Evaluación de La Calidad de Las Aguas Del Río Katari, La Paz, Bolivia, Mediante Un Modelo Matemático

UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES FACULTAD DE INGENIERIA CARRERA DE INGENIERIA AMBIENTAL IIDEPROQ INSTITUTO DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO DE PROCESOS QUIMICOS

PROYECTO DE GRADO “EVALUACIÓN DE LA CALIDAD DE LAS AGUAS DEL RÍO KATARI, LA PAZ, BOLIVIA, MEDIANTE UN MODELO MATEMÁTICO” POSTULANTE: Michael Russel Osina Torrez ASESOR: Ing. Waldo P. Vargas Ballester

La Paz – Bolivia 2011

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DEDICATORIA

A mis mamás Marlene y Carmen…….. ……….Por todo el apoyo y amor que me dieron durante todo este tiempo, por enseñarme a valorar la vida y a levantarme tras cada caída en el transcurso de la vida.

Michael Russel Osina Torrez

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“Es increíble que la matemática, habiendo sido creada por la mente humana, logre describir la naturaleza con tanta precisión". Albert Einstein

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AGRADECIMIENTOS

El presente proyecto fue realizado con mucho esfuerzo, dedicación y amor gracias a todas las personas e instituciones que directa e indirectamente hicieron posible su culminación e indudablemente gracias a Dios. Quisiera expresar mis más sinceros y profundos agradecimientos a mi asesor M.sc Waldo P. Vargas Ballester por el asesoramiento del presente proyecto de grado, sus consejos técnicos, constante apoyo, enseñanzas y su amistad. A toda mi familia, que confiaron en mí en todo momento, especialmente a mi madre y abuelita por su paciencia, comprensión y apoyo en todo momento a lo largo de mi vida. A Paola por estar siempre a mi lado en los buenos y malos momentos, por su apoyo y comprensión. A mi primo Emir, por proveer tan generosamente de su tiempo, para las actividades de trabajo de campo. Al Instituto de Boliviano de Ciencia y Tecnología Nuclear (IBTEN) por su apoyo en los análisis e información proporcionada. Al Ing. M. Sc. Luis Romero Bolaños, por su apoyo desinteresado para el trabajo de campo y por su amistad, palabras de ánimo y sabios consejos. Al Ing. Jorge Chungara del Instituto Boliviano de Ciencia y Tecnología Nuclear (IBTEN), por el apoyo para el trabajo de campo, información y por su amistad. Al Téc. Sup. Wilfredo Tarquino, Téc. Rocio Choque, Lic. Samuel Fernández, Téc. Alex Chiara y Sr. Eliseo Rojas P. (IBTEN), por el apoyo para el trabajo de campo y por su amistad. Al Ing. Luis Noriega y Téc. Franklin Mamani del Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología (SENAMHI), por el apoyo decidido de su institución para el trabajo de campo y por la información proporcionada. Al Instituto de Investigación y Desarrollo de Procesos Químicos (IIDEPROQ), por el apoyo en el análisis de muestras. A todos los miembros investigadores del IIDEPROQ, por su amistad y su cariño desinteresado. Al Ing. Edwin Astorga del Instituto de Ingeniería Sanitaria (IIS), por el apoyo en el análisis de muestras. A Lic. Joaquín Gutiérrez Díaz del Centro de Información, Gestión y Educación Ambiental (CIGEA) de Cuba, por sus consejos técnicos, enseñanzas y amistad. Michael Russel Osina Torrez

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Al Dr. Ing. Wolfgang Wagner, por la enseñanza, sabios consejos y amistad. A la dirección de carrera por el apoyo institucional para realizar el proyecto de grado. Al plantel administrativo de la carrera de Ingeniería Química, Ambiental y Alimentos: Sr. Marmy Zelda Cordero, Sr. Salomon y Sr. Jesus, por la eficiencia de las labores que desempeñan, amistad y apoyo. A los docentes que tuve durante toda la carrera por la calidad de enseñanza y dedicación a su trabajo. Finalmente a todos mis amigos y amigas, quienes me apoyaron y me dijeron palabras valiosas de aliento durante todo este tiempo.

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RESUMEN Actualmente la contaminación hídrica es uno de los problemas ambientales más grandes a nivel mundial, ya que la escasez del agua dulce y la creciente contaminación de ésta, están haciendo que su uso sea cada vez más dificultoso. Bolivia no es ajena a esta problemática y los casos de contaminación en los cuerpos naturales de agua en su territorio, son cada vez más significativos y frecuentes. El establecimiento de objetivos de calidad ha de realizarse teniendo en cuenta tanto la cantidad de contaminante vertido como su comportamiento posterior en el medio en función del tiempo y cómo puede interferir con el resto de sustancias presentes en el medio. En este sentido, se hace necesario utilizar modelos matemáticos de simulación conocidos como "modelos de calidad" o "modelos de transporte de contaminantes” que permitan predecir la evolución a largo plazo del sistema en su conjunto ante una acción determinada. La validez de la predicción vendrá determinada por la capacidad del modelo propuesto de reflejar el comportamiento del sistema. Por ello, es necesario, por una parte, conocer todos los fenómenos que afectan al comportamiento de las distintas sustancias presentes en el sistema y por otra conocer muy bien las características del sistema, de tal forma desde el punto de vista del enfoque sistémico realizar un seccionamiento ambiental representativo. En este trabajo se presenta el estudio de la calidad del agua del Río Katari el cual comprende la confluencia del Río Pallina y Río Colorado hasta la descarga a la Bahía de Cohana utilizando modelos matemáticos. En la segmentación ambiental se considero cuatro tramos divididos por cinco puntos de muestreo a lo largo de la corriente. Se utilizaron como datos de entrada a los modelos: demanda biológica de oxigeno (DBO 5 ), oxigeno disuelto (OD), temperatura (T), altitud sobre nivel del mar, velocidad del río (V), caudal (Q), profundidad (H), ancho del río (W), área transversal (A), constante de desoxigenación (K1 ), constante de reaireación (K 2 ), longitud de cada tramo (L). También se considero en el análisis de calidad de agua parámetros como el pH, conductividad eléctrica (CE), Concentración de saturación de oxigeno disuelto (Cs). Previamente se realizo varias precampañas para conocer las características del lugar de estudio, para posteriormente realizar la segmentación ambiental requerida por los modelos y georeferenciar los puntos de muestreo para luego poder utilizarlos como referencia en futuras campañas de muestreo. Se realizaron tres campañas de muestreo en época seca el 2010 y una en época de lluvia el 2011, también se utilizo datos de

