1. Ciencia

XXIII C ON G R E S O N A C I O N A L
AMH
DE
H I D R Á U LI C A
PUERTO VALLARTA, JALISCO, MÉXICO, OCTUBRE 2014
AMH
MEDICIÓN DE CORRIENTES NATURALES CON EQUIPOS DOPPLER (ADCP)
Díaz Arcos Jhon Sebastián1, Rivera Trejo Fabián1 y Priego Hernández Gastón Alejandro2
1
División de Ingeniería y Arquitectura, Universidad Juárez Autónoma de Tabasco.
Carretera Cunduacán-Jalpa de Méndez km. 1, Col. La Esmeralda, Cunduacán, Tabasco, México. C.P. 86690
2
División Académica de Ciencias Básicas, Universidad Juárez Autónoma de Tabasco.
Carretera Cunduacán-Jalpa de Méndez km. 1, Col. La Esmeralda, Cunduacán, Tabasco, México. C.P. 86690
[email protected], [email protected]
Introducción
Debido a la creciente demanda del recurso hídrico, cada vez se
disponen de nuevos y mejores equipos de medición de
caudales en cauces naturales.
Hasta hace poco los medidores mecánicos de velocidad, que
empleaban la fuerza del agua, como los correntómetros
(también llamados molinetes) eran los más empleados; sin
embargo, actualmente están siendo sustituidos por las nuevas
tecnologías de medición de efecto Doppler. Los perfiladores
de corrientes acústicos Doppler (por sus siglas en inglés
ADCP), fueron originalmente usados para medir campos de
velocidades en entornos oceanográficos. Actualmente se tiene
desarrollo de ADCP para condiciones de aguas más someras,
como es el caso de caudales fluviales (Simpson y Oltmann,
1993).
La mejora en la administración del medio (agua) es un
objetivo esencial para todos los que de una forma participan
en su planificación, control y gestión. El interés es compartido
por los usuarios y la sociedad en general. La medición de
caudal contribuye a este objetivo permitiendo el desarrollo y
la implantación de políticas y planes de uso del agua basados
en el conocimiento cuantitativo del recurso.
La medida del caudal en cauces responde a diversas
necesidades, todas ellas de gran valor para la sociedad. De
forma sucinta recordamos el valor que el conocimiento del
recurso tiene:


Para la gestión del mismo en situación ordinaria y
extraordinaria.
Para la correcta planificación y ordenación del
medio y las actividades asociadas al mismo
(Martirena, et al 2003).
nuevos equipos emergentes. Por lo cual se necesita de
personal calificado para poder llevar a cabo las correctas
mediciones, procesamientos de datos de cada una de estas
emergentes tecnologías que se están dando paso para el buen
uso de los recursos hídricos presentes
Zona de medición de corrientes
El área de medición seleccionada, se encuentra ubicada en la
confluencia de los ríos Grijalva-Carrizal (latitud 18°00´38´´ N,
longitud 92°53´49´´ O) en el municipio de Centro, Tabasco.
El río Grijalva forma parte de la región hidrológica GrijalvaUsumacinta dentro de la cuenca río Grijalva-Villahermosa.
Tiene sus orígenes en la entidad chiapaneca. El volumen de la
cuenca en el estado de Tabasco es de 10 586.60 Mm3 anuales.
El río Mezcalapa al llegar a la zona de planicie si bifurca en
dos corrientes, por un lado se encuentra el río Samaria y por el
otro se encuentra el río Carrizal. La importancia de este
sistema radica en que el río Carrizal atraviesa la ciudad de
Villahermosa, capital de Tabasco y es una de las dos
corrientes principales que rodean la ciudad.
Los dos ríos se convierten en una confluencia de corrientes
importantes, la del río Carrizal que escurre controlado y la del
río Grijalva que escurre libremente. Es por este motivo que se
decidió seleccionar este importante sistema de estudio.
La zona de estudio se encuentra ubicada en el Norte de la
ciudad de Villahermosa, Tabasco, en la confluencia GrijalvaCarrizal.
Para las instituciones como las del; Instituto Mexicano de
Tecnología del Agua (IMTA), Comisión Nacional del Agua
(CONAGUA), Comisión Federal de Electricidad (C.F.E),
Centro Nacional de Metrología (CENAM), etc. son
importantes estos estudios para poder entender y comprender
las condiciones que presentan los cauces naturales (IMTA,
2007).
