calidad agua rio cauca

Seminario Internacional La Hidroinformtica en la Gestin Integrada de los Recursos Hdricos

/$ 02'(/$&,21 0$7(0$7,&$ (1 (/ (678',2 '( &$/,'$' '(/ $*8$ '(/ 5,2 &$8&$ $17(&('(17(6 < 3(563(&7,9$6

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3$/$%5$6 &/$9(6 Calidad de Agua, Modelos de Simulacin, Ro Cauca. ,1752'8&&,21 El Ro Cauca es la segunda arteria fluvial ms importante de Colombia. Tiene una longitud de 1350 km y drena una cuenca de 63300 km2. En la cuenca habitan ms de 10 millones de personas que representan aproximadamente el 25% de la poblacin colombiana. El valle geogrfico del Ro Cauca, ubicado en la cuenca alta, es especialmente importante para el desarrollo y la economa del pas. En esta zona, se localiza una parte importante de la industria manufacturera del sur occidente, la agroindustria del azcar de caa y parte de la zona cafetera. Este estudio se focaliza en el tramo del Ro Cauca que se encuentra en el valle geogrfico, el cual se extiende desde el embalse de Salvajina hasta el municipio de La Virginia (Figura 1). En esta zona, especialmente en el tramo cercano a la ciudad de Cali, se presentan los mayores problemas de calidad del agua del ro. La principal autoridad ambiental en el valle geogrfico es la Corporacin Autnoma Regional del Valle del Cauca (CVC), quien viene trabajando junto con la Universidad del Valle y otras instituciones del sector en el control de la contaminacin. La normatividad y dems estrategias de control, han estado asociadas con el conocimiento del comportamiento del ro, de las descargas contaminantes y los niveles de calidad esperados de acuerdo con los usos del recurso hdrico. Teniendo en cuenta el nmero de variables involucradas en este tipo de decisiones y las interrelaciones complejas entre estas variables, se ha estado usando la modelacin matemtica como una herramienta de planeacin y control. &$5$&7(5,67,&$6'(/5,2&$8&$(1689$//(*(2*5$),&2 &DUDFWHUtVWLFDV +LGUiXOLFDV \ 0RUIROyJLFDV El Ro Cauca recorre 445 km en su valle geogrfico y desciende desde una altura de 1000 metros hasta los 900 metros sobre el nivel del mar. Este tramo del ro presenta un ancho medio de 105 metros, el cual a banca llena puede fluctuar desde 80 metros en la parte alta del cauce (Salvajina La Balsa) hasta 150 metros en la parte baja (Anacaro La Virginia). La profundidad a banca llena puede variar entre 3.5 y 8.0 metros. El perfil longitudinal del ro presenta una forma cncava con pendiente hidrulica que oscila entre

Universidad del Valle/Instituto Cinara

Vlez, C. HW DO 107


7x10-4 m/m (Salvajina-La Balsa) y 1.5x10-4 m/m (Mediacanoa-Anacaro). El coeficiente promedio de rugosidad de Chezy es de 47 m1/2/s (Ramrez HW DO 2001).RISARALDARo Risaralda

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Figura 1. Cuenca de drenaje del valle geogrfico del Ro Cauca. &DUDFWHUtVWLFDV GH OD &DOLGDG GHO $JXD El Ro Cauca ha sido usado para: pesca, recreacin, generacin de energa, extraccin de materiales del lecho y el agua es captada para consumo humano, riego y para la industria. Tambin se usa como fuente receptora de residuos slidos y vertimientos de aguas residuales industriales y domesticas lo cual ha ocasionado el deterioro de la calidad del agua. Los primeros estudios sobre el problema de la contaminacin del Ro Cauca fueron desarrollados entre 1963 y 1964 por la Universidad de Tulane de USA y la Universidad del Valle, con el apoyo de la CVC y de las Empresas Municipales de Cali (EMCALI). El estudio incluy el tramo de 140 km comprendido entre Paso de la Bolsa y el Puente de Mediacanoa. El perfil de Oxgeno Disuelto (OD) disminuy desde 6.5 mg/l en Paso de la Bolsa hasta 2.2 mg/l en Vijes, para una condicin de verano con un caudal en Juanchito de 146 m3/s. El estudio tambin identific una importante demanda bntica entre la desembocadura del Ro Cali y Mediacanoa que interfiri en los resultados de la tasa de degradacin (k1) y de reaireacin (k2) por esta razn se recomendaron estudios mas detallados de estos procesos (Donaldson HW DO, 1964). En 1967 el profesor Cubillos de la Universidad del Valle realiz un estudio de la contaminacin del Ro y encontr un deterioro creciente de la calidad del agua. En 1969 la CVC y la Universidad del Valle confirmaron esta condicin al realizar una evaluacin entre la desembocadura del Ro Claro y la Virginia y comparar los resultados con el estudio de 1963. El perfil de OD observado en 1969 descenda hasta 1.0 mg/l entre el ro Guachal y Mediacanoa (caudal en Juanchito: 121 m3/s). En el ao 1963 solo se registro un dato de 0.0 mg/l mientras que en 1969 se encontraron 7 muestras con 0.0 mg/l de OD distribuidas entre las estaciones antes del Ro Guachal y

