Análisis multitemporal mediante modelos ARIMA de la...
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Análisis multitemporal mediante modelos ARIMA de la calidad del agua en la Potabilizadora “Francisco Wiesner” y el Embalse “San Rafael” (Bogotá D.C., Colombia) Trabajo de grado Modalidad de Investigación-Innovación Acuerdo 038 del 2015 Jhon Sebastián Alvarado Bohórquez – Código: 20121180023 Mónica Alejandra Rocha Sanabria – Código: 20121180073 Director: Ph. D. Carlos Alfonso Zafra Mejía Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad de Medio Ambiente y Recursos Naturales Proyecto Curricular de Ingeniería Ambiental Bogotá D.C. 2018
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Análisis multitemporal mediante modelos ARIMA de la calidad del agua en la
Potabilizadora “Francisco Wiesner” y el Embalse “San Rafael” (Bogotá D.C., Colombia)
Trabajo de grado
Modalidad de Investigación-Innovación
Acuerdo 038 del 2015
Jhon Sebastián Alvarado Bohórquez – Código: 20121180023
Mónica Alejandra Rocha Sanabria – Código: 20121180073
Director:
Ph. D. Carlos Alfonso Zafra Mejía
Universidad Distrital Francisco José de Caldas
Facultad de Medio Ambiente y Recursos Naturales
Proyecto Curricular de Ingeniería Ambiental
Bogotá D.C.
2018
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Nota de aceptación
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_______________________________________
Director Carlos Alfonso Zafra Mejía
Ingeniero Civil
Ph. D. en Ingeniería Ambiental
_______________________________________
Jurado Martha Isabel Mejía de Alba
Ingeniera Química
M. Sc. en Ingeniería Ambiental
Bogotá D.C., 2018
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“A Dios por guiar mis pasos en el trasegar de la vida. A mis padres por ser mi mayor
inspiración… por su amor, paciencia, confianza y dedicación. A mis hermanas por su
eterno cariño y a mis abuelas por enseñarme a amar altruistamente.”
Mónica Alejandra Rocha Sanabria
“A mi familia por su apoyo y paciencia.”
Jhon Sebastián Alvarado Bohórquez
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Agradecimientos
A nuestra amada alma máter, la Universidad Distrital Francisco José de Caldas y su proyecto
curricular de Ingeniería Ambiental, por forjarnos como profesionales y seres humanos integrales
y al servicio de la comunidad. A nuestro director Carlos Zafra por su valiosa asesoría, paciencia y
especial dedicación a lo largo de la investigación. Y a los profesores Martha Mejía de Alba y
Néstor Bernal por su apoyo continuo e interés en el desarrollo del proyecto.
A la Empresa de Acueducto y Alcantarillado de Bogotá D.C. por brindarnos la oportunidad de
desarrollar nuestro proyecto de grado en sus instalaciones y compartirnos información
fundamental para la presente investigación. Al Ingeniero Carlos Rincón por el acompañamiento
en el transcurso del proyecto.
A nuestros compañeros y futuros colegas por el apoyo emocional y académico, especialmente a
Natalia Otálora y Julián Fajardo por la constante motivación. Gracias a nuestros amigos por haber
traspasado las fronteras de la fraternidad y permitirnos soñar juntos.
Por último, agradecemos a todas las personas relacionadas directa e indirectamente con la exitosa
culminación del trabajo de grado.
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Tabla de contenido
Agradecimientos ............................................................................................................................ iv
Resumen ......................................................................................................................................... xi
1. Introducción .......................................................................................................................... 12
2. Planteamiento del problema .................................................................................................. 14
3. Justificación .......................................................................................................................... 17
4. Objetivos ............................................................................................................................... 20
4.1. Objetivo principal ........................................................................................................... 20
4.2. Objetivos específicos...................................................................................................... 20
5. Marco teórico ........................................................................................................................ 21
5.1. Calidad del agua y salud pública .................................................................................... 21
5.1.1. Características del agua para consumo humano ..................................................... 21
5.2. Instrumentos básicos para garantizar la calidad del agua .............................................. 24
5.2.1. Índice de riesgo de la calidad del agua para consumo humano (IRCA) ................. 24
5.2.2. Índice de riesgo municipal por abastecimiento de agua para consumo humano
(IRABAm) ............................................................................................................................ 24
5.2.3. Mapa de riesgo de la calidad del agua para consumo humano ............................... 24
5.3. Sistemas de almacenamiento de agua ............................................................................ 25
5.3.1. Embalses ................................................................................................................. 25
5.4. Planta de tratamiento de agua potable ............................................................................ 26
5.4.1. Procesos de potabilización ...................................................................................... 26
5.4.2. Tipos de plantas de tratamiento de agua potable .................................................... 32
5.4.3. Costos de potabilización ......................................................................................... 34
5.5. Modelos ARIMA............................................................................................................ 36
5.5.1. Series de tiempo ...................................................................................................... 36
5.5.2. Análisis de series de tiempo .................................................................................... 37
5.6. Experiencias nacionales e internacionales asociadas a la evaluación de la calidad del agua
mediante modelos ARIMA ....................................................................................................... 41
5.7. Normatividad nacional e internacional de referencia ..................................................... 42
5.7.1. Límites establecidos por la legislación colombiana................................................ 44
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5.7.2. Límites establecidos por la EAAB .......................................................................... 47
5.7.3. Límites establecidos por la EPA ............................................................................. 48
6. Materiales y métodos ............................................................................................................ 49
6.1. Descripción del área de estudio ...................................................................................... 49
6.1.1. Localización ............................................................................................................ 49
6.1.2. Sistema Chingaza .................................................................................................... 50
6.1.3. Embalse San Rafael ................................................................................................ 51
6.1.4. Planta de tratamiento de agua potable Francisco Wiesner ...................................... 51
6.2. Sistema de recolección de la información ...................................................................... 53
6.2.1. Método de muestreo para cada variable .................................................................. 53
6.2.2. Estaciones de muestreo en el sistema PTAP - Embalse ......................................... 55
6.2.3. Registro y sistematización de datos de calidad del agua ........................................ 55
6.3. Metodología de análisis de información ........................................................................ 57
6.3.1. Fase 1: Revisión bibliográfica de información secundaria ..................................... 57
6.3.2. Fase 2: Formulación de hipótesis ............................................................................ 58
6.3.3. Fase 3: Tratamiento y modelización de datos ......................................................... 58
6.3.4. Fase 4: Evaluación de los modelos ARIMA respecto al proceso de potabilización de
la PTAP Francisco Wiesner .................................................................................................. 66
6.3.5. Fase 5: Determinación de la relación entre la calidad del agua del Embalse San
Rafael y la PTAP Francisco Wiesner.................................................................................... 66
6.3.6. Fase 6: Formulación de estrategias sustentables para optimizar la operación de la
PTAP Francisco Wiesner ...................................................................................................... 68
7. Resultados y discusión .......................................................................................................... 69
7.1. Desarrollo de modelos ARIMA ..................................................................................... 69
7.1.1. Modelos desarrollados para la estación Río Teusacá - Salitre ................................ 70
7.1.2. Modelos desarrollados para la estación Embalse San Rafael ................................. 76
7.1.3. Modelos desarrollados para la estación Agua Suministrada CDC ......................... 83
7.2. Análisis temporal para los modelos ARIMA desarrollados ........................................... 87
7.2.1. Estación Río Teusacá - Salitre ................................................................................ 87
7.2.2. Estación Embalse San Rafael .................................................................................. 89
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7.2.3. Estación Agua Suministrada CDC .......................................................................... 90
7.3. Análisis entre la calidad del agua del Embalse San Rafael y la PTAP Francisco Wiesner
92
7.3.1. Relación entre las estaciones de macromedición .................................................... 92
7.3.2. Calidad del agua y productos químicos (costos y cantidades) en la Potabilizadora
Francisco Wiesner ................................................................................................................. 94
7.3.3. Evaluación de la incidencia de la calidad del agua en la salud pública ................ 100
7.4. Formulación de estrategias sustentables para optimizar la operación de la PTAP
Francisco Wiesner ................................................................................................................... 104
8. Conclusiones ....................................................................................................................... 108
9. Recomendaciones ............................................................................................................... 111
Anexos ........................................................................................................................................ 113
Bibliografía ................................................................................................................................. 114
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Lista de Figuras
Figura 1. Sistema de aireación por bandejas. ................................................................................ 28
Figura 2. Proceso de coagulación - floculación. ........................................................................... 28
Figura 3. Diseño en planta y perfil de un sedimentador convencional. ........................................ 30
Figura 4. Filtro para tratamiento de agua potable. ........................................................................ 31
Figura 5. Esquema de planta de tratamiento de agua potable de filtración directa. ..................... 33
Figura 6. Estructura de la obtención del modelo ARIMA. ........................................................... 40
Figura 7. Localización del área de estudio.................................................................................... 49
Figura 8. Vista panorámica de la PTAP Francisco Wiesner. ........................................................ 53
Figura 9. Ejemplo de formato de análisis de información del laboratorio fisicoquímico
abastecimiento sistema norte, EAAB. .......................................................................................... 56
Figura 10. Metodología de análisis de la información. ................................................................. 57
Figura 11. Metodología de Box-Jenkins para el desarrollo de modelos ARIMA. ....................... 64
Figura 12. Función de autocorrelación simple (FAC) de la variable Turbiedad en la estación Río
Teusacá - Salitre para escala temporal diaria. ............................................................................... 74
Figura 13. Función de autocorrelación parcial (FAP) de la variable Turbiedad en la estación Río
Teusacá - Salitre para escala temporal diaria. ............................................................................... 75
Figura 14. Función de autocorrelación (FAC) de la variable Turbiedad en la estación Embalse San
Rafael para escala temporal diaria. ............................................................................................... 80
Figura 15. Función de autocorrelación (FAC) de la variable Turbiedad en la estación Embalse San
Rafael para escala temporal media móvil semanal. ...................................................................... 82
Figura 16. Gráfico de la serie temporal bajo escala diaria, semanal y mensual del parámetro Color
en la estación Río Teusacá - Salitre. ............................................................................................. 88
Figura 17. Gráfico de la serie temporal bajo escala diaria, semanal y mensual del parámetro
Alcalinidad Total en la estación Río Teusacá - Salitre. ................................................................ 89
Figura 18. Gráfico de la serie temporal bajo escala diaria, semanal y mensual del parámetro
Cloruros en la estación Embalse San Rafael. ................................................................................ 90
Figura 19. Gráfico de la serie temporal bajo escala diaria, semanal y mensual del parámetro Color
en la estación Suministrada CDC. ................................................................................................ 92
Figura 20. Cantidad de productos químicos utilizados para la potabilización en la PTAP Wiesner
en el periodo 2008 – 2015. ............................................................................................................ 95
Figura 21. Costos de productos químicos utilizados para la potabilización en la PTAP Wiesner en
el periodo 2008 – 2015. ................................................................................................................ 96
Figura 22. Correlación entre la turbiedad de la Estación Agua Suministrada CDC vs el Precio Total
de los productos químicos utilizados para la potabilización en la PTAP Wiesner. ...................... 98
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Figura 23. Comparación del porcentaje de datos que sobrepasaron la normativa nacional
(Resolución Colombiana 2115 de 2007) y la Norma Técnica de Servicio (NS-067) de la EAAB,
en la estación Suministrada CDC. .............................................................................................. 104
Figura 24. Árbol de causas y efectos de la problemática expuesta en el proyecto de investigación.
