Este protocolo describe los métodos para obtener los coeficientes de la ecuación de flujo del vertedero para un vertedero de muesca en V dentro de una estructura de control de drenaje utilizando (1) un procedimiento de calibración de laboratorio y (2) una herramienta en línea, la "Calculadora de Coeficientes de la Ecuación de Flujo del Vertedero", desarrollada por los autores. Estos métodos se aplican a los flujos contenidos dentro de los flujos de muesca en V y rebase.
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Artículo de método
Parametrización de ecuaciones de vertedero de muesca en V para el monitoreo de flujo en una estructura de control de drenaje
En este artículo
Resumen
Resumen
La estimación precisa de la descarga de drenaje (caudal o volumen de agua por unidad de tiempo) es esencial para calcular las cargas de nutrientes entregadas a las aguas superficiales y evaluar el rendimiento de las prácticas de conservación en el borde del campo. La determinación de los caudales de drenaje requiere monitorear la cabeza en una estructura de control de drenaje y aplicar una ecuación adecuada para el vertedero instalado en la estructura. Estudios previos que desarrollaron ecuaciones calibradas para vertederos en estructuras de control han producido diferentes ecuaciones (es decir, diferentes coeficientes de ecuaciones de flujo de vertedero) para el mismo tipo de vertedero y tamaño de estructura de control. Este estudio describe los procedimientos para establecer mediciones experimentales de caudal de agua y carga dentro de una estructura de control de drenaje y desarrollar una ecuación de vertedero para los flujos contenidos dentro de un vertedero de muesca en V. Además, se describe el procedimiento para obtener una ecuación de vertedero para los flujos de desbordamiento, cuando el nivel del agua excede la parte superior del vertedero de muesca en V. Este proceso implica el uso de la ecuación del vertedero desarrollada en el laboratorio para un vertedero de muesca en V y una herramienta en línea, la "Calculadora de Coeficientes de la Ecuación de Flujo del Vertedero", desarrollada por los autores. La herramienta en línea también puede generar coeficientes de ecuación de flujo de vertedero para flujos contenidos en V y de rebase en varios tamaños de estructuras de control de agua de Agri Drain, incluso cuando los usuarios carecen de un caudal específico del sitio frente a relación con el jefe.
Introducción
Al evaluar el rendimiento de las prácticas de conservación en el borde del campo que reducen la pérdida de nutrientes del agua de drenaje subsuperficial (tampones saturados, biorreactores y gestión del agua de drenaje), es importante determinar con precisión la descarga de drenaje y las concentraciones de nutrientes. Los métodos estándar están fácilmente disponibles para determinar con precisión las concentraciones de nutrientes (por ejemplo, nitrato), como los métodos de laboratorio a partir de muestras de agua1 o los sensores para el monitoreo continuo de nutrientes 2,3. Por otro lado, la determinación de los caudales de drenaje en las prácticas de conservación en el borde del campo no es tan sencilla como con la concentración de nitratos y generalmente implica el uso de una estructura de control del nivel del agua de drenaje 4,5. Una estructura de control del nivel del agua de drenaje se utiliza en una práctica de conservación en el borde del campo con el doble propósito de controlar la carga de agua aguas arriba y monitorear los caudales de descarga con el uso de vertederos. Los componentes importantes a considerar al determinar las tasas de flujo de drenaje incluyen el tamaño de la estructura de control de drenaje, el tipo de vertedero utilizado en la estructura, las condiciones de flujo dentro de la estructura, la medición precisa de las alturas y el uso de ecuaciones de vertedero adecuadas para convertir las alturas en caudales de descarga. Si bien estas estructuras generalmente se limitan a tierras drenadas artificialmente con "baldosas", las tierras agrícolas drenadas superan los 21 millones de hectáreas en los EE. UU.6 e impactan las cargas de nutrientes a arroyos y ríos7.
