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
