By 
Tejera López, Elena María – Canal de Isabel II, S. A.
Martín López, Víctor – Canal de Isabel II, S. A.
ABSTRACT
The increasingly present effects of climate change, together with the expected population growth, are driving the emergence of strategies aimed at ensuring greater efficiency in the management of water demand.
Canal de Isabel II has developed a line of work, within the 2018-2030 Strategic Plan, aimed at guaranteeing the continuity of water supply. That means that the company make actions to pursue that objective (Strategic Line 1).
To follow this objective, precision in the measurement of derived water is essential. That is, of the water that circulates through the channels from the reservoirs to the treatment stations.
To do this, we start from an initial situation in which there are 12 measuring stations within the Canal de Isabel II adduction network, from which the water level is measured continuously and precisely using ultrasonic limnimeters connected with the Control Center of the company. From the level, the flow that circulates through the canal is obtained through flow curves which result from the characterization of the Measuring Station.
The ISO Standards on free sheet flow measurement, necessary for the characterization of the Gauging Station, focus on open channels with unknown sections, giving the result with an accuracy of the order of 10 %.
This article will indicate the first conclusions of a method that is being developed in Canal de Isabel II.
RESUMEN
Los efectos cada vez más presentes del cambio climático, unidos al esperado crecimiento de la población, están impulsando la aparición de estrategias destinadas a asegurar una mayor eficacia en la gestión de la demanda del agua.
En este sentido, desde Canal de Isabel II se ha desarrollado una línea de trabajo, dentro del Plan Estratégico 2018-2030, orientada a garantizar la continuidad del suministro a través de acciones que persiguen, entre otras cosas, la disminución del agua no controlada (Línea Estratégica 1).
Para el seguimiento de este objetivo es fundamental la precisión en la medida del agua derivada, es decir, del agua que circula por los canales desde los embalses a las estaciones de tratamiento.
Para ello, se parte de una situación inicial en la que se dispone de 12 estaciones de aforo dentro de la red de aducción de Canal de Isabel II, desde las que se mide, de manera continua y precisa, el nivel de agua mediante limnímetros ultrasónicos, conectados con el Centro de Control de la empresa. A partir del nivel se obtiene el caudal que circula por el canal a través de curvas de gasto que resultan de la caracterización de la estación de aforo.
Las Normas ISO sobre medida del caudal en lámina libre, necesarias para la caracterización de la estación de aforo, se centran en canales abiertos con secciones desconocidas, dando el resultado con una precisión del orden del 10 %.
En este artículo se van a indicar las primeras conclusiones de un método que se está desarrollando en Canal de Isabel II con las características siguientes:
- Mejoras en la precisión de la medida del caudal sobre los resultados publicados hasta la fecha, que se obtienen al medir previamente la sección del canal mediante los mejores métodos topográficos existentes con incertidumbres por debajo del 1 %. De esta forma, se dispone de una relación biunívoca entre el nivel del agua, indicado anteriormente, y la sección mojada.
- Simplificación en la caracterización de la estación de aforo mediante la utilización del conocimiento de la sección. Conociendo con precisión la sección mojada, se puede simplificar el método de obtención de la velocidad media. Ambas medidas dan como resultado la medida del caudal a una determinada altura de lámina.
Es decir, este artículo introduce la novedad de aplicar el método descrito por las normas para canales con secciones desconocidas, en estaciones de aforo de las que se tiene un conocimiento muy preciso de su sección, permitiendo simplificar el procedimiento de medición y reducir el error en el cálculo del caudal. Así, se ha elegido una estación de aforo (La Dehesa), considerada prioritaria por el volumen de agua que circula por ella, y se ha llevado a cabo un estudio con los datos recogidos en varios aforos con distintas alturas de lámina y en diferentes épocas del año. De este análisis, se concluye que es posible identificar puntos característicos de una sección del canal que permitan conocer la velocidad media asociada a una determinada altura de lámina y, por tanto, a un área mojada. Por último, se ha estimado el error cometido al calcular el caudal con esta simplificación y se ha validado el método.
PALABRAS CLAVE
Estación de aforo, curva de gasto, altura de lámina, área mojada, velocidad media.
INTRODUCCIÓN
Antecedentes
Los antecedentes de esta publicación se remontan a 2016 cuando la Subdirección de Telecontrol de Canal de Isabel II decide retomar el proyecto “Aforos” con la intención de revisar las curvas de gasto de sus principales estaciones de aforo. Para ello, se realiza un estudio inicial con 8 aforos en la estación objeto del presente artículo, empleando dos tipos de tecnologías distintas en busca del mejor método: un molinete universal y un perfilador Doppler por pulsos.
