…se pueden medir los flujos de agua en la naturaleza?

Javier Gascón
Director de Metrología
CONTAZARA, S.A.

Para medir los flujos de agua en la naturaleza se utilizan diferentes métodos y dispositivos, dependiendo de las características del cuerpo de agua, con que precisión queremos determinar el caudal o el volumen y los costes asociados. Algunos de los métodos utilizados son:

• El método de área-velocidad, que consiste en medir la sección transversal del canal y la velocidad del agua en varios puntos, y luego multiplicar el área por la velocidad media para obtener el caudal.
• El método de dilución, que consiste en inyectar una sustancia trazadora en el agua y medir su concentración aguas abajo, y luego aplicar una fórmula matemática que relaciona el caudal con la cantidad y la concentración del trazador.
• El método de estructuras hidráulicas, que consiste en instalar un dispositivo que provoque un cambio de nivel del agua, como un vertedero, una compuerta o un medidor Parshall, y luego medir la altura del agua, aguas arriba, y aplicar una ecuación empírica que relacione el caudal con la altura.

A esto se le denomina medición de flujo en lámina libre, y puede darse, por ejemplo, en cauces naturales o canales de transporte de agua para infraestructuras de riego. Suponiendo un modelo bidimensional, un perfil vertical de velocidades estable y régimen estacionario, se obtiene la fórmula:

Q = b h v_m

Donde b es el ancho del canal, h el calado o profundidad y v_m es la velocidad promedio. Al aparecer el calado como variable, no existe una relación unívoca entre caudal y velocidad. Para obtener un dato de caudal, es necesario realizar un aforo, es decir, tomar medidas de calado y velocidad. La relación experimental entre Q y h se llama curva de gasto de caudal.

En cauces naturales, el calado se visualiza sobre una escala hidrométrica. Para automatizar la medida se emplean principalmente sistemas basados en boyas y limnígrafo, registrando éste en una gráfica las variaciones del calado. Existen versiones electrónicas de los registradores que permiten transmitir la información en tiempo real vía radio.

Puesto que la boya nos indica la cota de la lámina libre, es necesario realizar periódicamente un calibrado del fondo del cauce, ya que puede modificarse por sedimentaciones.

El método más común para medir la velocidad del agua es mediante un molinete o turbina. Se realizan mediciones a lo ancho del cauce y a diferentes profundidades, realizando posteriormente una integración numérica para obtener un valor de velocidad promedio.

Para canales artificiales (y para algunos cauces “canalizables”) se emplean los vertederos como herramienta para simplificar el proceso. La teoría del flujo en lámina libre nos dice que para un caudal determinado hay múltiples soluciones h–v. Para determinar estos valores, necesitaríamos conocer la energía del fluido, pero incluso conociendo ésta, la ecuación ofrece dos soluciones denominadas subcrítica y supercrítica. Sólo existe un valor de energía del fluido para el que sólo hay un valor de h y v por cada caudal, caso que se denomina régimen crítico.

Un vertedero es una estructura, perpendicular a la dirección del flujo, con la que se consigue llevar al flujo a su régimen crítico, existiendo una relación directa entre altura y caudal, siendo innecesario medir la velocidad para calcular el caudal. Provocan una diferencia de alturas de líquido en el canal entre la zona anterior del vertedero y su punto más bajo. El vertedero debe formar un ángulo recto con la dirección del caudal y el canal aguas arriba debe ser recto como mínimo en una distancia de 10 veces la anchura.

Suponiendo régimen estacionario, presión hidrostática, ausencia de viento, y despreciando los efectos viscosos y de tensión superficial, se calculan fórmulas que predicen el valor del caudal partiendo del calado previo al vertedero elevado a cierto exponente y multiplicado todo ello por una constante. Los valores de la constante y el exponente dependen del tipo y geometría del vertedero.

Los hay de diferentes formas, siendo los más típicos los vertederos rectangulares y triangulares, y los estrechamientos tipo Parshall.