Método para la medición de concentración de sedimentos en suspensión

Se presentan aspectos generales del muestreador de sedimentos USP-61 y del perfilador acústico ADCP, los cuales son instrumentales para realizar aforos sólidos y líquidos. También, se exponen las expresiones empíricas que relacionan los cambios en la intensidad de la señal acústica de retorno recibida por el ADCP con variaciones de la concentración de partículas en suspensión para ríos tropicales.

AFOROS SÓLIDOS CON EL MUESTREADOR DE SEDIMENTO USP-61

El aforo sólido se considera como el conjunto de operaciones para determinar la cantidad de sólidos suspendidos que transporta un curso de agua en la unidad de tiempo y para un nivel de agua determinado.
El aforo sólido convencional consiste en tomar muestras de agua en diferentes puntos de la sección de aforo para determinar la concentración y el transporte de sedimento, referenciados al nivel y al caudal que se presenta en la corriente durante el muestreo. Los puntos de medición o muestreo deben coincidir con los realizados en el aforo líquido, pues los primeros están en función de los resultados obtenidos del aforo líquido. Se aprovecha, igualmente, el material sólido recogido en las muestras, para realizar análisis granulométricos que permiten determinar el tamaño de las partículas asociado al tipo de material.
Dependiendo de la profundidad, se realizan mediciones con más detalle tomando muestras en diferentes puntos de la vertical (método puntual). Estas mediciones se inicial desde la superficie hasta el fondo, o en su defecto se toma una sola muestra integrada (método integrado) como representativa de toda la vertical.
El U.S.P-61 es un tipo de muestreador integrador puntual. Consisten en un recipiente provisto de una válvula accionada desde la superficie que permite abrir y cerrar a voluntad el acceso del agua y así tomar muestras en los puntos deseados. Conjuntamente con la válvula de acceso funciona un dispositivo de compensación de presiones que facilita la entrada del agua a la misma velocidad del flujo.

La Figura 1 presenta un U.S.P. 61, un modelo perfeccionado por el Inter – Agency Committe on Water Resources (Comité interinstitucional de los E.U., sobre Recursos Hídricos), el cual fue construido en forma original con características hidrodinámicas y consta de un cuerpo de bronce fundido provisto de aletas y cola direccional.

PERFILADOR DE CORREINTE ACUSTICO DOPPLER – ADCP

Un perfilador de corriente ADCP es un tipo de medición sonar que registra el perfil de velocidad del agua sobre un rango de profundidades. Diseñado por primera vez en 1982 por Teledyne RD Instruments. El ADCP es considerado como una herramienta esencial para la medición de flujos de corrientes en el mar, estuarios, ríos, y arroyos. Los manuales del equipo tienen información adicional y complementaria (RD Instruments, 1996;
Teledyne RD Instruments, 2007; Sontek, 2000; Simpson, 2001). A continuación, se presenta una descripción breve de los aspectos más importantes del equipo:

La Figura 2 presenta el cabezal de un ADCP modelo Río Grande de 600 kHz. Los ADCP miden la velocidad del agua utilizando el principio físico llamado efecto Doppler, que se da cuando sus transductores (o emisores) generan un pulso de sonido corto (ping) a una frecuencia conocida, que se propaga a través del agua y se refleja en todas las direcciones (echoes) por las partículas que se encuentran en suspensión (sedimento, materia orgánica, etc.), ver Figura 1-3. Una porción de la energía reflejada vuelve hacia
los transductores y así el ADCP mide el cambio de frecuencia de la señal retorno y su intensidad como se observa en la Figura 1-3Figura 1-3. Este cambio medido por cada transductor se traduce en la velocidad del agua en la dirección radial del mismo para luego ser transformada en velocidad del flujo. Y como se tiene la profundidad y ancho de cada celda es posible estimar el caudal de la sección. El cálculo de este caudal se realizó con un error del 2 al 3%.

MODELO PARA ESTIMAR CONCENTRACIONES DE SEDIMENTO EN
SUSPENSIÓN UTILIZANDO INFORMACIÓN ADCP

Este modelo se basa en la ecuación que describe la raíz cuadrada media de la presión de la señal de retorno producida por las partículas en suspensión, esta es (Thorne y Hanes, 2002):

Dónde,
𝑃0: Presión de referencia en el rango 𝑟0
𝑟: Distancia desde el transductor
𝑎𝑠: Radio de la partícula
𝑎𝑡: Radio del transductor
𝜏𝑐: Longitud del pulso
𝜏: Duración del pulso
𝑐: Velocidad del sonido en agua
𝜌𝑠: Densidad de la partícula
𝑘 = 2𝜋⁄𝜆: Número de onda
𝜆 = 𝑐⁄𝑓: Longitud de onda acústica
𝑓: Frecuencia de trabajo
SSC: Concentración másica
𝑓𝑠: Forma de la función que describe las propiedades de dispersión (scattering) de la partícula
𝜓: Corrección por campo cercano del transductor
𝛼: Coeficiente de atenuación para pérdidas de transmisión debidas al fluido y al sedimento en suspensión.

La Ecuación 1 esta expresada en términos de los parámetros internos característicos del instrumento, y mediante varias sustituciones y pasos algebraicos, se llega a la expresión simplificada de la ecuación del Sonar. La cual, relaciona la señal retorno (Backscatter) con el logaritmo de la concentración másica de sedimentos en suspensión (Urick, 1983).