UN RÍO DE MONTAÑA Y SU POSTERIOR IMPLEMENTACIÓN EN UN MODELO DE CALIDAD DEL AGUA REALIZANDO TRAZADORES DE LARGO
ALCANCE. CASO DE ESTUDIO: RÍO TEUSACÁ.
Juan David Herrera Bernal Código: 201115017 Juan Martín Pareja Lequerica
Código: 201026972 Jose Esteban Rueda Calderón
Código: 200922259
Tesis de grado presentada para optar por el título de INGENIERO AMBIENTAL
Dirigido por:
Luis Alejandro Camacho Botero, I.C.,Msc.,Ph.D.
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA CIVIL Y AMBIENTAL DICIEMBRE 2015
TÍTULO EN ESPAÑOL: DETERMINACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS HIDRO-GEOMÉTRICAS DE UN RÍO DE MONTAÑA Y SU POSTERIOR IMPLEMENTACIÓN EN UN MODELO DE CALIDAD DEL AGUA REALIZANDO TRAZADORES DE LARGO ALCANCE. CASO DE ESTUDIO: RÍO TEUSACÁ.
TÍTULO EN INGLÉS: DETERMINATION OF THE HYDRO-GEOMETRIC CHARACTERISTICS OF A MOUNTAIN RIVER AND ITS IMPLEMENTATION ON A WATER QUALITY MODEL ELABORATING LONG-REACH TRACERS. STUDY CASE: TEUSACÁ RIVER
RESUMEN: En este trabajo se sigue la metodología propuesta por Camacho y Diaz Granados (2003) para la obtención de un modelo de transporte de solutos y de calidad del agua en un río de montaña. Se presenta la aplicación de la metodología en un tramo de aproximadamente 8 kilómetros del río Teusacá. Inicialmente, se hace un estudio de la información existente y se realiza una inspección previa en campo. Para la caracterización hidráulica, se realizan experimentos con trazadores en tramos largos del río, los cuales son definidos como aquellos que comprenden una longitud mayor a 500 m. Con lo anterior, se pretende analizar las implicaciones correspondientes a la implementación de estos experimentos en la caracterización hidro-geométrica de un río de montaña y sus posibles vicisitudes respecto a la metodología tradicional de trazadores cortos. Posteriormente, con determinantes de calidad del agua obtenidos en campo, se implementa el modelo Qual2kw para obtener las tasas de reacción y decaimiento correspondientes.
Los resultados de la calibración del modelo de transporte de solutos permiten establecer que la fracción dispersiva DF disminuye en tramos considerablemente largos. A su vez, se logra una excelente aproximación de las características hidro-geométricas del río mediante la calibración del modelo con 3 embalses en línea. Para los tramos de 2 y 3 km estudiados en este proyecto, se obtuvieron fracciones dispersivas de 0,15 y 0,18 respectivamente. Por otro lado, para tramos de 0,6 y 1,2 km se obtuvo un valor de 0,26. Posterior a la calibración del modelo de calidad del agua, se procede a comparar las tasas de decaimiento y reacción
González (2008), Medina (2009), Torres (2009) y Velandia (2005). La calibración para tasas como decaimiento de patógenos, nitrificación, hidrólisis de DBO lenta y de nitrógeno orgánico arroja resultados similares a los reportados en los estudios mencionados. Sin embargo, los resultados obtenidos para hidrólisis de fósforo orgánico y de disolución de detritos difieren a las de la literatura.
SUMMARY: This project follows the methodology proposed by Camacho and Diaz-Granados (2003) for calibrating a solute transport and water quality model in a mountain river. The application of the methodology is presented for a section of 8 km of the Teusacá River. First that all, a study of existing information is made and a preliminary field inspection is performed. Later on, long-distance tracer experiments, defined as those longer than 500 m, are made to find the hydro-geometric characteristics of the river. The aim of this is to analyze the implications of using that kind of experiments in the hydro-geometric characterization and the possible differences with traditional short-distance tracers. Afterwards, with water quality determinants obtained in field, a water quality model is run to acquire the correspondent decay and reaction rates.
The results of the Solute Transport Model calibration indicate that the dispersive fraction DF decreases for long distance reaches. For reaches of 2,5 and 3km analyzed in this project, the obtained fractions were 0,15 and 0,18 respectively. Meanwhile, for reaches of 0,6 and 1,2km, the fraction acquired was 0,26. After the water quality model calibration, it proceeds to compare the results obtained with data referenced in works made by González (2008), Medina (2009), Torres (2009) and Velandia (2005).
PALABRAS CLAVES: Transporte de Solutos, modelo ADZ, fracción dispersiva, trazadores de largo alcance, ríos de montaña, modelación de calidad del agua, marco de modelación, tasas de reacción y decaimiento.
KEYWORDS: Solute Transport, ADZ model, Dispersive Fraction, long-reach tracers, Mountain Rivers, water quality modeling, modeling framework, reaction and decay rates.
Queremos dar infinitas gracias a nuestras familias, quienes se han esmerado toda su vida por darnos la oportunidad de acceder al conocimiento. Sin su apoyo, su paciencia y sobretodo, sin su amor nada de esto hubiese sido posible. Este es un logro que compartimos y celebramos todos, pues fuimos, somos y seremos uno.
TABLA DE CONTENIDO
1. CAPITULO I: ASPECTOS GENERALES DE LA INVESTIGACIÓN ... 1
1.1 INTRODUCCIÓN ... 1
1.2 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA ... 2
1.3 JUSTIFICACIÓN ... 3
1.4 OBJETIVO GENERAL DE LA INVESTIGACIÓN ... 4
1.5 OBJETIVOS ESPECIFICOS DE LA INVESTIGACIÓN ... 4
1.6 METODOLOGÍA ... 4
1.7 RESUMEN DE LOS RESULTADOS PRINCIPALES ... 5
1.8 RESUMEN DE CONTENIDO ... 5
2. CAPÍTULO II: REVISIÓN DEL ESTADO DEL ARTE RELACIONADO A LA MODELACIÓN DE CALIDAD DEL AGUA EN RÍOS DE MONTAÑA ... 7
2.1 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS E HIDRÁULICAS DE LOS RÍOS DE MONTAÑA ... 7
2.2 TRANSPORTE DE SOLUTOS-MODELO DE ZONA MUERTA AGREGADA ADZ 8 2.3 DETERMINANTES DE CALIDAD DEL AGUA ... 12
2.3.1 Características físicas ... 12
2.3.2 Características Químicas inorgánicas ... 14
2.3.3 Características Químicas Orgánicas ... 19
2.3.4 Características Biológicas... 20
2.4 MODELO “STREAM WATER QUALITY MODEL” QUAL2Kw ... 21
3. CAPITULO III: PROPUESTA METODOLÓGICA PARA LA CALIBRACIÓN DE UN MODELO DE CALIDAD DEL AGUA UTILIZANDO TRAZADORES EN TRAMOS LARGOS ... 24
3.1 MARCO DE MODELACIÓN ... 24
3.2 TRAZADORES EN TRAMOS LARGOS ... 27
3.3 ANÁLISIS DE TRAZADORES EN EL PROGRAMA SOLUTE TRANSPORT TOOL V. 1.0 ... 29
3.4 AFOROS EN LOS PUNTOS DE MEDICIÓN ... 31
3.5 TOMA DE MUESTRAS EN CAMPO ... 33
4. CAPITULO IV: APLICACIÓN Y ANALISIS DE LA METODOLOGÍA
PROPUESTA AL TRAMO DE ESTUDIO ... 37
4.1 CURVAS DE CALIBRACIÓN DE LOS EQUIPOS ... 37
4.2 TRAZADORES EN TRAMOS LARGOS ... 42
4.3 SOLUTE TRANSPORT TOOL V.1.0. ... 47
4.3.1 Calibración subjetiva ... 47
4.3.2 Calibración objetiva ... 50
4.4 AFOROS ... 62
4.4.1 Análisis de incertidumbre ... 64
4.4.2 Análisis de aforos de la primera campaña ... 67
4.4.3 Análisis de aforos de la segunda campaña ... 68
4.4.4 Análisis aforo volumétrico ... 69
4.5 RESULTADOS DE LABORATORIO ... 69
4.5.1 Tramo 1 ... 69
4.5.2 Tramo 2 ... 74
4.6 MODELO QUAL2KW ... 78
4.6.1 Determinantes físico – Químicos ... 81
4.6.2 Determinantes Sólidos ... 82
