Informe Modelación QAL2K

RED DE MONITOREO AMBIENTAL EN LA CUENCA HIDROGRÁFICA DEL RÍO ABURRÁ - MEDELLÍN EN JURISDICCIÓN DEL ÁREA METROPOLITANA FASE III

INFORME DE MODELACIÓN

Informe Final Convenio 397 de 2009

Un proyecto de

Ejecutan:

Medellín, diciembre de 2011

Nombre del proyecto: Red de Monitoreo Ambiental en la cuenca hidrográfica del río Aburrá - Medellín en jurisdicción del Área Metropolitana Fase III. Un proyecto del Área Metropolitana del Valle de Aburrá Mauricio Facio Lince Prada, Director Alejandro González Valencia, Subdirector Ambiental Ejecutan Universidad de Antioquia Universidad Nacional de Colombia- Sede Medellín Universidad Pontificia Bolivariana Universidad de Medellín Equipo de Trabajo Coordinación General: Lina Claudia Giraldo B. Asesor General del Proyecto: Rubén Alberto Agudelo G.; Ingeniero Sanitario Coordinador Operativo de la Red: James Londoño Valencia, Camilo Castro Jiménez; Ingeniera Gestión Ambiental: Yanneth Bibiana Daza Vargas; Asistente Logístico: Rubén Emilio Tamayo Palacio; Ingenieros Componente de Calidad de Aguas: Leonardo García Jaramillo, Sandra Liliana Correa Vargas., Ingenieros Grupo de Hidráulica e Hidrología: Luis Fernando Carvajal, Julián David Ceballos López, Jaime Andrés Carmona Ramírez, Julián David Urán Zea, Juan David Cadavid Alzate, Ingeniero Sanitario de Apoyo: Osfredilian Gallo Gómez, Juan Manuel Osorio Zapata, Ernesto Andrés González Aguirre; Ingeniero Sanitario (Modelación): Rubén Darío Molina Santamaría, Ingenieros de Sistemas Willian Díaz Villegas, Andrés Felipe López Gómez, Asesor Hidráulica: Francisco Mauricio Toro Botero; Asesor Calidad de Aguas: José Adrian Ríos, Asesor Modelación: Carlos Alberto Palacio Tobón; Asesor Calidad: Marta Elena Martínez Soto, María Victoria Toro Gómez, Gabriel Jaime Maya V.; Carlos A. Sierra R.; Asesor Biológico: Néstor Jaime Aguirre, Asesor Estadístico: Juan Delgado Lastra; Hidrólogo: Dra. María Victoria Vélez O., Especialista en Sistemas: Juan Camilo Gómez Rave; Coordinador Agua Subterránea: Dra. Teresita Betancur Vargas; Geóloga: Eugenia Catalina Blanco Saint Sorny; Ingeniera Geóloga Paola Andrea Palacio Buitrago, Hidrogeóloga Vanessa Paredes Zúñiga, Biólogo Macroinvertebrados: Orlando Caicedo Quintero; Auxiliares Agua Subterránea; Cristina Martínez Uribe, Sebastián Giraldo Grisales; Auxiliares de Ingeniería: Andrés Felipe Cano Torres, Ana María Bustamante Moreno, Susana Cadavid Valencia, July Andrea Gómez Giraldo, Sergio León Camargo Duque, Sebastián Ruiz Gómez, Juan Pablo Rodríguez Salazar; Sebastián Barbosa Gil, Juan David González Hurtado, Gabriel Jaime Pérez Mesa, Esneider Zapata Atehortúa, José Alfonso González González, Daniel García Ocampo, Mauricio Zapata Henao, Harly Julián Guzmán Velásquez; Julián Uribe Hoyos, Julián Esteban Ocampo Ocampo, Solange Arias Acevedo, Erika García González, Andrés Felipe Zapata Alzate, Sandra Milena Builes Felizzola, Franz Steffan Davis Robinson, Cindy Carolina Mejía Castaño, Jaime Andrés Zapata Agudelo, Jorge Iván Bedoya Posada Ossa, Hernán Darío Vélez Quintero, Alejandra Cifuentes Zapata, Auxiliar Administrativa: Sandra Flórez Hoyos; Margarita María Cardona G., Profesional Universitario Área Metropolitana del Valle de Aburrá; Olga Amparo Velásquez L., Profesional Universitario Área Metropolitana del Valle de Aburrá; Catalina Castaño C., Ingeniera Sanitaria; Héctor Jairo Vélez J., Ingeniero Sanitario; Diego Alonso Betancur E. Ingeniero Sanitario. Interventoría – COLNET Coordinación Interventoria; María Alejandra Echeverri A., Ingeniera Sanitaria, Nora Elena Villegas J., Ingeniero Civil, José Javier Jaramillo, Bióloga, Magnolia Longo Sánchez, Geólogos, Antonio Argumedo, Luis Fernando Gómez. 30 de diciembre de 2011, Medellín

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CONTENIDO 1

INTRODUCCIÓN ............................................................................................................... 8

2

MODELOS DE SIMULACIÓN QUAL2K Y QUAL2Kw ........................................................ 8 2.1

PROTOCOLO DE MODELACIÓN .............................................................................. 8

2.2

UTILIZACIÓN XQUAL2KW....................................................................................... 11

2.3

DESCRIPCIÓN DEL ENTORNO DE DATOS DEL MODELO ................................... 12

2.4

INFORMACIÓN DE ENTRADA AL MODELO ........................................................... 13

2.4.1

Hoja de trabajo .................................................................................................. 13

2.4.2

Hoja de información inicial o de cabecera.......................................................... 15

2.4.3

Hoja Reach o tramos ......................................................................................... 16

2.4.4

Hoja de tasas..................................................................................................... 17

2.4.5

Hoja de cálculo para Fuentes Fijas o tributarios ................................................ 19

2.5 3

INFORMACIÓN DE SALIDA DEL MODELO............................................................. 20

IMPLEMENTACIÓN DEL MODELO QUAL2KW PARA RED RÍO FASE III ..................... 21 3.1 CONSIDERACIONES PARA LA CALIBRACIÓN AUTOMATICA Y VERIFICACIÓN DE DATOS EN xQUAL2KW ................................................................................................ 21 3.1.1

Información utilizada por el modelo ................................................................... 21

3.1.2

Distribución de los datos en la calibración ......................................................... 22

3.2 CONDICIONES EN LA FRONTERA AGUAS ARRIBA O CABECERA DE LA CORRIENTE ....................................................................................................................... 22 3.3

CONDICIONES EN LAS ESTACIONES DE MONITOREO AGUAS ABAJO............. 22

3.4

DATOS HIDRÁULICOS COMPONENTE DE MODELACIÓN ................................... 22

3.5

DATOS CLIMATOLÓGICOS .................................................................................... 23

3.6

CONDICIONES EN LAS CARGAS PUNTUALES Y CAPTACIONES ....................... 24

3.7 CONDICIONES EN LAS CARGAS DISTRIBUIDAS (CARGAS DISPERSAS O DIFUSAS) ........................................................................................................................... 25 4 CALIBRACIÓN Y VERIFICACIÓN DEL PROGRAMA DE SIMULACIÓN XQ2KW PARA RED RÍO FASE III .................................................................................................................. 25 4.1

PROCESO DE CALIBRACIÓN Y VERIFICACIÓN DEL MODELO QUAL2Kw .......... 25

4.2 ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD Y ESTIMACIÓN DE INCERTIDUMBRE DEL MODELO QUAL2KW .......................................................................................................................... 28 5

RESULTADOS RED RÍO FASE III................................................................................... 29 5.1

CALIBRACIÓN CON EL MODELO QUAL2KW ......................................................... 29

5.2

CONSTANTES BIOCINÉTICAS ............................................................................... 36

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5.2.1 Resultados de los ensayos de demanda de oxígeno por sedimentos en el río Aburrá-Medellín ............................................................................................................... 36 5.2.2 Variación temporal de la demanda de oxígeno por sedimentos en el río AburráMedellín 39 5.3

ESCENARIOS DE SIMULACIÓN ............................................................................. 40

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ........................................................................................ 48

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Protocolo de modelación Camacho y Díaz (2003) ................................................... 10 Figura 2. Topología del modelo .............................................................................................. 12 Figura 3. Hoja de trabajo del modelo xQual2Kw ..................................................................... 14 Figura 4. Hoja de información inicial modelo Qual2kw ............................................................ 16 Figura 5. Hoja de tramos modelo Qual2kw ............................................................................. 17 Figura 6. Hoja de tasa modelo Qual2kw ................................................................................. 18 Figura 7. Hoja de fuentes puntuales modelo Qual2kw ............................................................ 19 Figura 8. Hojas de salida modelo Qual2kw ............................................................................. 21 Figura 9. Características hidráulicas modelo Qual2kw ............................................................ 23 Figura 10. Fuentes puntuales consideradas ........................................................................... 24 Figura 11. Valores seleccionados hoja “Rates” ....................................................................... 28 Figura 12. Simulación de caudal para niveles bajos en m³/s (campaña 23 de marzo de 2010) ............................................................................................................................................... 31 Figura 13. Simulación de oxígeno disuelto para niveles bajos (campaña 23 de marzo de 2010) (mg/L) ..................................................................................................................................... 32 Figura 14. Simulación de DBO rápida para niveles bajos (campaña 23 de marzo de 2010) (mg/L) ..................................................................................................................................... 32 Figura 15. Simulación de conductividad para niveles bajos (campaña 23 de marzo de 2010) 33 Figura 16. Simulación de sólidos suspendidos para niveles bajos (campaña 23 de marzo de 2010) ...................................................................................................................................... 33 Figura 17. Simulación de nitrógeno orgánico para niveles bajos (campaña 23 de marzo de 2010) (mg/L) ........................................................................................................................... 34 Figura 18. Simulación de fósforo orgánico para niveles bajos (campaña 23 de marzo de 2010) (mg/L) ..................................................................................................................................... 34 Figura 19. Variación espacial de SOD en el lecho del río Aburrá-Medellín muestreo del año 2010 ....................................................................................................................................... 38

