SERIE AUTODIDÁCTICA DE AGUAS RESIDUALES

SERIE AUTODIDÁCTICA DE AGUAS RESIDUALES
AFOROS DE DESCARGAS Autor: Alfredo A. González Camacho Revisores por CNA: Luis Miguel Rivera Chávez Miriam Beth Arreortúa Cosmes Editor: César G. Calderón Mólgora SUBDIRECCIÓN GENERAL DE ADMINISTRACIÓN DEL AGUA (CNA) COORDINACIÓN DE TECNOLOGÍA HIDRÁULICA (IMTA)

¿para quién? Este manual se dirige a los especialistas técnicos de las brigadas de inspección y verificación quienes se encargan del muestreo de las descargas de los usuarios en aguas nacionales. ¿para qué? Con este manual se le proporcionarán al usuario los fundamentos para llevar a cabo el aforo de las descargas de aguas residuales y para preparar muestras compuestas proporcionales al caudal.

CONTENIDO Métodos de aforo usuales para la medición de descargas de aguas residuales Preparación de muestras compuestas proporcionales al caudal. REGRESAR

Métodos de aforo usuales para la medición de descargas de aguas residuales
Al término de esta unidad el usuario será capaz de seleccionar y aplicar el método de aforo más adecuado a las características de una descarga de agua residual.

Los métodos de aforo Para aforar una descarga, el método y el equipo de medición se deben acoplar a las características físicas y químicas de la descarga. El método más confiable es el volumen-tiempo, pero su aplicación es limitada por que no se pueden llevar al campo grandes tanques o recipientes para captar el agua. Por lo anterior se aplican otros métodos como los del siguiente cuadró sinóptico.

LOS MÉTODOS DE AFORO DIRECTOS MÉTODOS DE AFORO INDIRECTOS
VOLUMEN - TIEMPO DIRECTOS MÉTODOS DE AFORO TUBO LLENO ESCUADRA TUBO SEMILLENO INDIRECTOS ÁREA VELOCIDAD CARGA PIEZOMÉTRICA REGRESAR

Limitaciones para su aplicación en campo (¿son portátiles?)
Por las grandes concentraciones de sólidos suspendidos en los efluentes municipales e industriales, medidores tales como el tubo pitot, ultrasónicos de tiempo en tránsito y de efecto doppler para canales no pueden ser utilizados. Medidores tales como los de hélice y turbina, placas de orificio, tubo venturi requieren preparación de la infraestructura para poderlos colocar Los canales parshall requieren obra civil.

Limitaciones para su aplicación en campo…
La tabla siguiente señala las condiciones y restricciones para el uso de diferentes tipos de medidores.

Método de aforo Equipo o dispositivo Condiciones Restricciones
Aplicación Área velocidad Flotador Velocidad de corrientes que conducen gastos pequeños como 100 L/s. Tramo del cauce en estudio lo más recto posible, alejado de curvas y que el agua corra libremente. Sección transversal lo más regular posible. Profundidad suficiente para que el flotador no toque el fondo Tomar en cuenta los coeficientes debidos a la variación del viento.El flotador debe adquirir una velocidad cercana a la velocidad superficial del agua.En corrientes turbulentas no se obtienen buenos resultados.El flotador no debe ser muy ligero ni muy pesado Canales a cielo abierto, carentes de estructuras de aforo (vertedores) y cuando no sea posible instalar algún otro dispositivo. REGRESAR

Aplicación Área velocidad Molinete La corriente puede ser profunda o no profunda. El molinete mecánico requiere de una profundidad mínima de 0.10 m y puede medir velocidades de caudal de 0.07 m/s a 2.0 m/s. El molinete eléctrico de copas pigmeo o enano está destinado a bajas velocidades y corrientes poco profundas: menores que 2.0 m y puede operar desde a 0.6 m/s. El molinete requiere calibración. Se requiere de una tabla, gráfica o ecuación y sólo se podrá usar para el molinete calibrado. Puede requerir de un escandallo para disminuir el arrastre por la corriente y corrección por desviación de la vertical, Los molinetes eléctricos requieren de mantenimiento para verificar su continuidad. En canales a cielo abierto e incluso cubiertos, pero no presuri-zados. Es necesario conocer la sección transversal del cauce. REGRESAR

Aplicación Área velocidad Molinete El molinete eléctrico de copas grande es usado para altas velocidades y grandes corrientes. Se usa en profundidades mayores de 2.0 m y puede operar desde 0.02 m/s a 4.0 m/s. Se deben considerar los materiales de construcción para el uso que se le darán a los molinetes a fin de que funcionen satisfactoriamente.

Aplicación Carga piezométrica Vertedores Rectangular El vertedor rectangular se utiliza entre 30 y 300 lps. La variación de la carga hidráulica debe ser desde m hasta 0.61 m, para el gasto medio. La carga no debe ser mayor de un tercio de la longitud de la cresta (L/3). La carga no debe ser mayor de 60 cm. Su longitud debe ser por lo menos tres veces la carga (3h). Es mejor usar un vertedor rectangular sin contracciones, de preferencia uno triangular para asegurar una mejor precisión en las observaciones. Los vertedores con contracciones laterales no han sido experimentados suficientemente, por lo que su empleo no es tan seguro como el de otros. La cresta debe quedar a nivel en sus extremos. ·La medición se basa en el funcionamiento de una sección hidráulica conocida y calibrada de tal forma que con sólo conocer la carga hidráulica de operación, se conoce el gasto que pasa por la sección.

