MONITOREO Y MEDICIÓN DE CAUDALES

Los canales de riego tienen la función de conducir el agua desde la captación hasta el campo o huerta donde será aplicado a los cultivos. Son obras de ingeniería importantes, que deben ser cuidadosamente pensadas para no provocar daños al ambiente y para que se gaste la menor cantidad de agua posible. Están estrechamente vinculados a las características del terreno, generalmente siguen aproximadamente las curvas de nivel de este, descendiendo suavemente hacia cotas más bajas (dándole una pendiente descendente, para que el agua fluya más rápidamente y se gaste menos líquido).

La construcción del conjunto de los canales de riego es una de las partes más significativas en el costo de la inversión inicial del sistema de riego, por lo tanto su adecuado mantenimiento es una necesidad imperiosa.

Las dimensiones de los canales de riego son muy variadas, y van desde grandes canales para transportar varias decenas de m3/s, los llamados canales principales, hasta pequeños canales con capacidad para unos pocos l/s, son los llamados canales de campo.

Clasificación

Canal Principal Canal secundario Canal terciario Canal del campo

Partes de un canal de riego

A lo largo de un canal de riego se sitúan muchas y variadas estructuras, llamadas "obras de arte", estas son, entre otras:

Obras de derivación, que como su nombre lo indica, se usan para derivar el agua (utilizando partidores), desde un canal principal (ej. una acequia) a uno secundario (ej.

un brazal), o de este último hacia un canal terciario, o desde el terciario hacia el canal de campo y el cañón de boquera. Generalmente se construyen en hormigón, o en mampostería de piedra, y están equipadas con compuertas, algunas simples, manuales (también denominadas tablachos, y otras que pueden llegar a ser sofisticadas, p.e. manejadas a control remoto;

Controles de nivel, muchas veces asociadas a las obras de derivación, son destinadas a mantener siempre, en el canal, el nivel de agua dentro de un cierto rango y, especialmente en los puntos terminales, con una inclinación descendente;

Controles de seguridad, estos deben funcionar en forma automática, para evitar daños en el sistema, si por cualquier motivo hubiera una falla de operación (alguien decía alguna vez, que no puede ser que si una vaca decide acostarse en el canal a tomar el fresco, todo el sistema, en cascada se autodestruya), esto que parece una broma es tomado muy en serio por los proyectistas de los sistemas de riego. Existen básicamente dos tipos de controles de seguridad: los vertederos, y los sifones;

Secciones de aforo, destinadas a medir la cantidad de agua que entra en un determinado canal, en base al cual el usuario del agua pagará, por el servicio. Existen diversos tipos de secciones de aforo, algunas muy sencillas, constan de una regla graduada que es leída por el operador a intervalos pre establecidos, hasta sistemas complejos, asociados con compuertas autor regulables, que registran el caudal en forma continua y lo trasmiten a la central de operación computarizada;

Obras de cruce del canal de riego con otras infraestructuras existentes en el terreno, pertenecientes o no al sistema de riego. Estas a su vez pueden ser de:

Cruce de canal de riego con un canal de drenaje del mismo sistema de riego.

Cruce de un dren natural, con el canal de riego, a una cota mayor que este último.

Cruce de canal de riego con una hondonada, o valle.

Cruce de canal de riego con una vía.

Elementos geométricos de los canales de riego

Los elementos geométricos son propios de una sección del canal que puede ser definida enteramente por la geometría de la sección y la profundidad del flujo. Estos elementos son muy importantes para los cálculos del escurrimiento

Profundidad del flujo, calado o tirante: la profundidad del flujo (h) es la distancia vertical del punto más bajo de la sección del canal a la superficie libre.

Ancho superior: el ancho superior (T) es el ancho de la sección del canal en la superficie libre.

