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Universidad de La Salle Universidad de La Salle Ciencia Unisalle Ciencia Unisalle Ingeniería Civil Facultad de Ingeniería 2015 Evaluación de la eficiencia hidráulica, por presencia de plantas Evaluación de la eficiencia hidráulica, por presencia de plantas acuáticas en modelo físico: Caso canal Jaboque, localidad acuáticas en modelo físico: Caso canal Jaboque, localidad Engativá, Bogotá D.C Engativá, Bogotá D.C Juan Manuel Sánchez Martínez Universidad de la Salle, Bogotá Jeyson Alexander Miranda Velandia Universidad de la Salle, Bogotá Follow this and additional works at: https://ciencia.lasalle.edu.co/ing_civil Part of the Civil Engineering Commons, and the Hydraulic Engineering Commons Citación recomendada Citación recomendada Sánchez Martínez, J. M., & Miranda Velandia, J. A. (2015). Evaluación de la eficiencia hidráulica, por presencia de plantas acuáticas en modelo físico: Caso canal Jaboque, localidad Engativá, Bogotá D.C. Retrieved from https://ciencia.lasalle.edu.co/ing_civil/3 This Trabajo de grado - Pregrado is brought to you for free and open access by the Facultad de Ingeniería at Ciencia Unisalle. It has been accepted for inclusion in Ingeniería Civil by an authorized administrator of Ciencia Unisalle. 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Luis Efrén Ayala Rojas Universidad de La Salle Facultad de Ingeniería Programa de Ingeniería Civil Bogotá D.C. 2015 Nota de aceptación: ______________________________________ ______________________________________ ______________________________________ ______________________________________ ______________________________________ ______________________________________ ______________________________________ __________________________________ Firma del presidente del jurado __________________________________ Firma del jurado __________________________________ Firma del jurado Bogotá, Mayo de 2015 DEDICATORIA Este proyecto de Grado es dedicado especialmente a mis padres, que me ha apoyado en cada etapa de mi vida, siendo mi motivación y ejemplo para ser una mejor persona cada día. Quienes me brindaron su apoyo incondicional durante la carrera, a mis hermanas y mi novia que me respaldaron en todo momento. A ellos les agradezco este logro tan importante en mi vida. Juan Manuel Sánchez Martínez Dedico este proyecto de grado a mis padres, hermanos, esposa e hijo, quienes fueron el cimiento para la construcción de mi vida profesional, quienes siempre me apoyaron para alcanzar mis metas, que a pesar de todo de los obstáculos presentados a lo largo de mi carrera me enseñaron a superarlos y salir siempre adelante, Siempre han estado hay cuando más se necesitan. Jeyson Alexander Miranda Velandia AGRADECIMIENTOS Agradezco a Dios el que hace posible esta bendición, a mi padre Luis Orlando Sánchez Rodríguez, mi madre Casilda Martínez Camargo, quien con gran sacrificio me permitido llevar a cabo mis estudios, además de ser un gran ejemplo de vida, a mi hermanas y mi novia quien de igual forma me apoyo durante estos años de estudio. Finalmente agradezco a la Universidad de la Salle y a mi director temático de nuestro trabajo de grado, Ingeniero Msc. Luis Efrén Ayala Rojas, sin quienes no habría podido lograr este título. Juan Manuel Sánchez Martínez Agradezco primero que todo a Dios todo poderoso, a mi padre Osvaldo Miranda Gómez, a mi madre María Helena Velandia, a mi esposa Liliana Reina Suarez, a mi precioso hijo Juan Pablo Miranda Reina, a mi hermano Nicolás Osvaldo Miranda Velandia, mi hermana Andrea Ximena Miranda Velandia, a mi hermana Lina Gabriela Miranda Velandia. Finalmente agradezco a la Universidad de la Salle y a mi director temático de nuestro trabajo de grado, Ingeniero Msc. Luis Efrén Ayala Rojas, sin quienes no habría podido lograr este título. Jeyson Alexander Miranda Velandia TABLA DE CONTENIDO Introducción ...................................................................................................................................... 11 1. Descripción del Proyecto .......................................................................................................... 13 1.1 Planteamiento del Problema ............................................................................................ 13 1.2 Formulación del Problema ................................................................................................ 15 1.3 Delimitación ...................................................................................................................... 16 1.4 Justificación ....................................................................................................................... 16 2. Objetivos ................................................................................................................................... 17 2.1 Objetivo General ..................................................................................................................... 17 2.2 Objetivos Específicos ............................................................................................................... 17 3. Marco de Referencia ................................................................................................................. 18 3.1 Antecedentes Generales ......................................................................................................... 18 3.2 Marco Teórico ................................................................................................................... 20 3.2.1 Eficiencia hidráulica .......................................................................................................... 20 3.2.2 Flujo en Canales Abiertos ................................................................................................ 21 3.2.3 Numero de froude ............................................................................................................ 21 3.2.4 Flujo permanente y uniforme .......................................................................................... 22 3.2.5 Energía en canales abiertos ............................................................................................ 24 3.2.6Energía específica ............................................................................................................ 26 3.2.7 Similitud Hidráulica .......................................................................................................... 28 3.2.8 Modelos Físicos Reducidos .............................................................................................. 30 3.2.9 Escalas Modelo-Prototipo (Criterio de similitud de Froude) .......................................... 32 3.3 Marco conceptual ............................................................................................................. 33 3.3.1 Canales ............................................................................................................................. 33 3.3.2 Elementos geométricos de una sección de canal ............................................................ 34 3.3.3 Caudal ............................................................................................................................... 37 3.3.3.1 Aforo de caudal ............................................................................................................. 37 3.3.3.2 Método volumétrico ..................................................................................................... 38 3.3.4 Plantas acuáticas .............................................................................................................. 39 3.3.4.1 Plantas marginales ........................................................................................................ 39 3.3.4.2 Plantas sumergidas ....................................................................................................... 40 3.3.4.3 Plantas flotantes ........................................................................................................... 40 3.3.4.4 Plantas Emergentes ....................................................................................................... 42 3.3.5 Eichhornia crassipes – Buchon de agua .......................................................................... 43 4. Metodología .............................................................................................................................. 46 4.1 Metodología propuesta .............................................................................................................. 46 4.1.1 Etapas a desarrollarse ...................................................................................................... 46 4.1.1.1 Etapa 1 – Evaluación de variable ................................................................................... 46 4.1.1.2 Etapa 2 – Construcción y ejecución del modelo físico .................................................. 47 4.1.1.3 Etapa 3 – Evaluación de los resultados ......................................................................... 47 5. Procesamiento de Datos ........................................................................................................... 