CAPÍTULO 11

MEDIClÓN DEL CAUDAL 11.1 Generalidades El caudal de un río, es decir la cantidad de agua que fluye a través de una sección transversal, se expresa en volumen por unidad de tiempo. El caudal en un tiempo dado puede medirse por varios métodos diferentes y la elección del método depende de las condiciones de cada sitio. 11.2 Medición del caudal con molinete hidrométrico La medición del caudal por el método área-velocidad se explica con referencia a la figura 1l.1. La profundidad del río en la sección transversal se mide en verticales con una barra o sonda. Al mismo tiempo que se mide la profundidad, se hacen mediciones de la velocidad con el molinete en uno o más puntos de la vertical. La medición del ancho, de la profundidad y de la velocidad permiten calcular el caudal correspondiente a cada segmento de la sección transversal. La suma de los caudales de estos segmentos representa el caudal total [1].

Figura 11.1 - Vista de la sección transversal de un río en el que se muestra la ubicación de los puntos de observación 11.2.1 Selección del sitio No es necesario que la medición del caudal se haga en el lugar exacto en que se ha instalado la estación de aforo, ya que el caudal es normalmente el mismo en las proximidades de la estación. Los sitios seleccionados para las mediciones de caudal deben tener las siguientes características [1]: a) velocidades paralelas en todos los puntos y que formen ángulo recto con la sección transversal de la corriente; b) curvas regulares de distribución de velocidad en la sección, en los planos vertical y horizontal; c) velocidades superiores a 0,150 m s-1; d) lecho del río uniforme y estable; e) profundidad superior a 0,300 m; f) ausencia de plantas acuáticas; g) existencia mínima de nieve enlodada o cristales de hielo (véase la sección 11.2.5.l). 11.2.2 Medición de la sección transversal La exactitud de las mediciones del caudal depende en gran parte del número de verticales en que se hagan observaciones de la profundidad y la velocidad. Las verticales de observación deben localizarse de modo que se pueda definir debidamente 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 l/20 del ancho total, y el caudal entre esas dos verticales no deberá ser superior al 10 por ciento del caudal total.

El ancho del cauce y la distancia entre las verticales deben ser obtenidos por mediciones hechas a partir de un punto fijo de referencia (generalmente un punto inicial en la margen), que deberá hallarse en el mismo plano de la sección transversal. Normalmente, la distancia entre las verticales se determina con la ayuda de una cinta graduada o de una cadena que se tiende

provisionalmente a través del cauce, o de marcas semipermanentes pintadas en el pasamanos de un puente o en un cable de suspensión [1]. En ríos grandes puede usarse el sistema telemétrico o de prácticas de triangulación para medir el ancho.

Si la medición se realiza mediante vadeo, la profundidad puede ser medida directamente con una varilla graduada colocada en el lecho de la corriente. Si se utiliza el sistema de sonda con alambre de plomo y tambor para la medición, el metro y la plomada se hacen descender hasta que la parte inferior de la plomada roce apenas la superficie del agua y la aguja indicadora de profundidad se colocará en cero; seguidamente, se sumergirá la plomada hasta que descanse en el lecho del río y se anotará la profundidad registrada por la aguja.

Si la plomada unida a la sonda no pesa lo suficiente para mantenerse perpendicular a la superficie del agua, el ángulo que forma la sonda con la vertical se medirá con un transportador redondeando al grado más cercano. La relación entre la profundidad exacta, d, y la profundidad observada, dob, basada en el ángulo medido, φ, y en la distancia entre la superficie del agua y el punto de suspensión de la línea de sondeo, x, se observa en la figura 11.2 y se determina con la siguiente fórmula: d =[ dob - x (sec φ –1)] [1 - k] (1l. 1)

Los valores de k, que se dan en la tabla 1 l. 1, se establecen según la hipótesis de que la presión de arrastre ejercida sobre la plomada en la capa de agua, relativamente tranquila cerca al fondo, puede despreciarse y de que la sonda y la plomada están diseñadas para ofrecer poca resistencia a la corriente. Las incertidumbres de esta estimación son tales que si el ángulo que la sonda forma con la vertical es superior a los 30o pueden producirse errores importantes.

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11.2.3 Medición de la velocidad 11.2.3.1 Instrumentos para la medición de la velocidad

La velocidad del flujo en un punto determinado se mide generalmente contando el número de revoluciones del rotor de un molinete durante un corto período de tiempo medido con un cronómetro [1]. Los molinetes más utilizados son de dos tipos: el de cazoletas, con eje vertical, y el de hélice, con eje horizontal. Ambos están provistos de un disruptor que genera un impulso eléctrico indicando las revoluciones del rotor [2]. También se usan contadores de tipo óptico en los molinetes de cazoletas. Los molinetes se calibran a fin de cubrir la gama de velocidades del flujo que ha de medirse. Los procedimientos de calibración detallados se describen en la norma ISO 3455 (3). Los molinetes pueden calibrarse individualmente o en conjunto. Los molinetes calibrados individualmente deben ser recalibrados después de tres años o de 300 horas de uso o cuando se dude de su funcionamiento (Reglamento Técnico, Volumen III, Anexo I). 11.2.3.2 Medición de la velocidad usando el molinete La velocidad se determina en uno o más puntos en cada vertical contando las revoluciones del rotor en un lapso de 60 segundos como mínimo y durante un período máximo de tres minutos si la velocidad del agua es pulsatoria [ 1]. En canales poco profundos, el molinete debe sostenerse en la posición deseada por medio de una varilla de vadeo. En canales demasiado profundos o muy rápidos para medirlo por vadeo, el molinete se debe suspender de un alambre o varilla desde un puente, teleférico o embarcación. Cuando se utiliza un embarcación, el molinete debe sostenerse de manera que no lo afecten las perturbaciones causadas por la embarcación. Una vez que el molinete se haya colocado en el punto seleccionado de la vertical, se le alineará en la dirección de la corriente antes de comenzar las mediciones. Si no se puede evitar el flujo oblicuo, el ángulo de la dirección del flujo normal y la sección transversal deben ser medidos y la velocidad medida debe corregirse. Si el ángulo medido con respecto a la normal es y, entonces: Vnormal = Vmedido COS γ (11.2) El molinete debería sacarse del agua de vez en cuando para examinarlo. Se pueden utilizar molinetes especiales para medir velocidades muy bajas, si su buen funcionamiento y exactitud han sido probados en esta gama de velocidad. 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. 11.2.3.3 Determinación de la velocidad media en la vertical La velocidad media del agua en cada vertical se puede determinar con uno de los siguientes métodos: a) método de distribución de la velocidad; b) métodos de puntos reducidos; c) método de integración. La selección del método apropiado depende del tiempo disponible, del ancho y de la profundidad del agua, de las condiciones del lecho, de las variaciones de nivel, de la existencia de capa de hielo y de la exactitud requerida. Método de distribución de velocidad La medición de la velocidad media por este método se obtiene a partir de las observaciones de la velocidad efectuadas en un determinado número de puntos a lo largo de cada vertical, entre la superficie del agua y el lecho del canal. Las observaciones de la velocidad en cada posición deberán ser trazadas en un gráfico y la velocidad media se determinará al dividir el área formada por este trazo entre la profundidad. Para hacer el gráfico puede ser necesario estimar las velocidades del flujo cerca del lecho, suponiendo que la velocidad para cierta distancia por encima del lecho del canal es proporcional al logaritmo de la distancia x desde el mismo. Si la velocidad observada en los puntos próximos al lecho se lleva a un gráfico en función del logaritmo x, la línea que más ajuste los puntos puede extenderse hasta el lecho y las velocidades cercanas a él pueden leerse en el gráfico. El método de distribución de velocidad puede que no convenga para mediciones hechas durante variaciones importantes de nivel porque lo que aparentemente se gana en exactitud puede ser más que compensado por los errores resultantes durante el largo período de tiempo necesario para realizar la medición. Método de puntos reducidos a) método de un punto. La velocidad se debe medir en cada vertical colocando el molinete a 0,6 de profundidad a partir de

