El control y la medición del caudal de agua desempeñan un papel crucial en la gestión de los recursos hídricos, la prevención de inundaciones y la preservación del medio ambiente. La información obtenida a partir de estos datos es fundamental para diversos campos, como la ingeniería hidráulica, la vigilancia medioambiental, la gestión de aguas residuales y la calidad del agua potable.
Un correcto control de caudales permite establecer modelos hidrodinámicos precisos para predecir escenarios de flujo, supervisar la disponibilidad del agua en ríos y embalses, y optimizar el uso de los recursos hídricos. Además, facilita la detección temprana de crecidas, contribuyendo a la mitigación de posibles daños causados por inundaciones. En el ámbito urbano e industrial, resulta clave para garantizar la regulación del vertido de aguas residuales y el cumplimiento de normativas ambientales.
Flood Rate Estimator Kernel (FREK): Un Avance Tecnológico en la Medición de Caudales
Tradicionalmente, la medición del caudal de un cauce ha requerido sensores de nivel y estaciones de aforo, que si bien proporcionan información precisa, pueden presentar limitaciones en ciertos entornos. Con el avance de la tecnología, se han desarrollado nuevos sistemas de medición más versátiles y rentables, como el Flood Rate Estimator Kernel (FREK).
FREK es un sistema avanzado de procesamiento de imagen que permite estimar el caudal circulante en un cauce a partir del análisis de imágenes y videos captados por una videocámara. Su funcionamiento se basa en tres procesos clave:
- Estimación del nivel del agua: El sistema FREK utiliza cámaras estratégicamente ubicadas para capturar imágenes del flujo de agua en puntos de control. Para garantizar precisión en la detección del nivel del agua, se emplean paneles de alto contraste con un esquema de arlequín impreso. Estos paneles cumplen dos funciones principales: mejorar el contraste entre la pared y la superficie del agua, y facilitar un ajuste automático de la posición de la imagen. A partir de la conversión de la imagen a blanco y negro, se lleva a cabo un proceso de reproyección, recorte y umbralización para detectar los bordes del agua con precisión.
En ocasiones, las imágenes pueden presentar desajustes respecto a la posición establecida, lo que hace necesario un proceso de calibración basado en la referencia del arlequín impreso en los paneles.
- Cálculo de la velocidad superficial: Una vez determinado el nivel de la lámina de agua, el siguiente paso es estimar la velocidad superficial del flujo. Para ello, FREK emplea el algoritmo Large Scale Particle Image Velocimetry (LSPIV), una técnica avanzada de análisis de imágenes que detecta el desplazamiento de partículas en la superficie del agua comparando pequeños cambios entre fotogramas consecutivos de un video. El uso de cámara con visión nocturna permite que el sistema pueda realizar los cálculos tanto de día como de noche.
Para calcular con precisión la velocidad superficial, el sistema toma en cuenta el factor temporal definido por los fotogramas por segundo (fps) del video y la georreferenciación del mismo. El sistema divide la imagen en celdas y asigna a cada una de ellas un valor de velocidad media basado en el movimiento detectado dentro de la celda. De esta manera, se obtienen campos vectoriales de velocidad que representan el comportamiento del flujo en distintas secciones transversales del cauce.
- Determinación del caudal: Con la información obtenida del nivel del agua y la velocidad superficial, FREK procede a estimar el caudal circulante. Para ello, selecciona la sección transversal más representativa del cauce mediante un proceso de post-análisis. Los vectores de velocidad superficial obtenidos en esta sección son utilizados como entrada en un modelo hidrológico que aplica factores de conversión teóricos y datos empíricos obtenidos a partir de aforos de contraste, si están disponibles. A través de fórmulas de distribución de velocidades, se determina la velocidad media en la sección y, finalmente, se calcula el caudal con alta precisión.
Beneficios del Sistema FREK
Este sistema supone un gran avance en la medición de caudales, ya que combina un bajo coste con una alta eficiencia. Gracias al uso de componentes accesibles, como cámaras de video, miniordenadores Raspberry Pi y sistemas de comunicación con routers 4G industriales, permite un despliegue rápido y escalable sin necesidad de grandes inversiones en infraestructura. Además, su diseño incorpora cámaras con visión nocturna mediante tecnología de infrarrojos, lo que garantiza su operatividad continua tanto de día como de noche, sin pérdida de precisión en las mediciones.
Otra de sus ventajas clave es que el procesamiento de imágenes se realiza directamente en el punto de control, evitando la necesidad de enviar grandes volúmenes de datos a un centro de procesamiento. El sistema analiza las imágenes y videos en tiempo real, transmitiendo únicamente los resultados al centro de control mediante una aplicación de comunicaciones desarrollada específicamente para este propósito.
Asimismo, FREK puede integrarse fácilmente en sistemas existentes, como los Sistemas Automáticos de Información Hidrológica (SAIH), complementando y mejorando los datos obtenidos por sensores tradicionales. Toda la información generada por el sistema se presenta en un panel de supervisión, permitiendo visualizar las estimaciones de caudal, compararlas con imágenes capturadas y contrastarlas con las mediciones de sensores adicionales.
El impacto de FREK en la gestión del agua y la prevención de crecidas es significativo, permitiendo optimizar la supervisión de los recursos hídricos y mejorar la toma de decisiones en infraestructuras hidráulicas. Su implementación en distintos puntos de control de aforos ha demostrado su eficacia y fiabilidad, posicionándolo como una herramienta clave en la modernización del monitoreo hidrológico. En este sentido, su desarrollo y puesta en funcionamiento por parte de SICE en proyectos recientes ha permitido mejorar el control de caudales y reforzar la gestión del agua en diversos entornos, consolidando su aporte al sector hidráulico con soluciones innovadoras y eficientes.
