SIMULACIÓN DE LA CALIDAD DEL AGUA DEL RÍO MANZANARES...

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SIMULACIÓN DE LA CALIDAD DEL AGUA DEL RÍO MANZANARES UTILIZANDO EL MODELO QUAL2K. JUAN CARLOS GUIZAO RODRÍGUEZ JHON FERNANDO DÍAZ BOLAÑOS UNIVERSIDAD DEL MAGDALENA FACULTAD DE INGENIERÍAS PROGRAMA INGENIERÍA AMBIENTAL Y SANITARIA SANTA MARTA D.T.C.H. 2007

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SIMULACIÓN DE LA CALIDAD DEL AGUA DEL RÍO MANZANARES

UTILIZANDO EL MODELO QUAL2K.

JUAN CARLOS GUIZAO RODRÍGUEZ JHON FERNANDO DÍAZ BOLAÑOS

UNIVERSIDAD DEL MAGDALENA FACULTAD DE INGENIERÍAS

PROGRAMA INGENIERÍA AMBIENTAL Y SANITARIA SANTA MARTA D.T.C.H.

2007

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SIMULACIÓN DE LA CALIDAD DEL AGUA DEL RÍO MANZANARES

UTILIZANDO EL MODELO QUAL2K.

JUAN CARLOS GUIZAO RODRÍGUEZ JHON FERNANDO DÍAZ BOLAÑOS

Memoria de grado presentado como requisito para optar al titulo de: INGENIERO AMBIENTAL Y SANITARIO

Director FRANCISCO GARCÍA RENTERÍA, Msc.

UNIVERSIDAD DEL MAGDALENA FACULTAD DE INGENIERÍAS

PROGRAMA INGENIERÍA AMBIENTAL Y SANITARIA SANTA MARTA, D.T.C.H.

2007

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A nuestro Dios, quien nos da la sabiduría y ciencia, nuestros padres, hermanas, hermanos y familiares, quienes ofrecieron en el momento indicado y oportuno una voz de aliento, así

como ejemplos de temple, esfuerzo y voluntad; estimulándonos para hacer realidad nuestro sueño de ser

Ingenieros Ambientales y Sanitarios.

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AGRADECIMIENTOS

Las autores expresan sus agradecimientos a:

Francisco García Rentaría, Ingeniero Sanitario y candidato a titulo de doctorado

en ingeniería, por sus enseñanzas, apoyo y su orientación en este trabajo.

Jorge Corrales, Ingeniero Hidrogeólogo e ingeniero de METROAGUA S.A., por su

valiosa colaboración.

A nuestros compañeros de Ingeniería Ambiental y Sanitaria por su apoyo y ayuda.

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RESUMEN

Un estudio de modelación de calidad de las aguas fue llevado a cabo en el Río

Manzanares, Santa Marta DTCH, utilizando el modelo QUAL2K (Chapra, 2003), a

fin de evaluar las condiciones actuales y futuras de contaminación, y capacidad de

autopurificación de este cuerpo de agua superficial, permitiendo formular

estrategias que restablezcan las condiciones naturales del Río. Actualmente este

registra una baja la calidad del agua debido a que recibe descargas de aguas

residuales domésticas a su paso por la ciudad de Santa Marta e igualmente la

mayoría de sus afluentes tienen un alto grado de contaminación. La calidad del

agua del Río Manzanares tienen (2) dos repercusiones ambientales importantes.

Es la principal fuente de recarga del acuífero de Santa Marta, el cual abastece

aproximadamente el 70% del agua que se utiliza para el consumo humano de esta

ciudad. Y es uno de los afluentes que llegan a la bahía de Santa Marta, sitio de

vocación turística, donde descarga toda la contaminación que recoge a lo largo de

su recorrido.

Un modelo de calidad del agua calibrado y verificado con datos de campo es una

herramienta imprescindible para planear el uso de este recurso hídrico, ya que

permite una visión futurista de lo que serian las condiciones del recurso en el caso

de que aumenten o disminuyan las descargas que afectan las condiciones

normales o cuando se implementan infraestructuras de tratamiento de aguas

residuales que tienen diferentes efectos.

Para la calibración del modelo se desarrollo un programa de muestreo que cubrió

un periodo de seis (6) meses que cobijaron una época seca y otra lluviosa de

acuerdo al régimen climático de esta zona y en la primera parte del año 2006, en

donde se caracterizo el río Manzanares en sus condiciones hidráulicas e

hidrológicas, se identificaron las fuentes de aguas residuales a si como sus

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extracciones de agua. Se determinaron parámetros en campo (OD, pH,

conductividad, temperatura) y se tomaron muestras de agua que fueron llevadas a

laboratorio para realizarles análisis de calidad de agua (DBO), en (4) cuatro

estaciones de monitoreo a lo largo del río y en los afluentes más importantes. El

modelo QUAL2K fue calibrado con datos de campo de las estaciones de

monitoreo arrojando resultados con un error relativo de 3.7 % para el caso de el

Oxígeno Disuelto (OD). Los resultados de las simulaciones muestran el deterioro

de las aguas del río Manzanares, observándose en su cuenca baja una limitada

capacidad de autorecuperación de sus aguas, en su parte alta, aguas arriba de la

población de Bonda (KM 0 del tramo simulado), el río presenta aguas limpias, así

como características hidráulicas que proporcionan una buena transferencia de

oxigeno.

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ABSTRACT

In this study was realized a water quality modeling of the Manzanares river using

the QUAL2K model (Chapra, 2003), in order to evaluate the current contamination

conditions and the river self purification capacity, allowing to formulate strategies

that aid to reestablish the river natural conditions Actually was found a Low quality

water because it receives domestic wastewaters discharges from Santa Marta city

and most of its tributaries present a high grade contamination. The Manzanares

River water quality have two influences ways on the city; first is the Santa Marta

aquifer main source recharge, which supplies approximately 70% of the water that

is used for the human consume in the city. In second place it ends in Santa Marta's

bay a touristic zone, where the entire contamination gather in the travel is

discharged.

A water quality model calibrated and verified with field data is an indispensable tool

to plan the use of this hydro resource, since it allows a futuristic vision that would

be the resource conditions in case that increases or diminishes the discharges that

affects the normal conditions or when treatment wastewaters infrastructure are

implemented that have different effects.

For the model calibration a sampling program was developed for a period of six (6)

months that covered a rainy and low water period in the 2006 year first period,

where the Manzanares river hydraulic and hydrological conditions were

characterized, the wastewaters sources and water extractions were identified, were

determined Parameters in field (DO, pH, conductivity, temperature) and water

samples were taken and carried out to the laboratory to realize water quality

analysis (BOD), in stations along the river and in the most important tributaries.

The QUAL2K model was calibrated with field data from the monitoring stations

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throwing results with a 3.7% relative error for the Dissolved Oxygen (DO) case.

The simulations results show the Manzanares River waters deterioration, being

observed in its low basin a limited self-purification capacity in their waters, in the

high region, upstream from the Bonda population (KM 0 of simulated tract), the

river presents clean waters, as well as hydraulic characteristics that provide a great

oxygen transfer.

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TABLA DE CONTENIDO

1. INTRODUCCION............................................................................................15

2. OBJETIVOS ...................................................................................................19

2.1. OBJETIVO GENERAL ...................................................................................19

2.2. OBJETIVO ESPECÍFICOS..............................................................................19

3. MARCO TEÓRICO Y ESTADO DEL ARTE...................................................20

4. METODOLOGÍA................................................................................................23

4.1. ÁREA DE ESTUDIO ..........................................................................................23

4.1.1. Clima.....................................................................................................25

4.1.2. Hidrología.............................................................................................35

4.1.3. Vegetación ...........................................................................................38

4.1.4. Suelos ..................................................................................................39

4.2. MUESTREOS Y ACTIVIDADES DE CAMPO........................................................40

4.2.1. Cuantificación de afluentes, fuentes puntuales y fuentes difusas de

contaminación.................................................................................................40

4.2.2. Mediciones de campo y análisis de laboratorio...................................42

4.2.3. Estaciones de monitoreo y tramos de simulación ................................46

5. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE SIMULACIONES..........................................49

5.1. INVENTARIO DE FUENTES PUNTUALES Y QUEBRADAS .........................................49

5.1.1. Punto de afluencia Quebrada Matogiro. ...............................................50

5.1.2. Punto de afluencia caño de aguas residuales domésticas en Bonda. ..51

5.1.3. Punto de afluencia quebrada Veracruz.................................................51

5.1.4. Punto de afluencia quebrada Mojada ...................................................52

5.1.5. Punto de afluencia quebrada Seca.......................................................52

5.1.6. Punto de afluencia quebrada Tamacá. .................................................53

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5.2. INVENTARIO DE FUENTES DIFUSAS. ..................................................................53

5.3. INVENTARIO DE PUNTOS DE EXTRACCIÓN..........................................................54

5.4. RESULTADOS DE MEDICIONES DE CAMPO DE LAS CONDICIONES ACTUALES DE LA

CALIDAD DEL AGUA DEL RÍO MANZANARES. .............................................................55

5.4.1. Calibración del modelo. ........................................................................55

5.4.2. Datos para verificación del modelo .......................................................59

5.5. SIMULACIONES DE LA CALIDAD DEL AGUA DEL RÍO MANZANARES (MODELO

QUAL2K). ...........................................................................................................62

5.5.1. Oxígeno Disuelto. .................................................................................63

5.5.2. Demanda Biológica de Oxígeno. ..........................................................66

5.6. SIMULACIÓN DE ESCENARIOS Y CAPACIDAD DE AUTODEPURACIÓN. .....................70

5.6.1. Escenario 1. Calidad del agua del Río Manzanares sin carga

contaminante en la Quebrada Matogiro..........................................................70

5.6.2. Escenario 2. Calidad del agua del Río Manzanares sin la influencia de

la carga contaminante aportada por la quebrada con ARD a la altura del

corregimiento de Bonda..................................................................................74

5.6.3. Escenario 3. OD del Río Manzanares sin la carga contaminante de las

quebradas Matogiro y la quebrada con ARD a la altura de Bonda. ................77

5.6.4. Escenario 4. OD del Río Manzanares sin vertimiento de ARD a partir

del barrio Mamatoco hacia abajo....................................................................80

5.6.5. Escenario 5. Ausencia de extracciones de agua para recarga artificial

del acuífero de Santa Marta............................................................................83

6. CONCLUSIONES Y DISCUSIONES .................................................................86

7. BIBLIOGRAFIA .................................................................................................89

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LISTA DE TABLAS

TABLA 1. ESTACIONES SELECCIONADAS PARA EL ANÁLISIS CLIMATOLÓGICO...................26

TABLA 2. VALORES DE FRECUENCIA DE DIRECCIÓN (%).PERIODO 1970-1999 (ESTACIÓN

AEROPUERTO SIMÓN BOLÍVAR). .........................................................................28

Tabla 3 Valores medios Multianuales de Velocidad del Viento (m/seg.). Estación

Aeropuerto Simón Bolívar. Periodo 1978 – 1999……………………………………31 TABLA 4 VALORES MEDIOS MULTIANUALES DE TEMPERATURA (°C). ESTACIÓN

AEROPUERTO SIMÓN BOLÍVAR. PERIODO 1978 – 1999. ..................................... 31

TABLA 5 VALORES TOTALES MULTIANUALES DE PRECIPITACIÓN MENSUAL (M.M.), PERÍODO

1970 – 1999 (ESTACIÓN AEROPUERTO SIMÓN BOLÍVAR). ...................................33

TABLA 6 VALORES TOTALES MENSUALES DE BRILLO SOLAR (HORAS), PERÍODO 1976 –

2003 (ESTACIÓN AEROPUERTO SIMÓN BOLÍVAR). ...............................................35

TABLA 7 VALORES TOTALES MENSUALES DE EVAPORACIÓN (MM), PERÍODO 1973 – 2003

(ESTACIÓN AEROPUERTO SIMÓN BOLÍVAR). ........................................................35

TABLA 8. VALORES DE CAUDALES PARA EL RIO MANZANARES (METROAGUA). ...........38

TABLA 9. GEOREFERENCIACIÓN DE LOS PUNTOS DE MUESTREO SOBRE EL RÍO

MANZANARES. ..................................................................................................41

TABLA 10 EQUIPOS Y REFERENCIAS PARA ANÁLISIS DE VARIABLES DE CAMPO Y

LABORATORIO. ..................................................................................................43

TABLA 11. INVENTARIO DE FUENTES PUNTUALES Y QUEBRADAS....................................50

TABLA 12. INVENTARIO DE FUENTES DIFUSAS..............................................................54

TABLA 13. INVENTARIO DE PUNTOS DE EXTRACCIÓN ....................................................54

TABLA 14. RESULTADOS DE LOS PARÁMETROS MEDIDOS EN EL PUNTO MÁS ALTO DE

SIMULACIÓN (JULIO DE 2005). ............................................................................55

TABLA 15. CARACTERIZACIÓN DE PARÁMETROS DE LOS AFLUENTES (JULIO DE 2005). ...57

TABLA 16. CARACTERIZACIÓN DE LA CALIDAD DEL AGUA EN CUATRO (4) ESTACIONES DE

MONITOREO A LO LARGO DEL TRAMO SIMULADO. (JULIO DE 2005). ........................58

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TABLA 17. RESULTADOS DE LOS PARÁMETROS MEDIDOS EN LA FRONTERA AGUAS ARRIBA

