Modelación hidrodinámica y de calidad de agua con MIKE 3 y ECOLab en el embalse la Playa - Boyacá.

Modelación hidrodinámica y de calidad

de agua con MIKE 3 y ECOLab en el

embalse la Playa - Boyacá.

Proyecto de grado para obtener el título de:

Ingeniera Ambiental

Molina Suesca Laura Katherine

Tesista

Universidad Santo Tomás

Facultad de Ingeniería Ambiental

Bogotá, Colombia

Modelación hidrodinámica y de calidad

de agua con MIKE 3 y ECOLab en el

embalse La Playa - Boyacá.

Molina Suesca Laura Katherine

Tesista

Peña Guzmán Carlos Andrés

Director

Modelación hidrodinámica con Mike 3

Facultad de Ingeniería Ambiental

Universidad Santo Tomás

Facultad de Ingeniería Ambiental

AGRADECIMIENTOS.

En los esfuerzos logramos evidenciar las capacidades que tenemos y que tan lejos podemos llegar. Agradezco a Dios que me ha guiado paso a paso para obtener mis logros, a mis padres por ser gestores de vida y de mi crianza, a mi compañero de vida quien me hace ver el sentido de cada paso y me ha enseñado a ser mejor cada día, a mis amigos que desde su experiencia y apoyo siempre han estado pendientes y optimistas de mis resultados, a mis maestros que hasta el último día dejaron un mensaje de aprendizaje en mi memoria y a la vida misma por ser un obstáculo que superar, cargada de experiencias nuevas de las cuales se aprende cada día.

“El aprendizaje es experiencia, todo lo demás es información”

Resumen y Abstrac IV

RESUMEN

El embalse La playa ubicado en el municipio de Tuta, Departamento de Boyacá, hace parte de la cuenca alta del Río Chicamocha, fue construido en el año de 1967 con el propósito de regular el caudal del río Jordán y controlar las inundaciones en épocas de invierno, actualmente el embalse no presenta información de calidad de agua y sus condiciones son alarmantes, ya que se descargan las aguas residuales provenientes de los municipios aledaños. Existe una variabilidad en el crecimiento del ecosistema acuático, que posee una alta carga contaminante con altas concentraciones de DBO, lo que genera una disminución del oxígeno disuelto del embalse y esto conlleva a la generación de impactos como la contaminación del aire por la generación de malos olores, deterioro del ecosistema y la afectación a la salud humana y de los animales por el uso del agua para riego y consumo humano [1].

El estudio del comportamiento hidrodinámico de un embalse es relevante ya que influye directamente en el proceso de sedimentación, uno de los procesos más complejos que alteran las condiciones de calidad del agua [2]. Para evaluar estas condiciones se implementó el modelo hidrodinámico MIKE 3, que representa el comportamiento físico del reservorio. El modelo permite simular el nivel de agua, las variaciones y los flujos en respuesta a una variedad de funciones forzantes, junto con el módulo de calidad del agua ECOLab, que es la herramienta complemento para el análisis de la calidad del agua en cuerpos de agua [3]. De esta manera se le da cumplimiento a los objetivos propuestos dentro del proyecto.

V MODELACIÓN HIDRODINÁMICA Y DE CALIDAD DE AGUA CON MIKE 3 Y ECOLab, EN EL EMBALSE LA PLAYA - BOYACÁ

ABSTRACT

The reservoir La Playa located in the municipality of Tuta, Department of Boyacá, is part of the upper basin of the river Chicamocha, was built in 1967 to regulate the flow of the river Jordan and control floods in winter, Currently the reservoir does not present information on water quality and its conditions are alarming, since the waste water from the surrounding municipalities is discharged. There is a variability in the growth of the aquatic ecosystem, which has a high polluting load with high concentrations of BOD, which causes a decrease in the dissolved oxygen of the reservoir and this leads to the generation of impacts such as air pollution by the generation of bad Odors, deterioration of the ecosystem and the effects on human and animal health from the use of water for irrigation and human consumption [1].

The study of the hydrodynamic behavior of a reservoir is relevant since it directly influences the sedimentation process, one of the most complex processes that alter the water quality conditions [2]. In order to evaluate these conditions, the MIKE 3 hydrodynamic model was implemented, which represents the physical behavior of the reservoir. The model allowed to simulate water level, variations and flows in response to a variety of forcing functions, together with the ECOLab water quality module, which is the complementary tool for the analysis of water quality in water bodies [3]. Thus fulfilling the objective of the study within the evaluation in water management.

Contenido VI

Contenido

RESUMEN ... 5

ABSTRACT ... 6

1. INTRODUCCIÓN. ... 1

2. OBJETIVOS ... 2

2.1 OBJETIVO GENERAL. ... 2

2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS. ... 2

3. PERTINENCIA SOCIAL ... 3

4. MARCO TEÓRICO. ... 4

4.1 Embalse ... 4

4.1.1 Generalidades del embalse La Playa. ... 4

4.1.2 Hidrodinámica ... 5

4.1.3 Comportamiento hidrodinámico en embalses. ... 5

4.1.4 Calidad de agua en los embalses ... 5

4.2 MIKE powered by DHI ... 5

4.3 MIKE 3: ... 5

4.2.1 Ecuaciones hidrodinámicas implementadas en Mike 3. ... 6

4.4 ECOLab: ... 7

5. METODOLOGÍA. ... 8

ETAPA 1: ... 8

ETAPA 2: ...11

ETAPA 3: ...13

ETAPA 4: ...14

6. DESARROLLO CENTRAL ...16

6.1 CONDICIONES ACTUALES DEL EMBALSE. ...16

6.2 RESULTADOS DEL MUESTREO. ...17

6.2.1 ANALISIS DE DQO ...18

VII MODELACIÓN HIDRODINÁMICA Y DE CALIDAD DE AGUA CON MIKE 3 Y ECOLab, EN EL EMBALSE LA PLAYA - BOYACÁ

6.3 ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS, BASADOS EN LOS OBJETIVOS

DE CALIDAD DE AGUA. ... 19

6.4 MODELO HIDRODINÁMICO. ... 21

6.4.1 BATIMETRÍAS. ... 21

6.3.1 CONDICIONES INICIALES DEL MODELO HIDRODINÁMICO. ... 22

6.4.3 SERIES DE VIENTO. ... 24

6.4.4 PRECIPITACIÓN. ... 25

6.4.5 FLUJO – CAUDAL ... 27

6.5 VALIDACIÓN DEL MODELO ... 29

7. GENERACIÓN DE ESCENARIOS BAJO PATRONES DE FLUJO.... 31

8. MODELO ECOLAB ... 35

8.2 ESCENARIOS DE CALIDAD DE AGUA. ... 36

9. CONCLUSIONES ... 38

10. RECOMENDACIONES ... 40

11. ANEXOS ... 41

BIBLIOGRAFÍA ... 46

LISTADO DE TABLAS Tabla 1. Identificación de datos de entrada para el modelo. ... 12

Tabla 2. Resultados de las muestras tomadas en campo. ... 17

Tabla 3. Resultados DQO. ... 18

Tabla 4. Número más probable (NMP)... 18

Tabla 5. Objetivos de Calidad de agua para la cuenca alta y medio del Chicamocha vs datos tomados en campo para el tramo 2. ... 20

Tabla 6.Objetivos de Calidad de agua para la cuenca alta y medio del Chicamocha vs datos de DBO tomados del estudio La Playa ... 20