4.6.3 Demanda de Oxígeno ... 85
4.6.4 Especies Nitrogenadas ... 89
4.6.5 Especies de Fósforo y Coliformes ... 92
5. CAPÍTULO V: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 96
5.1 CONCLUSIONES ... 96
5.2 RECOMENDACIONES ... 97
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Marco de Modelación propuesto por (Camacho & Diaz-Granados, 2003) ... 25
Figura 2. Conductividad vs. Concentración. Hach 21766 ... 38
Figura 3. Conductividad vs. Concentración. Hach 34973 ... 39
Figura 4. Conductividad vs. Concentración. PDA 1 ... 40
Figura 5. Conductividad vs. Concentración. PDA 2 ... 41
Figura 6. Vista General Trazador Campaña 1 ... 46
Figura 7. Vista General Trazador Campaña 2 ... 46
Figura 8. Calibración Subjetiva Punto 1 - 2 ... 47
Figura 9. Calibración Subjetiva Punto 2 - 3 ... 48
Figura 10. Calibración Subjetiva Punto 3 - 4 ... 48
Figura 11. Calibración Subjetiva Punto 4 - 5 ... 49
Figura 12. Calibración Objetiva MCAT ToolBox. Sitio 1 – 2 ... 51
Figura 13. Identificabilidad Parámetros Calibración Objetiva MCAT ToolBox. Sitio 1 - 2 51 Figura 14. Calibración Objetiva MCAT ToolBox. Sitio 2 – 3 ... 52
Figura 15. Identificabilidad Parámetros Calibración Objetiva MCAT ToolBox. Sitio 2 - 3 52 Figura 16. Calibración Objetiva MCAT ToolBox. Sitio 3 - 4 ... 53
Figura 17. Identificabilidad Parámetros Calibración Objetiva MCAT ToolBox. Sitio 3 - 4 53 Figura 18. Calibración Objetiva MCAT ToolBox. Sitio 4 - 5 ... 54
Figura 19. Identificabilidad Parámetros Calibración Objetiva MCAT ToolBox. Sitio 4 – 5 ... 54
Figura 20. Calibración Objetiva SCE-UA. Sitio 1 – 2 ... 57
Figura 21. Identificabilidad Parámetros Calibración Objetiva SCE-UA. Sitio 1 – 2 ... 57
Figura 22. Calibración Objetiva SCE-UA. Sitio 2 – 3 ... 58
Figura 23. Identificabilidad Parámetros Calibración Objetiva SCE-UA. Sitio 2 – 3 ... 58
Figura 24. Calibración Objetiva SCE-UA. Sitio 3 – 4 ... 59
Figura 25. Identificabilidad Parámetros Calibración Objetiva SCE-UA. Sitio 3 - 4 ... 59
Figura 26. Calibración Objetiva SCE-UA. Sitio 4 – 5 ... 60
Figura 27. Identificabilidad Parámetros Calibración Objetiva SCE-UA. Sitio 4 – 5 ... 60
Figura 28. Resultados de Temperatura, Conductividad y Sólidos Inorgánicos para tramo 1. ... 69
Figura 29. Resultados de DBO lenta, DBO rápida y DQO filtrada para tramo 1. ... 70
Figura 30. Resultados de especies de nitrógeno para tramo 1. ... 71
Figura 31. Resultados de especies de Fósforo para tramo 1. ... 71
Figura 32. Resultados de POM y coliformes fecales para tramo 1. ... 72
Figura 33. Resultados de Alcalinidad, oxígeno disuelto y pH para tramo 1. ... 73
Figura 34. Resultados de Temperatura, Conductividad y Sólidos Inorgánicos para tramo 2. ... 74
Figura 35. Resultados de DBO rápida, DBO lenta y DQO Filtrada para tramo 2. ... 75
Figura 36. Resultados de especies de Nitrógeno para tramo 2. ... 75
Figura 37. Resultados de especies de fósforo para tramo 2. ... 76
Figura 38. Resultados de POM y Coliformes Fecales para tramo 2... 77
Figura 39. Resultados de Alcalinidad, Oxígeno Disuelto y pH para tramo 2. ... 78
Figura 40. Determinantes Físico - Químicos Qual2Kw ... 81
Figura 41. Sólidos Qual2Kw ... 82
Figura 42. Demanda de Oxígeno Qual2Kw ... 85
Figura 43. Especies Nitrogenadas Qual2kw. ... 89
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Concentraciones típicas de microorganismos encontradas en aguas residuales sin tratar y dosis de infección correspondiente, tomado de (Tchobanoglous, Burton, & Stensel,
2004) ... 20
Tabla 2. Organismos potencialmente presentes en agua residual sin tratar, tomado de (Tchobanoglous, Burton, & Stensel, 2004) ... 21
Tabla 3. Concentración de soluciones usadas en calibración de equipos ... 37
Tabla 4. Lecturas Hach 21766 con Sonda 13082582016 ... 38
Tabla 5. Lecturas Hach 34973 con Sonda 1432525890038 ... 39
Tabla 6. Lecturas PDA 1 ... 40
Tabla 7. Lecturas PDA 2 ... 41
Tabla 8. Longitudes entre Tramos ... 42
Tabla 9. Datos generales Aguas Abajo Quebrada Simayá ... 43
Tabla 10. Datos generales El Tambre ... 43
Tabla 11. Datos Generales Puente Intermedio ... 44
Tabla 12. Datos Generales Puente Intermedio ... 44
Tabla 13. Datos Generales Macadamia ... 45
Tabla 14. Datos Generales La Cabaña... 45
Tabla 15. SSG Campaña 1 ... 49
Tabla 16. SSG Campaña 2 ... 50
Tabla 17.Resultados Calibración con MCAT ToolBox Parte 1 ... 55
Tabla 18. Resultados Calibración con MCAT ToolBox Parte 2 ... 55
Tabla 19. Análisis Fracción Dispersiva ... 56
Tabla 20. Resultados Calibración con SCE-UA Parte 1 ... 61
Tabla 21. Resultados Calibración con SCE-UA Parte 2 ... 61
Tabla 22. Caudales aforados Campaña 1 ... 63
Tabla 23. Caudales aforados Campaña 2 ... 63
Tabla 24. Aforo volumétrico Descarga Macadamia ... 64
Tabla 25. Espaciamiento recomendado de verticales, tomado de (Herschy, 1999) ... 65 Tabla 26. Incertidumbre de los métodos de puntos reducidos, tomado de (Herschy, 1999) 65
Tabla 27. Incertidumbre asociada con el número de verticales empleadas, tomado de
(Herschy, 1999) ... 65
Tabla 28.Incertidumbres asociadas a cada medición... 66
Tabla 29. Márgenes de error de los caudales medidos ... 66
Tabla 30. Parámetros de Calidad del Agua ingresados a Qual2Kw ... 80
Tabla 31. Tasa Calibración ISS Qual2kw Tramo 1. ... 83
Tabla 32. Tasa Calibración ISS Qual2kw Tramo 2. ... 83
Tabla 33. Tasas de Calibración Detritos Qual2kw Tramo 1 ... 84
Tabla 34. Tasas de Calibración Detritos Qual2kw Tramo 2. ... 84
Tabla 35. Tasa de Calibración DBO rápida Qual2kw Tramo 1 ... 86
Tabla 36. Tasa de Calibración DBO rápida Qual2kw Tramo 2 ... 86
Tabla 37. Tasas de Calibración DBO lenta Qual2kw Tramo 1 ... 87
Tabla 38. Tasas de Calibración DBO lenta Qual2kw Tramo 2 ... 87
Tabla 39. Tasa de Calibración DQO f Qual2kw Tramo 1 ... 88
Tabla 40. Tasa de Calibración DQOf Qual2kw Tramo 2. ... 88
Tabla 41. Tasas de Calibración Nitrógeno Orgánico Qual2kw Tramo 1. ... 89
Tabla 42. Tasas de Calibración Nitrógeno Orgánico Qual2kw Tramo 2. ... 90
Tabla 43. Tasa de Calibración Nitrógeno Amoniacal Qual2kw Tramo 1. ... 90
Tabla 44. Tasa de Calibración Nitrógeno Amoniacal Qual2kw Tramo 2. ... 91
Tabla 45. Tasas de Calibración Nitrato Qual2kw Tramo 1. ... 91
Tabla 46. Tasas de Calibración Nitrato Qual2kw Tramo 2. ... 92
Tabla 47. Tasas de Calibración Fósforo Orgánico Qual2kw Tramo 1. ... 93
Tabla 48. Tasas de Calibración Fósforo Orgánico Qual2kw Tramo 2. ... 93
Tabla 49. Tasas de Calibración Fósforo Inorgánico Qual2kw Tramo 1. ... 94
Tabla 50. Tasas de Calibración Fósforo Inorgánico Qual2kw Tramo 2. ... 94
Tabla 51. Tasas de Calibración Patógenos Qual2kw Tramo 1. ... 95
1. CAPITULO I: ASPECTOS GENERALES DE LA INVESTIGACIÓN
1.1 INTRODUCCIÓN
El agua es un recurso fundamental para el progreso y el crecimiento de las comunidades de un país (Olmeda Pascual, 2006). En consecuencia, en las cercanías en donde se encuentre ubicado este recurso hídrico también se van a encontrar situadas la mayoría de poblaciones. En efecto, este crecimiento trae consigo una contaminación directa a los ríos de montaña, pues estos además de abastecer la demanda hídrica de los habitantes también son receptores del agua servida.
