Propuesta de Investigacion Gabriel

Modelo de Simulación de la Calidad del Agua para el Río Quindío 1

1. INTRODUCCION

A partir de la expedición de la ley 99 del 22 de diciembre de 1993, por la cual se creó el Ministerio del Medio Ambiente, se ha identificado la necesidad de adelantar estudios e investigaciones ambientales y regulaciones de control de la contaminación ambiental a nivel nacional y a nivel regional, aún más exigentes dado el rigor subsidiario que menciona la ley para las entidades encargadas de la gestión ambiental regional y local como son Corporaciones Autónomas Regionales (CARs), Centros o Institutos de Investigaciones, Instituciones Académicas como las Universidades, organizaciones no gubernamentales (ONGs) y en general la sociedad civil.

Dentro de las funciones del Centro de Estudios Ambientales (CEA) de la Facultad de Ingeniería de la Universidad del Quindío, se han propuesto este tipo de estudios, los cuales, contribuyen a identificar e investigar algunos aspectos relacionados con la planificación y protección ambiental a nivel local y regional.

El río Quindío es el cuerpo de agua más importante de la Cuenca del mismo nombre, El Municipio de Armenia con una población alrededor de 300.000 habitantes, que hacen uso del río para las diferentes actividades cotidianas : consumo humano, producción ictiológica, procesos industriales y recreación, han convertido la corriente en colector de aguas residuales domesticas e industriales. A medida que la Ciudad de Armenia y su zona de influencia ha crecido demográficamente, genera una expansión de sus actividades agrícolas y manufactureras, la contaminación del rio Quindío se incrementa proporcionalmente, hasta convertirse en una amenaza ambiental y sanitaria para sus habitantes.

Para implementar y desarrollar un programa de descontaminación del Río Quindío, amerita el dimensionamiento de un nuevo sistema de planeación soportado esencialmente en aplicación de modelos de simulación como herramientas o instrumentos tecnológicos que ayuden en la formulación y discusión de propuestas sectoriales para el control de la calidad de las aguas en dicho río y sus principales afluentes.

Dentro de los modelos existentes en el mundo para la modelación de la calidad del agua en ríos, proponemos como instrumento de planeación en cantidad y calidad del recurso hídrico del río Quindío, el modelo QUAL2E implementado por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) y aplicado con satisfactorios resultados en varios ríos en el mundo incluidos algunos ríos en Colombia (Río Medellín, Bogotá, Tunjuelo, Embalse de Muña, entre otros).

Universidad del Quindío

Facultad de Ingenierías - Programa de Ingeniería CivilCentro de Estudios Ambientales

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Cabe anotar el protagonismo actual que ha asumido la valoración de los recursos naturales a través de las cuencas hidrográficas y en forma especial el recurso hídrico gravemente afectado por diversos factores principalmente por las actividades antrópicas, los cuales producen una pérdida en la calidad o depreciación de dicho recurso, que de algún modo a de cuantificarse a fin de evaluar los costos de su recuperación mediante instrumentos económicos tales como las Tasas Retributivas.



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2. JUSTIFICACION

Considerando los distintos usos del suelo a lo largo de la cuenca del río Quindío, que afectan la calidad de las aguas en dicho río, entre los que se pueden resaltar: los planes de expansión urbana en las ciudades de Armenia, Calarcá y el corregimiento El Caimo, la extracción de volúmenes de agua, los vertimientos de algunas fabricas y procesos industriales (mataderos, curtiembres,etc); es importante adoptar una herramienta de planificación ambiental para el recurso hídrico más importante de la región, con el cual se implementen políticas de descontaminación, se determine el grado de eficiencia que deben tener los tratamientos de las aguas residuales, además de contribuir a nivel regional con los planes de ordenamiento territorial (PORTE) y a nivel nacional con las políticas del Sistema Nacional Ambiental SINA propuesto con la Ley 99 de 1993.

Dadas las circunstancias acaecidas en nuestro departamento, a raíz del sismo del 25 de enero del año en curso, los cuerpos de agua se afectaron ampliamente por el aporte de sólidos, producto tanto, de los diferentes deslizamientos en cada una de las microcuencas abastecedoras del río Quindío, como de los escombros generados en las diferentes demoliciones (más de 3.000 resoluciones de demolición a la fecha)1 en los municipios que drenan las aguas de escorrentía al mencionado río. La implementación de un modelo de simulación, nos permite profundizar en la hidrodinámica propia del río para conocer los efectos del aporte de sedimentos al cuerpo de agua.

La simulación de la calidad del río, permite fundamentar el programa para el cobro de las Tasas Retributivas por la autoridad ambiental de la región.