La determinación de los caudales mediante vertederos es una práctica común, y se dispone de procedimientos estándar y ecuaciones de calibración para caudales en canales abiertos8. Sin embargo, solo un número limitado de estudios han desarrollado ecuaciones de calibración para vertederos en una estructura de control de drenaje 5,9,10,11,12,13,14,15,16,17. Chun y Cooke10 fueron pioneros en el desarrollo de ecuaciones de calibración para vertederos rectangulares para varios tamaños de estructuras de control. Siguiendo a Chun y Cooke10, Christianson et al.9 desarrollaron una única ecuación de calibración para un vertedero de 45° con muesca en V en estructuras de control de 15 cm (6 pulgadas) y 25 cm (10 pulgadas) con vertederos colocados a diferentes alturas desde la parte inferior de las estructuras. Shokrana y Ghane14 proporcionaron una ecuación de flujo diferente para un vertedero de 45° con muesca en V en una estructura de 25 cm (10 pulgadas) de Christianson et al.9, cuando el vertedero se colocó a unos 30 cm por encima de la parte inferior de la estructura. Los autores atribuyeron la diferencia en las dos ecuaciones de calibración al uso de un dispositivo de pesaje calibrado para medir los caudales, lo que sugiere que falta un procedimiento unificado para obtener los caudales, las cargas y las ecuaciones de calibración para los vertederos contenidos dentro de la muesca en V en las estructuras de control.
En nuestro reciente estudio11, desarrollamos ecuaciones de calibración para vertederos de 45° con muesca en V en estructuras de control de Agri Drain en función de su tamaño (15 cm [6 pulgadas], 20 cm [8 pulgadas] y 30 cm [12 pulgadas]) para flujos contenidos dentro de la muesca en V y flujos de rebase (es decir, cuando la cabeza supera la parte superior de un vertedero con muesca en V). Mientras que la ecuación de calibración para los flujos contenidos dentro de la muesca en V es una relación de potencia simple entre la carga (h) y el caudal (Q, ecuación 1)5,9,11,13,14, los flujos de rebase requieren el uso de una ecuación de vertedero compuesto, que es más complicada (es decir, tiene más términos) porque combina ecuaciones para un vertedero de muesca en V y un vertedero rectangular (ecuación 2)11.
(1)
donde, Q = caudal, h = altura, y a y b = coeficientes de vertedero cuyos valores dependen de la forma del vertedero, el tamaño de la estructura de control, las condiciones de flujo y las unidades para Q y h.
(2)
donde, Q = caudal, h = la carga total, h1 = altura por encima de la parte superior del vertedero de muesca en V (es decir, en el vertedero rectangular por encima de la muesca en V), W = ancho de la sección del vertedero rectangular por encima de la parte superior del vertedero de muesca en V, Wv = ancho superior del vertedero de muesca en V, a y b = coeficientes de vertedero para el vertedero de muesca en V, y a1 y b1 = coeficientes de vertedero para la sección rectangular por encima del vertedero de muesca en V.
La adopción de un sistema de drenaje inteligente con sensores para monitorear y ajustar automáticamente los niveles de agua en una estructura de control utilizando válvulas de compuerta ajustables controladas a distancia está aumentando en las prácticas de conservación de borde de campo en los EE. UU. La mayoría de estos sistemas, que fueron diseñados originalmente para usar solo una función de potencia simple, no pueden acomodar la ecuación del vertedero compuesto (ecuación 2) para los flujos de rebase y exigen el desarrollo de ecuaciones de flujo únicas de la forma mostrada por la ecuación (1) para cada estructura de control de drenaje para flujos de rebase. Además, los usuarios involucrados en la medición y el monitoreo de caudales y pérdidas de nutrientes pueden encontrar engorroso usar la ecuación (2) para rebosar caudales debido a la necesidad de más parámetros. Para superar estos desafíos, desarrollamos la herramienta "Calculadora de coeficientes de ecuaciones de flujo de vertedero". Esta herramienta en línea (disponible en: https://www.ars.usda.gov/midwest-area/ames/nlae/docs/tools-available-from-nlae/) proporciona coeficientes de ecuación de flujo de vertedero para tamaños estándar de estructuras de control de drenaje (Tabla 1) para un vertedero de muesca en V de 45°. Más importante aún, la herramienta calcula los coeficientes de la ecuación de flujo del vertedero para el flujo de rebase y consta de solo dos parámetros, como se presenta en la ecuación (1), basados en el tamaño y las dimensiones de la estructura de control proporcionada por el usuario. Cuando se dispone del equipo adecuado para medir el caudal específico del sitio frente a relaciones de cabeza, la herramienta también acepta una ecuación de calibración para los flujos contenidos dentro del vertedero de muesca en V como entrada del usuario y calcula los coeficientes de la ecuación de flujo del vertedero para los flujos de rebase. Por lo tanto, este protocolo describe la configuración para la medición de flujo en una estructura de control de drenaje y un método universal para el desarrollo de una ecuación de calibración específica del sitio. A continuación, se describe el uso de la herramienta "Calculadora de Coeficientes de Ecuaciones de Flujo de Vertedero" para calcular los coeficientes de la ecuación de flujo de vertedero para flujos contenidos dentro de los flujos de muesca en V y rebosante. Finalmente, se describe el monitoreo y mantenimiento de caudales en una estructura de control de drenaje, lo que facilitará la estimación precisa de los caudales de drenaje utilizando las ecuaciones de vertedero obtenidas de la herramienta.