(MAYO DE 2006 ................................................................................................60

TABLA 18. CARACTERIZACIÓN DE PARÁMETROS DE LOS AFLUENTES (MAYO DE 2006)....61

TABLA 19. CARACTERIZACIÓN DE LA CALIDAD DEL AGUA EN CUATRO ESTACIONES DE

MONITOREO A LO LARGO DEL TRAMO SIMULADO. (MAYO DE 2006). ........................62

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LISTA DE FIGURAS

FIGURA 1. UBICACIÓN DE LA CIUDAD DE SANTA MARTA................................................23

FIGURA 3. DESEMBOCADURA SOBRE LA BAHÍA DE SANTA MARTA..................................24

FIGURA 4. REPRESENTACIÓN GRÁFICA DE LA PREDOMINANCIA DE LOS VIENTOS .PERÍODO

1970-1999 (ESTACIÓN AEROPUERTO SIMÓN BOLÍVAR). ......................................30

FIGURA 5. COMPORTAMIENTO DE LOS VALORES MEDIOS DE TEMPERATURA (°C),

PERIODO 1970 – 1999 (ESTACIÓN AEROPUERTO SIMÓN BOLÍVAR).......................32

FIGURA 6. DISTRIBUCIÓN DE LA PRECIPITACIÓN, DURANTE ENERO 1970 – OCTUBRE 1999.

(ESTACIÓN AEROPUERTO SIMÓN BOLÍVAR). ........................................................32

FIGURA 7. GEOREFERENCIACIÓN DE ESTACIONES DE MUESTREO..................................42

FIGURA 8. DISTRIBUCIÓN DE VERTICALES Y PROFUNDIDADES PARA TOMA DE MUESTRAS.43

FIGURA 9. SECCIÓN TRANSVERSAL DE LA CORRIENTE..................................................45

FIGURA 10. TRAMOS DE SIMULACIÓN. ........................................................................48

FIGURA 11. SIMULACIÓN DE OXÍGENO DISUELTO DEL RÍO MANZANARES (INVIERNO)......64

FIGURA 12. SIMULACIÓN DE OXÍGENO DISUELTO DEL RÍO MANZANARES (VERANO). ......65

FIGURA 13. CONDICIONES DE OXÍGENO EN EL RÍO MANZANARES EN INVIERNO Y VERANO.

........................................................................................................................67

FIGURA 14. SIMULACIÓN DE DEMANDA BIOLÓGICA DE OXÍGENO DEL RÍO MANZANARES

(VERANO). ........................................................................................................68

FIGURA 15. SIMULACIÓN DE DEMANDA BIOLÓGICA DE OXÍGENO DEL RÍO MANZANARES

(INVIERNO)........................................................................................................69

FIGURA 16. ESCENARIO 1. OD DEL RÍO MANZANARES SIN LA INFLUENCIA DE LA CARGA

CONTAMINANTE DE LA QUEBRADA MATOGIRO. (PERIODO DE VERANO). ..................72

FIGURA 17. ESCENARIO 1. OD DEL RÍO MANZANARES SIN LA INFLUENCIA DE LA CARGA

CONTAMINANTE DE LA QUEBRADA MATOGIRO. (PERIODO DE INVIERNO). ...............73

FIGURA 18. ESCENARIO 2. OD DEL RÍO MANZANARES SIN LA INFLUENCIA DE LA CARGA

CONTAMINANTE APORTADA POR LA QUEBRADA CON ARD A LA ALTURA DEL

CORREGIMIENTO DE BONDA. (PERIODO DE VERANO). ...........................................75

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FIGURA 19. ESCENARIO 2. OD DEL RÍO MANZANARES SIN LA INFLUENCIA DE LA CARGA

CONTAMINANTE APORTADA POR LA QUEBRADA CON ARD A LA ALTURA DEL

CORREGIMIENTO DE BONDA. (PERIODO DE INVIERNO)...........................................76

FIGURA 20. ESCENARIO 3. OD DEL RÍO MANZANARES SIN LA CARGA CONTAMINANTE DE

LAS QUEBRADAS MATOGIRO Y LA QUEBRADA CON ARD A LA ALTURA DE BONDA.

(PERIODO DE VERANO). .....................................................................................78

FIGURA 21. ESCENARIO 3. OD DEL RÍO MANZANARES SIN LA CARGA CONTAMINANTE DE

LAS QUEBRADAS MATOGIRO Y LA QUEBRADA CON ARD A LA ALTURA DE BONDA.

(PERIODO DE INVIERNO).....................................................................................79

FIGURA 22. ESCENARIO 4. OD DEL RÍO MANZANARES SIN VERTIMIENTO DE ARD A PARTIR

DEL BARRIO MAMATOCO HACIA ABAJO. (PERIODO DE VERANO)..............................81

FIGURA 23. ESCENARIO 4. OD DEL RÍO MANZANARES SIN VERTIMIENTO DE ARD A PARTIR

DEL BARRIO MAMATOCO HACIA ABAJO. (PERIODO DE INVIERNO). ...........................82

FIGURA 24. ESCENARIO 5. EVALUACIÓN DE LA INFLUENCIA DE LAS EXTRACCIONES DE

AGUA PARA LA RECARGA ARTIFICIAL DEL ACUÍFERO DE SANTA MARTA SOBRE LA

CALIDAD DEL AGUA DEL RÍO MANZANARES. (PERIODO DE VERANO). .......................84

FIGURA 25. ESCENARIO 5. EVALUACIÓN DE LA INFLUENCIA DE LAS EXTRACCIONES DE

AGUA PARA LA RECARGA ARTIFICIAL DEL ACUÍFERO DE SANTA MARTA SOBRE LA

CALIDAD DEL AGUA DEL RÍO MANZANARES. (PERIODO DE INVIERNO). .....................85

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1. INTRODUCCION

El Río Manzanares nace en la vertiente nororiental de la Sierra Nevada de Santa

Marta en la cuchilla de San Lorenzo a 2300 metros sobre el nivel del mar

(m.s.n.m.). Esta fuente superficial presenta en su parte baja cuando pasa a través

de la ciudad de Santa Marta, condiciones que lo caracterizan como un cuerpo de

agua contaminado, debido principalmente a tres (3) factores. El primero de ellos

tiene que ver con el vertimiento de aguas residuales domésticas sin ningún tipo de

tratamiento, debido a la falta de un sistema de alcantarillado en buena parte de los

asentamientos poblacionales ubicados en sus riveras. El segundo factor que

contribuye con el deterioro de la calidad del Río Manzanares es la presencia de

algunos lavaderos de vehículos ubicados en las riveras del río, los cuales vierten

en este cuerpo hídrico las aguas residuales generadas en la prestación de este

servicio; las aguas residuales generadas en esta actividad tienen un alto contenido

de hidrocarburos y son generadoras de impactos negativos sobre la calidad del

río, como la disminución del oxígeno disuelto debido a que este es consumido por

la actividad bacterial en la descomposición de las grasas y aceites presentes en

esta clase de contaminantes. Por último hay algunas descargas de aguas

residuales sin tratamiento por parte de una incipiente actividad industrial donde

sobre salen algunas empresas procesadoras alimentos (industrias de pollo).

Tanto las aguas residuales domésticas como las industriales poseen unas

características físico – químicas y biológicas que al verterlas continuamente y sin

ningún tipo de tratamiento causan una sobrecarga de la capacidad de

autopurificación del cuerpo hídrico ocasionando efectos negativos en el río como

por ejemplo la disminución del nivel de oxígeno disuelto y la muerte de la biota

acuática. Algunos análisis de parámetros físico – químicos en diferentes puntos en

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el Río Manzanares han reportado una Demanda Biológica de Oxígeno (DBO) de

400 miligramos por litro (mg/l) (Ribón y Rodríguez, 2002), lo que muestra una

carga orgánica alta si la comparamos con el valor de la DBO para cuerpos de

agua natural sin contaminación que es alrededor de 10 mg/l, lo que nos lleva a

concluir que el Río Manzanares tiene una contaminación cuarenta (40) veces

mayor a la de un cuerpo de agua natural de baja intervención antrópica, por lo

tanto es justificable un estudio para la implementación de un modelo de calidad del

agua, que permita simular las condiciones del Río Manzanares y que pueda ser

utilizado a la hora de planear y tomar decisiones que propendan por el

saneamiento de este recurso hídrico.

La continua contaminación ha la cual ha sido sometido el Río manzanares

ocasiona algunos efectos como la muerte de la biota acuática, debido a las

alteraciones ocasionadas a este medio; como la disminución del los niveles de

oxígeno disuelto y altas cargas orgánicas, por lo tanto las especies no encuentren

condiciones adecuadas para poder vivir. Otro efecto importante es el deterioro

paisajístico de la ciudad por el aspecto poco agradable que presenta el río,

básicamente manifestado en el color de sus aguas, la presencia de olores

ofensivos y la acumulación de residuos sólidos en su cause. Cabe resaltar que lo

anterior pude tener influencia negativa en la economía de la ciudad debido a que

Santa Marta debe gran parte de sus ingresos al turismo, por lo cual es importante

conocer las condiciones actuales que originan el deterioro paisajístico y cuales

serian las condiciones mínimas para un mejoramiento de este.

Es conveniente conocer como se afecta en la actualidad y en el futuro la calidad

del agua del Río Manzanares ya que este desemboca en la bahía de Santa Marta

llevando hacia ella todo lo que recoge en su recorrido, por lo cual este se convierte

en un medio de transporte de sedimentos, residuos sólidos y microorganismos,

entre otros, de la ciudad hacia el mar. En el caso de los microorganismos muchos

de estos pueden ser patógenos lo cual debe tenerse en cuenta debido a la

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cercanía de la desembocadura del río a zonas usadas frecuentemente para

actividades turísticas y de recreación. Hasta el momento hay un desconocimiento

de las condiciones bajo las cuales se está llevando a cabo este fenómeno de

transporte de contaminantes, cuyo conocimiento seria de gran utilidad para la

planeación y toma de decisiones.

Los problemas de contaminación y la importancia del Río Manzanares para la

ciudad han motivado a un sin numero de investigaciones, sin embargo ninguna de

ellas ha sido encaminada para la construcción de una herramienta de planeación,

gestión, seguimiento y control de la calidad del agua que nos permita reproducir y

predecir las condiciones actuales y futuras de los diferentes parámetros de calidad

del agua de este cuerpo hídrico, lo cual es justificable debido a que actualmente

en la ciudad de Santa Marta la mitad del agua suministrada para el uso y consumo

humano proviene del acuífero que esta ciudad posee, el cual se caracteriza por no

estar confinado por lo que se recarga superficialmente y debe esta principalmente

al Río Manzanares y en minoría a la infiltración de la precipitación. El acuífero de

Santa Marta posee (2) dos estructuras de recarga artificial ubicadas sobre el lecho

del Río Manzanares, las cuales funcionan con el principio de elevación de la

cabeza hidráulica para acelerar la infiltración del agua. Por esta situación la

entidad prestadora del servicio público de agua y alcantarillado y las autoridades

de control y gestión ambiental deberían contar con un instrumento para poder

monitorear y predecir las condiciones actuales y futuras del Río Manzanares

debido a que prácticamente es la única fuente de la cual se recarga de forma

natural y artificial el acuífero de la ciudad.