48 5.1 Información de secciones modeladas ............................................................................... 48 5.1.1 Sección A y A´ ................................................................................................................... 48 5.1.2 Sección B y B´ ................................................................................................................... 50 5.1.3 Sección E y E´ .................................................................................................................... 52 6. Factores de escala ..................................................................................................................... 54 6.1 Escala del modelo físico .................................................................................................... 54 6.2 Escala del caudal ............................................................................................................... 56 6.2.1 Calculo del caudal de diseño por el método racional ............................................... 56 6.2.1 Calculo del caudal real y modelo según criterio - similitud de Froude ............................ 58 7. Prototipo de laboratorio ........................................................................................................... 59 7.1 Limitaciones del prototipo .................................................................................................... 59 7.1.1 Similitud geométrica ................................................................................................. 59 7.1.2 Tipo de flujo .............................................................................................................. 59 7.1.3 Control hidráulico ...................................................................................................... 59 7.1.4 Pendiente longitudinal .............................................................................................. 60 7.1.5 Pérdidas de energía ................................................................................................... 60 7.2 Elementos que lo componen ................................................................................................ 60 7.2.1 Canal de laboratorio ......................................................................................................... 60 7.2.2 Sistema de Bombeo ......................................................................................................... 61 7.2.3 Sistema de Captación ....................................................................................................... 61 7.2.4 Estructura de apoyo y variación de pendiente ................................................................ 62 7.3 Elección de materiales ....................................................................................................... 62 7.4 Paso a paso de construcción de modelo físico ................................................................... 63 7.5 Metodología de toma de datos .......................................................................................... 69 8. Análisis e Interpretación de Resultados .................................................................................... 72 8.1 Resultados eficiencia hidráulica ........................................................................................ 72 8.2 Graficas de resultados eficiencia hidráulica ..................................................................... 79 8.3 Resultados cálculos pérdidas de energía .......................................................................... 84 8.4 Graficas de resultados pérdidas de energía ...................................................................... 91 9. Conclusiones y recomendaciones ............................................................................................. 95 10. Fuentes De Información Bibliográfica ................................................................................... 98 10.1 Bibliografía .......................................................................................................................... 98 10.2 Referencias .......................................................................................................................... 98 11. ANEXOS ................................................................................................................................. 99 LISTA DE TABLAS TABLA 1 CONDICIONES DE SIMILITUD DE FROUDE... ...................................................................... 31 TABLA 2 VARIABLE 1, ABERTURAS DE BOMBA... ............................................................................ 46 TABLA 3 MEDIDAS ESCALAS DEL MODELO SECCIÓN A´ ................................................................ 54TABLA 4 MEDIDAS ESCALAS DEL MODELO SECCIÓN A ................................................................... 55 TABLA 5 MEDIDAS ESCALAS DEL MODELO SECCIÓN B´. ................................................................. 55 TABLA 6 MEDIDAS ESCALAS DEL MODELO SECCIÓN B ................................................................... 55 TABLA 7 MEDIDAS ESCALAS DEL MODELO SECCIÓN E´ .................................................................. 56 TABLA 8 MEDIDAS ESCALAS DEL MODELO SECCIÓN E ................................................................... 56 TABLA 9 EFICIENCIA HIDRÁULICA CON RAÍCES A 10 CM Y ABERTURA DE BOMBA 100%... ............. 73 TABLA 10 EFICIENCIA HIDRÁULICA CON RAÍCES A 20 CM Y ABERTURA DE BOMBA 100%. ............. 73 TABLA 11 EFICIENCIA HIDRÁULICA CON RAÍCES A 30 CM Y ABERTURA DE BOMBA 100%... ........... 74 TABLA 12 EFICIENCIA HIDRÁULICA CON RAÍCES A 10 CM Y ABERTURA DE BOMBA 75%. ............... 74 TABLA 13 EFICIENCIA HIDRÁULICA CON RAÍCES A 20 CM Y ABERTURA DE BOMBA 75%. ............... 75 TABLA 14 EFICIENCIA HIDRÁULICA CON RAÍCES A 30 CM Y ABERTURA DE BOMBA 75%. ............... 75 TABLA 15 EFICIENCIA HIDRÁULICA CON RAÍCES A 10 CM Y ABERTURA DE BOMBA 50%. ............... 76 TABLA 16 EFICIENCIA HIDRÁULICA CON RAÍCES A 20 CM Y ABERTURA DE BOMBA 50%... ............. 76 TABLA 17 EFICIENCIA HIDRÁULICA CON RAÍCES A 30 CM Y ABERTURA DE BOMBA 50%... ............. 77 TABLA 18 EFICIENCIA HIDRÁULICA CON RAÍCES A 10 CM Y ABERTURA DE BOMBA 25%. ............... 77 TABLA 19 EFICIENCIA HIDRÁULICA CON RAÍCES A 20 CM Y ABERTURA DE BOMBA 25%. ............... 78 TABLA 20 EFICIENCIA HIDRÁULICA CON RAÍCES A 30 CM Y ABERTURA DE BOMBA 25%. ............... 78 TABLA 21 TABLA RESUMEN BOMBA A 100%. ................................................................................. 79 TABLA 22 TABLA RESUMEN BOMBA A 75%. ................................................................................... 81 TABLA 23 TABLA RESUMEN BOMBA A 50%. ................................................................................... 81 TABLA 24 TABLA RESUMEN BOMBA A 25%. ................................................................................... 83 TABLA 25 EDAD DE BUCHÓN (RAÍCES DE 10 CM) CON ABERTURA DE BOMBA 100%. ..................... 85 TABLA 26 EDAD DE BUCHÓN (RAÍCES DE 20 CM) CON ABERTURA DE BOMBA 100%. ..................... 85 TABLA 27 EDAD DE BUCHÓN (RAÍCES DE 30 CM) CON ABERTURA DE BOMBA 100%. ..................... 86 TABLA 28 EDAD DE BUCHÓN (RAÍCES DE 10 CM) CON ABERTURA DE BOMBA 75%. ....................... 86 TABLA 29 EDAD DE BUCHÓN (RAÍCES DE 20 CM) CON ABERTURA DE BOMBA 75%. ....................... 87 TABLA 30 EDAD DE BUCHÓN (RAÍCES DE 30 CM) CON ABERTURA DE BOMBA 75%. ....................... 87 TABLA 31 EDAD DE BUCHÓN (RAÍCES DE 10 CM) CON ABERTURA DE BOMBA 50%. ....................... 88 TABLA 32 EDAD DE BUCHÓN (RAÍCES DE 20 CM) CON ABERTURA DE BOMBA 50%. ....................... 88 TABLA 33 EDAD DE BUCHÓN (RAÍCES DE 30 CM) CON ABERTURA DE BOMBA 50%. ....................... 89 TABLA 34 EDAD DE BUCHÓN (RAÍCES DE 10 CM) CON ABERTURA DE BOMBA 25%. ....................... 89 TABLA 35 EDAD DE BUCHÓN (RAÍCES DE 20 CM) CON ABERTURA DE BOMBA 25%. ....................... 90 TABLA 36 EDAD DE BUCHÓN (RAÍCES DE 30 CM) CON ABERTURA DE BOMBA 25%. ....................... 90 TABLA 37 PÉRDIDAS DE ENERGÍA, CON ABERTURA DE BOMBA 100%. ............................................ 91 TABLA 38 PÉRDIDAS DE ENERGÍA, CON ABERTURA DE BOMBA 75%. .............................................. 92 TABLA 39 PÉRDIDAS DE ENERGÍA, CON ABERTURA DE BOMBA 50%. .............................................. 93 TABLA 40 PÉRDIDAS DE ENERGÍA, CON ABERTURA DE BOMBA 25%. .............................................. 94 LISTA DE FIGURAS FIGURA 1: CANAL PERIMETRAL JABOQUE NOV /2014. ..................................................................... 13 FIGURA 2: CORTE TRASVERSAL TIPO – CANALES PERIMETRALES JABOQUE. ................................... 14 FIGURA 3: ISOMÉTRICO Y CORTE TRASVERSAL TIPO – CANALES PERIMETRALES JABOQUE. ............. 14 FIGURA 4: INCREMENTO DE NIVEL DE AGUA EN CANAL PERIMETRAL JABOQUE. ............................. 15 FIGURA 5: BUCHÓN (EICHHORNIA CRASSIPES). .............................................................................. 