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Figura 20. Variación espacial de SOD en el lecho del río Aburrá-Medellín muestreo del año 2011 ....................................................................................................................................... 38 Figura 21. Variación temporal de SOD en el río Aburrá-Medellín (años 2010-2011) ............... 40 Figura 22. Comportamiento de la DBO5 para escenarios futuros e1, e7 y e12, operando la PTAR Bello ............................................................................................................................. 42 Figura 23. Comportamiento de los SST para escenarios futuros e1, e7 y e12, operando la PTAR Bello y escenario actual (e0) ........................................................................................ 44 Figura 24. Perfil de oxígeno disuelto en el río para cada uno de los escenarios propuestos por los objetivos de calidad ........................................................................................................... 45 Figura 25. Perfil de conductividad en el río para cada uno de los escenarios propuestos por los objetivos de calidad ................................................................................................................ 46

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LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Rangos de calibración............................................................................................... 26 Tabla 2 Parámetros de calibración más sensibles .................................................................. 29 Tabla 3. Escenarios propuestos por la modelación como apoyo a los objetivos de calidad en el río Aburra - Medellín, 2010 ..................................................................................................... 30 Tabla 4. Perfil de calidad del río Aburrá – Medellín, marzo 23 de 2010 .................................. 31 Tabla 5. Valores experimentales de demanda de oxígeno por sedimentos para el muestreo realizado en el año 2010......................................................................................................... 37 Tabla 6. Valores experimentales de demanda de oxígeno por sedimentos para el muestreo realizado en el año 2011......................................................................................................... 37 Tabla 7. Mediciones de SOD en algunos cuerpos de agua, asociada a las características de calidad y/o tipo de sedimento.................................................................................................. 39 Tabla 8. Escenarios propuestos por la modelación como apoyo a los objetivos de calidad en el río Aburra - Medellín, 2010 ..................................................................................................... 41

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1

INTRODUCCIÓN

Los modelos de simulación de la calidad del agua en corrientes superficiales permiten reproducir los diferentes fenómenos hidráulicos, fisicoquímicos y biológicos que ocurren en los ríos mediante el manejo de expresiones matemáticas que representan dichos procesos y los componentes de la calidad del agua en estudio. Estos modelos deben ser una representación aproximada del sistema real y contener el mayor número de aspectos importantes del mismo, sin que su grado de complejidad haga difícil su comprensión y aplicación (Camacho y Díaz, 2003). En este informe se describe la implementación del programa QUAL2K (Chapra y Pelletier, 2003) en el río Aburrá - Medellín, en el tramo comprendido entre la estación de monitoreo San Miguel y la estación Puente Gabino. Inicialmente se mencionan algunas generalidades y se describe el protocolo de modelación seguido en este proyecto, justificando la selección del modelo de simulación usado y describiendo el modelo QUAL2K, así como el modelo QUAL2Kw (Chapra, Pelletier y Tao, 2008), usado en la calibración y análisis de sensibilidad. Finalmente, se presenta el montaje y los resultados de la calibración y verificación del modelo QUAL2Kw (empleando los datos recopilados en las campañas de monitoreo realizadas durante los meses de marzo y septiembre de 2010) y la comparación de algunos escenarios simulados que representan diversas alternativas de saneamiento sobre el río y sus tributarios. 2

MODELOS DE SIMULACIÓN QUAL2K Y QUAL2KW

Desarrollado por el Dr. Steven Chapra (Chapra y Pelletier, 2003). QUAL2Kw incluye algunos de los procesos y opciones que no están en QUAL2K; son similares en los siguientes aspectos: Unidimensional, el canal está bien mezclado vertical y lateralmente. Hidráulica en el estado estacionario. No uniforme, el flujo constante es simulado. Balance diario de calor, el balance de calor y la temperatura de forma dinámica, son simulados en función de la meteorología en una escala de tiempo diaria. Cinética de la calidad del agua. Todas las variables de calidad del agua son simuladas de forma dinámica en una escala de momento diario. La entrada de masas, cargas puntuales, no puntuales y las abstracciones son simuladas.

2.1

PROTOCOLO DE MODELACIÓN

El protocolo de modelación seguido durante la implementación del modelo de simulación de la calidad del agua del río Aburrá - Medellín, se basó en el protocolo propuesto por Camacho y Díaz (2003) (Figura 1), los cuales plantearon una modificación del marco de modelación general propuesto por Rientjes y Boekelman (1998).

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El proceso inicia con la selección del modelo de calidad de agua, lo que implica observar las características de la corriente a estudiar, las capacidades de la entidad interesada en implementar el modelo, y las propiedades del programa en sí; seleccionando aquel modelo que mejor se adapte a estas restricciones. En este estudio el modelo a seleccionar debía representar los fenómenos de transporte propios de un río de montaña ante escenarios de carga altos, debía tener una representación matemática de los procesos físico-químicos y las interacciones agua–sedimentos, y debía estar acorde con la capacidad técnica y económica disponible para la consecución de los datos de entrada del mismo (calidad de agua y caudales). Considerando estas condiciones, y dado que el principal objetivo del modelo se centra en apoyar las tareas asociadas a la definición de objetivos de calidad, se planteó la implementación del QUAL2K (Chapra y Pelletier, 2003), aunque se uso el modelo XQUAL2Kw (Chapra, Pelletier y Tao, 2008), el cual es una versión nueva que incluye características que facilitan su calibración entre campañas y el análisis de sensibilidad. Una vez seleccionado el modelo se programan las campañas de muestreo necesarias para la calibración, proceso en el cual se determinaran las velocidades de los procesos que no puedan ser determinadas directamente. Para este estudio se utilizaron las campañas 3 y 10, correspondientes a marzo y septiembre de 2010, uno de ellos un mes seco y el otro de lluvias.

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Figura 1. Protocolo de modelación Camacho y Díaz (2003)

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2.2

UTILIZACIÓN XQUAL2KW

El modelo XQUAL2KW es una versión nueva del modelo QUAL2K, y ambos permiten evaluar la capacidad asimilativa de agua residual de un sistema de corrientes mediante la simulación de varios constituyentes de calidad del agua en el sistema, utilizando una solución en diferencias finitas de las ecuaciones de advección-dispersión y de reacción. Conceptualmente el río se divide en tramos y cada uno de ellos se divide en una sucesión de pequeños subtramos o elementos computacionales y para cada elemento se realiza un balance hidrológico en términos del caudal, un balance térmico en términos de la temperatura, y un balance de masa en términos de concentración de cada constituyente. En cada elemento puede haber ganancia o pérdida de masa debido a procesos de transporte (advección y dispersión), fuentes o sumideros externos (captaciones, vertimientos, entre otros) o por fuentes y sumideros internos (demanda béntica, transformaciones bioquímicas, entre otros). Las ecuaciones de balance resultante se resuelven en estado estable para el caso de flujo permanente, con un método de diferencias finitas implícito y en una dimensión. Los resultados finales se traducen en curvas que muestran la variación de los parámetros modelados a lo largo de la corriente. El programa XQUAL2Kw (Q2Kw) incluye los siguientes nuevos elementos: •

Entorno de software y la interfaz Q2Kw se lleva a cabo dentro del Microsoft Excel / VBA

•

Se programa en el idioma de Windows macro: para Aplicaciones Visual Basic (VBA), y Excel se utiliza como la interfaz gráfica de usuario.

•

Anoxia: Q2Kw simula anoxia mediante la reducción de las reacciones de oxidación a niveles bajos de oxígeno. Además, la desnitrificación también se modela.

•

La eliminación de patógenos: Este indicador se determina en función de la temperatura, la luz y la solución o medio de reacción.

•

Interacciones agua - sedimentos: Sedimentos y flujos de agua, de oxígeno disuelto y los nutrientes son simulados internamente en lugar de ser prescritas. La demanda de oxígeno en sedimentos (SOD) y los flujos de nutrientes se simulan en función de la solución de partículas de materia orgánica, reacciones de diagénesis dentro de los sedimentos y las concentraciones de las formas solubles en las aguas supra yacentes.

•

Calibración automática: La diferencia más relevante, la cual consiste en un algoritmo genético que se incluye para determinar los valores óptimos de los parámetros cinéticos, para optimizar la tasa de ajuste del modelo en comparación con los datos observados. XQ2KW tiene la capacidad para calibrar automáticamente los parámetros de tipo seleccionado. El usuario tiene la opción de especificar los valores para cada tipo de parámetro que se utilizarán, o seleccionar para auto-calibrar.

Antes de la calibración automática, el usuario debe introducir una fórmula en la celda G3 de la hoja de valores “Rates” que calcula la bondad del ajuste de los resultados del modelo en comparación con los datos medidos. El usuario puede introducir cualquier fórmula, siempre que el incremento del valor resultante mejore el ajuste de la calibración.

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2.3

DESCRIPCIÓN DEL ENTORNO DE DATOS DEL MODELO

A continuación se hará una breve descripción del tipo de hojas de datos de QUAL2Kw según su utilidad dentro del modelo. •

Topología

La topología o esquematización de un modelo matemático de simulación corresponde a la representación de las características del sistema que se requiere modelar. En el caso de la modelación en corrientes superficiales dicha representación se refiere a las características hidrogeométricas y la definición de las fronteras del modelo (fronteras internas y externas). Las fronteras externas corresponden a las estaciones de monitoreo ubicadas aguas arriba y aguas abajo del tramo en estudio. Las fronteras internas corresponden a los ríos tributarios, las extracciones y los vertimientos para los cuales se dispone de información de caudales y calidad del agua.

Figura 2. Topología del modelo

La esquematización del río Aburrá - Medellín corresponde a una red construida entre la abscisa 00.0 Km (San Miguel) al inicio del tramo simulado y la abscisa 99 Km (Puente Gabino) en la salida del tramo de modelación (Ver Figura 2). Se definieron tramos entre estaciones, y para la segmentación interna de los tramos se tuvo en cuenta que las propiedades físicas e

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hidráulicas (sección transversal, pendiente de la corriente, rugosidad entre otras), químicas y biológicas fuesen estables a lo largo de cada tramo.

