La realización de aforos: un pilar básico de la hidrometría
Introducción
El objetivo de la realización de aforos directos es calcular los caudales circulantes en las secciones transversales de los cauces, canales, acequias y azarbes que forman parte de una determinada red de puntos de medida.
La realización de aforos directos también permite mantener las curvas de gasto (relaciones nivel de agua y caudal) actualizadas para los puntos de aforo existentes, así como crear nuevas curvas de gasto para puntos de medición futuros en cauces, canales, acequias y azarbes.
En este post se aborda una metodología para la realización y cálculo de aforos directos, unos criterios para la realización de aforos directos, una propuesta para estimar el caudal circulante durante las avenidas, la planificación de la campaña de aforos directos para el año hidrológico, la necesidad de recursos humanos y materiales, la importancia de la coordinación entre los Equipos de Aforadores (campo) y de Hidrología (gabinete) y finalmente los resultados de la campaña de aforos directos en informes.
Metodología para la realización y cálculo de aforos directos
Seguidamente se propone una metodología para la realización de aforos directos. Para la obtención del caudal en una sección transversal, el Equipo de Aforadores debe utilizar un molinete hidrométrico y medir:
– La profundidad del río en la sección transversal mediante verticales con barra o sonda.
– La velocidad con el molinete en uno o más puntos de cada vertical.
Las mediciones del ancho, de la profundidad y de la velocidad permiten calcular el caudal correspondiente a cada segmento en que se ha dividido la sección transversal. La suma de los caudales asociados a cada segmento (integral) proporciona el caudal total circulante por la sección transversal aforada.
Figura 1. Sección transversal y divisiones verticales para realización de un aforo directo. Fuente: Seminario del curso internacional en hidrología general y aplicada. CEDEX. Advances in Instrumentation Applied to Hydrometry. Marian Muste. IIHR – Hydroscience & Engineering. The University of Iowa. Madrid, March 12, 2012
Esta metodología implica que:
– Las velocidades medias en las verticales se determinarán midiendo la velocidad al 60% de la profundidad, medida respecto a la superficie libre del agua, para:
* Valores de la profundidad inferiores o iguales a 55 cm en el caso de aforos realizados mediante vadeo y aforos realizados con barra desde pasarela o puente.
* Valores de la profundidad inferiores o iguales a 75 cm en el caso de aforos realizados de forma suspendida con grúa y salmón.
– Las velocidades medias en las verticales se determinarán midiendo la velocidad al 20 %, al 60% y al 80% de la profundidad, medida respecto a la superficie libre del agua para:
* Valores de la profundidad superiores a 55 cm en el caso de aforos realizados mediante vadeo y aforos realizados con barra desde pasarela o puente.
* Valores de la profundidad superiores a 75 cm en el caso de aforos realizados de forma suspendida con grúa y salmón.
Entonces, las velocidades medias se obtienen como:
Vm,i = V0,6,i si profundidad < 55 cm (vadeo o barra) o si profundidad < 75 cm (suspendido)
Vm,i = 0,25 x V0,2,i + 0,50 x V0,6,i + 0,25 x V0,8,i si profundidad > 55 cm (vadeo o barra) o si profundidad > 75 cm (suspendido)
Siendo:
Vm,i = Velocidad media del agua en la vertical número “i” (m/s).
V0,2,i, V0,6,i, V0,8,i = Velocidades del agua en la vertical número “i”, al 20%, al 60% y al 80% de la profundidad medida respecto a la superficie libre del agua (m/s).
Figura 2. Aforos directos realizados mediante vadeo (izquierda), barra desde pasarela (centro) y suspendido con grúa y salmón (derecha). Fuente: internet.
El Equipo de Aforadores debe disponer de una plantilla para la toma de datos de los aforos directos realizados. Los datos del aforo (tipo de molinete, número de revoluciones medidas en cada punto, profundidades de cada vertical, ancho entre verticales, etc.) se pueden introducir en una aplicación informática que realice el cálculo del caudal. Tanto los datos del aforo como su cálculo deben ser revisados por el Equipo de Hidrología, que posteriormente lleva a cabo la gestión y el seguimiento de los aforos directos a través de la planificación y la actualización de la tabla de aforos en la base de datos, así como la revisión y el ajuste de las curvas de gasto.
