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, vmarroyo@tlaloc.imta.mx, vmejia@tlaloc.imta.mx,

mescalan@tlaloc.imta.mx, greza@tlaloc.imta.mx, rmorales@tlaloc.imta.mx

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

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