NUEVAS SOLUCIONES TECNOLÓGICAS PARA LA MEDICIÓN DE CAUDAL EN RÍOS RESUMEN

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1 NUEVAS SOLUCIONES TECNOLÓGICAS PARA LA MEDICIÓN DE CAUDAL EN RÍOS ANDRÉS ALONSO-MARTIRENA TORNOS Director de Qualitas Instruments, SA FRANCISCO BARBANCHO LÓPEZ Director de Explotación de la Confederación Hidrográfica del Guadiana CÉSAR FERRER CASTILLO Jefe del Área de Hidrología y Cauces de la Confederación Hidrográfica del Ebro JOSÉ MARÍA GUTIÉRREZ BERNABÉ Director de la División de Hidrología de Adasa Sistemas, SA RESUMEN La mejora en la administración del medio agua es un objetivo esencial para todos los que de una u otra forma participan en su planificación, control y gestión. El interés es compartido por los usuarios y la sociedad en general. La medición de caudal contribuye a este objetivo permitiendo el desarrollo y la implantación de políticas y planes de uso del agua basados en el conocimiento cuantitativo del recurso. En este artículo se presenta una novedosa solución de medición de caudal en cauces, la tecnología ADP (Acoustic Doppler Profiler) cuyo origen está en California y que desde el año 2003 se ha aplicado con éxito en ríos, canales y acequias de nuestra geografía. El interés de la misma es, junto a la calidad de los datos que facilita, la sencillez de implantación y operación de la misma no alterando los cauces y el hábitat. Se describen los resultados de los dos primeros proyectos en los que se ha aplicada en ríos en España, en concreto, el Río Ebro en Logroño a la altura de la casa de las Ciencias y el Río Guadiana en Badajoz a la altura del Puente Real. 1. INTRODUCCIÓN La medida de caudal en cauces responde a diversas necesidades, todas ellas de gran valor para la sociedad. De forma sucinta recordamos el valor que el conocimiento del recurso tiene - para la gestión del mismo en situación ordinaria ó extraordinaria - para la correcta planificación y ordenación del medio y las actividades asociadas al mismo La competencia de planificar y gestionar el medio corresponde a las Confederaciones Hidrográficas y más recientemente a las Agencias del Agua. Estas instituciones han desarrollado desde su creación la actividad de diseño e implantación de redes de medida del caudal en base a estaciones de aforo así como las actividades de recogida, análisis y validación de los datos. La información se utiliza para la planificación y gestión del medio y, cada vez más, se hace accesible a los distintos grupos de usuarios a través de sitios web que recogen series históricas y datos validados en tiempo real. En este contexto son muchas las facetas que han experimentado una evolución intensa a lo largo de los años. En el artículo que nos ocupa presentamos las últimas tendencias y soluciones para la medición de caudal en ríos que es la medida de caudal con tecnología doppler ADP (accoustic 1

2 doppler profiler). También se realiza una presentación sucinta de nuevos planteamientos que se están iniciando en la actualidad. 2. CRITERIOS DE ELECCIÓN DE SOLUCIONES DE MEDICIÓN Los criterios de elección entre alternativas de soluciones de medición aplicadas a la hidrología son los mismos que guían cualquier otra actividad - la precisión y fiabilidad del dato de caudal a la vista de la precisión requerida para el conocimiento y la gestión del recurso - el impacto ambiental y coste de las actuaciones asociadas a la puesta en operación y el mantenimiento de un punto de medida de caudal El contexto social actual pone un acento singular en la combinación de todos ellos que podemos agrupar bajo el término de sostenibilidad. Fiabilidad, coste y conservación del entorno son criterios inseparables en toda decisión. La consecuencia práctica de esta motivación es el desarrollo de - soluciones tecnológicas fiables con requerimientos de construcción en el cauce muy bajo y mantenimiento sencillo No debemos perder de vista que en otros territorios con una gran tradición en la gestión del agua las posibilidades de construcción en cauces son cada vez más reducidas, las iniciativas de restauración de cauces cada vez más ambiciosas en sus objetivos y se están redactando los primeros proyectos de desmontaje de azudes con criterios conservacionistas pese al coste notable asociado. 3. NUEVA SOLUCIÓN PARA LA MEDIDA DE CAUDAL EN RÍOS 3.1. PRINCIPIO DE MEDIDA: DOPPLER ADP Un sensor doppler ADP aplicado a la medida de caudal en ríos consta de tres transductores monoestáticos, dos aplicados a la medida de perfiles de velocidad y uno a la medida del calado de agua. El equipo de medida se sitúa en la margen del cauce ó sobre alguna estructura existente. Figura 1. Esquema de implantación de un sensor Doppler Cada uno de los sensores tiene la capacidad de emitir sonido de una determinada frecuencia a lo largo de un haz acústico estrecho. El sonido emitido encuentra partículas en suspensión en el fluido y es reflejado. Una fracción pequeña del sonido reflejado retorna a lo largo del mismo haz hasta el emisor. El sonido reflejado tiene una frecuencia distinta de la de emisión por causa del efecto doppler que dice que La variación de la frecuencia es proporcional a la componente de la velocidad de las partículas en suspensión en el fluido según el eje que une las partículas con el emisor. Los dos transductores de medida de velocidad emiten sonido según dos haces situados en un plano horizontal paralelo a la superficie del agua. Vistos en planta los dos haces forman una V. 2