2.4

INFORMACIÓN DE ENTRADA AL MODELO

El modelo QUAL2K emplea Microsoft Excel como interface gráfica y de acceso de datos, el libro de excel contiene varias hojas electrónicas desde donde se suministran los diferentes datos de entrada del modelo y desde donde éste es ejecutado. Cada una de estas hojas electrónicas tiene un nombre que identifica el tipo de información que contiene: Información general, información de la frontera aguas arriba (cabecera), descripción de los tramos del río, condiciones climatológicas (temperatura del aire, temperatura del punto de rocío, velocidad del viento, nubosidad y sombra), los valores de las tasas de reacción o constantes cinéticas de calibración del modelo, la información correspondiente a los tributarios y captaciones puntuales y distribuidas y la información de las estaciones aguas abajo de la cabecera. En el modelo QUAL2K se consideran las siguientes formas de carbono: Materia orgánica particulada (sujeta a sedimentación), carbono de descomposición rápida (por ejemplo excretas) y carbono de descomposición lenta (por ejemplo grasas y aceites). Se asumió que los valores de DBO5 corresponden a la forma de carbono de descomposición rápida. Durante la implementación de un modelo de simulación en una corriente superficial es necesario recolectar información sobre dos aspectos básicos: Información sobre calidad, cantidad y ubicación de los tributarios o vertimientos y de las captaciones de agua sobre la corriente que se está modelando. Las características hidráulicas de la corriente, que permitan conocer el caudal, la velocidad media de la corriente los anchos y profundidades de las secciones transversales a lo largo del río y las pendientes de los tramos, rugosidad, dispersión longitudinal y transversal (para casos más específicos). Adicionalmente, es necesario conocer la frecuencia de permanencia de caudales. En el modelo se usan colores en las celdas para identificar si la información debe ser ingresada por el usuario o si corresponden a resultados del programa. Las celdas azules corresponden a las variables de diseño y los valores de los parámetros que deben ser ingresados por el usuario. Las celdas amarillas. Son los datos medidos en campo que deben ser ingresados por el usuario. Estos datos posteriormente se muestran en las gráficas generadas por el modelo QUAL2K. Las celdas verdes corresponden a los resultados tabulares del modelo y las celdas rojas corresponden a los resultados gráficos.

2.4.1

Hoja de trabajo

La hoja de trabajo QUAL2K (Ver Figura 3) se utiliza para introducir información general sobre una solicitud de modelo en particular. Nombre del río: Se relaciona el nombre del río para el cual se realiza la modelación

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Nombre del archivo guardado: Corresponde cuando se ejecuta Q2K.

al nombre del archivo de datos, se genera

Directorio en el archivo guardado: Este especifica la ruta completa al directorio donde está guardado el archivo, mes, día, año y huso horario. La hora de verano: Un menú desplegable le permite especificar si el horario de verano está en vigor (Sí o No). Paso de cálculo: Este es el paso de tiempo utilizado para el cálculo. Se debe seleccionar de la lista desplegable. Número de días: Esto define la duración de la operación, debe ser un entero mayor que cero ó igual a dos días. Esta restricción se impone porque el modelo se ejecuta en un modo de tiempo variable hasta alcanzar un estado estable. Por lo tanto, el primer día de la simulación es, por definición, dominado abrumadoramente por sus condiciones iniciales. Si el usuario introduce un valor inferior a dos días, el programa establece automáticamente la última vez a 2 días. El tiempo final debe ser de al menos dos veces el tiempo de viaje del río. Para los arroyos con los tiempos de viaje cortos en los que se simulan algas del fondo, debe ser por lo general más largo.

Figura 3. Hoja de trabajo del modelo xQual2Kw

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Método de solución (la integración): Un menú desplegable le permite elegir entre tres métodos numéricos para la solución de las ecuaciones diferenciales para las variables de estado. Estos son (1) el método de Euler, (2) el cuarto orden de Runge-Kutta (RK4), y (3) un método de adaptación paso del tiempo. Las descripciones detalladas de estos métodos se pueden encontrar en Chapra y Canale (2002). El método de Euler, se sugiere por defecto, ya que por lo general obtiene resultados suficientemente precisos, a una tasa de cálculo moderada. Método de solución (pH): Un menú desplegable le permite elegir entre dos métodos numéricos para la solución de pH. Estos son (1) de Newton-Raphson (por defecto) y (2) bisección. Las descripciones detalladas de estos métodos se pueden encontrar en Chapra y Canale (2002). Newton-Raphson se sugiere por defecto porque es más rápido. Sin embargo, hay algunos casos en los que puede ser inestable. Si esto ocurre, la bisección, aunque más lento, puede ser preferible. 2.4.2

Hoja de información inicial o de cabecera

Esta hoja de cálculo se utiliza para ingresar el flujo y la concentración de los límites del sistema, (Ver Figura 4)

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Figura 4. Hoja de información inicial modelo Qual2kw

2.4.3

Hoja Reach o tramos

Aguas abajo del punto establecido como cabecera o inicio, el modelo calcula automáticamente y muestra la latitud y longitud de los extremos aguas abajo de cada uno de los tramos establecidos en grados decimales. En esta hoja (Figura 5) también deben ser definidos los siguientes parámetros: Coeficiente de velocidad, exponente de la velocidad, profundidad y ancho, pendiente del canal en metros de caída por metro de distancia y Manning entre otros.

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Figura 5. Hoja de tramos modelo Qual2kw

2.4.4

Hoja de tasas

Esta planilla se utiliza para introducir la información relacionada con las constantes de velocidad específica de reacción de los parámetros involucrados en el análisis o en la modelación (Figura 6).

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Figura 6. Hoja de tasa modelo Qual2kw

El alcance de los siguientes parámetros de tipo específico, pueden incluirse en la hoja, entre otros: Las tasas de aireación, velocidad de sedimentación de sólidos inorgánicos en suspensión, tasas de DBO carbonácea lenta (CBOD), hidrólisis o tasas de oxidación de DBO carbonácea rápida , hidrólisis del nitrógeno orgánico, nitrificación de amonio, las tasas de nitratos, desnitrificación, las tasas de hidrólisis de fósforo orgánico, tasa máxima de crecimiento, respiración o muerte del fitoplancton, tasas de biomasa inicial, la tasa de crecimiento máxima de primer orden, respiración, excreción y muerte, la velocidad de absorción máxima de nitrógeno, la velocidad de absorción máxima de fósforo, absorción de nitrógeno en la columna de agua y absorción de fósforo en la columna de agua, entre otros.

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2.4.5

Hoja de cálculo para Fuentes Fijas o tributarios

Esta hoja de cálculo se utiliza para introducir la información de fuentes o tributarios relacionadas con el eje principal de la corriente (por ejemplo, vertimientos directos al río y quebradas afluentes). Para el caso de la modelación del río Aburrá – Medellín se ingresaron las principales quebradas afluentes monitoreadas en el proyecto Red Río fase III y algunos vertimientos directos como la: La descarga de aguas turbinadas de la central hidroeléctrica Tasajera, la descarga de aguas residuales de los interceptores oriental y occidental, la descargas de aguas residuales tratadas de San Fernando, la descarga del relleno sanitario “Pradera”, entre otras.

Figura 7. Hoja de fuentes puntuales modelo Qual2kw

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Se deben ingresar los siguientes campos: Nombre: Etiqueta Especificada por el usuario para identificar la fuente o entrada. Ubicación: El kilómetro donde la fuente de punto o la abstracción entra o sale del río. Caudal entradas y salidas Una fuente puede ser una entrada (carga o tributario) o una salida (abstracción). Tenga en cuenta que no puede ser ambas cosas. Si hay un flujo de abstracción (es decir, un valor positivo en la columna C), el resto de la información en las columnas D a través de la Z será ignorado.

2.5

INFORMACIÓN DE SALIDA DEL MODELO

Después de que el modelo QUAL2K ha efectuado los cálculos necesarios para poder realizar las corridas de simulación, se generan diferentes hojas electrónicas y gráficas con los resultados en el mismo libro de excel. En las figuras resultantes se pueden comparar las curvas correspondientes al perfil de concentraciones de los diferentes parámetros estimados por el modelo a lo largo del río (línea sólida continua), con los datos medidos en campo en las estaciones de monitoreo (puntos sólidos) ver como ejemplo la Figura 13. •

Hojas de salida

Estos son una serie de hojas de cálculo que presentan cuadros de la producción numérica generada por QUAL2K. Esta información se muestra en las hojas junto con los datos medidos. Estos son identificados por pestañas verde pálido. Ver Figura 8

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Figura 8. Hojas de salida modelo Qual2kw

3

IMPLEMENTACIÓN DEL MODELO QUAL2KW PARA RED RÍO FASE III

3.1 3.1.1

CONSIDERACIONES PARA LA CALIBRACIÓN AUTOMATICA Y VERIFICACIÓN DE DATOS EN XQUAL2KW Información utilizada por el modelo

Para poder realizar la calibración y verificación de un modelo de simulación es necesario contar con un grupo de datos en las fronteras de este, que permita realizar las simulaciones o corridas, hasta lograr reproducir con precisión las series de datos observados en campo en diferentes estaciones, mediante el ajuste de los parámetros físicos y numéricos del modelo. Por esta razón, la recolección de datos de la corriente resulta fundamental, ya que todos los resultados producidos por el modelo están basados en los datos de entrada de las fronteras.