Aplicación Carga piezo-métrica Vertedores Triangular Se prefiere el vertedor triangular cuando se requiere aforar caudales menores de 30 lps. La variación de la carga hidráulica debe ser entre 0.06 m y 0.60 m, para el gasto medio. La carga no debe ser mayor de 60 cm. Se utiliza sólo para gastos pequeños. Para fines prácticos sólo se construyen de 600 y 900 de escotadura. · La medición se basa en el funcionamien-to de una sección hidráulica conocida y calibrada, de tal forma que con sólo conocer la carga hidráulica de operación, se conoce el gasto que pasa por la sección.

Aplicación Carga piezomé-trica Vertedores Todos los vertedores Antes de llegar al vertedor, el canal de acceso debe ser recto, al menos diez veces la longitud de su cresta (10L). ·Todos los vertedores. El porcentaje de error en el caudal de derrame disminuye a medida que la carga aumenta.Existe una mayor exactitud cuando el derrame tiene lugar bajo la carga máxima posible dentro de las limitaciones de cada vertedor. Los vertedores deben colocarse perpendicularmente a la dirección del flujo del canal. La cresta y los laterales del vertedor deben ser rectos y afilados. Aguas abajo del canal no debe haber obstáculos a fin de evitar ahogamiento o inmersión de la descarga del vertedor. Representan pérdidas de carga importantes. Con muy poca pendiente, el canal no funciona. La medición se basa en el funcionamien-to de una sección hidráulica conocida y calibrada, de tal formo que con sólo conocer la carga hidráulica de operación, se conoce el gasto que pasa por la sección.

Aplicación Carga piezomé-trica Vertedores ·Todos los vertedores. No se pueden combinar con estructuras de distribución o derivación. Se azolvan y se nulifican las condiciones de aforo cuando los sedimentos se depositan en el fondo, por lo que es necesario realizar un mantenimiento continuo. Una de sus limitaciones es que se incrementan los tirantes aguas arriba del vertedor, aumentando las filtraciones, por generar una mayor carga hidráulica y mayor perímetro mojado o área de filtración.

Aplicación Volumen / tiempo Cubeta y cronómetro ·Corriente con caída libre. Caudales pequeños y de poca velocidad. Errores con chorros violentos. Requiere calibración del recipiente de aforo. Descargas libres. Escuadra Tubos horizontales con descarga libre. Distancia de por lo menos un metro entre la descarga y alguna pieza especial, cambio de dirección o bomba.

Características de un buen flotador
La parte expuesta al viento debe ser lo más reducida posible. La parte sumergida no debe ser voluminosa. Simétrico. De fácil manejo, resistente, ligero y económico. Fácil de transportar. Pequeño.

Con corchos, tornillos y tuercas se elabora un flotador que reune las características anteriores.
El flotador se lastra para que sobresalga del agua sólo el 20% del cuerpo del flotador

MEDICIÓN DEL GASTO CON FLOTADOR
Verificar que se cuenta con el flotador, cronómetro, cinta métrica y varilla (1 m). Seleccionar una sección lo más recta posible de 10 metros y sección transversal lo más regular posible. Marcar con estacas o señales visibles, por lo menos, los puntos inicial y final del tramo seleccionado. Medir área de la sección transversal. Colocar el flotador en la corriente al menos 1 metro antes del punto inicial. Medir el tiempo que toma al flotador recorrer la distancia entre los dos puntos marcados (repetir tres veces).

d = 10 m Estacas o marcas Flotador
Tramo seleccionado para la medición con flotador del flujo en un canal.

CÁLCULO DE LA VELOCIDAD MEDIA DE LA CORRIENTE CUANDO SE USA FLOTADOR
Calcular la velocidad de la corriente (del flotador) con la siguiente ecuación. Donde: VS = Velocidad superficial de la corriente (m/s) l= Longitud del tramo seleccionado t= Tiempo que recorre el flotador en la longitud del tramo seleccionado (s) l t VS =

Calcular la velocidad media de la corriente con la ecuación Vm= kVs
Donde: Vm = velocidad media de la corriente, (m/s). k = coeficiente adimensional que varía de 0.85 a (depende de las condiciones del viento): k = 0.90 cuando no se presenta viento. k = 0.95 cuando se presenta viento frenando la velocidad del caudal. k = 0.85 cuando existe viento pero no frena al caudal.

Cálculo del gasto o cuadal cuando se usa el flotador.
Q=ATVm Q= Gasto del cauce, (m3/s). AT = Área total de la sección transversal seleccionada, (m2 ). Vm= Velocidad media de la corriente (m/s).

MEDICIÓN DE LA VELOCIDAD CON MOLINETE
El molinete es un instrumento que permite la velocidad de una corriente en cualquier punto y a la profundidad que se desee. De acuerdo a la forma de contar las revoluciones de la propela o rueda de copas los molinetes pueden ser de tres tipos: Mecánico Eléctrico Electrónico

MOLINETE MECÁNICO (SUS PARTES)
Cordón elevador Propela Mecanismo detector Ruedas dentadas Propela Ruedas dentadas que registran el número de vueltas de la propela. Disposotivo elevador para embrague y desembrague para poner en marcha los engranes graduados.

MOLINETE ELECTRICO (SUS PARTES)
Caja de contactos Rueda de copas. Horquilla. Caja de contactos. Cruceta. Timón (dependiendo del molinete) para estabilidad. Sonda flexible, solera y escandallo. Audifonos. Pila de 1.5 voltios. Solera Escandallo Ruedas de copa

METODOLOGÍA PARA EL AFORO CON MOLINETE
Verificar que el molinete esté en buen estado Verificar que se cuenta con la ecuación o tabla de calibración. Si es eléctrico verificar: Señales. Conexiones, cable y pila. Caja de contactos, su soporte y el eje de la rueda.

