Comisión Nacional del Agua

MANUAL DE AGUA POTABLE,

ALCANTARILLADO Y SANEAMIENTO

GUIA PARA EL DISEÑO DE EMISORES SUBMARINOS

Diciembre de 2007

www.cna.gob.mx

ADVERTENCIA Se autoriza la reproducción sin alteraciones del material contenido en esta obra, sin fines de lucro y citando la fuente. Esta publicación forma parte de los productos generados por la Subdirección General de Agua Potable, Drenaje y Saneamiento, cuyo cuidado editorial estuvo a cargo de la Gerencia de Cuencas Transfronterizas de la Comisión Nacional del Agua. Manual de Agua Potable, Alcantarillado y Saneamiento. Edición 2007 ISBN: 978-968-817-880-5 Autor: Comisión Nacional del Agua Insurgentes Sur No. 2416 Col. Copilco El Bajo C.P. 04340, Coyoacán, México, D.F. Tel. (55) 5174-4000 www.cna.gob.mx Editor: Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales Boulevard Adolfo Ruiz Cortines No. 4209 Col. Jardines de la Montaña, C.P 14210, Tlalpan, México, D.F. Impreso en México Distribución gratuita. Prohibida su venta.

Comisión Nacional del Agua Ing. José Luis Luege Tamargo Director General Ing. Marco Antonio Velázquez Holguín Coordinador de Asesores de la Dirección General Ing. Raúl Alberto Navarro Garza Subdirector General de Administración Lic. Roberto Anaya Moreno Subdirector General de Administración del Agua Ing. José Ramón Ardavín Ituarte Subdirector General de Agua Potable, Drenaje y Saneamiento Ing. Sergio Soto Priante Subdirector General de Infraestructura Hidroagrícola Lic. Jesús Becerra Pedrote Subdirector General Jurídico Ing. José Antonio Rodríguez Tirado Subdirector General de Programación Dr. Felipe Ignacio Arreguín Cortés Subdirector General Técnico Lic. René Francisco Bolio Halloran Coordinador General de Atención de Emergencias y Consejos de Cuenca M.C.C. Heidi Storsberg Montes Coordinadora General de Atención Institucional, Comunicación y Cultura del Agua Lic. Mario Alberto Rodríguez Pérez Coordinador General de Revisión y Liquidación Fiscal Dr. Michel Rosengaus Moshinsky Coordinador General del Servicio Meteorológico Nacional C. Rafael Reyes Guerra Titular del Órgano Interno de Control Responsable de la publicación: Subdirección General de Agua Potable, Drenaje y Saneamiento

Coordinador a cargo del proyecto: Ing. Eduardo Martínez Oliver Subgerente de Normalización La Comisión Nacional del Agua contrató la Edición 2007 de los Manuales con el

INSTITUTO MEXICANO DE TECNOLOGÍA DEL AGUA según convenio CNA-IMTA-SGT-GINT-001-2007 (Proyecto HC0758.3) del 2 de julio de 2007 Participaron:

Dr. Velitchko G. Tzatchkov M. I. Ignacio A. Caldiño Villagómez

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CONTENIDO 1. INTRODUCCIÓN ....................................................................................................2

2. CONCEPTOS BÁSICOS Y ASPECTOS TEÓRICOS.............................................7

2.1 EL EMISOR SUBMARINO ....................................................................................7 2.1.1 El difusor submarino...........................................................................................8

2.2 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE LAS DESCARGAS.........................................9 2.2.1 Descargas superficiales .....................................................................................9 2.2.2 Descargas sumergidas.....................................................................................11

2.3 PROCESOS DE DILUCIÓN................................................................................12 2.3.1 Dilución inicial...................................................................................................12 2.3.2 Dilución por inactivación bacteriana .................................................................14 2.3.3 Dilución por dispersión horizontal.....................................................................14 2.3.4 Dilución total.....................................................................................................15

2.4 TIPOS DE AGUAS DESCARGADAS..................................................................16 2.4.1 Origen de las aguas residuales domésticas. ....................................................17 2.4.2 Origen de las aguas residuales industriales. ....................................................17 2.4.3 Infiltración y aportaciones incontroladas...........................................................19 2.4.4 Aguas pluviales en alcantarillado. ....................................................................19 2.4.5 Origen de las aguas residuales termales. ........................................................20 2.4.6 Origen de las descargas salinas. .....................................................................21

2.5 LOS EMISORES SUBMARINOS EN MEXICO ...................................................21 2.5.1 El emisor submarino de la Planta de Bióxido de Titanio de Du Pont, México S.A. de C.V., Planta Altamira, Tamaulipas. ...............................................................21 2.5.2 El emisor de Mazatlán......................................................................................24 2.5.3 El emisor de Puerto Vallarta.............................................................................27

3. MEDICIÓN, ANÁLISIS Y PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN................31

3.1 INTRODUCCIÓN ................................................................................................31 3.1.1 Características de los estudios requeridos para la construcción del emisor submarino..................................................................................................................31

3.2 ESTUDIOS PRELIMINARES ..............................................................................32 3.2.1 Características de los estudios.........................................................................33

3.3 ESTUDIOS TOPOGRÁFICOS Y BATIMÉTRICOS .............................................35 3.3.1 Topografía de la zona.......................................................................................35 3.3.2 Batimetría .........................................................................................................35 3.3.3 Selección de los sitios de posibles descargas..................................................36

3.4 ESTUDIOS METEOROLÓGICOS.......................................................................36 3.4.1 Vientos locales y huracanados.........................................................................36 3.4.2 Vientos en zonas costera .................................................................................37 3.4.3 Características de los vientos cerca de la superficie........................................37 3.4.4 Vientos extremos (huracanes)..........................................................................38

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3.5 ESTUDIOS OCEANOGRÁFICOS.......................................................................40 3.5.1 Mareas .............................................................................................................40 3.5.2 Corrientes.........................................................................................................43 3.5.3 Oleaje ...............................................................................................................45 3.5.4 Difusión y dispersión ........................................................................................46 3.5.5 Procesos costeros............................................................................................48 3.5.6 Propiedades del agua del mar..........................................................................50 3.5.7 Estudios geológicos .........................................................................................52

3.6 INSTRUMENTOS, TÉCNICAS DE MEDICION Y ANÁLISIS. .............................53 3.6.1 Información geológica y topográfica.................................................................53 3.6.2 Información meteorológica ...............................................................................53 3.6.3 Información oceanográfica y de calidad del agua ............................................54 3.6.4 Marea ...............................................................................................................54 3.6.5 Corrientes.........................................................................................................54 3.6.6 Oleaje ...............................................................................................................57 3.6.7 Calidad del agua ..............................................................................................58 3.6.8 Barcos oceanográficos.....................................................................................58

4. CRITERIOS DE DISEÑO ......................................................................................60

4.1 INTRODUCCIÓN ................................................................................................60

4.2 CARACTERÍSTICAS DE LAS DESCARGAS......................................................62 4.2.1 Datos de la descarga........................................................................................62

4.3 ANÁLISIS HIDRÁULICO DE LA TUBERÍA PRINCIPAL DEL EMISOR ..............63

4.4 REVISIÓN HIDRÁULICA DEL DIFUSOR...........................................................67

4.5 ESTUDIO DE LA DISPERSIÓN DE LA PLUMA CONTAMINANTE....................68

4.6 PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO ......................................................................71 4.6.1 Sección de Datos Básicos................................................................................71 4.6.2 Sección de Cálculos .........................................................................................71 4.6.3 Sección de manejo de concentraciones (coliformes/ml)...................................72

4.7 REVISIÓN DE LAS NORMAS DE CALIDAD DE AGUA EN ZONAS COSTERAS..................................................................................................................................73

4.8 SOFTWARE DISPONIBLE EN LA LITERATURA ...............................................74 4.8.1 Revisión hidráulica de la conducción ...............................................................74 4.8.2 Determinación de la dinámica del mar .............................................................75 4.8.3 Estudio de dilución y dispersión de la pluma....................................................80

4.9 ESTUDIOS DE IMPACTO AMBIENTAL..............................................................84 4.9.1 Ubicación del emisor ........................................................................................84 4.9.2 Profundidad de la descarga..............................................................................84 4.9.3 Difusores y dilución inicial ................................................................................84 4.9.4 Corrientes marinas ...........................................................................................84 4.9.5 Información básica requerida para evaluar el impacto ambiental.....................84

5. ASPECTOS TÉCNICOS .......................................................................................89

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5.1 INTRODUCCIÓN ................................................................................................89

5.2 SELECCIÓN DEL MATERIAL.............................................................................90 5.2.1 Tuberías de hierro fundido ...............................................................................91 5.2.2 Tuberías de acero ............................................................................................92 5.2.3 Tuberías de concreto .......................................................................................93 5.2.4 Tuberías de plástico .........................................................................................94

5.3 LAS CAUSAS DE LAS FALLAS EN LOS EMISORES........................................97

5.4 AGENTES GENERADORES DE FUERZAS HIDRODINÁMICAS ......................97 5.4.1 Agentes debidos a la dinámica del mar............................................................97 5.4.2 Agentes debidos al fluido en movimiento .........................................................99

5.5 ANÁLISIS DE LA ESTABILIDAD DE LA TUBERÍA...........................................101

5.6 REVISIÓN POR SISMICIDAD...........................................................................102 5.6.1 Elección del Tipo de Análisis..........................................................................102 5.6.2 Método Simplificado .......................................................................................103 5.6.3 Método Pseudoestático ..................................................................................106 5.6.4 Análisis Dinámico ...........................................................................................107 5.6.5 Cruce de Fallas Geológicas Activas...............................................................107

5.7 ANCLAJES Y PILOTAJES ................................................................................109

5.8 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCCIÓN E INSTALACIÓN ...............................111 5.8.1 Aspectos de la construcción de un emisor .....................................................111 5.8.2 Selección del diámetro de la tubería ..............................................................112 5.8.3 Selección de la razón de dimensión estándar de la tubería (SDR) ................113 5.8.4 Anclaje de los emisores submarinos de PEAD. .............................................115 5.8.5 Determinación de la distancia entre las pesas del ancla ................................115 5.8.6 Determinación del peso del collarín del ancla ................................................116 5.8.7 Diseño del ancla.............................................................................................118 5.8.8 Moldeado de las anclas de concreto en el lugar de trabajo............................119 5.8.9 Unión de los tramos y acoplamiento de los anclajes a la tubería ...................122 5.8.10 Flotación, inmersión y colocación del emisor submarino..............................125 5.8.11 Problema ejemplo. .......................................................................................127

6. EJEMPLOS.........................................................................................................132

6.1 EMISOR SUBMARINO DE COYUCA DE BENÍTEZ, GRO. MÉXICO. ..............132 6.1.1 Antecedentes .................................................................................................132 6.1.2 Recopilación y análisis de información...........................................................133 6.1.3 Selección de los posibles sitios de descarga .................................................134 6.1.4 Datos de la descarga......................................................................................134 6.1.5 Análisis de alternativas. Estudio de las diluciones .........................................134 6.1.6 Ejemplo de diseño del emisor ........................................................................136 6.1.7 Conclusiones..................................................................................................153

6.2 EMISOR SUBMARINO DEL BESÓS, BARCELONA, ESPAÑA........................153 6.2.1 Antecedentes .................................................................................................153 6.2.2 La solución elegida.........................................................................................154

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6.2.3 Proceso de construcción del emisor...............................................................157 6.2.4 Fabricación de la tubería ................................................................................158 6.2.5 Patio de almacenamiento ...............................................................................161 6.2.6 Dragado..........................................................................................................162 6.2.7 Sitios importantes de cruce ............................................................................163 6.2.8 Maniobra de tiro y lanzamiento ......................................................................164 6.2.9 Operaciones finales........................................................................................165 6.2.10 Estación de bombeo.....................................................................................166

6.3 EMISOR DEL BAIX LLOBREGAT, BARCELONA, ESPAÑA ............................167 6.3.1 Datos generales .............................................................................................167 6.3.2 Descripción de las obras ................................................................................167 6.3.3 Principales características del emisor ............................................................168

6.4 EMISOR DE SAN DIEGO, CALIFORNIA..........................................................172 6.4.1 Datos generales .............................................................................................172

6.5 EMISOR DE NIZA .............................................................................................175

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Manual de agua potable, alcantarillado y saneamiento Guía para el diseño de emisores submarinos

Resumen El objetivo del libro Guía para el diseño de emisores submarinos es de disponer de la metodología para el diseño y construcción de los emisores submarinos, que forma parte del Manual de Agua Potable, Alcantarillado y Saneamiento, de la Gerencia de Ingeniería Básica y Normas Técnicas perteneciente a la Subdirección General Técnica de la CNA. El libro se centrará en los criterios establecidos para las descargas de aguas residuales provenientes de las plantas de tratamiento. El libro agrupa el procedimiento para el diseño de emisores submarinos, desde este punto de vista se hace una descripción de los elementos teóricos necesarios para el entendimiento del proceso físico y matemático de las variables. Se presenta una revisión rápida de los emisores submarinos en México; se mencionan los emisores de Altamira, Mazatlán y Puerto Vallarta. Enseguida se manejan los aspectos concernientes a la recopilación, manejo y tratamiento de los estudios de base necesarios; estos estudios incluyen datos concernientes a las condiciones de la calidad del agua y el volumen a verter, la información topográfica, geológica, oceanográfica y meteorológica necesaria. Se describen los criterios de diseño de los emisores los cuales abarcan fundamentos prácticos, hidráulicos y ambientales, recopilados de un sin numero de fuentes bibliográficas. Se presenta una revisión de las normas de calidad de aguas en México, se sugieren también algunos elementos de carácter económico y social que deben de considerase en el proceso de diseño. Se describen algunos aspectos técnicos como son los tipos de materiales que se utilizan o recomiendan, los procedimientos constructivos y los métodos de colocado in situ. Finalmente se mencionan algunos ejemplos a nivel mundial de los emisores del Besós y del Baix Llobregat de Barcelona, España; el emisor de San Diego California; el emisor de la Station de depuration de la Ville de Nice, en Francia. Se menciona también el anteproyecto realizado para el diseño del emisor de Coyuca de Benítez en el estado de Guerrero.

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1. INTRODUCCIÓN El problema de la contaminación de los diferentes cuerpos de agua, es un fenómeno que responde al creciente grado de actividad contaminante que se viene dando en las últimas décadas. El desarrollo de los procesos industriales y el incremento de transporte marítimo aunado al crecimiento poblacional han incidido en un brusco y extraordinario aumento en la recepción de los cuerpos de agua de sustancias externas contaminantes. El término contaminante ha sido definido en la legislación mexicana como toda materia o energía, en cualesquiera de sus estados físicos y formas, que al incorporarse o actuar en la atmósfera, agua, suelo, flora, fauna o cualquier elemento natural, altere o modifique su composición y condición natural. Por el término contaminación, se entiende la presencia en el ambiente de uno o más contaminantes o de cualquier combinación de ellos que cause desequilibrio ecológico. Las fuentes de generación las podemos clasificar en actividades industriales, agrícolas, y domésticas, plantas nucleares, fuentes ocasionales y naturales. A pesar de la presencia de la contaminación en el medio ambiente durante varios siglos, es únicamente hasta los años treinta, cuando el desarrollo tecnológico industrial se incrementa, las ciudades comienzan a crecer en forma desproporcionada, se acelera el deterioro del medio ambiente, llegando en estas dos últimas décadas a alcanzar niveles tan grandes que no sólo afecta la naturaleza, sino la misma existencia de la vida. La explosión demográfica, el desarrollo tecnológico, la sobre explotación de los recursos naturales, están ligados en un ciclo vicioso cada vez más intenso y la consecuencia es el deterioro del medio ambiente. Además, en ciertos países, las principales ciudades tienen un índice alto de sobrepoblación, lo cual impide una correcta planeación de los servicios básicos, lo que a su vez también contribuye al deterioro del medio ambiente. La circulación de contaminantes es global, por ende, también lo son sus efectos; por muy alejada que se encuentre una comunidad de los grandes conglomerados urbano-industriales, mantiene una cierta relación comercial y utiliza técnicas de producción dañinas para su medio ambiente, sus productos químicamente tratados, lesionan la salud a largo plazo (aunque el consumo mayor de estos productos se lleve a cabo en las ciudades). Por otra parte, el régimen de vientos y aguas transporta los residuos de la ciudad a cientos de kilómetros de ella, con lo que se generaliza la circulación de contaminantes, de aquí el término de global. Algunas actividades del hombre y los animales migratorios también contribuyen como mecanismos conductores de contaminación. Prácticamente no hay ecosistema acuático que no se encuentre contaminado por aguas negras municipales, pesticidas, aceites, detergentes y en general por una gran cantidad de desechos que afectan la pureza de sus aguas y la vida acuática en las mismas. De particular importancia es el mar que es el ecosistema considerado por muchos como el que da inicio al ciclo hidrológico y que además recibe las consecuencias cuando las aguas regresan a él; efectivamente, las aguas, en sus distintas fases

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recorren diversos ecosistemas y que al estar contaminados se impregna de impurezas, como se describió anteriormente. El incremento de las actividades en las zonas costeras como consecuencia del creciente desarrollo tecnológico ha deteriorado los sistemas marinos en los últimos años a tal grado que las necesidades de restauración de estos ecosistemas son urgentes. Escurrimientos naturales, sistemas de drenaje de aguas municipales y pluviales, descargas de plantas de tratamiento y descargas de plantas industriales toman al mar como fuente receptora de sus descargas, lo que origina que sus parámetros físicos, químicos y biológicos se vean alterados. Consecuentemente la toma de conciencia de las autoridades sobre el problema de la contaminación de los diferentes cuerpos de agua ha ido en aumento y las restricciones son cada vez más estrictas. Desde el inicio de la humanidad, los océanos del mundo, que cubren 70 % de la superficie de la tierra, han sido utilizados como un receptáculo de desechos humanos sin embargo, en términos generales no han sufrido mayores cambios, pues la composición química del mar se ha mantenido esencialmente por más de un millón de años, aun mas cuando se compara la enorme cantidad de materia orgánica y sedimentos llevados al mar por los ríos del mundo como resultado de procesos naturales, la contribución de aguas cloacales producidas por el hombre es pequeña. Una observación interesante sobre la poca importancia relativa de la materia orgánica fue hecha por el Dr. John D. Isaacs1 quien hizo notar que sólo la descarga fecal de las anchoas a las aguas costeras del sur de California era equivalente en contenido orgánico (demanda bioquímica de oxígeno y sólidos suspendidos) a las aguas cloacales de alrededor de 90 millones de personas, y ésta es sólo una de los cientos de especies de vida marina. Esto parecería refutar un punto de vista prominente, apoyado por algunos ambientalistas que eliminarían todas las formas de evacuación hacia los océanos. Sin embargo ocurren problemas cuando el hombre concentra los desperdicios en áreas restringidas en vez de dispersarlos en áreas más amplias donde el proceso natural de purificación puede actuar con mayor facilidad. Normalmente se desarrollan grandes centros poblados a lo largo de los litorales, en vista de la magnitud del océano, es lógico así como económico, que la descarga de las aguas residuales de las ciudades costeras se haga a las aguas marinas adyacentes. 1 Tomada de Salas H. J. (1994)

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Un emisor submarino diseñado apropiadamente provee de un mecanismo eficaz para mitigar la contaminación contenida en las aguas servidas. Se pueden alcanzar diluciones inmediatas iniciales del orden de 100 a 1 en forma consistente durante los primeros minutos de descarga, lo que reduce la concentración de materia orgánica y nutrientes, características de aguas negras, niveles que no tendrían efectos ecológicos adversos en el mar abierto. Muy por el contrario la introducción de tales sustancias a un ambiente oceánico usualmente deficiente en nutrientes podría probablemente ser beneficioso en muchas situaciones. Después de la descarga, la reducción de organismos patógenos para cumplir con criterios establecidos para playas de recreo se obtienen a través de dilución física y mortandad en el medio marino hostil. Como ha sido demostrado por numerosos investigadores, los emisores submarinos apropiadamente diseñados para la descarga de aguas negras típicas, no han producido impactos ecológicos significativamente adversos. Para la descarga de sustancias tóxicas tales como PCBs (bifenilos policlorados), pesticidas, mercurio y otros, se necesitan análisis mas profundos con énfasis en el control de las fuentes. Surge el dilema sobre cuál es la manera más apropiada de disposición final: la adopción de tratamiento convencional de aguas servidas versus emisores submarinos. A menos que haya una clara justificación, en América Latina no se debe adoptar, a priori, prácticas de algunos países desarrollados, que obedeciendo a razones políticas en vez de técnicas, exigen el tratamiento secundario de aguas residuales. Más bien, en una situación de mar abierto, no compleja, los emisores submarinos en combinación con el pretratamiento o tratamiento primario sólo para la remoción de material flotante, grasa y aceite posee muchas ventajas sobre las soluciones convencionales que utilizan tratamiento secundario de aguas residuales con descargas más cercanas al litoral Por ejemplo, una dilución inicial de 100 a 1 alcanzada por la aplicación de emisores submarinos está muy lejos de lo que se puede lograr con tratamiento secundario convencional en lo que se refiere a remoción de materia orgánica y nutrientes. Asimismo, la posterior mortalidad de bacterias puede reducir aún mas los patógenos a niveles comparables, o menores a aquellos alcanzados por cloración de los efluentes secundarios. Un argumento natural que favorece a los emisores es que los procesos de tratamiento biológicos están sujetos frecuentemente a trastornos que podría resultan en la descarga de aguas residuales crudas en o cerca del litoral. Descontando la falla estructural lo que raramente se encuentra en diseños modernos, tales descargas no pueden ocurrir con el uso de emisores submarinos que descargan fuera del litoral; además, los emisores pueden ser diseñados para manejar adecuadamente variaciones estaciónales significantes del flujo de las aguas negras, debido a la población transitoria típica de áreas turísticas. Esta flexibilidad no sería tan factible con sistemas biológicos de tratamiento secundario.

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El tratamiento secundario convencional también separa el efluente a un costo elevado, en dos corrientes de aguas servidas: efluente tratado que es casi siempre clorado, y lodo - ambos usualmente encuentran su camino hacia el ambiente marino por emisarios separados, lo cual puede considerarse supérfluo. Finalmente, en plantas convencionales no hay redacción significativa de la mayoría de las sustancias tóxicas. Un análisis económico de Ludwig (1998) demuestra que para las aguas residuales urbanas típicas, la diferencia de costo de construcción y mantenimiento y operaciones entre el tratamiento secundario convencional, por una parte, y los emisores submarinos largos con solo tratamiento primario convencional, por la otra, claramente favorece a la última. Esta conclusión se basa en que los emisores submarinos largos (3 a 5 km), diseñados apropiadamente, y que descargan en aguas de profundidades mayores a 20 metros, casi siempre cumplen con estándares tanto de coliformes totales como fecales, para playas de recreo. Limitando el tratamiento sólo para la remoción de flotantes, grasas y aceites, la comparación sería aun más favorable a los emisores, aunque para tales descargas se debe evaluar la posible acumulación de sedimentos en el fondo y su posterior movimiento hacia el litoral debido a corrientes marinas cerca del fondo. Asimismo, el uso reciente de plásticos más económicos en la construcción de emisores alimenta la viabilidad de esta alternativa para disposición de aguas residuales, especialmente para comunidades pequeñas e intermedias. En México, particularmente las zonas del golfo se ven afectadas por la intensidad de las actividades petroleras, las cuales vierten al mar gran cantidad de desechos, producto de los procesos de exploración y explotación del crudo. Del lado del Pacífico se tienen actualmente problemas de contaminación a lo largo del sistema lagunar de Acapulco, integrado por la laguna de Coyuca, la bahía de Acapulco, la Laguna Negra y la Laguna de Tres Palos. La explosión demográfica ha traído como consecuencia una degradación de la zona o cuencas que confluyen al sistema lagunar, provocando que grandes cantidades de desechos sean arrastrados por los ríos, sobre todo en temporada de lluvias, hasta su desembocadura en las lagunas o el mar. La opción de construir planes integrales de saneamiento debe ser urgentemente promovido por las instancias gubernamentales para remediar los ecosistemas costeros a nivel nacional y evitar en lo posible las descargas en forma directa al mar y reducir al máximo el impacto al medio ambiente. La combinación del diseño y mejoramiento de plantas de tratamiento de aguas residuales en zonas estratégicas y complementados con emisores submarinos es una alternativa viable que se ha desarrollado en países como Estados Unidos, España, Francia, entre otros. La forma más recomendable de disposición de aguas residuales es descargarlas a través de tuberías dentro de cuerpos de agua cercanos. Las tuberías para descargas son más comúnmente diseñadas con el fin de alcanzar o lograr fines de calidad del agua, es decir, el principal objetivo de la disposición de aguas residuales en el mar es diluir los contaminantes tan rápida y completamente como sea posible para evitar efectos tóxicos y minimizar también el impacto en el ambiente marino de las

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inmediaciones del sitio de descarga. Por ejemplo el uso de tuberías muy largas, en combinación con características de diseño tales como grandes difusores con multipuertos, puede resultar en descargas de efluentes que son altamente diluidos y más lejos de la línea de costa. Una vez ocurrida la dilución inicial, las corrientes oceánicas actúan para seguir diluyendo y purificando dicha descarga. La cantidad de agua transportada en las corrientes marítimas es inmensa en comparación con las cantidades evacuadas por las más grandes obras de descarga. La alternativa de emisores submarinos también debe evaluarse en términos de necesidades locales del área. Por ejemplo, en zonas costeras áridas, como en el Perú, el rehúso de aguas residuales tratadas pueden ser una alternativa viable. También, las prioridades socioeconómicas tomarían una mayor importancia en algunos países en desarrollo donde la distribución de los escasos recursos se tiene que hacer dentro del marco de la carencia de hospitales, colegios, abastecimientos seguros de agua o aún el alimento necesario para sobrevivir. Se debe evitar la ubicación de emisarios submarinos para disposición de aguas residuales cerca de áreas ambientales sensibles tales como arrecifes, corales y lugares de cosecha de mariscos etc. En este texto se presentan los elementos necesarios de soporte para el diseño de los emisores submarinos organizados en cinco partes como se describe a continuación:

• Conceptos básicos y aspectos teóricos •Medición, análisis y procesamiento de la información •Criterios de diseño •Aspectos técnicos de diseño •Ejemplos de diseño

Cada una de estas partes proporciona algunos elementos útiles para el diseño de los emisores submarinos.

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2. CONCEPTOS BÁSICOS Y ASPECTOS TEÓRICOS 2.1. EL EMISOR SUBMARINO Un emisor submarino es una tubería sumergida que conduce aguas residuales desde la tierra hacia el mar. La localización del punto de descarga de ese emisor es de gran importancia ya que afecta la relación en la cual la dispersión tomará lugar y el tiempo requerido para que cualquier efluente alcance la línea costera. Los emisores modernos no solo terminan con una tubería abierta descargando los desechos, sino que además, el sistema emisor consiste de la tubería principal, accesorios, y sistema de difusores como se indica en la Figura 2.1. El emisor es generalmente cubierto al final, con las aguas residuales saliendo a través de puertos a lo largo de la longitud de la tubería conocida como difusor. Los difusores son generalmente estructuras de algunas decenas de metros de longitud. El agua residual pasando a través de los puertos es por lo general menos densa que el agua de mar circundante, y tiende a elevarse hacia la superficie libre. A medida que la pluma de desechos sube, se mezcla con el agua circundante diluyéndose en mayor grado en las orillas de la pluma y en menor grado en el centro. Si las aguas receptoras están en movimiento, la pluma tenderá a moverse con ellas, formando un campo con aguas residuales mezcladas y la dilución se incrementará. Con el tiempo, los contaminantes de las aguas residuales empezaran a difundirse dentro del agua del ambiente. Si hay gradientes de densidad en las aguas receptoras, es posible que la pluma pueda ser atrapada bajo la superficie del agua. El grado de mezclado o dilución que ocurre antes de la difusión de los desechos o que inicie la advección es llamado dilución inicial. La dilución mínima del efluente en la superficie del agua es de gran interés, ya que esta determina la máxima concentración de contaminante en la superficie.

Figura 2.1. Composición del sistema de emisión submarino

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Tubería del emisor: Actualmente el tipo más común de tuberías para emisores submarinos son tuberías de concreto reforzado sobre todo para cuando los diámetros son considerables, aunque en el pasado fueron utilizadas tuberías de hierro fundido y hierro forjado, acero y plástico. Las tuberías de concreto son las más frecuentemente usadas porque además de construirse de grandes tamaños, son muy resistentes a ataques del agua de mar y de organismos marinos, y pueden ser reforzadas con cilindros de acero para dar una excelente resistencia a la tensión y a la compresión. Existen emisores de tubería de concreto instalados con diámetros que varían desde 0.305 m a 3.658 m; en profundidades que alcanzan los 100 m y longitudes de hasta 11 Km. Los diversos parámetros que caracterizan la obra para abordar un proyecto consistente de un emisor submarino dependen de datos concernientes a la naturaleza del efluente; número de habitantes de acuerdo con el sistema de la red de alcantarillado o en su caso, caudal vertido; tipo de tratamiento que recibe el efluente; vientos; oleaje; corrientes; uso de la zona de descarga. En base a esto se diseña el sistema emisor, tomando en cuenta otro tipo de datos como la forma de la costa; flora y fauna; naturaleza del fondo y perfil batimétrico; corrientes marinas; oleaje y mareas; hidrometeorologia local, etc. Con estos grupos de datos se procede al diseño de los parámetros propios del sistema como son: longitud y diámetro del emisor; velocidad del efluente en el emisor; número de tubos, longitud y diámetro del difusor; materiales y sus características físicas y químicas; cimentación y anclaje de los tubos, y otros. El punto de descarga final debe ser localizado en una área lo suficientemente profunda para asegurar en todo lo posible un campo de desechos sumergido. La experiencia en el diseño de emisores submarinos a nivel mundial establece profundidades de 30 a 60 m, aunque es común encontrar diseños con profundidades que van desde los 20 m; para descargas pequeñas suelen utilizarse profundidades todavía menores. No existe una regla para este diseño y mas bien resulta del análisis de muchos factores y los objetivos de la obra. La zona de descarga debe ser también lo suficientemente lejos de la costa e impedir que las corrientes transporten las descargas directamente a la línea de playa. Existen otros factores que puedan ser importantes, por ejemplo, el sistema debe ubicarse, en la medida de lo posible, lejos de áreas de rastreo de pesca o anclas de dragado de barcos que puedan dañarlos. Este problema se puede superar enterrando el emisor aunque esto puede resultar una operación costosa y habría que revisar el balance costo-operación-beneficio. Finalmente, el sistema del emisor y el difusor debe ser localizado en fondo de material relativamente estable lejos de afloramientos de rocas y áreas de grandes corrientes u ondas que puedan causar algún tipo de movimiento del sistema y provocar fracturas o hasta la ruptura del emisor. 2.1.1. El difusor submarino La localización del sistema difusor es un factor que muchas veces resulta crítico ya que es la estructura con mayor impacto en la dilución de las aguas de descarga. Se

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recomienda colocar esta estructura de forma horizontal y enterrada para facilitar operaciones de instalación y disminuir los efectos de los asentamientos de los sólidos. Las boquillas de los difusores se instalan de tal forma que garanticen que no se azolvaran en el movimiento natural del material del fondo. Un tipo efectivo y simple de difusor es el que distribuye el efluente a través de muchas bocas sobre un área grande, con una mínima pérdida de carga. La distribución del flujo debe producirse de modo que la descarga por cada boca sea aproximadamente uniforme; la velocidad del flujo en todas las partes del difusor debe de ser lo suficientemente alta como para impedir que se le depositen partículas residuales restantes después de la sedimentación primaria, además, el diseño debe de permitir limpiezas ocasionales y las bocas deben de descargar llenas en todo momento para evitar la entrada de agua de mar. La pérdida de carga total en el sistema debe mantenerse razonablemente baja. Los difusores pueden instalarse en una variedad de configuraciones como se indica el la Figura 2.2.

Figura 2.2 Diferentes formas de estructuras difusoras 2.2. CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE LAS DESCARGAS 2.2.1. Descargas superficiales Los efluentes vertidos tienen generalmente menor densidad que las aguas marinas, por lo que tienden a elevarse dentro de estas, o bien, cuando son descargadas en la superficie, a flotar horizontalmente a lo largo de la superficie, desde el cauce, canal o tubería de entrada o descarga (Figura 2.3); este fenómeno conserva alguna similaridad con la mayoría de los chorros de descargas sumergidas. Para una distancia relativamente corta, el efluente se comporta como chorro regido por la cantidad de movimiento inicial y dispersándose en sentidos lateral y vertical debido al mezclado turbulento. En este tipo de descargas son importantes la sección transversal y orientación del flujo entrando en el curso de la corriente.

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a) Chorro superficial flotante en ambiente estancado.

b) Chorro superficial flotante en ambiente con flujo transversal.

c) Chorro superficial pegado a la frontera aguas abajo en ambiente con flujo transversal.

d) Pluma introduciéndose hacia aguas arriba en ambiente con flujo transversal débil.

Figura 2.3 Patrones típicos de flujo en chorros flotantes bajo condiciones de

corrientes y aguas estancadas. Después de esta etapa, las entradas verticales llegan a ser inhibidas debido al frenado de la masa flotante de los movimientos turbulentos, y el chorro experimenta una fuerte dispersión lateral. Durante las condiciones de ambiente estancado, se puede formar una capa razonablemente delgada en la superficie de las aguas receptoras; esta capa puede experimentar movimientos de dispersión flotando como se muestra en la Figura 2.3. En la presencia de flujo transversal en el ambiente, los chorros en la superficie flotante pueden mostrar cualquiera de los tres tipos de características siguientes de flujo: un chorro desviado débilmente que no interactúa con las líneas de corriente (Figura 2.3b); cuando el flujo transversal es fuerte, puede juntarse aguas abajo a la frontera formando una pluma pegada a la línea de frontera (Figura 2.3c). Cuando una

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descarga alta que fluye flotando se combina con una corriente transversal débil, los efectos de difusión de la masa flotante pueden ser tan fuertes que forma una pluma entrando aguas arriba que también permanece cerrada o pegada a la línea de frontera (Figura 2.3d). 2.2.2. Descargas sumergidas En la mayoría de los casos, las aguas receptoras no están homogéneamente mezcladas en la profundidad; es decir, son más densas en el fondo que cerca de la superficie, lo que produce una estratificación. Debido a su densidad, que es aproximadamente igual a la de las aguas dulces, las aguas residuales tienden a subir al ser descargadas en el fondo del mar y por consiguiente, incrementa su peso, más que el agua superficial. Este cambio en la densidad con la profundidad tiene un efecto significante en la dilución inicial y puede evitar que la pluma alcance totalmente a la superficie provocando que los desechos queden atrapados bajo la superficie, lo cual es deseable usualmente por razones tanto higiénicas como estéticas, formando un campo de contaminantes sumergido (Figura 2.4). Las capas superficiales con aguas residuales pueden moverse a grandes distancias por la influencia de vientos y olas, frecuentemente hacia la línea costera. Además, las corrientes subsuperficiales son usualmente menores que las superficiales, así que el tiempo de viaje hacia la línea costera se incrementa y se alcanza un mayor tiempo para la degradación del agua residual.

Figura 2.4 Atrapamiento de aguas residuales en aguas de densidad homogénea (a) y estratificada (b)

La variación de la densidad con respecto a la profundidad puede calcularse con la relación dρa/dz y será negativa moviéndose hacia la superficie. La variable z representa la dimensión vertical; ρa(Zo) es utilizado para referir la densidad del mar al nivel de la descarga del difusor (Z0). La profundidad a la cual la pluma se elevará y la dilución mínima que ocurrirá dentro de la pluma puede calcularse relativamente fácil si se asume un cambio lineal en la densidad del agua de mar.

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2.3. PROCESOS DE DILUCIÓN Es común que en zonas costeras las aguas municipales provenientes de los sistemas de alcantarillado se viertan al mar; las normas de calidad generalmente sugieren que esas aguas sean previamente tratadas y depositadas en zonas profundas y alejadas de la línea de playa. El diseño apropiado de un sistema emisor puede lograr diluciones suficientes de la descarga de aguas residuales para reducir las concentraciones de contaminantes a niveles establecidos por las normas de calidad de agua. Una dilución mínima de 100:1 es común y permite que los efectos del emisor supere los tratamientos de las plantas de tratamiento convencionales. Hay varios mecanismos que controlan las características de dilución de un emisor los cuales usualmente se consideran en tres fases y son conocidas como dilución inicial, dilución bacteriana y dilución por transporte y dispersión horizontal. 2.3.1. Dilución inicial La dilución inicial ocurre durante los primeros minutos al salir las aguas residuales del emisor y está sujeta a tres etapas principales: en primer lugar, la mezcla causada por el impulso de las aguas servidas al salir del emisor provoca una fuerza ascendente causada por la diferencia de densidad entre las aguas residuales y las aguas de mar (diferencia en temperatura y salinidad que hace que el campo de aguas residuales ascienda en la columna de aguas extendiéndose en el proceso y, por lo tanto, mezclándose con agua de mar, y finalmente, el efecto de la corriente que causa una mezcla lateral de agua de mar renovadora en el campo de las aguas residuales. En segundo lugar, se crea un campo homogéneo de aguas residuales por difusión y es una transición desde el chorro ascendente, o línea de origen, a una pluma difundida acarreada por la corriente marítima. En la última o tercera etapa la pluma es acarreada desde las inmediaciones del difusor y diluida aún más por efecto de difusión marina. En esta misma etapa, la sedimentación y la desaparición gradual de bacterias o contaminantes no conservativos contribuyen igualmente a diluir la concentración. La dilución media de la pluma que se obtiene al descargar verticalmente a través de un solo puerto u orificio está dada por:

2Dm H)Q/U(29.0S = (2.1)

donde QD es el gasto de descarga (m3/s) H Profundidad de descarga, en m U velocidad media de las aguas receptoras

El valor dado por la ec (2.1), representa 1.8 veces la dilución mínima en la línea central de la pluma. Además se considera que en las descargas con puertos descargando horizontalmente la dilución se incrementa de un 30 a un 50% (Figura 2.5).

