INSTITUTO COLOMBIANO DE HIDROLOGIA, METEOROLOGIA Y...
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HIMAT INSTITUTO COLOMBIANO DE HIDROLOGIA, METEOROLOGIA Y ADECUACION DE TIERRAS SUBDIRECCION DE ESTUDIOS E INVESTIGACIONES DIVISION DE ESTUDIOS HIDROMETEOROLOGICOS SECCION HIDROLOGIA AFOROS POR DILUCION Elaboró : Segundo Belisario Luengas C. BOGOTA, mayo de 1990. .17■,,, 9 4. poc 44, + \ IDEAM F n '1-, ó ,,t , ■
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HIMAT
INSTITUTO COLOMBIANO DE HIDROLOGIA, METEOROLOGIA Y ADECUACION DE TIERRAS
SUBDIRECCION DE ESTUDIOS E INVESTIGACIONES
DIVISION DE ESTUDIOS HIDROMETEOROLOGICOS
SECCION HIDROLOGIA
AFOROS POR DILUCION
Elaboró : Segundo Belisario Luengas C.
BOGOTA, mayo de 1990.
.17■,,, 94. poc 44,
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IDEAM F n
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CONTENIDO
Introducción.
Definición.
Requerimientos de los Trazadores.
Trazadores para aguas superficiales.
Medición de caudal por el método de dilución.
'Metodología.
Consideraciones generales.
Selección del emplazamiento
Determinación del peso del Trazador.
Inyección continua.
Gráhco
Inyección instantánea
Gráfico
Grafitos de relación de concentraciones.
Conductividad Eléctrica.
•
AFOROS CON TRAZADORES
INTRODUCCIOW.
La existencia de corrientes con características especiales tales como : Régi-
men torrencial, alta pendiente, lechos inestables y lineas de flujo desordena
das en las secciones de aforo, hacen poco aplicable el método de aforo conven
cional (con. molinete); para suplir estos inconvenientes se han utilizad) los- .
aforos con trazadores; que permiten conocer el caudal, desconociendo el área
de la sección de aforos.
TRAZADORES.
Puede definirse como trazador a toda sustancia que incorporada a un proceso -
físico o químico permita estudiar su comportamiento y evolución.
Entre los trazadores empleados pueden citarse los.sólidos en suspensión, los
trazadores químicos solubles en el medio bajo estudio, los colorantes y los
elementos radioactivos.
REQUERIMIENTOS DE LOS TRAZADORES. .
1. Su comportamiento debe ser identico al del medio a medir, en este caso -
agua, siendo necesario que se desplace a igual velocidad, esto implica que
no debe efectuar intercambio ionico y no debe tampoco sufrir absorción -
química o física, además de no alterar las propiedades y condiciones del
agua; tales como densidad, viscosidad y temperatura.
2. Si la sustancia trazadora se inyecta artificialmente al flujo este no de
be contener cantidades apreciables de la sustancia inyectada.
3. Si se utiliza como trazador alguna sustancia existente en el medio a me-
dir su concentración no debe modificarse durante la realización de la ex
periencia.
4. Es conveniente que sea fácilmente soluble en agua y no se precipite, per
mitiendo marcar grandes cantidades de fluído con una pequeña masa de tra
zador.
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5. Es importante que pueda ser medido "in situ".
6. No debería, en general, contaminar el medio durante períodos prolon
gados . ni afectar a seres vivos.
7. Es importante que su costo sea reducido.
Solamente un trazador ideal puede cumplir con todos estos requerimien
tos por lo que se hace indispensable tener un conocimiento práctico -
de cada uno de estos trazadores para utilizar el apropiado de acuerdo
a la necesidad del estudio o utilizar alguno de los existentes con las
correcciones requeridas que hagan posible y aprovechable su utilización.
En general conviene contemplar 2 casos independientes aguas superficia-
les y aguas subterráneas la cual deben ser tratadas con trazadores úti-
les para cada ocasión de investigación.
Es importante tener un conocimiento previo del medio que se requiere me
dir sobre sus propiedades y elementos en disolución pero no indispensa-
ble.
TRAZADORES UTILIZADOS J'ARA MEDICIONES DE AGUAS SUPERFICIALES:
Se puede utilizar como trazador cualquier sustancia a condición de :
a. Que se disuelva rápidamente en el río a una temperatura normal.
b. Que no se encuentre en el agua del río o si esta presente que.lo este -
en cantidades mínimas.
c. Que no se descomponga en el agua del río, ni sea retenida o absorvida -
por sedimentos, plantas y organismos.
d. Que su concentración sea detectada por métodos sencillos.
e. Que sea inofensiva para el hombre y los animales, en el grado de concen
tración que alcance en la corriente.