la superficie. El valor observado se considera como la velocidad media en la vertical. Este método se aplica con un factor de corrección de 0,92 para profundidades inferiores a 1 m, cuando las mediciones se realizan bajo una capa de

hielo. Bajo una capa de hielo, el molinete podrá colocarse a 0,5 de profundidad; se aplica entonces a este resultado un factor de corrección de 0,88;

b) método de dos puntos. Las observaciones de velocidad se deben hacer en cada vertical, colocando el molinete a 0,2 y 0,8 de profundidad a partir de la superficie. El promedio de los dos valores puede considerarse como la velocidad media en la vertical;

c) método de tres puntos. La velocidad se mide colocando el molinete en cada vertical a 0,2, 0,6 y 0,8 de profundidad a partir de la superficie, El promedio de los

tres valores puede ser considerado como la velocidad media en la vertical. Se puede también ponderar la medición a 0,6 y la velocidad media se obtendrá con la ecuación:

V = 0,25 (VO,2 + 2VO,6 + V O,8) (11.3) d) método de cinco puntos. El método de cinco puntos puede utilizarse cuando el canal está libre de hielo y de vegetación

acuática. Consiste en medir la velocidad en cada vertical a 0,2, 0,6 y 0,8 de profundidad a partir de la superficie y tan cerca como sea posible de la superficie y del lecho. La velocidad media podrá determinarse del gráfico que represente el perfil de velocidades como en el método de distribución de velocidades o a partir de la ecuación:

V = 0.1 (V superficie + 3 vO,2 +3VO,6 +2VO,8 + Vlecho) (11.4) e) método de seis puntos. Este método se puede utilizar en condiciones difíciles, cuando por ejemplo hay vegetación

acuática, o una capa de hielo. La velocidad se mide colocando el molinete en cada vertical a 0,2, 0,4, 0,6 y 0,8 de profundidad a partir de la superficie y tan cerca como sea posible de la superficie y del lecho. Los valores de la velocidad se trazan en un gráfico y la velocidad media se determina como en el método de distribución de velocidad o mediante la ecuación:

V = 0.1 (V superficie + 2 vO,2 +2VO,4 +2VO,6 + 2VO,8 + Vlecho) (11.5)

El método de dos puntos se emplea cuando la distribución de velocidades es regular y la profundidad es superior a unos 60 cm; el método de un punto se usa en aguas poco profundas. El método de tres puntos debe utilizarse para mediciones bajo hielo o en canales cubiertos por vegetación acuática. El método de cinco puntos se utiliza cuando la distribución vertical de la velocidad es muy irregular.

La exactitud de un método en particular debe determinarse al medir, si es posible, la velocidad en unos seis a 10 puntos en cada vertical para la primeras mediciones de caudal efectuadas en un nuevo sitio. Método de integración En este método, se baja y se sube el molinete a lo largo de toda la profundidad en cada vertical a una velocidad uniforme. La velocidad de descenso o de ascenso del molinete no debe ser superior a cinco por ciento de la velocidad media del flujo en la sección transversal y en todo caso debe estar comprendida entre 0,04 y 0, 1 0 m s-1. Se determina el número promedio de revoluciones por segundo. En cada vertical se realizan dos ciclos completos y, si los resultados difieren en más de 10 por ciento, se repite la medición. Este método se utiliza rara vez en aguas con una profundidad superior a tres metros y velocidades inferiores a 1 m s-1 11.2.4 Cálculo del caudal Métodos aritméticos a) método de la sección media. Se considera que la sección transversal está compuesta de un número de segmentos, cada uno de ellos limitados por dos verticales adyacentes. Si V1 promedio es la velocidad media en la primera vertical y V2 promedio la velocidad media de la vertical adyacente, y si d1 y d2 representan las profundidades totales respectivas en las verticales 1 y 2, y b es la distancia horizontal entre las verticales, entonces el caudal q del segmento será:

El caudal total se obtiene sumando el resultado de los caudales parciales;

b) método de semisección. El caudal en cada segmento se calcula multiplicando Vd en cada vertical por el ancho, que es la suma de la mitad de la distancia entre verticales adyacentes. Puede evaluarse el valor de d en los dos medios anchos próximos a las márgenes. Con referencia a la figura 1 l. 1, el caudal total Q se calculará de la siguiente manera:

Métodos gráficos a) método de integración de la curva profundidad-velocidad. El primer paso consiste en dibujar, para cada vertical, la curva

profundidad-velocidad, cuya área representa el producto de la velocidad media por la profundidad total. El valor de este producto en cada vertical se lleva a un gráfico en función de la distancia lateral y se traza una curva a través de los puntos obtenidos. El área definida por esta curva representa el caudal en la sección transversal;

b) método de curvas de velocidad o método de las isotacas. Se basa en las curvas de distribución de velocidad en las verticales; se prepara un diagrama de distribución de velocidades en la sección transversal y se trazan las curvas de igual velocidad. Las áreas delimitadas por las curvas de igual velocidad y la superficie del agua se deben medir y el valor obtenido se debe trazar en otro diagrama en el que las ordenadas indicarán la velocidad y las abscisas el área correspondiente. La superficie delimitada por la curva área-velocidad representa el caudal en la sección transversal [1].

11.2.5 Medición del caudal bajo una capa de hielo La medición del caudal bajo una capa de hielo exige conocer los instrumentos y procedimientos descritos en las secciones 11.2.1 y 11.2.4. Estas secciones tratan únicamente del equipo y los procedimientos característicos de la medición del caudal bajo una capa de hielo. 11.2.5.1 Selección del sitio Se recomienda seleccionar secciones alternas de medición durante la estación en que las aguas están libres de hielo, cuando se pueden evaluar las condiciones del cauce. En algunas estaciones de aforo, se puede usar una misma sección de medición en verano e invierno, pero es más importante que las mediciones de invierno se hagan en condiciones adecuadas que utilizar la misma sección de medición en ambas estaciones. Después de la selección inicial, se deben hacer agujeros de exploración a lo largo de la sección, separados un -palmo entre sí, para detectar la presencia de hielo enlodado o una mala distribución del flujo de agua. Se deben evitar los lugares donde puedan existir cristales de hielo, porque pueden impedir el proceso de medición y debido también a la dificultad de determinar el espesor del hielo. Asimismo, se puede producir algún flujo de agua través del hielo cristalino que no puede medirse por los métodos usuales. Con frecuencia, en las corrientes de agua dulce invernales, el agua atraviesa el hielo formando dos corrientes independientes, una encima y otra por debajo del hielo. Se deben evitar esos emplazamientos. 11.2.5.2 Equipo a) perforación de los agujeros - Cuando la capa de hielo es gruesa es conveniente utilizar una barrena o taladro mecánicos o una sierra de cadenas para perforar el hielo. Si la capa de hielo es delgada se puede usar un cincel de hielo;

