I CONGRESO INTERNACIONAL DEL AGUA Y EL AMBIENTE METODOLOGA PARA LA CARACTERIZACIN DE LA CAPACIDAD DE AUTOPURIFICACIN DE ROS DE MONTAA* Luis A. Camacho1, Erasmo A. Rodrguez1, Reinaldo Gelvez2, Ricardo Gonzlez3, Martha Medina3, Jairo Torres3

RESUMEN En Colombia el 95% de las aguas residuales domsticas e industriales se vierten a los ros sin ningn tipo de tratamiento. Cerca del 65% de estos vertimientos se realizan en ros o quebradas de montaa. A pesar de la alta capacidad de autopurificacin, los ros colombianos se encuentran en muchos casos contaminados en largos trayectos debido a la alta carga orgnica, de patgenos y de nutrientes que reciben. Debido a la limitacin de recursos disponibles para inversin en saneamiento de ros y corrientes y/o tratamiento de aguas residuales en Colombia, es necesario priorizar dichas inversiones. Debe establecerse primero por qu es necesario tratar, y a qu nivel, teniendo en cuenta una visin integral de cuenca, la cantidad y calidad del agua residual producida, los usos del agua y la capacidad de asimilacin de la fuente receptora. En este trabajo se presenta una metodologa general til para caracterizar hidrulicamente y evaluar correctamente la capacidad de asimilacin de carga contaminante de los ros y corrientes tpicos de montaa. Se realiza la caracterizacin hidrulica, la estimacin de los parmetros de transporte, y la tasa de reaireacin mediante experimentos con trazadores conservativos y voltiles. Se estiman a su vez la tasa de nitrificacin, degradacin de patgenos y sedimentacin de slidos suspendidos a partir de mediciones de campo y anlisis de laboratorio siguiendo una metodologa apropiada. Las constantes estimadas se utilizan en un modelo de calidad del agua que permite calcular la capacidad de autopurificacin y la carga contaminante mxima permisible que puede ser vertida en la corriente. PALABRAS CLAVES Ros de montaa, calidad del agua, autopurificacin, capacidad de asimilacin, cargas contaminantes

ABSTRACT In Colombia nearly 95% of the domestic and industrial wastwater produced is discharged without treatment to rivers and streams. About 65% of these point discharges are made to mountain rivers. Altough the cleansing capacity of these streams is high, Colombian mountain river systems are much polluted due to the high pathogens, organic matter and nutrient loads disposed. Due to the low investmentTrabajo Financiado por la Vicerrectora de Investigacin de la Universidad Nacional de Colombia http://www.ing.unal.edu.co/gireh/docs/prios.htm 1 Profesores Asociados, Depto. Ingeniera Civil y Agrcola, Grupo GIREH, Universidad Nacional de Colombia Bogot, lacamachob@unal.edu.co , earodriguezs@unal.edu.co 2 Estudiante de Maestra en Ingeniera Ambiental, Depto. Ing. Civil y Agrcola, Universidad Nacional de Colombia 3 Estudiantes de Maestra en Ingeniera de Recursos Hidrulicos , Depto. Ing. Civil y Agrcola, Universidad Nacional de Colombia*

capacity in wastewater treatment facilities of the country, investment priorization is necessary. It is important to determine in each case, why treatment is necessary and what level of treatment should be attained within an integral framework, considering the catchment, the various water users, the quantification and characterization of wasterwater discharges, and the contaminated load assimilation capacity of the receiving waters. In this work a general methodology is presented for the hydraulic characterization and correct evaluation of the contaminated load assimilation capacity of mountain rivers. The hydraulic characterization and the estimation of solute transport parameters and reaeration coefficients are made using data of conservative and volatile tracer experiments. In turn, first order nitrification, bacterial loss, organic degration and suspended solids sedimentation rates are estimated using data of water quality campaigns performed in the studied streams following a detailed methodology. A calibrated water quality model is then used to calculate the self-cleansing capacity of the stream and the maximum contaminated load of each determinand that can be discharged without affecting public health and downstream water uses. KEY WORDS Mountain rivers, water quality, selfcleansing capacity, contaminated load assimilation capacity

