Diapositiva 1

MEDICIONES HIDROLÓGICAS
Para cuantificar la oferta hídrica en una cuenca es necesario hacer
mediciones hidrológicas. Necesitamos medir la precipitación que cae
en la cuenca hidrográfica, la escorrentía o el caudal en los ríos en
diferentes periodos, y la calidad del agua, porque vimos que es una
componente fundamental de la oferta hídrica.
Precipitación (mm/hr) (Entrada)
Caudal (m3/s) (Salida)
Hietograma
Cuenca Procesos
Hidrograma
Otras mediciones como la evapotranspiración e infiltración son
necesarias para cerrar el balance hídrico, y para poder cuantificar las
interacciones de agua superficial con el agua subterránea.
Precipitación media mensual
(mm/mes)
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic
Mes
En términos de medición de la precipitación tradicionalmente
utilizamos pluviómetros. Sin embargo la tecnología actual nos permite
utilizar pluviógrafos de balancín para realizar mediciones en forma
continua a muy bajo costo.
Pluviógrafo de
Balancín
Registros con
precisión de 1 min
Las mediciones puntuales en pluviógrafos es necesario
complementarlas con radares meteorológicos que nos dan una
cobertura más amplia sobre un área y nos permiten realizar pronósticos
oportunos de la ocurrencia de tormentas y eventos de precipitación.
Numerical Weather Prediction: UM/MM5
Meteorological Radar
10 km
C-Band
1 km
1 km
X-Band
100 m
Cortesía Cedo Maksimovic
Cortesía Cedo Maksimovic
No obstante las mediciones de radares también tenemos que
calibrarlas con la información obtenida de la red de pluviógrafos en
tierra. Por eso necesario tener una densidad adecuada en la red de
Numerical Weather Prediction: UM/MM5
pluviógrafos.
Calibración
i
T = Actual
Red pluviómetros en tierra
T = Futuro
t
Cortesía Cedo Maksimovic
Cortesía Cedo Maksimovic
En Latinoamérica estamos muy atrasados en la cobertura. Tenemos
instalados del orden de 2 a 3 aparatos en promedio, en áreas rurales
de 100 kilómetros cuadrados, cuando lo recomendable es instalar de
2 a 3 aparatos en áreas de 20 a 30 km².
En zonas urbanas tenemos instalados menos aparatos de lo que se
recomienda con el fin de poder diseñar adecuadamente los sistemas
de drenaje pluvial. Deberíamos tener del orden de un aparato por
cada dos a tres km² de área, pero la densidad de nuestras redes de
medición es mucho menor.
Población
Densidad
(ha/Aparato)
Archivo
(min)
Seine Saint
Denis
2000
0.2
Courly
2000
6
Nancy
860
0.17
Saint Etienne
1200
Balanceo
Le Havre
660
Balanceo
Y en Inglaterra (Water Research Center):
Para obtener errores +/- 10% en la calibración de modelos lluvia
escorrentía:
1.
Densidad mínima de 3 pluviómetros para áreas de drenaje < 8
km2. Dos de estos para medición y uno para control. En zonas
planas debe incrementarse un aparato por cada 4 km2
adicionales.
2.
Intervalos de medición de 2 minutos
3.
Sincronización completa de los equipos de medición
(precipitación y caudales)
Densidad en la Sabana de Bogotá: del orden de 30 km2 por estación
(densidad urbana es mayor).
Esta incertidumbre que se presenta en la estimación de la precipitación
en un área es necesario cuantificarla y reportarla adecuadamente.
400
Pre cipitación (mm/mes)
300
200
100
0
Ene
Feb
Mar
Abr
May
Jun Jul
Mes
Ago
Sep
Oct
Nov
Dic
Diagrama Box-whisker
1800
La caja está limitada por los
cuartiles del 25 y 75%, la
mediana está representada por la
línea horizontal dentro de la caja,
y los pelos se extienden hasta los
valores mínimo y máximo. El
valor medio multianual es de
1220 mm/año, con el 50% de los
valores anuales históricos
registrados variando entre 1023 y
1400.6 mm/año, y valores
mínimo y máximo de 811.1 y
1708.2 mm/año.
