CAUDAL: DEFINICION Y METODOS DE MEDICION

Como definición general, se conoce como caudal, a la cantidad de fluido que circula a través de una sección de un ducto, ya sea tubería, cañería, oleoducto, río, canal, por unidad de tiempo. Generalmente, el caudal se identifica con el flujo volumétrico o volumen que pasa por un área determinada en una unidad de tiempo específica.

El caudal de un río puede aumentar o disminuir dependiendo de la estación del año, por ejemplo, los ríos que se alimentan principalmente del deshielo de las capas de nieve, aumentan su caudal en primavera, mientras que ríos cuya agua procede de las precipitaciones de aguas meteóricas, presentan niveles máximos de caudal en épocas de lluvias y niveles mínimos en las estaciones o meses más secos. Es por esto que, si la fuente hídrica se localiza en zonas con altos índices de precipitación a lo largo del año, el caudal será constante y regular, y si se localiza en zonas donde la precipitación sea irregular, sufrirá fuertes crecidas en las épocas de lluvia y bajará su nivel de agua el resto del año; este fenómeno se conoce como estiaje.

Río donde se aprecia un alto caudal.

Factores que pueden afectar el caudal de un río

Superficie de la cuenca

La superficie de la cuenca de un río es el factor más importante que determina el caudal del mismo. Generalmente, cuando se tienen dos ríos que mantienen igualdad de condiciones (zonas de clima y relieve similar), presentará mayor caudal el río que presente la cuenca más extensa. Por ejemplo, el río Amazonas es el río que presenta una cuenca de más de 7 millones de Km2, siendo esta la cuenca más extensa y la que presenta el mayor caudal en todo el mundo (200.000 m3/seg aproximadamente).

Clima

Las zonas donde se presentan climas más húmedos y lluviosos generan que los ríos tengan un caudal más constante y abundante, en cambio si los ríos discurren por zonas donde el clima sea diverso, el caudal que estos dependerá de la estación del año que se presente en la zona.

Régimen fluvial

Se define el régimen fluvial como la evolución del caudal de una corriente durante un año a lo largo de todo su curso. Este factor se encuentra ligado a factores naturales como relieve, litología, clima y vegetación, así como a acciones antrópicas ya sean positivas o negativas.  El régimen fluvial depende de la precipitación debido a que esta alimenta el caudal de la mayoría de fuentes hídricas.

Vegetación natural

La presencia de la vegetación natural en sectores aledaños al río, es un factor que ayuda a generar zonas de estabilidad en las orillas, disminuyendo el riesgo de erosión del suelo por la acción de la corriente, en general, las zonas más próximas a los cauces tienen buenas condiciones para la retención de agua y sedimentos creando zonas óptimas para el almacenamiento de agua y así mismo formando llanuras de inundación.  Cuando se tienen raíces en la fuente hídrica, aumenta la cohesión del suelo y su resistencia, a la vez que disipa la energía y velocidad del cauce de las aguas.

Río Amazonas, conocido por ser el río con el mayor caudal en el mundo.

¿Cómo se determina el caudal en una fuente hídrica?

Conocer la variación del caudal que fluye por una determinada sección de un cauce natural es de suma importancia en los estudios hidrológicos, principalmente en estudios enfocados hacia la calidad del recurso hídrico ya que el valor mínimo del caudal de una fuente ayuda a determinar el cálculo de la demanda del recurso para la población.

El aforo de caudales de cauces naturales es la operación de medición del volumen de agua que transcurre en una sección determinada en un intervalo de tiempo determinado.  Las mediciones de caudales mediante aforos se pueden ejecutar de dos formas:

• De manera continua o permanente, donde en la zona que se desea aforar se realiza la instalación ya sea de estaciones medidoras (limnimétricas) o de estaciones de registro (limnigráficas).

• De manera puntual, aislada o instantánea, donde en la zona que se va a efectuar el aforo se realizan mediciones de caudal en determinados momentos donde se desee conocer la magnitud de una corriente en particular.

Estación limnimétrica, empleada para la medición de caudales de cauces naturales.

Métodos de Aforo empleados para determinar el caudal

Al momento de hacer la selección una sección de aforo, se debe tener el conocimiento y la certeza que la forma de dicha sección no se verá afectada por cambios en el tiempo, es decir que corresponde a un tramo de río o arroyo que no sufre socavación y no está en proceso de sedimentación.

Para realizar el cálculo del caudal de una fuente hídrica, gran parte de los métodos de aforo se basan en la ecuación de continuidad Q = V*A, donde V representa la velocidad de la sección y A, el área dónde se realizó el aforo. Lo métodos más empleados para conocer el caudal de una fuente son los siguientes:

• Aforo Volumétrico:

Este tipo de aforo representa la forma más sencilla para realizar el cálculo de caudales pequeños, consiste en desviar el agua hacia un canal o un ducto que realiza la descarga del recurso en un recipiente y medir el tiempo que demora su llenado mediante un cronómetro.  Para corrientes con caudales superiores a 4 l/s, es recomendable realizar el aforo en un recipiente con capacidad de 10 litros, el cual se llenará en un tiempo aproximado de 3 segundos; para corrientes que presenten caudales menores a 50 l/s, se recomienda emplear un recipiente de 200 litros.