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cinco campañas anteriores realizadas por el Instituto Boliviano de Ciencia y Tecnología Nuclear (IBTEN) y Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología (SENAMHI). Se utilizaron tres modelos computacionales RIOSep, WASP 7.4 y SIMOD. Se preparo la información obtenida en las campañas de muestreo para introducir a los modelos y proceder a la calibración. Se calibraron con 5 campañas y se validaron con 4 campañas. El modelo RIOSep y WASP 7.4 no tienen la opción de calcular la K 1 , por lo cual se determino a partir de la ecuación de Chapra y la correlación a partir de los datos obtenidos por el modelo SIMOD entre la K2 y K1 . Una vez ya calibrado y validado los modelos, se realizo la evaluación estadística de los modelos y se verifico que el WASP 7.4 no calibro, debido a que requiere excesiva cantidad y calidad de información de entrada, eso lo convierte en un modelo poco aplicable en nuestro medio, debido a la carencia de información existente para nuestros ríos. Sin embargo el modelo RIOSep y SIMOD calibraron muy bien. Se concluyo que el modelo SIMOD es el más óptimo para realizar el estudio de la calidad del agua debido a que tuvo menor porcentaje de error, coeficiente de correlación más cercano a 1 y una diferencia promedio cercana a cero mostrando mejor correlación de los valores analizados que le modelo RIOSep, además su fácil manejo, poca información de entrada y el cálculo de la K 1 , el cual ahorra tiempo y dinero. Finalmente se realizo los escenarios de predicción con el modelo que mejores resultados presento en términos de calibración, validación y análisis de sensibilidad siendo este el modelo SIMOD. Como resultados de los escenarios de predicción se tiene: -

Todas las ampliaciones y mejoras que vayan efectuarse en la PTAR Puchukollo no alcanzarán a ser suficientes para resolver la contaminación de la Bahía de Cohana, si no se hace paralelamente la debida recolección de las aguas residuales restantes de El Alto, Viacha y Laja en sus correspondientes tratamientos.

-

La mejor solución en cuanto a tratamiento de descargas es la implementación de un tratamiento secundario para Viacha, Laja y El Alto ya que cumpliría con lo estipulado por el Reglamento en Materia de Contaminación Hídrica y además no son muy costosos.

-

Si existiese mayor descarga de contaminantes de la ciudad de El Alto, Laja, Viacha, causaría mayor contaminación al Río Katari ya que el río no podría depurarlo de forma natural.

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ABSTRACT Nowadays, water pollution is one of the largest environmental problems worldwide, the scarcity of fresh water and increased pollution of it are making its use more difficult than used to be. Bolivia is not apart to this problem and, cases of contamination of natural water bodies in its territory are becoming more significant and frequent. The establishment of quality objectives must be carried out taking into account both the amount of pollutants and their subsequent behavior in the environment in terms of time, and how it can interfere with other substances in the environment. In this sense, it is necessary to use mathematical simulation models known as "quality models" or "contaminant transport models" that predict the long-term system as a whole to a particular action. The validity of the prediction will be determined by the ability of the proposed model to reflect the system behavior. It is necessary; know all the phenomena that affect the behavior of the substances presented in the system and other well known system features, so from the systemic approach point of view we carry out a representative environmental segmentation. This thesis presents a study of water quality in the Katari River which includes the confluence of the Colorado River and Pallina River until discharge to the Cohana Bay using mathematical models. For the environmental segmentation was considered four sections divided by five sampling points along the stream. Were used as input data to models: biological oxygen demand (BOD 5 ), dissolved oxygen (DO), temperature (T), altitude above sea level, river velocity (V), flow (Q), depth (H ), river width (W), cross-sectional area (A), deoxygenation constant (K1 ), reaeration constant (K2 ), length of each section (L). Also was considered in the water quality analysis parameters such as pH, electrical conductivity (EC), dissolved oxygen concentration saturation (Cs). Previously we visited the place to determine the characteristics of the study area to later perform the required environmental segmentation required by the models and georeferenced sampling points to be can use them as reference for future sampling collections. We carried out three sample collections in dry season in the 2010 and one in rainy season in 2011, also; we use data from previous sample collections carried out by the National Institute of Nuclear Science and Technology (IBTEN) and National Service of Meteorology and Hydrology (SENAMHI). We used three computational models which are RIOSep, SIMOD and WASP 7.4. The information obtained was prepared to introduce to the models and then proceed to the Michael Russel Osina Torrez

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calibration. The models were calibrated with 5 sample collections and validated with 4 sample collections. RIOSep and WASP 7.4 model does not have the option of calculating the constant of deoxygenation, which was determined from the equation of Chapra (1997) and we get a correlation from the data obtained by the model SIMOD between the constant of reaeration (K2 ) and deoxygenation (K1 ). Once the models were calibrated and validated, the evaluation of the models was done and we verifies that the WASP 7.4 does not calibrated because it requires a lot of input information which is not available. However, the model SIMOD and RIOSep were well calibrated. It was concluded that the model SIMOD is the most optimal for the study of water quality because it had the lowest percentage of error, correlation coefficient close to 1 and a mean difference close to zero showing better correlation of the analyzed values than RIOSep model, plus its easy handling, low input data and calculation of the constant deoxygenation (K 1 ), which saves time and money. Finally, scenario analysis performed with the model that presented better results in terms of calibration, validation and sensitivity analysis being the model SIMOD. As a result of prediction scenarios we have: -

All additions and improvements to be made in the WWTP Puchukollo is not enough to solve the pollution in Cohana Bay; unless all the wastewater generated in El Alto, Viacha and Laja is collected and treated.