1 INVIAS. Regional Quindío.



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3. OBJETIVOS

3.1 OBJETIVO GENERAL.

Realizar un estudio de Ordenamiento del Río Quindío mediante la implementación de un Modelo de Simulación de la Calidad del Agua para dicho río en temporadas de invierno y verano.

3.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS.

1. Implementar un modelo matemático que simule la calidad de las aguas del Río Quindío con respecto a los siguientes parámetros:

Oxígeno Disuelto Oxígeno Neto contribuido por algas Demanda Bioquímica de Oxígeno carbonácea (puntual) Demanda Bioquímica de Oxígeno nitrogenado (puntual) Coliformes Totales y Fecales Demanda Béntica de Oxígeno Sólidos Suspendidos Temperatura Nitrógeno Orgánico como Nitrógeno Nitrógeno Amoniacal como Nitrógeno Nitrógeno en Nitritos Nitrógeno en Nitratos Fósforo en Fosfatos.

2. Determinar escenarios de saneamientos para el Río Quindío con base en los resultados que se obtengan de la simulación que conduzcan a mejorar la calidad del agua del río.

3. Definir estrategias, planes, programas y proyectos que tracen líneas para el ordenamiento de el área de estudio.

4. Plantear y definir bases técnicas para la aplicación del modelo en escenarios con información escasa en tramos y afluentes (ríos , quebradas) sobre las cuales se desarrollan actividades que tienen un alto efecto contaminante sobre el río.



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4. ANTECEDENTES

El avance en el conocimiento, en años recientes, de los efectos acumulativos de la contaminación en los cuerpos de agua, ha llevado a una mayor preocupación general y a una legislación cada vez más exigente en lo concerniente a la descarga de residuos líquidos domésticos e industriales en los ríos, lagos y estuarios.

En Colombia se viene actualizando la normatividad relacionada con el recurso hídrico, entre las más relevantes se destacan: El Código de los Recursos Naturales Renovable (Ley 23 de 1973 y el Decreto-ley 2811 de 1974) , el Código Sanitario Nacional (Ley 09 de 1979), El Decreto 2105 de 1983, El Decreto- ley 1594 de 1984, El Decreto 475 de 1.998, la Ley 99 de 1993 y sus decretos reglamentarios (Decreto 901 de 1997) que actualizan estas normas y que están encaminadas a la protección, preservación y conservación del recurso hídrico, e imponen obligaciones y restricciones a las personas naturales y jurídicas para la utilización adecuada de este vital recurso. El Río Quindío es la fuente de suministro del municipio de Armenia y parte de su caudal es utilizado para el suministro del municipio de Circasia. En su cuenca alta se utiliza para fines recreacionales, uso estético, agropecuario, ictiológicos, domésticos; en su parte media y baja se utiliza para industria, recreación, uso estético, generación de energía, extracción de material de arrastre, receptor de vertimientos y eventualmente para riego y uso pecuario2.

2 Términos de Referencia Corporación Autónoma Regional del Quindío C.R.Q. 1998



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El vertimiento de los efluentes contaminantes generados en la ciudad de Armenia se hace sin ningún tipo de tratamiento en la mayoría de las veces, o en forma insuficiente en otras, dando como resultado la contaminación progresiva de la corriente de agua.

El aporte de los sedimentos al río por los deslizamientos de taludes y los escombros generados por las demoliciones de la región, luego del sismo del 25 de enero del año en curso, generando problemas de contaminación en el cuerpo de agua que afectan el recurso ictiológico en dicho río.

En la actualidad aún no se ha implementado un modelo de simulación de la calidad del agua para el Río Quindío, sin embargo, se tienen como antecedentes algunos estudios a nivel regional y nacional, tales como:

Estudio de factibilidad sobre el proyecto de desarrollo agrícola integrado de la cuenca del Quindío. Julio 1991. Agencia de Cooperación Internacional del Japón (JICA).

Metodología de un modelo de simulación para la calidad del agua para los ríos Espejo, Quindío, Cristales, Santo Domingo. Corporación Autónoma Regional del Quindío CRQ.

Calidad del Agua de las Principales Cuencas del Departamento del Quindío. Sanabria, M.J. Estudio realizado para la Corporación Autónoma Regional del Quindío CRQ. 1997

Modelo de simulación Río Medellín. Empresas Públicas de Medellín. Modelo de simulación Río Rionegro-Nare. CORNARE. Modelo de simulación Río Cauca. CVC. Modelo de simulación Río Bogotá. CAR. Modelo de simulación Río Tunjuelo. CAR. Modelo de simulación Embalse de Muña. CAR - EEB -Universidad de los Andes.



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5. PROBLEMA A ESTUDIAR

Básicamente el problema a estudiar es el comportamiento de la contaminación de las aguas del Río Quindío debido a la inclusión de aguas residuales originadas por los distintos usos del agua en la cuenca de dicho río.