El aforo debe llevarse a cabo de la siguiente forma: Selecionar tramo recto y sección transversal regular. Si es posible instalar en la sección transversal un puente potátil. Determinar área de la sección transversal. Determinar la velocidad del cauce con el molinete. Si es necesario utilizar escandallo. Realizar la medición del tiempo y conteo de vueltas. Determinar la velocidad mediante la ecuación o la tabla de calibración del molinete. Limpiar, secar y lubricar el molinete Llenar el formato siguiente.

SONDEOS MOLINETE VELOCIDAD SECCIÓN Q OBS. DISTANCIA A PUNTO INICIAL PROFUN- DIDAD PROFUNDIDAD DE OBSERVACIÓN REVS. T RPS EN EL PUNTO COEF. MEDIDA DEL TRAMO ANCHO PROF (d). ÁREA m método s m/s m2 m3/s TOTAL

Distancia a punto inicial (m): es la longitud del origen al punto límite o punto de aforo, sólo es de utilidad para medir corrientes anchas. Profundidad o tirante (m): es la longitud desde el nivel del agua hasta el fondo del cause, si se dividió la corriente en varias franjas, en la hoja se debe anotar todos los tirantes de las franjas.

Método. Se refiere al método utilizado para medir la velocidad del cauce: 0.6 d; 0.2 d y 0.8 d; 0.2 d, 0.6 d y 0.8 d o superficial. Profundidad de observación (m): es la profundidad a la que se coloca el mólinete en cada una de las franjas del cauce, y está determinado por el método utilizado. Número de revoluciones: las vueltas que da la rueda de copas. Tiempo (s): la duración de la observación.

Revoluciones por segundo: es el resultado de dividir el número de revoluciones entre el tiempo que duró la observación. Velocidad en el punto (m/s): está velocidad se cálcula al sustituir las revoluciones por segundo en la ecuación del molinete, o bien, a partir de la hoja de calibración del molinete haciendo coincidir la columna de las revoluciones con el renglón del tiempo. Coeficiente: cuando se midió la velocidad por el método superficial se utiliza un coeficiente de 0.9.

Velocidad media del tramo o franja (m/s)
Velocidad media del tramo o franja (m/s). Ésta se calcula a partir del método utilizado. Si el método fue 0.2 d y 0.8 d, la velocidad media es el promedio de las velocidades medidas en estos puntos. Si el método fue 0.6 d, la velocidad media es igual a la velocidad en el punto. Si el método fue el superficial, la velocidad es igual al producto del coeficiente por la velocidad en el punto. Ancho medido de la sección o franja (m): es el ancho de cada una de las secciones o franjas en que se dividió la sección transversal.

Profundidad o tirante promedio de la sección o franja
Donde: d = tirante promedio A = tirante inicial (extremo) B = tirante central C = tirante final (extremo) A + 2B+ C d = 4

Área de la sección o franja (m2): Es el producto del ancho medido de la franja por el tirante promedio de la misma franja. Gasto parcial (m3/s): Es el caudal que pasa a través de la franja seleccionada; es el producto de la velocidad media del tramo por el área de la franja Área de la sección transversal (m2): es la sumatoria de todas las áreas de las secciones o franjas. At = A1 + A An Gasto total (m3/s): es la sumatoria de los gastos parciales

Las dimensiones del cauce son las de la figura.
EJEMPLO PARA DETERMINACIÓN DE LA VELOCIDAD DE UN CAUCE POR MEDIO DE MOLINETE Se tiene que aforar un cauce, la velocidad del agua se medirá a través de un molinete eléctrico grande cuya caja de contactos cuenta con un penta (dispositivo que emite una señal cada cinco vueltas). O m 1.28 m 2.78 m 1.20 m 1.53 m 1.32 m Franja 1 = 1.28m Franja 2 = 1.50 m Las dimensiones del cauce son las de la figura. La ecuación del molinete V = 0.68N –

Se calcula el tirante promedio de cada franja
EJEMPLO PARA DETERMINACIÓN DE LA VELOCIDAD DE UN CAUCE POR MEDIO DE MOLINETE Solución del problema. Se calcula el tirante promedio de cada franja A B C A B C 1.20 m 1.53 m 1.32 m 1.53 m A + 2B+ C d = 4 Detalle Franja 1 Detalle Franja 2 0 + 2(1.20) (1.32) + 0 d1 = d2 = 4 4 d1 = 0.98 m d2 = 1.04 m

EJEMPLO PARA DETERMINACIÓN DE LA VELOCIDAD DE UN CAUCE POR MEDIO DE MOLINETE
Dada la profundidad del cauce se aplica el método 2/10, 8/10 y se toman tres mediciones en cada punto. En la hoja del molinete se anota el promedio de las tres mediciones. Para el punto 2/10 (20% de profundidad respecto de la superficie) de la franja 1 se obtuvieron 9 señales (con el penta 9 * 5 = 45) por lo tanto son 45 revoluciones. El tiempo promedio del registro fue de 46 s N = 45 revoluciones/46 segundos = RPS Sustituyendo este valor en la ecuación del molinete se tiene: V = 0.68 (0.978) – = m/s

Para el punto 8/10 (80% de profundidad respecto de la superficie) de la franja 1 se obtuvieron 8 señales (con el penta 8 * 5 = 40) por lo tanto son 40 revoluciones. El tiempo promedio del registro fue de 49 s. N = 40 revoluciones/49 segundos = RPS Sustituyendo este valor en la ecuación del molinete se tiene: V = 0.68 (0.784) – = m/s. La velocidad promedio de la franja 1 es V 2/10+ V 8/10 V1 = = = m/s 2 2

Para la franja 2 se tiene los siguiente: En el punto 2/10 se obtuvieron 9 señales (9 * 5 = 45), es decir 45 revoluciones. El tiempo promedio del registro fue de 45 s. N = 45 revoluciones/45 segundos = 1 RPS Sustituyendo este valor en la ecuación del molinete se tiene: V = 0.68 (1) – = m/s.