A partir de lo anterior, se ha evidenciado un crecimiento en la contaminación de ríos de montaña con aguas residuales domésticas. Paralelamente, el país al no saber administrar adecuadamente las riquezas, no posee sistemas de tratamiento severos para poder descontaminar las aguas servidas a las poblaciones (Olmeda Pascual, 2006). En otras palabras, la contaminación aumenta mientras los sistemas de tratamiento presentan deficiencias. Por consiguiente, se ha evidenciado la necesidad de estudiar los ríos para entender los patrones de transporte de solutos y la capacidad de asimilación de contaminantes que estos tengan. Lo anterior, para realizar sistemas de tratamiento cuyo objetivo sea proporcionar agua con la calidad adecuada según las necesidades de la población.
Con base en lo mencionado anteriormente, en el presente proyecto se procede a realizar la caracterización hidráulica de un río de montaña mediante la implementación de trazadores en tramos largos, los cuales se definen como aquellos que comprenden longitudes de río mayores a 500m. Los procedimientos de ejecución de los mencionados se han adoptado de la metodología actual de caracterización de trazadores hechos en tramos cortos. Los resultados encontrados, al igual que para los trazadores en tramos cortos, son los tiempos de viaje, al pico y advectivos de la masa de agua. Adicionalmente, se obtienen las fracciones dispersivas y el número de elementos en serie para modelar adecuadamente las condiciones del río.
Una vez adquiridos los parámetros hidráulicos del tramo analizado, se procede a obtener en campo las muestras de calidad del agua para posteriormente ser analizadas en el laboratorio. El muestreo se basa en la obtención de la características físicas (sólidos, temperatura y conductividad), químicas inorgánicas (Constituyentes no metálicos, metálicos), químicas orgánicas (DBO) y biológicas (coliformes totales y fecales) (Tchobanoglous, Burton, & Stensel, 2004). Los resultados de las mediciones son introducidos en el modelo Qual2kw (Pelletier, Chapra, & Tao, 2005). Posteriormente, se realiza la calibración de las tasas de decaimiento y reacción de los determinantes mencionados. Por último, se comparan las tasas encontradas con los resultados obtenidos anteriormente.
Con base en lo anterior, se evidencia que a partir de la caracterización hidráulica obtenida con la implementación de trazadores de largo alcance, el modelo de calidad del agua resultante arroja unas tasas de reacción y decaimiento que se asemejan a los resultados obtenidos a partir de los trazadores de corto alcance reportados en las investigaciones de González (2008), Medina (2009), Torres (2009) y Velandia (2005). En este sentido, se demuestra que los resultados son satisfactorios y que la metodología es aplicable para el análisis de ríos de montaña.
1.2DEFINICIÓN DEL PROBLEMA
Actualmente en Colombia cerca del 90% de las aguas residuales domésticas se vierten a los ríos sin ningún tipo de tratamiento (Camacho, 2013). Lo anterior trae consigo una gran variedad de organismos tóxicos o infecciosos capaces de contaminar el agua a tal punto que hoy en día en el país se pueden presentar ríos con tramos extensos en condiciones anaerobias (Camacho, 2013). Por otro lado, cerca del 70% de la población colombiana tiene como sustento vital la actividad agrícola, lo que sobrelleva a la necesidad de utilizar el agua de los ríos como recurso hídrico principal para abastecer sus necesidades (Samper, 1992).
A partir de lo anterior, se evidencia la necesidad de estudiar y tener un seguimiento de los procesos de transporte de solutos de los ríos y de la calidad del agua que presentan los
mismos. Por consiguiente, se han implementado modelos matemáticos para analizar la caracterización hidráulica de los ríos. Sin embargo, esta caracterización generalmente es implementada en tramos de estudio que no superan distancias de 0.5 km. Como consecuencia, para cubrir un tramo de estudio considerablemente largo, es necesario realizar una gran cantidad de campañas. Lo anterior requiere de una gran inversión logística y económica con el fin de garantizar la validez del experimento.
De esta forma, en el presente informe se propone una metodología a implementar para la caracterización hidráulica de un río de montaña mediante experimentos con trazadores que cubran mayores distancias, considerados como trazadores de largo alcance. Este procedimiento se plantea con base en la metodología existente de trazadores realizados en tramos cortos. En este caso en particular, se plantean dos campañas que comprenden, en su totalidad, una longitud aproximada de 8km del río Teusacá.
Seguido a esto, con la información hidráulica establecida, se toman en campo datos de calidad del agua para implementarlos en el modelo Qual2kw. Lo anterior, con el objetivo de realizar las comparaciones respectivas con los resultados alcanzados en proyectos anteriores. Específicamente se compararon las tasas de reacción y decaimiento de los determinantes para así conseguir la validez del experimento.
1.3 JUSTIFICACIÓN
La revisión del estado del arte de la modelación de ríos de montaña encontrada por González (2008), Medina (2009), Torres (2009) y Velandia (2005) revela que la caracterización hidráulica del río se hace por medio de experimentos con trazadores que no superan los 500 metros de longitud por campaña. En este sentido, con una caracterización hidráulica con trazadores de mayor longitud, se tiene la ventaja de tener más precisión. Lo anterior, debido a que se tiene la certeza de estar siguiendo la misma masa de agua en una longitud mayor de río. Adicionalmente, con trazadores de estas características se tiene una logística más simple y eficiente que, en consecuencia, permite reducir los costos asociados. Por ende, es necesario verificar que esta caracterización es adecuada para la modelación de la calidad del agua en ríos de montaña.
1.4 OBJETIVO GENERAL DE LA INVESTIGACIÓN
Determinar las características hidro – geométricas en un tramo de 8 kilómetros del río Teusacá e implementar un modelo de calidad del agua realizando trazadores en tramos largos.
1.5 OBJETIVOS ESPECIFICOS DE LA INVESTIGACIÓN
Cuantificar las condiciones morfológicas del cauce y sus variaciones a lo largo del tramo bajo estudio.
Determinar las características hidráulicas del río por medio de la implementación de trazadores de largo alcance.
Evaluar el comportamiento de la fracción dispersiva del modelo ADZ en un tramo de longitud considerable.
Implementar el modelo Qual2kw para determinar las tasas de reacción y decaimiento de una serie de determinantes muestreados en campo.
Comparar los resultados obtenidos en el modelo calibrado de Qual2kw y la bibliografía de estudios realizados anteriormente.
1.6 METODOLOGÍA
En primera instancia, se establecieron 5 puntos de medición para llevar a cabo el análisis de trazadores en tramos largos. Seguido a esto, se obtuvieron las curvas de calibración de los equipos utilizados para poder reportar los datos de los trazadores en unidades de mg/L. Con los datos reportados se utilizó el programa Solute Transport Tool V.1.0 para establecer los tiempos de viaje, al pico, de retraso advectivo y la fracción dispersiva de cada uno de los tramos analizados.
En segunda instancia, se recogieron en campo los datos de cada punto de medición concernientes a la calidad del agua. Adicionalmente, se realizaron aforos para la posterior implementación del modelo Qual2kw.
Con la información mencionada anteriormente, se ejecuta el modelo Qual2kw para establecer las tasas de reacción y de decaimiento de cada uno de los parámetros analizados.
Posteriormente, los resultados de las tasas son comparados con los reportados anteriormente en experimentos con tramos cortos de ríos de montaña y se valida el experimento.
1.7 RESUMEN DE LOS RESULTADOS PRINCIPALES
El uso de experimentos con trazadores de largo alcance resultó adecuado para la caracterización hidráulica del río y para la estimación de los tiempos de viaje, al pico y de retraso advectivo. Se encontró que la fracción dispersiva DF calculada a partir de los tiempos de viaje y de retraso disminuye al aumentar la distancia. Se planteó que dicho proceso es una consecuencia de la forma en la que se dispersa longitudinalmente el trazador. El tiempo de viaje es sensible tanto a la advección y a la dispersión mientras que el tiempo de retraso advectivo depende únicamente de la advección. A partir de lo anterior, la fracción dispersiva debe disminuir debido a que el tiempo de viaje disminuye de manera considerable en comparación al tiempo de retraso.
Por otra parte, se encontró que el modelo de calidad de agua calibrado calculó unas tasas similares a las obtenidas en investigaciones anteriores en las cuales se utilizaron trazadores de máximo 500 metros. Por consiguiente, se confirma la validez de la investigación.
1.8 RESUMEN DE CONTENIDO
El presente documento está compuesto por 6 capítulos principales en donde se explican las generalidades y resultados obtenidos a partir de la ejecución del proyecto.
El primer capítulo establece la introducción del tema de investigación. Se mencionan las generalidades que rodean el proyecto. Es decir, la definición del problema, la justificación y los objetivos de la investigación. Adicionalmente, se presenta un resumen con los principales resultados obtenidos y la metodología implementada para alcanzarlos.
El segundo capítulo presenta una revisión de los aspectos relacionados con la modelación de la calidad del agua en el tramo analizado del río Teusacá. Por ende, se especifican los determinantes a analizar de calidad del agua. Adicionalmente, se proveen valores típicos de los mismos en aguas residuales domésticas. Por otro lado, se muestran las características
físicas e hidráulicas de los ríos de montaña y la descripción del modelo de zona muerta agregada ADZ.