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b

H

d

Tubo de descarga

ρ(z0)

Ud

Sm

ρ(z)

Figura 2.5 Esquema de un chorro ascendente de agua residual descargada horizontalmente por un difusor dentro del mar

Para una determinada descarga en el mar, la dispersión es mejorada si se logra mediante el uso de un difusor de bocas múltiples colocado en la salida; las bocas pueden ser huecos circulares laterales sin salientes. Si la descarga se hace mediante una sola boca, o sea masivamente, la dispersión y dilución será más lenta que la que ocurriría si se realizará por un área mayor a través de múltiples bocas. En efecto, sin el uso de difusores de bocas múltiples, permaneciendo invariables las otras condiciones, se requieren salidas mucho mas largas en aguas profundas para proporcionar el mismo grado de dispersión y la consecuente protección costera. La dilución inicial para difusores de puertos múltiples esta dada por:

35

m )64.0dFH38.0(F54.0S +=

(2.2)

donde Sm es la dilución inicial d es el diámetro de las bocas de salida del difusor (m) H es la profundidad de vertido (m) F es el número de Froude representado por

d27.0U

F d=(2.3)

Donde Ud es la velocidad del agua vertida a través de los orificios del difusor. Las variables se encuentran definidas en la Figura 2.5. Como puede verse, la dilución inicial es una función de la altura ascendente y del Froude: De las ecuaciones (2.1) y (2.2) se puede ver que si se requiere un incremento en la dilución inicial, el difusor se puede localizar mas lejos de la línea costera en aguas mas profundas, ya que el valor de H se incrementa, o bien, un difusor mas largo que

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pueda ser usado en aguas someras ya que el valor del gasto decrece al aumentar el número de orificios de descarga. Se puede diseñar un sistema de descargas al océano aceptable una vez que sea conocida la dilución inicial mínima requerida para la dispersión adecuada de los desechos. La discusión previa ha sido en relación sólo con la dilución inicial de las aguas residuales, sin embargo, actúan también otros procesos en la pluma, incluyendo dispersión superficial, difusión y dispersión debido a corrientes. La revisión de estos efectos sobre la descarga se verá mas adelante. A reserva de ver los otros dos procesos de dilución, podemos mencionar que la dilución inicial es el principal factor para el diseño del sistema; en al literatura mundial suelen encontrarse diseños con diluciones iniciales que van de 50-200:1. 2.3.2. Dilución por inactivación bacteriana Otro de los procesos que actúa después de la dilución inicial es denominado inactivación bacteriana. Para la descarga de aguas residuales, el mecanismo de mayor importancia para el diseño es la desaparición de organismos indicadores tales como coliformes. Así el cálculo de concentración de coliformes después del recorrido de la trayectoria del contaminante está dado por el modelo simple logarítmico de mortalidad bacterial propuesto por Brooks (1960)

90TT

b 10S =(2.6)

donde Sb es la dilución o muerte de coliformes T es el tiempo de traslado de la zona de vertido de las aguas residuales a

la zona a proteger T90 es el tiempo requerido para que se produzca la muerte del 90% de las

bacterias presentes inicialmente. 2.3.3. Dilución por dispersión horizontal La dispersión horizontal y el transporte son función del régimen de corrientes locales y dispersión turbulenta (mezcla lateral causada por corrientes turbulentas). Brooks (1960) ha desarrollado un modelo que caracteriza adecuadamente estos procesos. La dispersión horizontal después de que la pluma emerge a superficie se calcula según Brooks( 1960) por:

15

5.1

1b

t131

S

3

32

h

−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

=(2.7)

donde

t es el tiempo de recorrido de la mancha deducido a partir de la longitud de la trayectoria del contaminante

b es el ancho de la descarga emergiendo a la superficie, el cual para una descarga por un puerto único se puede calcular con la siguiente fórmula:

⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎣

⎡

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

31

dUU4.03.0Hb (2.8)

donde H es la profundidad de vertido Ud es la velocidad de la descarga U es la velocidad media de las aguas receptoras.

Para el caso de puertos múltiples (n) se puede aplicar la siguiente fórmula

( )α−⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−

= 60cos3H

2845.0nb

( )3H845.0nLd −=

(2.9)

(2.10)

En donde n es el número de orificios Ld es la longitud del difusor, en m α es el ángulo que forma el punto de la unión del emisor con el

difusor y la línea de playa (ver Figura 4.3) Para cuando no se dispone de mediciones reales, Verbestel y Leonard-Etienne (1981) recomiendan utilizar un valor de 0.15 m/s que considera las corrientes de marea y oleaje 2.3.4. Dilución total La dilución total es obtenida como resultado de los tres procesos descritos anteriormente, y se calcula simplemente como el producto de tales diluciones:

SSSS hbmT ••= (2.11)

En donde:

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ST es la dilución total Sm es la dilución inicial Sh es la dilución horizontal Sb la desaparición o muerte de coliformes

La dilución total se obtiene por la multiplicación de las tres diluciones dependiendo del diseño de vertido por un solo puerto o bien por sistema difusor, y los factores Sb y Sh . La concentración máxima permitida al final de los procesos debe cumplir con las normas de calidad del agua establecidas para las zonas costeras. 2.4. TIPOS DE AGUAS DESCARGADAS La composición de los caudales de aguas residuales de una comunidad depende del tipo de sistema de captación de aguas residuales que se emplee, y puede incluir los siguientes componentes.

•Agua residual doméstica. Procedente de zonas residenciales, instalaciones deportivas, comerciales, públicas y similares.

•Agua residual industrial. Aquella en la que predominan los vertidos

provenientes de industrias.

•Infiltración y aportaciones incontroladas. Agua que entra tanto de manera directa como indirecta en la red de alcantarillado. La infiltración hace referencia al agua que penetra en el sistema a través de juntas defectuosas, fracturas y grietas, o paredes porosas. Las aportaciones incontroladas corresponden a aguas pluviales que se descargan a la red por medio de alcantarillas pluviales, drenes de cimentaciones, bajantes de edificios y tapas de pozos de registro.

•Aguas pluviales. Agua resultante de los escurrimientos superficiales .

•Aguas residuales termales. Una descarga de agua térmica se define como

aquella en la que la disposición de calor es el propósito primario; el calor proviene de un intercambiador antropogénico y los contaminantes adicionales presentes se originan a partir de aditivos, tratamientos y anticorrosivos adicionados en el sistema mas que en el proceso de manufactura.

•Descargas salinas. El incremento en la salinidad del agua puede deberse a

diversas actividades humanas. Por ejemplo en las refinerías de petróleo se generan aguas con altos contenidos de sal (≈ 120,000 ppm) como resultados del proceso de lavado y separación de las aguas del aceite. Estos aguas de desecho se vierten sea al subsuelo o se dispone de ellas en el

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mar a través de un emisor submarino. Por otro lado, al pasar el agua por un sistema municipal, incorpora inevitablemente, sales de diversos procesos, como por ejemplo: la recarga de suavizantes con cloruro de sodio.

2.4.1. Origen de las aguas residuales domésticas

•Zonas residenciales. En zonas residenciales, generalmente la determinación de los caudales de aguas residuales se realiza en base a la densidad de población y a la contribución a las aguas residuales por habitante, empleando valores típicos.

•Zonas comerciales. La obtención de los caudales de agua residual generados

en zonas comerciales se basa en la comparación con datos de zonas existentes o de futura implantación, expresándose usualmente en (m3/ha · d). Los valores típicos oscilan entre 7.5-14 (m3/ha · d).

•Centros institucionales. Los caudales de agua residual doméstica que se

generan en instituciones públicas, varían considerablemente en función de la región, el clima, y el tipo de institución.

•Espacios y centros de recreo. Los caudales que se generan en este tipo de

instalaciones varían de manera muy marcada en función de la época del año, dado que su actividad es fundamentalmente de temporada.

2.4.2. Origen de las aguas residuales industriales Los caudales de aguas residuales generadas en las diferentes industrias dependen de diversos factores como: tipo y tamaño del centro industrial, el grado de reutilización del agua y el pretratamiento que se dé al agua utilizada, en caso de que exista alguno. En zonas industriales donde no se empleen procesos húmedos, los valores típicos de proyecto de los caudales se sitúan en el intervalo de 9 a 14 (m3/ha · d) para zonas de escaso desarrollo industrial y, para zonas con un desarrollo industrial medio, valores de 14 a 28 (m3/ha · d). Las aguas residuales descargadas por operaciones industriales son, en algunos casos la mayor causa de contaminación del agua. Aunque la naturaleza de los contaminantes asociados con este tipo de aguas residuales varía entre industrias, en la mayoría de los casos los problemas que se originan son causados por una o la combinación de varias de las siguientes condiciones:

•Alta demanda bioquímica de oxígeno (DBO). •Alta concentración de sólidos suspendidos (SS). •Presencia de sustancias tóxicas.

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El agua residual industrial proveniente de molinos de pulpa, refinerías de azúcar, plantas procesadoras de alimentos fácilmente puede tener una DBO de miles de partes por millón (ppm). La DBO y los SS pueden ser mayores 10 o más veces en efluentes industriales que en descargas municipales crudas. Los problemas generados por abatimiento de oxígeno y/o turbidez y sedimentación conllevan consecuencias severas. En la Tabla 2.2, se comparan valores de agua residual de una industria alimenticia con valores típicos de una descarga doméstica. Para tener una idea de la magnitud del problema, si se compara un proceso de producción usando sulfitos de 500 ton/día en una planta procesadora de pulpa, se esperaría una descarga de agua residual de 100 millones de litros por día con una DBO de cerca de 1000 mg/L. Esto equivaldría al volumen de drenaje sanitario producido por una ciudad de 250,000 personas y una carga de DBO producida por una ciudad de 1.3 millones de habitantes.

Tabla 2.1 Composición típica del agua residual doméstica bruta. (Metcalf &

Eddy, 1996) Concentración Contaminantes Unidades

Débil Media Fuerte Sólidos Totales mg/L 350 720 1200

Disueltos totales mg/L 250 500 850 Fijos mg/L 145 300 525

Volátiles mg/L 105 200 325 Sólidos en suspensión mg/L 100 220 350

Fijos mg/L 20 55 75 Volátiles mg/L 80 165 275

Sólidos sedimentables ml/L 5 10 20 Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO5,

20ºC) mg/L 110 220 400

Carbono Orgánico Total (COT) mg/L 80 160 290 Demanda química de oxígeno (DQO) mg/L 250 500 1000

Nitrógeno (total en la forma N) mg/L 20 40 85 Orgánico mg/L 8 15 35

Amoníaco libre mg/L 12 25 50 Nitritos mg/L 0 0 0 Nitratos mg/L 0 0 0

Fósforo (total en la forma P) mg/L 4 8 15 Orgánico mg/L 1 3 5

Inorgánico mg/L 3 5 10 Cloruros mg/L 30 50 100 Sulfato mg/L 20 30 50

Alcalinidad (como CaCO3) mg/L 50 100 200 Grasa mg/L 50 100 150

Coliformes totales n.º/100 ml 106-107 107-108 107-109 Compuestos orgánicos volátiles (COVs) μg/L < 100 100-400 > 400

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Tabla 2.2 Concentración media de los parámetros seleccionados en la descarga residual de un molino de caña de azúcar y los valores típicos de agua

residual cruda doméstica Parámetro Agua residual industrial Agua residual doméstica

Coliformes fecales 53000/100 ml 106/100 ml Sólidos suspendidos 6900 mg/L 200 mg/L

Sólidos sedimentables 6600 mg/L - DBO 755 mg/L 200 mg/L DQO 2033 mg/L 350 mg/L

Nitrógeno total 39 mg/L 40 mg/L Fósforo total 15 mg/L 10 mg/L

2.4.3. Infiltración y aportaciones incontroladas

•Infiltración. Agua que entra en la red de alcantarillado a través de tuberías defectuosas, juntas, conexiones entre elementos de la red y paredes de los pozos de registro.

•Aportaciones permanentes. Agua proveniente del drenaje de sótanos y cimentaciones, circuitos de refrigeración y drenaje de zonas pantanosas y manantiales. Este tipo de aportaciones permanentes pueden ser medidas e incluidas como parte de la infiltración.

•Aportaciones directas. Incluyen las aportaciones del escurrimiento superficial a la red de alcantarillado, circunstancia que provoca el aumento instantáneo de los caudales de agua residual. Los posibles orígenes son las aportaciones de edificios, drenajes de terrazas y patios, tapas de pozos de registro y alcantarillas.

•Total de aportaciones incontroladas. La suma de las conexiones directas en cualquier punto de la red y la suma de todos los caudales aportados en la red aguas arriba de ese punto, ya sea debidos a desbordamientos, bypass de estaciones de bombeo o similares.

•Aportaciones retardadas. Aguas pluviales cuyo drenaje e incorporación a la red de alcantarillado se produce al cabo de algunos días después de las precipitaciones. Aquí se pueden incluir las descargas de los sistemas de bombeo para el drenaje de sótanos y la filtración de agua en los pozos de registro de zonas anegadas.

2.4.4. Aguas pluviales en alcantarillado En ocasiones, parte de las aguas pluviales escurre rápidamente por las alcantarillas pluviales y otros tipos de conducciones de desagüe, parte se evapora y el resto se infiltra en el terreno convirtiéndose en agua subterránea. La proporción de agua que se infiltra depende de la naturaleza de la superficie, las características del suelo y de la cantidad y distribución de las precipitaciones según las estaciones. Toda reducción en la permeabilidad del terreno, ya sea por la presencia de edificios y calzadas o por heladas, se traduce en un aumento de la escorrentía superficial y una reducción en las posibilidades de infiltración de las aguas pluviales.

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2.4.5. Origen de las aguas residuales termales Las plantas generadoras de energía eléctrica, principalmente termoeléctricas, producen del 75-80 % de la contaminación térmica según datos para E.U. Operaciones industriales realizadas en refinerías, plantas petroquímicas, productoras de coque y fundidoras producen el porcentaje restante. Debido a sus características particulares, las nucleoeléctricas descargan aproximadamente 45% más calor de desecho por unidad de electricidad generada al agua de enfriamiento que las plantas que utilizan combustibles fósiles. La diferencia se debe tanto a la menor eficiencia de las centrales nucleoeléctricas (35% vs. 40%) como al hecho de que las termoeléctricas descargan cerca del 15% de su calor de desecho al aire. Las nucleoeléctricas descargan a la atmósfera alrededor de un 3%. La mayoría de las plantas en E.U. operan de forma tal que el efluente generado mantenga una temperatura entre 5-15º C superior a la ambiente. La tasa a la que el agua de enfriamiento debe bombearse a través de los intercambiadores de calor para lograr cierto incremento de temperatura varía de una planta a otra, no obstante, un valor aproximado de la cantidad de agua requerida sugiere cerca de 2.6-5.2 x 103 m3 d-1 por megawatt (MW) de electricidad para limitar el incremento de temperatura en 10º C. Para E.U., en 1968 el Comité Asesor Nacional Técnico recomendó elevaciones máximas de 0.8-2.8º C, dependientes de la naturaleza del cuerpo de agua y, en el caso de estuarios, de la estación del año. En la Tabla 2.3, se especifican dichas recomendaciones.

Tabla 2.3 Elevaciones máximas de promedios mensuales de temperaturas diarias máximas del agua fuera de las zonas designadas para mezclado

Área Elevación de temperatura

Lagos 1.7º C Ríos 2.8º C

Estuarios En verano 0.8º C

Resto de las estaciones 2.2º C Los criterios presentes de la EPA con respecto a la temperatura se promulgaron en 1976. En aguas marinas, el criterio especifica como incremento máximo aceptable en el promedio de temperatura semanal como consecuencia de fuentes artificiales 1.0º C para todas las temporadas del año. Los criterios para aguas dulces son más complicados y específicos. Consideran la tolerancia térmica de las especies importantes más sensibles y los requerimientos para una migración exitosa, desove, incubación y otras funciones reproductivas. En México, el criterio de calidad del agua para este parámetro se encuentra en la Tabla 2.1, dentro de la Norma Oficial Mexicana NOM-001-ECOL-1996 donde se establecen los límites máximos permisibles para contaminantes básicos, permitiendo

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descargar aguas a 40º C (tanto como promedio mensual como promedio diario), independientemente de que el cuerpo receptor de la descarga sea un río, embalse natural o artificial, aguas costeras o humedales naturales. 2.4.6. Origen de las descargas salinas Uno de las mayores restricciones ambientales en la producción de aceite derivado del petróleo es el alto porcentaje de sulfato de sodio lixiviable a partir de las pilas del aceite (esquisto) gastado. La irrigación agrega una gran cantidad de sal al agua, un fenómeno que ha sido fuente de conflicto entre México y Estados Unidos por las descargas salinas al Río Bravo y Río Colorado. La irrigación aunada a intensa actividad agrícola provoca formación de fosas salinas. Esto ocurre cuando el agua con altas concentraciones de sal (principalmente sulfatos de sodio, magnesio y calcio) llega a una pequeña depresión o laguna, se deposita, azolva y con el tiempo el agua se evapora dejando un área con cantidades significativas de sales incapaz de soportar crecimiento vegetal. En México se ha identificado otro problema asociado a altas salinidades. Durante la extracción de petróleo, particularmente en las plataformas marinas del Golfo de México, para mantener presurizado el pozo y facilitar la extracción se inyectan grandes cantidades de agua marina en el yacimiento. Una vez extraído el petróleo, el “agua de acompañamiento” con la que sale se separa y al hacerlo se tiene un efluente hipersalino de difícil tratamiento y disposición. Normalmente esta agua se regresa al mar sin tratarla para remover las sales, formando un gradiente de densidades y como consecuencia problemas ecológicos de cierta magnitud. 2.5. LOS EMISORES SUBMARINOS EN MEXICO 2.5.1. El emisor submarino de la Planta de Bióxido de Titanio de Du Pont, México S.A. de C.V., Planta Altamira, Tamaulipas. Antecedentes: En las últimas décadas, la región sur del estado de Tamaulipas ha registrado un crecimiento acelerado al instalarse una serie de plantas industriales en el Municipio de Altamira, como parte de un programa nacional de desarrollo industrial para incrementar la capacidad productiva del país. Esto ha contribuido paulatinamente al deterioro ambiental de los ecosistemas, en particular las zonas marítimas aledañas, las cuales reciben las aguas provenientes de las plantas industriales. Las planta de Pigmentos y Productos Químicos de Altamira (PPQ), perteneciente a Du Pont, ha venido operando desde 1960 y, actualmente, utiliza como materia prima principal Ilmenita -que es un mineral con alto contenido de titanio y fierro, cloro y coque de petróleo. El proceso consiste en la reacción del mineral con el cloro; con la formación subsecuente de tetracloruros de titanio y fierro, entre otros compuestos. Las aguas residuales que descarga la planta de PPQ, como resultado de su proceso de producción, son vertidas en el Golfo de México a través de una línea de

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aproximadamente 7.5 km de longitud, que incluye un emisor y difusor submarino de 3.5 km. (Figura 2.7) En 1995 se inicia con el programa de mejoramiento de la descarga que contempla 5 proyectos insertos en el Titulo de Concesión que la Comisión Nacional del Agua les extendió con condiciones particulares de descarga que paulatinamente se vieron mejoradas por las obras como segregación de drenajes, planta de tratamiento de aguas sanitarias e industrial, así como el proyecto de Neutralización que utilizando la tecnología de Hardtac® es posible neutralizar las corrientes de cloruro férrico (FeCl3), cloruro ferroso (FeCl2) y ácido clorhídrico (HCl). Ya en forma de Hidróxidos son filtrados y dispuestos en una celda de transferencia de coproducto y el resto bombeado hacia el Mar en forma de salmuera, al entrar en contacto con el agua marina, se hidrolizan y el fierro en estado ferroso es oxidado por el oxígeno disuelto en el agua, a fierro trivalente como oxido férrico. Este emisor entro en funciones a partir de marzo del 2001. Las concentraciones actuales del Fe están en el orden de las 3000 mg/L, y los SST alrededor de 150 mg/L con un pH de entre 6 y 9.

Figura 2.7 Línea de conducción de las descargas de la planta Características físicas del emisor: El emisor submarino consta de una longitud de 3.5 km teniendo como diámetro interior 46 cm; esta tubería de polietileno de alta densidad consta de un recubrimiento exterior según se especifica en la Figura 2.8, la línea fue colocada en el lecho marino dentro de una zanja recubierta como se ilustra en la misma Figura.

Figura 2.8 Sección transversal de la línea principal del emisor y la zanja protectora

23

En la parte terminal se tiene el difusor, como se indica en la Figura 2.9, en donde pueden verse los 10 orificios o puertos de salida. El diámetro interno del difusor es de 46 cm, siguiendo con la línea principal, y tiene una longitud total de 44 m. En la Figura 2.9 pueden verse también los anclajes que fueron instalados debido a que este tramo sale del lecho marino. La sección típica del difusor con un puerto se muestra en la Figura 2.10.

Figura 2.9 Vista de planta y perfil del difusor. Detalle de la unión con el emisor y sección típica del difusor con un puerto

En la Figura 2.10 se muestra esquemáticamente la dispersión de la pluma de contaminantes según las condiciones del oleaje predominante.

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Figura 2.10 representación esquemática de la dispersión de la pluma

2.5.2. El emisor de Mazatlán Antecedentes En Mazatlán la planta de tratamiento, de aguas residuales, y el emisor submarino están a cargo de la Junta Municipal de Agua Potable y Alcantarillado de Mazatlán (JUMAPAN). La planta de tratamiento esta localizada en el Cerro del Crespón, punto en donde inicia el emisor submarino el cual consta de un tramo de 216 m en tierra y 800 m en la parte marina. El tubo del emisor es de acero “ASTM-120” de 0.914 m diámetro. Cuenta con un revestimiento anticorrosivo de alquitrán de hulla y recubrimiento de concreto. La parte final del emisor, los últimos 180 m, tiene 45 difusores los cuales están separados cada 4 m aproximadamente. El emisor esta en proceso de rehabilitación por lo que actualmente se esta cambiando parte de la tubería y de los difusores, utilizando polietileno de alta densidad. En la Figura 2.11 se presenta la ubicación del emisor en la zona costera de Mazatlán.

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Figura. 2.11 Mapa de localización de la planta de tratamiento de Mazatlán. La planta de tratamiento y el emisor se encuentran en el circulo inferior del mapa a

un costado del Cerro el Crespón Características generales del emisor de Mazatlán

Longitud total del emisor tramo terrestre Tramo marino

1011 m 216 m 795 m

Diámetro interior 0.914 m Profundidad 24 m No. de difusores 45

En las Fotografías 2.1 a 2.3 se muestran algunas imágenes del estado actual de la reparación del emisor

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Fotografía 2.1 Colector de la planta de tratamiento e inicio de la tubería del emisor submarino. El tubo de acero ha sido remplazado por polietileno de alta densidad. Al costado izquierdo se observa parte de la planta de tratamiento de

JUMAPAM

Fotografía 2.2 Colocación del tubo original de acero del emisor y conexión de

los tubos nuevos de polietileno de alta densidad

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Fotografía 2.3 Rehabilitación de la parte terrestre del tubo del emisor. Al fondo,

la planta de tratamiento de JUMAPAM

2.5.3. El emisor de Puerto Vallarta Antecedentes Puerto Vallarta cuenta con un emisor submarino el cual actualmente funciona esporádicamente para descargar aguas pluviales de la ciudad. Con base a información proporcionada por el Sistema de los Servicios de Agua Potable y Alcantarillado (SEAPAL) de Puerto Vallarta, el emisor operó normalmente hasta 1995. El emisor inicia en de la Planta de Tratamiento Centro (en donde actualmente se encuentra en las oficinas de la SEAPAL) y se extiende 300 m hasta llegar a la costa. A partir de ahí se estima que el emisor es de aproximadamente 0.914 m (36”) de diámetro y de 800 m de longitud, cuenta con una serie de difusores ubicados en la parte final de la tubería; las características generales se resumen en la Tabla 2.4. La capacidad del emisor es de 300 L/s y el tratamiento que se le daba a las aguas antes de descargarlas era primario. Con el crecimiento de la ciudad el emisor resultó insuficiente además de que se optó por tratar las aguas residuales. Actualmente, Puerto Vallarta cuenta con dos plantas las cuales se encargan de tratar todas las aguas de la ciudad. Una ella es administrada por la SEAPAL (P.T. Norte I) y la otra por la compañía Biwater (P.T. Norte II). La planta Biwater tiene capacidad de tratar hasta 1000 L/s mientras que la de la SEAPAL de 100 L/s. Por la eficiencia en el tratamiento de las aguas gran parte del flujo se dirige a la Planta Biwater la cual procesa en promedio 700 L/s. Las aguas tratadas son descargadas al Río Ameca, asimismo una parte de las aguas que se descargan (200 L/s) son reutilizadas en riego de cultivos y campos de golf. Análisis de laboratorio de la calidad del agua de la planta muestran que la planta cumple de acuerdo a la norma NOM-001-ECOL-1996, que establece los limites máximos permisibles de contaminantes en las descargas de aguas residuales en aguas y bienes nacionales.

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Características generales del emisor de Puerto Vallarta

Longitud total del emisario tramo terrestre tramo marino

1100 m 300 m 800 m

Diámetro interior 0.914 m Profundidad 40 m Capacidad 300 l/s

No. de difusores (perforaciones) 12 Finalmente, a pesar de que el emisor submarino de Puerto Vallarta ya no opera continuamente, a éste se le ha dado mantenimiento y funciona principalmente para descargar el exceso de aguas pluviales durante la época de lluvias y forma parte del sistema para cualquier contingencia que pudiera ocurrir en las plantas de tratamiento. En las Fotografías 2.4 a 2.7 se muestran imágenes del emisor y las plantas de tratamiento

Fotografía 2.4 Vista del colector del emisor submarino de Puerto Vallarta

29

Fotografía 2.5 Colector e inicio del emisor submarino de Puerto Vallarta

Fotografía 2.6 Colector de la planta Biwater recibiendo las aguas para su

tratamiento

30

Fotografía 2.7 Descarga de las aguas residuales posterior a su tratamiento en

la Planta Biwater

31

3. MEDICIÓN, ANÁLISIS Y PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN 3.1. INTRODUCCIÓN Uno de los aspectos fundamentales que se requiere para el diseño de emisores submarinos es el de contar con un conocimiento amplio de las condiciones marinas que prevalecen en el área. Es evidente que un estudio completo del medio ambiente costero puede resultar en un ahorro significativo en la construcción del emisor. Por lo tanto, los aspectos que se deben cubrir en los estudios ambientales son los siguientes:

1. Recopilar suficiente información para que el diseño del emisor cumpla con los requerimientos de calidad del agua correspondientes al medio ambiente marino que lo rodea. 2. Proveer de información ingenieril para su diseño funcional y estructural. 3. Proveer de la información necesaria para evaluar la viabilidad de varios diseños de construcción.

El disponer de esta información requiere del estudio multidisciplinario del medio ambiente marino. En estos casos los estudios oceanográficos son necesarios para evaluar la circulación y capacidad de dilución, del medio receptor de las aguas residuales, bajo diferentes regímenes de marea y condiciones meteorológicas. Así mismo, es necesario llevar a cabo estudios ecológicos y de calidad del agua para evaluar el impacto ambiental del emisor, sobre la flora y fauna de las diferentes especies endémicas de la zona, y verificar que el diseño cumple con los estándares ambientales de calidad. Mientras que para el diseño estructural es necesario investigar las fuerzas que actuarán sobre el emisor, batimetría, geología, geotecnia y sedimentología del fondo marino en donde se hará el tendido de la estructura del emisor. En las siguientes secciones se describen los estudios básicos mas importantes que se deben considerar para el diseño de emisores submarinos. Asimismo, se pretende que estos estudios sirvan de guía para evaluar la viabilidad de la obra. Por lo tanto, para que se tenga un mayor éxito en el diseño, construcción y operación del emisor se deben de considerar los estudios oceanográficos, meteorológicos, topográficos, batimétricos, geofísicos, ecológicos y de calidad del agua. 3.1.1. Características de los estudios requeridos para la construcción del emisor submarino Las actividades requeridas para el diseño y construcción del emisor submarino se pueden dividir en 3 fases:

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1. Estudios preliminares. Consisten en una evaluación de las opciones de descarga, establecer la calidad del agua del medio receptor y, asimismo, permitir una o varias opciones de sitios para la descarga del emisor. Estos estudios se pueden llevar a cabo a través de información ya existente del área de estudio, sin embargo, en la mayoría de los casos es necesario complementar los estudios de gabinete con mediciones preliminares del área de estudio.

2. Estudios específicos. Se deben llevar a cabo investigaciones específicas del

área de estudio suficientes para establecer los posibles sitios de ubicación del emisor y proveer información suficiente para su diseño final.

3. Monitoreo. Posterior a su construcción se deben llevar a cabo mediciones de

monitoreo para evaluar si el emisor esta cumpliendo con los estándares de diseño y establecer el impacto real al medio ambiente.

Los alcances y tipo de estudios dependerá de varios aspectos como son la cantidad y calidad de datos existentes sobre el área, los recursos disponibles y del criterio de calidad de agua que se tenga que cumplir. Por ejemplo, los estándares de calidad del agua son mas estrictos en playas turísticas mientras este estándar puede ser menos estricto en áreas en donde no se pone en riesgo la salud humana ni a las comunidades marinas. La magnitud de los estudios dependerá del volumen de aguas residuales a descargar. Generalmente, un emisor cuyo volumen de descarga es pequeño requiere de estudios a escala mas local que aquellos emisores cuyo volumen de descarga sea mucho mayor. 3.2. ESTUDIOS PRELIMINARES Uno de los aspectos importantes del diseño de un emisor son los estudios preliminares los cuales están enfocados a:

•Considerar las diferentes opciones, recursos y posibles restricciones.

•Recopilar y evaluar la información existente.

•Establecer los criterios ambientales para el diseño del emisor.

•Definir costos aproximados de la obra y evaluar el proyecto ejecutivo. Con toda esta información es posible establecer una estrategia sobre los costos y evaluar la factibilidad de uno o un numero limitado de sitios de ubicación del emisor. De esta forma el planteamiento traerá consigo un ahorro significativo de tiempo y de dinero, ya que no se recopilará y analizará información de campo innecesaria e irrelevante o se examinen detalles de opciones que no son tangibles.

33

3.2.1. Características de los estudios Estudios de gabinete Antes de iniciar cualquier medición de campo es fundamental llevar a cabo una revisión exhaustiva de la información existente del área y aspectos tales como:

•Definir el área de influencia del emisor submarino y establecer el criterio de calidad del agua

•Recopilar información sobre las descargas existentes, estaciones de bombeo

y descargas submarinas. Establecer la descarga actual y futura del emisor, así como, considerar cambios estacionales y otras variaciones que pudieran existir. Asimismo, considerar las posibles limitaciones hidráulicas del emisor.

•Calcular la dilución requerida para descargar en el medio ambiente receptor.

Así como, la factibilidad de la construcción del emisor en base a estudios batimétricos, geofísicos y geotécnicos.

Fuentes de información Actualmente existen bases de datos meteorológica y costera que puede ser utilizada como base para la planeación, ubicación y diseño del emisor (Tabla 3.1). Gran parte de esta información es muy general y por lo tanto resulta insuficiente para los propósitos requeridos en el diseño, sin embargo, esta información es de gran utilidad ya que nos da una primera aproximación de los características y procesos que ocurren en el área de emplazamiento del emisor.

Tabla 3.1. Información requerida para el diseño de emisores submarinos.

Información preliminar puede ser obtenida a través de diferentes instituciones y consultada como parte de los estudios de gabinete para el diseño del emisor

submarino Tipo de datos Fuentes

Corrientes Secretaría de Marina, Universidades e instituciones de investigación

Mareas Instituto de Geofísica de la UNAM, Secretaría de Marina y CICESE

Oleaje universidades e instituciones de investigación

Vientos SMN e IMTA Batimetría Secretaría de Marina, INEGI

Perfiles de temperatura y salinidad Bancos de datos internacionales Geología (sedimentos) INEGI

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Estudios preliminares para el diseño del emisor En áreas en donde se carece de información sobre las corrientes será necesario llevar a cabo mediciones para obtener la primera evaluación sobre los posibles sitios de emplazamiento del emisor. La información recopilada deberá ser suficiente para establecer el patrón de flujo regional y determinar el alcance de los estudios subsecuentes que tengan que llevarse a cabo en el área de estudio. Aspectos en la circulación que pueden ser críticos, en la ubicación del emisor, son la ocurrencia de remolinos, que al separarse de la corriente costera, generen un patrón de circulación hacia la costa que transporte las aguas residuales hacia la zona costera o áreas de estancamiento debido a los rasgos topográficos o batimétricos. Adicionalmente, se puede utilizar un modelo numérico con baja resolución para sintetizar y ayudar en la interpretación de los datos de corrientes. Los modelos, sin embargo, deben ser utilizados con cuidado debido a las limitaciones que imponen los diferentes esquemas numéricos y a la verificación en base a los escasos datos de campo obtenidos de las mediciones preliminares. Estudios específicos del sitio para el diseño del emisor Los resultados del estudio preliminar permitirán establecer el proyecto y la factibilidad del emplazamiento del emisor. Con base a esto se podrán evaluar las diferentes opciones de descarga del emisor y descartar aquellas que no se apeguen a ciertas características y, asimismo, las áreas que se consideren mas viables sean estudiadas mas profundamente. Finalmente, los principales objetivos de los estudios específicos del sitio son:

•Satisfacer las normas de calidad de agua.

•Proveer de información básica para el diseño hidráulico del emisor.

•Establecer la factibilidad de la obra y costos de construcción El alineamiento optimo, longitud y configuración del difusor estará en función del costo y de la capacidad de descarga, la dilución inicial de la pluma (cuando sale del difusor y se mueve a la superficie), de la dilución secundaria de la pluma (conforme es transportada lejos del punto de descarga) y de las normas de calidad del agua establecidas para el sitio. Es necesario el clima de oleaje para evaluar las cargas sobre la estructura. La batimetría y perfiles de las capas del lecho marino son necesarias como parte del estudio de diseño para conocer las características del fondo marino y anticipar cualquier problema durante la construcción. Asimismo, asegurar que los procesos advectivos y difusivos del área sean capaces de diluir las aguas descargadas y mantener los estándares de calidad del agua. Esto se puede llevar a cabo mediante la combinación de experimentos en el sitio y modelación numérica. El grado de

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sofisticación del modelo dependerá de la naturaleza del sitio de descarga. En algunos casos un modelo simple de dispersión de plumas será suficiente mientras que modelos mas sofisticados serán requeridos en casos en que la batimetría y corrientes sean mas complejas. Por lo tanto, dependiendo de las dimensiones y resolución espacial utilizadas será la demanda de tiempo de computo. Finalmente, es evidente que una componente esencial para establecer la factibilidad del emplazamiento de un emisor son las mediciones que se lleven a cabo en el sitio. Las mediciones en el sitio son requerida para verificar empíricamente la ubicación de descarga y los difusores y la calibración del modelo numérico que simula las condiciones ambientales del área alrededor del emisor. Solo cuando el modelo sea totalmente validado con los datos de campo podrá ser utilizado para evaluar, con certidumbre, la factibilidad del emisor. 3.3. ESTUDIOS TOPOGRÁFICOS Y BATIMÉTRICOS 3.3.1. Topografía de la zona Los estudios topográficos forman parte fundamental del diseño y a su vez están íntimamente relacionados con la morfología costera. El Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática (INEGI) cuenta con cartas topográficas con escala 1:50000 que proporcionan información sobre el relieve del terreno de la margen costera. Un análisis prospectivo de las elevaciones nos dará una primera aproximación de donde se podría ubicar la planta de tratamiento y la distancia y pendiente del tubo del emisor. Sin embargo mediciones mas precisas serán requeridas para llevar a cabo el diseño de la planta e inicio del emisor. Ciertos aspectos tienen que ser considerados de acuerdo a cada caso y que estarán determinados de acuerdo al tipo de margen continental tales como:

•zona de dunas o acantilados •playa arenosa o rocosa •características del suelo

Las dunas juegan un papel muy dinámico en lo que es la zona de transición de la margen continental y zona costera por lo que deberá de evitarse el perturbar este ambiente y evitar problemas posteriores. Asimismo, pudiera haber otros factores que por las características del relieve deberán ser considerados y son los: tectónicos y climáticos 3.3.2. Batimetría Para el diseño del emisor es fundamental conocer la profundidad del lecho marino o plataforma continental. La descripción de las profundidades se conoce como batimetría del área. Para la zona costera y marina existen cartas batimétricas las cuales dan una idea de las características del fondo marino, sin embargo, no proveen de los detalles suficientes para el diseño del emisor submarino. El INEGI cuenta con

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la carta batimétrica de la Zona Económica Exclusiva de México a escala de 1:1,000000. Asimismo la Secretaria de Marina publica cartas batimétricas a una escala mas detallada de las principales rutas de navegación, sin embargo, datos cercanos a la costa son escasos. Para el diseño del emisor se requiere información reciente y detallada de la profundidad de la zona costera por lo que será necesario llevar a cabo mediciones alrededor del sitio. La cantidad de datos requeridos dependerá de las características del proyecto. Asimismo, estas pueden complementarse con otras fuentes disponibles de datos. Las batimetrías son referidas al nivel medio del mar (NMM) y este se establece a partir de los datos mareográficos. A partir del NMM se establece también la línea de costa. Finalmente, con la batimetría del sitio seleccionado se podrá establecer algunas características de diseño del emisor tal como su longitud y forma del difusor. 3.3.3. Selección de los sitios de posibles descargas Basado en el análisis la información, de los dos puntos anteriores, se pueden ubicar en forma preliminar la ubicación de los sitios mas factibles en los cuales se puede ubicar el emisor. Sin el resultado final de la ubicación del sitio estará también determinado por la capacidad del medio en transportar y diluir la descarga del emisor. 3.4. ESTUDIOS METEOROLÓGICOS El estudio de la meteorología costera y marina es otro aspecto importantes que debe de considerarse para el diseño del emisor submarino. Las principales variables meteorológicas que pueden incidir en el diseño son: el viento, la precipitación, evaporación, temperatura y la radiación solar. Estas variables y su interacción incidirán, directa o indirectamente, en establecer las condiciones ambientales tanto de la zona marina como de la zona costera. El viento, por ejemplo, incidirá en la generación del oleaje, las corrientes (inducidas por el viento) y posibles sobre elevaciones del nivel del mar debido a vientos huracanados. 3.4.1. Vientos locales y huracanados La circulación atmosférica es determinada principalmente por la radiación solar y la rotación de la Tierra. En las zonas costeras el movimiento horizontal de los vientos esta determinado por el gradiente horizontal de la densidad del aire inducido por el calentamiento diferencial del océano y las áreas continentales. Mientras que los movimientos verticales de las masas de aire son típicamente generados por la inestabilidad inducida por la radiación solar, por advección de una masa de aire a una región de diferente densidad y por efectos topográficos.

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3.4.2. Vientos en zonas costera Los vientos en cualquier región corresponden a la superposición de varios procesos atmosféricos de diferentes escala espacial y temporal. Por lo tanto, debido a la combinación de los diferentes procesos los vientos son raramente constantes durante largos intervalos de tiempo. En zonas costeras la presencia de la margen continental juega un papel importante en el efecto del viento ya que lo puede desviar o bloquear. Asimismo, el viento cambia periódicamente debido a las diferencias de temperatura y flujos de calor entre la superficie del agua y de la tierra lo que produce el efecto de brisa. La brisa tiene un periodo diario y su efecto llega de 10 a 20 km dentro y fuera de la costa con velocidades menores a los 10 m/s. El efecto mas visible del esfuerzo del viento sobre la superficie del agua es la generación de olas las cuales inducen un movimiento oscilatorio de las partículas de agua que decrece con la profundidad. De igual forma el esfuerzo del viento produce un movimiento uniforme de la capa superficial en dirección del viento. Asimismo, la capa superficial transfiere movimiento a las capas mas profundas produciendo un perfil de velocidades que decrece con la profundidad. Una descripción mas detallada del efecto del viento en la circulación se da en la sección 2.5.2 de corrientes. Otro de los efectos que causa el viento en zonas costeras es la sobre elevación del nivel del mar cuando este se dirige hacia la costa en forma perpendicular a la línea de costa. 3.4.3. Características de los vientos cerca de la superficie El viento es un vector por lo que tiene intensidad y dirección. El perfil de la velocidad del viento en la capa limite atmosférica se comporta de forma logarítmica y se representa por la siguiente ecuación

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

0

* lnzz

kU

U z(3.1)

donde

Uz : es la velocidad del viento a una altura z sobre la superficie, U* : es la velocidad de fricción, k la constante de von Karman (aproximadamente 0.4), y z0 la longitud de rugosidad de la superficie del mar.

