean productos qumicos o radioistopos; se conoce como el mtodo de la dilucin. Una solucin del indicador de densidad conocida se aade a la corriente a un ritmo constante medido y se toman muestras en puntos situados aguas abajo. La concentracin de la muestra tomada aguas abajo se puede comparar con la concentracin del indicador aadido y la dilucin es una funcin del caudal, la cual es posible calcular.Una determinacin ms exacta de la velocidad se puede obtener utilizando un molinete. En la Figura 21 se ilustran los dos principales tipos de molinete. El de tipo de taza cnica gira sobre un eje vertical y el de tipo hlice gira sobre un eje horizontal. En ambos casos la velocidad de rotacin es proporcional a la velocidad de la corriente; se cuenta el nmero de revoluciones en un tiempo dado, ya sea con un contador digital o como golpes odos en los auriculares que lleva el operador. En las corrientes superficiales se montan pequeos molinetes sobre barras que sostienen operarios que caminan por el agua (Fotografa 23). Cuando hay que medir caudales de una avenida en grandes ros, las lecturas se toman desde un puente o instalando un cable suspendido por encima del nivel mximo de la avenida; el molinete se baja por medio de cables con pesas para retenerlo contra la corriente del ro.FIGURA 21 - Dos tipos de molinetea) tipo taza cnica

b) tipo hlice

Un molinete mide la velocidad en un nico punto y para calcular la corriente total hacen falta varias mediciones. El procedimiento consiste en medir y en trazar sobre papel cuadriculado la seccin transversal de la corriente e imaginar que se divide en franjas de igual ancho como se muestra en la Figura 22. La velocidad media correspondiente a cada franja se calcula a partir de la media de la velocidad medida a 0,2 y 0,8 de la profundidad en esa franja. Esta velocidad multiplicada por la superficie de la franja da el caudal de la franja y el caudal total es la suma de las franjas. El Cuadro 2 muestra cmo se efectuarn los clculos con respecto a los datos indicados en la Figura 22. En la prctica, se utilizaran ms franjas que el nmero indicado en la Figura 22 y en el Cuadro 2. Para aguas poco profundas se efecta una nica lectura a 0,6 de la profundidad en lugar de la media de las lecturas a 0,2 y 0,8.FOTOGRAFA 23 -Medicin del caudal con un molinete en Botswana (FAO, Foto de la biblioteca)A veces la informacin necesaria con respecto a las corrientes es el caudal mximo y se puede efectuar una estimacin aproximada utilizando el mtodo velocidad/superficie. La profundidad mxima del caudal en una corriente se puede a veces deducir de la altura de los residuos atrapados en la vegetacin de los mrgenes o de seales ms elevadas de socavacin o de depsitos de sedimentos en la orilla. Tambin es posible instalar algn dispositivo para dejar un registro del nivel mximo. Para evitar lecturas falsas debidas a la turbulencia de la corriente, se utilizan pozas de amortiguacin, normalmente una tubera con agujeros del lado aguas abajo. La profundidad mxima del agua se puede registrar sobre una varilla pintada con una pintura soluble en agua, o a partir de las trazas dejadas en el nivel superior de algn objeto flotante sobre la superficie del agua en la varilla. Entre otros materiales utilizados cabe mencionar corcho molido, polvo de tiza o carbn molido. Una vez que se conoce la profundidad mxima de la corriente, se puede medir el rea de la seccin transversal correspondiente del canal y calcular la velocidad por alguno de los mtodos descritos, teniendo presente que la velocidad en un caudal elevado suele ser superior a la de un caudal normal.FIGURA 22 -Clculo del caudal de una comente a partir de las mediciones efectuadas con un molinete. Los clculos correspondientes a este ejemplo figuran en el Cuadro 2

