Una guía de cuatro pasos para calcular con precisión la descarga de agua superficial

Hoy, una amplia gama de agencias gubernamentales, municipalidades, compañías de servicios públicos y compañías privadas necesitan monitorear el flujo de agua en ríos, arroyos y canales por una variedad de razones que van desde predecir la disponibilidad de agua y eventos de inundación hasta asignar recursos hídricos y planificar para el futuro desarrollo. En un nivel alto, estas organizaciones se preocupan por el caudal de agua y la descarga del agua superficial en un área particular. Más específicamente, la descarga de agua, que es el volumen de agua que se mueve a través de la sección transversal de una corriente o río durante una unidad de tiempo particular, se calcula multiplicando el área de agua en una sección transversal del canal por la velocidad promedio del agua en esa sección transversal. Esta medida se expresa comúnmente en metros cúbicos por segundo o metros cúbicos por día. Las mediciones de descarga también tienen en cuenta los sólidos en suspensión, los productos químicos disueltos o los materiales biológicos que también se transportan en el agua a través de la sección transversal.

Este documento técnico proporcionará una guía general para realizar los pasos necesarios para calcular mediciones precisas de descarga de agua superficial, incluidas consideraciones para seleccionar el sitio de monitoreo más ideal, las tecnologías disponibles para diversas condiciones del sitio y cómo garantizar que sus sistemas proporcionen continuamente datos precisos a través de métodos de aseguramiento de la calidad y control de calidad (QA / QC).

Paso 1: Seleccionar el sitio ideal para realizar mediciones de descarga de agua superficial

Para calcular con mayor precisión las mediciones de descarga de aguas superficiales, existen varias consideraciones que uno debe hacer para seleccionar el sitio de medición más apropiado. El sitio de medición ideal debería tener varias de las siguientes características, como sea posible:

-Longitudes de cauce razonablemente recto por lo menos de 100 m o de 5 a 10 veces el ancho del canal, tanto aguas arriba y aguas abajo del sitio de medición.

-Área libre de rocas, malas hierbas y otras obstrucciones

– Que el flujo sea paralelo a la orillas, evitando flujos cruzados o flujo inverso (reflujo)

-Lecho y orillas de río estables: si la sección transversal cambia con el tiempo, la medición de la descarga cambiará.

Adicionalmente, garantizar que el agua no sea demasiado turbulenta y evitar áreas con vórtices, crecimiento de algas y/o malezas, o distribución irregular de velocidad.

Paso 2: medición de la geometría de la sección transversal del canal

Una vez que se selecciona un sitio potencial basado en las características visuales descritas anteriormente, el siguiente paso es determinar la geometría de la sección transversal. Para calcular esto, el ancho de la sección transversal y la profundidad en una cierta vertical debe ser medida. Para muchas corrientes o ríos, la medición del ancho se puede hacer usando una cinta métrica o cuerdas con etiquetas encordadas, en ángulo recto a través de la sección transversal. Sin embargo, si un río es demasiado ancho para realizar mediciones usando una cinta métrica o una cuerda etiquetada o desde un bote o puente, puede aplicarse técnicas de topografía o un sistema de posicionamiento global con instrumentos de corrección diferencial (DGPS). Una vez que se determina el ancho, el profesional de recursos hídricos debe dividir el río o arroyo en subsecciones verticales iguales, donde idealmente ninguna subsección incluye más de 5 a 10 por ciento de la descarga total del río o arroyo.

Luego, se debe determinar la profundidad del río o arroyo para cada una de las verticales. La profundidad de la corriente es usualmente medido usando una barra de vadeo, líneas de sondeo, y lastres o instrumentos con sensores de profundidad integrados tales como celdas de presión o sondas de eco acústico. Una vez que la profundidad y el ancho de cada subsección es conocida, se puede calcular el área de las subsecciones así como el área de la sección transversal.