Con el fin de implementar una herramienta de simulación de la calidad del agua

del Río Manzanares se realizó la presente tesis de grado que consiste en la

calibración y validación del modelo QUAL2K (Chapra, 2003) con información

recopilada en campo durante dos épocas del año. El estudio se realizó en el

distrito de Santa Marta Departamento del Magdalena, en la parte baja de la

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cuenca del Río Manzanares, en el tramo comprendido entre los 11º14'19.2'' N,

74º13'24.9'' W y los 11º13'41.2'' N, 74º06'51.5''. Las dos campañas de muestreo

se realizaron entre Julio de 2005 y Mayo de 2006, periodo durante el cual se

presentaron épocas de sequía y de precipitación.

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2. OBJETIVOS

2.1. Objetivo General

Desarrollar una herramienta que simule el comportamiento de la calidad del agua

del río Manzanares en periodos de lluvia y en verano, mediante la utilización del

modelo QUAL2K.

2.2. Objetivo Específicos

Cuantificar las fuentes puntuales y difusas de contaminación, sus caudales y las

características de estos afluentes sobre el tramo a estudiar en el rio Manzanares.

Verificar las características hidráulicas del lecho que rigen el flujo del río

Manzanares y las principales características de la cuenca.

Determinar los parámetros de la calidad del agua del río Manzanares y de sus

tributarios en su parte baja, que se requieren para calibrar y validar el modelo del

QUAL2K.

Simular la calidad del agua del río Manzanares en varios escenarios.

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3. MARCO TEÓRICO Y ESTADO DEL ARTE

Los modelos de calidad de aguas han sido usados desde 1925, cuando Streeter y

Phelps desarrollaron el primer modelo de calidad (Abrishamchi et al, 2005) que

solamente simula materia orgánica (DBO5) y el oxigeno disuelto (OD) en casos

muy simples; a partir de estos primeros modelos se han ido desarrollando otros

más complejos que llegan a considerar múltiples contaminantes e incluso

elementos bióticos (Sainz et al, 1990) a partir de este avance en la ciencia

numerosas investigaciones en el campo de la ingeniería se han encaminado a

aplicar y calibrar modelos matemáticos para simular la calidad de las aguas de

numerosos ríos en diversos países y en Colombia, Camacho (2001) y Rodríguez

(2002), esto debido a una creciente necesidad de entes ambientales encargados

en la toma de decisiones en este ámbito para predecir los efectos que generan las

fuentes contaminantes sobre la calidad de las aguas. Para este caso el modelo

QUAL2K (Chapra y Pelletier, 2003) resulta uno de los más completos, novedoso y

usados. Este modelo procede del QUAL2E (EPA, 1995) desarrollado por la EPA

(Environmental Protection Agency), que utiliza una solución de diferencias finitas

para la ecuación del transporte de masa por advección-dispersión que se

encuentra integrada numéricamente sobre el espacio y tiempo (McAvoy et al,

2003), considerando discretizado el río en elementos de calculo con mezcla

completa en su seno (Sainz, 1990). La corriente principal se conceptualiza como

una secuencia de reactores mezclados que son ligados secuencialmente por

mecanismos de advección y dispersión, estos elementos computacionales son

definidos como tramos en donde las propiedades hidrogeométricas y las

constantes biológicas pueden variar entre ellas (Abrishamchi et al, 2005). Para

cada uno de los elementos de cálculo, el balance de masa se escribe en términos

de flujo entrante en la cara de aguas arriba, descargas o extracciones y el flujo

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saliente a través de la cara de aguas abajo del elemento (Chapra y Pelletier,

2003). A diferencia de su antecesor el modelo QUAL2K incluye una expansión de

la estructura computacional y adiciona nuevos componentes de interacción tales

como DBO algal, desnitrificación y cambios de OD por raíces de plantas. El

consumo de OD por algas en QUAL2E fue separado en dos (2) componentes en

QUAL2K, los cuales son respiración y muerte algal (Park y Lee, 2002).

El principal parámetro para este modelo es el Oxígeno disuelto (OD) el cual puede

ser afectado por el decaimiento de DBO, nitrificación, demanda de de oxigeno por

sedimentos (DOS) y reaireación (McAvoy et al, 2003). El proceso de

desnitrificación se asume que ocurre en la capa de sedimento anaerobio o solo en

la columna de agua cuando existan condiciones extremadamente bajas de OD.

Este proceso incluye la reducción de DBO y nitratos, en donde los niveles de OD

son importantes para controlar este proceso. La reducción de la DBO por

desnitrificación es tratada en el modelo como un coeficiente de sedimentación el

cual puede reducir DBO sin consumir oxígeno (Park y Lee, 2002).

El QUAL2K es un modelo de calidad de aguas para ríos y arroyos de carácter

unidimensional en canales bien mezclados vertical y lateralmente en condiciones

hidráulicas de flujo permanente y no permanente, el cual esta programado para

calcular la profundidad y la velocidad del fluido por tres (3) métodos (vertederos,

curvas de clasificación y ecuación de Manning) (Chapra and Pelletier, 2003). La

dispersión longitudinal de los contaminantes, gobernada por los procesos de

transporte (advección-dispersión) es computada dependiendo de la hidráulica del

canal (Chapra y Pelletier, 2003). La mezcla es fundamental para el modelado de

un río, ya que garantiza una solución homogénea del contaminante con el agua

del río y los cálculos adquieren mayor confiabilidad, para este proceso QUAL2K

asume que cualquier descarga será mezclada inmediatamente a lo largo de toda

la sección trasversal, aun que experiencia actual establece que las descargas,

particularmente si son a través de emisarios, pueden ser distinguibles en el flujo

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del río por considerables distancias aguas abajo, demostrando que la mezcla

transversal es un proceso lento (Shanahan et al, 1998). La mezcla se genera

principalmente por las fluctuaciones de la velocidad longitudinal originadas por las

condiciones hidráulicas del canal (rugosidad del lecho, pendiente) y de acuerdo a

la distribución de la velocidad, para el sentido horizontal el flujo alcanza su máxima

velocidad en el centro del canal y unos mínimos en las proximidades de las orillas

(Chapra, 1997).

En Colombia se han utilizado modelos de simulación de calidad de aguas sobre el

Río Bogotá (Rodríguez, 2002; Camacho et al, 2001), en su cuenca alta. Rodríguez

(2002) utilizó el modelo QUAL2E reproduciendo el comportamiento observado de

determinantes de calidad de agua del río con niveles de ajuste superiores al 98%

entre los datos observados y los datos calibrados, para la cuenca media se calibro

el modelo QUAL2K (Camacho et al, 2001) con buena aceptabilidad del modelo

ante las condiciones presentes en la cuenca media del Río Bogotá. En el país de

Corea sobre el Río Nadkong se implementaron ambos modelos evaluando las

limitaciones del QUAL2E y las nuevas fortalezas del QUAL2K, mostrando

discrepancias entre los resultados de ambos modelos para DBO, OD y Nitrógeno

Total, QUAL2K arrojó datos mas confiables debido a la capacidad de simular la

conversión de muerte algal a DBO y denitrificación (Park y lee, 2002).

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4. METODOLOGÍA

4.1. Área de estudio

El Río manzanares en su parte baja atraviesa a la ciudad de Santa Marta D.T.C.H.

de oeste a oeste, la cual se ubicada los 11°14'50'' de Latitud Norte y los 74°12'06''

de Longitud Occidental, a una altura de 6 metros sobre el nivel del mar (m.s.n.m),

(Figura 1). La investigación tuvo como cabecera o inicio del tramo a estudiar la

presa ubicada 11º13'41.2'' de latitud Norte y 74º06'51.5'' de latitud Occidental a

una altura aproximada de 56 m.s.n.m próxima a la cascada de Bonda (

Figura 2) y punto final en su desembocadura del río sobre la bahía de Santa Marta

(Figura 3) en los 11º14'19.2'' de latitud Norte, 74º13'24.9'' de latitud Occidental a 0

m.s.n.m.

Figura 1. Ubicación de la ciudad de Santa Marta.

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Figura 2. Cabecera de tramo a estudiar.

Figura 3. Desembocadura sobre la bahía de Santa Marta.

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4.1.1. Clima

Santa Marta esta influenciada por dos (2) épocas que corresponden a un periodo

seco que se alterna con un periodo lluvioso que inicia en el mes de Mayo y se

prolonga hasta el mes de junio, seguido por un periodo seco hasta Agosto,

conocido como el veranillo de San Juan, continua luego el segundo periodo

lluvioso que se prolonga hasta principios de Diciembre, cuando se inicia el mayor

periodo de estiaje que se extiende hasta Abril. Estas variaciones macroclimaticas

están relacionadas con la posición latitudinal del ecuador térmico llamado

normalmente como zona de confluencia intertropical ZCIT. Cuando la ZCIT se

encuentra hacia el sur del ecuador geográfico, en la zona norte se presentan altas

presiones y un mayor efecto de los vientos Alisios provenientes del noreste,

generando así un clima seco; cuando la ZCIT migra hacia el norte se reduce el

efecto de los Alisios, con un descenso de las presiones, provocando de esta forma

la época de lluvias en la región.

La información de referencia para el análisis del componente climatológico fue

consultada en la red climatológica del Instituto de Hidrológica, Meteorología y

Estudios Ambientales (IDEAM), para lo cual se consultó información de la estación

descrita en la Tabla 1.

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Tabla 1. Estacione seleccionada para el análisis climatológico.

CO

DIG

O

TIPO

NO

MB

RE

SUB

C

UEN

CA

DPT

O

MU

NIC

IPIO

CO

OR

D

ELEV

F.IN

ST

1501505 SP Apto Simón Bolívar

Mar Caribe Magdalena Santa

Marta1108N 7414W 4 195206

SP: Sinóptica Principal

4.1.1.1. Velocidad, dirección e intensidad de vientos

Vientos regionales

Según estudios realizados por el CIOH (Centro de Investigaciones Oceanográficas

e Hidrográficas de la Armada Nacional) el régimen de los vientos de la región se

encuentra relacionado con los del Caribe, el cual se describe a continuación.

“Durante los meses de Diciembre a Abril, los vientos alisios soplan de manera

constante del Norte al Noreste con velocidades de 2 a 15 m/seg., (promedio de 7

m/seg.). En el resto del año los vientos son muy variables en dirección y fuerza en

época de transición los vientos son más suaves y los periodos de calma

aumentan en la época de lluvias, los vientos son débiles y presentan velocidades

medias de 4 a 5m/seg., con valores máximos que rara vez sobrepasan a los 11.5

m/seg.”

Vientos locales

El área de estudio sufre la acción de los vientos locales del suroeste, los cuales

pueden llegar a ser de fuerte intensidad y llamarse "vendavales"; se presentan

principalmente entre los meses de septiembre y octubre; durante los meses de

abril a noviembre, predominan los vientos suaves del este, que ocasionalmente,

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pueden formar lo que se denomina "Brisa", durante los meses de junio a agosto y

por periodos muy cortos.

El área también está sometida a un ciclo de vientos diurno-nocturno que se

originan principalmente debido a los círculos convectivos que hacen masas de aire

caliente desde el pie de monte occidental de la Sierra Nevada junto al cual está

Santa Marta, estas corrientes ascienden para ser reemplazadas por masas de aire

más frías que descienden de las partes altas. De día, el viento sopla del mar hacia

la tierra y durante la noche de la tierra hacia el mar. Durante la noche, el ciclo

refuerza el fenómeno de brisa, pero de día es anulado por ella. Finalmente, la

convergencia de estas corrientes de aire dentro de la bahía de Santa Marta,

producen una corriente constante durante el año que va en dirección este-oeste.

De conformidad con las observaciones diarias efectuadas por el Departamento

Administrativo de Aeronáutica Civil en el Aeropuerto Simón Bolívar, la siguiente es

la relación de dirección y velocidad del viento:

Frecuencia de Dirección: La dirección predominante de los vientos es el Norte,

presentándose la máxima frecuencia en los meses de enero hasta abril, la

dirección Sur adquiere importancia entre los meses de abril a octubre como puede

observarse en la Tabla 2.

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Tabla 2. Valores de Frecuencia de Dirección (%).Periodo 1970-1999 (Estación Aeropuerto Simón Bolívar).

ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC

N 30 34 39 39 27 20 19 20 15 18 15 17

NE 21 15 12 11 14 16 20 14 18 19 22 33

E 5 4 3 3 3 5 8 7 8 8 10 5

SE 2 6 5 2 6 7 6 7 8 10 5 3

S 6 7 9 13 16 16 11 17 12 14 8 4

SW 9 13 9 7 5 8 5 6 6 12 8 11

W 12 7 7 6 9 9 11 10 13 9 13 11

NW 4 6 10 12 16 12 11 9 11 8 11 8

CALM 11 9 6 7 5 9 10 11 10 3 8 8

• En el mes de enero la dirección predominante de los vientos es norte con

una frecuencia de 30% seguida de la dirección NE con un 21% y calmas del

11%.