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Protocolo
Los detalles de los consumibles y equipos utilizados en este estudio se enumeran en la Tabla de Materiales.
1. Obtención de coeficientes de la ecuación de flujo del vertedero para los flujos contenidos dentro de la muesca en V mediante calibración de laboratorio en una estructura de control de drenaje
- Configuración de la estructura de control de drenaje para un experimento de calibración
- Conecte la sección de entrada de la estructura de control al conjunto de la bomba (que consta de una bomba, un medidor de flujo y las tuberías, accesorios y válvulas necesarios) y la sección de salida a la tubería de drenaje (consulte la Figura 1). Asegúrese de sellar las salidas adicionales de la estructura de control, si las hubiera.
- Mida el ancho superior (Wv, Figura 2A) y la profundidad (D, Figura 2B) del vertedero de muesca en V.
- Mida la distancia (ancho, W) entre las pistas (Figura 3A) donde los registros de parada (tableros utilizados para mantener la profundidad del nivel del agua en la estructura de control, Figura 3B) y el vertedero de muesca en V encajan en la estructura de control de drenaje.
- Inserte los registros de parada entre las pistas de uno en uno. Asegúrese de que el registro de parada inferior se asiente firmemente en la parte inferior de la estructura de control para que no haya fugas por debajo del registro de parada.
- Apile registros de parada adicionales por encima de los existentes en la estructura de control hasta que se alcance la altura deseada. Asegúrese de que los registros de parada estén bien colocados y de que no se produzcan fugas entre los registros de parada y los rieles.
NOTA: La altura total de los registros de parada debe ser mayor que la abertura de la tubería de entrada y corresponder a la profundidad de diseño del nivel freático en el tampón saturado, biorreactor o sistema de drenaje controlado. La configuración en el laboratorio para el experimento de calibración debe representar mejor las condiciones de flujo en el campo para obtener estimaciones precisas del caudal. - Coloque la placa de vertedero firmemente sobre el tope superior.
- Mida la altura interior de la estructura de control (D1) y la distancia entre la parte superior de la estructura de control y la parte superior del vertedero de muesca en V (D2) utilizando una cinta métrica cuya marca de cero esté enrasada con el borde de la cinta (consulte la figura 4A).
- Calcule la altura de la cresta de la muesca en V desde la parte inferior de la estructura de control (D3) como: D3 = D1- D2- D, donde D es la profundidad de la muesca en V obtenida del paso 1.1.2.
NOTA: No calcule la altura de la cresta de la muesca en V desde la parte inferior de la estructura de control, ya que la suma de las alturas de los registros de parada utilizada como junta de goma alrededor de los registros de parada aumenta la altura combinada de los registros de detención. - Conecte firmemente el tubo del manómetro/pozo de quietud (utilizado para determinar el nivel de agua en la estructura de control) a la estructura de control. Fije una cinta métrica en la pared exterior de la estructura de control junto al manómetro con el valor "cero" correspondiente a la base del interior de la estructura de control (ver Figura 4B).
- Medición de caudales y alturas
- Encienda la bomba y permita que el agua llene la cámara de entrada y posteriormente fluya a través del vertedero.
- Seleccione un caudal de aproximadamente 1-1.5 L.s-1 (15-25 gpm) ajustando la válvula en el conjunto de la bomba y monitoreando la pantalla en el medidor de flujo.
