MEDICIONES HIDROLÓGICAS

Para cuantificar la oferta hídrica en una cuenca es necesario hacer

mediciones hidrológicas. Necesitamos medir la precipitación que cae

en la cuenca hidrográfica, la escorrentía o el caudal en los ríos en

diferentes periodos, y la calidad del agua, porque vimos que es una

componente fundamental de la oferta hídrica.

Precipitación (mm/hr) (Entrada)

Caudal (m3/s) (Salida)

Cuenca -

ProcesosHietograma

Hidrograma

Otras mediciones como la evapotranspiración e infiltración son

necesarias para cerrar el balance hídrico, y para poder cuantificar las

interacciones de agua superficial con el agua subterránea.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

Mes

Pre

cip

ita

ció

n m

ed

ia m

en

su

al

(mm

/me

s)

En términos de medición de la precipitación tradicionalmente

utilizamos pluviómetros. Sin embargo la tecnología actual nos permite

utilizar pluviógrafos de balancín para realizar mediciones en forma

continua a muy bajo costo.

Pluviógrafo de

Balancín

Registros con

precisión de 1 min

Las mediciones puntuales en pluviógrafos es necesario

complementarlas con radares meteorológicos que nos dan una

cobertura más amplia sobre un área y nos permiten realizar pronósticos

oportunos de la ocurrencia de tormentas y eventos de precipitación.

Numerical Weather Prediction: UM/MM5

10 km

1 km

C-Band

Meteorological Radar

X-Band1 km

100 m

Cortesía Cedo MaksimovicCortesía Cedo Maksimovic

No obstante las mediciones de radares también tenemos que

calibrarlas con la información obtenida de la red de pluviógrafos en

tierra. Por eso necesario tener una densidad adecuada en la red de

pluviógrafos.Numerical Weather Prediction: UM/MM5

Red pluviómetros en tierra

Calibración

T = Futuro

T = Actuali

t Cortesía Cedo MaksimovicCortesía Cedo Maksimovic

En Latinoamérica estamos muy atrasados en la cobertura. Tenemos

instalados del orden de 2 a 3 aparatos en promedio, en áreas rurales

de 100 kilómetros cuadrados, cuando lo recomendable es instalar de

2 a 3 aparatos en áreas de 20 a 30 km².

En zonas urbanas tenemos instalados menos aparatos de lo que se

recomienda con el fin de poder diseñar adecuadamente los sistemas

de drenaje pluvial. Deberíamos tener del orden de un aparato por

cada dos a tres km² de área, pero la densidad de nuestras redes de

medición es mucho menor.

Población Densidad

(ha/Aparato)

Archivo

(min)

Seine Saint

Denis

2000 0.2

Courly 2000 6

Nancy 860 0.17

Saint Etienne 1200 Balanceo

Le Havre 660 Balanceo

Y en Inglaterra (Water Research Center):

Para obtener errores +/- 10% en la calibración de modelos lluvia

escorrentía:

1. Densidad mínima de 3 pluviómetros para áreas de drenaje < 8

km2. Dos de estos para medición y uno para control. En zonas

planas debe incrementarse un aparato por cada 4 km2

adicionales.

2. Intervalos de medición de 2 minutos

3. Sincronización completa de los equipos de medición

(precipitación y caudales)

Densidad en la Sabana de Bogotá: del orden de 30 km2 por estación

(densidad urbana es mayor).

Esta incertidumbre que se presenta en la estimación de la precipitación

en un área es necesario cuantificarla y reportarla adecuadamente.

0

100

200

300

400

Pre

cip

ita

ció

n (

mm

/me

s)

Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov DicMes

Diagrama Box-whisker

800

1000

1200

1400

1600

1800

Pre

cip

ita

ció

n a

nu

al (m

m/a

ño

)

Anual

La caja está limitada por los

cuartiles del 25 y 75%, la

mediana está representada por la

línea horizontal dentro de la caja,

y los pelos se extienden hasta los

valores mínimo y máximo. El

valor medio multianual es de

1220 mm/año, con el 50% de los

valores anuales históricos

registrados variando entre 1023 y

1400.6 mm/año, y valores

mínimo y máximo de 811.1 y

1708.2 mm/año.