-

The best solution in terms of treatment of wastewater discharges is the implementation of secondary treatment in Viacha, Laja and El Alto this would accomplish with the requirements of the Regulation on Water Pollution and also are not very expensive.

-

If there is un increased discharge of pollutants from the city of El Alto, Laja, Viacha, this would cause more pollution to the Katari River because the river could not debug it naturally.

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TABLA DE CONTENIDO TABLAS ........................................................................................................................ VII GRÁFICO S.................................................................................................................... IX CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN .................................................................................. 1 1.1. JUSTIFICACIÓN ........................................................................................................ 2 1.2. DEFINICIÓN DE OBJETIVOS .................................................................................. 5 1.2.1. OBJETIVO GENERAL ............................................................................................................ 5 1.2.2.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS ..................................................................................................... 5

1.3. ALCANCES DEL ESTUDIO ...................................................................................... 6

CAPÍTULO 2 CARACTERÍSTICAS AMBIENTALES DE LA CUENCA DEL RÍO KATARI ................................................................................................................... 7 2.1. DESCRIPCIÓN DEL ÁREA DE ESTUDIO .............................................................. 7 2.2. ESTADO GENERAL DEL MEDIO AMBIENTE...................................................... 8 2.3. CLIMA ........................................................................................................................ 8 2.4. TEMPERATURA....................................................................................................... 8 2.5. HUMEDAD RELATIVA ............................................................................................ 9 2.6. PRECIPITACIONES.................................................................................................. 9 2.7. SUELOS ...................................................................................................................... 9 2.8. HIDROGRAFÍA E HIDROGEOLOGÍA................................................................. 10 2.9. MEDIO BIÓTICO ................................................................................................... 10 2.10. FLORA Y VEGETACIÓN ................................................................................... 11 2.11. FAUNA ................................................................................................................ 11

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2.12. USO ACTUAL DEL SUELO ............................................................................... 12 2.13. POBLACIÓN ....................................................................................................... 12 2.14. SEGMENTACIÓN AMBIENTAL....................................................................... 14

CAPÍTULO 3 FUNDAMENTO TEÓRICO ................................................. 16 3.1.

CLASIFICACIÓN DE LOS CUERPOS DE AGUA ..................................... 16

3.2. CALIDAD DE AGUA EN CUERPOS RECEPTORES ......................................17 3.2.1. PRINCIPALES PROBLEMAS EN AGUAS SUPERFICIALES ........................................... 18

3.3. DEFINICIÓN DE LOS PARÁMETROS ESTUDIADOS (DBO, OD, T) ........20 3.3.1. DEMANDA BIOQUÍMICA DE OXIGENO (DBO) ........................................................ 20 3.3.2. OXIGENO DISUELTO (OD) ..................................................................................... 24 3.3.3. TEMPERATURA (T) ................................................................................................ 26

3.4. MODELACIÓN MATEMÁTICA DE LA CALIDAD DE LAS AGUAS ....... 28 3.4.1. DEFINICIÓN.................................................................................................... 28 3.4.2. FINALIDAD DE LOS MODELOS DE CALIDAD DE AGUAS .................................. 28 3.4.3. ESTRUCTURA GENERAL DE LOS MODELOS..................................................... 29 3.4.3.1. Procesos actuantes .............................................................................. 29 3.4.3.1.1.

Procesos de transporte ........................................................ 30

3.4.3.1.1.1. Dispersión .................................................................. 30 3.4.3.1.1.2. Advección ................................................................... 32 3.4.3.1.2.

Procesos de transformación ................................................ 34

3.4.3.1.2.1. Pasos de transporte ....................................................34 3.4.3.1.2.2. Ecuaciones de transferencia de gas.............................36 3.4.3.1.2.3. Modelos de transferencia de materia .........................39 3.4.3.1.2.4. Reaireación natural ....................................................41 3.4.3.1.2.5. Cinética del crecimiento bacteriano ............................43 3.4.3.1.2.6. Consumo de la materia orgánica biodegradable en corrientes de agua contaminadas ...............................47 3.4.3.2. Ecuación de conservación de la masa ................................................... 48 3.4.3.2.1.

Modelo matemático simple ................................................. 49

3.4.3.2.2.

Exactitud y precisión ............................................................ 51

3.4.4. DEFINICIÓN DE TRANSMISIÓN LONGITUDINAL DE CONTAMINACIÓN ........... 51 Michael Russel Osina Torrez

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3.4.5. SISTEMAS ACOPLADOS .................................................................................. 54 3.4.6. MODELACIÓN DE LOS COMPONENTES CONSERVATIVOS .............................. 55 3.4.7. MODELACIÓN DE LOS COMPUESTOS NO CONSERVATIVOS ........................... 56 3.4.7.1. Modelación del OD .............................................................................. 56 3.4.7.2. Modelación de la DBO .......................................................................... 60 3.4.8. COEFICIENTES (TASAS) DE REACCIÓN ............................................................ 63 3.4.8.1. Tasa de desoxigenación carbonácea (k 1 , k d , k r ) .................................... 63 3.4.8.2. Tasa de reaireación(k 2 ) ........................................................................ 63 3.4.9. CALIBRACIÓN................................................................................................. 67 3.4.10. VALIDACIÓN .................................................................................................. 68 3.4.11. SIMULACIÓN O ESCENARIOS DE PREDICCIÓN ................................................ 68 3.4.12. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD ............................................................................ 69

3.5. TIPOS DE MODELOS .................................................................................. 69

CAPÍTULO 4 DESCRIPCIÓN DE LOS MODELOS MATEMÁTICOS APLICADOS EN EL RÍO KATARI ........................................................... 71 4.1.