CUADRO 2 -Clculo del caudal a partir de las lecturas en el molinete12345678

SeccinVelocidad del caudal(m/s)Profundidad(m)Ancho(m)rea(m2)5x6Caudal(m/s)4x7

0,2D0,8DMedia

1--0,51,32,02,61,30

20,80,60,71,71,01,71,19

30,90,60,752,01,02,01,50

41,10,70,92,21,02,21,98

51,00,60,81,81,01,81,44

60,90,60,751,41,01,41,05

7--0,550,72,01,40,77

TOTAL9,23

D es la profundidad de la corriente en el punto medio de cada seccin.Clasificacin de una estacin de aforoSi se efectan mediciones del caudal por el mtodo del molinete cuando el ro fluye a profundidades diferentes, esas mediciones se pueden utilizar para trazar un grfico del caudal en comparacin con la profundidad de la corriente tal como se muestra en la Figura 23. La profundidad del flujo de una corriente o de un ro se denominanivel de agua,y cuando se ha obtenido una curva del caudal con relacin al nivel de agua, la estacin de aforo se describe comocalibrada.Las estimaciones posteriores del caudal se pueden obtener midiendo el nivel en un punto de medicin permanente y efectuando lecturas del caudal a partir de la curva de calibrado. Si la seccin transversal de la corriente se modifica a causa de la erosin o de la acumulacin de depsitos, se tendr que trazar una nueva curva de calibrado. Para trazar la curva, es necesario tomar mediciones a muchos niveles diferentes del caudal, con inclusin de caudales poco frecuentes que producen inundaciones. Es evidente que esto puede requerir mucho tiempo, particularmente si el acceso al lugar es difcil, por lo que es preferible utilizar algn tipo de vertedero o aforador que no necesite ser calibrado individualmente, como se analiza ms adelante.FIGURA 23 -Ejemplo de la curva de calibrado de una corriente o ro

FIGURA 24- Canales con un rea idntica de seccin transversal pueden tener radios hidrulicos diferentes

Formulas empricas para calcular la velocidadLa velocidad del agua que se desliza en una corriente o en un canal abierto est determinada por varios factores.El gradiente o la pendiente.Si todos los dems factores son iguales, la velocidad de la corriente aumenta cuando la pendiente es ms pronunciada.La rugosidad.El contacto entre el agua y los mrgenes de la corriente causa una resistencia (friccin) que depende de la suavidad o rugosidad del canal. En las corrientes naturales la cantidad de vegetacin influye en la rugosidad al igual que cualquier irregularidad que cause turbulencias.Forma.Los canales pueden tener idnticas reas de seccin transversal, pendientes y rugosidad, pero puede haber diferencias de velocidad de la corriente en funcin de su forma. La razn es que el agua que est cerca de los lados y del fondo de una corriente se desliza ms lentamente a causa de la friccin; un canal con una menor superficie de contacto con el agua tendr menor resistencia friccin y, por lo tanto, una mayor velocidad. El parmetro utilizado para medir el efecto de la forma del canal se denominaradio hidrulicodel canal. Se define como la superficie de la seccin transversal dividida por el permetro mojado, o sea la longitud del lecho y los lados del canal que estn en contacto con el agua. El radio hidrulico tiene, por consiguiente, una cierta longitud y se puede representar por las letras M o R. A veces se denomina tambin radio medio hidrulico o profundidad media hidrulica. La Figura 24 muestra cmo los canales pueden tener la misma superficie de seccin transversal pero un radio hidrulico diferente. Si todos los dems factores son constantes, cuanto menor es el valor de R menor ser la velocidad.Todas estas variables que influyen en la velocidad de la corriente se han reunido en una ecuacin emprica conocida como lafrmula de Manning,tal como sigue:

donde:V es la velocidad media de la corriente en metros por segundoR es el radio hidrulico en metros (la letra M se utiliza tambin para designar al radio hidrulico, con el significado de profundidad hidrulica media)S es la pendiente media del canal en metros por metro (tambin se utiliza la letraipara designar a la pendiente)n es un coeficiente, conocido comon de Manning o coeficiente de rugosidad de Manning.En el Cuadro 3 figuran algunos valores correspondientes al flujo de canales.En sentido estricto, el gradiente de la superficie del agua debera utilizarse en la frmula de Manning; es posible que no sea el mismo gradiente del lecho de la corriente cuando el agua est subiendo o bajando. Sin embargo, no es fcil medir el nivel de la superficie con precisin por lo que se suele calcular una media del gradiente del canal a partir de la diferencia de elevacin entre varios conjuntos de puntos situados a 100 metros de distancia entre ellos. Se dispone de nomogramas para facilitar la solucin de la frmula de Manning, como indica el ejemplo de la Figura 25.Otra frmula emprica sencilla para calcular la velocidad de la corriente es lafrmula de zanjas colectoras de Elliot,que es la siguiente:

dondeV es la velocidad media de la corriente en metros por segundom es el radio hidrulico en metrosh es la pendiente del canal en metros por kilmetroEsta frmula parte del supuesto de un valor dende Manning de 0,02 y, por consiguiente, slo es adecuada para caudales naturales de corriente libre con escasa rugosidad.CUADRO 3 -Valores del coeficiente n de rugosidad de Manninga) Canales sin vegetacin