b) determinación de la profundidad real - La profundidad real del agua por debajo de la capa de hielo es igual a la profundidad total del agua menos la distancia que existe entre la superficie del agua y el fondo de la capa de hielo. La distancia entre la superficie del agua, en el agujero perforado en el hielo, y la parte inferior del hielo puede medirse con una

barra graduada en forma de L y de longitud adecuada. El lado corto de la barra se apoya contra la cara interna de la capa de hielo y se lee la profundidad de ese punto en la parte graduada de la barra. Si en un agujero existe hielo enlodado por debajo de la capa de hielo sólido, se puede determinar a qué profundidad termina el hielo enlodado suspendiendo el molinete por debajo del hielo, hasta que la hélice gire libremente; entonces se levanta lentamente hasta que pare la hélice. Este punto se considera como el de separación entre el agua y el hielo enlodado;

c) molinete y sistema de pesas - Si se utiliza una barrena o taladro para perforar la capa de hielo, se requiere un molinete especial y un sistema de pesas de sondeo adaptados a las dimensiones del agujero hecho en el hielo, que tiene unos 150 mm de diámetro. El sistema de pesas puede consistir en dos pesas de plomo en forma de lagrima situadas una encima y otra por debajo del molinete, o en una sola pesa de esa forma situada debajo del molinete. Si el agujero puede hacerse suficientemente ancho, se puede usar el molinete corriente y el sistema de pesas que se describen en la sección 11.2.3.1; d) Suspensión del molinete – El molinete puede estar suspendido de una varilla, de un sedal, o de una bobina de sondeo. Si

la profundidad total del agua por debajo del hielo es superior a tres a cuatro metros, se usa con frecuencia una bobina o un sedal. La bobina se monta en un soporte plegable entre ruedas. En aguas muy frías, el soporte puede estar dotado de un tanque de agua caliente para evitar que se congele el molinete mientras se desplaza el equipo de un agujero a otro. Para emplazamientos menos profundos, cuando se utiliza un molinete sin veleta de orientación suspendido por una varilla a través del agujero perforado en el hielo, es preciso determinar la dirección de la corriente para poder orientar debidamente el molinete.

11.2.5.3 Medición del caudal a) Separación de las verticales – La información contenida en la sección 11.2.2 se aplica también al espaciamiento de

verticales cuando existe una capa de hielo. Sin embargo, además de la variación de altura del lecho del cauce, se ha de tener también en cuenta la variación del espesor de la capa de hielo y del hielo enlodado para seleccionar el número y la ubicación de los puntos de medición. Si la corriente está dividida en diferentes canales por el hielo enlodado, se deben usar no menos de tres verticales en cada canal;

b) medición de la velocidad – Se recomienda que las curvas de velocidad se determinen a partir a partir de la medición de la

velocidad en cada punto a intervalos de un décimo de la profundidad real en dos verticales como mínimo para calcular los posibles coeficientes de corrección necesarios para convertir la velocidad media obtenida por métodos normales de observación para aguas sin hielo, en la velocidad media correspondiente a un punto de medición bajo una capa de hielo. En aguas poco profundas se puede medir la velocidad en un solo punto a 0.5 ó 0.6 de la profundidad real, pero en general se necesita aplicar un coeficiente para convertir la velocidad observada en velocidad media. En aguas más profundas (un metro o más), se pueden hacer dos observaciones a 0.2 y 0.8 de la profundidad real, tres observaciones a 0.15, 0.5 y 0.85 de la profundidad real, o seis observaciones a 0.2, 0.4, 0.6, y 0.8 de la profundidad real y en los puntos cercanos a la superficie y al fondo. La velocidad media obtenida en los métodos de dos y tres puntos se puede utilizar como valor medio en la vertical. Para utilizar el método de los seis puntos, véase la sección 11.2.3.3;

c) generalidades - Al medir el caudal bajo una capa de hielo, es esencial que se tomen medidas de seguridad. Por ejemplo, se debe comprobar siempre. la firmeza del hielo tanteando con un cincel para hielo antes de proseguir el desplazamiento sobre la superficie. Si la velocidad medida en condiciones de hielo es menor que el límite inferior que permite el empleo del molinete, se debe buscar otra sección de aforo en otro lugar del río donde la velocidad sea mayor. Se debe tener la precaución de asegurarse de que el molinete gire libremente y que no quede retenido por el hielo que se haya podido formar mientras se le traslada de una vertical a otra. Al efectuar las mediciones, se debe anotar una descripción completa del clima y las condiciones del hielo en el río, sobre todo en las secciones del control. Esto ayudará al cálculo posterior del caudal entre las mediciones. 11.2.5.4 Cálculo del caudal El cálculo del caudal bajo una capa de hielo es el mismo que para condiciones de aguas a cielo abierto descritas en la sección 11.2.4, salvo que se utiliza la profundidad real en lugar de la profundidad total de agua. 11.2.6 Exactitud La exactitud de estas mediciones de caudal depende de la fiabilidad de la calibración del instrumento de medición, de las condiciones del río y del número de mediciones de la profundidad y la velocidad que se hayan efectuado [4,5]. Las mediciones se hacen normalmente registrando la profundidad y la velocidad en dos puntos, en cada una de las 20 a 25 verticales de la sección transversal. El error típico para un nivel de confianza del 95 por ciento en este tipo de mediciones efectuadas en condiciones normales, es alrededor de un cinco por ciento [1]. 11.3 Medición del caudal por el método del flotador

Este método se utiliza cuando no se puede emplear un molinete debido a velocidades o profundidades inadecuadas, a la presencia de material en suspensión, o cuando la medición del caudal deba realizarse en un período de tiempo muy corto. 11.3.1 Selección de secciones Se deben seleccionar tres secciones transversales en un tramo recto del curso de agua. Las secciones transversales deben estar lo suficientemente espaciadas entre sí de manera a medir con exactitud el tiempo necesario para que el flotador pase de una sección transversal a la siguiente. Se recomienda un lapso de 20 segundos, aunque podrán emplearse intervalos más breves en el caso de ríos pequeños en los que la corriente sea muy veloz y en los cuales es a menudo imposible seleccionar un tramo recto de longitud adecuada. 11.3.2 Flotadores Se pueden utilizar flotadores de superficie o de varilla. Los Botadores de superficie deben sumergirse a una profundidad inferior a la cuarta parte de la profundidad del agua. No se deberán emplear cuando se tema que la medición pueda ser afectada por el viento. Los Botadores de varilla pueden sumergirse a una profundidad superior a la cuarta parte de la profundidad del río. Los flotadores de varilla no deben rozar el lecho del canal. Durante los períodos en que las maniobras en el río pueden ser peligrosas, se pueden emplear, como Botadores naturales. árboles o fragmentos de hielo que floten en el río. 11.3.3 Procedimientos de medición Los Botadores deben distribuirse de manera uniforme a todo lo ancho de la corriente; se deben realizar entre 15 y 35 mediciones con flotadores. Cuando se usan flotadores naturales se deben hacer 20 mediciones como mínimo, en diversas posiciones de la sección del río. El flotador deberá lanzarse a suficiente distancia, aguas arriba de la sección transversal superior, para que pueda alcanzar una velocidad constante antes de llegar a la primera sección transversal. El tiempo en que el flotador atraviesa cada una de las tres secciones transversales se registrará por medio de un cronómetro. Este procedimiento se debe repetir con cada uno de los Botadores distribuidos a todo lo largo de la corriente. La distancia entre el flotador y la orilla al paso de cada una de las secciones transversales puede ser determinada mediante métodos ópticos adecuados, por ejemplo con un teodolito. La profundidad de la corriente en ciertos puntos en la sección transversal se puede determinar mediante métodos de topografía. 11.3.4 Cálculo de la velocidad La velocidad del flotador es igual a la distancia que separa las secciones transversales dividida por el tiempo invertido en recorrería. La velocidad corregida del flujo en cada sección es igual a la velocidad del flotador multiplicada por un coeficiente basado en la forma del perfil vertical de las velocidades y en la profundidad relativa de inmersión del flotador. El coeficiente que debe aplicarse a la velocidad medida se debe determinar en lo posible, para cada sitio, por medio de un análisis de las mediciones del caudal efectuadas por el método del molinete. Cuando no se disponga de esas mediciones, se puede utilizar un factor F de ajuste según la tabla 1 1.2 para una estimación aproximada.