- Deje suficiente tiempo para que el flujo se estabilice, generalmente al menos 3 minutos. La cabeza correspondiente debe tener al menos 6 cm (>2,4 pulgadas) para que la napa de flujo no se pegue a la placa del vertedero8. Aumente el caudal si la altura es inferior a 6 cm (2,4 pulgadas) (Figura 5A).
- Una vez que el flujo sea estable, registre la lectura del caudal en la pantalla del medidor de flujo. Tome de 8 a 10 lecturas consecutivas en 2 minutos y calcule el caudal promedio (Q) (Figura 5B).
- Mida la altura del agua en el pozo de quietud/tubo del manómetro. Si el nivel del agua en el tubo del pozo de amortiguación/manómetro fluctúa, tome las lecturas de los niveles altos y bajos de agua durante un período de al menos 30 s y obtenga el valor promedio de la altura del agua sobre el fondo de la estructura (D4) (Figura 5C).
- Calcule la cabeza (h) como: h = D4- D3.
- Aumente el caudal en aproximadamente 1-1.3 L.s-1 (15-20 gpm) y espere a que el caudal se estabilice.
- Obtenga el caudal y la carga correspondiente como se describe en los pasos 1.2.3-1.2.6.
- Aumente el caudal al menos 5 veces más hasta que el nivel del agua alcance cerca de la parte superior de la muesca en V y repita los procedimientos 1.2.3-1.2.6 para cada aumento en el caudal.
- Desarrollo de la ecuación de calibración del vertedero para los caudales contenidos en la muesca en V
- En una hoja de cálculo de Excel, introduzca los valores de la altura (h, cm) y los caudales correspondientes (Q, L.s-1) a través del vertedero de muesca en V.
NOTA: Se proporciona una hoja de cálculo de Excel que consta de caudales y alturas medidos en una estructura de control de 20 cm (8 pulgadas) como Archivo Suplementario 1. - Trace los caudales medidos (Q, eje Y) frente a la altura medida (h, eje X) y ajuste una función de potencia como en la ecuación (1). Selecciona el rango de datos en la hoja de cálculo y, a continuación, haz clic en "Insertar gráficos de > > dispersión". Haga clic con el botón derecho en los puntos de datos del gráfico y, a continuación, haga clic en Agregar línea de tendencia > potencia > Ecuación de visualización en el gráfico > Mostrar valor R cuadrado en el gráfico.
- Compruebe la bondad de ajuste de la función de potencia tanto visualmente como utilizando el valor R2 (Figura 6). Esta es la ecuación del vertedero para el flujo contenido dentro de la muesca en V para la estructura de control.
- En una hoja de cálculo de Excel, introduzca los valores de la altura (h, cm) y los caudales correspondientes (Q, L.s-1) a través del vertedero de muesca en V.
2. Uso de la "Calculadora de coeficiente de ecuación de flujo de vertedero" para obtener coeficientes de vertedero para flujos contenidos dentro de la muesca en V y flujos de rebase
NOTA: Los siguientes pasos requieren el uso de la herramienta "Calculadora de coeficiente de ecuación de flujo de vertedero" disponible en https://www.ars.usda.gov/midwest-area/ames/nlae/docs/tools-available-from-nlae/.
- Coeficientes de la ecuación de flujo de vertedero para flujos de rebase utilizando la ecuación de calibración propia
- Abra el enlace https://www.ars.usda.gov/midwest-area/ames/nlae/docs/tools-available-from-nlae/ y haga clic en "Calculadora de coeficientes de ecuaciones de flujo de vertedero" en la página web. Este paso abrirá la herramienta en un nuevo navegador (Figura complementaria 1).
- Seleccione la unidad entre el sistema métrico (SI) y las unidades habituales de EE. UU . utilizando los botones de opción (Figura complementaria 2).
- En la sección Tamaño de la estructura de control, deje la selección en el valor predeterminado de 6 pulgadas (15 cm), ya que el usuario proporciona sus propios coeficientes de ecuación de vertedero.
- Haga clic en Sí como respuesta a "¿Tiene su propia ecuación de calibración?" e introduzca los valores de los parámetros a y b correspondientes a la ecuación para los caudales contenidos en la muesca en V, Q = ahb y obtenidos del paso 1.3.2 (Figura complementaria 2).
