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CORPORACIN AUTONOMA REGIONAL DEL VALLE DEL CAUCACARACTERIZACIN Y MODELACIN MATEMTICA DEL RO CAUCA -PMC- FASE IIConvenio Interadministrativo 0168 de Noviembre 27 de 2002

CALIBRACIN Y APLICACIONES DEL MODELO DE CALIDAD DEL AGUA DEL RO CAUCA

VOLUMEN VIIIUNIVERSIDAD DEL VALLE FACULTAD DE INGENIERAESCUELA DE INGENIERA DE RECURSOS NATURALES Y DEL AMBIENTE Santiago de Cali, Agosto de 2004

EIDENAR

CORPORACION AUTONOMA REGIONAL DEL VALLE DEL CAUCA SUBDIRECCION DE CONOCIMIENTO AMBIENTAL TERRITORIAL

Convenio Interadministrativo 0168 de Noviembre 27 de 2002 entre la CVC y la Universidad del Valle

PROYECTO DE MODELACION DEL RIO CAUCA PMC FASE II

CALIBRACIN Y APLICACIONES DEL MODELO DE CALIDAD DEL AGUA DEL RO CAUCA

VOLUMEN VIII

UNIVERSIDAD DEL VALLE FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA DE RECURSOS NATURALES Y DEL AMBIENTE

Santiago de Cali, Agosto de 2004

El presente documento fue realizado en desarrollo del Proyecto de Modelacin Matemtica del Ro Cauca, Proyecto PMC Fase II, dentro del Convenio Interadministrativo 0168 de Noviembre 27 de 2002 suscrito entre la Corporacin Autnoma Regional del Valle del Cauca CVC y la Universidad del Valle. Este informe fue elaborado por la Escuela de Ingeniera de Recursos Naturales y del Ambiente de la Facultad de Ingeniera de la Universidad del Valle. Participaron en el desarrollo del informe los siguientes profesionales: Ing. Carlos Alberto Ramrez Ing. Jos Luis Garca Vlez Ing. Alberto Galvis Castao Ing. Carlos Vlez Quintero Ing. Javier Ernesto Holgun Ing. Diana Amparo Cardona Andrs Felipe Barrientos Diana Alexandra Zambrano Director del Proyecto Subdirector del ProyectoCoordinador Grupo de Modelacin de Calidad del Agua

Ingeniero del Proyecto Ingeniero del Proyecto Ingeniera Auxiliar Estudiante de Estadstica Estudiante de Ingeniera Sanitaria

Debe destacarse la colaboracin de los profesionales y tcnicos de la CVC quienes participaron desde la fase inicial del Proyecto, mediante la concepcin de procedimientos, el suministro de informacin, la nivelacin geomtrica de puntos y la revisin de informes. El Comit de Seguimiento de CVC estuvo integrado principalmente por:

Ing. Maria Clemencia Sandoval Ing. Jos Antonio Sierra Ing. Freide Guzmn Ing. Carlos Humberto Duque Ing. Jos Alberto Riascos Ing. Amparo Duque Ing. Luisa Baena Ing. Ricardo Bocanegra

Coordinadora General Asesor Tcnico Asesor Tcnico Asesor Tcnico Asesor Tcnico Asesor Tcnico Asesor Tcnico Ingeniero Interventor - SINA S.A.

VOLUMEN VIII

Calibracin del Modelo de Calidad del agua del Ro Cauca

Tabla de Contenido

TABLA DE CONTENIDO Pg. 1 2 3 INTRODUCCIN ANTECEDENTES ASPECTOS CONCEPTUALES SOBRE LA OPTIMIZACIN DE MODELOS DE CALIDAD DEL AGUA 3.1 Informacin Usada para la Calibracin y Verificacin de Modelos de Calidad del Agua 3.2 Representacin de los Procesos que Describen el Sistema 3.3 Proceso de Calibracin de los Modelos de Simulacin DESCRIPCIN DEL RO CAUCA Y SUS TRIBUTARIOS 4.1 Generalidades 4.2 Caractersticas Hidrulicas y Morfolgicas del Ro Cauca en su Valle Geogrfico 4.3 Caractersticas Climatolgicas del Ro Cauca en su Valle Geogrfico 4.4 Caracterizacin de la Calidad del Agua del Ro Cauca 4.4.1 Ro Cauca 4.4.2 Ros Tributarios 4.4.3 Sectores Productivos y Descargas Municipales METODOLOGA PARA LA OPTIMIZACIN DEL MODELO DE CALIDAD DEL AGUA Y SUS APLICACIONES 5.1 Aspectos Generales 5.2 Implementacin del Modelo de Calidad del Agua 5.3 Construccin de las Bases de Datos 5.4 Calibracin del Modelo de Calidad del Agua 5.5 Verificacin del Modelo de Calidad del Agua 5.6 Aplicaciones del Modelo de Calidad del Agua MODELACIN DE LA CALIDAD DEL AGUA 6.1 Esquematizacin del Ro Cauca y sus Tributarios 6.2 Anlisis de Sensibilidad de Primer Orden 6.3 Base de Datos para la Calibracin del Modelo 6.4 Resultados de la Calibracin del Modelo de Calidad del Agua del Ro Cauca 6.4.1 Configuracin del Modelo MIKE 11 6.4.2 Series de Caudales 6.4.3 Calibracin del Modelo de Calidad del agua 6.4.4 Anlisis de Incertidumbre 6.5 Verificacin del Modelo de Calidad del Agua 1.1 2.1 3.1 3.1 3.2 3.3 4.1 4.1 4.4 4.4 4.4 4.5 4.8 4.12 5.1 5.1 5.1 5.2 5.3 5.6 5.6 6.1 6.1 6.3 6.10 6.18 6.18 6.19 6.20 6.30 6.32

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Tabla de Contenido

TABLA DE CONTENIDO (Cont.) Pg. 7 APLICACIONES DEL MODELO DE CALIDAD DEL AGUA DEL RO CAUCA 7.1 Consideraciones Iniciales para la Definicin de Escenarios 7.1.1 Normas Legales Vigentes y Planes de Manejo de Aguas Residuales 7.1.2 Estado Actual de los Sistemas de Tratamiento de Aguas Residuales 7.2 Construccin del Ao Base o Condicin Inicial 7.3 Proyeccin de las Cargas Vertidas a la Cuenca del Ro Cauca 7.3.1 Proyeccin de las Cargas de DBO5 Vertidas por los Municipios 7.3.2 Proyeccin de las Cargas Vertidas por la Industria 7.4 Construccin de los Escenarios 7.4.1 Escenario 1 y 2 7.4.2 Otros Escenarios para los Aos 2010 y 2015 7.5 Construccin de las Bases de Datos de las Aplicaciones 7.6 Presentacin y Anlisis de Resultados de las Aplicaciones 7.6.1 Escenarios 1 y 2 7.6.2 Escenarios 3 y 4 7.6.3 Escenarios 5 y 6 7.6.4 Escenarios 7 y 8 7.6.5 Escenarios 9 y 10 7.6.6 Escenarios 11 y 12 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 8.1 Conclusiones 8.2 Recomendaciones 7.1 7.1 7.1 7.5 7.9 7.13 7.13 7.15 7.16 7.16 7.17 7.20 7.21 7.24 7.27 7.29 7.31 7.33 7.35 8.37 8.37 8.39

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BIBLIOGRAFA LISTA DE FIGURAS LISTA DE CUADROS

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Tabla de Contenido

TABLA DE CONTENIDO (Cont.) Pg. ANEXOS 1 2 Grficos de Anlisis de Sensibilidad del Modelo de Calidad del Agua Clculo del valor del Efecto Relativo en los tres tramos principales del Ro Cauca Lista Preliminar de los Municipios Prioritarios para la Construccin de Sistemas de Tratamiento de Aguas Residuales Segn el Plan de Manejo de Aguas Residuales (PMAR) Proyeccin de la Carga Orgnica Vertida a la Cuenca del Ro Cauca en el Tramo La Balsa La Virginia por los Municipios Proyeccin de la Carga Orgnica Vertida a la Cuenca del Ro Cauca en el Tramo La Balsa - La Virginia por el Sector Industrial Valores Mximos y Mnimos de las Concentraciones de OD y DBO5 a lo Largo del Ro Cauca Durante los Periodos de Simulacin de los Diferentes Escenarios Evaluados. Tramo La Balsa La Virginia

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Lista de Cuadros

LISTA DE FIGURAS CAPTULO 2 Fig. No. 2.1 2.2 TTULO Calibracin de la DBO del Modelo de Calidad del Agua MIKE 11 Fase I (QJuanchito= 258 m3/s). Calibracin del OD del Modelo de Calidad del Agua MIKE 11 Fase I (QJuanchito = 258 m3/s).

CAPTULO 4 Fig. No. 4.1 4.2 4.3 TTULO Cuenca de Drenaje del Valle Geogrfico del Ro Cauca. Estaciones de Monitoreo de Calidad del Agua del Ro Cauca, a Cargo de la CVC en el Tramo Salvajina La Virginia. Variacin de Caudal, OD, DBO5 y Temperatura en el Ro Cauca. Condiciones Estacionales: Invierno, Promedio y Verano. Perodo 20012003. Tramo: Salvajina La Virginia Promedio del Caudal, OD, DBO5 y Temperatura en los principales Ros Tributarios del Ro Cauca. Tramo: Salvajina La Virginia. Perodo: 20012003 Distribucin Porcentual de la Carga Promedio de DBO5 Vertida en Invierno por los Ros Tributarios al Ro Cauca. Tramo Salvajina La Virginia. Perodo: 2001 2003 Distribucin Porcentual de la Carga Promedio de DBO5 Vertida en Verano por los Ros Tributarios al Ro Cauca. Tramo: Salvajina La Virginia. Perodo: 2001 2003 Aportes de Carga de DBO5 Vertida por Sectores Productivos y Municipios a la Cuenca del Ro Cauca. Tramo: Salvajina La Virginia. Ao 2003 Variaciones de los Aportes de Cargas Contaminantes de DBO5 de Sectores Productivos y Descargas Municipales en la Cuenca del Ro Cauca. Tramo: Salvajina La Virginia Perodo: 2001- 2003

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Lista de Cuadros

LISTA DE FIGURAS CAPTULO 6 Fig. No. 6.1 6.2 TTULO Esquema del Ro Cauca y sus Principales Tributarios Anlisis de Sensibilidad de la Tasa de Degradacin (k1) en las Respuestas del Modelo de Calidad del agua del Ro Cauca para el OD, DBO5 y Temperatura. Anlisis de Sensibilidad de la Tasa de Reaireacin (k2) en las Respuesta del Modelo de Calidad del agua del Ro Cauca para OD, DBO5 y Temperatura Anlisis de Sensibilidad de la Demanda Bntica (DB) en las Respuestas del Modelo de Calidad del agua del Ro Cauca para OD, DBO5 y Temperatura Campaa de Muestreo para la Calibracin del Modelo de Calidad del Agua. Perodo: Agosto 19 24 de 2003 Variacin Temporal del Caudal en Algunas Estaciones Sobre el Ro Cauca. Perodo de medicin: Agosto 19 al 24 de 2003 Variacin Temporal del Oxgeno Disuelto en Algunas Estaciones Sobre el Ro Cauca. Perodo de Medicin: Agosto 19 al 24 de 2003 Demanda Bioqumica de Oxgeno (DBO5) en Algunas Estaciones Sobre el Ro Cauca. Perodo de medicin: Agosto 19 al 24 de 2003 Variacin Temporal del Oxgeno Disuelto y la DBO5 Registrada en los Ros Cali y Risaralda Perodo de Medicin: Agosto 19 al 24 de 2003 Variacin Temporal del Caudal y la Carga de DBO5 en los Vertimientos de la Ciudad de Cali. Perodo de Medicin: Agosto 19 al 24 de 2003 Calibracin del Modelo de Calidad del Agua del Ro Cauca en la Estacion Hormiguero Calibracin del Modelo de Calidad del Agua del Ro Cauca en la Estacion Juanchito Calibracin del Modelo de Calidad del Agua del Ro Cauca en la Estacion Puerto Isaacs Calibracin del Modelo de Calidad del Agua del Ro Cauca en la Estacion Paso de La TorreUniversidad del Valle

