ESCENARIOS DE MODELIZACIÓN DE LA CALIDAD DEL AGUA


Modelo de calidad seleccionado

Con base en los anteriores criterios se seleccionó como programa, modelo o software a aplicar en los análisis de calidad del río Chichimene, relacionados con el PORH, a la familia de programas Q2K. El modelo puede calcular las interacciones principales entre 15 variables de estado.


Modelo conceptual - segmentación del cauce

Para ejecutar el modelo de calidad del agua se segmentó en tramos del cauce del río Chichimene. Sobre los tramos se ubican diversas estaciones donde se tiene control de las variables de calidad.

En la Figura se observa el Modelo Conceptual del río Chichimene:

Mapa de la estación de monitoreo del río Chichimene
Estaciones de monitoreo de la calidad del agua del agua sobre el río Chichimene y sus tributarios

TIPO ESTACIÓN KM LOCALIZACIÓN
Corriente principal Echi_01 0 San Cayetano. Entrada por la casa de Juana
Echi_02 8,9 San Cayetano. Cultivos de arroz y soya
Echi_04 20 100 metros antes de la descarga del centro poblado Quebraditas
Echi_07 38,67 Finca La Reliquia
Echi_09 46,1 Descarga de la Planta El Recreo contiguo a la Escuela Octavio Almanza
Echi_10 52,7 Vía contigua al estadero El Chilaco
Echi_11 54,9 100 metros aguas después del vertimiento de Manuelita
Echi_12 77,07 100 antes de desembocar sobre el río Acacias
Tributarios Caño Yeguas 9 100 metros aguas debajo de la estación Echi_02
Caño Chavisnavis 24,97 Confluencia con el río Chichimene
Caño Blanco 25,67 Contigua a la finca la Berlín
Caño Tres Rotos 31,37 Confluencia con el río Chichimene
Caño Arrecifes 44,71 Confluencia con el río Chichimene
Cano Chipas 55,6 Después de entregarle el caño piedras y antes de desembocar al río Chichimene dentro del predio de Aceites Manuelita
Trasvase Guayuriba 16 Agua trasvasada proveniente del río Guayuriba
Vertimientos Agua Residual Doméstica Quebraditas 16,6 Vía Barranco - Pajure, vereda Dinamarca. Descarga ARD
Agua Residual Industrial Manuelita-Yaguarito 49,3 Descarga sistema de tratamiento de agua residual industrial

Requerimientos de información - parámetros

  • Geometría hidráulica: básicamente la forma de las secciones transversales, un estimativo de la pendiente media por tramos y el valor del coeficiente de rugosidad de manning. Para el caso del río Chichimene dicha información fue obtenida a partir de datos de campo.
  • Información climatológica: El modelo QUAL2Kw presenta la opción de introducir los datos climatológicos en hojas separadas para temperatura del aire, temperatura del punto de rocío, velocidad del viento, cobertura de las nubes, sombra y radiación solar de los tramos en estudio. Esta información junto con la temperatura del agua y de los tributarios, permite realizar un balance de energía térmica para el cálculo de la temperatura del agua del cauce principal, proceso que influencia los valores de las constantes cinéticas o tasas de reacción o degradación (generalmente estas constantes se reportan a 20° C).
  • Cargas puntuales y distribuidas: Las cargas puntuales corresponden a los vertimientos de aguas residuales o industriales y a los ríos o caños tributarios que descargan de manera puntual a la corriente en estudio, esta información involucra la abscisa del lugar o el kilómetro. Las principales descargas distribuidas, corresponden a tributarios no monitoreados. Los parámetros fisicoquímicos correspondientes a las cargas dispersas se estimaron a partir de un balance de caudales y cargas en los diferentes tramos en estudio.

Parámetros a modelar con el Q2K

Tipo de contaminante/ proceso a modelar Parámetro Unidades
Cantidad de agua Caudal m3/s
Materia orgánica/ balance de OD - DBO DBO5 mg O2/L
Oxígeno disuelto mg/L
Material orgánico e inorgánico particulado Sólidos suspendidos totales mg/L
Nutrientes/ Balance de OD, hidrólisis y mineralización de nutrientes en el proceso de producción algal. Nitrógeno total mg N/L
Nitrógeno amoniacal mg N/L
Nitrógeno nitratos mg N/L
Fósforo total mg P/L
Ortofosfatos mg P/L
Patógenos/ reacciones de desaparición y muerte Coliformes fecales/termotolerantes UFC/100 mL
Datos hidrobiológicos Fitoplancton mg clorofila -/L
Capacidad buffer pH Unidades pH
Balance de calor T°C °C
Sustancias tóxicas/ procesos de destino, transporte y reacción Optativo

