¿COMO MEDIR EL CAUDAL?Es recomendable realizar las mediciones del caudal del río, estero,quebrada o manantial en diferentes épocas para tener registros delos valores mínimos, máximos e intermedios y conocer más de cercael comportamiento de la fuente en diferentes épocas.Es importante, además, establecer la “historia” de la fuente, en loposible, por medio del diálogo con los vecinos de la localidad, otambién, por datos de organismos especializados, etc.).Para efectuar la valoración del caudal a nivel local, cuando no sedispone de equipos de precisión, ni se considera pertinente su uso,es conveniente utilizar dos métodos reconocidos y ampliamentedifundidos: el método del recipiente y el método del flotador quea continuación se describen.

Medición del caudal por el método del recipiente

Esta es una forma sencilla de medir el caudal de pequeñas fuentesde agua. Se fundamenta en el uso de valores promedio de lasvariables a determinar. El método consiste en medir el tiempo dellenado, con el agua de la fuente, de un recipiente de volumenconocido. En consecuencia, para realizar la medición se necesita:· Un balde o caneca de capacidad (volumen en litros) conocida.· Un reloj o cronómetro.· Tejas de zinc o plásticas para la conducción del agua.Se debe ubicar el tramo más adecuado para realizar la medición yluego encausar la fuente para que la totalidad del agua caiga en elrecipiente, de conformidad con la representación de la Figura siguiente:

Se debe tomar varias veces el tiempo de llenado de manera que sea posible determinar el valor promedio.Por ejemplo, si se utilizó una caneca de 50 litros de capacidad, se le llenó tres veces y los tiempos de llenado fueron de 5, 6 y 7 segundos respectivamente, el caudal de la fuente se puede calcular de la siguiente manera:a. Promedio del tiempo de llenado, t promedio.t promedio = (5 + 6+7) ÷ 3 = 6 seg.b. Cálculo de caudal, QRQR es igual al valor de la capacidad del recipiente (50 litros) divididopor el tiempo de llenado ( 6 segundos), es decir que QR es igual a: 50 ÷ 6 = 8,3 litros por segundo. Este es el valor promedio del caudal de la fuente estudiada.

Medición del caudal por el método del flotador.En este método, de igual manera, se utilizan los valores promediode las variables determinadas.Para adelantar los procedimientos se requieren los siguientesmateriales y equipos:· Un objeto flotante, puede ser una bola de ping-pong, unabotella plástica pequeña, una rama, un trozo de madera queflote libremente en el agua.· Un reloj o cronómetro.· Un decámetro o cinta medidora.· Una regla o tabla de madera graduada.a. Primer paso. Seleccionar el lugar adecuado.Se selecciona en el río un tramo uniforme, sin piedras grandes, nitroncos de árboles, en el que el agua fluya libremente, sinturbulencias, ni impedimentos, como se representa en Figura 2.

b. Segundo paso. Medición de la velocidad.En el tramo seleccionado ubicar dos puntos, A (de inicio) y B (dellegada) y medir la distancia, por ejemplo 12 metros (cualquiermedida, preferiblemente, del orden de los 10 metros, Ver Figura 3)).Una persona se ubica en el punto A con el flotador y otra en el puntoB con el reloj o cronómetro. Se medirá el tiempo de recorrido delflotador del punto A al punto B.Se recomienda realizar un mínimo de 3 mediciones y calcular elpromedio. Supongamos que el promedio del tiempo de recorrido fuede 8 segundos.La velocidad de la corriente de agua del río se calcula con base en lasiguiente ecuación 1:Velocidad = Distancia (A-B) ÷ Tiempo de recorrido; (Ecuación1).Para nuestro ejemplo, tendríamos:Velocidad = 12 ÷ 8 = 1,5 m/s

c. Tercer paso. Medición del área de la sección transversal del río.En el tramo seleccionado, ubicar la sección o el ancho del río que presente las condiciones promedio y en la que se facilite la medición del área transversal.Un método práctico, con aceptable aproximación para calcular el área transversal, es tomar la altura promedio.

Esto consiste en dividir el ancho del río, en, por lo menos, tres partes y medir la profundidad en cada punto para luego calcular el promedio

Por ejemplo, consignemos los resultados de las mediciones de la profundidad en la tabla 1, de conformidad con la Figura 5:

Calculemos, ahora, la profundidad promedio, de conformidad con los valores expuestos en la tabla 1:

Puesto que la profundidad promedio, hm = (h1+ h2+h3+h4+h5+h6) ÷ 6, para nuestro ejemplo, tenemos:hm = ( 0 +0,22+0,35+0,44+0,30+0 ) ÷ 6 = 0,22m.Una vez se ha determinado el valor promedio de la profundidad, seprocede a realizar la medición del ancho, Ar, del río. Supongamosque para nuestro ejemplo, ese valor fue de 2,4 m., de conformidadcon lo presentado en la Figura 4.El área de la sección transversal AT del río se calcula con base en lasiguiente ecuación 2:AT = Ancho x Profundidad Promedio = hm x Ar; (Ecuación2).Para nuestro ejemplo, el área de la sección transversal es igual a:AT = 2,4 x 0,22 = 0,53 m2

d. Cuarto paso. Cálculo del Caudal del río.Con los datos obtenidos se procede a calcular el caudal del río, QR, con base en la siguiente ecuación 3:QR (m3/s) = K x Velocidad (m/s) x Área (m2). (Ecuación 3).Donde K es un factor de corrección relacionado con la velocidad. El valor de K se debe seleccionar de acuerdo al tipo de río o canal y a la profundidad del mismo, de conformidad con la tabla 2.