3 Conocida la velocidad del fluido en la dirección de ambos haces y con apoyo de unas relaciones trigonométricas sencillas podemos descomponer la velocidad del fluido en una componente paralela al río y una componente transversal al mismo. Figura 2. Principio de medida de un perfilador Doppler 3.2. PRIMERAS EXPERIENCIAS DE APLICACIÓN MEDIDA DE CAUDAL EN EL RÍO GUADIANA EN BADAJOZ A LA ALTURA DEL PUENTE REAL El río Guadiana discurre por Badajoz poco antes de entregar sus aguas a la vecina Portugal. La estación de aforo de Comisaría de la Confederación Hidrográfica del Guadiana que contabiliza el caudal de agua entregado a Portugal está situada en el azud existente aguas abajo de Badajoz. En el marco del proyecto SAIH Guadiana desarrollado por Adasa Sistemas para la Confederación Hidrográfica, se plantea mejorar el conocimiento del caudal circulante en este tramo del río, en particular, para la gestión de avenidas y en estiaje. Para ello analiza distintas alternativas constructivas y tecnológicas existentes y elige la solución de perfilador Doppler ADP en mayo del año 2003 siendo puesta en servicio en agosto del mismo año. Adasa y Confederación del Guadiana implantan en Puente Real el primer sistema Doppler de los más de 150 que hoy operan en cauces y canales de nuestra geografía. Figura 3. El Río Guadiana en Badajoz a la altura del Puente Real 3

4 Figura 4. El Puente Real desde la margen derecha y aguas abajo Los criterios tenidos en cuenta para la elección de la solución en tecnología doppler han sido: El que permite obtener de forma fiable el dato de caudal con una precisión de medida mejor del 10 %. Al mismo tiempo que minimiza el impacto en el entorno teniendo además un coste de operación y mantenimiento muy ajustado. Figura 5. Detalle del sensor Doppler unido a la pila del puente Figura 6. Sección transversal del cauce 4

5 Durante la implantación del sistema se dedicó una atención singular al desarrollo y validación de algoritmos de cálculo del caudal que describieran adecuadamente la situación particular del Guadiana en el Puente Real. Fruto del conocimiento adquirido ha resultado el desarrollo de bienes de equipo con tecnología española que son aplicados de forma ordinaria en proyectos en todo el mundo. El sistema es sometido a verificaciones diversas como parte del procedimiento de integración del dato en el sistema SAIH. En las mismas participan la Confederación Hidrográfica del Guadiana, Adasa Sistemas, Eptisa como asistencia técnica al proyecto y Qualitas Instruments como proveedora de la solución de medida. Particularmente interesante resulta el análisis realizado entre octubre y noviembre de 2003 comparando los datos medios diarios del sistema Doppler con los datos recogidos por Comisaría en el Azud. 300,00 Qmedio diario Azud 250,00 Qmedio diario sensor 200,00 caudal (m3/s) 150,00 100,00 50,00 0, Figura 7. Verificación del sistema Doppler (azul claro) El caudal en el cauce varía dentro de un rango amplio, entre 10 y 250 m3/s en el periodo. La correspondencia de ambas metodologías de obtención del data de caudal es excelente. Se observa una respuesta dinámica del sistema Doppler excelente que resulta necesaria para el seguimiento de episodios de avenidas. En caudales reducidos ó de estiaje el sistema Doppler mide un caudal inferior al obtenido en el azud lo cual era esperado, el azud sobreestima el caudal de estiaje por la dificultad de calcular caudales con precisión cuando la lámina de vertido es de pocos centímetros teniendo en cuenta la formación estacional de depósitos en el labio de 400 m. MEDIDA DE CAUDAL EN EL RÍO EBRO EN LOGROÑO A LA ALTURA DE LA CASA DE LAS CIENCIAS El río Ebro cruza la ciudad de Logroño de oeste a este estando el tramo de río controlado por varias centrales hidroeléctricas. A la altura del centro de la ciudad se encuentra en la margen izquierda del Ebro, entre los Puentes de Hierro y de Piedra, la Casa de las Ciencias. El río tiene una anchura de unos 100 m y describe un arco suave hacia la derecha para volver a girar a izquierdas pasado el Puente de Piedra. Aguas abajo de este tramo existe un azud asociado a una explotación hidroeléctrica. A lo largo de la margen izquierda del río se construyó, con motivo de la rehabilitación del antiguo matadero como Casa de Las Ciencias, un muro de piedra. En la margen derecha hay una zona ajardinada que sólo se inunda en crecidas. 5

