Informe Modelación QAL2K

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(1)RED DE MONITOREO AMBIENTAL EN LA CUENCA HIDROGRÁFICA DEL RÍO ABURRÁ - MEDELLÍN EN JURISDICCIÓN DEL ÁREA METROPOLITANA FASE III. INFORME DE MODELACIÓN. Informe Final Convenio 397 de 2009. Un proyecto de. Ejecutan:. Medellín, diciembre de 2011.

(2) Nombre del proyecto: Red de Monitoreo Ambiental en la cuenca hidrográfica del río Aburrá - Medellín en jurisdicción del Área Metropolitana Fase III. Un proyecto del Área Metropolitana del Valle de Aburrá Mauricio Facio Lince Prada, Director Alejandro González Valencia, Subdirector Ambiental Ejecutan Universidad de Antioquia Universidad Nacional de Colombia- Sede Medellín Universidad Pontificia Bolivariana Universidad de Medellín Equipo de Trabajo Coordinación General: Lina Claudia Giraldo B. Asesor General del Proyecto: Rubén Alberto Agudelo G.; Ingeniero Sanitario Coordinador Operativo de la Red: James Londoño Valencia, Camilo Castro Jiménez; Ingeniera Gestión Ambiental: Yanneth Bibiana Daza Vargas; Asistente Logístico: Rubén Emilio Tamayo Palacio; Ingenieros Componente de Calidad de Aguas: Leonardo García Jaramillo, Sandra Liliana Correa Vargas., Ingenieros Grupo de Hidráulica e Hidrología: Luis Fernando Carvajal, Julián David Ceballos López, Jaime Andrés Carmona Ramírez, Julián David Urán Zea, Juan David Cadavid Alzate, Ingeniero Sanitario de Apoyo: Osfredilian Gallo Gómez, Juan Manuel Osorio Zapata, Ernesto Andrés González Aguirre; Ingeniero Sanitario (Modelación): Rubén Darío Molina Santamaría, Ingenieros de Sistemas Willian Díaz Villegas, Andrés Felipe López Gómez, Asesor Hidráulica: Francisco Mauricio Toro Botero; Asesor Calidad de Aguas: José Adrian Ríos, Asesor Modelación: Carlos Alberto Palacio Tobón; Asesor Calidad: Marta Elena Martínez Soto, María Victoria Toro Gómez, Gabriel Jaime Maya V.; Carlos A. Sierra R.; Asesor Biológico: Néstor Jaime Aguirre, Asesor Estadístico: Juan Delgado Lastra; Hidrólogo: Dra. María Victoria Vélez O., Especialista en Sistemas: Juan Camilo Gómez Rave; Coordinador Agua Subterránea: Dra. Teresita Betancur Vargas; Geóloga: Eugenia Catalina Blanco Saint Sorny; Ingeniera Geóloga Paola Andrea Palacio Buitrago, Hidrogeóloga Vanessa Paredes Zúñiga, Biólogo Macroinvertebrados: Orlando Caicedo Quintero; Auxiliares Agua Subterránea; Cristina Martínez Uribe, Sebastián Giraldo Grisales; Auxiliares de Ingeniería: Andrés Felipe Cano Torres, Ana María Bustamante Moreno, Susana Cadavid Valencia, July Andrea Gómez Giraldo, Sergio León Camargo Duque, Sebastián Ruiz Gómez, Juan Pablo Rodríguez Salazar; Sebastián Barbosa Gil, Juan David González Hurtado, Gabriel Jaime Pérez Mesa, Esneider Zapata Atehortúa, José Alfonso González González, Daniel García Ocampo, Mauricio Zapata Henao, Harly Julián Guzmán Velásquez; Julián Uribe Hoyos, Julián Esteban Ocampo Ocampo, Solange Arias Acevedo, Erika García González, Andrés Felipe Zapata Alzate, Sandra Milena Builes Felizzola, Franz Steffan Davis Robinson, Cindy Carolina Mejía Castaño, Jaime Andrés Zapata Agudelo, Jorge Iván Bedoya Posada Ossa, Hernán Darío Vélez Quintero, Alejandra Cifuentes Zapata, Auxiliar Administrativa: Sandra Flórez Hoyos; Margarita María Cardona G., Profesional Universitario Área Metropolitana del Valle de Aburrá; Olga Amparo Velásquez L., Profesional Universitario Área Metropolitana del Valle de Aburrá; Catalina Castaño C., Ingeniera Sanitaria; Héctor Jairo Vélez J., Ingeniero Sanitario; Diego Alonso Betancur E. Ingeniero Sanitario. Interventoría – COLNET Coordinación Interventoria; María Alejandra Echeverri A., Ingeniera Sanitaria, Nora Elena Villegas J., Ingeniero Civil, José Javier Jaramillo, Bióloga, Magnolia Longo Sánchez, Geólogos, Antonio Argumedo, Luis Fernando Gómez. 30 de diciembre de 2011, Medellín.

(3) RED DE MONITOREO AMBIENTAL EN LA CUENCA HIDROGRÁFICA DEL RÍO ABURRÁ – MEDELLÍN EN JURISDICCION DEL AREA METROPOLITANA FASE III UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA – UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA – UNIVERSIDAD DE MEDELLÍN – UNIVERSIDAD NACIONAL. CONTENIDO 1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................... 8. 2. MODELOS DE SIMULACIÓN QUAL2K Y QUAL2Kw ........................................................ 8 2.1. PROTOCOLO DE MODELACIÓN .............................................................................. 8. 2.2. UTILIZACIÓN XQUAL2KW....................................................................................... 11. 2.3. DESCRIPCIÓN DEL ENTORNO DE DATOS DEL MODELO ................................... 12. 2.4. INFORMACIÓN DE ENTRADA AL MODELO ........................................................... 13. 2.4.1. Hoja de trabajo .................................................................................................. 13. 2.4.2. Hoja de información inicial o de cabecera.......................................................... 15. 2.4.3. Hoja Reach o tramos ......................................................................................... 16. 2.4.4. Hoja de tasas..................................................................................................... 17. 2.4.5. Hoja de cálculo para Fuentes Fijas o tributarios ................................................ 19. 2.5 3. INFORMACIÓN DE SALIDA DEL MODELO............................................................. 20. IMPLEMENTACIÓN DEL MODELO QUAL2KW PARA RED RÍO FASE III ..................... 21 3.1 CONSIDERACIONES PARA LA CALIBRACIÓN AUTOMATICA Y VERIFICACIÓN DE DATOS EN xQUAL2KW ................................................................................................ 21 3.1.1. Información utilizada por el modelo ................................................................... 21. 3.1.2. Distribución de los datos en la calibración ......................................................... 22. 3.2 CONDICIONES EN LA FRONTERA AGUAS ARRIBA O CABECERA DE LA CORRIENTE ....................................................................................................................... 22 3.3. CONDICIONES EN LAS ESTACIONES DE MONITOREO AGUAS ABAJO............. 22. 3.4. DATOS HIDRÁULICOS COMPONENTE DE MODELACIÓN ................................... 22. 3.5. DATOS CLIMATOLÓGICOS .................................................................................... 23. 3.6. CONDICIONES EN LAS CARGAS PUNTUALES Y CAPTACIONES ....................... 24. 3.7 CONDICIONES EN LAS CARGAS DISTRIBUIDAS (CARGAS DISPERSAS O DIFUSAS) ........................................................................................................................... 25 4 CALIBRACIÓN Y VERIFICACIÓN DEL PROGRAMA DE SIMULACIÓN XQ2KW PARA RED RÍO FASE III .................................................................................................................. 25 4.1. PROCESO DE CALIBRACIÓN Y VERIFICACIÓN DEL MODELO QUAL2Kw .......... 25. 4.2 ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD Y ESTIMACIÓN DE INCERTIDUMBRE DEL MODELO QUAL2KW .......................................................................................................................... 28 5. RESULTADOS RED RÍO FASE III................................................................................... 29 5.1. CALIBRACIÓN CON EL MODELO QUAL2KW ......................................................... 29. 5.2. CONSTANTES BIOCINÉTICAS ............................................................................... 36. iii.