6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 6.10 6.11 6.12 6.13 6.14

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Lista de Cuadros

LISTA DE FIGURAS (Cont.) CAPTULO 6 Fig. No. 6.15 6.16 6.17 6.18 6.19 6.20 6.21 6.22 6.23 TTULO Calibracin del Modelo de Calidad de Agua del Ro Cauca en la Estacion Mediacanoa Calibracin del Modelo de Calidad del Agua del Ro Cauca en la Estacion Anacaro Modelo de Calidad del Agua del Ro Cauca Analisis de Incertidumbre del Modelo de Calidad del Agua del Ro Cauca en la Estacion Hormiguero Analisis de Incertidumbre del Modelo de Calidad del Agua del Ro Cauca en la Estacion Juanchito Analisis de Incertidumbre del Modelo de Calidad del Agua del Ro Cauca en la Estacion Puerto Isaacs Analisis de Incertidumbre del Modelo de Calidad del Agua del Ro Cauca en la Estacion Paso de La Torre Analisis de Incertidumbre del Modelo de Calidad del Agua del Ro Cauca en la Estacion Mediacanoa Verificacin del Modelo de Calidad del Agua del Ro Cauca

CAPTULO 7 Fig. No. 7.1 7.2 7.3 TTULO Perfil Longitudinal de la Calidad del Agua del Ro Cauca para la Condicin Inicial de las Aplicaciones Comportamiento histrico de aporte de carga de DBO5 en la Industria de Licores del Valle Variacin de la DBO5 Escenarios Evaluados a lo largo del Ro Cauca para los diferentes

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Lista de Cuadros

LISTA DE FIGURAS (Cont.) CAPTULO 7 Fig. No. 7.4 TTULO Variacin del Oxigeno Disuelto a lo largo del Ro Cauca para los diferentes Escenarios Evaluados. Condicin Estacional: Verano. Caudal en Juanchito: 130 m3/s Variacin del OD y la DBO5 a lo largo del Ro Cauca para el Escenario 1 (2005) y el Escenario 2 (2010). Efectos en la Calidad del Agua del Ro Cauca Variacin del OD y la DBO5 a lo largo del Ro Cauca para el Escenario 3 (2010) y el Escenario 4 (2015). Efectos en la Calidad del Agua del Ro Cauca Variacin del OD y la DBO5 a lo largo del Ro Cauca para el Escenario 5 (2010) y el Escenario 6 (2015). Efectos en la Calidad del Agua del Ro Cauca Variacin del OD y la DBO5 a lo largo del Ro Cauca para el Escenario 7 (2010) y el Escenario 8 (2015). Efectos en la Calidad del Agua del Ro Cauca Variacin del OD y la DBO5 a lo largo del Ro Cauca para el Escenario 9 (2010) y el Escenario 10 (2015). Efectos en la Calidad del Agua del Ro Cauca Variacin del OD y la DBO5 a lo largo del Ro Cauca para el Escenario 9 (2010) y el Escenario 10 (2015). Efectos en la Calidad del Agua del Ro Cauca

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Lista de Cuadros

LISTA DE CUADROS CAPTULO 6 Cuadro No. 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 TTULO

Valoracin del Efecto Relativo de los Parmetros de Calibracin Valoracin del Efecto Relativo de los Parmetros de Calibracin Valoracin del Efecto Relativo de los Parmetros de Calibracin Base de Datos para la Calibracin del Modelo de Calidad del Agua Promedio de los Datos de Campo en las Estaciones de Calidad del Agua Para Fines de Calibracin del Modelo Factores de Rugosidad Calibrados para el Modelo Hidrodinmico del Ro Cauca en la Fase II del Proyecto PMC. Tramo La Balsa La Virginia Configuracin del Modelo de Calidad del Agua Valores Globales de los Parmetros de Calibracin del Modelo de Calidad del Agua con un Bajo Efecto Relativo Parmetros de Calibracin Ajustados a para la Simulacin de la Calidad del Agua del Ro Cauca con el Modelo MIKE 11

6.10 Rangos de k1 y DB para el Anlisis de Incertidumbre CAPTULO 7 Cuadro No. 7.1 7.2 7.3 7.4 TTULO

Niveles de Tratamiento Exigidos por Sectores de Produccin de la Contaminacin en la Cuenca del Ro Cauca. CVC, Acuerdo 014 de 1976 Lmites de Carga Contaminante de DBO5 Aportadas por la Industria Segn los Lineamientos Establecidos por la CVC en el Acuerdo 014 de 1976 Normas de Vertimientos de Carga Orgnica a Cuerpos de Agua y a Alcantarillados. Ministerio de Salud, Decreto 1594 de 1984 Implementacin de Infraestructura de Saneamiento en Municipios y Cuencas PrioritariasUniversidad del Valle

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Lista de Cuadros

LISTA DE CUADROS (Cont.) CAPTULO 7 Cuadro No. 7.5 7.6 7.7 7.8 7.9 7.10 7.11 7.12 7.13 7.14 7.15 7.16 7.17 7.18 7.19 7.20 TTULO

Carga Orgnica Vertida por la Ciudad de Cali al Ro Cauca Cronograma de Control de Caudales de Aguas Residuales de la Ciudad de Cali Estado de los Proyectos de Tratamiento de Aguas Residuales en Algunos Municipios Ubicados en la Cuenca del Ro Cauca Estrategias de Control de Contaminacin de los Vertimientos de Aguas Residuales Industriales Base de Datos Para el Ao Base Usado Para las Aplicaciones del Modelo de Calidad del Agua. Tramo: Paso de La Balsa - La Virginia Municipios que Aportan Carga Contaminante al Ro Cauca Proyeccin de las Cargas de los Municipios del Departamento del Valle Geogrfico del Ro Cauca Resumen de las Caractersticas de los Escenarios de Aplicacin Carga DBO5 Vertida en la Cuenca de Cada Tributario y Estimacin de la Carga DBO5 en la Desembocadura Base de Datos Para el Ro Timba Para Efectuar las Aplicaciones del Modelo de Calidad del Agua del Ro Cauca Caractersticas de los Escenarios 1 y 2 por Quinquenios Caractersticas de los Escenarios 3 y 4 por Quinquenios Caractersticas de los Escenarios 5 y 6 por Quinquenios Caractersticas de los Escenarios 7 y 8 por Quinquenios Caractersticas de los Escenarios 9 y 10 por Quinquenios Caractersticas de los Escenarios 11 y 12 por Quinquenios

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CAPITULO 1 INTRODUCCIN

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Captulo 1, Introduccin

1. INTRODUCCINLas declaraciones de la Cumbre del Milenio de las Naciones Unidas y la Cumbre Mundial de Desarrollo Sustentable (SMDD) en el ao 2002 establecieron como uno de sus objetivos lograr que al ao 2005 todos los pases cuenten con planes de manejo integrado de sus recursos hdricos y de eficacia en el uso del agua. En el III Foro Mundial del Agua celebrado en Kyoto en el ao 2003 se establecieron las acciones para alcanzar las metas propuestas en la Visin Mundial del Agua para el ao 2025. Estos eventos han mostrado la importancia de la planificacin de las acciones para alcanzar el equilibrio entre el uso de los recursos como base para el sustento y desarrollo de una poblacin creciente y la conservacin del recurso para mantener sus funciones y caractersticas. Es all donde el uso de los modelos matemticos ha ido ganando importancia como herramienta para contribuir a la planificacin integral de los recursos hdricos. La poltica colombiana de agua potable y saneamiento ambiental establece la necesidad de formular un plan de manejo integrado de los recursos hdricos. En este sentido se destaca a nivel regional la firma del Pacto por la Recuperacin del Ro Cauca en el ao 2001 y la firma del manifiesto de compromiso por el fortalecimiento de la gestin integrada del recurso hdrico en el Departamento del Valle el 30 de septiembre de 2003. Estos hechos han promovido el fortalecimiento de una visin integral para el desarrollo sostenible de los recursos hdricos de la regin. El Ro Cauca es la principal fuente hdrica del suroccidente colombiano. En su valle geogrfico se asientan aproximadamente 3.5 millones de habitantes y la mayor parte de la industria azucarera y papelera del pas. Esta condicin ha trado como consecuencia el uso intensivo del recurso como fuente de abastecimiento para consumo domstico, agrcola e industrial y como receptor de vertimientos, en algunos casos sin tratamiento. Este uso del recurso ha generado un deterioro importante en la calidad del agua, limitando sus funciones naturales. Dentro del Proyecto de Modelacin del Ro Cauca PMC, realizado en convenio entre la Universidad del Valle y la CVC, se ha considerado el estudio de los factores que afectan y determinan la calidad del agua del Ro. En la Fase I del Proyecto PMC, que se ejecut entre los aos 1997 y 2001, se hizo una contribucin significativa al implementar el modelo de simulacin dinmica MIKE 11 para representar los complejos procesos que describen el comportamiento de las caractersticas de la calidad del agua. Una de las principales limitaciones encontradas en la Fase I para la modelacin de la calidad del agua fue la no disponibilidad de informacin simultnea para realizar la calibracin y la verificacin del modelo. La informacin que se encontraba disponible corresponda a las campaas de muestreo con propsitos de control de la CVC. Esta informacin careca de continuidad y simultaneidad, requerimientos bsicos de un modelo dinmico como MIKE 11 (Universidad del Valle CVC, 2001).Corporacin Autnoma Regional del Valle del Cauca - CVC Universidad del Valle

1.1

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Captulo 1, Introduccin

En la Fase II del Proyecto PMC se propuso como objetivo optimizar la calibracin y efectuar algunas aplicaciones del modelo matemtico implementado. En esta fase se dise y realiz una campaa de muestreo de la calidad del agua con propsitos de calibracin. Esta campaa permiti mejorar el conocimiento de los procesos que dominan el comportamiento de la calidad del agua del Ro y entender algunas de las relaciones de causa - efecto entre las cargas de materia orgnica vertidas a travs de los tributarios y la concentracin de oxgeno disuelto en el ro. Este muestreo, junto con otras investigaciones como la determinacin de las constantes bnticas en el Ro Cauca (Baena et al, 2003), ha contribuido a mejorar el conocimiento de los factores que afectan el balance del oxgeno disuelto. Este nuevo conocimiento sobre los procesos que determinan la calidad del agua del Ro Cauca ha permitido continuar con el proceso de calibracin del modelo implementado en la Fase I del Proyecto PMC. En este documento se presentan los resultados de las actividades desarrolladas para optimizar el modelo matemtico de la calidad del agua del Ro Cauca, as como las aplicaciones para diferentes escenarios. En el captulo 2 se presentan los antecedentes de la modelacin de la calidad del agua. En el captulo 3 se presenta el marco terico en el cual se incluye una revisin de los aspectos ms representativos para la optimizacin de modelos basado en experiencias publicadas en revistas cientficas. En el captulo 4 se incluye una breve descripcin del Ro y sus tributarios. En el captulo 5 se describe la metodologa estructurada con base en el mejoramiento de la informacin para la calibracin del modelo y en el mejoramiento del proceso de calibracin. En el captulo 6 se presentan los resultados de la calibracin y verificacin del modelo de calidad. En el capitulo 7 se presentan algunas aplicaciones del modelo matemtico implementado con fines de pronstico. Finalmente en el captulo 8 se presentan las principales conclusiones y recomendaciones del estudio.