Con respecto la medición de la escorrentía superficial

tradicionalmente medimos en forma discreta o continua el nivel del

agua, y utilizamos curvas de calibración nivel-caudal. Hoy en día la

tecnología nos permite hacerlo de forma continua a bajo costo

utilizando sensores ultrasónicos.

Nivel

Temperatura

Nivel agua

Pluviógrafo

Monitoreo contínuo – lluvia

escorrentía

0 . 0

0 . 5

1 . 0

1 . 5

2 . 0

1 0 0

2 0 0

3 0 0

4 0 0

1 5 W e dN o v 2 0 0 0

1 6 T h u 1 7 F r i 1 8 S a t 1 9 S u n 2 0 M o n 2 1 T u e

C a u d a l e s y P r e c i p i t a c i o n e s

mm

l/

s

1 1 / 1 4 / 0 0 8 : 0 0 : 0 0 A M - 1 1 / 2 1 / 0 0 8 : 0 0 : 0 0 A M

P r e c N o g a l 7 6 ( 1 1 . 8 m m ) P r e c N o g a l 7 6 ( 1 6 . 2 m m ) C a u d a l ( 4 7 0 1 6 . 7 0 m 3 )

Las mediciones más precisas de caudal se realizan en estructuras

hidráulicas, tales como los vertederos Crump o las canaletas Parshall

o vertederos de cresta delgada o de cresta ancha. Sin embargo

estamos limitados a caudales no mayores a 10 m³ por segundo

cuando utilizamos estas estructuras.

En ríos anchos como el Magdalena, el Orinoco. El Amazonas. El Río

Paraguay y el río de la Plata, hoy en día la tecnología nos permite

utilizar sensores ultrasónicos de efecto doppler como los ADCP´s para

realizar estimaciones de caudal más precisas en estas corrientes que

las obtenidas anteriormente mediante aforos de caudal con molinete.

En ríos de montaña por el contrario debemos utilizar el método de

dilución o estudios con trazadores que nos proporcionan la menor

incertidumbre en la medición del caudal.

Experimento con TrazadoresRío Teusacá 13/Agosto/2005

00.0020.0040.0060.0080.01

0.0120.0140.0160.0180.02

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Tiempo (s)

Co

ncen

tració

n g

/lSitio 1 Sitio 2

T

dtCQM0

T

dtCMQ0

/

Para flujo permanente

Cuando realizamos aforos de caudal con molinete por vadeo desde

bote o tarabita debemos utilizar un número apropiado de verticales y

de mediciones de velocidad en la profundidad para reducir la

incertidumbre en la medición.

La recomendación es utilizar verticales con un espaciamiento no

superior a un veinteavo del ancho total del río y hacer en lo posible la

medición en tres puntos en la profundidad.

di di+1

b

vi Vi+1

Cortesía Prof. Erasmo Rodríguez – Universidad Nacional de Colombia

Muy importante es calibrar las hélices de los correntómetros

adecuadamente y hacer el aforo en tramos rectos y uniformes de los

ríos en secciones estables.

Cortesía Prof. Erasmo Rodríguez – Universidad Nacional

y = 0,6654x + 0,0141R² = 0,9998

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00

VE

LO

CID

AD

(m

/s)

REVOLUCIONES (rps)

MOLINETE GURLEY No.NE 4580

Cortesía Prof. Erasmo Rodríguez – Universidad Nacional

Una vez que tenemos suficientes datos de caudal y nivel procedemos

a calibrar la curva de nivel-caudal. La recomendación es utilizar

métodos estadísticos que incorporen la incertidumbre y realizar

actualizaciones periódicas de las curvas sobre todo en ríos de alta

carga sólida.

San Cayetano

y = 0.2347x1.5013

R2 = 0.9825

0.0010

0.0015

0.0020

0.0025

0.0030

0.0035

0.0040

0.0045

0.0050

0.0055

0.0060

0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09

Nivel (m)

Ca

ud

al (m

3 /s)

Método estadístico incorporando incertidumbre Ejemplo Software: Hydrasub, (2003)

Nivel (m)

Caudal

Ecuación de calibración nivel - caudal

Estación Nariño – Río Magdalena Colombia

Estación Limnigráfica y

pluviográfica de Nariño

En zonas donde hay efectos de remanso como en estuarios o en

confluencias de ríos es muy importante realizar mediciones

simultáneas en dos miras de nivel con el fin de estimar curvas de

nivel-caudal teniendo en cuenta la pendiente hidráulica el canal.