Área mojada: el área mojada (A) es el área de la sección transversal del flujo normal a la dirección del flujo

Perímetro mojado. El perímetro mojado (P) es la longitud de la línea de la intersección de la superficie mojada del canal con la transversal normal a la dirección del flujo

Radio [[hidráulico. El radio hidráulico (R) es la relación entre mojado y el perímetro mojado, se expresa: R=A/P

Profundidad hidráulica: la profundidad hidráulica (D) es la relación del área mojada con el ancho superior, se expresa: D=A/T

Factor de la sección el factor de la sección (Z), para cálculos de escurrimiento o flujo critico es el producto del área mojada con la raíz cuadrada de la profundidad hidráulica, se expresa como: Z= A.SQRT (D).

MEDICIÓN DE CAUDALES EN CANALES DE RIEGO ¿Cómo se construyen y manejan los canales de riego?

El canal lleva el agua desde el río o arroyo hasta la chacra. Allí se podrá regar por surcos o por manto. La forma, tamaño y pendiente del canal determinan la cantidad de agua que puede llevar, es decir el caudal, que generalmente se mide en litros por segundo (lt/seg.).

Para construir un canal, tener en cuenta: La capacidad o cantidad de agua que va a conducir.

El tipo de suelo, que determinará la inclinación de las paredes del canal en relación a su base (talud).

La pendiente del terreno.

El canal será más cerrado en suelos arcillosos (gredosos) y más abierto en suelos arenosos.

La pendiente o desnivel depende del tipo de suelo, puede ser mayor en suelos gredosos que en suelos arenosos. La pendiente se expresa como una diferencia de altura por cada 1.000 metros de longitud. Por ejemplo una pendiente de 1/1000 (uno por mil) significa que el fondo del canal baja 1 metro en 1000 metros de recorrido.

Excesiva pendiente, aumenta la velocidad del agua y erosiona el fondo del canal.

Poca pendiente, disminuye la velocidad del agua y se acumulan piedras y tierra en el fondo (embancamiento del canal).

Si el terreno tiene mucha pendiente, construya saltos con: troncos, piedras, plástico o ramas. Así se disminuye la velocidad del agua y no erosiona el canal.

¿Cuánta agua puede llevar un canal? El caudal depende de:

LA FORMA DEL CANAL LA PENDIENTE DEL CANAL LA ALTURA DEL AGUA EN EL CANAL

La forma del canal depende del ancho de la base y del talud. Para aumentar la capacidad se puede mantener el talud pero aumentar el ancho de la base, o bien mantener la base aumentando el talud.

Recuerde que con un caudal de 1 litro/seg., se riega 1 Ha. con una lámina de 8 mm de agua en 24 hr.

• Es importante reducir las pérdidas de agua en los canales, sobre todo cuando recorren grandes distancias.

• Los sectores del canal donde hay muchas pérdidas se deben sellar, empleando greda o arcilla (Bentonita) o recubrir con plástico.

.

Protección del salto

con piedras en el fondo y tablones en

las paredes

Sellado con plástico Sellado con greda

¿Qué tareas de mantenimiento del canal deben realizarse?

Limpieza: no cambiar la forma ni la pendiente del canal.

Eliminar piedras, raíces, troncos, arbustos y malezas ya que aumentan las filtraciones en el canal.

Las limpiezas se realizan a fines del invierno, para tener los canales listos al inicio de la primavera.

Eliminar las malezas y arbustos que se encuentran dentro del canal y en los

bordes.

¿COMO SE MIDE EL CAUDAL? Para medir el caudal (Q) necesitamos conocer la velocidad del agua (v) y la sección

del canal (s) => Q=s x v. Elementos necesarios: un flotador (pelota, maderita ó botella vacía tapada); un

reloj para medir segundos, cuerda ó alambre y 4 estacas.

MEDICIÓN DE CAUDALES EN CANALES DE RIEGO.

En caso de tomar la decisión de utilizar un vertedero de geometría conocida implica necesariamente que el flujo del vertimiento se dirija sobre un canal abierto, en el cual se pueda conocer la carga o cabeza (H) de la corriente sobre el vertedero.

Ecuaciones según el tipo de vertedero

CAUDALES EN RÍOS.