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Vlez, C. HW DO 108


Mediacanoa. La mxima Demanda Bioqumica de Oxigeno (DBO5) en 1963 fue de 3.5 mg/l en Paso de la Torre mientras que en 1969 aument a 10.2 mg/l en Puerto Isaac. (Arias y Santamara, 1971). En 1975 la CVC desarroll el proyecto Reglamentacin y Control de la Contaminacin del Ro Cauca con la asesora de la Organizacin Panamericana de la Salud (OPS). Este estudio se realiz para el sector Salvajina - la Virginia y se utiliz el modelo de simulacin SIMOX que permiti establecer los requerimientos de agua de dilucin para mantener el OD por encima del nivel mnimo requerido. Para esto se evalu la posibilidad de utilizar el agua del Embalse de Salvajina y las inversiones en tratamientos de aguas residuales a realizar por los sectores aportantes de carga contaminante (CVC, 1975). La reglamentacin propuesta en 1975 se convirti en el Acuerdo 014 de 1976, el cual fue pionero en Colombia y sent las pautas para la formulacin de la reglamentacin nacional presentada en el Cdigo Sanitario Nacional de 1979 y en la norma reglamentaria en cuanto al uso del agua y vertimientos, fijados mediante el Decreto 1594 de 1984. A partir de 1980 la CVC inici el programa de seguimiento o monitoreo sistemtico fijando puntos de muestreo en 19 estaciones ubicadas a lo largo del Ro. En 1985 se pone en funcionamiento el embalse de Salvajina, el cual modific el flujo natural y por consiguiente los regmenes de caudales y las caractersticas de la calidad del agua del ro. La CVC a travs de un convenio de cooperacin con la Universidad del Valle desarroll el proyecto denominado Modelacin del Ro Cauca (PMC). El estudio incluy la sistematizacin y anlisis de la informacin de calidad de agua, utilizando mediciones de la CVC del perodo 1985 - 2000. Entre los resultados de la caracterizacin se destaca el anlisis de la variacin espacial y temporal de la calidad del agua. Uno de los parmetros crticos analizados fue el OD, para el cual se presentan los perfiles desde Salvajina hasta la Virginia (Figura 2).84 A FE4 BC@9 87 !2 3 G 6 D A 5 4 6 6 5 4 3Hormiguero Juanchito Mediacanoa 1985 - 1990 1991 - 1995 1996 - 1999 250 300 350 400 450 0 50 100 150 200 1985 - 1990 1991 - 1995 1996 - 1999

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Figura 2. Variacin del Oxgeno Disuelto en el Ro Cauca. (Galvis HW DO, 2001). En la Figura 2, de acuerdo con el nivel de OD, se pueden distinguir tres tramos en el ro: 1) Salvajina Hormiguero donde la concentracin promedio de OD se encuentra cerca del oxgeno de saturacin (7.4 mg/l); 2) Hormiguero Mediacanoa corresponde a la zona de descomposicin activa por ser la zona que recibe las mayores descargas contaminantes, especialmente de la ciudad de Cali y las zonas industriales de Yumbo y Palmira. Aqu se presentan diferencias significativas en el OD en invierno y verano. Esta zona es crtica en verano por que se registran en promedio valores de OD de 0.5 mg/l. 3). Mediacanoa La Virginia es denominada la zona de recuperacin donde el nivel de OD se incrementa lentamente sin llegar a superar el nivel mnimo exigido (5.2 mg/l) para conservacin de fauna y flora segn el Decreto 1594 de 1984 (Galvis HW DO, 2001). Para el periodo 1996-1999 los parmetros que alcanzan niveles crticos y superan los lmites establecidos en el Decreto 1594/84 son: el OD que limita el uso del agua para recreacin y preservacin de fauna y flora. Los Coliformes Fecales y Totales, el Color, la Turbiedad, el Cadmio, el Plomo y el Cromo que alcanzan niveles que limitan el uso del recurso como fuente para abastecimiento de agua de consumo humano e incrementan el costo deUniversidad del Valle/Instituto Cinara Vlez, C. HW DO 109