Seccin transversal uniforme, alineacin regular sin guijarros ni vegetacin, en suelos sedimentarios finos0,016

Seccin transversal uniforme, alineacin regular, sin guijarros ni vegetacin, con suelos de arcilla duros u horizontes endurecidos0,018

Seccin transversal uniforme, alineacin regular, con pocos guijarros, escasa vegetacin, en tierra franca arcillosa0,020

Pequeas variaciones en la seccin transversal, alineacin bastante regular, pocas piedras, hierba fina en las orillas, en suelos arenosos y arcillosos, y tambin en canales recin limpiados y rastrillados0,0225

Alineacin irregular, con ondulaciones en el fondo, en suelo de grava o esquistos arcillosos, con orillas irregulares o vegetacin0,025

Seccin transversal y alineacin irregulares, rocas dispersas y grava suelta en el fondo, o con considerable vegetacin en los mrgenes inclinados, o en un material de grava de hasta 150 mm de dimetro0,030

Canales irregulares erosionados, o canales abiertos en la roca0,030

(b) Canales con vegetacin

Gramneas cortas (50-150 mm)0,030-0,060

Gramneas medias (150-250 mm)0,030-0,085

Gramneas largas (250-600 mm)0,040-0,150

(c) Canales de corriente natural

Limpios y rectos0,025-0,030

Sinuosos, con embalses y bajos0,033-0,040

Con muchas hierbas altas, sinuosos0,075-0,150

FIGURA25 -Nomograma para resolver la frmula de Manning. Si se conocen tres variables, es posible encontrar la cuarta

Ejemplo:Dado R = 0,3 m, n= 0,03, pendiente = 2% o 0,02 m por m, encontrar la velocidad V.Solucin:nase R = 0,3 y n = 0,03 y proyctese la lnea de referencia. nase el punto situado en la lnea de referencia con la pendiente = 0,02. La interseccin de la escala de velocidad da V =2,0 m/s.Vertederos de aforo

Vertederos de pared agudaVertederos de pared ancha

La medicin del caudal de las corrientes naturales nunca puede ser exacta debido a que el canal suele ser irregular y por lo tanto es irregular la relacin entre nivel y caudal. Los canales de corrientes naturales estn tambin sometidos a cambios debidos a erosin o depsitos. Se pueden obtener clculos ms confiables cuando el caudal pasa a travs de una seccin donde esos problemas se han limitado. Para ello se podra simplemente alisar el fondo y los lados del canal, o recubrirlos con mampostera u hormign o instalar una estructura construida con ese fin. Existe una amplia variedad de esos dispositivos, la mayora idneos para una aplicacin particular. A continuacin se describe una seleccin de los dispositivos que son fciles de instalar y de hacer funcionar con referencia a manuales adecuados para estructuras ms caras o complicadas.En general las estructuras a travs de la corriente que cambian el nivel de aguas arriba se denominan vertederos y las estructuras de tipo canal se denominan aforadores, aunque esta distincin no siempre se cumple. Una distincin ms importante es entre dispositivosestndaryno estndar.Un vertedero o aforador estndar es el que se construye e instala siguiendo especificaciones uniformes y cuando el caudal puede obtenerse directamente de la profundidad de la corriente mediante el empleo de diagramas o tablas de aforo, es decir, cuando el aforador ha sido previamente calibrado. Un vertedero o aforador no estndar es el que necesita ser calibrado individualmente despus de la instalacin mediante el empleo del mtodo velocidad/superficie como cuando se establece el aforo de una corriente. Existe un conjunto tan amplio de dispositivos estndar que es preferible evitar las estructuras no normalizadas salvo para hacer clculos aislados de los caudales de la corriente utilizando el mtodo velocidad/superficie en un puente o un vado o una alcantarilla.La mayor parte de los vertederos estn concebidos para una descarga libre sobre la seccin crtica con el fin de que el caudal sea proporcional a la profundidad de la corriente en el vertedero, pero algunos vertederos pueden funcionar en una situacin denominadasumergida o ahogada,en el que el nivel de aguas abajo interfiere con la corriente sobre el vertedero. Algunos tipos de vertederos se pueden corregir mediante la sumersin parcial, pero esto constituye una complicacin poco conveniente que requiere medidas adicionales y ms clculos, por lo que se la debe evitar siempre que sea posible (Figura 26). Otra variacin que tambin es preferible evitar, es la del vertedero sin contraccin, que es un vertedero instalado en un canal del mismo ancho que la seccin crtica (Figura 27).Vertederos de pared agudaLos dos tipos ms comunes son el vertedero triangular (con escotadura en V) y el vertedero rectangular como se muestra en la Figura 28. Debe haber una poza de amortiguacin o un canal de acceso aguas arriba para calmar cualquier turbulencia y lograr que el agua se acerque al vertedero lenta y suavemente. Para tener mediciones precisas el ancho del canal de acceso debe equivaler a ocho veces al ancho del vertedero y debe extenderse aguas arriba 15 veces la profundidad de la corriente sobre el vertedero. El vertedero debe tener el extremo agudo del lado aguas arriba para que la corriente fluya libremente tal como se muestra en la Figura 29. A esto se denominacontraccin final,necesaria para aplicar la calibracin normalizada.Para determinar la profundidad de la corriente a travs del vertedero, se instala un medidor en la poza de amortiguacin en un lugar en el que se pueda leer fcilmente. El cero del medidor fija el nivel en el punto ms bajo de la escotadura. El medidor debe instalarse bastante detrs de la escotadura para que no se vea afectado por la curva de descenso del agua a medida que el agua se acerca a la misma.FIGURA 26 - Corriente libre y corriente sumergida sobre un vertedero de pared agudaCORRIENTE LIBRE