..................................................................................................................................................... 105
Figura 25. Árbol de objetivos para la solución del proyecto de investigación. .......................... 107
Lista de Ecuaciones
Ecuación 1. Modelo general de una serie con dependencia temporal. ......................................... 37
Ecuación 2. Modelo autorregresivo de orden p AR(p). ................................................................ 39
Ecuación 3. Modelo autorregresivo de orden q MA (q). .............................................................. 39
Ecuación 4. Método de la razón normal. ...................................................................................... 61
Lista de Tablas
Tabla 1. Criterios de selección de los procesos en función de la calidad de la fuente para un sistema
de filtración lenta. ......................................................................................................................... 34
Tabla 2. Marco normativo colombiano asociado al proyecto. ...................................................... 43
Tabla 3. Características físicas de agua para consumo humano. .................................................. 44
Tabla 4. Características químicas que tienen implicaciones sobre la salud humana. ................... 45
Tabla 5. Características químicas relacionadas con los plaguicidas y otras sustancias. ............... 45
Tabla 6. Características químicas que tienen consecuencias económicas e indirectas sobre la salud
humana. ......................................................................................................................................... 46
Tabla 7. Características microbiológicas del agua para consumo humano. ................................. 47
Tabla 8. Parámetros de calidad del agua establecidos por la Norma Técnica de Servicio NS-067
de la EAAB. .................................................................................................................................. 48
Tabla 9. Parámetros de calidad del agua establecidos por la EPA. .............................................. 48
Tabla 10. Métodos de obtención de las características de calidad del agua en la PTAP Francisco
Wiesner. ........................................................................................................................................ 54
Tabla 11. Estaciones de muestreo de la calidad del agua en la PTAP Francisco Wiesner. .......... 55
Tabla 12. Datos perdidos en las estaciones de muestreo de la PTAP Francisco Wiesner. ........... 59
Tabla 13. Coeficientes de correlación de Spearman significativos para las estaciones de muestreo
seleccionadas................................................................................................................................. 60
Tabla 14. Parámetros indicadores de las estaciones de muestreo seleccionadas. ......................... 61
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Tabla 15. Comparación entre los datos completados con ARIMA Base y con el método de razón
normal según los estadísticos. ....................................................................................................... 62
Tabla 16. Modelos ARIMA desarrollados para los parámetros de calidad del agua en la estación
Río Teusacá - Salitre. .................................................................................................................... 70
Tabla 17. Coeficientes de autocorrelación y estadísticos de la variable Turbiedad en la estación
Río Teusacá - Salitre para la escala temporal diaria. .................................................................... 73
Tabla 18. Coeficientes de autocorrelación parcial (FAP) de la variable Turbiedad en la estación
Río Teusacá - Salitre para la escala temporal diaria. .................................................................... 74
Tabla 19. Modelos ARIMA desarrollados para los parámetros de calidad del agua en la estación
Embalse San Rafael. ..................................................................................................................... 77
Tabla 20. Coeficientes de autocorrelación y estadísticos de la variable Turbiedad en la estación
Embalse San Rafael para la escala temporal diaria. ..................................................................... 79
Tabla 21. Coeficientes de autocorrelación y estadísticos de la variable Turbiedad en la estación
Embalse San Rafael para la escala temporal media móvil semanal. ............................................ 81
Tabla 22. Modelos ARIMA desarrollados para los parámetros de calidad del agua en la estación
Suministrada CDC. ....................................................................................................................... 83
Tabla 23. Coeficientes de correlación de Spearman entre las características indicadoras de calidad
del agua de las tres estaciones de macromedición: Río Teusacá - Salitre, Suministrada CDC y
Embalse San Rafael. ..................................................................................................................... 94
Tabla 24. Coeficientes de correlación de Pearson entre el precio de los productos químicos de la
PTAP Francisco Wiesner y la Turbiedad de las estaciones Río Teusacá - Salitre, Suministrada
CDC y Embalse San Rafael. ......................................................................................................... 97
Tabla 25. Coeficientes de correlación de Pearson entre la cantidad de los productos químicos de la
PTAP Francisco Wiesner y la Turbiedad de las estaciones Río Teusacá - Salitre, Suministrada
CDC y Embalse San Rafael. ......................................................................................................... 99
Tabla 26. Índice de Riesgo de Calidad del Agua (IRCA) anual para las estaciones de
macromedición seleccionadas en el periodo 2008 - 2015. ......................................................... 101
Tabla 27. Cantidad y porcentaje de valores que infringen la normatividad nacional (Resolución
Colombiana 2115 de 2007) en las estaciones de macromedición seleccionadas para los parámetros
indicadores. ................................................................................................................................. 103
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Resumen
Garantizar la calidad del agua potable es indispensable para cualquier sistema de tratamiento,
especialmente en una megaciudad como Bogotá, por este motivo se desarrollaron modelos
ARIMA que permiten pronosticar el comportamiento temporal de la calidad del agua del Embalse
San Rafael y la Potabilizadora Francisco Wiesner. Para este fin se seleccionaron tres estaciones de
macromedición dentro del sistema Chingaza, estas fueron: Río Teusacá – Salitre, Embalse San
Rafael y Suministrada CDC. Se eligieron los parámetros indicadores de calidad del agua más
pertinentes para la investigación, y mediante un tratamiento estadístico se completaron datos
faltantes de las series de tiempo diarias entre los años 2008 – 2015. Para generar los modelos
ARIMA, en tres escalas de tiempo (diario, media móvil semanal y media móvil mensual), se utilizó
el software IBM-SPSS y su herramienta Modelizador experto; debido a que los valores de los
estadísticos relevantes de los modelos no cumplieron con los rangos sugeridos en la literatura
consultada, se decidió emplear el proceso iterativo de Box-Jenkins adaptado por Pérez (2005) para
estimar modelos más ajustados. Se realizó una correlación entre los parámetros indicadores de las
estaciones seleccionadas, detectando características diferenciales en cada una de las estaciones.
De igual manera se analizaron los costos y cantidades de los productos químicos utilizados en la
planta potabilizadora, verificando la relación directa entre la variación de las características de
calidad del agua y el uso de dichos productos. Adicionalmente, se realizó el cálculo del IRCA y el
análisis de los valores que infringieron la normatividad nacional, evidenciando una óptima calidad
del recurso hídrico que se distribuye a los beneficiarios del sistema potabilizador. Finalmente, se
utilizó la metodología del marco lógico para formular estrategias sustentables que optimicen la
operación de la PTAP Francisco Wiesner y aseguren la calidad del agua de abastecimiento para
Bogotá.
Palabras clave: Modelos ARIMA, pronósticos, multitemporal, análisis de series de tiempo,
calidad del agua, potabilización del agua, salud pública, Bogotá.
Correos electrónicos: [email protected] (S. Alvarado),
[email protected] (M. Rocha) y [email protected] (C. Zafra).