Tabla 7. Especificaciones de entrada del modelo. ... 23

LISTADO DE ILUSTRACIONES Ilustración 1 Embalse la Playa, panorama. ... 9

Ilustración 2 Fotos tomadas durante la visita al embalse La Playa. ... 16

LISTADO DE FIGURAS Figura 1. Comportamiento batimétrico La Playa ... 7

Contenido

VIII

Figura 4. Batimetrías embalse La Playa. ...22

Figura 5. Rosa de los vientos – Estación UPTC ...24

Figura 6. Modelo de velocidad y dirección. ...25

Figura 7. Modelos de precipitación para los años 2010 y 2015 ...26

Figura 8. Perfil de velocidades de flujo ...27

Figura 9. Velocidades de flujo en u y v. ...28

Figura 10. Modelo de Flujo de Caudal _ Embalse La Playa. ...29

Figura 11. Ajuste del modelo para precipitación medida _ Vs precipitación simulada. ...30

Figura 12. Ajuste del modelo para caudal simulado _ Vs caudal medido en las estaciones...30

Figura 13. Precipitación en condiciones máximas Vs Caudal máximo. ...31

Figura 14. Escenario 2 capacidad del embalse vs las condiciones máximas del caudal. ...32

Figura 15 Escenario 3, perfil de profundidades Vs la carga de sedimentación. ...33

Figura 16. Plantilla MikeHydroWQ_DO. ...35

Figura 17. Modelo de concentración de contaminantes en época de lluvia ...36

Figura 18. Modelo de concentración de contaminantes en época seca. ...37

LISTADO DE ECUACIONES

Ecuación 2. Ecuación de la ley de la conservación de la masa: ... 6

Ecuación 3. Continuidad de los fluidos. ... 6

Ecuación 4. Ecuación no lineal. ... 7

Ecuación 5. Tasa de Cambio. ...14

SÍMBOLOS CON LETRAS GRIEGAS

Símbolo Término

∂ Advección

β Grado de formación del componente i

ρ Densidad

𝛁 Delta

 Ángulo de inclinación

1

Introducción

1

1.

INTRODUCCIÓN.

Este proyecto se basa en la modelación hidrodinámica y de calidad de agua del embalse La Playa ubicado en el municipio de Tuta – Boyacá. Para el modelo se implementó la herramienta de modelación MIKE 3, esta herramienta genera modelos hidrodinámicos en 3D donde se analizaron algunos de los parámetros fisicoquímicos y biológicos del embalse. Algunas de las variables fueron medidas en campo y otras solicitadas al IDEAM (Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales) y la Corporación Autónoma Regional de Boyacá. Para analizar las condiciones de calidad de agua se implementó el módulo ECOLAB, que hace parte del laboratorio ecológico de MIKE, este módulo contiene plantillas diseñadas para el análisis dela calidad del agua, la eutrofización, metales pesados y ecología en cuerpos hídricos. En este caso se analizaron parámetros de calidad de agua como el PO4, DBO y DQO,

determinando en primer lugar el cumplimiento a los parámetros de calidad de agua establecidos por la Resolución 3560 del 9 de Octubre de 2015, por la cual se establecen los objetivos de calidad de agua para la cuenca alta del río Chicamocha a la cual pertenece el embalse.

Para el análisis hidrodinámico del embalse se generó una malla con información batimétrica, la malla obtenida es la base de la información que solicita el programa para la generación de los modelos, se realizó una comparación de datos en los modelos generados para la precipitación, caudal, velocidad de flujo y velocidad del viento, el análisis en las variables físicas se realizó por medio de la generación de modelos teniendo en cuenta el histórico de datos obtenidos en las mediciones de las estaciones seleccionadas con el fin de evaluar los cambios a través del tiempo y determinar los periodos máximos de precipitación y caudal, para compararlos con estudios actuales de análisis en el comportamiento de las variables hidrodinámicas en condiciones extremas evidenciadas en el territorio nacional (fenómeno de la niña). Los escenarios fueron generados con base en el comportamiento hidrodinámico y los estudios base del periodo de retorno del embalse.

2 Objetivos

2

2.

OBJETIVOS

2.1 OBJETIVO GENERAL.

Generar un modelo hidrodinámico y de calidad de agua para el embalse la Playa, ubicado en el departamento de Boyacá, empleando el Software de modelación MIKE 3 y el modulo complemento ECOLab.

2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS.

Determinar las condiciones ambientales del embalse La Playa, tomando como referencia los objetivos de calidad de agua para la cuenca del Chicamocha y datos obtenidos en campo.

Modelar las condiciones hidrodinámicas del embalse, basados en la herramienta de modelación Mike 3.

Identificar el comportamiento hidrodinámico del embalse, teniendo en cuenta patrones de flujo bajo diferentes escenarios.

3

Pertinencia Social

3

3.

PERTINENCIA SOCIAL

4. Marco Teórico

4

4. MARCO TEÓRICO.

4.1 Embalse

Los embalses son cuerpos de agua intermedios entre ríos y lagos, de flujo más lento que aquellos y más rápido que estos, en el medio hay una amplia zona de transición [2]. Los embalses inundan ecosistemas terrestres, lo que significa que al menos en las etapas iniciales de su historia, disponen de una gran cantidad de materia orgánica que van metabolizando por vía detrítica. En general, esta primera fase, que podría denominarse heterotrófica, dura alrededor de una década y se distingue porque las emisiones de CO2 y de CH4 son más elevadas.

Pasado este periodo el embalse alcanza su situación de equilibrio y reduce la emisión de gases con efecto invernadero a las tasas propias de otros sistemas acuáticos naturales equivalentes [3].

4.1.1 Generalidades del embalse La Playa.

El embalse La Playa está localizado sobre el rio Jordan al norte de la población de Tuta, Boyacá. El embalse controla un área de drenaje de 316 Km2 _{y tiene}

una afluencia estimada en la estación San Rafael de 1,12 m3_{/s. El volumen del}

embalse, a la cota 2597 msnm es de 6.0 hm3_{, de los cuales 5.5 Hm}3_{son útiles}

para regulación. En la cota máxima indicada, el área máxima es de 128 hectáreas [4].

Debido al contenido de nutrientes del agua del rio Chulo que afluye el embalse, este se encuentra en estado eutrófico y en él se ha proliferado la vegetación acuática, en particular el Jacinto o buchón de agua un efecto negativo, generado por el estado de calidad de agua. El embalse de La Playa está siendo operado para regular los caudales del rio Chulo e indirectamente los del rio Chicamocha [4].

Tabla 1. Funciones y parámetros del embalse La Playa.

FUNCIÒN Hm3

Regulación de caudales para suministro de agua, para uso

municipal y otros usos.

16.0

Pérdida por infiltración 0.5

Embalse muerto 3.0

Volumen para control de crecientes 11.0

4.

5

La cota máxima para el año de 1994 fue de 2670 m.s.n.m., según los registros entregados por Corpoboyacá, del último estudio realizado por la entidad, para la cual la superficie del embalse era de 650 hectáreas, la cota del vertedero es de 2672 msnm, el área inundada es de 770 hectáreas [5].

4.1.2 Hidrodinámica

Es la parte de la Física que estudia las propiedades y comportamiento de los líquidos en movimiento se puede clasificar en líquido ideal o fluido ideal que es aquel que una vez puesto en movimiento no pierde energía mecánica. No existen fuerzas de rozamiento (no conservativas) que se opongan a su desplazamiento. El líquido real o fluido real es aquel en el que, al existir fuerzas de rozamiento, la energía mecánica no se conserva pues parte de ella se disipa en forma de calor. Aunque los líquidos no son ideales, el modelo del fluido ideal es una buena aproximación para el estudio del comportamiento mecánico de líquidos en circulación [6].

4.1.3 Comportamiento hidrodinámico en embalses.

En los embalses, el comportamiento hidrodinámico está íntimamente relacionado con la distribución vertical de calor, el régimen térmico de un ecosistema fluvial determina las especies que se pueden encontrar en el mismo, por lo que cambios en el régimen térmico de un embalse pueden afectar significativamente a la estructura de la comunidad ecológica y a la calidad del agua que se extraiga del mismo [5].