(4) RED DE MONITOREO AMBIENTAL EN LA CUENCA HIDROGRÁFICA DEL RÍO ABURRÁ – MEDELLÍN EN JURISDICCION DEL AREA METROPOLITANA FASE III UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA – UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA – UNIVERSIDAD DE MEDELLÍN – UNIVERSIDAD NACIONAL. 5.2.1 Resultados de los ensayos de demanda de oxígeno por sedimentos en el río Aburrá-Medellín ............................................................................................................... 36 5.2.2 Variación temporal de la demanda de oxígeno por sedimentos en el río AburráMedellín 39 5.3. ESCENARIOS DE SIMULACIÓN ............................................................................. 40. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ........................................................................................ 48. iv.

(5) RED DE MONITOREO AMBIENTAL EN LA CUENCA HIDROGRÁFICA DEL RÍO ABURRÁ – MEDELLÍN EN JURISDICCION DEL AREA METROPOLITANA FASE III UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA – UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA – UNIVERSIDAD DE MEDELLÍN – UNIVERSIDAD NACIONAL. LISTA DE FIGURAS. Figura 1. Protocolo de modelación Camacho y Díaz (2003) ................................................... 10 Figura 2. Topología del modelo .............................................................................................. 12 Figura 3. Hoja de trabajo del modelo xQual2Kw ..................................................................... 14 Figura 4. Hoja de información inicial modelo Qual2kw ............................................................ 16 Figura 5. Hoja de tramos modelo Qual2kw ............................................................................. 17 Figura 6. Hoja de tasa modelo Qual2kw ................................................................................. 18 Figura 7. Hoja de fuentes puntuales modelo Qual2kw ............................................................ 19 Figura 8. Hojas de salida modelo Qual2kw ............................................................................. 21 Figura 9. Características hidráulicas modelo Qual2kw ............................................................ 23 Figura 10. Fuentes puntuales consideradas ........................................................................... 24 Figura 11. Valores seleccionados hoja “Rates” ....................................................................... 28 Figura 12. Simulación de caudal para niveles bajos en m³/s (campaña 23 de marzo de 2010) ............................................................................................................................................... 31 Figura 13. Simulación de oxígeno disuelto para niveles bajos (campaña 23 de marzo de 2010) (mg/L) ..................................................................................................................................... 32 Figura 14. Simulación de DBO rápida para niveles bajos (campaña 23 de marzo de 2010) (mg/L) ..................................................................................................................................... 32 Figura 15. Simulación de conductividad para niveles bajos (campaña 23 de marzo de 2010) 33 Figura 16. Simulación de sólidos suspendidos para niveles bajos (campaña 23 de marzo de 2010) ...................................................................................................................................... 33 Figura 17. Simulación de nitrógeno orgánico para niveles bajos (campaña 23 de marzo de 2010) (mg/L) ........................................................................................................................... 34 Figura 18. Simulación de fósforo orgánico para niveles bajos (campaña 23 de marzo de 2010) (mg/L) ..................................................................................................................................... 34 Figura 19. Variación espacial de SOD en el lecho del río Aburrá-Medellín muestreo del año 2010 ....................................................................................................................................... 38. v.

(6) RED DE MONITOREO AMBIENTAL EN LA CUENCA HIDROGRÁFICA DEL RÍO ABURRÁ – MEDELLÍN EN JURISDICCION DEL AREA METROPOLITANA FASE III UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA – UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA – UNIVERSIDAD DE MEDELLÍN – UNIVERSIDAD NACIONAL. Figura 20. Variación espacial de SOD en el lecho del río Aburrá-Medellín muestreo del año 2011 ....................................................................................................................................... 38 Figura 21. Variación temporal de SOD en el río Aburrá-Medellín (años 2010-2011) ............... 40 Figura 22. Comportamiento de la DBO5 para escenarios futuros e1, e7 y e12, operando la PTAR Bello ............................................................................................................................. 42 Figura 23. Comportamiento de los SST para escenarios futuros e1, e7 y e12, operando la PTAR Bello y escenario actual (e0) ........................................................................................ 44 Figura 24. Perfil de oxígeno disuelto en el río para cada uno de los escenarios propuestos por los objetivos de calidad ........................................................................................................... 45 Figura 25. Perfil de conductividad en el río para cada uno de los escenarios propuestos por los objetivos de calidad ................................................................................................................ 46. vi.

(7) RED DE MONITOREO AMBIENTAL EN LA CUENCA HIDROGRÁFICA DEL RÍO ABURRÁ – MEDELLÍN EN JURISDICCION DEL AREA METROPOLITANA FASE III UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA – UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA – UNIVERSIDAD DE MEDELLÍN – UNIVERSIDAD NACIONAL. LISTA DE TABLAS. Tabla 1. Rangos de calibración............................................................................................... 26 Tabla 2 Parámetros de calibración más sensibles .................................................................. 29 Tabla 3. Escenarios propuestos por la modelación como apoyo a los objetivos de calidad en el río Aburra - Medellín, 2010 ..................................................................................................... 30 Tabla 4. Perfil de calidad del río Aburrá – Medellín, marzo 23 de 2010 .................................. 31 Tabla 5. Valores experimentales de demanda de oxígeno por sedimentos para el muestreo realizado en el año 2010......................................................................................................... 37 Tabla 6. Valores experimentales de demanda de oxígeno por sedimentos para el muestreo realizado en el año 2011......................................................................................................... 37 Tabla 7. Mediciones de SOD en algunos cuerpos de agua, asociada a las características de calidad y/o tipo de sedimento.................................................................................................. 39 Tabla 8. Escenarios propuestos por la modelación como apoyo a los objetivos de calidad en el río Aburra - Medellín, 2010 ..................................................................................................... 41. vii.

(8) RED DE MONITOREO AMBIENTAL EN LA CUENCA HIDROGRÁFICA DEL RÍO ABURRÁ – MEDELLÍN EN JURISDICCION DEL AREA METROPOLITANA FASE III UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA – UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA – UNIVERSIDAD DE MEDELLÍN – UNIVERSIDAD NACIONAL. 1. INTRODUCCIÓN. Los modelos de simulación de la calidad del agua en corrientes superficiales permiten reproducir los diferentes fenómenos hidráulicos, fisicoquímicos y biológicos que ocurren en los ríos mediante el manejo de expresiones matemáticas que representan dichos procesos y los componentes de la calidad del agua en estudio. Estos modelos deben ser una representación aproximada del sistema real y contener el mayor número de aspectos importantes del mismo, sin que su grado de complejidad haga difícil su comprensión y aplicación (Camacho y Díaz, 2003). En este informe se describe la implementación del programa QUAL2K (Chapra y Pelletier, 2003) en el río Aburrá - Medellín, en el tramo comprendido entre la estación de monitoreo San Miguel y la estación Puente Gabino. Inicialmente se mencionan algunas generalidades y se describe el protocolo de modelación seguido en este proyecto, justificando la selección del modelo de simulación usado y describiendo el modelo QUAL2K, así como el modelo QUAL2Kw (Chapra, Pelletier y Tao, 2008), usado en la calibración y análisis de sensibilidad. Finalmente, se presenta el montaje y los resultados de la calibración y verificación del modelo QUAL2Kw (empleando los datos recopilados en las campañas de monitoreo realizadas durante los meses de marzo y septiembre de 2010) y la comparación de algunos escenarios simulados que representan diversas alternativas de saneamiento sobre el río y sus tributarios. 2. MODELOS DE SIMULACIÓN QUAL2K Y QUAL2KW. Desarrollado por el Dr. Steven Chapra (Chapra y Pelletier, 2003). QUAL2Kw incluye algunos de los procesos y opciones que no están en QUAL2K; son similares en los siguientes aspectos: Unidimensional, el canal está bien mezclado vertical y lateralmente. Hidráulica en el estado estacionario. No uniforme, el flujo constante es simulado. Balance diario de calor, el balance de calor y la temperatura de forma dinámica, son simulados en función de la meteorología en una escala de tiempo diaria. Cinética de la calidad del agua. Todas las variables de calidad del agua son simuladas de forma dinámica en una escala de momento diario. La entrada de masas, cargas puntuales, no puntuales y las abstracciones son simuladas.. 2.1. PROTOCOLO DE MODELACIÓN. El protocolo de modelación seguido durante la implementación del modelo de simulación de la calidad del agua del río Aburrá - Medellín, se basó en el protocolo propuesto por Camacho y Díaz (2003) (Figura 1), los cuales plantearon una modificación del marco de modelación general propuesto por Rientjes y Boekelman (1998).. 8.