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1. Introducción
La calidad del agua para consumo humano es uno de los factores más determinantes en la salud
pública actualmente. A pesar de los grandes avances que se han presentado en este campo, la
influencia de variables antrópicas y naturales siguen afectando los procesos de potabilización
generando retos para la operación de las plantas de potabilización. Por esta razón, la utilización de
modelos estadísticos predictivos como los ARIMA, se presentan como una herramienta de análisis
pertinente para la toma de decisiones relacionadas con la gestión y manejo del recurso hídrico en
un sistema potabilizador. En este trabajo se abordó dicho análisis en el Sistema Chingaza,
abastecedor de gran parte de la ciudad de Bogotá D.C., determinando la relación existente entre la
calidad del agua del Embalse San Rafael y los procesos operativos de la Planta de Tratamiento
(PTAP) “Francisco Wiesner”; en un periodo comprendido entre los años 2008 – 2015. De este
modo se establecieron varias fases para dar cumplimiento a los objetivos propuestos.
Las primeras fases permitieron formular varias hipótesis acerca de los resultados de la
investigación gracias a la consulta del estado del arte de los tópicos y métodos a utilizar.
Consecutivamente se realiza la recolección de los datos de los parámetros físicos, químicos y
biológicos, su sistematización y organización para posterior tratamiento. En la siguiente fase los
datos fueron ingresados en el software IBM-SPSS, el cual fue la herramienta que permitió el
análisis estadístico y desarrollo de los modelos ARIMA (p,d,q) para cada variable, de esta manera
se evaluó su relación con los procesos operativos de la PTAP, correlacionando las características
de la calidad del agua de las estaciones seleccionadas mediante el coeficiente Spearman. En las
últimas fases se determinó la posible existencia de una relación entre la calidad del agua del
Embalse San Rafael y la operación de la PTAP Francisco Wiesner; de acuerdo a los resultados
anteriormente obtenidos y teniendo en cuenta los criterios técnicos que en este caso fueron los
modelos ARIMA desarrollados, los criterios económicos mediante el análisis de costos y
cantidades de productos químicos utilizados en el proceso de potabilización, y los criterios sociales
a través del cumplimiento de la normatividad nacional (Resolución 2115, 2007) y el cálculo del
Índice de Riesgo de la Calidad del Agua para Consumo Humano (IRCA). Para así, con la ayuda
de la construcción de un árbol de problemas y objetivos, proponer estrategias y medidas de manejo
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que contribuyan a un apropiado proceso de toma de decisiones en este tipo de instalaciones.
Finalmente, se expusieron las conclusiones y recomendaciones del proyecto de investigación.
Se espera con este proyecto contribuir con metodologías innovadoras que aporten a la
institucionalidad alrededor de la salud pública de la ciudad de Bogotá D.C., a la prevención de
impactos ambientales en el área de influencia del Embalse San Rafael y la Potabilizadora Francisco
Wiesner, y a evitar sobrecostos en la operación del sistema de tratamiento.
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2. Planteamiento del problema
A través del Sistema Chingaza la Planta de Tratamiento de Agua Potable Francisco Wiesner de la
Empresa de Acueducto y Alcantarillado de Bogotá (EAAB) abastece aproximadamente al 80% de
la población del Distrito Capital. Este sistema se surte del Embalse de Chuza que se encuentra
localizado en el municipio de Fómeque − Cundinamarca, en jurisdicción del Parque Nacional
Natural Chingaza (PNN Chingaza); mediante un sistema de túneles y canales de concreto el agua
es regulada y trasportada desde dicho embalse hasta la PTAP Francisco Wiesner, la cual tiene un
sistema de filtración directa. Por otra parte, el Embalse San Rafael tiene dos fuentes de
abastecimiento; en mayor medida almacena agua procedente del Sistema Chingaza a través de una
estructura de rebose ubicada en la entrada de la planta de tratamiento, y en menor proporción recibe
el afluente del río Teusacá (Galindo, 2014).
El Sistema Chingaza presenta algunos elementos que podrían generar una afectación en la calidad
del agua; en primer lugar, se puede encontrar la variabilidad climática cuyo efecto más claro sobre
la calidad del agua es el incremento de la turbiedad debido al arrastre de sedimentos por aumento
en las precipitaciones, también amenaza la disponibilidad del recurso hídrico en términos de
cantidad, ya que el aumento de la temperatura y disminución de las precipitaciones ponen en riesgo
los ecosistemas de páramo. Otro factor es la destrucción de las coberturas vegetales en el páramo,
perturbando el ciclo hidrológico y disminuyendo la disponibilidad del recurso hídrico de manera
gradual. Además de los anteriores factores ambientales, se perciben amenazas exclusivamente
antrópicas en el PNN Chingaza relacionadas con el transporte vehicular en las vías de acceso, la
presencia de turistas, actividades ganaderas y la base militar ubicada dentro del parque (Secretaría
Distrital de Salud [SDS], 2013).
Bogotá ha venido presentando procesos de expansión masivos superando sus límites urbanísticos.
En la zona nororiental de la ciudad, donde se encuentra la cuenca del río Teusacá, el desarrollo
poblacional representa fuertes presiones en el territorio por la construcción de vivienda campestre,
desarrollo turístico, industrial, agroindustrial y agropecuario (mayoritariamente cultivos de papa,
granjas porcícolas y ganadería) que generan alta demanda de agua y vertimientos en los cuerpos
hídricos. En los Planes de Saneamiento y Manejo de Vertimientos (PSMV) no se contempla el
manejo de las aguas residuales generadas por las agrupaciones de vivienda campestre, y el catastro
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de redes se limita a los cascos urbanos de los municipios (Pedraza, 2014). Adicionalmente, no se
establece por parte de los entes territoriales un mecanismo de control y vigilancia que permita
monitorear el cumplimiento de las normas existentes, en especial lo referente a los vertimientos
sobre el recurso hídrico, estipulado en el Decreto Colombiano 3930 de 2010 (con sus respectivas
modificaciones) y la Resolución 631 de 2015.
Se plantea que los factores en el entorno natural (p.ej., la calidad del agua) son influencias
inherentes en la salud pública. La interrelación dinámica de los factores ambientales con el
individuo puede influir de forma negativa, favoreciendo las condiciones para la aparición de
enfermedades infecciosas cuando están relacionados con agentes biológicos, o de enfermedades
no infecciosas cuando se relacionan con agentes químicos o físicos; todos bajo condiciones
sociales y económicas determinadas (Romero et al., 2007). La SDS generó un mapa de riesgos de
la calidad de las cuencas abastecedoras de agua para consumo humano conforme a la Resolución
4716 de 2010; también se adoptó la metodología de Planes de Seguridad del Agua (PSA), la cual
propone un planteamiento integral de evaluación y gestión de los riesgos que abarque todas las
etapas del sistema de abastecimiento (Organización Mundial de la Salud [OMS], 2009). Con estos
procedimientos, los riesgos que calificaron como los más altos para el Sistema Chingaza fueron
vertimientos de aguas residuales domésticas y agroindustriales al río Teusacá. Según Pedraza
(2014), con base en las muestras de la estación pluviográfica “Puente Francis” ubicada sobre la
desembocadura del río en el Embalse San Rafael, el Índice de Calidad de Agua (ICA) refleja que
dicho río confluye con cierto grado de contaminación. Conjuntamente, de acuerdo con los registros
históricos, las precipitaciones intensas que se presentan en el río Teusacá y sus afluentes pueden
provocar crecientes repentinas afectando parámetros físicos del agua en el Embalse San Rafael
(SDS, 2013).
La disminución de la calidad del agua en el Embalse San Rafael y la PTAP Francisco Wiesner
pueden generar problemas de salud pública por Enfermedades Transmitidas por el Agua (ETA’s),
que son aquellas que se adquieren como consecuencia del consumo de agua que contiene
microorganismos patógenos en concentraciones superiores a las permisibles. Las muertes por uso
de aguas contaminadas, mala sanidad e higiene sigue siendo importante a nivel mundial, cobrando
1,6 millones de vidas en países en vías de desarrollo; en 2006 se estimó que el 13% de la población
(alrededor de 884 millones de habitantes) utilizaba algún tipo de fuentes de agua contaminada
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(Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible, 2012). Paralelamente, la contaminación del agua
por uso de plaguicidas puede afectar los sistemas ecológicos ya que son contaminantes orgánicos
persistentes, existiendo el riesgo de la bioacumulación (Plengue et al., 2007). Las enfermedades
por plaguicidas en el agua tienen efectos al nivel de morbilidad oncológica (cáncer), pulmonar y
hematológica, así como a las deformidades congénitas y deficiencias del sistema inmunitario
(Food and Agriculture Organization [FAO], 1997). Como en el caso del municipio de Rivas
Dávila, estado Mérida – Venezuela, el uso de plaguicidas ha tenido consecuencias sobre la calidad
del agua que se consume; algunas aldeas presentan en sus acueductos concentraciones superiores
a los límites establecidos, incluso se han encontrado en aguas para consumo humano plaguicidas
como Aldrín con concentración de 1,82 μg/L, cuyo límite máximo para agua potable según la OMS
es 0,03 μg/L, y Endosulfán con 0,46 μg/L, cuyo límite máximo para agua potable es 0,1 μg/L según
la Unión Europea (UE). Esta situación se replica en varios países de América Latina sin ninguna
acción estatal contundente (Benítez & Contreras, 2013).