Para realizar todas estas labores se pueden utilizar aplicaciones para el cálculo, el seguimiento y la gestión de los aforos.
Criterios para la realización de aforos directos
A continuación se establecen unos criterios para la realización de aforos directos en la red de puntos de aforo existente. El Equipo de Aforadores debe cumplir con estos criterios y el Equipo de Hidrología debe velar por el cumplimiento de los mismos.
– La exactitud de las mediciones de caudal depende del número de verticales en que se realicen observaciones de la profundidad y de la velocidad. Las verticales de observación deben localizarse de modo que se pueda definir adecuadamente la variación en elevación del lecho de la corriente y la variación horizontal en velocidad. En general, el espacio entre dos verticales sucesivas no debe superar 1/20 del ancho total, y el caudal entre esas dos verticales no ser superior al 10 por ciento del caudal total.
– El ancho del cauce y la distancia entre las verticales se obtiene por mediciones hechas a partir de un punto fijo de referencia, por ejemplo, un punto inicial en la margen, que debe hallarse en el mismo plano de la sección transversal. La distancia entre las verticales se determina con una cinta graduada, que se tiende cubriendo el ancho del cauce, o con marcas pintadas en la barandilla de la pasarela o puente desde el que se realiza el aforo directo.
– Una vez que el molinete se haya colocado en el punto seleccionado de la vertical, se le alinea en la dirección de la corriente antes de comenzar las mediciones. El eje horizontal del molinete no debe estar situado a menos de una vez o una vez y media la altura del rotor con respecto a la superficie del agua, ni a menos de tres veces la altura del rotor desde el fondo del canal.
– La velocidad del flujo en un punto determinado se mide contando el número de revoluciones del rotor de un molinete de hélice con eje horizontal, durante un periodo de tiempo de 60 segundos, como mínimo, medido con un cronómetro. Los molinetes se calibran para abarcar el rango de velocidades del flujo que ha de medirse. Los procedimientos de calibración detallados se describen en la norma ISO 3455 (2007). Los molinetes calibrados deben volver a ser recalibrados después de tres años o de 300 horas de uso o cuando se dude de su correcto funcionamiento, según el Reglamento Técnico, Volumen III Hidrología, Anexo I de la Organización Meteorológica Mundial (2006).
– A la hora de seleccionar el lugar para realizar el aforo directo se debe escoger, de entre todos los posibles, el que mejor cumpla las siguientes condiciones: velocidades paralelas en todos los puntos y que formen ángulo recto con la sección transversal de la corriente, curvas regulares de distribución de velocidad en la sección en los planos vertical y horizontal, velocidades superiores a 0,15 m/s, lecho del río uniforme y estable, profundidad superior a 0,30 m y ausencia de plantas acuáticas (algas,…)
Propuesta para estimar el caudal circulante durante las avenidas
Es importante realizar aforos en los puntos de medición más representativos de los cauces, durante las avenidas, por ejemplo haciendo uso de un dispositivo o catamarán dotado de sensores hidroacústicos con tecnología doppler.
Estos aforos permitirían verificar y mejorar, en una sección concreta del cauce, la parte de la curva de gasto asociada a caudales altos y que no se puede medir con el procedimiento descrito en los puntos anteriores en situaciones de avenida.
Figura 3. Aforro de caudal durante una avenida con dispositivo hidroacústico doppler (izquierda) y software de tratamiento de datos para la obtención del caudal (derecha). Fuente: Confederación Hidrográfica del Ebro.
Planificación de la campaña de aforos directos para el año hidrológico
Es importante tener planificada, al inicio de cada año hidrológico, la campaña de aforos directos. Para ello, se puede establecer un nivel de prioridad o una categoría a los diferentes puntos de medición existentes en cauces, canales, acequias y azarbes susceptibles de ser aforados. Y es que, la frecuencia de realización de aforos directos en un punto de medición concreto depende de la categoría de dicho punto.
Los puntos de aforo se pueden clasificar, por ejemplo, en tres categorías, es decir:
– Categoría 1. Puntos que requieren, al menos, 1 aforo al mes.
– Categoría 2. Puntos que requieren, al menos, 1 aforo cada dos meses.