TABLA 11.2 Factor F de ajuste de la velocidad del flotador en función de la relación R, entre la profundidad de inmersión del

flotador y la profundidad del agua

Cuando se usan flotadores naturales, se deben trazar en un gráfico las velocidades en función de la distancia a la que se

encuentran de la orilla, lo que permitirá determinar la velocidad media en la superficie del río. La velocidad media de la corriente en la sección transversal es igual a la velocidad media en la superficie multiplicada por un coeficiente K, cuyo valor se deduce, si es posible, de las medidas anteriores hechas con un molinete para caudales más pequeños. 11.3.5 Cálculo del caudal El caudal en cada tubo de corriente, o sección, se calcula multiplicando la sección transversal media del tubo de corriente por la velocidad media del flujo en el tubo de corriente. El caudal total será igual a la suma de caudales de cada una de las secciones [I]. 11.4 Medición del caudal por el método de dilución La medición del caudal por este método depende de la determinación del grado de dilución en el río de una solución trazadora que se añade. El método se recomienda únicamente en lugares donde no se puedan emplear los métodos tradicionales, debido a la poca profundidad de la corriente, a grandes velocidades, turbulencia excesiva o presencia de sedimentos. Los dos métodos principales que emplean sustancias trazadoras son: el método de inyección a ritmo constante y el método de inyección instantánea. Las condiciones generales (sección 11.4.I) son iguales para ambos métodos [6,7]. 11.4.1 Condiciones generales Se vierte en la corriente una solución trazadora estable a un ritmo constante o de una vez. El cálculo del caudal requiere del conocimiento de los siguientes factores: a) el coeficiente de inyección para el método de inyección a ritmo constante o la cantidad total inyectada para el método de

inyección instantánea; b) la concentración del trazador en la solución inyectada; c) la concentración de] trazador en la corriente después de que se haya diluido completamente en toda la sección

transversal. La exactitud de estos métodos depende sobre todo de: a) una adecuada mezcla de la solución inyectada en toda la corriente de la sección transversal antes de llegar a la sección de

muestreo. Si la solución trazadora se inyecta en forma continua, la concentración de esta solución deberá ser constante en toda la sección de medida. Si se inyecta toda la solución de una vez, 1 deberá ser la misma en todos los puntos de la sección; en esta fórmula c es la concentración y T el tiempo que tarda toda la solución para pasar un determinado punto de la sección. A título indicativo únicamente, la distancia 1 requerida entre el lugar donde se inyecta la solución y la sección de muestreo será:

donde b es el ancho medio de la sección transversal mojada por el río, i la profundidad media de la corriente, C el coeficiente de Chezy para el tramo, y g la aceleración de la gravedad;

b) los materiales, sedimentos, plantas u organismos depositados en el lecho del río no deben absorber la sustancia trazadora

añadida, y ésta no debe descomponerse en el agua de la corriente. La concentración debe determinarse en la sección de muestreo y como mínimo en otra sección transversal situada aguas abajo para verificar que no exista una diferencia sistemática en la concentración media de una y otra sección de muestreo.

11.4.2 Selección del sitio

El criterio fundamental de selección del sitio, para medir el caudal por el método de disolución, es la mezcla adecuada de la solución inyectada con el agua de la corriente en un pequeño tramo del canal. La mezcla se mejora por la fuerte rugosidad de las orillas elevadas y las características del terreno que hacen que el flujo del canal sea muy turbulento, como cascadas, curvas o estrangulamientos abruptos del curso de agua. Cuanto más grande es la relación profundidad-ancho, menor es la distancia necesaria para obtener una mezcla adecuada. 11.4.3 Trazadores y equipos de detección Se puede utilizar como trazador cualquier sustancia que reúna las siguientes características: a) se disuelve rápidamente en el agua de la corriente a temperaturas normales; b) no se encuentra normalmente presente en el agua del río o sólo en cantidades ínfimas; c) no se descompone en el agua del río, ni es retenida o absorbida por sedimentos, plantas u organismos; d) su concentración puede ser medida en forma exacta por métodos sencillos; e) es inofensiva para el hombre, los animales y la vegetación en las concentraciones que se utiliza. La sustancia trazadora más económica es la sal común. Cuando la sustancia trazadora se inyecta de una sola vez en la corriente, la cantidad requerida no es muy grande y su detección por métodos de conductividad es bastante sencilla.

El bicromato de sodio se usa mucho en el método de dilución. Su solubilidad en el agua es relativamente elevada (600 kg por M3) y la sal satisface la mayoría de las condiciones descritas en la sección 1 1.4. l. El análisis calorimétrico [7] permite medir concentraciones muy reducidas de bicromato de sodio.

El cloruro de litio tiene una solubilidad en el agua de 600 kg por M3. El análisis fotornétrico de llama puede detectar concentraciones de litio hasta de 10-4 kg por M3.

Otros productos químicos utilizados para el aforo por dilución son el yoduro de sodio, el nitrito de sodio y el sulfato de manganeso.

La rodamina WY es utilizada en Estados Unidos. Sus características de absorción son mucho mejores que las de otras tintas de rodarnina. La concentración de la tinta puede medirse utilizando fluorímetros que se venden en el mercado y que pueden detectar concentraciones de 5 a 10 partes por miles de billón (5 a 10 en 109).

También se han utilizado como trazadores elementos radioactivos como la bromina 82, el oro 198, la iodina 131 y el sodio 24. Las concentraciones de estos elementos, del orden de hasta 10-9, pueden determinarse exactamente con un contador o un dosímetro, cuya sonda detectora esté suspendida sobre la corriente o en un tanque contador normalizado. Si bien los elementos radioactivos constituyen el trazador ideal para el método de dilución, el peligro que presentan para la salud podrían limitar su uso en ciertas localidades.