Tabla 2. Valores del factor K de corrección de la velocidad

Para nuestro ejemplo, tenemos: K = 0,5 ; Velocidad = 1,5 m/s; Área transversal = 0,53 m2, Entonces, el caudal, será: QR = 0,5 x 1,5 x 0,53 = 0,398 m3/s; ó igual,QR= 398 l/s, en razón que 1 m3 es igual a 1000 litros.El valor promedio obtenido del caudal de la fuente de agua estudiada permitirá no sólo conocer el volumen de agua del que se dispone por unidad de tiempo, información importante a la hora de tomar decisiones sobre posibles proyectos productivos, si no, además, conocer, de manera cuantitativa, las características del líquido, antes de su uso, o su vocación de uso. Para ello se requiere realizar estudios de calidad del agua de la fuente, adicionales a los estudiosdel caudal.

LA MEDICIÓN DEL CAUDAL Y EL TRATAMIENTO ESTADÍSTICO DE LOS DATOS OBTENIDOS.

Hasta aquí, para determinar el caudal sólo se han utilizado losvalores promedio del tiempo de recorrido y de la profundidad, enconsecuencia, los valores de la velocidad, del área de la seccióntransversal y del caudal, como variables derivadas, son, también,valores promedios.Aunque los valores promedio se utilicen con frecuencia, existenotros valores de una misma variable, como los valores máximos ymínimos que en determinadas circunstancias pueden ser muy útiles.Por esta razón, se recurre a determinarlos. Para este fin se sueleutilizar el concepto de la media verdadera (MV).

La media verdadera - MV- es el valor que puede alcanzar unavariable dentro de un intervalo próximo al valor promedio. El intervalo se establece al sumarle y restarle al valor promedio otro valor, denominado error estándar, esto es que esquemáticamente la media verdadera se puede representar así:MV = MC ± EE, (Ecuación 4).Donde: MV – Media verdadera;MC – Media calculada o promedio aritméticoEE – Error estándar.

El error estándar – EE- se puede calcular por medio de la siguiente ecuación 5:EE = (SD x T)/ n (Ecuación 5).Donde: SD – Desviación estándar;T – Parámetro estadístico.n - Número de ensayos, mediciones.El parámetro estadístico T es un valor numérico tabulado, diferente en dependencia del número de ensayos y el nivel de confianza con el que se requiera representar la característica en estudio. En la tabla 3 y 4 se exponen unos valores de T para el 95 y 90 % de confianza, respectivamente.

Tabla 3. Valores del parámetro estadístico T del 95% de confianza

Tabla 4. Valores del parámetro estadístico T del 90% de confianza

Aplicación práctica de la Media Verdadera.

Tabla 5. Procesamiento de los datos de la profundidad de un río con base en el concepto Media Verdadera para un nivel del 90 % de confianza

Consignemos los datos de la Tabla 1 en la Tabla 5 y procedamos aprocesarlos con base en el concepto Media Verdadera para un nivelde confianza del 90%.Al observar con detenimiento la Tabla 5 podemos adelantar lassiguientes consideraciones:· En la columna A se encuentran los mismos datos de la Tabla 1.· En la columna B se encuentra el valor del promedio igual alque, anteriormente, se había calculado. · En la columna C se encuentra la Desviación estándar, cuyo valor se obtiene de manera similar al del promedio.· En la columna D se encuentra el valor del Error Estándar.

El número de ensayos es 6.El valor de la Desviación Estándar – SD- se encuentra en lacolumna C.El valor del parámetro estadístico – T- es 1,94 de conformidad con la Tabla 4.Así las cosas en la columna D aparece el valor del errorestándar para 6 ensayos con el 90% de confianza.· En las columnas E y F aparecen los valores máximos ymínimos de la profundidad del río como producto delprocesamiento de los datos con base en el concepto MediaVerdadera.

Los valores máximo y mínimo de la profundidad se obtienen de conformidad con la ecuación 4, sumando o restando al promedio el valor del error estándar de conformidad con las siguientes operaciones aritméticas:Profundidad máxima: Valor Promedio + Error estándar. Igual a: 0,22 + 0,15 = 0,37m.Profundidad mínima: Valor Promedio - Error estándar. Igual a: 0,22 - 0,15 = 0,07m.Estos son los valores que aparecen en las columnas E y F de la Tabla 5.En resumen, para el caso de nuestro ejemplo, se puede presentar la media verdadera de la profundidad de río, hmv, con el 90% de confianza, de la siguiente manera:hmv = 0,22 ± 0,15.Esta es una forma concreta y conveniente de presenta los datos obtenidos en campo.