INTRODUCCION En Colombia el 95% de las aguas residuales domsticas e industriales se vierten a los ros sin ningn tipo de tratamiento. Cerca del 65% de estos vertimientos se realizan en ros o quebradas de montaa. A pesar de la alta capacidad de autopurificacin, los ros colombianos se encuentran en muchos casos contaminados en largos trayectos debido a la alta carga orgnica, de patgenos y de nutrientes que reciben. La mayora de estos ros, que por su belleza podran recibir la categora de ros de calidad de agua apta para la recreacin y la preservacin ecolgica, no cumplen muchas veces, ni siquiera, con la calidad del agua apta para riego con restricciones. Debido a la limitacin de recursos disponibles para inversin en saneamiento de ros y corrientes y/o tratamiento de aguas residuales en Colombia es necesario priorizar dichas inversiones. De acuerdo con las malas experiencias registradas en el saneamiento del Ro Bogot y el Ro Cauca ha quedado claro que tratar por tratar el agua residual es un concepto que no es sostenible. Debe establecerse primero por qu es necesario tratar, y a qu nivel, teniendo en cuenta una visin integral de cuenca, la cantidad y calidad del agua residual producida, la capacidad de asimilacin de la fuente receptora, y los usos del agua aguas abajo siguiendo metodologas apropiadas. Con esta informacin se debe proceder a priorizar las inversiones para lograr la mayor eficiencia, o en ltimas, lograr el mayor impacto en la reduccin de la contaminacin por peso invertido. Solo entonces tendr sentido preocuparse por la seleccin de los sistemas de tratamiento y disposicin ptimos y el/los sitio/s de tratamiento, para finalmente disear y construir dichos sistemas. En Colombia hace falta investigacin bsica que permita proponer metodologas para caracterizar hidrulicamente y evaluar correctamente la capacidad de autopurificacin o asimilacin de carga contaminante de los ros y corrientes tpicos de montaa. As mismo, hacen falta estudios bsicos de clasificacin de corrientes por calidad del agua y usos del recurso, temas fundamentales para priorizar correctamente las inversiones en saneamiento hdrico. En general, los ros de montaa tienen una alta capacidad de reaireacin por la turbulencia que se genera en los rpidos y cadas, y por lo tanto el nivel de oxgeno disuelto se mantiene alto favoreciendo la degradacin aerobia de la materia orgnica, y la nitrificacin de las diferentes especies de nitrgeno. Adicionalmente, por la baja profundidad de la corriente, la luz solar penetra la columna de agua facilitando la mortalidad de sustancias patgenas. A su vez, en las piscinas y zonas muertas o de almacenamiento de los ros de montaa, bajo condiciones de caudal bajo, la materia orgnica particulada y los slidos suspendidos se sedimentan y pueden quedar temporalmente atrapados, aumentando la capacidad efectiva de autopurificacin (Chapra y Runkel, 1998). A pesar de las hiptesis anteriores, intuitivamente correctas, surgen las preguntas de investigacin de cmo se cuantifica la capacidad de autopurificacin del ro de montaa?, cmo se cuantifica la capacidad de asimilacin de la carga contaminante?, y/o cmo se calcula la carga contaminante mxima permisible que se puede verter a una corriente de montaa, sin afectar los usos del agua ni la salud pblica aguas abajo del punto de vertimiento? En este trabajo se presenta la metodologa que se ha propuesto en un intento por resolver las preguntas anteriores en el proyecto de investigacin Metodologas de caracterizacin hidrolgica, hidrulica y de autopurificacin de ros de montaa colombianos, financiado por la Universidad Nacional de Colombia (2006). En el artculo se incluyen resultados preliminares obtenidos en los ros Guavio, Leja, Bogot y

Trcoles y en el ro Teusac en el tramo de montaa desde el municipio de la Calera hasta la estacin de la Cabaa (8 km). METODOLOGA PROPUESTA La metodologa propuesta para caracterizar la capacidad de asimilacin de carga contaminante de un ro de montaa comprende la realizacin de las siguientes actividades secuenciales: 1.2. 3.4.5.Investigacin preliminar y levantamiento de informacin Caracterizacin hidrulica mediante ensayos con trazadores Estimacin preliminar de la tasa de reaireacin Estimacin preliminar de las tasas de degradacin de materia orgnica y nitrificacin Estimacin preliminar de la tasa de mortalidad de patgenos y la velocidad de sedimentacin de slidos suspendidos y materia orgnica particulada Implementacin y calibracin de un modelo de calidad de agua predictivo Validacin del modelo de calidad de agua predictivo Evaluacin de la capacidad de autopurificacin y asimilacin de la carga contaminante.

6.7.8.-

A continuacin se explican y justifican las diferentes actividades que se consideran necesarias.

