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IAHR AIIH
XXVII CONGRESO LATINOAMERICANO DE HIDRÁULICA
LIMA, PERÚ, 28AL 30 DE SETIEMBREDE 2016
EXPERIENCIAS SOBRE LA MEDICIÓN DEL AGUA EN CANALES DE
RIEGO EMPLEANDO MEDIDORES ULTRASÓNICOS
Víctor M. Arroyo Correa, Víctor G. Mejía Astudillo, Mauricio Escalante Estrada, Guillermo
Reza Arzate, Rubén Morales Pérez, Cecia Millán Barrera Instituto Mexicano de Tecnología del Agua, México, [email protected], [email protected],
[email protected], [email protected], [email protected]
RESUMEN:
La medición del agua de riego resulta una actividad importante para su gestión y su uso
eficiente. Medir bien el agua trae consigo beneficios ya que aumenta la confianza de los usuarios,
apoya objetivamente las decisiones de mejora, aumenta la eficiencia en el uso del recurso, y facilita
la comparación en caso de controversia. Para el caso de canales de riego, la medición del agua
mediante tecnología ultrasónica tiene retos importantes para su adaptación y transferencia en
campo. En la actualidad, las técnicas de medición del agua en la infraestructura hidráulica han
estado cambiando debido a la disponibilidad en el mercado medidores ultrasónicos. En este trabajo
se expone la experiencia en México de los últimos 15 años sobre la transferencia y uso de la
tecnología de medición ultrasónica en conductos de riego empleando medidores ultrasónicos de
efecto doppler y medidores ultrasónicos tiempo de tránsito. Se exponen aspectos sobre la
adaptación y la transferencia de la tecnología, la capacitación a los usuarios y los resultados
obtenidos.
ABSTRACT: The measurement of the irrigation water is an important activity for its management and its
efficient use. Measure water in a proper way will bring benefits and increases the users confidence,
supports objectively the decisions of improvement, increases the efficiency in resources use, and
facilitates the comparison in case of dispute. In irrigation channels, water measurement using
ultrasonic technology has important challenges for adaptation and transfer in the field.
Nowadays, water measurement techniques in the different hydraulic infrastructure have been
changing due to the availability in the market of wide range of ultrasonic meters. In this work the
experience in Mexico over the last 15 years transferring and using ultrasonic (specially doppler and
transit time) measuring technology in irrigation channels is presented. Aspects of adaptation and
technology transfer, training of users and the results are also exposed.
.
PALABRAS CLAVES: medición del agua, medición ultrasónica, canales de riego, medidores
doppler, medidores tiempo de tránsito.
INTRODUCCIÓN
El sector agrícola constituye el principal consumidor del agua respecto a cualquier otro
sector. La principal característica es que los conductos que utiliza para la distribución del agua son
mediante conductos de grandes dimensiones. La medición del gasto volumétrico en canales de riego
siempre se ha llevado a cabo, sin embargo, diversos estudios realizados por la Comisión Nacional
del Agua(Conagua), que es el organismo público federal encargada de administrar las aguas
nacionales en México, demostraron que dicha medición podría mejorarse sustancialmente, y
determinó que el objetivo superior de la medición es el uso eficiente del agua; la importancia de tal
objetivo justifica plenamente la intención de mejorar la forma de medir.
Existen varios enfoques sobre los criterios técnicos de la medición. Sin embargo nadie puede
poner a discusión que la medición está fuertemente relacionada al concepto de uso eficiente del
agua. Un programa de uso eficiente del agua requiere como dato básico la cantidad de agua que se
está usando o extrayendo para cierta actividad. De la medición misma, depende la calidad con que
se estimen los índices de eficiencia, los cuales son a su vez los indicadores prácticos sobre la
utilización o desperdicio del agua en una zona de riego.
En la práctica del riego, la medición del agua puede mejorarse sustancialmente en los
siguientes aspectos: (a) exactitud, debido a que los métodos actualmente usados tienen una
exactitud baja (molinete y curvas de calibración de válvulas y compuertas); (b) totalización, porque
se afora a ciertas horas sin registrar los cambios de gasto fuera de este horario, por lo que los
volúmenes acumulados podrían tener grandes errores; (c) problemas de operación, ya que el
encargado del riego coloca aproximadamente el gasto solicitado y tiene que esperar varias horas,
inclusive más de un día, para que el encargado de la medición determine el gasto que se está
extrayendo y generalmente a veces no es el solicitado, sobre todo si el canal conduce grandes
volúmenes de agua; y (d) envío de los datos de medición por telemetría para consultarlos vía
internet.