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Con el objetivo de realizar la calibración y verificación del modelo QUAL2Kw del río Aburrá Medellín, se construyó una base de datos con la información registrada en las quince campañas de monitoreo realizadas en este estudio durante el 2010, de las cuales se utilizaron dos campañas en caudales bajos (campañas dos y tres) y una en caudales altos (campaña diez). Los parámetros finales recomendados para la calibración del modelo se obtuvieron utilizando simultáneamente los datos de las campañas dos y diez de monitoreo. 3.1.2

Distribución de los datos en la calibración

El modelo así calibrado es el que proporciona un ajuste óptimo global a los datos medidos, puesto que permite a la vez que se calibra con los datos de una campaña, verificar esa información y sus relaciones con la interacción en la columna de agua durante otra campaña de condiciones climáticas diferentes; fue entonces que se definió, utilizando el Q2KW que se tomarían dos campañas para la calibración, una de caudales bajos a la cual se le dio un peso dentro de la calibración del 80% ponderando así su importancia frente a una campaña de caudales altos a la cual se le dio una relevancia del 20% verificando en simultaneo, la calibración que entregaba el modelo. 3.2

CONDICIONES EN LA FRONTERA AGUAS ARRIBA O CABECERA DE LA CORRIENTE

Durante el proceso de modelación es necesario introducir las condiciones del río (caudal y parámetros de calidad) en la frontera aguas arriba o cabecera del tramo en estudio. Para efectos de modelación, se asume que los valores de DBO5 corresponden a la forma de carbono de descomposición rápida, y se presume que más del 95% de la descomposición carbonacea se da y es representada en la DBO rápida (DBOfast); la concentración de Nitrógeno Amoniacal se obtiene desde la diferencia Nitrógeno Total Kjeldahl menos Nitrógeno Orgánico, dado que fueron medidos ciertas formas de nitrógeno y fósforo más relevantes en el río Aburrá. Se ingresaron sólidos suspendidos totales como sólidos suspendidos inorgánicos, por lo que los valores de velocidad de sedimentación serán ligeramente superiores a los medidos. 3.3

CONDICIONES EN LAS ESTACIONES DE MONITOREO AGUAS ABAJO

La información correspondiente a las estaciones de monitoreo sobre el río ubicadas aguas abajo de la cabecera, es suministrada en el modelo en las hojas “Hydraulics Data”, ‘’Temperature Data’’ y “WQ Data” esta última contiene los datos de campo, la información de calidad recolectada en la campaña así como datos de máxima y mínima concentración de todos los parámetros medidos durante el desarrollo de la campaña, siempre va ubicada la localización, longitud y latitud para identificar a que estación o tramo se refiere. Esta información es luego graficada para cada uno de los parámetros evaluados y permite comparar los datos medidos en campo con las curvas correspondientes al perfil de concentraciones de los diferentes parámetros estimados por el modelo a lo largo del río. 3.4

DATOS HIDRÁULICOS COMPONENTE DE MODELACIÓN

El componente hidráulico en los modelos de simulación de calidad de agua debe ser correctamente calibrado, ya que la velocidad media de la corriente, la pendiente del tramo, el

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ancho y la profundidad de la sección transversal, determinan la tasa de reaireación de la corriente y por lo tanto su capacidad de autodepuración, así mismo la velocidad del flujo determina los tiempos de viaje o de residencia de los contaminantes en el tramo y por lo tanto el tiempo disponible para la degradación de la materia orgánica, transformación o reacción de ciertas substancias. Por esta razón es necesario disponer de datos hidráulicos confiables de los tramos modelados. El componente hidráulico del modelo QUAL2K se ajusta mediante datos de rugosidad del lecho (n-Manning), la forma de la sección transversal y la pendiente entre tramos, o también mediante ecuaciones de regresión de tipo potencial de las propiedades hidráulicas del tramo en función del caudal. En el caso del río Aburrá - Medellín, el componente hidráulico se trabajó con las ecuaciones de Manning en cada tramo para las diferentes secciones transversales de aforo como se muestra en la Figura 9.

Figura 9. Características hidráulicas modelo Qual2kw

3.5

DATOS CLIMATOLÓGICOS

En el modelo QUAL2K los datos climatológicos (temperatura del aire, temperatura del punto de rocío, velocidad del viento, nubosidad y sombra) de los tramos en estudio, se introducen en las hojas “Air Temperature”, ”Dew Point Temperature “, ”WindSpeed”, “Cloud Cover” y “Shade”. Esta información junto con la temperatura del agua del río y de los tributarios, permite realizar un balance de energía térmica para el cálculo de la temperatura del agua

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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). En cuanto a la información climatológica requerida para la implementación del modelo, fue necesario ajustar subjetivamente los datos de temperatura de punto de rocío, velocidad de viento, nubosidad y sombra, hasta obtener un perfil de temperatura modelado que se ajustara relativamente bien a los datos de temperatura registrados en campo. 3.6

CONDICIONES EN LAS CARGAS PUNTUALES Y CAPTACIONES

Figura 10. Fuentes puntuales consideradas

Las cargas puntuales corresponden a los vertimientos de aguas residuales o industriales y a los ríos o quebradas tributarias que descargan de manera puntual a la corriente en estudio. Esta información involucra la abscisa del lugar o el kilómetro, medido desde la cabecera, donde ocurre el vertimiento o captación de agua, al igual que las características de calidad y cantidad de agua. En el modelo QUAL2K, estos valores se ingresan en la hoja de cálculo “Point Sources” (la Figura 10 muestra el ejemplo de la información utilizada para el caso del río Aburrá-Medellín). Donde fue utilizada la información levantada en los monitoreos de 2010 y 2011, correspondiente a las quebradas tributarias más importantes del valle de Aburrá y del resto de la longitud del río. Estas entradas de caudal fueron escogidas de acuerdo a dos criterios principales: el grado de contaminación y la cantidad de agua que transporta, todo ello relacionado a las cuencas adyacentes, red de drenaje y descargas o vertimientos sobre el valle de Aburrá. Para el caso de la modelación del río Aburrá – Medellín se ingresaron las

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principales quebradas afluentes monitoreadas en el proyecto Red Río fase III y algunos vertimientos directos como: La descarga de aguas turbinadas de la central hidroeléctrica Tasajera, la descarga de aguas residuales de los interceptores oriental y occidental, la descargas de aguas residuales tratadas de San Fernando, la descarga del relleno sanitario “Pradera”, entre otras. 3.7

CONDICIONES EN LAS CARGAS DISTRIBUIDAS (CARGAS DISPERSAS O DIFUSAS)

En el proyecto Red Río fase III, se aforaron y tomaron parámetros de calidad fisicoquímica y biológica en la desembocadura de las principales quebradas tributarias y efluentes del tratamiento de aguas residuales (Descarga planta de tratamiento de aguas residuales San Fernando) que llegan al río Aburrá – Medellín y se realizaron aforos y muestreos de todos los parámetros de calidad en las estaciones a lo largo de la corriente. Sin embargo, existen vertimientos distribuidos o descargas dispersas de difícil identificación y caracterización, que afectan significativamente la calidad del agua. 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. Adicionalmente, se empleó la información de cargas contaminantes y caracterización de vertimientos industriales reportadas en los muestreos históricos registrados por la autoridad ambiental, en este caso el AMVA y los rangos de caracterización típica de aguas residuales domésticas reportada por la literatura (Metcalf & Eddy, 1995). La información correspondiente a estas cargas distribuidas se introduce en la hoja de cálculo “Difuse Sources”, en la cual se debe especificar la ubicación y las características de calidad y cantidad de agua. La carga total de entrada es distribuida por el modelo de manera uniforme a lo largo del correspondiente tramo. 4

CALIBRACIÓN Y VERIFICACIÓN DEL PROGRAMA DE SIMULACIÓN XQ2KW PARA RED RÍO FASE III

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. Durante este proceso, se emplea una base de datos en las fronteras del modelo, la cual permite realizar simulaciones hasta lograr reproducir con precisión las series de datos observados en campo en diferentes estaciones. 4.1

PROCESO DE CALIBRACIÓN Y VERIFICACIÓN DEL MODELO QUAL2KW

De acuerdo con Camacho y Díaz (2003) en un modelo de calidad del agua se deben especificar las tasas de reacción o transformación de los determinantes de calidad del agua y tasas de transferencia de masa hacia o desde la superficie del agua y el fondo del canal. La cinética de las reacciones son particulares para cada tipo de río y/o agua residual en las condiciones específicas que se presentan en el sistema físico modelado y las tasas de transferencia dependen en gran parte de la turbulencia propia de la corriente. Esto

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necesariamente, obliga al modelador a calibrar los modelos que se aplican a un sistema físico particular utilizando parámetros de calibración. El modelo XQUAL2KW está caracterizado por 18 parámetros de calibración fundamentales. Los parámetros de calibración del modelo de simulación de la calidad del agua se obtuvieron utilizando simultáneamente los datos de tres (3) campañas de monitoreo realizadas durante el año 2010. 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 diferentes (caudales altos y bajos) y se obtuvo un modelo más robusto y confiable calibrado para un rango más amplio de caudales. Hay que tener en cuenta que mejores ajustes pueden obtenerse a los datos de una campaña particular realizando la calibración independiente respectiva. Sin embargo, con los parámetros así obtenidos el ajuste a otra serie de datos no es buena, en otras palabras, el modelo no es “predictivo” y por lo tanto la simulación de escenarios de saneamiento produciría resultados menos confiables. Durante la calibración y verificación objetiva del modelo XQUAL2Kw se utilizó la metodología GLUE (Beven y Binley, 1992) la cual está basada en la técnica de búsqueda aleatoria controlada. Para esto, se emplearon las 600 simulaciones generadas con los datos de las campañas de monitoreo dos y diez a partir de la distribución uniforme en el rango indicado en la Tabla 1. Estos rangos de valores empleados en las combinaciones de parámetros fueron establecidos a partir de las recomendaciones de Kannel et al. (2007), Chapra (1997) y Bowie, et al. (1985). Tabla 1. Rangos de calibración CÓDIGO VS-SSI

Ka

Tasa hidrólisis DBOslow T. Oxidación DBODBOslow T. Oxidación DBOfast Hidrólisis NO VS-NO T. Nitrificación T. Desnitrificación CT- Desnitrificación Sed. Hidrólisis PO VS-PO VS-PI

DESCRIPCIÓN DEL PARÁMETRO DE CALIBRACIÓN Velocidad de sedimentación de sólidos suspendidos inorgánicos

Tasa de reaireación, descrita por la ecuación de reaireación

Tasa de hidrólisis de la materia orgánica de lenta descomposición Tasa de oxidación de la materia orgánica de lenta descomposición Tasa de oxidación de la materia orgánica de rápida degradación Hidrólisis de nitrógeno orgánico Velocidad de sedimentación de nitrógeno orgánico Tasa de nitrificación de amonio Tasa de desnitrificación de nitratos (importante cuando existen condiciones anaeróbicas) Coeficiente de transferencia por desnitrificación de sedimentos Hidrólisis del Fósforo Orgánico Velocidad de sedimentación del Fósforo Orgánico Velocidad de sedimentación del Fósforo Inorgánico

26

RANGO DE VALORES DE CALIBRACIÓN

UNIDADES

0–2

m/d

Ecuación de auto-selección interna en el modelo según valor especifico de velocidad y profundidad de la lámina de agua o mediante selección de una ecuación según criterio del usuario.