Los equipos ADCP presentan una gran ventaja al medir
velocidades y caudales en ríos, son más precisos, más rápidos
y más seguros para el operador que los equipos
convencionales.
desafortunadamente, no es común el uso de equipos de efecto
Doppler en México, por lo cual se tiene poco conocimiento de
sus aplicaciones y funcionamiento del equipo que hace
referencia a la instrumentación más reciente, sin embargo, los
autores de este articulo están pendientes de la capacidad de los
Ilustración 1. Zona de medición y dirección del flujo de las
corrientes de los ríos Grijalva-Carrizal.
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Perfilador de corriente Doppler
El presente trabajo se emplea el medidor acústico Doppler
RiverCat de la marca SonTek, con una frecuencia de 1500
KHz, lo que permite medir profundidades del orden de los
0.85 hasta los 25m, el instrumento se configura con las
recomendaciones del fabricante presentadas en la siguiente
tabla (SonTek, 2007).
Tabla 1. Frecuencia de operación del RiverSurveyor
(SonTek, 2007).
Frecuencia
Rango
Mínimo
Mínimo Zona de
máximo de rango de tamaño Blanking
operación operación de celda
[
]
[ ]
[ ]
[ ]
[ ]
5000
2-25
0.30
0.08
0.10
3000
6
0.50
0.15
0.20
1500
25
0.85
0.25
0.40
1000
35-40
1.40
0.25
0.50
500
100-120
3.00
1.00
1.00
250
160-180
6.00
2.00
2.00
El StreamPro de la marca Teledyne RD Instrument de 1200
KHz, permite medir profundidades del orden de los 0.15 m
hasta los 4.00 m, su configuración es de acuerdo a las
establecidas por el fabricante, acoplado a un sistema de
posicionamiento global en forma diferencial (GPS). (Teledyne
RD Instrumento, 1996).
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pulso acústico procedente de un ADCP instalado sobre una
embarcación origina mediciones de la velocidad a lo largo de
la profundidad del caudal permitiendo, obtener datos del sitio
de medición.
Haz acústico
Fondo
Ilustración 2. Principio de operación de un perfilador de corriente
de efecto Doppler sobre una embarcación.
Las mediciones con ADCP llevadas a cabo se realizaron en
una embarcación en movimiento a través de los ríos: Grijalva,
Carrizal y la confluencia Grijalva-Carrizal entre puntos
opuestos de las orillas del río (secciones transversales).
Para llevar a cabo las mediciones de sitio, han de realizarse la
configuración y calibración del equipo para su correcta
recolección de datos, lo cual inicialmente el software debe
detectar el ADCP y el GPS para ambos equipos utilizados en
la presente investigación. Posteriormente se debe de
proporcionar de manera manual información los datos
siguientes:






Información del tamaño de celdas.
Salinidad del agua.
Intervalo de tiempo al emitir un pulso sonoro
acústico.
Calibración de la brújula del ADCP.
Declinación magnética.
Coordenadas de referencia (ENU y XYZ).
La calibración de la brújula interna del ADCP se debe realizar
en las siguientes condiciones solo en el caso de utilizar el
SonTek:


Ilustración 2. Zona de estudio mostrada para los equipos de
medición del lado izquierdo se aprecia la profundidad de
medición del StreamPro, del lado derecho se aprecia la zona de
medición del RiverCat.
El ADCP necesita que su sensor (transductor) este en contacto
con el agua, al momento de estarse realizando las mediciones
a través de la sección transversal del río para emitir y recibir
los pulsos sonoros (ping).
Estos pulsos sonoros son reflejados a través de la columna de
agua que al encontrarse con partículas suspendidas o burbujas
de aire estas son reflejados nuevamente al transductor, cada

Siempre que se inicie una medición en una nueva
zona de estudio (no confundir con una nueva
sección transversal).
Cada vez que se desmonte todo el sistema
RiverSurveyor.
Cuando el GPS se use como una referencia para
medir la descarga.
Durante el proceso de medición, los errores que se comenten
son muy frecuentes. Con el objetivo de minimizarlos se debe
realizar una medición preliminar del cauce, a partir de estos
primeros datos, se debe reajustar nuevamente la
configuración, si la primera configuración no obtuvo las
condiciones deseadas de medición óptima para obtener el
mayor número de celdas de información válidas, para ambos
casos se tiene que tener mucho cuidado en este procedimiento.