18 FIGURA 6: UBICACIÓN CANAL JABOQUE.......................................................................................... 19 FIGURA 7: VALORES DE COEFICIENTE DE MANNIG (N). .................................................................. 23 FIGURA 8: ENERGÍA DE UN FLUJO GRADUALMENTE VARIADO ......................................................... 25 FIGURA 9: CURVA DE ENERGÍA ESPECÍFICA EN UN CANAL. .............................................................. 27 FIGURA 10: PROYECCIÓN LINEAL DEL SISTEMA MODELO-PROTOTIPO... .......................................... 31 FIGURA 11: ELEMENTO GEOMÉTRICOS DE SECCIÓN DE CANAL. ....................................................... 34 FIGURA 12: ESQUEMA AFORO TIPO VOLUMÉTRICO.......................................................................... 38 FIGURA 13: CORTADERA (CIPERUS FERAX L.C RICH), COQUITO (CYPERUS ROTUNDUS L). ............... 39 FIGURA 14: ELODEA (ANACHARIS SP) ............................................................................................. 40 FIGURA 15: LECHUGUILLA (PISTIA STRATIOTES L.) ......................................................................... 41 FIGURA 16: LIRIO ACUÁTICO (EICHHORNIA CRASSIPES (MART) SOLMS). ......................................... 41 FIGURA 17: LOTOS. ......................................................................................................................... 42 FIGURA 18: VOLADOR (TYPHASP). .................................................................................................. 42 FIGURA 19: EICHHORNIA CRASSIPES – BUCHON DE AGUA. .............................................................. 43 FIGURA 20: VÁLVULA TIPO BOLA, REGULADORA DE CAUDAL ........................................................ 46 FIGURA 21: MUESTRA DE BUCHÓN A 3 EDADES. .............................................................................. 47 FIGURA 22: GEORREFERENCIACIÓN, SECCIÓN A Y SECCIÓN A´. ....................................................... 48 FIGURA 23: UBICACIÓN, SECCIÓN A Y SECCIÓN A´. ......................................................................... 48 FIGURA 24: CORTE TRANSVERSAL, SECCIÓN A Y A´ ........................................................................ 49 FIGURA 25: GEOMETRÍA, SECCIÓN A Y A´. ...................................................................................... 49 FIGURA 26: GEORREFERENCIACIÓN, SECCIÓN B Y B´. ...................................................................... 50 FIGURA 27: UBICACIÓN, SECCIÓN B Y B´. ........................................................................................ 50 FIGURA 28: CORTE TRANSVERSAL, SECCIÓN B Y B´ ................................................................. 51 FIGURA 29: GEOMETRÍA, SECCIÓN B Y B´. ....................................................................................... 51 FIGURA 30: GEORREFERENCIACIÓN, SECCIÓN E Y E´. ...................................................................... 52 FIGURA 31: UBICACIÓN, SECCIÓN E Y E´. ........................................................................................ 52 FIGURA 32: CORTE TRANSVERSAL, SECCIÓN E Y E´. ........................................................................ 53 FIGURA 33: GEOMETRÍA, SECCIÓN E Y E´. ....................................................................................... 53 FIGURA 34: CURVA IDF PARA ESTACIÓN EL DORADO CUNDINAMARCA. ....................................... 57 FIGURA 35: DIMENSIONES CANAL LABORATORIO ...........................................................................60 FIGURA 36: CANAL RECTANGULAR – LABORATORIO DE HIDRÁULICA – UNIVERSIDAD DE LA SALLE .................................................................................................................................... 60 FIGURA 37: BOMBA CENTRIFUGA MODELO HQE 3250-3 ................................................................ 61 FIGURA 38: SISTEMA CAPTACIÓN – LABORATORIO DE HIDRÁULICA – UNIVERSIDAD DE LA SALLE ...................................................................................................................................... 61 FIGURA 39: CALIBRACIÓN DE PENDIENTE CANAL RECTANGULAR –LABORATORIO DE HIDRÁULICA – UNIVERSIDAD DE LA SALLE CALIBRACIÓN DE PENDIENTE MODELO. ................ 62 FIGURA 40: SELECCIÓN DE MATERIALES MODELO A ESCALA. ........................................................ 62 FIGURA 41: CORTE DE SECCIONES EN MADEFLEX. .......................................................................... 63 FIGURA 42: PRE-ENSAMBLE DE SECCIONES .................................................................................... 63 FIGURA 43: REVISIÓN DE MEDIDAS DE ESCALA .............................................................................. 64 FIGURA 44: LIMPIEZA DEL CANAL LABORATORIO ........................................................................... 64 FIGURA 45: INSTALACIÓN DE LOS PÓRTICOS DE SOPORTE GUÍA DE LA SECCIÓN. ............................. 65 FIGURA 46: INSTALACIÓN DE LA FORMALETA DE LA SECCIÓN. ....................................................... 65 FIGURA 47: SELLADO DE JUNTAS DE FORMALETA... ....................................................................... 66 FIGURA 48: PAÑETADO DE LA FORMALETA. ................................................................................... 66 FIGURA 49: INSTALACIÓN TABLETAS DE GRES. ............................................................................... 67 FIGURA 50: CURADO DE MORTERO ................................................................................................. 67 FIGURA 51: INSTALACIÓN DE LA MAYA SOPORTE DE PLANTAS. ...................................................... 68 FIGURA 52: INSTALACIÓN DEL MEDIDOR DE PROFUNDIDAD DE FLUJO. ........................................... 68 FIGURA 53: CALIBRACIÓN DE PENDIENTE MODELO. ....................................................................... 69 FIGURA 54: ENCENDIDO Y REGULACIÓN DE BOMBA. ...................................................................... 69 FIGURA 55: TRANSITO DEL FLUJO LIBRE. ........................................................................................ 70 FIGURA 56: TRANSITO DE FLUJO CON PRESENCIA DE PLANTA DE ESTUDIO. .................................... 70 FIGURA 57: AFOROS DE CAUDAL POR MÉTODO VOLUMÉTRICO ....................................................... 71 FIGURA 58: EFICIENCIA HIDRÁULICA CON BOMBA AL 100%. ......................................................... 79 FIGURA 59: EFICIENCIA HIDRÁULICA CON BOMBA AL 75%. ........................................................... 80 FIGURA 60: EFICIENCIA HIDRÁULICA CON BOMBA AL 50%. ........................................................... 82 FIGURA 61: EFICIENCIA HIDRÁULICA CON BOMBA AL 25%. ........................................................... 83 FIGURA 62: PÉRDIDAS DE ENERGÍA, CON ABERTURA DE BOMBA 100%........................................... 91 FIGURA 63: PÉRDIDAS DE ENERGÍA, CON ABERTURA DE BOMBA 75%............................................. 92 FIGURA 64: PÉRDIDAS DE ENERGÍA, CON ABERTURA DE BOMBA 50%............................................. 93 FIGURA 65: PÉRDIDAS DE ENERGÍA, CON ABERTURA DE BOMBA 25%............................................. 94 11 Introducción A partir de esta investigación presentamos el fenómeno hidráulico causado por la presencia y el efecto de plantas acuáticas vivas sobre la superficie del canal perimetral del 1 Humedal Jaboque, este se ubica en la zona noroccidental de la ciudad de Bogotá, en la Localidad de Engativá, entre el aeropuerto el Dorado y la autopista Medellín. Se analizó el comportamiento del flujo en un canal revestido en concreto a escala, con presencia de plantas acuáticas vivas en su superficie, caso específico buchón 2 (Eichornia Crassipes), midiendo y evaluando la eficiencia hidráulica y las pérdidas de energía en los modelos construidos. Se determina cómo la invasión del buchón afecta el normal funcionamiento del canal. Para tal efecto se consultaron: Algunas fuentes primarias cuya base está en las referencias y la asesoría del personal del área medioambiental de la empresa de acueducto y alcantarillado de Bogotá 3 (E.A.A.B). Al igual que el acopio de datos, a través de la observación directa que realizó el grupo de investigadores, Fuentes secundarias son los datos obtenidos a través de las consultas teóricas. El propósito en el campo profesional y personal, que motivó esta investigación fue la necesidad de evaluar la incidencia de esta planta invasora, con el normal funcionamiento de dicha estructura, la cual afecta el libre flujo de agua en los canales, causando el desbordamiento y colmatación de los mismos; paralelo a esto, la invasión de buchón genera 1 Humedal: Es un ecosistema de gran valor natural y cultural, constituido por: un cuerpo de agua permanente o estacional de escasa profundidad (E.A.A.B). 2 Eichornia Crassipes: Comúnmente llamado buchón de agua, planta acuática de rápido crecimiento presente en cuerpos de agua, humedales, canales y lagunas. 