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su tratamiento. El Hierro, Manganeso, Nquel y Cobre tambin sobrepasan los lmites establecidos en el Decreto 1594 y limitan el uso en actividades agrcolas. (Galvis HW DO, 2001). Estudios recientes demostraron que el proceso de nitrificacin en el Ro Cauca no tiene un efecto significativo en el balance de oxgeno disuelto. Se encontraron concentraciones de nitrosomonas del orden de: 15 x 101 UFC/ml en Paso de la Bolsa, 15 x 104 UFC/ml en Paso de la Torre y 33 x 101 UFC/ml en Mediacanoa. Para que el proceso sea importante en el ro deberan existir niveles por encima de 106 UFC (Salazar, 1984) Entre Salvajina y la Virginia existen 40 ros tributarios de pendiente fuerte y crecientes considerables de corta duracin. A travs de estos tributarios el Ro Cauca recibe el 59% de la carga total de materia orgnica vertida (145 ton/d DBO5 en 1999). Los tributarios ms crticos en trminos de la carga de DBO5 vertida en su orden son: Tula, Guachal, La Paila, La Vieja, Palo y Cali. La ciudad de Cali con una poblacin estimada de 2.300.000 habitantes aporta directamente al Ro 88 ton/d de DBO5 (en 1999) que equivalen al 36% de la carga total vertida (Galvis HW DO, 2001). En la Foto 1 se muestra la pluma de la descarga de Juanchito que junto con las dems descargas de la ciudad de Cali, la industria del sector de Yumbo y Palmira generan la disminucin critica de los niveles de oxgeno en el tramo Hormiguero Mediacanoa. De acuerdo con los resultados de un estudio preliminar realizado por la CVC y Universidad del Valle la mezcla completa del vertimiento se realiza a 1.4 km del punto de descarga aproximadamente. Foto 1. Descarga de aguas residuales de la ciudad de Cali en el sector Juanchito. 02'(/26 0$7(0$7,&26 (1 (/ (678',2 '( /$ &$/,'$' '(/ $*8$ '(/ 5,2 &$8&$ 0RGHOR GH 3URJUDPDFLyQ /LQHDO Este trabajo fue presentado en 1972 y tuvo como objetivo determinar la mxima carga orgnica permisible y el grado de tratamiento de aguas residuales que debera ser requerido a cada usuario del Ro Cauca (Pea, 1989). El estudio incluy el tramo de 86 km comprendido entre el Paso de la Bolsa y el Paso de la Torre. Utiliz la informacin recopilada por Donaldson en el verano de Julio de 1963. La informacin usada incluy 10 estaciones sobre el Ro Cauca, 6 ros tributarios, las descargas de Cali y de 6 industrias. En este estudio se utiliz un modelo de programacin lineal compuesto por una funcin objetiva que minimiza el costo total de las n plantas de tratamiento de aguas residuales requeridas para mejorar la calidad de agua del Ro Cauca. Se trat entonces de encontrar el grado de remocin de la DBO (; ) que minimizaba el costo de los sistemas de tratamiento (F ). El modelo incluy un conjunto de 20 restricciones de calidad de agua, de capacidad de remocin en los sistemas de tratamientos de aguas residuales y de no negatividad de la eficiencia de remocin. En este modelo se supuso que: los costos de tratamiento de aguas residuales crecen linealmente con el grado de tratamiento para cualquier nivel de flujo, el caudal del Ro es constante en cualquier tramo, las variaciones de caudal ocurren solamente en el origen de un tramo, y la disminucin de la DBO en la corriente receptora se efecta geomtricamente con relacin al tiempo. En la solucin del problema se aplic el modelo matemtico de Deininger (1965). El modelo fue resuelto para dos caudales en la estacin Paso de la Balsa (46.7 y 113.8 m3/s). Entre los principales resultados se encontr que para los lmites ms bajos de polucin (40 y 48 kg-d DBO/m3/s) se requiere obtener el 95 % en la eficiencia de las plantas de tratamiento de aguas residuales y el costo de tratamiento es el ms alto (Figura 3). Tambin se encontr que el costo de tratamiento decrece a medida que el caudal del Ro receptor crece por el efecto de dilucin (Pea 1989).