DESCRIPCIÓN DEL MODELO ......................................................................... 71 4.1.1. SIMOD 1.01 ................................................................................................... 71 4.1.2. RIOSep ........................................................................................................... 71 4.1.3. WASP 7.4 ....................................................................................................... 72

4.2.

ALCANCE DEL MODELO.................................................................................. 73 4.2.1. SIMOD 1.01 ................................................................................................... 73 4.2.2. RIOSep ........................................................................................................... 73 4.2.3. WASP 7.4 ....................................................................................................... 73

4.3.

LIMITACIONES.................................................................................................. 74 4.3.1. SIMOD 1.01 ................................................................................................... 74 4.3.2. RIOSep ........................................................................................................... 74 4.3.3. WASP 7.4 ....................................................................................................... 74

4.4.

FORMULACIÓN DEL MODELO ...................................................................... 75 4.4.1. REPRESENTACIÓN CONCEPTUAL ....................................................... 75 4.4.1.1. SIMOD 1.01 ........................................................................ 75 4.4.1.2. RIOSep ...............................................................................75 4.4.1.3. WASP 7.4............................................................................75

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4.4.2. REPRESENTACIÓN FUNCIONAL.......................................................... 76 4.4.2.1. SIMOD 1.01 ........................................................................76 4.4.2.2. RIOSep ...............................................................................77 4.4.2.3. WASP 7.4............................................................................79

4.5.

CARACTERÍSTICAS HIDRÁULICAS .............................................................. 80 4.5.1. SIMOD 1.01 ................................................................................................... 80 4.5.2. RIOSep ........................................................................................................... 81 4.5.3. WASP 7.4 ....................................................................................................... 81

4.6.

CONSTANTES O TASAS ................................................................................... 83 4.6.1. TASA DE REAIREACIÓN ...................................................................... 83 4.6.1.1. SIMOD 1.01 ........................................................................ 83 4.6.1.2. RIOSep ...............................................................................83 4.6.1.3. WASP 7.4............................................................................84 4.6.2. TASA DE DESOXIGENACIÓN .............................................................. 86 4.6.2.1. SIMOD 1.01 ........................................................................ 86 4.6.2.2. RIOSep ...............................................................................86 4.6.2.3. WASP 7.4 ........................................................................... 86

4.7.

DEPENDENCIAS CON LA TEMPERATURA .................................................. 86 4.7.1. SIMOD 1.01 .......................................................................... 86 4.7.2. RIOSep .................................................................................. 87 4.7.3. WASP 7.4 .............................................................................. 87

4.8.

REACCIONES O INTERRELACIONES ............................................................ 88 4.8.1. SIMOD 1.01 .......................................................................... 88 4.8.2. RIOSep .................................................................................. 90 4.8.3. WASP 7.4 .............................................................................. 91

4.9.

OTRAS CONSIDERACIONES ........................................................................... 91 4.9.1. SIMOD 1.01 .......................................................................... 91 4.9.2. RIOSep .................................................................................. 93 4.9.3. WASP 7.4 .............................................................................. 96

CAPÍTULO 5 DATOS NECESARIOS PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE LOS MODELOS EN EL RÍO KATARI .............................................................. 98

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CAPÍTULO 6 ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO LONGITUDINAL DE LOS PARÁMETROS DE CALIDAD DEL AGUA ...................................... 103 CAPÍTULO 7 APLICACIÓN DE LOS MODELOS DE CALIDAD DE AGUA EN EL RÍO KATARI .................................................................................. 111 7.1.

CALIBRACIÓN Y VALIDACIÓN DE LOS MODELOS .......................... 111 7.1.1. CALIBRACIÓN .................................................................................................. 114 7.1.1.1.

Modelo SIMOD ..................................................................................114

7.1.1.1.1. 7.1.1.2.

Segmentación ambiental del río ........................................ 115

Modelos RIOSep ................................................................................121

7.1.1.2.1.

Segmentación ambiental del río ........................................ 121

7.1.1.2.2.

Calculo de la constante de reaireación............................... 123

7.1.1.2.3.

Calculo de la constante de desoxigenación ........................ 123

7.1.1.3.

Modelo WASP ...................................................................................129

7.1.1.3.1.

Segmentación ambiental del río ........................................ 129

7.1.1.3.2.

Calculo de la constante de reaireación............................... 131

7.1.1.3.3.

Calculo de la constante de desoxigenación ........................ 131

7.1.2. VALIDACIÓN ................................................................................................... 133

7.2.

7.1.2.1.

Modelo SIMOD ..................................................................................133

7.1.2.2.

Modelo RIOSep .................................................................................137

ANÁLISIS DE LAS CORRIDAS ............................................................... 141 7.2.1. COEFICIENTE DE CORRELACIÓN ...................................................................... 141 7.2.2. ERRORES E INCERTIDUMBRE .......................................................................... 142 7.2.3. DIFERENCIA PROMEDIO .................................................................................. 146

7.3.

ESCENARIOS DE PREDICCIÓN ............................................................ 148 7.3.1. EFECTOS DE LAS DESCARGAS .......................................................................... 148 7.3.2. ANÁLISIS DE LOS ESCENARIOS DE PREDICCIÓN............................................... 155 7.3.3. MODELADO DE LOS ESCENARIOS DE PREDICCIÓN .......................................... 157

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CAPÍTULO 8 ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS .................... 163 CAPÍTULO 9 APLICACIÓN DE LOS MODELOS DE CALIDAD DE AGUA EN EL RÍO KATARI .................................................................................. 166 9.1.

CONCLUSIONES GENERALES ....................................................................... 166

9.2.