3 (E.A.A.B): Empresa de acueducto y alcantarillado de Bogotá 12 proliferación de roedores y acumulación de basuras, convirtiéndose en un vector de enfermedades para los vecinos que circundan el canal. Las limitaciones que encontramos en el transcurso de la investigación fueron la poca información que actualmente manejan los entes ambientales, con respecto al manejo de la planta del buchón de agua en dicho canal, y el difícil acceso a la información encontrada. Los resultados de la investigación nos permitieron establecer como efectivamente el crecimiento de buchón (Eichornia Crassipes) en canales, no solo reduce significativamente la capacidad hidráulica del canal, si no que afecta a la sociedad en contorno. De allí la necesidad de realizar mantenimientos periódicos de limpieza y controlar esta especie. 13 1. Descripción del Proyecto 1.1 Planteamiento del Problema La problemática evidenciada en el Humedal Jaboque, es el crecimiento desmedido y sin control del buchón (Eichornia Crassipes), sobre la superficie o espejo de agua de los canales perimetrales, en la figura 1 se observa la capa en crecimiento de buchón en toda la extensión del canal, derivado por la falta de periodicidad en los trabajos de mantenimiento de estas estructuras. Figura 1: Canal perimetral Jaboque Nov /2014 Fuente: (Autores, 2014) Existen dos causas que generan esta problemática. La primera es las bajas velocidades de flujo que se presentan y la sedimentación acumulada en toda la cuenca de captación que contribuyen con la rápida expansión de la capa vegetal sobre el canal. 14 La segunda, es la mezcla de las aguas propias del humedal con las aguas pluviales captadas por los canales perimetrales, en la figura 2 y 3 se muestra el perfil transversal del canal donde a través de un jarillon de poca altura se hace la separación de estas aguas. Figura 2: Corte trasversal tipo – Canales perimetrales Jaboque Fuente: (Autores, 2015) Figura 3: Isométrico y Corte trasversal tipo – Canales perimetrales Jaboque Fuente: (Autores, 2015) 15 Debido a la temporada invernal 2010 – 2011 4 (Fenómeno de la niña),que origino fuertes aguaceros causando inundaciones en diferentes zonas de Colombia, en el Humedal Jaboque se presentaron aumentos de los niveles de aguas, hasta el punto del 5 desbordamiento, (en la figura 4 se observa como la barrera que impide la mezcla de aguas fue sobrepasada y de igual manera el buchón invade el canal). Figura 4: Incremento de nivel de agua en canal perimetral Jaboque Fuente: (Sánchez/Miranda, 2013) 1.2 Formulación del Problema ¿Se afecta la eficiencia hidráulica y las pérdidas de energía para los Canales perimetrales del humedal Jaboque, por invasión y proliferación de plantas acuáticas vivas? 4 Fenómeno de la niña: Es un ciclo conocido por la su variabilidad climática en la franja tropical de océano pacifico en la escala interanual. 5 Desbordamiento: Superación de los límites de una cauce 16 1.3 Delimitación El Canal Jaboque presenta más de 40 secciones transversales a causa de su topografía y dinámica hidrológica, por ello dentro de proyecto se construirán seis modelos físicos a escala, variando su base y jarillón. 1.4 Justificación Este proyecto tiene un gran beneficio ambiental representado por el control de estas plantas y su efecto sobre el control de inundaciones en el humedal. La recolecta del buchón a través del mantenimiento continuo en los canales perimetrales, beneficia tanto a nuestro medio ambiente como a los habitantes de la ribera de éste, al recoger esta plantas se disminuye el gran deterioro del canal. Podemos mencionar también, que la función primordial del canal perimetral es la de evitar la mezcla de agua lluvia con las del humedal, ya que estas requieren tratamientos diferentes y por ende la importancia de conducirlas de manera adecuada, caso que en el humedal Jaboque no se observa, debido al crecimiento desmedido de la planta acuática - buchón, lo que permite que al invadir el canal cambia sus propiedades y su debido funcionamiento. Por consiguiente, este trabajo pretende demostrar por medio de un modelo físico a escala, cómo este tipo de planta afecta el funcionamiento de la estructura de los canales. Con base en los resultados concluir y recomendar un mantenimiento periódico. 17 2. Objetivos 2.1 Objetivo General Evaluar la eficiencia hidráulica y pérdida de energía en el Canal Jaboque ubicado en la localidad de Engativá Nor-occidente de Bogotá, por presencia de plantas acuáticas vivas a través de un modelo físico. 2.2 Objetivos Específicos − Evidenciar mediante visitas de campo la problemática que se presenta en el canal perimetral del humedal Jaboque. − Recopilar información de las entidades encargadas del manejo y mantenimiento del Canal Jaboque. − Construir un modelo físico con 6 secciones transversales del canal perimetral Jaboque. − Determinar la eficiencia hidráulica y las pérdidas de energía en los modelos físicos construidos. − Analizar los resultados teniendo en cuenta las variables: Edades de las plantas acuáticas (Buchon) y la abertura de la bomba, en el modelo físico. − Realizar las recomendaciones pertinente para el manteniendo de los canales Jaboque, acorde a los análisis de resultados obtenidos. 18 3. Marco de Referencia 3.1 Antecedentes Generales El buchón de agua (Eichhornia crassipes) figura 5, también conocida como Jacinto de agua, Camalote, Lampazo, Violeta de agua, de la Familia Pontederiaceae (Pontederiáceas), es una planta originaria de los cursos de agua de la cuenca del Amazonas, que se ha distribuido prácticamente por todo el mundo vía exportación por su aspecto ornamental y su uso en pisciculturas para favorecer 6 desove de peces y protección de 7 alevines, además en sus raíces se desarrolla una rica microflora que sirve como alimento inicial para los mismos. Esta planta es una especie flotante de raíces sumergidas, que carece de tallo aparente, presenta un 8 rizoma emergente del que se abre un rosetón de hojas verdes brillantes, semi carnosas, que tienen una superficie esponjosa notablemente inflada en forma de globo que determina una vejiga llena de aire, la cual permite su flotación superficial en el agua. Las hojas emergidas son obovadas, redondeadas y presentan pequeñas hinchazones que permiten su flotación. (Patricio Basaure, Feb 2006) Figura 5: Buchón (Eichhornia Crassipes). Fuente: http://bisbiseos.wordpress.com/page/2/ 6 Desove: Puesta de huevos o huevas de los peces y los anfibios. 7 Alevines: Cría de pez que incluye la fase comprendida entre la larva y el adulto y que en ciertos peces de agua dulce se utiliza para repoblar. 8 Rizoma: Es un tipo de tallo que crece de manera subterránea y en sentido horizontal. 19 Dentro de los proyectos de saneamiento y adecuación hidráulica en el humedal Jaboque realizados por la Empresa de acueducto y alcantarillado de Bogotá, se encuentra la construcción del Canal Jaboque, el cual se compone por canales perimetrales, con la función de captar aguas pluviales y residuales, provenientes de las urbanizaciones del sector aledañas al humedal, estas estructuras proporcionan una mayor capacidad hidráulica y evitan inundaciones en temporadas invernales. Figura 6 Los canales fueron diseñados y construidos en los años 2000 y 2002, su extensión es de 5,8 km aproximadamente y bordean al humedal Jaboque, presenta un empalme el cual recibe los caudales provenientes del Canal Carmelo y el Canal de los Ángeles. Aguas abajo se encuentra ubicada la estación de bombeo de Villa Gladys. Figura 6: Ubicación Canal Jaboque Fuente: http://sinupot.sdp.gov.co/sinupot/2013 http://sinupot.sdp.gov.co/sinupot/2013 20 En cuanto a la investigaciones realizadas, en la Universidad de La Salle, Se encontró que en el año de 2007 se realizó una tesis con el título: “Estudio de los efectos hidráulicos causados por la planta acuática (Eichhornia Crassipes) localizada en la superficie del agua en canales abiertos” escrita por Ana Karina Bacca Vega y Wilson Morales Hernández estudiante de ingeniería civil. El proyecto presenta un estudio del posible efecto causado por plantas acuáticas sobre el comportamiento hidráulico del flujo en el canal que se puede asimilar como un cambio de rugosidad. Este efecto depende de factores como la altura, la densidad, el tipo de vegetación, su localización y la concentración de biomasa. En la investigación se llevó a cabo un proceso de observación directa del contexto río Bogotá y posterior a ésta se realizó una extracción de plantas acuáticas con el fin de lograr una caracterización y modelación de la planta (Eichhornia Crassipes); y que a su vez permita identificar y evaluar posibles causas y efectos en cuanto al flujo. (Ana Karina y Wilson Morales, 2007) 3.2 Marco Teórico 3.2.1 Eficiencia hidráulica (Barragán, 2010). La eficiencia hidráulica es la relación en porcentaje que existe entre el caudal de entrada al modelo y el caudal recolectado. Determinado así: EH = (QR / QE) * 100 % Dónde: EH: Eficiencia hidráulica. QR = Caudal recolectado ( ). QE = Caudal de entrada ( ). 