CORRIENTE SUMERGIDA

FIGURA27-Corriente libre con contraccin final y corriente controlada con contraccin en el vertedero en un canal

FIGURA 28 - Medicin del caudal con vertederos de pared aguda(a) vertedero con escotadura en V de 90

(b) vertedero con escotadura rectangular

FIGURA 29 -Los vertederos con pared aguda deben tener el extremo agudo aguas arriba

Los vertederos con escotadura en V son porttiles y sencillos de instalar de manera temporal o permanente. La forma en V significa que son ms sensibles a un caudal reducido, pero su ancho aumenta para ajustarse a caudales mayores. El ngulo de la escotadura es casi siempre de 90, pero se dispone de diagramas de calibracin para otros ngulos, 60, 30 y 15, cuando es necesario aumentar la sensibilidad. En el Cuadro 4 Figuran los valores del caudal a travs de pequeos vertederos con escotadura en V de 90.Para caudales mayores el vertedero rectangular es ms adecuado porque el ancho se puede elegir para que pase el caudal previsto a una profundidad adecuada. En el Cuadro 5 se indican los caudales por metro de longitud de la cresta, por lo que se puede aplicar a los vertederos rectangulares de cualquier tamao.Otros vertederos con pared delgadaEn algunos vertederos se combinan las caractersticas de la escotadura en V y de la escotadura rectangular. El vertedero Cipolletti tiene una cresta horizontal como una escotadura rectangular y lados en pendiente, sin embargo, para instalaciones sencillas, esto no aporta ninguna ventaja con respecto a la escotadura rectangular (Figura 30).El vertedero compuesto se utiliza a veces cuando hace falta una medicin sensible de caudales reducidos a travs de la escotadura en V y se necesitan tambin mediciones de caudales grandes a travs de la escotadura rectangular. El diseo y la calibracin ms complicadas implican que este tipo de vertedero se limite a estudios hidrolgicos complejos (Figura 31).Vertederos de pared anchaEn las corrientes o ros con gradientes suaves, puede resultar difcil instalar vertederos con pared aguda que requieren un rebose libre de aguas abajo. La otra posibilidad est constituida por los vertederos que pueden funcionar parcialmente sumergidos. Sirva de ejemplo el vertedero triangular del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos representado en las Fotografas 24 y 25. Se trata de un vertedero casi normalizado en el sentido de que se dispone de tablas de aforo (USDA 1979), pero el aforo est influido por la velocidad de llegada y la calibracin debe verificarse por medio de mediciones efectuadas con un molinete. Otro ejemplo, que podra igualmente denominarse aforador o vertedero, se indica en la Fotografa 26 y requiere igualmente la calibracin con un molinete.CUADRO 4 -Caudales por encima de un vertedero de escotadura en V de 90 (de USDI 1975)Carga(mm)Caudal(l/s)