La fuerza horizontal ejercida por el viento sobre la superficie del mar se conoce como el esfuerzo del viento y es estimado a partir de

2UC aD ρτ = (3.2)

38

Donde τ es el esfuerzo cortante del viento, CD el coeficiente de arrastre (1.4×10-3), ρa la densidad del aire y U es la intensidad del viento medida a 10 m de altura sobre la superficie. Esta altura es el estándar internacional de referencia para la medición de la velocidad del viento. Asimismo, se ha determinado empíricamente que la corriente superficial del agua, debido al viento, es aproximadamente un 3% de la intensidad del viento y que decrece logarítmicamente en la vertical. 3.4.4. Vientos extremos (huracanes) México se encuentra ubicado en medio de dos regiones ciclogenéticas muy activas que son el Pacífico tropical y el Mar Caribe. Los huracanes o ciclones se presentan principalmente durante el verano. Estos se forman en regiones de aguas tropicales cálidas (T > 26.5°C), donde los cambios de la intensidad del viento en la vertical son débiles. Los huracanes son caracterizados por bajas presiones y fuertes vientos. Los vientos extremos inducidos por los huracanes deben ser considerados en el diseño de cualquier estructura costera ya que el esfuerzo del viento produce lo que se conoce como ondas de tormenta o sobre elevación del nivel del mar (surges), un mayor oleaje y lluvias. La sobre elevación, aunque en un periodo corto de tiempo, puede ser considerable y afectar cualquier estructura costera. El impacto de estos eventos puede ser todavía mas marcado si coincide durante una pleamar durante mareas vivas. Asimismo, además, de la sobre elevación que producen, su efecto en el clima de oleaje y lluvia es muy importante y su efecto tiene que ser considerado en el diseño de las estructuras del emisor. Por la ubicación geográfica en que se encuentra, México es afectado por los huracanes a lo largo de toda la costa del Océano Pacífico, Golfo de México y Mar Caribe (Figura 3.1). Por lo que, se debe de considerar un nivel de protección a las estructuras que se construyan tanto en la zona marina como en la zona costera. Este nivel de protección dependerá de la intensidad y la frecuencia de ocurrencia de los huracanes. Con el fin de categorizar la intensidad de los huracanes se ha elaborado una escala denominada de Saffir-Simpson en términos de la intensidad de la depresión en el centro del huracán y de los vientos máximos los cuales son parcialmente responsables de los daños que causan estos hidrometeoros (Tabla 3.2).

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Figura 3.1 Trayectorias típicas de los huracanes que ocurren en México

Tabla 3.2 Clasificación de los ciclones según la presión y velocidad del viento

Tipo Categoría Presión (mb)

Viento (m/s)

Viento (km/h)

Depresión Tropical DT ----- < 17 < 62 Tormenta Tropical TT ----- 17-32 62-117

Huracán 1 > 980 33-42 118-152 Huracán 2 965-980 43-48 153-176 Huracán 3 945-965 49-57 177-208 Huracán 4 920-945 58-68 209-248 Huracán 5 < 920 > 68 > 248

Finalmente, el efecto del viento (brisa y vientos extremos) puede ser directo sobre las estructuras costeras o indirecto a través del esfuerzo del viento sobre la superficie del mar produciendo una sobre elevación del nivel del mar e intensificando el clima de oleaje. En el área de arribo o punto de entrada de un huracán, cuando éste entra a tierra, la sobre elevación o domo puede extenderse de 60 a 80 km y alcanzar una altura de 2 a 5 m sobre el nivel medio del mar. La información sobre vientos puede ser complementada con datos adicionales como la precipitación, evaporación, escurrimientos, humedad y temperatura atmosférica.

40

3.5. ESTUDIOS OCEANOGRÁFICOS El diseño y ubicación de emisores submarinos en las costas esta determinado por las condiciones ambientales de zona costera. Las condiciones ambientales determinan la capacidad de transporte y dilución del sistema, por lo tanto, es de vital importancia conocer y cuantificar estos procesos en el área en donde se ubicara el emisor. Es evidente que los principales procesos físicos que determinan la dinámica (advección y difusión) de la zona costera son: el forzamiento de la marea, el esfuerzo del viento, el oleaje, los gradientes de densidad y las descargas o plumas de los ríos. La suma de estos procesos determinan las condiciones locales de las corrientes y procesos de mezclado para el área de estudio. Asimismo, existen otros factores que pueden contribuir significativamente al flujo como son la morfología costera y la batimetría tal como áreas someras semicerrradas. Por lo tanto las mediciones o estudios oceanográficos tiene la finalidad de:

• Proveer información suficiente sobre las mareas, corrientes y la estructura vertical de la columna de agua para establecer el transporte (advección) y dilución inicial de la pluma de aguas residuales.

• Proveer información sobre las características de la dispersión del área de estudio tal que la dilución secundaria pueda ser propiamente evaluada.

Asimismo, la información medida tiene que ser suficiente para, de una forma confiable, establecer la variabilidad del nivel del mar y las corrientes durante los ciclos de mareas vivas y muertas y bajo diferentes condiciones meteorológicas. 3.5.1. Mareas Las mareas se originan por la atracción gravitacional que ejercen los astros sobre la Tierra. Como resultado de este efecto se observa una elevación y descenso periódico (e.g. dos veces al día) del nivel del mar (Figura 3.2). Observaciones en México de la marea indican que esta puede presentar una gran variación en su amplitud o rango. Por lo tanto la marea puede ser imperceptible como ocurre en el Mar Caribe o causar desplazamientos verticales cercanos a los 10 m como ocurre en la región del Alto Golfo de California. La marea al acercarse a costa sufre una serie de modificaciones en su amplitud y velocidad. Adicional a las variaciones del nivel que se observa en la costa, la marea es generalmente el principal mecanismo generador de corrientes en regiones someras. Las corrientes asociadas a un incremento en la elevación son llamadas flujo y las que ocurren durante el descenso son llamadas reflujo. Asimismo, la interacción de las fuertes corrientes de marea con el fondo (en zonas someras) genera turbulencia que contribuye significativamente al mezclado vertical de la columna de agua. La amplitud y fase de marea varía de un lugar a otro, sin embargo para dos puntos cercanos entre si, estos cambios son graduales debido a que la marea en el océano abierto se comporta como una onda

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estacionaria de Kelvin. En la zona costera el desplazamiento vertical de la marea es generalmente de 2 o 3 m y las corriente son del orden de 0.3 m/s.

Figura 3.2 Variaciones del nivel del mar típicas de una estación mareográfica

La forma esquemática de un registro del nivel del mar se describe en la Figura 3.2. La elevación instantánea esta dada con respecto al tiempo local y la grafica describe principalmente el efecto que tiene el sol y la luna cuyos periodos son de 12 horas y 12 horas 25 minutos respectivamente. El nivel mas alto es la pleamar y el nivel mas bajo es la bajamar. Dos pleamares o dos bajamares consecutivas no tienen la misma altura. Como esto es causado por una componente diurna a este fenómeno se le conoce como desigualdad diurna. La pleamar más alta de 2 pleamares se le conoce como pleamar superior y la otra como pleamar inferior. Asimismo se tiene la bajamar inferior (la mas baja) y la bajamar superior. La diferencia de nivel entre una pleamar y la bajamar que le sigue es el rango. Estadística básica de las mediciones horarias del nivel del mar, durante por lo menos un año, permite establecer ciertos parámetros de diseño del emisor tales como:

• Pleamar máxima registrada • Nivel de pleamar media superior • Nivel de pleamar media • Nivel medio del mar • Nivel de media marea • Nivel de bajamar media • Nivel de bajamar media inferior

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• Bajamar mínima registrada • Altura mínima registrada

Representación armónica de la marea La marea es un fenómeno determinístico. El movimiento de la marea vertical marea o nivel del mar, observado en una estación mareográfica, es determinado por la suma de los efectos de atracción gravitacional de la luna, el sol y de otros astros. Por lo que el movimiento de la marea vertical puede ser representado mediante la suma de funciones armónicas con frecuencias especificas (Godin, 1972).

∑ +−+==

m

kkkk tntAztz

10 )()cos()( ασ

(3.3)

Donde Z0 representa el nivel de referencia; el segundo termino es una superposición de armónicos de amplitud A, frecuencia σ y fase α; el tercer termino n(t) corresponde a la contribución de otros factores físicos a la variación del nivel del mar (considerado como ruido). Las amplitudes y fases son características del lugar o de la estación mareográfica. El análisis armónico determina la amplitud y fase de cada componente armónica de observaciones del nivel del mar. Un análisis de una serie anual de datos proporciona una gran cantidad de componentes (mayor a 100). Sin embargo, las componentes mas importantes son las semidiurnas (4) y diurnas (3), y su contribución al nivel del mar corresponde hasta un 90% del nivel del mar. En la Tabla 3.3 se presenta las componentes principales de la fuerza de marea.

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Tabla 3.3 Componentes principales de la fuerza de marea

Nombre Símbolo Periodo (h) Componentes semidiurnas

Lunar principal Solar principal

Elíptica lunar mayor Luni-solar semidiurna

M2 S2 N2 K2

12.42 12.00 12.66 11.97

Componentes diurnas

Luni-solar diurna Lunar principal diurna Solar principal diurna

K1 O1 P1

23.93 25.82 24.07

Componentes de período largo

Lunar quincenal Lunar mensual

Solar semi-anual

Mf Mm Ssa

327.86 661.30 4383.00

Una vez determinadas las amplitudes y fase de las principales componentes, mediante el análisis armónico, se puede llevar a cabo la predicción del nivel del mar para dicha estación, para cualquier tiempo, simplemente sumando todas componentes armónicas. Las corrientes costeras son generalmente producidas por la marea por lo que el establecer su comportamiento es muy importante para conocer su efecto en el transporte y dilución del efluente del emisor submarino. Asimismo en estudios de modelación, el movimiento y destino final de la pluma es simulado incorporando la marea en los modelos numéricos. 3.5.2. Corrientes En el área en donde se ubique el emisor es fundamental establecer el patrón de la circulación de las corrientes costeras. Los principales mecanismos que producen las corrientes en la zona costera son la marea, el viento y el oleaje. La marea es un fenómeno periódico por lo que las corrientes que generen posee las mismas características periódicas pero habrá que determinar su intensidad y dirección y establecer como cambian con respecto al tiempo. El viento y el oleaje, aunque variable puede también tener un efecto significativo en el transporte y dilución de las descargas del emisor. Corrientes de marea

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En zonas costeras las corrientes dominantes son aquellas inducidas por el movimiento periódico en el nivel del mar. En áreas poco profundas y con fuertes variaciones en el nivel del mar las corrientes tienden a ser de gran magnitud. Las corrientes de marea son el principal mecanismo de trasporte de la descarga del emisor y por lo tanto es fundamental establecer su intensidad y dirección para establecer parámetros tales como la excursión de la marea (distancia que se mueve una partícula durante un ciclo de marea). La velocidad de la corriente de marea en la vertical puede ser descrito mediante un perfil logarítmico en donde la velocidad es casi uniforme en toda la columna de agua y decrece rápidamente cerca del fondo (Figura 3.3). Sin embargo, el perfil vertical de velocidad para flujos oscilatorios, con periodo (T) como la marea ha sido descrito por Prandle (1982). Por lo tanto la ecuación que describe la estructura vertical de la corriente de marea esta dado por:

QRee

UzU bHbyby

T ++

=+− 2)(

(3.4)

Donde Ū es el promedio vertical de la velocidad

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −=

Hzy 1

;

2/1

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

zNib ω

(3.5)

(3.6)

z es la distancia vertical desde la superficie, H la profundidad del tirante de agua, ω la frecuencia de la marea y Nz el coeficiente de viscosidad de remolinos,

)2exp(2)11())2exp(1( bHbH

bHR −−−×−= γ

RbHbHQ )2exp(1))2exp(1( −−−×

=γ

UkbN z

83π

γ =

(3.7)

(3.8)

(3.9)

Considerando una distribución lineal para Nz =αŪH y con valores de k=0.0025 y α=0.0012, el perfil de Prandle provee una muy buena aproximación de la estructura vertical de la corriente de marea. Corrientes inducidas por el viento

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En zonas costeras el viento tiene una fuerte influencia sobre la superficie del agua. El viento transfiere energía o movimiento a la superficie del agua generando lo que se conoce como circulación inducida por el viento. Asimismo, contribuye significativamente en la generación de oleaje y mezclado en la capa superficial. El esfuerzo del viento actúa sobre la superficie en dirección del viento y es expresado como

2WC aDs ρτ = (3.10)

Donde CD es el coeficiente de arrastre (considerado como 1.3×10-3) y ρa es la densidad del aire. El esfuerzo del viento actuando sobre la superficie genera una corriente de deriva y modifica el esfuerzo cortante en la vertical. Se ha determinado empíricamente que la corriente inducida por el viento, en la superficies, es proporcional a la magnitud del viento. Típicamente, la corriente superficial (Wws) es considerada alrededor de 3% de la magnitud del viento (W). Estudios experimentales llevados a cabo por Wu (1975) han mostrado que inmediatamente, debajo de la superficie libre, hay una capa, de espesor zo, la cual se mueve uniformemente a una velocidad Uws. El espesor de esta capa no se ha podido determinar pero se considera que es muy delgada. A partir de la profundidad zo, la distribución vertical de velocidad tiene características del tipo de capa limite, con un fuerte gradiente de velocidad cerca de la interfase agua-aire. Este puede ser representado por un perfil logarítmico que decrece en la vertical

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

)/ln()/ln(

1)(oc

owsW zz

zzUzU

(3.11)

Donde Uw es la velocidad de deriva a la profundidad z, zo es el espesor de la capa superficial y zc es la profundidad máxima a la cual el efecto del viento se asume tiene influencia (Figura 3.3). 3.5.3. Oleaje El oleaje tiene un efecto sobre las estructuras y también produce un transporte en dirección de la propagación de la onda debido a la derivada de Stokes. La deriva o transporte de Stokes depende de las características del oleaje que se este presentando en el área de la descarga del emisor. La corriente superficial que se genera es también un parámetro importante en el transporte y dispersión de la pluma del emisor. El flujo horizontal debido al oleaje y el gradiente vertical de velocidad esta dado por

)(2))(2cosh()( 2

2

kHsenhzHkkazU s

−=

σ (3.12)

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Donde z es la profundidad desde la superficie, H es la profundidad de la columna de agua, σ la frecuencia de la onda (2π/T) y k el numero de onda (2π/λ) para ondas de periodo T y longitud de onda λ. Las características del perfil generado por el oleaje se describe en la Figura 3.3.

Figura 3.3 Diagrama esquemático de los perfiles verticales de velocidad

inducidos por la marea, viento y el oleaje

3.5.4. Difusión y dispersión En zonas costeras el medio ambiente marino finalmente se encargara de transportar y diluir las descarga del emisor submarino. Estos procesos se conocen como advección y difusión, y deben ser completamente determinados en el área de ubicación del emisor. El transporte advectivo es determinado por las corrientes de marea, viento y oleaje, y la difusión por los movimientos turbulentos del flujo advectivo. Los flujos en la zona costera son generalmente turbulentos. La importancia de la turbulencia en el medio ambiente marino estriba en su capacidad efectiva de mezclado o de dispersión. En el océano los movimientos turbulentos son el principal mecanismo de mezclado (horizontal y vertical) o de difusión de sustancias. La turbulencia de un área se caracteriza mediante los coeficientes de difusión por remolinos en la dirección x, y y z (Kx, Ky y Kz). En el medio ambiente marino debido a que las escalas horizontales son mayores que las escalas verticales, Kx y Ky son generalmente mucho mayores que Kz. Los rangos de los coeficientes van de:

Kx y Ky 10 a 105 m2 s-1

Zc

Zo

marea viento oleaje P

rofu

ndid

ad

47

Kz 10-5 a 10-1 m2 s-1 Es importante notar que estos valores son grandes comparados con la difusión molecular que es del orden de 10-7 m2 s-1. Estimaciones de los coeficientes de difusión (Kx, Ky y Kz) han mostrado que éstos varían de un lugar a otro dependiendo que las condiciones ambientales que prevalecen en el área. De aquí que los coeficientes de difusión son característicos de áreas y condiciones ambientales específicas. En el evento de condiciones ambientales diferentes, los niveles de turbulencia cambian y por lo tanto las razones de mezcla. En estas circunstancias, los coeficientes de difusión determinados bajo ciertas condiciones no pueden ser utilizados para describir o extrapolar el proceso de mezcla a otras condiciones ambientales inclusive de la misma región. Por lo tanto es necesario establecer los coeficientes de difusión para la zona donde se ubicara el emisor. Dependencia de la difusión a las condiciones ambientales Uno de los principales problemas es establecer valores para los coeficientes de difusión que quedan ser utilizados bajo diferentes condiciones ambientales. Estudios experimentales, como los de Bowden et al. (1974) en regiones caracterizadas por poca estratificación y fuertes gradientes de velocidad, observaron una marcada dependencia de la difusividad lateral (Ky) y vertical (Kz) con la magnitud de la velocidad de la corriente de marea. Los valores de los coeficientes, Ky y Kz, se incrementaban al aumentar la velocidad de la corriente. Sin embargo, desde entonces era evidente que además de la corriente de marea, otros mecanismos tales como viento, oleaje, oleaje rompiendo, remolinos de marea y turbulencia generada en el fondo (por la interacción de la corriente con el fondo) pueden contribuir significativamente al proceso de mezclado en zonas someras. Estudios experimentales y teóricos han intentado cuantificar el efecto de las condiciones ambientales al proceso de mezclado (Meerburg, 1972; Bowden y Lewis, 1973; Thorpe, 1985; Rapp y Melville, 1990; Schott et al., 1978). Sin embargo, le escasez de información (datos de laboratorio y de campo) ha limitado estos esfuerzos de determinar una relación que describa a los coeficientes de difusión en función de las condiciones ambientales. Experimentos para describir la difusión en función de las condiciones ambientales fueron llevados a cabo por Morales et al. (1997). La dependencia de las difusividades, laterales y verticales, fue asociada a los parámetros ambientales (corriente de marea y viento). Aunque los datos muestran una clara dispersión se observa que existe una dependencia lineal de la difusión lateral con la corriente de marea (U) y el viento (W), respectivamente. La relación establecida para Ky y Kz corresponde a

Ky (10-4 m2/s) = 272.8 U (m/s) + 21.1 W (m/s) (3.13)

48

Kz (10-4 m2/s) = 39.7 U (m/s) + 3.1 W (m/s) (3.14)

Estas expresiones son mas generalizadas y puede ser utilizadas para establecer los coeficientes de difusión en regiones en donde los mecanismos de mezcla sean la marea y el viento. Asimismo, estos coeficientes pueden tener múltiples aplicaciones en la modelación y dispersión de las descargas residuales del emisor submarino. En la Figura 3.4 se presentan los contornos derivados de las ecuaciones. 3.5.5. Procesos costeros La zona costera o litoral es un ambiente muy dinámico. En ella se presentan varios procesos físicos y geológicos que determinan la morfología de la zona costera. Los procesos físicos más importantes que determinan la dinámica de la zona costera son la: 1) marea; 2) el oleaje y; 3) las corrientes. Dentro de los aspectos geológicos (morfológicos y litológicos) se encuentran el tipo de material que conforma la costa (rocoso o arenoso), composición y que tan susceptible es este a la erosión o disolución. Las costas pueden clasificarse como consolidadas (rocosas), no consolidadas (arenosas) y tectónicas (pendientes abruptas). En la zona costera del Pacífico mexicano podemos encontrar prácticamente los 3 tipos de costas mientras que las costas del Golfo de México son principalmente no consolidadas. En las costas no consolidadas dominan los procesos de deposición y erosión de sedimentos. Transporte Litoral Uno de los aspectos importantes de las playas es el transporte de sedimentos por lo tanto el diseño y construcción del emisor debe de tomar la dinámica de la playa. Inicialmente se debe de establecer las fuentes y sumideros de sedimentos. En general los sedimentos provienen de los ríos, erosión de los acantilados, de los arrecifes (sedimentos biogénicos) y del transporte a lo largo de la costa. El tipo de material determina la forma y composición de la playa. Por lo tanto este es clasificado de acuerdo a su tamaño, composición, forma y otras propiedades tales como color.

49

188

198258

169 338

438

194

273

161

133

187

514

318

613

380

183227

268

298

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Velocidad de la marea (m/s)

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

Velo

cida

d de

l vie

nto

(m/s

)

21

329

30 75

42

17

11

29

24

32

56

78

99

76

3641

27

26

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Velocidad de la marea (m/s)

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

Velo

cida

d de

l vie

nto

(m/s

)

Figura 3.4 Contornos de Ky (10-4 m2/s) y Kz (10-4 m2/s) en función de la intensidad de la corriente y el viento

La dinámica de la zona litoral es determinada por las corrientes de marea, oleaje y viento En la zona litoral las corrientes mas importantes son aquellas debidas al oleaje. Dependiendo del arribo del oleaje será la formación de las corrientes. Si el oleaje llega paralelo a la línea de costa este puede producir la formación de corrientes de retorno mientras que si el oleaje llega en forma oblicua a la línea de costa las corrientes tienden a ser paralelas a la costa. Esto tiene implicaciones en el movimiento o transporte de sedimentos y es diferente para cada localidad. Asimismo se presentan variaciones a diferentes escalas de tiempo como son diarias, estacionales, anuales y decadales que pueden modificar significativamente la línea de costa.

50

Perfil de la costa El perfil de la costa o perfil de playa consiste de una sección perpendicular a la costa y que describe el contorno (altura) de los niveles de la playa. El perfil incluye desde la zona de dunas, la berma, la cara de la playa, la playa y hasta la zona de rompiente del oleaje. El perfil de playa es determinado por las características del tamaño de grano de la arena y por la energía del oleaje. En todas las playas existe una variación estacional en la energía del oleaje que produce cambios en la pendiente y por lo tanto cambios en la forma del perfil de playa. El perfil de verano es determinado por ondas generadas por el viento en áreas lejanas y que arriban con un periodo regular (T > 7s). Mientras que el perfil de invierno es determinado por oleaje irregular de alta energía generado principalmente por tormentas. } Relaciones empíricas han sido establecidas para predecir el perfil de playa (erosión y acreción) en base a parámetros básicos tales como altura del oleaje (H), periodo de la ola (T), esbeltez de la ola (H/λ), tamaño de grano y la velocidad de sedimentación. Predecir el comportamiento del perfil de playa es de gran utilidad para conocer la estabilidad natural de la playa. Asimismo es fundamental cuantificar el transporte de sedimentos, perpendicular y lateral a la costa, ya estos aspectos pueden incidir significativamente en el diseño del emisor. 3.5.6. Propiedades del agua del mar El agua de mar tiene ciertas propiedades físico-químicas que tienen que ser consideradas en el diseño del emisor submarino. Estas propiedades, por ejemplo, determinan la densidad y estratificación de la columna de agua las cuales pueden jugar un papel importante en inhibir la dilución de las descargas de aguas residuales al mar. Salinidad El agua de mar es una mezcla de 96.5% de agua pura y de 3.5% de otros materiales tales como sales disueltas, gases disueltos, sustancias orgánicas y partículas no disueltas. La presencia de sales en el agua de mar modifican en cierta forma las propiedades físicas del agua de mar (e.g. densidad, compresibilidad, punto de congelamiento, temperatura) pero no las determinan. Por ejemplo, viscosidad y absorción no son significativamente afectadas por la salinidad, sin embargo, conductividad y presión osmótica son determinadas por la cantidad de sales en el agua de mar. En el océano la salinidad varia entre los 34 y 38‰. El símbolo ‰ indica “partes por mil”, por lo que si el agua de mar contiene un 3.5% este es equivalente a 35‰ o 35g de sal por kilogramo de agua de mar. En promedio la salinidad en el océano es cercano a los 35‰. Inicialmente la salinidad se determinaba en base al contenido de cloruros mediante titulación química. Actualmente las técnicas de medición de la salinidad se basan en la conductividad, temperatura y presión. De aquí que, desde

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1978, se establece la Escala Practica de Salinidad en función de la razón de conductividad. En esta definición la salinidad es una razón y por lo tanto el símbolo ‰ ya no se usa, sin embargo, un valor anterior de 35‰ corresponde a uno de 35 en la escala práctica de salinidad. Asimismo, se acostumbra a escribir como 35 ups (unidades prácticas de salinidad) sin embargo esto no es necesario ya que la salinidad práctica es una razón y por lo tanto no tiene unidades. La salinidad superficial en zonas costera puede ser bastante variable debido a los aportes de los ríos. La ocurrencia de cambios estacionales es también evidente en zonas costeras (precipitación y evaporación) y determina la distribución horizontal de salinidad. En la vertical la salinidad puede variar de ser mayor en la superficie a menor en el fondo o viceversa por lo que para establecer la distribución vertical de salinidad es necesario medir a diferentes profundidades. Temperatura La temperatura en zonas costeras depende principalmente de las condiciones ambientales (radiación, viento, corrientes, descarga de ríos, etc.). Esta puede ser variable y responder a cambios estacionales observándose las máximas temperaturas superficiales durante el verano y las mínimas durante el invierno. Generalmente, la temperatura es máxima en la superficie y decrece hacia el fondo. La columna de agua generalmente puede ser dividida en tres partes de acuerdo a su estructura térmica: la capa de mezcla, la termoclina y la capa profunda (Figura 3.5). La capa de mezcla se caracteriza por tener una temperatura homogénea en la vertical. La profundad de la capa de mezcla varía de unos cuantos metros a decenas de metros. Después de la capa de mezcla se encuentra la termoclina que es la región en donde se presenta el gradiente máximo de temperatura. Finalmente, la tercera capa corresponde a la capa de profunda en donde la temperatura presenta sus valores mínimos. Densidad La densidad es uno de los parámetros importantes que deben de ser determinado en el diseño del emisor. La densidad se representa por el símbolo ρ (rho) y depende de la temperatura (T), salinidad (S) y la presión (p). Esta dependencia es lo que se conoce como la ecuación de estado de agua de mar.

ρ = ρ(T, S, p) (3.15)

La densidad se incrementa con la salinidad y con el descenso de la temperatura. La densidad en el océano es generalmente cercana a los 1025 kg/m3 (el agua dulce es de 1000 kg/m3). Para describir la densidad en oceanografía se utiliza el símbolo σt (sigma-t) el cual se define como σt = ρ -1000 y generalmente no lleva unidades sin embargo debe de llevar las mismas de ρ. De acuerdo a la definición la densidad típica del agua de mar es de σt = 25.

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La densidad es uno de las variables importantes a considerar en el diseño del emisor y de los difusores. En el caso más simple, la descarga del efluente del emisor asciende hacia la superficie. Se mezcla con el agua a su alrededor pero debido a que la mezcla no ocurre al 100% su densidad es menor a la del agua a su alrededor y por lo tanto esta llega hasta la superficie.

Figura 3.5 Distribución vertical de temperatura durante un ciclo anual

Oxígeno disuelto El oxígeno es uno de los gases disueltos que se encuentra en el agua de mar. Este ha sido utilizado como una característica de las masas de agua y es expresado en mililitros de oxígeno (gas) disuelto en un litro de agua de mar. El contenido de oxígeno depende de la temperatura y salinidad. El rango de valores que se observan en el mar van de 0 a 8 ml/l pero una gran proporción de valores corresponde al rango de 1 a 6 ml/l. La fuente primaria de oxígeno en el mar es debido al intercambio agua-aire de la atmósfera. En la superficie del mar el agua generalmente se encuentra saturada mientras que en las capas mas profundas se encuentras menos saturadas debido al consumo de oxígeno por los organismos vivos y por la oxidación de la materia orgánica. 3.5.7. Estudios geológicos Los estudios geológicos son necesarios para establecer las características del área de ubicación del emisor. Estos deben de comprender la morfología de la costa, estratigrafía, topografía y batimetría del área. Sobretodo se requiere de información de las características de las capas de sedimentos que conforman el fondo marino ya que esta información es fundamental para el diseño del emisor.

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3.6. INSTRUMENTOS, TÉCNICAS DE MEDICION Y ANÁLISIS Generalmente la información histórica (oceanográfica, geológica y meteorológica) que se recabe del área para el emplazamiento del emisor submarino es generalmente insuficiente para establecer en forma clara los procesos físicos que prevalecen y dominan la región. Por lo tanto, es necesario llevar a cabo estudios adicionales y un análisis mas profundo de la información que se recabe. Asimismo, el avance en la tecnología y desarrollo de nuevos instrumentos ha incrementado la capacidad y calidad en las mediciones, las cuales, ahora se puede llevar cabo en tiempo real. 3.6.1. Información geológica y topográfica Para los estudios geológicos y topográficos se requiere llevar a cabo mediciones detalladas de campo. Para la topografía con una estación topográfica digital y sistema de posicionamiento global (GPS), que proporciona la posición en latitud y longitud, es suficiente. Para la batimetría se requiere recorrer el área de estudio con una ecosonda fija en una lancha y un GPS. Para una mayor versatilidad en el manejo y procesamiento de la de la información, ambos instrumentos deben de almacenar la información en una computara portátil. Técnicas de procesamiento han sido desarrolladas para graficar los datos y generar las cartas topográficas. Otras forma de conocer las características del fondo es mediante los escaners de barrido lateral que son arrastrados desde un barco y proporcionan imágenes en tiempo real del fondo marino. Las ondas acústicas que envía el escáner son reflejadas en el fondo y posteriormente procesadas, generando imágenes similares a la fotografía aérea. Para las capas mas profundas se utilizan sonares (sub-bottom profiler) que mediante el análisis de los pulsos de sonido que rebotan en el fondo pueden mostrar las características de las capas del fondo marino. Gran parte de la información del fondo se corrobora con muestras que se tomen del fondo con dragas y nucleadores. 3.6.2. Información meteorológica Para la medición del viento se utilizan las estaciones meteorológicas en las cuales se instala un anemómetro. Los anemómetros pueden ser mecánicos o no mecánicos. Los mecánicos constan básicamente de un rotor para medir la magnitud y una veleta para medir la dirección del viento y los no mecánicos pueden ser sónicos. Estos se pueden ubicar en tierra o en la zona marina. Los sensores deben de estar ubicados a 10 m de altura para cumplir con el estándar establecido para la medición del viento. Adicional a la velocidad del viento las estaciones pueden complementar los datos de viento midiendo precipitación, humedad, radiación, presión atmosférica y la temperatura ambiente. Las estaciones meteorológicas miden la intensidad y dirección del viento. Las mediciones del viento se registran comúnmente a intervalos de 1 hora. Los datos que se recaben deben de ser suficientes para conocer el régimen de vientos que prevalece en el área. Asimismo, mediciones de viento deben de ser llevados a cabo

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durante las mediciones de corrientes para ayudar en la interpretación de los datos. Finalmente, se debe de evaluar, mediante la estadística de los vientos durante un periodo largo, la probabilidad de condiciones adversas tales como una combinación de corrientes y vientos hacia la costa que pudieran transportar las descargas del emisor hacia la costa. 3.6.3. Información oceanográfica y de calidad del agua Para la medición de los diferentes parámetros oceanográficos tales como la marea corriente, oleaje y parámetros físico-químicos, existen una serie de instrumentos que actualmente pueden medir algunos o todos estos parámetros. Gran parte de estas mediciones se pueden grabar en la memoria del instrumento o si se utiliza una sonda desde una embarcación, mediante cable conductor, se manda la señal (los datos) abordo en tiempo real. Asimismo, desarrollos en la telemetría permiten enviar la información de los instrumentos (e.g. mareógrafos boyas de deriva y boyas meteorológicas vía satélite, telefónica o por UHF/VHF. Por lo tanto el desarrollo de nuevos instrumentos ha contribuido en simplificar las mediciones de campo. A continuación se describen algunos de los instrumentos utilizados para las mediciones oceanográficas. 3.6.4. Marea Para la medición de la marea en la costa se puede llevar cabo desde una simple regla de mareas graduada en centímetros o décimas de pie (el cual es el estándar internacional). La posición de la regla esta referida a un banco de nivel que inicialmente es arbitrario pero que después del análisis de datos se corrige su altura y a la del nivel medio del mar. Mareógrafos analógicos y digitales son los mas comunes para la medición del nivel del mar, sin embargo, estos requieren de instalaciones para ubicar el instrumento y el tubo del flotador. El principio de medición es a través de un flotador y un contrapeso pero también existen los de presión y los acústicos. Los datos se registran en un rollo papel o también se pueden registrar en forma digital. El intervalo estándar de medición de la marea es de una hora. 3.6.5. Corrientes Para la medición de corrientes en zonas costeras existen dos métodos que son el euleriano y el lagrangeano. El euleriano consiste en medir la corriente en un punto fijo sobre un intervalo de tiempo y el lagrangeano consiste de un dispositivo que se mueve con el fluido y su posición en el espacio es medida sobre un intervalo de tiempo. A continuación se describen algunos aspectos de ambas mediciones y los instrumentos de medición generalmente utilizados. Mediciones Eulerianas

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Las mediciones eulerianas consisten en medir la corriente en un punto fijo en la columna de agua de la zona costera. Por lo tanto, las mediciones eulerianas nos permiten obtener la intensidad y dirección de la corriente en cierto periodo de tiempo. Para la medición de la corriente existe una amplia variedad de instrumentos los cuales son generalmente autónomos y cuentan con una fuente de poder y memoria que les permite grabar los datos internamente. Asimismo, estos se pueden clasificar de acuerdo al principio físico que utilizan para medir la corriente y que son:

1) De rotor o propela (con veleta). Estos son dispositivos mecánicos que mediante el numero de vueltas del rotor se determina la intensidad de la corriente mientras que la veleta proporciona la dirección de la corriente. Estos instrumentes son relativamente baratos ya que su tecnología es mas simple, asimismo, se tiene una menor precisión en las mediciones que se obtienen (e.g. Aanderaa RCM-4). En la Figura 3.6 se muestra la forma de un anclaje típico para medir las corrientes costeras a diferentes profundidades. 2) Electromagnéticos. Estos instrumentos no tienen partes mecánicas movibles y por lo tanto no presentan problemas como el caso de los instrumentos con rotor el cual es muy común de que se atoren por la presencia de algas. Para estimar la velocidad generan un campo magnético a partir del cual, dependiendo de su deformación, se determina la intensidad y dirección de la corriente. La tecnología de estos instrumentos ya es mas sofisticada y por lo tanto tienden a ser caros (e.g. correntímetro InterOcean S4). 3) Acústicos. Los correntímetros acústicos utilizan el sonido para estimar la velocidad de la corriente. Estos al igual que los electromagnéticos son mas sofisticados y caros (e.g. correntímetro Neil Brown). Instrumentos mas recientes tales como los Perfiladores Acústicos o ADCP’s (Acoustic Doppler Current Profiler) nos permiten medir el perfil de velocidad en toda la columna de agua. El ADCP se puede anclar en el fondo o en la superficie y las mediciones se puede llevar a cabo en tiempo real o grabar la información en la memoria del instrumento.

Una de las desventajas de las mediciones eulerianas es de que solo se mide en un punto por lo que para la obtención del campo horizontal de velocidad del área de estudio es necesario la colocación de una serie de correntímetros

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Correntímetros

Boya subsuperficial

Rango de marea

Boya de señalamiento

Figura 3.6 Diagrama esquemático del anclaje de los correntímetros para medir

la velocidad en la columna de agua Mediciones Lagrangeanas En las mediciones lagrangeanas se utiliza un dispositivo para seguir la trayectoria de una parcela de agua. La idea es que tal dispositivo se comporte como parte de esa parcela de agua. Para tal efecto varios equipos han sido utilizados Flotadores lagrangeanos o boyas de deriva El seguimiento de flotadores es la técnica mas común para la medición de corrientes lagrangeanas. Estos dispositivos consisten de un elemento que va sumergido a la profundidad deseada y conectado por medio de un cable a una boya en la superficie. El elemento sumergido puede consistir de un paracaídas, una cortina de ventana o una cruceta que será arrastrado por la corriente o parcela de agua. Los flotadores lagrangeanos proporcionan velocidades promedio y el patrón de las corrientes. En la Figura 3.7 se muestran ejemplos de los flotadores lagrangenos más comúnmente utilizados para la medición de corrientes como son el de cortina, ventana y la cruceta. Estudios han demostrado que las crucetas han dado buenos resultados para la medición de las corrientes. Una de las ventajas es el bajo costo de construir las crucetas de deriva. Para el monitoreo de las corrientes costeras se coloca una serie de flotadores (5) perpendicular a la línea de costa. La separación de los mismos será determinada de acuerdo al área de estudio. Una de las desventajas de usar los flotadores se encuentra en monitorear su trayectoria. Esta generalmente se lleva

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cabo periódicamente en forma visual desde una embarcación o desde tierra. En caso de usar la embarcación, esta se posicionará junto al flotador periódicamente y se fijara su posición mediante un GPS. Si se hace desde tierra, serán necesarias dos estaciones topográficas, ubicadas a cierta distancia conocida (formando una línea base entre las dos) y se medirán periódicamente los ángulos internos entre la línea base y el flotador. El análisis de los datos nos proporcionará el movimiento y dirección de los flotadores. La medición de corriente en forma visual tiene sus limitaciones ya que estas solo pueden ser seguidas durante el día y por lo tanto sus resultados son limitados. Sin embargo, se han desarrollado otras técnicas para la medición de corrientes. Las mas sofisticadas incluyen un sistema de radio comunicación (transmisor/receptor) que permite el seguimiento de las flotadores desde cualquier lugar. La comunicación se puede llevar mediante telemetría vía satélite o VHF/UHF. La telemetría mediante VHF/UHF puede medir corrientes en un radio de hasta 160 km, dependiendo de la altura de las antenas del receptor y transmisor, mientras que la satelital tiene cobertura global. Mediante esta técnica las corrientes se pueden monitorear durante periodos mas largos de tiempo (días o meses). Asimismo, una de las ventajas es de que las corrientes o movimiento de las boyas se puede monitorear en tiempo real. Las mediciones lagrangenas nos permitirán estimar la excursión de la marea y asimismo servirán para validar las simulaciones numéricas de los modelos numéricos de la descarga del emisor.