11.4.4 Cálculo del caudal Las ecuaciones utilizadas para calcular el caudal de una corriente, Q, están basadas en el principio de continuidad del trazador:

donde Qtr, es la proporción de inyección, Ci la concentración de solución inyectada, Cs la concentración en la sección de muestreo, V el volumen de la solución inyectada, y t el tiempo. 11.4 Medición del nivel correspondiente El nivel y la hora correspondientes se deben anotar a intervalos regulares para identificar las diversas fracciones del caudal total con el tiempo y el nivel correspondientes. En general, el nivel existente hacia la mitad del intervalo de tiempo en que se han hecho las mediciones, se puede utilizar como el nivel que corresponde al caudal medido. No obstante, si el nivel no varía

linealmente en función del tiempo, se utilizará el siguiente procedimiento de ponderación, en el que h es el nivel ponderado, Q1,Q2, ... QN son los caudales correspondientes a niveles hl,h2, ... hN

11.6 Cálculo del caudal por métodos indirectos 11.6.1 Generalidades En los períodos de crecida a veces es imposible medir el caudal directamente debido a una variación muy rápida del caudal, a grandes velocidades de la corriente, al arrastre de restos sólidos, a profundidades o anchos demasiado amplias o porque las inundaciones hacen intransitables las carreteras o impiden el acceso a las estructuras de medición. En estas condiciones resulta todavía posible, sin embargo, determinar el caudal máximo cuando la crecida ha descendido, mediante cálculos que combinan principios hidráulicos bien establecidos con observaciones sobre el terreno de las condiciones del cauce y de los niveles más elevados alcanzados durante la crecida. Todos estos métodos implican la solución simultánea de las ecuaciones de continuidad y de energía. Estos cálculos pueden hacerse para las secciones o tramos del cauce del río o las alcantarillas que pasan por debajo de las carreteras, así como los ojos de puente y el espacio sobre diques y terraplenes de las carreteras. Si bien las fórmulas hidráulicas son diferentes para cada tipo de curso de agua, en todos los métodos intervienen los factores siguientes: a) características físicas y geométricas del canal y condiciones límites de la zona del cauce utilizado; b) altitud de la superficie de agua en el momento del caudal máximo para definir el límite superior de las áreas transversales

y la diferencia en altitud entre los puntos significativos; c) factores hidráulicos, como los coeficientes de rugosidad que se basan en características físicas. 11.6.2 Inspección sobre el terreno

Para seleccionar el sitio más favorable con objeto de determinar el caudal con el método indirecto, se hará un reconocimiento del terreno en mapas, por avión o por tierra. El sitio debe estar tan próximo como sea posible del punto de medición deseado y deben evitarse afluentes intermedios o desviaciones de importancia. El sitio tiene que contener adecuados vestigios o marcas de crecida que definan el perfil del agua durante el caudal pico.

Se hará una inspección topográfico detallada para definir la geometría del cauce en la sección elegida y en la zona adyacente, secciones transversales del cauce, detalles de las alcantarillas, puentes, diques, carreteras o cualquier otra estructura artificial, y las posiciones y situaciones de las marcas de crecida. Se anotarán todos los factores que afecten a la rugosidad del cauce y se seleccionarán los coeficientes de rugosidad. Se tomarán fotografías de las secciones transversales y del tramo para facilitar las evaluaciones de las condiciones del lugar.

A partir de las notas tomadas sobre el terreno, se harán dibujos que representen la proyección horizontal, el perfil del lecho del cauce, la altura de la crecida en ambas márgenes, las secciones transversales y detalles de cualquier estructura artificial. Luego se calculan los factores hidráulicos y se determina el caudal. 11.6.3 Medici6n por la pendiente del caudal La medición por la pendiente del caudal se realiza en un tramo del cauce del río que se ha seleccionado por su uniformidad o variación homogénea en sus propiedades hidráulicas [81. El caudal se calcula sobre la base de una ecuación de flujo uniforme, como la ecuación de Manning, que incluye características del cauce, perfiles de la superficie del agua y coeficientes de rugosidad. 11.6.4 Medición del caudal a través de alcantarillas El caudal pico a través de las alcantarillas se puede calcular a partir de los vestigios o marcas de crecida que definen el nivel aguas arriba y aguas abajo, de las dimensiones de las alcantarillas y su pendiente, y de las secciones transversales que determinan las condiciones de acceso. Las relaciones entre carga y caudal de alcantarillas se han definido mediante investigaciones de laboratorio y verificaciones sobre el terreno. El caudal de punta se determina por la aplicación de la

ecuación de continuidad y la ecuación de energía entre la sección de acceso y una sección de la alcantarilla. Para facilitar el cálculo, el caudal de alcantarilla se ha dividido en seis tipos sobre la base de la situación de la sección de control y las alturas relativas del nivel aguas arriba y aguas abajo. 11.6.5 Medición del caudal por contracción del ancho de la corriente La contracción del cauce de una corriente por un puente que sostiene una carretera da lugar a un abrupto descenso de la elevación de la superficie del agua entre una sección de acceso y la sección contraída bajo el puente. La sección contraída, formada por los estribos del puente y el lecho del curso de agua, puede ser utilizada como un control del caudal para calcular las crecidas. La carga sobre la sección contraída se define por las marcas o vestigios de crecida (aguas abajo y aguas arriba), y la inspección sobre el terreno determina la geometría del cauce del puente. La ecuación del caudal resulta de una combinación de las ecuaciones de energía y de continuidad para el tramo que se encuentre entre una y otra sección. 11.6.6 Medición del caudal sobre presas y terraplenes de autopistas Un vertedero, presa, o terraplén constituyen generalmente una sección de control en la que el caudal está relacionado con la altura del nivel aguas arriba. El caudal pico en la sección de control puede determinarse mediante una inspección sobre el terreno de las marcas de la crecida y las dimensiones de la estructura. Los métodos se deducen de los estudios, en laboratorio y sobre el terreno, de las características del caudal en vertederos, presas, y terraplenes.

El trabajo sobre el terreno consiste en una inspección del nivel aguas arriba y aguas abajo a partir de las marcas de crecida, de una sección transversal de acceso de la corriente para definir la velocidad de llegada y una determinación exacta del perfil de la estructura de control, a fin de asignar el coeficiente de descarga apropiado. Se dispone de coeficientes para: a) vertederos de pared delgada, que descarguen libremente o sumergidos; b) vertederos de pared gruesa, no sumergidos; c) diques en ojiva o de carga calculada, sumergidos o no sumergidos; d) muchas formas irregulares. 11.7 Medición del caudal en condiciones difíciles El informe técnico de la OMM Level and Discharge Measurements under Difficult Conditions [9], contiene un estudio general sobre la medición de caudales en condiciones difíciles. 11.7.1 Cauces inestables La inestabilidad del cauce está caracterizada por el desplazamiento sistemático del lecho, por el alto contenido de limo y por la presencia de varios tipos de escombros en la corriente. La inestabilidad del cauce es un obstáculo al funcionamiento de una estación de aforo permanente y/o de una sección de medición. Este problema puede minimizarse seleccionando un sitio en la mitad de un tramo de un río que tenga una sección transversal uniforme, lejos de diversas obstrucciones (puentes, etc.). La mayor estabilidad en las márgenes generalmente se encuentra donde el cauce se reduce. En el caso de pequeños ríos, el sitio debe permitir la construcción de una sección de medición permanente.