En el tercer capítulo se expone la metodología implementada a lo largo de la investigación. Se exponen así las etapas del marco de modelación propuesto por (Camacho & Diaz-Granados, 2003) aplicadas al proyecto realizado. Así pues, se enuncian los procesos ejecutados para la realización de trazadores de largo alcance, la calibración de resultados en modelos de Transporte de Solutos, campañas de aforo y muestreo y la posterior modelación de la calidad del agua del río con el Software QUAL2Kw.
El cuarto capítulo abarca los resultados obtenidos en las diferentes etapas de la investigación, así como las discusiones planteadas como consecuencia del análisis de éstos. Primero, se exponen las curvas de calibración de los equipos utilizados para la medición de los trazadores en campo. Segundo, se muestran los resultados obtenidos de la implementación de los trazadores en el programa Solute Transport Tool V.1.0. Tercero, se evidencian los resultados de los aforos realizados en los puntos de medición. Cuarto, se exponen los resultados de la calibración de toda la información mencionada anteriormente en el programa Qual2kw.
Por último, en el quinto capítulo se enuncian las conclusiones alcanzadas, fruto de la investigación. A su vez, se establecen una serie de recomendaciones pertinentes con el fin de aportar sugerencias a próximas investigaciones.
2. CAPÍTULO II: REVISIÓN DEL ESTADO DEL ARTE RELACIONADO A LA MODELACIÓN DE CALIDAD DEL AGUA EN RÍOS DE MONTAÑA
2.1 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS E HIDRÁULICAS DE LOS RÍOS DE MONTAÑA
Los ríos de montaña se caracterizan por poseer una elevada variabilidad espacial y temporal debida a la topografía accidentada de las montañas. Una de las diferencias principales encontradas entre los ríos de montaña y los ríos de planicie radica en la presencia de pendientes longitudinales pronunciadas. Como consecuencia de lo anterior, se condiciona un transporte de sedimentos capaz de movilizar materiales gruesos y de erosionar fácilmente el lecho y las bancas del canal (González & Camacho, 2008). Se puede considerar que un río es de montaña si en la mayor parte de su trazado la pendiente longitudinal característica es mayor a un 0,2% (Diaz - Granados, Morfología de causes, 2015).
La capacidad de transporte de sedimentos de un río de montaña está relacionada proporcionalmente con la magnitud del caudal líquido del cauce, así como la disponibilidad de material para transportar. Se ha observado que la carga de fondo es mayor a la carga de lecho (Diaz - Granados, Morfología de causes, 2015). A su vez, el inicio del movimiento de las partículas se ve dificultado por el tamaño del sedimento y la morfología del fondo, pues aumentan la resistencia al flujo (González, 2008).
Pese a que la consideración de flujo uniforme en la práctica solo puede presentarse en canales prismáticos, los ríos suelen exponer patrones de regularidad morfológica e hidráulica en tramos lo suficientemente hidráulicos como para asumir la suposición de flujo uniforme. Lo anterior permite generar aproximaciones acertadas del comportamiento natural del río (Chow, 2004). Por otro lado, la morfología de lecho genera condiciones de flujo turbulento que efectúa la labor de disipador de energía (González, 2008). A su vez, debido a la alta turbulencia en el fondo, la subcapa laminar viscosa es casi nula y la sección de la vertical del río está caracterizada por un flujo hidráulicamente rugoso (Diaz - Granados, Distribución de velocidad para flujo uniforme rugoso en canales abiertos con contornos rígidos, 2015).
2.2 TRANSPORTE DE SOLUTOS-MODELO DE ZONA MUERTA AGREGADA ADZ
Los procesos de transporte de solutos abarcan un componente fundamental en el estudio de la calidad del agua. Cuando un contaminante es vertido en el río, éste se va dispersando y transportando en dirección del flujo debido a dos fenómenos que rigen el transporte de solutos en los fluidos, la advección y la difusión (Camacho, 2014). El primer mecanismo consiste en la translación del contaminante en dirección del flujo, mientras que el segundo consiste en la dispersión fortuita de las moléculas debido a una diferencia de concentraciones en el medio.
A lo largo de la historia, se han planteado modelos que pretenden representar de manera correcta los procesos de transporte de solutos. La importancia del desarrollo de un modelo apropiado es vital para la creación de herramientas con capacidad predictiva de fenómenos futuros (Camacho, 2014). Existen modelos distribuidos y agregados alternativos que han tratado de explicar los fenómenos de transporte en ríos. En el presente informe se hará énfasis en el modelo de zona muerta agregada o modelo ADZ.
El modelo de Zona Muerta Agregada representa adecuadamente los efectos dispersivos de las zonas muertas de un río o las zonas de almacenamiento temporal (Lees, Camacho, & Whitehead, 1998). En consecuencia, todos los procesos dispersivos que se puedan presentar son unificados en un único parámetro, el tiempo de residencia, el cual representa el tiempo de estancia del contaminante en una zona muerta agregada (Lees, Camacho, & Whitehead, 1998). En este sentido, el modelo asume que los mayores efectos dispersivos que un río pueda contemplar son generados por las zonas muertas y no por el término de la difusión de Fick, término que contempla la advección y difusión del modelo ADE (Advection Dispersion Equation) (Lees, Camacho, & Whitehead, 1998). En este modelo, un tramo de río es considerado como un sistema de mezcla imperfecta en el cual se presenta el mecanismo de advección pura y, posteriormente, dispersión en una zona activa agregada.
Ilustración 1. Modelo de Zona Muerta Agregada ADZ, tomado de (González Pinzón R. A., 2008)
A partir de lo anterior, la ecuación diferencial que describe el modelo estaría representada de la siguiente forma:
𝑉𝑑𝑋𝑑𝑡(𝑡) =𝑄 ∗ 𝑈(𝑡)− 𝑄 ∗ 𝑋(𝑡)− 𝑘 ∗ 𝑉 ∗ 𝑋(𝑡)
( 1)
En donde 𝑼(𝒕) es la concentración inicial de la calidad de agua determinada, Q es el caudal, k es el decaimiento o coeficiente de sedimentación y V es el volumen activo de mezcla (Lees, Camacho, & Whitehead, 1998). Por ende, la fracción dispersiva estaría dada por la siguiente expresión:
𝐷𝐹= 𝑉𝑆 ( 2)
En donde S es el volumen total del tramo, el cual puede ser calculado haciendo uso del tiempo de viaje (𝑡̅) y el caudal de la siguiente forma:
En este sentido, la fracción dispersiva es el parámetro del modelo ADZ que puede ser interpretado como la medida de la fracción del volumen responsable de la dispersión en el cauce. Adicionalmente, el volumen de almacenamiento puede ser representado por la siguiente expresión:
𝑉= 𝑇𝑟∗ 𝑄 ( 4)
En donde 𝑻𝒓 es el tiempo de retardo del soluto en la zona muerta agregada y Q el caudal. Por consiguiente, la ecuación del factor dispersivo estaría representada por la siguiente expresión:
𝐷𝐹 = 𝑇𝑡̅𝑟 ( 5)
A partir de lo anterior, se puede evidenciar que la fracción dispersiva puede ser interpretada a su vez como el tiempo en el cual el trazador tarda en ser dispersado a través de la corriente.
Por otro lado, así como se mencionó inicialmente, el modelo ADZ, además de contemplar el fenómeno de dispersión, también contempla el fenómeno de advección. Por esta razón, Beer y Young propusieron incorporar al modelo un tiempo advectivo (𝜏) para modelar el fenómeno de advección desde aguas arriba hacia aguas abajo (Lees, Camacho, & Whitehead, 1998). Entonces, introduciendo este parámetro el modelo ADZ estaría dado por la siguiente expresión:
𝑑𝑋(𝑡)
𝑑𝑡 =
1
𝑇𝑟[𝑈(𝑡 − 𝜏)− 𝑋(𝑡)]− 𝑘 ∗ 𝑋(𝑡) ( 6)
En donde 𝝉 es el tiempo que toma la masa de agua en ser movida de acuerdo al flujo. Sin embargo, hasta esa instancia el modelo aún no está completo. Lo anterior, debido a que considerando un escenario en donde haya una situación no conservativa, será necesario incluir el decaimiento de masa del soluto que ocurre durante el tiempo asociado al proceso
de advección (Lees, Camacho, & Whitehead, 1998). En este sentido la ecuación diferencial que contempla el proceso de dispersión, advección y decaimiento de un contaminante en un río estaría representada por la siguiente expresión:
𝑑𝑋(𝑡)
𝑑𝑡 =
1
𝑇𝑟[𝑒
−𝑘𝜏∗ 𝑈(𝑡 − 𝜏)− 𝑋(𝑡)]− 𝑘 ∗ 𝑋(𝑡) ( 7)
Por ende, se puede evidenciar que el modelo ADZ incluye explícitamente el factor de advección y que únicamente asume que una proporción del río está completamente mezclada. Por otro lado, es un modelo que ajusta correctamente los datos observados haciendo uso únicamente de dos parámetros: El tiempo de viaje y el tiempo de retraso advectivo (Camacho , 2014). De este modo, puede determinarse la fracción dispersiva como
𝐷𝐹 = 1−𝜏𝑡̅ ( 8)
A continuación se muestra una figura en donde se ve explícitamente el tiempo de viaje y el tiempo advectivo en el trazador:
Ilustración 2. Tiempo de Viaje y Tiempo Advectivo. Tomado de (Lees, Camacho, & Whitehead, 1998)
Por estas razones, el modelo ADZ fue el escogido para representar los fenómenos de transporte en el tramo analizado en el Río Teusacá.