Investigacin preliminar y levantamiento de informacin El primer paso sugerido en el estudio es recopilar la informacin correspondiente a usos actuales y prospectivos del agua de dicha corriente de montaa y de las caractersticas y cantidad de carga contaminante que recibe a lo largo de su recorrido. Adicionalmente, es til recopilar la informacin histrica hidrolgica en estaciones hidromtricas y de calidad del agua disponible en diferentes secciones transversales. La informacin permite establecer, de acuerdo con los usos actuales y prospectivos del agua, y las normas vigentes del pas, los estndares de calidad del agua que deben alcanzarse en diferentes sectores de la corriente. Los estndares de calidad del agua as definidos permitirn identificar conflictos uso-calidad en etapas posteriores de la metodologa. El conocimiento de las caractersticas del agua residual que se vierte y de la informacin histrica de calidad del agua observada en la fuente receptora permite identificar los principales impactos que se generan en la corriente y los determinantes de calidad del agua sobre los cuales se deber centrar la estimacin de la capacidad de autopurificacin o de asimilacin de carga contaminante. Se sugiere que el modelador participe en una inspeccin detallada inicial de campo con el fin de conocer las caractersticas del ro de montaa. La inspeccin de campo permitir identificar al modelador sitios de medicin requeridos a lo largo de la corriente donde se tomarn datos para la calibracin del modelo de calidad del agua, afluentes y sitios principales de descarga al ro que debern ser monitoreados para calcular cargas contaminantes de entrada al ro y afluentes y sitios secundarios que dejarn de monitorearse, bien por su pequeo tamao, o bien por recursos econmicos limitados

versus los altos costos de un programa de medicin. Esta ltima informacin dar una indicacin al modelador de la incertidumbre asociada con las fuentes y cargas de contaminacin. Para reducir la incertidumbre en los datos de entrada al modelo se recomienda la medicin de la carga contaminante de cada afluente o vertimiento en el sitio ms cercano posible a la corriente receptora. En la inspeccin de campo el modelador confirmar el nivel de complejidad requerido del modelo y observar los procesos que deber representar adecuadamente en el modelo tales como nivel de turbulencia y reaireacin, nivel de poblacin y tipo de plantas acuticas que afectarn la calidad del agua, piscinas del ro sujetas a procesos de sedimentacin por baja velocidad, estructuras hidrulicas que afectarn la calidad del agua o las condiciones del flujo, sectores de mayor aporte distribuido potencial por escorrenta superficial, zonas de interaccin de la zona riparia y zonas hiporreicas de intercambio de nutrientes, entre otros. En la inspeccin de campo es til recorrer el tramo a ser modelado por la orilla o al menos visitar los sitios de localizacin de estructuras hidrulicas, afluentes y vertimientos principales, localizar puntos principales con GPS y realizar registros fotogrficos, y medir parmetros de campo como temperatura, pH, oxgeno disuelto y conductividad, este ltimo como medida del contenido de slidos disueltos. En un reconocimiento posterior de aguas arriba hacia aguas abajo debe levantarse informacin altimtrica de los sitios de inters identificados en la visita de campo. Esto puede realizarse mediante un altmetro de precisin. Adicionalmente debe revisarse la cartografa disponible del ro bajo estudio, y en caso de considerarse necesario, recopilar las fotografas areas disponibles. Esto con el fin de definir el alineamiento en planta, identificar los sitios de inters establecidos en la fase de reconocimiento, y abscisar la corriente. Finalmente se considera necesario realizar una caracterizacin hidrulica preliminar del ro de montaa para un caudal representativo levantando la siguiente informacin durante el reconocimiento posterior:

Secuencia longitudinal aproximada de piscinas, rpidos, cadas o cascadas y meandros. Caracterizacin aproximada de piscinas: longitud, profundidad, y ancho representativo, porcentaje de cobertura de sedimentos finos en el fondo, porcentaje de cobertura de plantas macrfitas y algas, identificacin de posibles sitios de zonas hiporreicas y zonas riparias de interaccin de nutrientes. Caracterizacin aproximada de rpidos: longitud, profundidad, y ancho representativo, tipos de control de entrada y salida y regmenes de flujo, as como anotar las caractersticas principales de las macrorugosidades del lecho sumergidas y no sumergidas. Caracterizacin aproximada de cadas y cascadas: altura de la cada, profundidad de la piscina receptora, tipo de control aguas arriba.

Caracterizacin hidrulica mediante aforos y ensayos con trazadores Es necesario recopilar o levantar informacin geomtrica e hidrulica de secciones transversales representativas. Frecuentemente en pases en desarrollo, a pesar de ser sta informacin bsica, no existen curvas de calibracin nivel-caudal con una precisin aceptable para suficientes secciones transversales a lo largo de la corriente modelada. En estas condiciones es difcil incluso calibrar un modelo hidrulico. Se recomienda la realizacin de aforos de caudal para diferentes condiciones hidrolgicas en secciones transversales representativas, de medicin, o de inters y fcil acceso