4.1.4 Calidad de agua en los embalses

La calidad de agua se ha considerado en todos los posibles elementos de la modelación y la simulación de los procesos fisicoquímicos y biológicos que se analizan en tramos del río (o canales) y embalses (o lagos). Se puede definir calidad del agua como un conjunto de características de naturaleza física, química y biológica que asegura determinado uso o conjunto de usos, debiendo estar dentro de ciertos límites o estándares previstos en la legislación vigente para que estos puedan ser viabilizados [8].

4.2 MIKE powered by DHI: La herramienta MIKE powered by DHI contiene software diseñados exclusivamente para el estudio del agua en el mundo. En todo el mundo los efectos del cambio son cada vez más evidentes y su impacto más significativo en las necesidades de modelización, para lo cual en el caso de este proyecto contamos con herramientas como [7]:

4. Marco Teórico

6

reconocida para estudios ambientales y ecológicos. MIKE 3 es modular, es decir que suple necesidades específicas, de las cuales se encuentran: el módulo de hidrodinámica, transporte de sedimentos, ECOLAB, entre otros que mejoran y facilitan las posibilidades de modelado [8].

4.2.1 Ecuaciones hidrodinámicas implementadas en Mike 3.

a. Ecuación de Navier– Stokes:

Ecuación 1. Esta expresión representa el principio de conservación del momento lineal aplicada a un fluido general.

ρ𝐷𝑢𝑖 𝐷𝑡 = ρFi

𝜕𝑃 𝜕𝑥𝑗+

𝜕

𝜕𝑥𝑗[2µ (𝑒𝑖𝑗 − 𝛥𝑖𝑗

3 )] Fuente: [11]

Ecuación 2. Ecuación de la ley de la conservación de la masa:

𝜕𝜌 𝜕𝑡+

𝜕𝜌𝑢𝑖 𝜕𝑥𝑖 = 0 Fuente: [11]

En estas ecuaciones ρ representa la densidad, ui (i = 1,2,3) las componentes cartesianas de la velocidad, Fi las fuerzas aplicadas sobre el cuerpo, como la gravedad, P la presión del fluido, y μ la viscosidad dinámica.

Ecuación 3. Continuidad de los fluidos.

𝑒𝑖𝑗 =1 2 (

𝜕𝑢𝑖 𝜕𝑥𝑗+

𝜕𝑢𝑗 𝜕𝑥𝑖)

Fuente: [11]

Donde Δ = 𝑒𝑖𝑗 es la divergencia del fluido y δij la delta de Kronecker. D / Dt es la derivada total o derivada material temporal siguiendo el fluido:

𝐷 𝐷𝑡(. ) =

𝜕(.)

𝜕𝑡 + (𝑣. 𝜵)(. )

Fuente: [11]

4.

7 Ecuación 4. Ecuación no lineal.

𝜌𝐷𝑢𝑖

𝐷𝑡 = 𝜌𝐹𝑖 − 𝜕𝑃 𝜕𝑥𝑖+ 𝜇 (

𝜕2_𝑢𝑖

𝜕𝑥𝑗𝜕𝑥𝑗+

1 𝜕2_𝑢𝑗

3𝜕𝑥𝑗𝜕𝑥𝑗) Fuente: [11]

Figura 1. Comportamiento batimétrico La Playa

4.4 ECOLab: es un módulo complemento de MIKE, utilizando las plantillas estándar como base se permitirá transformar cualquier ecosistema acuático en un modelo numérico confiable para predicciones. ECOLab es el software ideal para estudios de calidad de agua y estudios ecológicos, que estén relacionados con sub-superficies y aguas subterráneas en ríos, humedales, lagos, embalses, estuarios, aguas costeras y el mar. ECOLab con cada una de sus plantilla que son implementadas en base a las necesidades del modelo ya que puede realizar predicciones espaciales de cualquier ecosistema, estudios simples y complejos de planificación y permisos [9]

5. Metodología

8

5.

METODOLOGÍA.

Basados en los objetivos propuestos la siguiente fue la metodología implementada:

ETAPA 1:

1.

Las variables útiles para la generación del modelo son: precipitación, caudal, velocidades de viento, DBO, DQO y PO4. La información solicitada al IDEAM

fue la precipitación y caudal de las estaciones aledañas al embalse, esas estaciones son Palo El (cód.: 24037030) y la estación San Antonio (cód.: 24030530) con registros históricos desde 1972 al 2015.

• Los datos de velocidades de viento fueron tomados de Meteoblue1, la base de datos permite descargar los archivos en formato CVS, editable en Excel, con un histórico de datos obtenidos desde 2000 al 2017.

• Los datos de batimetría fueron solicitados a CORPOBOYACÁ (Corporación Autónoma Regional de Boyacá), los datos suministrados por la corporación se entregaron en formato de AutoCad junto con el estudio de plan de ordenamiento del recurso hídrico en cuenca alta del rio Chicamocha. La información necesaria para realizar el modelo fue extraída de los perfiles batimétricos.

2.

En la visita al área de estudio se realizó un recorrido para reconocer los puntos de muestreo, la metodología implementada para realizar el muestreo basado en el procedimiento de muestreo para aguas superficiales, Sistema de Gestión de Calidad - NTP ISO/IEC 17025, Universidad Nacional [11].

1 _{Meteoblue: es un servicio meteorológico creado en la Universidad de Basilea, suministra información a una mesoescala}

5.

9

Ilustración 1 Embalse la Playa, panorama.

Se realizó un reconocimiento digital usando la herramienta Google Maps, para conocer las posibles entradas y senderos para realizar el recorrido, además se contó con el acompañamiento de una de las habitantes de la zona. Se reconocieron tres puntos de muestreo, los cuales fueron seleccionados teniendo en cuenta el punto de inicio aguas arribas donde está la entrada del afluente del rio Jordan, el punto dos es un punto medio del recorrido del embalse y el punto tres es el punto aguas abajo del embalse donde finaliza el mismo [4]. Los puntos seleccionados para el muestreo fueron:

• Punto 1: ubicado a (05º40’48.1’’N, 73º15’7’’W), es el punto inicial de los vertimientos que recibe el embalse por parte del rio Jordán, donde se visualiza la entrada del rio hacia el embalse (aguas arriba).

• Punto 2: Ubicado a (05º40’48.5’’N, 73º15’33.3’’W), este se en un punto medio del embalse donde se encontraron mangueras utilizadas para extraer agua del embalse, dirigidas hacia algunas fincas cercanas.

• Punto 3: Ubicado a (5º18.4’41’’N, 73º13.4’15’’W), este punto está cercano al punto de salida del efluente (aguas abajo).

En cada punto se realizó lo siguiente: reconocimiento visual del ambiente (toma de fotografías y charlas con los habitantes), toma de PH y temperatura, se toma la muestra y hay refrigeración inmediata (el muestreo se realizó teniendo en cuenta los parámetros de la Etapa 1, numeral 1) para toma de muestras en agua residual se tuvo en cuenta procedimiento de muestreo para aguas superficiales [13].

5. Metodología

10

Figura 2. Embalse La Playa.

Fuente: [11]

3. Análisis de las muestras tomadas en campo en el laboratorio de microbiología de la Universidad Santo Tomas, sede central. Con las muestras recolectadas en campo se realizó el análisis para los parámetros de DQO, PO4 SO4, NH4 y

coliformes. La siguiente fue la metodología utilizada para el análisis de las muestras.