2.3 DETERMINANTES DE CALIDAD DEL AGUA
Es importante caracterizar el agua en términos de su composición física, química y biológica con el fin de establecer el grado de contaminación, las posibles fuentes de ella y los tratamientos adecuados para cada escenario. A continuación, se definen los parámetros tenidos en cuenta en el siguiente estudio para analizar la calidad del agua del río Teusacá:
2.3.1 Características físicas
La importancia de la medición y/o cuantificación de las características físicas de un río radica en su capacidad de mostrar el potencial de uso del agua bajo estudio. A su vez, permite establecer las operaciones y procesos de tratamiento más efectivas. (Tchobanoglous, Burton, & Stensel, 2004). Características físicas tales como densidad, olor, densidad y turbidez no se encuentran comprendidas en el alcance de este proyecto.
2.3.1.1Sólidos
La característica física más importante de cuantificar es el contenido total de sólidos, compuesto por materia flotante, sedimentable, coloides y materia en solución. A continuación se describen los tres componentes principales a estudiar en este proyecto:
• Sólidos totales (ST): Es el material resultante tras la evaporación y secado de la muestra de agua a una temperatura oscilante entre 103 y 105°C
• Sólidos Suspendidos Totales (SST): Consiste en la porción de ST retenida en un filtro con un tamaño nominal de poro que oscila entre 0,45𝜇𝑚 y 2,0𝜇𝑚. La presencia en altas concentraciones de este tipo de sólidos puede causar problemas de deposición en el fondo del cauce, lo cual dificulta la transferencia de Oxigeno. A su vez, reduce la eficacia en procesos de tratamiento del agua debido a su poder de adsorción de contaminantes (Sáenz, 2014). Se ha estimado el promedio de sólidos disueltos totales para los ríos de todo el mundo oscila el valor de 120 𝑚𝑔/𝐿. Sin embargo, el valor propio de ríos de montaña es mucho menor debido a que el transporte de sólidos en suspensión suele ser reducido (González, 2008). Entre tanto, se encuentran concentraciones aproximadas de 220 𝑚𝑔/𝐿 en descargas domiciliarias domésticas (Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico del Agua, 2010).
• Sólidos Suspendidos Volátiles (SSV): Son los sólidos que pueden ser volatilizados e incinerados tras la combustión de los SST a una temperatura de 500 ± 50°𝐶 (Tchobanoglous, Burton, & Stensel, 2004). La concentración media de este determinante en aguas residuales domésticas oscila entre 80 y 275 𝑚𝑔/𝐿 (Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico del Agua, 2010).
Ilustración 3. Relaciones de los sólidos encontrados en cuerpos de agua, tomado de (Tchobanoglous, Burton, & Stensel, 2004)
2.3.1.2Temperatura
Es uno de los parámetros más importantes en el estudio de la calidad del agua puesto a que rige los procesos biológicos y la cinética de las reacciones químicas y biológicas, A su vez, afecta las condiciones de solubilidad del oxígeno y los procesos de descomposición de materia orgánica. La temperatura óptima para la actividad bacteriana se encuentra en un rango desde 25 hasta 35°C. Los procesos de digestión aerobia y nitrificación se detienen a
temperaturas superiores a 50°C, mientras que a temperaturas menores a 15°C las bacterias productoras de metano se vuelven inactivas (Tchobanoglous, Burton, & Stensel, 2004).
2.3.1.3Conductividad
La conductividad eléctrica del agua es una medida de la capacidad que posee una solución de conducir la corriente eléctrica, la cual es transportada por iones. Las soluciones de la mayor parte de los compuestos inorgánicos son buenas conductoras, mientras que las moléculas orgánicas al no ser solubles en el agua, conducen la corriente a muy baja escala (IDEAM, 2006). La conductividad es proporcional a la concentración de iones en el agua. Por ende, el valor medido de conductividad es usado también como un aproximado de la concentración de Sólidos Disueltos Totales TDS. Por ende, la conductividad es un parámetro importante para determinar si el agua es apta para riego (Tchobanoglous, Burton, & Stensel, 2004).
Se han encontrado los siguientes valores típicos de conductividad según la naturaleza del agua bajo estudio:
I. Ríos de montaña: de 64 a 296 𝜇/𝑐𝑚 (Isasmendi, Tracanna, Vendramini, Navarro, Barrionuevo, & Meoni, 2007)
II. Aguas residuales domiciliarias: de 700 a 1200 𝜇/𝑐𝑚 (Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico del Agua, 2010)
2.3.2 Características Químicas inorgánicas
Los parámetros químicos Inorgánicos incluyen nutrientes, constituyentes no metálicos, metales y gases. Las fuentes de constituyentes metálicos y no metálicos de un río provienen de vertimientos domésticos, infiltraciones de aguas subterráneas y de vertimientos industriales (Tchobanoglous, Burton, & Stensel, 2004).
2.3.2.1Constituyentes no metálicos
Los constituyentes pertenecientes a esta clase considerados en este estudio incluyen pH, nitrógeno, fósforo, alcalinidad y Oxígeno Disuelto. Parámetros como cloruros, azufre, y olores no se tuvieron en cuenta para este informe.
• pH: Se convierte en uno de los parámetros más importantes a cuantificar dado que la concentración de muchas especies químicas depende de la concentración del ión
Hidrógeno en solución. El pH es definido como el logaritmo negativo de la concentración del ión
𝑝𝐻=−log10[𝐻+]
( 9)
Se han establecido los siguientes valores típicos de conductividad:
I. Ríos de montaña: de 6,7 a 8,7 (Isasmendi, Tracanna, Vendramini, Navarro, Barrionuevo, & Meoni, 2007)
II. Descargas domiciliarias: de 6,5 a 8,5 (Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico del Agua, 2010)
• Alcalinidad: Indica la presencia de hidróxidos [𝑂𝐻+], carbonatos[𝐶𝑂3= ] y bicarbonatos [𝐻𝐶𝑂3−] de elementos como calcio y Magnesio, por lo general. Se define como la capacidad que posee el agua de neutralizar cambios de pH causados por adición de ácidos (Universidad de Puerto Rico, 2008). Por lo general, un agua contaminada con vertimientos municipales tiende a ser alcalina (Tchobanoglous, Burton, & Stensel, 2004). Se han encontrado valores de alcalinidad menores a
75 𝑚𝑔/𝐿𝐶𝑎𝐶𝑂3 para ríos (Recinto Universitario de Mayaguez), mientras que los
valores en aguas residuales domésticas oscilan entre 50 y 200 𝑚𝑔/𝐿𝐶𝑎𝐶𝑂3 (Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico del Agua, 2010).
• Nitrógeno: La importancia del Nitrógeno radica en su labor como elemento estructural de la síntesis de proteínas; es decir, como elemento esencial en el crecimiento de microorganismos, plantas y animales. Sus principales fuentes provienen de compuestos de origen vegetal y animal, Nitrato de Sodio y Nitrógeno atmosférico (Tchobanoglous, Burton, & Stensel, 2004).
La química del Nitrógeno es compleja puesto a que posee 7 estados de oxidación distintos y el orden de las reacciones depende de la naturaleza aerobia o anaerobia de las bacterias que consuman el elemento. Las formas más representativas de Nitrógeno y sobre las cuales se trabajará en este proyecto corresponden al Amonio 𝑁𝐻4+, Nitrato 𝑁𝑂3− y al Nitrógeno Total Kjeldahl NTK, el cual es la suma de
Nitrógeno Orgánico y especies amoniacales. Por tal razón, el Nitrógeno Orgánico es determinado analíticamente usando el método de NTK.
Las dos especies de Nitrógeno amoniacal (Amoniaco y Amonio) se encuentran en equilibrio en el agua según el pH de la solución. Así, es más predominante el Amoniaco bajo condiciones básicas, mientras que el Amonio se encuentra en condiciones de predominancia para estados básicos del fluido (Tchobanoglous, Burton, & Stensel, 2004). Entre tanto, el Nitrato suele ser la forma oxidada de Nitrógeno más encontrada en cuerpos de agua contaminados y ocasiona efectos fatales sobre la salud.