Considerando que toda corriente de agua tiene su propia capacidad de autodepuración, para el caso del Río Quindío es necesario estudiar su poder de autodepuración de acuerdo a sus constantes de reacción para distintos escenarios de contaminación.



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6. AREA DE ESTUDIOEl área de estudio se denomina Cuenca Hidrográfica de Río Quindío, comprende una extensión aproximada de 657 Km2 y está localizada en jurisdicción del departamento del Quindío. (Ver Mapa Area de Estudio Río Quindío).

El río nace en el páramo del Quindío a una altura de 3.780 m.s.n.m y tiene una longitud de unos 70 Km. Conjuntamente con el Río Barragán conforma e Río La Vieja, el cual finalmente desemboca sobre el Río Cauca.

El Río Quindío es la fuente de suministro del municipio de Armenia y parte de su caudal es utilizado para el suministro del municipio de Circasia. En su cuenca alta se utiliza para fines recreacionales, uso estético, agropecuario, ictiológicos, domésticos; en su parte media y baja se utiliza para industria, recreación, uso estético, generación de energía, extracción de material de arrastre, receptor de vertimientos y eventualmente para riego y uso pecuario.

En general la cuenca presenta una distribución de la precipitación bimodal, un período sin lluvia (Enero-Febrero, Julio-Septiembre) y un período lluvioso (Marzo-Mayo, Octubre-Diciembre); siendo el último invierno el más fuerte del año. El río tiene instaladas dos Estaciones Limnigráficas, una en a estación de la Bocatoma del Acueducto de Armenia, la cual tiene un caudal medio de 5.2 M3/S; y otra en la estación de Calle Larga donde el caudal medio es de 12 M3/S.



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7. ALCANCES

El presente estudio, pretende contribuir al conocimiento de la problemática de contaminación del Rio Quindío, haciendo énfasis en la calidad de sus aguas y la capacidad de recuperación propia del río, dando alternativas para la implementación y mejor viabilidad de los planes de descontaminación a nivel regional, garantizando sistemas de tratamiento de aguas residuales domésticas e industriales adecuados a las necesidades para dicha recuperación del río.

El alcance del presente estudio es determinar el grado de contaminación del Río Quindío en cuanto a los parámetros de calidad antes mencionados e implementar un modelo de simulación como herramienta computacional para la planificación ambiental del río.

Dado que implementar un plan de descontaminación del río Quindío requiere la inversión significativa de recursos económicos, es indispensable optimizar la asignación de estos recursos mediante la evaluación técnica, económica, y ambiental del proyecto, con el fin de que los encargados de la gestión ambiental tengan suficientes elementos de juicio para la toma de decisiones.



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8. METODOLOGIA

8.1. INFORMACIÓN PRELIMINAR

- Recopilación y evaluación de la información existente: -Cartografía-Registros históricos de caudales-Registros de precipitación y temperatura-Estudio hidrológico Cuenca Río Quindío -Usos actuales de la corriente-Registros e información sobre el estado de calidad de la corriente.

8.2. TRABAJO DE CAMPO

- Identificación de afluentes (naturales y artificiales)- Identificación de efluentes (domésticos e industriales)- Identificación de los tramos a modelar del río- Batimetría del río

- Identificación de efluentes industriales- Muestreo calidad de las aguas en temporada de invierno

- Aforos temporada de invierno

- Muestreo calidad de las aguas en temporada de verano

- Aforos temporada de verano

- Recolección de bentos

8.3. TRABAJO DE LABORATORIO

Las muestras serán analizadas en el Laboratorio de Investigaciones en Aguas del Programa de Biología Ambiental de la Universidad del Quindío. Con el propósito de convalidar los resultados de los análisis en la caracterización de las aguas del río, se tiene previsto tomar contramuestras tanto en temporadas de invierno y verano y analizarlas en el laboratorio del Centro de Investigaciones en Ingeniería Ambiental (CIIA) de la Universidad de los Andes en Santafé de Bogotá D.C.



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A continuación se presentan las actividades en los laboratorios:

- Caracterización de la calidad de las aguas muestreo invierno (Incluidas contramuestras llevadas a la Universidad de los Andes), se analizarán los siguientes parámetros:

Temperatura DBO Carbonacea DBO nitrogenada (Se analiza en el Laboratorio del CIIA Uniandes) Oxígeno Disuelto Coliformes totales y fecales Producción de oxígeno por algas Nitrógeno Orgánico como Nitrógeno Nitrógeno Amoniacal como Nitrógeno Nitrógeno en Nitritos Nitrógeno en Nitratos Fósforo en Fosfatos.