Figura 3.7 Flotadores para la medición de corrientes lagrangeanas

3.6.6. Oleaje Las mediciones de oleaje consisten en medir la altura, periodo y dirección de las olas. La medición del oleaje no direccional se puede llevar a cabo mediante sensores de presión anclados en el fondo o con boyas en la superficie del mar. Los datos obtenidos en ambos casos consistirán de altura y periodo del oleaje. Para llevar a cabo mediciones de oleaje que incluyan la dirección se requiere que los sensores y las boyas incluyan mediciones de la corriente. En ambos casos la información de oleaje se puede grabar en la memoria del instrumento o monitorear en tiempo real.

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En el caso de las boyas para oleaje estas de igual forma pueden enviar los datos de oleaje vía telemetría. 3.6.7. Calidad del agua Los parámetros de calidad del agua que se monitorean en estaciones designadas en el área de la descarga y en la descarga del emisor son: oxígeno disuelto, color, turbidez, sólidos suspendidos, temperatura, pH y salinidad. Adicional a los parámetros mencionados, en la descarga del emisor se debe de medir la concentración de oxígeno disuelto, demanda bioquímica de oxígeno, COD, E. Coli, fosfatos totales, nitrógeno amoniacal y nitrógeno inorgánico total. Algunos de estos parámetros se pueden medir directamente, sin embargo, en el caso de algunos otras se tienen que tomar las muestras, preservarlas bajo ciertas condiciones y enviadas a un laboratorio en donde se deben de analizar a la brevedad posible. 3.6.8. Barcos oceanográficos Los barcos oceanográficos son plataformas que facilitan la medición de los diferentes parámetros físicos, químicos, biológicos y geológicos. Para algunas mediciones sería conveniente utilizar los barcos oceanográficos por su versatilidad (equipo y laboratorios), sin embargo, debido a que las mediciones oceanográficas para el diseño de emisores submarinos son costeras, con una embarcación mediana seria suficiente para gran parte de las mediciones. Una de las grandes ventajas en la utilización de los buques oceanográficos es de que estos pueden trabajar continuamente las 24 horas del día. La UNAM cuenta con dos barcos para llevar a cabo investigaciones en el Océano Pacífico y Golfo de México que en un momento dado puede ser utilizados para llevar a cabos los estudios de las condiciones oceanográficas en el área del emisor. Finalmente, el desarrollo tecnológico de los instrumentos oceanográficos ha permitido que ahora un solo instrumento se pueda medir una serie de parámetros, simultáneamente. Por ejemplo, meteorológica anclada en la descarga del emisor (Figura 3.8) además de medir los parámetros meteorológicos (viento, temperatura del aire, humedad, etc.) puede también medir parámetros ambientales del agua de mar (temperatura, salinidad, oleaje, corrientes, etc.). De igual forma el anclar un perfilador acústico (ADCP) en el fondo marino además de medir el perfil de velocidad de la corriente puede también medir la marea, oleaje, temperatura salinidad, etc. Asimismo, las sondas que se utilizan para medir los parámetros físicos y químicos pueden medir toda una serie de parámetros tales como presión, temperatura y oxígeno disuelto. Simultáneamente, en la medición de los parámetros físicos se incluyen una serie de botellas para tomar muestras de agua para llevar a cabo los análisis químicos en el laboratorio que complementaran los resultados de las sondas oceanográficas (e.g. CTD).

59

Figura 3.8 Boya meteorológica para la medición de temperatura, intensidad y

dirección del viento

60

4. CRITERIOS DE DISEÑO 4.1. INTRODUCCIÓN En este capítulo, se mencionan los principales parámetros que se requieren para llevar a cabo el diseño de los emisores submarinos. Una vez que se conoce el gasto que se debe verter a través de un sistema de depuración y los usos que se le dé a la playa o al sitio de descarga, se diseña una primera aproximación de las características físicas del emisor tomando como base, la selección de las principales variables; es decir se realiza una revisión del sitio y de las condiciones en el lugar o lugares posibles de la ubicación del emisor y el punto de la descarga. Así deben de manejarse variables geomorfológicas, oceanográficas, hidrometeorológicas y topográficas con el fin de disponer de la información necesaria (Figura 4.1). En base a esto se realiza una primera propuesta de diseño, para la cual otra serie de estudios deben de realizarse como son la configuración del emisor (tubería principal, sistema difusor, longitudes, diámetros, etc). Además, deben de revisarse las relaciones costo-beneficio y los estudios de impacto ambiental, tanto en la zona de descarga como en las zonas por proteger (Figura 4.2).

Figura 4.1 Principales componentes en el diseño de emisores submarinos

61

Figura 4.2 Relaciones a considerar en el diseño de un emisor

La ubicación del emisor debe de hacerse en base a la consideración de algunos factores, sin que esto sea una regla general, como 1. Área requerida para que el difusor pueda ser fijado sin mayores problemas en el

fondo marino. 2. Suficiente profundidad para que la densidad del agua del mar del fondo a la

superficie permita atrapar, la mayor parte, del año.,la descarga de aguas residuales.

3. No se recomiendan profundidades mayores de 60 m, ya que esto incrementa sustancialmente los costos de construcción, instalación, así como los costos de mantenimiento e inspección.

4. Una vez determinada la ubicación y el tipo de difusor, se recomienda un trazo en línea recta de la tubería principal, con una ligera pendiente favorable al vertido por gravedad: de igual forma se recomienda evitar pendientes adversas.

5. Una localización adecuada en donde los vientos y las corrientes resultantes no favorezcan el movimiento de las descargas hacia las zonas a proteger

6. Evitar las zonas de corrientes marinas de fondo persistentes. De igual forma, se recomienda que la zona de entrada al mar cumpla con algunas de las siguientes recomendaciones: 1. Cercanía a la planta de tratamiento o a los sistemas de bombeo. 2. Fácil acceso para la construcción e instalación y para los trabajos de supervisón

posteriores. 3. Una zona estable en términos de la morfología de la zona costera. 4. Una zona libre de material rocoso, peñascos o acantilados. 5. Acceso rápido a canales submarinos de aguas profundas.

62

4.2. CARACTERÍSTICAS DE LAS DESCARGAS 4.2.1. Datos de la descarga La condición crítica para el diseño de un emisor sería, en lo que respecta a la calidad del agua vertida, es si la planta de tratamiento no funcionará con la eficiencia para la cual se diseña, lo que muchas veces suele suceder. En esta caso se tendría la concentración máxima de descarga, y se recomienda hacer una revisión del diseño con esta condición. En la Tabla 4.1 se muestra la composición típica de aguas residuales municipales; los datos reportados en cuanto a concentración de coliformes en aguas crudas varían de 106 a 108 por cada 100 ml. En la Tabla 4.2 se muestran tres parámetros indicadores de la calidad del agua con diferentes procesos de tratamiento de las aguas residuales.

Tabla 4.1 Composición típica de aguas residuales municipales

Concentración (ppm) Constituyente Alta Media Baja Sólidos totales 1250 700 350

Sólidos Disueltos 850 500 250 Sólidos Volátiles 325 200 105

Sólidos en suspensión 350 200 100 DBO5 350 200 100 DQO 1000 500 250

Nitrogeno (como N) 85 40 20 Nitrógeo orgánico 35 15 8

Amoniaco libre 50 25 12 Nitritos 0 0 0 Nitratos 0 0 0

Fósforo total (como P) 16 9 4 Fósforo Orgánico 5 3 1

Fósforo Inorgánico 11 6 3 Alcalinidad (como CaCO3) 150 100 50

Aceites y grasa 150 100 50

63

Tabla 4.2 Niveles de tratamiento logrados con varias operaciones y procesos

Proceso Calidad típica del efluente, mg/l DBO5 Sólidos

Susp. N Total P Total

Ninguno (aguas crudas) 220 200 40 9 Preliminar 220 200 40 9 Primario 140 100 30 8

Secundario: Lodos activados Filtros biológicos

Lagunas de estabilización

20 30 30

25 30 30

30 30 30

8 8 8

Secundario avanzado: Coagulación y sedimentación Coagulación, sedimentación y

filtración Coagulación, sedimentación, desamonización, filtración y

adsorción con carbón

10 5 1

10 5 1

30 30

3

1 1

1

Tratamiento en suelos: Riego

Infiltración rápida Flujo por tierra

2 4

15

2 5

20

3 4 3

0.3 3 12

4.3. ANÁLISIS HIDRÁULICO DE LA TUBERÍA PRINCIPAL DEL EMISOR Generalmente las plantas de tratamiento se encuentran localizadas algunas o decenas o centenas de metros de la línea de costa, por lo que el análisis hidráulico del emisor debe de incluir tanto la parte superficial como la parte submarina hasta antes de la unión con el sistema difusor. El análisis hidráulico debe de realizarse con condiciones operación mínimas, condiciones normales, y situaciones de emergencia como pasos súbitos de los sistemas de bombeo, lo que obliga a llevar a cabo una revisión de los transitorios. De la misma forma el sistema difusor debe de revisarse para estos casos de operación, conforme a la disposición y características físicas de los orificios o boquillas de descarga. En el proceso de análisis de los diversos factores que determinan las características físicas del emisor dos parámetros son de importancia; la longitud y el diámetro interno de la tubería principal. Una vez seleccionados estos parámetros se procede a la revisión hidráulica del la tubería del emisor con diferentes condiciones de operación, como las que se enlistan en la Tabla 4.3:

64

Tabla 4.3 Parámetros para el diseño hidráulico del emisor submarino Parámetro Definición

Qmáx Gasto máximo de descarga Qmín Gasto mínimo de descarga Q 0.0 (Paro súbito) Y profundidad en la descarga LE longitud de la tubería principal Lz longitud entre el eje de emisor y la zona de protección DE Diámetro interno (con el que se calcula el área interna AE) VE Velocidad dentro de la tubería principal Sc Pendiente del terreno So Pendiente del fondo marino

Tabla 4.4 Recomendaciones para el diseño hidráulico del emisor y del difusor

Tubería principal del emisor 1 s/m .05EVs/m60.0 ≤≤ ; velocidad del flujo en el emisor

2 00.15Y ≥ m; profundidad de la descarga. Diseño del difusor

3 ED L03.0L ≥ ; longitud del difusor 4 s/m0.5DVs/m60.0 ≤≤ ; velocidad del difusor

5 EB A75.0nA ≤ ; área total de boquillas; siendo n el número de

boquillas; AB el área de cada boquilla y AE el área del emisor 6 S = Y/3; separación de boquillas 7 m075.0d ≥ , diámetro de cada boquilla 8 00.5VB ≤ m/s; velocidad en la salida o boquilla

La revisión hidráulica debe de tomar en cuenta las recomendaciones contenidas en la Tabla 4.4 (Verbestel et al, 1981; Aarne, 1995).; las variables de la Tabla 4.4 están indicadas en las Figuras 4.3 y 4.4.

65

Figura 4.3 Variables y elementos geométricos para el diseño del emisor y difusor submarino

Figura 4.4 definición de variables en el difusor submarino

66

Así para una configuración como la que se indica en la Figura 4.5, en donde se incluye una disposición convencional y sin cambios abruptos de pendiente, entre los tramos 1-2 y 2-3, y se supone que el flujo escurre completamente por gravedad desde la salida de la planta de tratamiento hasta la llegada al difusor. El balance de energía entre los puntos 1 y 2 puede calcularse con la relación de las energías (o carga hidráulica), con respecto a un cierto nivel de referencia, como se indica en la ec (4.1)

hg2Vp

Zg2Vp

ZhEEH 21f

211

1

222

221f1221 −−− Σ+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++=Σ+−=

γγ

(4.1)

En donde h 21f −Σ , representa la suma de todas las perdidas en el tramo (por fricción y locales si es que las hubiera). Se asumen los coeficientes hidrodinámicos de Boussinesq (α1 y α2) son tomados iguales a 1. De la ec (4.1) puede llegarse a la formulación siguiente para establecer la velocidad en la sección 2:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

=

−

−

DLf1

gh2V

21

212

(4.2)

En donde f es el factor de fricción según la fórmula de Darcy-Weisbach y h la diferencia entre Z1 y Z2. Esta formulación nos lleva a un proceso iterativo que está en función de la rugosidad, del factor de fricción, del diámetro del tubo y de la misma velocidad. La velocidad V2 que se obtenga debe de cumplir con la recomendación hidráulica 1 indicada en la Tabla 4.4.

Figura 4.5 Disposición convencional de un sistema emisor submarino

67

De la misma forma debe de revisarse la disposición de energía del tramo submarino que va de la línea costera (2) al punto de unión con el difusor (3) y la velocidad V3 con que se llega a la estructura difusora. En todos los cálculos que se realicen deben de revisarse que se cumpla con las condiciones hidráulicas enunciadas anteriormente. Para el caso de que existan topografías accidentadas, para cuando la planta de tratamiento se encuentre lejos de la línea de costa, deberá revisarse la necesidad de incluir sistemas de bombeo para satisfacer los requerimientos necesarios. En este caso se requerirá de incluir en las ecuaciones de balance energético la carga adicional proporcionada por estos sistemas. Situación similar se requerirá si no se tiene la energía necesaria para cumplir con las recomendaciones hidráulicas de la Tabla 4.4. Por último, deberá de revisarse el sistema para condiciones extraordinarias, por ejemplo, cuando existan fallas de los sistemas de bombeo, cierres en el difusor, por cuestiones de operación o de mantenimiento del emisor. En estas condiciones las sobrepresiones producidas deberán de incluirse en el balance de energía. Sea cual fuera el resultado de la maniobra que se realice, de este análisis deberá decidirse si se requieren de sistemas o dispositivos aliviadores de presión y la ubicación de los mismos 4.4. REVISIÓN HIDRÁULICA DEL DIFUSOR La dilución inicial se incrementa sustancialmente si se diseña un difusor de bocas múltiples, como se había mencionado. Sin el uso de difusores, permaneciendo invariables las otras condiciones, se requieren salidas mucho mas largas en aguas profundas para proporcionar el mismo grado de dilución, sobre todo si se descarga por la misma tubería. En la literatura especializada se reportan recomendaciones de difusores de una sola salida, cuando el diámetro del emisor es menor 0.150 m (Verbestel et al, 1981), sin embargo, suelen encontrase diseños de diámetro mayor. Existen también difusores de gran diámetro con varios puertos de salida y de diferentes tipos de material que van desde tuberías de polietileno de alta densidad, como se describe en el capítulo 5. Para difusores de dos brazos existe la recomendación de que ambos brazos sean de igual longitud y que éstos sean conectados en forma de “Y” con ángulo interno entre ellos de 120º (Verbestel et al, 1981; Aarne, 1995), como se muestra en la Figura 4.2. Además se sugiere que se consideren las recomendaciones indicadas en la Tabla 4.2. Para un difusor con varios puertos de salida se requiere que a lo largo del difusor exista suficiente energía hidráulica asegurar la salida de las aguas residuales a través de las boquillas, se recomienda utilizar la siguiente ecuación:

ibDii gE2ACq = (4.3)

68

En donde: qi el gasto por la boquilla “i” (m3/s) CDi coeficiente de descarga Abi área de la boquilla “i” (m2) Ei carga total en la tubería en una sección inmediatamente aguas arriba

de la boquilla “i” (m) g aceleración de la gravedad (m/s2)

Si la boquilla del extremo (hacia el mar) se le asigna el número 1, el gasto será

11b1D1 gE2ACq = (4.4)

donde E1 = h1 + V1

2/2g Siendo; h1 la diferencia de cargas de presión a la salida de la boquilla y en la sección del difusor inmediatamente aguas arriba de la boquilla. Para la penúltima boquilla designada con el numero 2, el gasto será:

22b2D2 gE2ACq = (4.5)

En esta última ecuación, E2 resulta ser E1 +hf. Donde hf es la pérdida de carga entre dos boquilla consecutivas. Para el resto de las boquillas se procede de igual forma. Con las energías necesarias para lograr la salida de los gastos de cada boquilla y conocida la pérdida de carga del difusor, que sumada a la pérdida de carga a lo largo de la tubería principal del emisor desde la salida de la planta de tratamiento, se puede determinar bajo la utilización de la ecuación de la energía si existe una energía remanente, y si es necesario calcular cajas rompedoras de presión, para contar con la carga hidráulica necesaria de operación. En el diseño y la revisión hidráulica del difusor deberá de tomar en cuanta las recomendaciones dadas en la Tabla 4.4. 4.5. ESTUDIO DE LA DISPERSIÓN DE LA PLUMA CONTAMINANTE El comportamiento de mezclado de cualquier descarga de aguas residuales esta gobernada por la interacción de las condiciones del ambiente en el cuerpo de agua receptor y por las características de la descarga. Las condiciones ambientales en el cuerpo de agua receptor están descritas por las características físicas y dinámicas de cuerpo de agua. Entre los parámetros físicos importantes se incluye vista de planta como la forma de la costa, secciones transversales verticales y batimetría, especialmente en la vecindad de la descarga. Las características dinámicas están dadas por las distribuciones de velocidad y densidad, principalmente cerca de la descarga. En muchos casos estas condiciones se pueden tomar como flujo estable con leves variaciones debido a que las escalas de tiempo en los procesos de

69

mezclado son usualmente del orden de minutos, o alrededor de una hora. En algunos casos el flujo notablemente influenciado por la marea, provoca que las condiciones ambientales sean altamente transitorias y el supuesto de condiciones de flujo estable puede ser inapropiado. En este caso, la dilución efectiva de la pluma descargada se puede reducir con relación a estas condiciones bajo flujo estable. Las condiciones de descarga se relacionan con la geometría y características del flujo de la instalación de la descarga sumergida. Para descarga por un puerto sencillo, la geometría esta dada por el diámetro del puerto, su elevación sobre el fondo y su orientación. Para instalaciones de difusor de bocas múltiples el arreglo de los puertos individuales a lo largo de la línea del difusor, la orientación del difusor y detalles de construcción representan características geométricas adicionales. Las características del flujo están dadas por el gasto del efluente, por su cantidad de movimiento y por su flotación. La flotación de flujo representa el efecto de la diferencia de densidad relativa entre la descarga y las condiciones del ambiente en combinación con la aceleración gravitacional. Es una medida de la tendencia del flujo efluente a elevarse (flotación positiva) o a descender (flotación negativa). La hidrodinámica de un efluente descargando continuamente en un cuerpo de agua receptor se puede conceptualizar como un proceso de mezclado ocurriendo en dos regiones separadas. En la primera región la cantidad de movimiento a la salida del emisor y la flotación (diferencia de densidades del agua descargada y la del agua del mar influyen en la trayectoria y mezclado del chorro. Esta región es conocida como el campo cercano y abarca el flujo del chorro flotante y cualquier interacción con la superficie, fondo o capa terminal. En esta región generalmente se pueden afectar las características de mezclado inicial de la descarga a través de la manipulación adecuada de las variables de diseño. A medida que la pluma viaja más lejos de la fuente, las características de ésta se hacen menos importantes. Las condiciones existentes en el medio ambiente controlarán la trayectoria y dilución de la pluma turbulenta a través del movimiento de flotación-dispersión y difusión pasiva debido a la turbulencia del ambiente. Esta región es conocida como campo lejano. La diferencia entre el campo cercano y lejano se debe a procesos hidrodinámicos y no está relacionado a definiciones de zonas de regulación de mezclado. Los parámetros ambientales más importantes en el diseño de emisores submarinos generalmente son la estructura de la densidad de las aguas de mar recipientes, el régimen de corrientes y el T90 (para aguas municipales) por lo tanto, las campañas de recolección de datos deben concentrarse en obtener mediciones buenas de estos fenómenos Como se vio en el capítulo 2, la dilución total se obtiene por la multiplicación de las tres diluciones, es decir

bhmT SSSS ••= (4.6)

70

La concentración máxima permitida al final de los procesos debe cumplir con las normas mexicanas que establecen que las concentraciones no deben ser mayores de 10 colif/ml con lo que tenemos que el valor de la dilución total debe satisfacer la siguiente relación:

10CCS 5

f

0T ==

(4.7)

en donde C0 es la concentración inicial de coliformes en las aguas residuales Cf es la concentración final de colifomes; límite máximo permitido en un

sitio de interés y después de T horas (en las playas ) De esta forma se busca que ambos valores de ST dados por las ecuaciones (4.6) y (4.7) sean iguales. Al quedar fijos C0 y Cf se establece el valor de ST y se requiere de un proceso iterativo de ajuste entre las tres diluciones de la ec (4.6). En esta última Sh y Sb pueden estimarse desde un inicio ya que dependen, en cierta forma, de las propiedades del medio en donde ocurre la descarga, por lo que en realidad se requiere que el Si sea realmente el que pueda modificarse sustancialmente, es aquí en donde comienza el diseño propiamente del tipo de estructura difusora. En este proceso de diseño, deben de revisarse continuamente los componentes que se consideraron en la Figura 4.2 y en la Tabla 4.4 Existen algunas recomendaciones para el manejo de las diluciones, como las que se indican en la Tabla 4.5.

Tabla 4.5 Recomendaciones ambientales para las concentraciones

1 Cf < 10 coliformes/ml; concentración final frente a la zona a proteger.

2 300S150 i ≤≤ ; dilución inicial. 3 hr0.6Thr5.1 90 ≤≤ ; tiempo para el 90% de muerte aparente de

bacterias 4 5

T 10S ≥ ; dilución total Generalmente por cuestiones de seguridad, la concentración final (Cf) se fija a sólo 2 coliformes/ml, sobre todo en playas altamente turísticas. La dilución inicial y la mortalidad bacteriana usualmente son mucho más significativas que la dilución horizontal. Por ejemplo, valores típicos recopilados en diversas fuentes bibliográficas son:

Si 50 200Sh 2 3Sb 500 10,000ST 5 x 10' 6 x 10' (4.8)

71

Para sustancias conservativas (no biodegradables), la dilución inicial es el factor más importante. 4.6. PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO Con los datos y limitaciones anteriores, y empleando las ecuaciones de dilución previamente establecidas, se recomienda integrarlos en tres secciones. 4.6.1. Sección de Datos Básicos En esta sección se anotan los valores de los gastos máximos o mínimos de operación, para los que se efectuará el análisis. Para un gasto intermedio se cumplirá en consecuencia con las restricciones indicadas en las Tablas 4.4 y 4.5. De igual forma deben de tomarse en cuenta los valores par situaciones extraordinarias. Para el gasto de descarga del emisor (QE) se determina el diámetro DE y el área de la sección transversal AE, de modo que el valor de la velocidad VE = QE/AE cumpla con la recomendación 1 de la Tabla 4.4. Los valores de Y y LE son datos iniciales propuestos, que pueden modificarse al cuantificar la dilución inicial, teniendo en cuenta las recomendaciones de la Tabla 4.5. Para el caso de un difusor de varios puertos o boquillas, se recomienda calcular el número total de ellas, ajustado en función del diámetro mínimo de cada boquilla φB y velocidad permitida, así como al cumplimiento de la dilución inicial y profundidad de descarga, siguiendo las recomendaciones indicadas en la Tabla 4.4. Si el difusor está constituido de 2 brazos, el gasto por cada uno de ellos será Qd, igual a la mitad de QE, para el cual le corresponde un diámetro Dd, una área Ad y velocidad Vd; esta última debe cumplir con la recomendación 4, indicada en la Tabla 4.4. 4.6.2. Sección de Cálculos Aquí se manifiesta el valor de la profundidad Y que satisface la dilución inicial de acuerdo con la ec (1.2) y la recomendación Y ≥ 15. El valor de LE inicial se determina en base al plano batimétrico y se modifica cuando se determina el valor final de Y que satisface la dilución inicial para los valores del gasto QE analizados y la longitud entre el emisor y la zona a proteger LZ. Por su parte, la longitud de la trayectoria del contaminante desde el punto de descarga hasta la zona a proteger Lt, se determina trigonométricamente e igual a (LE

2 + LZ2 )1/2 misma que será recorrida en un tiempo t

= U / Lt , donde U es la velocidad media de la corriente. Para una condición desfavorable, se considera que la dirección de la corriente es colineal con la longitud Lt , formando un ángulo α con la línea de playa e igual tan-1 LE/LZ (Figura 4.2). La longitud total del difusor LD cuando está constituido por dos brazos puede obtenerse con la relación:

72

ED L03.0S)845.0n(L >−= (4.9) Donde S = Y/3. La proyección de los brazos difusores b perpendicular a la dirección de la corriente se calcula con:

minb)º60cos(Yn

)845.0n(b >−−

= α (4.10)

Siendo bmin = 0.015 LE cos (60º- α) para α <30º 4.6.3. Sección de manejo de concentraciones (coliformes/ml) El tiempo t necesario para recorrer la distancia Lt se determina conforme se indicó en el aparatado 4..5.2. Por otro lado el tiempo necesario para conseguir el 90% de muerte aparente de las bacterias se evalúa por el parámetro T90; Ludwig (1988) ha compilado valores de T90 medidos en aguas tropicales y semitropicales (Tabla 4.6).

Tabla 4.6 Valores típicos de T90 en algunos zonas de interés

T90

Ubicación Valores

(hr) Honolulu, Hawai 0.75 o menor

Bahía de Mayagüez, Puerto Rico 0.7 Río de Janeiro, Brasil 1.0

Niza, Francia 1.1 Accra, Ghana 1.3

Montevideo Uruguay 1.5 Santos, Brasil 0.8-1.7

En sitios en donde no se conoce el valor de T90 suele tomarse, para aguas saladas, como de 1.5 h. (Verbestel y Leonard-Etienne, 1981). De esta forma pueden obtenerse valores para las tres diluciones: la dilución inicial, evaluada con la ec (1.6), la dilución por dispersión horizontal Dh, con al ec (1.7) y , la dilución por inactividad bacteriana con la ecuación (1.9). Con esto, la dilución total puede entonces evaluarse cuidando que esta sea mayor a la recomendación 4 de la Tabla 4.5, para una concentración inicial CO = 106 coliformes /ml. La dilución total se recomienda analizarse para las dos situaciones siguientes; la primera sin tratamiento de las aguas residuales y la segunda con la condición mínima de tratamiento en la planta. En ambos casos se recomienda manejar dos limitantes de la concentración Cf , la menos rígida con un valor de 10 coliformes/ml y la segunda mas rígida de 2 coliformes/ml, está última sobre todo si la playa es considerada como altamente turística. Con estos valores de Cf y el de DT se revisan las concentraciones iniciales a la salida del emisor.

73

Un ejemplo del manejo de los datos y del procedimiento de cálculo para el caso del emisor submarino de Coyuca de Benítez Gro. se da en el capítulo 6 de este libro. 4.7. REVISIÓN DE LAS NORMAS DE CALIDAD DE AGUA EN ZONAS COSTERAS Los límites máximos permisibles para descargas de contaminantes en aguas costeras, que marca la Norma Oficial Mexicana se indican en la Tabla 4.7. En cuanto a concentración de coliformes la ley establece que el límite máximo de coliformes es 1000 por cada 100 ml de agua. Se recomienda realizar algunas revisiones para cuando se realice una descarga en condiciones críticas, es decir sin tratar las aguas, donde el rango de concentraciones de coliformes en las aguas crudas es de 108 por cada100 ml. Obviamente deben de revisarse las concentraciones de 10 colif/ml y una condición más rígida de 2 colif/ml para cuando se trate de zonas o playas altamente turísticas.

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Tabla 4.7 Límites máximos permisibles para descargas de contaminantes en aguas costeras

Límites máximos permisibles para descargas de contaminantes básicos. PARÁMETROS

(mg/l, excepto cuando se específique)

Explotación pesquera,

navegación y otros usos (A)

P.M. P.D.

Recreación (B)

P.M. P.D.

Estuarios (B)

P.M. P.D.

Temperatura C (1) 40 40 40 40 40 40 Grasas y Aceites (2) 15 25 15 25 15 25 Materia Flotante (3) ausente ausente ausente ausent

e ausente ausente

Sólidos Sedimentables (ml/l)

1 2 1 2 1 2

Sólidos Suspendidos totales

100 175 75 125 75 125

DBO5 100 200 75 150 75 150 Nitrógeno Total N.A. N.A. N.A. N.A. 15 25 Fósforo Total N.A. N.A. N.A. N.A. 5 10

Límites máximos permisibles para metales pesados y cianuros (*) Arsénico 0.1 0.2 0.2 0.4 0.1 0.2 Cadmio 0.1 0.2 0.2 0.4 0.1 0.2 Cianuro 2.0 2.0 2.0 3.0 1.0 2.0 Cobre 4.0 6.0 4.0 6.0 4.0 6.0 Cromo 0.5 1.0 1.0 1.5 0.5 1.0

Mercurio 0.01 0.02 0.01 0.02 0.01 0.02 Níquel 2.0 4.0 2.0 4.0 2.0 4.0 Plomo 0.2 0.4 0. 1.0 0.2 0.4 Zinc 10 20 10 20 10 20

(1) Instántáneo

(2) Muestra Simple Pormedio Ponderado

(3) Ausente según el método de prueba definido en la NMX-AA-006

(*) Medidos de manera total

P.D. = Promedio Diario P.M. = Promedio Mensual N.A. = No es aplicables

(A), (B) y (C): Tipo de cuerpo receptor según la Ley Federal de Derechos.

Fuente: Norma Oficial Mexicana NOM-001-ECOL-1996, que establece los Límites Máximos Permisibles de Contaminantes en las descargas de aguas residuales en Aguas y Bienes Nacionales.

4.8. SOFTWARE DISPONIBLE EN LA LITERATURA 4.8.1. Revisión hidráulica de la conducción Existen varios paquetes comerciales para la evaluación las condiciones hidráulicas en conductos; en general, suelen agruparse en dos categorías principales: programas para flujo permanente y programas con flujo transitorio. Con respecto a

75

los primeros, los programas pueden analizar conducciones por gravedad o sistemas conteniendo algún sistema de bombeo. En general los programas requieren de datos como la longitud, el diámetro y el coeficiente de rugosidad, cambios o pérdidas locales y desniveles importantes que pudiera tener la conducción debido a condiciones orográficas. De los programas interesa conocer principalmente, para el diseño o revisión de los emisores submarinos, la disponibilidad de la carga hidráulica o energía en puntos de interés así como la velocidad. Como ejemplo se puede citar el programa AH (Análisis Hidráulico) desarrollado en el Instituto Mexicano de Tecnología del Agua cuyo potencial permite no solamente evaluar conducciones simples, sino que además permite evaluar redes abiertas o cerradas, la consideración de sistemas de bombeo, descargas libre o a presión, válvulas (reductoras de presión o de no retorno de flujo, rebombeos, etc. Con respecto a los programas para el análisis de transitorios hidráulicos su objetivo es evaluar las consecuencias de los transitorios en términos de sobre presiones producidas por el funcionamiento de los sistemas de bombeo u otros accesorios y equipos. Los transitorios también pueden producirse por el funcionamiento mismo de una conducción sin sistemas de bombeo, cuando se presentan cierres o aperturas, por cuestiones de mantenimiento del difusor y de la tubería principal misma. Un análisis bajo estas características dan una indicación de las sobrepresiones producidas y de la necesidad de establecer algún tipo de dispositivos de control. Estos programas requieren para su funcionamiento datos como longitudes, diámetros, factores de fricción, cambios de dirección o de pendiente importantes, y potencia de los equipos de bombeo, así como sus curvas características. En general los programas de los transitorios, para el diseño de los emisores submarinos, al quedar establecido el gasto Q de diseño, requieren del análisis de las cargas hidráulicas a lo largo de las tuberías de conducción y de la celeridad de la onda de presión. Para fines prácticos se requiere de conocer solamente las presiones máximas y mínimas, que generalmente se producen al inicio del transitorio. Como ejemplo de programas disponibles está el ARIETE y el ARIETE 3, desarrollados en el IMTA (Conducción. Agua Potable. Manual de la CNA ,1997) y los programas desarrollados en el Instituto de Ingeniería de la UNAM (Guarga et al, 1985) 4.8.2. Determinación de la dinámica del mar Para el diseño del emisor y difusor submarino, además de los datos sobre topografía, batimetría, vientos, oleaje, etc. se hace necesario contar con el campo de velocidades y mareas en la zona, ya que son factores importantes en el diseño. En el límite del área en el cual la expansión de densidad toma lugar a velocidades despreciables, toda la energía es gastada en las fuerzas de flotación. Más allá de este límite el movimiento de las masas contaminadas de agua es gobernado por las

76

corrientes del mar en el sitio considerado. Estas corrientes son producidas por mareas, corrientes oceánicas de circulación general, corrientes específicas asociadas con las desembocaduras de ríos, corrientes de viento, efectos de la estratificación de las corrientes y muchos otros factores. Las corrientes dependerán de la forma de la costa y de la topografía del fondo marino; el comportamiento de las mareas en la zona influye también en las condiciones de diseño. La modelación de la dinámica del mar se lleva a cabo numéricamente resolviendo las ecuaciones de movimiento. En zonas costeras los principales mecanismos de forzamiento, son la marea y el viento. Existen varios modelos para simular la circulación costera y consecuentemente el transporte y difusión de contaminantes. Aunque las ecuaciones son las mismas, los esquemas de solución pueden ser diferentes. En la siguiente descripción se presentan como ejemplo dos esquemas para resolver las ecuaciones de movimiento. Ambos esquemas dan excelentes resultados pero dependiendo del caso o problema un esquema puede dar mejores resultados que el otro. Así se describen dos modelos utilizados en el ámbito mundial el POM (Princeton Ocean Model) desarrollado en la Universidad de Princeton, USA; y el ADCIRC (An Advanced Three Dimensional Circulation Model for Shelves, Coasts and Stuaries), desarrollado en la Universidad de Notre Dame, USA. 4.8.2.1 El Princeton Ocean Model (POM) El modelo oceánico de Princeton, conocido como POM, fue desarrollado a finales de la década de los 70’s por el Laboratorio de Dinámica de Fluidos Geofísicos de la National Oceanic Atnospheric Administration en Princeton. El modelo ha sido utilizado para simular la circulación en estuarios regiones costeras y mar abierto. Y ha sido actualizado por la misma comunidad científica (Mellor, 1998). El esquema de solución de las ecuaciones es por diferencias finitas y el código esta escrito en FORTRAN 77. El modelo es de dominio público por lo que ha sido ampliamente probado y continuamente se perfeccionan sus componentes. Algunos de los principales atributos del modelo son los siguientes:

•Incorpora un esquema de cerradura turbulenta de segundo orden. •Utiliza coordenadas sigma en donde la coordenada vertical es escalada en la

columna de agua (Figura 4.6). •Utiliza coordenadas ortogonales curvilíneas en la horizontal y un esquema de

diferencias tipo “Arakawa C”. •El esquema horizontal de diferencias en el tiempo es explicito mientras que

en la vertical es implícito. •Considera cambios en la superficie libre. •Incluye la componente termodinámica.

El POM, incorpora el esquema de cerradura turbulenta desarrollado por Mellor y Yamada (1982). El submodelo es conocido en la literatura como el esquema de

77

cerradura turbulenta de Mellor-Yamada y se basa en la hipótesis de turbulencia de Rotta y Kolmogorov el cual ha sido extendido para flujos estratificados. El sistema de coordenadas sigma del modelo es uno de los atributos del modelo para modelar áreas con batimetría compleja tal como la que se presentan en estuarios y la plataforma continental (Figura 4.6). El esquema de diferencias finitas en la horizontal es del tipo Arakawa Cn y la malla horizontal se define en coordenadas curvilíneas (Figura 4.7). El considerar este sistema de coordenadas y el esquema de cerradura turbulenta genera resultados mas reales de la circulación inducida por las mareas.

η

σ = −1

σ = 0z = 0

z = H(x,y)

Figura 4.6 Sistema de coordenadas sigma del modelo POM

j

j

j -1

i

i

i +1

i -1

Figura 4.7 Sistema de coordenadas curvilíneas del modelo POM

En la Figura 4.8 se presenta un ejemplo del flujo a través de una montaña submarina. El campo horizontal de velocidad corresponde a 5 días de simulación, el flujo es de este a oeste, con estratificación prescrita por un perfil de temperatura, salinidad constante, sin flujos de calor en la superficie ni efecto por el viento.

78

Figura 4.8 Simulación del campo de velocidad horizontal correspondiente a cinco días de simulación

El POM es una herramienta útil para simular eficientemente en 3 dimensiones la descarga de un emisor y consecuentemente el transporte y difusión de la pluma. 4.8.2.2 El modelo ADCIRC El modelo ADCIRC (Advanced Circulation Model) utiliza la técnica de discretización de elemento finito en base a la formulación completa de Ecuación de Onda Generalizada de Conservación de masa (Westerink et al, 1993). Resuelve las siguientes ecuaciones para flujos someros:

0zw

yv

xu

=∂∂

+∂∂

+∂∂ (4.11)

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡∂

∂τ+

∂

∂τ+

∂∂τ

+⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡Γ−

ρ∂∂

−=−∂∂

+∂∂

+∂∂

+∂∂

zyxp

xfv

zuw

yuv

xuu

tu zxyxxx

o (4.12)

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡∂

∂τ+

∂

∂τ+

∂

∂τ+⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡Γ−

ρ∂∂

−=+∂∂

+∂∂

+∂∂

+∂∂

zyxp

yfu

zvw

yvv

xvu

tv zyyyxy

o (4.13)

gzp

ρ−=∂∂ (4.14)

Donde φsin2Ω=f , es el parámetro de Coriolis; g la aceleración de la gravedad; Γ el potencial de generación de mareas; ν la viscosidad molecular; ( )tzyxp ,,, la presión promediada en el tiempo; ( )tzyx ,,,ρ la densidad del agua; ro densidad de referencia del agua; t la variable temporal. Además, debe de satisfacerse una serie

79

de consideraciones físicas introducidas con ecuaciones auxiliares como la de la superficie libre para la cual deben de incluirse los esfuerzos cortantes provocados por el viento ( ) ( )tyxtyx sysx ,,,,, ττ ; condiciones de frontera en donde se consideran los esfuerzos tangenciales ( )tyxbx ,,τ y ( )tyxby ,,τ , etc. La formulación completa del modelo puede consultarse en Westerink et al, (1993). Para mostrar el potencial de este modelo se describe una aplicación realizada en las costas de Acapulco Gro, para el diseño del anteproyecto del emisor de Coyuca de Benítez. La discretización de la zona de descarga se realizó con un mallaje triangular dentro de las coordenadas geográficas 98 W 16 N y 102 W 18 N, en el sentido de la línea de costa, ya que la descarga de la planta se encuentra localizada en 100 W 17 N, localización muy cercana a la bahía de Acapulco, tomando como referencia la localización de la descarga de la planta de Coyuca, se trazó un semicírculo con dos grados de latitud hacia mar abierto, aproximadamente 200 km. Con la definición del espacio de simulación, se elaboró una malla de 11851 nodos (Figura 4.9). La malla generada está directamente relacionada con la configuración del fondo.

Figura 4.9 Malla en elemento finito de la costa del pacífico que tiene influencia

en la zona de interés. Refinamiento en la zona de descarga Una vez generada la malla, se determinan las condiciones de frontera de los nodos para la parte de mar abierto, donde se considera que son influidos por las componentes principales de marea lunar, semilunar, solar. Los valores de frecuencia y amplitud se pueden ver en la Tabla 4.8, en base al estudio de mareas del océano pacífico realizado por Westerink et al. (1993).