• En febrero la dirección predominante de los vientos es norte con una

frecuencia de 34% seguida de la dirección NE con un 15%, las calmas son

del 9%.

• Para Marzo igualmente la dirección predominante de los vientos es el norte

con una frecuencia del 39%, la segunda dirección predominante es la NE

con un 12 % y calmas del 10 %.

• La distribución de la frecuencia de los vientos en el mes de abril en donde la

dirección predominante de los vientos es la norte con una frecuencia del

39% y calmas del 7 %.

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• En el mes de mayo la dirección predominante de los vientos es el norte con

una frecuencia de 29%, la segunda la dirección predominante es la S con

un porcentaje del 16 % y calmas del 5 %.

• En junio la dirección predominante de los vientos es la norte nuevamente

con una frecuencia del 20 % seguida de las dirección NE y S con un 16%

cada una y calmas del 9%.

• Para julio la dirección predominante de los vientos es la NE, seguida por la

dirección N con porcentajes de 20 y 19 % respectivamente, las calmas son

del 10%.

• La distribución de la frecuencia de los vientos en el mes de agosto en

donde la dirección predominante de los vientos es la norte con una

frecuencia del 20% seguida de la dirección S con un 17%.

• En el mes de septiembre la dirección predominante de los vientos es la NE

con una frecuencia de 18% seguida de las direcciónes W y S con 13 % y 12

% respectivamente.

• En octubre la dirección predominante de los vientos es la Ne con 19%

seguida muy de cerca por la N con 18%.

• Para noviembre la dirección predominante de los vientos es la NE con una

frecuencia del 22 % las calmas en este mes son del 9 %.

• La distribución de la frecuencia de los vientos en el mes de diciembre donde

la dirección predominante de los vientos es la norte con una frecuencia del

39% y calmas del 7 %.

Rosa de los vientos: La Rosa de Vientos se elabora con base en la matriz de

distribución conjunta de probabilidades, en la que se estratifica la frecuencia

acumulada de la frecuencia de velocidad y dirección del viento para cada

categoría de estabilidad, lo que permitió establecer la contribución porcentual de

cada categoría de velocidad, dirección y estabilidad atmosférica.

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Los resultados de la Rosa de Vientos se presentan en la Figura 4, como una

función de las velocidades y direcciones del viento, para ocho (8) direcciones

predominantes. En estas gráficas se observa un predominio en la dirección del

viento de Norte, Noroeste, (soplando al Sur, suroeste, respectivamente).

Se observa que la dirección predominante es Norte, con un 26% de frecuencia

acumulada, seguida por las direcciones Noreste y Sur, con un porcentaje

acumulado porcentual de 15% y 10%, respectivamente.

Figura 4. Representación gráfica de la predominancia de los vientos .Período 1970-1999 (Estación Aeropuerto Simón Bolívar).

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Velocidad del viento: La Velocidad media mensual del viento para 21 años de

registro (1978 – 1999) se resume en la Tabla 3. Los meses que registran los

máximos valores promedio de la velocidad del viento son en orden de mayor a

menor marzo (4,9 m/s), febrero (4,6 m/s), enero y abril con 4,2 m/s cada uno. El

periodo comprendido entre octubre y noviembre se caracteriza por presentar los

menores promedios de la velocidad del viento. Octubre se comporta como el mes

con menor valor medio de velocidad del viento 0,8 m/s.

Tabla 3. Valores medios Multianuales de Velocidad del Viento (m/seg.). Estación Aeropuerto Simón Bolívar. Periodo 1978 – 1999.

ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEPT OCT NOV DIC

Medios 2.6 3 1.5 2.5 1.5 1.2 1.5 1.3 0.9 0.8 1.1 2 Máximos 4.2. 4.6 4.9 4.2 2.2 2.2 2.6 2.4 1.2 1.2 2.1 3.3Mínimos 1.6 1.7 2.2 1.4 0.2 0.2 0.8 0.1 0.3 0.2 0.2 1.2

4.1.1.2. Temperatura

La temperatura media multianual para 29 años de registro (1970 – 1999) se

resume en la Figura 5. La región posee una temperatura media de 28.1°C, con

temperaturas medias máximas registradas en los meses de abril, mayo y junio con

29,9 °C

Tabla 4. Valores medios multianuales de temperatura (°C). Estación Aeropuerto Simón Bolívar. Periodo 1978 – 1999.

ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC

Mínimos 26 26,6 27,5 27,7 28,1 28 27,3 26,9 26,8 26,8 26,5 25,8Medios 27,3 27,7 28,2 28,8 28,8 29 28,6 28,3 27,9 27,7 27,7 27,2

Máximos 28,4 29 29,1 29,9 29,9 29,9 29,5 29,3 29 28,5 28,8 28,5

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Figura 5. Comportamiento de los Valores Medios de Temperatura (°C), Periodo 1970 – 1999 (Estación Aeropuerto Simón Bolívar).

4.1.1.3. Precipitación

En la Figura 6 se consignan los valores medios multianuales de precipitación de

acuerdo a los registros de la estación del Aeropuerto Simón Bolívar con datos

observados durante el periodo de 1970 al 1999 (ver Figura 6).

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Figura 6. Distribución de la Precipitación, durante enero 1970 – octubre 1999. (Estación Aeropuerto Simón Bolívar).

Tabla 5. Valores totales Multianuales de Precipitación mensual (m.m.), Período 1970 – 1999 (Estación Aeropuerto Simón Bolívar).

ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEPT OCT NOV DIC

MÍNIMOS 0 0 0 0 0 2.3 0 13.1 18.4 11 0.6 0

MEDIOS 6.2 2.7 1.7 9.9 55 61.6 61 57.8 87.7 112 44.8 11

MÁXIMOS 66.6 28 30 38 167 157 166 140 209 327 154.9 75

En la ciudad de santa marta la precipitación más alta se presenta en los meses de

octubre con 327 mm y septiembre con 209 mm. La precipitación mas baja se

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presenta durante los meses de enero, febrero, marzo y abril donde es

prácticamente nula.

De acuerdo con la información referenciada, en las estaciones San Lorenzo

(ubicada a un altitud de 2200 m.s.n.m); la Ye (ubicada a 20 m.s.n.m), ambas

localizadas por fuera de la cuenca del Río Manzanares pero dentro de su área de

influencia; y la estación Los Quinientos que presenta valores agrometeoreológicos

para FLORESTA LTDA1 (Corpamag, 1995), la precipitación durante el transcurso

del año es de tipo monomodal en toda la zona de interés de la cuenca, con un

ligero descenso en el mes de julio. La temporada lluviosa empieza en abril y se

extiende hasta el mes de julio. Las menores cantidades ocurren durante el ultimo y

los primeros meses del año; es decir, el periodo seco va de diciembre a marzo y

es caracterizado por una disminución pronunciada de la precipitación (Serrano,

1996).

4.1.1.4. Brillo solar

El brillo solar, en horas mensuales, presentó una media anual de 2.949, 3 horas

de sol (Tabla 6). La mayor incidencia de rayos solares se presenta en enero y la

más baja en octubre, coincidiendo esta última con el mes de mayor precipitación.

Las mayores fluctuaciones de brillo solar se encuentran en el mes de noviembre

coincidiendo con un periodo de transición entre época lluviosa y época seca.

1 Citado por Serrano et al (1996)

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Tabla 6. Valores totales mensuales de brillo solar (horas), Período 1976 – 2003 (Estación Aeropuerto Simón Bolívar).

ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEPT OCT NOV DIC

MEDIOS 322,7 280,4 287 231 224,1 118,7 232,2 228,3 201,3 210,2 230,6 272,8

MÁXIMOS 925 791,8 909,9 250,2 273 264,9 264,5 279,8 276 256,5 257,7 298,1

MÍNIMOS 205,8 273,3 218,8 194,1 195,9 179 191,4 153,6 136,8 124,2 195,2 207,3

4.1.1.5. Evaporación

De acuerdo a los valores medios registrados en la estación de referencia, los

mayores valores de evaporación se presentan los primeros meses del año (entre

enero y mayo) coincidiendo con los meses de menor precipitación Tabla 7.

Tabla 7. Valores totales mensuales de evaporación (mm), Período 1973 – 2003 (Estación Aeropuerto Simón Bolívar).

ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEPT OCT NOV DIC

MEDIOS 238,6 191,6 227,2 197,2 190,7 168,2 140,1 181 151,9 154,3 153,5 187,7

MÁXIMOS 429,7 208 244,3 233.4 248.4 243,5 240.3 280,8 269,6 267,5 233,6 239,8

MÍNIMOS 157,6 149,3 205,5 154,6 139,6 129,5 70,9 104,4 89,7 102,8 98,9 143,5

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4.1.2. Hidrología

El área de la cuenca del Río Manzanares es de 170.84 Km2 2 (Corpamag, 1995) y

es recorrida de SE - NO y de E – O en una longitud de 32.5 Km, debido a esta

orientación desde su nacimiento a los 2350 m.s.n.m a los 90 m.s.n.m donde

recibe las aguas de la quebrada Aserrío se presenta una menor evaporación de

agua que en el tramo restante hasta la desembocadura.

La cuenca esta favorecida por la cobertura boscosa que se sostiene en el sector

oriental, en un área aproximada de 3446 Ha, lo que equivale al 20 % del área total;

además, contigua a esta área se presenta la zona cafetera en una extensión de

981 Ha aproximadamente, lo que equivale al 6% del área total. Esta área de

cobertura beneficia la calidad de agua pero puede afectar la cantidad por

presentarse una mayor transpiración.

De acuerdo con el Coeficiente de Compacidad de Gravelius3 (Corpamag, 1995)

que relaciona el perímetro de la cuenca con la de un circulo de área igual, la

cuenca del Río Manzanares presenta, en general, un comportamiento medio o

moderado a la torrencialidad e inundaciones. La microcuenca de la quebrada

Mojada se califica, según este coeficiente, como peligrosa torrencialmente, siendo

de menor peligrosidad torrencial la microcuenca de la Quebrada Tamacá. Las

microcuencas de la Quebrada Aserrío y Manzanares se comportan con una

torrencialidad media, muy similar a la que presenta la Cuenca en general (Serrano

et al, 1996).

2 Citado por Serrano et al (1996) 3 Citado por Serrano et al (1996)

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4.1.2.1. Balance Hídrico.

Según Serrano et al, 1996, la cantidad de agua en la cuenca del Río Manzanares

en su parte alta y baja es de 80 mm y 40 mm por metro de profundidad

respectivamente. Se presenta un tiempo de concentración de 82 horas y un caudal

pico para lluvias con un periodo de retorno de 50 años para un tiempo de

concentración de 49 minutos de 672 m3/seg. De acuerdo a estos datos se

realizaros las siguientes observaciones:

En la parte alta hay una fuerte concentración de volúmenes de agua de creciente;

sin embargo, cuando llega a la zona de Bonda, por la forma que toma la cuenca y

la dirección del cause, el volumen del escurrimiento no es muy grande. La cuenca

tiene un altura baja. El 50 % de ella se encuentra distribuida a los 0 y 400 m.s.n.m.

La pendiente por curva de nivel indica que entre los 800 y 1200 m.s.n.m debe ser

zona exclusiva de conservación, ya que el manejo inadecuado de estas tierras

frágiles, por la pendiente, aumentaría la erosión.

Para datos de caudales la empresa METROAGUA S.A. E.S.P suministro una serie

de aforos que se realizan mensualmente en varios puntos establecidos sobre el

trayecto del Río Manzanares donde se diferencian los periodos de invierno y

verano (Tabla 8).

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Tabla 8. Valores de caudales para el Río Manzanares (METROAGUA).

CAUDALES (m3/s) Puente de

Bonda Puente de Mamatoco

Puente de la Kr Quinta

Oct-04 3,67 3,46 3,79 Nov-04 4,71 4,55 4,26 Dic-04 1,51 1,48 1,45 Ene-05 1,17 1,24 1,09 Feb-05 0,44 0,45 0,37 Mar-05 0,11 0,17 0,13

4.1.3. Vegetación

La vegetación natural de la cuenca hidrográfica del Río Manzanares fue alterada

aproximadamente en un 70% ocasionándose un desequilibrio ecológico y un

deterioro de los recursos naturales, más aun con la implementación de usos y

manejos inadecuados en la mayor parte de los suelos deforestados4 (Corpamag,

1995).

