SIMULACIÓN DE LA CALIDAD DEL AGUA DEL RÍO MANZANARES
UTILIZANDO EL MODELO QUAL2K.
JUAN CARLOS GUIZAO RODRÍGUEZ JHON FERNANDO DÍAZ BOLAÑOS
UNIVERSIDAD DEL MAGDALENA FACULTAD DE INGENIERÍAS
PROGRAMA INGENIERÍA AMBIENTAL Y SANITARIA SANTA MARTA D.T.C.H.
2007
SIMULACIÓN DE LA CALIDAD DEL AGUA DEL RÍO MANZANARES
UTILIZANDO EL MODELO QUAL2K.
JUAN CARLOS GUIZAO RODRÍGUEZ JHON FERNANDO DÍAZ BOLAÑOS
Memoria de grado presentado como requisito para optar al titulo de: INGENIERO AMBIENTAL Y SANITARIO
Director FRANCISCO GARCÍA RENTERÍA, Msc.
UNIVERSIDAD DEL MAGDALENA FACULTAD DE INGENIERÍAS
PROGRAMA INGENIERÍA AMBIENTAL Y SANITARIA SANTA MARTA, D.T.C.H.
2007
A nuestro Dios, quien nos da la sabiduría y ciencia, nuestros padres, hermanas, hermanos y familiares, quienes ofrecieron en el momento indicado y oportuno una voz de aliento, así
como ejemplos de temple, esfuerzo y voluntad; estimulándonos para hacer realidad nuestro sueño de ser
Ingenieros Ambientales y Sanitarios.
AGRADECIMIENTOS
Las autores expresan sus agradecimientos a:
Francisco García Rentaría, Ingeniero Sanitario y candidato a titulo de doctorado
en ingeniería, por sus enseñanzas, apoyo y su orientación en este trabajo.
Jorge Corrales, Ingeniero Hidrogeólogo e ingeniero de METROAGUA S.A., por su
valiosa colaboración.
A nuestros compañeros de Ingeniería Ambiental y Sanitaria por su apoyo y ayuda.
RESUMEN
Un estudio de modelación de calidad de las aguas fue llevado a cabo en el Río
Manzanares, Santa Marta DTCH, utilizando el modelo QUAL2K (Chapra, 2003), a
fin de evaluar las condiciones actuales y futuras de contaminación, y capacidad de
autopurificación de este cuerpo de agua superficial, permitiendo formular
estrategias que restablezcan las condiciones naturales del Río. Actualmente este
registra una baja la calidad del agua debido a que recibe descargas de aguas
residuales domésticas a su paso por la ciudad de Santa Marta e igualmente la
mayoría de sus afluentes tienen un alto grado de contaminación. La calidad del
agua del Río Manzanares tienen (2) dos repercusiones ambientales importantes.
Es la principal fuente de recarga del acuífero de Santa Marta, el cual abastece
aproximadamente el 70% del agua que se utiliza para el consumo humano de esta
ciudad. Y es uno de los afluentes que llegan a la bahía de Santa Marta, sitio de
vocación turística, donde descarga toda la contaminación que recoge a lo largo de
su recorrido.
Un modelo de calidad del agua calibrado y verificado con datos de campo es una
herramienta imprescindible para planear el uso de este recurso hídrico, ya que
permite una visión futurista de lo que serian las condiciones del recurso en el caso
de que aumenten o disminuyan las descargas que afectan las condiciones
normales o cuando se implementan infraestructuras de tratamiento de aguas
residuales que tienen diferentes efectos.
Para la calibración del modelo se desarrollo un programa de muestreo que cubrió
un periodo de seis (6) meses que cobijaron una época seca y otra lluviosa de
acuerdo al régimen climático de esta zona y en la primera parte del año 2006, en
donde se caracterizo el río Manzanares en sus condiciones hidráulicas e
hidrológicas, se identificaron las fuentes de aguas residuales a si como sus
extracciones de agua. Se determinaron parámetros en campo (OD, pH,
conductividad, temperatura) y se tomaron muestras de agua que fueron llevadas a
laboratorio para realizarles análisis de calidad de agua (DBO), en (4) cuatro
estaciones de monitoreo a lo largo del río y en los afluentes más importantes. El
modelo QUAL2K fue calibrado con datos de campo de las estaciones de
monitoreo arrojando resultados con un error relativo de 3.7 % para el caso de el
Oxígeno Disuelto (OD). Los resultados de las simulaciones muestran el deterioro
de las aguas del río Manzanares, observándose en su cuenca baja una limitada
capacidad de autorecuperación de sus aguas, en su parte alta, aguas arriba de la
población de Bonda (KM 0 del tramo simulado), el río presenta aguas limpias, así
como características hidráulicas que proporcionan una buena transferencia de
oxigeno.
ABSTRACT
In this study was realized a water quality modeling of the Manzanares river using
the QUAL2K model (Chapra, 2003), in order to evaluate the current contamination
conditions and the river self purification capacity, allowing to formulate strategies
that aid to reestablish the river natural conditions Actually was found a Low quality
water because it receives domestic wastewaters discharges from Santa Marta city
and most of its tributaries present a high grade contamination. The Manzanares
River water quality have two influences ways on the city; first is the Santa Marta
aquifer main source recharge, which supplies approximately 70% of the water that
is used for the human consume in the city. In second place it ends in Santa Marta's
bay a touristic zone, where the entire contamination gather in the travel is
discharged.
A water quality model calibrated and verified with field data is an indispensable tool
to plan the use of this hydro resource, since it allows a futuristic vision that would
be the resource conditions in case that increases or diminishes the discharges that
affects the normal conditions or when treatment wastewaters infrastructure are
implemented that have different effects.
For the model calibration a sampling program was developed for a period of six (6)
months that covered a rainy and low water period in the 2006 year first period,
where the Manzanares river hydraulic and hydrological conditions were
characterized, the wastewaters sources and water extractions were identified, were
determined Parameters in field (DO, pH, conductivity, temperature) and water
samples were taken and carried out to the laboratory to realize water quality
analysis (BOD), in stations along the river and in the most important tributaries.
The QUAL2K model was calibrated with field data from the monitoring stations
throwing results with a 3.7% relative error for the Dissolved Oxygen (DO) case.
The simulations results show the Manzanares River waters deterioration, being
observed in its low basin a limited self-purification capacity in their waters, in the
high region, upstream from the Bonda population (KM 0 of simulated tract), the
river presents clean waters, as well as hydraulic characteristics that provide a great
oxygen transfer.
