CIENCIAS NUCLEARES
Modelación de la calidad del agua en el segmento medio del río Luyanó
Modeling water quality in the middle segment of the Luyano river
Lino Valcárcel
Rojas1, Jorge Borroto Portela2, Nancy Alberro Macías1, José Griffith
Martínez3, Milagros Derivet Zarzabal3, Pedro Flores Juan3, Jaime Cuesta
Borges3, Maydel Rodríguez González1, Zahilys Herrero1, Anel Rodríguez
Garcez2, Judith Domínguez Catasus2
1Centro de Aplicaciones
Tecnológicas y Desarrollo Nuclear (CEADEN)
Calle 30, No 502 e/ 5ta y 7ma, Miramar, Ciudad de La Habana, Cuba
2 Instituto Superior de Tecnologías y Ciencias Aplicadas (InSTEC)
3 Instituto Cubano de Investigaciones Azucareras (ICINAZ)
lino@ceaden.edu.cu
RESUMEN
Se presentó
la metodología seguida para la modelación de tres parámetros
que caracterizan la calidad del agua: demanda bioquímica de oxígeno,
oxígeno disuelto y amonio en un tramo del río Luyanó, empleando
el software RIOSep® v.2.0. Durante el trabajo se combinaron acertadamente
las técnicas de radiotrazadores para estimar los parámetros hidrodinámicos
de la corriente del río con las técnicas de análisis fisicoquímico
para determinar sus parámetros básicos. El levantamiento de los
parámetros hidrodinámicos en la corriente se realizó con
el empleo del .
Simultáneamente con la determinación de caudales se muestreó
en cinco estaciones en el cauce principal y dos tributarios, para determinar
los parámetros físico-químicos de interés. Como
resultado se obtuvo un modelo que describe en más del 90% el comportamiento
de la demanda bioquímica de oxígeno y del oxígeno disuelto
y en más del 65% el comportamiento del amonio, por lo que caracteriza
adecuadamente los procesos de autodepuración y el balance de oxígeno
en las aguas del río.
ABSTRACT
The methodology
for the modelling of three parameters that characterize water quality: biochemical
oxygen demand, dissolved oxygen and ammonium in a Luyanó river stretch
using the RIOSep ® v.2.0 software. The procedure combined the use of radiotracer
techniques for estimating the hydrodynamic parameters of the stream with physicochemical
techniques to determine its basic parameters. The survey of hydrodynamic parameters
in the stream was conducted with the use of
as a radiotracer. Simultaneously with flow determination, water was sampled
at five stations in the main channel and two tributaries, in order to determine
the physical and chemical parameters of interest. The result was a model that
describes accurately the biochemical oxygen demand and dissolved oxygen behaviour
(more than 90%), and showed a good result for ammonium, so it adequately characterizes
the purification and oxygen balance processes in water.
Key words: simulation, water quality, tracer techniques, physical chemistry, purification
INTRODUCCIÓN
El río Luyanó
se identifica como una corriente superficial en las Alturas de Vista Alegre.
Desde su nacimiento colecta aguas residuales domésticas y en su cuenca
se han inventariado numerosas fuentes contaminantes. A partir de su unión
con el río Hondo atraviesa zonas densamente pobladas, mostrando una degradación
notable de la calidad de sus aguas, con ausencia marcada de flora y fauna, condición
que mantiene hasta su desembocadura en la bahía de La Habana
[1].
La modelación
matemática de un río es muy importante cuando se diseñan
las estrategias para la recuperación de ecosistemas afectados. Los modelos
permiten simular condiciones actuales y futuras, de manera que es posible simular
escenarios (especialmente con condiciones desfavorables) los cuales ayudan a
anticipar las variaciones que sufrirán los diversos parámetros
de calidad de aguas en el cuerpo acuático en estudio [2, 3].
Un modelo que intente
simular la calidad del agua de un río debe ser capaz de representar adecuadamente
los fenómenos físicos, químicos y biológicos que
ocurren en él. Esto es una tarea bien difícil y el problema suele
simplificarse, representando la calidad del agua a través de uno o dos
parámetros, como es el caso del modelo de oxígeno de Streeter
y Phelps que solo simula la materia orgánica (DBO5) y el oxígeno
disuelto (OD) [4].