Se han encontrado los valores típicos de cargas contaminantes de vertimientos domiciliarios (Camacho, 2012):
• Nitrógeno total: de 10 a 85 𝑚𝑔/𝐿 N
• N orgánico: de 8 a 35 𝑚𝑔/𝐿 N
• N Amoniacal: de 12 a 50 𝑚𝑔/𝐿 N
• Nitratos: 0 𝑚𝑔/𝐿 N
Entre tanto, se han observado concentraciones de Nitratos entre 0,1 y 0,6 𝑚𝑔/𝐿 N y 0,8 𝑚𝑔/𝐿 N para Nitrógeno amoniacal (Isasmendi, Tracanna, Vendramini, Navarro, Barrionuevo, & Meoni, 2007)
Ilustración 4. Ciclo del Nitrógeno en ambientes acuáticos y terrestres, tomado de (Tchobanoglous, Burton, & Stensel, 2004)
• Fósforo: Las formas comunes de fósforo encontradas en soluciones acuosas consisten en ortofosfatos (𝑃𝑂4≡,𝐻𝑃𝑂4=,𝐻2𝑃𝑂4− y 𝐻3𝑃𝑂4 ), Polifosfatos y fósforo orgánico. A su vez, no existen especies de fósforo en estado gaseoso y, por ende, no existen fuentes atmosféricas. Entre tanto, el fósforo tiende a ser adsorbido por partículas finas, las cuales se sedimentan y atrapan el elemento en el fondo del lecho (Camacho, 2012). El fósforo orgánico es un constituyente poco común en descargas domiciliarias pero denota la presencia de descargas industriales y lodos. Por otro lado, la concentración de fosfatos en el medio acuoso permite evaluar los riesgos de eutrofización, debido a que suele ser el factor limitante para el crecimiento de algas y vegetales (Departamento de Desarrollo Rural, Medio Ambiente y Administración Local, 2012).
Entre tanto, se tienen los siguientes valores típicos de cargas contaminantes de vertimientos domiciliarios (Camacho, 2012):
• Fósforo Inorgánico: de 3 a 10 𝑚𝑔/𝐿𝑃
• Fósforo Orgánico: de 1 a 5 𝑚𝑔/𝐿𝑃
• Fósforo Total con detergentes: de 4 a 15 𝑚𝑔/𝐿 P
Entre tanto, se han observado concentraciones de ortofosfatos en ríos de montaña de alrededor de 0,2 𝑚𝑔/𝐿 P (Isasmendi, Tracanna, Vendramini, Navarro, Barrionuevo, & Meoni, 2007)
• Oxígeno Disuelto OD: El Oxígeno es ligeramente soluble en el agua, pese a ser esencial para la respiración de todas las formas aerobias de vida. Su concentración en el agua depende de la solubilidad del gas, la presión parcial del gas en la atmósfera, la temperatura y la concentración de impurezas en el agua tales como sólidos suspendidos o salinidad (Tchobanoglous, Burton, & Stensel, 2004). Existen diversos modelos que pretenden explicar la velocidad a la cual se transfiere el oxígeno presente en la atmósfera al agua superficial. Esta velocidad es comúnmente conocida como el coeficiente de reaireación (Velandia, 2005). Según estudios previos se ha encontrado que el modelo de Tsivoglou y Wallace, basado en la disipación de energía y dependiente tan solo de la diferencias de alturas, arroja las mejores predicciones del coeficiente de reaireación para ríos de montaña (Holguín & Camacho, 2003). A su vez, esta ecuación ha sido basada en la implementación de trazadores radioactivos en cinco ríos (Velandia, 2005).
𝐾𝑎 = 0.1573∗∆𝐻𝑡̅ ( 10)
Los valores de Oxígeno disuelto en ríos de montaña se encuentran cercanos a los límites de saturación debido a la alta reaireación generada por las características de estos tramos (Lees, Camacho, & Whitehead, 1998).
2.3.2.2Constituyentes metálicos
Metales como Cadmio Cd, Cromo Cr, Cobre Cu, Hierro Fe, Plomo Pb, Manganeso Mn, Mercurio Hg, Níquel Ni y Zinc Zn, son componentes importantes en los cuerpos de agua puesto a que muchos de estos son necesarios para el crecimiento de biomasa. Sin embargo,
la presencia en concentraciones excesivas de estos metales es tóxica y pone en riesgo la salud humana. Sus principales fuentes incluyen descargas de aguas residuales, infiltración del nivel freático y aguas industriales en el caso de metales pesados tales como el Mercurio, Plomo y Cadmio (Tchobanoglous, Burton, & Stensel, 2004).
2.3.3 Características Químicas Orgánicas
La materia orgánica de aguas residuales domésticas normalmente está constituida por proteínas (40 a 60%) carbohidratos (25 a 50%) y grasas y aceites (8 a 12%). A lo largo de los años, se han desarrollado metodologías para determinar el contenido de Materia Orgánica en cuerpos de agua.
2.3.3.1Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO)
El parámetro más usado para encontrar contaminación orgánica en un cuerpo de agua es la 𝐷𝐵𝑂5, el cual mide el Oxígeno utilizado por los microorganismos en procesos de oxidación
bioquímica de materia orgánica. Esta prueba es un procedimiento experimental y sus condiciones estándar incluyen una incubación a 20°C en oscuridad absoluta por un tiempo de 5 días, tiempo en el cual se mide la disminución de Oxígeno disuelto por el método Winkler.
Sin embargo, existen ciertas limitaciones e interferencias sobre el uso de esta metodología. En primera instancia, existen varios factores que afectan la prueba tales como la relación de la materia orgánica soluble y suspendida, sólidos sedimentables y flotantes, la presencia de hierro en su forma oxidada o reducida, así como la presencia de compuestos azufrados (Calderón, 2011). Por otro lado, la oxidación de las formas reducidas del Nitrógeno, tales como amoniaco Nitrógeno Orgánico, ejercen una demanda nitrogenácea que afecta la medición de demanda carbonácea de la prueba.
Entre tanto, la literatura propone los siguientes valores típicos según la naturaleza del agua analizada (Freire, 2012):
• Agua Potable: 0,75 a 1,5 𝑚𝑔𝑂/𝐿
• Agua poco contaminada: 5 a 50 𝑚𝑔𝑂/𝐿
• Agua negra domiciliaria: 100 a 400 𝑚𝑔𝑂/𝐿
2.3.4 Características Biológicas
El estudio de las características biológicas del agua es de suma importancia debido a la presencia de organismos patógenos de origen humano o animal causantes de enfermedades que ponen en riesgo la salud pública. A su vez, el rol fundamental que desempeñan los microorganismos en procesos de descomposición y estabilización de materia orgánica en los cuerpos de agua representa un factor importante para estudiar en cuanto a la calidad del agua. Dentro de los organismos encontrados comúnmente en el agua superficial se encuentran las bacterias, hongos, algas, protozoos y virus (Tchobanoglous, Burton, & Stensel, 2004).
Los organismos patógenos encontrados en los cuerpos de agua son excretados por seres humanos y animales. Por lo general, estos patógenos son clasificados en cuatro grupos principales: bacterias, protozoos, helmintos y virus. Por lo general, las bacterias patógenas de origen antrópico causan enfermedades que afectan el tracto gastrointestinal, tales como diarrea, disentería, fiebre tifoidea y cólera.
Las bacterias Escherichia coli, se concentran en grandes números dentro de la flora intestinal de los seres humanos. Sin embargo, son infecciosas en otras partes del cuerpo y pueden causar enfermedades serias en el tracto urinario, bacteriemia y meningitis (Torres, 2009).
Tabla 1. Concentraciones típicas de microorganismos encontradas en aguas residuales sin tratar y dosis de infección correspondiente, tomado de (Tchobanoglous, Burton, & Stensel, 2004)
Tabla 2. Organismos potencialmente presentes en agua residual sin tratar, tomado de (Tchobanoglous, Burton, & Stensel, 2004)
2.4 MODELO “STREAM WATER QUALITY MODEL” QUAL2Kw
El Qual2kw (Chapra & Pelletier, 2008) es un software de calidad de agua de estado estable en ríos basado en el modelo de transporte de Advección Dispersión (ADE) unidimensional (Medina, 2009). La simplificación de la dimensión se debe a que en la mayoría de los casos, la longitud del tramo a modelar es mucho mayor a las profundidades y anchos de sección. Lo anterior permite hacer una representación del sistema en una dimensión correspondiente a la dirección del flujo. Esta versión permite, a diferencia del modelo QUAL2K, simular sistemas hídricos de tipo dendrítico; es decir, donde la simulación se
extiende también a las corrientes tributarias. Sus características principales son (Corporación Autónoma Regional del Cauca, 2012):
• Segmentación del modelo. El modelo QUAL2Kw no posee limitaciones en la especificación del número y longitud de tramos que se pueden modelar, a diferencia de las versiones previas.
• Hidrodinámica: La simulación del flujo se realiza bajo condiciones hidráulicas estables. De este modo, se asume flujo permanente y cargas contaminantes uniformes a lo largo del tiempo.
• Modelación de sistemas hídricos dendríticos: Esta versión permite realizar simulaciones de calidad del agua tanto de la corriente principal como de sus tributarios. El modelo permite simular cuatro corrientes superficiales de manera independiente o integrada al ramal principal bajo estudio.
• Variación diurna de calor: El modelo realiza todas las simulaciones en escala de tiempo diurna. Esto puede considerarse también una limitación puesto a que las variables del modelo no son simuladas en horas de la noche y no se logra entender con exactitud la naturaleza de los fenómenos en ausencia de luz.