Precipitación anual (mm/año)
1600
1400
1200
1000
800
Anual
Con respecto la medición de la escorrentía superficial
tradicionalmente medimos en forma discreta o continua el nivel del
agua, y utilizamos curvas de calibración nivel-caudal. Hoy en día la
tecnología nos permite hacerlo de forma continua a bajo costo
utilizando sensores ultrasónicos.
Monitoreo contínuo – lluvia
escorrentía
Nivel agua
Nivel
Pluviógrafo
Temperatura
C a u d a l e s y P re c i p i t a c i o n e s
P re c N o g a l 7 6 (1 1 .8 m m )
P re c N o g a l 7 6 (1 6 .2 m m )
C a u d a l (4 7 0 1 6 .7 0 m 3 )
2 .0
m
1 .5
m
1 .0
0 .5
0 .0
400
l / s
300
200
100
Nov 2000
15 Wed
16 Thu
1 7 F ri
18 Sat
19 Sun
1 1 /1 4 /0 0 8 :0 0 :0 0 A M - 1 1 /2 1 /0 0 8 :0 0 :0 0 A M
20 Mon
21 Tue
Las mediciones más precisas de caudal se realizan en estructuras
hidráulicas, tales como los vertederos Crump o las canaletas Parshall
o vertederos de cresta delgada o de cresta ancha. Sin embargo
estamos limitados a caudales no mayores a 10 m³ por segundo
cuando utilizamos estas estructuras.
En ríos anchos como el Magdalena, el Orinoco. El Amazonas. El Río
Paraguay y el río de la Plata, hoy en día la tecnología nos permite
utilizar sensores ultrasónicos de efecto doppler como los ADCP´s para
realizar estimaciones de caudal más precisas en estas corrientes que
las obtenidas anteriormente mediante aforos de caudal con molinete.
En ríos de montaña por el contrario debemos utilizar el método de
dilución o estudios con trazadores que nos proporcionan la menor
incertidumbre en la medición del caudal.
Experimento con Trazadores
Concentración g/l
Río Teusacá 13/Agosto/2005
0.02
0.018
0.016
0.014
0.012
0.01
0.008
0.006
0.004
0.002
0
0
200
400
600
800 1000 1200 1400
Tiempo (s)
Sitio 1
Sitio 2
Para flujo permanente
T
M   Q  C  dt
0
T
Q  M /  C  dt
0
Cuando realizamos aforos de caudal con molinete por vadeo desde
bote o tarabita debemos utilizar un número apropiado de verticales y
de mediciones de velocidad en la profundidad para reducir la
incertidumbre en la medición.
La recomendación es utilizar verticales con un espaciamiento no
superior a un veinteavo del ancho total del río y hacer en lo posible la
medición en tres puntos en la profundidad.
b
di
vi
Vi+1 d
i+1
Cortesía Prof. Erasmo Rodríguez – Universidad Nacional de Colombia
Muy importante es calibrar las hélices de los correntómetros
adecuadamente y hacer el aforo en tramos rectos y uniformes de los
ríos en secciones estables.
MOLINETE GURLEY No.NE 4580
VELOCIDAD (m/s)
3,00
2,50
2,00
1,50
1,00
y = 0,6654x + 0,0141
R² = 0,9998
0,50
0,00
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
REVOLUCIONES (rps)
Cortesía Prof. Erasmo Rodríguez – Universidad Nacional
Cortesía Prof. Erasmo Rodríguez – Universidad Nacional
Una vez que tenemos suficientes datos de caudal y nivel procedemos
a calibrar la curva de nivel-caudal. La recomendación es utilizar
métodos estadísticos que incorporen la incertidumbre y realizar
actualizaciones periódicas de las curvas sobre todo en ríos de alta
carga sólida.
San Cayetano
0.0060
0.0055
1.5013
y = 0.2347x
2
0.0050
R = 0.9825
Caudal (m3/s)
0.0045
0.0040
0.0035
0.0030
0.0025
0.0020
0.0015
0.0010
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
Nivel (m)
0.07
0.08
0.09
Método estadístico incorporando incertidumbre
Ejemplo Software: Hydrasub, (2003)
Caudal
Nivel (m)
Ecuación de calibración nivel - caudal
Estación Nariño – Río Magdalena Colombia
Estación Limnigráfica y
pluviográfica de Nariño
En zonas donde hay efectos de remanso como en estuarios o en
confluencias de ríos es muy importante realizar mediciones
simultáneas en dos miras de nivel con el fin de estimar curvas de
nivel-caudal teniendo en cuenta la pendiente hidráulica el canal.