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Tabla 4.8 Constituyentes, amplitud y frecuencia principales de marea en mar

abierto en la zona de Acapulco Gro

Nombre de la constituyente de

marea amplitud (m) Frecuencia

K1 O1 M2 S2 N2

0.141565 0.100514 0.242334 0.112841 0.046398

7.2921165921x10-5 6.7597751162x10-5

14.0518917083 x10-5 14.5444119418 x10-5 13.7879713787 x10-5

Con respecto a los parámetros de velocidad del viento, se tomó la componente dominante en la zona del emisor, de 5.6 km/hr con una dirección de declinación de 330° Norte con una componente en “x” de Vx=-2.8 km/h y el sentido “y” de Vy= 4.85 km/h; con una presión atmosférica de 1013.25 KPa y un coeficiente de arrastre de 0.003. Para la parte de los nodos interiores de la malla, se consideró que se tenían los mismos atractores de marea que en la frontera y se consideró además el efecto de Coriolis. Los resultados que se obtienen del modelo ADCIRC, son los valores de la variación de la marea y velocidades para cada nodo de la malla; en las Figuras 4.10 se muestran los resultados obtenidos para el nodo ubicado justo en la descarga del emisor (nodo 11473; Latitud N = 16.8536010 y Longitud W 99.989658).

Velocidades Mareas

Figura 4.10 Variación de la velocidad y la marea en el nodo 11473

4.8.3. Estudio de dilución y dispersión de la pluma 4.8.3.1 El sistema CORMIX-EPA El CORMIX representa un potencial robusto y versátil para predecir tanto las características cualitativas (por ejemplo la clasificación del flujo) como los aspectos cuantitativos (por ejemplo relación de dilución, trayectoria de la pluma) de los

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procesos hidrodinámicos de mezclado, resultantes de las diferentes configuraciones o escenarios de descargas planteados y en una variedad de tipos de ambiente de cuerpos de agua. La metodología ha sido extensamente verificada por los autores (EPA, Environmental Protection Agency, U.S.) a través de la comparación de los resultados de simulaciones con datos de campo y laboratorio disponibles y sobre procesos de mezclado; ha experimentado revisión independiente de cerca en procedimientos y publicaciones para journals y; es igualmente aplicable a un amplio rango de problemas desde una simple descarga por tubería sumergida dentro de una pequeña corriente con un rápido mezclado en la sección transversal hasta la instalación de un complicado difusor multipuerto en aguas costeras profundamente estratificadas. El sistema se divide en tres subsistemas para el modelado: CORMIX1 para la simulación de descargas a través de un puerto único simple sumergido; CORMIX2 para descarga con difusores de bocas múltiples y CORMIX3 para descargas a superficie libre. 4.8.3.2 El modelo QUETZAL/3D Este modelo fue desarrollado en el IMTA y ha sido adaptado para el estudio de de descargas submarinas en un medio estratificado. El modelo considera las ecuaciones fundamentales para flujos incompresibles en donde se considera la estratificación por temperatura y salinidad; la densidad en un medio marino es función directa de los efectos internos de la temperatura y de la salinidad. para lo cual se incluye una ecuación particular para el cálculo de la densidad y la influencia de ésta en los mecanismos de flotación. El programa QUETZAL/3D resuelve el siguiente sistema de ecuaciones conocidas como de Navier-Stokes-Reynolds. La ecuación de continuidad

0xU

i

i =∂∂ (4.15)

La ecuación para las velocidades

( )

j

ji2j

i2

NiNiNj

ij

i

xuu

xUg

xP1

xUU

tU

∂

∂−

∂∂

ν+ρ

ρΔ+

∂∂

ρ−=

∂∂

+∂

∂ (4.16)

La ecuación para la temperatura

( )

j

j2j

2

Nj

ixu

xT

xTU

tT

∂

θ∂−

∂∂

α=∂∂

+∂∂ (4.17)

La ecuación para los escalares

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( )

x

cu

xCD

xCU

tC

j

j2j

2

Nj

i∂

∂−

∂∂

=∂∂

+∂

∂ αααα (4.18)

Donde el termino de flotación:

N

EN

N ρρ−ρ

=ρ

ρΔ (4.19)

( )[ ]( ){ }( ) 0.1000a30Ta20Ta10Ta)0T,S()T,S( 4321N ++−+−+−+=σ=ρ (4.20)

En donde

( )[ ] 93.0S8149.0S10x82.4S10x8.6)0T,S( 46 −+−==σ −− (4.21)

Siendo S la concentración salina, en g/l; T la temperatura del medio receptor, en °C; a1, a2, a3 y a4 coeficientes constantes y; σ(S,T=0) coeficiente en función de la concentración salina. los valores de los coeficientes de a1, a2 , a3 y a4 dependen básicamente de la salinidad S y pueden consultarse en Herrera, 1999. Por su parte ρE, en la ec (4.19), es la densidad del chorro que evoluciona en el medio. Por otro lado, los términos jiuu , θiu , αcui que aparecen en las ecuaciones de flujo son evaluados en función de los gradientes medios de las velocidades, temperaturas y concentraciones, respectivamente. El sistema de ecuaciones, es resuelto por vía numérica utilizando el método de diferencias finitas y en lenguaje FORTRAN estándar en donde se involucran consideraciones particulares en cuanto al manejo de las ecuaciones, las condiciones iniciales y las condiciones de frontera. Se presenta una aplicación para una descarga en un medio marino estratificado, el potencial del modelo puede verse en la Figuras 4.11 en donde se presentan los vectores de velocidad en un corte tridimensional. En el ascenso, el chorro incrementa su densidad y se mezcla gradualmente con el medio receptor; esto ayuda a que el chorro y el medio igualen su densidad en un punto a determinada profundidad del medio; pueden distinguirse dos zonas: una de flotación positiva y la otra de flotación negativa delimitadas por un punto de flotación neutral. En la primer zona, se presenta un comportamiento similar al de los medios homogéneos, con la respectiva influencia de la densidad en el cuerpo receptor; se presenta posteriormente un punto de flotación neutral, definido por Zb, en donde la fuerza de flotación toma un valor de cero y se inicia una desaceleración del flujo, dando origen a la zona de flotación negativa, hasta que cesa el movimiento sobre el eje. Este punto de velocidad cero en el eje marca la elevación máxima de la pluma. El flujo gira hacia abajo y cubre oblicuamente (de lado) dando origen a un acampanamiento del chorro entre la deflexión más alta y más baja, en esta región de deflexión no hay dirección del flujo predominante. En la Figura 4.12 se muestran la evolución de la velocidad, la

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temperatura y las concentraciones en la línea central de la salida de la emisión hacia la superficie.

Superficie libre

Fondo marino

ρN

ρE

Punto deflotación neutral

descarga

Zona de flotación negativa

Zona de flotación positiva

Figura 4.11 Evolución de un efluente en un medio marino estratificado

WM, , velocidad máxima, m/s

WE , Velocidad a lo largo del eje vertical, m/s

TW, temperatura máxima, °C

TE temperatura a lo largo del eje vertical, m/s

CM, Concentración máxima, mg/l

CE, concentración a lo largo del eje vertical,

mg/l

Z, Dimensión vertical, m

D, diámetro, m

η, variable de afinidad

Figura 4.12 Evolución de la velocidad, la temperatura, la concentración en la línea central

84

4.9. ESTUDIOS DE IMPACTO AMBIENTAL En los siguientes incisos se dan una serie de recomendaciones concernientes al impacto ambiental en el diseño y funcionamiento de los emisores submarinos. 4.9.1. Ubicación del emisor La ubicación del emisor es, probablemente, el factor más importante al considerar el impacto ambiental en un sistema de disposición en el mar, ya que debe considerar el grado de sensibilidad ambiental de la zona, evitando zonas de recreación, acuacultivos, áreas de reproducción, desove o alimentación. Debe preferirse mar abierto sobre estuarios y bahías. De ser factible económicamente, se recomienda dividir la descarga total en dos o más componentes para evitar la concentración y reducir el impacto en un solo punto. 4.9.2. Profundidad de la descarga El ubicar la descarga a profundidades de 20 m. o mayores implica dos ventajas principales. A esas profundidades, principalmente en verano, la estratificación por densidad favorece el mezclado de las aguas residuales con aguas frías profundas, incrementando su densidad y reduciendo su tendencia a ascender . Esto favorece una mayor difusión y una menor concentración superficial. Por otra parte, a esas profundidades, la presión resultante modifica la estructura de las materias flotantes (partículas de frutas y vegetales, heces, etc.) favoreciendo su sedimentación. 4.9.3. Difusores y dilución inicial El factor de impacto ambiental en el diseño del emisor está ligado con el cálculo del sistema difusor el cual debe de asegurar un grado de dilución. La máxima protección ambiental está ligada con la obtención de una dilución inicial máxima. 4.9.4. Corrientes marinas El monitoreo permanente de las corrientes marinas en varias profundidades y ubicaciones permite hacer estimaciones adecuadas sobre efectos de dilución, inmersión y transporte de campo. El conocimiento de estos procesos para todas las épocas del año es indispensable para una estimación adecuada en el análisis de riesgos. De particular importancia es el conocimiento de las corrientes hacia la costa, donde el impacto sobre actividades recreativas y de acuacultura puede imponerse. La longitud del emisor debe ser suficiente para proporcionar el tiempo adecuado de eliminación de posibles vectores transportados hacia la costa por las corrientes. 4.9.5. Información básica requerida para evaluar el impacto ambiental Información General del Proyecto.

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a) Mapa a escala apropiada del área a la que el emisor dará servicio. Deben

mostrarse los ríos, lagunas, zonas de acuacultivo, áreas recreativas y contornos de profundidad (isobatas). Debe incluirse un esquema donde se observen las principales instalaciones de desagüe.

b) Parámetros básicos del proyecto actuales y para diseño. c) Descargas industriales significativas. d) Pretratamiento considerado y planificación de instalaciones para el mismo. e) Resumen de las alternativas de ubicación para el emisor y las

consideraciones ambientales y económicas para la selección del proyecto ejecutivo.

f) Resumen de los beneficios de las aguas marinas que requieren protección. g) Estándares microbiológicos que se utilizarán en la evaluación del impacto y

el monitoreo del sistema para asegurar la protección de usos benéficos. La evaluación de campo del posible impacto sobre la salud pública de los sistemas de disposición marina debe realizarse a través del monitoreo de las aguas marinas utilizando organismos indicadores. En la Tabla 4.7 se resumen los límites máximos permisibles de contaminantes básicos, metales y cianuros para descarga en aguas costeras de acuerdo a la Norma Oficial Mexicana-ECOL-001-1996. En las misma se mencionan como estándares microbiológicos concentraciones de coliformes fecales de 1000 NMP/100 ml y 2000 NMP/100 ml como promedio mensual y promedio diario, respectivamente. Aunque tradicionalmente los coliformes fecales han sido utilizados como organismo indicador, de acuerdo con Salas (2000) diversos autores, organismos y agencias coinciden en recomendar como organismo indicador primario a los enterococos, para aguas recreativas con contacto primario, debido a que relacionan mejor niveles bacteriológicos y síntomas gastrointestinales en nadadores en aguas marinas contaminadas. El criterio adoptado por la EPA es:

Agua dulce: E. coli: no mayor de 126/100 ml Enterococos: no mayor de 33/100 ml. Agua marina: Enterococos: no mayor de 35/100 ml

No obstante, en la evaluación microbiológica de emisores submarinos, se recomienda considerar los coliformes fecales como organismo indicador debido a que son un parámetro de diseño. Los esquemas de monitoreo deben diseñarse para hacer una evaluación apropiada del impacto de la descarga. En la Figura 4.13 se propone un esquema general para ubicación de estaciones de monitoreo, sin embargo, el diseño de estos esquemas es específico para cada emisor considerando todos los factores que afectan los procesos de dilución y transporte.

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Figura 4.13 Ubicación de las posibles estaciones de monitoreo ambiental para

un emisor submarino El primer grupo de estaciones definidas como A1-A5, ubicadas a lo largo de la playa, permiten evaluar además de los efectos de la descarga las fuentes adicionales de contaminación como escorrentía, uso por la población y otros posibles eventos. Las estaciones definidas como B1-B5, establecidas en el límite exterior de la zona definida como de recreación, sirven para verificar la eficiencia con la que el emisor está cumpliendo su función de protección ecológica, a la salud pública y estética. Los parámetros microbiológicos evaluados en estas estaciones deben cumplir con lo estándares establecidos para actividades recreativas de contacto primario y usos acuícolas si fuera el caso. Para la delimitación de la zona preestablecida de mezcla se definieron las estaciones C1 y D1-D5 para medir el área de dilución inicial del efluente. Las estaciones E1-E5 y F1-F5 permiten evaluar la zona de transición, son parte de la zona de mezcla y por consiguiente un área de incumplimiento y uso restringido del agua. En el documento resultante de la evaluación del impacto ambiental, debe generarse un resumen de los impactos positivos y de los impactos negativos a fin de realizar un balance y poder concluir si el análisis resulta favorable o no. Para efectos de comparación cualitativa se recomienda iniciar los monitoreos en los malla de monitoreo ambiental, una vez tomada la decisión de construir el emisor; con objeto de poder cuantificar los efectos de la contaminación. Se recomienda medir

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cuando menos tres veces por año y durante dos o tres años antes de su entrada en operación. Como ejemplos del funcionamiento y el control que se lleva, desde el punto de vista ambiental, en la Figura 4.14 puede verse la malla de monitoreo ambiental que se utiliza en la Bahía de Massachussets y la reconstitución de las curvas de déficit de oxígeno que se producen.

Figura 4.14 Malla de monitoreo para el emisor de Massachusetts

En la Figura 4.15 se muestra la malla de monitoreo ambiental para el emisor de Ipanema en Brasil y el seguimiento que se le da al manejo de los monitoreos ambientales. Las condiciones de calidad del agua logradas en las playas de Ipanema y Leblón en Río de Janeiro ejemplifican las mejores potenciales en la calidad del agua que se pueda alcanzar con un diseño apropiado. El emisor submarino de Ipanema se inauguró en septiembre de 1975 y sirve a la zona sur de Río de Janeiro con un gasto actual de alrededor de 10 m3/s y un gasto de diseño de 12 m3/s para el año 2000; las características físicas del emisor son: Nivel de Tratamiento: Sin tratamiento Tamaño de tubería y material: 2.4 m ; concreto precomprimido Longitud: 4,325 m Profundidad de descarga: 27m Longitud del difusor: 450 m Número de orificios: 180 Diámetro de orificios: 17” Agua recipiente: costa abierta océano

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Un monitoreo continuo de calidad del agua conducido por la autoridad local de agua y alcantarillado Companhia Estadual de Aguas e Esgoto demuestra que las condiciones han mejorado significativamente como puede verse en la Figura 4.15b. Aun más, con la excepción del uso de redes gruesas para proteger las bombas, no se ha aplicado tratamiento de aguas residuales o cloración para el efluente del emisor de Ipanema. Sin embargo, debido a su construcción sobre pilares, algo no usual para los emisores submarinos, un tramo que fue reparado colapsó cerca al litoral en 1990

(a) (b) Figura 4.15 Malla de monitoreo ambiental para el emisor de Ipanema en Río de

Janeiro en Brasil

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5. ASPECTOS TÉCNICOS 5.1. INTRODUCCIÓN Como se ha mencionado, una descarga submarina tiene siempre un propósito fundamental y la selección del la conducción se realiza con un procedimiento que puede definirse con los siguientes pasos: Elegir un horizonte de planeación o de vida útil, que puede ser de 30 a 50 años

•Determinar la longitud total de la tubería y el diámetro •Determinar el tipo de material de la tubería principal. Lo cual está ligado con

un espesor mínimo de la tubería. •Determinar las cargas piezométricas a lo largo de la tubería de conducción.

Esto implica estimar el total de pérdidas en la misma. •Calcular los esfuerzos a los que estará sometida la tubería. •Calcular los refuerzos a lo largo de la tubería; los refuerzos pueden ser tanto

internos como externos y están en función de la presión hidrostática, las sobrepresiones máximas, los esfuerzo de trabajo del material de la tubería, los esfuerzos de la dinámica del mar, efectos extraordinarios como los requerimientos para soportar el paso de huracanes, etc. Además debe de considerarse un factor de seguridad en el cálculo de los esfuerzos.

El diámetro del emisor se determina en función de los volúmenes de agua por verter, los cuales a su vez, están en función del número de habitantes por servir. Una relación de diámetros y número de habitantes por servir se encuentra en la tabla 5.1, aunque es indispensable que cada caso se revise para las condiciones y requerimientos particulares. Tabla 5.1 Relación diámetro/habitantes para el diseño de emisores submarinos

Diámetro (mm) Habitantes

160 200 225 250 280 315 355 400 450 500 252

5,000 8,000 14,000 20,000 26,000 35,000 43,000 60,000 75,000 86,000

100,000

NOTA: 200 litros/persona/día

Relación de gastos max/min = 2 Velocidad del gasto máx 1.5 –

2.5 m/s Con respecto a los refuerzos, éstos casi siempre son necesarios y van en diferentes proporciones en conjunto con la tubería, en general se tienen refuerzos internos en

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forma de anillos y refuerzos externos que pueden ser cinturones envolviendo la tubería o bien líneas de refuerzo longitudinales que acompañan a la tubería. (figura 5.1).

Figura 5.1 Términos descriptivos de una tubería de acero 5.2. SELECCIÓN DEL MATERIAL. La elección del material depende de varios factores como son: el tipo y la calidad de las aguas por verter, el rango de gastos, el tipo de suelo, la longitud total de la tubería, la topografía del fondo, el procedimiento de construcción, el área de manipulación para la instalación, etc. Es común encontrar diseños con diferentes materiales, por ejemplo combinaciones en acero y concreto, o acero con polietileno de alta densidad. Pearson (1956) da una estadística de 145 emisores submarinos y sus materiales en el mundo: de éstos, 65 son de hierro fundido o moldeado; 39 de concreto reforzado (acero-concreto); 19 de hierro forjado; 15 de acero 4 de madera tratada; 2 de acero corrugado y 1 de arcilla tratada. Desde 1956 no aparecen reportados algunos de estos materiales como hierro fundido o forjado, madera tratada, acero corrugado y arcilla tratada. Por el contrario tuberías de concreto reforzado ha venido a ser muy popular así como las tuberías de acero. Recientemente se han venido utilizando tres tipos de materiales sintéticos; polietileno de alta densidad (PEAD), poli-cloruro de vinilo (PVC) y tuberías de fibra de vidrio reforzada.

91

En las tablas 5.2 y 5.3 se indican algunas de las características físicas, químicas y biológicas, que agrupan la resistencia de los materiales contra la tensión, corrosión, microorganismos, flexibilidad y un referente en cuanto a que tan costoso pudiera ser la elección de un tipo de material.

Tabla 5.2 Características de los materiales usados

Resistencia contra Flexibilidad Clase de material

Tensión Impacto Corrosión Micro oganismos

del sistema

Hierro fundido Buena Mala Mala Media Mala Hierro dúctil Excelente Excelente Mala Media Media

Acero Superior Superior Mala Media Buena Concreto Buena Buena Buena Buena Mala

Fibra de vidrio Media Media Buena Buena Media PVC Mala Mala Buena Mala Buena

PEAD Mala Excelente Excelente Excelente Excelente Poli-propileno Mala Excelente Excelente Excelente Excelente Poli- butileno Media Excelente Excelente Excelente Excelente

Tabla 5.3 Estimaciones de costos referentes al tipo de material

Costos

Clase de material Material Construcción Facilidad de construcción.

Hierro Fundido Medio Alto Medio

Hierro Dúctil Medio Alto Medio

Acero Medio Medio Fácil

Concreto Bajo Alto Difícil Fibra de vidrio Alto Medio Medio

PVC Bajo Medio Fácil PEAD Medio Bajo Fácil

Poli-propileno Medio Bajo Fácil Poli-butileno Medio Bajo Fácil

5.2.1. Tuberías de hierro fundido El hierro forjado gris es una aleación del hierro con un alto contenido de carbón en forma de grafito. Aunque este material es resistente al ataque de muchos líquidos algunos pueden causar el crecimiento de tubérculos en el interior de los mismos. Por esta razón esta tuberías se protegen en su interior con algún tipo de cemento o mortero. Este material ofrece una alta resistencia al impacto y ofrece una gran flexibilidad. La combinación de este material con algún tipo de polietileno fue aplicado para el emisor de Otter Rock, (Oregon, USA), en 1973. Las tuberías de hierro fundido se encuentran en diámetros comerciales desde 54” (1,372 m), las longitudes varían dependiendo de los usos y conveniencias de los

92

procesos de armado e instalación, aunque generalmente se recomiendan longitudes de 61m (20’) que son unidos in situ. El procedimiento de las uniones resulta un factor crítico en cuanto a la estabilidad, eficiencia y tiempo de vida útil del emisor. Con respecto a la sección terminal de este tipo de tuberías, generalmente se utiliza una sola descarga o puerto como se indica en la figura 5.2 para el emisor de Kewalo en Hawai para una tubería de 1,219m (48”) de diámetro a una profundidad de 18 m. Este emisor funciona desde 1949 y aún hoy en día se conserva en condiciones aceptables.

Figura 5.2 Sección Terminal (difusor) del emisor de Kewalo en Hawai

5.2.2. Tuberías de acero Los tamaños y pesos de las tuberías de acero está contenida en la tabla 5.4, aunque el diámetro más grande que aparece en esta tabla es de 2.34m (92”) pueden ser fabricados diámetros mayores; las longitudes usuales varían de los 8.0 a los 14.0 m. Estas tuberías también son utilizadas en el mar para conducciones de petróleo, gases a presión y aguas residuales, debido a que son económicas, fáciles de construir y transportar. El mayor problema de estas tuberías es la corrosión en el ambiente marino, por lo que se recomienda utilizar algún tipo de recubrimiento exterior; el asbesto o la fibra de vidrio la cual, esta siendo utilizada en algunos diseños relativamente nuevos. De la misma forma se recomienda que el interior sea recubierto con algún tipo de protección como esmaltes, resinas, mortero, asfalto o PVC. Las uniones de los tramos se realizan mediante la aplicación de soldadura, supervisada mediante radiografías para asegurar la calidad de las mismas; los recubrimiento exteriores o interiores deben de hacerse inmediatamente después de asegurar las uniones. En zonas en donde existan movimiento importantes del fondo marino, deberá de asegurarse que las uniones permitan algún tipo de desplazamiento vertical u horizontal. Generalmente las tuberías de acero son recubiertas con concreto o algún tipo de soporte para darle peso y garantizar que las tuberías permanezcan en el fondo, para las diferentes condiciones de operación.

93

Tabla 5.4 Diámetros, espesores y pesos de las tuberías de acero

Diámetro nominal1

Diámetro exterior

Espesor

de pared2

Peso

aproximado

Flotación3 aprox.

Fuera del agua de mar, aire al

interior

Flotación aprox. Fuera del agua de mar, agua al

interior

(in.) (in.) (mm) (in.) (mm) (lb/ft) (N/m) (Ib/ft) (N/m) (Ib/ft) (N/m) 16 16.000 406.4 0.25 6.4 42 620 47 690 -35 -510 16 16.000 406.4 1.438 36.5 224 3,270 -135 -1,970 -193 -2,820 20 20.000 508 0.25 6.4 53 770 86 1,260 -43 -630 20 20.000 508 1.031 26.2 211 3,080 -72 -1,050 -182 -2,660 24 24.000 609.6 0.25 6.4 63 920 137 2,000 -51 -740 24 24.000 609.6 1 25.4 246 3,590 -46 -670 -211 -3,080 30 30.000 762 0.312 7.9 99 1,440 214 3,120 -80 -1,170 30 30.000 762 1 25.4 310 4,520 3 40 -264 -3,850 36 36.000 914.4 0.375 9.5 142 2,070 309 4,510 -114 -1,660 36 36.000 914.4 1.25 31.7 465 6,790 -14 -200 -396 -5,780 42 42.000 1066.8 0.375 9.5 167 2,440 447 6,520 -132 -1,930 42 42.000 1066.8 0.5 12.7 222 3,240 392 5,720 -180 -2,630 48 48.000 1219.2 0.375 9.5 190 2,770 612 8,930 -148 -2,160 48 48.000 1219.2 0.5 12.7 254 3,710 548 8,000 -204 -2,980 60 60.000 1524.0 0.354 9 226 3,290 1,027 14,990 -169 -2,470 60 60.000 1524.0 0.75 19 474 6,910 779 11,370 -386 -5,630 72 72.000 1828.8 0.472 12 361 5,280 1,443 21,060 -275 -4,010 72 72.000 1828.8 0.75 19 570 8,320 1,234 18,010 -458 -6,680 80 80.000 2032.0 0.472 12 400 5,830 1,827 26,660 -300 -4,380 80 80.000 2032.0 0.75 19 634 9,250 1,593 23,250 -504 -7,360 92 92.000 2337.0 1 25.4 973 14,200 1,972 28,770 -785 -11,45092 92.000 2337.0 1.25 31.7 1,211 17,670 1,734 25,300 -992 -14,470

1. No todos los diámetros comerciales están dados 2. Los espesores dados para un diámetro exterior indican el rango de baja a alta presión de servicio 3. Una sección de flotación positiva se elevará hacia la superficie; una flotación negativa se hundirá 5.2.3. Tuberías de concreto Estas tuberías son frecuentemente utilizadas para las descargas de aguas residuales en fondos marinos; algunas de sus características físicas están contenidas en la tabla 5.5, para una misma longitud estándar de 4.88m (16’). Para los emisores submarinos en donde el número de tramos por unir sea muy grande, se recomienda utilizar longitudes de 9.75m (32’). Para zonas de alta presión, se recomienda utilizar refuerzos de tubería de acero; en algunos casos se utilizan cinturones de acero colocados en la parte exterior de la tubería o bien barras de refuerzo circunferencial o longitudinal.

94

Tabla 5.5 Diámetros, espesores y pesos de las tuberías de concreto reforzado

Diámetro interior

nominal Espesor de pared

Peso aproximado

(in.) (mm) (in.) (mm) (Ib/ft) (N/m) 24 610 4 102 341 4,980 30 762 4 102 416 6,070 34 864 4 102 535 7,810 36 914 4 102 563 8,220 39 991 4 102 604 8,810 42 1,067 41/2 114 731 10,670 46 1,168 41/2 114 794 11,590 48 1,219 5 127 920 13,430 54 1,372 51/2 140 1,130 16,490 60 1,524 6 152 1,360 19,850 66 1,676 61/2 165 1,615 23,570 72 1,829 7 178 1,885 27,510 78 1,981 71/2 191 2,180 31,810 84 2,134 8 203 2,500 36,480 90 2,286 8 203 2,660 38,820 96 2,438 81/2 216 3,010 43,930 102 2,591 81/2 216 3,185 46,480 108 2,743 9 229 3,565 52,030 120 3,048 10 254 4,385 63,990 132 3,353 11 279 5,300 77,350 144 3,658 12 305 6,300 91,940 156 3,962 13 330 7,380 107,700

El concreto es muy resistente al ataque de agua del mar o los organismos marinos, sin embargo es susceptible a los ácidos y al contenido de sulfuro de las aguas de desecho; por ello se recomienda una protección de cemento, vinil o acero inoxidable que aseguren la resistencia a la acidificación. Los recubrimientos de vinil y acero inoxidable fueron utilizados en el emisor de Point Loma de San Diego (Capítulo 6). Se recomienda que los procesos de unión o juntas aseguren cierta flexibilidad por los movimientos naturales del tendido de la línea y del subsuelo. Algunas veces se recomienda utilizar concreto pos-tensionado, el cual tiene la ventaja de ser capaz de flexionarse a algún tipo de tensión y ser armado completamente y no de tramo a tramo como en el procedimiento normal para el concreto estándar. El procedimiento de unión es particularmente importante en este caso. 5.2.4. Tuberías de plástico Existen al menos tres tipos de tuberías de plásticos usados comúnmente para la construcción de los emisores submarinos: poli-cloruro de vinilo (PVC), Polietileno de

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alta densidad (PEAD) y la fibra de vidrio reforzada (FVR). Estos materiales tienen excelente resistencia a la corrosión, son ligeros y flexibles, lo cual es muchas veces es favorable para el diseño ya que esto facilita el manejo en la construcción y la instalación. Por el contrario, las tuberías requieren de ser lastradas o ancladas a un estrato firme. El PVC es manufacturado en México en diámetros hasta 0.51m (20”) y la longitud estándar es de 6.1m (20’) y aunque resiste a los líquidos corrosivos si sufre los efectos a la vida marina; el emisor de Río de Janeiro provocó que esta estructura se hiciera inoperante en menos de un año, debido a los daños ocasionados por los moluscos a lo largo de esta estructura. El PVC tiene la desventaja de no resistir los esfuerzos estructurales provocados por solicitaciones externas. La tuberías de PEAD son elaboradas hasta de diámetros 1.6m (63”) y 12.2m (40’) en forma estándar; aunque pueden manufacturase otros diámetros requeridos; por ejemplo, se han fabricado diámetros de 2.03m (80”) y longitudes de 18.29m (60’). La tabla 5.6 muestra algunas pesos y medidas de las tuberías de HDPE. Este material ha resultado de uso común para conducir aguas residuales, aunque su aplicación es menor para otros usos como por ejemplo, para aguas termales o industriales. La fibra de vidrio reforzada puede fabricarse en tamaños grandes hasta de 4.27m (14’) de diámetro y de 18.29m (60’) de longitud; posee una fuerte estructura física con un espesor pequeño si este es comparado, por ejemplo, con el concreto reforzado. Las dimensiones y los pesos de algunos diámetros de este material se muestran en la tabla 5.7. El procedimiento de las uniones de los tramos de las tuberías de PVC y de PEAD se realiza con cierta facilidad utilizando ciertas técnicas in situ en donde las juntas se fusionan utilizando calor asegurando que las uniones sean inclusive mas resistentes que los mismos materiales. Existen diferentes procedimientos para lograr estos procesos los cuales dependen de los fabricantes o de las empresas que se contraten. Con respecto a la FVR, las uniones son hechas con resinas catalizadas fusionadas a los tramos en cuestión

96

Tabla 5.6 Diámetros, espesores y pesos para tuberías de PEAD1

Diámetro nominal2

Diámetro externo actual

Espesor de pared3 Peso aproximado

(in.) (in.) (mm) (in.) (mm) (Ib/ft) (N/m) 16 15.748 400 0.488 12.4 10.3 150 16 15.748 400 1.287 32.7 25.5 372 20 19.685 500 0.612 15.5 16.1 235 20 19.685 500 1.312 33.3 33.1 483 24 24.803 630 0.772 19.6 25.6 374 24 24.803 630 1.653 42 52.5 766 28 27.953 710 0.859 21.8 32.1 468 28 27.953 710 1.492 37.9 54.3 792 32 31.496 800 0.98 24.9 41.2 601 32 31.496 800 1.294 32.9 53.8 785 36 35.433 900 1.104 28 52.2 762 36 35.433 900 1.458 37 68.2 995 40 39.37 1,000 1.225 31.1 64.3 938

1. La gravedad específica del polietileno de alta densidad es 0.955 2. No se consideran todos los diámetros existentes 3. Se consideran los extremos de los espesores disponibles

Tabla 5.7 Diámetros, espesores y pesos de las tuberías de fibra de vidrio reforzado1

Diámetro nominal2

Espesor de pared3

Peso aproximado

(in.) (mm) (in.) (mm) (lb/lft) (N/m) 16 406.4 0.18 4.6 7.8 114 16 406.4 0.25 6.4 10.9 159 20 508 0.18 4.6 9.7 142 20 508 0.313 8 17 248 24 609.6 0.188 4.8 13 330 24 609.6 0.375 9.5 28.5 416 36 914.4 0.188 4.8 18.5 270 36 914.4 0.5 12.7 49 715 48 1,219.20 0.188 4.8 25 365 48 1,219.20 0.625 15.9 81.6 1,191 60 1,524.00 0.188 4.8 31 452 60 1,524.00 0.75 19.1 122.5 1,787 72 1,828.80 0.22 5.6 43.7 638 72 1,828.80 0.875 22.2 171.4 2,501 84 2,133.60 0.22 5.6 51 744 84 2,133.60 0.987 25.1 255.6 3,729 96 2,438.40 0.22 5.6 58.4 852 96 2,438.40 1.125 28.6 294 4,290

1. La gravedad específica de la FVR varía entre 1.80 y 2.08 2. No se consideran todos los diámetros existentes 3. Estos tamaños indican el intervalo de un diámetro de tubería dada

97

5.3. LAS CAUSAS DE LAS FALLAS EN LOS EMISORES Algunas de las fallas detectadas en los emisores se han debido a que no se consideran algunos factores que posteriormente resultan críticos; estos factores pueden ser tanto naturales como provocados por el hombre mismo. Existen varios casos de problemas reportados en la literatura desde pequeñas fracturas o fisuras hasta rompimientos de las líneas; consecuencias llevan consigo un impacto ambiental en las zonas aledañas. Algunas de las fallas han sido ocasionadas por las anclas de los barcos, cambios bruscos debidos al proceso dinámico natural de los fondos marinos (licuación del material de soporte, erosión superficial a lo largo de la línea, condiciones extremas como el paso de huracanes, el movimiento del agua asociados con Tsunamis (ondas de mareas), oscilaciones fuertes de ondas de agua asociadas con grandes ondas oceánicas, etc. Estas últimas, por ejemplo, han movido varios kilómetros de tuberías de PEMEX en el Golfo de México (Grace, 1978). Las fallas en los emisores debido al factor humano han sido también reportadas, por ejemplo en el emisor de los Ángeles Cal., construido en 1925 se detecto una falla el día en que fue remplazado en 1948; algunos estudios revelaron que esta falla existía desde el momento mismo de su instalación, esta fuga fue difícil detectar ya que la línea de conducción fue enterrada en el fondo marino. La contaminación afecto un área de 18 Km. en las playas cercanas por más de 23 años. 5.4. AGENTES GENERADORES DE FUERZAS HIDRODINÁMICAS 5.4.1. Agentes debidos a la dinámica del mar Se requiere de revisar las estructuras en el fondo marino por los efectos de la dinámica del mar, como son la velocidad y la aceleración máximas en el fondo y las fuerzas hidrodinámicas. La velocidad máxima de las partículas del agua en el fondo por oleaje se calcula con la siguiente formulación

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

d yMcos+1

N C =UMax (5.1)

La cual asocia un oleaje con cierto periodo de retorno que está en función de la vida útil de la obra, que generalmente se toma de 50 años. Para evaluar esta velocidad, se requiere de conocer la dinámica del mar y sus propiedades tales como el ángulo de incidencia del oleaje en aguas profundas; la altura de la ola a la profundidad en la zona de la descarga de las aguas. Esta profundidad se puede calcular con la ecuación

98

H = H0 Kr Ks (5.2)

En donde Kr y Ks son los coeficientes de refracción y de amortiguamiento (US-ACE, 1984) y H0 la altura de la ola en aguas profundas. H sirve para evaluar los coeficientes M y N en función del parámetro (H/d). De la misma forma, también se ven involucrados los parámetros típicos H/gT2 y d/gT2 que involucran a su vez la teoría de la onda solitaria; g es la aceleración de la gravedad y T el periodo de la ola de diseño. La variable y, en la ec (5.1) es la profundidad a la cual se desea conocer la velocidad (y = d - D) siendo D el diámetro exterior de la tubería. Con respecto a la aceleración horizontal máxima de las partículas en aguas bajas, ésta se puede determina, con la ecuación de la teoría lineal de Airy (US-ACE, 1984):

dg

T H =a Π (5.3)

Por otro lado, para calcular las fuerzas hidrodinámicas, que produce el oleaje y las corrientes sobre las tuberías asentadas sobre el lecho marino, se recomienda utilizar las ecuaciones propuestas por Ralston and Herbibh, (1969). Fuerza de arrastre por unidad de longitud de la tubería.

|U|U D C 21 =F maxmaxD0D ρ (5.4)

Fuerza de sustentación por unidad de longitud de la tubería.

U D C 21 =F 2

maxL0L ρ (5.5)

Fuerza de inercia por unidad de longitud de la tubería.

a C 4D =F maxm

2

0mπ

ρ (5.6)

Los coeficientes anteriores son determinados en función del número de Reynolds:

ν

=DUR max

e (5.7)

Donde ν , Viscosidad cinemática del agua (m2/s) y Umax está definida por la ec (5.1)

99

5.4.2. Agentes debidos al fluido en movimiento 5.4.2.1 Por cambios de dirección y sección transversal Las fuerzas dinámicas en los conductos son causadas por cambios en la cantidad de movimiento del líquido, y estos ocurren en términos generales, con cambios de dirección, cambios de pendientes o modificaciones en las secciones transversales. Para determinar dichas fuerzas se aplica la ecuación del impulso y obtener la reacción del conducto a la fuerza producida por el cambio de la cantidad de movimiento del líquido, ya que la reacción del conducto es de igual magnitud y dirección contraria a la acción del líquido. La ecuación del impulso en coordenadas cartesianas se escribe como:

( )∑ βγ

=Σ VQgF xx

( )∑ βγ

=Σ VQgF yy (5.8)

( )∑ βγ

=Σ VQgF zz

En donde F se refiere a las fuerzas externas e internas, γ al peso específico, en kg/m3, β al coeficiente de Boussinesq (≅ 1 para flujo turbulento) y V a las velocidades; los subíndices (x, y,z) se refieren a la dirección según los ejes cartesianos. Esta ecuación se aplica a un volumen de control totalmente lleno; las fuerzas se consideran externas al volumen de control; con respecto a la velocidad, está vera afectada por dos signos: uno debido a la dirección de la velocidad con respecto a los ejes coordenados, y el otro será positivo cuando el flujo salga del volumen de control, o negativo si el flujo entra al volumen de control. Los ejemplos de aplicación de éstas ecuaciones pueden verse en referencias como por ejemplo, los libros de mecánica de fluidos, el manual de CFE de conducciones a presión (1986), etc. En las figuras 5.3 y 5.4 se muestran, los términos de las ecuaciones de impulso aplicadas en dos secciones diferentes, para un cambio de dirección y sección y una reducción de sección transversal.

100

Figura 5.3 Cambio de dirección y sección transversal

Figura 5.4 Cambio de sección transversal

Cuando se tienen bifurcaciones, por ejemplo en la unión del difusor con el la tubería principal del emisor, es necesario considerar tanto las ecuaciones del impulso como la de la energía (ec. 3.1), antes de la unión y en cada ramal del difusor. 5.4.2.2 Fuerzas por fricción La fuerza es de tensión o compresión según que la sección considerada esté aguas abajo o aguas arriba del atraque: VSWSF γ== (5.9)

En donde F, es la fuerza de fricción generada por el agua, en kg; W el peso del agua que fluye, en kg; V volumen del agua, γ peso volumétrico del agua, en kg/m3 ; S gradiente hidráulico, sin considerar transitorios. Para el caso de un conducto circular

LS4DF

2πγ= (5.10)

En donde D y L son el diámetro y longitud del conducto considerados en m.