6 Figura 8. Vista en planta del tramo urbano del Río Ebro en Logroño Figura 9. La Casa de las Ciencias vista desde el Puente de Piedra El Ayuntamiento de Logroño ha cedido dentro del recinto del museo a la Confederación Hidrográfica un espacio para situar la estación de aforo de caudal integrada dentro de la red SAIH de información hidrológica de la cuenca. En el exterior del museo, unidos al muro de piedra se han instalado sin ningún impacto para el medio una serie de equipos que son los que permiten medir el caudal: el sensor de medida velocidad con tecnología doppler ADP (1) fijado al muro con una estructura de acero inoxidable (2) el sensor de medida de nivel (4) la escala limnimétrica que proporciona la referencia de nivel fija en el tiempo para el paso de cables entre los sensores y el recinto interior en el que se encuentran los equipos electrónicos de cálculo del caudal, se ha aprovechado la galería de vertido de residuos del antiguo matadero (3 y 5) La solución de medida de caudal con tecnología doppler ha sido implantada sin ningún tipo de alteración del medio físico ni de la actividad del museo. 6

7 Figura 10. Elementos del sistema de medida de caudal Figura 11. Sección transversal del cauce El sistema Doppler fue inaugurado en julio del año 2005 después de seis meses de periodo de ajuste, validación y observación. Como parámetros más significativos de la calidad de la operación del mismo podemos hacer referencia a las siguientes cuestiones: - Desde la fecha de inauguración, la información de caudal forma parte del sistema SAIH estando a disposición de los servicios de explotación de la Confederación y del público en consonancia con la política de distribución de datos físicos en abierto de la Confederación Hidrográfica del Ebro - El servicio de hidrología ha realizado dentro de su actividad ordinaria aforos de control en un rango de caudales entre 40 y 400 m3/s en el Puente de Hierro siendo la discrepancia entre los valores de medida instantáneos y los aforos realizados inferior al 10 % en todos los casos. La metodología de trabajo aplicada en la realización de los aforos integra también tecnología Doppler haciendo posible la obtención de datos fiables y precisos con la celeridad adecuada a la dinámica del río. 7

8 Figura 12. Herramienta de aforo Doppler utilizada por la Confederación Hidrográfica del Ebro y la del Guadiana 4. NOVEDADES TECNOLÓGICAS EN EL AÑO 2006 Una idea de gran atractivo para la hidrología es la medida sin contacto con el fluido desde fuera del cauce. Imaginemos que mediante alguna onda sin efectos para la salud y el medio ambiente somos capaces de medir la distribución de velocidades existente en el cauce desde fuera del río. Figura 13. Medidor de caudal basado en el efecto RADAR Precisamente con este planteamiento se ha desarrollado la nueva tecnología radar UHF. Consiste en una pequeña estación que emite señales radioeléctricas de muy baja potencia hacia el cauce. La superficie del agua tiene una pequeña rugosidad que refleja un eco al radar del que se extrae la información de distribución de velocidades superficiales del río. La misma puede ser correlacionada de forma precisa con el caudal circulante en emplazamientos en los que el curso del río sea turbulento, el trazado sinuoso ó estén expuestos al riesgo de avenidas. 8

9 Figura 14. Mapa de vectores de velocidad superficiales Desde la margen del cauce, disponible en situación ordinaria y en avenidas, sin elementos expuestos, sin obras en el cauce, un sueño en el siglo XIX que la hidrología del siglo XXI va a ver convertido en realidad. BIBLIOGRAFÍA [1] Real Time Flow Measurement in the River Guadiana Estuary using Acoustic Doppler Technology // IEEE/OES/CMTC, Southampton Oceanography Center, Southampton, June 2005 // Javier García Parra, Andres Alonso-Martirena Tornos, Francisco Barbancho López and Antonio Ponce Castillo. [2] Computing discharge using the velocity indexing method // San Diego, June 2005 // John Sloat and Matthew Hull. [3] The Orellana Canal Project: Using Multiple Acoustic Doppler Instruments to Precisely Monitor Flow in Shallow Irrigation Channels // International Irrigation Association, Orlando, October 2004 // Chris Ward, Lee Pimble, Mario Camisón Ojalvo and Andrés Alonso-Martirena Tornos. [4] UHF RiverSonde observations of water surface velocity at Threemile Slough, California // Proc. of the 2005 International Geoscience and Remote Sensing Symposium, New York, pp , IEEE, July 2005 // C. Teague, D. E. Barrick, P. M. Lilleboe, R. T. Cheng, and C. A. Ruhl. 9