En pequeños cursos de agua, donde no hay transporte de piedras o escombros de grandes dimensiones, es conveniente instalar canales adoradores portátiles o permanentes para medir el caudal. También para pequeños ríos, en algunos casos convendría construir una sección artificial para las mediciones, a fin de mejorar la relación nivel-caudal. Esta mejora puede ser un vertedero bajo o un canal aforador, según las condiciones específicas del lugar. La estructura debe ser lo suficientemente alta para eliminar el remanso variable de la sección aguas abajo, pero no tan alta como para causar excesivas perturbaciones aguas abajo. En estiaje, la estructura debe proporcionar una buena relación entre caudales y niveles de agua cuando éstos tienen pequeñas variaciones. Se puede usar una pasarela para limpiar las crestas de estructuras grandes y proporcionar un medio para realizar mediciones con molinetes hidrométricos. Debido al gran contenido de limo en los cauces inestables es conveniente usar molinetes hidrométricos con cámara de contacto sellada. Las pértigas de sondeo deben estar provistas de un reborde para que no se hundan en el limo. Cuando se mide el caudal por el método velocidad-área, la profundidad generalmente se determina antes y después de medir la velocidad. Cuando la velocidad de la corriente es alta, la presencia de diversos tipos de escombros en la corriente producen, a menudo, pequeños daños externos en el molinete. En ese caso, convendría comparar las lecturas del molinete, antes y después de medir los caudales, con las lecturas de otro molinete que no se utiliza en esa medición. En ríos con una inestabilidad grande en los lechos, la distribución de la velocidad en una sección transversal varía periódicamente. La elección de las verticales de medición se hará en función de la distribución de las velocidades en el momento de medición de un caudal dado. El uso de verticales permanentes puede inducir a errores sistemáticos. Si es grande la inestabilidad del lecho, sería mejor utilizar un método de puntos reducidos para medir la velocidad con un reducido número de verticales [ 1 l.

Si los sondeos se han efectuado dos veces (antes y después de las mediciones de la velocidad), la superficie de la sección transversal se calculará sobre la base de los valores medios de la profundidad obtenidos en ambos sondeos. En ríos anchos, donde la ubicación de las verticales de sondeo se determina mediante marcas en las orillas, las verticales obtenidas en las dos series de sondeos pueden no coincidir. En este caso, se utiliza un perfil medio de la sección transversal del sitio de medición para seleccionar los valores de la profundidad para el cálculo del caudal.

11.7.2 Ríos de montaña

Los ríos de montaña se caracterizan por la alta velocidad de la corriente, a menudo tienen un cauce poco profundo e irregular y pueden ser obstruidos por canto rodado y escombros, tienen pendiente transversal, nivel de agua irregular y transportan grandes 1 pero variadas cantidades de piedras y guijarros. En la selección del lugar para la estación de aforo, es necesario evitar esos fenómenos siempre que sea posible.

En pequeñas corrientes de montaña, debido al flujo turbulento muy acentuado, es muy conveniente usar uno de los métodos de dilución para medir el caudal (véase la sección 11.4). Puede ser recomendable mejorar el canal para hacer

mejores mediciones. Sería también conveniente equipar la estación con un puente de aforo (véase la sección 11.2).

Las mediciones con molinete hidrométrico deben comprender por lo menos 20 verticales. La medición de la profundidad de los ríos de montaña con barra de molinete no conduce, en la práctica, a errores sistemáticos. Sin embargo, el uso de una sonda hidrométrica de peso con aleta direccional puede hacer que se subestime la profundidad, si se trata de profundidades pequeñas. Para profundidades de alrededor de un metro, las mediciones realizadas con una barra de molinete pueden acusar diferencias de 2,5 a 3 por ciento, mientras que para profundidades de 0,4 a 0,8 m. la diferencia puede alcanzar hasta 10 6 15 por ciento.

El mejor método para medir la velocidad con el molinete es el de dos puntos. Los caudales se calculan como se explicó en la sección 1 l. 2. l.

11.7.3. Medición de caudales inestables

11.7.3.1 Medición del caudal durante las crecidas

Las mediciones de las crecidas en ríos grandes se realizan mejor desde puentes, teleféricos o barcos. Son útiles los cabrestantes electromecánicos portátiles, que se pueden instalar sobre vehículos especiales. En ríos grandes, cuando no hay puentes o teleféricos, se usan grandes botes o transbordadores. Se deben instalar equipos telemétricos a bordo de las embarcaciones y en las orillas para determinar la posición de la embarcación en el cauce. Los transbordadores que usan un cable para cruzar el río están equipados con motores eléctricos o mecánicos, para la tracción mediante el cable y para alzar o bajar los equipos. En general, es necesario usar sondas de hasta 200 kg, debido a que la velocidad máxima en ríos grandes puede ser de hasta 6 a 8 m s-I. Los sondeos de la profundidad se efectúan también mediante la ecosonda. Para la medición de crecidas en pequeños ríos, se recomienda particularmente la teledetección o los sistemas de traslado que se hacen funcionar desde la orilla. Estos sistemas pueden ser portátiles y usarse en varios sitios, sólo necesitan estar equipados con un cable sustentador principal que atraviese el río. Si no se dispone de esos sistemas, se pueden usar botes de duraluminio fácilmente transportables o balsas de goma inflables con motor fuera de borda y equipo de plataforma. A los lugares de difícil acceso se puede llegar por helicóptero. En el caso de velocidades muy altas, se pueden usar flotadores o instrumentos estroboscópicos para medir las velocidades de superficie. El estroboscopio tiene un anteojo, dirigido hacia la superficie del agua, y un cierto número de espejos giratorios. La velocidad de rotación de los espejos se elige de modo que se obtenga una imagen estacionaria de la superficie de] agua. La velocidad de la corriente se determina a partir de la velocidad de rotación de los espejos. La velocidad máxima que se puede medir con este método es de 15 m s-', pero este máximo depende de la altura de] punto de observación por encima de la superficie de¡ agua. Las mediciones con estroboscopios también pueden ser realizadas en corrientes muy turbias, con hielo flotante y otras materias sólidas que impiden el uso de molinetes. El coeficiente de conversión de la velocidad superficial a la velocidad media en una vertical, determinada por mediciones en similares condiciones de dificultad, es generalmente igual a 0,85-0,90. La medición de la profundidad se realiza comúnmente mediante la ecosonda o usando una sección transversal patrón. En el caso de ríos anchos, también se puede usar el método del bote móvil (véase la sección 11.8.2). Este método conviene sobre todo cuando existen grietas en el hielo en movimiento o si hay otros escombros. Si hay hielo o escombros en alguna parte de la sección que se mide, las mediciones se deben hacer con el método del flotador y el molinete se utilizará en las partes restantes. Si el cauce correspondiente a la crecida es muy ancho (tres a 20 km), y se subdivide en varios cauces menores, las mediciones con el molinete resultan extremadamente difíciles. En este caso, lo mejor es emplear Botadores, con ayuda de fotografías aéreas.