Para la franja 2… En el punto 8/10 se obtuvieron 8 señales (8 * 5 = 40), es decir 40 revoluciones. El tiempo promedio del registro fue de 47 s. N = 40 revoluciones/47 segundos = RPS Sustituyendo este valor en la ecuación del molinete se tiene: V = 0.68 (0.851) – = m/s. La velocidad promedio de la franja 2 es V 2/10 + V 8/10 V1 = = = m/s 2 2

Estos datos se anotan en la hoja de registro del molinete. La velocidad promedio de cada franja se multiplica por el área transversal de la franja respectiva y se obtiene el gasto parcial. Finalmente, se suman los gastos parciales y se obtiene el gasto total de la corriente. En la tabla siguiente se resumen los datos

SONDEOS MOLINETE VELOCIDAD SECCIÓN Q OBS. DISTANCIA A PUNTO INICIAL PROFUN- DIDAD PROFUNDIDAD DE OBSERVACIÓN REVS. T RPS EN EL PUNTO COEF. MEDIDA DEL TRAMO ANCHO PROF (d). ÁREA m método s m/s m2 m3/s 0.64 1.2 2/10 0.24 9*5=45 46 0.978 0.644 1.28 0.98 1.25 Franja 1 8/10 0.96 8*5=40 49 0.784 0.534 0.589 0.736 2.03 1.32 0.26 45 1.000 0.659 1.50 1.04 1.56 Franja 2 1.06 47 0.851 0.557 0.608 0.948 TOTAL 1.690

con la columna de las revoluciones…
T / R 30 35 40 45 50 60 70 80 90 0.432 0.507 0.583 0.659 0.734 0.885 1.036 1.187 1.339 46 0.422 0.496 0.570 0.644 0.718 0.866 1.013 1.161 1.309 47 0.413 0.485 0.557 0.630 0.702 0.847 0.991 1.136 1.281 48 0.404 0.474 0.545 0.616 0.687 0.829 0.970 1.112 1.254 49 0.395 0.464 0.534 0.603 0.672 0.811 0.950 1.089 1.228 45 46 0.644 Otra alternativa es entrar a la hoja de calibración del molinete y hacer coincidir la fila del tiempo con la columna de las revoluciones…

… los resultados son iguales que los calculados previamente.
T / R 30 35 40 45 50 60 70 80 90 0.432 0.507 0.583 0.659 0.734 0.885 1.036 1.187 1.339 46 0.422 0.496 0.570 0.644 0.718 0.866 1.013 1.161 1.309 47 0.413 0.485 0.557 0.630 0.702 0.847 0.991 1.136 1.281 48 0.404 0.474 0.545 0.616 0.687 0.829 0.970 1.112 1.254 49 0.395 0.464 0.534 0.603 0.672 0.811 0.950 1.089 1.228 … los resultados son iguales que los calculados previamente.

VERTEDOR Es una abertura o escotadura grande de forma regular practicada en al pared de un recipiente o en una pantalla, colocada en tal forma que se interpone al paso de una corriente de agua para poder realizar el aforo de un caudal.

VERTEDOR Estas estructuras se basan en el funcionamiento de un sección hidráulica conocida y calibrada Los vertedores puede ser: rectangulares, triangulares, trapeciales y proporcionales.

PARTES DE UN VERTEDOR Manto Cresta del vertedor

PARTES DE UN VERTEDOR Cresta del vertedor .- Borde o superficie sobre la que se vierte el agua. Manto.- Lámina de agua que derrama por encima de la cresta. Carga (h) .- Altura del agua que produce el vertedor.

CONDICIONES A CUMPLIR PARA EL AFORO CON VERTEDOR
La medición de la carga (h) debe efectuarse a una distancia mínima (d) de cuatro veces la carga (4h) aguas arriba del vertedor. La carga mínima para tener mediciones precisas es de 6 cm. Se recomienda que la corriente tenga una velocidad máxima de 0.4 m/s, en caso de velocidades mayores, se hacen ajustes para incluir la carga por velocidad. H = h + La profundidad de la pantalla (w) debe ser mayor que tres veces la carga máxima (3h) sobre el vertedor. V02 2g

VERTEDOR RECTANGULAR Es la estructura más usual destinada para medir el gasto en los canales, el cual está constituido por una pantalla de cresta biselada instalada en el cauce de un canal rectangular. Vista frontal

MEDICIÓN DE LA DESCARGA SOBRE EL VERTEDOR RECTANGULAR
Q=CL h3 Donde: Q = Gasto (m3/s) C = Coeficiente de descarga del vertedor en este caso 1.84 L = Ancho del canal o longitud de la cresta (m) H = Carga hidráulica sobre la cresta del vertedor o nivel de la superficie libre por encima de la cresta (m). Por lo tanto: Q=1.84L h3