(9) RED DE MONITOREO AMBIENTAL EN LA CUENCA HIDROGRÁFICA DEL RÍO ABURRÁ – MEDELLÍN EN JURISDICCION DEL AREA METROPOLITANA FASE III UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA – UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA – UNIVERSIDAD DE MEDELLÍN – UNIVERSIDAD NACIONAL. El proceso inicia con la selección del modelo de calidad de agua, lo que implica observar las características de la corriente a estudiar, las capacidades de la entidad interesada en implementar el modelo, y las propiedades del programa en sí; seleccionando aquel modelo que mejor se adapte a estas restricciones. En este estudio el modelo a seleccionar debía representar los fenómenos de transporte propios de un río de montaña ante escenarios de carga altos, debía tener una representación matemática de los procesos físico-químicos y las interacciones agua–sedimentos, y debía estar acorde con la capacidad técnica y económica disponible para la consecución de los datos de entrada del mismo (calidad de agua y caudales). Considerando estas condiciones, y dado que el principal objetivo del modelo se centra en apoyar las tareas asociadas a la definición de objetivos de calidad, se planteó la implementación del QUAL2K (Chapra y Pelletier, 2003), aunque se uso el modelo XQUAL2Kw (Chapra, Pelletier y Tao, 2008), el cual es una versión nueva que incluye características que facilitan su calibración entre campañas y el análisis de sensibilidad. Una vez seleccionado el modelo se programan las campañas de muestreo necesarias para la calibración, proceso en el cual se determinaran las velocidades de los procesos que no puedan ser determinadas directamente. Para este estudio se utilizaron las campañas 3 y 10, correspondientes a marzo y septiembre de 2010, uno de ellos un mes seco y el otro de lluvias.. 9.

(10) RED DE MONITOREO AMBIENTAL EN LA CUENCA HIDROGRÁFICA DEL RÍO ABURRÁ – MEDELLÍN EN JURISDICCION DEL AREA METROPOLITANA FASE III UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA – UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA – UNIVERSIDAD DE MEDELLÍN – UNIVERSIDAD NACIONAL. Figura 1. Protocolo de modelación Camacho y Díaz (2003). 10.

(11) RED DE MONITOREO AMBIENTAL EN LA CUENCA HIDROGRÁFICA DEL RÍO ABURRÁ – MEDELLÍN EN JURISDICCION DEL AREA METROPOLITANA FASE III UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA – UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA – UNIVERSIDAD DE MEDELLÍN – UNIVERSIDAD NACIONAL. 2.2. UTILIZACIÓN XQUAL2KW. El modelo XQUAL2KW es una versión nueva del modelo QUAL2K, y ambos permiten evaluar la capacidad asimilativa de agua residual de un sistema de corrientes mediante la simulación de varios constituyentes de calidad del agua en el sistema, utilizando una solución en diferencias finitas de las ecuaciones de advección-dispersión y de reacción. Conceptualmente el río se divide en tramos y cada uno de ellos se divide en una sucesión de pequeños subtramos o elementos computacionales y para cada elemento se realiza un balance hidrológico en términos del caudal, un balance térmico en términos de la temperatura, y un balance de masa en términos de concentración de cada constituyente. En cada elemento puede haber ganancia o pérdida de masa debido a procesos de transporte (advección y dispersión), fuentes o sumideros externos (captaciones, vertimientos, entre otros) o por fuentes y sumideros internos (demanda béntica, transformaciones bioquímicas, entre otros). Las ecuaciones de balance resultante se resuelven en estado estable para el caso de flujo permanente, con un método de diferencias finitas implícito y en una dimensión. Los resultados finales se traducen en curvas que muestran la variación de los parámetros modelados a lo largo de la corriente. El programa XQUAL2Kw (Q2Kw) incluye los siguientes nuevos elementos: •. Entorno de software y la interfaz Q2Kw se lleva a cabo dentro del Microsoft Excel / VBA. •. Se programa en el idioma de Windows macro: para Aplicaciones Visual Basic (VBA), y Excel se utiliza como la interfaz gráfica de usuario.. •. Anoxia: Q2Kw simula anoxia mediante la reducción de las reacciones de oxidación a niveles bajos de oxígeno. Además, la desnitrificación también se modela.. •. La eliminación de patógenos: Este indicador se determina en función de la temperatura, la luz y la solución o medio de reacción.. •. Interacciones agua - sedimentos: Sedimentos y flujos de agua, de oxígeno disuelto y los nutrientes son simulados internamente en lugar de ser prescritas. La demanda de oxígeno en sedimentos (SOD) y los flujos de nutrientes se simulan en función de la solución de partículas de materia orgánica, reacciones de diagénesis dentro de los sedimentos y las concentraciones de las formas solubles en las aguas supra yacentes.. •. Calibración automática: La diferencia más relevante, la cual consiste en un algoritmo genético que se incluye para determinar los valores óptimos de los parámetros cinéticos, para optimizar la tasa de ajuste del modelo en comparación con los datos observados. XQ2KW tiene la capacidad para calibrar automáticamente los parámetros de tipo seleccionado. El usuario tiene la opción de especificar los valores para cada tipo de parámetro que se utilizarán, o seleccionar para auto-calibrar.. Antes de la calibración automática, el usuario debe introducir una fórmula en la celda G3 de la hoja de valores “Rates” que calcula la bondad del ajuste de los resultados del modelo en comparación con los datos medidos. El usuario puede introducir cualquier fórmula, siempre que el incremento del valor resultante mejore el ajuste de la calibración.. 11.

(12) RED DE MONITOREO AMBIENTAL EN LA CUENCA HIDROGRÁFICA DEL RÍO ABURRÁ – MEDELLÍN EN JURISDICCION DEL AREA METROPOLITANA FASE III UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA – UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA – UNIVERSIDAD DE MEDELLÍN – UNIVERSIDAD NACIONAL. 2.3. DESCRIPCIÓN DEL ENTORNO DE DATOS DEL MODELO. A continuación se hará una breve descripción del tipo de hojas de datos de QUAL2Kw según su utilidad dentro del modelo. •. Topología. La topología o esquematización de un modelo matemático de simulación corresponde a la representación de las características del sistema que se requiere modelar. En el caso de la modelación en corrientes superficiales dicha representación se refiere a las características hidrogeométricas y la definición de las fronteras del modelo (fronteras internas y externas). Las fronteras externas corresponden a las estaciones de monitoreo ubicadas aguas arriba y aguas abajo del tramo en estudio. Las fronteras internas corresponden a los ríos tributarios, las extracciones y los vertimientos para los cuales se dispone de información de caudales y calidad del agua.. Figura 2. Topología del modelo. La esquematización del río Aburrá - Medellín corresponde a una red construida entre la abscisa 00.0 Km (San Miguel) al inicio del tramo simulado y la abscisa 99 Km (Puente Gabino) en la salida del tramo de modelación (Ver Figura 2). Se definieron tramos entre estaciones, y para la segmentación interna de los tramos se tuvo en cuenta que las propiedades físicas e. 12.

(13) RED DE MONITOREO AMBIENTAL EN LA CUENCA HIDROGRÁFICA DEL RÍO ABURRÁ – MEDELLÍN EN JURISDICCION DEL AREA METROPOLITANA FASE III UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA – UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA – UNIVERSIDAD DE MEDELLÍN – UNIVERSIDAD NACIONAL. hidráulicas (sección transversal, pendiente de la corriente, rugosidad entre otras), químicas y biológicas fuesen estables a lo largo de cada tramo.. 2.4. INFORMACIÓN DE ENTRADA AL MODELO. El modelo QUAL2K emplea Microsoft Excel como interface gráfica y de acceso de datos, el libro de excel contiene varias hojas electrónicas desde donde se suministran los diferentes datos de entrada del modelo y desde donde éste es ejecutado. Cada una de estas hojas electrónicas tiene un nombre que identifica el tipo de información que contiene: Información general, información de la frontera aguas arriba (cabecera), descripción de los tramos del río, condiciones climatológicas (temperatura del aire, temperatura del punto de rocío, velocidad del viento, nubosidad y sombra), los valores de las tasas de reacción o constantes cinéticas de calibración del modelo, la información correspondiente a los tributarios y captaciones puntuales y distribuidas y la información de las estaciones aguas abajo de la cabecera. En el modelo QUAL2K se consideran las siguientes formas de carbono: Materia orgánica particulada (sujeta a sedimentación), carbono de descomposición rápida (por ejemplo excretas) y carbono de descomposición lenta (por ejemplo grasas y aceites). Se asumió que los valores de DBO5 corresponden a la forma de carbono de descomposición rápida. Durante la implementación de un modelo de simulación en una corriente superficial es necesario recolectar información sobre dos aspectos básicos: Información sobre calidad, cantidad y ubicación de los tributarios o vertimientos y de las captaciones de agua sobre la corriente que se está modelando. Las características hidráulicas de la corriente, que permitan conocer el caudal, la velocidad media de la corriente los anchos y profundidades de las secciones transversales a lo largo del río y las pendientes de los tramos, rugosidad, dispersión longitudinal y transversal (para casos más específicos). Adicionalmente, es necesario conocer la frecuencia de permanencia de caudales. En el modelo se usan colores en las celdas para identificar si la información debe ser ingresada por el usuario o si corresponden a resultados del programa. Las celdas azules corresponden a las variables de diseño y los valores de los parámetros que deben ser ingresados por el usuario. Las celdas amarillas. Son los datos medidos en campo que deben ser ingresados por el usuario. Estos datos posteriormente se muestran en las gráficas generadas por el modelo QUAL2K. Las celdas verdes corresponden a los resultados tabulares del modelo y las celdas rojas corresponden a los resultados gráficos.. 2.4.1. Hoja de trabajo. La hoja de trabajo QUAL2K (Ver Figura 3) se utiliza para introducir información general sobre una solicitud de modelo en particular. Nombre del río: Se relaciona el nombre del río para el cual se realiza la modelación. 13.