- Caracterización de la calidad de las aguas muestreo verano (Incluidas contramuestras llevadas a la Universidad de los Andes), se analizarán los mismos parámetros del muestreo en invierno.

- Implementación de técnicas de laboratorio para determinar constantes de reacción- Determinación de las constantes de reacción

8.4 TRABAJO DE OFICINA

Los trabajos de oficina se harán tanto en el Centro de Estudios e Investigaciones de la Facultad de Ingeniería en la Universidad del Quindío, como en el Centro de Innovación y Desarrollo Tecnológico (CITEC) de la Universidad de los Andes en Santafé de Bogotá. En dichos trabajos se realizarán las siguientes actividades:

- Análisis de la Información preliminar- Selección del Modelo de Simulación a implementar- Análisis de los resultados de Laboratorio- Implementación de Estaciones de Aforos y muestreos a lo largo del río- Implementación del Modelo de Simulación para invierno y verano- Calibración del Modelo- Escenarios de Saneamiento para el río- Conclusiones y recomendaciones para futuros estudios- Implementación del modelo de simulación para tramos y afluentes con poca

información.



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9. PROPUESTA MODELO DE CALIDAD PARA EL RIO QUINDIO

9.1. Revisión de Modelos

Teniendo en cuenta los requerimientos especificados en los términos de referencia de la CRQ, se realizó una revisión minuciosa de los modelos presentados en la Tabla 1, a fin de seleccionar el que cumpla con la totalidad de los requisitos señalados.

Se podría decir, con base en experiencias previas, que el modelo QUAL2E es el que mas se ajusta a estos requisitos. A continuación se hará una breve referencia al modelo QUAL2E.

9.2. Descripción del modelo QUAL2E

El modelo computacional QUAL fue creado por la Texas Water Development Board en la década de los 60´s, y fue mejorado sustancialmente por la EPA (U.S Environmental Protection Agency) hasta llegar a la versión actual conocida como QUAL2E la cual se encuentra bajo versión Windows que la hace muy amigable al usuario. El programa se puede ejecutar en cualquier computador personal siempre y cuando tenga Windows versión 3.1, Windows 95 o Windows 98; no trabaja bajo Windows NT.Este modelo puede simular 15 parámetros de calidad del agua en cualquier combinación deseada por el usuario. Es aplicable a flujos dendríticos completamente mezclados y utiliza una solución por diferencias finitas para la solución de las ecuaciones de transporte de masas advectivo y dispersivo. En este modelo, se divide el río en tramos, y estos a su vez en elementos computacionales, para cada uno de los cuales se realiza un balance hidrológico en términos de caudal (m³/s), un balance térmico (°C), y un balance de masas en términos de la concentración de los parámetros a modelar. El programa requiere el ingreso de datos hidráulicos, hidrológicos, climatológicos y de calidad del río a modelar.



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10. MARCO TEORICO

10.1. Parámetros hidráulicos e hidrológicos requeridos por el modelo

El modelo requiere información acerca de secciones transversales del río, coeficientes de rugosidad de Manning, velocidad del flujo, caudales y pendientes.Con estas entradas, el programa es capaz de simular cambios en las condiciones del flujo a lo largo de la corriente por medio del cálculo de perfiles de la superficie del agua en estado permanente.Es necesario establecer curvas de calibración de velocidad y de profundidad contra el caudal del río. Para esto, será necesario realizar varios aforos y determinar secciones transversales a lo largo del río y revisar la información de las estaciones vecinas.Estas curvas de calibración son las siguientes:V = a(Q)b

Donde

V : velocidad, m/sa. : intercepto de la curva LogV vs LogQb. : pendiente de la curva LogV vs LogQy PM = (Q)

donde

: intercepto de la curva Log PM vs LogQpendiente de la curva Log PM vs Log QPM : profundidad media, mQ: Caudal, m³/s

10.2. Parámetros de Calidad requeridos por el modelo

Se requieren curvas reales de concentración contra distancia de los parámetros de calidad a modelar, necesarias en el proceso de calibración y verificación del modelo. Mas adelante se describirá en detalle esta actividad.