Atendiendo a lo anterior, desde el año 2000 la Conagua, inicio un programa para el
mejoramiento de la medición en las principales presas y canales de riego. En este trabajo se expone
la experiencia en México de los últimos 15 años sobre la transferencia y uso de la tecnología de
medición ultrasónica en canales de riego empleando las siguientes tecnologías: medidores
ultrasónicos de efecto doppler y medidores ultrasónicos tiempo de tránsito. Específicamente se
exponen aspectos sobre la selección, la adaptación, la transferencia, la capacitación a los usuarios y
los resultados obtenidos.
SELECCIÓN DEL MEDIDOR.
La gran diversidad de estructuras hidráulicas por donde el agua se almacena, fluye y se
controla, hace que la localización y selección del dispositivo de medición, sea la cuestión más
importante de responder. Por lo general, el diseño y construcción de la infraestructura hidroagrícola
se realiza poniendo poca tención en dejar los requerimientos para este fin. Esto, sumado al deterioro
de la infraestructura, hace que la selección de sitio apropiado para localizar el dispositivo de
medición o la técnica de medición sea difícil de instalar o de llevar cabo. La medición tiene muchos y variados problemas que resolver antes de considerar que se ha
logrado una medición de calidad. Los siguientes pueden ser los problemas más comunes para
medir: insuficiente tramo recto en el sitio de medición, presencia de vandalismo, cantidad
importante de azolve y espuma en el canal, secciones hidráulicas irregulares, y bordos libres
insuficientes.
Tramos rectos insuficientes.
Vandalismo.
Presencia de azolve.
Espuma en la superficie.
Sección hidráulica irregular.
Bordo libre insuficiente
Figura 1.- Problemas más comunes para elegir un sitio adecuado para medición.
Para la selección del medidor es muy importante que el usuario final (que por lo general es
la persona que en campo le va a dar seguimiento al medidor) tenga conocimiento y la necesidad real
de medir. Antes de seleccionar el medidor, se deben de realizar reuniones previas con el usuario
final para conocer las condiciones y características del sitio. Como regla general no se debe de
imponer ningún medidor si no hay ninguna petición formal de que se requiere el estudio para la
selección del medidor.
Una vez que se tiene la solicitud formal, el especialista encargado de hacer la selección debe
de solicitar a través de formatos elaborados las características del sitio que debe comprender los
siguientes aspectos: ubicación del sitio, geometría del canal, datos hidráulicos de operación del
canal, presencia de sedimentos y espuma, vandalismo, recepción de señal (satelital, celular o radio).
El especialista encargado de decidir la selección debe tener en cuenta que las técnicas y
métodos para medir el flujo desde hace 20 años han tenido cambios importantes. Los equipos
principalmente están basados en el principio de emisión de ondas ultrasónicas, láser y
electromagnéticas.
Los equipos de emisión de ondas ultrasónicas están divididos, para el caso de medición de
flujo, en perfiladores acústicos por efecto doppler (ADV acoustic doppler velocimeter, ADCP
acoustic doppler currente profiler) y los de emisión-recepción de ondas acústicas conocidos como
medidores de tiempo de travesía (transit time).
Desde el punto de vista en la determinación del volumen por unidad de tiempo (conocido
como gasto o caudal) con un equipo de medición ultrasónica, tiene una diferencia sustantiva en
función del equipo. Por una parte los equipos de efecto doppler ADCP son montados a una altura
fija en un costado del canal, y para su puesta en operación es necesario realizar una calibración con
un equipo de referencia o primario (IEC 60041, ISO-748), por este motivo los equipos de efecto
doopler son considerados como equipos secundarios.
En contraste, los sistemas de medición de tiempo de travesía en la configuración de cuatro
trayectorias realizan un efecto de seccionamiento por dovelas, similar a lo recomendado en el uso
del método de área-velocidad (ISO-748), por este motivo si la instalación es correcta, según las
recomendaciones de la ISO-6416, este equipo es un medidor primario.