En el área de la cuenca se ha desarrollado el complejo turístico de la ciudad de

Santa Marta y corregimientos aledaños; en el resto del área, por el déficit de agua

existente, no se ha podido implementar una agricultura de alta rentabilidad a pesar

de la óptima calidad de sus suelos. Sin embargo, se aprecia en algunos sectores

el pastoreo con ganaderías extensivas y cabras, como también pequeños lotes de

árboles frutales. En las colinas, los suelos desde el punto de vista agropecuario

son totalmente improductivos, pues la falta de una meteorización de la roca madre

no ha permitido su desarrollo. Estos suelos sostienen una vegetación xerofítica,

donde juega un papel predominante la familia de las cactáceas. El estrato inferior

constituido por herbáceas que permanecen, muchos de ellos, en estado latente

4 Citado por Serrano et al (1996)

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durante el verano, rebrotando en invierno, en este sector predominando las

cactáceas conocida como piñuelo.

Para el análisis de la vegetación natural se han identificado, de acuerdo con

Holdrige, las formaciones vegetales que cubren el rango altitudinal de la cuenca

desde los 0 – 2350 m.s.n.m., condicionados a las relaciones edáficas y climáticas.

Formación vegetal monte espinoso tropical (me-t): Esta formación se

caracteriza por una precipitación promedia anual de 250 – 500 mm y

biotemperatura promedia superior de 24°C: con una localización altitudinal entre

los 0 – 100 m.s.n.m.

Formación vegetal bosque muy seco (bms-t): Esta formación vegetal esta

ubicada entre los 100 – 200 m.s.n.m en la zona considerada, fisiográficamente,

como el pie de monte de la Sierra Nevada de Santa Marta; está caracterizada por

una precipitación promedia anual que oscila entre los 500 – 1000 mm y una

temperatura >27°C.

4.1.4. Suelos

Los suelos de la cuenca del Río Manzanares pueden ser clasificados en tres

clases agrológicas, de acuerdo con sus características morfológicas, pedalógicas

y agrológicas.

Suelos de escarpes: Estos suelos pertenecen a la clase agrológica5

(CORPAMAG, 1995) VII, con uso limitado o bosques, cobertura permanente y en

algunos sitios para pastos; presentan fuertes limitaciones de orden

geomorfológicos, pedagógicos y agrológicos. Los suelo0s del balcón del Alto del

Mango quedan incluidos en esta categoría.

5 Citado por Serrano et al (1996)

39

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Suelos de balcones: Estos suelos se ubican en zonas de menos pendiente, con

mayor abundancia de vegetación natural, en algunas zonas; y bosques arbustivos,

con estrato herbáceo. La gran mayoría de estos suelos pertenece a la clase

Agrológica IV, por la presencia de algunas limitaciones, como pendiente,

pedregosidad y baja fertilidad en zonas de afloramiento graníticos. Se exceptúan

aquí el balcón del Alto Mango que se clasifica dentro de la clase Agrológica VII.

Suelos de la planicie de santa marta: También se encuentran los suelos de la

planicie de Santa Marta, desarrollados sobre los conos del Río Manzanares y la

Quebrada Tamacá. Estos conos forman una zona plana de pendiente inferior al

1%; los suelos varían entre limosos y arenosos, produciéndose una fuerte

infiltración y de acuerdo con las características descritas, y desde el punto de vista

agrológico, estos suelos se pueden clasificar dentro de la clase Agrológica II.

4.2. Muestreos y actividades de campo

4.2.1. Cuantificación de afluentes, fuentes puntuales y fuentes difusas de contaminación

Con el fin de cuantificar las fuentes puntuales y difusas a si como tributarios se

realizo un recorrido sobre el tramo principal del Río Manzanares en el mes de

Junio de 2005, en donde cada punto de interés fue georeferenciado e inventariado

con un equipo de Sistema de Posicionamiento Global, marca GARMIN 12XL

(Figura 7), siguiendo el recorrido con la ayuda de un plano de la cuenca del Río

Manzanares suministrado por el Instituto Geográfico Agustín Codazzi (IGAC) a

una escala 1:25000 de referencia 11 – IV – B. En la Tabla 9 se conFiguran las

diferentes estaciones de muestreo sobre fuentes puntuales y difusas.

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Tabla 9. Georeferenciación de los puntos de muestreo sobre el Río Manzanares.

COORDENADAS ESTACIÓN E N ABSCISA

(KM) CLASE

Cabecera 74º06'51.5'' 11º13'41.2'' K 0 + 000 F.P Quebrada Matogiro 74º07'06'' 11º14'15'' K 1 + 050 F.P

Caño de A.R.D en Bonda 74º07'39'' 11º14'24'' K 1 + 925 F.P

Puente de la Troncal 74º08'01.1'' 11º14'28.5'' K 2 + 775 E.M

Quebrada Veracruz 74º08'28'' 11º14'26'' K 4 + 075 F.P

Quebrada Mojada 74º08'49'' 11º14'14'' K 4 + 450 F.P - E.M

Quebrada Seca 74º08'58'' 11º14'08'' K 4 + 950 F.P Puente de Mamatoco 74°10'41,7'' 11°13'56,3'' K 10 + 280 F.DI

Puente Av. Ferrocarril 74º12'02.8'' 11º13'51.7'' K 13 + 900 F.DF - E.M

Quebrada Tamacá 74º12'27'' 11º13'48'' K 15 + 075 F.P

Puente Batallón 74º13'09.9'' 11º14'12.8'' K 16 + 630 F.DI Descargas A.R.D Puerto Mosquito 74º13'20.2'' 11º14'15.5'' K 17 + 500 F.DF

Desembocadura 74º13'24.9'' 11º14'19.2'' K 17 + 750 E.M

Claves: F.P: Fuente Puntual, F.D: Fuente Difusa (Inicio y final), E.M: Estación de Monitoreo.

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Figura 7. Georeferenciación de estaciones de muestreo.

4.2.2. Mediciones de campo y análisis de laboratorio

Se llevaron a cabo dos (2) campañas de muestreo cobijando los periodos de

estiaje e invierno en los meses de Julio de 2005 y Mayo de 2006 respectivamente,

donde se midieron variables en campo (OD, conductividad, pH, temperatura) con

equipos previamente calibrados (Tabla 10) del Laboratorio de Calidad de Aguas

de la Universidad del Magdalena.

42

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Tabla 10. Equipos y referencias para análisis de variables de campo y laboratorio.

STANDAR METHODS EQUIPOS

PARÁMETRO MÉTODO ANÉÁLITICO REFERENCIA MARCA MODELO

pH Electrométrico 4500 H+ B SCHOTT HANDYLAB 1 Conductividad Electrométrico 2510 B THERMO ORION 145A+

Oxígeno Disuelto

Electrodo Membrana 4500 O G WTW OXI315i/set

Temperatura electrométrico 2550 B WTW OXI315i/set Demanda

Bioquímica de Oxigeno (DBO5)

winkler 5210-B

Para la determinación de la Demanda Bioquímica de Oxigeno (BDO5) se utilizaron

botellas Winkler las cuales al momento posterior al llenado fueron refrigeradas y

llevadas al laboratorio de Calidad de Aguas de la Universidad del Magdalena para

su posterior análisis.

En los muestreos se recolectaron muestras compuestas combinando alícuotas

provenientes de dos (2) o tres (3) verticales distribuidas a lo ancho del río

dependiendo del punto de muestreo (Figura 8). En las estaciones ubicadas de la

población de Bonda aguas arriba se recolectaron muestras en dos (2) verticales

ya que el ancho del río varia de 2 a 5 mt en la mayor parte del año, en puntos

como la desembocadura de las quebradas Seca y Mojada se realizó la toma de

muestras en tres (3) verticales debido al ancho del río que osciló en 15 y 20 mt de

longitud.

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Figura 8. Distribución de verticales y profundidades para toma de muestras.

La determinación de caudales se realizó de forma simultanea con la toma de

muestras, para esta la sección transversal del río fue dividida en segmentos

iguales de longitud variable de 0.5 a 1 m, con la ayuda de una cinta métrica y

estacas de madera (Figura 9), creando una familia de áreas que fueron

consideradas como trapecios para luego determinar la velocidad media y por

ultimo caudales unitarios con la Ecuación 1.

(Ec. 1)

Donde:

= Caudal (m3/s)

= Velocidad media del flujo (m/s)

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= Área transversal al flujo (m2)

Figura 9. Sección transversal de la corriente.

Se obtuvo un caudal representativo por sumatoria para un sitio en particular. En la

medición de velocidad se utilizó un correntómetro marca OTT, modelo C20,

perteneciente al laboratorio de Ingeniería Civil de la Universidad del Magdalena, el

cual mide velocidad en términos de revoluciones por minutos utilizando la

Ecuación 2.

(Ec. 2)

Donde:

= Velocidad medio del flujo (m/s).

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= Número de vueltas por segundo de la elipse.

En el caso de algunas quebradas en donde era imposible utilizar el correntómetro

debido a la poca profundidad se determino la velocidad media por el método del

flotador.

4.2.3. Estaciones de monitoreo y tramos de simulación

Las estaciones de monitoreo utilizadas para la calibración del modelo QUAL2K

fueron establecidas por el método del Centroide (MINISTERIO DE DESARROLLO

SOCIAL Y MEDIO AMBIENTE, Argentina, 1996), el cual se basa en la cantidad y

orden de los tributarios que llegan desde un punto determinado hasta la

desembocadura de un río. Para el caso del Río Manzanares se aplico desde la

cabecera hasta la desembocadura obteniendo una primera jerarquización que

estableció una estación de monitoreo sobre el Puente de la Troncal. Para la

segunda jerarquización se estableció una estación de monitoreo en el puente de la

Avenida del Ferrocarril. Adicionalmente se ubico una estación de monitoreo aguas

abajo de la afluencia de la quebrada y otra en la desembocadura del Río

Manzanares.

El método del Centroide tiene como condición limitante los caudales de los

tributarios que descargan sobre el río en estudio, si el valor aportado por un

tributario es menor a 1.5 m3/s este no se incluye en la metodología. Teniendo en

cuenta que los aportes de las quebradas afluentes sobre el Río Manzanares no

sobrepasan el valor limitante en la mayo parte del año (excepto la quebrada

Matogiro donde su caudal es superior a 1.5 m3/s) y a la escala de la cuenca, esta

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metodología fue aplicada a fin de establecer las estaciones de monitoreo con

criterio técnico.

Se establecieron tramos de simulación a lo largo de la sección en estudio del Río

Manzanares de acuerdo a las descargas confluidas sobre este y las

características hidráulicas, obteniendo un total de 7 tramos (Figura 10).

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DESCARGAS DE LOS BARRIOS LAS MALVINAS, LAS VEGAS Y LA AV DEL RIO

K 1 + 050

CABECERA - BONDA1

2

3

4

5

6

7

DESEMBOCADURA

QUEBRADA MATOGIRO

CAÑO DE A.R.D - BONDA

QUEBRADA VERACRUZ

QUEBRADA MOJADA

QUEBRADA SECA

QUEBRADA TAMACA

K 1 + 925

K 4 + 075

K 4 + 450

K 4 + 950

K15 + 075

K17 + 750

K 0 + 000

DESCARGAS DEL BARRIO PUERTO MOSQUITO

Figura 10. Tramos de simulación.

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5. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE SIMULACIONES

5.1. Inventario de fuentes puntuales y quebradas

En la Tabla 11 se muestra el inventario de fuentes de descargas puntuales,

puntos de extracción y afluentes, levantados mediante un recorrido desde la

desembocadura hasta la parte más alta del área de estudio sobre el río

Manzanares.

En total se encontraron seis (6) fuentes puntuales o puntos de entrada de

contaminación al río Manzanares. Este número que resulta relativamente bajo se

hace más significante al observar el grado de deterioro que presenta el río, sin

embargo esto se puede explicar por el echo de que las principales fuentes de

contaminación están representadas por las descargas de aguas residuales

domesticas, las cuales para efecto de la presente investigación no se designaron

como fuentes puntuales, si no como fuentes difusas. A continuación se describen

cada una de los puntos de afluencia encontrados en el tramo que se simuló la

calidad del agua.

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Tabla 11. Inventario de fuentes puntuales y quebradas.