De los resultados obtenidos en las mediciones realizadas en La Dehesa se extrajeron una serie de conclusiones:
- El error relativo entre las mediciones hechas con el equipo Doppler y el valor obtenido a través de la curva de gasto estaba comprendido en el rango (7,81 − 21,57) %
- El error relativo entre las mediciones hechas con el molinete y el valor calculado mediante la curva de gasto se encontraba dentro del intervalo (7,04 − 10,18) %
- El error relativo entre los métodos empleados (dispersión en la medida) estaba comprendido en el rango (0,257 − 14,951) %
- El molinete tenía buena repetibilidad, mientras que el Doppler no.
Por tanto, a la vista de la gran dispersión existente entre las mediciones y el caudal calculado mediante la curva de gasto, se estableció la necesidad de actualizar dicha curva en cada una de las estaciones de aforo, empezando por aquellas consideradas como prioritarias.
Para tal tarea se decidió emplear como equipo de medida un molinete universal con calibración acreditada y se fijó como tarea imprescindible la caracterización de las secciones transversales en las que se iban a efectuar las medidas, optando por un método topográfico con incertidumbres inferiores al 1 %.
Estación de aforo
En la siguiente tabla se muestran las principales características de la estación analizada:
Tabla 1: Características estación de aforo
| LA DEHESA | |
| Altura máxima agua (m) | 3,15 |
| Área mojada máxima (m2) | 9,8325 |
| Ancho máximo (m) | 3,55 |
| Alturas más frecuentes (m) | 1,4 – 1,6 |
| Forma | Pera |
METODOLOGÍA
Determinación del perfil de velocidades
Para la determinación del perfil de velocidades de la estación de aforo se define una malla de puntos que distan en altura 200 mm y están distribuidos sobre verticales separadas también 200 mm.
Se decide establecer la malla tomando como referencia la forma de la sección, para barrer una mayor zona de medición.
El cálculo del aforo se lleva a cabo mediante la siguiente expresión:
\(Q_{\textrm{T}}=\sum {\textit{v}}_{i}\cdot A_{i}\)
donde,
\( Q_{ \textrm{T}} \): caudal total, resultado del aforo y asociado a una determinada altura de lámina en m3/s
\( \textit{v}_{i}\): velocidad puntual del agua medida con el molinete en cada punto de la malla en m/s
\( A_{i}\): área asociada a cada velocidad puntual, en m2. Se obtiene gráficamente mediante un programa CAD (superficies azules de “Figura 1”). Valor conocido con precisión inferior al 1 % gracias a la medición topográfica.
Para los puntos frontera se deja un área sin considerar con velocidad asociada nula, que se marca tomando como criterio el radio de la hélice del molinete utilizado.
Calculando el caudal con esta malla se obtiene el perfil de velocidades de la estación, lo que sirve de base para el desarrollo del método simplificado de resolución de aforos.
Tabla 2: Tabla resumen resultados aforos La Dehesa
| Aforo 1 | Aforo 2 | Aforo 3 | Aforo 4 | |
| Caudal total QT (m3/s) | 6,9408 | 9,6503 | 8,0500 | 7,5484 |
| Velocidad media vm (m/s) | 1,52 | 1,67 | 1,59 | 1,55 |
| Área mojada AT (m2) | 4,5589 | 5,7695 | 5,0683 | 4,8653 |
Método simplificado
El objetivo del método simplificado es buscar un punto característico de la sección de aforo en el que, independientemente del nivel de lámina de agua, se pueda medir la velocidad y obtener, a partir de ella, el valor de velocidad media del aforo. Este valor junto con el área mojada, que se conoce con gran precisión, bastarían para calcular el caudal de agua correspondiente a cada altura de lámina.
El proceso seguido para la identificación del punto característico es el siguiente:
1. Cálculo para cada punto de la malla en los 4 aforos del porcentaje que representa su velocidad sobre la velocidad media del aforo: vi / vm ∙100 (%).
2. Cálculo de la diferencia entre los vi / vm ∙100 (%) de un mismo punto de la malla en distintos aforos. En este paso se estudian todas las posibilidades: aforo 1 – 2, 1 – 3, 1 – 4, 2 – 3, 2 – 4, 3 – 4.
3. Selección de aquellos puntos en los que la diferencia anterior en la totalidad de las posibilidades es inferior al 1 %.