• Entradas de masa y calor al sistema: Se pueden hacer vertimientos o extracciones del balance tanto puntuales como difusas.
• Parámetros modelados: Esta versión permite la simulación de conductividad, SSI, OD, 𝐷𝐵𝑂𝑟á𝑝𝑖𝑑𝑎, 𝐷𝐵𝑂𝑙𝑒𝑛𝑡𝑎, Nitrógeno orgánico disuelto, Nitrógeno Amoniacal, nitratos, Fósforo orgánico disuelto, Fósforo inorgánico, fitoplancton, detritos, patógenos, alcalinidad, carbono orgánico total, algas de fondo, temperatura y condiciones hidráulicas.
• Especies de DBO carbonácea: La versión de QUAL2Kw permite modelar por separado la materia orgánica degradable lentamente 𝐷𝐵𝑂𝑠𝑙𝑜𝑤 y la materia orgánica degradable rápidamente 𝐷𝐵𝑂𝑓𝑎𝑠𝑡. A su vez, la materia orgánica particulada, conformada por partículas de carbón, nitrógeno y fósforo, son simuladas amanera de detritos
• Extinción de la luz: El modelo permite calcular la extinción de la luz al interior de la columna de agua como función de la concentración de algas, detritos y sólidos inorgánicos presentes.
• pH: Esta versión modela el pH del río con base en las simulaciones de alcalinidad y carbón inorgánico total
• Patógenos: Se puede hacer la simulación bien sea de coliformes totales o fecales. Su tasa de decaimiento está determinada en función de la temperatura, la luz y procesos de sedimentación.
• Condiciones anaeróbicas y Anoxia: Esta versión calcula endógenamente la degradación de la materia orgánica en la metanogénesis en condiciones anaerobias y modela la desnitrificación en la columna de agua y en sedimentos. El modelo realiza una corrección en la tasa de nitrificación en condiciones de OD muy bajas y modela la desnitrificación en la columna de agua y en los sedimentos como una reacción de primer orden que toma relevancia en condiciones de anoxia (Corporación Autónoma Regional del Cauca, 2012).
3. CAPITULO III: PROPUESTA METODOLÓGICA PARA LA CALIBRACIÓN DE UN MODELO DE CALIDAD DEL AGUA UTILIZANDO TRAZADORES EN TRAMOS LARGOS
3.1 MARCO DE MODELACIÓN
Para el desarrollo de la presente investigación se siguió el marco de modelación propuesto por Camacho y Diaz-Granados (2003). Lo anterior, con el objetivo de obtener un modelo predictivo capaz de calibrar los parámetros hidráulicos y de calidad del agua del tramo en estudio.
Por consiguiente, se procederá a explicar cómo cada uno de estos pasos dados en el marco de modelación fue implementado en la presente investigación para el desarrollo del proyecto.
1. Investigación Preliminar: La investigación preliminar fue realizada haciendo un estudio de cuáles son las corrientes que intervienen principalmente en la calidad del agua. Por consiguiente, realizando este estudio se evidencio que para el tramo dos existe una fuente puntual de carga contaminante. Esta fuente puntual es la descarga de Macadamia aguas arriba del punto 4, la cual provee al río un caudal mínimo con parámetros de calidad del agua típicos a los encontrados en un agua residual doméstica.
Adicionalmente, en esta etapa se consultaron los resultados obtenidos en las investigaciones de González (2008), Medina (2009), Torres (2009) y Velandia (2005).. Lo anterior, para realizar una comparación con la información alcanzada en esta investigación y plasmar conclusiones sobre las características de asimilación de carga contaminante que tenga el tramo bajo estudio.
2. Inspección en Campo: Para el desarrollo de este proyecto se ejecutó una inspección en campo para determinar las características del sistema físico que iba a ser modelado. De aquí se identificaron cuales iban a ser los puntos de medición requeridos a lo largo del tramo analizado. Los mismos puntos en donde se tomarían los datos para la posterior calibración del modelo. Adicionalmente, se identificaron afluentes y sitios principales del río que deberían ser monitoreados, este es el caso de la descarga de Macadamia.
Figura 1. Marco de Modelación propuesto por (Camacho & Diaz-Granados, 2003)
3. Implementación o selección del modelo apropiado de calidad del agua y verificación matemática: El modelo apropiado de calidad del agua y verificación matemática adoptado en esta investigación corresponde al modelo de zona muerta agregada ADZ de Beer y Young. Lo anterior, debido a que es un modelo parsimonioso que representa
adecuadamente los procesos de advección y dispersión longitudinal. De igual forma, es un modelo que ajusta correctamente los datos observados haciendo uso de únicamente dos parámetros sensibles e identificables: el tiempo de retraso advectivo y el tiempo de viaje (Camacho, 2014).
4. Investigación hidráulica preliminar y ensayos con trazadores: En esta investigación se realizaron trazadores de largo alcance para obtener información geométrica e hidráulica del tramo bajo estudio. De igual forma, el análisis de los trazadores se realizó adoptando los procedimientos usados actuales para analizar los trazadores en tramos cortos. Como resultado se obtuvieron los tiempos de viaje, al pico, de retraso advectivo y las fracciones dispersivas de cada tramo.
5. Programación de toma de muestras: Se realizaron dos campañas de toma de muestras para la calibración del modelo de calidad del agua. Cabe resaltar, que la toma de muestras se realizó con base en los tiempos de retraso advectivos obtenidos del ensayo de trazadores. Por ende, se siguió la misma masa de agua para realizar un estudio detallado y evidenciar las transformaciones que ocurran en la calidad de agua a lo largo del tramo analizado. 6. Campañas de mediciones y análisis de laboratorio: Las muestras de calidad obtenidas en campo se ajustaron a los estándares recomendados de toma, preservación y transporte de muestras. En este proyecto, se llevaron las muestras al laboratorio ambiental de la Universidad de los Andes.
7. Análisis de datos observados y determinación de conflictos uso – calidad: Se realizó un análisis de los datos observados para identificar las fuentes principales de contaminación. Lo anterior, para entender e identificar los procesos de transformación de calidad del agua dominantes a lo largo del cauce.
8. Calibración del modelo: Haciendo uso del programa Qual2kw se determinaron las tasas de decaimiento y reacción de los determinantes de calidad del agua.
Cabe resaltar que las últimas dos etapas del marco de modelación correspondientes a Verificación del modelo e implementación y análisis de simulaciones de calidad no están comprendidas dentro de los alcances del proyecto.
3.2 TRAZADORES EN TRAMOS LARGOS
En todo el tramo analizado del Río Teusacá se establecieron 5 puntos de medición. Estos puntos son 1. Aguas debajo de la Quebrada Simayá, 2. El Tambre, 3. Puente Intermedio, 4. Descarga de Macadamia y 5. La Cabaña. A continuación, se muestra una imagen satelital obtenida de Google Earth® en donde se tiene una mejor percepción de la ubicación espacial:
Ilustración 5. Ubicación Espacial Puntos de Medición, tomado de Google Earth©
Una vez definidos los puntos de medición, se explicará la metodología utilizada para realizar los trazadores en el tramo de aproximadamente 8 kilómetros del Río Teusacá. Cabe resaltar que el tramo analizado se dividió en dos campañas. Sin embargo, el procedimiento es el mismo para la ejecución del trazador aguas abajo de la Quebrada Simayá (Punto 1 que corresponde a primera campaña) y en el Puente Intermedio (Punto 3 que corresponde a la segunda campaña).
En primera instancia, se seleccionan dos sustancias potencialmente prácticas para su uso como trazador, Rodamina WT y sal de cocina. Se prepara una solución de 20 mililitros de rodamina, 3,75 kilos de sal y agua del río para formar el trazador en 4 baldes. Con el procedimiento anterior, se garantiza que el trazador cumpla ciertas características para que
permanezca efectivo durante todo el estudio. Dentro de estas características se buscó que el trazador fuera: soluble en el agua, detectable a bajas concentraciones por los instrumentos utilizados en campo y no nocivo para la salud o la ecología del lugar en bajas concentraciones (Camacho, 2014). Adicionalmente, que tuviera baja interferencia con la concentración base o de fondo y que fuera estable o conservativo (Camacho, 2014). Lo anterior, para que no sea un trazador que reaccione ni que sufra transformaciones durante su cohesión con el agua.
Una vez preparada la solución anterior, se procede a realizar la inyección instantánea. Este procedimiento consiste en arrojar el trazador a lo largo de la sección transversal del río e inyectarlo aguas arriba de resaltos hidráulicos. Lo anterior, para promover la mezcla completa del mismo (Camacho, 2014). Por la composición de la rodamina, el río se tiñe de color rojo a lo largo de la sección transversal.
Seguido a esto, con el trazador vertido en el río, se procede a esperar que pase la masa de agua del trazador en los dos puntos aguas abajo. En este caso, para la medición se utilizaron equipos HACH y PDA. Cada uno de estos media las concentraciones de trazador que estaban pasando por los sitios de medición en unidades de conductividad (𝜇𝑠/𝑐𝑚) para la sal y en unidades de 𝑝𝑝𝑏 para la fluorescencia de la rodamina WT. Paralelamente, se registraban en un formato los datos medidos cada 30 segundos.
