Diseño, desarrollo y validación de sistemas para el control de la exactitud y precisión de la medida de caudales en infraestructuras hidráulicas

El agua es un recurso indispensable en todas las facetas de nuestras vidas y, al tratarse de un recurso limitado desafortunadamente, es fundamental llevar a cabo una mejora continua en la gestión de los recursos hídricos y avanzar en el desarrollo de herramientas que permitan tener un mayor control en su distribución, minimizando las pérdidas y su uso ineficiente. En la actualidad y gracias al avance de las nuevas tecnologías, existe una tendencia indudable del sector en la modernización tecnológica de las infraestructuras, a las que se les dota de instrumentación de medida de distinta naturaleza con el fin de optimizar el uso del agua. Esta Tesis Doctoral es una contribución más para mejorar y progresar en una mejor gestión del agua. Concretamente la investigación se ha centrado en el avance del cono cimiento de las tecnologías y los procedimientos de medida de caudal con el fin de establecer nuevas estrategias que permitan garantizar una mayor exactitud de las medidas y reducir su incertidumbre asociada. Además de centrarse en las medidas individuales, en esta tesis también se aborda el desarrollo de sistemas que aprovechen los datos medidos por todos los equipos en su conjunto con el fin de darles una mayor utilidad práctica. Con este objetivo se propone un enfoque estadístico para estimar el error de los equipos de medida que operan dentro de una misma red de distribución de agua que funciona por turnos. Para conseguir mejorar las medidas proporcionadas por los equipos resulta imprescindible emplear modelos teóricos que permitan estimar la distribución de velocidades producida en una sección específica para, a partir de ésta y de las mediciones puntuales realizadas por los equipos de medida, estimar el caudal circulante. Los modelos de velocidad 2D basados en las ecuaciones promediadas de Navier-Stokes (RANS) son válidos para predecir la distribución de velocidad y de tensión en los contornos en flujos con dirección predominante en los que las corrientes secundarias no son relevantes. El tratamiento que se hace de las condiciones de contorno es un aspecto clave en la aplicación de este tipo de modelos. En esta tesis se presenta un modelo numérico totalmente predictivo y de bajo coste computacional que realiza un tratamiento novedoso de las condiciones de contorno en comparación con los métodos existentes en la literatura actual. Las principales modificaciones del modelo propuesto son el empleo de una ley de la pared modificada y válida para cualquier condición de rugosidad, la estimación de la tensión en los contornos considerando únicamente lo que sucede en la región próxima a éstos, el uso de un modelo totalmente predictivo de la viscosidad turbulenta y la incorporación de la capa límite producida en la lámina libre como resultado del efecto del viento. El modelo ha completado satisfactoriamente un exhaustivo proceso de validación, en el que se realiza la comparativa de sus resultados con los valores medidos en multitud de ensayos experimentales documentados en la literatura, utilizando distintas tipologías de sección transversal (circular, rectangular, trapezoidal y secciones compuestas) y diferentes condiciones de rugosidad en los contornos. Los resultados también sugieren que la influencia de la capa límite en la lámina libre cuando existen condiciones adversas de viento tiene un impacto significativo en los resultados, tanto para el campo de velocidades como para la tensión en los contornos. En definitiva, los buenos resultados obtenidos de la aplicación del modelo permiten su consideración en aplicaciones prácticas Una de sus posibles aplicaciones prácticas relativas a la mejora de medidas de caudal se desarrolla en esta tesis tal y como se detalla a continuación. Los perfilómetros Doppler montados en barcos se emplean habitualmente para medir la distribución de velocidad producida en ríos o canales abiertos y, con ella, el caudal circulante. Generalmente, el método utilizado para integrar las medidas de velocidad puntuales es el método de velocidad-área, que consiste en una integración discreta de las medidas de velocidad del agua en toda la sección transversal. Dicha integración se realiza de forma independiente en las direcciones vertical y transversal, sin evaluar la coherencia hidráulica entre ambas dimensiones. Es decir, la velocidad media obtenida en una vertical se trata de forma independiente a las obtenidas en las verticales adyacentes, aunque entre éstas exista una relación hidráulica dada su cercanía. Para hacer frente a estas limitaciones, en la tesis se propone una nueva metodología alternativa para calcular el caudal y su incertidumbre asociada a partir de las medidas recopiladas con el perfilómetro. El procedimiento propuesto utiliza el modelo hidráulico 2D basado en las ecuaciones RANS para estimar la distribución de velocidades que ha sido desarrollado y validado previamente en este trabajo. Para emplearlo es necesario ajustarlo y calibrarlo, utilizando técnicas de estimación de estado, para que reproduzca el campo de medidas y el comportamiento hidráulico de la sección específica donde se realizan las medidas. Con esta nueva metodología se extrapola la información puntual proporcionada por las medidas al resto de la sección donde no existen medidas con una base hidráulica sólida y consistente, y no se emplean interpolaciones de carácter no hidráulico. La integración de las direcciones vertical y transversal de la sección se lleva a cabo de forma conjunta. Esta metodología ha sido aplicada y validada en medidas realizadas en canales de riego reales con buenos resultados. Incluso se ha aplicado satisfactoriamente en secciones con distribución de velocidad asimétrica que son provocadas por la proximidad de curvas en el canal. Los valores de caudal resultantes de la aplicación de la metodología propuesta han resultado más precisos que los obtenidos mediante el método de velocidad-área gracias a un mejor aprovechamiento de las medidas, además de las ventajas que representa el empleo del modelo y la caracterización del comportamiento hidráulico en la sección de medida. Por último, además de la mejora de las medidas individuales, en esta tesis se desarrollan herramientas que permiten explotar la información bruta recogida por el conjunto de equipos de medida instalados en un mismo sistema de distribución de agua para darles una mayor utilidad práctica. Ya que la evaluación individual del error cometido cada equipo de medida es una tarea muy costosa, en esta tesis se propone una metodología innovadora de estimación de estado metrológico para controlar los errores de los contadores de agua instalados en una misma red en tiempo real. La metodología propuesta es principalmente aplicable en sistemas de distribución de agua cuyo funcionamiento se realice por turnos. Un ejemplo de este tipo de infraestructuras son los sistemas de riego colectivo. Además, los caudales en cualquier salida monitorizada deben ser próximos al caudal nominal o estar dentro de un rango próximo a éste, de tal forma que puedan asumirse los errores de los equipos cuasi-constantes. El algoritmo de estimación aprovecha la redundancia de las medidas proporcionada por equipos de medida de caudal agregado que crean distritos de balance y la combinatoria de distintas combinaciones de consumo, en las que participan diferentes contadores, para controlar automáticamente el estado metrológico de los mismos. Con ello se consigue la detección de contadores anómalos que estén midiendo sistemáticamente de forma errónea, así como otras incidencias o anomalías en la red. En este trabajo se ha analizado su aplicación y su capacidad de detección mediante el empleo de ejemplos ilustrativos con generación sintética de medidas, pero que son consistentes con las que se producen en infraestructuras reales