Los puntos obtenidos se recogen a continuación:
donde las dos primeras columnas representan las coordenadas en milímetros respecto al origen (0;0), situado sobre el punto más bajo de la sección en su eje de simetría; las cuatro siguientes son los valores de vi / vm ∙100 (%) para esos puntos en cada uno de los 4 aforos y las columnas restantes las diferencias entre vi / vm ∙100 (%).
4. Selección del mejor punto: cálculo de la desviación típica (s) de los valores obtenidos para cada aforo.
Se elige como punto característico el (0;1120) por tener la menor desviación típica y por tanto, la menor dispersión de valores.
Los demás puntos también se medirán y servirán como comprobación de la correcta resolución del aforo.
Error cometido con el método simplificado
Tomando como valor verdadero de la relación vi / vm ∙100 (%) en el punto (0;1120) el promedio de los obtenidos en los 4 aforos analizados (113,20 %), se comprueba el error que se estaría cometiendo si, en vez de calcular el caudal mediante la malla completa (QT), se hiciera con el método simplificado (Qi = vmi AT). Para ello se halla la velocidad media ( vmi ) a partir del porcentaje anterior y las velocidades del punto característico medidas en cada aforo ( vi ).
Tabla 3: Error cometido con el método simplificado
| Aforo 1 | Aforo 2 | Aforo 3 | Aforo 4 | |
| Velocidad en (0;1120) vi (m/s) | 1,72 | 1,89 | 1,80 | 1,76 |
| Velocidad media vmi (m/s) | 1,52 | 1,67 | 1,59 | 1,55 |
| Área mojada AT (m2) | 4,5589 | 5,7695 | 5,0683 | 4,8653 |
| Caudal total QT (m3/s) | 6,9408 | 9,6503 | 8,0500 | 7,5484 |
| Caudal simplificado Qi (m3/s) | 6,9269 | 9,6328 | 8,0591 | 7,5644 |
| Error cometido (%) | -0,20 | -0,18 | 0,11 | 0,21 |
Validación del método simplificado
Para validar el método se calcula el error anterior en 2 aforos distintos a los de este artículo:
Tabla 4: Validación del método
| Aforo 5 | Aforo 6 | |
| Velocidad en (0;1120) vi (m/s) | 1,77 | 1,81 |
| Velocidad media vmi (m/s) | 1,56 | 1,60 |
| Área mojada AT (m2) | 4,6955 | 5,1357 |
| Caudal total QT (m3/s) | 7,2928 | 8,2600 |
| Caudal simplificado Qi (m3/s) | 7,3419 | 8,2117 |
| Error cometido (%) | 0,67 | -0,59 |
Al obtenerse errores inferiores al 1 %, se da por validado el método.
CONCLUSIÓN
Las principales conclusiones obtenidas en este trabajo son las siguientes:
- Los resultados confirman la hipótesis de que se puede identificar una serie de puntos en una sección de aforo en los que midiendo la velocidad se tiene información precisa de la velocidad media asociada a esa altura de lámina.
- Dichos puntos se mantienen constantes con independencia del nivel de agua del canal.
- El error cometido por utilizar el método simplificado basado en los puntos característicos en lugar de la malla completa es inferior en todos los casos al 1 %; incluso en aforos no utilizados en la definición del modelo.
- Se confirma que se mantiene la precisión en la medida del agua derivada, optimizando el tiempo de medición.
- Emplazamos al lector a una segunda parte de este artículo, donde se explicará cómo se han corregido los valores de la curva de gasto de este canal; todo ello teniendo en cuenta las conclusiones de esta primera parte.
REFERENCIAS
– UNE-EN ISO 748, (2009) Medida de caudal de líquidos en canales abiertos utilizando medidores de caudal o flotadores. Versión oficial en español, de la Norma Europea EN ISO 748:2007, que a su vez adopta la Norma Internacional ISO 748:2007.
– UNE-EN ISO 18365, (2014) Selección, establecimiento y operación de una estación de aforo. Versión oficial en español, de la Norma Europea EN ISO 18365:2013, que a su vez adopta la Norma Internacional ISO 18365:2013.
– VEN TE CHOW, Ph. D, (1999) Hidráulica de canales abiertos. Edición de Martha Edna Suárez R. Santafé de Bogotá, McGraw-Hill.
– OMM 2010-1.- Manual on Stream Gauging. Volume I – Fieldwork. WMO-No. 1044. 2010.
– OMM 2010-2.- Manual on Stream Gauging. Volume II – Computation of Discharge. WMO-No. 1044. 2010.
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