CONCLUSIONES ESPECIFICAS ..................................................................... 167

9.3.

RECOMENDACIONES ..................................................................................... 169

CAPÍTULO 10 BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS ................................. 171 CAPÍTULO 11 ANEXOS........................................................................ 175

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TABLAS Tabla 1.1. Valores máximos admisibles de parámetros en cuerpos receptores....................... 4 Tabla 2.1. Calendario Agrícola, Cuenca del Rio Katari, La Paz, Bolivia ............................. 14 Tabla 3.1. Clasificación de los cuerpos de agua según su aptitud de uso ............................. 17 Tabla 3.2. Formulas para el cálculo de la constante de reaireación ...................................... 67 Tabla 4.1. Coeficientes de reacciones corregidas por la temperatura ................................... 87 Tabla 5.1. Estaciones de monitoreo: ubicación y tipo de muestra tomada (W = Agua, IS = in situ = Laboratorio, S = Simple) .......................................................................................... 99 Tabla 5.2. Parámetros físicos y químicos medidos en laboratorio, equipos utilizados, periodicidad de la medición y protocolo de medida seguido ................................................ 99 Tabla 5.3. Detalle de los parámetros medidos in situ y en laboratorio en las campañas realizadas .......................................................................................................................... 101 Tabla 6.1. Variación de la concentración de saturación en función de la CE ..................... 106 Tabla 7.1. Combinación de corridas con el modelo SIMOD v1.01.................................... 117 Tabla 7.2. Rango de valores para las constantes de reaireación y desoxigenación ............. 117 Tabla 7.3. Rango de valores para las constantes de reaireación y desoxigenación ............. 118 Tabla 7.4. Resultados Calibrado con el modelo SIMOD v1.01 (3ra campaña) .................. 119 Tabla 7.5. Resultados Calibrado con el modelo SIMOD v1.01 (5ta campaña) .................. 120 Tabla 7.6. Combinación de corridas con el modelo RIOSep ............................................. 122 Tabla 7.7. Constantes de reaireación para cada tramo de cada campaña por cinco diferentes métodos ............................................................................................................................ 123 Tabla 7.8. Constantes de desoxigenación para cada tramo de cada campaña, a partir de la ecuación ajustada .............................................................................................................. 124 Tabla 7.9. Constantes de desoxigenación para cada tramo de cada campaña, a partir de la ecuación Chapra................................................................................................................ 124 Tabla 7.10. Resultados Calibrado con el modelo RIOSep (3ra campaña) .......................... 125 Tabla 7.11. Resultados Calibrado con el modelo RIOSep (5ta campaña) .......................... 127 Tabla 7.12. Combinación de corridas con el modelo WASP 7.4 ....................................... 130 Tabla 7.13. Constantes de reaireación para cada tramo de cada campaña por cinco diferentes métodos ............................................................................................................................ 131 Tabla 7.14. Constantes de desoxigenación para cada tramo de cada campaña, a partir de la ecuación ajustada ............................................................................................................. 132 Tabla 7.15. Constantes de desoxigenación para cada tramo de cada campaña, a partir de la ecuación Chapra ............................................................................................................... 132 Tabla 7.16. Resultados Calibrado con el modelo WASP 7.4 (1ra campaña) ...................... 133 Tabla 7.17. Resultados Validación del modelo SIMOD (1ra campaña) ............................ 135 Tabla 7.18. Resultados Validación del modelo SIMOD (8va campaña) ........................... 136 Tabla 7.19. Resultados Validación del modelo RIOSep (1ra campaña) ............................ 137 Tabla 7.20. Resultados Validación del modelo RIOSep (8va campaña) ........................... 139 Tabla 7.21. Coeficientes de correlación para las corridas mejor calibradas de DBO 5 ........ 141 Tabla 7.22. Coeficientes de correlación para las corridas mejor calibradas de OD ............ 142 Tabla 7.23. Errores e incertidumbre para las corridas mejor calibradas de DBO 5 , Modelo SIMOD ............................................................................................................................. 143 Tabla 7.24. Errores e incertidumbre para las corridas mejor calibradas de DBO 5 , Modelo RIOSep ............................................................................................................................. 144 Tabla 7.25. Errores e incertidumbre para las corridas mejor calibradas de OD, Modelo SIMOD ............................................................................................................................. 144

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Tabla 7.26. Errores e incertidumbre para las corridas mejor calibradas de OD, Modelo RIOSep ............................................................................................................................ 145 Tabla 7.27. Diferencia promedio para las corridas mejor calibradas de DBO 5 .................. 146 Tabla 7.28. Diferencia promedio para las corridas mejor calibradas de OD ..................... 147 Tabla 7.29. Caudales máximos estimados de las descargas de la ciudad de El Alto, Viacha y Laja a partir de datos tomados por el IBTEN ..................................................................... 149 Tabla 7.30. Datos de proyección de la carga que llegara a la PTAR Puchukollo hasta el 2035 ......................................................................................................................................... 153 Tabla 7.31. Datos Promedios de las cargas que llegaran a la PTAR Puchukollo................ 153 Tabla 7.32. Ampliación de la PTAR Puchukollo .............................................................. 155 Tabla 7.33. Potencial de la eliminación de la DBO ........................................................... 156 Tabla 7.34. Eficiencia de tratamientos .............................................................................. 156 Tabla 7.35. Caudales estimados, concentraciones de OD y DBO5 de descarga de las principales fuentes de contaminación de la cuenca del Río Katari ..................................... 157 Tabla 7.36. Datos de ingreso al modelo para predicción del primer escenario (descarga del Río Pallina) ....................................................................................................................... 158 Tabla 7.37. Resultados Escenario de Predicción 1 con el modelo SIMOD v1.01 .............. 158 Tabla 7.38. Datos de entrada al modelo según la aplicación de la eficiencia de los distintos tratamientos ..................................................................................................................... 159 Tabla 7.39. Resultados Escenario de Predicción 2 (Aplicando Tratamiento Primario) con el modelo SIMOD v1.01 ....................................................................................................... 159 Tabla 7.40. Resultados Escenario de Predicción 2 (Aplicando Tratamiento Secundario) con el modelo SIMOD v1.01 ................................................................................................... 160 Tabla 7.41. Resultados Escenario de Predicción 2 (Aplicando Tratamiento Terciario) con el modelo SIMOD v1.01 ....................................................................................................... 161 Tabla 7.42. Datos de entrada al modelo sin la aplicación de tratamientos a los principales efluentes de la cuenca del Río Katari................................................................................. 162 Tabla 7.43. Resultados Escenario de Predicción 3 con el modelo SIMOD v1.01 .............. 162 Tabla 9.1. Rangos de las constantes de reaireación y desoxigenación ............................... 168