que se hayan definido en la inspeccin de campo, con el fin de producir curvas de calibracin nivel-caudal, velocidad-caudal y ancho-caudal. No obstante, se reconoce que la caracterizacin hidrulica detallada de las corrientes de montaa es muy complicada. Por lo tanto, para el propsito de calibrar adecuadamente modelos de transporte y disear correctamente campaas de medicin de la calidad del agua, se recomienda realizar la investigacin hidrulica mediante ensayos con trazadores. Los experimentos con trazadores son una herramienta fundamental para la calibracin de parmetros hidrulicos y de modelos de transporte (Young y Wallis, 1993, Lees et al., 1998; Lees et al., 2000). Los experimentos permiten determinar el tiempo de primer arribo, el tiempo promedio de viaje, y el tiempo de pasaje de un trazador conservativo en un tramo de estudio. A partir de stos datos es posible estimar los parmetros de transporte del modelo de zona muerta agregada, i.e Agregated Dead Zone model (ADZ, Beer y Young, 1983; Young y Wallis, 1993) y generar un modelo til de tiempos de viaje (Camacho y Lees, 2000). Tambin es posible estimar el coeficiente de dispersin longitudinal de la ecuacin de adveccin dispersin (Fischer, 1973; Chapra, 1997) y los parmetros del modelo de almacenamiento temporal (Transient storage, TS, Bencala y Walters, 1983). Adicionalmente a los parmetros de modelos de transporte, es posible acoplando un modelo hidrolgico, estimar parmetros hidrulicos como el coeficiente de friccin de Manning (Lees y Camacho, 2000). En Colombia se han realizado satisfactoriamente caracterizaciones hidrulicas mediante ensayos de trazadores en varias corrientes de montaa (ver Torres, 2001; Lpez, 2001, 2003; Caon, 2004, 2005, Prraga, 2004; Botero, 2005; Cantor, 2006, Huertas, 2007; Ramrez, 2007). Los trabajos y alcances se han resumido en las publicaciones de Camacho (2006), Camacho y Cantor (2006) y Camacho et al., (2007). Particularmente se ha encontrado que el modelo ADZ con dos parmetros es un modelo parsimonioso aplicable a ros de montaa, caracterizados por dos parmetros que tienen sentido fsico, que pueden estimarse a partir de ensayos con trazadores bajo diferentes caudales, y relacionarse con parmetros hidrulicos sencillos de la corriente de montaa. Los parmetros, tiempo de primer arribo de la masa de agua, y tiempo promedio de viaje o de retencin hidrulica, son fundamentales para la correcta modelacin de la calidad del agua y estimacin de la capacidad de asimilacin. El comportamiento y las metodologas de estimacin de estos parmetros en ros de montaa a partir de ensayos con trazadores, informacin de aforos e informacin topogrfica, estn siendo investigados en el proyecto de investigacin por Gonzlez (2007).

Estimacin preliminar de la tasa de reaireacin en ros de montaa La tasa de reaireacin es un parmetro importante de los modelos de calidad del agua utilizados para determinar la capacidad de asimilacin de carga contaminante de los ros de montaa. En este trabajo se sugiere realizar una estimacin preliminar de la tasa de reaireacin del ro de montaa bajo estudio mediante mediciones directas utilizando experimentos con trazadores, o mediciones directas del perfil de oxgeno disuelto en ros contaminados, o en su defecto, mediante ecuaciones empricas apropiadas para ros de montaa.

De los mtodos disponibles basados en mediciones directas para estimar la tasa de reaireacin en ros de montaa se recomiendan los experimentos con trazadores disueltos voltiles. Estos trazadores sufren la volatilizacin, siendo reemplazados en la columna de agua a la misma tasa por oxgeno atmosfrico mediante absorcin, permitiendo la medicin directa en campo de la tasa de reaireacin de oxgeno. La tcnica bsica para determinar la tasa de reaireacin por medio de trazadores voltiles fue desarrollada por Tsivoglou y Wallace (1972) y las diferentes metodologas de aplicacin se describen claramente por Kilpatrick y Cobb (1995). La metodologa ms estudiada por su menor costo y buena precisin en la estimacin del coeficiente de intercambio de gases es la basada en el mtodo de la concentracin pico, la cual ha sido aplicada satisfactoriamente por Chapra y Wilcock (2000), y en Colombia por Holgun y Camacho (2003) en el ro Guavio del municipio de Arbelez. En la metodologa se inyectan simultneamente Hexafluoruro de Azufre (SF6) como trazador voltil y rodamina WT o cloruro de sodio como trazador conservativo, siguiendo las recomendaciones de presaturacin planteadas por Hibbs et al., (1998), y se estima la tasa de reaireacin mediante el mtodo de la concentracin pico. En este mtodo el coeficiente de intercambio del gas se determina por el cambio en la relacin entre la concentracin pico del trazador conservativo y la concentracin pico del gas, en dos sitios de medicin aguas arriba (sitio1) y aguas abajo (sitio2), aplicando la ecuacin dada por, Cg C 1 c ln Kg = t p Cg C c 1 J 2