Cerca de la cresta la corriente se acelera El tirante se abate Por lo anterior la medición debe efectuarse a una distancia mayor que 4 veces la carga máxima del vertedor, en ese punto se puede colocar una escala de gancho

Si el agua presenta una velocidad considerable se agrega la carga por velocidad H = h + H = Carga (m) Vo = Velocidad de llegada (m/s) g = 9.81 (m/s2) Q=1.84L H3 V2o 2g

EJEMPLO Se tiene instalado un vertedor rectangular en un canal de cresta de 0.80 m (L), cuya carga aguas arriba es de m (h), con una velocidad de llegada de 0.99 m/s, se desea obtener el caudal correspondiente: H = h = =0.133 Q = 1.84L H Si: H3 = H H Se tiene: Q = (1.84) (0.80) (0.133) = m3/s=72 l/s V2o (0.99)2 2g 2 X 9.81

VERTEDOR RECTANGULAR CON CONTRACCIÓN LATERAL
Se le considera un diafragma cuya cresta no alcanza las paredes del canal ya que la corriente de agua los cruza a través de una escotadura cuyos lados la restringen en forma brusca.

VERTEDOR RECTANGULAR CON CONTRACCIÓN LATERAL
Vista frontal D  4h

VERTEDOR RECTANGULAR CON CONTRACCIONES
En este tipo de vertedores el caudal se calcula mediante la siguiente ecuación: Q = 1.84 (L – 0.20 h) h3

EJEMPLO En un canal se tiene instalado un vertedor rectangular con contracciones y se desea determinar el gasto del caudal que pasa por dicho canal, para ello se tienen los siguientes datos: la longitud de la cresta es de 40 cm; la carga aguas arriba es de 15cm. Q = 1.84 ( L – 0.20 h) h3 Sustituyendo Q = 1.84 (0.40 – 0.20(0.15) (0.15)3= m3/s= 39.6 L/s

VERTEDOR TRIANGULAR Este tipo de vertedores son los más apropiados para la medición de gastos pequeños ya que sólo se toma en cuenta la carga hidráulica (h) y el ángulo (q) de abertura del vertedor. L/2 L/2 Vista frontal d  4h

VERTEDOR TRIANGULAR El caudal se calcula de la siguiente forma: 2 
Q= C tan h 5/2 Para una escotadura de 90° Tan 90° 2 =1 5/2= 2.5 Por lo tanto: Q = 1.38 h2.5

EJEMPLO DE CALCULO DE GASTO DE UN VERTEDOR TRIANGULAR
Se cuenta con un vertedor triangular de 90° de abertura en un canal, se requiere obtener el gasto. La carga es de 20 cm sobre el vértice del vertedor. Q = 1.38 tan h2.5 = 1.38 tan (0.20) 2.5 Q = 1.38 (0.20)2.5 Q = m3/s = 23 l/s 2  90

DESCARGA LIBRE (VOLUMEN TIEMPO)
Meter rápidamente un recipiente por debajo de la corriente Medir el tiempo que tarda en llegar a una marca conocida Vaciar el líquido a un recipiente calibrado para medir el volúmen Obtener el gasto dividiendo el volúmen obtenido entre el tiempo que duró el llenado El método es efectivo para chorros pequeños de poca velocidad

DESCARGA LIBRE (ESCUADRA)
Cuando las descargas se realizan a través de tubos horizontales ya sean llenos o parcialmente llenos, se mide la componente horizontal (L) y la vertical (Y) Tubo lleno Q = LA Donde: Q = Gasto (L/s) L= componente horizontal (cm) A = Área del tubo = r2 (cm) R = Radio del tubo (cm)

EJEMPLO Determinar el gasto de un tubo horizontal que descarga lleno. Su diámetro es cm y una longitud de descarga (componente horizontal) de 70 cm. Q = LA Donde: D = Diámetro interior del tubo = cm R = 7.62 cm L = 70.0 cm A = r2 = (7.62)2 = cm2 Por lo tanto Q = X 70 X = l/s

DESCARGA LIBRE (TUBO PARCIALMENTE LLENO)
Para el cálculo se considera como un tubo de descarga lleno, la diferencia es que se debe medir el valor del tirante (x) y el diámetro interior del tubo (D). Obtener la relación X/D, y buscar en la tabla siguiente el porcentaje % del área con respecto al tubo lleno, se transforma a decimal y se multiplica por el gasto a tubo lleno para obtener el gasto correspondiente. Nivel del agua X

EJEMPLO Determinar el gasto de la descarga de un tubo horizontal parcialmente lleno con diametro interior de cm, una componnete horizontal de 64 cm y un tirante de 14.5 Q = LD Donde: D = cm; R =10.16 cm L = 64.0 cm A= r2 = (10.16)2 = cm2 Q= (0.0039)(64)(324.21) = l/s Conociendo el valor del tirante X = 16.2 cm Se obtiene la relación X/D R= X/D = 14.5 / = 0.71 De la tabla anterior se obtiene el porcentaje de área con respecto a tubo lleno = 75.95% El gasto se convierten a fracción decimal y se multiplica por el gasto a tubo lleno. Q = (75.95/100) = l/s

DESCARGA SUMERGIDA Idealmente debe existir algun dispositivo de medición (de presión o de velocidad) instalado en el tubo. Si no se cuenta con ellos se puede hacer lo siguiente: Aforar con micromolinete Acercar lo más que se pueda el micromolinete a la boca del tubo. Utilizar el medidor de flujo de la figura. El principio de medición es el mismo que el de un molinete, pero la corriente del río no interfiere con el movimiento de la propela. En ambos casos es indispensable conocer la dimensión del tubo para el cálculo del área transversal para aplicar la ecuación. Q = VA

DESCARGA SUMERGIDA Otra alternativa es utilizar un trazador en algún punto del tubo. Para aplicar este método hay que conocer la conformación de la red de alcantarillado, el cuerpo receptor debe ser claro (poco turbio y sin color) y la descarga no puede ser profunda. En ambos casos es indespensable conocer la dimensión del tubo para el cálculo del área transversal para aplicar la ecuación: Q = VA.