Con respecto a la medición de la evapotranspiración potencial es
necesario contar con tanques evaporímetros y conocer coeficientes
de cultivo para diferentes periodos vegetativos. Es muy importante
incorporar las investigaciones locales de estos coeficientes de cultivo
y de contar con datos climatológicos de la zona tales como
temperatura, brillo, solar, humedad relativa, velocidad del viento y
otros para estimar la evaporación real.
Finalmente para la estimación de la infiltración y la recarga de las
aguas subterráneas, es muy importante contar con piezómetros y
pozos de monitoreo continuo del nivel freático, la temperatura y
conductividad eléctrica del agua. También son necesarios pozos en
los que podamos hacer pruebas de bombeo para la calibración de los
parámetros de los acuíferos tales como la conductividad hidráulica y
el coeficiente de almacenamiento, y tomar muestras para el análisis
de la calidad físico-química y bacteriológica del agua subterránea.
Como se ha venido mencionando varias veces anteriormente, para
cuantificar la oferta hídrica es muy importante medir la calidad del
agua.
Los objetivos de una red de monitoreo de la calidad del agua pueden
ser hacer múltiples, tales como hacer seguimiento a vertimientos
puntuales, medir y estimar la carga contaminante de vertimientos y de
ríos afluentes con el fin de estimar tasas retributivas o de
compensación ambiental, establecer el cumplimiento de metas de
reducción de carga contaminante, o el cumplimiento de estándares de
calidad del agua para los diferentes usos del agua en la cuenca.
Las mediciones de calidad del agua también son necesarias para
alimentar y mantener actualizados modelos de calidad del agua que
permitan estimar los impactos previstos de vertimiento de agua
servida y simular escenarios de saneamiento en la cuenca. En este
sentido el beneficio costo de las mediciones sistemáticas de calidad
del agua puede ser muy alto.
350
Conductividad [S/cm]
300
250
200
150
100
50
0
0
1
2
3
4
Tiempo [hr]
5
Observado aguas arriba
Observado aguas abajo
Resultados modelo
6
7
8
Simulación de escenarios
Una red de calidad del agua la constituye no solamente instrumentos
de medición con tecnología actualizada, es necesario contar con
personal esté calificado y entrenado, contar con protocolos de
medición y recolección de la información. También es necesario
contar con estaciones fijas y/o móviles en sitios estratégicos que nos
permitan hacer las mediciones en forma continua o periódica de forma
consistente, y faciliten la toma de muestras para análisis de diferentes
deteminantes en el laboratorio.
Estaciones
fijas y móviles
ubicadas
estratégicame
nte a lo largo
del río Bogotá
Instrumentaci
ón con
equipos de
alta tecnología
en monitoreo
de calidad de
agua
Protocolos de
medición y
recolección
de muestras
Personal
calificado
para operar la
red
El éxito de una red de calidad del agua es garantizar la calidad de la
información que tomamos. Debe recordarse que tenemos que medir
también simultáneamente el caudal en los mismos sitios en que
medimos la calidad del agua para estimar la carga contaminante. Los
sitios de medición deben ser seguros y tener acceso a servicio de
energía eléctrica.
Para reducir costos y maximizar los beneficios es muy importante
definir bien los determinantes que medimos en la red de calidad
hídrica de acuerdo a los usos del agua en la cuenca, y de acuerdo a
los problemas de contaminación hídrica y salud pública detectados en
la misma.
FUERA DE LÍNEA
EN LÍNEA
Caudal
pH
Temperatura
Oxigeno disuelto
Conductividad
Sólidos disueltos
Sólidos sedimentables
QUÍMICOS
FÍSICOS
Demanda bioquímica
de oxigeno
Aceites y grasas
Amonio
Nitratos
Nitrógeno total
Kjeldahl
Fosforo soluble
reactivo
Sulfatos
Cloruros totales
Cromo hexavalente
Hierro
Manganeso
Sólidos suspendidos
volátiles
BIOLÓGICOS
Coliformes Totales
E-coli
Clorofila-a
Fitoplanton
Índice de
invertebrados
acuáticos SAAS
Monitoreo contínuo – lluvia
escorrentía
Nivel
Temperatura
Conductividad