21 3.2.2 9 Flujo en Canales Abiertos El flujo de canales abiertos tiene lugar cuando los líquidos fluyen por la acción de la gravedad y solo están parcialmente envueltos por un contorno sólido. En el flujo de canales abiertos, el líquido que fluye tiene superficie libre y sobre él no actúa otra presión que la debida a su propio peso y a la presión atmosférica. El flujo en canales abiertos también tiene lugar en la naturaleza, como en ríos, arroyos, etc., si bien en general, con secciones rectas del cauce irregulares. De formaartificial, creadas por el hombre, tiene lugar en los canales, acequias, y canales de desagüe. En la mayoría de los casos los canales tienen secciones rectas regulares y suelen ser rectangulares, triangulares o trapezoidales. También tienen lugar el flujo de canales abiertos en el caso de conductos cerrados, como tuberías de sección recta circular cuando el flujo no es a conducto lleno. En los sistemas de alcantarillado no tiene lugar, por lo general, el flujo a conducto lleno, y su diseño se realiza como canal abierto. 3.2.3 Numero de froude El mecanismo principal que sostiene flujo en un canal abierto es la fuerza de gravitación. Por ejemplo, la diferencia de altura entre dos embalses hará que el agua fluya a través de un canal que los conecta. El parámetro que representa este efecto gravitacional es el Número de Froude, puede expresarse de forma adimensional. Este es útil en los cálculos del resalto hidráulico, en el diseño de estructuras hidráulicas y en el diseño de barcos. L - Parámetro de longitud [m] v - Parámetro de velocidad [m/s] g - Aceleración de la gravedad [m/s²] 9 Ranald Giles, Cheng Liu. Serie Shaum./ “MECANICA DE LOS FLUIDOS E HIDRAULICA” http://es.wikipedia.org/wiki/Velocidad http://es.wikipedia.org/wiki/Gravedad 22 El flujo se clasifica como: Fr<1, Flujo subcrítico o tranquilo, tiene una velocidad relativa baja y la profundidad es relativamente grande, prevalece la energía potencial. Corresponde a un régimen de llanura . Fr=1, Flujo crítico, es un estado teórico en corrientes naturales y representa el punto de transición entre los regímenes subcrítico y supercrítico. Fr>1, Flujo supercrítico o rápido, tiene una velocidad relativamente alta y poca profundidad prevalece la energía cinética. Propios de cauces de gran pendiente o ríos de montaña. 3.2.4 Flujo permanente y uniforme El flujo uniforme permanente es el tipo de flujo fundamental que se considera en la hidráulica de canales abiertos. La profundidad del flujo no cambia durante el intervalo de tiempo bajo consideración. En el caso especial de flujo uniforme y permanente, la línea de alturas totales, la línea de altura piezométricas son todas paralelas. La característica principal de un flujo permanente y uniforme en canales abiertos es que la superficie del fluido es paralela a la pendiente del canal, es decir, (dy/dx = 0) o la profundidad del canal es constante, cuando la pendiente final (Sf) es igual a la pendiente inicial (So) del canal. Estas condiciones se dan comúnmente en canales largos y rectos con una pendiente, sección transversal y un revestimiento de las superficies del canal homogéneo, caso tipito en regadíos. En el diseño de canales es muy deseable tener este tipo de flujo ya que significa tener un canal con altura constante lo cual hace más fácil diseñar y construir. Las condiciones de flujo permanente y uniforme solo se pueden dar en canales de sección transversal prismáticas, es decir, cuadrada, triangular, trapezoidal, circular, etc. Si el área no es uniforme tampoco lo será el flujo. La aproximación de flujo uniforme implica que la velocidad es uniforme es igual a la velocidad media del flujo y que la distribución de esfuerzos de corte en las paredes del canal es constante. 23 Bajo las condiciones anteriores se pueden obtener las siguientes relaciones, denominadas relaciones de Chezy–Manning, para la velocidad V y el caudal Q: Dónde: k: Valor constante según las unidades a utilizar. A: Área de la sección del Canal. : Radio hidráulico de la sección. : Pendiente del Fondo del Canal. n: Coeficiente de Mannig Figura 7: Valores de coeficiente de Mannig (n). Fuente: Ven te chow. Editorial diana. México. (33-37 pp.) / “hidráulica de los canales abiertos” 24 En la figura 7 se observan los valores para el coeficiente de Mannig (n) donde, como se mencionó k vale 1.0 y 1.49 para el sistema internacional (SI) y el británico respectivamente, n se denomina coeficiente de Manning y depende del material de la superficie del canal en contacto con el fluido. En muchos canales artificiales y naturales la rugosidad de la superficie del canal, y por lo tanto el coeficiente de Manning, varia a lo largo del perímetro mojado de este. Este es el caso, por ejemplo, de canales que tienen paredes de concreto armado y con un fondo de piedra, el caso de ríos en épocas de bajo flujo la superficie es completamente de piedras y en épocas de crecidas parte del rió fluye por la ladera del rió, compuesto generalmente por piedras, arbustos, pasto, etc. Por lo tanto, existirla una rugosidad efectiva que debe ser una combinación de las distintas rugosidades existentes. Una forma de solucionar este tipo de problemas es dividir el canal tantas secciones como tipos de materiales de pared existan y analizar cada división en forma aislada. Cada una de las secciones tendría su propio perímetro mojado Pi, un área A y coeficiente de Manning. Los Pi no deben incluir los límites imaginarios entre las distintas secciones generadas al dividir la superficie original. Este método también es conocido como “Método de superposición para perímetros no uniformes”. 3.2.5 10 Energía en canales abiertos La energía total del agua en m-kg por kg de cualquier línea de corriente que pasa a través de una sección de canal figura 8, puede expresarse como la altura total en metros de agua, que es igual a la suma de la elevación por encima del nivel de referencia, la altura de presión y la altura de velocidad. Energía de un flujo gradualmente variado en canales abiertos. 10 Chow, Ven Te, 1994/ las definiciones de los conceptos de canales abiertos fue tomada del libro: Hidráulica de canales abiertos/Mc Graw Hill. 25 Figura 8: Energía de un flujo gradualmente variado. Fuente: Chow, Ven Te, 1994. Hidráulica de canales abiertos. Mc Graw Hill Por ejemplo, con respecto al plano de referencia, la altura H de una sección 0 que contiene el punto A en una línea de corriente del fluido de un canal de pendiente alta, puede escribirse como: De acuerdo con el principio de conservación de energía, la altura de energía total en la sección 1 localizada aguas arriba debe de ser igual a la altura de energía total en la sección 2 localizada aguas abajo más la pérdida de energía hf entre las dos secciones: Esta ecuación es aplicable a flujos paralelos o gradualmente variados. Para un canal de pendiente pequeña (cosᵩ ≈ 0) se escribe como: Estas dos ecuaciones se conocen como ecuaciones de la energía Cuando hf = 0 y α1 = α2 = 1, se convierte en la ecuación de Bernoulli 26 3.2.6 11 Energía específica La energía específica en una sección de canal se define como la energía de agua en cualquier sección del canal medida con respecto al fondo de éste. O, para un canal de pendiente pequeña y =1, la ecuación se convierte en La cual indica que la energía específica es igual a la suma de la profundidad del agua más la altura de velocidad. Para propósitos de simplicidad, el siguiente análisis se basará en un canal de pendiente pequeña. Como , puede escribirse como: Puede verse que, para una sección de canal y caudal Q determinados, la energía específica en una sección de canal sólo es función de la profundidad de flujo. Cuando la profundidad de flujo se gráfica contra la energía parauna sección de canal y un caudal determinados, se obtiene una curva de energía específica. En la figura 9, esta curva tiene dos ramas, AC y BC. La rama AC se aproxima asintóticamente al eje horizontal hacia la derecha. 11 Ibíd. 27 La rama BC se aproxima a la línea OD a medida que se extiende hacia arriba y hacia la derecha. La línea OD es una línea que pasa a través del origen y tiene un ángulo de inclinación. Para un canal de pendiente alta, el ángulo de inclinación de la línea OD será diferente de 45°. En cualquier punto P de esta curva, la ordenada representa la profundidad y la abscisa representa la energía específica, que es igual a la suma de la altura de presión "y" y la altura de velocidad /2g. Figura 9: Curva de energía específica en un canal. Fuente: Chow, Ven Te, 1994. Hidráulica de canales abiertos. Mc Graw Hill La curva muestra que, para una energía específica determinada, existen dos posibles profundidades, la profundidad baja y la profundidad alta . La profundidad baja es al profundidad alterna de la profundidad alta, y viceversa. En el punto C, la energía específica es mínima. Por consiguiente, en el estado crítico es claro que las dos profundidades alternas se convierten en una, la cual es conocida como profundidad crítica . Cuando la profundidad de flujo es mayor que la profundidad crítica, la velocidad de flujo es menor que la velocidad crítica para un caudal determinado y, por consiguiente, el flujo es subcrítico. Cuando la profundidad de flujo es menor que la profundidad crítica, el flujo es subcrítico. Por tanto, es la profundidad de un flujo supercrítico y es la profundidad de un flujo supercrítico. 