Si la tendencia de contaminación producto de los vertimientos y las actividades económicas
presentes en el río Teusacá se encuentra en ascenso, el funcionamiento de la PTAP Francisco
Wiesner se puede ver afectada, necesitando más insumos y reduciendo la vida útil de sus procesos;
por consiguiente, se necesitarán más recursos económicos y operativos que traten el agua para el
cumplimiento de los estándares exigidos para su abastecimiento, establecidos en la Resolución
Colombiana 2115 de 2007 de los ministerios de la Protección Social y de Ambiente y de Vivienda
y Desarrollo Territorial. A pesar de contar con un laboratorio de aguas que monitorea la operación
de la PTAP, la falta de estudios científicos e informes técnicos que relacionen las variables
fisicoquímicas y biológicas del agua tratada en la PTAP Francisco Wiesner con el contexto socio
ambiental que se desarrolla en torno al Sistema Chingaza y el río Teusacá, imposibilita la
visualización integral de la problemática y, por lo tanto, reduce la capacidad de tomar decisiones
de gestión y desarrollar estrategias de mejoramiento para el sistema de potabilización. A partir de
este contexto surge la siguiente pregunta de investigación:
• ¿Existirá una relación temporal entre la calidad del agua del Embalse “San Rafael” y la PTAP
“Francisco Wiesner”, que permita detectar posibles presiones en la potabilizadora para
formular medidas sustentables de operación y mantenimiento?
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3. Justificación
La disminución en la calidad del agua que abastece grandes ciudades puede acarrear problemas
que van desde la proliferación y transmisión de ETA’s hasta pérdidas económicas que pueden
convertirse según el tamaño de la ciudad y la magnitud de la contaminación en un problema de
salud pública relevante y además afectar los procesos de abastecimiento y potabilización del
recurso hídrico, por esto, es importante llevar un control riguroso de las variaciones de calidad del
agua de los sistemas abastecedores y monitorear todas las variables que puedan afectar su
operación. El Sistema Chingaza abastece gran parte del agua que consume Bogotá, por ello es
primordial evaluar y monitorear el estado y calidad del Embalse San Rafael que junto al Embalse
de Chuza contienen gran parte de la oferta hídrica de la ciudad capital.
Con lo anterior, se garantiza que las diversas patologías que se vehiculizan a través de este
elemento vital tales como el Cólera, la fiebre Tifoidea y Paratifoidea, la Hepatitis A y en gran
porcentaje de casos las enfermedades diarreicas agudas (Ministerio de Salud y Protección Social,
2014), estas dos últimas con una tasa de notificación de 1,26 (casos por cada 100.000 habitantes)
y 787.797 casos respectivamente en la ciudad de Bogotá (Observatorio de Salud Ambiental de
Bogotá [OSAB], 2016); sean prevenidas y por ende se mejore la calidad de vida, ya que la
evidencia empírica muestra que el acceso al agua potable y saneamiento contribuye a la reducción
de la pobreza, generando efectos positivos en la salud pública y la educación (Fundación
Salvadoreña para el Desarrollo Económico y Social [FUSADES], 2011).
A nivel nacional se utiliza la estrategia de Vigilancia de la Calidad del Agua para Consumo
Humano (VCACH), la cual prevé la elaboración de cuatro instrumentos de evaluación de riesgo:
(i) el Índice de Riesgo de la Calidad del Agua (IRCA), (ii) Índice de Riesgo por Abastecimiento
(IRABA), (iii) Formulario de Buenas Prácticas Sanitarias, y (iv) Mapa de Riesgo (Guzmán et al.,
2016). Actualmente el método utilizado para analizar las variables relacionadas con la calidad del
agua en la cuenca del río Bogotá, además de los ya mencionados, es el modelo de calidad
QUAL2KW; el cual se encuentra calibrado y es utilizado para el diseño y evaluación de las obras
de saneamiento en la cuenca (Corporación Autónoma Regional de Cundinamarca [CAR], 2010).
Este modelo unidimensional simula el impacto de cargas contaminantes puntuales y distribuidas
en un flujo permanente, no uniforme, segmentando el sistema en tramos que pueden ser de longitud
variable (Arroyave et al., 2013). Dentro de la jurisdicción del distrito capital se analiza la
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información de la calidad del agua a través de tres herramientas: estadística descriptiva, pruebas
de hipótesis y análisis por conglomerados (Secretaría Distrital de Ambiente [SDA], 2008); de cuyo
análisis se genera un dendograma que relaciona todas las variables tenidas en cuenta.
En este sentido, la utilización de modelos ARIMA no se ha explorado en el monitoreo y análisis
de la calidad del agua del Sistema Chingaza que abastece a la ciudad de Bogotá D.C. Esta
herramienta podría desarrollar modelos predictivos que servirían de complemento a los métodos
comúnmente usados y mejorará la capacidad de análisis y la toma de decisiones de gestión; ya que
como se reportó en las entrevistas realizadas a los coordinadores de VCACH a nivel nacional, una
de las opiniones más frecuentes es que “Los instrumentos de riesgo son impuestos sin considerar
la disponibilidad de recursos, luego son cobrados sin considerar las singularidades” (Guzmán et
al., 2016). Es decir, que se tienen falencias en planeación y destinación de recursos en los territorios
para el cumplimiento de la VCACH y, por ende, no se obtienen los resultados esperados; situación
que podría mejorar con la utilización de nuevas metodologías complementarias como la propuesta
en el presente proyecto de investigación.
Por lo tanto, es relevante realizar un análisis estadístico empleando modelos ARIMA mediante el
uso del software IBM-SPSS, los cuales proporcionarán pronósticos de acuerdo con las
características físicas, químicas y biológicas sistematizadas del Embalse San Rafael y la PTAP
Francisco Wiesner. El modelo estadístico ARIMA al basarse en observaciones con memoria y su
correspondiente sucesión de errores (ruido blanco) de una serie de tiempo estacionaria, se espera
que genere modelaciones apropiadas que permitan correlacionar los datos obtenidos con los
procesos operativos de la PTAP Francisco Wiesner; dicha correlación proporcionará información
que servirá como fundamento para encontrar los factores más influyentes en el cambio de la
calidad del agua. Lo anterior, con el fin de garantizar mediante métodos confiables y seguros el
monitoreo de la calidad del agua del embalse y del efluente de la potabilizadora, y así optimizar la
toma de decisiones al momento de proponer soluciones y respuestas relacionadas con la operación
de la PTAP, asegurando una calidad del agua con las mejores condiciones para el consumo de la
población de Bogotá D.C.
Adicionalmente, se pueden evitar sobrecostos en el proceso potabilizador debido a la mayor
demanda de reactivos en los procesos de tratamiento, y externalidades como las relacionadas con
salud publica expuestas anteriormente. La baja calidad del agua para consumo humano y la gestión
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inadecuada de las sustancias químicas se convierten en los problemas de más alto costo para la
economía colombiana (1,1% del PIB): cerca del 70% (0,77% del PIB) es atribuible a los impactos
en la salud (mortalidad y morbilidad) y el 30% restante es atribuible a costos de prevención
(consumo de agua embotellada, filtrado y hervido doméstico del agua para su potabilización)
(Acosta et al., 2015). Este tipo de sobrecostos están siendo evitados en algunos municipios de
Colombia con programas como los Fondos de Agua, promovidos por la organización The Nature
Conservancy (TNC), los cuales consisten en la inversión para la protección del recurso hídrico en
las partes altas de las cuencas, inversión que en Latinoamérica puede llegar a ser de $2,00 USD
per capita o incluso menos, representando un ahorro de 63% en la inversión pública en el caso
colombiano (Abell et al., 2017). Asimismo, este análisis causal, podría servir de herramienta para
proponer estrategias de prevención, corrección y mitigación de los impactos ambientales que se
generan en el área de influencia del Embalse San Rafael y la PTAP. Lo anterior, para fortalecer la
operación y la calidad del agua producida en la PTAP, condicionadas por cambios en el uso del
suelo y nuevos vertimientos en la hoya hidrográfica del sistema de abastecimiento.
La labor del ingeniero ambiental es ayudar técnicamente a solucionar problemas que afectan a las
comunidades y a su entorno natural, por ende, se considera imperativa la participación en la
problemática expuesta y ofertar resultados que ayuden a disminuirla. Desde la Universidad
Distrital Francisco José de Caldas y su proyecto curricular de Ingeniería Ambiental, se desarrollará
este proyecto de investigación; el cual obedece a sus líneas de investigación de impactos
ambientales y tecnologías apropiadas, siendo el Grupo de Investigación en Ingeniería Ambiental
(GIIAUD) la organización garante de la óptima ejecución del trabajo de grado. De esta manera, se
espera innovar con la utilización de los modelos estadísticos ARIMA como herramienta para
evaluar la calidad del agua en la Potabilizadora Francisco Wiesner y el Embalse San Rafael, y así
proponer estrategias de gestión para la operación del sistema de tratamiento.
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4. Objetivos
4.1. Objetivo principal
Evaluar la calidad del agua en el Embalse San Rafael y la PTAP Francisco Wiesner entre los años
2008 a 2015 mediante el desarrollo de modelos ARIMA, para detectar presiones y formular
estrategias sustentables durante la operación de la potabilizadora.
4.2. Objetivos específicos
• Desarrollar modelos ARIMA para las variables físicas, químicas y biológicas representativas
del agua de la PTAP Francisco Wiesner y el Embalse San Rafael.