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donde, Kg es la tasa de volatilizacin del trazador gaseoso; tp es el tiempo de viaje de la concentracin pico del trazador conservativo desde el sitio 1 aguas arriba hasta el sitio 2 aguas abajo; Cg es la concentracin pico del trazador voltil observada en el sitio i; Cc es la concentracin pico del trazador conservativo observada en el sitio i; y J es la relacin de recuperacin del trazador conservativo, o Estado de Ganancia Estable (SSG) representado por,J= A1 Q1 A2 Q2c c

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donde Q es el caudal del ro aguas arriba y abajo; Ac es el rea de la curva tiempoconcentracin del trazador conservativo aguas arriba y abajo. Despus de calcular Kg, se procede a calcular la tasa de reaireacin (Ka) mediante el uso de la ecuacin (Wanninkhof et al., 1990), DO Ka = 2 Kg D g0.5

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donde DO2 y Dg son las difusividades del oxgeno y del trazador gaseoso en el agua calculadas mediante la ecuacin de Wilke-Chang (Reid et al., 1987).

Holgun (2003) investig las ecuaciones empricas que mejor describan las mediciones directas mediante la tcnica del trazador voltil. Encontr que los modelos de disipacin de energa explican mejor la reaireacin en los ros turbulentos de montaa que los modelos de renovacin superficial. La ecuacin predictiva de las tasas de reaireacin que mejor se ajust a los datos observados, minimizando el error medio multiplicativo (Moog y Jirka, 1998), fue la de Tsivoglou y Neal (1976),K a = 0.1772 H

tc

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donde, H es el cambio en la elevacin entre las estaciones aguas arriba y aguas abajo del tramo en estudio (m); tc es el tiempo de viaje promedio del trazador conservativo entre los sitios 1 y 2, dado por la diferencia de valores de tiempo entre los centroides de las curvas del trazador (d); y Ka es la tasa de reaireacin (d-1). Los valores de las tasas de reaireacin hallados en el ro de montaa Guavio (Holgun y Camacho, 2003), mediante el mtodo de la Concentracin Pico, en los dos experimentos realizados fueron Ka =114 d-1 y Ka =108.65 d-1. La ecuacin de Tsivoglou y Neal Ec. (4), predijo un valor de Ka =114.64 d-1 y Ka =103.51 d-1 para los dos experimentos respectivamente. En esta investigacin se encontr que al aumentar el caudal, aumenta Ka. Resultados similares fueron reportados por Smoot (1988) (referenciado por Hibbs at al.,1998). Esto puede explicarse, porque en este tipo de ros de montaa, con apreciables interrupciones en la superficie del agua y pequeas cascadas, al aumentar el caudal aumenta la turbulencia y por ende la tasa de reaireacin. Por el contrario, en los ros de planicie es comn que la superficie del agua no presente interrupciones, y al aumentar el caudal, aumenta la profundidad, disminuyendo de esta forma la posibilidad de que el oxgeno ingrese en la totalidad de la lmina de agua. Realizando mediciones directas de la recuperacin del perfil de oxgeno disuelto de la Quebrada Leja, corriente tpica de montaa, que recibe los vertimientos de aguas residuales del municipio de Arbelaz, Arenas (2005) determin tasas de reaireacin del orden de 42 d-1. As mismo encontr que la ecuacin emprica que presenta el mejor ajuste en esta corriente, es la ecuacin originalmente desarrollada para estructuras de cada dada por (Kim, 2001),H r20 = 1 + 0.453Fr 0.453 h1.117 h 0.475

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donde, r20 es la relacin de dficit a 20C, h es la diferencia de altura de las cadas; Fr es el nmero de Froude del flujo que evidencia la importancia de las fuerzas gravitacionales en las zonas de cada; y H es la profundidad promedio de las piscinas receptoras. La relacin de dficit a su vez est dada por,r= (C s Cu ) (C s C d )

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es la donde Cs es la concentracin de oxgeno disuelto de saturacin, Cu concentracin de oxgeno disuelto aguas arriba; y Cd es el oxgeno disuelto aguas abajo de las cadas.

El desarrollo de una metodologa aplicada para determinar la tasa de reaireacin en ros de montaa reproducible a bajo costo es parte de la investigacin en curso en la Universidad Nacional de Colombia (Gelvez, 2007).