11.7.3.2 Medición del caudal en tramos con mareas

Cuando una sección de medición está expuesta a las mareas oceánicas, se deben tener en cuenta los siguientes fenómenos:

a ) variaciones continuas del nivel del agua, con o sin cambio de dirección de la corriente; b) variaciones continuas en la velocidad con respecto al tiempo, incluso en un mismo punto de la vertical, con un gradiente de velocidad elevada; c) cambio en la distribución de la velocidad con respecto al tiempo; d)cambio en la dirección de la corriente durante el ciclo de la marea con velocidad nula; e) presencia de flujo estratificado con densidad y dirección del flujo variables; f) cambio considerable del flujo en el ancho y en la sección transversal; g) presencia de turbulencia en gran escala (por ejemplo, fluctuaciones con un período de más de 30 segundos y variaciones en la amplitud de la velocidad de hasta el 50 por ciento) y el efecto de seiche. El caudal en ríos con mareas se determina generalmente por uno de los siguientes métodos [10]: método de área-velocidad, método volumétrico o resolviendo la ecuación de flujo inestable. Cuando los caudales se miden en estas condiciones, también se puede usar el método del bote móvil (véase la sección 11.8.2), sobre todo en los momentos en que la curva de distribución de velocidad se aproxima a su forma corriente. Otros métodos, como el método ultrasónico (véase la sección 11.8.3), también se podrían utilizar. En el cálculo del caudal por el método velocidad-área, la velocidad se mide durante el ciclo completo de flujo y reflujo. Las mediciones generalmente se realizan en varios puntos, de modo que sea posible tener en cuenta las diferentes direcciones del flujo en las verticales. Al mismo tiempo, el nivel del agua y las profundidades en las verticales se miden constantemente. Luego, todas las medidas se reducen a un solo tiempo para el cual se calcula el caudal. La exactitud del método área-velocidad es mayor si:

a) el ciclo de la marea durante el cual se efectúan las mediciones es periódico o casi periódico; b) las corrientes, particularmente durante el período de flujo máximo, son paralelas entre ellas y perpendiculares a la

sección de aforo en todos sus puntos; c) las curvas de distribución de la velocidad tanto horizontal como vertical tienen forma regular en la estación de aforo; d) el perfil transversal de la estación de aforo es uniforme y carece de aguas poco profundas.

El sitio seleccionado debe tener, en la medida de lo posible, las siguientes características:

a) la sección del lecho del río debe ser recta y de forma regular; b) la profundidad del agua en el sitio elegido debe permitir el uso eficaz de molinetes; c) la sección del cauce debe ser estable durante el ciclo de la marea; d) el caudal debe estar concentrado en uno o varios cauces cuyas secciones transversales se puedan determinar con un buen grado de exactitud; e) el lugar no debe estar cerca de obstáculos naturales o artificiales que causen flujos no paralelos; f) el sitio de aforo debe estar libre de vegetación; g) se deben evitar las corrientes oblicuas, las corrientes de retroceso y las zonas muertas.

El sitio debe ser cuidadosamente marcado en ambas orillas. Para determinar el caudal durante el ascenso y retirada de la crecida, las mediciones en cada vertical se deben efectuar durante el ciclo completo de la marea. Para determinar con exactitud el momento de velocidad nula, las mediciones deben comenzar media hora antes y terminar media hora después del cielo de la marea. Según el equipo disponible y las características físicas del lugar seleccionando, se pueden adoptar diferentes procedimientos para medir la velocidad: a) si se dispone de un número suficiente de botes, las mediciones se pueden efectuar simultáneamente en todas las verticales durante todo el ciclo de la marea; b) si se dispone de un número limitado de botes, las verticales seleccionadas para medir la velocidad, se marcarán mediante boyas ancladas. Se precisan de uno o dos botes para realizar las mediciones, procediendo de una vertical a la siguiente a intervalos no mayores de una hora entre cada vertical. Por lo menos, un bote adicional debe permanecer fijo en una vertical de referencia para realizar mediciones continuas durante el ciclo entero de la marea. En este caso la curva de variación de la velocidad en cada vertical con respecto al tiempo durante el ciclo completo, se traza usando como base de comparación los datos y medidas en los puntos obtenidos de la vertical de referencia; c) si la forma de la curva de marea no cambia mucho de un día para otro y si se disponen de por lo menos dos botes, uno de ellos se atraca en la vertical de referencia para realizar las mediciones durante cada día de¡ ciclo completo de la marea. El otro bote realiza las mediciones durante el ciclo completo en cada vertical, moviéndose a una nueva vertical cada día. En este caso, el número de días requeridos para realizar el ciclo completo de observaciones es igual al número de verticales donde se mide la velocidad;

d) si existen diferentes amplitudes de mareas y si no es posible hacer las mediciones en muchas verticales, las mediciones se realizarán en cada vertical en el ciclo completo para diferentes amplitudes de la marea durante un mes lunar y durante la marea viva y la marea muerta; e) si existen fuertes pulsaciones, las mediciones se deben realizar en cada vertical con la ayuda de varios molinetes colocados a diferentes alturas por períodos de 1 0 a 15 minutos. La velocidad media se determina para el período medio de tiempo; f) en el caso de corrientes oblicuas, se deben usar molinetes de lectura directa o instrumentos capaces de medir el ángulo de desviación. Cuando se producen cambios rápidos de la velocidad, los valores de la velocidad en los distintos puntos de la vertical se deben ajustar a un tiempo determinado. Con este fin, las mediciones de la velocidad se repiten en todos los puntos de la vertical en dirección del fondo hacia la superficie, o sólo en un punto de la superficie. Para el cálculo del caudal en cada vertical, se traza una curva de la variación de la velocidad con respecto al tiempo, disponiéndose así de los valores para un tiempo determinado. Para el cálculo del caudal por el método volumétrico, se efectúan mediciones sincronizadas del nivel del agua en los límites de la sección o secciones de medición, y las características geométricas (sección transversal, longitud y zonas inundables) se determinan de antemano. Se debe instalar una estación de aforo adicional aguas arriba de la zona afectada por las mareas, de manera que se pueda determinar el caudal propio del río. En los estuarios anchos donde hay pendientes transversales, los niveles se miden en ambas orillas. La diferencia en volumen del prisma de marea durante el intervalo de cálculo se determina a partir de la variación de la profundidad media y de las áreas de la superficie del agua entre los límites. Para determinar el caudal medio, se divide la diferencia del volumen del prisma total entre el período de cálculo, menos los afluentes del río. En el método de cálculo del caudal a partir de las ecuaciones del movimiento inestable, la solución de las ecuaciones del movimiento variado para la sección en consideración se simplifica para algunas hipótesis, como flujo paralelo, densidad uniforme y cauce prismático. Las mediciones se hacen generalmente para dos ciclos típicos de marea (alta y baja). Los resultados se utilizan también para calibrar los parámetros del modelo. 11.7.4 Crecimiento de la maleza en el lecho del río El desarrollo de la maleza en los ríos puede causar errores relativamente importantes. En ríos pequeños, se recomienda en lo posible, realizar controles artificiales. Si no se pueden realizar, el caudal se medirá por el método de velocidad-área. Con este fin, en un tramo del río, de seis a 10 m de extensión, se eliminará la vegetación durante todo el período vegetativo. Además, se deben sacar arbustos y pastos altos situados a las orillas y a todo a lo largo de un tramo más grande. El uso de sustancias tóxicas que impiden el crecimiento de la vegetación es efectivo sólo por un corto tiempo. El método más práctico, por lo tanto, es el de una limpieza frecuente del lecho. La maleza que crece en el lecho puede ser cortada mediante una máquina especial acoplada a una sierra de cadena mecanizada o mediante la ayuda de una guadaña ordinaria. La velocidad de la corriente en cada vertical se mide en tres puntos (a profundidades de 0,15, 0,5 y 0,85). Si la profundidad de la vertical es inferior a 0,40 m, la velocidad se mide por el método del punto único. En las notas de las mediciones del caudal, se debe incluir una corta descripción sobre el verdadero estado de crecimiento de la maleza. Como las algas y la maleza pueden enredarse dentro de la hélice del molinete, el instrumento debe ser frecuentemente inspeccionado y limpiado durante la medición. Cuando las mediciones se realizan en un sólo punto, se debe controlar con sumo cuidado la regularidad con la cual se reciben las señales. Recientemente, se han hecho progresos en el uso del método electromagnético de aforo en esas condiciones (véase la sección 11.8.4). 11.8 Métodos no tradicionales de medición del caudal 11.8.1 Generalidades El cálculo del caudal por el método área-velocidad (capítulos 1 1 y 12), el método de dilución (sección 11.4) y por medio de estructuras hidráulicas (capítulo 12) tiene ciertas limitaciones y no se puede realizar en algunos casos. Tres métodos, relativamente nuevos de medición del caudal en cauces abiertos son: el método del bote móvil, el método ultrasónico y el método electromagnético. 11.8.2 Método del bote móvil En este método, se instala en un bote un molinete especialmente diseñado que indica los componentes de la corriente y los valores instantáneos de la velocidad. Las mediciones se realizan atravesando el río a lo largo de un recorrido preestablecido perpendicular a la corriente. Durante la travesía, efectuada sin detenerse, un ecosonda registra la geometría de la sección transversal y el molinete en funcionamiento continuo mide las velocidades combinadas de la corriente y del bote. Estos datos,