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Proceso de aprobación de las descargas de
medición
Los procedimientos a seguir para hacer la descarga de la
calidad de mediciones varían dependiendo de las
condiciones de flujo que se mide. Los procedimientos para
la medición de flujo estable las condiciones son diferentes
de los procedimientos utilizados para medir condiciones
inestables de flujo. Aunque los procedimientos pueden ser
diferentes para las diversas condiciones de flujo, la calidad
de
los
datos
indicados para ambas condiciones es coherente. Las
siguientes secciones se proporcionan detalles sobre los
procedimientos recomendados para medir el caudal en
condiciones estacionario y no estacionario de flujo así
como problemas de calidad de datos para monitorear en el
campo cuando se está haciendo mediciones de caudal.
En el transcurso de recolección de datos se obtuvieron los
perfiles transversales de cada seccionamiento realizado en
cada una de los cauces de los ríos los cuales se dividieron
en tres etapas de medición:



Río Carrizal.
Río Grijalva.
Confluencia Grijalva-Carrizal.
Rio Carrizal es del tipo río no estacionario, en el transcurso
del recorrido se realizó un levantamiento hidrodinámico de
la misma en el cual el factor de velocidad de la
embarcación en el recorrido es lento para obtener mejor
detalle de los datos obtenidos de esta medición.
En cada una de las secciones transversales se realizaron
cuatro transectos (dos en cada dirección) para tener una
mejor fiabilidad de los datos obtenidos debido
principalmente que cuatro transectos disminuyen los
errores obtenidos en cada sección realizada.
Ilustración 3. Observación de los datos recabados en una de las
secciones del río Carrizal en el cual se aprecia una zona de
turbulencia en el momento de la medición.
Río Grijalva es del tipo río estacionario. En toda la zona de
medición del río Grijalva, no se presentaron problemas de
mediciones debido principalmente a la estabilidad que
presenta en todo su trayecto el río hasta el punto de la
confluencia.
Las secciones llevadas a cabo en el transcurso del río son de
cuatro recorridos en cada una de las secciones realizadas, las
zonas de las orillas no se presentan ningún obstáculo lo que
permitió obtener buenos resultados en las mediciones.
Confluencia Grijalva-Carrizal se presentan dos tipos de
corrientes debido, principalmente donde, se encuentran los dos
ríos Grijalva y Carrizal por lo que se zonas en las cuales se
presentan turbulencias debido principalmente a que en margen
izquierda es donde entra el río Carrizal y esta son zonas que
han sido modificadas, mientras que el margen derecho donde
se encuentra el río Grijalva no ha sido modificado.
En el recorrido de las secciones transversales del río
empezó cerca de uno de los espigones que están en las
orillas de la curva que presenta el río Carrizal en donde,
zona donde se presenta grandes velocidades, en toda la
sección medida por lo que ocurrían zonas de turbulencia
fuertes en ciertos puntos, lo cual no permitían obtener
datos validos recolectados a través de la sección.
En las demás secciones siguientes las márgenes izquierda y
derecha del río Carrizal presenta bordos de concreto y
piedra lo que dificultaba de igual manera la obtención de
datos de las secciones transversales.
Para resolver el problema que presenta, se realizó una
nueva configuración del equipo para obtener mejores
resultados de los datos obtenidos, permitiendo minimizar
las zonas de incertidumbre o que no se presentaran errores
producidos por las zonas de turbulencia de igual manera,
mantener la embarcación a una velocidad constante pero,
debido a las fuertes zonas de corrientes no se podía
mantener la embarcación a unan velocidad constante pero
los resultados obtenidos en esta zona son buenas
comparadas con las mediciones realizadas antes de la
reconfiguración del equipo.
Ilustración 4. Presentación de las zonas observadas en el sitio de
medición.
Procedimiento de campo de post-medición
Una evaluación de la medición de la descarga debe hacerse
después de la finalización de los transectos que componen la
medición. Un examen exhaustivo de todos los datos de
medición puede no ser práctico en el campo, pero una revisión
superficial de la medición se debe hacer con el fin de asignar
una preliminar calificación de calidad a la medida y asegurar
que los específicos transectos no tienen problemas críticos de
calidad de datos. Si todos los datos han sido recogidos en la
misma sección de medición, el transecto anchuras y las
descargas en la medida (en el centro) y no medida (superior,
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inferior y los bordes) secciones deben ser consistentes. Si los
transectos o descargas no son consistentes con los de los otros
transectos, los datos de los transectos deben ser examinados
para determinar si se ha producido un problema crítico de
calidad de datos.