La ecuación que se utiliza para determinar el valor del caudal es Q=V/t, dónde V es el volumen del recipiente y t es el tiempo de llenado del mismo, para una mayor precisión del cálculo del caudal, es recomendable realizar varias tomas del tiempo de duración del llenado del recipiente, promediar dichos tiempos para posteriormente aplicar la ecuación de determinación del caudal.

Método de Aforo Volumétrico.

• Aforo Con Tubo De Pitot:

La mayor aplicación del aforo con tubo de Pitot se encuentra en la medición de velocidades en flujo a presión, es decir, flujos que se mueven a través de tuberías, sin embargo, también se aplica en la medición de velocidades de caudal en pequeñas corrientes naturales. Este tipo de aforo permite medir la velocidad de la corriente en diferentes profundidades, por lo cual se puede conocer la velocidad media en la sección donde se realiza el aforo, que, multiplicada por el área de la misma, se obtiene como resultado el caudal de la corriente.

• Aforo Con Trazadores Fluorescentes o Colorantes:

El uso de colorantes para medir el caudal en corrientes de agua es uno de los métodos más sencillos y de mayor éxito. Una vez que se tiene seleccionada la sección de aforo, en la que el flujo de agua es constante y uniforme se adiciona colorante en el extremo de aguas arriba (punto de inicio) y se mide el tiempo de llegada al extremo de aguas abajo (Punto final). Conocida la distancia entre los dos puntos de inicio y final, se puede dividir esta por el tiempo de viaje del colorante, obteniéndose de esta forma el caudal superficial o subsuperficial de la corriente. Los colorantes comúnmente empleados en este tipo de aforo son la fluoresceína, el rojo congo, el permanganato de potasio, la rodamina b y el pontacil rosa B brillante.

• Aforo Con Flotadores:

Es el método de aforo más sencillo de realizar, pero también el más impreciso, se utiliza principalmente para conocer la cantidad de agua que circula en canales y cauces pequeños; por lo tanto, el empleo de este tipo de aforo se limita a situaciones donde no se requiera conocer el valor del caudal con mayor precisión. Con este método se pretende conocer la velocidad media de la sección para ser multiplicada por el área, y conocer el caudal, según la ecuación de continuidad (Q=V*A).

El método de aforo de caudal mediante flotadores consiste en tomar un tramo de la corriente de longitud L, medir el área A de la sección y posteriormente lanzar aguas arriba de primer punto de control un cuerpo que pueda flotar, cuando el cuerpo pasa por el punto de inicio, se realiza la toma del tiempo que dura el recorrido del objeto hasta el punto de control corriente abajo. Para realizar este aforo se emplean tres clases de flotadores: de superficie, de subsuperficie, y de bastón o varilla.

• Flotador de Superficie: Puede ser cualquier objeto que flote con su centro de gravedad cerca de la superficie libre del agua. Este tipo de flotadores dan la velocidad cerca de la superficie libre de la corriente.

• Flotador de Subsuperficie: Consiste en un flotador de superficie unido por un cable a otro sumergido de mayor peso y que mantenga tirante el cable sin hundir el flotador de superficie. Como el flotador sumergido es relativamente grande, se desprecia por lo general el efecto del objeto en superficie. Este tipo de flotadores es empleado principalmente para determinar la velocidad y dirección de las corrientes subsuperficiales en lagos, puertos y grandes masas de agua.

• Flotadores de bastón o varilla: Son construidos con palos de madera o cilindros metálicos huecos contrapesados en un extremo de manera que puedan flotar en posición vertical con el extremo sin contrapeso emergiendo ligeramente de la superficie del agua. Deben estar lo más cerca posible del fondo del cauce sin que lo toque en ningún punto de su trayectoria para evitar la toma de datos erróneos.

Método de aforo de caudales mediante el uso de flotador superficial.

• Aforo Con Molinete O Correntómetro:

Para determinar con mayor exactitud el caudal de una corriente se emplea el aforo con molinete, donde el elemento medidor consiste en una rueda con una serie de aspas que se mueven por la corriente, la rapidez de la rotación de las aspas depende de la velocidad del agua en el punto donde se realiza el aforo.  En corrientes superficiales se instalan pequeños molinetes sobre barras que sostienen operarios que caminan por el agua, mientras que cuando se hace la medición del caudal en grandes ríos, las lecturas se realizan desde un puente y el molinete se baja por medio de cables con pesas para retenerlo contra la corriente del río.

El molinete permite medir la velocidad en un único punto y para poder calcular el caudal total de la fuente hídrica se requieren varias mediciones. El procedimiento consiste en medir y trazar sobre un papel cuadriculado la sección transversal de la corriente a aforar y dividirla en tramos que cubran el área total de la sección. La velocidad media correspondiente a cada tramo del río se calcula a partir de la velocidad media medida a diferentes profundidades en el tramo. Cuando se tienen aguas poco profundas, la medición se efectúa en una única lectura a 0,6 metros de la profundidad de la tabla de agua de la fuente.

Método de aforo con molinete.