Una de las partes del ciclo hidrológico es la precipitación de agua en forma liquida o sólida, lluvia, nieve o granizo Al llegar al terreno, una porción de esta precipitación circula sobre él, escorrentía superficial y da lugar a la formación de barrancos, arroyos y ríos.

INSTRUMENTOS DE MEDIDA

En este punto se analizan los distintos tipos de sensores que se utilizan para la medida de las variables hidrológicas relacionadas con la parte del ciclo hidrológico que nos ocupa.

Se analizan por una parte los tipos de sensores que se utilizan para la medida en continuo y por otra los que se utilizan para las medidas puntuales directas de determinación de caudales aforos directos, necesarios para controlar la equivalencia altura caudal de las estaciones de aforo.

MEDIDORES DE LA PRECIPITACIÓN.

La medida de la precipitación líquida y sólida y su evolución en el tiempo, es fundamental para la predicción de los posibles caudales circulantes por los ríos y para el conocimiento del comportamiento de las cuencas de aportación .

CANALES ABIERTOS. Aplica para efluentes como canales, quebradas, ríos o zanjas. En algunas ocasiones se podrá observar la presencia de instalaciones que permiten la salida fácil del vertimiento y con dimensiones conocidas o fácilmente medibles (Tabla 9); una vez se conozca el área de la sección transversal de la salida del vertimiento se determina la velocidad de salida. Esta velocidad se puede obtener mediante la utilización de un elemento que flote a lo largo del canal o tubería (método flotador), de manera que pueda determinarse la velocidad superficial del vertimiento o mediante la utilización de un molinete para hallar la velocidad media de la corriente.

FLOTADORES. Obtener el área transversal midiendo el ancho del efluente, luego dividir en secciones y medir la profundidad en cada una de ellas para obtener el área transversal promedio. Medir y demarcar una distancia conocida a lo largo del canal; colocar suavemente sobre la superficie del agua un elemento flotante en el canal y simultáneamente activar el cronometro; medir el tiempo transcurrido hasta que el objeto termine de recorrer la distancia asignada. Repetir este proceso varias veces y calcular el promedio. El objeto flotante no se debe dejar caer ni arrojar sobre la corriente, por cuanto esto le imprimiría una velocidad que afecta la medición.

EJEMPLO 1 .-Primer paso. Seleccionar el lugar adecuado

Se selecciona en el río un tramo uniforme, sin piedras grandes, ni troncos de árboles, en el que el agua fluya libremente, sin turbulencias, ni impedimentos.

Segundo paso. Medición de la velocidad.

En el tramo seleccionado ubicar dos puntos, A (de inicio) y B (de llegada) y medir la distancia, por ejemplo 12 metros (cualquier medida, preferiblemente, del orden de los 10 metros.Una persona se ubica en el punto A con el flotador y otra en el punto B con el reloj o cronómetro.Se medirá el tiempo de recorrido del flotador del punto A al punto B.Se recomienda realizar un mínimo de 3 mediciones y calcular el promedio. Supongamos que elpromedio del tiempo de recorrido fue de 8 segundos

.La velocidad de la corriente de agua del río se calcula con base en la siguiente ecuación Velocidad.

= Distancia (A-B) ÷ Tiempo de recorrido,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 encada punto para luego calcular el promedio

Profundidad Metros

h1 0.00mh2 0,22mh3 0,35mh4 0,44mh5 0,30m h6 0,00m

Calculemos, ahora, la profundidad promedio, de conformidad con los valores expuestosanteriormentePuesto 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 , se procede a realizar la medición del ancho,

Ar del río. Supongamos que para nuestro ejemplo, ese valor fue de 2,4 m., deconformidad con lo presentado anteriormente.El área de la sección transversal

AT del río se calcula con base en la siguiente ecuación :

Para nuestro ejemplo, el área de la sección transversal es igual a: AT =2,4 x 0,22= 0,53m2

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.

EJEMPLO 2

Para calcular la velocidad del agua, elegir un tramo del canal lo más recto posible y medir 10 metros. Marcar con cuerda o alambre sostenidas por estacas, el inicio y el fin de esa distancia.