DESCARGA SUBTERRÁNEA Agua de inodoros Aguas jabonosas Fosa séptica
Campo de oxidación Pozo de absorción Fosa séptica Registro

DESCARGA SUBTERRÁNEA El efluente de una fosa séptica se evacua por un tubo de desagüe hasta un registro, o bien, hacia un campo de oxidación. En el registro se mezcla el efluente de la fosa séptica con las aguas jabonosas. Del registro el agua se dirige a un pozo de absorción. La medición del gasto puede realizarse en el registro por medio del método de descarga libre, siempre y cuando la descarga sea pequeña y de poca velocidad. Otra alternativa es contar con un vertedor triangular, el inconveniente es que la carga debe ser superior a 6 cm., para que la medición sea confiable. REGRESAR

PREPARACIÓN DE MUESTRAS COMPUESTAS PROPORCIONALES A LOS CAUDALES
Al término de esta unidad, el usuario será capaz de describir el procedimiento para preparar una muestra compuesta con base en el caudal de agua residual que se descarga a un cuerpo receptor.

Objetivo de la recolección de muestras compuestas
Obtener una medida representativa y confiable de las características del agua residual que se descarga a un cuerpo receptor.

Tipos de muestras Simples: una porción tomada de una descarga en un momento específico. Promedio: promedio aritmético de los volúmenes de varias muestras simples. Compuestas proporcionales al caudal: es la mezcla de varias muestras simples tomando en cuenta el caudal de la descarga en el momento en que se tomó la muestra

MUESTRA COMPUESTA La muestra compuesta se calcula utilizando la siguiente ecuación: VMSi = VMC (Qi/Qt) Donde VMSi = volumen de la i muestra simple VMC = volumen de la muestra compuesta Qi = caudal medido en la descarga en el momento de tomar la muestra Qt = caudal total = SQi = sumatoria de los gastos i

EJEMPLO DE PREPARACIÓN DE MUESTRA COMPUESTA
Se lleva a cabo una visita de inspección a una industria química. La descarga de agua residual al cuerpo receptor se hace a través de una tubería de 6 pulgadas de diámetro cuya caída es accesible para el muestreador. La empresa trabaja las 24 horas del día, por lo que el intervalo de recolección para cada muestra simple se determinó con base en la siguiente tabla.

Continuación ejemplo de recolección de muestra compuesta
Horas por día que opera el proceso generador de descarga Número de muestras simples Intervalo entre toma de muestras simples (horas) Mínimo N.E. Máximo N.E. Menor que 4 Mínimo 2 De 4 a 8 4 1 2 Mayor que 8 y hasta 12 3 Mayor que 12 y hasta 18 6 Mayor que 18 y hasta 24

CONTINUACIÓN EJEMPLO MUESTRA COMPUESTA
Se tomaron seis muestras simples con un intervalo de toma de 4 horas. Hora Volumen (L) Tiempo (s) Qi (L/s) 08:00 15.2 37.0 0.410 12:00 15.7 34.0 0.462 16:00 27.0 0.570 20:00 15.9 28.9 0.550 24:00 15.4 26.5 0.581 04:00 SQi 3.143

Los datos anteriores se obtienen de la siguiente ecuación: Q = volumen (L)/ tiempo (s) Para el cálculo de la aportación proporcional al caudal de cada muestra simple se utiliza la ecuación: VMSi = VMC x (Qi/Qt) Donde VMSi = Volumen a cada una de las muestras simples i (L) VMC = Volumen de la muestra compuesta necesario para realiza la totalidad de los análisis de laboratorio requeridos (L) Qi = Caudal medio de la descarga en el momento de la tomar la muestra simple (L/s) Qt = Sumatoria de cada uno de los gastos (L/s)

Parámetro Volumen mínimo requerido (litros) Preservación Sólidos suspendidos totales y sólidos sedimentables 3 4°C Nitrógeno total 1 H2SO4 pH < 2 Metales HNO3 Cianuros NaOH pH > 12 DBO

La muestra de sólidos suspendidos y sólidos sedimentables y fósforo es de 3 litros y queda así: VMC Qi/Qt VMC *(Qi/Qt) 3 0.131 0.393 0.147 0.441 0.181 0.543 0.175 0.525 0.185 0.555 SVMC*(Qi/Qt) 3.000

Las muestras de nitrógeno, metales, cianuros y DBO requieren muestra compuesta de 1 Litro. Los cálculos son los siguientes: VMC Qi/Qt VMC *(Qi/Qt) 1 0.131 0.147 0.181 0.175 0.185 SVMC*(Qi/Qt) 1.000