TIPO DE TRAZADORES.
1. Cloruro de sodio :
La sustancia trazadora más económica es la sal común. Cuando el traza-
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dor se inyecta instantaneamente en la corriente, la cantidad requerida
no es muy importante y su detección por el método de conductividad es
relativamente sencillo, grado de disolución 360 gramos por litro.
2. Dicromato de Sodio :
El Dicromato de sodio se usa extensamente como trazador en el método de
aforo por dilución por su alta solubilidad (600 gramos por litro) y la
sal satisface la mayor parte de las condiciones indicadas. El análisis
colorimétrico permite medir concentraciones muy reducidas de dicromato
de sodio.
3 Cloruro de litio :
El cloruro de litio presenta una solubilidad de (600 gramos por litro) el
análisis fotométrico de la llama puede detectar concentraciones de litio
hasta 10-4 gramos por litro.
Otros trazadores químicos utilizados son el yoduro de sodio, nitrato de
sodio y sulfato de manganeso.
4. La Rodamina W :
El uso de la rodamina esta ampliamente difundido en los Estados Unidos de
América, para el aforo por dilución, sus características de absorsión son
mucho mejores que las de otras tintas, pese a que su costo es superior,la
concentración de la tinta se puede medir en la estación de aforos usando
fluorimetros que pueden detectar concentraciones de 5 a 10 P.P.MM (5 a 10
en 109 ).
ELEMENTOS RADIOACTIVOS.
Con el método de dilución se han utilizado elementos radioactivos tales como -
la bromina 82 la yodina 131 y el sodio 24. Las concentraciones de estos elemen
tos del orden de 10 -9 , pueden determinarse exactamente con un contador o un do
símetro, cuya sonda detectora este suspendida sobre la corriente o en un tan -
que contador normalizado aunque los elementos radioactivos constituyen traza-
dores ideales para el método de dilución, es posible que los peligros que pre=
sentan para la salud limiten su utilización en ciertas localidades.
4
MEDICION DE CAUDAL POR EL METODO DE DILUCION - METODOLOGIA.
La medición'del caudal mediante este método esta basado en la determinación
• del grado de dilución en el agua del río de una solución trazadora. El empleo
de este sistema se recomienda únicamente en los lugares en los que no pueda -
recurrirse a métodos convencionales, debido a la poca profundidad de la co- -
rriente, a su excesiva velocidad o a la magnitud,de la turbulencia. Para las
mediciones del caudal se pueden emplear principalmente 2 métodos en los que -
intervengan sustancias trazadoras; el,basado en la inyección de la sustancia a
un ritmo constante y aquel en que la solución se vierte en forma instantánea.
CONDICIONES GENERALES.
Se vierte en la corriente una solución de un elemento químico estable o radioac
• tivo a un ritmo constante o instantáneamente. La solución se diluirá en el río
por efecto de la corriente. La relación entre el caudal constante de la solución
• inyectada y la determinación de la concentración resultante en la corriente por
dilución en el sitio de medición nos permite conocer el caudal de la corriente;-
la precisión del método depende principalmente de :
a. Que la solución inyectada se diluya uniformemente en toda la sección trans-
versal del río antes de llegar a la sección de muestreo. Si la solución tra
zadora se inyecta en forma contínua la concentración de esta solución debe-
rá ser constante en toda la sección de medida. Si el elemento trazador se
inyecta en forma instantánea se deberá cumplir que la concentración sea la
7 misma en todos los puntos de la sección y que C2 = f cdt. e:
En ésta fórmula :
C2 = Concentración resultante.
T = Tiempo en el que toda la muestra pasa por determinado punto dé la sec •
ojón:
5
Antes de seleccionar el sitio del emplazamiento de la inyección y de
la sección de medida se deben verificar ciertos criterios.
La distancia aproximada requerida entre el sitio de inyección y el -
sitio de medida esta dado por la.siguiente ecuación :
L = 0.13x C (0.7 c 4. 6) b2
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en unidades métricas.
Siendo :
b = Ancho medio del río.
d = Profundidad media de la corriente.
c = Coeficiente de Chezy para el tramo (15 < C < 50 )
g = Aceleración de la gravedad.