400,441

500,731

601,21

701,79

802,49

903,34

1004,36

1105,54

1206,91

1308,41

14010,2

15012,0

16014,1

17016,4

18018,9

19021,7

20024,7

21027,9

22031,3

23035,1

24038,9

25043,1

26047,6

27052,3

28057,3

29062,5

30068,0

350100,0

CUADRO 5 -Caudales por encima de un vertedero rectangular con contracciones finales (de USDI 1975)Carga(mm)Caudal (l/s) por metro de longitud de cresta

309,5

4014,6

5020,4

6026,7

7033,6

8040,9

9048,9

10057,0

11065,6

12074,7

13084,0

14093,7

150103,8

160114,0

170124,5

180136,0

190146,0

200158,5

210169,5

220181,5

230193,5

240205,5

250218,5

260231,0

270244,0

280257,5

290271,0

300284,0

310298,0

20311,5

330326,0

340340,0

350354,0

360368,5

370383,5

380398,0

FIGURA 30 -Un vertedero Cipolletti

FIGURA 31 -Un vertedero compuesto

FOTOGRAFA 24 -Vertedero en V con pared ancha con solera aguas abajo, en el UTA, NigeriaFOTOGRAFA 25 -Entrada al vertedero y caballete para efectuar las mediciones con el molinete y obtener muestras de sedimentosFOTOGRAFA 26 -Vertedero no-standard en una corriente con un arrastre de fondo muy pesado en JavaAforadores

El canal de aforo ParshallAforadores en HAforador del Washington State College (WSC)Utilizacin de estructuras existentes

En los Estados Unidos se han desarrollado varios modelos de aforadores para ser utilizados en situaciones especiales y se emplean extensamente a pesar de lo inadecuado de las unidades de medida. El diseo, la construccin y las calibraciones de laboratorio se efectuaron en unidades de pies por segundo (pps) y, hasta que algn laboratorio emprenda la tarea de transformar a unidades mtricas, el mtodo prctico consiste en construir los aforadores segn las especificaciones originales en pies y utilizar las conversiones mtricas de los ndices de los caudales calculadas por un consorcio de laboratorios hidrulicos de los Pases Bajos (Bos 1976).La razn de este enfoque es el diseo complicado de las diferentes dimensiones de los aforadores, que se normalizaron despus de aos de pruebas y errores y que luego se calibraron. Las diferentes dimensiones de los aforadores no son modelos a escala hidrulicos, de manera que no se puede asumir que una dimensin en un aforador de cuatro pies ser el doble de las dimensiones correspondientes de un aforador de dos pies. Algunas dimensiones o proporciones son constantes para algunas partes, pero otras varan para cada medida. Como resultado de ello, cada una de las 22 variaciones que se pueden encontrar en los canales de aforo Parshall, y cada uno de los aforadores en H debe considerarse como un dispositivo diferente. Tendrn algunas caractersticas comunes, pero cada uno de ellos tiene sus propias especificaciones de fabricacin y sus propias tablas de calibracin.A pesar de esta complicacin, los aforadores se utilizan ampliamente debido a sus ventajas: se construyen para satisfacer una necesidad particular; son dispositivos de medicin "normalizados", es decir, que se fabrican e instalan de acuerdo con las especificaciones y no necesitan calibracin, y la medicin se puede tomar directamente de las tablas publicadas. Al igual que los vertederos, es preferible que los aforadores funcionen con descarga libre; algunos tipos pueden funcionar de manera satisfactoria en situacin en parte sumergida, es decir, cuando las aguas descansan en el aforador y crean cierta restriccin de la corriente. Si el efecto es previsible y cuantificable, el problema no es grave, pero implica que se debe medir la profundidad del caudal en dos puntos en el aforador, como se indica en la Figura 32 y que se aplique un factor de correccin a las tablas de aforo.El canal de aforo ParshallLlamado as por el nombre del ingeniero de regado estadounidense que lo concibi, se describe tcnicamente como un canal venturi o de onda estacionaria o de un aforador de profundidad crtica. Sus principales ventajas son que slo existe una pequea prdida de carga a travs del aforador, que deja pasar fcilmente sedimentos o desechos, que no necesita condiciones especiales de acceso o una poza de amortiguacin y que tampoco necesita correcciones para una sumersin de hasta el 70%. En consecuencia, es adecuado para la medicin del caudal en los canales de riego o en las corrientes naturales con una pendiente suave.El principio bsico se ilustra en la Figura 32. El aforador est constituido por una seccin de convergencia con un piso nivelado, una garganta con un piso en pendiente hacia aguas abajo y una seccin de divergencia con un piso en pendiente hacia aguas arriba. Gracias a ello el caudal avanza a una velocidad crtica a travs de la garganta y con una onda estacionaria en la seccin de divergencia.Con un flujo libre el nivel del agua en la salida no es lo bastante elevado como para afectar el caudal a travs de la garganta y, en consecuencia, el caudal es proporcional al nivel medido en el punto especificado en la seccin de convergencia (Fotografa 27 y Figura 32). La relacin del nivel del agua aguas abajo (Hb en la Figura 32) con el nivel aguas arriba Ha se conoce como el grado de sumersin; una ventaja del canal de aforo Parshall es que no requiere correccin alguna hasta un 70% de sumersin. Si es probable que se produzca un grado de sumersin mayor, Ha y Hb deben registrarse, como se indica en la Fotografa 28.La dimensin de los aforadores con un ancho de garganta de uno a ocho pies se indica en el Cuadro 6 y en la Figura 33. Los caudales de un aforador de un pie se muestran en el Cuadro 7. Los manuales citados en la seccinOtras obras de consultadan dimensiones y Cuadros de aforo para aforadores menores o mayores y factores de correccin para una sumersin superior al 70%.Para fabricar los canales de aforo Parshall se han utilizado muy diversos materiales. Se pueden prefabricar a partir de lminas de metal o madera o se pueden construir sobre el terreno con ladrillo y argamasa utilizando un armazn de metal prefabricado para garantizar mediciones exactas (Fotografa 29). Si hacen falta varios aforadores, se pueden moldear en hormign empleando tableros reutilizables. Se pueden tomar medidas eventuales de la profundidad del caudal a partir de un puesto de aforo establecido en el muro del canal o, si se requieren registros constantes, es posible instalar en una poza de amortiguacin colocada en una situacin especfica un registrador de flotante.FIGURA 32 -Canal de aforo Parshall (dibujado a partir de Scott y Houston 1959)