TABLA DE CONTENIDO
1. INTRODUCCION............................................................................................15
2. OBJETIVOS ...................................................................................................19
2.1. OBJETIVO GENERAL ...................................................................................19
2.2. OBJETIVO ESPECÍFICOS..............................................................................19
3. MARCO TEÓRICO Y ESTADO DEL ARTE...................................................20
4. METODOLOGÍA................................................................................................23
4.1. ÁREA DE ESTUDIO ..........................................................................................23
4.1.1. Clima.....................................................................................................25
4.1.2. Hidrología.............................................................................................35
4.1.3. Vegetación ...........................................................................................38
4.1.4. Suelos ..................................................................................................39
4.2. MUESTREOS Y ACTIVIDADES DE CAMPO........................................................40
4.2.1. Cuantificación de afluentes, fuentes puntuales y fuentes difusas de
contaminación.................................................................................................40
4.2.2. Mediciones de campo y análisis de laboratorio...................................42
4.2.3. Estaciones de monitoreo y tramos de simulación ................................46
5. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE SIMULACIONES..........................................49
5.1. INVENTARIO DE FUENTES PUNTUALES Y QUEBRADAS .........................................49
5.1.1. Punto de afluencia Quebrada Matogiro. ...............................................50
5.1.2. Punto de afluencia caño de aguas residuales domésticas en Bonda. ..51
5.1.3. Punto de afluencia quebrada Veracruz.................................................51
5.1.4. Punto de afluencia quebrada Mojada ...................................................52
5.1.5. Punto de afluencia quebrada Seca.......................................................52
5.1.6. Punto de afluencia quebrada Tamacá. .................................................53
5.2. INVENTARIO DE FUENTES DIFUSAS. ..................................................................53
5.3. INVENTARIO DE PUNTOS DE EXTRACCIÓN..........................................................54
5.4. RESULTADOS DE MEDICIONES DE CAMPO DE LAS CONDICIONES ACTUALES DE LA
CALIDAD DEL AGUA DEL RÍO MANZANARES. .............................................................55
5.4.1. Calibración del modelo. ........................................................................55
5.4.2. Datos para verificación del modelo .......................................................59
5.5. SIMULACIONES DE LA CALIDAD DEL AGUA DEL RÍO MANZANARES (MODELO
QUAL2K). ...........................................................................................................62
5.5.1. Oxígeno Disuelto. .................................................................................63
5.5.2. Demanda Biológica de Oxígeno. ..........................................................66
5.6. SIMULACIÓN DE ESCENARIOS Y CAPACIDAD DE AUTODEPURACIÓN. .....................70
5.6.1. Escenario 1. Calidad del agua del Río Manzanares sin carga
contaminante en la Quebrada Matogiro..........................................................70
5.6.2. Escenario 2. Calidad del agua del Río Manzanares sin la influencia de
la carga contaminante aportada por la quebrada con ARD a la altura del
corregimiento de Bonda..................................................................................74
5.6.3. Escenario 3. OD del Río Manzanares sin la carga contaminante de las
quebradas Matogiro y la quebrada con ARD a la altura de Bonda. ................77
5.6.4. Escenario 4. OD del Río Manzanares sin vertimiento de ARD a partir
del barrio Mamatoco hacia abajo....................................................................80
5.6.5. Escenario 5. Ausencia de extracciones de agua para recarga artificial
del acuífero de Santa Marta............................................................................83
6. CONCLUSIONES Y DISCUSIONES .................................................................86
7. BIBLIOGRAFIA .................................................................................................89
LISTA DE TABLAS
TABLA 1. ESTACIONES SELECCIONADAS PARA EL ANÁLISIS CLIMATOLÓGICO...................26
TABLA 2. VALORES DE FRECUENCIA DE DIRECCIÓN (%).PERIODO 1970-1999 (ESTACIÓN
AEROPUERTO SIMÓN BOLÍVAR). .........................................................................28
Tabla 3 Valores medios Multianuales de Velocidad del Viento (m/seg.). Estación
Aeropuerto Simón Bolívar. Periodo 1978 – 1999……………………………………31 TABLA 4 VALORES MEDIOS MULTIANUALES DE TEMPERATURA (°C). ESTACIÓN
AEROPUERTO SIMÓN BOLÍVAR. PERIODO 1978 – 1999. ..................................... 31
TABLA 5 VALORES TOTALES MULTIANUALES DE PRECIPITACIÓN MENSUAL (M.M.), PERÍODO
1970 – 1999 (ESTACIÓN AEROPUERTO SIMÓN BOLÍVAR). ...................................33
TABLA 6 VALORES TOTALES MENSUALES DE BRILLO SOLAR (HORAS), PERÍODO 1976 –
2003 (ESTACIÓN AEROPUERTO SIMÓN BOLÍVAR). ...............................................35
TABLA 7 VALORES TOTALES MENSUALES DE EVAPORACIÓN (MM), PERÍODO 1973 – 2003
(ESTACIÓN AEROPUERTO SIMÓN BOLÍVAR). ........................................................35
TABLA 8. VALORES DE CAUDALES PARA EL RIO MANZANARES (METROAGUA). ...........38
TABLA 9. GEOREFERENCIACIÓN DE LOS PUNTOS DE MUESTREO SOBRE EL RÍO
MANZANARES. ..................................................................................................41
TABLA 10 EQUIPOS Y REFERENCIAS PARA ANÁLISIS DE VARIABLES DE CAMPO Y
LABORATORIO. ..................................................................................................43
TABLA 11. INVENTARIO DE FUENTES PUNTUALES Y QUEBRADAS....................................50
TABLA 12. INVENTARIO DE FUENTES DIFUSAS..............................................................54
TABLA 13. INVENTARIO DE PUNTOS DE EXTRACCIÓN ....................................................54
TABLA 14. RESULTADOS DE LOS PARÁMETROS MEDIDOS EN EL PUNTO MÁS ALTO DE
SIMULACIÓN (JULIO DE 2005). ............................................................................55
TABLA 15. CARACTERIZACIÓN DE PARÁMETROS DE LOS AFLUENTES (JULIO DE 2005). ...57
TABLA 16. CARACTERIZACIÓN DE LA CALIDAD DEL AGUA EN CUATRO (4) ESTACIONES DE
MONITOREO A LO LARGO DEL TRAMO SIMULADO. (JULIO DE 2005). ........................58
TABLA 17. RESULTADOS DE LOS PARÁMETROS MEDIDOS EN LA FRONTERA AGUAS ARRIBA
(MAYO DE 2006 ................................................................................................60
TABLA 18. CARACTERIZACIÓN DE PARÁMETROS DE LOS AFLUENTES (MAYO DE 2006)....61
TABLA 19. CARACTERIZACIÓN DE LA CALIDAD DEL AGUA EN CUATRO ESTACIONES DE
MONITOREO A LO LARGO DEL TRAMO SIMULADO. (MAYO DE 2006). ........................62
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1. UBICACIÓN DE LA CIUDAD DE SANTA MARTA................................................23
FIGURA 3. DESEMBOCADURA SOBRE LA BAHÍA DE SANTA MARTA..................................24
FIGURA 4. REPRESENTACIÓN GRÁFICA DE LA PREDOMINANCIA DE LOS VIENTOS .PERÍODO
1970-1999 (ESTACIÓN AEROPUERTO SIMÓN BOLÍVAR). ......................................30
FIGURA 5. COMPORTAMIENTO DE LOS VALORES MEDIOS DE TEMPERATURA (°C),
PERIODO 1970 – 1999 (ESTACIÓN AEROPUERTO SIMÓN BOLÍVAR).......................32
FIGURA 6. DISTRIBUCIÓN DE LA PRECIPITACIÓN, DURANTE ENERO 1970 – OCTUBRE 1999.