Estimacin preliminar de las tasas de degradacin de materia orgnica y nitrificacin Dos parmetros muy importantes en la estimacin de la capacidad de auto purificacin y el clculo de la carga contaminante que puede ser asimilada por un ro de montaa, son la tasa de degradacin de materia orgnica y la tasa de nitrificacin. Preliminarmente estas tasas pueden ser estimadas para ros de montaa mediante ecuaciones empricas o mediante determinacin directa a partir de perfiles longitudinales observados de materia orgnica y especies de nitrgeno en la corriente. La hiptesis es que en los ros de montaa las tasas de degradacin de materia orgnica y nitrificacin son altas, adems de la cantidad suficiente de oxgeno disuelto, debido a: el efecto acelerado de la hidrlisis de las molculas complejas y la materia orgnica particulada en condiciones de alta turbulencia; el efecto estimulante de las caractersticas hidrulicas de las piscinas y macro rugosidades donde se forman depsitos bnticos, y biopelculas que facilitan el desarrollo y crecimiento de bacterias nitrificantes (nitrosomonas y nitrobacter) y heterotrficas, las cuales degradan la materia orgnica; y los mayores tiempos de retencin hidrulica en las zonas de piscinas de almacenamiento temporal y de intercambio en la zona riparia e hiporreica. En el presente trabajo de investigacin se han estudiado y se continan estudiando en detalle estas hiptesis en el trabajo de Medina (2007). Caon (2005), estudiando el fenmeno de degradacin de materia orgnica en la Quebrada Leja de montaa (Municipio de Arbelez), y en un modelo fsico de laboratorio con representaciones de cascadas y piscinas, recomend el mtodo propuesto por Hydroscience (1971, citado por Salazar, 1996), para calcular la tasa de degradacin de materia orgnica carboncea. Caon (2005) encontr mayores tasas de degradacin de materia orgnica en condiciones de baja profundidad y caudal. Esto resalta la importancia del fenmeno de almacenamiento temporal y mayor tiempo de retencin hidrulica e intercambio con la zona riparia. Tambin encontr mayor degradacin en zonas de mayor pendiente longitudinal y velocidad, consistentes con una baja profundidad. La tasa de degradacin depende de la calidad del agua residual del vertimiento (Chapra, 1997). La DBO de efluentes de plantas de tratamiento est estabilizada respecto al agua residual fresca, por tanto, el proceso de degradacin de la materia orgnica se dificulta para las bacterias en el medio natural. En condiciones de bajo rgimen hidrolgico, Caon (2005) encontr que la tasa de degradacin de materia orgnica carboncea se incrementa por la mayor actividad microbiolgica de las bacterias asociadas al material bntico, lo cual es consistente con observaciones de Chapra (1997). Finalmente, Caon (2005) seal que la interaccin del canal principal con las zonas hiporrica del material disuelto y suspendido fue mayor, incrementando los mecanismos bioqumicos de degradacin. Se encontr que en la Quebrada Leja en condiciones de profundidad de flujo menor a 0.3 m y caudales inferiores a 0.05 m3/s la influencia del fondo es muy importante sobre los procesos de degradacin de materia orgnica carboncea, presentndose tasas mayores a 0.5 d-1 y tan altas como 0.8 d-1.

A su vez, Robles (2005), en los mismos estudios de la Quebrada Leja y del modelo fsico simulando cascadas y piscinas, recomend los mtodos empricos de Courchaine y Thomann (citados por Salazar, 1996) para la estimacin preliminar de la tasa de nitrificacin en ros de montaa. Adicionalmente presenta correlaciones altas entre la tasa de nitrificacin y la pendiente del canal, y entre dicha tasa y la relacin de velocidad sobre profundidad. Robles (2005) encontr valores tan altos de la tasa de nitrificacin como 1.8 d-1 en la Quebrada Leja, los cuales son del mismo orden de magnitud que los valores encontrados para el Ro Bogot en los tramos de montaa (Uniandes, 2003) y el Ro Grande de Trcoles (Camacho, 2003). Finalmente es importante mencionar que en condiciones de concentracin alta de slidos suspendidos se acelera el proceso de nitrificacin (Xia et al., 2004), y este efecto debe tenerse en cuenta en ros de montaa.