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1.2

CAPITULO 2 ANTECEDENTES

Calibracin del Modelo de Calidad del agua del Ro Cauca

Capitulo 2. Antecedentes

2. ANTECEDENTESDiferentes estudios de modelacin matemtica del Ro Cauca se han venido realizando para diversos propsitos, tales como, lograr una mejor comprensin de los diferentes procesos (hidrodinmicos, sedimentolgicos, morfolgicos y de la calidad del agua) en el Ro, estimar los efectos de las diferentes obras propuestas para su regulacin, estudiar el impacto de la carga contaminante vertida a la cuenca del Ro y determinar el impacto de diferentes alternativas de tratamiento de las descargas de aguas residuales de acuerdo con los usos requeridos del agua. El primer modelo utilizado fue un modelo de Programacin Lineal en 1972, el cual tuvo como objetivo principal determinar la carga orgnica permisible y el grado de tratamiento de aguas residuales que debera ser requerido por cada usuario del Ro. La modelacin se realiz en un tramo de 86 Km, entre el Paso de La Bolsa y el Paso de La Torre. Se utiliz la informacin recopilada por Donaldson en el verano de Julio de 1963, incluyendo 10 estaciones sobre el Ro Cauca, 6 ros tributarios, las descargas del municipio de Cali y 6 industrias. En el estudio se utiliz un modelo de programacin lineal compuesto por una funcin objetivo, con la que se busc minimizar el costo total de las plantas de tratamiento de aguas residuales requeridas para mejorar la calidad del agua del Ro Cauca (Universidad del Valle CVC, 2001). Entre los resultados ms importantes se encontr que para alcanzar los niveles ms bajos de polucin (40-48 Kg-d/DBO/ m3/s) se requera obtener una eficiencia del 95% en las plantas de tratamiento de aguas residuales y el costo de tratamiento sera el ms alto. Tambin se encontr que el costo de tratamiento decrece a medida que el caudal del Ro receptor crece por el efecto de dilucin (Pea, 1989). Posteriormente en el ao 1973 la CVC involucr por primera vez el uso de modelos matemticos para el estudio de la calidad del agua del Ro Cauca con la asesora de la Organizacin Panamericana de la Salud (OPS). El modelo de calidad se utiliz para predecir la variacin de la DBO y la concentracin mnima de OD a lo largo del ro entre Salvajina y La Virginia, en el perodo comprendido entre los aos 1975 y 2000. Se utiliz el modelo matemtico de flujo permanente denominado Simulacin de Oxgeno Disuelto SIMOX (Versiones I y II) de la OPS, el cual est basado en la ecuacin de Streeter Phelps. Las aplicaciones del modelo contribuyeron a fijar una poltica de calidad del agua, a partir de la combinacin de diversos porcentajes de tratamiento y la cantidad de agua de dilucin provenientes del embalse de Salvajina a costo mnimo. Los resultados obtenidos sirvieron de soporte tcnico para establecer el reglamento para regular y controlar las descargas de aguas residuales en el Ro Cauca y sus tributarios, las cuales posteriormente se convertiran en el Acuerdo 014 de 1976 (CVC, 1975).Corporacin Autnoma Regional del Valle del Cauca - CVC Universidad del Valle

2.1

Calibracin del Modelo de Calidad del agua del Ro Cauca

Capitulo 2. Antecedentes

En el ao 1988 se aplic el modelo de la Agencia para la Proteccin del Ambiente de Estados Unidos (US-EPA) denominado Storm Water Management Model SWMM para simular OD y DBO en el tramo del Ro Cauca comprendido entre Hormiguero y Riofro. Este proyecto tuvo su origen en el estudio del tratamiento de aguas residuales para la ciudad de Cali contratado por EMCALI con el Consorcio INGESAM/URS, ejecutado entre 1983 y 1985. El bloque Receiving del modelo SWMM tena la capacidad de simular de manera continua o por eventos las caractersticas de cantidad y calidad del agua en una corriente receptora de vertimientos. En el caso del Ro Cauca se utiliz la simulacin por eventos. La descripcin del comportamiento hidrodinmico del sistema involucr por primera vez las ecuaciones de cantidad de movimiento y continuidad. Los modelos de cantidad y calidad del agua utilizaron la misma representacin unidimensional del ro (Galvis A., 1988). Es de resaltar que en este proyecto se realizaron por primera vez cuatro campaas de muestreo con propsitos de calibracin (dos en verano y dos en invierno) en el perodo entre 1983 y 1985. Se registraron datos de caudal y de OD, DBO5, DQO y SST. Se incluyeron mediciones en 14 estaciones sobre el Ro Cauca, 25 ros o quebradas, los vertimientos del sistema de alcantarillado de la ciudad de Cali y dos industrias del sector Acopi-Yumbo. Uno de los mayores aportes de esta modelacin fue la esquematizacin y simulacin de las caractersticas hidrulicas del Ro (Universidad del Valle CVC, 2001). Se destaca en este proyecto el salto importante desde modelar slo aplicando la ecuacin de Streeter - Phelps hasta incluir una modelacin de las caractersticas hidrodinmicas del ro. El mejoramiento en la modelacin de la hidrulica del ro contribuy a una mejor aproximacin en la simulacin de los procesos de la calidad del agua, los cuales son afectados por las caractersticas hidrulicas de la corriente. Sin embargo, toda la potencialidad del SWMM en la parte hidrodinmica no pudo ser aprovechada por la falta de informacin continua tanto de caudales como de cargas contaminantes (Vlez et al, 2003). Posteriormente la CVC entre los aos 1992 y 1998 utiliz los modelos unidimensionales y de flujo permanente de la US-EPA QUAL2 y QUAL2E. El primero fue usado como herramienta de control considerando que los plazos establecidos para la reduccin de las cargas contaminantes establecidas en el Acuerdo 14 de 1976 haban culminado. El segundo fue usado para estimar el impacto de diferentes opciones para la remocin de la carga vertida por la ciudad de Cali en la calidad del agua del Ro Cauca. Las modelaciones realizadas por la CVC mediante la implementacin del modelo QUAL2E abarc un tramo de 107 Km comprendido entre Hormiguero y Mediacanoa. Se incluy la informacin de calidad del agua de 9 estaciones de medicin sobre el Ro Cauca, 11 ros tributarios, los 9 principales vertimientos industriales y las descargas de Cali. Una de las fortalezas de esta modelacin fue el balance hdrico, en el cual se incluyeron por primera vez las 6 principales extracciones de agua que existan en el tramo de estudio. En la modelacin de la calidad del agua se consideraron los parmetros temperatura, OD, DBO5 y SST. La informacin para la modelacin fue recolectada en el verano de Junio de 1998 y se trat de mantener cierto grado de simultaneidad en la toma de las muestras de los tributarios y del Ro Cauca. La inclusin de los SST por primera vez en la modelacin de la calidad del agua se consider un avance significativo, teniendo en cuenta la importanciaCorporacin Autnoma Regional del Valle del Cauca - CVC Universidad del Valle

2.2

Calibracin del Modelo de Calidad del agua del Ro Cauca

Capitulo 2. Antecedentes

de este parmetro en la planificacin y control de los vertimientos y el cobro de la tasa retributiva por vertimientos. Entre las limitaciones del modelo QUAL2E se resalta el no poder incluir las variaciones temporales de los caudales y las cargas contaminantes (Shanahan et al, 1998). Tales variaciones pueden ser ocasionadas, entre otros factores por hidroelctricas que causan una significativa variacin diurna en el caudal, la escorrenta urbana en alcantarillados combinados durante una lluvia y los efectos de la variacin diurna en efluentes municipales y el efecto de las descargas industriales por tandas o con significativas variaciones de caudal en las jornadas de trabajo. Esta es precisamente la condicin del Ro Cauca (Vlez et al, 2003). El estudio ms reciente de modelacin de la calidad del agua del Ro Cauca fue realizado en el ao 2001 por la Universidad del Valle como parte del Proyecto PMC Fase I, en el marco de un convenio de cooperacin con la CVC. En este estudio se utiliz el modelo MIKE 11 para simular las caractersticas hidrodinmicas, morfolgicas y de la calidad del agua del Ro Cauca en el tramo de 444.7 Km de longitud comprendido entre el Embalse de Salvajina y el municipio de La Virginia (Universidad del Valle CVC, 2001). MIKE 11 es un modelo unidimensional desarrollado por el Instituto de Hidrulica de Dinamarca. Este modelo tiene la capacidad de simular el flujo, el transporte de sedimentos, los procesos morfolgicos y de calidad del agua, bajo condiciones de flujo no permanente. Dispone de una serie de mdulos integrados: Hidrodinmico, Adveccin Dispersin, Calidad del agua y Transporte de Sedimentos. El mdulo Hidrodinmico es el ncleo del sistema y resuelve las ecuaciones integradas de conservacin de la masa y de la cantidad de movimiento, denominadas ecuaciones de Saint Venant, las cuales describen el flujo no permanente en canales abiertos (DHI, 1999). Los estudios efectuados en la Fase I del Proyecto PMC permitieron disponer de un modelo hidrodinmico calibrado y verificado. Este modelo dinmico contribuy significativamente a mejorar la calibracin del modelo de calidad del agua. En el modelo hidrodinmico se utiliz la informacin continua del ao 1998 correspondiente a 9 estaciones hidromtricas de la CVC. Se incluyeron 62 secciones transversales, 2 fronteras externas (Salvajina y La Virginia), 94 fronteras internas entre las que se incluyeron 40 ros y quebradas, 1 laguna, 7 descargas de aguas residuales municipales, 12 descargas industriales y 34 sitios de extracciones de agua. Cada frontera interna se represent como una extraccin o descarga lateral (Universidad del Valle CVC, 2001). La modelacin de la calidad del agua se realiz en el Nivel 1 del modelo MIKE 11, el cual incluye como variables de estado la Temperatura, la DBO y el Oxgeno Disuelto. Se utiliz informacin puntual tomada por la CVC con propsitos de control en 19 estaciones sobre el Ro Cauca y en 32 ros tributarios, 12 industrias y 4 municipios que descargan directamente sus aguas residuales al Ro Cauca. Debido a que no se dispona de informacin medida en campo o laboratorio de los parmetros de calibracin del modelo de calidad del agua se utilizaron los rangos sugeridos en la literatura. La calibracin del modelo se realiz a travs de un proceso de ajuste de los parmetros, iniciando con simulaciones bajo condiciones de flujo permanente, primero aplicando el modelo QUAL2E y luego el modeloCorporacin Autnoma Regional del Valle del Cauca - CVC Universidad del Valle