LOCALIZACIÓN NOMBRE DE LA FUENTE

TIPO DE FUENTE N W

LOCALIZACIÓN (Km)

Quebrada Matogiro Quebrada 11° 14’ 15’’ 74° 07’ 06’’ 1.05

Caño de ARD en Bonda Puntual 11° 14’ 24’’ 74° 07’ 39’’ 1.925

Quebrada Veracruz Quebrada 11° 14’ 26’’ 74° 08’ 28’’ 4.075

Quebrada mojada Quebrada 11° 14’ 14’’ 74° 08’ 49’’ 4.45

Quebrada seca Quebrada 11° 14’ 08’’ 74° 08’ 58’’ 4.95

Quebrada Tamacá Quebrada 11° 13’ 48’’ 74° 12’ 27’’ 15.075

5.1.1. Punto de afluencia Quebrada Matogiro.

Es la primera quebrada que se encuentra aguas abajo del punto escogido como

cabecera en la investigación, la quebrada Matogiro desemboca en el río

Manzanares a 1.05 km de este punto, este sitio de afluencia se encuentra ubicado

a 11º 14’ 15’’ de latitud norte y 74º 7’ 6’’ de longitud oeste, a escasos cien (100)

metros aguas abajo del puente de Bonda. La quebrada esta tributando agua

continuamente al río Manzanares tanto en época de invierno como en verano, al

contrario de lo que sucede con otros tributarios. Esta quebrada durante el invierno

presenta caudales cercanos a 1 m3 y en el verano es de 0.4 m3

aproximadamente, convirtiéndose en el afluente que aporta el mayor caudal al río

Manzanares en su parte baja.

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El agua de la quebrada Matogiro es de aspecto limpio, sin embargo presenta un

poco de contaminación derivado de algunas porquerizas y criaderos de pollos que

descargan aguas residuales generadas en esta clase de explotaciones pecuarias.

En la mayoría de los casos las descargas de estas aguas residuales no se hacen

directamente sobre el cuerpo hídrico, si no sobre suelos cercanos a la quebrada,

pero finalmente estas aguas escurren hasta llegar a su lecho. No obstante la

quebrada desemboca al río Manzanares con un Oxigeno Disuelto (OD) de 6.45

mg/l durante época de estiaje; valor cercano a 8 mg/l que es el nivel de saturación,

esto es originado seguramente por el lecho rocoso que presenta el cuerpo hídrico

que aumenta la aireación del agua.

5.1.2. Punto de afluencia caño de aguas residuales domésticas en Bonda.

Ubicado a 1.9 km aguas abajo del punto más alto de simulación. Este pequeño

riachuelo aporta un caudal aproximado de 0.2 m3/s al río Manzanares en invierno,

siendo este uno de los tributarios más contaminados por que recolecta aguas

grises de una urbanización en el caserío de Bonda. Durante el verano el caño no

se seca debido a las descargas de aguas grises, el agua tiene turbidez alta por la

presencia de jabones y detergentes, presenta niveles de OD bajos (cercanos a 3

mg/l) y una DBO aproximada de 50 mg/l.

5.1.3. Punto de afluencia quebrada Veracruz

El río Manzanares luego de pasar por el caserío de Bonda, posee un tramo de

aproximadamente 2.1 Km donde no presenta descargas de agua dirigidas hacia

el. En el Km 4.1 aguas abajo del punto inicial se encuentra la quebrada Veracruz.

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Aunque el agua de esta es de aspecto cristalino, presenta un olor desagradable

producido presumiblemente por la descarga de aguas residuales de la planta

procesadora de pollo HUCANA. Durante el verano la quebrada puede llegar a

secarse, mientras en periodo de lluvias se registró un caudal de 20 l/s. El oxígeno

disuelto es de alrededor de 6 mg/l y la DBO es de 30 mg/l aproximadamente, lo

que demuestra que el cuerpo tiene algún grado de contaminación.

5.1.4. Punto de afluencia quebrada Mojada

Ubicada a los 4.45 km desde el tramo inicial, es un afluente relativamente grande

con un caudal aproximado de 180 l/s en periodo de lluvias. Este reviste gran

importancia por que es el cuerpo hídrico que pasa con mayor aproximación al

antiguo botadero de basuras de Veracruz y es probable que una pequeña parte de

los lixiviados producidos al interior de este escurran hasta llegar al lecho de la

quebrada contaminándola.

5.1.5. Punto de afluencia quebrada Seca

Es uno de los afluentes que aporta mayor caudal al río Manzanares. Se registró un

caudal de 223 l/s en periodo de invierno. También presenta problemas de

contaminación reflejados en una DBO de 25 mg/l y OD de 4.5 mg/l en promedio.

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5.1.6. Punto de afluencia quebrada Tamacá.

La quebrada Tamacá se puede considerar como una fuente puntual de

contaminación ya que esta recolecta aguas residuales de algunas viviendas

ubicadas en los barrios El minuto de Dios, La Lucha y Curínca, que luego

desembocan al río Manzanares. Además de transportar aguas residuales

domésticas la quebrada Tamacá recolecta grandes cantidades de residuos sólidos

a su paso por los diferentes barrios mencionados anteriormente, los residuos

sólidos son arrastrados hasta el cause del río Manzanares y finalmente a la bahía

de Santa Marta. Durante el verano este riachuelo puede llegar a secarse mientras

en invierno pude tener un caudal bastante alto.

5.2. Inventario de fuentes difusas.

Durante la inspección del tramo a simular se establecieron dos fuentes difusas, las

cuales se muestran en la Tabla 12 Estas corresponden a los trayectos donde

ocurren las descargas de aguas residuales domésticas, las cuales son muy

difíciles de identificar individualmente en lo referente a su localización y caudal,

mientras agrupándolas es más fácil de ubicarlas espacialmente y de calcular su

caudal. Para esto último se contó el número de viviendas y se efectuó el cálculo, a

las cuales sele asignó una dotación neta de 150 l/hab/d y un coeficiente de retorno

del 5%.

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Tabla 12. Inventario de fuentes difusas

LOCALIZACIÓN DESDE HASTA NOMBRE

N W N W CA

UD

AL

(m3 /s

)

DB

O

(mg/

l)

OD

(mg/

l)

pH

Difusa 1 11°13’57’’ 74°10’45’’ 11°13’52’’ 74°12’5’’ 0.1 180 2 7.3

Difusa 2 11°14’14’’ 74°13’01’’ 11°14’20’’ 74°13’25’’ 0.01 180 2 7.3

La primera fuente difusa empieza en el barrio las Malvinas y se extiende aguas

abajo hasta el puente ubicado sobre la avenida del ferrocarril.

La segunda fuente difusa se inicia en el puente de la cuarta y termina en la

desembocadura del río en la bahía de Santa Marta. Para las simulaciones se

utilizaros valores de OD, DBO y pH correspondientes a aguas residuales

doméstica típicas.

5.3. Inventario de puntos de extracción.

En la Tabla 13 se muestran los (2) dos puntos de extracción que se ubicaron

durante el desarrollo de la presente investigación. Estos puntos corresponden a

estructuras que fueron construidas sobre el lecho del río Manzanares con el fin de

aumentar la recarga del acuífero de Santa Marta. Los datos de los caudales fueron

proporcionados por METROAGUA empresa que presta el servicio de acueducto y

alcantarillado en la ciudad. Tabla 13. Inventario de puntos de extracción

NOMBRE LOCALIZACIÓN AGUAS ABAJO (Km) CAUDAL (m3/s)

Recarga 1 10.30 0.17 Recarga 2 10.93 0.17

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5.4. Resultados de mediciones de campo de las condiciones actuales de la calidad del agua del Río Manzanares.

5.4.1. Calibración del modelo.

La primera campaña de muestreo se realizó durante el mes de Julio de 2005,

época durante la cual se presentó sequía.

5.4.1.1. Caracterización de la calidad del agua en la frontera aguas arriba.

Las condiciones de frontera del modelo se ubicaron en la bocatoma del acueducto

de Santa Marta. Para la caracterización de este punto se tomaron 24 muestras de

agua (una cada hora durante un día) a las cuales se le midieron algunos

parámetros in sítu (OD, pH y conductividad) y posteriormente fueron llevadas al

laboratorio para determinación de DBO. Los resultados de la caracterización de

este punto se presentan en la Tabla 14..

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Tabla 14. Resultados de los parámetros medidos en el punto más alto de simulación (Julio de 2005).

HORA DE MUESTREO OD (mg/l) DBO (mg/l) CONDUCTIVIDAD

(umhos) pH

12:00 AM 7.55 3.3 165 7.29 1:00 AM 7.55 3.4 162 7.3 2:00 AM 7.56 3.46 160 7.29 3:00 AM 7.56 3.4 160 7 4:00 AM 7.55 3.48 163 7.3 5:00 AM 7.55 3.55 164 7.3 6:00 AM 7.54 3.53 166 7.3 7:00 AM 7.53 3.58 166 7.3 8:00 AM 7.51 3.61 166 7.3 9:00 AM 7.5 3.61 166 7.3

10:00 AM 7.52 3.64 167 7.26 11:00 AM 7.5 3.64 166 7.28 12:00 PM 7.51 3.67 168 7.31 1:00 PM 7.5 3.68 167 7.3 2:00 PM 7.49 3.68 168 7.3 3:00 PM 7.48 3.68 168 7.28 4:00 PM 7.5 3.7 167 7.29 5:00 PM 7.5 3.64 166 7.31 6:00 PM 7.51 3.63 164 7.3 7:00 PM 7.53 3.61 165 7.31 8:00 PM 7.54 3.59 164 7.3 9:00 PM 7.55 3.51 165 7.31

10:00 PM 7.55 3.51 165 7.29 11:00 PM 7.55 3.5 165 7.29 11:00 PM 7.55 3.5 165 7.29 MÁXIMO 7.56 3.7 168 7.31 MÍNIMO 7.48 3.3 160 7

PROMEDIO 7.53 3.57 165.13 7.28

Se encontraron niveles de concentración de DBO similares a las reportadas en la

literatura para aguas naturales superficiales con baja intervención antrópica, lo que

confirma que la mayor parte de la contaminación del río Manzanares es producida

en la parte baja cuando este atraviesa la ciudad de Santa Marta. Los valores

reportados en la Tabla 14, presentan un valor mínimo de OD de 7.48 mg/l medido

a las 3:00 p.m.

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5.4.1.2. Caracterización de la calidad del agua en los afluentes

Para caracterizar los efluentes se tomaron muestras puntuales a las cuales se les

midieron los diferentes parámetros considerados en la investigación. Los

resultados de estas determinaciones se muestran en la Tabla 15. La ausencia de

datos en la quebrada Tamacá se debió a que esta se encontraba sin flujo en la

época en que se llevó a cabo el muestreo.

Tabla 15. Caracterización de parámetros de los afluentes (Julio de 2005).

NOMBRE LOCALIZACIÓN (Km)

CAUDAL (m3/s)

CONDUCT (umhos)

OD (mg/l)

DBO (mg/l) pH

QuebradaMatogiro 1.05 0.4 383 6.45 5.2 7.5

Q ARD Bonda 1.93 0.2 367 3.1 50.1 7.25

Quebrada Veracruz 4.75 0.02 552 6.55 3.53 7.42

Quebrada Mojada 4.45 0.183 625 6.5 18 7.7

Quebrada Seca 4.95 0.223 178 4.5 25.2 7.4

Quebrada Tamacá 15.08 0 - - - -

Los resultados de esta caracterización dejan ver que a la altura de Bonda (Km

1.93) se aporta un alto grado de contaminación ya que el registro de OD es el

más bajo (3.1 mg/l). Cabe resaltar que este aporte se hace principalmente por

vertimiento de aguas grises sin previo tratamiento.

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5.4.1.3. Caracterización de la calidad del agua en las estaciones de monitoreo.

En las cuatro (4) estaciones seleccionadas se tomaron muestras instantáneas,

además del aforo del caudal del río. La información recopilada en las estaciones

de monitoreo se presenta en Tabla 16. Esta fue utilizada para la calibración del

modelo.

Tabla 16. Caracterización de la calidad del agua en cuatro (4) estaciones de monitoreo a lo largo del tramo simulado. (Julio de 2005).

LOCALIZACIÓN (Km)

COND (UMHOS) OD (mg/l) DBO (mg/l) PH

2.78 266 6 20 7.1 4.55 375 6 15 6.8 13.9 420 5 24 7.2 17.5 600 3 25 7.1

En la primera estación de monitoreo (Kilómetro 2.78) los valores de OD y DBO se

reflejan aporte de poca contaminación orgánica, a medida que el río avanza hacia

la desembocadura la calidad del agua va disminuyendo hasta alcanzar valores

desfavorables como se puede observar en la última estación (Kilómetro 17.50,

según los datos reportados en laTabla 16) de monitoreo donde la OD alcanzó un

valor de tan solo 3 mg/l.