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500

Figura 3. Costo total del tratamiento de aguas residuales para el ao 1972. (Pea, 1989). Una limitacin de este trabajo fue que en la dcada del 70 no se haba construido ningn sistema de tratamiento de aguas residuales en Colombia. Por esta razn la funcin de costos se bas en costos de sistemas construidos en Estados Unidos e Inglaterra. Otra limitante de este trabajo fue el haber fijado los lmites de calidad en funcin de la materia orgnica medida como DBO5 y no en los niveles de oxgeno disuelto requeridos. 0RGHOR GH 6LPXODFLyQ GH 2[LJHQR 'LVXHOWR 6,02; Despus de los estudios de Donaldson (en 1964), Arias y Santamara (en 1971) y Pea (en 1972) la CVC reconoci que el problema de contaminacin del Ro Cauca no poda tratarse en forma independiente a otros usos. Ms an, cuando una de las soluciones consista en el aumento de caudales en perodos secos, lo cual implicaba sacrificar agua para otros usos como la generacin de energa en el embalse de Salvajina. Teniendo en cuenta la complejidad del problema, se involucr por primera vez el uso de modelos de simulacin para el estudio de la calidad del agua del Ro Cauca. Tambin se utiliz un modelo econmico de programacin lineal para analizar las diferentes alternativas de uso del recurso hdrico: hidroelctrico, abastecimiento, dilucin e irrigacin (CVC, 1975). El modelo de calidad se utiliz para predecir la variacin de la DBO y la concentracin mnima de OD a lo largo del ro entre Salvajina y la Virginia, en el perodo comprendido entre los aos 1975 y 2000. Se utiliz el modelo matemtico denominado Simulacin de Oxgeno Disuelto SIMOX de la OPS, el cual estaba basado en la ecuacin de Streeter Phelps. Este modelo evaluaba el dficit de OD y calculaba el volumen de agua de dilucin requerido para incrementar la concentracin al nivel mnimo permisible. El usuario poda establecer las fuentes de agua de dilucin y su calidad y cantidad. Tambin poda simular plantas de tratamiento especificando un porcentaje de remocin. (CVC, 1975). Las variables de estado del modelo fueron el OD y la DBOu. La tasa de desoxigenacin k1 fue un parmetro de calibracin y la tasa de reaireacin k2 fue estimaba por el modelo usando la ecuacin de OConnor. Tanto k1 como k2 fueron corregidas por temperatura utilizando la expresin de Arrhenius (CVC, 1975). El modelo fue aplicado considerando flujo permanente y uniforme. Una limitante en la calibracin fue que el perfil de OD obtenido por el modelo SIMOX fue mayor que los valores medidos en campo. La justificacin se fundament en que el modelo no inclua la Demanda Qumica de Oxgeno (DQO) ejercida por los vertimientos de las minas y las industrias asentadas en la cuenca (CVC, 1975). Para las aplicaciones con fines de pronstico se consideraron tres alternativas de calidad de agua fijando limites de OD en la zona critica de 0.5, 1.5 y 3.0 mg/l. Estos lmites se fijaron para una ocurrencia de una vez en 10 aos considerando la preservacin de fauna y flora existente. Los escenarios fijaban tambin una poltica de calidad definida, diversos porcentajes de tratamiento y la cantidad de agua de dilucin necesaria, datos que permitieron obtener una combinacin a costo mnimo de plantas de tratamiento y de operacin del embalse de Salvajina. Los resultados obtenidos (Figura 4) sirvieron de soporte tcnico para establecer el reglamento para regular y controlar las descargas de aguas residuales en el Ro Cauca y sus tributarios que posteriormente se convertira en el Acuerdo 014 de 1976 (CVC, 1975).


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Seminario Internacional La Hidroinformtica en la Gestin Integrada de los Recursos Hdricos6 5Nivel Mnimo Acuerdo 014/76 Nivel Proyectado 1985 Nivel Proyectado 2000