2.3

Calibracin del Modelo de Calidad del agua del Ro Cauca

Capitulo 2. Antecedentes

MIKE 11. Posteriormente se utilizaron los resultados de los parmetros para calibrar el modelo MIKE 11 bajo condiciones de flujo no permanente (Universidad del Valle CVC, 2001). Este estudio contribuy a un mejor conocimiento de la verificacin de las caractersticas hidrulicas y de calidad del agua en el Ro Cauca. Se destaca la calibracin dinmica de las caractersticas hidrulicas del ro. En cuanto a la calibracin del modelo de calidad del agua se identificaron variaciones espaciales en las tasas de degradacin de la materia orgnica k1 entre 0.2 y 1.2 d-1. La calibracin arroj los mejores res ultados cuando se utiliz la ecuacin de OConnor & Dobbins para representar la tasa de reaireacin a lo largo del ro. Como se aprecia en las Figuras Nos. 2.1 y 2.2, se obtuvo un ajuste aceptable entre los valores observados y las estimaciones del modelo (Universidad del Valle CVC, 2001).Figura No. 2.1 Calibracin de la DBO del modelo de calidad del agua MIKE 11 Fase I (QJuanchito= 258 m3/s)16DBO5 Calculada (MIKE11)

12 DBO5 (mg/l) 8 4 0 0 50 100 150 200

DBO5 Medida (En campo)

250

300

350

400 450 Distancia (km)

Figura No. 2.2 Calibracin del OD del modelo de calidad del agua MIKE 11 Fase I (QJuanchito = 258 m3/s)10 OD (mg/l) 8 6 4 2 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Distancia (Km) OD Calculado (MIKE 11) OD Medido (En campo)

Las herramientas y posibilidades del mdulo de calidad del agua del modelo MIKE 11 no han podido ser aprovechadas en su totalidad debido a la falta de informacin continua y simultnea de los parmetros de calidad del agua. Por esta razn no fue posible modelar en niveles superiores de MIKE 11 algunos factores importantes necesarios para ajustar el balance de OD, tales como, el proceso de sedimentacin y resuspensin de la materia orgnica o la materia orgnica disuelta, suspendida y depositada de manera independiente,Corporacin Autnoma Regional del Valle del Cauca - CVC Universidad del Valle

2.4

Calibracin del Modelo de Calidad del agua del Ro Cauca

Capitulo 2. Antecedentes

que segn Rauch et al. (1998) marcan la diferencia con respecto a la modelacin utilizando el modelo QUAL2E. En resumen, la evolucin de la modelacin de la calidad del agua del Ro Cauca, en los ltimos 30 aos ha mostrado un avance significativo. Se pas de un modelo bsico como SIMOX a uno ms complejo como MIKE 11. La modelacin dinmica del flujo ha experimentado un progreso importante; sin embargo, todava se tienen algunas limitaciones para simular los diferentes procesos de la calidad del agua. Hasta ahora se ha trabajado sobre los contaminantes denominados convencionales, especficamente la relacin materia orgnica carboncea y oxgeno disuelto. La falta de informacin para propsitos de calibracin ha sido un factor limitante y comn en la aplicacin de los modelos, que impide aprovechar eficientemente los desarrollos de software y hardware en la modelacin de la calidad del agua. Por otra parte, teniendo en cuenta que no todos los parmetros de calibracin del modelo de calidad del agua han sido estimados experimentalmente, es fundamental continuar las investigaciones en el Ro Cauca mediante estudios y programas de campo y laboratorio, lo que a su vez permitir avanzar en el proceso de optimizacin del modelo matemtico con el fin de soportar importantes decisiones para el manejo de este valioso recurso hdrico colombiano. Finalmente es preciso destacar que cada estudio ha contribuido al proceso de mejoramiento sobre el conocimiento de los principales procesos en el Ro Cauca; sin embargo el cambio continuo en sus caractersticas y el mejoramiento de los modelos que simulan los procesos de transporte y transformacin de sustancias obliga a la permanente revisin y actualizacin de los modelos implementados.

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2.5

CAPITULO 3 ASPECTOS CONCEPTUALES SOBRE LA OPTIMIZACIN DE MODELOS DE CALIDAD DEL AGUA

Calibracin del Modelo de Calidad del agua del Ro Cauca

Captulo 3, Aspectos Conceptuales

3. ASPECTOS CONCEPTUALES SOBRE LA OPTIMIZACIN DE LOS MODELOS DE CALIDAD DEL AGUA3.1. INFORMACIN USADA PARA LA CALIBRACIN Y VERIFICACIN DE LOS MODELOS DE CALIDAD DEL AGUA

La calibracin de un modelo es un proceso en el cual, con base en un grupo de datos de las fronteras del modelo, se realizan simulaciones hasta lograr reproducir con precisin las series de datos observados en campo en diferentes secciones de control, por medio del ajuste de los parmetros fsicos y numricos del modelo. Una vez se ha calibrado el modelo es necesario disponer de otro conjunto de datos en las fronteras para verificar que con los mismos parmetros de calibracin se puede describir en forma adecuada el nuevo grupo de datos de campo. Por esta razn, tal y como lo mencionan Supriyasilp et al (2002), la recoleccin de datos del sistema resulta fundamental ya que todos los resultados producidos por el modelo estn basados en los datos de entrada de las fronteras. Canale et al (1995) consideran que un modelo ha sido validado cuando todos los datos de entrada de las fronteras y los parmetros de calibracin son medidos en campo y las respuestas de las simulaciones reproducen con precisin los datos de campo. Un caso importante que se fundament en el desarrollo de un programa de mediciones de campo de la calidad del agua y anlisis de laboratorio para la calibracin y validacin del modelo lo constituye el modelo de calidad del agua del Ro Sneca (EUA). El programa de monitoreo de calidad del agua se realiz entre los aos 1990 y 1991. Las estaciones en el ro fueron monitoreadas inicialmente cada semana y luego cada dos semanas. Se midieron en el sitio y a dos profundidades diferentes, los parmetros oxgeno disuelto, temperatura, conductancia especfica y pH, durante el da y la noche en cinco fechas diferentes, con el fin de evaluar la ocurrencia del fenmeno de la estratificacin . Cada estacin fue visitada ocho veces en un perodo de 24 horas (aproximadamente cada tres horas). Estas mediciones soportaron los clculos para las condiciones diarias promedio; tambin permitieron estimar el rango de concentraciones de OD en un da para verificar el modelo de calidad del agua. Los parmetros de calibracin fueron estimados con base en ensayos de campo y laboratorio. El submodelo de transporte fue calibrado con base en las mediciones de campo de un trazador conservativo (sal). Se realizaron perfiles bajo el agua de la irradiacin de la luz solar para soportar la determinacin del coeficiente de atenuacin. La tasa de reaireacin fue estimada con base en experimentos de transferencia del gas hexafloruro de azufre en el ro. La tasa de degradacin de la materia orgnica carboncea y nitrogenada fue estimada con base en experimentos de demanda de oxgeno en el laboratorio. Para la demanda de oxgeno del sedimento se realizaron investigaciones en el ro para determinar la ubicacin de los depsitos de sedimentos y anlisis de laboratorio para estimar la demanda de oxgeno. Se realizaron mediciones en laboratorio de la fotosntesis y la respiracin usando fitoplancton del propio ro Sneca (Canale et al, 1995).Corporacin Autnoma Regional del Valle del Cauca - CVC Universidad del Valle

3.1

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Captulo 3, Aspectos Conceptuales

Este es un ejemplo de la informacin que puede ser recolectada para disminuir la incertidumbre de las respuestas de un modelo de calidad del agua. Sin embargo, la recoleccin de datos de calidad del agua es relativamente costosa, factor que se vuelve un limitante para propsitos de optimizacin del modelo. Por lo tanto para optimizar un modelo a partir del mejoramiento de la informacin para la calibracin, es necesario evaluar cules de los parmetros de calidad realmente pueden reducir la incertidumbre de los resultados y cules son las fronteras que tienen un mayor impacto en los procesos modelados. 3.2. REPRESENTACIN DE LOS PROCESOS QUE DESCRIBEN EL SISTEMA

La capacidad del modelo para simular los procesos dominantes del sistema en estudio es uno de los factores ms importantes para mejorar la confiabilidad de sus respuestas. Una vez se define el sistema se debe seleccionar el modelo matemtico a implementar. El modelo seleccionado deber representar espacial y temporalmente con cierto grado de detalle las caractersticas del sistema para dar respuesta a las preguntas que se desea contestar del sistema (Postma, 2002). El interrogante a resolver es: cules procesos deben ser incorporados en el modelo y cules pueden ser dejados fuera de tal manera que no se incremente el grado de incertidumbre de las respuestas del modelo?. Un ejemplo de este tipo de optimizacin fue presentado por Rounds y Wood (2001), quienes en el proceso de modelacin del Ro Tualatin (EUA) modificaron el modelo CEQUAL W2 para lograr un buen ajuste para el fsforo total, los ortofosfatos, el crecimiento algal y el oxgeno disuelto (Rounds y Wood, 2001). En la versin original del modelo CEQUAL-W2 hay una fraccin del fsforo liberada durante la descomposicin de la materia orgnica sedimentada que es retenida permanentemente en los sedimentos para simular la fuerte absorcin del fsforo en la superficie mineral de los sedimentos bajo condiciones aerbicas. En la versin modificada para el Ro Tualatin un algoritmo permite que el fsforo retenido sea liberado en la columna de agua con una cierta tasa, si el agua en la interfase del sedimento se vuelve anxica. Este nuevo proceso permiti que el modelo simulara el aumento en las concentraciones de fsforo en las profundidades del ro durante las condiciones de estratificacin despus de que el hypolimnio se vuelve anxico. Este proceso modifica la cantidad de ortofosfatos disponible para el crecimiento algal aguas abajo del tramo afectado por las condiciones anaerbicas en la interfase del sedimento. Este tipo de optimizaciones depende del conocimiento que se tenga de los procesos que afectan la calidad del agua del ro. Como en el mejoramiento de la informacin, este tipo de optimizacin trae consigo un aumento en los costos. En primer lugar, porque implica el incremento en el detalle con el cual los procesos son simulados y en segundo lugar, porque se requiere informacin ms detallada para la calibracin.

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3.2

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Captulo 3, Aspectos Conceptuales

3.3.