28 3.2.7 12 Similitud Hidráulica Muchos de los fenómenos que ocurren en la naturaleza y dentro del campo de la hidráulica son tan complejos que no es fácil tratarlos únicamente con métodos matemáticos. Por lo anterior, es conveniente acudir a técnicas experimentales como herramientas en la obtención de soluciones prácticas aplicadas a problemas de ingeniería, hidráulica fluvial y obras hidráulicas en general. Los métodos matemáticos plantean soluciones con modelos matemáticos casi siempre idealizados, lo que permite simplificaciones importantes, que a su vez causan efectos que deben ser valorados mediante ensayos experimentales, a través de modelos físicos a escala. El término modelo corresponde a un sistema que simula a un objeto real llamado prototipo. Un modelo físico a escala reducida también denominado modelo hidráulico, representa a escala al objeto real o prototipo, tal como un fenómeno. Si un modelo es físicamente similar al prototipo que está representando, entonces cualquier magnitud física que se mida en el modelo puede ser extrapolada al prototipo sin necesidad de hacer la medición en este último. Luego, el objetivo de toda modelación es hacer que el modelo sea similar al prototipo por lo menos en las magnitudes físicas que sea importante medir para predecir el comportamiento de la estructura en su operación real. Es imposible conseguir una similitud completa entre modelo y prototipo a no ser que ambos sean del mismo tamaño y operen con el mismo fluido. Se dice que un modelo y un prototipo son similares si la relación entre magnitudes físicas permanece constante, es decir, que si se toma una cierta magnitud física medida en una parte del modelo y se divide entre la misma magnitud física medida en una parte homóloga de prototipo, el resultado permanece constante: 12 Vergara, A (1993). Técnicas de modelación en hidráulica. México D.F. Editorial: Alfa omega. 29 13 Algunos ejemplos de magnitudes físicas son: Longitud, fuerza, masa, aceleración, volumen y temperatura. Existen diferentes tipos de similitud los cuales se pueden presentar de forma independiente o en forma conjunta, estos son: Similitud geométrica, similitud cinemática, similitud dinámica y similitud mecánica. La primera se presenta cuando un modelo se construye de manera que su forma corresponda exactamente a su prototipo, es decir, que todas sus dimensiones sean afectadas por la misma escala, en este caso, la única magnitud física que cumple la similitud es la longitud. La similitud cinemática se tiene cuando puntos homólogos del modelo y el prototipo que se mueven, describen trayectorias homólogas, razón por la cual la escala de tiempo debe ser constante. La similitud dinámica se obtiene cuando partes homólogas del modelo y el prototipo están sujetas a fuerzas totales proporcionales, y la similitud mecánica tiene en cuenta que las dos situaciones (modelo y prototipo) son mecánicamente similares entre sí, además de ser geométricamente similares, para masas proporcionales de puntos homólogos, las trayectorias descritas por ellas en tiempos proporcionales son también geométricamente similares. De forma general, la similitud dinámica implica la existencia de la similitud cinemática, pero no implica la similitud geométrica. La similitud mecánica implica la existencia de la similitud dinámica y de la similitud geométrica, y la similitud geométrica por sí sola no implica la existencia de otro tipo de similitud. 13 Saldarriaga, J (2005). Notas de clase: Modelación en hidráulica. Bogotá D.C. Universidad de los Andes. 30 3.2.8 Modelos Físicos Reducidos El uso de modelos físicos a escala reducida implica que estos deben ser semejantes al prototipo, para lo cual debe satisfacerse las leyes de similitud Geométrica, Cinemática y Dinámica, que en conjunto relacionan las magnitudes físicas homólogas definidas entre ambos sistemas, el prototipo Ap y el modelo Am. La escala del modelo se define como la relación entre la magnitud del prototipo sobre la magnitud del modelo, como se evidencia en la ecuación 23: En la Figura 10 se observa que cada rayo de proyección que sale de una fuente hacia un centro homólogo, intersecta puntos de ambos sistemas, denominados puntos homólogos, sobre los cuales se definen otras magnitudes como velocidad y presión. De igual manera se definen lados, superficies y volúmenes homólogos que a su vez constituyen la similitud geométrica, misma que implica una relación constante, que para cualquier longitud L resulta ser Lp/Lm=EL llamada escala de longitudes. Los subíndices p y m hacen referencia a prototipo y modelo respectivamente. Cuando la comparación de los sistemas Ap y Am es con respecto a un movimiento, se establece entonces la similitud cinemática, y que se cumple cuando la forma de los patrones de flujo homólogos son iguales en cualquier tiempo, es decir, hay similitud de movimiento de los sistemas siendo la escala de velocidades constante. Es un requisito que la similitud geométrica se cumpla para que se logre la similitud cinemática. 31 Figura10. Proyección lineal del sistema modelo-prototipo. Fuente: Adaptado de Vergara, M (1993). Técnicas de modelación en hidráulica. México D.F. Editorial Alfaomega. La Tabla 1 muestra la forma de obtener las escalas a través del criterio de similitud de Froude con el fin de garantizar un comportamiento, si no igual, parecido, del modelo que representa al prototipo. Tabla 1. Condiciones de Similitud de Froude. Parámetro Condición de similitud de Froude Longitud EL Área EL2 Volumen EL3 Tiempo EL1/2 Velocidad EL1/2 Caudal EL5/2 Fuente: Adaptado de Vergara, M (1993). Técnicas de modelación en hidráulica. México D.F. Editorial Alfaomega. 32 3.2.9 14 Escalas Modelo-Prototipo (Criteriode similitud de Froude) En todo fenómeno hidrodinámico existen una serie de fuerzas que interactúan para producir el movimiento relativo de un fluido y una frontera sólida o un cuerpo dentro de un fluido. La interacción de las fuerzas causa un movimiento, el cual a su vez se puede convertir en una fuerza inercial si se multiplica la masa por la aceleración de la partícula en cuestión. Las fuerzas que usualmente son relevantes en hidrodinámica son las fuerzas de presión, las fuerzas gravitacionales, las fuerzas viscosas (rozamiento), las fuerzas de tensión superficial y las fuerzas de compresibilidad. Las anteriores fuerzas sumadas sobre una partícula de fluido producen el movimiento de dicha partícula, es decir, su aceleración. Esta, multiplicada por la masa de la partícula produce la fuerza inercial. Explicado en otras palabras, sobre toda partícula de fluido en un fenómeno hidrodinámico está actuando un polígono de fuerzas cuya suma vectorial es la fuerza inercial. Si se requiere que un modelo y su prototipo sean dinámicamente similares, dichos polígonos deben ser semejantes para todas las partículas. Las fuerzas de presión siempre son relevantes en un problema de hidrodinámica y las fuerzas inerciales siempre son el resultado de la suma de los vectores fuerza; sin embargo, de las cuatro fuerzas restantes usualmente solo una es relevante. Como el objetivo del presente trabajo es desarrollar el flujo dinámica y cinemáticamente similar al prototipo, la escala geométrica debe mantenerse. Para garantizar estas condiciones, se establece el criterio de similitud de Froude, toda vez que permite garantizar la similitud dinámica entre las fuerzas de inercia y las gravitatorias. El flujo a través de canales abiertos y conductos con superficie libre, tal como los estudiados aquí, son claros ejemplos donde predominan las fuerzas de gravedad, por lo que prevalece el criterio de Froude para determinar la escala geométrica 14 Saldarriaga, J (2005). Notas de clase: Modelación en hidráulica. Bogotá D.C. Universidad de los Andes. 33 3.3 Marco conceptual 3.3.1 Canales 15 Canal abierto: Es un conducto en el cual el agua fluye con una superficie libre. De acuerdo con su origen un canal puede ser natural o artificial. Los canales naturales: Incluyen todos los cursos de agua que existen de manera natural en la Tierra, los cuales varían en tamaño desde pequeños arroyuelos en zonas montañosas, hasta quebradas, arroyos, ríos pequeños y grandes, y estuarios de mareas. Las corrientes subterráneas que transportan agua con una superficie libre también son consideradas como canales abiertos naturales. Los canales artificiales: Son aquéllos construidos o desarrollados mediante el esfuerzo humano: canales de navegación, canales de centrales hidroeléctricas, canales y canaletas de irrigación, cunetas de drenaje, vertederos, canales de desborde, canaletas de madera, cunetas a lo largo de carreteras, etc., así como canales de modelos construidos en el laboratorio con propósitos experimentales. Las propiedades hidráulicas de estos canales pueden ser controladas hasta un nivel deseado o diseñadas para cumplir unos requisitos determinados. La aplicación de las teorías hidráulicas a canales artificiales producirá, por tanto, resultados bastante similares a las condiciones reales y, por consiguiente, son razonablemente exactos para propósitos prácticos de diseño. 