Ejemplo :
b = 3 metros
d = 0.30 metros
g = 9.81 m/seg2
c = 25
L = 0.13 * 25 (0.7 * 25 + 6 )% 3 2 9.81 0.3
L = 233 metros.
b. De que los materiales, sedimentos, plantas u organismos depositádos en
el lecho del río no absorban la sustancia trazadora y de que esta no se
descomponga con el agua de la corriente, la concentración deberá determi
narse en la sección de muestreo y como mínimo, en otra sección transver-
sal situada aguas abajo, a fin de asegurar de que no existe una diferen-
cia sistemática en la concentración media entre una u otra sección de -
muestreo.
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SELECCION DE EMPLAZAMIENTO.
e La condición. fundamental.para la selección de los emplazamientos para la me
dición del caudal' mediante el método por dilución, es el de que se produzca
•
una mezcla homogénea de la solución inyectada con el agua de la corriente en
un tramo relativamente corto de un canal. La mezcla se vé mejorada por las -
rugosidades de las orillas elevadas y la presencia de cantos rodados que au-
mentan la turbulencia de la corriente, tal como cascadas y estrangulamientos
abruptos del curso del agua.
DETERMINACION DEL PESO DEL TRAZADOR.
P = Qa X Tm X N2 .
Ejemplo :
Caudal aproximado = 300 lt/sg.
Tiempo en segundos de muestreo = 200/seg. gm
Concentración esperada = 0.010 ---- Lt.
Siendo :
Qa = Caudal aproximado en (L/s).
T = Tiempo de muestreo en (Seg.).
No.= Concentración esperada en (g/Lt.).
P = Peso requerido en (gramos).
Cálculo del caudal :
Por el método de inyección contínua :
Q = Qtr X Cl
(Ver gráfico No. 1).
C2
Por el método de inyección instantánea.
Q = Vtr (Ver gráfico No.2 )
12 C2'dt .71-1.7-
q = Caudal de la solución inyectada
Vtr = Volúmen de la solución inyectada
Cl = Concentración de la solución inyectada.
C2 = ConcCntración obtenida en la sección de muestreo.
t = Tiempo en que toda la solución cruza por el punto de muestreo.
En el caso de que la corriente presente algún contenido inicial de la sustan
cia trazadora -la formula se modifica en :
(Cl - C2 ) Q = q ( para caudal constante)
(C2 - Co )
En los gráficos No.3, 4, 5 se muestran las relaciones entre concentración de sal
con la conductividad eléctrica y la concentración de sodio.
Gráfico No: 3 - concentración de sal en miligramos por litro contra conductivi-
dad eléctrica ert micromohos por centímetro / con el fin de obtener directamente
en el campo la conductividad de la muestra madre, que está seguramente por fue-
ra del rango de medida del. conductimetro, o diluyendo la solución madre hasta -
lograr que entre su medida dentro del . rango permisible del conductimetro.
Gráfico No. 4 - Concentración de sal en miligramos por litro contra concentra -
ción de sodio en miligramos por litro.
Gráfico No. 5 - La relación de comportamiento del contenido de sodio en miligra
mos por litro contra conductividad eléctrica en micromohos por centímetro.
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CONCUCTIVIDAD ELECTRICA.
La conducti</idad eléctrica expresa la cantidad total de iones que se en-
cuentran disueltos en el agua.
Al disolver una base o sal en el agua, se disocia en iones, unos positi-
vos llamados cationes y otros negativos llamados aniones; esta disolución
tiene la propiedad de conducir la corriente eléctrica.
La resistencia de un conductor es directamente proporcional a su longitud
e inversamente proporcional al área de la sección siendo la unidad el OHMIO.
R = L/s y se expresa en OHMIOS.
Siendo :
L = Longitud del conductor.
s = Area de su sección transversal.
= Constante que depende del material del conductor.
La conductividad específica o conductancia es el reciproco de la resistividad
es decir
1 OHM-1 Cm.' R
y se define como la cantidad de electricidad transportada de un electródo a -
otro en un segundo, a travéz de la sección de 1 Cm 2, bajo la calda de potencial
de 1 voltio CX Cm. y se define como micromhos/cm.
Una solución conduce la electricidad, tanto mejor, cuanto mayor sea su concen-
tración en sales, esta propiedad nos permite a su vez medir la salinidad en tér
minos de la conductividad eléctrica.
X =
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Clasificación
CE - Micromhos/cm. Concentración gramos/litro.
C
Aguas de baja salinidad
0 - 250
0.2
C2 Aguas 'de salinidad media
250-750
02- 0.5
C3 Agua Altamente salina
750-2250
-0.5-1.5
C4 Agua muy altamente salina
2250-5000
1.5-3.0
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