(muestra compuesta de 3 litros)
GERENCIA ___________________________________ ACTA DE VISITA Núm.__________________________ CONTROL INTERNO DEL MUESTREO FORMATO DE LOS CÁLCULOS PARA LAS MUESTRAS COMPUESTAS PREPARACIÓN DE MUESTRAS COMPUESTAS POR MEDIO DE LA ECUACIÓN: VMSi= VMC(Qi/Qt) DONDE: VMSi= Volumen necesario de cada una de las muestras para preparar una compuesta, litros. VMC= Volumen necesario de la muestra compuesta para realizar los análisis, litros. Qi= Gasto en el momento de la toma de la muestra (i), litros por segundo. Qt= ΣQi=Sumatoria de cada uno de los gastos, litros por segundo. NOMBRE COMPLETO O RAZÓN SOCIAL DE LA PERSONA: Industrias patito S. De R. L. IDENTIFICACIÓN DE LA DESCARGA FECHA: HORA DE PREPARACIÓN: 4:30 am PERSONA QUE CALCULÓ: Francisco Bienhecho HORA Qi Qt VMC (Qi/Qt) VMSi 8:00 0.410 3.143 3.0 0.131 0.393 12:00 0.462 0.147 0.441 16:00 0.570 0.181 0.543 20:00 0.550 0.175 0.525 24:00 0.581 0.185 0.555 4:00 SQi SVMSi 3.000 (muestra compuesta de 3 litros)

(muestras compuestas de 1 litro)
GERENCIA ___________________________________ ACTA DE VISITA Núm.__________________________ CONTROL INTERNO DEL MUESTREO FORMATO DE LOS CÁLCULOS PARA LAS MUESTRAS COMPUESTAS PREPARACIÓN DE MUESTRAS COMPUESTAS POR MEDIO DE LA ECUACIÓN: VMSi= VMC(Qi/Qt) DONDE: VMSi= Volumen necesario de cada una de las muestras para preparar una compuesta, litros. VMC= Volumen necesario de la muestra compuesta para realizar los análisis, litros. Qi= Gasto en el momento de la toma de la muestra (i), litros por segundo. Qt= ΣQi=Sumatoria de cada uno de los gastos, litros por segundo. NOMBRE COMPLETO O RAZÓN SOCIAL DE LA PERSONA: Industrias patito S. De R. L. IDENTIFICACIÓN DE LA DESCARGA FECHA: HORA DE PREPARACIÓN: 4:35 am PERSONA QUE CALCULÓ: Francisco Bienhecho HORA Qi Qt VMC (Qi/Qt) VMSi 8:00 0.410 3.143 1.0 0.131 12:00 0.462 0.147 16:00 0.570 0.181 20:00 0.550 0.175 24:00 0.581 0.185 4:00 SQi SVMSi 1.000 (muestras compuestas de 1 litro)

EJEMPLO 2 Suponiendo que la misma empresa en lugar de operar las 24 horas al día, sólo lo hace 8 horas. Las condiciones de la descarga son las mismas. En este caso se toman 4 muestras simples con un intervalo de 3 horas entre tomas.

CONTINUACIÓN DEL EJEMPLO 2
Hora Volumen (L) Tiempo (s) Qi (L/s) 08:00 15.2 37.0 0.410 11:00 15.7 34.0 0.462 14:00 27.0 0.570 17:00 15.9 28.9 0.550 SQi 1.992

La muestra de sólidos suspendidos y sólidos sedimentables y fósforo es de 3 litros y queda así: VMC Qi/Qt VMC *(Qi/Qt) 3 0.206 0.618 0.232 0.696 0.286 0.858 0.276 0.828 SVMC*(Qi/Qt) 3.000

Las muestras de metales, nitrógeno, DBO son de 1 litro y quedan así: VMC Qi/Qt VMC *(Qi/Qt) 1 0.206 0.232 0.286 0.276 SVMC*(Qi/Qt) 1.000

(muestra compuesta de 3 litros)
GERENCIA ___________________________________ ACTA DE VISITA Núm.__________________________ CONTROL INTERNO DEL MUESTREO FORMATO DE LOS CÁLCULOS PARA LAS MUESTRAS COMPUESTAS PREPARACIÓN DE MUESTRAS COMPUESTAS POR MEDIO DE LA ECUACIÓN: VMSi= VMC(Qi/Qt) DONDE: VMSi= Volumen necesario de cada una de las muestras para preparar una compuesta, litros. VMC= Volumen necesario de la muestra compuesta para realizar los análisis, litros. Qi= Gasto en el momento de la toma de la muestra (i), litros por segundo. Qt= ΣQi=Sumatoria de cada uno de los gastos, litros por segundo. NOMBRE COMPLETO O RAZÓN SOCIAL DE LA PERSONA: Industrias patito S. De R. L. IDENTIFICACIÓN DE LA DESCARGA FECHA: HORA DE PREPARACIÓN: 17:30pm PERSONA QUE CALCULÓ: Francisco Bienhecho HORA Qi Qt VMC (Qi/Qt) VMSi 8:00 0.410 1.992 3.0 0.206 0.618 11:00 0.462 0.232 0.696 14:00 0.570 0.286 0.858 17:00 0.550 0.276 0.828 SQi SVMSi 3.000 (muestra compuesta de 3 litros)