Estimacin preliminar de la tasa de mortalidad de patgenos y la velocidad de sedimentacin de SST y MOP La hidrulica y las caractersticas propias de los ros de montaa tambin afectan considerablemente los procesos bsicos de transporte y decaimiento de organismos patgenos. La presencia alternada de zonas de rpidos y de almacenamiento temporal en piscinas facilita la penetracin de la radiacin solar en el cuerpo de agua en las zonas poco profundas, afectando la tasa de mortalidad de estos. En los ros de montaa el tiempo de retencin hidrulica vara considerablemente para diferentes caudales. Principalmente para caudal bajo el tiempo de retencin hidrulico es alto, se presenta por lo tanto la sedimentacin de slidos suspendidos en piscinas, y por ende de bacterias adsorbidas. El resultado es una mayor tasa de decaimiento de patgenos y por lo tanto una mayor capacidad de autopurificacin de los ros de montaa en comparacin con los ros de planicie para el mismo caudal. En Latinoamrica y Colombia, el mayor problema asociado con la contaminacin hdrica es la descarga de compuestos patgenos (CEPIS/OPS Colombia, 2002; DazGranados et al., 2002; Barrera et al., 2002), el cual se ha convertido en el de mayor amenaza e impacto en la salud pblica. En estos pases, las enfermedades como el clera, tifoidea y disentera crnica son endmicas y disminuyen la poblacin de nios y ancianos. Por esta razn se ha considerado necesario en este estudio realizar investigacin cientfica que permita identificar y definir las variables que rigen los procesos de transporte y decaimiento de organismos patgenos, y cuantificar el impacto real de los vertimientos de cargas contaminantes en las fuentes receptoras de montaa del territorio colombiano. Como una primera aproximacin, en la modelacin de organismos patgenos en corrientes naturales, se utiliza un modelo de reaccin de primer orden para determinar el decaimiento de bacterias (Chapra, 1997). Es ampliamente conocido que la tasa de mortalidad de coliformes totales kb es afectada por la radiacin solar, la sedimentacin de la fraccin de patgenos adsorbida a los sedimentos, la salinidad (slidos y sales disueltas) y la temperatura. De acuerdo con Chapra (1997), la tasa de mortalidad de patgenos en una corriente natural puede estimarse como:kb = (0.8 + 0.02 S ) 1.07 (Te 20) + Fp vss Io + 1 exp k e h h ke h

(

)

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donde, Fp es la fraccin de bacterias adsorbidas a los sedimentos, comnmente determinada mediante la estimacin del coeficiente de particin en ensayos de laboratorio con centrfuga y una isoterma lineal tipo Freundlich; vss es la velocidad de sedimentacin de slidos [md-1]; es el coeficiente aproximadamente igual a 1; h es la profundidad [m]; Io es la intensidad de radiacin en la superficie del agua [lyhr-1]; ke es el coeficiente de extincin de luz debido a sedimentos, dado aproximadamente por (Chapra, 1997): k e = 0.55 SST ; SST son los slidos suspendidos totales [mgl-1]; S es la salinidad [ppt]; y Te es la temperatura [C].

A su vez la velocidad de sedimentacin de SST y materia orgnica particulada (MOP) puede estimarse preliminarmente conociendo su composicin a partir de valores reportados en la literatura (ver Tabla 1, adaptada de Chapra, 1997). Tabla 1- Velocidad de sedimentacin de partculas suspendidas encontradas en cuerpos de agua naturalesTipo de partcula Materia orgnica particulada Dimetro (m) 1 10 10 64 >64 24 10 20 Velocidad de sedimentacin (md-1) 0.2 1.5 2.3 0.3 1 3 30

Arcillas Limos

Los modelos de transporte y decaimiento de organismos patgenos adecuados en ros de montaa estn actualmente siendo estudiados en el proyecto de investigacin por Torres (2007).

Implementacin y calibracin de un modelo predictivo de calidad del agua En este trabajo se propone complementar la estimacin preliminar de las tasas de reaireacin, reaccin, y sedimentacin, descritas anteriormente, mediante un ejercicio riguroso de calibracin de un modelo de calidad del agua utilizando datos de campo tomados mediante la metodologa apropiada. Esta recomendacin ha sido respaldada por varios autores (Beck, 1981a, 1981b; Whitehead et al., 1981, 1986; Thoman y Mueller, 1987; Chapra, 2007; Camacho, 2003; Robles, 2005; Caon, 2005; Arenas, 2005; Velandia, 2005). Una metodologa completa a seguir, con el fin de implementar y desarrollar modelos predictivos de calidad del agua apropiadamente calibrados y validados, ha sido propuesta por Camacho y Daz-Granados (2003) y Camacho et al., (2006), y se resume en un artculo complementario presentado en este congreso (ver Camacho 2007, estas memorias). Dicha metodologa incluye las siguientes actividades: recopilacin de informacin hidrulica y planos topogrficos; inspecciones de campo y definicin de sitios de monitoreo; implementacin de un modelo de tiempos de viaje para la programacin de la toma de muestras; acuerdos con el laboratorio y definicin de protocolos de muestreo; campaas de medicin de parmetros de campo y toma de muestras siguiendo la masa de agua que se desplaza hacia aguas abajo; anlisis de laboratorio y anlisis de resultados de calidad del agua; implementacin y calibracin del modelo; y anlisis de simulaciones y escenarios de calidad del agua.