Por la forma de operar los canales de riego e incluso algunos cauces naturales, el uso de un
equipo de medición ultrasónica de tiempo de travesía tiene ventajas significativas, tales como:
a) Monitoreo continuo del caudal, las técnicas tradicionales de aforo con el método de área-
velocidad tiene un monitoreo en el mejor de los casos cada 2 horas, adicionando un costo
alto de inversión en personal.
b) Equipo de medición primario, sí el equipo está bien instalado puede ser un equipo de
medición de flujo primario.
c) No es necesario hacer modificaciones a la forma de la sección transversal y por lo tanto no
afecta la capacidad de conducción del canal.
d) Los costos de instalación son mayores, pero en el largo plazo los costos de mantenimiento y
personal compensan la inversión inicial; lo anterior se ha realizado en comparación con las
técnicas tradicionales de medición con molinete o con equipos modernos de perfilación
acústica ADCP móviles.
Los microprocesadores han permitido que la tecnología de tiempo de travesía mejore sus
capacidades de cálculo y discriminación de la señal, en un punto donde existían problemas debido a
la variación de las características del líquido. Otra de las grandes ventajas en los medidores actuales
de tiempo de travesía, es la capacidad para transmitir pulsos múltiples, en lugar del pulso simple
que transmitían los primeros sistemas. En un sistema pulsos múltiples la pérdida de señal debido a
la presencia de aire o sólidos es insignificante comparadas con el sistema de pulso simple.
Desde el punto de vista del tamaño de los conductos, la exactitud de la medición es mejor
cuando se pueden tener arreglos de varios sensores ultrasónicos como lo permiten los sensores tipo
de travesía, incluso estos arreglos están referenciados en las normas IEC 60041 y la ISO 6416.
En el caso de conductos a superficie libre si la variación del tirante es mínima, se podría
preferir un medidor tipo doppler, sin embargo, se tiene que considerar aspectos importantes como la
calibración. En general los medidores tipo doppler requieren calibración en campo, mientras que los
tipo tiempo de tránsito no lo requieren cuando son sistemas multitrayectoria. Este tipo de medidores
pueden tener una sola trayectoria acústica generada por un par transductor o un sistema
multitrayectoria, empleando varios pares, siendo ésta última la más adecuada cuando no se cumple
con la longitud recta mínima que deben existir aguas arriba y aguas abajo de donde se colocan los
pares transductores. Los medidores que emplean una sola trayectoria acústica generalmente son una
alternativa de bajo costo, siendo menos complejos, lo que permite una fácil instalación. Los
medidores multitrayectoria trabajan mejor bajo niveles variables y/o distribución de perfil de
velocidad no ideal, causado por perturbaciones en el flujo tanto aguas arriba como aguas debajo de
la sección de medición. Este tipo de medidores pueden suministrar información confiable y
continua sobre los gastos en un rango amplio de condiciones.
Siendo la velocidad el principal parámetro que nos proporcionan estos medidores, se tiene
también diferencias entre los medidores doppler y tiempo de tránsito que se deben de tener en
cuenta en la selección del medidor. Con relación a este parámetro los medidores doppler
típicamente tiene un rango de medición entre 0 y 7 m/s, mientras que los medidores tiempo en
tránsito su rango es entre 0 y 20 m/s con la posibilidad de medir en ambas direcciones.
Los medidores tipo doppler han mostrado buen
desempeño en canales donde la variación de los
tirantes es mínima. Si embargo se necesita
calibración.
Los medidores tipo tiempo de tránsito han
mostrado buen desempeño en canales donde
existe variación de los tirantes. En la mayoría
de las aplicaciones no se necesita calibración.
Figura 2.- Medidores tipo doppler y medidores tipo tiempo de tránsito.
La adaptación y transferencia
Las tecnologías doppler y tiempo de tránsito son componentes electrónicos delicados que al
instalarlos en condiciones de campo se enfrentan a una crisis de adaptación y transferencia máxime
si el entorno sociocultural y económico de la región es bajo. Independientemente de la tecnología a
usar, los medidores deben funcionar con un sistema autónomo de energía a través de un sistema
fotovoltaico, de esta forma hay componentes que deben de quedar expuestos y a la vista del paso de
personas. Inicialmente los medidores se colocaban en instalaciones expuestas esto permitía un
ahorro económico inicial importante. Sin embargo el vandalismo terminó con muchos sistemas en
los primeros meses de su instalación.