1/d

0 - 4,2

1/d

0 - 4,2

1/d

0–5

1/d

0–51

1/d

0,001 – 0,1

m/d

0 – 10

1/d

0–2

m/d

0–1

1/d

0,001 – 0,7

1/d

0–2

m/d

0–2m

m/d

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CÓDIGO Hidrólisis POM Vel. sedimentación POM T. Decaimiento Patógenos VS-Patógenos constante α mortalidadPatógenos

DESCRIPCIÓN DEL PARÁMETRO DE CALIBRACIÓN Hidrólisis de la materia orgánica particulada (Detritus (POM)) Velocidad de sedimentación de la materia orgánica particulada (Detritus (POM))

RANGO DE VALORES DE CALIBRACIÓN

UNIDADES

0–5

1/d

0–5

m/d

Tasa de decaimiento de los patógenos

0–5

1/d

Velocidad de sedimentación de los patógenos constante α para mortalidad de los patógenos por luz solar

0–2

m/d

0–1

1/d per ly/hr

Para cada combinación de parámetros de calibración se efectuó una corrida del modelo y se obtuvo un conjunto de datos. Mediante la optimización del coeficiente de determinación (R²) se calculó el nivel de ajuste que presentó cada uno de estos conjuntos y se determinó el conjunto o combinación que arrojó el mejor ajuste. De esta forma, la combinación de los parámetros de entrada asociados a dicho conjunto fue la óptima (Figura 11). Para la calibración, la función objetivo optimizada fue el R², el cual es una medida de la varianza de los datos que es explicada por el modelo.

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Figura 11. Valores seleccionados hoja “Rates”

4.2

ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD Y ESTIMACIÓN DE INCERTIDUMBRE DEL MODELO QUAL2KW

Mediante el análisis de sensibilidad del modelo QUAL2Kw se determinó la influencia y la relevancia de los diferentes parámetros de calibración en la respuesta del modelo para cada una de las variables determinantes de la calidad del agua. Después de repetidas simulaciones se puede estudiar la sensibilidad de las respuestas del sistema a las variaciones en los parámetros y/o variables. El análisis mostró que los parámetros más sensibles e identificables dentro de un rango óptimo dependen de la variable determinante de calidad de agua para la cual se optimiza la función objetivo (R²). Los parámetros más sensibles de acuerdo con la variable determinante de la calidad del agua se presentan en la Tabla 2.

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Tabla 2 Parámetros de calibración más sensibles

5 5.1

•

VARIABLE

PARÁMETROS SENSIBLES

Oxígeno disuelto OD

Tasa de reaireación y Tasa de oxidación de la DBO rápida.

Demanda bioquímica de oxígeno DBO

Tasa de oxidación de la DBO rápida

Nitrógeno orgánico Norg

Hidrólisis NO

Nitratos NO3

Tasa de nitrificación

Fósforo inorgánico Sólidos suspendidos inorgánicos

Hidrólisis P orgánico Velocidad de sedimentación

RESULTADOS RED RÍO FASE III CALIBRACIÓN CON EL MODELO QUAL2KW

Aplicación del modelo de simulación

La calidad del cuerpo de agua del río Aburrá – Medellín fue simulada empleando el modelo de simulación Qual2K (Chapra y Pelletier, 2003), aunque también fue utilizado el modelo xQUAL2Kw (Chapra, Pelletier y Tao, 2008), el cual es una versión nueva que incluye características que facilitan su calibración entre campañas y el análisis de sensibilidad. Ambos permiten evaluar la capacidad asimilativa de agua residual de un sistema de corrientes mediante la simulación de varios constituyentes de calidad del agua en el sistema, utilizando una solución en diferencias finitas de las ecuaciones de advección-dispersión y de reacción. Para realizar la calibración y verificación del modelo de simulación es necesario contar con un grupo de datos en las fronteras de éste, que permita realizar las simulaciones o corridas, hasta lograr reproducir con precisión las series de datos observados en campo en diferentes estaciones, mediante el ajuste de los parámetros físicos y numéricos del modelo. Por esta razón, la recolección de datos de la corriente resulta fundamental, ya que todos los resultados producidos por el modelo están basados en los datos de entrada de las fronteras. Con el objetivo de realizar la calibración y verificación del modelo QUAL2Kw para el río Aburrá - Medellín, se construyó una base de datos con la información registrada en tres campañas de monitoreo realizadas en este estudio durante el 2010, dos campañas en caudales bajos (17 y 23 de marzo de 2010, respectivamente) y una en caudales altos (campaña diez, agosto 25 de 2010). Los parámetros finales recomendados para la calibración del modelo se obtuvieron utilizando simultáneamente los datos de las campañas dos y diez de monitoreo (Marzo 23 para nivel bajo de caudal y agosto 25 para nivel alto de caudal). El modelo así calibrado es el que proporciona un ajuste óptimo global a los datos medidos. Los datos de la campaña uno (17 de marzo de 2010), así como información dispersa de otras campañas fue usada para completar y refinar la información de entrada del modelo. Con la metodología anterior, se logró calibrar un modelo de simulación de la calidad del agua para condiciones hidrológicas diferentes (caudales altos y bajos).

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En el proyecto Red Río fase III se aforaron y midieron parámetros de calidad fisicoquímica y biológica en la desembocadura de las principales quebradas tributarias y efluentes del tratamiento de aguas residuales (descarga planta de tratamiento de aguas residuales San Fernando) que llegan al río Aburrá – Medellín. De igual manera, se realizaron aforos y muestreos de varios parámetros de calidad en las estaciones a lo largo de la corriente. Sin embargo, existen vertimientos distribuidos o descargas dispersas de difícil identificación y caracterización, que afectan significativamente la calidad del agua. Las principales descargas distribuidas, corresponden a tributarios no monitoreados. Una vez calibrado el modelo, se plantearon 14 escenarios de modelación (ver Tabla 3), a partir de los cuales se realizaron diferentes supuestos en la remoción de carga contaminante, para evaluar el comportamiento de la calidad del agua en el cauce principal del río Aburrá – Medellín. Tabla 3. Escenarios propuestos por la modelación como apoyo a los objetivos de calidad en el río Aburra - Medellín, 2010 RESUMEN SUPUESTOS ESCENARIOS DE MODELACIÓN RÍO ABURRÁ - MEDELLÍN ESCENARIOS PTAR BELLO

DESCARGA PTAR SAN FERNANDO

% REMOCIÓN QUEBRADAS (DBO5 –SST)

e0

SIN OPERAR

CONDICIONES ACTUALES

0

e1

OPERANDO

70-70

30

e2

OPERANDO

70-70

40

e3

OPERANDO

70-70

50

e4

OPERANDO

70-70

60

e5

OPERANDO

50-50

30

e6

OPERANDO

50-50

40

e7

OPERANDO

50-50

50

e8

OPERANDO

50-50

60

e9

OPERANDO

30-30

30

e10

OPERANDO

30-30

40

e11

OPERANDO

30-30

50

e12

OPERANDO

30-30

60

e13

SIN OPERAR

70-70

VARIABLE F(PSMV) 2014

A continuación en la Tabla 4 se muestran los resultados de calidad fisicoquímica encontrados a lo largo del río para la fecha de calibración principal que se utilizó en el modelo y que representa los niveles bajos de caudal.

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Tabla 4. Perfil de calidad del río Aburrá – Medellín, marzo 23 de 2010 ESTACIÓN E1 E3

SAN MIGUEL ANCÓN SUR ANTES DE SAN FERNANDO AULA AMBIENTAL PUENTE ACEVEDO PUENTE MACHADO ANCÓN NORTE

E5 E8 E9 E11 E12 E4 Q6 Q7 Q10

Q.DOÑA MARIA Q.AGUACATALA Q. LA PRESIDENTA Q.SANTA ELENA

CAUDAL (m3/s) 0.44 2.50

DBO5

DQO

NTK

0.04 2.10

0.92 8.06

2.77

3.97

3.09

PTotal

SFT

SST

SDT

0.03 1.21

SVT (ton/día) 0.00 0.00 0.23 0.01

1.41 35.21

0.19 3.24

1.22 31.98

24.62

1.90

0.24

0.02

46.60

6.45

40.16

13.87

52.40

5.40

0.19

0.04

139.77

22.46

117.35

3.61

52.25

92.02

8.18

0.94

71.51

87.12

34.91

123.71

4.23

63.83

133.33

10.58

3.29

127.49

257.90

257.17

128.22

69.20 173.98 14.67 2.10 158.28 ESTACIONES FUERA DEL CAUCE DEL RÏO ABURRÁ 0.59 0.78 4.23 0.23 0.09 0.00 0.02 0.00 0.00 0.01 0.00 0.14

291.21

258.44

191.05

0.00 0.21

1.15 0.01

0.00 0.33

7.16

0.03

0.04

0.13

0.01

0.00

0.17

0.55

0.03

0.70

0.40

2.36

9.27

0.99

0.14

5.58

8.98

2.84

11.72

En las figuras resultantes de la calibración (ver Figura 12 a Figura 18) se pueden comparar las curvas correspondientes al perfil de concentraciones de los diferentes parámetros estimados (líneas continuas) por el modelo a lo largo del río, con los datos medidos en campo (puntos dispersos) en las estaciones de monitoreo.