10.3. Funcionamiento del modelo y parámetros capaces de modelar

Los balances de masa que desarrolla internamente el programa determinan las concentraciones de minerales conservativos, coliformes y elementos no conservativos para



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cada elemento computacional. Además, se incluye la transformación de nutrientes, producción de algas, demanda béntica y carbonácea, reaireación atmosférica, y los efectos de los procesos relacionados al balance de oxígeno disuelto. QUAL2E usa clorofila como el indicador de la cantidad de biomasa relacionada a las algas. El modelo es capaz de modelar el ciclo del nitrógeno, el cual es dividido en cuatro etapas, nitrógeno orgánico, nitrógeno amoniacal, nitrógeno como nitrítos y nitrógeno como nitratos. De manera similar, el ciclo del fósforo es modelado usando dos etapas. La principal demanda de oxígeno disuelto en el modelo es la demanda bioquímica de oxígeno. Las mayores fuentes de oxígeno son la fotosíntesis de las algas y la reaireación atmosférica.En términos generales, los parámetros que se pueden modelar con esta herramienta son los siguientes:

Temperatura DBO Carbonacea DBO nitrogenada Oxígeno Disuelto Coliformes totales y fecales Producción de oxígeno por algas Nitrógeno Orgánico como Nitrógeno Nitrógeno Amoniacal como Nitrógeno Nitrógeno en Nitritos Nitrógeno en Nitratos Fósforo en Fosfatos. Además se pueden modelar tres parámetros conservativos y tres no conservativos.

Cabe anotar que los sólidos suspendidos se pueden modelar como un parámetro no conservativo.

El modelo QUAL2E puede operar tanto para condiciones permanentes como para condiciones cuasi-dinámicas.

En el estado cuasi-dinámico el usuario puede estudiar el efecto de las variaciones diurnas en los datos meteorológicos sobre la calidad del agua (principalmente oxígeno disuelto y temperatura) y también se pueden estudiar las variaciones de oxígeno disuelto a lo largo del día debidas a la fotosíntesis y respiración de las algas.

10.4. Geometría permitida por el modelo



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El modelo computacional QUAL2E permite al usuario modelar unidimensionalmente un río o conjunto de ríos ramificados mediante la conformación de un sistema de redes, de tal manera que es posible la modelación del río Quindío modelando además los diferentes afluentes que tributen sus aguas a el.También se puede tener en cuenta cargas puntuales y distribuidas a lo largo del río. A su vez es factible la modelación incluyendo sistemas de tratamiento para cada una de estas entradas al río principal.Permite además calcular el aumento en flujos por adición de agua de dilución para lograr un nivel deseado de oxígeno disuelto.

10.5. Calibración del modelo

La confiabilidad de un modelo de calidad de agua se determina en la medida de su capacidad para simular las condiciones actuales de los diferentes parámetros que se haya decidido analizar. Esto es, que los resultados arrojados por el modelo deben ser sensiblemente parecidos a los encontrados mediante las técnicas de laboratorio. Esto se llama calibración del modelo.Con el objeto de tener un conjunto representativo de muestras se realizará un muestreo en el periodo de verano y otro en el periodo de invierno. Los muestreos se realizarán en las estaciones que se dispongan para tal fin y los parámetros que se deberán obtener serán los siguientes: Temperatura DBO Carbonacea DBO nitrogenada Oxígeno Disuelto Demanda Béntica Coliformes fecales y totales Producción primaria Clorofila Nitrógeno Orgánico Nitrógeno Amoniacal Nitritos Nitratos Fósforo en Fosfatos.

Las estaciones de muestreo se determinarán teniendo en cuenta las homogeneidad de las características geométricas e hidrológicas que definan el comportamiento de autodepuración de la corriente para los parámetros en cuestión.

De los resultados obtenidos en laboratorio se desarrollarán curvas de concentración del parámetro medido contra la distancia recorrida. La bondad del ajuste entre los valores obtenidos por el modelo y los medidos en campo se evaluará mediante un análisis



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estadístico utilizando el método de los mínimos cuadrados, obteniendo un intervalo de confianza que garantice la consistencia de los valores.

10.6. Constantes de Reacción

En los modelos de calidad se hace fundamental conocer las distintas constantes que determinan la tasa a la que reaccionan los diferentes parámetros de calidad. Las constantes que será necesario hallar son las siguientes: Constante de decaimiento de la DBO. Constante de sedimentación de la materia orgánica. Demanda Béntica. Constante de reaireación. Constante de decaimiento del Nitrógeno orgánico Constante de sedimentación del Nitrógeno orgánico Constante de decaimiento del Nitrógeno Amoniacal Constante de decaimiento del Nitrógeno como Nitrito Constante de decaimiento del Fósforo Constante de respiración de las algas Constante de crecimiento de las algas Constante de decaimiento de los coliformes.