(ESTACIÓN AEROPUERTO SIMÓN BOLÍVAR). ........................................................32
FIGURA 7. GEOREFERENCIACIÓN DE ESTACIONES DE MUESTREO..................................42
FIGURA 8. DISTRIBUCIÓN DE VERTICALES Y PROFUNDIDADES PARA TOMA DE MUESTRAS.43
FIGURA 9. SECCIÓN TRANSVERSAL DE LA CORRIENTE..................................................45
FIGURA 10. TRAMOS DE SIMULACIÓN. ........................................................................48
FIGURA 11. SIMULACIÓN DE OXÍGENO DISUELTO DEL RÍO MANZANARES (INVIERNO)......64
FIGURA 12. SIMULACIÓN DE OXÍGENO DISUELTO DEL RÍO MANZANARES (VERANO). ......65
FIGURA 13. CONDICIONES DE OXÍGENO EN EL RÍO MANZANARES EN INVIERNO Y VERANO.
........................................................................................................................67
FIGURA 14. SIMULACIÓN DE DEMANDA BIOLÓGICA DE OXÍGENO DEL RÍO MANZANARES
(VERANO). ........................................................................................................68
FIGURA 15. SIMULACIÓN DE DEMANDA BIOLÓGICA DE OXÍGENO DEL RÍO MANZANARES
(INVIERNO)........................................................................................................69
FIGURA 16. ESCENARIO 1. OD DEL RÍO MANZANARES SIN LA INFLUENCIA DE LA CARGA
CONTAMINANTE DE LA QUEBRADA MATOGIRO. (PERIODO DE VERANO). ..................72
FIGURA 17. ESCENARIO 1. OD DEL RÍO MANZANARES SIN LA INFLUENCIA DE LA CARGA
CONTAMINANTE DE LA QUEBRADA MATOGIRO. (PERIODO DE INVIERNO). ...............73
FIGURA 18. ESCENARIO 2. OD DEL RÍO MANZANARES SIN LA INFLUENCIA DE LA CARGA
CONTAMINANTE APORTADA POR LA QUEBRADA CON ARD A LA ALTURA DEL
CORREGIMIENTO DE BONDA. (PERIODO DE VERANO). ...........................................75
FIGURA 19. ESCENARIO 2. OD DEL RÍO MANZANARES SIN LA INFLUENCIA DE LA CARGA
CONTAMINANTE APORTADA POR LA QUEBRADA CON ARD A LA ALTURA DEL
CORREGIMIENTO DE BONDA. (PERIODO DE INVIERNO)...........................................76
FIGURA 20. ESCENARIO 3. OD DEL RÍO MANZANARES SIN LA CARGA CONTAMINANTE DE
LAS QUEBRADAS MATOGIRO Y LA QUEBRADA CON ARD A LA ALTURA DE BONDA.
(PERIODO DE VERANO). .....................................................................................78
FIGURA 21. ESCENARIO 3. OD DEL RÍO MANZANARES SIN LA CARGA CONTAMINANTE DE
LAS QUEBRADAS MATOGIRO Y LA QUEBRADA CON ARD A LA ALTURA DE BONDA.
(PERIODO DE INVIERNO).....................................................................................79
FIGURA 22. ESCENARIO 4. OD DEL RÍO MANZANARES SIN VERTIMIENTO DE ARD A PARTIR
DEL BARRIO MAMATOCO HACIA ABAJO. (PERIODO DE VERANO)..............................81
FIGURA 23. ESCENARIO 4. OD DEL RÍO MANZANARES SIN VERTIMIENTO DE ARD A PARTIR
DEL BARRIO MAMATOCO HACIA ABAJO. (PERIODO DE INVIERNO). ...........................82
FIGURA 24. ESCENARIO 5. EVALUACIÓN DE LA INFLUENCIA DE LAS EXTRACCIONES DE
AGUA PARA LA RECARGA ARTIFICIAL DEL ACUÍFERO DE SANTA MARTA SOBRE LA
CALIDAD DEL AGUA DEL RÍO MANZANARES. (PERIODO DE VERANO). .......................84
FIGURA 25. ESCENARIO 5. EVALUACIÓN DE LA INFLUENCIA DE LAS EXTRACCIONES DE
AGUA PARA LA RECARGA ARTIFICIAL DEL ACUÍFERO DE SANTA MARTA SOBRE LA
CALIDAD DEL AGUA DEL RÍO MANZANARES. (PERIODO DE INVIERNO). .....................85
1. INTRODUCCION
El Río Manzanares nace en la vertiente nororiental de la Sierra Nevada de Santa
Marta en la cuchilla de San Lorenzo a 2300 metros sobre el nivel del mar
(m.s.n.m.). Esta fuente superficial presenta en su parte baja cuando pasa a través
de la ciudad de Santa Marta, condiciones que lo caracterizan como un cuerpo de
agua contaminado, debido principalmente a tres (3) factores. El primero de ellos
tiene que ver con el vertimiento de aguas residuales domésticas sin ningún tipo de
tratamiento, debido a la falta de un sistema de alcantarillado en buena parte de los
asentamientos poblacionales ubicados en sus riveras. El segundo factor que
contribuye con el deterioro de la calidad del Río Manzanares es la presencia de
algunos lavaderos de vehículos ubicados en las riveras del río, los cuales vierten
en este cuerpo hídrico las aguas residuales generadas en la prestación de este
servicio; las aguas residuales generadas en esta actividad tienen un alto contenido
de hidrocarburos y son generadoras de impactos negativos sobre la calidad del
río, como la disminución del oxígeno disuelto debido a que este es consumido por
la actividad bacterial en la descomposición de las grasas y aceites presentes en
esta clase de contaminantes. Por último hay algunas descargas de aguas
residuales sin tratamiento por parte de una incipiente actividad industrial donde
sobre salen algunas empresas procesadoras alimentos (industrias de pollo).