• Medición de PO4, SO4, y NH4: para realizar la medición de estos parámetros se utilizó el LABORATORIO DE ANÁLISIS DE AGUAS SMART LAMOTTE MODELO SOL-05, este laboratorio portátil mide 24 factores de la calidad del agua para análisis de contaminación, estudios medioambientales y de aguas industriales y residuales, para el PO4, se

utiliza el procedimiento de extracción basado en el método de reducción

ácido ascórbico. Para la medición SO4 se utilizó el método de cloruro de

bario y para el NH4 se usó el método de Nesserilización [15].

• Medición de DQO: para medir esta condición se utilizó un fotómetro compacto PF-3 COD con tres longitudes de onda diseñadas para el análisis de DQO. Indicado para el uso móvil directamente en el lugar en el que se toma la muestra. Junto con los test NANOCOLOR, se obtuvo información sobre los niveles de DQO. Los test NANOCOLOR ® y el PF-3 COD permiten la determinación de DQO entre 2-60000 mg/L.

Fuente:

PUNTO 1 PUNTO 2

5.

11

• Medición de coliformes: para identificar presencia de coliformes y

Escherichia coli2 en muestras de agua, se usó un sistema para monitoreo (cuando desea tener respuestas cualitativas, positivo/negativo) de calidad. Se prepara un control negativo (agua destilada estéril) y otro un control positivo (agua destilada inoculada con

Escherichia coli y se realizó lo siguiente [16]:

Prueba presuntiva:

a. Tomar 10 ml de agua y transferirlos a cada uno de los tubos especiales que comprenden la primera serie. Tomar 1 ml de la muestra y transfiera a la segunda serie de tubos y por último transfiera 0.1 ml a la tercera serie de tubos que contienen caldo lauril3 _{sulfato de sodio y tubo de Durham invertido.}

b. Incubar a 30°C por 24 y 48 horas. Los tubos que presentan crecimiento o turbidez y producción de gas son positivos.

Prueba confirmativa:

a. A partir de los tubos positivos de la prueba presuntiva, inocular con escobillones estériles caldo bilis verde brillante con tubo durham. Marcar cada serie. 2. Incubar a 30°C por 24 y 48 horas. La formación de gas y turbidez confirman la presencia de coliformes totales. Anotar el número de tubos positivos en cada serie, la combinación obtenida se busca en la Tabla 4.

ETAPA 2:

1. Descripción del modelo MIKE 3.

La segunda versión se denomina MIKE 3 Flow Model Flexible Mesh, es la que se ajusta al planteamiento de los objetivos del proyecto. En esta versión tal como su nombre lo indica es posible utilizar una malla no-estructurada en elementos finitos para discretizar el dominio horizontal de cálculo. En el plano vertical se utiliza una estructurada lo que da origen a la formación de prismas o cuadriláteros, con tres tipos de coordenadas disponibles: Sigma-ẟ, sigma-ẟ generalizadas o coordenadas S y las coordenadas hibridas Z-Sigma, útiles en

2_{Escherichia coli: es una bacteria habitual en el intestino del ser humano y de otros animales de sangre caliente. Aunque}

la mayoría de las cepas son inofensivas, algunas pueden causar una grave enfermedad de transmisión alimentaria. La infección por E. coli se transmite generalmente por consumo de agua o alimentos contaminados, como productos cárnicos poco cocidos y leche cruda [62].

3_{Caldo Lauril: Medio rico en nutrientes, que permite un rápido desarrollo de los microorganismos fermentadores de}

5. Metodología

12

zonas donde es necesario capturar condiciones de estratificación por temperatura. Cualquiera sea el tipo de coordenadas verticales que se utilicen, es posible unir una separación constante o variable de las capas. Los módulos que comprende el MIKE 3 Flow Model Flexible Mesh son los siguientes [10]:

✓ Módulo de transporte de partículas (Transport)

✓ Módulo de simulación de hidrocarburos (ECO Lab/Oilspill Module).

✓ Módulo de transporte de sedimentos cohesivos (Mud Module)

✓ Módulo de transporte de sedimentos no-cohesivos (Sand Transport Module)

✓ Módulo de seguimiento de partículas (Particle Tracking module)

2. Identificación del modelo matemático MIKE 3.

Para generar el modelo que se ajusta al cumplimiento de los objetivos establecidos en este proyecto se seleccionó el módulo (HD) hidrodinámico, junto con el modelo de simulación de transporte de contaminantes, analizado con las plantillas de EcoLab. El Módulo Hidrodinámico se basa en la solución numérica de las dimensiones tridimensionales incompresible Reynolds, en promedió las ecuaciones de Navier-Stokes mencionando los supuestos de Boussinesq y de la presión hidrostática. Así el modelo se desarrolla en ecuaciones de continuidad [11].

3. Identificar los datos de entrada para el modelo en Mike 3:

Tabla 1. Identificación de datos de entrada para el modelo.

PARAMETRO UNIDADES

Precipitación m3_{/s (metro cubico por segundo)} Caudal m3_{/s (metro cubico por segundo)} Velocidad del viento m/s (metro por segundo)

Temperatura ºC (grados centígrados)

Batimetrías m (metros)

Coordenadas (contornos y de cada punto batimétrico)

MAGNA _Colombia_ Bogotá

Fuente: [12]

Los datos de entrada deben estar en formato xyz, codificados para cada una de las entradas que solicita el software.

5.

13

Para generar el modelo hidrodinámico se inició con la construcción de la malla, para lo cual es necesario ingresar los datos de batimetría del embalse. Para crear la malla se debe considerar:

• Los datos necesarios para la creación de la malla son el contorno de la malla, definiendo el dominio del modelo y los datos de dispersión relacionados, definiendo los valores batimétricos.

• El archivo de malla acopla las profundidades de agua con diferentes posiciones geográficas y la siguiente información: red computacional, profundidad del agua, información de límites. En este caso se codificaron los datos de entrada para el contorno definiendo aguas arriba con un código 2, aguas abajo con un código 3 y los laterales que determinaban el límite del terreno y la lámina de agua con un código 1.

• La creación de la malla computacional requirió de numerosas modificaciones de los datos en conjunto, por lo que los procesos fueron repetitivos hasta obtener una resolución de malla óptima para correr el modelo.

• Se determinó la validez del modelo teniendo en cuenta los pasos durante la etapa 2, se tomaron los datos generados por el modelo y se compararon con los datos históricos obtenidos de las estaciones aledañas al embalse, esta validez se realizó para los parámetros de precipitación y caudal.

ETAPA 3: identificar el comportamiento hidrodinámico del embalse, teniendo en cuenta patrones de flujo bajo diferentes escenarios.

1. Se introducen los datos de velocidad de viento que además permiten determinar en el modelo la velocidad del viento. Se especifica las condiciones del flujo en el embalse, la velocidad se relaciona en dos condiciones el viento en la parte columna superior del cuerpo de agua determinada en velocidad v en el flujo de agua y la velocidad u es denominada a la velocidad en el nivel z, que corresponde al valor de profundidad introducido en las batimetrías.

2. Validación de las variables de precipitación y caudal, tomadas del registro de datos históricos de las estaciones aledañas y simuladas en el modelo hidrodinámico.

5. Metodología

14

• Escenario 1: precipitación en condiciones máximas vs caudal.

• Escenario 2: capacidad del embalse vs las condiciones máximas del caudal.

• Escenario 3: perfil de profundidades del agua vs la carga de sedimentación prevista para el 2017.

ETAPA 4:

1. Identificación del modelo matemático de ECOLAB.

Los procesos contienen expresiones matemáticas usando argumentos como números, constantes, forzamientos y variables de estado. Los procesos siempre describen la velocidad a la cual algo cambia. En este contexto las constantes son valores siempre constantes en el tiempo, y los forzamientos son valores que pueden variar en el tiempo, para lo cual se implementa una medida en la cual se modifica una variable con relación a otra, comparando las magnitudes de dos variables a partir de sus unidades de cambio [17].