Figura 1. La sección transversal del río identificada se divide en verticales iguales, luego la profundidad de cada vertical es medida para calcular el área para cada uno. Fuente: USGS, http://water.usgs.gov/edu/streamflow2.html

Paso 3: Elegir la tecnología adecuada para medir la velocidad del agua

Después de conocer la geometría de la sección transversal del canal, el siguiente paso es determinar la velocidad del  agua que fluye. Los medidores de velocidad móvil generalmente aplican el método sección por sección. Este método requiere el cálculo de la velocidad media en cada una de las verticales seleccionadas. La velocidad media en una vertical es obtenido al tomar medidas de velocidad en muchos puntos en una vertical, pero comúnmente se lo aproxima tomando solo algunas medidas de velocidad y usando una relación conocida entre esas velocidades y la media en la vertical. Por ejemplo, en corrientes de flujo libre, la velocidad media de una medición de dos puntos se calcula promediando la velocidad medida a 0.2 y 0.8 de la profundidad, también se emplea la medición de un punto a 0.4 de la profundidad. Los medidores de velocidad de operación continua usualmente aplican el método índice-velocidad-promedio. Los índices de velocidad relacionan la velocidad medida por un instrumento (vi) a la velocidad media del canal (vm).

Para adquirir los datos necesarios para calcular la velocidad media del canal, los hidrógrafos pueden usar sistemas de medición continuos o móviles. Hoy en día, hay una gran variedad de  sistemas de medición continuos y móviles, disponibles de una gran variedad de compañías para adaptarse a casi cualquier necesidad de medición de flujo que pueda tener. Echemos un vistazo en profundidad de algunos de los dispositivos móviles comúnmente disponibles y sistemas continuos de monitorización, particularmente de los productos ofrecidos por OTT Hydromet, que ha sido líder en la tecnología de medicion de flujo por más de 100 años.

• Sistema de Monitoreo Continuo

OTT SVR 100 es un sensor radar de velocidad del agua y cauces naturales compacto, sencillo y sin contacto directo. Diseñado para medir el flujo en canales abiertos y ríos cuando se necesitan datos fiables de forma permanente. El sensor se instala por encima de la superficie del agua, y dispone de un soporte regulable que permite instalarlo en horizontal o en vertical. Las velocidades medidas y la información del estado del sensor facilitada por los sensores de inclinación y de vibración están disponibles vía SDI-12 a través de RS-485 y Modbus.

Identifica los datos influenciados por el movimiento del sensor (debido al viento o al tráfico, por ejemplo) utilizando metadatos de los sensores de vibración e inclinación integrados. Detecta automáticamente la dirección del flujo, elimina o reduce los efectos del viento, las precipitaciones, la vibración o las olas aplicando filtros específicos.

Dado que se instala encima y fuera del agua, el sensor no se ve afectado. Sistema de montaje flexible que permite una instalación rápida, el sensor se puede ocultar fácilmente gracias a su diseño compacto y a su sistema de montaje flexible sin mantenimiento.

• Sistemas Móviles

El flujo de agua ha sido determinado utilizando sistemas de medición móvil desde la invención del medidor mecánico básico en 1790, que los hidrólogos utilizaban para calcular el flujo contando manualmente el número de rotaciones de la hélice. Como con cualquier tecnología, numerosas iteraciones y métodos han sido desarrollado a través de los años, no solo automatizando el conteo de rotaciones de la hélice para los correntómetros, sino también para generar métodos más nuevos y sofisticados basados en los principios de la acústica y magnética. En la actualidad, la mayoría de los instrumentos móviles constan de un dispositivo de mano, un sensor y una varilla para montar el sensor.

Algunos de estos sistemas pueden almacenar datos y calcular automáticamente la descarga en función de la velocidad y lecturas de profundidad tomadas.

Figura 4. Sistema móvil – Medidor de corriente mecánica / instrumento móvil de última generación.

Para los casos en que el agua puede ser demasiado profunda o peligrosa para realizar mediciones usando el método típico de barra y sensor, hay dispositivos flotantes disponibles que permiten realizar las mediciones en forma inalámbrica o utilizando métodos cableados por hidrólogos en la orilla. Por ejemplo, OTT Qliner 2 utiliza la tecnología Doppler para medir tanto la distribución vertical de la velocidad como la profundidad del agua en las posiciones verticales requeridas. Todos los datos medidos se transfieren al dispositivo móvil del operador en tierra a través de Bluetooth. Una vez que se completa la medición, la descarga está disponible de inmediato.