PROCESO DE CALIBRACIN DE LOS MODELOS DE SIMULACIN

La calibracin de un modelo es un problema de optimizacin que busca que los parmetros de calibracin minimicen la diferencia entre los datos medidos en campo y los calculados por el modelo. Normalmente no puede asumirse que existe solamente una combinacin de parmetros del modelo que corresponda al mejor ajuste del mismo. Ms aun, es difcil analticamente derivar la funcin que exprese el error. Pero esta funcin del error que expresa las diferencias entre los resultados calculados con los observados debe ser minimizada (Noguchi et al, 2002). El proceso de calibracin de un modelo tiene diferentes dificultades: (i) no se conoce el umbral que determine la precisin que se requiere de los resultados; (ii) no hay la suficiente informacin para modelar; (iii) no hay tiempo y recursos para efectuar la calibracin. Dada la complejidad y el tiempo requerido en la calibracin de los modelos de calidad del agua es necesaria y til una estrategia lo ms estructurada y cientfica posible para que dicho proceso de calibracin aproveche al mximo los recursos disponibles. Para este tipo de problemas se pueden aplicar los denominados mtodos de optimizacin global, tales como el de bsqueda aleatoria controlada o los algoritmos genticos, entre otros (Noguchi et al, 2002). Uno de los mtodos de bsqueda aleatoria controlada ms usado es el mtodo de Montecarlo. Para la calibracin del modelo de calidad del agua del Ro Bogot se utiliz la metodologa de Estimacin de la Incertidumbre Generalizada (Generalised Likelihood Uncertainty Estimation Methodology, GLUE) (Beven y Binley, 1992) que se aplica mediante la ayuda de una herramienta avanzada de anlisis desarrollada en MATLAB, la cual permite el anlisis de simulaciones de Montecarlo (Less y Wagener, 2000). Esta metodologa permite la determinacin de los parmetros dominantes y sensibles y la cuantificacin de incertidumbre estructural y parmetrica (Camacho y Daz, 2003 y Camacho et al, 2002). Normalmente en los mtodos tradicionales de optimizacin se asume que los errores son variables aleatorias con media cero, varianza comn y que no estn correlacionados; adicionalmente se asume que los errores son independientes y siguen una distribucin normal. Con la metodologa GLUE realmente no es necesario ninguna de estas suposiciones, lo que la convierte en una herramienta muy prctica (Camacho y Daz, 2003 y Camacho et al, 2002). Aplicar este tipo de metodologas contribuye a la disminucin del tiempo de calibracin y a obtener parametrizaciones eficientes que describan adecuadamente y en forma ptima los procesos involucrados. Adems, se puede cuantificar la incertidumbre con la cual el modelo es capaz de reproducir y predecir los eventos modelados. En esta Fase II del proyecto PMC, la optimizacin del modelo de calidad del agua se centr tanto en mejorar la informacin requerida para la calibracin del modelo como en el mejoramiento del mismo proceso de calibracin. Para este fin se realiz una campaa de muestreo con propsitos de calibracin del Ro Cauca y sus principales tributarios en elCorporacin Autnoma Regional del Valle del Cauca - CVC Universidad del Valle

3.3

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Captulo 3, Aspectos Conceptuales

tramo de influencia comprendido entre Paso de La Balsa y La Virginia. Posteriormente se mejor el proceso de calibracin del modelo de calidad del agua utilizando una metodologa de bsqueda aleatoria controlada. No obstante el avance significativo en estos factores de optimizacin realizados en esta Fase II del proyecto PMC, es necesario que en futuros estudios se ample la informacin de campo para modelar otros procesos como la nitrificacin, y as avanzar a niveles superiores del mdulo de calidad del modelo MIKE 11, permitiendo una mejor descripcin de los procesos que afectan el balance de oxgeno en el Ro.

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3.4

CAPITULO 4 DESCRIPCIN DEL RO CAUCA Y SUS TRIBUTARIOS

Calibracin del Modelo de Calidad del agua del Ro Cauca

Captulo 4. Descripcin del ro Cauca y sus tributarios

4.4.1.

DESCRIPCIN DEL RO CAUCA Y SUS TRIBUTARIOSGENERALIDADES

El Ro Cauca es la segunda arteria fluvial ms importante de Colombia. Nace en el Macizo Colombiano cerca al Pramo de Sotar, presenta una longitud de 1350 km y drena una cuenca de 63300 km2. El Ro cruza alrededor de 183 municipios pertenecientes a los departamentos del Cauca, Valle del Cauca, Quindo, Risaralda, Caldas, Antioquia, Crdoba, Sucre y Bolvar y en su cuenca habitan ms de 10 millones de personas que representan aproximadamente el 25% de la poblacin colombiana. El valle geogrfico del Ro Cauca, ubicado en la cuenca alta, es especialmente importante para el desarrollo y la economa del pas. En esta zona se localiza una parte importante de la industria manufacturera del sur occidente, la agroindustria del azcar de caa y parte de la zona cafetera. El Ro ha sido usado para pesca, recreacin, generacin de energa, extraccin de materiales del lecho y el agua es captada para consumo humano, riego y para la industria. (Fotos Nos. 4.1 a 4.4). Tambin se usa como fuente receptora de residuos slidos y vertimientos de aguas residuales industriales y domsticas lo cual ha ocasionado el deterioro de la calidad del agua (Fotos Nos. 4.5 y 4.6).

Foto No. 4.1 Captacin del agua del Ro Cauca para el consumo humano (Planta de tratamiento Puerto Mallarino)

Foto No. 4.2 Captacin del agua del Ro Cauca destinada para la agricultura.

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4.1

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Captulo 4. Descripcin del ro Cauca y sus tributarios

Foto No. 4.3 Extraccin de materiales del lecho del Ro Cauca

Foto No. 4.4 Uso del agua del Ro Cauca en el lavado de ropas

Foto No. 4.5 Contaminacin del Ro Cauca por Foto No. 4.6 Vertimiento de aguas residuales al Ro residuos slidos y vertimientos de Cauca, del sistema de alcantarillado aguas residuales (descarga de la de la ciudad de Cali (Colector General) estacin de bombeo Puerto Mallarino)

La zona de estudio del Proyecto de Modelacin del Ro Cauca (PMC) comprende el valle geogrfico del Ro Cauca, el cual se extiende desde el embalse de Salvajina hasta el municipio de La Virginia (Figura No. 4.1). La cuenca del Ro Cauca est conformada por 39 subcuencas localizadas en la zona montaosa. Los principales tributarios del Ro que drenan por la margen derecha son los ros: La Vieja, Obando, La Paila, Bugalagrande, Morales, Tulu, San Pedro, Guadalajara, Sonso, Guabas, Zabaletas, Cerrito, Amaime, Prraga, Guachal, Desbaratado, Palo, La Quebrada, Quinamay, La Teta y Ovejas. Y por la margen izquierda, los Ros: Caaveral, Catarina, Chanc, Pescador, Riofro, Piedras, Mediacanoa, Yotoco, Vijes, Yumbo, Arroyohondo, Cali, Jamund, Claro y Timba (CVC, 2001).

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4.2

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Captulo 4. Descripcin del ro Cauca y sus tributarios

Figura No. 4.1 Cuenca de drenaje del valle geogrfico del Ro Cauca

Fuente: Universidad del Valle; CVC, 2001

En esta zona, especialmente en el tramo cercano a la ciudad de Cali, se presentan los mayores problemas de calidad del agua del Ro. La Corporacin Autnoma Regional del Valle del Cauca (CVC), como principal autoridad ambiental en el valle geogrfico, viene trabajando junto con la Universidad del Valle y otras instituciones del sector en el control de la contaminacin. La normatividad y dems estrategias de control, han estado asociadas con el conocimiento del comportamiento del Ro, de las descargas contaminantes y los niveles de calidad esperados de acuerdo con los usos del recurso hdrico. Teniendo en cuenta el nmero de variables involucradas en este tipo de decisiones y las interrelaciones complejas entre estas variables, se ha estado usando la modelacin matemtica como una herramienta de planeacin y control.Corporacin Autnoma Regional del Valle del Cauca - CVC Universidad del Valle

4.3

Calibracin del Modelo de Calidad del agua del Ro Cauca

Captulo 4. Descripcin del ro Cauca y sus tributarios

4.2.

CARACTERSTICAS HIDRULICAS Y MORFOLGICAS DEL RO CAUCA EN SU VALLE GEOGRFICO

El Ro Cauca recorre 445 km en su valle geogrfico y desciende desde una altura de 1000 metros hasta los 900 metros sobre el nivel del mar. Este tramo del ro presenta un ancho medio de 105 metros, el cual puede fluctuar desde 80 metros en la parte alta del cauce (Salvajina La Balsa) hasta 150 metros en la parte baja (Anacaro La Virginia). La profundidad puede variar entre 3.5 y 8.0 metros. El perfil longitudinal del ro presenta una forma cncava con pendiente hidrulica que oscila entre 7x10-4 m/m (Salvajina-La Balsa) y 1.5x10-4 m/m (Mediacanoa-Anacaro). El coeficiente promedio de rugosidad de Chezy es de 47 m1/2/s (Ramrez et al, 2001).

4.3.

CARACTERSTICAS CLIMATOLOGICAS DEL RO CAUCA EN SU VALLE GEOGRFICO

En el valle geogrfico del Ro Cauca se presenta un rgimen pluviomtrico bimodal (perodos de lluvia y perodos secos), el cual es caracterstico de la zona andina, como consecuencia de la convergencia intertropical. En este rgimen se distinguen dos perodos lluviosos (marzo - mayo y septiembre - noviembre) y dos perodos secos o de menor precipitacin (diciembre - febrero y junio agosto). La temperatura media es de 24C con variaciones en el rango de 10C a 38C. La precipitacin promedio anual en la zona de estudio es aproximadamente 1000 mm y la humedad promedio mensual est en el rango de 70 a 75%, debida en gran parte a la disipacin de las nubes provenientes del Pacfico que logran pasar la cordillera, las cuales se calientan y se desplazan hacia la cordillera Central. (CVC, 1998 y CVC, 2002).

4.4.

CARACTERIZACIN DE LA CALIDAD DEL AGUA DEL RO CAUCA

El deterioro ambiental del recurso hdrico en el valle geogrfico del Ro Cauca est asociado a la contaminacin generada por las descargas de aguas residuales de los centros urbanos e industrias asentadas en su cuenca, el uso inadecuado del suelo que conlleva a la deforestacin y erosin de los suelos, la contaminacin por la explotacin minera y la generada por las basuras procedentes de los municipios. La CVC como principal autoridad ambiental en el valle geogrfico, monitorea peridicamente la calidad del agua del Ro Cauca y sus principales tributarios, as como los vertimientos de las diferentes industrias asentadas en la regin, mediante la valoracin de diferentes parmetros fisicoqumicos y microbiolgicos. A continuacin se realizar una breve descripcin de la informacin ms reciente de los monitoreos de calidad del agua realizados por la CVC, correspondientes a los registros del perodo 2001 2003.