Alcances prácticos del uso de la Media Verdadera.El valor promedio de la profundidad se utilizó en el capítulo I para calcular el área de la sección transversal del río de conformidad con la ecuación 2. El valor obtenido del área es el valor promedio como ya lo habíamos anotado.Si, además, del valor promedio se utilizan los valores máximo y mínimo de la profundidad que se presentan en la Tabla 5, se calcularán los valores de las áreas máxima y mínima del río con baseen los datos de la media verdadera. (Ver Tabla 6).

Estos valores muestran la distancia las distancias probables que pueden existir entre los valores promedio y mínimo y entre los valores promedio y máximo. Datos que representan interés, puesto que un valor promedio puede serlo de números cercanos o de números lejanos. En nuestro caso, se observan importantes distancias entre los valores mínimo, promedio y máximo del área calculada (Tabla 6).Tabla 6. Áreas máxima, mínima y promedio con base en el uso de lamedia verdadera para los valores de la profundidad del río.

Esta relación se conserva para el caso del caudal del río (Tabla 7). El caudal máximo es un 68% mayor que el caudal promedio, mientras que el caudal promedio supera en el 300% al caudal mínimo.Inmediatamente surge la pregunta: ¿Cuál de estos valores es el más frecuente? ¿Cuáles podrían ser las causas de esta situación? Preguntas que debe ser absueltas por medio de la información pertinente, en especial si la medición del caudal se ha realizado en varias oportunidades. Puesto que si el que predomina es el caudal mínimo, se pueden prever dificultades para la realización de importante número de proyectos. Por el contrario, lo más conveniente sería pensar en su recuperación y restauración. Lo cierto es que este tipo de interrogantes, por lo general no aparecen cuando los cálculos del caudal se adelantan, exclusivamente, con base en los valores promedio.

Tabla 7. Caudales máximo, mínimo y promedio con base en el uso de la media verdadera para los valores del área del río.

Este ejemplo permite vislumbrar las posibilidades de la mediaverdadera para el análisis y la toma de decisiones, además de ser un procedimiento de alta confiabilidad.

Consideraciones adicionales sobre los alcances prácticos del uso de la Media Verdadera en la medición de caudales.

Si se revisa con mayor detenimiento los pasos que de conformidadcon los dos métodos analizados, el del recipiente y el del flotador,para realizar la medición del caudal de una fuente podemos darnoscuenta de varias cosas de interés, veamos:3.1 En la medición del caudal por el método del recipienteexiste la posibilidad de aplicar la media verdadera al momento dedeterminar el tiempo de llenado. Este hecho aportaría elementosadicionales para el análisis.3.2 En el aforo del caudal por el método del flotador lasposibilidades son abundantes.

Primero, porque se puede aplicar la media verdadera al tiempode recorrido del flotador del punto A al punto B (Figura 3) y, enconsecuencia, obtener, además del promedio, los valoresmáximo y mínimo de la velocidad de flujo de la corriente del río,lo que permitirá el cálculo de los mismos valores del caudal de lafuente.Segundo. Trabajar con un solo valor del área de la seccióntransversal, el promedio, es un procedimiento, considerablemente,excluyente. La apreciación se sustenta en que entre los puntos Ay B del trayecto o tramo seleccionado (Figura 3) se encuentrainfinidad de áreas de sección transversales, por tanto limitarse aseleccionar sólo una área puede llevar a errores de importanteMagnitud.

Tercero. Para subsanar este riesgo lo más conveniente es seleccionar, dentro del tramo A y B, mínimo tres lugares en los que se establezcan sendos perfiles del área de sección (Figura 5),se calculen las áreas en cada lugar y a los valores consolidados de las áreas se aplique la metodología de la media verdadera, de manera que se obtenga una área promedio, una máxima y otra mínima e involucrarlas en los cálculos del caudal. Entre mayor sea el número de sitios, en los que se identifiquen la forma y valor del área de la sección transversal, mas aproximados a la realidad serán los cálculos realizados y menor la distancia entre los valores mínimo, promedio y máximo.

Para calcular las áreas de la sección transversal se recomienda trasladar los perfiles a papel milimetrado (Figura 6) y, sobre él, realizar los cálculos de cada una de las áreas seleccionadas. Esta operación es relativamente sencilla, en razón que el contorno del perfil, por regla general, se deja descomponer en figuras geométricas comunes: triángulos y paralelogramos. La suma de las áreas de estas figuras conforma el área total de la sección transversal.

Por lo general es conveniente tener un perfil del área de sección de la parte alta del tramo, otro de la intermedia y otro de la parte inferior (Figura 7).En conclusión, son amplias las posibilidades de procesar los datos de la velocidad de flujo de la corriente del río, del área de la sección transversal y del caudal por medio de la media verdadera con las ventajas que este tipo de tratamiento brinda posteriormente.