El objetivo del
trabajo fue obtener un modelo que permita conocer comportamiento del OD, la
DBO y el amonio en un segmento del río Luyanó.
Materiales y
Métodos
Para obtener un
modelo de calidad del agua se siguió la «Metodología para
la Evaluación y Planificación de Estrategias de Saneamiento de
Ríos empleando el Modelo Expandido de Streeter & Phelps» propuesta
por [5].
La metodología considera tres aspectos fundamentales que tributan con igual importancia a la obtención del modelo:
1. definición
del modelo conceptual o físico que describe al sistema y garantiza la
validez de la hipótesis de cálculo del modelo,
2. determinación de los parámetros y variables del modelo y los
parámetros hidromorfológicos válidos para cada tramo definido
en el modelo conceptual y,
3. determinación de las constantes que describen el proceso de autodepuración.
Modelo conceptual
Se seleccionó
en el río Luyanó el segmento comprendido entre el Puente de la
Viga hasta la confluencia del arroyo Pastrana, ver figura 1. La ubicación
y definición de las fuentes puntuales de DBO, OD y
se realizó con la ayuda de imágenes de Google Earth y la inspección
visual. Se identificaron tres fuentes puntuales significativas: el arroyo Luyanó
que confluye con el río Hondo a la altura del Km 3,558, el Colector Marginal
que recolecta las aguas residuales albañales del Reparto Juanelo y descarga
sus aguas a la altura del Km 2,350 y el arroyo Pastrana (Km 1,850). Este último
no se incluyó en el modelo pues hasta escasos metros aguas abajo de ese
punto llega la influencia de la marea y salinidad, y el río no satisface
la hipótesis de transporte unidimensional.Para satisfacer la hipótesis
de régimen estacionario para el modelo de Streeter & Phels modificado,
el segmento se dividió en tres tramos cuidando que no existiera más
de una fuente puntual o dispersa por cada uno, ni cambios bruscos en la morfología
de la corriente. Adicionalmente, la inspección visual recomendó
la inclusión de una descarga dispersa uniforme de DBOC y
,
ya que en las márgenes del segmento se asienta una población de
aproximadamente 3200 personas que generan drenes los cuales fluyen hacia el
cauce del río.
Para la modelación
se seleccionó el período comprendido entre la segunda quincena
de marzo y la primera de abril del 2009, para realizar tres campañas
los días 24 y 31 de marzo y 14 de abril. El muestreo de las aguas para
determinar los parámetros físicoquímicos de calidad se
simultaneó con las determinaciones de caudal y velocidad.
Red de estaciones
de aforo y muestreo
Se estableció
una red de siete estaciones de aforo y muestreo: dos ubicadas en los tributarios
principales del segmento, una en el cauce principal del río Hondo y cuatro
en el cauce principal del río Luyanó. Estas estaciones se utilizaron
para medir los índices hidrodinámicos, morfológicos y de
calidad de las aguas en el cauce principal, así como las cargas en términos
de OD, DBOC y DBON (expresada como )
de los tributarios introducidas al modelo
Determinación de parámetros hidrodinámicos y morfológicos
El levantamiento
de todos los parámetros hidrodinámicos en la corriente se realizó
con el empleo del
como radiotrazador por su probada efectividad en estudios del transporte en
aguas superficiales y residuales [6].
Para determinar
los tiempos de tránsito y velocidades en el cauce principal de los ríos
Hondo y Luyanó se obtuvieron las DTR al final de cada tramo tras una
inyección instantánea ( -Dirac)
del radiotrazador en las estaciones iniciales de cada tramo.
Los caudales se
estimaron según la metodología descrita en la norma ISO 555/3-1982
[7] para medir flujos en canales abiertos por el método de inyección
a velocidad constante usando radiotrazadores.
