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Medición de caudales. Cómo, cuándo y dónde

Sobre el blog

Conoce la CHE y la gestión del agua
Compilación de los artículos técnicos de los expertos de la Confederación Hidrográfica del Ebro publicados en su Boletín mensual.
  • Medición caudales. Cómo, cuándo y dónde

Todos, ciudadanos en general y usuarios, en particular, queremos saber, especialmente en ciertas circunstancias, qué caudal circula por el río que discurre cerca de nuestras casas, que riega nuestros campos o del que bebemos cuando abrimos los grifos de nuestras viviendas. En unas ocasiones nos interesa por defecto, cuando por causa de la sequía tememos no disponer de tan preciado recurso –el agua-, al que estamos tan habituados a su inmediata disponibilidad que no sabríamos vivir sin él en el día a día, o por exceso, cuando se producen avenidas. La gestión de ambas situaciones requiere saber los caudales que circulan por nuestros ríos y canales para gestionarlos con eficiencia. Estaciones de aforo, escalas, molinetes o dopplers, son herramientas imprescindibles en esta tarea, sobre la que nos asaltan algunas cuestiones que vamos a tratar de responder a continuación.

La pieza clave en la medición de caudales: las estaciones de aforo

Cuando accedemos al Sistema Automático de Información Hidrológica de la Cuenca del Ebro (SAIHEbro), donde podemos consultar los datos de niveles de agua en los cauces y sus caudales correspondientes en tiempo real o bien consultamos el anuario de aforos de la Dirección General del Agua (en colaboración con el CEDEX), estamos observando las mediciones y registros realizados en unas instalaciones situadas en los cauces. Son las estaciones de aforo y actualmente, la Confederación del Ebro tiene 234 distribuidas estratégicamente por toda la Cuenca, la mayoría integradas en el SAIH.

La esencia de una estación de aforo es la escala (la solemos encontrar en la pared exterior), que debe ser fija y legible en todo momento. Los datos de nivel o altura de la lámina de agua circulante que registra la estación de aforo siempre están referidos a la citada escala, por complejo que sea su sistema de medición. A partir de los niveles que alcanza el agua, se obtiene el caudal.

Una estación de aforo clásica tiene un sistema mecánico de medición del nivel boya-contrapeso (a pesar de su antigüedad sigue siendo uno de los más utilizados por su fiabilidad y simplicidad), un limnígrafo (aparato que registra en un papel la evolución del nivel en el tiempo), un codificador, que transforma en señales eléctricas los niveles registrados, y un transmisor de datos en tiempo real (de media, cada 15 minutos) que abastece de información al Centro de proceso de Cuenca.

Una simple escala, puede proporcionar unos datos representativos del comportamiento y evolución de la corriente. Eso sí, requiere que un operario realice la observación directa, a falta de sistemas de registro, al menos una vez al día.

Importante destacar que las estaciones de aforo son medidores de nivel, sólo miden el nivel del agua que está circulando en una sección determinada y su evolución en el tiempo y como nos explica Maria Luisa Moreno, jefa del Área de Hidrología y Cauces del Organismo, “lo que hacemos son estimaciones de los caudales que se supone que están circulando para cada uno de los niveles que medimos, mediante una fórmula o ley de equivalencia que denominamos curva de gasto”, que requiere ser calibrada periódicamente por su posible variación.

Tanto la ubicación como el diseño de las estaciones de aforo deben realizarse con extremo cuidado, teniendo en cuenta cualquier circunstancia que pudiera influir en el régimen del caudal que circula por su sección, es decir, en las velocidades y niveles del agua.

¿Cómo se obtienen los caudales que no medimos directamente?

Por medio de una curva de gasto. Veamos cómo.

Ya hemos dicho que mediante la escala y las estaciones de aforo conocemos el nivel en una sección concreta, pero también nos interesa conocer el caudal (volumen de agua que circula por unidad de tiempo). Para ello, es preciso que sepamos para cada estación la relación que existe entre el nivel (H), siempre referido a la escala, y el caudal (Q). Esta relación es la que se conoce como “curva de gasto”, que es una representación gráfica que asocia ambos valores para cada sección del río. Cada curva es única, puesto que no hay dos secciones iguales en un mismo río, ni hay dos cauces iguales.

Para obtener esta fórmula para una sección concreta es necesario realizar numerosos aforos directos (mediciones puntuales del caudal) en las estaciones de aforo. Cuando se tienen suficientes aforos directos hechos (parejas de valores H-Q) que nos permitan encontrar la relación entre altura y caudal, ya podemos trazar la curva de gasto.

Hay que tener en cuenta que estamos hablando de medición de niveles y caudales en cauces naturales, que por tanto están sujetos a posibles variaciones por fenómenos de erosión, sedimentación, proliferación de vegetación, etc. Por este motivo, las curvas de gasto asociadas a cada estación de aforos requieren de calibración y la única forma de realizar esta verificación y por tanto, de obtener unas estadísticas fiables, es la realización de aforos directos de forma periódica. Estos se suelen realizar varias veces al año, incluyendo épocas de estiaje y épocas de avenida.

Calibración de las estaciones de aforo. Los aforos directos

Como ya hemos expuesto, la magnitud del caudal es siempre un valor calculado, es decir, que se obtiene a partir de otras magnitudes medidas, como la velocidad del agua, la sección mojada y, fundamentalmente, el nivel (calculándose el caudal mediante la correspondiente curva de gasto).

Ahora veremos en qué consisten los aforos directos que necesitamos para calibrar esas curvas.