FOTOGRAFA 27 -Canal de aforo Parshall con un caudal libre y un registrador de nivelCUADRO 6 -Dimensiones de algunos canales de aforo Parshall (de USDA-SCS 1965)Ancho de la Garganta "W"(pies)A(pies, pulgadas)BCD

13-04-4 7/82-02-9 1/4

13-24-7 7/82-63-4 3/8

23-44-10 7/83-03-11

33-85-4 3/44-05-1 7/8

44-05-10 5/85-06-4 1 /4

54-46-4 6-07-6 5/8

64-86-10 3/87-08-9

75-07-4 8-09-11 3/8

85-47-10 1/89-011-1 3/4

Dimensiones tal como se indican en la Figura 33.Dimensin A=2/3 (W/2 + 4)Para estos lmites de ancho de garganta las dimensiones siguientes son constantes:E = 3-0, F = 2-0, g = 3-0, K = 3 pulgadas, N = 9 pulgadas, X = 2 pulgadas, Y=3 pulgadasFIGURA 33 -Dimensiones de un canal de aforo Parshall (de USDA-SCS 1965)

FOTOGRAFA 28- Canal de aforo Parshall con salida en parte sumergida y dos registradores de nivelFOTOGRAFA 29Construccin de un canal de aforo Parshall en el campo empleando un armazn metlico reutilizableCUADRO 7 -Caudales en un canal de aforo Parshall de un ancho de garganta de 304,8 mm (12 pulgadas)Carga(mm)(Ha en la Figura 32)Caudal(l/s)

