Las curvas de gasto en las estaciones de aforo: Limnímetros y aforos directos

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  • Artículo de Gonzalo Rabasa. Jefe de Servicio de Hidrología y Aforos de la Confederación Hidrográfica del Ebro.

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En general, en Hidráulica podemos decir que a mayor caudal en una corriente le corresponde un mayor nivel del agua, aunque esta afirmación debe tomarse con cautela pues esta ciencia es caprichosa y la existencia de ligeras variaciones en la geometría, en la rugosidad del lecho o en cualquier otro elemento puede producir paradojas aparentes; como el clásico fenómeno en que una corriente lenta sufre una depresión (bajada de nivel de la superficie del agua) al producirse una elevación (!) en el fondo del cauce (ver figura 1).

Dejando a un lado los casos mencionados, al aumentar la cantidad de agua que pasa por una sección del cauce, ya sea natural o artificial, generalmente se elevará el nivel del líquido, existiendo una correlación entre altura (de agua) y caudal, que se puede representar gráficamente (ver figura 2). A esta representación, única para cada sección de la corriente de un río, la denominamos “curva de gasto” y sus formas son muy parecidas pese a ser siempre diferente una curva de otra, pues no hay dos cauces iguales ni dos secciones iguales dentro de un mismo cauce (salvo que hablemos de canales artificiales).

Obtener la curva de gasto en un punto del río no es tarea simple pues si la medida del nivel del agua es algo muy sencillo, sin más que colocar un limnímetro (ver fotos) en el propio cauce (regla graduada en cm que nos dice la altura del agua por simple observación), la medida del caudal es tan compleja que en la actualidad no existe forma precisa de realizarla: efectivamente, para medir el volumen de agua por unidad de tiempo (“caudal”, habitualmente expresado en m³/s ó l/s) que discurre por un sistema sólo conocemos un método preciso y totalmente directo: el método volumétrico.

Supongamos que quiero medir el caudal del grifo de un lavabo; tomamos un recipiente de volumen conocido (por ejemplo una olla de seis litros) y con un cronómetro medimos el tiempo que tarda en llenarse (por ejemplo, 30 s); el caudal de nuestro grifo se obtiene de forma inmediata dividiendo el primero por el segundo (en nuestro ejemplo 0,2 l/s). Este método, que tiene una elevada precisión no es, por desgracia, aplicable a un río.

En el río no tenemos más remedio que acudir a métodos que, si bien llamamos “aforos directos” son también, en rigor, indirectos. Esta denominación alude al hecho de que medimos el caudal (aunque indirectamente) en un momento concreto por métodos específicos y no como estimación basada en la medición del nivel del río y auxiliándonos de la curva de gasto, procedimiento para el que reservamos el término “indirecto”. La sistemática para realizar “aforos directos” en los cauces es algo sencillo en esencia pero difícil de explicar en pocas líneas. Baste decir que se basa en medir –de un modo indirecto, por cierto- en una sección del río (expresada en m²) de superficie supuestamente conocida (lo que no es sino una mera estimación) la velocidad del agua (en m/s), la cual suponemos constante en toda esa sección, hipótesis falsa pero necesaria para poder realizar el cálculo. Así, multiplicando sección (m²) por velocidad (m/s) obtenemos volumen por unidad de tiempo (m³/s), que es el caudal circulante estimado.

Como puede observarse la realización de un “aforo directo” implica la adopción de una serie de simplificaciones y procedimientos que de manera intrínseca introduce un importante margen de error en la medición. En el momento actual, los técnicos solemos estimarlo en el 10%, aunque lo más habitual es que no supere el 5%. Ello significa que si nuestro aforo directo arroja una medición de caudal de 2.500 m³/s lo más probable es que el caudal real pueda estar entre los 2.750 y los 2.250 m³/s. Nótese el elevado grado de imprecisión. Si bien lo más normal es que se sitúe entre 2.625 y los 2.375 m³/s (correspondiente a un margen de incertidumbre del 5%) se debe tener en cuenta que cuanto más turbulenta sea la corriente (caso de riadas) mayor es la imprecisión. Todo esto con la tecnología y los instrumentos actuales, los cuales hace quince años no existían. Hasta entonces el error era aún mayor.

Ahora que sabemos qué es un aforo directo, podemos continuar con nuestra curva de gasto: como son todas parecidas, si pintamos unos ejes cartesianos que representen caudales en abscisas (eje de las equis) y alturas en ordenadas (eje de las íes) es fácil dibujar, por extrapolación (matemáticamente sería más correcto decir por regresión), una curva a partir de unos pocos aforos directos (que en este sistema de coordenadas serán puntos; un punto por cada aforo) realizados con diferentes niveles de agua en una sección fluvial determinada.

Esta curva, que será válida únicamente para este punto concreto de ese río concreto, puede variar a lo largo de los meses, por lo que deberemos hacer aforos directos periódicamente con el objeto de comprobar su vigencia. (Buena muestra de las posibles variaciones en las condiciones y geometría del río es la socavación local en el entorno del limnímetro del Ebro en Novillas, que ha motivado la decisión de descender la cota del mismo –del limnímetro- un metro, de tal modo que, por ejemplo, el mismo nivel de agua que antes marcaría dos metros, ahora marcará tres).

En la cuenca del Ebro existen del orden de 250 estaciones de aforo consistentes en sendas secciones del río (bien de obra, bien “en cauce libre” esto es, naturales) o canal, a las que hemos asignado, según el método descrito, una curva de gasto y en donde se ha colocado un limnímetro –del griego limnos, lago- colocado en un lugar visible, sobre el que se puede mirar el nivel del agua. Como conocemos la curva de gasto, es inmediato “deducir” el caudal circulante.

Debemos notar que el caudal expresado por la curva tiene el mismo margen de error que tenía el aforo directo y que dicho margen es mayor cuanto mayor es el nivel del río por riada en ese punto. El motivo de ello es doble: primero, por las mayores turbulencias que se producen durante estos fenómenos, lo que dificulta la realización de los aforos directos y segundo, por el hecho de que, a la hora de dibujar una curva de gasto es raro disponer de datos de aforos directos con caudales elevados; ambas cosas incrementan la incertidumbre de esta zona de la curva, con menos densidad de puntos “reales” para ajustar la regresión estadística.

Estos dos son, pues, los elementos esenciales de una estación de aforos: tener colocado el limnímetro y conocer la curva de gasto. Cuestión aparte es disponer de un sistema de medida automática del nivel en continuo (por medio de una boya u otros métodos como los modernos radares) y su posible registro y/o transmisión en tiempo real al Centro de Proceso de Cuenca (el llamado Sistema Automático de Información Hidrológica o SAIH), cosa que existe en casi todas las estaciones. Pero esa es otra historia y debe ser contada en otra ocasión…

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