Primero hay que empezar indicando que el caudal circulante es proporcional a la sección que ocupa el agua en el cauce y a su velocidad media y un aforo directo es básicamente, una operación de toma de datos en campo (velocidades y sección mojada) que nos proporciona una medición del caudal que circula en ese momento por la estación de aforos (con el agua del río a una altura concreta de la escala) y que nos sirve para el trazado de las curvas de gasto. En consecuencia, son los “testigos” de la validez o, en su caso, del cambio en la tendencia de las curvas de gasto.

Para realizar estas mediciones de campo (profundidades, anchura, velocidades en diferentes zonas, etc) la Confederación Hidrográfica del Ebro actualmente utiliza dos tipos de medidores: los clásicos molinetes y los nuevos aparatos basados en tecnología acústica Doppler. Veamos como funcionan:

Medición con molinete. Arduo trabajo que se prolonga en ocasiones durante varias horas. El técnico, bien mediante vadeo dentro del propio río o desde un puente o pasarela, o incluso desde un teleférico, toma la velocidad de la corriente en varios puntos de una misma vertical (superficial, a media profundidad y cerca del fondo) y en varias verticales, desde una margen a otra del cauce. Es decir, se miden las velocidades en una nube de puntos lo mejor distribuida posible en la sección que ocupa el agua.

A la vez, se mide la profundidad en cada vertical y las distancias entre verticales (usualmente de 2 a 5 metros, según la anchura que ocupa el agua en el cauce), obteniendo así las secciones parciales.

Finalmente el caudal se obtiene sumando todos los caudales parciales obtenidos en cada sección parcial mediante la fórmula Qi= SixVi (Caudal = Sección x Velocidad)

El molinete ha sido el instrumento para aforos directos más utilizado en cauces abiertos, sin embargo, puesto que es un proceso largo en duración, durante las avenidas es casi imposible hacer aforos completos debido a las grandes variaciones de nivel que pueden producirse durante su ejecución, además del peligro que entraña la fuerza de la corriente y los sólidos que arrastra. El equipo consta de un aparato provisto de una hélice conectado a un contador que registra las vueltas en un periodo de tiempo prefijado, lo que nos permite medir la velocidad del agua (proporcional al número de vueltas de la hélice).

Perfilador Acústico Doppler. En la Confederación Hidrográfica del Ebro se está utilizando esta tecnología con muy buenos resultados desde el año 2004, especialmente para medir grandes caudales. Se han aforado así caudales de más de 2000 m3/s. Esta técnica consiste en medir las velocidades del agua (distribuidas en pequeños rectángulos) mediante una ecosonda ligeramente sumergida y acoplada a un sistema de flotación (trimarán) que se desplaza por la superficie del agua de orilla a orilla. No sustituye a los aforos clásicos con molinete, que mantienen su eficacia en caudales bajos y medios, sino que ambos sistemas se complementan perfectamente.

El doppler facilita una lectura de la distribución de velocidades en la sección de aforo subdividida en celdas de un tamaño muy pequeño. Entre las ventajas que aporta debemos destacar la rapidez con que se realiza la medición: solo unos minutos, cuando antes se necesitaban horas.

Margen de error entre 5- 10%

Los aforos directos, por su propia metodología, llevan asociado un error en la medida del caudal que puede considerarse de entre un 5 y un 10%, error que se traslada lógicamente a las propias curvas de gasto, que en sí mismas no son más que aproximaciones matemáticas a la realidad, con su propio margen de error. Por lo tanto hay que asumir que un error de un ±10% en los datos de caudal que se obtienen y se ofrecen a los usuarios y público en general, es aceptable con los medios técnicos disponibles en la actualidad. Y además hay que tener en cuenta que la máxima imprecisión corresponde a situaciones de crecida ya que se dificulta la ejecución de los aforos directos y por tanto, la obtención de datos medidos con suficiente calidad para calibrar esa zona de la curva, con lo que no es descabellado hablar de márgenes de error de hasta un ±20% en esos casos.

Este margen de error era aún mayor hace algunos años, puesto que los instrumentos utilizados en hidrometría han vivido una importante modernización, especialmente de la mano de la tecnología del ultrasonido, principalmente durante los últimos 15-20 años. Este es un dato a tener en cuenta cuando se estudian y se comparan datos estadísticos y series históricas oficiales, que se encuentran disponibles para su consulta o descarga en http://hercules.cedex.es/anuarioaforos/default.asp

Estos datos estadísticos, además de ser la base de los Planes Hidrológicos de Cuenca, en los que se relacionan los recursos hídricos disponibles y los criterios para su uso y preservación, sirven también para numerosos estudios de interés: por ejemplo, los estudios de inundabilidad, la previsión de aprovechamientos hidroeléctricos o el dimensionamiento de ciertas infraestructuras (puentes, carreteras, etc).

Además, la integración de estas redes de medida de caudal junto con otras meteorológicas en los modernos sistemas SAIH (información hidrológica en tiempo real) y SAD (sistema de ayuda a la decisión) permiten adoptar, con la suficiente antelación, las medidas adecuadas de gestión y previsión ante episodios de avenidas.

Precisamente, el Plan de Gestión del Riesgo de Inundación de la Cuenca del Ebro (el PGRIEbro), un documento crucial y de referencia para todas las Administraciones con competencias en la gestión de avenidas (Comunidades Autónomas, Diputaciones, Ayuntamientos, Comarcas…) recoge una serie de medidas dirigidas a minimizar en lo posible las afecciones, que se concretan en medidas de prevención (estudios de mejora del conocimiento sobre gestión, normas de gestión de embalses y medidas para establecer y/o mejorar los sistemas de alerta hidrológica, SAIH-SAD); de restauración fluvial, de mejora de la permeabilidad de infraestructuras, de Protección Civil, de ordenación del territorio y estructurales.

Consultar reportaje entero aquí.

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