• Evaluar el comportamiento temporal mediante modelos ARIMA de cada una de las variables
seleccionadas y su relación con los procesos operativos de la PTAP Francisco Wiesner.
• Estudiar la posible relación entre la calidad del agua del Embalse San Rafael y la PTAP
Francisco Wiesner para formular estrategias de optimización durante su operación, con
respecto a criterios de tipo técnico, económico y social.
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5. Marco teórico
5.1. Calidad del agua y salud pública
Según el Decreto 1575 de 2007 la calidad del agua se definió como “El resultado de comparar las
características físicas, químicas y microbiológicas encontradas en el agua, con el contenido de las
normas que regulan la materia.” De acuerdo al uso que se le dará al agua y el contexto geográfico,
se establecieron los requisitos de calidad de la misma. Es importante conocer los estándares de
calidad con el fin de implementar, vigilar y corregir los procesos de tratamiento según corresponda
(Orellana, 2005). Adicionalmente, el agua potable o agua para consumo humano es aquella que,
por cumplir las características físicas, químicas y microbiológicas en las condiciones señaladas en
las normas que la reglamenten, es apta para consumo humano. Ésta se utiliza para bebida directa,
en la preparación de alimentos, o en la higiene personal (Decreto 1575, 2007).
La Ley 1122 de 2007 estipuló que, la salud pública está constituida por el conjunto de políticas
que buscan garantizar de una manera integrada, la salud de la población por medio de acciones de
salubridad dirigidas tanto de manera individual como colectiva, ya que sus resultados se
constituyen en indicadores de las condiciones de vida, bienestar y desarrollo del país. Dichas
acciones se realizarán bajo la rectoría del Estado y deberán promover la participación responsable
de todos los sectores de la comunidad.
5.1.1. Características del agua para consumo humano
El agua contiene diversas sustancias químicas y biológicas disueltas o suspendidas en ella. Desde
el momento que se condensa en forma de lluvia, el agua disuelve los componentes químicos de
sus alrededores, corre sobre la superficie del suelo y se filtra a través del mismo. Adicionalmente,
el agua contiene organismos vivos que reaccionan con sus elementos físicos y químicos. Por estas
razones suele ser necesario tratarla para hacerla adecuada para su uso como abastecimiento a la
población (Orellana, 2005). A continuación, se presentan las características del agua relacionadas
con su calidad.
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5.1.1.1. Características físicas
Son aquellos elementos, compuestos, organismos o sustancias que tienen incidencia directa sobre
las condiciones estéticas del agua (Sierra, 2011). Suelen ser conocidos como parámetros
organolépticos. Los efectos negativos en la salud humana que pueden causar están relacionados
con su inferencia en los procesos de potabilización, por ejemplo, la turbiedad puede incidir en la
eficiencia de determinados procesos de tratamiento del agua como la filtración y la desinfección.
La filtración del agua se vuelve más difícil y costosa cuando la turbiedad es alta; la turbiedad
obstruye los filtros, genera problemas de operación en el tratamiento del agua y ocasiona un
aumento en la frecuencia de lavado de las unidades. Cuando la turbiedad es alta se necesitan dosis
mayores de cloro para desinfectar el agua. Esto debido a que los microorganismos se ocultan entre
las partículas de turbiedad por lo que se requieren mayores cantidades de cloro para eliminarlos
(Sierra, 2011). De la misma manera el color verdadero normalmente es causado por sustancia
orgánicas que demandan cloro, y por ende reducen seriamente la eficacia de este reactivo como
desinfectante (Campos, 2003). Otras características físicas como el olor y el sabor, a bajas
concentraciones, tienen más importancia por la tensión psicológica que generan que por el daño
que puedan producir al organismo. Concentraciones altas de olores molestos pueden reducir el
apetito, producir náuseas y vómitos (Sierra, 2011).
5.1.1.2. Características químicas
El agua, por ser considerada el solvente universal, tiene la posibilidad de que una gran cantidad de
elementos y compuestos químicos estén presentes en ella. Estos compuestos químicos disueltos en
el agua pueden ser de origen natural o industrial y serán benéficos o dañinos de acuerdo a su
composición y concentración (Orellana, 2005). Se pueden dividir en dos clases:
Indicadores: Son aquellos parámetros, cuyas concentraciones en el agua se deben a la
presencia e interacción de sustancias. Entre estos encontramos el pH, que mide el grado de
acidez o de alcalinidad pero no determina el valor de estas, en la acidez se presentan dos
tipos: mineral y ocasionada por CO2, en el primer caso es ocasionada por la presencia de
ácidos fuertes normalmente debido a la contaminación industrial (desechos de la industria
metalúrgica y la fabricación de ácidos a escala industrial) que pueden ocasionar problemas
sanitarios, en el segundo caso no tiene efectos conocidos sobre la salud; por el contrario la
alcalinidad del agua no tiene repercusiones en la salud humana, pero si forma precipitados
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que ocasionan problemas de taponamiento y obstaculizan el flujo en las tuberías,
adicionalmente controla el proceso de coagulación en el tratamiento de agua potable
(Sierra, 2011). Otra característica indicadora de relevancia es la conductividad la cual es
una medida indirecta de los sólidos disueltos y un indicativo de las sales disueltas en el
agua (Sierra, 2011) cuyo origen puede deberse a residuos industriales y escurrimiento de
abonos (Castiblanco, 2016).
Sustancias químicas: Se establecen aquellas sustancias presentes que son las más
comúnmente utilizadas en el diagnóstico de la calidad del agua (Sierra, 2011). Entre estas
podemos encontrar: fenol, arsénico, selenio, cromo hexavalente, hierro, manganeso, flúor,
cobre, zinc, magnesio, cloruro, sulfatos, calcio, yodo y nitratos (Orellana, 2005).
5.1.1.3. Características microbiológicas
Las aguas crudas pueden tener una gran variedad de microorganismos, su origen puede ser natural,
proveniente de contaminación por vertimientos o debido al arrastre de los existentes en el suelo
por acción de la lluvia (Orellana, 2005). Los microorganismos en el agua pueden ser patógenos o
no patógenos; los más importantes son las bacterias, los virus, las algas, los hongos y algunos
protozoos (Sierra, 2011). La calidad del agua microbiana varía rápidamente y en un amplio rango,
aumentando considerablemente los riesgos de enfermedad transmitidas por el agua y posiblemente
desencadenando brotes (World Health Organization [WHO], 2017). Aunque la presencia de
microorganismos de transmisión hídrica no está limitada a una región específica en el mundo o a
su nivel de desarrollo, los problemas de desplazamiento, la respuesta ineficiente de los servicios
de salud, la poca inversión de los Estados en la garantía de la potabilización del agua para toda la
población, la falta de control de brotes y la falta de intervención de los sistemas de salud pública,
favorecen la propagación, incidencia, morbilidad y mortalidad asociada a enfermedades
relacionadas con el agua de consumo, principalmente en países en vía de desarrollo. La falta de
garantías en la seguridad del recurso hídrico hace que la comunidad quede expuesta al riesgo de
brotes de enfermedades relacionadas con el agua; evitarlos es particularmente importante dado que
el agua como vehículo tiene gran potencial de infectar simultáneamente a gran proporción de la
población (Rios et al., 2017). Entre las enfermedades más comunes que se transmiten por el agua
están: cólera, gastroenteritis, fiebre tifoidea y disentería (Sierra, 2011).
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5.2. Instrumentos básicos para garantizar la calidad del agua
5.2.1. Índice de riesgo de la calidad del agua para consumo humano (IRCA)
Es el grado de riesgo de ocurrencia de enfermedades relacionadas con el no cumplimiento de las
características físicas, químicas y microbiológicas del agua para consumo humano (Decreto 1575,
2007). El valor del IRCA es cero (0) puntos cuando cumple con los valores aceptables para cada
una de las características físicas, químicas y microbiológicas contempladas en la presente
Resolución y cien puntos (100) para el más alto riesgo cuando no cumple ninguno de ellos.
Teniendo en cuenta los resultados del IRCA por muestra y del IRCA mensual, se define la
siguiente clasificación del nivel de riesgo del agua suministrada para el consumo humano por la
persona prestadora: 0% – 5% Sin Riesgo – Agua Apta para Consumo Humano, 5.1% – 14% El
nivel de riesgo es Bajo, 14.1% – 35% El nivel de riesgo es Medio, 35.1% – 80% El nivel de riesgo
es Alto y 80.1% – 100% El nivel de riesgo es Inviable sanitariamente (Resolución 2115, 2007)
5.2.2. Índice de riesgo municipal por abastecimiento de agua para consumo humano
(IRABAm)
Es la ponderación establecida en niveles de riesgo de los factores de tratamiento y continuidad del
servicio de los sistemas de acueducto con la distribución del agua en el área de jurisdicción del
municipio correspondiente, que pueden afectar indirectamente la calidad del agua para consumo
humano y por ende la salud humana (Decreto 1575, 2007). Los rangos para el IRABA
corresponden a cero (0) cuando cumple con las condiciones aceptables para cada uno de los
criterios de tratamiento, distribución y continuidad del servicio, y cien (100) puntos para el más
alto riesgo cuando no cumple con ninguno de dichos criterios (Resolución 2115, 2007).
