¿Qué es el Caudal y como se mide?

1-¿qué es el caudal?

Cuando hablamos del caudal, a nuestra miente viene el Agua, pero al decir Caudal se relaciona con todos los fluidos, se la puede calcular mediante varias fórmulas que según la situación se las puede aplicar unas y en otras no, pero que todas las fórmulas, tienen que representar finalmente una unidad de Volumen sobre el Tiempo. Y es esa prácticamente las unidades que define al Caudal el cual lo representamos por la letra “Q”. Entonces si lo colocamos en una formula llegara a ser:

Como se conoce, las unidades de Volumen en líquidos pueden ser desde Metros Cúbicos (mᶟ) a Litros (l). generalmente aplicamos estas dos unidades para calcular volúmenes en Hidráulica, se puede utilizar otras unidades de volúmenes más pequeñas, pero para un mejor entendimiento se prefiere trabajar en litros, aunque sean valores decimales mínimos.

La unidad de Tiempo más utilizada es el Segundo (seg.), pero para otros cálculos, sobre todo en riego o análisis de cuencas, se toma como unidades la hora (h.) y hasta se puede usar en días (d).

Como ejemplo podemos analizar el siguiente dato de caudal, que es la dotación de agua por habitante en un día, entonces nuestro caudal exigido seria:

Analizando el dato del caudal, nos indica este, que una persona consume 25 litros al día, esto se puede transformar a diferentes unidades como litros/hora, litros/segundo o Metros Cúbicos/ segundo. El punto de la importancia de ese dato es que para este caso nos esta indicando cuanta agua se necesita en un determinado tiempo, así como para una persona, la podemos multiplicar por el numero total de habitantes de una comunidad y tendremos una exigencia mayor, el caudal total exigido nos será de gran utilidad ya que a través de ese dato se realizará el diseño de todo el sistema de agua potable como ser los diámetros de tubería, tanques de almacenamiento, etc.

Otra ecuación que nos sirve para calcular el Caudal es la siguiente:

Como se aprecia en la ecuación, esta vez se la calcula mediante el calculo de la velocidad del fluido que pasa por una sección o área determinada, donde si ponemos todas las unidades tanto el área como de la velocidad den metros para este otro ejemplo, se tiene:

Simplificando las unidades, tenemos:

Que son las unidades de Volumen sobre tiempo, siendo este, otro camino para calcular el caudal.

De esta manera se puede tener otras ecuaciones que calculen el caudal, dependiendo de los datos que tenemos, podemos aplicar distintas ecuaciones para calcular.

 2-¿Como medir el Caudal?

A continuación, mencionaremos algunos métodos para medir caudal, empezando para caudales pequeños hasta caudales grandes.

Algo importante a considerar, es que el caudal no es constante en las fuentes de agua, esto se debe a que hay temporadas o meses donde las fuentes se tiene mayor caudal o menor, hasta se puede secar, debido a las temporadas de lluvia, al tiempo de recarga de agua en los acuíferos, etc. Por lo que se debe medir el caudal en diferentes etapas del año, incluso hay años que en un rio puede haber mas caudal que en otros, todo este tema se los trabaja con el apoyo de las estadísticas, para sacar caudales mínimos, medios y máximos, que cada uno nos ayudara en los diseños que requerimos.

2.1. - Como se mide el caudal de un Ojo de Agua o Riachuelo

Cuando volumen de agua nace de un ojo o vertiente del suelo, esta encuentra su camino por el terreno y va recorriendo buscando una caída lo que se va formando un pequeño riachuelo, tenemos que analizar de que forma podemos medirla.

Si el riachuelo es pequeño, nosotros podemos juntarlo y en una caída medir el tiempo que tarda en llenar un balde u otro elemento que nos permita medir el volumen, Generalmente en campo se utiliza baldes o jarras grandes, y tenemos que medir el tiempo que tarda en llenar, para luego medir el caudal, esto aplicando la primera ecuación que se mencionó antes:

Donde, nosotros conocemos el volumen que estamos llenando, que si es un balde de pintura que es muy comercial en Bolivia, tiene un volumen de 20 litros, entonces nosotros debemos controlar el tiempo que tarda en llenar esos 20 litros, debemos realizar por lo menos 5 mediciones del tiempo, si es más, mucho mejor, esto para promediar un tiempo medio y aplicarlo a la Ecuación del caudal, de esta manera tendremos el resultado esperado.

Como nos podemos dar cuenta, esta técnica de medir con un balde, solo se puede hacer con pequeños volúmenes de agua, ya que en ríos grandes es casi imposible medir con un balde y se debe realizar otras técnicas para medir.

2.2. - Como se mide el caudal en un Pozo subterráneo

En que caso que deseemos aforar (termino para medir el caudal) de un pozo, parte del mismo principio del método que se hizo anteriormente, solo con la diferencia que en vez de un balde que era nuestro recipiente que tenia la medida de volumen, en este caso ese volumen será la misma excavación que se tiene en el lugar. Entonces, suponiendo que queremos saber cuanta agua genera un pozo, primero cavamos en lo posible dándole una forma geométrica de algún volumen que podamos calcular fácilmente, puede ser un cubo, ortoedro, cilindro rectangular, etc. Cavamos hasta la profundidad deseada y dejamos un tiempo prudente hasta que el agua subterránea alcanza su nivel freático.