Finalmente, se procede a obtener las curvas de calibración de los equipos de medición en el laboratorio. Lo anterior, para que los datos obtenidos en campo pudieran ser llevados a datos de concentración en unidades de miligramos por litro de trazador (𝑚𝑔/𝐿) y pudieran ser analizados en el programa Solute Transport Tool V.1.0.
Ilustración 6. Río Teñido de Rojo con Inyección del Trazador
3.3 ANÁLISIS DE TRAZADORES EN EL PROGRAMA SOLUTE
TRANSPORT TOOL V. 1.0
En primera instancia, fue necesario hacer un ordenamiento de los datos para poder ejecutarlos en el programa. De igual forma, debido a que la PDA registraba los datos cada 0.3 – 0.5 segundos, este equipo generó una gran cantidad de datos que no podían ser procesados por el programa STT (Solute Transport Tool V.1.0). Por consiguiente, fue necesario organizarlos haciendo uso de la herramienta de interpolación del software Matlab. En consecuencia, los datos quedaron ordenados por punto de medición cada 10 segundos e interpolados con los resultados del software.
Una vez ordenados todos los datos, se cargaron en el programa para hacer la calibración subjetiva ADZTool del Modelo ADZ. Lo anterior, debido a que este modelo incluye la zona muerta agregada y es el correcto para representar adecuadamente los fenómenos de
dispersión y advección longitudinal de los ríos de montaña (Camacho, 2006). Por ende, para ejecutar la calibración fue necesario cargar los datos, ingresar la masa inyectada de cloruro de sodio, el caudal medido haciendo uso de otra metodología (no es indispensable), el porcentaje de la concentración pico que se considera como concentración base del experimento (4% para términos de este informe) y las longitudes de los tramos (González & Camacho, 2008). Se efectuaron 3000 simulaciones y como resultado se obtuvieron los tiempos de retraso advectivo, tiempos medios, los factores dispersivos y el estado de ganancia estable.
Con la calibración subjetiva realizada, se procedió a ejecutar la calibración objetiva Monte Carlo ToolBox Analysis (MCAT Toolbox) del modelo ADZ. Primero, se cargaron los datos nuevamente para ejecutar la calibración. Segundo, se ingresaron los rangos que son estimados a partir de la calibración subjetiva realizada anteriormente. Estos rangos son valores en los que varían los parámetros en las simulaciones de Montecarlo. Tercero, se le indicó al programa que se iban a utilizar elementos en serie (González Pinzón & Camacho Botero, 2008). Finalmente, una vez realizado el análisis al comportamiento matemático del modelo ADZ se obtuvieron los siguientes resultados: tiempo de retraso advectivo, tiempo al pico, tiempo medio, concentración pico, número de elementos en serie, factor dispersivo y un R cuadrado que indica el grado de ajuste la calibración a la curva generada a partir de los datos.
Finalmente, se realizó la calibración objetiva del modelo ADZ por medio del algoritmo de búsqueda global Shuffled Complex Evolution (SCE – UA). Para esto, fue necesario ingresar los datos del experimento con trazadores nuevamente y los parámetros que controlan el algoritmo de búsqueda global. Adicionalmente, se indicó al software el rango de variación de las simulaciones y, a partir de las calibraciones anteriores, se propusieron unos valores iniciales de búsqueda (González Pinzón & Camacho Botero, 2008). Con 3000 simulaciones, como resultado se obtuvieron los mismos parámetros anteriormente mencionados
3.4 AFOROS EN LOS PUNTOS DE MEDICIÓN
El procedimiento mostrado a continuación fue realizado para cada uno de los puntos de medición en donde se tomaron los datos para el análisis de trazadores. De igual forma, cabe resaltar que los anteriores se realizaron independientemente a los experimentos con trazadores.
En primera instancia, fueron considerados ciertos criterios para seleccionar el sitio en donde se realizaría el aforo. Por ende, se tuvieron en cuenta los siguientes factores: Primero, que fuera un sitio de fácil acceso para realizar la medición y segundo, que fuera un sitio en donde se evitaran las zonas muertas o las zonas de estancamiento de flujo. Adicionalmente, se escogió una sección ubicada en la parte recta del cauce a una distancia prudente de los meandros aguas arriba y aguas abajo. Lo anterior, para evitar la alteración a las líneas de corriente de flujo (Díaz-Granados & Pérez, 2014).
En la imagen mostrada a continuación se muestra explícitamente cómo se seleccionó el sitio para realizar el aforo:
Ilustración 7. Selección de Aforo. Tomado de (Díaz-Granados & Pérez, 2014)
Entre tanto, se realizaron los aforos mediante el uso de correntómetros, también conocidos como molinetes. La razón por la cual se seleccionó esta herramienta radica en la sencillez y confiabilidad que presenta su principio de funcionamiento. A su vez, permite establecer relaciones directas entre el parámetro de velocidad del agua con la medición de la velocidad angular que mide la hélice del dispositivo, el cual cuenta con un sensor de alta precisión
que cuenta el número de rotaciones dadas en un intervalo de tiempo (Camacho, 2014). Para reducir la incertidumbre entre mediciones, se utilizó el mismo equipo y la misma hélice en todos los puntos de medición. A su vez, una sola persona se encargó de realizar las mediciones para reducir la probabilidad de cometer cualquier error sistemático.
La metodología de medición de aforos se realizó con base en las recomendaciones planteadas por Díaz Granados y Murillo en la guía de aforo de caudales líquidos (Díaz-Granados & Pérez, 2014):
1. Selección de un sitio de medición adecuado y delimitación de la sección de aforo con una soga.
2. Determinación del número de verticales para medir la velocidad. Para el caso de este estudio, se utilizaron secciones de 0.5m entre cada vertical.
3. Determinación de la profundidad total del cauce en cada línea de aforo. La vara de vadeo usada posee líneas de guía cada 5cm para ayudar en la medición.
4. Medición de las velocidades en cada vertical usando el molinete. Si la profundidad medida en la vertical es menor a 5cm se realiza una sola medición de velocidad al 60% de la profundidad total; de lo contrario, se realiza al 20% y al 80%.
Posteriormente, se procede a calcular el caudal mediante el método de Velocidad-Área. Teniendo un “n” número de verticales escogidas, resultan “n+1” sub-áreas, las cuales pueden aproximarse a una forma geométrica rectangular (Camacho Botero, Mediciones hidráulicas en ríos, 2014). Así pues, se halla el caudal de cada sub-sección, el cual parte de la definición básica de
𝑸= 𝒗� ∗ 𝑨=𝒗� ∗ 𝒃 ∗ 𝒉 ( 11)
Siendo
𝒗
� = velocidad media de la sección transversal
𝒃= ancho de la sección
𝒉= profundidad de la sección
La velocidad media de la sección transversal en aquellas verticales donde se hayan medido velocidades en dos puntos de la vertical; es decir, al 20% y al 80% de la profundidad,
corresponde al promedio de las dos mediciones realizadas (Camacho Botero, Mediciones hidráulicas en ríos, 2014).
3.5 TOMA DE MUESTRAS EN CAMPO
Para la realización de los muestreos de calidad del agua se estipularon dos campañas consecuentes a los dos tramos analizados en la caracterización hidráulica del río. Lo anterior, con el fin de asegurar un muestreo que analizara la misma masa de agua. De este modo, se tomó un total de siete grupos de muestras distribuidos de la siguiente manera:
• Muestreo aguas debajo de la quebrada Simayá, en El Tambre y en el Puente Intermedio, correspondiente a la primera masa de agua a analizar.
• Segundo muestreo en el Puente Intermedio, aguas arriba de la descarga de Macadamia, en la descarga de Macadamia y en La Cabaña. Estos puntos corresponden a una segunda masa de agua a analizar y al vertimiento puntual que se da en este tramo bajo estudio.
Existen algunos constituyentes medibles en campo, tales como el pH, Conductividad, Oxígeno Disuelto OD y la temperatura del agua. Estos determinantes son medidos en una muestra de agua extraída del centro de la sección transversal. A su vez, con esta vertical de agua también son llenados los recipientes correspondientes a coliformes (Gómez, 2014). Para el desarrollo completo del modelo de calidad del agua, es necesario hacer un registro de indicadores meteorológicos tales como la temperatura ambiente, humedad relativa, temperatura del punto de rocío, velocidad media del viento y cobertura de nubes. Estos parámetros también fueron tomados en campo.
Las muestras de los demás determinantes fueron tomadas mediante el método de muestras integradas (Gómez Rojas, 2014). Posteriormente, las muestras fueron analizadas en el Laboratorio de Ingeniería Civil y Ambiental de la Universidad de los Andes. Se recolectaron muestras de agua en tres verticales (distribuidas en la sección transversal del río) por medio de baldes, tomando el agua desde el fondo hacia arriba en cada una de éstas.