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Figura 4. Nivel mnimo de oxgeno propuesto en el Acuerdo 014/76 (CVC, 1975). Aunque el modelo de Streeter - Phelps ha sido una importante herramienta para el anlisis de la calidad del agua de ros, es la ms primitiva aproximacin a la modelacin de calidad (Shanahan HW DO, 2001). El principal problema de este modelo es que considera que todo el efecto de degradacin se realiza en la fase lquida, sin tener en cuenta los procesos de sedimentacin y resuspensin de la materia orgnica (Shanahan HW DO, 2001). Adicionalmente, solo se considera la degradacin de la materia carboncea CDBO y no tiene en cuenta la degradacin de la materia nitrogenada. De esta manera la degradacin es subestimada y el modelo de calidad debe ser ajustado a travs del coeficiente k1 en los procesos de degradacin (Shanahan HW DO 1998). (O %ORTXH 5HFHLYLQJ GHO 0RGHOR 6:00 Este proyecto tuvo su origen en el estudio del tratamiento de aguas residuales para la ciudad de Cali contratado por EMCALI con el Consorcio INGESAM/URS, ejecutado entre 1982 y 1985. En este estudio se aplic el modelo Storm Water Management Model SWMM para simular OD y DBO en el tramo del Ro Cauca comprendido entre Hormiguero y Riofro (Galvis A., 1988). La primera versin del SWMM fue desarrollada en 1971 por la Universidad de Florida, Metcalf and Eddy Inc. y Water Resources Engeneers Inc para la Environmental Protection Agency (EPA). El bloque Receiving del modelo SWWM tena la capacidad de simular de manera continua o por eventos las caractersticas de cantidad y calidad en una corriente receptora de vertimientos. En el caso del Ro Cauca se utiliz la simulacin por eventos. La descripcin del comportamiento hidrodinmico del sistema involucr por primera vez las ecuaciones de movimiento y de continuidad. Los modelos de cantidad y calidad utilizaron la misma representacin unidimensional del ro (Galvis A., 1988). Es de resaltar que en este proyecto se realizaron por primera vez cuatro campaas de muestreo con propsitos de calibracin, dos en verano y dos en invierno en el perodo entre 1983 y 1985. Se registraron datos de caudal y de calidad de agua. Los valores de caudal corresponden a las estaciones limnimtricas de la CVC y en calidad se midieron OD, DBO5, DQO y SST. Se incluyeron mediciones en 14 estaciones sobre el Ro Cauca, 25 Ros o quebradas, los vertimientos de Cali y dos industrias productoras de papel y de la industria liviana del sector AcopiYumbo. Uno de los mayores aportes de esta modelacin fue la esquematizacin y simulacin de las caractersticas hidrulicas del Ro. En este modelo se incluyeron 35 secciones transversales, informacin sobre niveles y velocidades en el ro. Se realiz el balance hdrico en el tramo de estudio ajustando el coeficiente de rugosidad de Manning, las tasas de degradacin k1 y de reaireacin k2. (Galvis A., 1988). La calibracin de las caractersticas hidrulicas del modelo y del OD presentaron un ajuste aceptable, sin embargo los datos de DBO5 correspondientes a las campaas de muestreo no permitieron definir un perfil representativo y por consiguiente no fue posible obtener un buen ajuste de los valores calculados por el modelo. Esta limitacin en la calibracin del modelo, fue atribuida a imprecisiones en los anlisis de este parmetro. Segn Galvis A. (1988) era necesario disponer de hidrogramas y polutogramas principalmente en los vertimientos ms importantes con el fin de mejorar la informacin disponible para la modelacin. La proyeccin del impacto de las descargas contaminantes al Ro Cauca se realiz considerando dos escenarios: (1) el efecto del tratamiento de las aguas residuales y (2) el efecto del embalse de Salvajina en la calidad del aguaUniversidad del Valle/Instituto Cinara Vlez, C. HW DO 112

La Virginia

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4 3 2


del Ro Cauca (Figura 5). Para el primer escenario se analizaron diferentes alternativas de tratamiento para cada una de las principales fuentes de contaminacin en diferentes pocas hasta el ao 2010. Este anlisis permiti estimar que con un 50% de remocin en las industrias papeleras y un 80% de remocin de la DBO vertida por Cali, era factible obtener concentraciones de OD superiores a 0.5 mg/l y dar cumplimiento al Acuerdo 014 de 1976 (CVC, 1975). El segundo escenario permiti observar la importancia del efecto de dilucin del embalse de Salvajina (Galvis A., 1988).60 50

4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5

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Figura 5. Algunos resultados de la aplicacin del SWMM en el Ro (Galvis, 1988). Se destaca en este proyecto el salto importante desde modelar solo aplicando la ecuacin de Streeter - Phelps hasta incluir una modelacin de las caractersticas hidrulicas del ro. El mejoramiento en la modelacin de la hidrulica del ro contribuye a una mejor aproximacin en la simulacin de los procesos de calidad de agua que son afectados por las caractersticas hidrulicas de la corriente. Sin embargo toda la potencialidad del SWMM en la parte hidrodinmica no pudo ser aprovechada por la falta de informacin continua (hidrogramas). De otro lado, los esfuerzo en la modelacin de calidad de agua con el SWMM se enfatizaron en la generacin de polutogramas, en los cuales la concentracin versus tiempo fuera generada para eventos de corta duracin durante un lluvia (Huber, 1992). Esto trajo como consecuencia que el Bloque receiving fuera eliminado en la versin de SWMM de 1981 y por lo tanto el desarrollo del modelo del Ro Cauca en el SWMM perdiera la aplicabilidad rpidamente. Otro factor limitante del modelo fue que a pesar de estar consolidado en la modelacin hidrodinmica el SWMM aun era limitado para simular la relacin de OD y DBO puesto que solo inclua los procesos la degradacin de la materia orgnica carboncea y la reaireacin. /RV 0RGHORV 48$/ \ 48$/( La CVC utiliz en el ao 1992 el QUAL2 y en 1998 el QUAL2E. El primero, fue usado como herramienta de control considerando que los plazos establecidos para la reduccin de las cargas contaminantes establecidas en el Acuerdo 14 de 1976 haban culminado y el segundo fue usado, para estimar el impacto de diferentes opciones para la remocin de la carga vertida por la ciudad de Cali en la calidad del agua del Ro Cauca. QUAL 2E es un modelo unidimensional de la Agencia para la Proteccin del Ambiente (US EPA). Permite simular las descargas de aguas residuales, extracciones de agua, flujos tributarios y pronosticar niveles de agua, caudales y 13 parmetros de calidad del agua, en condiciones de rgimen de flujo permanente, en cauces de pendientes moderadas y descargas permanentes de contaminantes. (Brown and Barnwell, 1987). El modelo utiliza una simplificacin de las ecuaciones de Saint Venant para flujo permanente y gradualmente variado denominada la ecuacin de Manning (Rauch HW DO, 1998). QUAL2E fue especficamente diseado para la ubicacin de las descargas de aguas residuales, de acuerdo con las regulaciones de calidad de agua de Estados Unidos (Shanahan HW DO, 1998). Las modelaciones realizadas por la CVC con el QUAL2E se realizaron en el tramo de 107 km comprendido entre Hormiguero y Mediacanoa. Se incluy la informacin de calidad y cantidad de agua de 9 estaciones de medicin sobre el Ro Cauca, 11 ros tributarios, los 9 principales vertimientos industriales y las descargas de Cali. Una deUniversidad del Valle/Instituto Cinara Vlez, C. HW DO 113