Como ya tenemos el nivel freático, también sabemos la profundidad y forma de la excavación, podemos calcular un volumen considerando la forma de nuestra excavación, entonces solo nos queda una incógnita que es el tiempo, para eso, nosotros podemos vaciar el agua del pozo lo más rápido posible hasta tratar de secarlo, podemos bombearlo o si no es mucha el agua, se puede con ayuda de una jarra sacar el agua a otros puntos. Una vez que nuestro pozo este seco, tenemos que medir el tiempo que tarda en recuperar su nivel freático, es decir que el agua subterránea volverá a llenar el pozo hasta su nivel freático. De la misma forma que antes, este trabajo de calcular el tiempo lo podemos promediar entre varias veces que nosotros vaciemos y midamos el tiempo que vuelve a llenarse, entonces ya teniendo las variables, procedemos a utilizar nuestra formula:

Donde como se explico anteriormente, el Volumen es en relación a la forma de la excavación, desde el punto mas profundo hasta el nivel freático y el tiempo se lo mide una vez vaciado el pozo hasta que tiempo vuelve a alcanzar el nivel freático esas aguas subterráneas.

Otro punto a considerar, es que pasa si no se puede excavar dándole una forma geométrica fácil para calcular un volumen, ya que muchos suelos no se puede excavar en forma recta en relación a su taludes, lo que genera un ángulo entre la parte superior e inferior de la excavación, para este caso se puede medir el volumen de otra manera, en la cual una vez que el agua esta estable en su nivel freático se procede a retirar toda esa agua lo más rápido posible a  recipientes grandes que tengan un volumen definido, ya sean baldes, turriles, etc., el volumen ahí si lo podemos medir, de esa manera ya tendremos el volumen. Este proceso se lo hace rápido por que el pozo constantemente esta recuperando su agua debido al nivel freático que existe en ese punto, por eso también se recomienda el uso de bombas de agua, para agilizar este trabajo.

2.3. – Como se mide el caudal en Ríos Grandes

Aquí es donde se complica un poco las cosas, ya que para medir caudales considerables tenemos la dificultad de no poder medirlo en un recipiente, pero podemos aplicar la siguiente formula que se mencionó anteriormente:

Esto consiste en que del rio debemos calcular la velocidad de este, para eso aplicaremos la fórmula de la velocidad:

Para calcular medir la distancia se recomienda un tramo de 10 metros a 20 metros de longitud de rio, medir la longitud no es complicado, ya que podemos medir sobre la superficie, pero se recomienda que sea en un tramo recto, evitando curvas las cuales afectaran al cálculo, una vez que elegimos el lugar para  a medir esta distancia, se debe marcar el inicio y el final, donde se recomienda que una persona este al inicio y otra al final, esto con el fin de realizar las mediciones de velocidad, que este consiste que en el punto inicial se coloque algo que flote en la parte central del rio, y medir que tiempo tarda en llegar al punto final de la distancia elegida, este ensayo de tiempo lo podemos realizar varias veces para sacar un promedio de tiempo y aplicarlo luego a la fórmula de la velocidad.

Una vez que calculamos la velocidad, se tiene que sacar el área de la sección del rio, como se sabe, la forma de la sección de un rio, es muy variable, ya que pro el tamaño del rio, no es recomendable calcular en una sola ecuación geométrica o basándonos en una sola figura, lo que se hace, es dividir en varios rectángulos esta sección, mientras más rectángulos tengamos y calculemos el área de este, más nos acercaremos a la exactitud del área total. Esto se lo hace midiendo el ancho del rio, este ancho lo podemos dividir en tantas partes iguales como deseemos, y para cada parte, con el apoyo de un tubo firme, podemos medir la profundidad desde el nivel del tirante de agua hasta el lecho del rio, así vamos midiendo varias veces, sacando diferentes altitudes, para luego sacar el área para cada rectángulo y sumar todo al final.

Se recomienda sacar para las dos secciones, tanto al inicio donde medimos la distancia, como en el final. Así promediamos y era será el Área que usaremos, ya teniendo también la velocidad, podemos calcular el caudal.

 

Para ríos mas profundos, en vez de usar un tubo, se suelen usar cadenas con anclas, para medir la profundidad, pero se puede imaginar, esto también trae errores, por que la cadena casi nunca estará totalmente vertical debido al arrastre de agua. En todo caso, si medimos varias veces la misma sección, nos dará diferentes resultados, que no se deben alejar uno del otro, pero los podemos promediar para considerar un resultado final.

 

También con la ayuda de la tecnología, hoy en día existe drones marinos, que son como pequeños barquitos que van navegando de un extremo del rio al otro, este mide la longitud del ancho del rio y va mandando ondas sónicas mientras recorre el rio, para medir la profundidad y generar una imagen de la sección de este, teniéndose así resultados mas exactos. Y de la misma manera hay medidores de velocidad de agua que son como pequeños ventiladores que tienen un sensor, los cuales trabajan con el movimiento de sus aspas, si mas se mueven estos por el rio, más velocidad tendrá y así van calculando.

Pero el echo que hoy en día existan estas herramientas tecnológicas, no siempre las tenemos a disposición, ya sea por el costo de estas, por lo que aplicar los métodos tradicionales, siguen siendo la mejor alternativa que tenemos.