(muestras compuestas de 1 litro)
GERENCIA ___________________________________ ACTA DE VISITA Núm.__________________________ CONTROL INTERNO DEL MUESTREO FORMATO DE LOS CÁLCULOS PARA LAS MUESTRAS COMPUESTAS PREPARACIÓN DE MUESTRAS COMPUESTAS POR MEDIO DE LA ECUACIÓN: VMSi= VMC(Qi/Qt) DONDE: VMSi= Volumen necesario de cada una de las muestras para preparar una compuesta, litros. VMC= Volumen necesario de la muestra compuesta para realizar los análisis, litros. Qi= Gasto en el momento de la toma de la muestra (i), litros por segundo. Qt= ΣQi=Sumatoria de cada uno de los gastos, litros por segundo. NOMBRE COMPLETO O RAZÓN SOCIAL DE LA PERSONA: Industrias patito S. De R. L. IDENTIFICACIÓN DE LA DESCARGA FECHA: HORA DE PREPARACIÓN: 17:35pm PERSONA QUE CALCULÓ: Francisco Bienhecho HORA Qi Qt VMC (Qi/Qt) VMSi 8:00 0.410 1.992 1.0 0.206 11:00 0.462 0.232 14:00 0.570 0.286 17:00 0.550 0.276 SQi SVMSi 1.000 (muestras compuestas de 1 litro) REGRESAR

Cálculo de la sección transversal

Sección parabólica Se determina mediante la ecuación At = ay 2 3 y a
donde: At = área de la sección transversal a = ancho del canal o cauce y = profundidad máxima 2 3

Para secciones irregulares
Seleccionar un tramo lo más recto posible y libre de malezas. Medir el ancho del cauce, si hay hierbas o malezas sólo se considera la parte libre de malezas. Dividir el cauce en franjas de acuerdo con la siguiente tabla.

Medir los tirantes correspondientes con varilla.
Ancho de franja en función del ancho del cauce. Ancho del cauce (m) Ancho de la franja (m) Hasta 2.0 0.50 – 1.0 2.0 – 4.0 1.0 – 2.0 4.0 – 10.0 10.0 – 50.0 4.0 – 6.0 50.0 – 100.0 6.0 – 10.0 Medir los tirantes correspondientes con varilla.

Calcular el tirante promedio (di) con base en la siguiente ecuación:
Ai + 2Bi + Ci 4 di = Donde: di = tirante promedio Ai = tirante inicial (extremo) Bi = tirante central Ci = tirante final (extemo) Franja 1 Franja 2 A1 C2 B1 B2 C1 A2 a1 a2

Calcular el ancho de cada franja con la siguiente ecuación:
Ai = ai * di Donde: Ai = área de cada franja ai = ancho de la franja di = tirante promedio de la franja Calcular el área total: At = A1 + A An

Ejemplo Se requiere determinar el área transversal de un cauce con fondo irregular y que tiene hierba en el fondo. No se consideraron14 cm de la orilla derecha y 16 cm de la izquierda y 10 cm del fondo ya que la hierba ocupa ese espacio. La figura muestra la información adicional. Franja 1 Franja 2 0 m 0m 0.80 m 0.88 m 1.02 m 0.16 m 0.14 m 0.85 m 1.0 m 2.15 m

Ejemplo cálculo de los tirantes promedio cálculo de las áreas
A1 = 0.85 (0.655) = m2 A2 = 1.00 (0.695) = m2 At = = m2 0 + 2(0.80) d1 = = m 4 (0.88) + 0 d2 = = m 4 Regresar

Escala de gancho Manubrio Rodillo Escala Nivel del agua bote gancho d
Manguera

Cálculo de la sección transversal

Sección parabólica Se determina mediante la ecuación At = ay 2 3 y a
donde: At = área de la sección transversal a = ancho del canal o cauce y = profundidad máxima 2 3

Para secciones irregulares
Seleccionar un tramo lo más recto posible y libre de malezas. Medir el ancho del cauce, si hay hierbas o malezas sólo se considera la parte libre de malezas. Dividir el cauce en franjas de acuerdo con la siguiente tabla.

Ancho del cauce (m) Ancho de la franja (m) Hasta 2.0 0.50 – 1.0
Ancho de franja en función del ancho del cauce. Ancho del cauce (m) Ancho de la franja (m) Hasta 2.0 0.50 – 1.0 2.0 – 4.0 1.0 – 2.0 4.0 – 10.0 10.0 – 50.0 4.0 – 6.0 50.0 – 100.0 6.0 – 10.0 Medir los tirantes correspondientes con varilla o sonda flexible con escandallo, si la sonda sufre desviaciones con respecto a la vertical hay que ajustar.

Calcular el tirante promedio (di) con base en la siguiente ecuación:
Ai + 2Bi + Ci 4 di = Donde: di = tirante promedio Ai = tirante inicial (extremo) Bi = tirante central Ci = tirante final (extemo) Franja 1 Franja 2 A1 C2 B1 B2 C1 A2 a1 a2

Calcular el ancho de cada franja con la siguiente ecuación:
Ai = ai * di Donde: Ai = área de cada franja ai = ancho de la franja di = tirante promedio de la franja Calcular el área total: At = A1 + A An REGRESAR

Distribución local de las velocidades de la sección transversal
La velocidad del agua varía a lo ancho y con la profundidad de un cauce. Por ello es necesario medir en más de un punto. La velocidad del agua tiene una distribución semejante a la que se presenta en la siguiente figura:

Distribución de velocidades en un cauce.
V sup V max 0.80 d 0.60 d d V media V min

Distribución de velocidades en un cauce.
La velocidad máxima ocurre entre 5 y 25% del tirante total (0.05 a 0.25 d) y la velocidad promedio ocurre al 60 % del tirante (0.6 d). Si se miden y promedian las velocidades a 0.2 d y 0.8 d, se tiene una buena estimación de la velocidad media (método 2/10, 8/10). Si la profundidad del cauce es menor a 1.0 m se recomienda medir la velocidad a 0.6 m de profundidad (método 6/10). Regresar

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