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GRÁFICOS Gráfico 1.1. Resultados de índices de calidad de agua (ICA) de la cuenca del Río Katari ... 3 Gráfico 2.1. Precipitaciones en la Estación Tambillo, Rio Katari ........................................ 9 Gráfico 2.2. Puntos de muestreo en el Rio Katari.............................................................. 15 Gráfico 3.1. Variación en el tiempo de la DBO: a) Remanente, b) Satisfecha ................... 21 Gráfico 3.2. Relación de la DBO Carbonácea (DBOC) y la DBO Nitrogenácea (DBON) . 22 Gráfico 3.3. Concepto de los modelos de calidad de agua ................................................. 29 Gráfico 3.4. Concepto de transporte advectivo.................................................................. 32 Gráfico 3.5. Masa de un constituyente que entra y sale de un volumen de control debido a la advección en dirección x ................................................................................................. 33 Gráfico 3.6. Representación esquemática de la transferencia de O2 en cuatro pasos desde la fase vapor a la fase solución ................................................................................................ 35 Gráfico 3.7. Relaciones entre la presión parcial del O2 en la fase gaseosa y la concentración en la fase disolución ............................................................................................................ 37 Gráfico 3.8. Esquema del modelo de la película ............................................................... 40 Gráfico 3.9. Esquema del modelo de la penetración.......................................................... 40 Gráfico 3.10. Fases de Crecimiento de una Población Bacteriana .................................... 43 Gráfico 3.11. Tasa de Crecimiento Específico versus Concentración de Sustrato .............. 45 Gráfico 3.12. Capacidad de Crecimiento para una serie de Cuatro Experiencias ............... 46 Gráfico 3.13. Transmisión longitudinal de contaminación ................................................ 51 Gráfico 3.14. Elemento del cuerpo de agua....................................................................... 52 Gráfico 3.15. Esquema de un sistema ............................................................................... 55 Gráfico 3.16. Esquema de un río con compuestos conservativos ....................................... 56 Gráfico 3.17. Volumen de control de un río ...................................................................... 57 Gráfico 3.18. Curva característica del agotamiento de OD obtenida mediante la aplicación de Streeter and Phelps ......................................................................................................... 59 Gráfico 3.19. Comparación del comportamiento de la DBO en el rio y laboratorio a) decaimiento típico de DBO en el rio y b) determinación de la DBO en el laboratorio ......... 60 Gráfico 3.20. Materia orgánica vs. Tiempo ....................................................................... 61 Gráfico 3.21. Relación entre la DBO y la materia orgánica ............................................... 62 Gráfico 3.22. Esquema de la configuración de un modelo, como sistema simplificado ..... 69 Gráfico 4.1. Esquema del Seccionamiento Ambiental para el modelo SIMOD ................. 71 Gráfico 4.2. Esquema del Seccionamiento Ambiental para el modelo RIOSep ................. 72 Gráfico 4.3. Esquema del Seccionamiento Ambiental para el modelo WASP 7.4 ............. 72 Gráfico 4.4. Sistema de coordenadas para la ecuación de balance de masa ....................... 79 Gráfico 5.1. Maniobra típica de toma de muestra en dos estaciones (PC1 y PC5) situada en el medio del río y sobre un puente del Río Colorado y Río Katari .................................... 102 Gráfico 6.1. Grafico del Oxigeno Disuelto (OD) de los diferentes puntos en las distintas campañas realizadas .......................................................................................................... 103 Gráfico 6.2. Grafico de la Salinidad (S) de los diferentes puntos en las distintas campañas realizadas .......................................................................................................................... 104 Gráfico 6.3. Grafico de la Concentración de Saturación del OD (Cs) de los diferentes puntos en las distintas campañas realizadas (Ec. 3-12 y 3-14)............................................ 105 Gráfico 6.4. Grafico de la Concentración de Saturación del OD (Cs) de los diferentes puntos en las distintas campañas realizadas (Ec. 4-56 y 4-57)............................................ 105 Gráfico 6.5. Grafico de la Demanda Bioquímica de Oxigeno (DBO) de los diferentes puntos en las distintas campañas realizadas ....................................................................... 107