(14) RED DE MONITOREO AMBIENTAL EN LA CUENCA HIDROGRÁFICA DEL RÍO ABURRÁ – MEDELLÍN EN JURISDICCION DEL AREA METROPOLITANA FASE III UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA – UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA – UNIVERSIDAD DE MEDELLÍN – UNIVERSIDAD NACIONAL. Nombre del archivo guardado: Corresponde cuando se ejecuta Q2K.. al nombre del archivo de datos, se genera. Directorio en el archivo guardado: Este especifica la ruta completa al directorio donde está guardado el archivo, mes, día, año y huso horario. La hora de verano: Un menú desplegable le permite especificar si el horario de verano está en vigor (Sí o No). Paso de cálculo: Este es el paso de tiempo utilizado para el cálculo. Se debe seleccionar de la lista desplegable. Número de días: Esto define la duración de la operación, debe ser un entero mayor que cero ó igual a dos días. Esta restricción se impone porque el modelo se ejecuta en un modo de tiempo variable hasta alcanzar un estado estable. Por lo tanto, el primer día de la simulación es, por definición, dominado abrumadoramente por sus condiciones iniciales. Si el usuario introduce un valor inferior a dos días, el programa establece automáticamente la última vez a 2 días. El tiempo final debe ser de al menos dos veces el tiempo de viaje del río. Para los arroyos con los tiempos de viaje cortos en los que se simulan algas del fondo, debe ser por lo general más largo.. Figura 3. Hoja de trabajo del modelo xQual2Kw. 14.

(15) RED DE MONITOREO AMBIENTAL EN LA CUENCA HIDROGRÁFICA DEL RÍO ABURRÁ – MEDELLÍN EN JURISDICCION DEL AREA METROPOLITANA FASE III UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA – UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA – UNIVERSIDAD DE MEDELLÍN – UNIVERSIDAD NACIONAL. Método de solución (la integración): Un menú desplegable le permite elegir entre tres métodos numéricos para la solución de las ecuaciones diferenciales para las variables de estado. Estos son (1) el método de Euler, (2) el cuarto orden de Runge-Kutta (RK4), y (3) un método de adaptación paso del tiempo. Las descripciones detalladas de estos métodos se pueden encontrar en Chapra y Canale (2002). El método de Euler, se sugiere por defecto, ya que por lo general obtiene resultados suficientemente precisos, a una tasa de cálculo moderada. Método de solución (pH): Un menú desplegable le permite elegir entre dos métodos numéricos para la solución de pH. Estos son (1) de Newton-Raphson (por defecto) y (2) bisección. Las descripciones detalladas de estos métodos se pueden encontrar en Chapra y Canale (2002). Newton-Raphson se sugiere por defecto porque es más rápido. Sin embargo, hay algunos casos en los que puede ser inestable. Si esto ocurre, la bisección, aunque más lento, puede ser preferible. 2.4.2. Hoja de información inicial o de cabecera. Esta hoja de cálculo se utiliza para ingresar el flujo y la concentración de los límites del sistema, (Ver Figura 4). 15.

(16) RED DE MONITOREO AMBIENTAL EN LA CUENCA HIDROGRÁFICA DEL RÍO ABURRÁ – MEDELLÍN EN JURISDICCION DEL AREA METROPOLITANA FASE III UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA – UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA – UNIVERSIDAD DE MEDELLÍN – UNIVERSIDAD NACIONAL. Figura 4. Hoja de información inicial modelo Qual2kw. 2.4.3. Hoja Reach o tramos. Aguas abajo del punto establecido como cabecera o inicio, el modelo calcula automáticamente y muestra la latitud y longitud de los extremos aguas abajo de cada uno de los tramos establecidos en grados decimales. En esta hoja (Figura 5) también deben ser definidos los siguientes parámetros: Coeficiente de velocidad, exponente de la velocidad, profundidad y ancho, pendiente del canal en metros de caída por metro de distancia y Manning entre otros.. 16.

(17) RED DE MONITOREO AMBIENTAL EN LA CUENCA HIDROGRÁFICA DEL RÍO ABURRÁ – MEDELLÍN EN JURISDICCION DEL AREA METROPOLITANA FASE III UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA – UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA – UNIVERSIDAD DE MEDELLÍN – UNIVERSIDAD NACIONAL. Figura 5. Hoja de tramos modelo Qual2kw. 2.4.4. Hoja de tasas. Esta planilla se utiliza para introducir la información relacionada con las constantes de velocidad específica de reacción de los parámetros involucrados en el análisis o en la modelación (Figura 6).. 17.

(18) RED DE MONITOREO AMBIENTAL EN LA CUENCA HIDROGRÁFICA DEL RÍO ABURRÁ – MEDELLÍN EN JURISDICCION DEL AREA METROPOLITANA FASE III UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA – UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA – UNIVERSIDAD DE MEDELLÍN – UNIVERSIDAD NACIONAL. Figura 6. Hoja de tasa modelo Qual2kw. El alcance de los siguientes parámetros de tipo específico, pueden incluirse en la hoja, entre otros: Las tasas de aireación, velocidad de sedimentación de sólidos inorgánicos en suspensión, tasas de DBO carbonácea lenta (CBOD), hidrólisis o tasas de oxidación de DBO carbonácea rápida , hidrólisis del nitrógeno orgánico, nitrificación de amonio, las tasas de nitratos, desnitrificación, las tasas de hidrólisis de fósforo orgánico, tasa máxima de crecimiento, respiración o muerte del fitoplancton, tasas de biomasa inicial, la tasa de crecimiento máxima de primer orden, respiración, excreción y muerte, la velocidad de absorción máxima de nitrógeno, la velocidad de absorción máxima de fósforo, absorción de nitrógeno en la columna de agua y absorción de fósforo en la columna de agua, entre otros.. 18.

(19) RED DE MONITOREO AMBIENTAL EN LA CUENCA HIDROGRÁFICA DEL RÍO ABURRÁ – MEDELLÍN EN JURISDICCION DEL AREA METROPOLITANA FASE III UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA – UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA – UNIVERSIDAD DE MEDELLÍN – UNIVERSIDAD NACIONAL. 2.4.5. Hoja de cálculo para Fuentes Fijas o tributarios. Esta hoja de cálculo se utiliza para introducir la información de fuentes o tributarios relacionadas con el eje principal de la corriente (por ejemplo, vertimientos directos al río y quebradas afluentes). Para el caso de la modelación del río Aburrá – Medellín se ingresaron las principales quebradas afluentes monitoreadas en el proyecto Red Río fase III y algunos vertimientos directos como la: La descarga de aguas turbinadas de la central hidroeléctrica Tasajera, la descarga de aguas residuales de los interceptores oriental y occidental, la descargas de aguas residuales tratadas de San Fernando, la descarga del relleno sanitario “Pradera”, entre otras.. Figura 7. Hoja de fuentes puntuales modelo Qual2kw. 19.