Lanzar el flotador y cuando pasa por la primer cuerda, empezar a contar el

tiempo hasta que llega a la otra cuerda. Así se obtiene el tiempo que tarda el agua en recorrer 10 m; por ej: 5 segundos. Al dividir la distancia (10 m) sobre el tiempo (5 seg) obtenemos la velocidad (2 m/seg).

Ahora habrá que estimar la superficie de la sección del canal. Mida el ancho del

canal sobre una cuerda, por ej: 1,40 m. Luego mida la profundidad del agua en 5 ó 6 puntos sobre la cuerda y haga un promedio. Por ej: si las mediciones fueron 0,05 m (= 5 cm); 0,12 m; 0,25 m; 0,18 m y 0,05 m el promedio será (0,05 + 0,12 + 0,25 + 0,18 + 0,05) / 5 = 0,13 m.

Luego la sección será el ancho por la profundidad (1,4 m * 0,13 m = 0,18 m2). El caudal es la velocidad por la sección (2 m/seg * 0,18 m2 = 0,36 m3/seg).

Considerando que 1 m3 = 1000 litros, este canal lleva 360 lts/seg.

MONITOREO DE AGUA

MUESTREO DE AGUA DE UN RÍO O UNA QUEBRADA

1. Se sumerge el envase (a una profundidad de 15 a 20 centímetros) en contra de la corriente cuidando que el agua no toque los dedos antes de entrar al envase y que no se levanten los sedimentos del fondo del río.

2. Tapar inmediatamente, dejando un espacio de 1/2 a 1pulgada.

CUIDADOS AL MANIPULAR Y TRANSPORTAR MUESTRAS

Es recomendable hacer el análisis máximo 6 horas después de tomar las muestras. Sin embargo, se aceptan 24 horas como plazo máximo absoluto. Al momento de tomar las muestras, hay que evitar la contaminación externa. Las muestras se guardan en una caja aislada a prueba de luz, con hielo o bolsas de agua congelada para que se enfríen rápido.

Si no se dispone de hielo, el tiempo de transporte debe ser máximo de dos horas. De no tomarse estas consideraciones, se corre el riego que la muestra tenga que ser desechada.

La presencia de cloro en la muestra puede provocar la muerte de los microbios durante el transporte afectando el resultado del análisis. Para garantizar los resultados del análisis bacteriológico, es necesario neutralizar el cloro agregando a los frascos usados para recoger las muestras, pastillas de tiosulfato de sodio. Se recomienda usar frascos de 200 mililitros.

PARÁMETROS DE CALIDAD DE AGUA.

Parámetros asociados a la calidad de agua regularmente medidos en campañas de

monitoreo en aguas superficiales, sedimentos y organismos acuáticos.

EJEMPLO 3

Calcular el caudal que pasa por la sección trapezoidal que se muestra en la Figura, utilizando el Método del Flotador, cuyo largo del canal 10 metros, tiempo de recorrido sobre el canal 20 seg. Y un porcentaje de eficiencia del 85%a) Cálculo de la velocidadLargo sección canal = 10 metros.Tiempo en recorrerla = 20 segundos.

c)Cálculo del caudal :Q = 0,15 * 0,5 * 1000 *.85= 63,75 l/s.

BALANCE HÍDRICO

Un balance hídrico analiza la entrada y salida de agua en un sector de una cuenca a lo largo del tiempo, tomando en consideración los cambios en el almacenamiento interno bajo diferentes escenarios.

El concepto de balance hídrico se deriva del concepto de balance en contabilidad, es

decir, que es el equilibrio entre todos los recursos hídricos que ingresan al sistema y

los que salen\ del mismo, en un intervalo de tiempo determinado.

LOS COMPONENTES PRINCIPALES DEL BALANCE HÍDRICO:

El balance hídrico en zonas: cuencas de ríos, países, regiones físicas y continentes.

El balance hídrico en grandes masas de agua, como lagos y embalses, aguas subterráneas, glaciares y capas de hielo, mares interiores y la atmósfera.