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Gráfico 6.6. Grafico de la temperatura del río en grados centígrados de los diferentes puntos en las distintas campañas realizadas ....................................................................... 108 Gráfico 6.7. Grafico de la Conductividad eléctrica de los diferentes puntos en las distintas campañas realizadas .......................................................................................................... 109 Gráfico 6.8. Grafico del Potencial de hidrogeno (pH) de los diferentes puntos en las distintas campañas realizadas ............................................................................................ 110 Gráfico 7.1. Seccionamiento Ambiental del Río Katari (Tramo 1) .................................. 111 Gráfico 7.2. Seccionamiento Ambiental del Río Katari (Tramo 2) .................................. 112 Gráfico 7.3. Seccionamiento Ambiental del Río Katari (Tramo 3) .................................. 112 Gráfico 7.4. Seccionamiento Ambiental del Río Katari (Tramo 4) .................................. 113 Gráfico 7.5. Perfil longitudinal de los puntos de muestreo en el Río Katari..................... 113 Gráfico 7.6. Algoritmo de decisión para calibrar los modelos ......................................... 114 Gráfico 7.7. Seccionamiento Ambiental del Rio Katari (Datos 1ᵒ campaña) para el modelo SIMOD ............................................................................................................................. 116 Gráfico 7.8. Calibrado OD con el modelo SIMOD v1.01 (3ra campaña) ......................... 119 Gráfico 7.9. Calibrado DBO 5 con el modelo SIMOD v1.01 (3ra campaña) .................... 119 Gráfico 7.10. Calibrado OD con el modelo SIMOD v1.01 (5ta campaña) ....................... 120 Gráfico 7.11. Calibrado DBO 5 con el modelo SIMOD v1.01 (5ta campaña) ................... 120 Gráfico 7.12. Seccionamiento Ambiental del Rio Katari para el modelo RIOSep ........... 121 Gráfico 7.13. Ajuste de la relación entre K1 vs. K2 (datos SIMOD) ............................... 123 Gráfico 7.14. Calibrado OD con el modelo RIOSep (3ra campaña) ................................ 125 Gráfico 7.15. Calibrado DBO 5 con el modelo RIOSep (3ra campaña) ............................ 125 Gráfico 7.16. Calibrado OD con el modelo RIOSep (5ta campaña)................................. 127 Gráfico 7.17. Calibrado DBO 5 con el modelo RIOSep (5ta campaña) ............................ 127 Gráfico 7.18. Seccionamiento Ambiental del Rio Katari para el modelo WASP ............. 129 Gráfico 7.19. Calibrado OD con el modelo WASP 7.4 (1ra campaña) ............................ 133 Gráfico 7.20. Calibrado DBO 5 con el modelo WASP 7.4 (1ra campaña) ....................... 134 Gráfico 7.21. Validación OD del modelo SIMOD (1ra campaña) ................................... 135 Gráfico 7.22. Validación DBO 5 del modelo SIMOD (1ra campaña) ............................... 135 Gráfico 7.23. Validación OD del modelo SIMOD (8va campaña)................................... 136 Gráfico 7.24. Validación DBO 5 del modelo SIMOD (8va campaña) .............................. 136 Gráfico 7.25. Validación OD del modelo RIOSep (1ra campaña) ................................... 137 Gráfico 7.26. Validación DBO 5 del modelo RIOSep (1ra campaña) ............................... 137 Gráfico 7.27. Validación OD del modelo RIOSep (8va campaña) ................................... 139 Gráfico 7.28. Validación DBO 5 del modelo RIOSep (8va campaña) .............................. 139 Gráfico 7.29. Punto de mezcla. ....................................................................................... 148 Gráfico 7.30. Relación de la DBO5 vs. Q del Río Seco con datos tomados por el IBTEN149 Gráfico 7.31. Relación de la DBO5 vs. OD del Río Seco con datos tomados por el IBTEN ......................................................................................................................................... 150 Gráfico 7.32. Relación de la DBO5 vs. Q del Río Pallina a partir de datos tomados por el IBTEN, para caudales menor a 0.1 (m^3/s) ....................................................................... 151 Gráfico 7.33. Relación de la DBO5 vs. Q del Río Pallina a partir de datos tomados por el IBTEN, para caudales mayor a 0.1 y menor a 1(m^3/s) ..................................................... 151 Gráfico 7.34. Relación de la DBO5 vs. OD del Río Pallina a partir de datos tomados por el IBTEN, para caudales menor a 0.1, entre 0.1–1 y mayor a 1 (m^3/s) ................................. 152 Gráfico 7.35. Relación de la Profundidad vs. Caudal del Río Pallina a partir de datos tomados por el IBTEN ...................................................................................................... 154 Gráfico 7.36. Relación de la Velocidad vs. Caudal del Río Pallina a partir de datos tomados por el IBTEN .................................................................................................................... 154 Gráfico 7.37. Ampliación de la PTAR Puchukollo hasta el año 2035.............................. 155 Michael Russel Osina Torrez

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Gráfico 7.38. Escenario de predicción 1 del OD ............................................................. 158 Gráfico 7.39. Escenario de predicción 1 de la DBO 5 ...................................................... 158 Gráfico 7.40. Escenario de predicción 2 de OD (Aplicando Tratamiento Primario)......... 159 Gráfico 7.41. Escenario de predicción 2 de la DBO 5 (Aplicando Tratamiento Primario). 159 Gráfico 7.42. Escenario de predicción 2 de OD (Aplicando Tratamiento Secundario) .... 160 Gráfico 7.43. Escenario de predicción2 de la DBO 5 (Aplicando Tratamiento Secundario) ......................................................................................................................................... 160 Gráfico 7.44. Escenario de predicción 2 de OD (Aplicando Tratamiento Terciario) ........ 161 Gráfico 7.45. Escenario de predicción2 de la DBO 5 (Aplicando Tratamiento Terciario) . 161 Gráfico 7.46. Escenario de predicción 3 de OD .............................................................. 162 Gráfico 7.47. Escenario de predicción 3 de la DBO 5 ...................................................... 162