Tanto las aguas residuales domésticas como las industriales poseen unas
características físico – químicas y biológicas que al verterlas continuamente y sin
ningún tipo de tratamiento causan una sobrecarga de la capacidad de
autopurificación del cuerpo hídrico ocasionando efectos negativos en el río como
por ejemplo la disminución del nivel de oxígeno disuelto y la muerte de la biota
acuática. Algunos análisis de parámetros físico – químicos en diferentes puntos en
15
el Río Manzanares han reportado una Demanda Biológica de Oxígeno (DBO) de
400 miligramos por litro (mg/l) (Ribón y Rodríguez, 2002), lo que muestra una
carga orgánica alta si la comparamos con el valor de la DBO para cuerpos de
agua natural sin contaminación que es alrededor de 10 mg/l, lo que nos lleva a
concluir que el Río Manzanares tiene una contaminación cuarenta (40) veces
mayor a la de un cuerpo de agua natural de baja intervención antrópica, por lo
tanto es justificable un estudio para la implementación de un modelo de calidad del
agua, que permita simular las condiciones del Río Manzanares y que pueda ser
utilizado a la hora de planear y tomar decisiones que propendan por el
saneamiento de este recurso hídrico.
La continua contaminación ha la cual ha sido sometido el Río manzanares
ocasiona algunos efectos como la muerte de la biota acuática, debido a las
alteraciones ocasionadas a este medio; como la disminución del los niveles de
oxígeno disuelto y altas cargas orgánicas, por lo tanto las especies no encuentren
condiciones adecuadas para poder vivir. Otro efecto importante es el deterioro
paisajístico de la ciudad por el aspecto poco agradable que presenta el río,
básicamente manifestado en el color de sus aguas, la presencia de olores
ofensivos y la acumulación de residuos sólidos en su cause. Cabe resaltar que lo
anterior pude tener influencia negativa en la economía de la ciudad debido a que
Santa Marta debe gran parte de sus ingresos al turismo, por lo cual es importante
conocer las condiciones actuales que originan el deterioro paisajístico y cuales
serian las condiciones mínimas para un mejoramiento de este.
Es conveniente conocer como se afecta en la actualidad y en el futuro la calidad
del agua del Río Manzanares ya que este desemboca en la bahía de Santa Marta
llevando hacia ella todo lo que recoge en su recorrido, por lo cual este se convierte
en un medio de transporte de sedimentos, residuos sólidos y microorganismos,
entre otros, de la ciudad hacia el mar. En el caso de los microorganismos muchos
de estos pueden ser patógenos lo cual debe tenerse en cuenta debido a la
16
cercanía de la desembocadura del río a zonas usadas frecuentemente para
actividades turísticas y de recreación. Hasta el momento hay un desconocimiento
de las condiciones bajo las cuales se está llevando a cabo este fenómeno de
transporte de contaminantes, cuyo conocimiento seria de gran utilidad para la
planeación y toma de decisiones.
Los problemas de contaminación y la importancia del Río Manzanares para la
ciudad han motivado a un sin numero de investigaciones, sin embargo ninguna de
ellas ha sido encaminada para la construcción de una herramienta de planeación,
gestión, seguimiento y control de la calidad del agua que nos permita reproducir y
predecir las condiciones actuales y futuras de los diferentes parámetros de calidad
del agua de este cuerpo hídrico, lo cual es justificable debido a que actualmente
en la ciudad de Santa Marta la mitad del agua suministrada para el uso y consumo
humano proviene del acuífero que esta ciudad posee, el cual se caracteriza por no
estar confinado por lo que se recarga superficialmente y debe esta principalmente
al Río Manzanares y en minoría a la infiltración de la precipitación. El acuífero de
Santa Marta posee (2) dos estructuras de recarga artificial ubicadas sobre el lecho
del Río Manzanares, las cuales funcionan con el principio de elevación de la
cabeza hidráulica para acelerar la infiltración del agua. Por esta situación la
entidad prestadora del servicio público de agua y alcantarillado y las autoridades
de control y gestión ambiental deberían contar con un instrumento para poder
monitorear y predecir las condiciones actuales y futuras del Río Manzanares
debido a que prácticamente es la única fuente de la cual se recarga de forma
natural y artificial el acuífero de la ciudad.
Con el fin de implementar una herramienta de simulación de la calidad del agua
del Río Manzanares se realizó la presente tesis de grado que consiste en la
calibración y validación del modelo QUAL2K (Chapra, 2003) con información
recopilada en campo durante dos épocas del año. El estudio se realizó en el
distrito de Santa Marta Departamento del Magdalena, en la parte baja de la
17
cuenca del Río Manzanares, en el tramo comprendido entre los 11º14'19.2'' N,
74º13'24.9'' W y los 11º13'41.2'' N, 74º06'51.5''. Las dos campañas de muestreo
se realizaron entre Julio de 2005 y Mayo de 2006, periodo durante el cual se
presentaron épocas de sequía y de precipitación.
18
2. OBJETIVOS
2.1. Objetivo General
Desarrollar una herramienta que simule el comportamiento de la calidad del agua
del río Manzanares en periodos de lluvia y en verano, mediante la utilización del
modelo QUAL2K.
2.2. Objetivo Específicos
Cuantificar las fuentes puntuales y difusas de contaminación, sus caudales y las
características de estos afluentes sobre el tramo a estudiar en el rio Manzanares.
Verificar las características hidráulicas del lecho que rigen el flujo del río
Manzanares y las principales características de la cuenca.
Determinar los parámetros de la calidad del agua del río Manzanares y de sus
tributarios en su parte baja, que se requieren para calibrar y validar el modelo del
QUAL2K.
Simular la calidad del agua del río Manzanares en varios escenarios.
19
3. MARCO TEÓRICO Y ESTADO DEL ARTE
Los modelos de calidad de aguas han sido usados desde 1925, cuando Streeter y
Phelps desarrollaron el primer modelo de calidad (Abrishamchi et al, 2005) que
solamente simula materia orgánica (DBO5) y el oxigeno disuelto (OD) en casos
muy simples; a partir de estos primeros modelos se han ido desarrollando otros
más complejos que llegan a considerar múltiples contaminantes e incluso
elementos bióticos (Sainz et al, 1990) a partir de este avance en la ciencia
numerosas investigaciones en el campo de la ingeniería se han encaminado a
aplicar y calibrar modelos matemáticos para simular la calidad de las aguas de
numerosos ríos en diversos países y en Colombia, Camacho (2001) y Rodríguez
(2002), esto debido a una creciente necesidad de entes ambientales encargados
en la toma de decisiones en este ámbito para predecir los efectos que generan las
fuentes contaminantes sobre la calidad de las aguas. Para este caso el modelo
QUAL2K (Chapra y Pelletier, 2003) resulta uno de los más completos, novedoso y
usados. Este modelo procede del QUAL2E (EPA, 1995) desarrollado por la EPA
(Environmental Protection Agency), que utiliza una solución de diferencias finitas
para la ecuación del transporte de masa por advección-dispersión que se
encuentra integrada numéricamente sobre el espacio y tiempo (McAvoy et al,
2003), considerando discretizado el río en elementos de calculo con mezcla
completa en su seno (Sainz, 1990). La corriente principal se conceptualiza como
una secuencia de reactores mezclados que son ligados secuencialmente por
mecanismos de advección y dispersión, estos elementos computacionales son
definidos como tramos en donde las propiedades hidrogeométricas y las
constantes biológicas pueden variar entre ellas (Abrishamchi et al, 2005). Para
cada uno de los elementos de cálculo, el balance de masa se escribe en términos
de flujo entrante en la cara de aguas arriba, descargas o extracciones y el flujo
20
saliente a través de la cara de aguas abajo del elemento (Chapra y Pelletier,
2003). A diferencia de su antecesor el modelo QUAL2K incluye una expansión de
la estructura computacional y adiciona nuevos componentes de interacción tales
como DBO algal, desnitrificación y cambios de OD por raíces de plantas. El
consumo de OD por algas en QUAL2E fue separado en dos (2) componentes en
QUAL2K, los cuales son respiración y muerte algal (Park y Lee, 2002).