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1990

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las fortalezas de esta modelacin fue el balance hdrico, en el cual se incluyeron por primera vez las 6 principales extracciones de agua que existan en el tramo de estudio. En la modelacin de la calidad del agua se incluyeron: temperatura, OD, DBO5 y SST. La informacin para la modelacin fue recolectada en el verano de Junio de 1998 y se trat de mantener cierto grado de simultaneidad entre la toma de las muestras de los tributarios y del Ro Cauca. La inclusin de los SST por primera vez en la modelacin de calidad de agua se considero un avance significativo, tomando en cuenta la importancia de este parmetro en la planificacin y control de los vertimientos y el cobro de la tasa retributiva por vertimientos. Entre las limitaciones del QUAL2E se resalta el no poder incluir las variaciones temporales de caudales y cargas contaminantes (Shanahan HW DO, 1998). Tales variaciones son ocasionadas por hidroelctricas que causan una significativa variacin diurna en el caudal, escorrenta urbana en alcantarillados combinados durante una lluvia y los efectos de la variacin diurna en efluentes municipales, el efecto de las descargas industriales por tandas o con significativas variaciones de caudal en las jornadas de trabajo. Esta es precisamente la condicin del Ro Ca (O 0RGHOR 0,.( En el ao 2001, la Universidad del Valle en el marco de un convenio de cooperacin con la CVC utiliz el modelo MIKE 11 para simular las caractersticas hidrodinmicas, morfolgicas y de la calidad del agua del Ro Cauca en el tramo de 444.7 km comprendido entre el Embalse de Salvajina y la Virginia (Vlez HW DO, 2001). MIKE 11 es un modelo unidimensional desarrollado por el Danish Hidraulic Institute (DHI). Este modelo tiene la capacidad de simular el flujo, el transporte de sedimentos, los procesos morfolgicos y de calidad del agua, bajo condiciones de flujo no permanente. Dispone de una serie de mdulos integrados: Hidrodinmico, Adveccin Dispersin, Calidad de Agua y Transporte de Sedimentos. El modulo Hidrodinmico es el ncleo del sistema. El modelo hidrodinmico resuelve las ecuaciones integradas de conservacin de la masa y de la cantidad de movimiento, denominadas ecuaciones de Saint Venant que describen el flujo no permanente en canales abiertos (DHI, 1999). En este caso se destaca que por primera vez, para modelar la calidad del agua, se dispone de un modelo calibrado y verificado para condiciones de flujo dinmicas. Este modelo dinmico contribuy significativamente a mejorar la calibracin del modelo de calidad de agua (Vlez HW DO, 2001). En el modelo hidrodinmico se utiliz la informacin continua del ao 1998 correspondiente a 9 estaciones hidromtricas de la CVC. Se incluyeron 62 secciones transversales, 2 fronteras externas Salvajina y La Virginia, 94 fronteras internas entre las que se incluyeron 40 ros y quebradas, 1 laguna, 7 descargas de aguas residuales municipales, 12 descargas industriales y 34 sitios de extracciones de agua. Cada frontera interna se represent como una extraccin o descarga lateral (Vlez HW DO, 2001). La modelacin de calidad de agua se realiz en el Nivel 1 de MIKE 11, el cual incluye como variables de estado la Temperatura, la DBO y el Oxgeno Disuelto. En el caso de la modelacin de la calidad se utiliz informacin puntual tomada por la CVC con propsitos de control en 19 estaciones sobre el Ro Cauca y en 32 ros tributarios, 12 industrias y 4 municipios que descargan directamente sus aguas residuales al Ro Cauca. Debido a que no se dispona de informacin medida en campo o laboratorio de los parmetros de calibracin del modelo de calidad de agua, se utilizaron los rangos sugeridos en la literatura. La calibracin del modelo se realiz a travs de un proceso de ajuste de los parmetros, iniciando con simulaciones bajo condiciones de flujo permanente, primero con el QUAL2E y luego con el MIKE 11 y posteriormente se utilizaron los resultados de los parmetros para calibrar el Mike 11 bajo condiciones de flujo no permanente (Vlez HW DO, 2001). Este estudio contribuy al conocimiento de las caractersticas hidrulicas y de calidad del agua del Ro Cauca. Se destaca la calibracin dinmica de las caractersticas hidrulicas del ro. En cuanto a la calibracin del modelo de calidad de agua se identificaron variaciones espaciales en las tasas de degradacin de la materia orgnica k1 entre 0.2 y 1.2 d-1. La calibracin arroj los mejores resultados cuando se utiliz la ecuacin de OConnor & Dobbins para representar la tasa de reaireacin a lo largo del ro. Como se presenta en la Figura 6, en general se obtuvieron buenos ajuste entre los valores observados y las estimaciones del modelo (Vlez HW DO, 2001).