Figura 12. Simulación de caudal para niveles bajos en m³/s (campaña 23 de marzo de 2010)

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Figura 13. Simulación de oxígeno disuelto para niveles bajos (campaña 23 de marzo de 2010) (mg/L)

Figura 14. Simulación de DBO rápida para niveles bajos (campaña 23 de marzo de 2010) (mg/L)

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Figura 15. Simulación de conductividad para niveles bajos (campaña 23 de marzo de 2010)

Figura 16. Simulación de sólidos suspendidos para niveles bajos (campaña 23 de marzo de 2010)

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Figura 17. Simulación de nitrógeno orgánico para niveles bajos (campaña 23 de marzo de 2010) (mg/L)

Figura 18. Simulación de fósforo orgánico para niveles bajos (campaña 23 de marzo de 2010) (mg/L)

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De acuerdo con lo visto en las figuras anteriores (ver Figura 12 a Figura 18), las cuales describen la calibración del modelo, se tienen algunas conclusiones parciales, a saber: La DBO rápida el oxígeno y la conductividad presentan curvas predichas por el modelo similares y con un ajuste aceptable a los datos medidos que aparecen como puntos en las gráficas, no obstante el ajuste de las curvas de los sólidos, el nitrógeno y el fósforo es menos favorable a los datos medidos aunque tratan de seguir una línea de calidad. En las gráficas de DBO y conductividad principalmente, así como en el resto de las gráficas de calibración expuestas, se nota entre los km 60 y 70 una disminución súbita de la contaminación en cada caso, debida al ingreso de las aguas turbinadas de la hidroeléctrica Tasajera que por su calidad y abundancia generan una dilución importantísima en el recorrido del río, de allí en adelante se nota una línea casi paralela que discurre constante por todo el norte del valle de Aburrá y que termina en Puente Gabino con valores de contaminación que tienden a disminuir conforme se avanza aguas abajo, como resultado de la dilución que produce toda la red de drenaje sobre el rio y el cese de ingresos importantes de vertimientos residuales. •

Dinámica del nitrógeno y el fósforo en el río Aburrá - Medellín

En la química del agua de un río, los compuestos del nitrógeno y del fósforo representan un papel muy importante, puesto que son ellos los verdaderamente responsables del crecimiento de los organismos animales y vegetales en el medio acuático. En condiciones normales estos compuestos provienen fundamentalmente de la degradación de la materia orgánica muerta, pero en condiciones del medio alteradas, los aportes adicionales proceden mayoritariamente de vertidos residuales urbanos y de ciertas instalaciones industriales, así como del uso creciente de fertilizantes y pesticidas en la agricultura. En el caso del nitrógeno, para el río Aburrá - Medellín, se ha encontrado principalmente la forma orgánica, no obstante, después de entrar en contacto con el medio acuático, aparecen otras formas como la amoniacal, los nitritos y nitratos; el aporte de la ciudad según algunos datos puntuales de la fase III está entre 20 y 30 ton/día de nitrógeno total en el final de la zona urbana; la complejidad del drenaje en la zona urbana y la gran cantidad de aguas de desecho que llegan al río, impiden un aforo de los nutrientes y ayudan a la compleja interacción de ellos con el agua y con los sedimentos. En el caso del fósforo, se explica su origen también principalmente, desde el aporte de materia orgánica que se da por los vertimientos, entre 5 y 10 ton /día al final de la zona urbana; se pueden encontrar en formas orgánicas, así como en ortofosfatos y poli fosfatos como subproductos de procesos industriales y en otros casos como desechos de aguas de lavado y descomposición orgánica. Es conocido por parte de la literatura que ambos nutrientes viajan en la columna de agua e interactúan con el sistema según sean los niveles de oxígeno disponible, que para el rio Aburrá - Medellín en algunos puntos es alto y en otros es casi cero para algunas horas del día, lo cual causaría una dinámica de oxidación reducción en algunos tramos. Por otra parte, por ser un río con especiales cantidades de sólidos suspendidos y sedimentables una alta velocidad (mayores a 1m/s según mediciones de fase III) zonas de gran turbulencia y zonas de sedimentación y una dinámica de lluvias gracias a su ubicación geográfica en una zona

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montañosa que hace de este un evento recurrente sobre el rio alterando consigo todas las predicciones e interacciones del mismo durante el paso del fenómeno y la canalización del río en parte de la zona urbana; se generan complejas relaciones, formas y reacciones de los nutrientes en la columna de agua con toda clase de fenómenos, entre otros no mencionados, con igual dificultad para su medición, cuantificación y en especial la predicción de su comportamiento. Por todo lo anterior, la presente modelación ha llegado a unos ajustes de las curvas de nitrógeno y fósforo con bajos niveles de predicción del modelo quedándose en la etapa de calibración con una aproximación media entre los valores medidos en campo y la curva predictiva; es de presumirse que un río de alta velocidad, de montaña, canalizado y con vertimientos de aguas residuales e industriales como pasa en el río Aburrá – Medellín, presente resultados frente a la interacción de nutrientes difícilmente predecibles por un modelo con alcances que se salen en su propósito de condiciones naturales de un cauce como el río en estudio. •

Vertimiento relleno sanitario Pradera

La descarga del relleno sanitario Pradera ubicado en el municipio de Don Matías, llega al río a la altura de Porce donde este tiene un lecho rocoso, encañonado y de alta pendiente lo cual genera altas turbulencias y mezcla casi inmediata de contaminantes en la sección transversal. Las cargas de DBO a esta altura según el análisis de cargas de la presente fase, se ubica alrededor de 300 ton/día en épocas de bajos caudales y supera las 5000 ton/día en campañas de lluvia o altos caudales; para el caso de la descarga de Pradera fueron ingresados en la página de fuentes fijas “Point Sources” valores de 2200 mg/l de DBO con un caudal de 0.0035 m3/s lo cual produce una carga de 0.67 Ton/día de DBO que ingresan al río Aburrá - Medellín provenientes de Pradera. Este valor comparado con los valores de carga que trae el río a pesar de tener una alta concentración, se vuelve muy inferior frente al valor del rio en este punto, por tanto el modelo no lo capta ni lo representa en la curva resultante, así como tampoco es captado por los datos medidos en campo tal como se puede ver en la Figura 14. El Anexo 1 (formato digital), contiene el archivo calibración *.q2k que genera los resultados presentados, permite evaluar otros resultados que evidencian que el modelo implementado reproduce adecuadamente los datos observados en campo.

5.2 5.2.1

CONSTANTES BIOCINÉTICAS Resultados de los ensayos de demanda de oxígeno por sedimentos en el río Aburrá-Medellín

En el 2010 se realizaron 21 análisis de SOD para siete puntos de muestreo y en el 2011 se realizaron 18 análisis para seis puntos; estos últimos incluyeron tres estaciones diferentes a las del 2010. Las estaciones muestreadas eran representativas de los diferentes tramos que se establecieron a lo largo del cauce del río Aburrá - Medellín. Los análisis se realizaron en laboratorio para los cuales se llevaron a cabo tres montajes experimentales para cada

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estación. En todos los casos hubo buena correspondencia con el modelo lineal propuesto para la SOD (r2>0,9). Las gráficas de cada ensayo, además de sus respectivas correcciones por temperaturas se presentan en el anexo 1. Además, también se realizó una ponderación de los valores obtenidos experimentalmente, puesto que todo el lecho del río no acumula lodos debido a las diferencias en las condiciones hidráulicas y morfológicas de la cuenca a lo largo de su cauce. En la Tabla 5 y en la Tabla 6 se presenta el resumen de los valores promedio obtenidos por estación para los dos muestreos realizados uno en el 2010 y otro en el 2011. Se hace claridad sobre los datos de la columna SOD20 promedio los cuales indican la demanda de oxigeno de la muestra de lodo tomada y medida en laboratorio; la última columna tiene implícito el porcentaje de área del lecho del río que se presume genera demanda de oxígeno por lo cual fue llamado SOD ponderado en el lecho del río.

Tabla 5. Valores experimentales de demanda de oxígeno por sedimentos para el muestreo realizado en el año 2010 NOMBRE DEL TRAMO

NUMERACIÓN

ANCÓN SUR DESPUES SAN FERNANDO AULA AMBIENTAL ANCÓN NORTE HATILLO POPALITO PUENTE GABINO

E3 E6 E8 E12 E15 E17 E20

DISTANCIA AGUAS ABAJO

SOD20 PROMEDIO

Km 5.563 22.937 28.442 41.660 60.010 75.900 99.114

g O2/m2*dia 2.40 0.59 0.72 2.82 5.09 0.46 2.67

%SOD ÁREA DEL LECHO DEL RÍO 0.2 0.3 0.3 0.2 0.2 0.2 0.3

SOD PONDERADO LECHO DEL RÍO g O2/m2*dia 0.48 0.18 0.22 0.56 1.02 0.09 0.80

Tabla 6. Valores experimentales de demanda de oxígeno por sedimentos para el muestreo realizado en el año 2011 NOMBRE DEL TRAMO

NUMERACIÓN

PRIMAVERA DESPUES SAN FERNANDO AULA AMBIENTAL PUENTE ACEVEDO PAPELSA PUENTE GABINO

E2 E6 E8 E9 E16 E20

DISTANCIA AGUAS ABAJO

SOD20 PROMEDIO

Km 0.814 22.937 28.442 32.125 65.726 99.114

g O2/m2*dia 0,358 0,772 1,018 3,050 3,929 1,076

%SOD ARÉA DEL LECHO DEL RÍO 0,1 0,3 0,3 0,3 0,2 0,3

SOD PONDERADO DEL LECHO DEL RÍO g O2/m2*dia 0,036 0,232 0,305 0,915 0,786 0,323

El comportamiento de este parámetro se muestra en la Figura 19 y Figura 20 para los muestreos realizados en los años 2010 y 2011 respectivamente.

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1,2

SOD20 (g O2 /m2 día)

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0,0 E3

E6

E8

E12

E15

E17

E20

ESTACIÓN

Figura 19. Variación espacial de SOD en el lecho del río Aburrá-Medellín muestreo del año 2010 1,2

SOD20 (g O2 /m2 día)

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0,0 E2

E6

E8

E9

E16

E20

ESTACIÓN

Figura 20. Variación espacial de SOD en el lecho del río Aburrá-Medellín muestreo del año 2011

El comportamiento de la demanda de oxígeno en sedimentos para el 2010 y 2011 transcurre de manera similar a las gráficas de calidad fisicoquímica donde se nota siempre un ascenso desde las primeras estaciones que llega a su pico en la salida de la ciudad (Puente Acevedo – Ancón Norte), donde se han recogido todos los vertimientos de la zona urbana, para después tener leves descensos hacia aguas abajo donde predomina lo rural, la contaminación ha dejado de ingresar, la dilución mejora la calidad y la turbulencia altera los procesos de sedimentación.