15 Chow, Ven Te, 1994/ las definiciones de los conceptos de canales abiertos fue tomada del libro: Hidráulica de canales abiertos/Mc Graw Hill. 34 3.3.2 Elementos geométricos de una sección de canal 16 Geometría de canal: Un canal construido con una sección transversal invariable y una pendiente de fondo constante se conoce como canal prismático, De otra manera, el canal es no prismático; un ejemplo es un vertedero de ancho variable y alineamiento curvo. Las propiedades de una sección de canal figura11, pueden ser definidos por completo por la geometría de la sección y la profundidad de flujo. Estos elementos son muy importantes y se utilizan con amplitud en el cálculo de flujo. Para secciones de canal regulares y simples, los elementos geométricos pueden expresarse matemáticamente en términos de la profundidad de flujo y de otras dimensiones de la sección. Figura 11: Elemento geométricos de sección de canal. Fuente: Chow, Ven Te, 1994. Hidráulica de canales abiertos. Mc Graw Hill 16 Chow, Ven Te, 1994/ las definiciones de los conceptos de canales abiertos fue tomada del libro: Hidráulica de canales abiertos/Mc Graw Hill. 35 A continuación se dan las definiciones de varios elementos geométricos de importancia básica. La profundidad de flujo (y). Es la distancia vertical desde el punto más bajo de una sección del canal hasta la superficie libre. A menudo este término se intercambia con la profundidad de flujo de la sección, d. En efecto, la profundidad de flujo de la sección es la profundidad de flujo perpendicular a la dirección de éste, o la altura de la sección del canal que contiene el agua. Para un canal con un ángulo de pendiente longitudinal 0, puede verse que la profundidad de flujo es igual a la profundidad de Sección de flujo dividida cos θ. En el caso de canales empinados, por consiguiente, los dos términos deben utilizarse de manera discriminada. El ancho superficial (T): Es el ancho de la sección del canal en la superficie libre. Base menor (b): Es el ancho de base de la sección del canal. El área mojada (A): Es el área de la sección transversal del flujo perpendicular a la dirección de flujo. El perímetro mojado (P): Es la longitud de la línea de intersección de la superficie de canal mojada y de un plano transversal perpendicular a la dirección de flujo. El radio hidráulico (R): Es la relación del área mojada con respecto a su perímetro mojado, o R = La profundidad hidráulica (D): Es la relación entre el área mojada y el ancho en la superficie, o D = El factor de sección para el cálculo de flujo crítico (Z): Es el producto del área mojada y la raíz cuadrada de la profundidad hidráulica, o R = 36 El factor de sección para el cálculo de flujo uniforme a : Es el producto del área mojada y el radio hidráulico elevado a la potencia 2/3. Coeficiente de rugosidad de Manning (n): 17 Es la resistencia al flujo y depende de diferentes factores tales como: Vegetación: Puede ser vista como una clase de rugosidad superficial. Este efecto depende principalmente de la altura, densidad, distribución y tipo de vegetación, y es muy importante en el diseño de canales pequeños de drenaje, ya que por lo común éstos no reciben mantenimiento regular. Rugosidad de la superficie: Se representa por el tamaño y la forma de los granos del material que forma el perímetro mojado y que producen un efecto retardan te sobre el flujo. En general, los granos finos resultan en un valor relativamente bajo de n y los granos gruesos dan lugar a un valor alto de n. Obstrucción: La presencia de obstrucciones tales como troncos de árbol, deshechos de flujos, atascamientos, pueden tener un impacto significativo sobre el valor de n. El grado de los efectos de tales obstrucciones depende del número y tamaño de ellas. Irregularidad del canal: Se refiere a las variaciones en las secciones transversales de los canales, su forma y su perímetro mojado a lo largo de su eje longitudinal. En general, un cambio gradual y uniforme en la sección transversal o en su tamaño y forma no produce efectos apreciables en el valor de n, pero cambios abruptos oalteraciones de secciones pequeñas y grandes requieren el uso de un valor grande de n. Alineamiento del canal: Curvas suaves con radios grandes producirán valores de n relativamente bajos, en tanto que curvas bruscas con meandros severos incrementarán el n. 17 French.R.H, 1980/los conceptos de rugosidad en canales fueron tomado del libro/Resistencia al flujo de canales/McGraw-Hill Interamericana S.A. México. 1988. 37 Sedimentación y erosión: En general la sedimentación y erosión activa, dan variaciones al canal que ocasionan un incremento en el valor de n. (Urquhart, 1975) señaló que es importante considerar si estos dos procesos están activos y si es probable que permanezcan activos en el futuro. 3.3.3 Caudal El caudal corresponde a una cantidad de agua que pasa por un lugar (canal, tubería, entre otros) en una cierta cantidad de tiempo, o sea, corresponde a un volumen de agua (Litros, Metros Cúbicos, etc.), por unidad de tiempo (Segundos, Minutos. Horas, etc.). Es la cuantificación del caudal de agua que pasa por la sección transversal de un conducto (río, riachuelo, canal, tubería) de agua; también se le conoce como aforo caudal de agua. Para cuantificar el caudal de agua se puede utilizar la siguiente fórmula: Q = V x A Dónde: Q = Caudal o Gasto ( ). A = Área de la sección transversal ( ) V = Velocidad media del agua en la sección hidráulica (m/s) 3.3.3.1 Aforo de caudal Método para conocer la cantidad de volumen que pasa en un determinado tiempo. Entre los métodos más utilizados para medir caudales de agua se encuentran los siguientes − Método del flotador − Método del correntómetro − Método volumétrico − Método de la trayectoria 38 3.3.3.2 Método volumétrico 18 Permite medir pequeños caudales, como los que escurren en surcos de riego, pequeñas acequias o tuberías. El método requiere de: − Depósito (balde o tambor) de volumen conocido en el cual se colecta el agua, − Cronómetro para medir el tiempo de llenado del depósito − Repetir 2 ó 3 veces el procedimiento y promediar para asegurar mayor exactitud. El procedimiento de cálculo consiste en dividir el volumen de agua recogido en el depósito por el tiempo (en segundos) que demoró en llenarse. El resultado expresa el caudal medido en litros por segundo, figura 12. Figura 12: Esquema aforo tipo Volumétrico Fuente: http:// http://www.ingenierocivilinfo.com/2010/05/aforo-volumetrico.html Ejemplo: Volumen del balde: 20 Lt. Tiempo que demoró en llenarse: 10 s 18 Instituto de investigaciones agropecuarias, centro de investigación especializado en agricultura del desierto y altiplano (cie), inía urutí, región de Arica y Parinacota. ministerio de agricultura. informativo n° 50, abril 2010 Abelardo Villavicencio p. ingeniero agrónomo, mg.sc http://sinupot.sdp.gov.co/sinupot/2013 39 3.3.4 Plantas acuáticas 19 Plantas acuáticas: Las plantas acuáticas, conocidas también con el nombre de hidrófilas, son vegetales que viven generalmente dentro de cuerpos de agua. En este tipo de organismos, parte de su cuerpo como hojas, tallos y raíces, permanecen sumergidos en el agua por extensos períodos de tiempo. 3.3.4.1 Plantas marginales 20 Las que se desarrollan en los bordes del canal en la parte seca y humedad de los taludes. Las 21 Ciperáceas, como la Cortadera (ciperus ferax L.C Rich) y el Coquito (Cyperus rotundus L, Figura 13). Son plantas muy comunes que se ubican en este tipo. Estas plantas se pueden diseminar fácilmente a nuevas áreas, debido a que sus semillas o material vegetativo pueden ser transportados por el agua. Figura 13: Cortadera (ciperus ferax L.C Rich), Coquito (Cyperus rotundus L) Fuente: Sierra F.,Jaime; Vera H.,Alcides; FullertonT.M.; Cardenas,Juan (1970) 19 Fuente: cegae.unne.edu.ar/docs/Manual.pdf 20 Sierra F.,Jaime; Vera H.,Alcides; FullertonT.M.; Cardenas,Juan // Problemas de plantas en sistemas de riego// 1970 21 Ciperáceas: forman una familia de plantas monocotiledóneas parecidas a los pastos, muchas de ellas polinizadas por viento. 40 3.3.4.2 Plantas sumergidas Son plantas que poseen todas sus estructuras bajo el nivel del agua. Algunas de estas plantas se encuentran enraizadas en el fondo del canal como la Elodea (Anacharis sp) Figura 14, y se denominan ancladas. Otras como muchas algas, se mueven libremente dentro del agua y se les llama no ancladas. Estas desaparecen con una mayor velocidad del flujo de agua, mientras las otras pueden permanecer. Las plantas de tipo sumergido son las que disminuyen la velocidad del flujo de agua en mayor proporción. Se encuentran generalmente en aguas estancadas o de poca velocidad y que no sean muy oscuras, de tal forma que los rayos solares puedan penetrar y se lleve a cabo fotosíntesis. Figura 14: Elodea (Anacharis sp) Fuente: http://www.plantedtank.net/ 3.3.4.3 Plantas flotantes Estas plantas se encuentran libremente en la superficie del agua. Algunas como la Lechuguilla (Pistia stratiotes L), Figura 15, pueden ser arrastradas fácilmente por el flujo http://www.plantedtank.net/ 41 de agua o por el viento. Otra planta importante de este tipo es el Buch6n, Tarulla, Berro o Lirio acuático (Eichhornia crassipes Mart Solms). Figura 16, su difusi6n tan amplia se debe en gran parte a la extraordinaria belleza de sus flores. Se le llama tambien Million Weed, debido a las fuertes erogaciones que requiere su control. Las plantas de este tipo prefieren aguas estancadas o de poca velocidad (Menor de 0.5 m/seg.). Figura 15: Lechuguilla (Pistia stratiotes L.) Fuente: http://fichas.infojardin.com/ Figura 16: Lirio acuático (Eichhornia crassipes (Mart) Solms). Fuente: http://www.floravascular.com/ Se pueden encontrar a velocidades mayores cuando se presentan atracaderos u obstáculos que impidan su movimiento. También durante el periodo de secado de 1os canales algunas se desarrollan sobre el lodo húmedo mientras se reinician los riegos. http://fichas.infojardin.com/ http://www.floravascular.com/ 42 3.3.4.4 Plantas Emergentes Son plantas ancladas en el fondo del agua, que desarrollan algunas de sus estructuras fuera de ella. Ejemplos típicos son los Lotos Figura 17, plantas que poseen rizomas sumergidos con hojas que flotan sobre el agua y flores que emergen de ella. La Enea o Volador (Typhasp) Figura 18, también es una plantas emergente, especialmente en aguas de poca profundidad. Figura 17: Lotos. Fuente: http://www.floresdeloto.com/ Figura 18: Volador (Typhasp). Fuente: http://www.xn--villapn-c2a.es/ http://www.villapún.es/ 43 3.3.5 Eichhornia crassipes – Buchon de agua 22 Nombre científico: Eichhornia crassipes (Mart.) Solms, Figura 19. Nombres comunes: Buchón o Jacinto de Agua. (Colombia Instituto Alexander von Humboldt). Figura 19: Eichhornia crassipes – Buchon de agua Fuente: Autores 2015 Descripción taxonómica (sistemática) y botánica: Tallo vegetativo sumamente corto; hojas en rosetas, ascendentes a extendidas; pecíolos cortos, hinchados, con tejido aerenquimatoso y dimorfismo foliar al crecer agrupadas: hojas puramente ascendentes y pecíolos elongados y menos hinchados. 22 Andrea Acuña Cabanzo// Pontificia Universidad Javeriana // Escuela de Restauración Ecológica// Línea de Especies Invasoras // Agosto 2011. 44 23 Caracteres Diagnósticos: Planta acuática con flores de color entre azul y purpura con puntos amarillos en los pétalosy sus hojas son redondeadas. Distribución natural: Esta especie es nativa de la cuenca del rio amazonas en el Norte de Sur América: Guyana Francesa, Surinam, Venezuela y Brasil. La especie se encuentra naturalmente distribuida en ecosistemas acuáticos tropicales y humedales de sabana. Distribución actual a nivel nacional y mundial: A nivel nacional, durante la realización de los talleres regionales de Colombia (2007-2008), se encontró que esta especie ha sido introducida en los departamentos de Tolima, Cundinamarca, Boyacá, Norte de Santander. También ha sido reportado en los departamentos del Meta, Magdalena y Caldas. Efectos sobre la Biodiversidad: Promueve la colmatación y ahogamiento de cuerpos de agua. Es una gran especie colonizadora y desplaza a otras especies. Causa eutrofización, obstrucción de los cauces y agotamiento de los peces. Cubre la superficie de ecosistemas acuáticos continentales, impidiendo así la entrada de luz. La elevada proliferación de estas plantas acuática en cuerpos de agua, conduce a competir por el oxígeno con las demás especies acuáticas. La pérdida del espejo de agua tiene serias consecuencias sobre la fauna y la flora características de este tipo de ecosistemas acuáticos. 24 Tasas de crecimiento y desarrollo: El buchón tiene una tasa de crecimiento muy rápida al punto que puede llegar a duplicar el número de retoños en tan solo una semana. Debido a sus flores vistosas, a la capacidad de absorber y capturar nutrientes del agua, ha sido dispersado a cuerpos de agua en todo el mundo en donde se ha vuelto una plaga con impactos económicos negativos. 23 Colombia Instituto Alexander von Humboldt). 24 ibíd. 45 Usos: Dada la amplia distribución del buchón y su problemática a nivel mundial, se han realizado investigaciones para encontrar usos y beneficios económicos a partir de su aprovechamiento. El buchón puede ser utilizado como fertilizante en los sistemas agrarios, como comida animal, para producir biogás, para producir papel e incluso como material de construcción. El buchón puede ser usado para controlar la contaminación en cuerpos de agua, ya que tiene una tasa de absorción de metales pesados muy alta. A pesar de todos estos usos, las tecnologías para aprovechar el buchón no son económicamente competitivas y por esta razón no son un mecanismo eficiente de control. Esta especie es también utilizada para compostaje y también como ornamento debido a sus flores vistosas. Tipos y formas de propagación: Eichhornia crassipes (Mart.) se reproduce por semillas y por rizomas. El buchón de caracteriza por tener crecimiento modular y formar densos parches flotantes de los que no se puede obtener información demográfica detallada sin realizarse los análisis genéticos correspondientes. Es decir, en un parche con muchos módulos que consiste en uno o más clones, no hay forma de diferenciar a los individuos de los clones ni su distribución espacial. 25 Características de la invasión: introducción (tipo, causa, sitio fecha, descripción de la invasión, vectores de dispersión, rutas de dispersión, ambientes preferenciales de invasión, impactos): El Buchón tiene como ambientes preferenciales de invasión a las aguas continentales. Esta es una planta flotante que cubre grandes áreas de humedales, lagunas y lagos, entre otros ambientes con poco movimiento de agua. Manejo: Tipos de controles y actuaciones de prevención: En Colombia esta reportado el control de esta especie con medios físicos (cosechadoras que remueven la biomasa del espejo de agua pero que no arrancan de raíz la planta, lo que promueve aún más su crecimiento) y medios químicos como el uso de Penoxsulam y Glifosato. 25 ibíd. 46 4. Metodología 4.1 Metodología propuesta El desarrollo metodológico de la siguiente investigación va a estar enfocado al análisis de la propagación y proliferación del buchón de agua (Eichhornia crassipes), presente en los canales perimetrales del humedal Jaboque mediante la evaluación y medición de la eficiencia hidráulica y las pérdidas de energía, a través de modelos físicos a escala de 6 secciones transversales del canal los cuales cumplen con las condiciones de similitud geométrica y diseño. 4.1.1 Etapas a desarrollarse 4.1.1.1 Etapa 1 – Evaluación de variable − La abertura de la bomba: Fue una de las variables que se tuvo en cuenta, se realizaron pruebas a 100%, 75%, 50% y a 25% de abertura de regulador de bomba, este se hace por medio de un registro de bola de 1 1/4¨, Figura 20. Tabla 2 Variable 1, aberturas de bomba. Abertura de Bomba (%) Abertura registro (vueltas de llave) 100 10 + 1/4 75 7 + 1/2 50 5 25 2 +1/2 Fuente: Autores 2015 Figura 20: Válvula tipo bola, reguladora de caudal Fuente: Autores 2015 47 − Edades de la planta: Por su rápido crecimiento y propagación se analizó en los modelos físicos de la secciones, en 3 diferentes edades como los son: raíces a 10cm, a 20 cm y 30cm, Figura 21 Figura 21: Muestra de buchón a 3 edades Fuente: Autores 2015 4.1.1.2 Etapa 2 – Construcción y ejecución del modelo físico Con base en las dimensiones tomadas al canal del laboratorio de la Salle, se calcula el factor de escala con el cual se inicia el corte y modelado de cada una de las secciones de estudio, se realiza el montaje del modelo escalado y se procede a correr el sistema y toma de datos necesarios. 4.1.1.3 Etapa 3 – Evaluación de los resultados Se realizó la toma de datos para encontrar los valores del caudal captado Vs el caudal de escorrentía simulando dos escenarios, el primero a flujo libre y el segundo con las plantas vivas. De esta manera determinar si la presencia de dichas plantas para cada una de las secciones modeladas, afecta la eficiencia hidráulica e inciden en las pérdidas de energía del sistema. 48 5. Procesamiento de Datos 5.1 Información de secciones modeladas 5.1.1 Sección A y A´ Localizada en el empalme del canal Carmelo e inicio de los canales perimetrales, cuenta con dos secciones transversales distintas: Sección A y Sección A´, con coordenadas (4°42´08.1´´ N 74°07´25´´W) Figuras 22 y 23. Figura 22: Georreferenciación, Sección A y Sección A´ Fuente: Google Earth.2013 Figura 23: Ubicación, Sección A y Sección A´ Fuente: Plano Canales Jaboque E.A.A.B http://sinupot.sdp.gov.co/sinupot/2013 49 Según información suministrada por 26 (E.A.A.B), muestra un corte transversal de la Sección A y A´ Figura 24 y 25, la geometría de los canales y 27 pendiente longitudinal. Figura 24: Corte transversal, Sección A y A´ Fuente: Plano Canales Jaboque - E.A.A.B Sección A´: Base menor b Altura h Pendiente 1/Z Área mojada A Profundidad de flujo Y Pendiente longitudinal 4.17m 0.40 m 11% 1,74 m2 0,4 m 0.03% Sección A: Base menor b Altura h Pendiente 1/Z Área mojada A Profundidad de flujo Y Pendiente longitudinal 3,92 m 0.40 m 47% 1,70m2 0,4 m 0.03% Figura 25: Geometría, Sección A y A´ Fuente: Plano Canales Jaboque - E.A.A.B 26 E.A.A.B: Empresa de acueducto y alcantarillado de Bogotá 27 ambientebogota.gov.co/documents/10157/2316609/Diagn%C3%B3stico+PMA+Humedal+Jaboque+06-3.pdf 50 5.1.2 Sección B y B´ Georreferenciación: Coordenadas (4°42´07.3´´ N 74°07´26.7´´W) Figura 26. Figura 26: Georreferenciación, Sección B y B´ Fuente: Google Earth.2013 Figura 27: Ubicación, Sección B y B´ Fuente: Plano Canales Jaboque - E.A.A.B http://sinupot.sdp.gov.co/sinupot/2013 51 Según información suministrada por 28 (E.A.A.B), muestra un corte transversal de la Sección
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