- Introduzca los valores de las especificaciones del vertedero en la sección Entradas de la herramienta. Las entradas incluyen el ancho entre las pistas (W), la profundidad de la muesca en V (D) y el ancho de la parte superior en V (Wv). Consulte la figura de la derecha para ver los símbolos (Figura complementaria 2).
- Obtenga los valores de los coeficientes para los flujos de rebase de la tabla Coeficientes para la ecuación del vertedero de muesca en V, Q = ahb, y el gráfico del caudal contra la carga de la sección Resultados de la herramienta (Figura complementaria 2).
- Coeficientes de la ecuación de flujo de vertedero para flujos contenidos dentro de la muesca en V y flujos de rebase usando la herramienta
- Abra la herramienta como se describe en la sección 2.1.1. y seleccione la unidad y el tamaño de la estructura de control utilizando los botones de opción (Figura complementaria 3).
- Haga clic en No como respuesta a "¿Tiene su propia ecuación de calibración?"
- Introduzca los valores de las especificaciones del vertedero como se describe en la sección 2.1.5.
- Obtenga los valores de los coeficientes para los caudales con vertedero de muesca en V y los caudales de rebase de la tabla y el gráfico de caudal vs. profundidad de flujo en relación con la cresta de la muesca en V de la sección Resultados de la herramienta (Figura complementaria 3).
3. Monitoreo y mantenimiento de caudales en estructuras de control de drenaje
- Verificación de niveles de agua en una estructura de control de drenaje
NOTA: Asegurarse de que los niveles de flujo obtenidos de los sensores sean correctos es crucial para una estimación precisa de los caudales, lo que se logra comparando las lecturas de los sensores con las mediciones manuales a través de visitas de campo periódicas.- Con una cinta métrica, mida la distancia del nivel del agua desde la parte superior de la estructura de control en la cámara de entrada cerca de la ubicación del sensor dentro de la cámara.
- Para tomar la medida, baje la cinta métrica en la estructura de control hasta que toque el menisco del nivel del agua. Tome esta medida de 1 a 3 veces y registre la distancia.
- Para obtener el registro de la lectura del sensor, abra la caja del panel de control y registre el número correspondiente a la lectura del nivel de agua (Figura 7).
NOTA: Dependiendo de la configuración del panel de control, la pantalla puede mostrar la medición del nivel de agua desde la parte superior o inferior de la estructura de control de drenaje. - Para comparar la medición manual con la lectura del sensor correspondiente a un valor de profundidad del agua desde la parte inferior de la estructura de control, reste su medición manual de la altura interior de la estructura de control y compárela con la lectura del sensor.
- Si hay una discrepancia entre los valores medidos y los del sensor, verifique las fuentes de errores, incluida la presencia de sedimentos/escombros dentro de la estructura de control, cambios no contabilizados en la altura del vertedero como resultado de la gestión del vertedero, dislocación de los sensores y mal funcionamiento de los sensores, y corríjalos en consecuencia.
- Obtención de series temporales de caudales
NOTA: En las secciones 2.2.1-2.2.4 se describe una hoja de cálculo que consta de datos de ejemplo de un sitio de amortiguación saturado (BC-2)18 y el procedimiento para obtener series temporales de caudales utilizando los coeficientes de la ecuación del vertedero de la herramienta, y se presenta en el Archivo Suplementario 2.- Descargue las series temporales de datos de nivel de caudal del registrador de datos respectivo o del servidor asociado con el sistema de drenaje.
- Utilizando los datos de nivel de caudal de la serie temporal, calcule la carga.
- Determine la condición del flujo, es decir, el flujo contenido dentro de la muesca en V (h ≤ D) o el flujo de rebase (h > D) comparando la altura (h) con la profundidad de la muesca en V (D) para cada registro de tiempo.
- Calcule el caudal de drenaje para la condición de flujo utilizando la ecuación del vertedero (1) con los coeficientes de la ecuación de flujo del vertedero obtenidos de la herramienta "Calculadora de coeficientes de ecuación de flujo del vertedero" (como se describe en la sección 2.1. o 2.2.).