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5.2.2

Variación temporal de la demanda de oxígeno por sedimentos en el río AburráMedellín

Los valores de SOD encontrados en el río Aburrá-Medellín, se encuentran dentro del rango que reporta la literatura para sistemas lóticos, especialmente si se compara con los resultados obtenidos en corrientes locales (En Colombia), como se observa en la Tabla 7

Tabla 7. Mediciones de SOD en algunos cuerpos de agua, asociada a las características de calidad y/o tipo de sedimento. AMBIENTE/LUGAR

DESCRIPCIÓN DE LA CORRIENTE/CALIDAD/SEDIMENTO

METODOLOGÍA SEDIMENTO

VALORES REPORTADOS PARA SOD (g O2.m2./día)

REFERENCIAS

RÍO MEDELLÍN (2007)

Recibe descargas domésticas e industriales, sedimento variable según la estación y con gran cantidad de materia orgánica.

Ensayos en laboratorio, en 7 estaciones a lo largo de la corrientes

0.35 – 5.12

En este estudio y para el lodo analizado en laboratorio

RÍO MEDELLÍN (2007)

Recibe descargas domésticas e industriales, sedimento variable según la estación y con gran cantidad de materia orgánica.

Ensayos en laboratorio, en 7 estaciones a lo largo de la corrientes

1.28 – 3.56

Villegas (2007), modelación del río Medellín, CIA -UdeA datos no publicados)

RÍO MEDELLÍN (1981)

Recibe descargas domésticas e industriales, sedimento variable según la estación y con gran cantidad de materia orgánica.

Ensayos en laboratorio, sistema batch en 3 estaciones a lo largo de la corriente

0.4 – 4.6

Mejía & Monroy (1981)

RÍO KLAMATH, OREGÓN (2003)

Río meandrico con descargas industriales y municipales

0.3 – 2.9

Doyle & Lynch (2003)

RÍO CAUCA, TRAMO SALVAJINA- LA VIRGINIA (2006)

Recibe descargas de gran cantidad de centros urbanos, caudal 500 m3/s aprox.

Ensayos en laboratorío, en 8 estaciones

0.6 – 4.2

Baena (2004)

QUEBRADA LA VEGA, ANTIOQUIA (2004)

Quebrada con cierta intervención humana y sometida a represamiento.

Ensayos in-situ en 12 estaciones

0.4 – 1.7

Grajales (2004)

RÍO WILLAMETE, OREGÓN, USA (1994)

Sedimento fino-granular, Mat.Org 10% en promedio.

1.3 – 4.1

Caldwell & Doyle (1994)

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1,2

SOD20 (g O2 /m2 día)

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 E2

E6

E8

E9

E16

E20

ESTACIÓN Fase III (2011)

Fase III (2010)

Figura 21. Variación temporal de SOD en el río Aburrá-Medellín (años 2010-2011)

Al superponer las tendencias presentadas para 2010 y 2011 tal como se ve en la Figura 21, se nota la similitud entre las dos series y se corrobora la información, de donde se concluye que la mayor demanda de sedimentos en el rio Aburrá – Medellín se da en estaciones comprendidas en el tramo Acevedo – Hatillo – Papelsa, lo cual coincide con el incremento de la contaminación fisicoquímica del río a causa de la confluencia de los vertimientos de la ciudad.

5.3

ESCENARIOS DE SIMULACIÓN

Como escenarios de modelación para el río Aburrá – Medellín, se plantearon catorce escenarios de saneamiento (Tabla 8), doce de los cuales se simularon bajo los supuestos que las obras del interceptor Sur, del interceptor Norte y la PTAR de Bello se encuentran terminadas y operando (e1 – e12). Los dos escenarios restantes, se simularon en primer lugar, tomando las condiciones actuales (e0), es decir descargando directamente los interceptores al río y con la información de calidad y cantidad levantada en 2010, tanto para las estaciones sobre el río como para las quebradas y el segundo asumiendo también la descarga de los interceptores al río y las principales quebradas con algún porcentaje de remoción, de acuerdo con las proyecciones reales de saneamiento (e13). El resumen de los escenarios simulados se presenta en la Tabla 8.

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Tabla 8. Escenarios propuestos por la modelación como apoyo a los objetivos de calidad en el río Aburra - Medellín, 2010 RESUMEN SUPUESTOS ESCENARIOS DE MODELACIÓN RÍO ABURRÁ - MEDELLÍN ESCENARIOS

% REMOCIÓN QUEBRADAS (DBO5 –SST)

PTAR BELLO

DESCARGA PTAR SAN FERNANDO

e0

SIN OPERAR

CONDICIONES ACTUALES

0

e1

OPERANDO

70-70

30

e2

OPERANDO

70-70

40

e3

OPERANDO

70-70

50

e4

OPERANDO

70-70

60

e5

OPERANDO

50-50

30

e6

OPERANDO

50-50

40

e7

OPERANDO

50-50

50

e8

OPERANDO

50-50

60

e9

OPERANDO

30-30

30

e10

OPERANDO

30-30

40

e11

OPERANDO

30-30

50

e12

OPERANDO

30-30

60

e13

SIN OPERAR

70-70

VARIABLE F(PSMV) 2014

En la Tabla 8, entre los supuestos para la descarga de la PTAR San Fernando, el término 7070, 50-50, 30-30, quiere decir, que se espera que el efluente de la PTAR no exceda valores de 70 mg/L de DBO5 y 70 mg/L de SST y así sucesivamente. Entre los doce escenarios que contemplan la entrada en operación de la PTAR Bello, se resalta que pese a que todos los escenarios plantean porcentajes de remoción entre 30% y 60%, los escenarios e1 a e4 suponen que el efluente de la planta de tratamiento de aguas tratadas San Fernando estará en un 30/30 (la relación 30/30 corresponde a la concentración de DBO5 y SST de la descarga de la planta), para los escenarios e5 a e8 dicha relación se asume en un 50/50 y finalmente en los escenarios e9 a e12 la relación DBO5 y SST se establece de 30/30. Adicionalmente, para los escenarios donde se supone la entrada en operación de la planta de tratamiento de aguas residuales de Bello, se tiene un escenario pesimista (escenario e1), donde el saneamiento para todas las quebradas es del 30%, siendo esto bajo para algunas microcuencas como La García, El Hato, La Señorita, Niquía, La Iguaná y Santa Elena, a las cuales se les proyecta realizar obras de saneamiento entre 2011 y 2014 de acuerdo al plan de saneamiento y manejo de vertimientos (PSMV), además, a partir del 2011 las exigencias normativas en lo que respecta a límites máximos de sustancias o elementos presentes en vertimientos líquidos por actividades industriales, comerciales y de servicio, serán menos

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flexibles, con el propósito de controlar y reducir la contaminación hídrica, de acuerdo con el decreto 3930 de 2010. Un escenario medio (escenario e7), donde se considera que las quebradas estarán saneadas en un 50%, el efluente de la PTAR San Fernando estará en un 50/50 y el de la PTAR Bello estará a un 30/30 (este supuesto no varía en los escenarios propuestos, dado que está por construirse lo que permitirá que la Autoridad Ambiental sea más rigurosa en las exigencias de calidad del agua apoyada en la nueva normatividad). Finalmente un escenario muy positivo (escenario e12), el cual supone que las quebradas estarán saneadas en un 60% y el efluente de San Fernando estará en un 30/30 (esta relación 30/30 corresponde a la concentración de DBO5 y SST de la descarga de la planta) al igual que el de la PTAR Bello. •

Resultados más relevantes de la simulación de escenarios

En lo que se refiere a los rangos numéricos asociados a cada parámetro, a partir del programa de simulación Qual 2K, se obtuvo un escenario llamado “e0” con las condiciones actuales de calidad del río Aburrá – Medellín, y otro escenario “e13” que representa las condiciones de calidad aproximadamente a dos años, donde se asumieron como datos de entrada porcentajes de saneamiento para algunas quebradas de acuerdo con las obras de saneamiento que se proyectan a 2014 en el PSMV y doce escenarios considerando remociones en las quebradas entre el 30% y 60% y la descarga del efluente de la PTAR de San Fernando variando entre 70-70 y 30-30, a partir de lo cual se logró obtener tendencias de comportamiento de la calidad de agua.

Figura 22. Comportamiento de la DBO5 para escenarios futuros e1, e7 y e12, operando la PTAR Bello

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En la Figura 22 se aprecia la variación de la DBO5 para los escenarios futuros suponiendo remociones de carga contaminante de DBO5 y SST una vez se encuentre operando la planta de tratamiento de aguas residuales de Bello, aproximadamente para el 2015 -2016 Es importante resaltar, que en términos de DBO5, en los primeros 19 km se percibe un comportamiento muy similar entre las condiciones actuales y los escenarios futuros propuestos, notándose un pico suave a los 10 km como consecuencia del ingreso de las quebradas La Miel, La Valeria y La Chuscala, además de algunos interceptores que descargan directamente en el barrio Mandalay (municipio de Caldas), las cuales aportan carga orgánica al río, producto de las actividades agrícolas y domésticas que se presentan en la parte alta. Comparando los escenarios e1, e7 y e12 respecto al actual, es evidente que las concentraciones de DBO5 no tendrán variaciones significativas al aplicar porcentajes de remoción entre el 30%, 50% y 60%, respectivamente, por tanto, las acciones en estos primeros kilómetros deberán estar orientadas a la protección del recurso y la finalización de las obras de recolección de aguas residuales domésticas las cuales se tienen proyectadas por el municipio de Caldas. Para los escenarios e1, e7 y e12 se evidencia una disminución significativa en las concentraciones de DBO5, aproximadamente entre el kilómetro 30 y el punto de cierre de la cuenca (estación Puente Gabino), comparado con el escenario de condiciones actuales e0. Llama la atención, la reducción generada aproximadamente entre los 33 km y 57 km, como resultado de la conexión de los interceptores del alcantarillado de EPM a la planta de tratamiento de aguas residuales de Bello, así mismo, por la remoción de carga en términos de DBO5 asumida en algunas quebradas como La Rosa, La Madera, El Hato, La García, La Señorita, Rodas y Piedras Blancas, que se encuentran ubicadas entre dichas longitudes; de igual manera, la reducción de DBO5 a partir de los 60 km como resultado del efecto de dilución generado por la descarga de aguas turbinadas de la Central Hidroeléctrica Tasajera. En resumen, la Figura 22 corrobora la necesidad de continuar con las obras de recolección de aguas residuales proyectadas en el PSMV 2005-2014 y la construcción de la PTAR Bello, para lograr reducir la carga en términos de DBO5, además de emprender acciones en otras microcuencas con aporte de carga orgánica, como consecuencia del vertimiento de aguas residuales domésticas. La Figura 23, muestra la variación de los sólidos suspendidos totales (SST) a lo largo del río Aburrá – Medellín según las predicciones obtenidas a partir del programa de modelación Qual2k, tanto para las condiciones actuales como las correspondientes a diferentes escenarios de remoción de carga de este parámetro. Es evidente, que desde los primeros kilómetros la concentración de sólidos suspendidos totales es significativa y presenta una alta variación hasta aproximadamente los 60km, como consecuencia de la descarga de aguas residuales y el ingreso de quebradas donde se desarrollan actividades mineras.