El principal parámetro para este modelo es el Oxígeno disuelto (OD) el cual puede
ser afectado por el decaimiento de DBO, nitrificación, demanda de de oxigeno por
sedimentos (DOS) y reaireación (McAvoy et al, 2003). El proceso de
desnitrificación se asume que ocurre en la capa de sedimento anaerobio o solo en
la columna de agua cuando existan condiciones extremadamente bajas de OD.
Este proceso incluye la reducción de DBO y nitratos, en donde los niveles de OD
son importantes para controlar este proceso. La reducción de la DBO por
desnitrificación es tratada en el modelo como un coeficiente de sedimentación el
cual puede reducir DBO sin consumir oxígeno (Park y Lee, 2002).
El QUAL2K es un modelo de calidad de aguas para ríos y arroyos de carácter
unidimensional en canales bien mezclados vertical y lateralmente en condiciones
hidráulicas de flujo permanente y no permanente, el cual esta programado para
calcular la profundidad y la velocidad del fluido por tres (3) métodos (vertederos,
curvas de clasificación y ecuación de Manning) (Chapra and Pelletier, 2003). La
dispersión longitudinal de los contaminantes, gobernada por los procesos de
transporte (advección-dispersión) es computada dependiendo de la hidráulica del
canal (Chapra y Pelletier, 2003). La mezcla es fundamental para el modelado de
un río, ya que garantiza una solución homogénea del contaminante con el agua
del río y los cálculos adquieren mayor confiabilidad, para este proceso QUAL2K
asume que cualquier descarga será mezclada inmediatamente a lo largo de toda
la sección trasversal, aun que experiencia actual establece que las descargas,
particularmente si son a través de emisarios, pueden ser distinguibles en el flujo
21
del río por considerables distancias aguas abajo, demostrando que la mezcla
transversal es un proceso lento (Shanahan et al, 1998). La mezcla se genera
principalmente por las fluctuaciones de la velocidad longitudinal originadas por las
condiciones hidráulicas del canal (rugosidad del lecho, pendiente) y de acuerdo a
la distribución de la velocidad, para el sentido horizontal el flujo alcanza su máxima
velocidad en el centro del canal y unos mínimos en las proximidades de las orillas
(Chapra, 1997).
En Colombia se han utilizado modelos de simulación de calidad de aguas sobre el
Río Bogotá (Rodríguez, 2002; Camacho et al, 2001), en su cuenca alta. Rodríguez
(2002) utilizó el modelo QUAL2E reproduciendo el comportamiento observado de
determinantes de calidad de agua del río con niveles de ajuste superiores al 98%
entre los datos observados y los datos calibrados, para la cuenca media se calibro
el modelo QUAL2K (Camacho et al, 2001) con buena aceptabilidad del modelo
ante las condiciones presentes en la cuenca media del Río Bogotá. En el país de
Corea sobre el Río Nadkong se implementaron ambos modelos evaluando las
limitaciones del QUAL2E y las nuevas fortalezas del QUAL2K, mostrando
discrepancias entre los resultados de ambos modelos para DBO, OD y Nitrógeno
Total, QUAL2K arrojó datos mas confiables debido a la capacidad de simular la
conversión de muerte algal a DBO y denitrificación (Park y lee, 2002).
22
4. METODOLOGÍA
4.1. Área de estudio
El Río manzanares en su parte baja atraviesa a la ciudad de Santa Marta D.T.C.H.
de oeste a oeste, la cual se ubicada los 11°14'50'' de Latitud Norte y los 74°12'06''
de Longitud Occidental, a una altura de 6 metros sobre el nivel del mar (m.s.n.m),
(Figura 1). La investigación tuvo como cabecera o inicio del tramo a estudiar la
presa ubicada 11º13'41.2'' de latitud Norte y 74º06'51.5'' de latitud Occidental a
una altura aproximada de 56 m.s.n.m próxima a la cascada de Bonda (
Figura 2) y punto final en su desembocadura del río sobre la bahía de Santa Marta
(Figura 3) en los 11º14'19.2'' de latitud Norte, 74º13'24.9'' de latitud Occidental a 0
m.s.n.m.
Figura 1. Ubicación de la ciudad de Santa Marta.
23
Figura 2. Cabecera de tramo a estudiar.
Figura 3. Desembocadura sobre la bahía de Santa Marta.
24
4.1.1. Clima
Santa Marta esta influenciada por dos (2) épocas que corresponden a un periodo
seco que se alterna con un periodo lluvioso que inicia en el mes de Mayo y se
prolonga hasta el mes de junio, seguido por un periodo seco hasta Agosto,
conocido como el veranillo de San Juan, continua luego el segundo periodo
lluvioso que se prolonga hasta principios de Diciembre, cuando se inicia el mayor
periodo de estiaje que se extiende hasta Abril. Estas variaciones macroclimaticas
están relacionadas con la posición latitudinal del ecuador térmico llamado
normalmente como zona de confluencia intertropical ZCIT. Cuando la ZCIT se
encuentra hacia el sur del ecuador geográfico, en la zona norte se presentan altas
presiones y un mayor efecto de los vientos Alisios provenientes del noreste,
generando así un clima seco; cuando la ZCIT migra hacia el norte se reduce el
efecto de los Alisios, con un descenso de las presiones, provocando de esta forma
la época de lluvias en la región.
La información de referencia para el análisis del componente climatológico fue
consultada en la red climatológica del Instituto de Hidrológica, Meteorología y
Estudios Ambientales (IDEAM), para lo cual se consultó información de la estación
descrita en la Tabla 1.
25
Tabla 1. Estacione seleccionada para el análisis climatológico.
CO
DIG
O
TIPO
NO
MB
RE
SUB
C
UEN
CA
DPT
O
MU
NIC
IPIO
CO
OR
D
ELEV
F.IN
ST
1501505 SP Apto Simón Bolívar
Mar Caribe Magdalena Santa
Marta1108N 7414W 4 195206
SP: Sinóptica Principal
4.1.1.1. Velocidad, dirección e intensidad de vientos
Vientos regionales
Según estudios realizados por el CIOH (Centro de Investigaciones Oceanográficas
e Hidrográficas de la Armada Nacional) el régimen de los vientos de la región se
encuentra relacionado con los del Caribe, el cual se describe a continuación.