Con respecto a la medición de la evapotranspiración potencial es

necesario contar con tanques evaporímetros y conocer coeficientes

de cultivo para diferentes periodos vegetativos. Es muy importante

incorporar las investigaciones locales de estos coeficientes de cultivo

y de contar con datos climatológicos de la zona tales como

temperatura, brillo, solar, humedad relativa, velocidad del viento y

otros para estimar la evaporación real.

Finalmente para la estimación de la infiltración y la recarga de las

aguas subterráneas, es muy importante contar con piezómetros y

pozos de monitoreo continuo del nivel freático, la temperatura y

conductividad eléctrica del agua. También son necesarios pozos en

los que podamos hacer pruebas de bombeo para la calibración de los

parámetros de los acuíferos tales como la conductividad hidráulica y

el coeficiente de almacenamiento, y tomar muestras para el análisis

de la calidad físico-química y bacteriológica del agua subterránea.

Como se ha venido mencionando varias veces anteriormente, para

cuantificar la oferta hídrica es muy importante medir la calidad del

agua.

Los objetivos de una red de monitoreo de la calidad del agua pueden

ser hacer múltiples, tales como hacer seguimiento a vertimientos

puntuales, medir y estimar la carga contaminante de vertimientos y de

ríos afluentes con el fin de estimar tasas retributivas o de

compensación ambiental, establecer el cumplimiento de metas de

reducción de carga contaminante, o el cumplimiento de estándares de

calidad del agua para los diferentes usos del agua en la cuenca.

Las mediciones de calidad del agua también son necesarias para

alimentar y mantener actualizados modelos de calidad del agua que

permitan estimar los impactos previstos de vertimiento de agua

servida y simular escenarios de saneamiento en la cuenca. En este

sentido el beneficio costo de las mediciones sistemáticas de calidad

del agua puede ser muy alto.

0 1 2 3 4 5 6 7 80

50

100

150

200

250

300

350

Tiempo [hr]

Co

nd

uct

ivid

ad

[ S

/cm

]

Observado aguas arriba

Observado aguas abajo

Resultados modelo

Simulación de escenarios

Una red de calidad del agua la constituye no solamente instrumentos

de medición con tecnología actualizada, es necesario contar con

personal esté calificado y entrenado, contar con protocolos de

medición y recolección de la información. También es necesario

contar con estaciones fijas y/o móviles en sitios estratégicos que nos

permitan hacer las mediciones en forma continua o periódica de forma

consistente, y faciliten la toma de muestras para análisis de diferentes

deteminantes en el laboratorio.

Estaciones fijas y móviles

ubicadas estratégicamente a lo largo del río Bogotá

Instrumentación con

equipos de alta tecnología en monitoreo de calidad de

agua

Protocolos de medición y recolección de muestras

Personal calificado

para operar la red

El éxito de una red de calidad del agua es garantizar la calidad de la

información que tomamos. Debe recordarse que tenemos que medir

también simultáneamente el caudal en los mismos sitios en que

medimos la calidad del agua para estimar la carga contaminante. Los

sitios de medición deben ser seguros y tener acceso a servicio de

energía eléctrica.

Para reducir costos y maximizar los beneficios es muy importante

definir bien los determinantes que medimos en la red de calidad

hídrica de acuerdo a los usos del agua en la cuenca, y de acuerdo a

los problemas de contaminación hídrica y salud pública detectados en

la misma.

EN LÍNEA

Caudal

pH

Temperatura

Oxigeno disuelto

Conductividad

Sólidos disueltos

Sólidos sedimentables

FUERA DE LÍNEA

QUÍMICOS

Demanda bioquímica de oxigeno

Aceites y grasas

Amonio

Nitratos

Nitrógeno total Kjeldahl

Fosforo soluble reactivo

Sulfatos

Cloruros totales

Cromo hexavalente

Hierro

Manganeso

FÍSICOS

Sólidos suspendidos volátiles

BIOLÓGICOS

Coliformes Totales

E-coli

Clorofila-a

Fitoplanton

Índice de invertebrados

acuáticos SAAS

Monitoreo contínuo – lluvia

escorrentía

Nivel

Temperatura

Conductividad