101

5.4.2.3 Presiones negativas En el conducto principal debe de cuidarse que las presiones negativas no sean menores que la de vaporización del líquido que fluye, para evitar rupturas de la columna líquida (cavitación); la presión de vaporización para cada líquido es función de la temperatura. Es conveniente hacer un diagrama de las cargas piezométricas a lo largo de una conducción a fin de detectar las zonas donde la presión es menor que la atmosférica y proponer los dispositivos de protección pertinentes. 5.4.2.4 Vibraciones El flujo permanente en una tubería apoyada en sus puntos extremos crea una solicitación adicional a la de su peso propio y altera su modo de vibración. Esto se produce porque la deflexión de la tubería, que existe aún para velocidad nula, da una curvatura al flujo por la que aparece una fuerza centrífuga justamente en la dirección de la deflexión, aumentándola. Dicha fuerza aumentará al crecer la velocidad y si crece demasiado llegará a desestabilizar la tubería. La velocidad límite que produce inestabilidad se le llama velocidad crítica, aunque es difícil de alcanzar para las tuberías comunes, debe considerarse en tuberías delgadas con velocidades altas. Esta fuerza altera la frecuencia natural de vibración de la tubería disminuyéndola a medida que la velocidad crece. Debido a este efecto, la tubería se vuelve susceptible de entrar en resonancia con alguna vibración que pueda excitarla, como la de un vórtice o una bomba. 5.5. ANÁLISIS DE LA ESTABILIDAD DE LA TUBERÍA Una tubería submarina debe de ser analizada como una estructura continua libre de cargas externas para lo cual fue diseñada. Deberá asegurarse también que existan asentamientos diferenciales a lo largo de la línea de conducción. Resistencia a la fuerza de sustentación. Para que la tubería no sea arrastrada verticalmente, el peso sumergido WS de ésta debe ser mayor que la fuerza de sustentación:

γπ

0

2

TS 4D-W =W (5.11)

En donde WT es el peso de la tubería por metro lineal fuera del agua (kg) Resistencia al desplazamiento lateral. Para que una tubería no sea desplazada lateralmente, es necesario que la resistencia por fricción RL sea mayor que la fuerza de arrastre mas la de inercia, es decir: )FF()fF-W( =R DmLSL +> (5.12)

donde f el coeficiente de fricción entre la tubería y el fondo marino

102

La experiencia muestra que después de esta revisión de variables dinámicas es necesario proceder a los requerimientos de lastrado y al diseño de anclajes, para lo cual se requiere conocer información especifica sobre las características del fondo marino, como el perfil del terreno, las características mecánicas del suelo y la carga hidráulica remanente a disipar. 5.6. REVISIÓN POR SISMICIDAD Las principales causas que originan la falla de tuberías durante la ocurrencia de un sismo son los movimientos vibratorios del suelo y la falla del terreno (Ariman y Muleski, 1981). Los primeros inducen en las tuberías deformaciones axiales cuyas magnitudes generalmente son mucho mayores que las de flexión. La falla del terreno ocasiona deformaciones de magnitudes muy grandes comparadas con las provocadas por el paso de las ondas sísmicas. Por lo anterior, los criterios de diseño adoptados deben de permitir movimientos de expansión y contracción en las juntas, de tal manera que se disipen las fuerzas ocasionadas por el sismo. De la misma forma deberán de revisarse los diseños para cuando las líneas crucen una falla geológica o que están construidas en terrenos inestables o en los cuales puede ocurrir el fenómeno de licuación. Aunque en mucho menor cantidad que en los sistemas con juntas, en los sistemas continuos también se han producido fallas durante un sismo. Generalmente las fallas son ocasionadas por el pandeo de la tubería y ocurren en zonas cercanas a válvulas y puntos de intersección. Para llevar a cabo el análisis sísmico de la línea submarina se pueden utilizar los métodos llamados simplificado y dinámico; el primero es aplicable a tuberías rectas continuas o a las formadas por segmentos rectos unidos mediante juntas flexibles. El método de análisis dinámico se puede aplicar en los dos casos anteriores y para cualquier configuración geométrica de la tubería, siempre y cuando se conozcan los parámetros necesarios para realizarlo y la importancia de la tubería lo amerite. Por otro lado, si la longitud de la conducción superficial es importante se recomiendan utilizar los métodos simplificado, pseudoestático y el de análisis dinámico. El método simplificado sólo es aplicable al análisis de tramos rectos de tubería entre dos apoyos consecutivos. Los métodos pseudoestático y dinámico se pueden aplicar al análisis de cualquier configuración geométrico de la tubería. 5.6.1. Elección del Tipo de Análisis Las recomendaciones para el método simplificado de análisis se basan en la hipótesis de que la máxima deformación axial de la conducción ocurre cuando ésta se mueve igual que el suelo que la rodea, esto es, no se toma en cuenta el efecto de interacción entre el suelo y la tubería. Con este método se desprecian los efectos inerciales y se le da una mayor importancia a los efectos ocasionados por la diferencia de amplitudes de desplazamientos del terreno a lo largo de la tubería. La aplicación del método proporciona límites superiores de deformación, ya que no se

103

toma en cuenta el ángulo que forman el eje longitudinal de la tubería y la dirección de propagación de las ondas. A la vez, se considera que no se presenta el fenómeno de deslizamiento de la tubería con respecto al suelo. Este hecho conduce a diseños conservadores. A diferencia de la conducción superficial, el método simplificado de análisis que se propone toma en cuenta el periodo fundamental del tramo de tubería y la zona sísmica en que está instalada la misma. El principio básico de diseño adoptado es que los apoyos deben estar diseñados de tal manera que soporten las fuerzas inducidas en ellos por el sismo. 5.6.2. Método Simplificado El método que se propone fue desarrollado por Newmark (1967) con base en un modelo de tubería enterrada en un semiespacio elástico, como se muestra en la figura 5.5, considerando una excitación sísmica producida por una onda de cuerpo. Los coeficientes de deformación y curvatura proporcionan valores Iguales a los máximos que se obtienen con los ángulos críticos de incidencia de las ondas.

104

Figura 5.5 Modelo de tubería en un semiespacio elástico

La aplicación de este método requiere del cálculo de la deformación axial ε y la curvatura φ máximas del terreno. Para ello se utilizan las siguientes expresiones:

Cc

Vo

∈

=∈ (5.12)

[ ]2o

CcA

φ

=φ (5.13)

Donde VO y AO son respectivamente la velocidad y aceleración máximas del terreno esperadas en el sitio, las cuales se determinan de acuerdo la clasificación de

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terrenos de cimentación, C es la velocidad aparente de propagación de las ondas sísmicas y c∈ y cφ son los coeficientes de deformación y curvatura del terreno, respectivamente, cuya magnitud depende del ángulo de incidencia y el tipo de ondas sísmicas según se Indica en la tabla 5.8 para Incidencias críticas.

Tabla 5.8 Coeficientes de deformación y curvatura del Terreno

Coeficiente Ondas P Ondas S Ondas de Rayleigh C∈ 1.0 2.0 1.0 Cφ 1.6 1.0 1.0

Para tuberías formadas por un conjunto de tubos rígidos de longitud L con juntas tipo lock-joint, además de curvatura máximas del terreno, se deben calcular el desplazamiento relativo U y la rotación Ø máximas de la junta con las expresiones siguientes:

U = ∈ L (5.14)

Ø = Ø L (5.15)

La información que se obtiene de la aplicación de este procedimiento permite verificar la capacidad de expansión y contracción de la junta, la capacidad de giro de la misma y el nivel de esfuerzos que se generan en el tubo durante el sismo. El método simplificado de análisis también será aplicable a tramos de tubería sobre la superficie que sean rectos y se puedan considerar formados por un conjunto de vigas simplemente apoyadas. La aplicación de este método requiere del cálculo del periodo natural de vibración del tramo en estudio, el cual se determina como:

2/14

IEmL2T ⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡

π= (5.16)

Donde m es la masa por unidad de longitud de la tubería, L la longitud del tramo en cuestión, I el momento de Inercia de la sección trasversal y E el módulo de elasticidad del material. Conocido el periodo natural de vibración se obtiene la aceleración sísmica del espectro de diseño correspondiente. El producto de esta aceleración y la masa por unidad de longitud de la tubería proporciona la fuerza sísmica por unidad de longitud que actúa en el tramo en estudio. Está implícito en las recomendaciones la dificultad que existe para predecir el tipo de onda de cuerpo que incidirá sobre la tubería. Por otra parte, si las ondas de superficie son las que predominan, su velocidad regirá el diseño de la tubería. De particular importancia son las ondas de Rayleigh, ya que son las que provocan las deformaciones axiales de la tubería las cuales modifican en mayor grado el comportamiento sísmico de la misma (O’Rouke et al, 1980). No se considera explícitamente este tipo de ondas, ya que la determinación de su velocidad es compleja puesto que depende, entre otros factores, de la frecuencia de excitación.

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También está implícita en las recomendaciones la necesidad de llevar a cabo estudios geofísicos y sismológicos para determinar la velocidad aparente de propagación de las ondas sísmicas en un sitio específico. En la literatura reciente se reportan otros dos métodos de análisis que se pueden utilizar para estudiar la respuesta sísmica de tuberías rectas formadas a base de segmentos unidos mediante juntas flexibles: a) el método de juntas friccionantes (Rascón y Muñoz, 1985) y b) el método cuasi-estático (Serna, 1980; Wang, 1978). A diferencia del criterio de análisis propuesto, ambos métodos toman en cuenta la rigidez del suelo y las juntas. Sin embargo, no se incluyen como criterios de análisis debido a la gran cantidad de información que se requiere para su aplicación. El modelo matemático de juntas friccionantes considera un comportamiento elástico del tubo, el suelo y las juntas. Como su nombre lo indica, el fenómeno de fricción entre el empaque y el tubo se modela con una junta friccionante. La resistencia del suelo se incluye en el análisis mediante un elemento elástico longitudinal con una rigidez por unidad de longitud. 5.6.3. Método Pseudoestático El análisis estático convencional de estructuras sobre la superficie considera que la excitación sísmica es la misma en todos los apoyos. Sin embargo, debido a que las tuberías son de longitudes muy grandes, es razonable utilizar un método de análisis que tome en cuenta, aunque sea de manera aproximada, la variación espacial de los movimientos en los apoyos. Con este método se obtiene la respuesta de la tubería en función de los movimientos sísmicos de los apoyos. No se toman en cuenta los posibles efectos de amplificación dinámica ni la correlación entre estos movimientos. El vector de desplazamientos UO se forma con ayuda de los registros sísmicos generados en los apoyos o soportes de la tubería. Se recomienda que los desplazamientos que se utilicen como excitación de la tubería sean los más desfavorables. Usando como excitación cada uno de los elementos del vector UO (vector de desplazamientos) se calculan los desplazamientos en el resto de los apoyos. Esto da lugar a N vectores de desplazamientos, Un, uno para cada soporte. Así, el vector de desplazamientos máximos probables en los apoyos, Ur, se puede estimar mediante el criterio de la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de los desplazamientos en los soportes. Se incluye este método de análisis, ya que se puede llevar a cabo con programas de cálculo estructural convencionales, suponiendo que la tubería se modela con elementos viga y puedes ser aplicable al análisis de tuberías superficiales.

107

5.6.4. Análisis Dinámico El análisis modal espectral se prefiere sobre el análisis paso a paso debido a las dificultades que se presentan para definir el registro sísmico característico del sitio en que está construida la tubería. Influye también el costo y tiempo de cómputo que se requiere para el análisis mediante integración directa respecto al análisis con superposición modal. La regla de combinación de las respuestas modales parece razonable. Para tuberías apoyadas en diferentes puntos en una misma estructura, o apoyadas en diferentes estructuras, lo más conveniente desde el punto de vista del análisis es recurrir al concepto de espectros sísmicos de piso. Sin embargo, no se propone un criterio de esta naturaleza debido a la falta de herramientas de cómputo que permitan llevar a cabo este tipo de análisis y a las dificultades inherentes en la utilización de este concepto tales como el cálculo de la correlación espacial y modal entre los espectros de cada apoyo, la definición de la contribución a la respuesta total de la respuesta estática y dinámica, la falta de un criterio de combinación modal apropiado, la evaluación de los efectos del amortiguamiento de sistemas estructurales acoplados y la interacción entre el sistema primario y secundario, entre otros. Se recomienda utilizar este método siguiendo el análisis paso a paso. Para ello deberá de recurrirse a acelerogramas de temblores reales o de movimientos simulados, o a combinaciones de estos, siempre que se usen movimientos representativos cuyas características de intensidad, duración y contenido de frecuencias sean compatibles con el riesgo sísmico del sitio en cuestión. En la línea sobre la superficie se emplearán como métodos de análisis dinámico el análisis modal espectral y el análisis paso a paso. Si se utiliza el análisis modal espectral, la respuesta total de la tubería se obtendrá mediante la contribución de cada modo natural de vibración. Para ello, las respuestas modales Sn se combinarán para calcular la respuesta total S de acuerdo con la expresión

2/1N

1nn

2r UU ⎥⎦

⎤⎢⎣⎡ ∑=

= (5.17)

En donde N es el número de modos naturales de vibración a considerar en la respuesta total. Si se utiliza el análisis paso a paso, se consideran las mismas recomendaciones establecidas en relación con el análisis dinámico de tuberías enterradas. 5.6.5. Cruce de Fallas Geológicas Activas Los efectos ocasionados en una tubería por los movimientos de una falla pueden ser más importantes que los ocasionados por el paso de las ondas sísmicas.

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Para el análisis sísmico de tuberías que crucen una falla geológica activa se recomienda el procedimiento de cálculo que se indica a continuación. a) 1. Se supone un esfuerzo axial máximo permisible en la tubería, σ, y se calcula la longitud correspondiente para reducir este esfuerzo a cero, esto es:

RALt

σ=

(5.18) En donde:

R es la resistencia axial máxima por unidad de longitud del terreno A el área de la sección trasversal de la tubería.

La resistencia axial del terreno se puede obtener de pruebas de campo que se realicen en el sitio o de expresiones derivadas con base en pruebas de laboratorio. Generalmente estas expresiones requieren del conocimiento de otras propiedades del suelo tales como la resistencia al corte, el coeficiente de presión lateral y el peso específico. b) Se calcula el cambio de longitud que se presenta en la tubería, con la expresión

tt L

EL σ

=Δ (5.19)

En donde E es el módulo de elasticidad del material de la tubería. Para una interpretación de ∆Lf en las figuras 5.6 se aprecian los movimientos relativos en una falla por deslizamiento recto o normal, respectivamente. c) Se calcula el cambio de longitud que se requerirá en la tubería debido al movimiento en la falla, es decir:

( )t

2/122

f L4ZYXL Δ+Δ

+Δ=Δ (5.20)

Donde ∆X, ∆Y y ∆Z se calculan con base en la magnitud y el tipo de movimiento producido por la falla, como se ilustra en los comentarios. d) Finalmente, se obtiene la diferencia (∆Lt-∆Lf). Si el resultado no es razonablemente cercano a cero, se repite el procedimiento de análisis suponiendo un nuevo valor de σ.

109

Figura 5.6 Movimientos relativos en una falla por deslizamiento recto y por deslizamiento normal

5.7. ANCLAJES Y PILOTAJES Independientemente de la protección contra la erosión y contra la corrosión de que será objeto la tubería, su diseño estructural estará determinado por las solicitaciones inducidas por el procedimiento constructivo y las fuerzas hidrodinámicas causadas por el oleaje y corrientes marinas, así como las fuerzas hidrodinámicas por el fluido en movimiento dentro de la tubería. Los emisores pueden instalarse en una variedad de configuraciones sobre el fondo del mar, ya sea balastado, anclado o enterrado como se indica el la figura 5.8. La elección del procedimiento utilizado depende de muchos factores como el diámetro y la longitud de la tubería, el material de la tubería, los revestimientos. Además, es necesario tomar en cuenta aspectos concernientes a la dinámica del fondo marino así como hacer uso de los estudios geológicos.

110

Figura 5.7 Posibles configuraciones de anclaje de emisores submarinos

En la figura 5.8 se muestra la zanja del tendido del emisor de Sand Island No 2 de Honolulu, Hawai; en donde se muestran los diferentes materiales que fueron utilizados para proteger la tubería. En los ejemplos del capítulo 6 se detallan algunos de los procedimientos de anclado de los emisores.

111

Figura 5.8 Rellenos vertidos en el emisor Sand Island No 2 de Honolulu, Hawai, en la zona de rompiente y en aguas profundas, respectivamente

5.8. PROCEDIMIENTOS CONSTRUCCIÓN E INSTALACIÓN 5.8.1. Aspectos de la construcción de un emisor La construcción en instalación de un emisor de PEAD ofrece una gran versatilidad para tuberías de hasta 1 m de diámetro. Emisores de PEAD han operado en forma exitosa en todo el mundo por muchos años y las fallas que se han observado han sido principalmente al mal manejo durante su colocación en el lecho marino. Una de las grandes ventajas en la colocación y anclaje de los emisores de PEAD son su alta maniobrabilidad, requerimientos mínimos de equipo y periodos cortos de tiempo para su colocación. Lo cual es importante cuando la construcción se lleva a cabo bajo condiciones adversas del clima. Sin embargo los emisores hechos de PEAD pueden ser dañados fácilmente por lo que si se requiere se les puede adicionar una capa de concreto reforzado alrededor de la tubería. Generalmente, la colocación del emisor se lleva a cabo uniendo tramos de 12 m de longitud. El emisor completo es posicionado y mantenido sobre la superficie mediante flotadores. Finalmente, para depositar el emisor en el fondo se retira el aire dentro del tubo de forma controlada permitiendo que el tubo se hunda lentamente y se deposite en el fondo marino. Dependiendo de las condiciones ambientales y de la protección que se le quiera dar al emisor este puede ser enterrado. En áreas rocosas es necesario abrir un canal para colocar el emisor y posteriormente cubierto de material rocoso. Una descripción más detallada de todo este proceso se describe en las siguientes secciones.

112

5.8.2. Selección del diámetro de la tubería La selección del diámetro de la tubería para emisores submarinos de PEAD se hace con la misma serie de determinaciones como para otro material de tubería. Generalmente, se utiliza el balance de la reducción de pérdida de fricción contra las velocidades de flujo necesarias para mantener el suficiente arrastre que evitará la deposición de residuos o el crecimiento de bacterias. La tubería de PEAD tiene excelentes características de flujo debido a su pared excepcionalmente suave; tiene una constante de la formula de Hazen-Williams de C = 155 para agua y C = 140 para aguas residuales. Esto permite una selección de mayor velocidad y menor diámetro que para la mayoría de otros materiales de tubería. Para emisores submarinos que utilizan tubería de PEAD la velocidad de flujo que ha probado ser satisfactoria desde el punto de vista tanto de fricción como de limpieza, usualmente cae dentro de los rangos presentados en la Tabla 5.9. Es importante que se obtengan las velocidades de limpieza por lo menos una vez al día durante un tiempo suficiente para conseguir un lavado completo de la tubería. Si este no fuera el caso, se presentarían deposiciones de sólidos y crecimiento de bacterias en las paredes y sería necesario usar un dispositivo limpiador dentro del emisor submarino para prevenir su constricción o cierre. Cuando se diseña un emisor submarino para un flujo proyectado de 25 años es importante revisar las velocidades de los flujos máximos actuales para ver si se obtienen velocidades suficientes de arrastre en los primeros años de operación. Si no fuera así, se debe implementar un programa de limpieza utilizando un dispositivo limpiador hasta que los flujos alcancen el nivel para obtener las velocidades de limpieza.

Tabla 5.9 Rangos de velocidad de flujo para emisores submarinos de PEAD

Tamaño nominal de la tubería (cm)

Rangos satisfactorios de velocidad (m/s)

10-30 25-50 40-75

1-2 2-3 3-4

Se recomienda instalar facilidades para remover arena y grasa del efluente antes de su descarga en el emisor submarino para ayudar a minimizar los problemas ocasionados por su deposición. Esta remoción de grasa en conjunto con elementos flotantes tiene el propósito de mantener las condiciones estéticas aceptables. El monograma de la figura 5.9 (unidades métricas ) esta basado en la formula de Hanzen- Williams y este pueden utilizarse para diversas tasas de flujo en diferentes diámetros internos de tubería.

113

5.8.3. Selección de la razón de dimensión estándar de la tubería (SDR) Un término utilizado para las tuberías de plástico es la razón de dimensión estándar abreviada por el acrónimo SDR en inglés y se define por la fórmula:

tDSDR =

donde, D = es el diámetro exterior de la tubería t = es el grosor mínimo de la pared

La tasa de la presión de la tubería está dada por la fórmula

12

−=

SDRSP

donde, S = presión hidrostática de diseño 5.51MPa (56.24 kg/cm2,,1kg/cm2=98,100Pa a 23°C para PEAD)

Todas las tuberías del mismo material y de SDR idéntico tienen la misma tasa de presión independientemente del diámetro. En la Tabla 5.10 se presentan algunas relaciones entre la SDR y la presión de trabajo. La selección de la SDR apropiada para un emisor submarino depende de un número de factores tales como:

•fuerzas externas (especialmente en las zonas de rompiente del oleaje) •presiones debidas al manejo y construcción •presurización interna •separación de las anclas

Si se sustituye D/t en lugar de SDR en la ecuación anterior y reordenando los términos se obtiene: P=2St/(D-t) o S=P(D-t)/2t que es la ecuación de la Organización Internacional de Normalización (ISO) para determinar la presión de trabajo en la tubería termoplástica. En la ecuación de la ISO para tuberías de PEAD la tensión admisible es S=4.91MPa (50kg/ cm2). Generalmente, la sección de un emisor submarino que recibe la mayor presión es la que está dentro de la zona rompiente del oleaje, generalmente representada por profundidades menores a 15 m en mar abierto y por profundidades menores a 6 m en áreas protegidas del mar abierto. En esta zona es donde ocurre la mayor presión externa debido a las corrientes y por el impacto de objetos traídos por éstas y por el oleaje por lo que esta área es la más propensa a minarse. Es también el área que soporta la mayor presión interna, además, que está frecuentemente sujeta a

114

impactos por la colocación de los lastres rocosos. Por lo tanto, la sección de tubería a través de esta zona frecuentemente se selecciona con un SDR menor (pared de tubería mas gruesa) que la sección fuera de la zona rompiente del oleaje a fin de contrarrestar el impacto adicional, flexión, fuerzas cortantes y de zuncho. Un SDR con un rango de 11 a 21 es el comúnmente usado en la zona rompiente del oleaje y de 19 a 32.5 para la sección fuera de esta zona.

Tabla 5.10 Tasa de presión de tuberías de PEAD SDR 32.5 26 21 19 17 15.5 13.5 11

Tasa de la presión de

la tubería (km/cm2 ) 149 187 233 262 292 321 374 467

Figura 5.9 Nomograma de solución en unidades métricas

115

5.8.4. Anclaje de los emisores submarinos de PEAD Probablemente la causa más común del fracaso de los emisores submarinos de PEAD de pequeño diámetro es el anclado inadecuado de la tubería. Esta deficiencia permite que se mueva y se malogre debido a las corrientes y rompiente de oleaje. En emisores submarinos de PEAD de pequeño diámetro, el minado es raramente un problema. Esto es porque el pequeño diámetro no crea las altas velocidades localizadas formadas por las tuberías de gran diámetro, excepto en corrientes extremadamente rápidas. Debido a que las, tuberías de diámetro más pequeño usan bloques de anclaje más pequeños, usualmente quedan tendidas en el fondo y realmente ocurre poco o ningún arrastre. Asimismo, en la mayoría de las condiciones típicas del suelo, la tubería de PEAD y las anclas tienden a reposar en la excavación de arrastre sin causar ruptura de la tubería gracias a las características flexibles del PEAD. El PEAD también puede tolerar mejor el movimiento que cualquier otro material para tubería submarina. Otra causa de falla del emisor submarino de PEAD ha sido el uso de metales no resistentes a la corrosión para asegurar los lastres a la tubería. Una falla posterior de los fiadores hace que las anclas se suelten y, debido a que la tubería y sus contenidos son menos pesados que el agua marina la tubería flota hacia la superficie. El diseño correcto y la instalación adecuada son esenciales para asegurar una larga vida útil del emisor. 5.8.5. Determinación de la distancia entre las pesas del ancla La mayor presión y desviación en la viga ocurre durante la instalación debido al peso de las anclas durante el flotamiento y remolque de la tubería. También puede ocurrir debido a fuerzas hidrodinámicas por corrientes y posiblemente por el hundimiento de las anclas en un lecho suave es importante que la distancia entre los collarines del ancla no sean muy grandes. La presión ejercida puede ser estimada como una viga simple uniformemente cargada con una unidad de carga igual a la unidad de flotación de la tubería. La mayor presión y desviación ocurre durante las operaciones de flotación y remolque en la instalación para limitar la desviación a menos del 5% o de la formación a menos del 1%, se desarrollan las relaciones mostradas en la figura 5.11 para determinar el espaciamiento máximo de las anclas para diversos rangos de diámetro de la tubería de PEAD. Se debe notar que para SDR más pequeños, aunque el espacio entre anclas puede ser mayor, esta usualmente limitado a no más de 5 o 6 m por razones practicas de construcción. Este limite es una regla que ha sido establecida para evitar o al menos reducir, los problemas encontrados en el manejo y acoplamiento de anclas muy grades. Generalmente también es mejor desde el punto de vista de las fuerzas hidrodinámicas externas, tener anclas más pequeñas y más juntas que grandes y con mayores espacios entre ellas, porque cuanto más cerca éste la tubería del lecho recibirá menos fuerza externa.

116

5.8.6. Determinación del peso del collarín del ancla Existen dos consideraciones distintas al determinar el peso para anclar emisores submarinos de PEAD. Una consideración es el lastre necesario para evitar la flotación en áreas fuera de la zona rompiente del oleaje; la otra es prevenir el movimiento dentro de la zona rompiente del oleaje durante las peores condiciones esperadas de tormenta, por lo que se usan dos soluciones totalmente diferentes. El término factor de hundimiento se usa en las tuberías de emisores submarinos de PEAD para describir la razón de la fuerza total hacia abajo con relación a la fuerza total hacia arriba del sistema de tuberías, incluyendo la tubería, el contenido de la misma y las pesas de las anclas (collarines). El factor de hundimiento no es más que la “gravedad específica” del sistema y se usa como un indicador de la estabilidad de la tubería y su resistencia a las diversas fuerzas hidrodinámicas ejercidas por el mar. Las manuales señalan que los valores apropiados del factor de hundimiento varían entre 1.1 y 1.5. La aplicación de la guía para los factores de hundimiento en la zona rompiente de oleaje en el ambiente marino requieren de mayor precaución, especialmente cuando se trata de una instalación hacia mar abierto. Sin embargo, la experiencia ha demostrado que es adecuado para áreas más allá de la zona rompiente del oleaje con corrientes menores a los 2 m/s. El factor de hundimiento (K) puede expresarse mediante la formula:

)()()()(

anclaslasporareemplazadaguadelpesotuberialaporremplazadaaguadelpesoaireelenconcretodeancladelpesocontenidotuberialadepesoK

+++

=

donde,

WA peso total de cada ancla en el aire (kg o lb) Ws peso unitario del contenido de la tubería en N/m (1kg/m=9.81N/m) o lb/pies Wp peso unitario de tubería en N/m (1kg/m=9.81N/m) o lb/pies WM densidad del agua de mar en N/m3 (kg/m3 o lb/pies3) Sdistancia seleccionada entre las pesas (m o pies) Vunidad de volumen externo de la tubería por unidad de longitud (m3 /m o pies3/pies) We densidad del concreto N/m3 (kg/m3 o lb/pies3) Kuna constante sin unidad (razón deseada de la fuerza hacia abajo a la fuerza hacia arriba a la que se denomina frecuentemente factor de hundimiento)

Rescribiendo la la ecuación,

cmAM

ASP

WWWSVWWWWS

K/

)(+

++=

Reordenando y resolviendo para WA resulta en la siguiente ecuación,

117

CM

SPMA WKW

WWKVWSW

/1)(

−−−

=

Es conveniente poner el máximo peso de anclaje a la tubería que se ubica en la zona rompiente del oleaje y que todavía le permita flotar hasta su sitio cuando se le llene de aire. Esto significa alrededor de 0.8 de ese peso máximo . Bajo estas condiciones K = 1 y WS = 0 por lo que la ecuación se simplifica a,

CM

PMA WW

WVWSW

/1)(8.0

−−

=

Figura 5.10 Tramo máximo entre las pesas de concreto para las tuberías

submarinas de PEAD

118

5.8.7. Diseño del ancla Las anclas para los emisores submarinos de PEAD usualmente se fabrican de concreto reforzado debido a su densidad apropiada y a su durabilidad en el agua marina. Existen muchos diseños posibles, pero generalmente el rectangular es preferido en vez del redondo, ya que por su diseño el ancla no rodará cuando reciba fuerzas laterales por las corrientes o la acción de las olas. La selección del diseño debe basarse en: a). Facilidad de sujetar las anclas a la tubería. b). Resistencia de los seguros a la corrosión del agua de mar. c). Facilidad de fundir el concreto. La figura 5.11 ilustra un diseño común de un ancla para una tubería de diámetro pequeño. Este diseño esta formado de dos piezas rectangulares construidos de concreto de manera que pueda unirse en la parte externa de la tubería. Este diseño se conoce como tipo A. Esta variación particular usa dos pernos de material resistente a la corrosión del agua de mar. También es posible usar pernos de fibra de vidrio o tubería de polietileno plástico con terminales formados al calor como medio para enlazar las mitades. La figura 5.12 ilustra el diseño de tipo B de anclas de concreto que es popular para las tuberías de PEAD mayores a 20 cm de diámetro. La distancia entre este tipo de anclas está usualmente limitada por el equipo de manejo disponible, en vez de estarlo por la deflexión o deformación de la tubería. Se deben construir anclas mayores con orejas levantadoras fundidas en ellas, para facilitar su manejo y fijación a la tubería. La figura 5.13 se presenta el ancla tipo C, el que es usualmente el más fácil de instalar y tiene problemas mínimos de corrosión. Se instala en la tubería de PEAD prensándola con dos grandes garfios a cada lado de la tubería. Luego la tubería temporalmente deformado es luego insertada a través del cuello delgado (0.6 d) de la abertura y se sueltan los garfios para permitir a la tubería volver a su forma redonda. Podría ser necesario rotar los garfios 90% para permitir que la tubería de PEAD retome su forma completamente. Esto sólo es posible con tuberías de PEAD y con peso molecular alto o extra alto. Las anclas de concreto pueden venir ensambladas de fabrica o pueden hacerlo los trabajadores que van a instalar y ensamblar el emisor submarino de PEAD. Debido a que muchas veces durante la instalación se prefiere moldear las anclas, a continuación se indican algunas sugerencias y precauciones. Al moldear las dos mitades del diseño tipo A, el molde mostrado en la figura 5.14, usualmente se construye de forma que ambas mitades del lastre puedan moldearse

119

al mismo tiempo con una pequeña pieza de la tubería del emisor submarino de PEAD para lograr un tamaño exacto. Las dos mitades están separadas por triplay de 1 cm (3/8"). Esto proporciona un juego suficiente para asegurar un ensamble ajustado cuando las dos mitades se juntan y se acopla a la tubería. Los orificios para los pernos se forman usando tubería de PVC de paredes delgadas que tienen un diámetro interno 50% mayor que el del perno a ser usado. Se mantiene en su sitio con una varilla a través del molde. La tubería de PVC se deja en el concreto como una funda para los pernos. Asimismo en la figura 5.15 se presenta el molde típico para anclas de concreto de tipo B 5.8.8. Moldeado de las anclas de concreto en el lugar de trabajo Es importante planificar que el moldeado de las anclas de concreto se termine por lo menos un mes antes de la instalación del emisor submarino para permitir un tiempo adecuado de curación. Se debe considerar el moldeado de los collarines de las anclas en la orilla del litoral donde se encuentra el emisor submarino para evitar su manejo y transporte innecesario. También es una buena idea numerar las mitades cuando se quitan de su molde para asegurar la compatibilidad de los orificios de los pernos. De todos modos, el poner especial cuidado en la precisión del molde, nos evitará mayores gastos en el futuro durante el proceso de acople. El concreto debe ser resistente al agua salina con una fuerza mínima de 28 días de 19.62MPa (200 kg /cm2). Se puede usar cemento de fuerza rápida alta para permitir la remoción temprana de sus moldes, reduciendo así el número de moldes necesarios durante el período de moldeado. El tipo de cemento usado debe ser para uso marino. Siempre es una buena idea moldear un número extra suficiente de anclas para remplazar en caso de rupturas.

120

Figura 5.11 Lastre de concreto para tuberías de diámetros menores a 20 cm

121

Figura 5.12 Bloques de concreto tipo B para emisores submarinos de PEAD

Figura 5.13 Lastres de concreto reforzado tipo C para emisores submarinos de

PEAD

Figura 5.14 Molde típico para moldear los lastres de concreto tipo A

122

Figura 5.15 Molde típico para moldear los lastres de concreto tipo B

5.8.9. Unión de los tramos y acoplamiento de los anclajes a la tubería La técnica de fusión de extremos por calor es el método recomendado para unir tuberías de PEAD. Este es un proceso eficiente y económico que cuenta con equipo desarrollado y perfeccionado. El proceso consiste en frezar los dos extremos de la tubería a fin de garantizar el acoplamiento, calentar a una temperatura prescrita y por un tiempo específico las superficies que van a ser unidas simultáneamente, terminar el calentamiento, unir las superficies fundidas manteniendo los extremos juntos por aplicación de presión hasta que solidifiquen según el tiempo especificado para el diámetro y espesor de la pared. Cada lugar presenta condiciones diferentes por lo que es recomendable dedicar tiempo a la planificación cuidadosa de las operaciones de fusión de los extremos y del acoplamiento de los anclajes a la tubería. El concepto primario es de línea de ensamblaje completo en el agua tan pronto y fácilmente como sea posible. Los objetivos deben ser:

a).Mover y manipular los materiales lo menos posible, especialmente los collarines del ancla. b).Colocar con exactitud los collarines del ancla en los lugares apropiados de la tubería. c).Poner los bloques acoplados de las anclas en el agua tan pronto como sea posible después de su acoplado a la tubería con la menor manipulación posible.

123

d).Mantener las medidas de seguridad para evitar cualquier riesgo posible.

Es importante que la metodología escogida para la instalación de los collarines del ancla permita hacer haga la tarea lo más fácil posible. En casi todos los casos, el acoplado del collarín del ancla es el proceso limitante, que requiere más tiempo que el proceso de fusión de los extremos. El método mas común para la colocación del emisor es el de instalar una plataforma temporal de trabajo en el filo del agua (véase la figura 5.16) de forma que los collarines de concreto del ancla se acoplen inmediatamente antes que la tubería sea puesta en el agua. Frecuentemente se instala un trípode con aparejo de poleas en esta plataforma para el manejo y ensamble de los collarines de concreto del ancla. Se usa un sistema de rodillos para guiar la tubería desde el área de fusión de los extremos hasta la plataforma y para facilitar el movimiento hacia delante de la tubería. Este método se usa generalmente en lugares en que las variaciones de mareas no son muy marcadas. Otro método exitoso es construir una pista temporal (véase la figura 5.18) desde encima de la línea mas alta de agua hasta debajo de la marea baja y hacer una plataforma simple rodante para que corran por esta pista llevando los collarines de concreto del ancla y la tubería hasta el agua. En este caso el trípode usualmente monta el extremo superior de la pista. Este método puede usarse en situaciones con fluctuaciones considerables de marea y/o con collarines pesados del ancla. Para acelerar la fusión de la tubería durante el proceso de instalación, es una practica común unir de dos en dos, las secciones de tubería dos o tres días antes de la instalación del emisor submarino. Esto reduce a la mitad el número de uniones durante el proceso de instalación.

124

Figura 5.16 Esquema de una plataforma típica de trabajo para acoplar las

anclas de concreto al emisor submarino de PEAD

125

Figura 5.17 Esquema de un método típico de riel y plataforma rodante para

acoplar los bloques de ancla a la tubería submarina de PEAD 5.8.10. Flotación, inmersión y colocación del emisor submarino El emisor submarino de PEAD está diseñado para flotar con los collarines de ancla acoplados y la tubería llena de aire y no flotar cuando se llena con agua. El aire está contenido en la tubería por medio de un tapón plato sellado con seguridad al final de la tubería. Se acomoda el plato o tapón con una válvula de aire de entrada/salida y luego se une al terminal de la tubería. Soltando gradualmente el aire de esta válvula y permitiendo que el agua entre al emisor submarino por el extremo colocado en la orilla, el emisor submarino puede hundirse hasta el fondo comenzando en el extremo en la costa. La tasa de descenso puede controlarse por medio de la válvula. de escape de aire en el terminal. Es importante que la tubería sea hundida desde la orilla continuando hacia la parte terminal para prevenir el entrampamiento de aire en la parte alta de la punta. Se necesitan algunas lanchas pequeñas para remolcar la tubería fuera de la orilla mientras se ensambla y se acoplan los collarines del ancla a fin de ubicarla adecuadamente para luego sumergirla. Por regla general se requiere una lancha para cada 100 metros de tubería asimismo el número de lanchas dependerá de las condiciones del mar. Se ubican varias lanchas a intervalos a lo largo de la tubería a favor de la corriente para jalar la tubería a su ubicación. Durante el hundimiento, el bote al final de la

126

tubería opera la válvula de escape de aire. Normalmente se requieren tres lanchas de colocación en las cercanías de la sección que se va a hundir. Usualmente es más fácil permitir que la tubería se doble con la corriente, poniéndola gradualmente en su sitio a lo largo de la ruta mientras se está hundiendo. Los buzos en las cercanías de la tubería se comunican con las tres o cuatro lanchas de instalación que la remolcan hacia su ubicación y con la lancha que está al final dejando salir el aire. Los buzos informan a los botes de instalación en que dirección (izquierda o derecha) mover la tubería, o si deben sostenerla, de forma de mantenerla alineada mientras que se deja posar en el lecho y también informan al operador de salida de aire cuando dejarlo salir para que la tubería desciende. El aire se deja salir en una serie de pequeños tiros con lapsos suficientes entre tiros para recibir la comunicación de los buzos. Es preferible soltar el aire muy despacio que muy rápido. En las figuras 5.18 y 5.19 representan esquemáticamente una vista de planta y de perfil de este proceso, respectivamente. Es importante advertir que la presión del aire que se desarrolla en el tapón final será equivalente a la presión del agua en la prefundida de inmersión. Por lo tanto el tapón final deberá estar bien asegurado a la tubería ya que si el tapón se suelta este puede ser lanzado como un proyectil hacia los trabajadores cercanos. Además la tubería se hundirá muy rápido poniendo en peligro a los buzos

Figura 5.18 Vista de planta de un proceso típico de instalación de un emisor

submarino de PEAD

127

Figura 5.19 Perfil de un proceso típico de instalación y sumersión de un emisor

submarino de PEAD 5.8.11. Problema ejemplo Escoja el diámetro de tubería y de PEAD y determine el espaciamiento y peso de las anclas de concreto para un emisor submarino de una para una comunidad con una población actual de 20 mil personas que genera un flujo de aguas negras de 4000 m3/día y que tiene una población proyectada de 42 mil personas y un flujo de aguas residuales de 10000 m3/día final del período de diseño de 25 años. El flujo pico es 150% del flujo promedio. La zona de rompiente del oleaje del sitio seleccionado para el emisor submarino termina a una profundidad de 7 metros, a una distancia de 200 metros de la orilla y el área seleccionada de descarga del emisor submarino está ubicada a 700 metros adicionales mar adentro, a una profundidad de 27 metros. El fondo marino consiste de arena con algunos afloramientos de roca. En la zona de rompiente de oleaje el fondo esta conformado por arena y grava. El lugar de ubicación del emisor submarino está frente al mar abierto. La carga hidráulica de gravedad disponible es 5.4 m sobre el nivel de la pleamar media superior; 7.4 m sobre el nivel medio del mar, y 7.9 metros sobre el nivel de bajamar media inferior. alta.