Ecuación 5. Tasa de Cambio.

𝑃𝑐 =𝑑𝑐

𝑐𝑡 = ∑𝑛 𝑖 = 1 𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑠𝑖

Fuente: [9]

c: concentración de las variables de EcoLab

n: Número de procesos relacionados por las especificaciones de las variables estáticas.

2. Tratamiento de los datos para la generación del modelo de calidad de agua:

Para el análisis de calidad de agua se tuvo en cuenta los parámetros de DBO, DQO y PO4. Los parámetros medidos en el laboratorio fueron utilizados

para comprarlos con los parámetros establecidos en los objetivos de calidad de agua para la cuenca del rio Chicamocha a la cual pertenece el embalse. La DBO no se pudo medir en el laboratorio de la universidad por lo tanto los datos tomados son del estudio que se menciona a continuación.

• Basados en el estudio, Comunidad planctónica de un embalse con alta tensión ambiental: La Playa cuenca alta del río Chicamocha (Tuta, Boyacá), Colombia [13] se tomaron datos de los parámetros analizados para el modelo como: DBO y PO4. Los datos seleccionados fueron utilizados para la

5.

15

3. Selección de la plantilla de ECOLAB.

• Con la información recolectada acerca de la calidad del agua del embalse se seleccionó la plantilla que contenía las variables medidas en campo o las analizadas en el estudio previo mencionado. Esta plantilla tiene condiciones para el análisis de calidad de agua, para considerar el comportamiento de los parámetros en temporada de lluvia y de seguía, se realizó un cambio en la temperatura promedio para cada una de las temporadas, para temporada de lluvia se tomó un promedio de temperatura de 16.6 ºC y para temporada seca un promedio de temperatura de 10.4ºC.

4. Generar escenarios para calidad de agua en el embalse La Playa:

6 Desarrollo Central

16

6.

DESARROLLO CENTRAL

6.1 CONDICIONES ACTUALES DEL EMBALSE.

Ilustración 2. Fotografías tomadas durante la visita al embalse La Playa.

Fuente: [12]

Como base del estudio es importante generar un diagnóstico actual del embalse de la Playa, durante la visita se realizó un recorrido de 4.6 Km, donde se eligieron tres puntos de muestreo, se obtuvo información con la población más cercana al embalse y la toma de fotografías como soporte a lo evidenciado en la visita. Debido a la carga contaminante que recibe el embalse proveniente del rio Jordán que realiza su recorrido desde el municipio de Tunja donde se visualiza la entrada de vertimientos en el punto (05º40’48.1’’N, 73º15’7’’W) y que fue elegido como punto de muestreo. El nivel del embalse según sus habitantes se encontraba en el punto máximo de abastecimiento, teniendo como referencia los islotes que en época de verano se comunican con el borde del embalse generando fácil acceso para animales y personas que frecuentan el lugar. El uso del agua es utilizada para riego de hortalizas, pastos y frutales, además del consumo animal [1].

Según el DANE (Departamento Administrativo Nacional de Estadística) la población del departamento de Boyacá en el 2005 fue de 1.413.064habitantes, pero no se tiene un dato confiable de la población que habita en las riveras del Chicamocha o en su cuenca, para entender la dinámica poblacional de la

cuenca, se observan las tasas de crecimiento poblacional. Las tasas de

6

MODELACIÓN HIDRODINÁMICA Y DE CALIDAD DE AGUA CON MIKE 3 Y ECOLAB, EN EL EMBALSE LA PLAYA - BOYACÁ

17

expuestas a los problemas de contaminación y deterioro de la cuenca del Chicamocha, el número de habitantes de la cuenca ha crecido entre 1985 y 1993 y los que más lo han hecho son Duitama, Tunja y Sogamoso, las cuales son los centros industriales y de comercialización de productos agrícolas más importantes de la región demostrando el predominio de lo urbano sobre

lo rural. Este panorama incrementaría el número de residuos y elementos

dañinos en la cuenca, lo que en el mejor de los escenarios crearía personas consientes en la recuperación del recurso hídrico [14].

Los aspectos ambientales afectados por la contaminación son al recurso hídrico, generado a la contaminación del agua, la pérdida de los ecosistemas acuáticos, contaminación del aire por la generación de olores debido a las altas concentraciones de azufre y otros componentes fisicoquímicos que contienen las aguas contaminadas del embalse [4] [1]. Según estudios realizados al embalse se conoce que la contaminación se ha generado desde el inicio del rio Chicamocha en Tunja el rio comienza una progresiva contaminación por vertimientos sin control de diferentes urbanizaciones, a tal punto que al atravesar a Tunja sus aguas cristalinas solo se pueden apreciar en los primeros 50 metros desde su nacimiento. La problemática de escasez de agua vivida en Tunja en los últimos 50 años, la no planificación y legislación sobre aguas servidas, la falta de una política de planificación urbana ha permitido que los diferentes ríos que irrigan al Chicamocha a lo largo de su cauce se contaminen de diferentes sustancias [1].

6.2 RESULTADOS DEL MUESTREO.

Tabla 2. Resultados de las muestras tomadas en campo.

Fuente: [12]

Punto Parámetro Resultado (mg/l)

Método Análisis

PUNTO 1:

(5º18.4’41’’N , 73º13.4’15’’W)

SO4 33 Test

Procedures

SMART3 Soil 1.11

PO4 4.67

NH3 11.59

PUNTO 2: (05º40’48.5’’N, 73º15’33.3’’W

SO4 31.35

PO4 4.56

NH3 11.62

PUNTO 3: (05º40’48.1’’N, 73º15’7’’W)

SO4 9

PO4 3.95

6 Desarrollo Central

18

6.2.1 ANALISIS DE DQO

Los niveles de DQO juegan un papel fundamental en la evaluación de aguas contaminadas y con diferentes usos domésticos y agropecuarios. Al ser un parámetro que indica la carga orgánica total en el agua residual, la DQO es uno de los parámetros más importantes en el análisis de calidad del agua. Entre otras cosas, los valores de DQO se usan para la supervisión de la capacidad de purificación de las aguas depuradas.

Tabla 3. Resultados DQO.

MUESTRAS RESULTADO (mg/l)

M1 (aguas arriba)

Punto 1 632

M2 (aguas abajo)

Punto 3 349

Fuente: [12]

6.2.2 ANÁLISIS DE COLIFORMES FECALES.

Para determinar coliformes fecales se implementó el método del Número más Probable (NMP), la siguiente tabla muestra los resultados de verificación del NMP [15].

Tabla 4. Número más probable (NMP)

Número de tubos que dan reacción positiva en las series de tres tubos

inoculados con: NMP/100 ml

10 ml 1ml 0.1ml

0 0 1 3

0 1 0 3

1 0 0 4

1 0 1 7

1 1 0 7

1 1 1 11

1 2 0 11

2 0 0 9

2 0 1 14

6

MODELACIÓN HIDRODINÁMICA Y DE CALIDAD DE AGUA CON MIKE 3 Y ECOLAB, EN EL EMBALSE LA PLAYA - BOYACÁ

19

Número de tubos que dan reacción positiva en las series de tres tubos

inoculados con: NMP/100 ml

10 ml 1ml 0.1ml

2 1 1 20

2 2 0 21

2 2 1 28

3 0 0 23

3 0 1 39

3 0 2 64

3 1 0 43

3 1 1 75

3 1 2 120

3 2 0 93

3 2 1 150

3 2 2 210

3 3 0 240

3 3 1 460

3 3 2 1100

Fuente: [15]

Al realizar el análisis para tres tubos con un volumen de 10 ml, 1ml y 0.1ml, para cada punto de muestreo se obtienen los siguientes resultados:

Muestra 1: se obtiene una relación 3-3-1, de muestras positivas, con un total de 460 NMP/100 ml de coliformes.

