Casos de estudio

La medición continua del caudal de un río o canal puede resultar especialmente compleja cuando las condiciones del lugar hacen poco conveniente la instalación de instrumentos directamente en contacto con el agua.

Las corrientes elevadas, las variaciones rápidas del nivel, el transporte de sedimentos y los materiales flotantes pueden aumentar las necesidades de mantenimiento y el riesgo de daños en los sensores sumergidos.

En este caso de estudio se plantea la realización de una estación automática de monitorización de un curso de agua mediante tecnología radar sin contacto. La solución combina la medición de la velocidad superficial del agua con el control del nivel hidrométrico y un sistema de adquisición y transmisión remota de datos.

El objetivo es obtener una monitorización continua del curso de agua, con especial atención a los eventos de crecida, manteniendo la instrumentación de medida fuera de la corriente.

Medición de la velocidad del agua sin contacto

La velocidad superficial se mide mediante un sensor radar Doppler. El instrumento transmite una señal electromagnética hacia la superficie del agua y analiza la variación de frecuencia de la señal reflejada por la superficie en movimiento.

A partir de esta variación es posible determinar la velocidad de la corriente sin contacto, evitando que el sensor tenga que instalarse físicamente dentro del agua.

En una configuración de este tipo puede utilizarse un radar que opere en la banda de 24 GHz, capaz de detectar velocidades superficiales aproximadamente comprendidas entre 0,02 y 15 m/s.

El sistema puede utilizarse tanto en condiciones normales de flujo como durante eventos caracterizados por velocidades significativamente superiores.

El sensor también puede integrar la medición de su propia inclinación, permitiendo compensar automáticamente el efecto del ángulo de instalación sobre el valor de velocidad medido.

Instalación del radar sobre el curso de agua

En la configuración considerada, el sensor radar se instala bajo el tablero de un puente y se orienta hacia una zona de la superficie suficientemente representativa de la corriente.

Una configuración típica puede prever la instalación del radar a una altura aproximada de entre 1 y 25 metros respecto a la superficie del agua, con una inclinación de unos 30°.

La posibilidad de realizar una medición completamente sin contacto representa una de las principales ventajas de esta tecnología. Al no existir elementos de medida sumergidos, el sensor está menos expuesto a ramas, vegetación, sedimentos y materiales flotantes transportados durante las crecidas.

Este aspecto resulta especialmente interesante para arroyos y cursos de agua caracterizados por rápidas variaciones de las condiciones hidráulicas, donde precisamente durante los eventos más importantes aumenta el riesgo de daños en la instrumentación instalada en el cauce.

De la velocidad superficial al caudal

La medición radar proporciona directamente la velocidad superficial del agua. Sin embargo, en muchas aplicaciones de monitorización hidrológica, el parámetro más significativo es el caudal, normalmente expresado en metros cúbicos por segundo.

En términos generales, el caudal puede determinarse mediante la relación:

Q = V × A

donde Q representa el caudal, V la velocidad media del agua y A el área de la sección mojada.

En un curso de agua real, sin embargo, el cálculo es más complejo, ya que la sección puede ser irregular y la velocidad del agua no es uniforme ni a lo largo de la anchura ni en la vertical.

La velocidad superficial medida por el radar no coincide necesariamente con la velocidad media de toda la sección.

Como referencia general, la velocidad media puede situarse aproximadamente entre el 80% y el 95% de la velocidad superficial, pero el coeficiente que se debe utilizar debe evaluarse en función de las características específicas del lugar.

Para obtener resultados fiables es recomendable realizar una caracterización de la sección hidráulica y comparar las mediciones radar con mediciones directas de caudal realizadas en diferentes condiciones de flujo.

La importancia de la medición del nivel

Para realizar una estación completa, la medición radar de velocidad puede combinarse con un sensor para la medición continua del nivel hidrométrico.

Conocer el nivel es fundamental porque permite determinar cómo varía la sección mojada al cambiar la altura del agua.

Al asociar este dato con la velocidad superficial medida por el radar es posible reconstruir la evolución del caudal a lo largo del tiempo.

La estación permite así observar simultáneamente el aumento del nivel y el incremento de la velocidad de la corriente durante un evento meteorológico.

Una vez caracterizado el comportamiento hidráulico de la sección, los datos adquiridos pueden procesarse automáticamente para obtener una estimación continua del caudal.

Adquisición automática de datos

El radar de velocidad puede conectarse directamente a un data logger mediante una interfaz digital RS-485 y protocolo Modbus.

El sistema de adquisición puede interrogar periódicamente el sensor y registrar los valores de velocidad medidos.

El mismo data logger puede adquirir también el sensor de nivel y otros instrumentos instalados en la estación, centralizando toda la información en un único sistema.

También es posible adquirir tanto la velocidad instantánea como una velocidad media convenientemente filtrada. En presencia de ondas o pequeñas oscilaciones de la superficie, el uso de un valor medio permite reducir las fluctuaciones de la medida y obtener un dato más representativo de las condiciones reales del curso de agua.

Transmisión de datos y plataforma METRA

Los datos registrados localmente pueden transmitirse mediante red móvil a la plataforma METRA, haciendo posible la monitorización remota de la estación.

El operador puede consultar la evolución temporal del nivel hidrométrico, de la velocidad superficial y del caudal calculado, verificando la evolución de las condiciones del curso de agua sin necesidad de desplazarse físicamente hasta el lugar.

La disponibilidad simultánea de los diferentes parámetros permite además interpretar de forma más completa los eventos hidrológicos y comparar las condiciones registradas durante eventos diferentes.

Monitorización de eventos de crecida

Uno de los aspectos más interesantes de esta configuración se manifiesta durante los eventos de crecida.

Con la llegada de las precipitaciones, el sistema puede registrar inicialmente el aumento del nivel hidrométrico y posteriormente la variación de la velocidad de la corriente.

Combinando esta información con la geometría de la sección es posible seguir la evolución del caudal hasta alcanzar el valor máximo y durante la posterior fase de descenso.

Todo el evento se registra automáticamente, creando una serie histórica de datos que puede analizarse posteriormente y compararse con eventos anteriores.

La acumulación de datos a lo largo del tiempo permite además mejorar progresivamente el conocimiento del comportamiento hidráulico del lugar y, cuando sea necesario, perfeccionar las relaciones utilizadas para transformar nivel y velocidad superficial en caudal.

Una solución para ríos, arroyos y canales

La medición radar sin contacto representa una solución especialmente adecuada para la monitorización de ríos, arroyos y canales abiertos en los que la instalación de instrumentos sumergidos resulta compleja o requiere frecuentes actividades de mantenimiento.

Los puentes y pasos constituyen puntos especialmente favorables para este tipo de aplicación, ya que permiten instalar los sensores directamente sobre el curso de agua sin construir estructuras dentro del cauce.

La integración entre radar de velocidad, medición del nivel, data logger y teletransmisión permite realizar una estación automática capaz de seguir continuamente la evolución de las condiciones hidráulicas.

El resultado no es únicamente una medición de la velocidad del agua, sino un sistema completo de monitorización del caudal que permite transformar los datos adquiridos en campo en información útil para conocer la evolución del curso de agua y reconstruir incluso los eventos hidrológicos más significativos.