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Solución Paso I: Selección del diámetro de la tubería La estrategia para diseñar un emisor submarino apropiado es obtener las velocidades de limpieza por lo menos una vez al día bajo condiciones actuales y aún así no obtener cargas hidráulicas excesivamente altas antes del termino de la vida diseñada del emisor submarino (en este caso 25 años). No siempre es posible conseguir ambos objetivos y cuando esto ocurre se debe analizar el tipo de curvas de crecimiento de la población proyectada para determinar si es mejor decidir por los flujos de aguas residuales actuales, intermedios o de vida de diseño. Para este problema debernos tratar de obtener velocidades de limpieza de 1 m/s a nivel medio del mar bajo las condiciones actuales de flujo pico y tratar de excluir o minimizar la necesidad de bombeo por lo menos durante los últimos cinco años de vida de diseño. Por lo tanto, el primer paso es calcular los flujos pico en l/s para poder utilizar el nomograma de la figura 5.10. Flujo pico actual

Qppf = 4000 m3 /día x 1.5 x 0.0116 díamsl

//

3

Qppf = 69.5 el cual se puede aproximar a 70 l/s

Flujo pico de diseño

Qdpf = 10000 m3/día x 1.5 x 0.0116 dìamsl

//

3

Qdpf = 174 el cual se puede aproximar a 175 l/s.

Posteriormente el siguiente paso es determinar la carga hidráulica estática disponible. Esta es una carga hidráulica estática de 7.4 m menos la carga por densidad del agua de mar. La carga por la densidad del agua mar (hds) es igual a la profundidad de inmersión multiplicada por 0.025. Para un nivel medio del mar hds = 27m x 0.025 = 0.68 � 0.7. La carga hidráulica impulsora disponible (hd) al nivel medio mar es la carga hidráulica de gravedad disponible (7.4m) menos la carga hidráulica de densidad.

hd = 7.4 – 0.7 = 6.7 m El siguiente paso es determinar el diámetro de la tubería que proporcionará una velocidad de limpieza de 1 m/s para el flujo pico actual (70 l/s). Utilizando el nomograma de Hazen-Williams de la figura 5.17 se obtiene un diámetro de 30 cm.

129

Al revisar la pérdida de carga hidráulica para este diámetro y flujo usando el nomograma y un factor de C de 155 para tubería de PEAD, se obtiene una perdida de carga hidráulica de 2.4 m por 1000 m de longitud. Para una longitud de 900 metros, esto da un total de 2.16 m de pérdida de carga hidráulica, lo que está dentro de la carga hidráulica total disponible. Luego se revisa la pérdida de carga hidráulica que podría ocurrir en una tubería de PEAD de 30 cm para el flujo pico de diseño. Una vez más, usando el nomograma y un flujo de, 175 l/s, se obtiene una pérdida de carga hidráulica de fricción de 13.5 m/1000 m y una velocidad de 2.7 m/s. La pérdida de fricción para 900 m sería 12.15 m. Debido a que sólo 6.7 m de la carga hidráulica de gravedad están disponibles, sería necesario aumentar la carga hidráulica otros 5.5m adicionales bombeando para obtener estos flujos. Esta podría ser una propuesta muy cara para una ciudad con 20 mil habitantes. Revisemos ahora la posibilidad de usar el siguiente diámetro mayor de la tubería de PEAD que es 36 cm. Para el flujo de diseño esto dará una velocidad de 1.86 m/s y una pérdida por fricción de alrededor 5.3 m por 1000 metros o 4.8 m para la longitud del emisor. Sin embargo, esto podría resultar en una velocidad de sólo 0.7 m/s bajo las condiciones actuales de flujo pico y por lo tanto es muy posible que se tenga que insertar un destapador de limpieza a través del emisor submarino en forma regular hasta que los flujos pico aumenten suficientemente para crear velocidades de limpieza. Tomando como base la curva de población proyectada, el ingeniero tendría que determinar si el costo de bombeo (para cualquier período de tiempo que fuera necesario) sería más o menos alto que el costo adicional incurrido al cambiar una tubería de 30 cm de diámetro por otra de 36 cm de diámetro. Para este problema particular se puede decir que condiciones han favorecido la tubería de 30 cm de diámetro. Paso II: Distancia entre las anclas de concreto en la zona de rompimiento de oleaje. Para este problema se considerará un SDR de 21 para la zona de rompiente del oleaje y un SDR de 32.5 en aguas mas profundas. Con base a la tabla X puede seleccionarse una tubería de diámetro nominal de 12 pulgadas con diámetro interior de 291 mm y exterior de 324 mm. El peso de esta tubería por unidad de longitud es de 15.07 kg/m. Asimismo, se estima que el volumen externo de la tubería es 0.0824 m3/m. La densidad del concreto es 2,400 kg/ m3 y el peso de esta agua marina es 1,025 kg/m3 Con base a la a la figura 5.10 para un SDR 21, se debe usar una distancia menor a 7.2 m en la parte profunda y una distancia de 2.5 m en la zona de rompiente del oleaje. Entonces los pesos de las anclas de concreto se calcular por la ecuación (2) del texto.

130

CM

PmA WW

WVWSW

/1(8.0

−−

=

( )[ ]

240010251

)/07.15(/0824.0/10255.28.0 33

−

−××=

mkgmmmkgmWA

wA = 242 kg Paso III: Distancia entre las anclas de concreto más allá de la zona de rompiente de oleaje Para esta zona se selecciona una tubería del mismo diámetro, pero con un SDR de 32.5 y un factor de hundimiento de K=1.3. La unidad de peso de la tubería es Wp=9.82 N/m (kg/m). En este punto se podría calcular el peso del ancla de concreto de diferente tamaño o se podría usar el mismo peso del ancla calculado para la zona de rompiente del oleaje, pero con más distancia entre ellos. Para la construcción, usualmente es más práctico usar el peso de ancla de concreto de tamaño estándar que se aplica en este problema. Entonces, reordenando la ecuación:

CM

SPMA WKW

WWKVWSW

/1)(

−−−

=

En donde el espaciamiento S esta determinado por,

)(/1(

spm

CMA

WWKVWWKWW

S−−

−=

Entonces

1.7282.9086.010253.1()2400/10253.11(242−−××

×−=S

S = 3.86 m

Debido a que esta distancia de 3.86 m es menor que la de 5.6 m máxima permitida entre los lastres por la figura 5.10 para un SDR de 32.5 y un diámetro exterior de 324 mm, esta sería apropiada para el emisor submarino más allá de la zona rompiente del oleaje. No existe una técnica única del procedimiento de construcción e instalación, mas bien depende de factores particulares, que pueden agruparse en tres grupos: los inherentes al diseño propio del emisor (longitud, diámetro, materiales de construcción, etc); las características oceanográficas (corrientes marinas, oleaje regular, topografía y geología de la zona; la disponibilidad del terreno en las

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cercanías de la instalación del terreno) y el análisis de costos, operación mantenimiento, armado, etc. Algunas recomendaciones de construcción han sido resumidos por el del Banco Mundial (1983) y Grace (1978). Parte importante de la selección del método de construcción e instalación lo define el tipo de material y el diámetro por utilizar; procedimientos diferentes pueden utilizarse si se trata de un emisor de diámetro pequeño y elaborado con PVC o PEAD, que se trate de una estructura de gran diámetro compuesta de concreto y refuerzo de acero; o bien de una tubería de acero inoxidable. En el capitulo 6 se describen los procesos de construcción e instalación para cinco diferentes emisores. Los costos de emisores submarinos se encuentran resumidos en la gráfica dada por la figura 5.9 y tomada de Salas (2000), en donde se agrupan resultados de varios autores para diferentes condiciones y diversos materiales.

Figura 5.9 Costo unitario de los emisores submarinos. Tomada de Salas (2000)

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6. EJEMPLOS 6.1. EMISOR SUBMARINO DE COYUCA DE BENÍTEZ, GRO. MÉXICO 6.1.1. Antecedentes Dentro del plan de saneamiento de cuerpos de agua en las cercanías de la bahía de Acapulco en México, la CNA tiene programado el estudio de la factibilidad de construcción de diferentes plantas de tratamiento de aguas residuales municipales, de las cuales, algunas utilizarán al mar como cuerpo receptor de sus descargas. En el municipio de Coyuca de Benítez debido al crecimiento acelerado de la población, se planea la construcción de una planta de tratamiento de aguas negras con capacidad para 100 l/s en una primera etapa y 200 l/s en una segunda etapa. El objetivo de este estudio es analizar la opción de descargar las aguas tratadas directamente a mar abierto mediante un emisor submarino en la zona, para lo que se requiere conocer los parámetros de descarga y el desarrollo de la pluma contaminante en el cuerpo receptor y el impacto que ésta tendrá en la playa de la zona conocida como Pie de la Cuesta, ya que es un lugar de crecimiento turístico.

Figura 6.1 Bahía de Acapulco; el circulo encierra la zona de estudio

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Figura 6.2 Ubicación de planta de tratamiento, línea emisora y posibles sitios

de descarga del emisor

Coyuca de Benítez se localiza hacia el poniente del municipio de Acapulco. En esta zona los asentamientos humanos han crecido considerablemente, encontrándose ya varias colonias localizadas a uno y otro lado de la carretera Acapulco-Zihuatanejo, entre la zona de Mozimba y Pie de la Cuesta, por lo que se hace importante contar con un sistema recolector de aguas residuales, una planta de tratamiento y un sistema de vertido al mar de estas aguas. La ubicación de la planta de tratamiento sería en la zona de Pie de la Cuesta (Figura 6.2), desde donde partirá el emisor, siguiendo el trazo de la carretera hacia la playa, y de ésta, a la zona de vertido. 6.1.2. Recopilación y análisis de información En esta etapa se consultaron diferentes fuentes como algunas dependencias de la CNA, la Secretaría de Marina, el Instituto de Geofísica de la Universidad Nacional Autónoma de México, la Dirección General de Puertos, el Ocean Waves Statistics (Inglaterra) y el Atlas del Sea and Swell (USA). Los datos recopilados fueron: Geomorfológicos: batimetría, transporte litoral, topografía, características del suelo y perfil de la costa. Hidrometeorológicos: precipitación, evaporación, escurrimientos, temperatura atmosférica, humedad, vientos locales, vientos huracanados. Oceanográficos: oleaje normal, oleaje huracanado, corrientes, marea astronómica, oxigeno disuelto, temperatura y salinidad.

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6.1.3. Selección de los posibles sitios de descarga Para la selección de los posibles sitios de descarga se realizaron diversas visitas de reconocimiento a la zona. Los recorridos incluyeron puntos principales como donde se planea construir la planta de tratamiento y la zona de playa en el área donde se propone se descarguen las aguas. La zona del proyecto se localiza en el kilómetro 1+180 de la poligonal del colector de la colonia Jardín, trazada sobre la carretera Acapulco-Zihuatanejo. Se detectaron dos zonas posibles para el vertido, que son paralelas a los escurrimientos pluviales, que van desde la carretera hasta la línea de costa y que presentan facilidad de acceso; estas zonas son: Jardín Azteca y Jardín Mangos (Figura 6.2). Se realizó el levantamiento topográfico de los lugares de interés para el trazo del emisor. 6.1.4. Datos de la descarga Las condiciones críticas para el diseño de emisor serían, en lo que respecta a la calidad del agua vertida, para cuando la planta de tratamiento no funcionara con la eficiencia esperada, situación que suele suceder por cuestiones operativas o accidentales; luego entonces, el vertido de aguas crudas sería la situación de máxima concentración. Los datos reportados en cuanto a concentración de coliformes en aguas crudas varían de 106 a 108 por cada 100 ml, por lo que evidentemente, el diseño del sistema emisor se basa en este dato. Otra condición de diseño, es la dirección de los contaminantes. De acuerdo a la fisiografía de la zona, las condiciones críticas se presentarían si la descarga fuese arrastrada hacia la playa en la Barra de Coyuca, es decir, si la dirección de las corrientes empujan los contaminantes hacia esa zona como se muestra en la Figura 6.2. Por otra parte, la Norma Oficial Mexicana (NOM) marca como límites máximos permisibles para descargas de contaminantes en aguas costeras una concentración máxima de coliformes de 1,000 por cada 100 ml de agua, en la zona de descarga. 6.1.5. Análisis de alternativas. Estudio de las diluciones Se analizaron varias tipos de descargas: una descarga superficial, un emisor submarino con una sola boca, una descarga bifurcada y una descarga bifurcada con varios puertos de salida. Para cada una de esta descargas se realizaron varios cálculos de la longitudes y diámetros, además de los estudios de dilución para los cuales se tomó en cuenta las ecuaciones (3.6) y (3.7), lo cual implicaba considerar las ecuaciones (1.2), (1.6) y (1.7) y además tomar en cuenta los valores fijados por las NOM de calidad del agua en zonas costeras, que establecen que la concentración no debe ser mayor de 10 colif/ml. De este proceso las primeras soluciones propuestas fueron descartadas y se optó como diseño óptimo la descarga bifurcada con seis orificios en cada uno de los brazos, como se indica en la Figura 6.3. Esta opción, además de cumplir con los límites de calidad impuestos, presenta ventajas en la operación, mantenimiento y

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manejo de diferentes gastos. En la propuesta se impusieron dos límites en la concentración de colif/ml en la zona de playa a proteger, de 10 y aún más rígida de 2, considerando que la playa de Pie de la Cuesta se convertirá en una zona altamente turística, las concentraciones máximas permitidas en las aguas vertidas serían de 185756 y 37151 colif/ml respectivamente para las dos restricciones impuestas utilizando un sistema difusor, lo que impone que el agua reciba un tratamiento previo para asegurar estos valores.

Figura 6.3 Características del sistema emisor diseñado

El análisis de la dispersión de la pluma fue realizado con el sistema The Cornell Mixing Zone Expert System conocido como CORMIX (Jirka, 1996), de la Environment Protection Agency (EPA, USA), los resultados más importantes se presentan a continuación. Las características del campo cercano se reportan como sigue: concentración y dilución al final del campo cercano de 0.2379% y 840.5, respectivamente; coordenadas de este punto en x = 93.97 m, y = 0 ,es decir en la línea media de la pluma y z = 17.9 m, en la superficie; ancho medio de la pluma en este punto de 15.65 m y espesor de 17.9 m es decir la columna completa de agua. Estos resultados se indican en la Figuras 6.4 y 6.5.

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6.1.6. Ejemplo de diseño del emisor Se realizaron los cálculos de diseño descargando a través de un solo puerto y descarga bifurcada utilizando la ecuación 2.1 bajo la consideración de manejar cada descarga como único puerto. La profundidad requerida para alcanzar el factor de dilución mínimo considerando descarga de 200 l/s por un solo puerto es de 28.79 m lo cual equivale a localizar la descarga 290 m mar adentro desde la línea de costa, lo cual hace esta opción la menos factible. Para una descarga bifurcada se considera el gasto dividido a través de las dos tuberías de descarga y los valores de profundidad requeridos para alcanzar la dilución mínima son más aceptables. Los diámetros propuestos cumplen con los límites de velocidades permitidas en la tuberías. Un resumen del cálculo y datos básicos se muestra en la Tabla 3.1. Por otro lado, la separación mínima entre las descargas de la bifurcación debe ser tal que evite que se fusionen las plumas bajo la superficie y que el factor de dilución pueda considerarse como si fuera el de una sola descarga. se recomienda generalmente una distancia de 2b como separación mínima, b se encuentra definida por la ecuación 2.8 y esquematizada en la figura 6.4. La dilución inicial se analizó para las dos situaciones siguientes: la primera considerando una concentración de 10 colif/ml en la zona a proteger como concentración máxima y la segunda más rígida 2 colif/ml debido a que la Playa de Pie de la Cuesta es altamente turística. Se encontró que la concentración máxima con la que se puede descargar si imponemos una condición de 10 colif/ml en la zona a proteger es de 374540.67 colif/ml; si imponemos la condición más rígida de 2 colif/ml como concentración máxima en la zona a proteger tenemos que la descarga debe de tener 74908.1351 colif/ml como concentración máxima. La dilución total obtenida es menor a la especificada y dado que este valor depende de los factores de dilución S2 y S3 es decir la distancia de la zona a proteger, sería conveniente que la descarga se realizará en una zona más alejada de la Playa. Por otro lado, el sistema sí cumple con las demás restricciones de diseño, pero los valores de concentraciones permitidas en las aguas descargadas son menores que el promedio de las concentraciones de coliformes en aguas crudas (106 colif/ml) lo que requiere que el agua descargada reciba un tratamiento previo antes de su vertido que asegure la concentración máxima permitida y que cumpla con las normas mexicanas establecidas. Para una determinada descarga en el mar, la dispersión mejora mediante el uso de un difusor de bocas múltiples colocado en la salida. Sin el uso de difusores, permaneciendo invariables las otras condiciones, se requieren salidas mucho mas largas en aguas profundas para proporcionar el mismo grado de dilución, dispersión y la consecuente protección costera.

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Tabla 6.1 Resumen del diseño del emisor con descarga bifurcada

DATOS BÁSICOS EMISOR Gasto (m3/s) 0.200 Diámetro (m) 0.305 Área (m2) 0.073 Velocidad (m/s) 2.741 BRAZOS Gasto (m3/s) 0.100 Diámetro (m) 0.203 Área (m2) 0.032 Velocidad (m/s) 3.084 GENERALES Densidad del agua de mar (kg/m3) 1027.7 Densidad de la descarga (kg/m3) 1000.3 Velocidad de la corriente (m/s) 0.15 CÁLCULOS Profundidad de Vertido (m) 20.35 Distancia de la costa para cada descarga (m) 203.50 Ancho de la pluma en la superficie (m) 9.076 Distancia a la zona a proteger (m) 1016.071 REVISIÓN DE CONCENTRACIONES Tiempo de recorrido de la pluma a la zona a proteger (h) 1.882 T90 (h) 1.500 Dilución inicial Sm 150.119 Dilución por dispersión horizontal S2 13.888 Dilución por inactivación bacteriana 17.964 Dilución Total St 37454.07 Concentración en zona a proteger menos rígida Cf (colif/ml) 10 Concentración en zona a proteger más rígida Cf (colif/ml) 2 Conc. máxima en las aguas vertidas con cond. menos rígida Co (colif/ml) 374540.675

Conc. máxima en las aguas vertidas con cond. más rígida Co (colif/ml) 74908.1351

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Figura 6.4 Esquematización del diseño del emisor con descarga bifurcada

La segunda propuesta consiste de un emisor con tubería difusora en forma de Y; el diseño de estos difusores se encuentra bien reglamentado en cuanto a longitudes de la tubería emisora, longitud de los brazos difusores, distancia entre bocas, velocidades máximas y mínimas, etc. A continuación, se presenta un diseño del emisor-difusor con estas características. El cálculo de la dilución inicial se realiza con la ecuación 2.2. A diferencia de las descargas con un solo efluente el ancho de la pluma b en la superficie se considera la distancia según la longitud de los brazos difusores tomando el sentido de la corriente como se define en la ecuación 2.9 para valores de α<30o, siendo α el ángulo que forma el sentido de la corriente con la distancia de la zona a proteger y n el número de boquillas de descarga; la longitud de los brazos difusores esta definida por la ecuación 2.10; los parámetros calculados se muestran en la figura 6.5. El cálculo de los diámetros se realizó cumpliendo con los requerimientos de velocidades mínimas permisibles y las restricciones establecidas para el diseño que se muestran en la tabla 6.2; el diseño final de la tubería emisora y difusor bajo las consideraciones mencionadas se muestra en la misma tabla, la esquematización de este diseño se representa en la figura 6.5. La concentración máxima de coliformes en la descarga imponiendo 10 colif/ml como valor máximo en la zona a proteger, es entonces de 185756.19 colif/ml; si restringimos aún más la concentración máxima en la zona a proteger a 2 colif/ml tenemos que las aguas descargadas deben tener una concentración máxima de 37151.24 colif/ml. Al igual que el diseño anterior la dilución total es menor de 105 por lo que la distancia para el vertido debe incrementarse. Estos valores muestran que el sistema propuesto cumple con las demás restricciones de diseño pero al ser menores que las concentraciones de aguas crudas imponen que el agua sea tratada

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previamente para asegurar que las concentraciones queden dentro de las normas establecidas.

Figura 6.5 Esquematización del diseño del sistema difusor

Es evidente que para el cumplimiento de la norma de límites máximos permisibles de la descarga de contaminantes para ambos casos, implica que el sistema emisor bien puede ser localizado en el sitio planeado (Jardín Mangos) dado que la concentración inicial Co sería de 1000 colif/100 ml o bien de 10 colif/ml; por otra parte, si en la zona de protección se permite una concentración máxima de 2 colif/ml, la dilución total real St será muy superior a la obtenida por la relación Co/Cf=5. El estudio de dispersión. Las condiciones ambientales en el cuerpo receptor están descritas por las características geométricas y dinámicas del cuerpo de agua. Los parámetros geométricos más importantes incluyen plano de vista de planta, secciones transversales verticales y batimetría, especialmente en la vecindad de la descarga. Las características dinámicas están dadas por la velocidad y distribución vertical de densidad en el cuerpo de agua en la vecindad de la descarga. En muchos casos estas condiciones pueden tomarse como estables con pequeñas variaciones debido a que las escalas de tiempo para los procesos de mezclado son generalmente del orden de minutos o quizás una hora. En algunos casos, en flujos notablemente influenciados por la marea, las condiciones ambientales pueden ser altamente transitorias y el supuesto de condiciones estables puede no ser apropiado. En este caso, la dilución efectiva de la pluma de descarga se puede reducir relacionándola bajo condiciones estables.

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Tabla 6.2 Resumen de cálculo del diseño del sistema emisor-difusor DATOS BÁSICOS

Parámetros Emisor Difusor Bocas de salida Qmáx(l/s) 200 100 16.67 Qmín(l/s) 50 25 4.16

Diámetro(m) 0.3048 0.2032 0.0750 Área (m2) 0.0729 0.0324 0.0044

Velocidad p/Qmáx.(m/s) 2.74101 3.08363 3.7733 Velocidad p/Qmín.(m/s) 0.68525 0.77091 0.9463

CÁLCULOS CON Sm=150 Definición Valor

Profundidad de vertido H (m) 17.90 Long. de la tubería emisora LE (m) 180.00

Velocidad de la corriente u (m/s) 0.15 Long. total de los brazos difusores Ld (m) 66.55

No. de brazos difusores N 2 Long. de cada brazo difusor Ld/2 (m) 33.275

No. total de orificios en el difusor n 12 Distancia entre eje de orificios ld (m) 5.966

Ángulo que forma la corriente con la normal del emisor Alfa (o) 10.20 Long. de la proyección de los brazos difusores sobre la

normal a la corriente b (m) 21.48

Distancia de la zona a proteger Lz (m) 1000.00 Longitud real de la trayectoria contaminante Lt (m) 1016.07

REVISIÓN DE CONCENTRACIONES Tiempo invertido para recorrer la distancia Lt t (h) 1.88

Tiempo requerido para conseguir un 90% de muerte aparente de las bacterias

T90 (h) 1.50

Dilución inicial Sm 150.00 Dilución por dispersión horizontal S2 6.89

Dilución por inactivación bacteriana S3 17.96 Dilución total St 18575.62

Conc. en zona a proteger para condición menos rígida Cf (colif/ml) 10.00 Conc. en zona a proteger para condición más rígida Cf (colif/ml) 2.00

Conc. media permitida en las aguas residuales vertidas para condición menos rígida

Co (colif/ml) 185756.19

Conc. media permitida en las aguas residuales vertidas para condición más rígida

Co (colif/ml) 37151.24

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Tabla 6.2 Resumen de cálculo del diseño del sistema emisor-difusor (continuación)

REVISIÓN DE RESTRICCIONES GENERALES Restricción Valor si cumple

Velocidad en el emisor 0,6 ≥VE≥5,0 m/s VE máx= VE mín=

2.74101 0.68525 ok

Velocidad en las bocas de salida 0,6 ≥Vd ≤ 5 m/s

Vdmáx= Vdmín=

3.08363 0.77091 ok

Relación de áreas de bocas y área de emisor n * Ab ≤ 0,75 * AE

n*Ab= 0,75AE=

0.053 0.055 ok

Do ≥ 0.075 m Do= 0.075 ok H ≥ 15 m H= 17.90 ok

Ld ≥ 0,03* LE Ld= 0,03LE=

66.55 5.40 ok

ld ≥ H/3 ld= H/3=

5.966 5.966 ok

Sm ≥ 150 Sm= 150.00 ok

(Cf=Co/St) ≤ 10 Ecoli./1ml Co= Co/St=

185756.19 10.00 ok

Comportamiento de la pluma. La conducta de mezclado de cualquier descarga de aguas residuales esta gobernada por la interacción de las condiciones del ambiente en el cuerpo de agua receptor y por las características de la descarga. Las condiciones ambientales en el cuerpo de agua receptor están descritas por las características geométricas y dinámicas de cuerpo de agua. Entre los parámetros geométricos importantes se incluye vista de planta como la forma de la costa, secciones transversales verticales y batimetría, especialmente en la vecindad de la descarga. Las características dinámicas están dadas por las distribuciones de velocidad y densidad, principalmente cerca de la descarga. En muchos casos estas condiciones se pueden tomar como flujo estable con leves variaciones debido a que las escalas de tiempo en los procesos de mezclado son usualmente del orden de minutos, o alrededor de una hora. En algunos casos el flujo notablemente influenciado por la marea, provoca que las condiciones ambientales sean altamente transitorias y el supuesto de condiciones de flujo estable puede ser inapropiado. En este caso, la dilución efectiva de la pluma descargada se puede reducir con relación a estas condiciones bajo flujo estable. Las condiciones de descarga se relacionan con la geometría y características del flujo de la instalación de la descarga sumergida. Para descarga por un puerto sencillo, la geometría esta dada por el diámetro del puerto, su elevación sobre el fondo y su orientación. Para instalaciones de difusor de bocas múltiples el arreglo de los puertos individuales a lo largo de la línea del difusor, la orientación del difusor y detalles de construcción representan características geométricas adicionales. Las características del flujo están dadas por el gasto del efluente, por su momentum de flujo y por su flotación de flujo. La flotación de flujo representa el efecto de la diferencia de densidad relativa entre la descarga y las condiciones del ambiente en

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combinación con la aceleración gravitacional. Es una medida de la tendencia del flujo efluente a elevarse (flotación positiva) o a descender (flotación negativa). La hidrodinámica de un efluente descargando continuamente en un cuerpo de agua receptor se puede conceptualizar como un proceso de mezclado ocurriendo en dos regiones separadas. En la primera región las características del chorro inicial de momentum de flujo y flotación del flujo e influencia de la geometría de la descarga influyen en la trayectoria y mezclado del chorro. Esta región es conocida como el campo cercano y abarca el flujo del chorro flotante y cualquier interacción con la superficie, fondo o capa terminal. En esta región generalmente se pueden afectar las características de mezclado inicial de la descarga a través de la manipulación adecuada de las variables de diseño. A medida que la pluma viaja más lejos de la fuente, las características de ésta se hacen menos importantes. Las condiciones existentes en el medio ambiente controlarán la trayectoria y dilución de la pluma turbulenta a través del movimiento de flotación-dispersión y difusión pasiva debido a la turbulencia del ambiente. Esta región es conocida como campo lejano. Es de importancia señalar que la diferencia entre el campo cercano y lejano es puramente por procesos hidrodinámicos y no está relacionado a definiciones de zonas de regulación de mezclado. El modelo CORMIX. El sistema CORMIX representa una metodología robusta y versátil computarizada para predecir tanto las características cualitativas (por ejemplo la clasificación del flujo) como los aspectos cuantitativos (por ejemplo relación de dilución, trayectoria de la pluma) de los procesos hidrodinámicos de mezclado, resultantes de las diferentes configuraciones o escenarios de descargas planteados y en una variedad de tipos de ambiente de cuerpos de agua. La metodología ha sido extensamente verificada por los autores a través de la comparación de los resultados de simulaciones con datos de campo y laboratorio disponibles y sobre procesos de mezclado; ha experimentado revisión independiente de cerca en procedimientos y publicaciones para journals y; es igualmente aplicable a un amplio rango de problemas desde una simple descarga por tubería sumergida dentro de una pequeña corriente con un rápido mezclado en la sección transversal hasta la instalación de un complicado difusor multipuerto en aguas costeras profundamente estratificadas. El sistema se divide en tres subsistemas para el modelado: CORMIX1 para la simulación de descargas a través de un puerto único simple sumergido; CORMIX2 para descarga con difusores de bocas múltiples y CORMIX3 para descargas a superficie libre. Por lo tanto para investigar la dispersión de la pluma se realizaron simulaciones con en el sistema CORMIX bajo la consideración de un emisor con descarga sumergida bifurcada y de un emisor con tubería difusora en forma de Y.

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Simulaciones de la descarga con el modelo CORMIX: Descarga sumergida bifurcada Los datos de alimentación del modelo para la descarga a través de una tubería bifurcada se muestran en la tabla 6.3. Los datos de esta descarga se dan bajo las siguientes consideraciones: la concentración total de las dos descargas se establece como la total, es decir la suma de ambas concentraciones y se simula a través de un solo puerto, con lo que se cumple continuidad para las concentraciones; esto se realiza debido a que el sistema CORMIX no cuenta con una configuración de descarga como la diseñada. Las unidades manejadas para la descarga es en porcentaje, es decir, relativas, considerando que la descarga tiene un 200% en concentración (como suma de dos descargas). Según el análisis de CORMIX el flujo resultante de esta configuración, bajo este escenario es del tipo H1 de acuerdo a la clasificación del sistema, es decir corresponde a un efluente tendiente a flotar, descargando horizontal o casi horizontal desde el puerto de salida. La configuración de la descarga es hidrodinámicamente "estable", esto es la fuerza de la descarga (medida por su momentum de flujo, 0.3084 m4/s2) es débil con relación a la profundidad y al efecto estabilizante de la descarga flotante (medida por su flujo de flotación, 0.02615 m4/s3) en el campo cercano. La concentración de la mancha al final del campo cercano localizado a 26.72 m de la descarga en el sentido de la corriente es de 0.9604% y la dilución en este mismo punto es de 208.2, la ubicación en la dirección y del final del campo cercano es a 9.15 m tomando como origen el punto de la descarga y en z es de 20.35 m sobre la superficie. El ancho medio así como el espesor de la pluma al final del campo cercano es de 8.33 m; estos valores se pueden apreciar gráficamente en las figuras 6.6a y 6.6c. La densidad del agua descargada es menor que la densidad del agua del mar por lo que el efluente es POSITIVAMENTE FLOTANTE y tenderá a ascender hacia arriba en la columna de agua y a flotar sobre la superficie una vez que la alcance. La mancha contaminante puede alcanzar la línea de costa casi a los 1550 m de la línea emisora con dilución media de 800.4, con una concentración media de 0.25% con lo que, si tenemos una concentración máxima en la descarga, la concentración en este punto sería de 250000 unidades, esto considerando que la concentración no decae con el tiempo. La simulación se efectúo bajo un escenario esquematizado considerando un sentido de la corriente perpendicular a la línea emisora. Los resultados de la simulación se esquematizan en las láminas 6.6a-f.

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Figura 6.6a Despliegue gráfico de la simulación de la pluma con descarga bifurcada. Vista de planta, campo cercano

Figura 6.6b Despliegue gráfico de la simulación de la pluma con descarga bifurcada. Vista de planta, completa

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Figura 6.6c Despliegue gráfico de la simulación de la pluma con descarga bifurcada. Vista de perfil, campo cercano

Figura 6.6d Despliegue gráfico de la simulación de la pluma con descarga bifurcada. Vista de perfil, completa

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Figura 6.6e Despliegue gráfico de la simulación de la pluma con descarga bifurcada. Curva de concentraciones, campo cercano

Figura 6.6f Despliegue gráfico de la simulación de la pluma con descarga bifurcada. Curva de concentraciones, vista completa

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Tabla 6.3 Datos de alimentación del CORMIX para la simulación con descarga bifurcada

CORMIX- CORNELL MIXING ZONE EXPERT SYSTEM Versión 3.00 - 3.20 Nombre del Sitio: EMISOR1 Fecha: 8/DIC/97 - Caso de Diseño: DESCARGA BIFURCADA2 Preparado por: PEV - Nombre del Archivo: BIFURCA2 (sin/con extensión) DATOS DEL AMBIENTE: Prof. del cuerpo de agua (m): 21 Prof. en la descarga (m): 20.35 flujo permanente: Gasto en la descarga (m3/s): .

ó Velocidad en la descarga (m/s): 0.15

n de Manning: 0.02 Velocidad del viento (m/s): 2 Datos de Densidad: El cuerpo de agua es: dulce/ salado Si es uniforme:

o f de Darcy-Weisbach: 0.0113 Unidades de densidad K/m3/temperatura oC Si es dulce especifique valores dens./temp Densidad/temperatura promedio: 1027.7

DATOS DE LA DESCARGA: DESCARGA SUMERGIDA EN PUERTO SENCILLO - CORMIX1 El banco más cercano está a la derecha/izquierda Ángulo vertical THETA: 0 o Diámetro del puerto (m): 0.2032 Altura del puerto (m): 0.65

Distancia del banco más cercano(m):203.5 Ángulo Horizontal SIGMA: 90 o Área del puerto (m2): 0.0324

Efluente: Gasto (m3/s): 0.1 Densidad del efluente(K/m3):1000.3 Descarga caliente?: si/no Unidad de concentración: porciento(%) Sustancia conservativa?:si/no

o velocidad del efluente(m/s): 3.08 o temperatura del efluente(oC):______ Si si Coef. de pérdida de calor(W/m2,oC): - Concentración del efluente: 200 Si no: coef. de decaimiento: -

DATOS DE LA ZONA DE MEZCLADO: Efluente tóxico: si/no Estándares CA/cont. convencional: si/no Cualquier zona de Mezclado especificada: si/no Región de interés (m): 2100 *CA=Calidad del agua

Si si: CMC: CCC - Si si: valor del estándar: - Si si: distancia(m): o ancho(m): - o área(m2): - Intervalos de despliegue: 20 -

Simulaciones de la descarga con el modelo CORMIX: Descarga sumergida y tubería difusora en forma de Y. La simulación del comportamiento de la pluma considerando la segunda propuesta se realizó de acuerdo al diseño pero bajo la consideración de simular un difusor en línea recta estableciendo la concentración total de los dos brazos, por la misma razón que el caso anterior, debido a que CORMIX2 no cuenta con opciones de simulación para una configuración de difusores en Y. Los datos de alimentación del sistema se listan en la tabla 6.4.

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El análisis arrojado por el sistema muestra un flujo de tipo MU8, según la especificación del sistema CORMIX: un difusor multipuerto unidireccional con alineación predominantemente perpendicular descargando en el medio; para esta configuración el flujo de momentum horizontal neto es cero de modo que se producen corrientes no significativas inducidas por el difusor en el cuerpo de agua; sin embargo, el efecto local del momentum de flujo de la descarga es fuerte en relación a la profundidad y al efecto estabilizante de la flotación de la descarga así que la configuración de la descarga es hidrodinámicamente inestable, esto es, la fuerza de la descarga (medida por su momentum de flujo por unidad de difusor; 0.012645 m3/s2) es muy fuerte con relación a la profundidad y al efecto estabilizante de la flotación de la descarga (medida por su flujo de flotación por unidad de difusor, 0.000876 m3/s3), se desarrolla un rápido mezclado vertical a lo largo de la columna de agua. Al igual que en el caso anterior el efluente es POSITIVAMENTE FLOTANTE y tenderá a ascender hacia la superficie en la columna de agua y a flotar sobre ésta una vez que la alcance. Las características del campo cercano se reportan como sigue: concentración y dilución al final del campo de 0.2379% y 840.5 respectivamente; coordenadas de este punto en x = 93.97 m, y = 0 , z = 17.9 m es decir en la superficie; ancho medio de la pluma en este punto de 15.65 m y espesor de 17.9 m es decir la columna completa de agua. Todos estos resultados se pueden ver gráficamente en las figuras 6.8a-f. La mancha contaminante alcanza la costa aproximadamente a los 1400 m del sitio de la descarga considerando un sentido de la corriente perpendicular a la línea del emisor, en este punto la dilución media es de 1843.9 y una concentración promedio de 0.108% aproximadamente, la simulación se realizó considerando sustancias conservativas lo cual daría, si tuviésemos una descarga de aguas crudas una concentración de 108000 colif/100 ml valor que para concentraciones de coliformes se debe ver afectado por el decaimiento. El análisis de los dos diseños se realizó considerando que la planta de tratamiento dejará temporalmente de trabajar (situación crítica), entonces las aguas residuales descargarían al mar con la máxima concentración, por lo que entonces el sitio de la descarga debería localizarse a una distancia mayor (aproximadamente a 1500 m) de la zona de protección (playa Pie de la Cuesta) de modo que las concentraciones cumplan con la normatividad. Es recomendable estudiar otros sitios de descarga contemplado esta posibilidad. La descarga de aguas residuales al mar está planeado en dos etapas con un gasto de vertido inicial de 100 l/s y una segunda etapa donde se verterán 200 l/s; el diseño de ambos sistemas se revisó para las dos etapas. Se propone elegir el sistema de descarga diseñado con difusores, ya que permite el mantenimiento y manejo de gasto menores, además la dilución inicial es mayor, y la distancia desde la costa para vertido de la última boquilla es menor (aunque no por mucho) que la distancia requerida para la bifurcación. Para el diseño definitivo, es conveniente realizar

149

estudios de campo de detalle como topográficos, batimétricos, de corrientes, geológicos, de mecánica de suelos, de transporte de sedimentos, entre otros.

Tabla 6.4 Datos de alimentación del sistema CORMIX para simulación con difusores

CORMIX- CORNELL MIXING ZONE EXPERT SYSTEM Versión 3.00 - 3.20 Nombre del Sitio: DIFUSOR6 Fecha: 8/DIC/97 -

Caso de Diseño: SIMULACIÓN CON DIFUSOR Preparado por: PEV - Nombre del Archivo: DIFUSOR6 (sin/con extensión)

DATOS DEL AMBIENTE: Prof. del cuerpo de agua (m): 18.5

Prof. en la descarga (m): 17.9 flujo permanente:

Gasto en la descarga (m3/s): .