Los medidores tipo doppler inicialmente se
colocaban usando los rieles como lo
recomendaba el fabricante.
Los medidores tipo tiempo de tránsito
inicialmente se colocaban a base de cableados
expuestos sobre los taludes del canal.
Actualmente los medidores tipo doppler se
instalan en nichos manteniendo una altura fija.
Actualmente el sensor y el cableado de los
medidores tipo tiempo de tránsito se ocultan en
nichos y ranuras.
Figura 3.- Para proteger los sensores se han adaptado procesos constructivos.
Actualmente, los sensores y cables de alimentación eléctrica se instalan a base de tuberías
ocultas y nichos. Las celdas solares son ahora protegidas con marcos estructurales y cercas de
malla. Los componentes que pueden ocultarse se colocan en casetas de concreto armados con
puertas y chapas de alta seguridad. Inicialmente estas casetas se construían a base de mampostería
por lo que eran vulnerables a saqueos. Estas adaptaciones han permitido transferir la tecnología a
sitios con alto nivel de vandalismo.
Los componentes actualmente se alojan en
casetas reforzadas a base de concreto armado.
Las celdas solares son protegidas a base de
marcos estructurales.
Figura 4.-. Adaptaciones realizadas para la protección de los componentes eléctricos y
electrónicos.
Otra adaptación que se ha implementado es la de construir un pozo para medir la
profundidad del agua en el canal. Funciona a través del principio de “vaso comunicante” con lo que
se consigue que la superficie del agua se mantenga libre de ondas superficiales. En este pozo se
instala el sensor para determinar el nivel del agua lo que origina que el cálculo del área hidráulica
sea con la mejor exactitud. Por lo general el sensor que se ha usado es del tipo ultrasónico y se
instala en la parte superior del pozo permitiendo que su verificación y mantenimiento o un posible
reemplazo se haga muy fácil. Otro componente del pozo que se debe de diseñar adecuadamente es
la estructura que aloja los tubos comunicantes, la experiencia ha sugerido que en función de la
cantidad de azolve y material en suspensión se coloquen mas de un tubo, esto garantizará que
siempre exista la comunicación entre el canal. El pozo se construye debajo de la caseta de esta
forma su estructura actúa como parte del cimiento de ésta. La colocación del pozo se instala
solamente para canales que tengan una altura menor a cuatro metros. Para alturas mayores, el costo
de construcción es elevado por lo que para estos casos se ha preferido instalar un sensor de presión
directamente colocado sobre alguno de los taludes del canal.
Excavación para adaptar el pozo
Estructura de vaso comunicante entre el canal y
el pozo
Estructura que aloja los tubos comunicantes
Vista del interior del pozo
Vista del sensor de nivel en la parte superior
del pozo
Vista de la caseta terminada
Figura 5.-. Adaptación del pozo para medir el nivel del agua en el canal.
Para la extracción de datos es muy importante que el medidor permita el uso del puerto
USB, de esta forma se asegura que el usuario final no necesite de ningún equipo adicional para
obtener los datos de medición. Anteriormente la mayoría de los medidores solamente permitían la
extracción de datos a través de conectar una computadora portátil y haciendo uso del software
específico, con este procedimiento aumentaba el riesgo de que el usuario cometiera algún error lo
que originaba la pérdida de la programación del medidor. Otros usuarios para evitar este riego
preferían no extraer los datos y solo se quedaban con la opción de ver los datos en la pantalla.
Actualmente no se permite la instalación de medidores que no tengan como opción el uso de la
memoria USB para la extracción de datos.
Otra alternativa para extraer y visualizar los datos, incluso para dar seguimiento al
desempeño del medidor, es la adaptación de un sistema de telemetría. Inicialmente se optó por el
uso de un sistema satelital, sin embargo actualmente la cobertura de telefonía celular ha aumentado
lo que ha permitido también el uso de este servicio que es muy económico. El seguimiento a través
de este sistema de telemedición ha permitido tener respuesta rápida para reparar algún componente
averiado. Asimismo como parte importante de la transferencia es disponer de los datos de medición
en una página web, de esta forma los datos de medición pueden ser consultados por diferentes
niveles jerárquicos en la toma de decisiones.
La comunicación vía satelital o celular permite
la consulta de los datos de medición en forma
remota.
Los datos de la medición son consultadas a
través de un sitio en internet.
