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PARTE BINSTRUMENTOS HIDROLÓGlCOS Y MIÉTODOSDE OBSERVACIÓN Y DE ESTIMAClÓNCAPITULO 6RESUMEN DE LOS INSTRUMENTOS HIDROLÓGlCOS YMÉTODOS DE OBSERVAClÓN6.1El ciclo hidrológico como materia de observaciónEl agua se encuentra en la Tierra en cantidades considerables en sus tres estados físicos: líquido, sólido y gaseoso. Seencuentra también en los tres principales ambientes accesibles al hombre: la atmósfera, los mares y océanos, y los continentes.Como el agua pasa fácilmente de un ambiente a otro y de una fase a otra, según el entorno, es una materia dinámica tanto enespacio como en tiempo. El ciclo hidrológico se puede considerar, desde un punto de vista conceptual, como un sistema condiversas variables: unas representan las transferencias hídricas y otras las masas de agua presentes en los espacios donde sepueden acumular. El cielo hidrológico se resume en la figura de abajo. En general, la ciencia de la hidrología no abarca todoel ciclo hidrológico, sino que se limita a la parte continental del ciclo y a sus interacciones con los océanos y la atmósfera.En vista de que el hombre pasa una gran parte de su tiempo en la superficie terrestre, y de que el agua es a la vezindispensable para la vida y un peligro potencial para la misma, el conocimiento hidrológico es inestimable para lasupervivencia de la humanidad y su bienestar. Una manera frecuente de adquirir este conocimiento es realizando medicionespuntuales de los almacenamientos y caudales de agua en el tiempo y el espacio. El análisis o la síntesis de estas mediciones odatos constituyen el conocimiento o la información en hidrología. La parte D de esta Guía, versa sobre el análisis hidrológico.Dos de las ecuaciones básicas que describen la física del cielo hidrológico se aplican también a los sistemas utilizados parahacer mediciones de sus propiedades transitorias: l) la ecuación de continuidad de la masa y 2) la ecuación de la continuidad dela energía. Por ejemplo, una forma de la ecuación para la continuidad de la masa:Q AV(6.1)a menudo sirve como base para determinar el flujo en una corriente o un canal. En la ecuación 6.1, Q es el flujo instantáneo através de una sección transversal de un canal con un área A, y V la velocidad media de la corriente. Con frecuencia, el flujo,llamado también caudal, no se puede medir directamente en los ríos, incluso en pequeñas corrientes de agua. Por otra parte, lasuperficie de la sección transversal se puede medir mediante un muestreo de las dimensiones espaciales y las velocidades utilizandomolinetes. De esta manera, la ecuación 6. 1, que se describe en detalle en el capítulo 1 1, permite determinar el caudal de los ríos, incluso losmás grandes del mundo.Otro ejemplo de la función de la ecuación de la continuidad de la masa se refiere a la evaporación del agua de un lago. En este ejemplo, laecuación toma la forma:P I- O-E AS(6.2)donde P es la cantidad de Precipitaciones que caen sobre la superficie de] lago durante un período de observación, I y 0 el aguasuperficial y subterránea que entra y sale, respectivamente, en este período, E la cantidad de agua evaporada desde lasuperficie del lago, y AS la variación en el volumen de agua del lago durante el periodo considerado.Las precipitaciones se pueden medir según las técnicas descritas en el capítulo 7; las entradas y salidas de agua se Puedenmedir usando las técnicas descritas en los capítulos l0, 11, 12 y 16; las variaciones en el volumen de agua de¡ lago se puedencalcular en función de la diferencia de nivel de la superficie del lago al inicio y al final del periodo de observación. El capítulo10 versa sobre la medición del nivel de agua. Al obtener cuatro de los cinco términos de la ecuación 6.2, por medición uobservación, el quinto término, la evaporación, se deduce algebraicamente.La exactitud de la evaporación que se obtiene con la ecuación 6.2 depende de los otros cuatro términos. El resultado, confrecuencia, no es satisfactorio cuando es difícil medir uno o varios de esos términos. En ese caso, se recomienda utilizar laecuación de la continuidad de la energía para estimar la evaporación a partir de la energía requerida para que el agua pase de lafase líquida a la fase de vapor. El capítulo 9 contiene directrices sobre este enfoque.