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1. INTRODUCCIÓN Actualmente la contaminación hídrica es uno de los problemas ambientales más grandes a nivel mundial, ya que la escasez del agua dulce y la creciente contaminación de ésta, están haciendo que su uso sea cada vez más dificultoso. Bolivia no es ajena a esta problemática y los casos de contaminación en los cuerpos naturales de agua en su territorio, son cada vez más significativos y frecuentes. En la actualidad está rebrotando en el país, una importante corriente de conservación ambiental que promueve en el caso específico del Departamento de La Paz, la necesidad de implantar medidas de mitigación que puedan frenar y hasta revertir los niveles de contaminación que afectan las aguas de distintos cuerpos naturales, como por ejemplo el Lago Titicaca, entre las cuales se destaca la necesidad perentoria de tratar las aguas residuales que se descargan a dicho cuerpo de agua, ya que el Lago Titicaca es uno de los lagos navegables de altura con mayor extensión en el mundo y también es un importante destino turístico, que en la última década se ha visto significativamente afectado por la creciente contaminación hídrica, la degradación del paisaje, pérdida del hábitat, y la aparición de procesos eutróficos, localizados en numerosos sitios. La Bahía de Cohana es considerada como el sitio más contaminado de la parte boliviana del lago Titicaca, y el segundo más contaminado de todo el lago después de la Bahía de Puno en Perú. Las problemáticas ambientales, y en especial las que se refieren a la contaminación hídrica, están relacionadas con variables causales internas y externas. La carencia de una gestión integral de residuos sólidos y la práctica de la ganadería intensiva en las poblaciones cercanas a los ríos que desembocan en el Lago Titicaca, críticamente sustentada por las macrófitas acuáticas (especialmente Myriophyllum quítense conocida comúnmente como Llacho, Chchinqui y Schoenoplectus californicus ssp. conocida comúnmente como totora), representan las variables internas, mientras que la variedad de contaminantes y materiales residuales arrastrados por los ríos que desembocan en la Bahía, desde la ciudad de El Alto y diversas poblaciones, constituyen las variables externas. Esta situación afecta significativamente el nivel de la calidad ambiental de los cuerpos de agua de todo el sistema Titicaca–Desaguadero–Salar de Poopó–Salar de Coipasa (TDPS), el uso y consumo de los mismos, y también en todo lo concerniente a la salud pública y la epidemiología. Las actividades productivas del lugar y, principalmente, el cómo se llevan a Michael Russel Osina Torrez

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cabo, es un factor de influencia clave en la degradación acelerada del ecosistema, de la aparición de procesos eutróficos y de la pérdida gradual, y muchas veces irreversible, de la biodiversidad, entre la que se afecta a diversas especies endémicas, como por ejemplo: Telmatobius culeus comúnmente conocida como rana gigante. El principal instrumento de las causas es el sistema de transporte de contaminantes, o sea el Río Seco, Río Seque, Río Pallina, Río Colorado, Río Jalakeri y destaca entre ellos el afluente final o principal llamado Río Katari donde confluyen todas las “causas” y empiezan a manifestarse los “efectos” que luego son más drásticos al llegar a la Bahía de Cohana. Con el fin de diseñar, dimensionar, aplicar y cumplir planes alternativos de ingeniería, debidamente monitoreados en todas sus etapas, para el control y manejo de la calidad del agua, suelen emplearse modelos matemáticos que relacionan las entradas de aguas residuales con la calidad del agua del cuerpo receptor. Los diversos grados de tratamiento, los sistemas de tratamiento regional versus plantas múltiples, constituyen algunas de las alternativas específicas cuya influencia sobre la calidad del agua receptora pueden evaluarse mediante la aplicación de los modelos de calidad del agua. Los modelos pueden ayudar también a evaluar el beneficio relativo que se obtiene para la calidad del agua mediante la eliminación de diferentes componentes de los contaminantes. Sin olvidar que cuando se estudia la calidad ambiental de un río, debe conocerse a cabalidad su comportamiento, desde que nace hasta el lugar de su desfogue final, a que es más sensible y en que tramo es más afectado, etc. Sólo después se podría pensar en aplicar modelos de comportamiento de calidad, para lograr un fin específico. Dentro este cometido se inscribe el presente proyecto. 1.1. JUSTIFICACIÓN La Bahía de Cohana, ubicada al Sur del Lago Menor del Titicaca, es el área receptora más importante de todas las aguas residuales y descargas industriales que se generan en las ciudades de El Alto, Viacha y comunidades que viven cerca de los ríos que llegan al lago del departamento de La Paz. El problema que esta contaminación va generando es la acumulación progresiva de materia orgánica, que causa el excesivo enriquecimiento del agua en nutrientes y termina en un proceso de eutrofización del ecosistema acuático del área de la Bahía. La poca profundidad que caracteriza al lago pequeño del Titicaca o Huiñaymarca (profundidad promedio 10 metros), hace que las aguas de este lago estén en constante movimiento y circulación diaria, Michael Russel Osina Torrez

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por lo que los nutrientes no se mantienen en el fondo, sino que están disponibles para el aprovechamiento de los productores primarios (algas y macrófitas). Su presencia causa un desarrollo masivo de éstas, especialmente la Lemna (o lenteja de agua) y otras plantas no enraizadas que viven en la superficie del agua. Debido al exceso de nutrientes, las plantas crecen en abundancia y colonizados por otros organismos, propios de aguas contaminadas. Más tarde, cuando mueren, se pudren y llenan el agua de malos olores y le dan un aspecto nauseabundo, disminuyendo drásticamente su calidad. El proceso de degradación de la materia orgánica consume una gran cantidad del oxígeno disuelto y las aguas dejan de ser aptas para la mayor parte de los seres vivos.

Grafico1-1. Resultados de Índices de calidad de Agua (ICA) de la cuenca del Río Katari. Fuente: Instituto Boliviano de Ciencia y Tecnología Nuclear (IBTEN) 2006

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PARAMETRO

UNIDAD

pH Temperatura Sólidos disueltos

CLASE “A” 6.0 a 8.5

°C

± 3 °C de c. receptor

CLASE “B”

CLASE “C”

CLASE “D”

6.0 a 9.0

6.0 a 9.0

6.0 a 9.0

± 3 °C de c. receptor

± 3 °C de c. receptor

± 3 °C de c. receptor

mg/l

1000

1000

1500

1500

Aceites y Grasas

mg/l

Ausentes

Ausentes

0.3

1

DBO 5

mg/l