Muestra 2: se obtiene una relación 3-3-2, de muestras positivas, con un total de 1100 NMP/100ml de coliformes.

Muestra 3: se obtiene una relación 3-3-0, de muestras positivas, con un total de 240 NMP/100ml de coliformes.

Los resultados obtenidos para las pruebas de coliformes evidencian una alta concentración, sin embargo se debe relacionar los datos con los objetivos de calidad de agua de la cuenca del Chicamocha a la cual pertenece el embalse La Playa, como se indica en el numeral 5.3.

6.3 ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS, BASADOS EN LOS OBJETIVOS DE CALIDAD

DE AGUA.

6 Desarrollo Central

20

media del Río Chicamocha, definiendo los usos genéricos para el recurso hídrico [16]. A partir de los objetivos de calidad de agua definidos para el embalse se toman los valores que conciernen al embalse La Playa y se realiza la comparación de los datos definidos por los objetivos de calidad Vs los tomados en campo.

Tabla 5. Objetivos de Calidad de agua para la cuenca alta y medio del Chicamocha vs datos tomados en campo para el tramo 2.

ACTIVIDAD

PARA METROS CALIDAD DE

AGUA

VALOR PARA METROS

MEDIDOS VALOR

CALIDAD DE AGUA

Agricultura

(Aguas arriba de Tunja, hasta La

Playa arriba)

DQO 30 DQO 632 No

cumple

PH (unidades) 4.5 -9 PH (unidades) 8.6 Cumple

PO4 2 PO4 4.67

No cumple

Olor Acepta

ble Olor

Mal Olor No cumple Coliformes Fecales NMP/100ml 1000 Coliformes Fecales NMP/100ml

1100 No

cumple Consumo Humano y Domestico (Desde Playa Abajo hosts Cambulos)

DQO 10 DQO 632 No

cumple

PH (unidades) 4.5 -9 PH (unidades) 8.6 Cumple

SO4 400 SO4 33 Cumple

Olor Aceptabl

e Olor

Mal Olor No cumple Coliformes Fecales NMP/100ml 2000 Coliformes Fecales NMP/100ml

1100 Cumple

Fuente: [16]

Los parámetros anteriormente descritos fueron medidos en campo y otros evaluados en el laboratorio. Dentro de las variables de análisis propuestas dentro de la metodología se encuentra la DBO (Demanda Bioquímica de Oxigeno), no fue posible analizarla en el laboratorio, sin embargo se tomaron los datos obtenidos en el estudio de Comunidad planctónica de un embalse con alta tensión ambiental: La Playa, cuenca alta del río Chicamocha (Tuta, Boyacá), Colombia, estudio publicado en el 2014, los datos más actuales que se obtuvieron del embalse.

Tabla 6.Objetivos de Calidad de agua para la cuenca alta y medio del Chicamocha vs datos de

6

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21 ACTIVIDAD PARA ME TROS CALIDAD DE AGUA VALOR PARAMETRO

S MEDIDOS VALOR

CALIDAD DE AGUA Agricultura (Aguas arriba de Tunja, hasta La Playa arriba)

DBO <10 DBO 287 No

cumple Consumo Humano y Domestico (Desde Playa Abajo hosts Cambulos)

DBO 4 DBO 287 No

cumple

Fuente: [16]

Los resultados anteriores concluyen que el embalse La Playa no cumple con los objetivos de calidad de agua establecidos en la resolución 3560 de 2015, bajo la jurisdicción de la Corporación Autónoma Regional de Boyacá. Esto define que las variables analizadas en el embalse por medio de la toma de datos en campo y el reconocimiento del área del embalse concuerdan con lo establecido como una problemática de alto impacto en la zona. Es decir que según lo establecido en los objetivos de calidad de agua, no es apta para el consumo humano y agricultura. Como no se obtienen ni evidencian estudios anteriores sobre la calidad de agua del embalse, se tomó lo determinado en la resolución 3560 de 09 de octubre de 2015 de objetivos de calidad de agua y se hizo la comparación con los datos obtenidos en las mediciones realizadas.

6.4 MODELO HIDRODINÁMICO.

Para la generación del modelo hidrodinámico se tuvo en cuenta la creación de la malla como archivo base para la generación de los diferentes modelos en cada variable seleccionada.

6.4.1 BATIMETRÍAS.

6 Desarrollo Central

22 Figura 3. Batimetrías embalse La Playa.

Fuente: [12]

Durante la construcción de la malla se encontraron algunas limitaciones, el número de los elementos debe minimizarse mientras se sigue proporcionando una representación suficiente de la estructura de flujo. La restricción de que la onda de gravedad superficial sólo puede cruzar un elemento durante un paso de tiempo. Lo que quiere decir que si los elementos son pequeños en aguas profundas, el paso del tiempo debe ser muy pequeño. Es importante para MIKE 3 Flow Model FM tener una malla adecuada para obtener resultados fiables del modelo [11].

Una capa en el dominio horizontal utiliza una malla no estructurada mientras el dominio vertical utiliza una malla estructurada como se ve en la Figura 4. La malla incluye la generación y edición de los límites que corresponden a la entrada y salida del flujo, así como las especificaciones de borde entre el cuerpo de agua y la superficie terrestre.

6.3.1 CONDICIONES INICIALES DEL MODELO HIDRODINÁMICO.

6

MODELACIÓN HIDRODINÁMICA Y DE CALIDAD DE AGUA CON MIKE 3 Y ECOLAB, EN EL EMBALSE LA PLAYA - BOYACÁ

23 Tabla 7. Especificaciones de entrada del modelo.

PARAMETROS NOMBRE DEL DOCUMENTO

DESCRIPCIÓN

Archivo especificaciones

Prueba_V3.m3fm Es el nombre del archivo configurado

para correr el modelo. Malla y Batimetría Batimetria_2130_1.mesh El nombre del

archivo que se generó con las batimetrías en un

formato de malla Periodo de Simulación 1/1/1997 12:00:00 AM –

1/1/1997 3:50

La entrada de especificación al periodo de simulación esté coincide con el de los demás archivos de entrada.

Intervalo de pasos de tiempo

7.2 s El tiempo en el que

transcurre la simulación.

Número de pasos 7920

Salidas Area_2D.dfs0 –

Volumen_3D.dfs0

Resultados.

Tiempo de Simulación CPU

About 25 minutes with a 2.4 GHz PC, 512 MB

DDR RAM

Informe de la simulación.

6 Desarrollo Central

24 6.4.3 SERIES DE VIENTO.

Los datos de velocidad y dirección del viento se suministran la estación ubicada en la UPTC (5.54°N 73.37°O 2804 m.s.n.m.).

Figura 4. Rosa de los vientos – Estación UPTC

Fuente: [12]

La fricción del viento puede especificarse como una constante o variar con la velocidad del viento. En este último caso, la fricción se interpola linealmente entre dos valores basados en la velocidad del viento y si la velocidad del viento está por debajo del límite inferior o por encima del límite superior se le da al rozamiento el valor correspondiente a ese límite [11].

6

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25

Figura 5. Modelo de velocidad y dirección.

Fuente: [12]

Como se ve en la figura 3, el modelo generado para la velocidad de viento muestra una influencia del viento en los niveles de agua, es decir es la variable por la cual se rige la hidrodinámica en un embalse, la fuerza de rozamiento sobre la capa superficial del embalse influye en las condiciones de calidad de agua, la tasa de reaireación y procesos de autopurificación. La velocidad del viento aumenta dependiendo el paso de tiempo de la simulación, la dirección del viento predomina al sureste. Aumenta el número de vectores en las zonas límites del embalse no sur a este (Ver anexo c). Lo que indica que coincide con las condiciones actuales de la velocidad del viento sobre la región.