El caudal de los
tributarios se determinó: para el arroyo Luyanó, como la diferencia
entre los caudales determinados en las estación
y
;
para el colector marginal, según el procedimiento descrito en la norma
británica [8]; para medir el flujo en canales abiertos por el método
de velocidad-área con un correntímetro (Z6 - Seba Hydrometrie,
Alemania).
El ancho promedio
de los tramos se estimó utilizando imágenes de Google Earth y
mediciones in situ con una cinta métrica. El área de la sección
transversal promedio en los tramos se calculó como
de parámetros
fisicoquímicos
Muestreo y determinación
Simultáneamente con la determinación de caudales se muestreó
en las cinco estaciones y los dos tributarios, tratando de seguir la misma masa
de agua que contenía el trazador en su recorrido hacia la rada habanera,
y considerando los tiempos de tránsito en cada tramo determinados con
trazadores. Cada muestreo se realizó antes de la entrada de la fuente
puntual considerada en cada segmento del modelo conceptual, de manera que:
donde
(mg/L) es la
, la
o el
,
(mg/L) es la concentración del índice de calidad en la descarga
puntual incorporada,
(
)
es el caudal de la descarga puntual,
(
),
es el caudal del río y
(mg/L),
es la concentración del índice de calidad en la posición
,
al final del segmento anterior, justo antes de la entrada de la descarga.
Los parámetros
fisicoquímicos determinados para la modelación fueron: in situ,
la temperatura (°C) y el OD (mg/L), empleando una sonda multiparamétrica,
y en el laboratorio, la (mg/L)
y el contenido de
(mg/L),
empleando un espectrofotómetro Shimadzu con kits reactivo.
Resultados y
discusión
La tabla 1 resume los parámetros hidrodinámicos y morfológicos estimados para los tres tramos y las siete estaciones del segmento.
En la tabla 2 se presentan los valores y el promedio de los parámetros fisicoquímicos en cada una de las estaciones y tributarios.
Calibración
del modelo
Como aproximación
para estimar la demanda de oxígeno de los sedimentos (DOS) en el tramo
2 se asumió que los coeficientes cinéticos del modelo se determinan
con suficiente nivel de confianza para definir su valor DOS = 16,0 g/·día
por ajuste de los datos experimentales al modelo teórico.
Según los
datos de población presentados por el Centro Nacional para la Promoción
de la Salud en Ciudad de La Habana, en su informe «Estrategia educativa
de saneamiento ambiental del río Luyanó» se estimaron descargas
dispersas uniformes de 93 kg/día·km de DBOC y de 5 kg/día·km
de DBON ().
Según Chapra [9], las constantes de remoción se determinan gráficamente como las pendientes de las rectas:
y
asumen valores
de 0,54
y 0,32
para el tramo 2, respectivamente. En los tramos 1 y 3 las constantes se mantuvieron
en los valores: Kr = 0,9
y 0,01
,
respectivamente.
Las constantes
de desoxigenación por la DBOC y DBON en los tramos se asumieron con valores
iguales a las constantes de remoción. Las constantes de reaireación
(Ka) para los tres tramos se calcularon según O'Connor & Dobbins
[10].
En la tabla 3 se presentan los parámetros introducidos para la simulación y en la tabla 4 los parámetros de las fuentes puntales y dispersas.
Para el ajuste del modelo se utilizó el software RiosEP® v2.0. En las figuras 2, 3 y 4 se presentan los ajustes al modelo de calidad del agua de Streeter & Phelps expandido.
La DBOC (expresada
en términos de
o
)
se incrementa escalonadamente a lo largo de todo el segmento, ya que las aguas
(ver las constantes de remoción y los tiempos de tránsito) no
pueden asimilar la carga que se incorpora a través de los dos tributarios
(el arroyo Luyanó y el Colector Marginal). Tampoco pueden asimilar la
carga de DBON (expresada en términos de
),
ya que los procesos de denitrificación sólo se inician una vez
«concluida» la remoción de la DBOC y para muy bajas concentraciones
de oxígeno. Igualmente se observa un incremento escalonado de este parámetro
en el tránsito de las aguas hacia el estuario del río y la bahía
de La Habana.