– Categoría 3. Puntos que se aforarán cuando sea posible (como es el caso de ramblas o cauces de corriente discontinua)
Los puntos de categoría 1 en cauces pueden ser aquellos que están localizados inmediatamente aguas abajo de los principales embalses de la cuenca, así como puntos estratégicos del rio principal. Se trata de establecer estas categorías en base a las características concretas de la cuenca hidrográfica en cuestión.
Una alternativa a la asignación de categorías consiste en el establecimiento de un número de aforos objetivo para cada punto a escala anual.
Para planificar la campaña también hay que tener en consideración la proximidad geográfica de los puntos de aforo, para definir unos grupos de puntos que se puedan aforar en el mismo día, con la finalidad de optimizar los recursos humanos disponibles.
La planificación de aforos debe tener sus holguras y debe ser lo suficientemente flexible como para permitir realizar aforos directos en aquellos puntos en los que se haya observado una anomalía en los datos de nivel o de caudal. Se trata de minimizar el tiempo de respuesta para poder mostrar el dato de calidad lo antes posible y resolver la incidencia, bien mediante una calibración del sensor de nivel, mediante una limpieza de la estación de aforos, un reajuste de la curva de gasto, etc.
Y también, la planificación deberá permitir adaptarse a situaciones inusuales, como cuando se presentan calados altos en puntos de medición en los que la mayor parte del año los calados son bajos, entonces es interesante realizar aforos directos en los puntos con calados altos, para poder comprobar la bondad de la curva de gasto en esa horquilla de niveles elevados.
Necesidad de recursos humanos y materiales
La campaña de aforos directos se realiza a lo largo de todo el año hidrológico, de manera que para garantizar la ejecución de un número mínimo de aforos mensual, se debe contar con un Equipo de Aforadores suficiente equipado con furgoneta, remolque para traslado de equipos y enseres para la realización de dichos aforos (2 equipos de instrumentación de aforo con salmón y grúa incluida, así como 2 equipos de aforo con molinete completos, barras o varillas graduadas incluidas, de los cuales se debe garantizar el tarado y calibración de hélices en fábrica). También se debe garantizar la reposición de equipos de aforo (hélices, barras, etc.) en caso de avería, deterioro, mal funcionamiento, etc.
Importancia de la coordinación entre los Equipos de Aforadores (campo) y de Hidrología (gabinete)
El Equipo de Aforadores, a través de partes o a través de observaciones en el estadillo de los aforos, debe informar sobre las necesidades de:
– Desbroce y mejora de accesos a los puntos de aforo,
– Reparación de soleras y de barandillas en pasarelas, que son fundamentales para la ejecución de los aforos en cauces, canales, acequias y azarbes en condiciones de seguridad,
– Limpieza de las estaciones de aforo y de pozos tranquilizadores.
Es muy importante el mantenimiento y la limpieza de las estaciones de aforos como infraestructuras hidráulicas, para que las curvas de gasto sean fieles a la realidad a lo largo del tiempo, y de esta forma garantizar la calidad de los datos de caudales.
Por lo tanto, la coordinación entre ambos Equipos diariamente es fundamental, así como las visitas de campo periódicas, para supervisar el estado de los distintos puntos de aforo.
Resultados de la campaña de aforos directos en informes
A modo de ejemplo, en un año hidrológico tal y como podría ser el próximo 2018/2019, tras la realización de la campaña de aforos directos, El Equipo de Aforadores habría realizado los siguientes aforos directos mensualmente:
Tabla 1. Número de aforos directos realizados mensualmente. Año hidrológico 2018/2019.
Figura 4. Evolución del número de aforos directos. Año hidrológico 2018/2019.
Por lo tanto, el Equipo de Aforadores habría realizado 525 aforos directos durante el año hidrológico 2018/2019.
Además en un anexo del informe correspondiente se listarían, para cada punto de medición de cauce, canal, acequia y azarbe el número de aforos realizados y los detalles de cada aforo (nivel, caudal, duración, hora, observaciones, etc.)
Y también se detallarían los puntos de medición que han necesitado de un reajuste en la curva de gasto, en virtud del análisis de los aforos directos realizados durante el año hidrológico.