Si un problema crítico de calidad de datos se identifica, los
datos del transecto afectado no se deben utilizar en el cálculo
de descargar. Un nuevo transecto debe medirse, a partir del
mismo lado que el transecto descartado, si las condiciones de
flujo se mantienen estables. Si el flujo ha cambiado, una nueva
serie de transectos se deben recoger. Un mínimo de cuatro
transectos debe ser medido si el flujo es estable cuando los
nuevos datos de descarga se recogen. Un transecto debe
desecharse sólo si es un problema crítico de calidad de los
datos identificados y documentados. Condiciones específicas
del lugar, tales como turbulencia, remolinos, flujos inversos,
las ondas de superficie, de lecho móvil, alta concentración de
sedimentos.
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Ninguna prueba de lecho móvil a cabo o documentado.
Mediciones de descarga no ajustado o degradado
correctamente cuando una condición de lecho móvil se
presenta.
Selección de una sección transversal con las condiciones
del sitio que no son apropiados para el ADCP.
El modo de instrumento que es más aplicable al sitio
condiciones que no se utiliza.
Velocidad excesiva barco (sensiblemente mayor que la
velocidad media del agua).
Distancias al borde estimado, no se miden.
Procedimientos-datos de archivo pobres.
Métodos de extrapolación incorrecta de la forma del
perfil.
No realización de prueba de diagnóstico del ADCP.
Tiempo del ADCP son incorrectos.
Pobres notas de campo.
Profundidad del ADCP no medido o mal asignado.
Conclusión
Región
de
ensambles
no
válidos resultado del
bottom tracking no
válido en aguas muy
turbulentas.
La tecnología Doppler se presenta como una herramienta muy
valiosa para el monitoreo del comportamientos de velocidades
en ciertas secciones de los caudales de ríos, a luz de estos
resultados, es necesaria la profundización del estudio de las
potencialidades de la tecnología Doppler para avanzar en el
desarrollo de nuevas técnicas de medición, que permitan
obtener con mayor confiabilidad y grado de precisión, una
representación de los fenómenos que se presentan en los
caudales y menor costos en la implementación de estas
tecnologías emergentes que están presentando buenos
resultados con márgenes de errores del orden del 5%.
Referencias
Ilustración 5. Captura de la pantalla del software SonTek
RiverSurveyor ilustrando zonas no validas recogidas en el rio
Carrizal, ubicado en el municipio Centro, Tabasco.
Lahkim Jelloul, Abdelkader, Análisis y comparación de
metodologías de aforo de caudal en lámina libre mediante
curva de gasto y perfilador acústico Doppler. Aplicación en
ríos de la región de Quebec (Canadá). Septiembre, 2012. 4349 pp.
Martirena Tornos, Andrés Alonso. Nuevas soluciones
tecnológicas para la medición de caudales en ríos. 2003. 1-2
pp.
Muste, Marian. Kim Won, Fulford M. Janice. Desarrollo de la
tecnología hidrométrica: instrumentos nuevos y emergentes
para trazar los mapas de las condiciones hidrodinámicas de los
ríos. Julio 2008. 163-169 pp.
R.D.I., Inc, Principals of operation. A practical primer for
broadband acoustic Doppler current profilers (2nd ed.): R.D.
Instruments, Inc., San
Ilustración 6. Captura de la pantalla del software SonTek
RiverSurveyor ilustrando la correcta recolección de datos de la
sección transversal, ubicado en el municipio Centro,
Tabasco.
Problemas observados comúnmente en el
momento de las mediciones
En los exámenes a fondo de los programas acústicos en las
oficinas del USGS indican que los problemas más comunes
relacionados con los datos de calidad ADCP son presentados
en la siguiente tabla de comparación:
Diego, California, 51 pp.
Simpson, M.R. and Oltmann, R.N. Discharge-Measurement
Systems Using an Acoustic Doppler Current Profile with
Applications to Large Rivers and Estuaries. US.
Geological Survey Water-Supply Paper 2395.
Sontek, 2007. RiverSurveyor System Manual Software
Version 4.60: SonTek/YSI Inc, Manual, 182 pp.
Priego Hernández Gastón Alejandro. Caracterización de
corrientes secundarias empleando un perfilador acustico
Doppler (ADCP). Junio 2013.