“Durante los meses de Diciembre a Abril, los vientos alisios soplan de manera
constante del Norte al Noreste con velocidades de 2 a 15 m/seg., (promedio de 7
m/seg.). En el resto del año los vientos son muy variables en dirección y fuerza en
época de transición los vientos son más suaves y los periodos de calma
aumentan en la época de lluvias, los vientos son débiles y presentan velocidades
medias de 4 a 5m/seg., con valores máximos que rara vez sobrepasan a los 11.5
m/seg.”
Vientos locales
El área de estudio sufre la acción de los vientos locales del suroeste, los cuales
pueden llegar a ser de fuerte intensidad y llamarse "vendavales"; se presentan
principalmente entre los meses de septiembre y octubre; durante los meses de
abril a noviembre, predominan los vientos suaves del este, que ocasionalmente,
26
pueden formar lo que se denomina "Brisa", durante los meses de junio a agosto y
por periodos muy cortos.
El área también está sometida a un ciclo de vientos diurno-nocturno que se
originan principalmente debido a los círculos convectivos que hacen masas de aire
caliente desde el pie de monte occidental de la Sierra Nevada junto al cual está
Santa Marta, estas corrientes ascienden para ser reemplazadas por masas de aire
más frías que descienden de las partes altas. De día, el viento sopla del mar hacia
la tierra y durante la noche de la tierra hacia el mar. Durante la noche, el ciclo
refuerza el fenómeno de brisa, pero de día es anulado por ella. Finalmente, la
convergencia de estas corrientes de aire dentro de la bahía de Santa Marta,
producen una corriente constante durante el año que va en dirección este-oeste.
De conformidad con las observaciones diarias efectuadas por el Departamento
Administrativo de Aeronáutica Civil en el Aeropuerto Simón Bolívar, la siguiente es
la relación de dirección y velocidad del viento:
Frecuencia de Dirección: La dirección predominante de los vientos es el Norte,
presentándose la máxima frecuencia en los meses de enero hasta abril, la
dirección Sur adquiere importancia entre los meses de abril a octubre como puede
observarse en la Tabla 2.
27
Tabla 2. Valores de Frecuencia de Dirección (%).Periodo 1970-1999 (Estación Aeropuerto Simón Bolívar).
ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC
N 30 34 39 39 27 20 19 20 15 18 15 17
NE 21 15 12 11 14 16 20 14 18 19 22 33
E 5 4 3 3 3 5 8 7 8 8 10 5
SE 2 6 5 2 6 7 6 7 8 10 5 3
S 6 7 9 13 16 16 11 17 12 14 8 4
SW 9 13 9 7 5 8 5 6 6 12 8 11
W 12 7 7 6 9 9 11 10 13 9 13 11
NW 4 6 10 12 16 12 11 9 11 8 11 8
CALM 11 9 6 7 5 9 10 11 10 3 8 8
• En el mes de enero la dirección predominante de los vientos es norte con
una frecuencia de 30% seguida de la dirección NE con un 21% y calmas del
11%.
• En febrero la dirección predominante de los vientos es norte con una
frecuencia de 34% seguida de la dirección NE con un 15%, las calmas son
del 9%.
• Para Marzo igualmente la dirección predominante de los vientos es el norte
con una frecuencia del 39%, la segunda dirección predominante es la NE
con un 12 % y calmas del 10 %.
• La distribución de la frecuencia de los vientos en el mes de abril en donde la
dirección predominante de los vientos es la norte con una frecuencia del
39% y calmas del 7 %.
28
• En el mes de mayo la dirección predominante de los vientos es el norte con
una frecuencia de 29%, la segunda la dirección predominante es la S con
un porcentaje del 16 % y calmas del 5 %.
• En junio la dirección predominante de los vientos es la norte nuevamente
con una frecuencia del 20 % seguida de las dirección NE y S con un 16%
cada una y calmas del 9%.
• Para julio la dirección predominante de los vientos es la NE, seguida por la
dirección N con porcentajes de 20 y 19 % respectivamente, las calmas son
del 10%.
• La distribución de la frecuencia de los vientos en el mes de agosto en
donde la dirección predominante de los vientos es la norte con una
frecuencia del 20% seguida de la dirección S con un 17%.
• En el mes de septiembre la dirección predominante de los vientos es la NE
con una frecuencia de 18% seguida de las direcciónes W y S con 13 % y 12
% respectivamente.
• En octubre la dirección predominante de los vientos es la Ne con 19%
seguida muy de cerca por la N con 18%.
• Para noviembre la dirección predominante de los vientos es la NE con una
frecuencia del 22 % las calmas en este mes son del 9 %.
• La distribución de la frecuencia de los vientos en el mes de diciembre donde
la dirección predominante de los vientos es la norte con una frecuencia del
39% y calmas del 7 %.
Rosa de los vientos: La Rosa de Vientos se elabora con base en la matriz de
distribución conjunta de probabilidades, en la que se estratifica la frecuencia
acumulada de la frecuencia de velocidad y dirección del viento para cada
categoría de estabilidad, lo que permitió establecer la contribución porcentual de
cada categoría de velocidad, dirección y estabilidad atmosférica.
29
Los resultados de la Rosa de Vientos se presentan en la Figura 4, como una
función de las velocidades y direcciones del viento, para ocho (8) direcciones
predominantes. En estas gráficas se observa un predominio en la dirección del
viento de Norte, Noroeste, (soplando al Sur, suroeste, respectivamente).
Se observa que la dirección predominante es Norte, con un 26% de frecuencia
acumulada, seguida por las direcciones Noreste y Sur, con un porcentaje
acumulado porcentual de 15% y 10%, respectivamente.
Figura 4. Representación gráfica de la predominancia de los vientos .Período 1970-1999 (Estación Aeropuerto Simón Bolívar).
30
Velocidad del viento: La Velocidad media mensual del viento para 21 años de
registro (1978 – 1999) se resume en la Tabla 3. Los meses que registran los
máximos valores promedio de la velocidad del viento son en orden de mayor a
menor marzo (4,9 m/s), febrero (4,6 m/s), enero y abril con 4,2 m/s cada uno. El
periodo comprendido entre octubre y noviembre se caracteriza por presentar los
menores promedios de la velocidad del viento. Octubre se comporta como el mes
con menor valor medio de velocidad del viento 0,8 m/s.
Tabla 3. Valores medios Multianuales de Velocidad del Viento (m/seg.). Estación Aeropuerto Simón Bolívar. Periodo 1978 – 1999.
ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEPT OCT NOV DIC
Medios 2.6 3 1.5 2.5 1.5 1.2 1.5 1.3 0.9 0.8 1.1 2 Máximos 4.2. 4.6 4.9 4.2 2.2 2.2 2.6 2.4 1.2 1.2 2.1 3.3Mínimos 1.6 1.7 2.2 1.4 0.2 0.2 0.8 0.1 0.3 0.2 0.2 1.2
4.1.1.2. Temperatura
La temperatura media multianual para 29 años de registro (1970 – 1999) se
resume en la Figura 5. La región posee una temperatura media de 28.1°C, con
temperaturas medias máximas registradas en los meses de abril, mayo y junio con
29,9 °C
Tabla 4. Valores medios multianuales de temperatura (°C). Estación Aeropuerto Simón Bolívar. Periodo 1978 – 1999.
ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC
Mínimos 26 26,6 27,5 27,7 28,1 28 27,3 26,9 26,8 26,8 26,5 25,8Medios 27,3 27,7 28,2 28,8 28,8 29 28,6 28,3 27,9 27,7 27,7 27,2
Máximos 28,4 29 29,1 29,9 29,9 29,9 29,5 29,3 29 28,5 28,8 28,5
31
Figura 5. Comportamiento de los Valores Medios de Temperatura (°C), Periodo 1970 – 1999 (Estación Aeropuerto Simón Bolívar).
4.1.1.3. Precipitación
En la Figura 6 se consignan los valores medios multianuales de precipitación de
acuerdo a los registros de la estación del Aeropuerto Simón Bolívar con datos
observados durante el periodo de 1970 al 1999 (ver Figura 6).
32
Figura 6. Distribución de la Precipitación, durante enero 1970 – octubre 1999. (Estación Aeropuerto Simón Bolívar).
Tabla 5. Valores totales Multianuales de Precipitación mensual (m.m.), Período 1970 – 1999 (Estación Aeropuerto Simón Bolívar).
ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEPT OCT NOV DIC
MÍNIMOS 0 0 0 0 0 2.3 0 13.1 18.4 11 0.6 0
MEDIOS 6.2 2.7 1.7 9.9 55 61.6 61 57.8 87.7 112 44.8 11
MÁXIMOS 66.6 28 30 38 167 157 166 140 209 327 154.9 75
En la ciudad de santa marta la precipitación más alta se presenta en los meses de
octubre con 327 mm y septiembre con 209 mm. La precipitación mas baja se
33
presenta durante los meses de enero, febrero, marzo y abril donde es
prácticamente nula.
De acuerdo con la información referenciada, en las estaciones San Lorenzo
(ubicada a un altitud de 2200 m.s.n.m); la Ye (ubicada a 20 m.s.n.m), ambas
localizadas por fuera de la cuenca del Río Manzanares pero dentro de su área de
influencia; y la estación Los Quinientos que presenta valores agrometeoreológicos
para FLORESTA LTDA1 (Corpamag, 1995), la precipitación durante el transcurso
del año es de tipo monomodal en toda la zona de interés de la cuenca, con un
ligero descenso en el mes de julio. La temporada lluviosa empieza en abril y se
extiende hasta el mes de julio. Las menores cantidades ocurren durante el ultimo y
los primeros meses del año; es decir, el periodo seco va de diciembre a marzo y
es caracterizado por una disminución pronunciada de la precipitación (Serrano,
1996).
4.1.1.4. Brillo solar
El brillo solar, en horas mensuales, presentó una media anual de 2.949, 3 horas
de sol (Tabla 6). La mayor incidencia de rayos solares se presenta en enero y la
más baja en octubre, coincidiendo esta última con el mes de mayor precipitación.
Las mayores fluctuaciones de brillo solar se encuentran en el mes de noviembre
coincidiendo con un periodo de transición entre época lluviosa y época seca.
1 Citado por Serrano et al (1996)
34
Tabla 6. Valores totales mensuales de brillo solar (horas), Período 1976 – 2003 (Estación Aeropuerto Simón Bolívar).
ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEPT OCT NOV DIC
MEDIOS 322,7 280,4 287 231 224,1 118,7 232,2 228,3 201,3 210,2 230,6 272,8
MÁXIMOS 925 791,8 909,9 250,2 273 264,9 264,5 279,8 276 256,5 257,7 298,1
MÍNIMOS 205,8 273,3 218,8 194,1 195,9 179 191,4 153,6 136,8 124,2 195,2 207,3
4.1.1.5. Evaporación
De acuerdo a los valores medios registrados en la estación de referencia, los
mayores valores de evaporación se presentan los primeros meses del año (entre
enero y mayo) coincidiendo con los meses de menor precipitación Tabla 7.
Tabla 7. Valores totales mensuales de evaporación (mm), Período 1973 – 2003 (Estación Aeropuerto Simón Bolívar).
ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEPT OCT NOV DIC
MEDIOS 238,6 191,6 227,2 197,2 190,7 168,2 140,1 181 151,9 154,3 153,5 187,7
MÁXIMOS 429,7 208 244,3 233.4 248.4 243,5 240.3 280,8 269,6 267,5 233,6 239,8
MÍNIMOS 157,6 149,3 205,5 154,6 139,6 129,5 70,9 104,4 89,7 102,8 98,9 143,5
35
4.1.2. Hidrología
El área de la cuenca del Río Manzanares es de 170.84 Km2 2 (Corpamag, 1995) y
es recorrida de SE - NO y de E – O en una longitud de 32.5 Km, debido a esta
orientación desde su nacimiento a los 2350 m.s.n.m a los 90 m.s.n.m donde
recibe las aguas de la quebrada Aserrío se presenta una menor evaporación de
agua que en el tramo restante hasta la desembocadura.
La cuenca esta favorecida por la cobertura boscosa que se sostiene en el sector
oriental, en un área aproximada de 3446 Ha, lo que equivale al 20 % del área total;
además, contigua a esta área se presenta la zona cafetera en una extensión de
981 Ha aproximadamente, lo que equivale al 6% del área total. Esta área de
cobertura beneficia la calidad de agua pero puede afectar la cantidad por
presentarse una mayor transpiración.
De acuerdo con el Coeficiente de Compacidad de Gravelius3 (Corpamag, 1995)
que relaciona el perímetro de la cuenca con la de un circulo de área igual, la
cuenca del Río Manzanares presenta, en general, un comportamiento medio o
moderado a la torrencialidad e inundaciones. La microcuenca de la quebrada
Mojada se califica, según este coeficiente, como peligrosa torrencialmente, siendo
de menor peligrosidad torrencial la microcuenca de la Quebrada Tamacá. Las
microcuencas de la Quebrada Aserrío y Manzanares se comportan con una
torrencialidad media, muy similar a la que presenta la Cuenca en general (Serrano
et al, 1996).
2 Citado por Serrano et al (1996) 3 Citado por Serrano et al (1996)
36
4.1.2.1. Balance Hídrico.
Según Serrano et al, 1996, la cantidad de agua en la cuenca del Río Manzanares
en su parte alta y baja es de 80 mm y 40 mm por metro de profundidad
respectivamente. Se presenta un tiempo de concentración de 82 horas y un caudal
pico para lluvias con un periodo de retorno de 50 años para un tiempo de
concentración de 49 minutos de 672 m3/seg. De acuerdo a estos datos se
realizaros las siguientes observaciones:
En la parte alta hay una fuerte concentración de volúmenes de agua de creciente;
sin embargo, cuando llega a la zona de Bonda, por la forma que toma la cuenca y
la dirección del cause, el volumen del escurrimiento no es muy grande. La cuenca
tiene un altura baja. El 50 % de ella se encuentra distribuida a los 0 y 400 m.s.n.m.