ó Velocidad en la descarga (m/s): 0.15 n de Manning: 0.02

Velocidad del viento (m/s): 2 Datos de Densidad:

El cuerpo de agua es: dulce/ salado Si es uniforme:

o f de Darcy-Weisbach: 0.0113

Unidades de densidad K/m3/temperatura oC Si es dulce especifique valores dens./temp

Densidad/temperatura promedio: 1027.7 DATOS DE LA DESCARGA:

DESCARGA SUMERGIDA CON DIFUSOR DE MULTIPUERTO - CORMIX2 El banco más cercano

está a la derecha/izquierda Longitud del difusor(m):29.83 Núm. total de aberturas(m): 6 Diámetro del puerto(m): 0.075

Dispersor disposición/tipo: Alineación del ángulo GAMMA: 90 o

Ángulo vertical THETA: 90 o

Distancia al primer puerto del dif.(m): 181.722

al puerto final(m):211.552 Altura del puerto(m): 0.60

con relación de contracción: 1 unidireccional/escalonado/alternante o vertical

Ángulo horizontal SIGMA: 0 o Orientación relativa BETA: 90 o

Efluente: Gasto (m3/s): 0.1 Densidad del efluente(K/m3):1000.3

Descarga caliente?: si/no Unidad de concentración: porciento(%)

Sustancia conservativa?:si/no

o velocidad del efluente(m/s): 3.08 o temperatura del efluente(oC): -

Si si Coef. de pérdida de calor(W/m2,oC): - Concentración del efluente: 200

Si no: coef. de decaimiento: - DATOS DE LA ZONA DE MEZCLADO:

Efluente tóxico: si/no Estándares CA/cont. convencional: si/no

Cualquier zona de Mezclado especificada: si/no

Región de interés (m): 2100

*CA=Calidad del agua

Si si: CMC: CCC - Si si: valor del estándar: -

Si si: distancia(m): o ancho(m): -

o área(m2): - Intervalos de despliegue: 20 -

Por lo que, si se desea el vertido en esta zona, la planta de tratamiento debe de cumplir con las concentraciones máximas fijadas en la tabla 6.4.

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Figura 6.7a Despliegue gráfico de la simulación de la pluma con descarga por

difusores. Vista de planta, campo cercano

Figura 6.7b Despliegue gráfico de la simulación de la pluma con descarga por

difusores. Vista de planta, completa

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Figura 6.7c Despliegue gráfico de la simulación de la pluma con descarga por

difusores. Vista de perfil, campo cercano

Figura 6.7d Despliegue gráfico de la simulación de la pluma con descarga por

difusores. Vista de perfil, completa

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Figura 6.7e Despliegue gráfico de la simulación de la pluma con descarga por

difusores. Curva de concentraciones, campo cercano

Figura 6.7f Despliegue gráfico de la simulación de la pluma con descarga por difusores. Curva de concentraciones, vista completa

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6.1.7. Conclusiones Los estudios de dilución y el análisis de las concentraciones en la zona de interés se cumplieron con el diseño del emisor mostrado en la Figura 6.3. ya que éste tiene una mayor cobertura y se adapta, inclusive, a situaciones fuera de las condiciones normales de operación. Esto es sin duda debido a que posee una mayor dilución inicial. Finalmente, se propone que el sitio ubicado en Jardín Mangos señalado en la Figura 6.2, como el más apropiado para la descarga ya que, por estar más alejado del sitio turístico, disminuye considerablemente los índices de contaminación y, además, las condiciones orográficas lo favorecen. Finalmente se está en espera de su construcción. 6.2. EMISOR SUBMARINO DEL BESÓS, BARCELONA, ESPAÑA. 6.2.1. Antecedentes El emisor submarino de El Besós se localiza en la costa norte del área metropolitana de Barcelona, España, Este, junto con la planta de tratamiento, entro en operación en mayo de 1995. El emisor consiste de una tubería continua de acero recubierto de concreto armado, con una longitud total de 2900 m y un diámetro interior de 2.10 m. En sus últimos 800 m, dispone de 15 difusores por los cuales son vertidas al mar las aguas residuales a profundidades que van de los 40 a 50 m. El emisor fue construido por tramos en tierra, siendo posteriormente arrastrado por el fondo marino hasta su posicionamiento final. Durante el proceso se llevó a cabo un exhaustivo y estricto control en todas las operaciones de fabricación y lanzamiento del emisor. Medios muy singulares de dragado y tiro fueron empleados para excavar la zanja y arrastrar la tubería. La operación de lanzamiento se realizó en sólo 28 días mediante un trabajo continuo, durante día y noche, para poder realizar las operaciones de arrastre, soldadura y colado para la unión de todos los tramos.

154

Fotografía 6.1 Vista aérea de las obras y de la planta de tratamiento. Al fondo,

el litoral de la ciudad de Barcelona El emisor submarino del Besós es una infraestructura del Plan de Saneamiento Metropolitano, cuyo objetivo es verter al mar las aguas residuales después de ser tratadas en la planta del Besós, para que la descarga de agua no produzca un impacto ambiental, mejorándose el vertido anterior realizado mediante un antiguo emisor de 600 metros de longitud. El diseño del emisor cumple las normativas tanto nacionales españolas como las de la Comunidad Europea y permitirá que las aguas tratadas se mezclen con el agua del mar mejorando la calidad del agua de las playas del litoral norte del área metropolitana. La planta de tratamiento del Besós trata las aguas residuales de una carga contaminante equivalente a una población aproximada 1,6 millones de habitantes. 6.2.2. La solución elegida En el diseño del emisor se tomaron en cuenta dos aspectos fundamentales: la obtención de la dilución y dispersión necesaria para cumplir los objetivos de calidad establecidos y las condiciones geomorfológicas que presenta el fondo marino. Para el análisis del fenómeno de dilución y dispersión y determinar la longitud del emisor, fueron utilizados los siguientes modelos: ULINE de la EPA de dilución inicial para la distribución inicial de la pluma.

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TIDEFLOW para la simulación de las condiciones hidrodinámicas generales y locales (vientos, corrientes marinas, densidades, temperaturas) y que consiste de un modelo tridimensional. Se utilizaron dos tipos de mallas:

(a) para el flujo general se cubrió una zona de 80 km paralela a la costa y 30 km en sentido perpendicular. Se dividió esta zona en mallas cuadradas de 1 km de lado, distribuyéndose en 10 capas de 30 m de espesor, llegándose a la profundidad 1000 m. (b) el flujo local se estudió en una zona de 23 km paralelamente a la costa y 6 km en sentido perpendicular, formándose mallas cuadradas de 150 m de lado y divida en 10 capas de 5 m de espesor, llegando a la profundidad de entre la 50 y 100 m.

PLUME RW-3D para la dispersión bacteriana, en base a los campos tridimensionales obtenidos previamente con TIDEFLOW. Estos dos modelos han sido desarrollados por H.R.Wallingford.

Fotografía 6.2 Zona del área Metropolitana de Barcelona a la que presta

servicio el nuevo emisor

Con los resultados obtenidos, se concluyó que la longitud total del emisor debía ser de 2900 m. La zona de difusión se estableció entre los puntos 2100 y 2900 m de la línea de costa, con una profundidad de vertido entre los 40 y 50 m, mediante 15 campanas difusoras, provistas cada una de ellas de 4 bocas dotadas con válvulas anti-retorno, y distantes 60 m una de otra.

156

La decisión sobre el material y el sistema constructivo utilizado estuvo condicionado, fundamentalmente, por las características del fondo marino. Así, la zona de ubicación del emisor corresponde al prodelta del Besós. Ello significa un fondo marino con cierta inestabilidad, formado por capas de depósitos con características y grados de consolidación variables de forma marcada con la profundidad de la capa. Estos materiales fueron estudiados en base a un complejo reconocimiento geofísico y geotécnico de la zona. Con las conclusiones de los estudios y una vez analizadas las alternativas, se diseñó el emisor como una tubería continua -sin juntas- de acero recubierto de concreto reforzado de 2.10 m de diámetro interior. Esta alternativa es la que puede soportar en mejores condiciones las solicitaciones mecánicas derivadas de la inestabilidad del lecho marino, lo que obligó a realizar todo el proceso constructivo en tierra e instalar la tubería en el fondo marino mediante el método de "arrastre por el fondo". El intervalo de caudales de funcionamiento varia entre 3.1 y 12.4 m3/s, por lo que se requirió una estación de bombeo.

Figura. 6.7 Esquema de localización de la planta de tratamiento y el emisor

submarino

Figura. 6.8 Esquema básico del funcionamiento del emisor

157

6.2.3. Proceso de construcción del emisor La estrategia de construcción, condicionada por el método de instalación, se basó fundamentalmente en el diseño de cuatro elementos fundamentales:

•La tubería Fue fabricada en tramos de 9 metros de largo en fábricas especializadas. Consiste en una sección de acero y concreto reforzado con un diámetro interior de 2.10 m.

•Patio de almacenamiento Para el ensamblaje y tiro de la tubería fue necesario habilitar una gran explanada para almacenar los tubos. De esta manera se iban uniendo los tubos para conformar tramos de 117 metros. Finalmente, estos eran desplazados transversalmente mediante un sistema hidráulico sobre vías hasta el lugar de acopio.

•Rampa de lanzamiento. Las vías situadas sobre una rampa de lanzamiento protegida por tablaestacas permitieron introducir los tramos previamente unidos, en el mar, deslizándose por el fondo marino. La tubería fue arrastrada mediante una pontona de tiro situado mar adentro.

•Dragado Embarcaciones especializadas realizaron las operaciones de dragado de la zanja donde fue instalada la tubería.

Fotografía 6.3 La tubería Fotografía 6.4 Patio de almacenamiento

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Fotografía 6.5 La rampa de lanzamiento

Fotografía 6.6 Draga de succión en marcha

6.2.4. Fabricación de la tubería El nuevo emisor fabricado en acero de 19 mm de espesor según la norma europea API 5L. Está recubierta con una capa de 222 mm de concreto reforzado, con armaduras transversales y longitudinales, que actúa como protección y lastre de la estructura. Se ha prestado una especial atención a las características del concreto y a su proceso de fabricación con objeto de asegurar, además de unas buenas condiciones estructurales la máxima impermeabilidad, y por consiguiente, limitar su porosidad. Se consigue así una adecuada protección de la tubería y se garantiza que su peso sumergido sufra las mínimas alteraciones durante el proceso de lanzamiento como consecuencia del agua absorbida por el concreto. Otras medidas para proteger la tubería metálica de la corrosión fueron la aplicación interior de una capa de mortero de 2 cm y una película epoxi de 500 micras de espesor en el exterior. Además las armaduras exteriores se protegieron por medio de resina epoxi adherida por fusión. La tubería fue elaborada en módulos individuales de 9 metros de longitud en fábricas especializadas. En su fabricación le fue aplicado concreto con una disposición vertical para de este modo obtener una mayor densidad y uniformidad del mismo, prescindir del uso de aditivos y asegurar su geometría, siendo este último aspecto esencial para asegurar el éxito durante el proceso de ensamblaje de los tramos durante el tiro.

159

Todo el proceso de fabricación fue sumamente cuidado para garantizar la calidad del producto resultante (la tubería), tanto en lo que se refiere a la resistencia como a la geometría y peso de cada tramo.

Figura. 6.9 Sección de la tubería

Fotografía. 6.7 Fabricación del tubo de acero

Fotografía 6.8 Sección del tubo de acero

160

Fotografía 6.9 Introducción de la armadura

Fotografía 6.10 Colado y curado al

vapor de los tramos

Fotografía. 6.11 Vista general de la nave de fabricación del forro de concreto reforzado

161

6.2.5. Patio de almacenamiento Los tubos con hormigón de 9 m de longitud fueron unidos para conformar tramos de 117 m. Cada tramo, constituido por 13 de estos tubos, pesaba aproximadamente 662 toneladas. Un total de 25 tramos de 117 m, una vez unidos, formaron el emisor. En menos de cinco meses se tuvieron todos los tramos preparados para su instalación. Todas las operaciones de ensamblaje fueron realizadas en tierra. Para ello fue habilitado un parque de acoplamiento y acopio en la zona adyacente a la rampa de lanzamiento. Esta rampa presentaba una inclinación del 4% y se adentraba en el mar a través de una sección protegida mediante tabla estacas. Unidos, en un extremo del parque, los tubos de 9 m formando tramos de 117 m, éstos eran trasladados transversalmente hasta la zona de acopio mediante la acción de siete carretones provistos de sistemas hidráulicos de elevación y traslación interconectados que aseguraban la homogeneidad del movimiento de estos medios de transporte.

Fotografía. 6.12 Terreno destinado al

parque de tubos en las inmediaciones de la planta de tratamiento

Fotografía. 6.13 Llegada de los

tubos procedentes de la fabrica y colocación en el Parque de tubos

162

Fotografía. 6.14 y 6.15 Sistema hidráulico para el desplazamiento de los tramos

6.2.6. Dragado Simultáneamente al ensamblaje de la tubería, se realizaron también las operaciones de dragado de la zanja en la que permanecerá instalada la tubería del emisor. Debido a la inestabilidad del fondo marino del prodelta del Besós, puesta de manifiesto en los diversos estudios realizados, y a fin de asegurar la estabilidad de la zanja desde el momento del dragado hasta el arrastre, se exigió un ancho mínimo de la base de la zanja de 15 metros y taludes máximos de 1/4. La profundidad que fue necesario preciso alcanzar y las estrictas tolerancias en el perfil longitudinal comportaron la utilización de medios especiales. En el mundo existen pocas embarcaciones con capacidad de maniobras para llegar a tales profundidades. El dragado general, excepto en la zona costera, fue llevado a cabo con una draga de succión en marcha capaz de alcanzar profundidades de 55 m. En la zona de aguas someras, y por razón de calado, la zanja se excavó con una draga de succión con cortador. En el cruce con el gaseoducto y debido a las especiales condiciones de seguridad con las se debió trabajar se empleó una draga estática dotada de bombas de succión sumergibles. El dragado en la zona del futuro dique y el relleno de la zanja se realizó con otra draga de succión en marcha.

163

Figura. 6.10 Excavación de la zanja

en el fondo marino mediante dragado

Figura 6.11 Sección de la zanja.

Fotografía 6.16 En primer termino

draga de cortador Fotografía 6.17 Draga de succión en

marcha 6.2.7. Sitios importantes de cruce En el trazo del nuevo emisor submarino existían dos puntos singulares de cruce. Por un lado, el cruce del emisor con la zona en la que, según las previsiones urbanísticas del municipio de Sant Adriá de Besós, se ubicaría el dique de protección de un puerto deportivo. Por ello fue necesario sanear los materiales deltáicos de la zona, hasta los 16 metros de profundidad, y proceder a sustituirlos por otro de tipo arenoso, con unas características geotécnicas capaces de asegurar que los asentamientos derivados del peso del citado dique se mantendrán en unos rangos compatibles con las posibilidades de deformación, sin ocasionar peligro de rotura de la tubería del emisor. Para asegurar esta condición, el material una vez vertido se compactó mediante un proceso de vibro-flotación. Por otro lado, el área definida para la construcción del emisor resultaba afectada por una conducción de gas de 800 mm de diámetro exterior de la empresa Gas Natural, S.A. La presencia de esta conducción -que constituye el cierre, por la línea de costa,

164

del anillo principal del abastecimiento en alta de Barcelona- obligó, dada la imposibilidad de suspender temporalmente el servicio, a llevar a cabo una obra especial de cruce entre aquella y el emisor. La obra consistió en la realización de una estructura en forma de "U" invertida, de 60 m de longitud y 40 toneladas de peso, que fue fondeada sobre la conducción, abrazándola totalmente. La estructura fue anclada al fondo marino con cuatro pilotes de 16 metros de profundidad, destinados a impedir eventuales desplazamientos de la misma. Esta estructura fue retirada una vez instalado el emisor. 6.2.8. Maniobra de tiro y lanzamiento Para colocar la tubería del emisor en la zanja, ésta fue arrastrada por el fondo marino mediante una pontona de tiro con una capacidad de tracción de 600 toneladas y fijada al fondo marino con cuatro anclas. Para facilitar y soportar esa operación, fue acoplado un cabezal de tiro, fabricado en acero, al tubo correspondiente al extremo final del emisor. Para el lanzamiento, los tramos de 117 m fueron trasladados mediante siete carretones hidráulicos, hasta la rampa de lanzamiento, donde eran sometidos a la operación de tiro, asentados sobre unos carretones de arrastre colocados sobre vías. Cada tramo era unido al ya lanzado con las correspondientes operaciones de ensamblaje de la tubería, realizándose la soldadura de los cilindros de acero y todas las operaciones de aplicación del concreto, hasta dar lugar a una nueva unión sin juntas. La duración de este ciclo de tiro y ensamblaje fue de 24 horas, lo que significa que la colocación del emisor avanzaba cada día una longitud de 117 m. Con objeto de facilitar el trabajo de lanzamiento, el dimensionado y la construcción de la tubería fue realizado de forma que el peso efectivo de la misma, sumergida y vacía, fuera de 150 kg/m lineal, en lugar de los 5600 kg/m lineal de peso bruto. La estanqueidad de la tubería se logró por medio de la colocación de unas tapas provisionales temporales que obturaron los huecos de las bases de los difusores hasta finalizar la operación de tiro.

Figura. 6.13 Esquema del lanzamiento

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Fotografía 6.18 Cabezal de tiro Fotografía 6.19 Rampa de lanzamiento

protegida con tablaestacas

Figura 6.14 Esquema de la maniobra de tiro

6.2.9. Operaciones finales Una vez concluida la operación de tiro y el emisor fue colocado en la zanja, se procedió a llenar la tubería con agua mediante la apertura de unas válvulas situadas en el extremo del emisor y se retiraron las tapas provisionales de los difusores. A continuación fueron insertadas las 15 campanas difusoras, de concreto reforzado, provistas cada una de ellas de 4 bocas con válvulas de no retorno, en sus bases correspondientes. Una vez colocados los difusores, se llevó a cabo el relleno de la zanja con arena para estabilizar y proteger el emisor. Las últimas operaciones consistieron en señalizar el extremo del emisor con una boya luminosa, efectuar la conexión del emisor submarino con la estación de bombeo y la planta depuradora, e instalar un sistema de protección catódica con el que se podrá monitorear el grado de protección de la tubería frente a la corrosión.

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Fotografía 6.20 Base de los

difusores Fotografía 6.21 Campanas difusoras

Figura 6.15 Relleno de la zanja con arena y colocación de los difusores

6.2.10. Estación de bombeo Los caudales de funcionamiento del emisor se varían entre 3.1 y 12.4 m3/s que corresponden con los caudales mínimo y máximo, respectivamente, previstos en la planta de tratamiento. Si bien el nuevo emisor permite un vertido por gravedad de un caudal de hasta 4.5 m3/s, para poder evacuar caudales superiores, es preciso impulsar las aguas, razón por la cual fue diseñada y construida una gran estación de bombeo. El funcionamiento de la estación es a base de 6 bombas sumergibles de flujo axial, con una potencia instalada de 2360 kW.

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6.3. EMISOR DEL BAIX LLOBREGAT, BARCELONA, ESPAÑA 6.3.1. Datos generales El emisor del Baix Llobregat se localiza al sur de Barcelona, España. La construcción de la planta de tratamiento y el emisor se inició durante el año 2001. Actualmente, el emisor ha sido totalmente colocado y solo queda pendiente la terminación de la planta de tratamiento (finales del año 2002. La construcción de las obras se consideran instalaciones importantes para el saneamiento del último tramo del río Llobregat y la mejora de las playas comprendidas entre el puerto de Barcelona y el macizo del Garraf (Fig. 1). La planta dará servicio a más de dos millones de habitantes. Los aspectos básicos considerados para el diseño del emisor fueron los siguientes: 1. Caudales: Caudal máximo = 14.58 m3/s Caudal medio = 4.86 m3/s 2. Parámetros microbiológicos a la salida de la planta de tratamiento: Coliformes totales 5 × 106 por cada 100 ml Coliformes fecales105-106 por cada 100 ml Estreptococos fecales 105 por cada 100 ml 3. Características del fondo marino 4. Características del medio litoral 5. Clima marítimo, dinámica y transporte litoral 6. Modelos de dilución-difusión 7. Análisis de alternativas Alternativas de del punto de vertido. Alternativas de trazo Alternativas de diseño y construcción 6.3.2. Descripción de las obras El emisor consiste de una tubería de concreto con camisa de acero de 2.4 m de diámetro interior, 3.0 m de diámetro exterior y 3745 m de longitud total, de los cuales 3200 m corresponden al tramo marino, dentro de los cuales se incluye una zona de difusores de 600 m de longitud entre las batimetría 45 y 60 m. Dicha zona de difusión

168

está compuesta por 13 difusores de cuatro bocas separadas entre si 50 m y está diseñado para desaguar hasta 15 m3/s. 6.3.3. Principales características del emisor Tubo de acero de 17 mm de espesor y 2.40 m de diámetro = 3745 ml Revestimiento epoxico (min. 0.4 mm) = 26940 m2 Revestimiento externo de polietileno (min. 3 mm) = 27321 m2 Concreto H35/B/20/IIIb SR = 12825 m3 Acero para refuerzo = 1,100,000 kg Escollera para formación de diques de protección = 16,660 m3 Dragado = 348,391 m3 Entibación mediante tablestacas.= 12,240 m2

Figura 6.16 Localización de la planta de tratamiento y del emisor del Baix

Llobregat, España

169

Figura 6.17 Perfil longitudinal del emisor del Baix Llobregat

Fotografía 6.22 Almacenamiento de la tubería del emisor submarino. Los tubos fueron unidos (16) para formar tramos de 144 m de longitud. En esta área,

posterior a la instalación del tubo del emisor, se construye la planta de tratamiento

170

Fotografía 6.23 Excavación de la zanja para colocar el tubo del emisor. El canal es de aproximadamente 500 m de longitud

Fotografía 6.24 Cabeza de tiro del tubo del emisor. En la parte superior del tubo

se observa uno de los difusores

171

Fotografía 6.25 Pontona ubicada frente al canal para iniciar el tiro del emisor

Figura 6.18 Simulación numérica de la pluma de la descarga del emisor

submarino de El Besós y del Baix Llobregat

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6.4. EMISOR DE SAN DIEGO, CALIFORNIA 6.4.1. Datos generales La ciudad de San Diego, California cuenta con un emisor submarino localizado en Punta Loma y el cual fue construido en 1963 para descargar las aguas residuales de las plantas de tratamiento. En 1993, el emisor fue extendido a la longitud que actualmente presenta y que es de 7.2 km de distancia de la costa de Punta Loma. El tubo del emisor es de concreto y tiene un diámetro de 3.65 m (12 pies) y descarga por gravedad a una profundidad de 97 m en donde se divide en forma de Y hacia los difusores para hacer mas eficiente la dispersión del efluente. El emisor submarino de Punta es uno de los mas largos y mas profundos en el mundo. Aproximadamente descarga 719 mil m3/día de agua residual provenientes de la planta de tratamiento de Punta Loma. El área de Punta Loma, donde inicia el emisor submarino, es caracterizada por acantilados y playa rocosa. La tubería principal del emisor yace sobre el lecho marino y este ha sido recubierto para protegerlo y evitar daños la mencionada tubería. Asimismo, con el propósito de solucionar la contaminación costera entre México y Estados Unidos debido a las descargas de aguas residuales del Río Tijuana, se inició la construcción de la planta de tratamiento binacional y del emisor submarino en la Bahía Sur (South Bay) de San Diego. La morfología del área de ubicación del emisor es caracterizada por playas de tipo arenoso. El lecho marino presenta una pendiente suave con material aparentemente no consolidado. De acuerdo a estudios previos, los procesos costeros (transporte de sedimentos) en esta área son mas dinámicos y se estableció que el ubicar el emisor sobre el lecho marino modificaría la dinámica costera y por lo tanto el balance en el transporte de sedimentos. Con el propósito de evitar el modificar la dinámica costera, y consecuentemente problemas de erosión y azolve, se diseño un emisor subterráneo. El emisor se inicia en la costa con una túnel vertical de 58 m para después extenderse 5.8 km hacia el océano mediante un túnel horizontal. Al final, del túnel horizontal, el emisor se continua mediante un túnel vertical que llega hasta el fondo marino. A partir de ahí el tubo se continua sobre el lecho marino otros 1.4 km terminando con un difusor en forma de Y. El tubo se encuentra recubierto con material rocoso para protegerlo del oleaje y del anclaje de barcos. La distancia de la línea de costa a los difusores es de 5.6 km y estos están a una profundidad de 30 m de profundidad. Se espera que el emisor entre en operación a principios de 2002 y podrá descargar 1.26 millones de m3/día. Las características más importantes de los emisores se resumen en la siguiente tabla

Emisores San Diego Longitud (km) Diámetro (m) Profundidad (m)

Punta Loma 7.2 3.65 97

Bahía Sur 5.8 3.05 30

173

Figura 6.19 Mapa de localización de los emisores submarinos de Punta Loma y

Bahía Sur de San Diego

Fotografía 6.25 Vista parcial de la planta de tratamiento del emisor submarino

de Punta Loma

174

Fotografía 6.26 Tubo de salida de la planta de Punta Loma para llevar las aguas al emisor submarino

Fotografía 6.27 Características del tubo de concreto utilizado para el emisor de Punta Loma. El tubo fue recubierto con rocas para protegerlo del arrastre de

barcos

175

Figura 6.20 Diagrama esquemático del emisor submarino de la Bahía Sur de

San Diego 6.5. EMISOR DE NIZA La ciudad de Niza está ligada a un programa para proteger permanentemente al máximo su medio ambiente. Las aguas residuales que se generan en la ciudad son tratadas en el complejo HALIOTIS el cual contiene una unidad de pretratamiento, una estación de depuración y un emisor submarino; todo ello en una área de 3.5 ha. El complejo recibe una carga nominal proveniente de 650 000 habitantes y tiene una capacidad de tratamiento de 4 m3/s. Trata en promedio un volumen de 50 millones de m3/año y genera 36 000 ton/año de lodos y 2000 ton/año de otros desechos. A la llegada a este sitio las aguas a tratar transportan cada día una carga nominal:

•Desechos sólidos de tamaño pequeño •46 toneladas de contaminación de materia en suspensión (MES), presentes

en el agua en forma mineral u orgánica, mas o menos decantables •37 ton de contaminación en demanda bioquímica de oxigeno (DBO) •79 ton de contaminación en demanda química de oxígeno (DCO)

La DBO y la DCO representan las cantidades de oxígeno necesario para asegurar la oxidación de la materia orgánica biodegradables o no, presentes en el agua utilizada.

176

De hecho estos últimos valores representan lo que el medio natural debería de proveer en oxígeno para asegurar la degradación total de la contaminación carbonada

Fotografía 6.28 Vista de la ciudad de Niza; en primer plano aparece la plata de tratamiento que colinda con el aeropuerto

Cuando existe un afluente de materia orgánica en el mar, la auto depuración consume todo o parte del oxígeno presente en el agua con, el consecuente depósito de materia orgánica y la degradación del medio viviente. El objetivo del tratamiento es entonces eliminar parte de esta contaminación y preservar a largo plazo la ecología del medio marino. El nivel de tratamiento deben de asegurar concentraciones del efluente inferiores a:

•30 mg/l de MES •30 mg/l de DBO a 5 días •90 mg/l de DCO

Para lograr esto, el complejo HALIOTS trata tres grandes fases de tratamiento: aguas, grasas y lodos. Con respecto al tratamiento de las aguas se contempla el tratamiento físico, que a su vez incluye un pretratamiento, un tamizado y una decantación; y el tratamiento biológico, que incluye a su vez un relevamiento intermediario y producción de aire, una aeración y recirculación de lodos. Después de este tratamiento y con los niveles permitidos, se vierten las aguas al mar a través del emisor submarino, como se indica en la Figura 6.19.

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Figura 6.20 Disposición de la planta de tratamiento y del emisor submarino Las aguas tratadas en la planta son vertidas al mar al sur del aeropuerto y a 100 m de profundidad en una zona donde las corrientes son paralelas a la costa. El emisor entró en funcionamiento en 1982 y comprende tres obras principalmente:

•Una estación de bombeo equipada de seis grupos de bombas conectadas con un tanque de almacenamiento de una capacidad instalada de 3600 m3

Fotografía 6.29 Tendido del emisor submarino en mar y estación de bombeo

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Fotografía 6.30 Aspecto a la salida del emisor submarino

Una línea de conducción de 1.6 m de diámetro y una longitud de 1800 m. Esta línea atraviesa el aeropuerto (Figura 6.19). Una conducción submarina de 1.60 m de diámetro y una longitud de 1200 m. El emisor tiene una descarga única, es decir, no dispone de difusores, el gasto medio diario que pasa por el emisor es de 130 000 m3/día con un gasto instantáneo de 2.8 m3/s.

Fotografía 6.31 Las aguas en las playas de Niza y sus actividades turísticas

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APENDICE A

ABREVIATURAS CICESE CNA EPA IMTA INEGI NOM SMN UNAM

Centro de Investigación científica y de Educación Superior de Ensenada Comisión Nacional del Agua Agencia de Protección al Ambiente Instituto Mexicano de Tecnología del Agua Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática Norma Oficial Mexicana Servicio Meteorológico Nacional Universidad Nacional Autónoma de México

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APENDICE B

GLOSARIO DE TÉRMINOS ADCP: (“Acoustic Doppler Current Profiler”) Instrumento que sirve para medir la velocidad de las corrientes, que obtienen un perfil de la columna de aguas en cada intervalo de muestreo. Esta medición se realiza por medio del Efecto Doppler (Efecto Doppler = Corrimiento en la Frecuencia de una señal, al ser recibida, cuando el receptor y el emisor experimentan algún movimiento relativo). Se instala en el caso de un barco. De una lancha o se fija en una posición a cierta profundidad mediante un anclaje. Advección: Es el proceso mediante el cual son transportadas las propiedades inherentes a un fluido en movimiento. Como calor o concentración de sal en el océano, o contenido de humedad en la atmósfera. Aunque en las Ecuaciones de movimiento, la advección puede ser en las tres direcciones, en general se usa el término de advección para movimientos horizontales, mientras que los movimientos verticales se asocian al término “Convección”, (en Oceanografía y Meteorología). Batimetría: Puede referirse a la configuración del suelo marino o a un mapa en donde este delineado el perfil del fondo de un cuerpo de agua, por medio de contornos de igual profundidad (isóbatas). Boyas de deriva: Instrumento que sirve para realizar mediciones lagrangeanas de la corriente. Consta de un cuerpo de arrastre que se coloca a la profundidad deseada, y que puede ser un paracaídas, una cruceta, o una bolsa llena de agua, etc. Que va atada a una boya superficial equipada con aditamentos que permitan seguir la trayectoria del instrumento. Este seguimiento se puede hacer por medio de localización visual. Radio telemétrica, radar o por satélite (véase lagrangeano) Circulación termohalina: Circulación de las masas de aguas oceánica, inducida por la diferencia de sus densidades. Estas diferencias son provocadas principalmente por efecto combinados de la temperatura y su salinidad; estos parámetros se alteran por procesos de mezcla o por procesos termodinámicos cuando estas masas de agua se encuentran en contacto con la superficie del océano. (véase masas de agua) Componentes de marea: Se llama así a cada uno de los armónicos presentes en la variación del nivel del mar debida a la marea (véase marea). e.g. el armónico llamado (M2) que es producido por la atracción de la luna y tiene un período de 12.42 hs. Crucero: Expedición de trabajo que se lleva a cabo en una embarcación para realizar mediciones oceanográficas. Coriolis (Fuerza de): Es una fuerza que actúa sobre una partícula en movimiento en un sistema que se encuentra en rotación. Esta fuerza ocasiona una desviación de la

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partícula, hacia la derecha de la dirección del movimiento en el hemisferio norte y a la izquierda en el hemisferio sur; la fuerza es proporcional a la velocidad de la partícula y al seno de la latitud geográfica. Corriente de deriva: Se llama así a una corriente superficial generalmente amplia y lenta, impulsada principalmente por el viento, por ejemplo, la corriente de deriva Circumpolar Antártica. También se designa así a las corrientes cercanas a la superficie medidas con métodos lagrangeanos. Esta nomenclatura proviene de las observaciones de la desviación o deriva de los barcos con respecto a su ruta de navegación por efecto de las corrientes superficiales. Corrientes residuales: Comúnmente, este termino se usa para conceptuar las corrientes que resultan después de filtrar los efectos de la marea astronómica en los datos de una localidad dada. Este término también se utiliza para referirse a las corrientes producidas por el viento o, algunas veces, para el flujo promedio después de eliminar la parte armónica de una serie de tiempo. CTD: Instrumento oceanográfico para obtener un perfil de la temperatura y la conductividad con la profundidad. Con estos datos se pueden generar las características T-S (Temperatura salinidad) de la columna de agua. Este instrumento se puede bajar al agua desde un barco con cable en cuyo núcleo contenga conectores eléctricos y por lo tanto recibir. Observar y almacenar los datos en tiempo real. También existen C.T.D. que funcionan en forma autónoma. De tal manera que se realiza el lance y después se recuperan los datos. Las siglas CTD provienen del ingles Conductivity. Temperature, Deph. Dispersión: 1.- Separación de un grupo o paquete de ondas en sus diferentes componentes debida a las diferentes velocidades de propagación. De cada una de ellas. 2.- es una medida de la separación de las partículas (en suspensión) en un fluido en un tiempo dado. Por ejemplo, un contaminante vertido al mar o la distribución de huevos y larvas después de cierto tiempo de haber sido liberados. Estratificación: condición del fluido que implica la existencia de dos o más capas horizontales arregladas según su densidad, de tal manera que las capas menos densas están sobre las más densas. Estructuras termohalina: es un cuerpo de agua. La estructura termohalina está dada por los valores de temperatura y salinidad para cada elemento del fluido. La estructura termohalina contiene la información sobre la distribución de densidades en el fluido y, por lo tanto, la conformación del campo de masa. Eulereana, descripción: Descripción de las características de un fluido en movimiento a partir de lo que ocurre en un punto fijo conforme pasa el tiempo. Para medir un campo de velocidades se realizarían observaciones directas de velocidad y direcciones con correntímetros en diferentes puntos y se analizaría la variación de la corriente en cada punto a través del tiempo.

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Forzamiento: Se refiere a cualquier fuerza que aplicada sobre el fluido provoca alguna reacción. Por ejemplo, el viento que sopla sobre la superficie del mar es un forzamiento que induce algún tipo de movimientos en el fluido. Gran escala: (escala oceánica). Se refiere a las dimensiones de movimientos oceanográficos que abarcan extensiones desde varios ciertos de kilómetros, hasta todo el océano. Haloclina: Capa del océano caracterizada por un fuerte gradiente de la salinidad con la profundidad. Hidrografía: Disciplina que se ocupa de las mediciones y la descripción de las características físicas de los océanos, mares lagos, ríos y las zonas costeras adyacentes a ellos. Isóbatas: Una línea o superficie que conecta todos los puntos de profundidad constante sobre una gráfica en el espacio o en el tiempo. Isopicna: Línea o superficie que une todos los puntos de densidad constante sobre una grafica en el espacio o en el tiempo. Isoterma: Una línea o superficie que conecta en una gráfica todos los puntos de igual valor de la temperatura. Ya sea en el tiempo o en el espacio. Lagrangeana, descripción: La que se hace de las propiedades de un fluido a partir de considerar la historia o trayectoria individual de cada partícula. Por ejemplo la descripción de corrientes medidas con cuerpos de deriva. Lance hidrográfico: Se aplica al conjunto de mediciones oceanográficas realizadas durante el tiempo de bajada y subida de instrumentos de muestreo en un punto geográfico. Este muestreo se complementa con una serie de parámetros como: posición, Profundidad, estado del mar. Datos meteorológicos. Masas de agua: Un volumen de agua usualmente identificado por valores típicos de temperatura y salinidad que le son característicos y que permiten distinguirlo de las aguas circundantes. Su formación ocurre en al interfaz con la atmósfera y por la mezcla de dos o más tipos de agua. Marea: E s la variación periódica del nivel del mar debida al movimiento relativo y a la atracción gravitacional entre el sol, la luna y la tierra. Esta variación del nivel del mar se propaga como una onda a través de las cuencas oceánicas. Marea astronómica: Es la marea provocada por la atracción del sol y la luna diferenciándola de los movimientos del nivel del mar que tiene otros orígenes, por ejemplo, el acarreo del esfuerzo del viento o las variaciones de la presión atmosférica.

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Marea diurna: Es la marea que se da en una región donde prácticamente sólo existen una pleamar y una bajamar durante un período de 24 horas. También se puede referir a las frecuencias diurnas presentes en una señal de marea. Marea mixta: Se dice que existen una marea mixta en una región cuando coexisten, alternándose, el período diurno y el semidiurno con amplitudes del mismo orden de magnitud. Una forma de clasificar las marea es calculando “la razón de forma”, la

cual se obtiene entre las diurnas y semidiurnas más importantes, )(

)(

22

11

SMOkF

++

= de

donde si ≤ F ≤ 0.25, se clasifica como marea semidiurna. Si 0.25 < F ≤ 1.5, entonces se clasifica como marea mixta con predominancia semidiurna. Si 1.5 < F ≤ 3.0, la marea se clasifica como mixta con predominancia diurna. Si F>3.0, la marea es diurna. Marea Semidiurna: Es la variación del nivel del mar provocada por la marea en un lugar que produce dos pleamares y dos bajamares en un período aproximado de 24 horas. Mesoescala: Se refiere a la extensión geográfica de fenómenos marinos, la cual va de decenas hasta cientos de kilómetros. Picnoclina: Es la capa del océano donde existe el gradiente más fuerte de densidad. La mayoría de las veces coincide con la termoclina y, como ésta, tiene gran variación estacional en latitudes medias y casi nula en latitudes altas. Salinidad-ups: (véase ups). Sigma-t (σt): Representa en forma abreviada el valor de la densidad de una muestra de agua de mar en función de su temperatura y salinidad in situ a presión constante e igual a cero σt =(p(s,t,0)-1) *103. convierte un número como 1.02635 en 26.35, que es más fácil de usar. Termoclina: Capa que presenta un cambio abrupto de temperatura con la profundidad. En los océanos se pueden encontrar termoclinas temporales, las cuales tienen una variación estacionaria (anual) y termoclinas permanentes. Turbulencia: Estado del flujo en el cual las velocidades instantáneas muestran fluctuaciones irregulares, caóticas e impredecibles tanto en el tiempo como en el espacio; así que en la práctica sólo sus propiedades estadísticas pueden ser analizadas. UPS: Abreviatura de unidades prácticas de salinidad. Unidades de una nueva definición de salinidad (UNESCO 1978) basada en la razón entre la conductividad eléctrica de la muestra y una muestra estándar. Se conoce como unidades prácticas porque fueron definidas de tal manera que la nueva escala coincida con la antigua de partes por mil (ppm). La salinidad en UPS es adimensional (UNESCO, 1985).