Figura 6.-. Adaptaciones realizadas para la consulta de datos a través de internet.
La capacitación a los usuarios
El personal encargado de dar seguimiento en campo requiere de una adecuada capacitación
ya que serán ellos los que aseguren que los medidores cumplan con su objetivo. Es aquí donde
juega un papel importante la necesidad que ellos tienen del medidor. Estos usuarios son los que
mostrarán el interés de capacitarse y la de proponer y realizar las mejoras continuas para mantener y
prolongar la vida útil de los medidores y sus componentes. La capacitación a técnicos de empresas
locales y regionales también es un punto muy sobresaliente ya que esta capacitación impactará en
los costos de instalación y mantenimiento durante la vida útil. Por ejemplo, cuando se instalaron los
primeros medidores, prácticamente no había técnicos nacionales que conocieran esta tecnología por
lo que la instalación se realizó a través de licitaciones internacionales, ello originó que las primeras
instalaciones fueran muy caras porque incluían el transporte aéreo y los honorarios diarios de los
técnicos extranjeros que verificaban la instalación, aumentando el costo cada vez que estos técnicos
atendían reportes de falla fuera del periodo de garantía. Durante estos 15 años de capacitación se ha
logrado la incorporación de empresas nacionales para que concursen en las nuevas instalaciones y
en los programas de mantenimiento permitiendo un ahorro importante de recursos.
La capacitación integra temas que van desde el funcionamiento básico, hasta la realización
de pruebas para evaluar el desempeño de los medidores. Esta capacitación asegura que los
programas de mantenimiento sean eficientes ya que permiten identificar el reemplazo de
componentes averiados, incluso hasta proponer el cambio de tecnología cuando las condiciones de
operación del canal de riego han cambiado.
Resultados obtenidos
Con la instalación de sistemas de medición se tiene implementada una herramienta muy
importante que ayuda al mejoramiento de la medición. Estos dispositivos ha permitido mejorar la
calidad de la medición: se ha disminuido el error del 20% a errores entre 2% y 5%.
Así mismo se cuenta ahora con el monitoreo continuo y sistemático de las extracciones de
agua. El gasto y volumen totalizado se pueden consultar en forma gráfica, vía internet, y permite
tener respaldos históricos de estas variables en archivos electrónicos para consultas rápidas. Los
resultados del uso de los nuevos sistemas de medición han producido un cambio tecnológico en la
medición y distribución del agua de riego en los diferentes distritos de riego.
Las adaptaciones realizadas a lo largo de estos años han permitido que los sistemas de
medición se transfieran a los usuarios con un mejor desempeño
REFERENCIAS Arroyo Correa Víctor Manuel, Aguilar Chávez Ariosto, Álvarez Bretón Ricardo Andrés, Bonola
Alonso Isaac, López Vázquez Alejandro, Mejía Astudillo Víctor Guillermo, Millán Barrera Cecia,
Pedroza González Edmundo, Salgado Maldonado Gilberto, Santana Sepúlveda Sergio, Tamari
Wagner Serge (2006). Mejoramiento de la medición en presas de almacenamiento y pozos agrícolas (2005-
2006). México: Instituto Mexicano de Tecnología del Agua. Informes técnicos: HC0514-3 y HC0614-3,
2006. 237pp. Arroyo, Víctor M. y Víctor Mejía (2004). “Medición del flujo en los túneles de la presa Marte R. Gómez,
México”. XX1 Congreso Latinoamericano de Hidráulica. São Pedro, estado de São Paulo, Brasil, Octubre
2005.
Pedroza, G. Edmundo; Millán, Barrera C.; Arroyo, Víctor M.; Santana, Sergio J.; López, V.
Alejandro (2007). Medición del flujo volumétrico en presas, canales y pozos. Instituto Mexicano de
Tecnología del Agua, Primera Edición, México. 304 pp.
ISO 748 (2007). Hydrometry- Measurement of liquid flow in open channels using current-meters or
floats. Reference number: ISO 748:2007(E).
ISO 6416 (2004). Hydrometry- Measurement of discharge by the ultrasonic (acustic) method.
Reference number: ISO 748:2007(E).
IEC 60041 (1991). Field acceptance tests to determine the hydraulic performance of hydraulic
turbines, storage pumps and pump-turbines. Reference number: IEC 60041:1991(E).