Figura 7. OTT Qliner 2 se utiliza para realizar mediciones de descarga automáticas en aguas turbulentas hasta 20 m de profundidad.

Los sistemas que utilizan sensores magnéticos-inductivos se basan en la ley de inducción de Faraday, que es la ley básica del electromagnetismo. Para una varilla de medición que utiliza esta tecnología, una bobina magnética en el la cabeza del sensor crea un campo magnético. Cuando el agua pasa por la cabeza del sensor, los iones de agua crean un voltaje que se relaciona con la velocidad de flujo. El OTT MF pro usa esta tecnología para calcular automáticamente descarga basada en los métodos de USGS e ISO. La velocidad se representa gráficamente en tiempo real en el color del medidor pantalla, permitiendo que las tendencias se visualicen rápidamente. Este dispositivo se puede utilizar en algunos de los más difíciles ambientes, incluidas las aguas sucias e infestadas de malezas y los flujos turbulentos, y porque no tiene partes móviles, es prácticamente libre de mantenimiento.

Figura 8. El OTT MF Pro es un correntómetro electromagnético fácil de usar y de bajo mantenimiento, para una costo-eficiente  medición de descarga, en corrientes de agua.

Paso 4: Garantizar la calidad de los datos

La información utilizable es crítica para cualquier programa de monitoreo de agua. Las variaciones del proceso de medición son el mayor obstáculo para los profesionales de recursos hídricos y esto se debe a que las variaciones perjudican la calidad de sus datos. En un nivel alto, la automatización de las mediciones de flujo de agua se ha vuelto más frecuente. La Organización Internacional de Normalización (ISO), desarrollo la norma ISO 748, el cual especifica los métodos para determinar la velocidad y el área de la sección transversal del agua que fluye en canales abiertos sin cubierta de hielo, además de calcular la descarga a partir de estas mediciones. Si bien es útil contar con un organismo rector que inicie los esfuerzos de estandarización, es importante asegurarse de que se está promoviendo la minimización de las discrepancias de datos y asegurando la precisión dentro de su organización, mediante el establecimiento de un programa de aseguramiento de la calidad (QA). Este aseguramiento de la calidad (QA) debe involucrar la prueba de sus dispositivos de medición en varios puntos diferentes a lo largo de su tiempo de vida, incluso cuando el dispositivo se compra por primera vez antes de su uso, después de una actualización de firmware o hardware, después de realizar cualquier reparación y en intervalos periódicos regulares cuando no se han realizado cambios.

Para los sistemas de monitoreo continuo colocados en el campo, durante la configuración inicial, las mediciones deben ser tomados con instrumentos de mano para establecer la línea base de control de calidad (QC) y desarrollar el índice relación de velocidad. Estos puntos sirven como puntos de referencia para monitorear la precisión del sistema cuando se realizan controles, utilizando los mismos instrumentos móviles. Además, es fundamental garantizar la precisión de tus instrumentos móviles Para hacer esto, se pueden usar métodos de prueba de laboratorio.

Encontrar el ajuste correcto

Si usted es un organismo gubernamental que necesita administrar los recursos hídricos, una compañía eléctrica que monitorea las condiciones del agua en una presa, o un hidrólogo del servicio meteorológico que monitorea posibles condiciones de inundación, es fundamental  comprender la multitud de medidores de caudal de agua disponibles y las mejores prácticas para usar estas herramientas.

Parte de este proceso es seleccionar y trabajar con una empresa dedicada a brindar instrumentación que también lo ayudará a descubrir la mejor opción para cubrir las necesidades de su aplicación. Flujo preciso y medición de descarga ha sido el enfoque principal de OTT Hydromet desde que creo primer medidor de flujo en 1875. Desde este momento, la compañía ha evolucionado para ofrecer una variedad  de opciones de medición portátil y estacionario utilizando diferentes tecnologías de medición, incluyendo mecánicos, magnéticos, acústico y Doppler. La siguiente tabla muestra solo algunos sistemas de medición de caudal disponibles en OTT Hydromet.

Fuente: OTT Hydromet Blog.