5.2.3. Mapa de riesgo de la calidad del agua para consumo humano
Es el instrumento por el cual se definen las acciones de inspección, vigilancia y control del riesgo
asociado a las condiciones de calidad del agua de las cuencas abastecedoras de sistemas de
suministro de agua para consumo humano, que podría generar riesgos graves a la salud humana si
no son adecuadamente tratadas, independientemente de si provienen de una contaminación por
eventos naturales o antrópicos (Decreto 1575, 2007).
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5.3. Sistemas de almacenamiento de agua
El almacenamiento de agua para potabilización se suele realizar para prevenir épocas de sequía y
la contaminación accidental. En este último caso, basta suspender el bombeo de la conducción y
utilizar el agua previamente acumulada en el embalse o lago. El almacenamiento puede mejorar
ciertas características del agua (p.ej., disminución de sólidos en suspensión); sin embargo, puede
presentar inconvenientes como el desarrollo de microorganismos, algas y de hongos (Barraque,
1979).
5.3.1. Embalses
Según la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (US EPA, 2000), los embalses son
lagos artificiales con superficie superior a 4,05 ha y un tiempo promedio de permanencia de agua
mayor a 14 días; se construyen para satisfacer propósitos particulares de la sociedad, entre sus
principales usos están recreación, pesca, generación de energía eléctrica, suministro de agua
potable y control de inundaciones. Los embalses están diseñados para retener el agua y liberarla
de manera controlada por medio de presas y otras estructuras hidráulicas. Dependiendo de la altura
de la presa y el control del flujo saliente, el almacenamiento de agua puede variar respecto al
tiempo (Walker et al., 2007). Soballe (1992) y Kennedy (2001) citados por Walker et al. (2007),
afirmaron que los embalses pueden clasificarse teniendo en cuenta: la ubicación en la cuenca, la
operación de la presa y el tiempo de residencia hidráulica (tiempo que tarda una fracción de agua
desde la entrada hasta la salida). Dentro de los tres tipos de embalse están:
Embalses de almacenamiento tributario: Se construyen deteniendo las aguas de unos
pocos ríos de orden inferior; por lo tanto, están generalmente ubicados aguas arriba de la
cuenca. Debido a que estos embalses se utilizan a menudo para el control de inundaciones,
el tiempo de residencia hidráulica puede ser largo y bastante variable.
Embalses de ribera: Suelen estar situados más abajo en la cuenca que los embalses de
almacenamiento tributario; se construyen incluyendo el canal original del río y sus laderas.
Las características comunes de dichos embalses incluyen altas cantidades de turbidez y
sedimentos. Se utilizan principalmente para la generación de energía o la navegación, y
tienden a tener tiempos de residencia hidráulicos cortos.
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Embalses de almacenamiento principal: Están situados en las regiones aguas abajo de la
cuenca. Estos embalses se construyen inundando llanuras aluviales de los ríos. Los tiempos
de residencia hidráulica de esta clase de depósitos varían mucho; algunos ofrecen grandes
volúmenes de almacenamiento, por lo que tienen largos tiempos de residencia.
Debido a que los embalses se forman a partir de ríos, pero también almacenan agua, sus
características físicas, químicas y biológicas son intermedias a las de ríos y lagos naturales. La
calidad del agua de los embalses está influenciada por la geología de la cuenca, el clima de la
región y los usos del suelo dentro de la cuenca. Los embalses reciben aporte de agua de la
precipitación, la escorrentía superficial y el agua subterránea; sin embargo, reciben la mayor parte
de la afluencia mediante los cuerpos hídricos contribuyentes (Walker et al., 2007).
Los embalses también pueden clasificarse según su volumen, esto más por razones estadísticas
que técnicas (Bustamante, 2008):
Embalses gigantes: > 100.000 Mm3 (millones de metros cúbicos); Embalses muy
grandes: 100.000 a > 10.000 Mm3; Embalses grandes: 10.000 a > 1.000 Mm3; Embalses
medianos: 1.000 a > 1 Mm3 y Embalses pequeños: < 1 Mm3.
5.4. Planta de tratamiento de agua potable
Una PTAP es una secuencia de operaciones o procesos unitarios, convenientemente
seleccionados con el fin de remover totalmente los contaminantes microbiológicos presentes en el
agua cruda y parcialmente los físicos y químicos, hasta llevarlos a los límites aceptables
estipulados por la normatividad. El tamaño de la potabilizadora depende de la población a
abastecer y de su respectivo crecimiento poblacional (De Vargas, 2004). La planta se diseña con
una vida útil mínima de 10 años y se proyecta para expandirse según lo requiera. En el caso de
renovación de una planta de tratamiento se debe incluir el estudio técnico y las reparaciones
necesarias para elevar el rendimiento (Etienne, 2009).
5.4.1. Procesos de potabilización
El grado de complejidad del tratamiento en una PTAP puede variar considerablemente,
dependiendo del tipo y las necesidades de esta. Es determinante conocer la calidad del agua
disponible y la calidad final deseada (Etienne, 2009). Dentro de los procesos más comunes para el
tratamiento de agua están:
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Pre-cloración: Consiste en eliminar inicialmente microorganismos y el hierro. El cloro
tendrá un efecto mínimo como bactericida si el agua contiene grandes cantidades de
material orgánico o sólidos en suspensión (Etienne, 2009). Este proceso puede favorecer la
formación de subproductos orgánicos no deseados (SPD) entre los que se incluyen los
trihalometanos (THM), ácidos haloacéticos (HAA) y otros compuestos halogenados
asociados con posibles efectos cancerígenos en humanos. Cambiar el punto de aplicación
de cloro posterior a la coagulación y clarificación posibilita reducir el riesgo químico sin
comprometer la calidad microbiológica del agua tratada (Arjona et al. , 2012).
Adición de permanganato de potasio: Sirve para oxidar el manganeso y poder eliminarlo
por filtración; además elimina olores y sabores causados por algas (Etienne, 2009). En la
práctica, la dosis de permanganato de potasio estará comprendida entre una y seis veces la
concentración de manganeso (Orellana, 2005).
Aeración: Se efectúa mediante caídas de agua y también aplicando el gas a la masa de agua
mediante aspersión o burbujeo (De Vargas, 2004). Se realiza cuando hay exceso de gases
como el Sulfuro de Hidrógeno (H2S) o el Dióxido de Carbono (CO2). Esta aeración debe
ser más o menos completa, en función de la mineralización del agua (Barraque, 1979). La
eficiencia de la aireación depende de la cantidad de contacto superficial entre el aire y el
agua, que se controla principalmente por el tamaño de la gota de agua o burbuja de aire,
paralelamente la cantidad de oxígeno que puede retener el agua depende principalmente de
su temperatura (cuanto más baja es la temperatura del agua, más oxígeno puede contener).
El agua que contiene cantidades excesivas de oxígeno puede llegar a ser muy corrosiva, lo
cual pude causar problemas técnicos en la planta de tratamiento (Minnesota Rural Water
Association, 2009). Un método comúnmente utilizado para la aireación del agua en
tratamiento son las bandejas de aireación, ya que el agua escurre a través de bandejas
perforadas y bien ventiladas que contienen elementos porosos (Figura 1).
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Figura 1. Sistema de aireación por bandejas.
Fuente: OMS (2009).
Coagulación y floculación: En la coagulación (Figura 2) se agrega al agua un coagulante
líquido para atraer partículas en suspensión formando coloides, los cuales se tienen que
volver flóculos para que precipiten. Por esto, el coagulante se mezcla muy rápidamente en
un pequeño tanque, luego pasa al floculador y se agita muy suave para permitir el
crecimiento de los flóculos sin que se rompan, hasta que su tamaño sea tal que se facilite
la remoción posterior en un tanque de asentamiento o en un separador de placas (WHO,
2017; Etienne, 2009).
Figura 2. Proceso de coagulación – floculación.
Fuente: Adaptada de Ramirez (2017).
La elección del producto químico coagulante depende del tipo de sólido suspendido que se
va a eliminar, las condiciones del agua cruda, el diseño de la instalación y el costo del
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producto químico. Adicionalmente se debe considerar la calidad requerida de los efluentes,
el efecto sobre el desempeño del proceso de tratamiento aguas abajo, el método y costo de
manejo de la eliminación de lodos, y el costo de la dosis requerida para un tratamiento
efectivo (Minnesota Rural Water Association, 2009). Uno de los principales coagulantes
utilizados para desestabilizar las partículas y producir el floc es el sulfato de aluminio que
cuando se adiciona produce una serie de reacciones muy complejas donde los productos de
hidrólisis son más eficaces que los iones mismos; esta sal reacciona con la alcalinidad del
agua y produce hidróxido de aluminio el cual es insoluble y por ende forma el precipitado
(Andía, 2000). En los últimos 25 años se ha desarrollado una nueva generación de
coagulantes inorgánicos prepolimerizados tales como PAC´s (policloruros de aluminio),
los cuales han mostrado mejor desempeño que los coagulantes convencionales como el
sulfato de aluminio (alumbre), dadas las ventajas de menor producción de lodos y la menor
dependencia de la temperatura y el pH; el hidroxicloruro de aluminio, es uno de los PAC´s
más utilizados (Cogollo, 2011).