recogidos en 30 a 40 puntos de observación (verticales) a través del recorrido, se convierten en caudales. La velocidad registrada en cada punto de observación de la sección transversal es un vector de cantidad que representa la velocidad relativa de la corriente que pasa por el mecanismo del molinete. Este mecanismo consiste en una paleta fija a un eje de acero inoxidable, que tiene en su extremo superior un dial y una aguja que permite leer el ángulo que forma la dirección de la paleta y el curso real del bote. Esto se realiza alineándose cuidadosamente con las señales que se han colocado en las orillas. Se realizan unas seis travesías, en direcciones alternas, y las mediciones se promedian para obtener el caudal [l1, 12]. El caudal se calcula de manera similar al método convencional de área-velocidad, es decir se suman los productos de las áreas de los segmentos y las velocidades medias. Como el molinete se sitúa casi siempre alrededor de un metro debajo de la superficie, es necesario usar un coeficiente para ajustar la velocidad medida. En ríos grandes, el coeficiente es generalmente uniforme a través de la sección. Las mediciones efectuadas en varios ríos han mostrado que el coeficiente varía con frecuencia entre 0,90 y 0,92. El método del bote móvil proporciona una sola medición del caudal, y una exactitud de ±5 por ciento para un 95 por ciento de nivel de confianza. 11.8.3 Método ultrasónico (acústico) El principio del método ultrasónico consiste en medir la velocidad de la corriente a una cierta profundidad, transmitiendo simultáneamente ondas sonoras a través del agua mediante transductores colocados en ambos lados del río. Los transductores, que están diseñados para transmitir y recibir ondas sonoras, se ubican en márgenes opuestas, de manera que el ángulo entre el recorrido de la pulsación y la dirección de la corriente está entre 30o y 60'o. La diferencia entre el tiempo que las ondas tardan en cruzar el río aguas arriba y aguas abajo está directamente relacionada con la velocidad media del agua a la profundidad de los transductores. Esta velocidad puede estar relacionada con la velocidad media de la corriente de toda la sección transversal. Al incorporar un factor de área en el procesador electrónico, el sistema puede totalizar el caudal. Idealmente, el transductor se debe colocar a una profundidad en la que mida la velocidad media de la corriente. En la práctica, el transductor se fija en una posición, de manera que al cambiar el nivel no está más en el punto de la velocidad media, y entonces se requiere un coeficiente para ajustar la velocidad medida. En la actualidad se dispone de dos tipos de sistemas ultrasónicos. En el primero los transductores están en una posición fija y la estación se calibra por el molinete; en el segundo, los transductores están diseñados para deslizarse en un dispositivo en forma vertical o inclinada. En este último método, el sistema es de autocalibración y no son necesarias, por lo tanto, las mediciones con el molinete. Al desplazar los transductores verticalmente a diferentes profundidades (en general de siete a 10) se obtienen las lecturas de la velocidad a lo largo de dichos recorridos. Para cada serie de lecturas, se pueden establecer las curvas de la velocidad en la vertical, en una gama de niveles tan amplia como sea posible. Así pues, se podría estimar, primero, una posición apropiada para la fijación de los transductores en la vertical y, luego, establecer una curva de nivel en función del coeficiente de caudal como en el primer método. En ríos con muy poca diferencia de niveles, se podría aceptar el sistema de un único recorrido de los transductores. Para ríos de gran variación en el nivel, es necesario usar el sistema de recorrido múltiple y utilizar varios pares de transductores. La exactitud del método ultrasónico depende de la precisión con la que se pueden medir los tiempos del trayecto. Con las diversas técnicas disponibles en la actualidad, se pueden medir los tiempos con mucha exactitud [13 -21]. 11.8.4 Método electromagnético El movimiento del agua que fluye en un río corta la componente vertical del campo magnético terrestre, por lo que una fuerza electromotriz (fem) es inducida en el agua, y se puede detectar y medir con dos electrodos. La fem, que es directamente proporcional a la velocidad media del río, es inducida a lo largo de todo filamento transversal de agua que corte la línea del campo magnético vertical de la Tierra. La figura 11.3 contiene un diagrama de una estación electromagnética de aforo, donde la bobina está colocada en el lecho y el campo magnético está en la dirección x, la fem está en la dirección y, y el movimiento del conductor, es decir, la corriente del río, está en la dirección z. La Ley de Faraday de la inducción electromagnética, relaciona la longitud de un conductor que se mueve en un campo magnético con la fem generada por la ecuación [22]. En la práctica, la mayoría de lechos de los ríos tienen una conductividad eléctrica importante, lo que permite a la corriente eléctrica desplazarse en el lecho.

Asimismo, Por consideraciones prácticas, el campo inducido estará espacialmente limitado y la corriente eléctrica que fluye fuera del área del campo reducirá el potencial total. Los dos factores mencionados tienen el efecto de reducir la señal y, por consiguiente, el valor del voltaje registrado. En una estación electromagnética de aforo es por lo tanto necesario medir las conductividades del lecho y la del agua. La corriente más apropiada para accionar la bobina es la corriente continua, cuya dirección es invertida unas pocas veces por segundo, y se debe usar una onda alternada cuadrada con una frecuencia de alrededor de 1 hertz. Una instalación típica tiene una bobina de 12 vueltas, cada una de 16 MM2 de cable doble aislado con PVC y alimentado con una corriente de 25 amperios y un voltaje a través de la bobina de unos 20 voltios [22].

El método electromagnético es Particularmente adecuado para usar en ríos con maleza, con alta concentración de sedimentos, o con lecho en condiciones inestables y da un registro continuo de la velocidad media en la sección transversal que se puede combinar con el nivel para obtener in situ el resultado del caudal.

La exactitud depende del equipo de detección que procesa la señal y mide las pequeñas diferencias de potencial percibidas por los electrodos. Es posible detectar una serías de 100 nanovoltios (10-9 voltios), que representa una velocidad de casi 1mm s-1. La estación electromagnética de aforo requiere de una calibración sobre el terreno por medio de un molinete o por otros medios, y de una relación establecida entre el caudal y las señales medidas.

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