El ciclo hidrológico es un sistema cerrado en el interior del cual circula el agua. Todo el sistema funciona por el exceso deradiaciones solares descendentes con respecto a las radiaciones ascendentes. El ciclo ésta compuesto de los siguientessubsistemas: atmosférico, escorrentía superficial y subterránea.Concepto general del ciclo hidrológicoAdemás de los temas antes mencionados, esta parte de la Guía contiene instrucciones sobre la estimación de la capa de nievey sus Propiedades (capítulo 8), la medición del caudal de sedimentos (capitulo 13), la medición de la humedad del suelo(capítulo 15) y el análisis de la calidad del agua (capítulo 17).Al limitar el volumen de la Guía se debe restringir su contenido. Con el fin de obtener información más detallada sobre lostemas tratados, el lector puede consultar: para la medición del caudal, el Manual de Aforos de caudales (1) y para el análisisde muestra, la Guía operativa del SIMUVIMA-Agua [2]. Si bien las normas internacionales existentes de la ISO no sonobligatorias, se ruega al lector que se refiera a las normas internacionales de esa Organización relativas a los métodos paramedir caudales líquidos en canales abiertos. La ISO ha establecido más de 26 normas [31 para varios tipos Y métodos demediciones. Se pueden encontrar también referencias importantes en las actas de los simposios, seminarios y cursillosinternacionales sobre hidrometría, organizados por la AICH, la OMM y la UNESCO.Esta parte de la Guía cubre una amplia gama de instrumentos y métodos de observación de variables hidrológicas. En lapráctica, la mayoría de los métodos de medición que se describen en esta Guía se sigue utilizando, a pesar del advenimiento denuevas técnicas. La selección de las nuevas técnicas se debe hacer a partir de una variedad, constantemente en aumento, deinstrumentos y métodos de observación. Los Servicios Hidrológicos tienen la tendencia de retrasar la adopción de nuevastécnicas debido a los gastos que ocasiona la compra de¡ equipo y la formación del personal. Prefieren, en general, manteneruna cierta homogeneidad en los instrumentos para reducir al mínimo los gastos de capacitación del personal y el mantenimiento de losequipos.6.2Técnicas emergentesLos capítulos siguientes de esta parte de la Guía se refieren a las técnicas probadas y de uso corriente en muchas partes delmundo. Sin embargo, como se indicó antes constantemente surgen nuevas técnicas. En esta sección se hace un breve resumende estas técnicas para que los Servicios Hidrológicos se mantengan informados de las posibilidades que éstas ofrecen.6.2.1Teledetección
En el ámbito de las mediciones hidrológicas se usan a menudo dos tipos de técnicas de teledetección: técnica activa(mediante la emisión de un haz de radiación artificial hacia un objetivo, y el análisis de la respuesta del objetivo), o pasiva(mediante el análisis de la radiación natural de un objeto).En los métodos activos, la radiación es electromagnética de alta frecuencia (radar) o acústica (dispositivos ultrasónicos).El aparato se instala en el suelo (radar ultrasónico) en aviones o en satélites (radar). Los dispositivos ópticos (láser) todavía nose utilizan con mucha frecuencia en hidrología. La teledetección activa se utiliza generalmente para la medición de zonas,pero puede también usarse para mediciones puntuales (dispositivos ultrasónicos).En los métodos pasivos, la radiación es electromagnética (desde el infrarrojo hasta el violeta y muy pocas veces elultravioleta). Las aplicaciones más corrientes se realizan con un analizador multiespectro, que es aerotransportado, y másfrecuentemente instalado en un satélite. La medición con este método se realiza siempre en una zona determinada.El radar se usa actualmente para medir la intensidad de la lluvia en una superfície dada. Otros usos de la teledetecciónestán todavía muy limitados en hidrología; se utilizan, sin embargo, en la medición de masas de agua y en la extensión de lasinundaciones. Además, el uso de hiperfrecuencias (microondas) podría ofrecer algunas posibilidades para medir la humedaddel suelo.6.2.2MicroelectrónicaUna visión general de la fabricación, características técnicas, adquisición y mantenimiento de productos microelectrónicos, dauna idea de la posible aplicación en la instrumentación hidrológica. No es necesario que un Servicio Hidrológico tengaexperiencia en el diseño y fabricación de instrumentos hidrológicos basados en la microelectrónica.La industria de la microelectrónica es muy dinámica; todos los años aparecen nuevos componentes y dispositivos electrónicosque presentan empresas recientemente implantadas. Cada año salen al mercado nuevos productos comerciales, siempre másnumerosos y variados, y con frecuencia más baratos. Esto se debe a las nuevas técnicas de fabricación y de creación dediseños, así como a la economía de escala que permite reducir el precio de costo de la producción en grandes cantidades. Elprecio unitario bajo se obtiene porque el costo del diseño y la preparación de la fabricación se distribuye entre numerosasunidades.Es muy importante saber también que todos