Vlez, C. HW DO 114


16DBO5 Calculada (MIKE11)

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0

Figura 6. Calibracin del modelo de calidad de agua MIKE 11 (QJuanchito= 258 m3/s). (Vlez HW DO, 2001). Las herramientas del modulo de calidad de agua del MIKE 11 no fueron lo suficientemente aprovechadas por la falta de informacin continua de los parmetros de calidad de agua. Por esta razn no fue posible modelar en niveles superiores factores importantes para ajustar el balance de OD como el proceso de sedimentacin y resuspensin de la materia orgnica o la materia orgnica disuelta, suspendida y depositada de manera independiente, que segn Rauch HW DO (1998) haran la diferencia con respecto a la modelacin utilizando el QUAL2E. Se dice que un modelo est validado cuando todos los datos de entrada y los coeficientes cinticos son independientemente medidos y las simulaciones coinciden con las observaciones en campo. (Canale HW DO, 1995). Teniendo en cuenta que los parmetros de calibracin del modelo de calidad de agua no fueron medidos en campo es fundamental continuar con el proceso de conocimiento del Ro Cauca y optimizacin del modelo matemtico si se desean soportar costosas decisiones para el manejo de este valioso recurso hdrico colombiano. &216,'(5$&,21(6 ),1$/(6 En resumen, la evolucin de la modelacin de la calidad del agua del Ro Cauca, en los ltimos 30 aos ha mostrado un importante avance en el tipo de modelos usados. Se pas de un modelo bsico como el SIMOX a uno ms complejo como el MIKE 11. La modelacin dinmica del flujo ha sido un progreso significativo, sin embargo, todava hay limitaciones substanciales para simular las variables de calidad de agua. Hasta ahora se ha trabajado sobre los contaminantes denominados convencionales, especficamente la relacin materia orgnica carboncea y oxgeno disuelto. La falta de informacin para propsitos de calibracin ha sido un factor comn en la aplicacin de los modelos y un limitante para aprovechar eficientemente los desarrollos de software y hardware en la modelacin de calidad de agua. A pesar de lo anterior los modelos de calidad de agua implementados han sido utilizados como herramientas de planificacin y control. Para las futuras aplicaciones de la modelacin matemtica de la calidad del agua del Ro Cauca se recomienda: Dar continuidad a los procesos de modelacin en el ro, haciendo nfasis en la optimizacin y validacin de los modelos de calidad de agua. Usar la modelacin como herramienta de gestin para la toma de decisiones, pero tambin fomentar el uso como herramienta de investigacin y desarrollo de conocimiento a travs de la cooperacin con universidades y grupos de investigacin. Considerar la modelacin de la calidad del agua en dos dimensiones (2D) en el tramo comprendido entre Hormiguero y Mediacanoa. La modelacin en 2D horizontal facilitar la compresin de los procesos de transporte y transformacin de los contaminantes y la optimizacin de los modelos en 1D desarrollados. Considerar la modelacin simultanea del cauce principal y algunos de los principales tributarios de acuerdo con la carga contaminante como: el Canal Sur y los ros Palo, Cali, Guachal, Tulu, La Vieja y Risaralda. Continuar trabajando en el ajuste y validacin de la modelacin dinmica del balance de oxgeno y los procesos involucrados. Teniendo en cuenta que el principal problema de la calidad del agua del ro Cauca sigue siendo la disminucin del oxgeno disuelto, como consecuencia del vertimiento de aguas residuales domesticas con poco o ningn tratamiento. Para poder realizar este tipo de modelacin se deber entonces invertir primero en el conocimiento del Ro y de los procesos que priman en el deterioro de la calidad del agua:Universidad del Valle/Instituto Cinara Vlez, C. HW DO 115

9)6 50 30 )' % 8 7 4 &21 ( &

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OD Calculado (MIKE 11) OD Medido (En campo)