5.4.1.4. Calibración del modelo QUAL2K

Para aplicar el modelo se halló el RMS (error de la raíz media cuadrática), con el

fin de establecer el error entre lo simulado y lo obtenido en campo. El modelo se

consideró calibrado cuando fue inferior al 5% del valor medio en campo. El RMS

se calculó para la DBO y OD. Para la OD fue de 0.197 mg/l. Que corresponde al

4.1% del valor medio del dato obtenido en campo (4.825 mg/l). Para la DBO se

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obtuvo un RMS de 0.87 mg/l, equivalente al 4.5% del valor medio de los datos de

las mediciones de campo (19.4 mg/l).

5.4.2. Datos para verificación del modelo

Se llevó a cabo con los datos recolectados durante el mes de mayo de 2006,

periodo durante el cual se presentaron algunas lluvias. Se recolectó la misma

información que en la primera campaña de muestreo y con la misma metodología.

Los resultados de la caracterización de la calidad del agua en la frontera aguas

arriba, en los afluentes y en las estaciones de monitoreo se presentan en las

Tablas 17, 18 y 19 respectivamente.

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Tabla 17. Resultados de los parámetros medidos en la frontera aguas arriba (Mayo de 2006)

HORA DE MUESTREO

OD (mg/l)

DBO (mg/l) CONDUCTIVIDAD (umhos) pH

12:00 a.m. 7.5 5.6 164 7.3 01:00 a.m. 7.52 6.8 160 7.4 02:00 a.m. 7.55 5.4 160 7.3 03:00 a.m. 7.56 5.2 160 7 04:00 a.m. 7.53 5.2 162 7.4 05:00 a.m. 7.54 5.6 163 7.3 06:00 a.m. 7.55 6.5 167 7.2 07:00 a.m. 7.5 6.4 166 7.2 08:00 a.m. 7.51 6.8 166 7.2 09:00 a.m. 7.51 6.4 166 7.3 10:00 a.m. 7.5 6.9 167 7.3 11:00 a.m. 7.5 7.3 167 7.2 12:00 p.m. 7.52 7.2 168 7.2 01:00 p.m. 7.56 6.8 167 7.2 02:00 p.m. 7.49 6.1 168 7.28 03:00 p.m. 7.45 6.15 168 7.31 04:00 p.m. 7.56 6.08 168 7.4 05:00 p.m. 7.51 6.01 166 7.3 06:00 p.m. 7.51 6.0 166 7.29 07:00 p.m. 7.53 6.01 165 7.25 08:00 p.m. 7.54 6.0 164 7.3 09:00 p.m. 7.55 6.2 165 7.31 10:00 p.m. 7.55 5.6 165 7.3 11:00 p.m. 7.55 5.5 165 7.3 11:00 p.m. 7.54 5.5 167 7.3 MÁXIMO 7.56 7.3 168 7.4 MÍNIMO 7.45 5.2 160 7

PROMEDIO 7.52 6.16 165.13 7.27

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Los datos colectados en la frontera aguas arriba para esta segunda campaña se

asemejan bastante a los colectados durante la primera campaña de muestro. los

valores de cada uno de los parámetros muestreados son similares a las

reportadas en la literatura para aguas naturales superficiales con baja intervención

antrópica

Tabla 18. Caracterización de parámetros de los afluentes (Mayo de 2006).

NOMBRE LOCALIZACIÓN (Km)

CAUDAL (m3/s)

CONDUT (umhos)

OD (mg/l)

DBO (mg/l) pH

Quebrada Matogiro 1.05 0.78 293 5.22 5.2 7.1

Q. ARD Bonda 1.93 0.015 392 2.23 55.23 7.25

Quebrada Veracruz 4.75 0.01 365 5.18 25.18 7.42

Quebrada Mojada 4.45 0.06 421 4.95 15.95 7.7

Quebrada Mojada 4.95 0.05 256 5.6 5.92 7.4

Quebrada Tamacá 15.08 0.03 526 0.24 92.24 6.7

En esta segunda campaña de muestreo se observó nuevamente que a la altura de

Bonda (Kilómetro 1.93) es localizada la fuente de mayor contaminación. Como se

puede observar en la Tabla 18 en este unto se reportó la OD más baja (2.23 mg/l),

y la DBO más alta (55.23), esto debido a que la mayor parte del agua que drena

por este pequeño arrollo son aguas grises provenientes del algunas

urbanizaciones.

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Tabla 19. Caracterización de la calidad del agua en cuatro estaciones de monitoreo a lo largo del tramo simulado. (Mayo de 2006).

LOCALIZACIÓN (Km)

CONDUCT (umhos) OD (mg/l) DBO (mg/l) pH

2.78 266 7 5 7.1 4.55 375 7 4 6.8 13.9 420 6 13 7.2 17.5 600 5 14 7.1

Como era de suponerse los resultados mostrados en la Tabla 19 manifiestan un

aumento de la DBO a medida que avanzamos aguas abajo por el río y una

disminución en los niveles de OD. Lo que significa mayor contaminación a medida

que nos acercamos a ala desembocadura.

5.4. Verificación del modelo QUAL2K

Para verificar el modelo se simuló la calidad el agua del Río Manzanares con

datos de la segunda campaña de muestreo. El acercamiento entre los datos

simulados y medidos se estableció mediante el RMS. Para la verificación se

tomaron las mismas tasas de reaireación y de demanda béntica de oxígeno pero

con datos de una época diferente del año. El error encontrado al comparar los

datos simulados con los medidos fue relativamente bajo, por tanto a juicio de los

modeladores el modelo QUAL2K para el río Manzanares se consideró calibrado,

validado y verificado. Para la OD el error calculado fue de 0.23 mg/l (porcentaje %)

y para la DBO fue de 0.66 mg/l (porcentaje %).

5.5. Simulaciones de la Calidad del agua del Río Manzanares (modelo QUAL2K).

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5.5.1. Oxígeno Disuelto.

En las Figuras 11 y 12 se muestran los resultados de las simulaciones de OD en

época de invierno y sequía respectivamente. En estas se aprecian los resultados

de las simulaciones y las mediciones, e igualmente se puede observar la variación

espacial de la concentración de oxígeno disuelto. Para este cuerpo hídrico que en

la parte alta de su cuenca presenta altas pendientes con aguas muy turbulentas

inicia su descenso con una concentración de OD de 7.5 mg/l, cercano al nivel de

saturación (8.5 mg/l) a medida que pasa por Santa Marta el OD disminuye debido

a las descargas de aguas residuales. Para el periodo de verano la OD empieza a

disminuir cuando el río pasa por el corregimiento de Bonda, Desde el Km 4 hasta

el puente de Mamatoco (Km 10) el río sufre un proceso de auto purificación debido

principalmente al lecho rocoso de este, que aumenta la reaireación y la ausencia

de descargas de desechos líquidos. Del Km 10 hacia abajo, en ambos periodos, el

Oxígeno Disuelto empieza a disminuir debido a las continuas descargas de aguas

residuales domésticas, siendo el punto más critico la desembocadura del río

donde la OD alcanza un valor de 4.5 mg/l en periodo de invierno y de 3 mg/l en

verano.

Aunque en ambos periodos el comportamiento de las curvas es similar, al

comparar la grafica del déficit versos la distancia (Figura 13) en los dos (2)

periodos podemos diferenciar entre las dos (2) condiciones. El mayor déficit se da

cerca de la desembocadura, sin embargo en época de invierno el déficit es un

poco menor debido a que el caudal es mayor y por consiguiente el proceso de

dilución es más favorable.

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Distancia (Km)

OD

(mg/

l)

OD (mg/l) OD (mg/l) Dato de campo OD sat

Figura 11. Simulación de Oxígeno Disuelto del Río Manzanares (invierno).

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Distancia (Km)

OD

(mg/

l)

OD (mg/l) OD (mg/l) Dato de campo OD sat

Figura 12. Simulación de Oxígeno Disuelto del Río Manzanares (verano).

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5.5.2. Demanda Biológica de Oxígeno.

Las figuras 14 y 15 muestran las variaciones longitudinales de la DBO tanto en

periodo de verano como invierno.

Con la DBO acontece algo similar a lo reportado para el OD. El comportamiento

de las curvas son similares para ambas simulaciones, pero en periodo de verano

la DBO es mayor, la cual alcanza un valor de 24 mg/l mientras en periodo de

invierno llaga hasta los 15 mg/l. Esto también se explica por el hecho de que en

periodo de lluvias el caudal es mayor y por tanto también la dilución de cualquier

contaminante en el agua. El punto más crítico de contaminación sigue siendo el

último Kilómetro, lo cual indica que en el momento no hay condiciones suficientes

para que el río pueda auto recuperarse dadas las condiciones de vertimientos

continuos (en el espacio y tiempo) de aguas residuales domésticas sin ningún tipo

de tratamiento, lo cual se refleja en las curvas de OD y DBO. A partir del Km 10

siempre hay una tendencia de aumento de la DBO y disminución de la OD.

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Distancia (Km)

Déf

icit

de O

D (m

g/l)

Déficit de OD (mg/l) inv Déficit de OD (mg/l) ver

Figura 13. Condiciones de oxígeno en el Río Manzanares en invierno y verano.

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Distancia (Km)

DB

O (m

g/l)

DBO (mg/l) DBO (mg/l) Dato de campo

Figura 14. Simulación de Demanda Biológica de oxígeno del Río Manzanares (verano).

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Distancia (Km)

DB

O (m

g/l)

DBO (mg/l) DBO (mg/l) Dato de campo

Figura 15. Simulación de Demanda Biológica de oxígeno del Río Manzanares (invierno).

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5.6. Simulación de escenarios y capacidad de autodepuración.

Luego de calibrar y verificar el modelo se establecieron escenarios y opciones de

saneamientos donde se comparan las condiciones actuales con condiciones

supuestas con miras a examinar alternativas que minimicen la contaminación de

las aguas. En total se elaboraron cinco (5) escenarios de simulación. El primer

escenario de simulación se implementó con la ausencia de carga contaminante en

la quebrada Matogiro, para determinar el efecto individual de este afluente del río

Manzanares; El segundo escenario se elaboró bajo el supuesto de la ausencia de

contaminación en la pequeña quebrada que se encuentra a la altura del

corregimiento de Bonda, cuyas aguas son contaminadas constantemente con

aguas grises; En el tercer escenario se observó el efecto conjunto de las cargas

contaminantes de las dos (2) fuentes anteriores, en el cuarto escenario se evaluó

la influencia sobre la calidad del Río Manzanares de las descargas de aguas

residuales domésticas en la parte urbanizada y en el ultimo escenario se analizó

el efecto sobre la calidad del agua del Río Manzanares de las dos (2) extracciones

que se le hacen a este para la recarga artificial del acuífero de Santa Marta. Para

efectos de simplificación en cada uno de los escenarios solo se muestran en este

documento los resultados de la simulación de Oxígeno Disuelto (OD).

5.6.1. Escenario 1. Calidad del agua del Río Manzanares sin carga contaminante en la Quebrada Matogiro.

Las Figuras 16 y 17 muestran el resultado de la simulación en periodo de verano e

invierno de la OD en el caso hipotético que no existiera carga contaminante en la

Quebrada Matogiro. La línea negra representa la OD real (simulación actual) y la

línea roja representa la OD del escenario. Para ambos periodos las gráficas

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muestran que a partir del punto en el cual la quebrada Matogiro tributa sus aguas

al Río Manzanares (Kilómetro 1.05), la línea roja se sobrepone a la línea negra, lo

que quiere decir que bajo las condiciones actuales al realizar el balance de masas

una vez efectuada la mezcla de aguas de los dos (2) canales, la OD del canal

principal (Río Manzanares) disminuye por la influencia de la concentración de OD

y el caudal del canal secundario (quebrada Matogiro). Para periodo de verano el

escenario muestra que al aumentar la OD de 5.22 mg/l (real) a 8.5 mg/l (valor

utilizado para el escenario) se mejoraría la calidad del agua del Río Manzanares.

Este mejoramiento de la calidad del agua del Río Manzanares se daría desde el

Kilómetro 1.05 (Punto de mezcla) hasta el Kilómetro 9 en periodos de verano,

mientras que en periodos de lluvia el efecto se notaría desde el punto de mezcla

hasta la desembocadura del Río Manzanares en la bahía de Santa Marta. El

efecto es mayor y más prolongado en periodo de invierno que en periodo de

verano por que el caudal de la quebrada Matogiro es mayor en tiempos de lluvias

(0.78 m3/s) que en verano (0.4 m3/s) y por tanto en el primer caso el proceso de

dilución es más favorable.