Decantación: Es el proceso mediante el cual se promueve el depósito del material en
suspensión por acción de la gravedad (Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y
Ciencias del Ambiente [CEPIS], 2002). La forma de la partícula afecta sus características
de sedimentación. Una partícula redonda, por ejemplo, se asentará mucho más fácilmente
que una partícula que tiene bordes irregulares. Así mismo cuando la temperatura del agua
disminuye, la velocidad de sedimentación se hace más lenta. La mayoría de los tanques de
sedimentación se divide n en estas zonas separadas (Figura 3): la entrada o zona de
influencia la cual debe distribuir el flujo uniformemente a través de la entrada al tanque, el
diseño normal incluye deflectores que separan suavemente el flujo a través de la entrada
total del tanque; la zona de sedimentación es la mayor porción del tanque de sedimentación,
esta zona proporciona el área de calma necesaria para que las partículas en suspensión se
asienten; la zona de lodo, situada en la parte inferior del tanque, proporciona un área de
almacenamiento para el lodo antes de ser removido para tratamiento adicional o
eliminación; y la zona de salida del tanque que debe proporcionar una transición suave de
la zona de sedimentación a la salida de este, esta área también controla la profundidad del
agua en el tanque, los vertederos situados al final del tanque controlan el caudal de
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desbordamiento y evitan que los sólidos suban y salgan del tanque antes de asentarse
(Minnesota Rural Water Association, 2009).
Figura 3. Diseño en planta y perfil de un sedimentador convencional.
Fuente: Adaptada de SENA (2012).
Filtración: Consiste en hacer pasar el agua a través de un medio poroso (generalmente
arena), en el cual actúan una serie de mecanismos de remoción cuya eficiencia depende de
las características del material de suspensión y del medio poroso (De Vargas, 2004). Dentro
de estos mecanismos el más relevante es la adsorción, que es el proceso donde las partículas
se pegan en la superficie de los granos individuales del filtro o en los materiales depositados
previamente, las fuerzas que atraen y mantienen las partículas en los granos son la
interacción entre las fuerzas eléctricas y las de Van der Waals, y el enlace químico entre
las partículas y la superficie de los granos de un material intermediario (Figura 4). La
gradación del tamaño de partículas y las densidades son importantes para que al lavarse se
mantengan las fases en ese orden (Etienne, 2009). La filtración en medios filtrantes dobles,
constituidos por antracita y arena, es, desde todo punto de vista, superior a la filtración en
medios constituidos únicamente por arena, como lo demostraron los trabajos de
investigación realizados en instalaciones piloto y en prototipos, publicados por la Water
Research Association, en Inglaterra; La experiencia ha demostrado que existe una relación
entre el espesor de la capa de arena y la de antracita en un filtro de dos medios; en general,
el espesor de la capa de antracita representa de 60 a 80%; y la arena, de 20 a 40% del
espesor total del medio filtrante (De Vargas, 2004).
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Figura 4. Filtro para tratamiento de agua potable.
Fuente: Ramirez (2017).
Fluoración: En este proceso se elige el producto para aumentar los niveles de flúor, en
función de la cantidad de agua de distribución y de las condiciones económicas locales. Se
regula el tratamiento de forma que se obtenga un contenido en flúor acorde a los límites
establecidos (Barraque, 1979). Debido a los posibles efectos osteo-esqueléticos,
neurológicos, endocrinos y dermatológicos de la fluoración del agua potable (Romero et
al., 2017), en Colombia actualmente no se cuenta con adición de flúor en el agua de
consumo humano, pero la Resolución 2115 de 2007 estableció como valor máximo
aceptable de fluoruros en agua 1 mg/L.
Desinfección: La práctica muestra que los procesos de coagulación, sedimentación y
filtración remueven el mayor porcentaje de microorganismos patógenos del agua, a pesar
de esto la eficiencia de los mismos no llega al 100% (De Vargas, 2004), por ello se hace
necesaria la desinfección, la cual consiste en la inyección de un desinfectante
(generalmente cloro) para obtener agua, de forma continua, exenta de bacterias patógenas
(Barraque, 1979). El cloro, al entrar en contacto con el agua, reacciona formando ácido
hipocloroso (HOCl) y ácido clorhídrico (HCl), la suma de estos dos es conocido como
cloro libre, cuya eficiencia desinfectante es mejor cuando el pH del agua es bajo,
reduciéndose a su vez su alcalinidad. Debido a que el amoniaco es uno de los componentes
más frecuentes en el agua, al reaccionar con el cloro forma las llamadas cloraminas
(monocloraminas [NH2Cl], dicloraminas [NHCl2] y tricloraminas [NCl3]) cuya suma es
conocida como cloro combinado. El cloro libre y combinado es en conjunto el cloro total,
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que es la cantidad de cloro que debe considerarse tanto para la eliminación de
microorganismos como para la formación de cloraminas (De Vargas, 2004). Siempre al
final de la planta se debe ajustar el cloro a los niveles permisibles (Etienne, 2009). Debido
a la formación de SPD con la utilización del cloro se obliga a la búsqueda de nuevos
métodos para reducir la formación de estos, como la utilización de oxidantes mixtos
(MIOXs), la generación in-situ de una solución de Oxidantes Mixtos (MIOXs) que
contiene principalmente ácido hipocloroso, se utiliza un proceso similar a la generación in-
situ de hipoclorito. Se genera a través de una célula electrolítica de diafragma, una solución
de salmuera y agua, se aplica una corriente eléctrica y se produce la solución oxidante.
Aunque la química de la solución de oxidantes mixtos es compleja y no completamente
conocida, la evidencia biológica es indiscutible, la más impresionante es la habilidad de la
solución de oxidantes mixtos para inactivar los organismos cloro-resistentes o para lograr
substancialmente un alto nivel de inactivación de otros microorganismos a una dosis más
baja y un tiempo de contacto más corto que el requerido con el hipoclorito (EUROPEST,
2011).
5.4.2. Tipos de plantas de tratamiento de agua potable
Las potabilizadoras se pueden clasificar de acuerdo con la tecnología usada en: plantas
convencionales antiguas, plantas convencionales de tecnología apropiada y plantas de tecnología
importada. También, se pueden clasificar de acuerdo con el tipo de procesos que las conforman
en: plantas de filtración rápida y plantas de filtración lenta (De Vargas, 2004).
5.4.2.1. Plantas de filtración rápida
Estas plantas se denominan así porque los filtros que las integran operan con velocidades altas, de
acuerdo con las características del agua, del medio filtrante y de los recursos disponibles para
operar y mantener estas instalaciones (De Vargas, 2004). Debido a la alta velocidad que se maneja
la formación de biopelícula en los filtros es mínima. Los mecanismos de eliminación de partículas
que van a preponderar en este tipo de plantas serán los físicos (Universidade da Coruña, 2014). De
acuerdo con la calidad del agua por tratar, se presentan dos soluciones dentro de este tipo de plantas
(De Vargas, 2004):
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Planta de filtración rápida completa: Normalmente está integrada por los procesos de
coagulación, decantación, filtración y desinfección. La coagulación tiene dos etapas: una
de mezcla rápida para obtener una dispersión instantánea de la sustancia coagulante en toda
la masa de agua y la otra de floculación para promover la rápida aglomeración y
crecimiento del floculo (agitación lenta). Se recomienda tener personal técnico altamente
capacitado para implementar este tipo de plantas.
Planta de filtración directa: Es una alternativa a la filtración rápida completa, constituida
por los procesos de mezcla rápida y filtración, apropiada solo para aguas claras (Figura 5).
Son ideales para este tipo de solución aguas provenientes de embalses que operan como
grandes sedimentadores y proporcionan aguas poco contaminadas. Sin embargo, la
economía que se obtiene en estos casos en el costo inicial de las obras al considerar apenas
dos procesos, así como en la operación y mantenimiento de la planta (ahorro de 40-50%
de sustancias químicas); justifica ampliamente el mayor costo de los estudios.
Figura 5. Esquema de planta de tratamiento de agua potable de filtración directa.
Fuente: Autores.
5.4.2.2. Plantas de filtración lenta
Los filtros lentos simulan los procesos de tratamiento que se efectúan en la naturaleza en forma
espontánea, al percolar el agua proveniente de las lluvias, ríos, lagos entre otros; a través de capas
de grava, arena y arcilla. Al igual que en la naturaleza, los procesos que emplean estos filtros son
físicos y biológicos. Una planta de filtración lenta como se aprecia en la Tabla 1 puede estar
constituida solo por filtros lentos, pero dependiendo de la calidad del agua, puede comprender los
FILTRACIÓN
COAGULANTE DESINFECTANTE
Entrada de
agua
Salida de
agua MEZCLA
RÁPIDA
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procesos de desarenado, pre sedimentación, sedimentación, filtración gruesa o filtración en grava
y filtración lenta (De Vargas, 2004).
Tabla 1.
Criterios de selección de los procesos en función de la calidad de la fuente para un sistema de filtración lenta.