(20) RED DE MONITOREO AMBIENTAL EN LA CUENCA HIDROGRÁFICA DEL RÍO ABURRÁ – MEDELLÍN EN JURISDICCION DEL AREA METROPOLITANA FASE III UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA – UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA – UNIVERSIDAD DE MEDELLÍN – UNIVERSIDAD NACIONAL. Se deben ingresar los siguientes campos: Nombre: Etiqueta Especificada por el usuario para identificar la fuente o entrada. Ubicación: El kilómetro donde la fuente de punto o la abstracción entra o sale del río. Caudal entradas y salidas Una fuente puede ser una entrada (carga o tributario) o una salida (abstracción). Tenga en cuenta que no puede ser ambas cosas. Si hay un flujo de abstracción (es decir, un valor positivo en la columna C), el resto de la información en las columnas D a través de la Z será ignorado.. 2.5. INFORMACIÓN DE SALIDA DEL MODELO. Después de que el modelo QUAL2K ha efectuado los cálculos necesarios para poder realizar las corridas de simulación, se generan diferentes hojas electrónicas y gráficas con los resultados en el mismo libro de excel. En las figuras resultantes se pueden comparar las curvas correspondientes al perfil de concentraciones de los diferentes parámetros estimados por el modelo a lo largo del río (línea sólida continua), con los datos medidos en campo en las estaciones de monitoreo (puntos sólidos) ver como ejemplo la Figura 13. •. Hojas de salida. Estos son una serie de hojas de cálculo que presentan cuadros de la producción numérica generada por QUAL2K. Esta información se muestra en las hojas junto con los datos medidos. Estos son identificados por pestañas verde pálido. Ver Figura 8. 20.

(21) RED DE MONITOREO AMBIENTAL EN LA CUENCA HIDROGRÁFICA DEL RÍO ABURRÁ – MEDELLÍN EN JURISDICCION DEL AREA METROPOLITANA FASE III UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA – UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA – UNIVERSIDAD DE MEDELLÍN – UNIVERSIDAD NACIONAL. Figura 8. Hojas de salida modelo Qual2kw. 3. IMPLEMENTACIÓN DEL MODELO QUAL2KW PARA RED RÍO FASE III. 3.1 3.1.1. CONSIDERACIONES PARA LA CALIBRACIÓN AUTOMATICA Y VERIFICACIÓN DE DATOS EN XQUAL2KW Información utilizada por el modelo. Para poder realizar la calibración y verificación de un modelo de simulación es necesario contar con un grupo de datos en las fronteras de este, que permita realizar las simulaciones o corridas, hasta lograr reproducir con precisión las series de datos observados en campo en diferentes estaciones, mediante el ajuste de los parámetros físicos y numéricos del modelo. Por esta razón, la recolección de datos de la corriente resulta fundamental, ya que todos los resultados producidos por el modelo están basados en los datos de entrada de las fronteras.. 21.

(22) RED DE MONITOREO AMBIENTAL EN LA CUENCA HIDROGRÁFICA DEL RÍO ABURRÁ – MEDELLÍN EN JURISDICCION DEL AREA METROPOLITANA FASE III UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA – UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA – UNIVERSIDAD DE MEDELLÍN – UNIVERSIDAD NACIONAL. Con el objetivo de realizar la calibración y verificación del modelo QUAL2Kw del río Aburrá Medellín, se construyó una base de datos con la información registrada en las quince campañas de monitoreo realizadas en este estudio durante el 2010, de las cuales se utilizaron dos campañas en caudales bajos (campañas dos y tres) y una en caudales altos (campaña diez). Los parámetros finales recomendados para la calibración del modelo se obtuvieron utilizando simultáneamente los datos de las campañas dos y diez de monitoreo. 3.1.2. Distribución de los datos en la calibración. El modelo así calibrado es el que proporciona un ajuste óptimo global a los datos medidos, puesto que permite a la vez que se calibra con los datos de una campaña, verificar esa información y sus relaciones con la interacción en la columna de agua durante otra campaña de condiciones climáticas diferentes; fue entonces que se definió, utilizando el Q2KW que se tomarían dos campañas para la calibración, una de caudales bajos a la cual se le dio un peso dentro de la calibración del 80% ponderando así su importancia frente a una campaña de caudales altos a la cual se le dio una relevancia del 20% verificando en simultaneo, la calibración que entregaba el modelo. 3.2. CONDICIONES EN LA FRONTERA AGUAS ARRIBA O CABECERA DE LA CORRIENTE. Durante el proceso de modelación es necesario introducir las condiciones del río (caudal y parámetros de calidad) en la frontera aguas arriba o cabecera del tramo en estudio. Para efectos de modelación, se asume que los valores de DBO5 corresponden a la forma de carbono de descomposición rápida, y se presume que más del 95% de la descomposición carbonacea se da y es representada en la DBO rápida (DBOfast); la concentración de Nitrógeno Amoniacal se obtiene desde la diferencia Nitrógeno Total Kjeldahl menos Nitrógeno Orgánico, dado que fueron medidos ciertas formas de nitrógeno y fósforo más relevantes en el río Aburrá. Se ingresaron sólidos suspendidos totales como sólidos suspendidos inorgánicos, por lo que los valores de velocidad de sedimentación serán ligeramente superiores a los medidos. 3.3. CONDICIONES EN LAS ESTACIONES DE MONITOREO AGUAS ABAJO. La información correspondiente a las estaciones de monitoreo sobre el río ubicadas aguas abajo de la cabecera, es suministrada en el modelo en las hojas “Hydraulics Data”, ‘’Temperature Data’’ y “WQ Data” esta última contiene los datos de campo, la información de calidad recolectada en la campaña así como datos de máxima y mínima concentración de todos los parámetros medidos durante el desarrollo de la campaña, siempre va ubicada la localización, longitud y latitud para identificar a que estación o tramo se refiere. Esta información es luego graficada para cada uno de los parámetros evaluados y permite comparar los datos medidos en campo con las curvas correspondientes al perfil de concentraciones de los diferentes parámetros estimados por el modelo a lo largo del río. 3.4. DATOS HIDRÁULICOS COMPONENTE DE MODELACIÓN. El componente hidráulico en los modelos de simulación de calidad de agua debe ser correctamente calibrado, ya que la velocidad media de la corriente, la pendiente del tramo, el. 22.

(23) RED DE MONITOREO AMBIENTAL EN LA CUENCA HIDROGRÁFICA DEL RÍO ABURRÁ – MEDELLÍN EN JURISDICCION DEL AREA METROPOLITANA FASE III UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA – UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA – UNIVERSIDAD DE MEDELLÍN – UNIVERSIDAD NACIONAL. ancho y la profundidad de la sección transversal, determinan la tasa de reaireación de la corriente y por lo tanto su capacidad de autodepuración, así mismo la velocidad del flujo determina los tiempos de viaje o de residencia de los contaminantes en el tramo y por lo tanto el tiempo disponible para la degradación de la materia orgánica, transformación o reacción de ciertas substancias. Por esta razón es necesario disponer de datos hidráulicos confiables de los tramos modelados. El componente hidráulico del modelo QUAL2K se ajusta mediante datos de rugosidad del lecho (n-Manning), la forma de la sección transversal y la pendiente entre tramos, o también mediante ecuaciones de regresión de tipo potencial de las propiedades hidráulicas del tramo en función del caudal. En el caso del río Aburrá - Medellín, el componente hidráulico se trabajó con las ecuaciones de Manning en cada tramo para las diferentes secciones transversales de aforo como se muestra en la Figura 9.. Figura 9. Características hidráulicas modelo Qual2kw. 3.5. DATOS CLIMATOLÓGICOS. En el modelo QUAL2K los datos climatológicos (temperatura del aire, temperatura del punto de rocío, velocidad del viento, nubosidad y sombra) de los tramos en estudio, se introducen en las hojas “Air Temperature”, ”Dew Point Temperature “, ”WindSpeed”, “Cloud Cover” y “Shade”. Esta información junto con la temperatura del agua del río y de los tributarios, permite realizar un balance de energía térmica para el cálculo de la temperatura del agua. 23.