Calibración del modelo

La calibración de un modelo de simulación de calidad del agua es un proceso complejo que procura la obtención de un conjunto de valores de los parámetros de calibración (físicos y numéricos) que minimicen la diferencia (error) entre los datos medidos en campo y los calculados por el modelo. El modelo así calibrado es el que proporciona un ajuste óptimo global a todos los datos medidos. Con esta metodología se logró calibrar un modelo de simulación de la calidad del agua para condiciones hidrológicas de caudales bajos.

Escenarios

Se plantearon cinco (5) escenarios de modelación para calidad y cantidad del agua del río Chichimene y sus tributarios, los cuales se describen en la tabla:


Escenarios de modelización

Escenario Resumen escenarios de modelación para establecer objetivos de calidad
Cuerpo de agua receptor- Río Chichimene tributarios Vertimientos (cargas contaminantes)
Caudal Y Calidad del agua Caudal Y Calidad del agua Caudal Y Calidad del agua
E0: Base (calibración) Condiciones actuales para caudal y calidad (campaña diciembre 2013) Condiciones actuales para caudal y calidad (campaña diciembre 2013) Condiciones actuales para caudal y calidad (campaña diciembre 2013)
E1: Corto plazo (2 años) Caudal ambiental y datos de calidad actuales Caudal ambiental y calidad del agua actual Caudal y calidad proyectada a dos años
E2:Mediano plazo (5 años) Caudal ambiental y datos de calidad actuales Caudal ambiental y calidad del agua con un mejoramiento del 20% Caudal y calidad proyectada a cinco años
E3: Largo plazo (10 años) Caudal ambiental y datos de calidad actuales Caudal ambiental y calidad del agua con un mejoramiento del 50% Caudal y calidad proyectada a diez años
E4: Carga máxima permisible Caudal ambiental y datos de calidad actuales Caudal actual y calidad del agua evaluada iterativamente para afluentes con vertimientos sobre ellos. Iteración para los parámetros sensibles aumentando las concentraciones y verificando cumplimiento de los objetivos de calidad

Resultados

Las gráficas muestran los resultados obtenidos con el modelo QUAL2Kw para los escenarios a corto, mediano y largo plazo descritos en el apartado anterior.

Gráfica 4. Perfil de Conductividad eléctrica simulado en los escenarios planteados

Gráfica 1. Perfil de Conductividad eléctrica simulado en los escenarios planteados

Gráfica 5. Perfil de Oxígeno Disuelto simulado en diferentes escenarios

Gráfica 2. Perfil de Oxígeno Disuelto simulado en diferentes escenarios

Gráfica 6. pH simulado para los escenarios planteados

Gráfica 3. pH simulado para los escenarios planteados

Gráfica 7. Perfil de DBO rápida simulado en diferentes escenarios

Gráfica 4. Perfil de DBO rápida simulado en diferentes escenarios

Gráfica 8. Perfil de SST simulado en diferentes escenarios

Gráfica 5. Perfil de SST simulado en diferentes escenarios

Gráfica 9. Perfil de nitrógeno amoniacal simulado en diferentes escenarios

Gráfica 6. Perfil de nitrógeno amoniacal simulado en diferentes escenarios

El cálculo de la carga máxima permisible corresponde a los resultados del escenario E4. El proceso iterativo empleado consistió en ir incrementando las concentraciones de los vertimientos en el modelo QUAL2Kw hasta que se incumpliera el objetivo de calidad más restrictivo. Para cargas máximas permisibles se consideró incluir los parámetros objeto de cobro de tasa retributiva (DBO5 y SST). Adicionalmente, se consideró incluir nitrógeno orgánico y amoniacal por ser las formas de nitrógeno incluidas en los objetivos de calidad (ver Tabla).


Carga máxima permisible por tramos y total - río Chichimene

tramo Cargas máximas permisibles por tramos (ton/d)
SST DBO Ntk
Tramo 1 1,166 1,555 0,327
Tramo 2 1,124 1,333 0,362
Tramo 3 0,071 0,029 0,022
Tramo 4 0,156 1,555 0,653
Tramo 5 0,799 0,605 0,41
Tramo 6 0,276 0,216 0,167
Total 3,592 5,293 1,941
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