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Figura 23. Comportamiento de los SST para escenarios futuros e1, e7 y e12, operando la PTAR Bello y escenario actual (e0)

En la Figura 23, se aprecia un incremento de los sólidos aproximadamente a los 10km, esto como resultado del ingreso de quebradas como La Minita, La Miel, La Valeria y La Chuscala, que aportan gran cantidad de sólidos suspendidos al agua como consecuencia de los procesos erosivos que se generan en la parte alta de estas microcuencas y los aportes directos de aguas residuales del municipio al río por parte de colectores que no tienen una conexión a la planta San Fernando. Es importante anotar, que aún en el escenario más optimista “e12” se conserva la misma tendencia en el incremento de los sólidos suspendidos totales. Para el kilómetro 23, aproximadamente, donde se presenta la descarga de la planta de tratamiento de aguas residuales San Fernando, se percibe un descenso en la concentración de este parámetro a medida que se supone la descarga con menor concentración, es decir, para el escenario 1 (e1) queda muy similar a las condiciones actuales suponiendo la PTAR 70/70, mientras que para los escenarios 7 y 12 (e7 y e12) se evidencia la reducción dado que se supone para el primero la descarga del efluente 50/50 y 30/30, respectivamente. Continuando con el análisis, es importante notar el incremento de los sólidos suspendidos totales aproximadamente a los 29 km, lo cual es la respuesta de la entrada de tributarios como las quebradas Altavista, La Picacha y La Hueso, que son microcuencas aportantes de sólidos no sólo por procesos erosivos naturales e inducidos por el mal uso del suelo, sino porque en ellas se desarrollan actividades de extracción de materiales para la construcción. En el kilómetro 33 para los escenarios futuros (e1, e7 y e12) se resalta la reducción en la concentración de sólidos, lo cual obedece al supuesto de que los interceptores no estarán descargando directamente al río Aburrá – Medellín, sino que estarán conectados a la PTAR

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Bello que se encontraría operando, razón por la cual en el escenario actual (e0) no se observa dicho comportamiento. Dentro del perfil de sólidos suspendidos totales (Figura 23) el incremento más significativo se presenta aproximadamente a los 39 km, lo cual es coherente con el ingreso de quebradas afluentes al río aproximadamente a partir de los 34 km, las cuales se destacan por ser receptoras de aguas residuales domésticas, de residuos sólidos y especiales, además de ser microcuencas altamente intervenidas para el desarrollo de actividades mineras y de extracción de material de playa como es el caso de la quebrada El Hato y La García. Al igual que la DBO5, la concentración de sólidos suspendidos totales exhibe una reducción sustancial a partir de los 60 km como resultado del efecto de dilución generado por la descarga de aguas turbinadas de la Central Hidroeléctrica Tasajera. Finalmente, a partir del kilómetro 65 los sólidos suspendidos totales permanecen muy constantes en todos los escenarios, sin cambios bruscos, evidenciándose una leve reducción aproximadamente en el kilómetro 99, como resultado la confluencia de Río Grande que genera un efecto de dilución a la altura de la estación Puente Gabino.

Figura 24. Perfil de oxígeno disuelto en el río para cada uno de los escenarios propuestos por los objetivos de calidad

De la Figura 24 se nota que el oxígeno se conserva hasta el kilómetro 15 en Ancón Sur, a pesar de los vertimientos del municipio de Caldas, pero gracias de la pendiente que hasta este punto trae el río, en adelante se nota una caída hasta la descarga de San Fernando y un repunte del oxígeno hasta la descarga de los interceptores a la altura de la estación Caribe del

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metro en el kilómetro 33, en adelante el oxígeno sufre una dramática caída debido al aumento de la carga que no permite una re-oxigenación a pesar de la pendiente que en este punto sigue siendo importante, entre el kilómetro 33 y 60 se nota el tramo más crítico en lo que tiene que ver con el oxígeno, lo cual es consecuente con el comportamiento de la DBO5 y sólidos, además del conocimiento que de antemano se tiene de la zona. Se resalta el hecho de que a pesar del mejoramiento de saneamiento en quebradas programado para los escenarios e4, e8 y e12 (con 60% en todas las quebradas) no se nota un alivio importante para los valores futuros del oxígeno en el tramo más crítico, no obstante, el oxígeno es una variable dinámica que interacciona con absolutamente todos los parámetros en la columna de agua, dicha complejidad hace que la predicción del modelo necesite una base de información relacionada con máximo detalle de las interacciones de calidad, cantidad e hidráulica en la columna de agua, por lo cual será necesario ahondar en el conocimiento y recolección de datos en esta zona del río; por otra parte se tiene un saneamiento máximo del 60% en todas las quebradas que por este punto de la ciudad pasan a diario, lo cual significa una carga remanente importante que por estar acumulada en este tramo genera un impacto en la dinámica de los procesos biológicos y a su vez en el oxígeno presente, pues es claro de la teoría que la concentración de sustrato o materia orgánica tiene un punto óptimo por encima del cual las bacterias comienzan a inhibir su crecimiento y consumo.

Figura 25. Perfil de conductividad en el río para cada uno de los escenarios propuestos por los objetivos de calidad

En la Figura 25 se muestra la evolución de los escenarios de calidad propuestos, que en cuanto a la conductividad tienen que ver con el río Aburrá – Medellín. Es de resaltarse que los escenarios e0, e13 y e14 obtienen los resultados más altos en todo el río, dichos resultados muestran el aumento sostenido que se da desde la estación Ancón Sur hasta el kilómetro 65 cerca al parque de las aguas, en donde la dilución de las aguas de tasajera generan la caída

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que se puede observar de la figura; resultados provocados en su gran mayoría por los vertimientos domésticos de la ciudad y que aún no son colectados hacia una planta o sistema para ello; también es importante resaltar que la conductividad es un parámetro dinámico en el tiempo con picos diferentes para cada estación dependiendo la hora del día y muy relacionado con la actividad humana en la ciudad. Por otra parte, se deduce de la figura que los esfuerzos por mejorar el saneamiento en las quebradas como los casos de algunos escenarios (hasta un 60% en todas las quebradas) no genera grandes cambios en la conductividad futura del río; es posible que el modelo no represente efectivamente el comportamiento de dicha variable, por lo cual deberá ahondarse en el análisis de otros parámetros como la DBO5 o los sólidos de los cuales ya se ha hablado. •

Conclusiones acerca de los escenarios de calidad simulados para el río Aburrá Medellín

Al evaluar los perfiles simulados para cada escenario se encuentra que los efectos sobre el oxígeno disuelto no son muy importantes (incrementos del valor crítico para los escenarios uno al doce y para el escenario trece). Sin embargo, la reducción en la concentración de DBO5 es más notable (con una reducción del pico ubicado entre los kilómetros 50 y 70), para los escenarios uno al doce, sin mejoras para los escenarios trece y catorce. En términos de sólidos suspendidos y nitrógeno orgánico, algunas de las alternativas de saneamiento permiten alcanzar reducciones importantes. Los escenarios uno al doce presentan buenas reducciones y algunos casos, son equivalentes entre sí, mientras que el escenario trece es el más desfavorable. Llama la atención, que tanto en términos de DBO5 como de SST entre los kilómetros 29 y 55 se presentan las condiciones más críticas, lo cual tiene relación con el ingreso de quebradas como La Hueso, La Iguaná, Santa Elena, La Rosa, La Madera, El Hato, La García, La Señorita y La Seca, entre otras, que pese a las remociones de carga supuestas en los escenarios e1, e7 y e12, aún continúan presentando concentraciones altas principalmente de SST, lo que evidencia que a pesar de los esfuerzos que se realicen en obras de recolección de aguas residuales, es primordial iniciar simultáneamente acciones encaminadas a la educación y cultura ambiental, el adecuado manejo de las areneras, canteras y una explotación minera ordenada, además de las obras de prevención y mitigación de la erosión y un uso del suelo planificado. En términos de sólidos suspendidos y nitrógeno orgánico, algunas de las alternativas de saneamiento permiten alcanzar reducciones importantes. Los escenarios uno al doce presentan buenas reducciones y algunos casos, son equivalentes entre sí, mientras que los escenarios trece y catorce son los más desfavorables.

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REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Camacho y Díaz (2003). Metodología para la obtención de un modelo predictivo de transporte de solutos y calidad del agua en ríos - caso río Bogotá, Seminario Internacional La Hidroinformática en la Gestión Integrada de los Recursos Hídricos, Universidad del Valle/Instituto Cinara. Rientjes y Boekelman (1998). Hydrological models. Section of Hydrology and Ecology, Delft University of Technology, TU Delft, CT443. Chapra y Pelletier. QUAL2K: A Modeling Framework for Simulating River and Stream Water Quality. Chapra, Pelletier y Tao (2007). QUAL2Kw: A Modeling Framework for Simulating River and Stream Water Quality.

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ANEXO

Archivos digitales resultados de la calibración y escenarios de modelación en formato del modelo Qual2K: Anexo 1: Archivos *.q2k

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