El balance hídrico en zonas o cuencas con características hidrológicas especiales, por ejemplo, porcentajes importantes de superficie de bosques o vegetación, zonas de regadío, etc, que afectan sustancial- mente al balance hídrico.

PARÁMETROS DEL BALANCE HÍDRICO

Para el desarrollo de los Balances se evaluaron los parámetros que se describen a

continuación:

Precipitación

Precipitación es todo tipo de humedad que cae de la atmósfera a la superficie de la

tierra, ya sea en forma de lluvia, granizo, pedrisco, nieve, etc. Los factores que

determinan el desigual reparto de las precipitaciones son múltiples y complejos,

desde los de ámbito general hasta los regionales o locales.

Este parámetro se puede considerar como el más importante que interviene en el

balance hídrico y la exactitud en su medición y su evaluación es determinante en el

resultado.

Temperatura

Esta variable se analiza a nivel anual y mensual, considerando los valores mínimos,

máximos y medios, para las cuencas de interés.

La información seleccionada, corresponde a las Estaciones Climatológicas Ordinarias

ubicadas dentro de la zona de estudio y de estaciones de apoyo ubicadas en cuencas

vecinas. Con dicha información, se realiza el análisis regional de esta variable con el

fin de conocer el comportamiento y distribución espacial y temporal.

Evapotranspiración

La evapotranspiración es la cantidad de agua que retorna a la atmósfera, tanto por

transpiración de la vegetación como por evaporación del suelo. Su magnitud depende

del agua realmente disponible, es decir la que el suelo ha logrado retener para el

consumo de la vegetación, así como la que ha sido interceptada por ésta. Respecto a

la relación bosques – lluvia, Llerena (2003), afirma que “una de las interrelaciones

más importantes se da en el proceso de intercepción, por el cual gran parte de la

precipitación incidente en la cuenca moja el follaje, queda retenida en la copa de los

árboles y retorna la atmósfera por evaporación. Los valores de intercepción varían en

función de la composición del bosque, sus características y ubicación. Un rango de

valores medios de intercepción expresada como porcentaje de la lluvia total,

generalmente aceptado para los bosques 15 a 40 %.

INFILTRACIÓN

Es el proceso por el cual el agua llega al suelo desde la superficie, y son varios los factores que intervienen para que esto suceda; entre los que se puede mencionar: - Humedad del Suelo: cuando el suelo está seco, la capacidad de infiltración es mayor hasta que las partículas que forman parte de éste suelo absorben el agua que necesitan; además, las fuerzas gravitacionales también ejercen fuerza sobre el agua que ingresa al suelo. - Permeabilidad del suelo: depende principalmente del tamaño y distribución de los granos del suelo. La permeabilidad puede ser afectada por otros ESCORRENTÍA SUPERFICIAL Es el volumen de lluvia que hace su recorrido sin infiltrarse, desde el lugar donde cae hasta la corriente de agua a la que alimenta. La escorrentía comprende el exceso de la precipitación que se almacena después de una lluvia intensa y que se mueve libremente por la superficie del terreno, todo éste flujo contribuye para alimentar y aumentar el caudal que circula por las corrientes principales de agua. La corriente de agua puede ser alimentada tanto por el exceso de precipitación como por las aguas subsuperficiales y subterráneas; al aporte subterráneo se lo conoce como caudal base.

ECUACIÓN GENERAL DEL BALANCE HÍDRICO

En el balance hídrico global de una zona determinada, en general la diferencia entre

las entradas y salidas de agua no es exactamente igual a la variación en el

almacenamiento debido a la existencia de un error de cierre del balance.

P + Qse + Qpe - ETR - Qss - Qps

DV = e

Donde

P precipitación

Qse = caudal superficial entrante

Qpe = caudal subterráneo entrante

ETR = evapotranspiración real

Qss = caudal superficial saliente

Qps = caudal subterráneo saliente

DV = variación en el almacenamiento (diferencia entre el volumen inicial y el final

considerando la reserva en el acuífero, suelo, zona saturada, cauces, etc.).

La fiabilidad de la estimación de las extracciones depende de la fiabilidad de todos y

cada uno de los componentes de la ecuación del balance.