Ambos procesos
provocan una disminución del oxígeno disuelto en las aguas llegando
a condiciones prácticamente anaerobias (< 2,0 mg/L) al final del tramo
2. Posteriormente el río experimenta una «aparente» y muy
ligera recuperación; sin embargo, existen evidencias de que después
de la estación del puente de la Calle López, nuevamente se deteriora
producto de la entrada del arroyo Pastrana y sus aguas alcanzan el estuario
donde se modifica su patrón de flujo unidimensional por la influencia
de la marea.
Ello se corrobora
por las mediciones realizadas en una estación en el puente de Vía
Blanca, situada en la zona estuarina del río y que reporta índices
de calidad promedios en período de estiaje de: 9,25 mg/L de ,
9,30 mg/L de
y
2,05 mg/L de OD.
Conclusiones
Se calibró
la calidad del agua con el modelo expandido de Streeter & Phelps para un
segmento de 2,205 km del río Luyanó, comprendido entre el Km 3,829
en el río Hondo y el Km 1,624, antes de la afluencia del arroyo Pastrana.
Este modelo describe en más de 90% el comportamiento de la DBOC (en términos
de )
y del OD, y en más de 65% el comportamiento de la DBON (en términos
de
),
por lo que caracteriza adecuadamente los procesos de autodepuración y
el balance de oxígeno en las aguas. El ajuste de este modelo se realizó
con el software RIOSep® v.2.0 de factura nacional y combinó acertadamente
el empleo de las técnicas de radiotrazadores para estimar los parámetros
hidrodinámicos de la corriente con las técnicas de análisis
fisicoquímico de sus parámetros básicos.
Aunque el modelo
no se ha validado bajo otras condiciones de flujo, se considera que en las condiciones
actuales constituye una herramienta muy útil para alimentar el modelo
de calidad del agua en el segmento del estuario del río.
Agradecimientos Agradecemos el apoyo brindado por el OIEA, a través del
proyecto ARCAL RLA 1010 mediante la donación de equipamiento y participación
en actividades de capacitación para el desarrollo de esta investigación.
Referencias
Bibliográficas
[1] Grupo de Trabajo
Estatal para el saneamiento, conservación y desarrollo de la Bahía
de la Habana (GTE) en la República de Cuba. Estudio del desarrollo del
alcantarillado y el drenaje pluvial en la cuenca tributaria de la Bahía
de la Habana en la Republica de Cuba. Informe de Progreso. 2002.
[2] Salazar Arias A. Simulación del contenido de oxígeno disuelto
y demanda bioquímica de oxígeno en el Río Medellín.
Revista AINSA. 1981; 1(1): 49-64.
[3] Domínguez J, Borroto J, Hernández A, Pérez E. Empleo
de trazadores en la obtención de modelos de calidad de agua en el río
Almendares. Nucleus. 2003; (34): 20-27.
[4] Domínguez J. Modelación de la calidad del agua del río
Almendares. Tesis para optar por el grado de Doctor
en Ciencias Técnicas. La Habana: InSTEC, 2005.
[5] Borroto J. Comportamiento del 99mTc como radiotrazador en aguas superficiales
y residuales. Tesis para optar por el grado de Doctor en Ciencias Químicas.
La Habana: InSTEC, 2003.
[6] ISO 555/3-1982: Liquid flow measurement in open channels – Dilution
methods for measurement of steady
flow – Part 3: Constant-rate injection method and integration using radioactive
tracers.
[7] BS 3680-1979: British Standard Method of measurement of liquid flow in open
channels – Measurement of flow by velocity-area methods.
[8] Chapra SC. Water Quality Modelling. New York: McGraw Hill, 1997. p. 502,
[9] O'Connor DJ, Dobbins A. Simplified Mathematical Modeling of Water Quality.
Washington. D.C: Environmental Protection Agency, 1971.
Recibido:
17 de febrero del 2010
Aceptado: 13 de mayo del 2010