los años se interrumpe la producción de numerosos componentes y productosexistentes.Desafortunadamente, la demanda de instrumentos hidrológicos es en general muy pequeña, en comparación con otrosmercados. Por lo tanto, el costo de dichos instrumentos no se beneficia de la economía de escala al mismo nivel que muchosotros productos.Asimismo, es necesario que los instrumentos hidrológicos funcionen automáticamente, con corriente eléctrica de bajapotencia y en un entomo que pueda incluir una amplia gama de temperaturas, grados de humedad, polvo y otros factoresambientales. Esto incremento mucho el costo unitario. Otros aparatos microelectrónicos que han sido diseñados para usarlosen situaciones rigurosas, como los de uso militar, están con frecuencia en un orden de costos que supera las posibilidades demuchos Servicios Hidrológicos.Existe en el mercado una extensa serie de instrumentos hidrológicos producidos en su mayoría por pequeñas o medianasempresas especializadas. Cada empresa publica una documentación sobre el funcionamiento, las internases y las normativasambientales impuestas a los instrumentos. Es responsabilidad del usuario, cuando acepta el instrumento, verificar que ésteresponda eficazmente a las normas prescritas.6.2.3MicroprocesadoresTécnicamente, los microprocesadores son computadoras. Su introducción en las actividades de recopilación de datoshidrológicos tuvo lugar a mediados de los años 70 con la fabricación de plataformas de recopilación de datos (PRD) para laadquisición y transmisión de datos hidroclimáticos.a)b)c)d)El uso de microprocesadores permite:corregir, en tiempo real, las señales indicadas por el sensor;obtener sobre el terreno una primera información a partir de datos en bruto (por ejemplo cálculo de la media y extracciónde extremos);convertir la señal de un sensor en otro parámetro (por ejemplo nivel de agua en caudal mediante la aplicación de la curvade caudales);variar el programa de medición (por ejemplo la frecuencia de acuerdo al valor del parámetro).Los microprocesadores son también muy útiles ya que facilitan la aplicación de otros métodos de medición (por ejemplo elmétodo del bote móvil para mediciones de caudal), así como para realizar en tiempo real diversas operaciones de cálculo dedatos.
6.2.4Registradores automáticos de varios parámetrosLas características de funcionamiento de los registradores automáticos de vanos parámetros incluyen la medición, elalmacenamiento y el control y, para muchos registradores, la telemetría de datos hidrológicos. Estas tres funciones se reflejanen la estructura de estos instrumentos. Como su nombre lo indica, los registradores automáticos de varios parámetros estándiseñados para integrar datos procedentes de dos o más subsistemas de mediciones, con un subsistema de almacenamiento ycontrol. El registrador debe interactuar con otros factores exteriores, como el sistema de suministro de energía eléctrica, elambiente hidrológico propiamente dicho, la pantalla de visualización de datos y los operadores que dan inicio o ponen enfuncionamiento de rutina el subsistema.La función de un subsistema de medición hidrológica es captar una señal específica del agua y convertirla en un datoadecuado para ser visualizado, registrado o procesado. Por ejemplo, la medición mecánica del nivel del agua se obtiene con unflotador conectado a- una plumilla que marca sobre una banda registradora, o una perforadora de cinta de papel, mientras quelos sistemas microelectrónicos generan una señal eléctrica. Los datos que suministran los aparatos mecánicos también sepueden observar directamente en una pantalla. Otros subsistemas más recientes, utilizan otras técnicas de medición.Los subsistemas de almacenamiento y control de los registradores aceptan señales de dos o más subsistemas de medición ylas almacenan en un formato adecuado para la recuperación, el análisis o la telemetría. Estas señales se pueden transmitircontinuamente o a intervalos de tiempo fijos o irregulares. La transferencia de datos se puede ordenar de cualquier parte de lasinternases entre los subsistemas. La comunicación de los datos a través de las internases debe estar claramente definida paracada subsistema y éstos deben ser compatibles.Muchos subsistemas modernos de almacenamiento y control pueden realizar análisis complejos de datos en tiempo real yusar estos análisis para calcular información derivada, compactar datos o iniciar una acción. Por ejemplo, con algunossubsistemas se pueden recopilar datos en condiciones que cambian rápidamente, como la velocidad y la dirección del viento(un conjunto de parámetros muy variables), y calcular y almacenar datos estadísticos, en vez de valores discretos.El subsistema puede tomar el control automático en función de los valores recibidos. Los subsistemas modernos soncapaces de enviar señales de control al subsistema de medición para aumentar la frecuencia de las medidas, o enviar señales alsubsistema telemétrico para iniciar los avisos o mensajes de alerta que se transmiten.Asimismo, algunos registradores de datos multiparámetros equipados con telemetría pueden