Las posibles entradas y salidas de un acuífero en régimen de explotación pueden

deberse a numerosas causas:

Entradas de agua Salidas de agua

A través de la superficie freática (recarga de lluvia o

retornos de riegos) para acuíferos libres Por extracciones

Por goteo desde los acuíferos hacia los semi-

confinados y cautivos. Por manantiales

Por cauces Por rezumes

Por pérdidas de lagos o embalses Por descargas a

ríos

A través del contacto con otras formaciones

geológicas

Por transferencias

hacia otros acuíferos

Procedentes de la infiltración de la escorrentía de

zonas más altas de la cuenca

La evaluación de los componentes de un balance presenta siempre ciertas

dificultades, muy especialmente en el caso de la recarga. La recarga comporta

considerables incertidumbres que solo se pueden minimizar si se dispone de una

adecuada caracterización hidrogeológica de la zona y de una buena base de datos

históricos sobre la evolución hidrodinámica e hidroquímica del sistema.

Como puede observarse, la disponibilidad de agua en la cuenca, depende

exclusivamente de la ocurrencia de precipitaciones, las cuales constituyen la fuente

proveedora de este recurso.

Por tanto, según la evaluación efectuada, puede verificarse que se presentarán

excedentes de agua durante los periodos de lluvias, que ocurren entre los meses de

diciembre a abril; mientras que se evidenciaran déficits de agua, en el periodo

denominado de sequía, que se presenta entre los meses de mayo a noviembre. En el

periodo de lluvias se produce también el almacenamiento de agua en el suelo que

contribuye a la disponibilidad de agua en la cuenca especialmente durante el periodo

de estiaje.

MODELO DE BALANCE HÍDRICO

Un balance hídrico es la cuantificación tanto de los parámetros involucrados en el

ciclo hidrológico, como de los consumos de agua de los diferentes sectores de

usuarios, en un área determinada, cuenca, y la interrelación entre ellos, dando como

resultado un diagnóstico de las condiciones reales del recurso hídrico en cuanto a su

oferta, disponibilidad y demanda en dicha área. Dado que el Balance Hídrico presenta

un diagnóstico de las condiciones reales del recurso hídrico en un área en particular,

permite tomar medidas y establecer lineamientos y estrategias para su protección y

utilización de una manera integrada, de tal forma que se garantice su disponibilidad

tanto en cantidad como en calidad.

El modelo de balance hídrico se basa en la ecuación de conservación de masa:

ENTRADAS – SALIDAS = CAMBIO DE ALMACENAMIENTO

En el modelo del Balance Hídrico se considera las siguientes entradas:

Precipitación,

Importaciones superficiales de otra cuenca,

Retornos de la demanda.

Las salidas consideradas son las siguientes:

Evapotranspiración real.

Evaporación de cuerpos de agua.

Evaporación en áreas urbanas.

Escurrimiento superficial.

Demanda interna en la cuenca.

Demanda externa de la cuenca.

Como Cambio de almacenamiento:

Recarga de acuíferos.

Variación de nivel en cuerpos de agua (lagos, lagunas, embalses).

ESQUEMA DE BALANCE HÍDRICO

EJEMPLO1.-

EJEMPLO 2. CUENCA DE URGUAY DEL CAUCE TACURI

BIBLIOGRAFÍA Fuente: MANUAL DE RIEGO Edmundo Varas B. Jorge Sandoval.

Instituto de Investigación Agropecuaria.

http://www.biblioteca.org.ar/libros/210640.pdf http://es.wikipedia.org/wiki/Canal_de_riego Canales Elorduy, Armando. 1989. Hidrología Subterránea. Ed. Insto. Tecnológico de

Sonora. 224 p.

http://www1.ceit.es/asignaturas/Cursos/ii/cuarto/ciemedamTEMA1ciclohidrol.htm

http://www.isf.uva.es/cursotsd/tsd4/ Agua_Saneamiento_e_Infraestructuras_I.pdf

http://personales.com/colombia/manizales/BALANCEHIDRICO/