303,3

405.2

507,3

609,6

7012,1

8014,9

9017,8

10020,9

11024,1

12027,5

13031,1

14034,8

15038,6

16042,6

17046,7

18051,0

19055,4

20059,8

22571,6

25084,0

27597,1

300110,8

325125,2

350140,1

Aforadores en HEl Servicio de Conservacin de Suelos del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos dise un grupo de aforadores especiales denominados aforadores H para medir los caudales con exactitud y continuidad a partir de parcelas de escorrenta o de pequeas cuencas experimentales. Los requisitos del diseo eran que el aforador debera medir caudales escasos con exactitud, pero tener tambin una buena capacidad para caudales elevados, y que no necesitara una poza de amortiguacin. Otro requisito consista en que pudiera dar paso a una escorrenta que contuviera una fuerte carga de sedimentos. La solucin prctica que se encontr en los Estados Unidos como para la construccin de canales de aforo Parshall fue dar las especificaciones originales en pies y utilizar las conversiones mtricas para el caudal (Bos 1976).Existen tres tipos de aforadores en H. El ms pequeo (HS) puede registrar caudales de hasta 22 l/s, el tipo normal (H) puede medir caudales de hasta 2,36 m/s y el mayor (HL) caudales de hasta 3,32 m/s. Cada tipo se puede construir en diversas dimensiones que se determinan por la profundidad mxima del caudal (D); las dimensiones de fabricacin se dan como proporciones de D, pero las proporciones de los lados del aforador, son diferentes para cada uno de los tres tipos HS, H y HL.El tipo HS se puede construir en cuatro dimensiones, de 0,4 a 1,0 pie, el tipo H en ocho dimensiones de 0,5 a 4,5 pies y el tipo HL en dos dimensiones, de 3,5 y 4,0 pies. Existen, por tanto, 14 posibles especificaciones de fabricacin y 14 tablas de calibracin diferentes. A ttulo de ejemplo, en la Figura 34 se dan las dimensiones del tipo H y en el Cuadro 8 la calibracin del tipo H de la dimensin de 1,5 pies (0,457 m).FIGURA 34 -Proporciones del aforador en H (de USDA-ARS 1979)

CUADRO 8 -Descarga de caudal libre a travs de un aforador en H de 1,5 pies en l/s tomado de Bos (1976)ha(mm)02468

200,270,320,370,420,48

400,911,001,091,181,28

601,752,082,212,352,49

803,433,603,783,964,15

1005,385,605,836,066,29

15012,512,913,213,614,0

20023,323,824,324,925,4

25038,238,939,640,341,0

30057,758,659,560,461,3

35082,383,484,585,686,7

400112114115116118

450148150

Los aforadores en H pueden funcionar parcialmente sumergidos y la correccin se indica en la Figura 35. La sumersin aguas abajo produce un efecto de remanso del agua en el aforador y un aumento de la profundidad del caudal. La curva de correccin muestra en cunto se debe reducir la profundidad medida en el aforador para obtener la profundidad equivalente de un caudal libre con el fin de utilizar las tablas de calibracin.Los aforadores en H se suelen prefabricar con lminas de metal y pueden utilizarse en forma provisional empleando sacos de arena para formar un canal de acceso o tambin como instalaciones permanentes, utilizando hormign o manipostera como se ilustra en la Fotografa 30. Al igual que con el canal de aforo Parshall, se pueden efectuar mediciones en un punto de la profundidad del caudal a partir de una plancha de medicin situada en el muro del canal, o en un registro constante a partir de un registrador de un flotador. En todos los aforadores existe una curva del cono de depresin, es decir, el nivel de superficie desciende cuando el agua se acelera en el punto de descarga; es esencial, por consiguiente, que la medida de la profundidad del caudal se efecte exactamente a la distancia especificada aguas arriba desde la seccin de control.Los aforadores en H tienen otras dos ventajas. El agua fluye a travs de la escotadura rpidamente de manera que no se produce depsito de sedimentos en el aforador. Por otro lado, el diseo de salida con una escotadura con pendiente del fondo hacia aguas arriba no queda obstruida por residuos flotantes. Si en la escotadura se retiene algn residuo, el agua se remansa hasta que la obstruccin es arrastrada por la corriente por encima de la escotadura.Aforador del Washington State College (WSC)Este es otro aforador de profundidad crtica de un diseo similar al Parshall, que resulta particularmente til como aforador porttil para mediciones eventuales de pequeos caudales en corrientes o canales sin revestir (Chamberlain 1952). Se puede prefabricar en fibra de vidrio (Fotografa 31) o en lminas finas de metal e instalarse en unos pocos minutos. Las dimensiones se dan en la Figura 36 y el calibrado en el Cuadro 9.Existen muchas versiones de mayor tamao y variaciones del principio del aforador de Washington. Por lo comn se suelen construirin situen lugar de prefabricarse y son particularmente tiles para corrientes rpidas de montaa (Goodell 1950) o en condiciones semitropicales en las que pueden ocurrir inundaciones repentinas con mucha carga (Gwinn 1964). Una dimensin intermedia de un aforador de tipo Washington, diseado para ser utilizado en Nuevo Mxico, puede medir caudales de hasta 6 m/s con un fuerte arrastre de fondo (Aldon y Brown 1965). No existen aforadores estandarizados y se tienen que calibrar utilizando el mtodo velocidad/superficie examinado en la seccinMtodo velocidad/superficie.Utilizacin de estructuras existentesLas estructuras existentes se pueden a veces utilizar como secciones de control para dar una estimacin de los caudales mximos a travs de las alcantarillas de las carreteras o de las aperturas de los puentes. Para alcantarillas rectangulares, se puede calcular un valor aproximado a partir de la frmula general del caudal que atraviesa un vertedero rectangular:

FIGURA 35 -Efecto de la sumersin en la calibracin de un aforador en H (de USDA-ARS 1979)FOTOGRAFA 30- Un aforador en H en ZimbabweFOTOGRAFA 31- Un aforador del Washington State College para medir caudales pequeos (M. G. Kay)CUADRO 9 -Caudales en los aforadores de WashingtonProfundidad del caudal(mm)30405060708090

Caudal (l/s)0,100,200,330,500,751,071,43

Caudal en litros por segundo para una profundidad de caudal medida a escala en milmetrosdonde:Q es el caudal en metros cbicos por segundoW es el ancho de la apertura en metrosH es la profundidad del caudal en metrosc es un coeficiente de descarga que depende de la geometra de la alcantarilla; a un valor tpico es 0,6; se pueden obtener cifras ms precisas de Cuadros como en USDA-ARS (1979)Se pueden calcular caudales mayores en aperturas rectangulares de puentes utilizando el mtodo citado o a partir de las lecturas de la velocidad y del mtodo velocidad/superficie efectuadas con un molinete. Para caudales rpidos puede ser necesario sujetar un gran peso al molinete o montarlo sobre una varilla rgida. Si se pueden observar marcas altas del agua en la apertura del puente y tambin a cierta distancia aguas arriba en que el caudal no se ve afectado por la apertura del puente, el caudal mximo se puede calcular utilizando el procedimiento establecido por el Servicio Geolgico de los Estados Unidos (Kindsvater, Carter y Tracey, 1953).FIGURA 36 -El aforador del Washington State College. Dimensiones en milmetros (conversin mtrica de los detalles extrados de USDA-SCS, 1965)LimngrafosAlgunas veces una sola medicin de la profundidad mxima del caudal basta para calcular el caudal mximo, como se describi en la seccin relativa al mtodovelocidad/superficie.Si hace falta un hidrograma, es decir, una grfica del caudal en funcin del tiempo, es necesario un registro constante de los cambios del nivel del agua. Durante dcadas el mtodo comn era un flotador cuyo ascenso y descenso en una poza de amortiguacin registraba en un diagrama movido por un aparato de relojera. Esos registradores eran flexibles en el sentido de que se poda utilizar un engranaje que permita abarcar variaciones de nivel grandes o pequeas y la relacin tiempo-velocidad de los diagramas poda tambin variar por medio del engranaje en el aparato de relojera. La desventaja era la sensibilidad a errores accidentales y a un mal funcionamiento; para indicar, por ejemplo, algunos de ellos, la caera de la poza de amortiguacin se bloqueaba, los insectos anidaban en la caja del registrador, la humedad o la aridez provocaban el desborde o la sequedad de la tinta del registrador, el diagrama poda estirarse o contraerse, el reloj se para, el observador no puede llegar al lugar para cambiar el diagrama, y muchos otros problemas.Las inspecciones diarias no son siempre posibles en lugares remotos o de difcil acceso. Adems de las dificultades de obtener datos correctos, el anlisis y la computacin de los diagramas son laboriosos.Afortunadamente la tecnologa moderna ha mejorado considerablemente en lo que hace a la recopilacin y el procesamiento de datos. Por ejemplo, los detectores no flotantes del nivel se pueden basar en la resistencia/capacidad elctrica o en la presin sobre un bulbo hermticamente cerrado o en la descarga de burbujas de aire o en transductores acsticos. Los ms comnmente utilizados hoy son el transductor de presin en el que se capta elctricamente la desviacin de una membrana. Estos detectores se pueden conectar con ordenadores, relojes automticos y almacenamiento de memoria para lograr cualquier tipo y frecuencia requeridos de registro y traspasar los datos almacenados a un ordenador para efectuar un anlisis rpido.