6.4.4 PRECIPITACIÓN.

6 Desarrollo Central

26

Figura 1. Precipitación 1972 – 2015

Fuente: [12]

Con el registro de datos históricos se determina que el año 2011 fue el año de mayor precipitación en un periodo de 47 años, con un valor total de 1400 mm/anual. Los estudios realizados por el IDEAM para el análisis del impacto del fenómeno “la niña” 2010-2011 en la hidroclimatología del país consideran históricamente el periodo más lluvioso en el territorio nacional.

Figura 6. Modelos de precipitación para los años 2010 y 2011

6

MODELACIÓN HIDRODINÁMICA Y DE CALIDAD DE AGUA CON MIKE 3 Y ECOLAB, EN EL EMBALSE LA PLAYA - BOYACÁ

27

Teniendo en cuenta los estudios realizados y el registro de datos obtenidos se obtuvo un modelo de la precipitación para el año 2011, que indica como el flujo de entrada aumenta, las zonas de mayor acumulación de volumen son la entrada y la salida de flujo en el embalse. Durante las condiciones extremas de precipitación según los datos registrados históricamente, la precipitación no superó la capacidad de depuración del embalse, es decir no se presentaron inundaciones o desbordamiento de las aguas.

6.4.5 FLUJO – CAUDAL

Los datos de caudal fueron tomados de la estación San Rafael, ubicada en el municipio de Tuta pertenece a la corriente del río Jordan, que descarga sus vertimientos en el embalse La Playa, la estación se ubica a (5°42'30.2"N 73°14'31.8"W), es una estación limnigráfica de clase hidrológica, activa desde el año 1964. Para iniciar con el análisis se tomaron los datos de caudal mensual anual de 47 años de registro de datos, desde el año de 1964 al 2014, los datos faltantes se interpolaron dentro de una serie de tiempo creada con MIKE, lo cual nos permite tener la secuencia de datos basados en el registro de los años anteriores.

Figura 7. Perfil de velocidades de flujo

6 Desarrollo Central

28

Como se observa en la Figura No. 7, en el modelo de flujo del caudal, los vectores nos indican la dirección del flujo donde los límites de contorno están dados para que en las condiciones reales del embalse el flujo ingrese por el sur y salga por el norte, es decir las condiciones aguas arriba se encuentran hacia el sur y aguas abajo hacia el norte. Es importante determinar las condiciones del flujo ya que esta variable cumplirá con uno de nuestros objetivos propuestos para la generación de escenarios en los cambios hidrodinámicos del embalse de La Playa. La dirección de flujo obtenida muestra no solo la dirección desde la entrada hasta la salida del flujo, sino el comportamiento del flujo durante su recorrido, como se puede ver en la Figura No. 8, el flujo aumenta sus vectores en los límites del embalse, es decir la velocidad disminuye en estos tramos de embalse.

Figura 8. Velocidades de flujo en u y v.

Fuente: [12]

6

MODELACIÓN HIDRODINÁMICA Y DE CALIDAD DE AGUA CON MIKE 3 Y ECOLAB, EN EL EMBALSE LA PLAYA - BOYACÁ

29

Figura 9. Modelo de Flujo de Caudal _ Embalse La Playa.

Fuente: [12]

El modelo generado para analizar las condiciones de caudal en embalse, bajos los datos históricos máximos del año 2011, muestra que el caudal aumenta en la entrada del afluente al embalse y va disminuyendo hacia la salida del embalse, el modelo condiciona el comportamiento del caudal bajo las condiciones de batimetría del embalse, conociendo zonas de menor profundidad donde el caudal disminuye como se ve en la Figura 8.

6.5 VALIDACIÓN DEL MODELO

6 Desarrollo Central

30

Figura 10. Ajuste del modelo para precipitación medida _ Vs precipitación simulada.

Fuente: [12]

Figura 11. Ajuste del modelo para caudal simulado _ Vs caudal medido en las estaciones.

7

Generación de Escenarios Bajo Patrones de Flujo

31

7. GENERACIÓN DE ESCENARIOS BAJO PATRONES DE

FLUJO

• Escenario 1: Precipitación en condiciones máximas vs caudal.

Figura 12. Precipitación en condiciones máximas Vs Caudal máximo.

Fuente: [12]

7. MODELACIÓN HIDRODINÁMICA Y DE CALIDAD DE AGUA CON MIKE 3 Y ECOLAB, EN EL EMBALSE LA PLAYA - BOYACÁ

32

• Escenario 2: Capacidad del embalse vs las condiciones máximas del

caudal.

Para la generación del escenario 2 se tuvo en cuenta el estudio de Plan de ordenamiento del recurso hídrico de la cuenca alta del Chicamocha, donde se calculó el periodo de retorno del embalse para el total de su vida útil.

Figura 13. Escenario 2 capacidad del embalse vs las condiciones máximas del caudal.

Fuente: [12]

Teniendo en cuenta que el volumen o capacidad máxima del embalse es en la cota 2597. 7 msnm con un volumen de 6.0 hm3 _{y considerando un 89% de}

atrapaje de sedimento para el año de 1994, se realizó el análisis al año 2017 el volumen paso de 6. 000.000 m3 _{a 5. 5.000.000 m}3 _{aproximadamente. Es decir}

7

Generación de Escenarios Bajo Patrones de Flujo

33

valor registrado durante el periodo más fuerte de precipitaciones en el territorio nacional, lo que muestra la Figura No 13, corresponde a los valores multiplicados del caudal en condiciones máximas y la capacidad del embalse que indica que para el mes de mayo en un escenario de condiciones extremas anteriormente determinadas el caudal superaría la capacidad del embalse y generaría un desbordamiento, se deben tener en cuenta otras variables como la sedimentación y la capacidad actual del embalse.

Escenario 3: Perfil de profundidades del agua vs la carga de sedimentación prevista para el 2017.

Figura 14 Escenario 3, perfil de profundidades Vs la carga de sedimentación.

Fuente: [12]

Según el Estudio de Plan de Ordenamiento del recurso hídrico en la cuenca alta del río Chicamocha [4], la capacidad de atrape durante los primeros 43 años a partir del año de construcción es del 89% es decir que los sedimentos atrapados anualmente para los primeros 43 años es de 22.936 m3_{/anual. Considerando la}

7. MODELACIÓN HIDRODINÁMICA Y DE CALIDAD DE AGUA CON MIKE 3 Y ECOLAB, EN EL EMBALSE LA PLAYA - BOYACÁ

34

8

35

8. MODELO ECOLAB

El modelo EcoLab ha sido implementado para realizar el análisis de los parámetros de calidad de agua considerando que es una herramienta abierta y genérica para personalizar el ecosistema acuático de modelos a simular, por ejemplo: la calidad del agua, eutrofización, metales pesados y la ecología. ECOLab funciona como un módulo en el software de simulación MIKE. El módulo se desarrolla para describir procesos e interacciones entre químicas de los ecosistemas.

Para hacer uso de las plantillas de EcoLab es necesario tener datos batimétricos que le permitan calcular el movimiento de partículas en un cuerpo de agua. Se seleccionó la siguiente plantilla para realizar el análisis de las variables de DQO, DBO, PO4.Las plantilla de EcoLab son modificables, es decir

es posible modificar los valores de medición y analizarlos en diferentes escenarios.

Figura 15. Plantilla MikeHydroWQ_DO.