tener un sistema defuncionamiento que se controla a distancia, a través del subsistema telemétrico.Los subsistemas hidrológicos de telemetría consisten también en tres elementos: un equipo de detección sobre el terreno,un medio de comunicación, como el teléfono o enlaces de radiocomunicación, y las estaciones de recepción. El equipo dedetección sobre el terreno es un registrador de datos de varios parámetros como el antes definido. Los párrafos siguientestratan del subsistema de telemetría sobre el terreno.En algunos modelos, se ha previsto una comunicación bidireccional entre una estación hidrológica a distancia y unaestación central de recepción. En otros modelos, el sistema sólo acepta una comunicación unidireccional desde la estación adistancia hasta la estación central de recepción. En el primer caso, la estación se interroga y se le ordena transmitir los datos.En el segundo caso, la estación inicia una transmisión después de un tiempo determinado o cuando el dato hidrológico excedeuna condición límite. Se puede controlar la transmisión de manera que se produzca a intervalos fijos o aleatorios.Los subsistemas hidrológicos actuales de telemetría comunican por microondas, radio o teléfono. La transmisión pormicroondas requiere un enlace visual directo, mientras que la transmisión por radio puede ser visual directa o retransmitidamediante un enlace de transmisión en tierra o instalado a bordo de un satélite de órbita terrestre.En los subsistemas telemétricos es necesario que el sistema instalado a distancia satisfaga las normas de] medio decomunicación utilizado. Por ejemplo, como las calidades particulares de líneas telefónicas sólo pueden aceptar algunasvelocidades de comunicación de datos, el subsistema telemétrico debe ajustarse a esas velocidades de transmisión. Asimismo,el uso de un satélite como relé para la transmisión telemétrica de datos requiere que el sistema a distancia emita los datosdentro de los límites bien definidos de potencia y frecuencia, y según otras normas de comunicación propias al satélite, quedetermina el operador del satélite.Las características de los registradores automáticos de datos de varios parámetros son los componentes materiales, losprogramas informáticos y las características físicas como el tamaño, el peso y la potencia eléctrica.El microprocesador, los circuitos, y otros componentes físicos de estos registradores forman lo que se denomina hardware;y el principal componente es el microprocesador (véase la sección 6.2.3). Los primeros microprocesadores comercializadospodían procesar de cuatro a ocho bits de información a la vez, y se conocían como microprocesadores de 4 a 8 bits. Másadelante se introdujeron en el mercado los microprocesadores de 16 a 32 bits.Los microprocesadores utilizados en los registradores de datos de varios parámetros hidrológicos deben tener unasecuencia de instrucciones muy bien definidas (programas) para determinar las operaciones de los registradores. Estasinstrucciones definen muchas facetas del funcionamiento internó del sistema, así como la manera en que el microprocesadorfunciona con otros elementos del hardware. El programa informático determina cómo el microprocesador mantiene el tiempo,cómo y a qué frecuencia envía los datos a los dispositivos de almacenamiento de datos o al subsistema telemétrico, y todas lasmúltiples tareas que debe realizar. La programación del funcionamiento de un registrador de datos se realiza por medio de undispositivo separado o por interruptores, o un teclado diseñado como parte integrante del subsistema de almacenamiento ycontrol.En la actualidad, los registradores automáticos de datos de varios parámetros son pequeños y ligeros en comparación con losinstrumentos tradicionales de recopilación de datos hidrológicos que sustituyen. Gracias a su pequeño tamaño y a las bajas
exigencias de potencia eléctrica, con frecuencia funcionan con baterías y se pueden instalar en pequeñas garitas protegidas dela intemperie. Muchos de ellos tienen una pantalla, lo que permite, en las visitas de técnicos o hidrólogos, evaluar el estado defuncionamiento y revisar la calidad de los datos recopilados.Referencias1. Organización Meteorológica Mundial, 1980: Manual on Stream GaugingVolúmenes 1 y Il, Informe de hidrología operativo N' 13, OMM-N' 519, Ginebra.2. Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente/Organización Mundial de la Salud/Organización de las NacionesUnidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura/Organización Meteorológica Mundial, 1992: Global EnvironmentMonitoring System (GEMS)IWater Operational Guide. Canada Centre for lnland Waters, Burlington, Ontario.3. Organización Internacional de Normalización, 1983: Measurement of Liquid Flow in Open Channels. ISO StandardsHandbook 16, Ginebra.
Otro ejemplo de la función de la ecuación de la continuidad de la masa se refiere a la evaporación del agua de un lago. En est e ejemplo, la ecuación toma la forma: P I- O-E AS (6.2) donde P es la cantidad de Precipitaciones que caen sobre la superficie de] lago durante un período de observación, I y 0 el agua