(24) RED DE MONITOREO AMBIENTAL EN LA CUENCA HIDROGRÁFICA DEL RÍO ABURRÁ – MEDELLÍN EN JURISDICCION DEL AREA METROPOLITANA FASE III UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA – UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA – UNIVERSIDAD DE MEDELLÍN – UNIVERSIDAD NACIONAL. cauce principal, proceso que influencia los valores de las constantes cinéticas o tasas de reacción o degradación (generalmente estas constantes se reportan a 20° C). En cuanto a la información climatológica requerida para la implementación del modelo, fue necesario ajustar subjetivamente los datos de temperatura de punto de rocío, velocidad de viento, nubosidad y sombra, hasta obtener un perfil de temperatura modelado que se ajustara relativamente bien a los datos de temperatura registrados en campo. 3.6. CONDICIONES EN LAS CARGAS PUNTUALES Y CAPTACIONES. Figura 10. Fuentes puntuales consideradas. Las cargas puntuales corresponden a los vertimientos de aguas residuales o industriales y a los ríos o quebradas tributarias que descargan de manera puntual a la corriente en estudio. Esta información involucra la abscisa del lugar o el kilómetro, medido desde la cabecera, donde ocurre el vertimiento o captación de agua, al igual que las características de calidad y cantidad de agua. En el modelo QUAL2K, estos valores se ingresan en la hoja de cálculo “Point Sources” (la Figura 10 muestra el ejemplo de la información utilizada para el caso del río Aburrá-Medellín). Donde fue utilizada la información levantada en los monitoreos de 2010 y 2011, correspondiente a las quebradas tributarias más importantes del valle de Aburrá y del resto de la longitud del río. Estas entradas de caudal fueron escogidas de acuerdo a dos criterios principales: el grado de contaminación y la cantidad de agua que transporta, todo ello relacionado a las cuencas adyacentes, red de drenaje y descargas o vertimientos sobre el valle de Aburrá. Para el caso de la modelación del río Aburrá – Medellín se ingresaron las. 24.

(25) RED DE MONITOREO AMBIENTAL EN LA CUENCA HIDROGRÁFICA DEL RÍO ABURRÁ – MEDELLÍN EN JURISDICCION DEL AREA METROPOLITANA FASE III UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA – UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA – UNIVERSIDAD DE MEDELLÍN – UNIVERSIDAD NACIONAL. principales quebradas afluentes monitoreadas en el proyecto Red Río fase III y algunos vertimientos directos como: La descarga de aguas turbinadas de la central hidroeléctrica Tasajera, la descarga de aguas residuales de los interceptores oriental y occidental, la descargas de aguas residuales tratadas de San Fernando, la descarga del relleno sanitario “Pradera”, entre otras. 3.7. CONDICIONES EN LAS CARGAS DISTRIBUIDAS (CARGAS DISPERSAS O DIFUSAS). En el proyecto Red Río fase III, se aforaron y tomaron parámetros de calidad fisicoquímica y biológica en la desembocadura de las principales quebradas tributarias y efluentes del tratamiento de aguas residuales (Descarga planta de tratamiento de aguas residuales San Fernando) que llegan al río Aburrá – Medellín y se realizaron aforos y muestreos de todos los parámetros de calidad en las estaciones a lo largo de la corriente. Sin embargo, existen vertimientos distribuidos o descargas dispersas de difícil identificación y caracterización, que afectan significativamente la calidad del agua. Las principales descargas distribuidas, corresponden a tributarios no monitoreados. Los parámetros fisicoquímicos correspondientes a las cargas dispersas se estimaron a partir de un balance de caudales y cargas en los diferentes tramos en estudio. Adicionalmente, se empleó la información de cargas contaminantes y caracterización de vertimientos industriales reportadas en los muestreos históricos registrados por la autoridad ambiental, en este caso el AMVA y los rangos de caracterización típica de aguas residuales domésticas reportada por la literatura (Metcalf & Eddy, 1995). La información correspondiente a estas cargas distribuidas se introduce en la hoja de cálculo “Difuse Sources”, en la cual se debe especificar la ubicación y las características de calidad y cantidad de agua. La carga total de entrada es distribuida por el modelo de manera uniforme a lo largo del correspondiente tramo. 4. CALIBRACIÓN Y VERIFICACIÓN DEL PROGRAMA DE SIMULACIÓN XQ2KW PARA RED RÍO FASE III. La calibración de un modelo de simulación de calidad del agua es un proceso complejo que procura la obtención de un conjunto de valores de los parámetros de calibración (físicos y numéricos) que minimicen la diferencia (error) entre los datos medidos en campo y los calculados por el modelo. Durante este proceso, se emplea una base de datos en las fronteras del modelo, la cual permite realizar simulaciones hasta lograr reproducir con precisión las series de datos observados en campo en diferentes estaciones. 4.1. PROCESO DE CALIBRACIÓN Y VERIFICACIÓN DEL MODELO QUAL2KW. De acuerdo con Camacho y Díaz (2003) en un modelo de calidad del agua se deben especificar las tasas de reacción o transformación de los determinantes de calidad del agua y tasas de transferencia de masa hacia o desde la superficie del agua y el fondo del canal. La cinética de las reacciones son particulares para cada tipo de río y/o agua residual en las condiciones específicas que se presentan en el sistema físico modelado y las tasas de transferencia dependen en gran parte de la turbulencia propia de la corriente. Esto. 25.

(26) RED DE MONITOREO AMBIENTAL EN LA CUENCA HIDROGRÁFICA DEL RÍO ABURRÁ – MEDELLÍN EN JURISDICCION DEL AREA METROPOLITANA FASE III UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA – UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA – UNIVERSIDAD DE MEDELLÍN – UNIVERSIDAD NACIONAL. necesariamente, obliga al modelador a calibrar los modelos que se aplican a un sistema físico particular utilizando parámetros de calibración. El modelo XQUAL2KW está caracterizado por 18 parámetros de calibración fundamentales. Los parámetros de calibración del modelo de simulación de la calidad del agua se obtuvieron utilizando simultáneamente los datos de tres (3) campañas de monitoreo realizadas durante el año 2010. El modelo así calibrado es el que proporciona un ajuste óptimo global a todos los datos medidos. Con esta metodología se logró calibrar un modelo de simulación de la calidad del agua para condiciones hidrológicas diferentes (caudales altos y bajos) y se obtuvo un modelo más robusto y confiable calibrado para un rango más amplio de caudales. Hay que tener en cuenta que mejores ajustes pueden obtenerse a los datos de una campaña particular realizando la calibración independiente respectiva. Sin embargo, con los parámetros así obtenidos el ajuste a otra serie de datos no es buena, en otras palabras, el modelo no es “predictivo” y por lo tanto la simulación de escenarios de saneamiento produciría resultados menos confiables. Durante la calibración y verificación objetiva del modelo XQUAL2Kw se utilizó la metodología GLUE (Beven y Binley, 1992) la cual está basada en la técnica de búsqueda aleatoria controlada. Para esto, se emplearon las 600 simulaciones generadas con los datos de las campañas de monitoreo dos y diez a partir de la distribución uniforme en el rango indicado en la Tabla 1. Estos rangos de valores empleados en las combinaciones de parámetros fueron establecidos a partir de las recomendaciones de Kannel et al. (2007), Chapra (1997) y Bowie, et al. (1985). Tabla 1. Rangos de calibración CÓDIGO VS-SSI. Ka. Tasa hidrólisis DBOslow T. Oxidación DBODBOslow T. Oxidación DBOfast Hidrólisis NO VS-NO T. Nitrificación T. Desnitrificación CT- Desnitrificación Sed. Hidrólisis PO VS-PO VS-PI. DESCRIPCIÓN DEL PARÁMETRO DE CALIBRACIÓN Velocidad de sedimentación de sólidos suspendidos inorgánicos. Tasa de reaireación, descrita por la ecuación de reaireación. Tasa de hidrólisis de la materia orgánica de lenta descomposición Tasa de oxidación de la materia orgánica de lenta descomposición Tasa de oxidación de la materia orgánica de rápida degradación Hidrólisis de nitrógeno orgánico Velocidad de sedimentación de nitrógeno orgánico Tasa de nitrificación de amonio Tasa de desnitrificación de nitratos (importante cuando existen condiciones anaeróbicas) Coeficiente de transferencia por desnitrificación de sedimentos Hidrólisis del Fósforo Orgánico Velocidad de sedimentación del Fósforo Orgánico Velocidad de sedimentación del Fósforo Inorgánico. 26. RANGO DE VALORES DE CALIBRACIÓN. UNIDADES. 0–2. m/d. Ecuación de auto-selección interna en el modelo según valor especifico de velocidad y profundidad de la lámina de agua o mediante selección de una ecuación según criterio del usuario.. 1/d. 0 - 4,2. 1/d. 0 - 4,2. 1/d. 0–5. 1/d. 0–51. 1/d. 0,001 – 0,1. m/d. 0 – 10. 1/d. 0–2. m/d. 0–1. 1/d. 0,001 – 0,7. 1/d. 0–2. m/d. 0–2m. m/d.