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4.4

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Captulo 4. Descripcin del ro Cauca y sus tributarios

4.4.1. Ro Cauca En el marco del proyecto PMC Fase II se sistematiz y analiz la informacin de calidad del agua correspondiente a las mediciones de la CVC del perodo 2001 2003, realizadas con una frecuencia de 3 a 4 veces por ao en 19 estaciones de monitoreo comprendidas en el tramo Salvajina La Virginia (Figura No. 4.2). Esta informacin se clasific de acuerdo con los rangos de caudales representativos de las diferentes condiciones climatolgicas (invierno, promedio y verano), siguiendo la metodologa desarrollada en la Fase I del proyecto PMC, la cual se bas en las curvas de duracin de caudales de las diferentes estaciones de monitoreo. Este anlisis permiti conocer la evolucin de la calidad del agua espacial y temporalmente, estudiar la incidencia de las condiciones climatolgicas en el comportamiento de los diferentes parmetros fisicoqumicos y microbiolgicos monitoreados y correlacionar la calidad del recurso con las diferentes actividades desarrolladas a lo largo del tramo en estudio. Figura No. 4.2 Estaciones de Monitoreo de Calidad del agua del Ro Cauca, a cargo de la CVC en el tramo Salvajina La Virginia

RISARALDARo Risaralda

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La Virginia

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15e lagranad Rio Buga

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OCEANO PACIFICO

VALLE DEL CAUCA

ESTACIN Abscisa (Km) 1. Antes Suarez 1.8 2. Antes Ovejas 3.1 3. Antes Timba 24.1 4. Paso de La Balsa 27.4 5. Paso de La Bolsa 78.9 6. Puente Hormiguero 113.5 7. Antes Navarro 127.7 8. Juanchito 139.3 9. Paso del Comercio 144.6 10. Puerto Isaacs 155.5 11. Paso de la Torre 170.8 12. Vijes 181.8 13. Yotoco 211.8 14. Mediacanoa 220.9 15. Puente Rofrio 284.8 16. Puent Guayabal 347.0 17. Puente La Victoria 369.6 18. Anacaro 416.5 19. Puente La Virginia 444.7

R. Yumbo 11 YUMBO 10Rio Cali

Rio Cerrito

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4.5

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Captulo 4. Descripcin del ro Cauca y sus tributarios

En la Figura No. 4.3 puede observarse el comportamiento de los valores promedios de los parmetros temperatura, oxgeno disuelto, DBO5 y caudal en las condiciones climatolgicas invierno, promedio y verano del perodo 2001 2003, en el tramo Salvajina La Virginia. Teniendo en cuenta la calidad del agua del Ro Cauca, la zona de estudio se puede dividir en tres tramos: el primer tramo comprendido entre Salvajina Puente Hormiguero, el segundo entre Puente Hormiguero Mediacanoa y el tercero entre Mediacanoa La Virginia. Tramo Salvajina Hormiguero: En este tramo se observa que en la mayora de las estaciones durante las tres condiciones climatolgicas, se presentan concentraciones de OD superiores a 5 mg/l, valor mnimo segn la UNESCO (1996) para garantizar la diversidad biolgica en los cuerpos de agua. Adicionalmente se aprecia que durante invierno en la estacin Paso de la Balsa se presenta una concentracin promedio de OD (7.6 mg/l), valor superior al oxgeno de saturacin promedio del Ro (7.4 mg/l), lo cual puede estar asociado con el proceso de fotosntesis generado por las algas, las cuales llegan a esta estacin provenientes del embalse Salvajina. En cuanto a la DBO5 se observa que durante las condiciones de verano y promedio en el sector comprendido entre las estaciones Antes Suarez Paso de La Bolsa, se presentan concentraciones menores a 2 mg/l, valores que segn la UNESCO (1996) indican aguas poco contaminadas. Al finalizar este tramo (estacin Hormiguero) se observa un aumento en las concentraciones de DBO5, especialmente en la condicin de verano en la cual se alcanzan valores de 3.8 mg/l. Este deterioro en la calidad del agua en la estacin Hormiguero, se asocia al aporte de carga contaminante generado por los ros Palo y Jamund; estas fuentes reciben los vertimientos de las aguas residuales de los municipios de Puerto Tejada y Jamund, respectivamente, adems de las descargas de algunas industrias de produccin de almidn de yuca y productos qumicos. Tramo Hormiguero Mediacanoa: Este es el tramo donde se presenta la mayor contaminacin por materia orgnica. Aqu el Ro Cauca recibe directamente las cargas contaminantes de los municipios de Cali y Vijes, los aportes de los ros Guachal, Cali, Desbaratado, Yumbo, Cerrito y Sonso, y la gran mayora de las industrias que descargan directamente al Ro Cauca, donde se destacan las empresas del sector papelero. En los valores promedio de los tres aos analizados se presenta un descenso brusco en la concentracin de oxgeno disuelto, desde alrededor de 6.0 mg/l en la estacin Puente Hormiguero para las tres condiciones estacionales, hasta 0.48 mg/l y 0.49 mg/l en las estaciones Paso de La Torre y Vijes en la condicin de verano, siendo sta la condicin ms crtica de este parmetro. Este descenso en la concentracin de OD est relacionado con el impacto que genera el vertimiento de cargas contaminantes provenientes de los municipios y las industrias de la zona. En este tramo se evidencian cambios notables en la concentracin mnima de OD para las condiciones de verano (0.48 mg/l en Paso de La Torre) e invierno (2.3 mg/l en Yotoco y Mediacanoa), debido al efecto de dilucin propiciado por los mayores caudales durante la poca invernal.

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4.6

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Captulo 4. Descripcin del ro Cauca y sus tributarios

Figura No. 4.3 Variacin de Caudal, OD, DBO5 y Temperatura en el Ro Cauca Condiciones Estacionales: Invierno, Promedio y Verano Perodo 2001- 2003Tramo: Salvajina La Virginia700 600 Invierno Promedio Verano

Tramo I500 Caudal (m3/s) 400 300 200 100 0 0 50 100

Tramo II

Tramo III

150

200

250

300

350

400

450

9 8 7 6 OD (mg/l) 5 4 3 2 1 0 0

Invierno

Promedio

Verano

Tramo I

Tramo II

Tramo III

50

100

150

200

250

300

350

400

450

8 7 6 DBO5 (mg/l) 5 4 3 2 1 0 0

Invierno

Promedio

Verano

Tramo I Tramo II

Tramo III

50

100

150

200

250

300

350

400

450

27 26 25 Temperatura (C) 24 23 22 21 20 19 18 17 0

Invierno

Promedio

Verano

Tramo I

Tramo II

Tramo III

50

100

150

200

250

300

350

400 Abcisa (km) 450

Basado en: Informacin de monitoreos reportados por CVC durante el perodo 2001-2003Corporacin Autnoma Regional del Valle del Cauca - CVC

4.7

Universidad del Valle

Calibracin del Modelo de Calidad del agua del Ro Cauca

Captulo 4. Descripcin del ro Cauca y sus tributarios

En cuanto a la DBO5 se observa que en este tramo durante las tres condiciones climatolgicas se presenta una tendencia creciente en los valores de este parmetro, alcanzado los mayores valores en las estaciones Paso del Comercio y Vijes (aproximadamente 7.5 mg/l) en la condicin de verano siendo esta la condicin ms crtica. La concentracin de la DBO5 en la mayora de las estaciones durante invierno es mucho menor comparada con las de verano y promedio, debido a una mayor capacidad de dilucin en esta condicin climatolgica. Tramo Mediacanoa - La Virginia: En este tramo se observa una leve recuperacin de la calidad del agua, reflejada en una tendencia creciente en los valores del OD, pasando de valores en el rango entre 1 y 2.3 mg/l en Mediacanoa hasta valores entre 3 y 4.3 mg/l en La Virginia. Sin embargo esta recuperacin no es suficiente para alcanzar el nivel mnimo (5 mg/l) segn la UNESCO (1996), necesario para garantizar la diversidad biolgica en los cuerpos de agua. En cuanto a la DBO5 se observa que en todas las estaciones se presentan concentraciones superiores a 2 mg/l, valores que segn la UNESCO (1996) indican aguas contaminadas, sin embargo al final de este tramo durante las condiciones promedio y verano, se aprecia una leve disminucin en los valores de este parmetro. En este tramo el Ro Cauca recibe las descargas de aguas residuales domsticas e industriales de poblaciones importantes como Buga, Tulu, Bugalagrande y Cartago a travs de los ros tributarios localizados en la zona. Tambin recibe directamente las cargas contaminantes de algunos ingenios y de los municipios de Bolvar, Zarzal y Obando. El mayor aporte de carga contaminante en este tramo est representado por la entrega de los ros tributarios Tulu, La Paila y La Vieja los cuales reciben los vertimientos de las aguas residuales de municipios como Tulu (en el caso del Ro Tula), las aguas mieles del beneficio del caf (en el caso de los ros La Paila y La Vieja) y las descargas de algunas industrias de alimentos e ingenios azucareros. En forma general se observa que en los tres tramos la temperatura del Ro, se encuentra en el rango tpico que se presenta en corrientes superficiales (0-30 C) segn la UNESCO (1996). Adicionalmente se presenta una tendencia creciente hacia aguas abajo en los valores de este parmetro, comportamiento que se explica con la disminucin de la altitud en el recorrido del Ro a su paso por el valle geogrfico. 4.4.2. Ros Tributarios En la Figura No. 4.4 se aprecian los valores promedios de los parmetros temperatura, DBO5, OD y caudal en algunos de los ros tributarios que poseen informacin en las estaciones ms cercanas a la desembocadura del Ro Cauca, en las condiciones climatolgicas invierno, promedio y verano, durante el perodo 2001 2003, en el tramo Salvajina La Virginia. Los principales ros tributarios en trminos de caudal, en su orden son: La Vieja, tanto en invierno (128.5 m3/s) como en verano (39.5 m3/s); Palo (50 m3/s), Jamund (23 m3/s) y Riofro (23 m3/s) en invierno; y Palo (14.4 m3/s) y Riofro (14.5 m3/s) en verano. Hay que mencionar que la intervencin humana mediante el cambio del uso del suelo de bosque natural a pastos naturales destinados a la ganadera extensiva, ha generado una disminucinCorporacin Autnoma Regional del Valle del Cauca - CVC

4.8

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Calibracin del Modelo de Calidad del agua del Ro Cauca

Captulo 4. Descripcin del ro Cauca y sus tributarios

en la capacidad reguladora de las cuencas de los ros, produciendo caudales muy altos en invierno y muy bajos en verano, lo cual afecta directamente el uso y la calidad de sus aguas. En cuanto al oxgeno disuelto se observa que durante la condicin de verano en la desembocadura de los ros Cali, Sonso, Morales, Jamund, Palo, Arroyohondo y Yotoco, presentaron niveles de OD promedio menores al valor mnimo segn la UNESCO (1996) necesario para garantizar la diversidad biolgica en los cuerpos de agua (5 mg/l). Adicionalmente se observa que la situacin mas crtica de contaminacin la presentan los ros Yumbo, Zanjn Oscuro, Tulu y Guachal los cuales durante verano presentaron niveles de OD promedio menores a 1.0 mg/l. Al evaluar la DBO5 se aprecia que en la condicin de verano los ros tributarios que presentaron la mayor concentracin de este parmetro, fueron en su orden: Guachal (185.5 mg/l), Yumbo (171.62 mg/l), Zanjn Oscuro (155 mg/l), Tulu (73.2 mg/l) y Cali (72.3 mg/l). Este grupo de tributarios son los ms poludos de la cuenca del Ro Cauca y su deterioro se debe a que en la mayora de los casos reciben las aguas residuales sin tratamiento de grandes centros poblados. Los nicos ros tributarios que presentaron concentraciones de DBO5 menores a 2 mg/l, lo cual refleja una baja contaminacin segn la UNESCO (1996), fueron: Quinamay y Piedras en ambas condiciones climatolgicas; Yotoco, Guadalajara, Riofro y La Paila, durante invierno; y La Teta, durante verano.