El procedimiento que se empleará para la obtención de las diferentes constantes será el siguiente:

10.7. Constante de decaimiento de la DBO, Kr.

La tasa de remoción de la materia orgánica es proporcional a la cantidad de esta que se encuentre presente en el momento. Además se ha demostrado que la cinética de esta reacción se puede suponer para efectos prácticos como de primer orden, es decir:

dondeL = Cantidad de Materia orgánica oxidable en el tiempo t, mg/LKr = Coeficiente promedio de remoción de la DBO en el río, dia-1

AdemásKr = Kd Y Kd = B+ K1



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DondeKd = Coeficiente promedio de desoxigenación de la DBO, dia-1

K1 = Coeficiente de desoxigenación en la fase acuosa (aproximadamente igual al coeficiente encontrado en el laboratorio para el ensayo de la DBO), dia-1

B = Coeficiente que describe los efectos finales de la absorción por crecimientos Biológicos adheridos a los sólidos del fondo (rocas, gravas, etc)

Bosko en 1996 propuso la siguiente fórmula:

B n

Donde

n = Coeficiente de actividad del fondo, varía en el rango de 0.1 para bajos flujos hasta 2.0 para corrientes con fondos rocosos, adimensional.

H = Altura o profundidad media de la lámina de agua, m

Evaluación de K1 en el laboratorio. Para la evaluación de la constante K1 en el laboratorio se procederá de la siguiente manera:

Se incubaran botellas de Winkler a 20°C, utilizando un porcentaje de dilución de la muestra que garantizará mantener el oxígeno disuelto, de tal forma, que permita su medición hasta los veinte (20) días.

Para inhibir el efecto de la nitrificación por oxidación del nitrógeno amoniacal a nitrato, se utilizará el inhibidor 2 - cloro - 6 (tricloro metil) pyridina .

Paralelamente, cada día se medirá el oxígeno disuelto en la botella con inhibición y sin inhibición, utilizando un electrodo selectivo para OD.

Con los valores del oxígeno disuelto medidos para cada día se calculará la DBO ejercida en el tiempo, así:

Con el valor obtenido de la DBO se calculará el coeficiente K1 de remoción de la materia orgánica carbonácea, que se utilizará para hacer la proyección en el tiempo de la DBO última carbonácea (L0).Para esto, se utilizará el método de Thomas.

Como ya se mencionó la constante de desoxigenación evaluada en el laboratorio deberá ajustarse, teniendo en cuenta que factores como la velocidad, sedimentación, volatilización, arrastre de sólidos, etc., le dan una característica particular a la constante en el río.De esta forma,

Kr = Kd + K3



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Donde Kd y K3 ya fueron definidas

Para corregir K1 se utilizará la siguiente fórmulaKd = B + K1

Donde B ya fue definido.

10.8. Constante de Sedimentación de la materia orgánica, Ks

De manera preliminar, para determinar el decaimiento de la DBO por procesos de sedimentación se tendrá en cuenta el criterio de Imhoff y Velz (1953) que estipula que cuando la velocidad del río es mayor a 0.18 m/s no se presenta depositación de la materia orgánica. Además, se harán mediciones de sólidos suspendidos a lo largo de diferentes tramos del río. Se construirá una gráfica de concentración contra distancia y se determinará la pendiente de la recta, la cual es una medida de la tasa de sedimentación de este parámetro. Igualmente se harán reconocimientos en el río en donde se verifique la presencia o no de sedimentos orgánicos en el fondo.

10.9. Constante de reaireación, Kr

Se ha demostrado que la tasa de transferencia de oxígeno a las corrientes por el fenómeno de reaireación depende de la hidrodinámica de los dos medios, de la intensidad de la turbulencia de la superficie del agua y de la relación entre el área superficial y el volumen del agua, como se muestra a continuación:

donde KL es el coeficiente de absorción o de transferencia de masa y KR es el coeficiente de reoxigenación.

Para el caso específico del río Quindío se seleccionará la que mas se ajuste dependiendo de las condiciones de profundidad y velocidad del río.

10.10. Demanda Béntica, Sb

El procedimiento a seguir para determinar la demanda de oxígeno por parte de los lodos sedimentados es el siguiente:

Se determinarán las zonas mas probables en donde pueden haber lodos sedimentados utilizando los resultados encontrados en la determinación del coeficiente de sedimentación de la materia orgánica y los reconocimientos de campo .



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Se determinará en estos sitios la profundidad de lodos que está demandando oxígeno por la degradación de los lodos. En caso de no ser posible se utilizará el criterio que establece que esta profundidad está entre 5 y 10 cm.

Se construirá un modelo en el laboratorio donde se simularán las condiciones reales del río para medir directamente la demanda béntica, de acuerdo a la metodología ya probada en el laboratorio de Ingeniería Ambiental de la Universidad de los Andes en el Río Bogotá, Río Tunjuelo y Embalse del Muña.

10.11. Constantes de decaimiento del Nitrógeno orgánico, Nitrógeno Amoniacal Nitritos y Fósforo

Para la determinación de estas tasas o velocidades de decaimiento se realizarán mediciones de estos parámetros a lo largo del río.La constante se obtendrá haciendo un balance de masas en la sección y resolviendo la ecuación diferencial resultante. A través de una regresión lineal se obtendrán los resultados requeridos y la presición de la estimación.