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Distancia (Km)

OD

(mg/

l)

OD (mg/l) Escenario 1 OD sat OD (mg/l) Real

Figura 16. Escenario 1. OD del río Manzanares sin la influencia de la carga contaminante de la quebrada Matogiro. (Periodo de verano).

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Distancia (Km)

OD

(mg/

l)

OD Escenario 1 (mg/l) OD sat OD (mg/l) Real

Figura 17. Escenario 1. OD del río Manzanares sin la influencia de la carga contaminante de la quebrada Matogiro. (Periodo de invierno).

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5.6.2. Escenario 2. Calidad del agua del Río Manzanares sin la influencia de la carga contaminante aportada por la quebrada con ARD a la altura del corregimiento de Bonda.

El modelo calibrado y validado con datos de campo se utilizó para simular la

calidad del agua del río Manzanares bajo el supuesto de la eliminación de la carga

contaminante de la quebrada con aguas residuales domésticas que ingresa al río

manzanares a la altura del corregimiento de Bonda, Km 1.93 del tramo simulado.

Los resultados arrojados por el modelo se muestran gráficamente en las Figuras

18 y 19, en estas se comparan el escenario frente a la situación real en periodo

de verano e invierno. La línea negra representa la variación espacial de la OD real,

mientras la amarilla representa la misma variación pero sin la carga contaminante

aportada por el afluente. En la Figura 18(periodo de verano), podemos observar

claramente como la línea roja siempre está por encima de la línea negra una vez

se produce la mezcla de los dos (2) cuerpos hídricos por lo cual podemos

establecer que la carga contaminante de la pequeña quebrada esta afectando la

calidad del agua del Río Manzanares en periodos de verano. Durante el invierno

(Figura 19) las dos (2) líneas son semejantes lo que quiere decir que en este caso

la carga contaminante de la quebrada se diluye casi totalmente en las aguas del

Río Manzanares dado a que el caudal de este último es mucho mayor que el de la

pequeña quebrada en esta época del año.

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Distancia (Km)

OD

(mg/

l)

OD Escenario 2 (mg/l) OD sat OD (mg/l) Real

Figura 18. Escenario 2. OD del río Manzanares sin la influencia de la carga contaminante aportada por la quebrada con ARD a la altura del corregimiento de Bonda. (Periodo de verano).

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Distancia (Km)

OD

(mg/

l)

OD Escenario 2 (mg/l) OD sat OD (mg/l) Real

Figura 19. Escenario 2. OD del río Manzanares sin la influencia de la carga contaminante aportada por la quebrada con ARD a la altura del corregimiento de Bonda. (Periodo de invierno).

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5.6.3. Escenario 3. OD del Río Manzanares sin la carga contaminante de las quebradas Matogiro y la quebrada con ARD a la altura de Bonda.

Este tercer escenario se construyó para evaluar el efecto combinado de las dos (2)

fuentes puntuales cuyos efectos individuales se estudiaron en los dos (2)

primeros escenarios. En este escenario se utilizó el modelo del QUAL2K calibrado

y verificado con datos de campo para simular la calidad del río Manzanares

suprimiendo las cargas contaminantes de las dos primeras fuentes puntuales (la

quebrada Matogiro y la quebrada con ARD de Bonda). Los resultados de dicha

simulación se presentan tanto para verano como invierno en las figuras 20 y 21

respectivamente.

Para ambos periodos del año el escenario muestra que al no estar contaminadas

las dos quebradas, se produciría un pequeño aumento en el nivel de OD en el río,

aunque un poco más marcado en periodo de sequía que en el invierno. No

obstante a que se refleja un mejoramiento de la calidad del agua del río siempre

hay una tendencia de disminución de la OD en la parte más baja (después del

Kilómetro 10) debido al vertimiento de aguas residuales domésticas.

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Distancia (Km)

OD

(mg/

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OD Escenario 3 (mg/l) OD sat OD (mg/l) Real

Figura 20. Escenario 3. OD del Río Manzanares sin la carga contaminante de las quebradas Matogiro y la quebrada con ARD a la altura de Bonda. (Periodo de verano).

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Distancia (Km)

OD

(mg/

l)

OD Escenario 3 (mg/l) OD sat OD (mg/l) Real

Figura 21. Escenario 3. OD del Río Manzanares sin la carga contaminante de las quebradas Matogiro y la quebrada con ARD a la altura de Bonda. (Periodo de invierno).

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5.6.4. Escenario 4. OD del Río Manzanares sin vertimiento de ARD a partir del barrio Mamatoco hacia abajo.

Este escenario de simulación se construyó suponiendo que se eliminaran las

descargas de aguas residuales domésticas, lo cual podría ser cierto si se

reubicaran a las personas que viven en la margen del río para respetar los retiros

de desde el cauce y si además se mejora la cobertura del sistema de

alcantarillado en la riveras del rió Manzanares. Bajo este supuesto se corrió el

modelo calibrado y verificado previamente con datos de campo. Los resultados de

la simulación para la OD se presentan en las figura 22 (periodo de verano) y figura

23 (periodo de invierno). Se puede observar en ambas gráficas como se

autorecupera el río. La línea roja (escenario) tiene una tendencia a aumentar

buscando el nivel de saturación (línea azul punteada), caso contrario acontece con

la curva negra (OD real) que tiene una tendencia a disminuir dado el continuo

vertimiento de aguas residuales domésticas. El escenario demuestra que estos

vertimientos en la parte baja (Kilómetro 10 en adelante) del río Manzanares,

influyen drásticamente sobre la calidad de las aguas de este.

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OD Escenario 4 (mg/l) OD sat OD (mg/l) Real

Figura 22. Escenario 4. OD del Río Manzanares sin vertimiento de ARD a partir del barrio Mamatoco hacia abajo. (Periodo de verano).

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OD Escenario 4 (mg/l) OD sat OD (mg/l) Real

Figura 23. Escenario 4. OD del Río Manzanares sin vertimiento de ARD a partir del barrio Mamatoco hacia abajo. (Periodo de invierno).

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5.6.5. Escenario 5. Ausencia de extracciones de agua para recarga artificial del acuífero de Santa Marta.

El resultado de la simulación de este escenario, en periodo de verano, se presenta

de forma gráfica en la figura 24 y para periodo de invierno en la figura 25. La curva

de color negro representa la variación real de la OD respecto al espacio y la curva

rojo representa la misma variación pero en el caso de la anulación de las dos

extracciones. Tanto para invierno como verano podemos ver que lo OD del río

aumentaría si no se extrae agua del río para la recarga artificial del acuífero de

Santa Marta.

En este escenario en época de verano (figura 24), se observa que a partir del Km

10 aproximadamente la curva de color rojo (escenario) está por encima de la de la

OD real y a la altura de la desembocadura la gráfica muestra que de no extraer

agua para la recarga artificial del acuífero de Santa Marta la OD podría ser de 3.7

mg/l o dicho con otras palabras 0.6 mg/l más de OD que lo que hay actualmente.

Para el caso de invierno el comportamiento es muy similar sin embargo sería un

poco menos notorio ya que solo habría un aumento de OD de tan solo 0.2 mg/l..

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Distancia (Km)

OD

(mg/

l)

OD Escenario 5 (mg/l) OD sat OD (mg/l) Real

Figura 24. Escenario 5. Evaluación de la influencia de las extracciones de agua para la recarga artificial del acuífero de Santa Marta sobre la calidad del agua del río Manzanares. (Periodo de verano).

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Distancia (Km)

OD

(mg/

l)

OD Escenario 5 (mg/l) OD sat OD (mg/l) Real

Figura 25. Escenario 5. Evaluación de la influencia de las extracciones de agua para la recarga artificial del acuífero de Santa Marta sobre la calidad del agua del río Manzanares. (Periodo de invierno).

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6. CONCLUSIONES Y DISCUSIONES

La aplicación del modelo QUAL2K (calibrado y validado con datos de campo) para

la simulación de la calidad del agua del Río Manzanares se utilizó para predecir

las condiciones de OD de este cuerpo hídrico bajo cinco (5) condiciones o

escenarios diferentes. El primero de ellos nos permitió evaluar la capacidad de

autodepuración del río Manzanares en el caso de no existir carga contaminante en

la quebrada Matogiro, en el segundo escenario se simuló el comportamiento de

OD en el río Manzanares de no existir carga contaminante en la quebrada con

aguas residuales domésticas a la altura del corregimiento de Bonda, en el tercer

escenario se visualizó el efecto conjunto de las dos (2) quebradas de los

anteriores escenarios, en el cuarto escenario se evaluó el efecto del vertimiento de

ARD en la parte más baja del río y por ultimo en un quinto escenario se demostró

que existe una influencia sobre la calidad del agua del río Manzanares por la

extracción de agua de este cuerpo hídrico para la recarga artificial del acuífero de

la ciudad de Santa Marta. De los resultados obtenidos de estos escenarios los

autores de esta investigación concluyen:

El vertimiento de aguas residuales domésticas a partir del Kilómetro 10 de

simulación (las cuales para efectos de este trabajo se ingresaron al modelo como

fuentes difusas), son la mayor causa de contaminación y de deterioro en la calidad

del agua del Río Manzanares. Por tanto si se diera la oportunidad de invertir

algunos recursos para la recuperación del Río, estos deben estar dirigidos a la

reubicación de las personas que se encuentran ubicadas en las zonas de

inundación que actualmente están vertiendo ARD sin ningún tipo de tratamiento al

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cuerpo hídrico y/o al mejoramiento de la infraestructura para recolectar e

interceptar las aguas residuales del sector evitando su vertimiento al río.

Las extracciones de agua que actualmente se están realizando del Río

Manzanares para la recarga artificial del acuífero de Santa Marta repercuten de

manera desfavorable sobre la calidad del agua de este cuerpo hídrico. Esto debido

a que al realizar las extracciones si disminuye el caudal del río y por tanto se

desmejora el proceso de dilución de los contaminantes en el agua. Sin embargo

debe considerarse que el río manzanares es una de las fuentes principales de

recarga del acuífero que surte el 70% del agua potable en la ciudad, por tanto no

se recomienda retirar las mismas.

El Río Manzanares en las condiciones actuales presenta un alto consumo de

oxígeno disuelto debido a las descargas naturales y de aguas residuales

domesticas, esta situación se presenta en la cuenca baja del río iniciándose a

partir de la población de Bonda hasta la desembocadura. Las características

hidráulicas, geométricas, topográficas y climáticas del río en su cuenca baja

imposibilitan una transferencia óptima de oxígeno limitando la capacidad de auto

depuración de las aguas. Este cuerpo superficial de agua en su zona de

producción posee aguas con características que lo sitúan como un cuerpo hídrico

sano (baja intervención antrópica), teniendo concentraciones promedios de DBO y

OD de 3.73 y 7.53 mg/l respectivamente.

El modelo de calidad de agua QUAL2K después de ser calibrado con datos de

campo se demostró confiabilidad ante las condiciones generales de río

presentando un error relativo del 3.7% de los datos simulados frente a los datos

medidos.

.

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Aunque en esta investigación se calibró el modelo QUAL2K para las condiciones

propias del río Manzanares este debe seguir comparándose y verificándose con

más datos de campo para disminuir el error a la hora de simular otros escenarios.

Para el mejoramiento del modelo QUAL2K se debe tener en cuenta el impacto de

los residuos sólidos urbanos que se arrojan continuamente y que generan un

consumo de oxígeno en su degradación por parte de la actividad bacteriana.

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Nombre de archivo: SIMULACIÓN DE LA CALIDAD DEL AGUA DEL RÍO MANZANARES UTILIZANDO EL MODELO QUAL2K.

Directorio: G:\Juan Carlos Plantilla: C:\Documents and Settings\Juan Carlos\Datos de

programa\Microsoft\Plantillas\Normal.dot Título: SIMULACIÓN DE LA CALIDAD DEL AGUA DEL RÍO

MANZANARES UTILIZANDO EL MODELO QUAL2K Asunto: Autor: Juan Carlos Palabras clave: Comentarios: Fecha de creación: 27/06/2002 0:17:00 Cambio número: 77 Guardado el: 27/06/2002 2:45:00 Guardado por: Juan Carlos Tiempo de edición: 238 minutos Impreso el: 27/06/2002 2:45:00 Última impresión completa Número de páginas: 91 Número de palabras: 15.006 (aprox.) Número de caracteres: 82.538 (aprox.)