Se recomienda utilizar la metodologa de calibracin del modelo GLUE (Beven y Binley, 1992) basada en simulaciones de MonteCarlo. La metodologa ha sido documentada en otros trabajos (ver Camacho et al., 2002; UNIANDES-EAAB, 2003; UNIANDESACUAGYR, 2005), y no se describe en detalle en este artculo. En la calibracin se utiliza como funcin objetivo el coeficiente de determinacin R2, calculado con los datos modelados y observados de oxgeno disuelto, DBO, ion amonio y fsforo soluble reactivo, entre otros parmetros. A partir del anlisis de los resultados del modelo MCAT (Wagener et al., 2002) y la comparacin de los valores preliminares estimados de los parmetros de cada proceso modelado, tal como se describe anteriormente, se selecciona el grupo de parmetros ptimo y definitivo a utilizar en el modelo de calidad del agua de la corriente. El modelo de calidad del agua calibrado puede ser un modelo de estado estable, como el QUAL2K (Chapra, 2000) o dinmico, como por ejemplo el modelo QUASAR (Whitehead et al., 1997; Lees et al., 1999). Lo importante es que contemple todas las interacciones hidrulicas, del transporte de solutos, y de la calidad del agua que se dan en ros de montaa entre todos los determinantes.

Evaluacin de la capacidad de auto purificacin y asimilacin de la carga contaminante Con el modelo de calidad del agua apropiadamente calibrado de la corriente bajo estudio se realizan simulaciones para condiciones de caudales mnimos diarios y mnimos semanales con periodo de retorno de 1 o 2 aos, y otros caudales que se consideren representativos de la hidrologa de la corriente, con el fin de establecer la mxima carga contaminante que puede ser vertida de cada determinante de calidad del agua, a nivel de prefactibilidad de saneamiento hdrico. El proceso es iterativo en el cual, para diferentes niveles de carga contaminante y caudales representativos en la corriente, se determinan con el modelo de calidad del agua los perfiles longitudinales de todos los determinantes (oxgeno disuelto, DBO, MOP, SST, indicadores de organismos patgenos como coliformes, fsforo soluble reactivo, fsforo particulado, nitrgeno orgnico, nitrgeno amoniacal, nitratos, etc.). Los valores del perfil longitudinal se comparan con los estndares de calidad del agua definidos por los usos actuales y prospectivos de la corriente estudiada de acuerdo con la normatividad vigente. Se determinan entonces los sitios donde se presenten conflictos uso-calidad y se repite el proceso para otro nivel de carga contaminante hasta encontrar el valor mximo que no genera conflictos. Con este valor mximo se determina el nivel de tratamiento requerido de los vertimientos de cada determinante. Corresponde posteriormente a los especialistas en saneamiento definir la metodologa de tratamiento ptima para alcanzar los niveles de remocin que se definan. A nivel de factibilidad o diseo de medidas estructurales o no estructurales de saneamiento hdrico, es recomendable realizar simulaciones con un modelo dinmico que permita predecir el comportamiento de la calidad del agua en tiempo continuo para las condiciones hidrolgicas de la corriente, y las variaciones temporales tpicas en las descargas del agua tratada. En este caso pueden determinarse curvas de frecuencia y duracin de incumplimiento de los estndares de calidad del agua en diferentes secciones a lo largo de la corriente, y disearse planes de manejo y control en tiempo real de los vertimientos de las plantas de aguas residuales que minimicen los incumplimientos. El proceso iterativo de modelacin de estado estable y la modelacin

dinmica est en desarrollo como parte de la presente investigacin (Universidad Nacional de Colombia, 2007).

CONCLUSIONES En este artculo de revisin se ha presentado la metodologa propuesta en un proyecto de investigacin (Universidad Nacional de Colombia, 2006) para la determinacin de la capacidad de auto purificacin y/o de asimilacin de carga contaminante de los ros y corrientes de montaa o de alta pendiente. Esta metodologa ha surgido despus de una amplia revisin bibliogrfica y el trabajo de investigacin aplicado en ros de montaa colombianos de dieciocho estudiantes de pregrado y maestra. Siguiendo la metodologa propuesta es posible cuantificar la carga contaminante mxima que puede ser vertida a la corriente, sin afectar los usos del agua ni la salud pblica, aguas abajo del punto de vertimiento, para condiciones hidrolgicas de caudales representativos. La aplicacin sistemtica de este conocimiento a nivel municipal permitira definir apropiadamente los requerimientos de tratamiento y priorizar correctamente las inversiones en planes de saneamiento hdrico, de manera que stas sean sostenibles en pases en desarrollo. Se recomienda continuar con la realizacin de investigacin bsica que permita la definicin de metodologas de caracterizacin hidrulica, hidrolgica, ecolgica y de calidad del agua de ros de montaa, precisas, de fcil aplicacin, y menor costo.

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