10.12. Constante de decaimiento de los coliformes

Se utilizará la siguiente fórmula:KB = KB = KB1 + KBluz + KB(sed) - Ka(crecimiento)

DondeKB : Constante de decaimiento de los coliformes, dia-1

KB1 : Decaimiento por salinidad, dia-1

KBluz : Decaimiento por la luz, dia-1

KB(sed): Decaimiento por sedimentación, dia-1

Ka(crecimiento): Tasa de crecimiento de los coliformes, dia-1

10.13. Tasa de producción de oxígeno por las algas

Para determinar la cantidad de aporte de oxígeno por parte de las algas se utilizará el método de las botellas claroscuras. Se tomarán muestras a diferentes profundidades y en diferentes sitios; se supondrá que existen concentraciones homogéneas de fitoplancton y zooplancton. Se tomarán tres muestras por sitio. Se utilizará la técnica de las botellas claroscuras para la estimación de la productividad primaria por fotosíntesis.

10.14. Verificación del Modelo



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Dado que la calibración se realiza con un conjunto de datos pertenecientes a un periodo estacional dado, es necesario validar estos resultados mediante la comparación con los resultados de campo obtenidos en el laboratorio para otro periodo estacional.La verificación se realiza utilizando un conjunto de datos independientes de los parámetros modelados. Se utilizarán los del periodo hidrológico de invierno.

10.15. Determinación de escenarios de Saneamiento

Con la utilización de esta herramienta computacional resulta relativamente sencillo determinar cuales serían los mejores sitios para realizar un tratamiento de las aguas, ya sea mediante un análisis exhaustivo de las diferentes alternativas o mediante la utilización de un programa de programación lineal que determine cual es la solución óptima para la ubicación de estos sitios de tratamiento.

10.16. Utilización previa del Modelo Qual2e en el país.

Con este programa computacional se realizó la modelación de la calidad del río Bogotá por parte de la Universidad de los Andes. Se modeló oxígeno disuelto y DBO para diferentes escenarios, con plantas y sin plantas de tratamiento sobre los principales afluentes al río, obteniendo resultados muy cercanos a la realidad en el caso actual, es decir, sin plantas de tratamiento. Además, con el modelo Qual2e también la Universidad a simulado la calidad del agua en el río Tunjuelo, el embalse de Muña.

Otras aplicaciones del modelo Qual2e en Colombia han sido en el Río Medellín por Empresas Públicas de Medellín, RíoNegro y Nare por Corponare, Río Cauca por la CVC y ríos en el departamento de Santander por la Corporación para la Defensa de la Meseta de Bucaramanga.



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TABLA 1. MATRIZ RESUMEN DE MODELOS DE TRANSPORTE DE CONTAMINANTES EN RÍOS

Características y procesos QUAL2E SLCA MICHRIV

CATP EXAMS WASTOX TOXIWASP

Dependencia con el tiempoEstado permanenteTransiente

X X X X XX X

Técnica de soluciónAnalíticaNumérica

X X XX X X X

SedimentaciónAsentamientoIntercambio con el lechoTransporteErosión/Depositación

XX

XX

XX

XX

XX

XX

XX

XX

XX

Degradación/TransformaciónDecaimiento de primer ordenFotólisisHidrólisisBiodegradaciónVolatilizaciónSorción

X

X

X

X

X

X

X

X

X

XXXXX

X

XXXXX

X

XXXXX



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MODELO DE SIMULACION DE LA CALIDADDEL AGUA PARA EL RIO QUINDIO

(PROPUESTA ECONOMICA)



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1. PROPUESTA ECONOMICA

1.1. Generalidades

Para la realización del Modelo de Simulación de la Calidad del Agua para el Río Quindío propuesto al Centro Central de Investigaciones de la Universidad del Quindío, se propone un trabajo en el Centro de Estudios Ambientales (CEA), adscrito a la Facultad de Ingeniería de la Universidad del Quindío, con el apoyo y asesoría del Centro de Investigaciones en Ingeniería Ambiental (CIIA) de la Universidad de los Andes.

La duración del estudio es de doce (12) meses involucrando las temporadas de invierno y verano dentro de una distribución de precipitación bimodal de la cuenca del río Quindío.

La propuesta económica se presenta a continuación:



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1.2. ALTERNATIVA 1:Modelo de Simulación de la Calidad del Agua para el Río QuindíoSector Matadero Armenia hasta Desembocadura Río La Vieja:

Esta propuesta incluye modelar una longitud de 31.5 Kilómetros del río Quindío en el cual se puede determinar la capacidad de autodepuración del río, plantear escenarios de descontaminación, determinar usos del agua y tener una herramienta de Planificación Ambiental desde la zona de mayor contaminación hasta su desembocadura en el río La Vieja.