8. MODELACIÓN HIDRODINÁMICA Y DE CALIDAD DE AGUA CON MIKE 3 Y ECOLAB, EN EL EMBALSE LA PLAYA - BOYACÁ

36

8.2 ESCENARIOS DE CALIDAD DE AGUA.

Los escenarios para la gestión de calidad de agua se desarrollan para el año 2016, durante dos épocas del año, una temporada húmeda y una temporada seca. Se medirán las variables de DQO, DBO5, PO4 y se analizaran las variables

en estados de tiempo diferentes, donde la precipitación y la temperatura son variables que influyen directamente en el comportamiento de los parametros.

• Escenario 1: época de Invierno:

Figura 16. Modelo de concentración de contaminantes en época de lluvia

CONCLUSIONES

Fuente: [12]

Para la generación del modelo se hizo uso de los datos de estudio del proyecto realizado por la UPTC (Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia) [13], donde se toman datos en tres estaciones del embalse y se analizan para cada una de las épocas del año. En este caso se analiza los datos para épocas de lluvia donde se obtiene con la DBO5 una concentración entre 120 y 285 mg/l,

lo que quiere decir que durante épocas de lluvia incrementa la cantidad de nutrientes que origina un incremento en el crecimiento de algunos organismos (bacterias y algas), que a su vez disminuyen el oxígeno disuelto presente en el agua, esto apoyado en los resultados de la DQO, que muestran valores de concentración de 280 mg/l, determinando que la cantidad de sustancias inorgánicas susceptibles a ser oxidadas es medianamente equitativa a las sustancias biodegradables, sin embargo presenta valores por encima de los 200 mg/l para cada estación por encima de la DBO5 [24]. Finalmente en el PO4 se

PO4

DQO

8

37

observa una concentración de 4.0 – 4. 7 mg/l, que de acuerdo a los valores máximos determinados por los objetivos de calidad de agua para consumo humano y uso agrícola supera los valores permisibles. Es evidente el incremento de este parámetro durante épocas de lluvia, lo cual es uno de los factores que indican los problemas de eutrofización de las aguas superficiales, evidenciados durante la visita.

• Escenario 2: época verano:

Figura 17. Modelo de concentración de contaminantes en época seca.

Fuente: [12]

Para el escenario generado bajo la época de verano se observa que en el parámetro DBO5 las concentraciones disminuyen notablemente y se generan a

partir del a disminución de la precipitación, los valores de concentración se encuentran por debajo a 18 mg/l, para el PO4 comparado con los valores

medidos en época de lluvia disminuyo notablemente, las concentraciones oscilan entre 0.8 – 1.8 mg/l y por último la DQO tiene una disminución notable obteniendo valores entre 42 – 46 mg/l. Por lo tanto se puede determinar que durante épocas de verano la carga recibida por el embalse es menor, lo cual permite una mejora en los proceso de degradación de materia orgánica e inorgánica, disminuyendo la carga de nutrientes que generan un agotamiento del oxígeno en el agua [24].

PO4 _DQO

9

Conclusiones

38

9. CONCLUSIONES

1. Dando cumplimiento al objetivo principal se puede determinar que con la información obtenida sobre el embalse se logró obtener un modelo hidrodinámico y a su vez poder implementar el módulo de ECOLAB, para obtener el modelo de calidad de agua.

2. Para determinar las condiciones ambientales del embalse La Playa se tuvo en cuenta las condiciones evidenciadas durante la visita y los estudios previos realizados al embalse se logra establecer que las condiciones de calidad de agua en el embalse no cumplen con todos los parámetros analizados dentro de los objetivos de calidad de agua propuestos por la Resolución 3560 de 09 de octubre de 2015. Por lo tanto no es recomendable para consumo humano y el riego de cultivos. Lo cual durante la visita pudo ser evidenciado el uso de agua para cultivos y el consumo de algunos animales de la zona.

3. El modelo hidrodinámico en MIKE 3 se logró obtener, sin embargo se tienen algunas limitaciones en la lectura y comparación de los resultados del modelo, además de algunos errores que no se lograron identificar sin embargo se debe tener en cuenta lo siguiente al momento de generar la malla que es vital para correr el modelo:

- En el modelo batimétrico es importante determinar los contornos de dominio para el embalse, estas indicaciones las trae el manual, debe ser muy preciso y ajustado a las condiciones reales del cuerpo hídrico.

- Para lograr la optimización de la malla es importante adaptar los tamaños de los elementos a las profundidades del agua con el fin de lograr el mayor tiempo de paso y por lo tanto menos pasos por escenario de simulación.

- Tanto los modelos de largo plazo como los de corto plazo comparten el mismo tamaño de dominio y las mismas condiciones de contorno. 4. Se identificó el comportamiento hidrodinámico del embalse, teniendo en cuenta patrones de flujo bajo los escenarios de precipitación y caudal. Para lo cual se determinó que el embalse ha llegado a su capacidad media teniendo en cuenta el volumen de sedimentos pronosticados dentro del estudio de periodo de retorno del embalse evaluado por el Ministerio de Agricultura.

9 MODELACIÓN HIDRODINÁMICA Y DE CALIDAD DE AGUA CON MIKE 3 Y ECOLAB, EN EL EMBALSE LA PLAYA - BOYACÁ

39

de caudal y como variables de precipitación y viento cambian estas condiciones hidrodinámicas.

6. Bajo el escenario de valores máximos de caudal obtenidos durante el periodo del 2010 y 2011. Se determina en condiciones extremas para las condiciones de caudal máximas se obtiene que al multiplicar 10 mil veces más las condiciones de caudal máximas obtenidas hasta el momento, puede superar la capacidad máxima del embalse en temporadas de lluvias.

10

Recomendaciones

40

10. RECOMENDACIONES

- Se debe actualizar la información para lograr que la cantidad y la calidad de los resultados obtenidos sirvan como un soporte a estudios posteriores.

- Las batimetrías fueron tomadas en el año de 1994, por lo tanto no se logra establecer las condiciones reales del cuerpo de agua a los cambios en la actualidad, al obtener las batimetrías actuales del embalse se podría comprobar la capacidad actual del mismo y verificarla con los resultados obtenidos.

- El modelo tridimensional implementado tiene algunas limitaciones en la edición de la información, la extracción de tablas y demás datos generados por el programa. La licencia no cuenta con soporte al software por lo que se generó dificultad en la extracción y presentación de la información.

- Motivar e implementar el uso de nuevas herramientas tecnológicas que se encuentren a la vanguardia del desarrollo y la calidad, puede ser la base de propuestas innovadores en el desarrollo de nuevos profesionales.

11

41

11. ANEXOS

Anexo A. Correo aprobación de la Licencia del Software Mike powered by DHI.

From: Carmen Ruiz

Sent: miércoles, 24 de agosto de 2016 03:48 p.m.

To: Dora Tryggvadottir <[email protected]>; MIKE <[email protected]>

Cc: [DHI-PE] Katty Barzola <[email protected]>; [DHI-PE] Robin Dufour <[email protected]>; Grecia Ugaz Poblete <[email protected]>

Subject: DHI PE * MIKE HYDRO BASIN & MIKE SHE License for Thesis (CO)

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11. MODELACIÓN HIDRODINÁMICA Y DE CALIDAD DE AGUA CON MIKE 3 Y ECOLAB, EN EL EMBALSE LA PLAYA - BOYACÁ

11

43

11. MODELACIÓN HIDRODINÁMICA Y DE CALIDAD DE AGUA CON MIKE 3 Y ECOLAB, EN EL EMBALSE LA PLAYA - BOYACÁ

44

11

11. Bibliografía

46

BIBLIOGRAFÍA

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[10] G. A. B. Pérez, «Metodología Para La Selección De Modelos

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[11] MIKE POWERED BY DHI, «MIKE 3 Flow Model FM,» De User Guide Mike, DHI , 2016, P. 134.