Alternativas Límites de calidad del agua cruda aceptables
90% del tiempo 80% del tiempo Esporádicamente
Filtro lento de arena
(FLA) solamente
To ≤ 50 UNT
Co ≤ 50 UC
Cf. ≤ (10)4/100 ml
To ≤ 20 UNT
Co ≤ 40 UC To max ≤ 100 UNT
FLA + prefiltro de
grava (PG)
To ≤ 100 UNT
Co ≤ 60 UC
Cf ≤ (10)4/100 ml
To ≤ 60 UNT
Co ≤ 40 UC To max ≤ 150 UNT
FLA + PG +
sedimentador (S)
To ≤ 300 UNT
Co ≤ 60 UC
Cf ≤ (10)4/100 ml
To ≤ 200 UNT
Co ≤ 40 UC To max ≤ 500 UNT
FLA + PG + S +
Presedimentador
To ≤ 500 UNT
Co ≤ 60 UC
Cf ≤ (10)4/100 ml
To ≤ 200 UNT
Co ≤ 40 UC To max ≤ 1000 UNT
Nota. Co = Color del agua cruda, To = Turbiedad del agua cruda, Cf = Coliformes fecales, UC = Unidades de color
cloro platinado de cobalto y UNT = Unidades nefelométricas de turbiedad.
Fuente: Organización Panamericana de la Salud [OPS] (2017).
5.4.3. Costos de potabilización
Los procesos de potabilización deben ser analizados desde una perspectiva de costo y beneficio ya
que a pesar de que dichos procesos generan costo para las empresas de servicios públicos, entes
estatales o directamente a la población; también se deben considerar los gastos que el agua
contaminada representa en la salud pública.
La potabilización incluye el detectar cualquier posible contaminante físico, microbiológico o
químico y aplicar métodos para que no continúe la contaminación (Etienne, 2009). Según la OMS
(2007), la prestación de servicios de suministro de agua potable a las personas que carecen de esta,
es una meta crucial a largo plazo que redundará en considerables beneficios sanitarios y
económicos; esto significa que mundialmente se reconoce que, aunque inicialmente el costo de
potabilización puede resultar elevado, los beneficios respecto al gasto de tratamientos médicos son
mucho mayores. Establecer correctamente los procesos unitarios y el grado de tratamiento es muy
importante para el sistema de abastecimiento ya que según Romero (2011) el desconocimiento ha
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llevado a invertir en equipos y tratamientos que no son los adecuados y terminan siendo obsoletas
o no funcionales.
La Comisión de Regulación de Agua Potable y Saneamiento Básico (CRA) de Colombia profirió
la Resolución CRA 688 de 2014 y la Resolución CRA 735 de 2015 en las cuales estableció la
metodología tarifaria para las personas prestadoras de los servicios públicos domiciliarios de
acueducto y alcantarillado, de acuerdo con su ámbito de aplicación; cobijadas por la Ley 142 de
1994 por la cual se estableció el régimen de los servicios públicos domiciliarios. Esta metodología
tarifaria a groso modo contempla las tarifas del usuario final basándose en costos, subsidios o
contribuciones y el registro de consumo. Los costos son regulados por la CRA y entre estos están
los costos administrativos, costos operativos, costos de inversión y costos ambientales (Resolución
CRA 688, 2014).
De acuerdo con el periódico El Tiempo (Gómez, 2010) citando a la CRA, en el Distrito Capital se
paga el metro cúbico más caro del país. Varias razones explican la elevada tarifa del servicio. En
primer lugar, Bogotá tiene la infraestructura de acueducto más grande del país, una red que alcanza
a recorrer hasta 70 km en ciertos recorridos; en tiempos aproximados representan casi 18 horas de
recorrido desde que el agua sale de Chingaza hasta los puntos más apartados. Para que ese servicio
llegue a cada vivienda y con la misma presión y velocidad, se han construido más de 560 km de
red matriz (que incluyen 14 km de túneles por donde corre el agua) y 8500 km de tuberías de
distribución. Además, para la potabilización del agua y cumplir con los parámetros de calidad
característicos se requiere una colosal compra de químicos y otros productos. Para el 2010 se
gastaron 9000 millones de pesos al año en este aspecto, y como hay que conducir el agua a sitios
altos, a través de una cadena de plantas de bombeo, los costos anuales de energía sumaron otros
27666 millones de pesos. Pero hay más desembolsos que impactan la tarifa: el mantenimiento, los
salarios de la empresa y la facturación del servicio.
Adicionalmente, es importante resaltar los servicios ambientales que prestan los ecosistemas
naturales de alta montaña ya que incide en la disponibilidad de agua en términos de flujos y calidad,
con un importante efecto sobre el costo de suministrar agua potable a las ciudades. En Bogotá,
según datos suministrados por la EAAB, el costo de tratamiento por metro cúbico de agua para
llevarla a condiciones de potabilidad difiere significativamente en las distintas plantas de
tratamiento. Entre la Planta Wiesner (Sistema Chingaza) y El Dorado (Sistema Sur), la diferencia
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en los costos de tratamiento por m3 es de uno a seis respectivamente, que se explica por la
diferencia en la calidad del agua que llega a cada una; cuando el agua que se trata en las plantas
proviene de una cuenca degradada, los costos son mucho más altos que cuando proviene de una
cuenca conservada. Comparando el consumo de agua con el costo de tratamiento, el ahorro en la
Planta Wiesner fue de US$18.2 millones por año. Así se evidencia la importancia y la alta
rentabilidad de invertir en la conservación de las cuencas aportantes para los acueductos
municipales; en el largo plazo, es más beneficioso detener el proceso de deterioro de una cuenca
si ya está parcialmente degradada y realizar las inversiones requeridas para recuperar los servicios
ambientales destruidos, que realizar el tratamiento de potabilización del agua una vez se dé la
degradación por sedimentación y contaminación (Ruiz, 2007).
5.5. Modelos ARIMA
5.5.1. Series de tiempo
Una serie de tiempo se le denomina a cualquier variable que conste de datos reunidos, registrados
u observados sobre incrementos sucesivos de tiempo. Por lo tanto, se concluye que es una
secuencia ordenada de observaciones sobre una variable en particular (Murillo et al., 2003).
Existen univariantes y multivariantes, en este trabajo se van a considerar únicamente las series
temporales univariantes en las cuales solo se analiza una serie temporal en función de su propio
pasado (González, 2009).
Una serie estacionaria es aquella cuyos momentos al origen y a la media no varían a través del
tiempo. Estas situaciones se presentan cuando los patrones de demanda que influyen sobre la serie
son relativamente estables (Murillo et al., 2003). Es preciso que los procesos estocásticos
generadores de las series temporales tengan algún tipo de estabilidad ya que en los modelos
predictivos se aprende de las regularidades del comportamiento pasado de la serie y se proyecta
hacia el futuro (González, 2009).
Las series de tiempo se pueden desagregar en cuatro componentes: tendencia, ciclo, estacionalidad
e irregularidad; que se describen a continuación:
Tendencia: Una serie de tiempo con tendencia es aquella que contiene un componente de
largo plazo que representa el crecimiento o declinación de la serie a través de un período
amplio.
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Estacional: Se define como estacional una serie de tiempo con un patrón de cambio a si
mismo año tras año. Por lo regular, el desarrollo de una técnica de pronóstico estacional
comprende la selección de un método multiplicativo o uno de adición y estimar después
índices estacionales a partir de la historia de la serie.
Ciclo: El efecto cíclico se define como la fluctuación en forma de onda alrededor de la
tendencia. Los patrones cíclicos tienden a repetirse en los datos cada dos, tres o más años.
Es difícil establecer un modelo para estos patrones cíclicos, ya que no son estables.
Irregular: El componente irregular de la serie de tiempo es el factor residual, es decir,
“todo lo que sobra” y toma en consideración las desviaciones de los valores reales de la
serie de tiempo en comparación con los esperados; es el elemento aleatorio (Murillo et al.,
2003).
La metodología de la modelización univariante es sencilla. Dado que el objetivo es explicar el
valor que toma en el momento t una variable que presenta dependencia temporal, una forma de
trabajar es recoger información sobre el pasado de la variable, observar su evolución en el tiempo
y explotar el patrón de regularidad que muestran los datos. La estructura de dependencia temporal
de un proceso estocástico está recogida en la función de autocovarianzas (FACV) y/o en la función
de autocorrelación (FAC). En este contexto, se trata de utilizar la información de estas funciones
para extraer un patrón sistemático y, a partir de este, un modelo que reproduzca el comportamiento
de la serie y se pueda utilizar para predecir. Este procedimiento se hará operativo mediante los
modelos ARIMA que son una aproximación a la estructura teórica general.
Yt=f(Yt−1, Yt−2, Yt−3, … ) + at
Ecuación 1. Modelo general de una serie con dependencia temporal.
Fuente: González (2009).
5.5.2. Análisis de series de tiempo
El objetivo del análisis de una serie temporal es el conocimiento de su patrón de comportamiento,
para así prever su evolución futura, dado que no se trata de fenómenos deterministas, sino sujetos
a una aleatoriedad, el estudio del comportamiento pasado ayuda a inferir la estructura que permita
predecir su comportamiento futuro, pero es necesaria una gran cautela en la previsión debido a la
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inestabilidad de los distintos modelos de series temporales (Terrádez & Juan, 2003), entre estos
modelos encontramos los lineales y los no lineales, los cuales se mencionan en seguida.
5.5.2.1. Modelos no lineales
Modelos por umbrales: Los modelos por umbrales asumen la existencia de diferentes
funciones lineales en diferentes regiones del espacio de los estados. El modelo por
umbrales más conocido es el autorregresivo por umbrales TAR (Threshold
Autoregressive).
Modelos autorregresivos exponenciales de amplitud dependiente: Mejo