Duración Estudio : 1 AñoTemporada: Invierno - VeranoLongitud a Modelar: 31.5 KilómetrosLocalización: Sector Matadero Armenia - Desembocadura al Río

La ViejaNúmero de Estaciones: 13Valor de la Propuesta: $ 85.138.569,00 (Ochenta y cinco millones ciento

treinta y ocho mil quinientos sesenta y nueve pesos). Ver Cuadro Presupuesto Simulación de la Calidad del Agua para el Río Quindío.



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1.2.1. ESTACIONES DE MUESTREO "RIO QUINDIO"LONGITUD 31.5 Km

(MATADERO ARMENIA - DESEMBOCADURA)

ESTACION No. DE PUNTOSA MUESTREAR

1. La María 22. Quebrada La Florida 33. San Nicolás 34. Quebrada Pescador 35. La Playa 16. Balboa 27. Central Hidroeléctrica El Bosque 18. La Primavera 19. Calle Larga 110. Tarapacá (Desembocadura Río Verde) 311. Maravelez 312. Quebrada La Picota 313. Desembocadura Río Quindío 2TOTAL No. DE PUNTOS A MUESTREAR = 27

Total Número de Muestras:27 Muestras (De 13 Estaciones) * 2 días consecutivos = 54 MuestrasTemporada Invierno = 54 MuestrasTemporada Verano = 54 MuestrasTotal Número de Muestras Invierno Verano = 108 Muestras. (Ver columna Cantidad de Muestras en Cuadro Presupuesto Modelación Río Sector Matadera Armenia - Desembocadura).

Es importante anotar que para obtener una caracterización bien representativa de la calidad del agua del río en cada época, se propone recolectar muestras en tres días consecutivos para cada temporada de invierno y verano.

Total Número de Contramuestras:

Total Número de Contramuestras * 10.0% = 108 Muestras * 0.10 = 11 Contramuestras ( Para analizar en Laboratorio Universidad de los Andes).

1.3. ALTERNATIVA 2:



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Modelo de Simulación de la Calidad del Agua para el Río Quindío Sector Nacimiento del Río hasta Desembocadura Río La Vieja

Esta propuesta incluye modelar todo la longitud (70.1 Kilómetros) del río Quindío en el cual se puede determinar la capacidad de autodepuración del río, plantear escenarios de descontaminación, determinar usos del agua y tener una herramienta de Planificación Ambiental a lo largo de todo el recorrido del río.

NOTA:Por razones de tipo económico, esta alternativa no se tendrá en cuenta en el presente proyecto dado los sobrecostos en las caracterizaciones a lo largo de todo el río, los cuales sobrepasan el presupuesto del Comité Central de Investigaciones de la Universidad del Quindío.



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1.7. RECOMENDACIONES

Aprovechando la infraestructura en equipo y transporte requerida para la recolección de muestras en invierno y verano para la implementación del modelo de simulación, se recomienda:

Continuar con el Programa de Monitoreo Limnológico, inventariando los distintos Macroinvertebrados en los diferentes puntos del río y tributarios a muestrear (Sanabria, M.J, 1997). No está incluido en la presente propuesta.

Realizar los aforos en cada una de las estaciones incluyendo la batimetría de la sección transversal del río. No está incluido en la presente propuesta.



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1.8. COORDINACION INVESTIGACION

Universidad del Quindío:

Gabriel Lozano SandovalIng. Civil, M.Sc. en Ingeniería AmbientalCoordinador Centro de Estudios Ambientales C.E.A Facultad de IngenieríasPrograma de Ingeniería Civil Teléfonos : (096) 7 467789 - 7 462183 - Cel. 4556189Apartado Aéreo No. 460Fax : (096) 7 462563E-mail : galozanoquimbaya.uniquindio.edu.coDirección CEA: Carrera 15 Calle 12N Bloque de IngenieríasArmenia Quindío.

Asesor Universidad de los Andes:

Eugenio Giraldo GómezIng. Civil, M.Sc, Ph.D en Ingeniería AmbientalDirector Centro de Investigaciones en Ingeniería Ambiental C.I.I.ADepartamento de Ingeniería Civil y AmbientalTeléfonos : (091) 2 603122 Ext. 5272 - 4 141530 - 4 14 1580Apartado Aéreo No. 4976Fax : (091) 4 141569E-mail : egiraldouniandes.edu.coDirección Citec: Cra. 65B No. 17ª - 11Santafé de Bogotá D.C.



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Propuesta de Investigacion Gabriel

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