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4.9

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Temperatura (C) Temperatura (C)

DBO55(mg/l) DBO (mg/l)1000 100 10

La Teta Quinamayo Claro Palo Jamundi Zanjon Desbaratado Cali Arroyohondo Yumbo Guachal Amaime Vijes Guabas Sonso Yotoco Mediacanoa Guadalajara Piedras Riofrio Tulua Morales Bugalagrande Paila La Vieja

La Teta

La Teta

Quinamayo

Quinamayo

Claro

Claro

Palo

Palo

Jamundi

Jamundi

Zanjon

Zanjon

Desbaratado

Desbaratado

Cali

Cali

Arroyohondo

Arroyohondo

Figura No. 4.4 Promedio del Caudal, OD, DBO5 y Temperatura en los principales Ros Tributarios del Ro Cauca Tramo: Salvajina La Virginia Perodo: 2001- 2003

Calibracin del Modelo de Calidad del agua del Ro Cauca

Captulo 4. Descripcin del ro Cauca y sus tributarios

INVIERNO VERANO

Yumbo

Yumbo

Guachal

Guachal

Amaime

Amaime

Vijes

Vijes

Guabas

Guabas

Sonso

Sonso

Yotoco

Yotoco

Mediacanoa

Mediacanoa

Guadalajara

Guadalajara

Piedras

Piedras

Riofrio

Riofrio

Tulua

Tulua

Morales

Morales

Bugalagrande

Bugalagrande

Paila

Paila

La Vieja

La Vieja

Corporacin Autnoma Regional del Valle del Cauca - CVCOD (mg/l) OD (mg/l)8 7 6 5 4 3 2 1 03 Caudal (m /s) Caudal (m /s)3

4.101

Universidad del Valle28 27 26 25 24 23 22 21 20

100

10

La Teta

Quinamayo

Claro

Palo

Jamundi

Zanjon

Desbaratado

1

Cali

Arroyohondo

Yumbo

Guachal

Amaime

Vijes

Guabas

Sonso

Yotoco

Mediacanoa

Guadalajara

Piedras

Riofrio

Tulua

Morales

Bugalagrande

Paila

La Vieja

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Captulo 4. Descripcin del ro Cauca y sus tributarios

Al evaluar las cargas contaminantes de DBO5 vertidas por los principales tributarios que conforman la cuenca del Ro Cauca en el tramo Salvajina - La Virginia (Figuras Nos. 4.5 y 4.6), se observa que en promedio vierten 200 ton/da de DBO5 durante invierno y 191 ton/da de DBO5 durante verano. Esta carga es aportada principalmente por los ros Guachal, La Vieja, Cali, Tulu, Zanjn Oscuro, Palo y el Jamund los cuales contribuyen con el 90 % de la carga total vertida por los tributarios durante invierno. En cuanto a la carga contaminante de DBO5 vertida por los tributarios durante verano se observa que los mayores aportes son realizados por los ros Guachal, Tulu, La Vieja y Cali los cuales contribuyen con el 89 % de la carga total vertida.Figura No. 4.5 Distribucin porcentual de la carga promedio de DBO5 vertida en Invierno por los ros tributarios al Ro Cauca Tramo La Balsa Anacaro. Perodo: 2001 2003Jamundi 7% Palo 7% Amaime Riofrio 2% 3% Otros 6% Guachal 22%

Zanjon 10% Tulua 10% La Vieja 21% Cali 12%

Carga total = 200 Ton /da Basado en: Informacin de monitoreos reportados por CVC durante el perodo 2001-2003

Figura No. 4.6 Distribucin porcentual de la carga promedio de DBO5 vertida en Verano por los ros tributarios al Ro Cauca. Tramo: La Balsa Anacaro. Perodo: 2001 2003Palo 3% Cali 10% Riofrio 2% Otros 6% Tulua 35%

La Vieja 11%

Guachal 33%

Carga Total 191Ton /da Basado en: Informacin de monitoreos reportados por CVC durante el perodo 2001-2003

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4.11

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Captulo 4. Descripcin del ro Cauca y sus tributarios

En forma general se observa que en ambas condiciones climatolgicas el ro tributario que presenta la condicin ms crtica en cuanto a aporte de carga contaminante es el ro Guachal, con una carga de 46.74 ton/da en invierno y 62.56 ton/da en verano. El deterioro de la calidad del agua del ro Guachal est relacionado con las descargas de aguas residuales domsticas, industriales y agropecuarias provenientes de los diferentes municipios asentados en su cuenca, las cuales son vertidas directa o indirectamente a travs de los ros Palmira, Bolo, Frayle y Prraga. Entre estos vertimientos se destacan los generados por la industria Sucromiles y la Industria de Licores del Valle, las cuales cuentan con planta de tratamiento de aguas residuales, sin embargo, esto no garantiza una remocin total de la carga contaminante. 4.4.3. Sectores Productivos y Descargas municipales El ro Cauca en su recorrido por la zona de estudio recibe contaminacin de forma directa o indirecta de varios municipios caucanos, tales como: Sotar, Purac, Timbo, Popayn, Totor, El Tambo, Cajibo, Silvia, Inz, Pez, Piendam, Morales, Caldono, Jambal, Toribo, Buenos Aires, Caloto, Corinto, Miranda, Padilla, Santander de Quilichao y Puerto Tejada. En el departamento del Valle de Cauca el deterioro de la calidad del Ro Cauca se hace ms notoria, ya que el municipio de Cali, la zona industrial de Yumbo y las otras cabeceras municipales asentadas a lo largo de la cuenca del ro, entre otras Jamund, Yumbo, Palmira, Guacar, Cerrito, Buga, Vijes, Tulu, Bugalagrande, Riofro, Obando, Bolvar y Zarzal, vierten sus aguas residuales con una alta carga contaminante. Segn la Figura No. 4.7 se observa que durante el ao 2003, en el tramo Salvajina - La Virginia, el mayor aporte de carga contaminante vertida a la cuenca del Ro Cauca en trminos de DBO5, es generado por las descargas municipales de la ciudad de Cali y otros municipios (149.6 ton/da o 66.5 % de la carga total vertida). En cuanto a los sectores productivos se observa que los que mayor carga contaminante aportan son el cafetero (4.6 %), los ingenios azucareros (2.5 %) y la industria papelera (2.0 %). En la Figura No. 4.8 se aprecia que entre los aos 2001 al 2003 se present una leve reduccin en la carga contaminante promedio de DBO5 vertida por la ciudad de Cali al Ro Cauca, disminuyendo desde un valor de 104 ton/da en los aos 2001 y 2002 a 81.6 ton/da en el 2003, lo cual se asocia con la remocin de contaminacin obtenida mediante la PTAR Caaverelejo. Sin embargo la carga contaminante vertida por la Ciudad durante el ao 2003 sigue siendo alta comparada con la carga de los restantes municipios (68 ton/da) y los sectores productivos (75.4 ton/da). Un aumento en la carga contaminante de DBO5 que vale destacar es el que present el grupo de otros municipios, pasando de un valor promedio de 50 ton/da durante los aos 2001 y 2002 a 68 ton/da durante el 2003.

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4.12

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Captulo 4. Descripcin del ro Cauca y sus tributarios

Figura No. 4.7 Aportes de carga de DBO5 vertida por sectores productivos y municipios a la cuenca del Ro Cauca. Tramo: Salvajina La Virginia. Ao 2003Carga Total = 225 Ton/daMpio de Cali 81,6 Ton/dia 36.3%

Otras Industrias: 55 Ton/dia 24.5%

Papeleras: 4,39 Ton/dia 2.0%

Otros Municpios 68 Ton/dia 30.2 %

Ingenios Azucareros 5,61 Ton/dia 2.5% Cafeteros 10,24 Ton/dia 4.6%

Fuente: CVC (2003)

Figura No. 4.8 Variaciones de los aportes de cargas contaminantes de DBO5 de sectores productivos y descargas municipales en la cuenca del Ro Cauca. Tramo: Salvajina La Virginia Perodo: 2001- 2003120 100 ton/da- DBO5 80 60 40 20 0 2001 2002 2003 AO

Cali Otros Municpios

Ingenios Azucareros Otras Industrias4.13

Cafeteros PapelerasFuente: CVC (2003)Universidad del Valle

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Captulo 4. Descripcin del ro Cauca y sus tributarios

Al estudiar la evolucin del aporte de la carga contaminante de DBO5 de los sectores productivos y descargas municipales en la cuenca del valle geogrfico del Ro Cauca en el tramo Salvajina La Virginia, se observa que entre los aos 2001 al 2003 la carga total promedia vertida por los sectores industriales y los municipios a la cuenca del Ro Cauca es de aproximadamente 223 ton/da. En la Figura No. 4.9 se observa el promedio del caudal, la carga de DBO5 y DQO y la temperatura en las principales industrias que virtieron a la cuenca del Ro Cauca en el tramo Salvajina La Virginia durante el perodo 2001- 2003. En esta Figura se destacan los altos valores de caudales y las altas cargas de los vertimientos generadas por las industrias del sector papelero y los ingenios azucareros, cargas que sin embrago no han presentado un aumento notable en los ltimos aos, debido a la implementacin de sistemas de tratamiento de aguas residuales, como una respuesta a las polticas de seguimiento y control por parte de la CVC.

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4.14

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Tem peratura (C) Temperatura(C)

Carga DBO CargaDBO55 (Kg/d) (Kg/d)10000 1000 100

Bateras MAC

Bateras MAC

Bateras MAC

Cartones del Valle

C artones del Valle

C artones del Valle

Cementos del Valle

C ementos del Valle

C ementos del Valle

Fadepal

Fadepal

Fadepal

Goodyear

Goodyear

Goodyear

Ing Carmelita

Figura No. 4.10. Promedio del Caudal, carga de DBO5, carga de DQO y Temperatura en las principales industrias que vierten a

Figura No. 4.9 Promedio del Caudal, Carga de DBO5 , Carga de DQO y Temperatura en la Principales Industrias que Vierten a la Cuenca del Ro Cauca - Tramo: Salvajina La Virginia Perodo: 2001 - 2003

Calibracin del Modelo de Calidad del agua del Ro Cauca

Tramo: Salvajina La Virginia Perodo: 2001- 2003

Captulo 4, Descripcin del Ro Cauca y sus Tributarios

2002 2003

Ing C armelita

Ing C armelita

Lloreda Grasas

Lloreda Grasas

Lloreda Grasas

Propal

Propal

Propal

Smurfit Cartn Colombia

Smurfit C artn C olombia

Smurfit C artn C olombia

Tecnoq.Yumbo

Tecnoq.Yumbo

Tecnoq.Yumbo

W hitehall

W hitehall

W hitehall

Corporacin Autnoma Regional del Valle del Cauca - CVCCarga DQO Carga DQO (Kg/d) (Kg/d)100000 10000 1000

4.1510 1

Universidad del Valle34 32 30 28 26 24 22 20

Caudal (l/s) Caudal (l/s)

1000

100

100

10

10

1

Bateras MAC

1

C artones del Valle

C ementos del Valle

2001Fadepal Goodyear Ing C armelita Lloreda Grasas Propal Smurfit C artn C olombia Tecnoq.Yumbo W hitehall

CAPITULO 5 METODOLOGA PARA LA OPTIMIZACIN DEL MODELO DE CALIDAD DEL AGUA Y SUS APLICACIONES

Calibracin del Modelo de Calidad del agua del Ro Cauca

Captulo 5, Metodologa

5. METODOLOGA PARA LA OPTIMIZACIN DEL MODELO DE CALIDAD DEL AGUA Y SUS APLICACIONES5.1. ASPECTOS GENERALES

La utilizacin de modelos matemticos para simular los procesos de transporte y dispersin de los contaminantes vertidos en medios receptores ha experimentado un auge creciente en las ltimas dcadas. Esto debido a la necesidad de estudiar o evaluar la contaminacin producida por las aguas de vertido y su posible impacto en el medio receptor ya que afecta el desarrollo de las actividades humanas y, en general, la calidad del medio ambiente (Lpez et al, 2003). Para que estos modelos puedan representar con la mayor fidelidad la realidad estudiada, es necesario someterlos a un proceso de calibracin y verificacin. La importancia de este proceso radica en que si el mismo es muy confiable, la modelacin ser una herramienta muy til para tomar las mejores decisiones con respecto al manejo del recurso hdrico. El proceso de implementacin de un modelo no est libre de dificultades, entre las que pueden mencionarse las siguientes (Robinson, 19991): No se dispone de datos para comparar los resultados del modelo (o los datos disponibles no son suficientemente precisos). No se dispone del tiempo y los recursos necesarios para la calibracin. No se conoce un umbral que determine la precisin que se requiere de los resultados.