(27) RED DE MONITOREO AMBIENTAL EN LA CUENCA HIDROGRÁFICA DEL RÍO ABURRÁ – MEDELLÍN EN JURISDICCION DEL AREA METROPOLITANA FASE III UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA – UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA – UNIVERSIDAD DE MEDELLÍN – UNIVERSIDAD NACIONAL. CÓDIGO Hidrólisis POM Vel. sedimentación POM T. Decaimiento Patógenos VS-Patógenos constante α mortalidadPatógenos. DESCRIPCIÓN DEL PARÁMETRO DE CALIBRACIÓN Hidrólisis de la materia orgánica particulada (Detritus (POM)) Velocidad de sedimentación de la materia orgánica particulada (Detritus (POM)). RANGO DE VALORES DE CALIBRACIÓN. UNIDADES. 0–5. 1/d. 0–5. m/d. Tasa de decaimiento de los patógenos. 0–5. 1/d. Velocidad de sedimentación de los patógenos constante α para mortalidad de los patógenos por luz solar. 0–2. m/d. 0–1. 1/d per ly/hr. Para cada combinación de parámetros de calibración se efectuó una corrida del modelo y se obtuvo un conjunto de datos. Mediante la optimización del coeficiente de determinación (R²) se calculó el nivel de ajuste que presentó cada uno de estos conjuntos y se determinó el conjunto o combinación que arrojó el mejor ajuste. De esta forma, la combinación de los parámetros de entrada asociados a dicho conjunto fue la óptima (Figura 11). Para la calibración, la función objetivo optimizada fue el R², el cual es una medida de la varianza de los datos que es explicada por el modelo.. 27.

(28) RED DE MONITOREO AMBIENTAL EN LA CUENCA HIDROGRÁFICA DEL RÍO ABURRÁ – MEDELLÍN EN JURISDICCION DEL AREA METROPOLITANA FASE III UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA – UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA – UNIVERSIDAD DE MEDELLÍN – UNIVERSIDAD NACIONAL. Figura 11. Valores seleccionados hoja “Rates”. 4.2. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD Y ESTIMACIÓN DE INCERTIDUMBRE DEL MODELO QUAL2KW. Mediante el análisis de sensibilidad del modelo QUAL2Kw se determinó la influencia y la relevancia de los diferentes parámetros de calibración en la respuesta del modelo para cada una de las variables determinantes de la calidad del agua. Después de repetidas simulaciones se puede estudiar la sensibilidad de las respuestas del sistema a las variaciones en los parámetros y/o variables. El análisis mostró que los parámetros más sensibles e identificables dentro de un rango óptimo dependen de la variable determinante de calidad de agua para la cual se optimiza la función objetivo (R²). Los parámetros más sensibles de acuerdo con la variable determinante de la calidad del agua se presentan en la Tabla 2.. 28.

(29) RED DE MONITOREO AMBIENTAL EN LA CUENCA HIDROGRÁFICA DEL RÍO ABURRÁ – MEDELLÍN EN JURISDICCION DEL AREA METROPOLITANA FASE III UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA – UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA – UNIVERSIDAD DE MEDELLÍN – UNIVERSIDAD NACIONAL. Tabla 2 Parámetros de calibración más sensibles. 5 5.1. •. VARIABLE. PARÁMETROS SENSIBLES. Oxígeno disuelto OD. Tasa de reaireación y Tasa de oxidación de la DBO rápida.. Demanda bioquímica de oxígeno DBO. Tasa de oxidación de la DBO rápida. Nitrógeno orgánico Norg. Hidrólisis NO. Nitratos NO3. Tasa de nitrificación. Fósforo inorgánico Sólidos suspendidos inorgánicos. Hidrólisis P orgánico Velocidad de sedimentación. RESULTADOS RED RÍO FASE III CALIBRACIÓN CON EL MODELO QUAL2KW. Aplicación del modelo de simulación. La calidad del cuerpo de agua del río Aburrá – Medellín fue simulada empleando el modelo de simulación Qual2K (Chapra y Pelletier, 2003), aunque también fue utilizado el modelo xQUAL2Kw (Chapra, Pelletier y Tao, 2008), el cual es una versión nueva que incluye características que facilitan su calibración entre campañas y el análisis de sensibilidad. Ambos permiten evaluar la capacidad asimilativa de agua residual de un sistema de corrientes mediante la simulación de varios constituyentes de calidad del agua en el sistema, utilizando una solución en diferencias finitas de las ecuaciones de advección-dispersión y de reacción. Para realizar la calibración y verificación del modelo de simulación es necesario contar con un grupo de datos en las fronteras de éste, que permita realizar las simulaciones o corridas, hasta lograr reproducir con precisión las series de datos observados en campo en diferentes estaciones, mediante el ajuste de los parámetros físicos y numéricos del modelo. Por esta razón, la recolección de datos de la corriente resulta fundamental, ya que todos los resultados producidos por el modelo están basados en los datos de entrada de las fronteras. Con el objetivo de realizar la calibración y verificación del modelo QUAL2Kw para el río Aburrá - Medellín, se construyó una base de datos con la información registrada en tres campañas de monitoreo realizadas en este estudio durante el 2010, dos campañas en caudales bajos (17 y 23 de marzo de 2010, respectivamente) y una en caudales altos (campaña diez, agosto 25 de 2010). Los parámetros finales recomendados para la calibración del modelo se obtuvieron utilizando simultáneamente los datos de las campañas dos y diez de monitoreo (Marzo 23 para nivel bajo de caudal y agosto 25 para nivel alto de caudal). El modelo así calibrado es el que proporciona un ajuste óptimo global a los datos medidos. Los datos de la campaña uno (17 de marzo de 2010), así como información dispersa de otras campañas fue usada para completar y refinar la información de entrada del modelo. Con la metodología anterior, se logró calibrar un modelo de simulación de la calidad del agua para condiciones hidrológicas diferentes (caudales altos y bajos).. 29.

(30) RED DE MONITOREO AMBIENTAL EN LA CUENCA HIDROGRÁFICA DEL RÍO ABURRÁ – MEDELLÍN EN JURISDICCION DEL AREA METROPOLITANA FASE III UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA – UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA – UNIVERSIDAD DE MEDELLÍN – UNIVERSIDAD NACIONAL. En el proyecto Red Río fase III se aforaron y midieron parámetros de calidad fisicoquímica y biológica en la desembocadura de las principales quebradas tributarias y efluentes del tratamiento de aguas residuales (descarga planta de tratamiento de aguas residuales San Fernando) que llegan al río Aburrá – Medellín. De igual manera, se realizaron aforos y muestreos de varios parámetros de calidad en las estaciones a lo largo de la corriente. Sin embargo, existen vertimientos distribuidos o descargas dispersas de difícil identificación y caracterización, que afectan significativamente la calidad del agua. Las principales descargas distribuidas, corresponden a tributarios no monitoreados. Una vez calibrado el modelo, se plantearon 14 escenarios de modelación (ver Tabla 3), a partir de los cuales se realizaron diferentes supuestos en la remoción de carga contaminante, para evaluar el comportamiento de la calidad del agua en el cauce principal del río Aburrá – Medellín. Tabla 3. Escenarios propuestos por la modelación como apoyo a los objetivos de calidad en el río Aburra - Medellín, 2010 RESUMEN SUPUESTOS ESCENARIOS DE MODELACIÓN RÍO ABURRÁ - MEDELLÍN ESCENARIOS PTAR BELLO. DESCARGA PTAR SAN FERNANDO. % REMOCIÓN QUEBRADAS (DBO5 –SST). e0. SIN OPERAR. CONDICIONES ACTUALES. 0. e1. OPERANDO. 70-70. 30. e2. OPERANDO. 70-70. 40. e3. OPERANDO. 70-70. 50. e4. OPERANDO. 70-70. 60. e5. OPERANDO. 50-50. 30. e6. OPERANDO. 50-50. 40. e7. OPERANDO. 50-50. 50. e8. OPERANDO. 50-50. 60. e9. OPERANDO. 30-30. 30. e10. OPERANDO. 30-30. 40. e11. OPERANDO. 30-30. 50. e12. OPERANDO. 30-30. 60. e13. SIN OPERAR. 70-70. VARIABLE F(PSMV) 2014. A continuación en la Tabla 4 se muestran los resultados de calidad fisicoquímica encontrados a lo largo del río para la fecha de calibración principal que se utilizó en el modelo y que representa los niveles bajos de caudal.. 30.