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- Estudiar el proceso de sedimentacin y resuspensin de la materia orgnica no solo en el cauce principal sino tambin en tributarios como el Guachal que antes de desembocar en el ro Cauca recorren un largo trecho en el valle lo que facilita estos procesos. - Dar continuidad al estudio de la demanda bntica (Baena, 2003 en prensa). - Estudiar el fenmeno de reaireacin y validar el modelo de Oconor y Dobbins para estimacin de la tasa de reaireacin en el ro Cauca. - Realizar estudios detallados del impacto de los procesos de nitrificacin, fotosntesis y respiracin en el balance de OD. - Incluir la modelacin de los SST, puesto que este es uno de los parmetros de control de la legislacin vigente y con ello facilitar la planificacin del recurso y las metas de descontaminacin. - Obtener informacin continua de algunos parmetros de calidad como temperatura, pH, conductividad y OD. Se cuenta con equipos localizados en varias estaciones del Ro Cauca, que han presentado problemas en su operacin por las condiciones de calidad del ro. Es necesario investigar las causas y propender por la adecuacin de estos para disponer de informacin continua tanto en el Ro Cauca como en los principales tributarios. Para concluir, la modelacin de la calidad del agua del Ro Cauca ha sido significativa para el desarrollo de polticas y estrategias de control de contaminacin en la regin y el pas. Es importante reconocer que en la perspectiva de optimizar y validar los modelos de calidad de agua para que se conviertan en una herramienta efectiva es necesario fortalecer los lazos entre las instituciones y sectores que se encuentran en el valle geogrfico del Ro Cauca y de esta manera contribuir a la gestin integral de este valioso recurso hdrico del pas. 5()(5(1&,$6 Baena L., Silva J., Ramrez C. (2003 En prensa). Estudio Experimental y Numrico para la Determinacin de las Constantes Bnticas en el Ro Cauca, Tramo Salvajina La Virginia.. Universidad del Valle. Canale R., Owens E., Auer M., Effler S. (1995). Validation of Water-Quality Model for Seneca River, N.Y.. -RXUQDO RI :DWHU 5HVRXUFHV 3ODQQLQJ DQG 0DQDJHPHQW, May/June 1995. 241-250. Arias. R., Santamara L., -.(1971). Contaminacin de Corrientes - Hoya del Ro Cauca Corporacin Autnoma Regional del Cauca Informe CVC # 71-8. CVC - Corporacin Autnoma Regional del Cauca. (1975). Contaminacin del Ro Cauca Reglamentacin y Control. Informe CVC # 74-17. DHI - Danish Hidraulic Institute. (1999). Mike 11 A Modelling System for Rivers and Channel, Short Description, Guide to Getting Started, Tutorial. Dinamarca. Donaldson J., Dunn L., Macdonald F., Santamara L., Paterson J. (1964). A Study of Pollution and the Natural Purification of the Cauca River Colombia, S.A. Tulane University - USA and Universidad del Valle Colombia. Galvis A., Sabogal L., Vlez C., Ramrez C. (2001). Caracterizacin de la Calidad del Agua del Ro Cauca y sus Tributarios En 6HPLQDULR GH $FWXDOL]DFLyQ *HVWLyQ GH OD &DOLGDG GHO $JXD (VWUDWHJLDV SDUD HO 8VR 6RVWHQLEOH GH ORV 5HFXUVRV +tGULFRV. IHE - Universidad del Valle - CINARA. Galvis Castao A. (1988). Simulacin de la Calidad del Agua del Ro Cauca Calibracin, Verificacin y Aplicacin Universidad del Valle. Huber W. (1992). Storm Water Management Model, Version 4: Users Manual Documento EPA/600/3-88/001 NTIS PB88-236641/AS Linfield B., Barnwell T. (1987). The Enhanced Stream Water Quality Models Qual2E and Qual2E-Uncas: Documentation and User Manual. Documento EPA/600/3-87/007 May 1987. Pea L. (1989). Contaminacin del Ro Cauca un Modelo de Programacin Lineal y una Propuesta de Solucin. 5HYLVWD +HXUtVWLFD. (1). Universidad del Valle. Ramrez C., Ayala C., Bocanegra R. (2001). Modelacin Matemtica del Ro Cauca. En 6HPLQDULR GH $FWXDOL]DFLyQ *HVWLyQ GH OD &DOLGDG GHO $JXD (VWUDWHJLDV SDUD HO 8VR 6RVWHQLEOH GH ORV 5HFXUVRV +tGULFRV. Universidad del Valle. Rauch W., Henze M., Koncsos L., Reichert P., Shanaham L., Vanrolleghem P. (1998). River Water Quality Modelling: I. State of the Art ,$:4 %LHQQLDO ,QWHUQDWLRQDO &RQIHUHQFH, Vancouver, British Columbia, Canada.Universidad del Valle/Instituto Cinara Vlez, C. HW DO 116


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calidad agua rio cauca

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