Por ello se hace necesaria una estrategia lo ms estructurada posible para que dicho proceso de calibracin aproveche al mximo los recursos y la informacin disponible. 5.2. IMPLEMENTACIN DEL MODELO DE CALIDAD DEL AGUA

La implementacin del modelo comienza con la representacin de las caractersticas hidrogeomtricas del ro (esquematizacin) y la definicin de los datos de entrada (bases de datos de las fronteras y los parmetros de calibracin) y las variables de salida del modelo (DBO5, OD y Temperatura, en este estudio), segn lo requiera el sistema a modelar. En la modelacin de las corrientes superficiales se distinguen dos tipos de fronteras: internas y externas. Las fronteras externas corresponden a las estaciones de monitoreo ubicadas aguas arriba y aguas abajo del tramo en estudio. En esta fase del Proyecto PMC las fronteras externas del Ro Cauca corresponden a las Estaciones Paso de La Balsa y La Virginia. Las fronteras internas corresponden a los ros tributarios, las extracciones y los vertimientos para los cuales se dispone de informacin de caudales y calidad del agua.1

Mencionado por Lpez et al (2003) 5.1Universidad del Valle

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Calibracin del Modelo de Calidad del agua del Ro Cauca

Captulo 5, Metodologa

La esquematizacin del modelo de calidad del agua del Ro Cauca corresponde con la adoptada para el modelo hidrodinmico (es decir las mismas secciones transversales y espaciamiento mximo, X, para satisfacer la condicin de Courant). A diferencia de la esquematizacin hidrodinmica, para la modelacin de la calidad del agua los ros tributarios se esquematizaron como descargas puntuales sobre el Ro Cauca, debido a que no se dispona de la informacin suficiente de los parmetros de calidad del agua en las fronteras hidrodinmicas en los ros tributarios. Adicionalmente se realiz la actualizacin de las bases de datos para establecer las condiciones de las fronteras internas del modelo de calidad del agua con base en la informacin disponible en CVC. Se verific y actualiz la informacin relacionada con la localizacin de las industrias que vierten sus aguas residuales directamente al Ro Cauca. Como se mencion anteriormente, para la calidad del agua el oxgeno disuelto se constituye en el parmetro de calidad ms crtico. Esta fase del proyecto se orient a optimizar la calibracin de los procesos relacionados con el oxgeno disuelto. En especial se aprovech el conocimiento recientemente adquirido sobre la variacin temporal de los parmetros de calidad del agua y la estimacin de la demanda bntica (Baena et al, 2003). Cada frontera fue provista con una base de datos conformada por los parmetros de calidad del agua (Temperatura, DBO5 y OD) y el caudal en la desembocadura. 5.3. CONSTRUCCIN DE LAS BASES DE DATOS

Para construir las bases de datos se utiliz la informacin registrada en la campaa de muestreo de Agosto de 2003. Se usaron las series de datos continuos de calidad del agua y caudales en las fronteras externas y las 14 fronteras internas (las de mayor impacto en la calidad del agua). Las restantes 53 fronteras fueron completadas con informacin de la base de datos de la CVC para una condicin de verano (QJuanchito = 140 m3/s). Las bases de datos se construyeron para simulaciones bajo condiciones de flujo no permanente. Las series de tiempo para las fronteras no monitoreadas en la campaa de agosto de 2003 se conformaron as: (i) para los caudales se tomaron los valores diarios reportados por CVC en los diferentes tributarios, (ii) para definir los parmetros de la calidad del agua se calcularon los promedios de los registros histricos de los monitoreos con propsitos de control en el perodo 2000-2003, realizados por CVC en las desembocaduras de los tributarios durante la condicin climatolgica de verano y, (iii) para las industrias se us la informacin reportada ante CVC para el cobro de tasas retributivas correspondiente al perodo 2000-2002, as como los valores registrados por CVC durante los muestreos de control de las industrias. Estos promedios de OD, DBO5 y temperatura se definieron como condiciones de frontera. Debido a que generalmente no se dispone de informacin de campo en todas las secciones y puntos de la red esquematizada en el instante t = 0 (es decir, no se dispone de las condiciones iniciales reales en toda la red), el modelo requerir de un perodo de adaptacin a las condiciones reales. Durante la Fase I del proyecto PMC este perodo result ser de unaCorporacin Autnoma Regional del Valle del Cauca - CVC

5.2

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Calibracin del Modelo de Calidad del agua del Ro Cauca

Captulo 5, Metodologa

duracin de unos 4 o 5 das. Esto implic construir series para un perodo de 10 das. Debido a que en la campaa de muestreo se registr informacin durante 5 das (del 19 al 24 de Agosto de 20003), fue necesario construir las series de tiempo faltantes del 14 al 19 de agosto. Para ampliar las series se adoptaron los caudales medios y las concentraciones medias de los parmetros de calidad del agua medidos en el perodo 19-24 de agosto de 2003. 5.4. CALIBRACIN DEL MODELO DE CALIDAD DEL AGUA

La calibracin de un modelo de calidad del agua es un proceso complejo que procura la obtencin de un conjunto de valores de los parmetros de calibracin que minimicen la discrepancia entre los datos medidos en campo y los calculados por el modelo. En el nivel I del modelo de calidad del agua de MIKE 11 se tienen 12 parmetros de calibracin, por lo cual el proceso de ajuste demanda importantes recursos en trminos de tiempo computacional y del modelador. Por esta razn en la Fase II del Proyecto PMC se plante la optimizacin de la calibracin del modelo mediante una anlisis de sensibilidad de primer orden, as como un anlisis de la incertidumbre en las respuestas del mismo. La metodologa adoptada parte de la calibracin realizada en la primera fase del Proyecto PMC. Este es el mtodo tradicional donde, a travs del ensayo y error, el modelador vara los parmetros de calibracin y comprueba simultneamente la bondad del ajuste del modelo, normalmente en un grfico de datos de campo contra las respuestas del modelo. Sin embargo, aceptando que la calibracin del modelo es un proceso complejo, que requiere de mtodos de calibracin bien estructurados, se siguieron las metodologas propuestas por Lpez et al, 2003 (Efecto Relativo) y por Freer et al, 1996 y Camacho et al, 2002 (Estimacin de la Incertidumbre Generalizada, GLUE). La metodologa adoptada para este estudio incluye los siguientes pasos: el anlisis de sensibilidad de primer orden, la calibracin, el anlisis de incertidumbre y la verificacin del modelo calibrado. Anlisis de Sensibilidad de Primer Orden

Debido a la complejidad de los modelos de calidad del agua, son muchos los parmetros que deben ser estimados para que el modelo describa adecuadamente el sistema. Como algunos parmetros son ms importante que otros en las respuestas del modelo, es posible dedicar los mayores esfuerzos en la calibracin a los parmetros ms relevantes. Para encontrar los parmetros que son ms influyentes se realiz un anlisis de sensibilidad de primer orden basado en la metodologa de la estimacin del efecto relativo (ER) presentada por Chapra (1997) y aplicada por Lpez (2003). Para estimar el efecto relativo se usa la derivada de la funcin con respecto al parmetro como un estimativo de la sensibilidad. Para derivar la funcin objetivo se aplica la serie de expansin de Taylor de primer orden. En la prctica se usa la Ecuacin No 5.1:Corporacin Autnoma Regional del Valle del Cauca - CVC Universidad del Valle

5.3

Calibracin del Modelo de Calidad del agua del Ro Cauca

Captulo 5, Metodologa

C (k + k ) C (k k ) 2C (k ) ER = k k donde:k: C (k ) : k : C (k +k ) :

(5.1)

Valor del parmetro de calibracin Concentracin promedio calculada por el modelo en el tramo del ro evaluado, para un valor k del parmetro de calibracin Variacin del valor del parmetro de calibracin Concentracin promedio calculada por el modelo en el tramo del ro evaluado, para un valor k + k o k - k del parmetro de calibracin

Para calcular los valores de la funcin del efecto relativo se realizaron varias corridas del modelo variando slo un parmetro y fijando los dems. Los valores iniciales de los rangos de variacin de los parmetros de calibracin se adoptaron con base en los valores reportados en la literatura cientfica y los valores identificados en la calibracin de la Fase I del Proyecto PMC. Con base en las respuestas del modelo para cada uno de los valores de ki se calcularon los efectos relativos de los parmetros de calibracin para cada una de las variables de respuesta del modelo (OD, DBO5 y Temperatura). Con los efectos relativos se construy una tabla en orden descendente de los parmetros de calibracin dependiendo de su efecto relativo y se construyeron los grficos del efecto relativo para cada parmetro de salida. De esta manera se determinaron los parmetros que podran ser fijados durante la calibracin y los que deban ser evaluados con una mayor dedicacin.

Calibracin del Modelo de Calidad

Una vez definidos los parmetros de calibracin que tienen un efecto relativo significativo se inici el proceso de ajuste. Los parmetros con los menores efectos relativos se dejaron fijos durante el proceso teniendo como base los valores reportados en la literatura cientfica y la experiencia previa en la calibracin del modelo en la Fase I del Proyecto PMC. Debido a que en algunas fronteras no se dispona de todas las series de tiempo de los caudales lquidos para todo el periodo de calibracin, fue necesario completar dichas series. Para ello se utiliz el modelo hidrodinmico mediante el cual se estim el desbalance de caudales en las estaciones de monitoreo sobre el Ro Cauca, correspondiente a las diferencias entre los valores observados y los calculados. Una vez ajustados los caudales se procedi a ajustar los parmetros de calidad del agua. La temperatura fue el primer parmetro de calidad del agua en ajustarse; y posteriormente se procedi con el ajuste de la DBO5 y el OD. La calibracin de los parmetros para la Temperatura, el OD y la DBO5 se inici a partir de los parmetros obtenidos en la calibracin de la Fase I del Proyecto PMC. Con este ajuste preliminar de los parmetros deCorporacin Autnoma Regional del Valle del Cauca - CVC

5.4

Universidad del Valle

Calibracin del Modelo de Calidad del agua del Ro Cauca

Captulo 5, Metodologa

calibracin se realizaron las corridas del modelo y se calcul el desbalance en la DBO5 y el OD. La carga de DBO5 faltante en el modelo se incluy modificando las series de tiempo en las horas donde no se dispona de registros, especialmente en las horas nocturnas. Este mtodo tambin fue aplicado en la modelacin del Ro Tualatin (EUA) para ajustar el balance de caudales (Rounds y Wood, 2001). La calibracin del modelo se efectu comparando los resultados del modelo con los datos medidos en las estaciones sobre el Ro Cauca, es decir, se usaron las series de tiempo en las estaciones Hormiguero, Juanchito, Puerto Isaacs, Paso de La Torre, Mediacanoa y Anacaro, como series de comparacin. La capacidad del modelo para simular las condiciones medidas fue evaluada usando el estimador estadstico de ajuste del error cuadrtico medio (ECM).

Anlisis de Incertidumbre

Una vez se redujo la incertidumbre en las series de tiempo usadas para las fronteras del modelo se procedi a evaluar el ajuste de los parmetros de calibracin utilizando la meto