(31) RED DE MONITOREO AMBIENTAL EN LA CUENCA HIDROGRÁFICA DEL RÍO ABURRÁ – MEDELLÍN EN JURISDICCION DEL AREA METROPOLITANA FASE III UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA – UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA – UNIVERSIDAD DE MEDELLÍN – UNIVERSIDAD NACIONAL. Tabla 4. Perfil de calidad del río Aburrá – Medellín, marzo 23 de 2010 ESTACIÓN E1 E3. SAN MIGUEL ANCÓN SUR ANTES DE SAN FERNANDO AULA AMBIENTAL PUENTE ACEVEDO PUENTE MACHADO ANCÓN NORTE. E5 E8 E9 E11 E12 E4 Q6 Q7 Q10. Q.DOÑA MARIA Q.AGUACATALA Q. LA PRESIDENTA Q.SANTA ELENA. CAUDAL (m3/s) 0.44 2.50. DBO5. DQO. NTK. 0.04 2.10. 0.92 8.06. 2.77. 3.97. 3.09. PTotal. SFT. SST. SDT. 0.03 1.21. SVT (ton/día) 0.00 0.00 0.23 0.01. 1.41 35.21. 0.19 3.24. 1.22 31.98. 24.62. 1.90. 0.24. 0.02. 46.60. 6.45. 40.16. 13.87. 52.40. 5.40. 0.19. 0.04. 139.77. 22.46. 117.35. 3.61. 52.25. 92.02. 8.18. 0.94. 71.51. 87.12. 34.91. 123.71. 4.23. 63.83. 133.33. 10.58. 3.29. 127.49. 257.90. 257.17. 128.22. 69.20 173.98 14.67 2.10 158.28 ESTACIONES FUERA DEL CAUCE DEL RÏO ABURRÁ 0.59 0.78 4.23 0.23 0.09 0.00 0.02 0.00 0.00 0.01 0.00 0.14. 291.21. 258.44. 191.05. 0.00 0.21. 1.15 0.01. 0.00 0.33. 7.16. 0.03. 0.04. 0.13. 0.01. 0.00. 0.17. 0.55. 0.03. 0.70. 0.40. 2.36. 9.27. 0.99. 0.14. 5.58. 8.98. 2.84. 11.72. En las figuras resultantes de la calibración (ver Figura 12 a Figura 18) se pueden comparar las curvas correspondientes al perfil de concentraciones de los diferentes parámetros estimados (líneas continuas) por el modelo a lo largo del río, con los datos medidos en campo (puntos dispersos) en las estaciones de monitoreo.. Figura 12. Simulación de caudal para niveles bajos en m³/s (campaña 23 de marzo de 2010). 31.

(32) RED DE MONITOREO AMBIENTAL EN LA CUENCA HIDROGRÁFICA DEL RÍO ABURRÁ – MEDELLÍN EN JURISDICCION DEL AREA METROPOLITANA FASE III UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA – UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA – UNIVERSIDAD DE MEDELLÍN – UNIVERSIDAD NACIONAL. Figura 13. Simulación de oxígeno disuelto para niveles bajos (campaña 23 de marzo de 2010) (mg/L). Figura 14. Simulación de DBO rápida para niveles bajos (campaña 23 de marzo de 2010) (mg/L). 32.

(33) RED DE MONITOREO AMBIENTAL EN LA CUENCA HIDROGRÁFICA DEL RÍO ABURRÁ – MEDELLÍN EN JURISDICCION DEL AREA METROPOLITANA FASE III UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA – UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA – UNIVERSIDAD DE MEDELLÍN – UNIVERSIDAD NACIONAL. Figura 15. Simulación de conductividad para niveles bajos (campaña 23 de marzo de 2010). Figura 16. Simulación de sólidos suspendidos para niveles bajos (campaña 23 de marzo de 2010). 33.

(34) RED DE MONITOREO AMBIENTAL EN LA CUENCA HIDROGRÁFICA DEL RÍO ABURRÁ – MEDELLÍN EN JURISDICCION DEL AREA METROPOLITANA FASE III UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA – UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA – UNIVERSIDAD DE MEDELLÍN – UNIVERSIDAD NACIONAL. Figura 17. Simulación de nitrógeno orgánico para niveles bajos (campaña 23 de marzo de 2010) (mg/L). Figura 18. Simulación de fósforo orgánico para niveles bajos (campaña 23 de marzo de 2010) (mg/L). 34.

(35) RED DE MONITOREO AMBIENTAL EN LA CUENCA HIDROGRÁFICA DEL RÍO ABURRÁ – MEDELLÍN EN JURISDICCION DEL AREA METROPOLITANA FASE III UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA – UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA – UNIVERSIDAD DE MEDELLÍN – UNIVERSIDAD NACIONAL. De acuerdo con lo visto en las figuras anteriores (ver Figura 12 a Figura 18), las cuales describen la calibración del modelo, se tienen algunas conclusiones parciales, a saber: La DBO rápida el oxígeno y la conductividad presentan curvas predichas por el modelo similares y con un ajuste aceptable a los datos medidos que aparecen como puntos en las gráficas, no obstante el ajuste de las curvas de los sólidos, el nitrógeno y el fósforo es menos favorable a los datos medidos aunque tratan de seguir una línea de calidad. En las gráficas de DBO y conductividad principalmente, así como en el resto de las gráficas de calibración expuestas, se nota entre los km 60 y 70 una disminución súbita de la contaminación en cada caso, debida al ingreso de las aguas turbinadas de la hidroeléctrica Tasajera que por su calidad y abundancia generan una dilución importantísima en el recorrido del río, de allí en adelante se nota una línea casi paralela que discurre constante por todo el norte del valle de Aburrá y que termina en Puente Gabino con valores de contaminación que tienden a disminuir conforme se avanza aguas abajo, como resultado de la dilución que produce toda la red de drenaje sobre el rio y el cese de ingresos importantes de vertimientos residuales. •. Dinámica del nitrógeno y el fósforo en el río Aburrá - Medellín. En la química del agua de un río, los compuestos del nitrógeno y del fósforo representan un papel muy importante, puesto que son ellos los verdaderamente responsables del crecimiento de los organismos animales y vegetales en el medio acuático. En condiciones normales estos compuestos provienen fundamentalmente de la degradación de la materia orgánica muerta, pero en condiciones del medio alteradas, los aportes adicionales proceden mayoritariamente de vertidos residuales urbanos y de ciertas instalaciones industriales, así como del uso creciente de fertilizantes y pesticidas en la agricultura. En el caso del nitrógeno, para el río Aburrá - Medellín, se ha encontrado principalmente la forma orgánica, no obstante, después de entrar en contacto con el medio acuático, aparecen otras formas como la amoniacal, los nitritos y nitratos; el aporte de la ciudad según algunos datos puntuales de la fase III está entre 20 y 30 ton/día de nitrógeno total en el final de la zona urbana; la complejidad del drenaje en la zona urbana y la gran cantidad de aguas de desecho que llegan al río, impiden un aforo de los nutrientes y ayudan a la compleja interacción de ellos con el agua y con los sedimentos. En el caso del fósforo, se explica su origen también principalmente, desde el aporte de materia orgánica que se da por los vertimientos, entre 5 y 10 ton /día al final de la zona urbana; se pueden encontrar en formas orgánicas, así como en ortofosfatos y poli fosfatos como subproductos de procesos industriales y en otros casos como desechos de aguas de lavado y descomposición orgánica. Es conocido por parte de la literatura que ambos nutrientes viajan en la columna de agua e interactúan con el sistema según sean los niveles de oxígeno disponible, que para el rio Aburrá - Medellín en algunos puntos es alto y en otros es casi cero para algunas horas del día, lo cual causaría una dinámica de oxidación reducción en algunos tramos. Por otra parte, por ser un río con especiales cantidades de sólidos suspendidos y sedimentables una alta velocidad (mayores a 1m/s según mediciones de fase III) zonas de gran turbulencia y zonas de sedimentación y una dinámica de lluvias gracias a su ubicación geográfica en una zona. 35.