- En una práctica de conservación de borde de campo equipada con un sistema de drenaje inteligente, obtenga las series temporales de caudales directamente desde el panel de control del sitio web respectivo (Figura 8).
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Resultados
La calibración de un vertedero de acero inoxidable con muesca en V de 45° se realizó en estructuras de control Agri Drain de 15 cm (6 pulgadas), 20 cm (8 pulgadas) y 30 cm (12 pulgadas) para flujos contenidos dentro de la muescaen V 11. Los valores medidos de caudales y cargas y las ecuaciones del vertedero obtenidos ajustando una función de potencia (ecuación 1) a los datos medidos para los caudales contenidos dentro de la muesca en V, como se describe en el protocolo, se present...
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Discusión
El protocolo (paso 1) describe un método para desarrollar una ecuación de calibración para un vertedero de muesca en V de 45° en una estructura de control de drenaje Agri Drain. Sin embargo, el método se puede adaptar para desarrollar ecuaciones de calibración para diferentes tipos de vertederos, como un vertedero rectangular, un vertedero trapezoidal o un vertedero de muesca en V con varios ángulos en cualquier estructura de control de drenaje. Durante el procedimiento de calibración, e...
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Divulgaciones
Todas las opiniones expresadas en este documento son de los autores y no reflejan necesariamente las políticas y puntos de vista del USDA, DOE u ORAU/ORISE. Cualquier uso de nombres comerciales, de empresas o de productos mencionados en este artículo es solo para fines descriptivos y no implica recomendaciones o respaldo por parte del Departamento de Agricultura de EE. UU. El USDA es un proveedor y empleador que ofrece igualdad de oportunidades.
Agradecimientos
Los autores agradecen la ayuda de Shane Svoboda en la toma de fotografías utilizadas en este artículo. Este trabajo fue apoyado en parte por un nombramiento en el Programa de Participación en Investigación del Servicio de Investigación Agrícola (ARS, por sus siglas en inglés) administrado por el Instituto Oak Ridge para la Ciencia y la Educación (ORISE, por sus siglas en inglés) a través de un acuerdo interinstitucional entre el Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE, por sus siglas en inglés) y el Departamento de Agricultura de los Estados Unidos (USDA, por sus siglas en inglés). ORISE es administrado por ORAU bajo el número de contrato DOE DE-SC0014664. Esta investigación fue una contribución de la Red de Investigación de Agroecosistemas a Largo Plazo (LTAR). LTAR cuenta con el apoyo del Servicio de Investigación Agrícola del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos.
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Materiales
| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| Caudalímetro | Banjo Corp | MFM300 | Caudalímetro electromagnético, precisión dentro de ± 2-3% para caudales entre 0,88 y 42,3 L.s-1 (14 a 670 gpm), y rango de temperatura de funcionamiento de -12 a 54 grados; C |
| Tubería y accesorios | N/A | N/A | La longitud de la tubería y los accesorios deben ser necesarios, pero cumplir con los requisitos mínimos de tubería recta para aguas arriba y aguas abajo del medidor de flujo de acuerdo con las recomendaciones del fabricante. |
| Bomba | US Motors | 15706017-100 | Modelo 15411 60 HP 3 Fase VFD accionado |
| Registros de parada | Agri Drain | 700320 (registro de parada de 5 pulgadas), 700321 (registro de parada de 7 pulgadas), 700333 (registro de parada inferior de 7 pulgadas con junta inferior) | Tres tipos de registros de PVC de alturas Registro de parada inferior de 5 pulgadas, 7 pulgadas y 7 pulgadas con junta inferior |
| Cinta métrica | Stanley PowerLock | 33-158 | Cinta métrica de 5 m/16' |
| Vertedero de muesca en V | Agri Drain | 701132 | Acero inoxidable 45° (3 mm de espesor, profundidad de la muesca en V de 17.145 cm) vertedero con muescas con soporte de PVC (13 mm de espesor) |
| Estructura de control de drenaje del nivel de agua | Agri Drain | 3CINLINE06X08PVC | Una estructura de control de nivel de agua en línea de 3 cámaras con un tamaño nominal de 20,32 cm (8 pulgadas) y vertedero con muesca en V presente en la primera puerta (Registros de parada incluidos en la compra) |
Referencias
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