La pendiente por curva de nivel indica que entre los 800 y 1200 m.s.n.m debe ser
zona exclusiva de conservación, ya que el manejo inadecuado de estas tierras
frágiles, por la pendiente, aumentaría la erosión.
Para datos de caudales la empresa METROAGUA S.A. E.S.P suministro una serie
de aforos que se realizan mensualmente en varios puntos establecidos sobre el
trayecto del Río Manzanares donde se diferencian los periodos de invierno y
verano (Tabla 8).
37
Tabla 8. Valores de caudales para el Río Manzanares (METROAGUA).
CAUDALES (m3/s) Puente de
Bonda Puente de Mamatoco
Puente de la Kr Quinta
Oct-04 3,67 3,46 3,79 Nov-04 4,71 4,55 4,26 Dic-04 1,51 1,48 1,45 Ene-05 1,17 1,24 1,09 Feb-05 0,44 0,45 0,37 Mar-05 0,11 0,17 0,13
4.1.3. Vegetación
La vegetación natural de la cuenca hidrográfica del Río Manzanares fue alterada
aproximadamente en un 70% ocasionándose un desequilibrio ecológico y un
deterioro de los recursos naturales, más aun con la implementación de usos y
manejos inadecuados en la mayor parte de los suelos deforestados4 (Corpamag,
1995).
En el área de la cuenca se ha desarrollado el complejo turístico de la ciudad de
Santa Marta y corregimientos aledaños; en el resto del área, por el déficit de agua
existente, no se ha podido implementar una agricultura de alta rentabilidad a pesar
de la óptima calidad de sus suelos. Sin embargo, se aprecia en algunos sectores
el pastoreo con ganaderías extensivas y cabras, como también pequeños lotes de
árboles frutales. En las colinas, los suelos desde el punto de vista agropecuario
son totalmente improductivos, pues la falta de una meteorización de la roca madre
no ha permitido su desarrollo. Estos suelos sostienen una vegetación xerofítica,
donde juega un papel predominante la familia de las cactáceas. El estrato inferior
constituido por herbáceas que permanecen, muchos de ellos, en estado latente
4 Citado por Serrano et al (1996)
38
durante el verano, rebrotando en invierno, en este sector predominando las
cactáceas conocida como piñuelo.
Para el análisis de la vegetación natural se han identificado, de acuerdo con
Holdrige, las formaciones vegetales que cubren el rango altitudinal de la cuenca
desde los 0 – 2350 m.s.n.m., condicionados a las relaciones edáficas y climáticas.
Formación vegetal monte espinoso tropical (me-t): Esta formación se
caracteriza por una precipitación promedia anual de 250 – 500 mm y
biotemperatura promedia superior de 24°C: con una localización altitudinal entre
los 0 – 100 m.s.n.m.
Formación vegetal bosque muy seco (bms-t): Esta formación vegetal esta
ubicada entre los 100 – 200 m.s.n.m en la zona considerada, fisiográficamente,
como el pie de monte de la Sierra Nevada de Santa Marta; está caracterizada por
una precipitación promedia anual que oscila entre los 500 – 1000 mm y una
temperatura >27°C.
4.1.4. Suelos
Los suelos de la cuenca del Río Manzanares pueden ser clasificados en tres
clases agrológicas, de acuerdo con sus características morfológicas, pedalógicas
y agrológicas.
Suelos de escarpes: Estos suelos pertenecen a la clase agrológica5
(CORPAMAG, 1995) VII, con uso limitado o bosques, cobertura permanente y en
algunos sitios para pastos; presentan fuertes limitaciones de orden
geomorfológicos, pedagógicos y agrológicos. Los suelo0s del balcón del Alto del
Mango quedan incluidos en esta categoría.
5 Citado por Serrano et al (1996)
39
Suelos de balcones: Estos suelos se ubican en zonas de menos pendiente, con
mayor abundancia de vegetación natural, en algunas zonas; y bosques arbustivos,
con estrato herbáceo. La gran mayoría de estos suelos pertenece a la clase
Agrológica IV, por la presencia de algunas limitaciones, como pendiente,
pedregosidad y baja fertilidad en zonas de afloramiento graníticos. Se exceptúan
aquí el balcón del Alto Mango que se clasifica dentro de la clase Agrológica VII.
Suelos de la planicie de santa marta: También se encuentran los suelos de la
planicie de Santa Marta, desarrollados sobre los conos del Río Manzanares y la
Quebrada Tamacá. Estos conos forman una zona plana de pendiente inferior al
1%; los suelos varían entre limosos y arenosos, produciéndose una fuerte
infiltración y de acuerdo con las características descritas, y desde el punto de vista
agrológico, estos suelos se pueden clasificar dentro de la clase Agrológica II.
4.2. Muestreos y actividades de campo
4.2.1. Cuantificación de afluentes, fuentes puntuales y fuentes difusas de contaminación
Con el fin de cuantificar las fuentes puntuales y difusas a si como tributarios se
realizo un recorrido sobre el tramo principal del Río Manzanares en el mes de
Junio de 2005, en donde cada punto de interés fue georeferenciado e inventariado
con un equipo de Sistema de Posicionamiento Global, marca GARMIN 12XL
(Figura 7), siguiendo el recorrido con la ayuda de un plano de la cuenca del Río
Manzanares suministrado por el Instituto Geográfico Agustín Codazzi (IGAC) a
una escala 1:25000 de referencia 11 – IV – B. En la Tabla 9 se conFiguran las
diferentes estaciones de muestreo sobre fuentes puntuales y difusas.
40
Tabla 9. Georeferenciación de los puntos de muestreo sobre el Río Manzanares.
COORDENADAS ESTACIÓN E N ABSCISA
(KM) CLASE
Cabecera 74º06'51.5'' 11º13'41.2'' K 0 + 000 F.P Quebrada Matogiro 74º07'06'' 11º14'15'' K 1 + 050 F.P
Caño de A.R.D en Bonda 74º07'39'' 11º14'24'' K 1 + 925 F.P
Puente de la Troncal 74º08'01.1'' 11º14'28.5'' K 2 + 775 E.M
Quebrada Veracruz 74º08'28'' 11º14'26'' K 4 + 075 F.P
Quebrada Mojada 74º08'49'' 11º14'14'' K 4 + 450 F.P - E.M
Quebrada Seca 74º08'58'' 11º14'08'' K 4 + 950 F.P Puente de Mamatoco 74°10'41,7'' 11°13'56,3'' K 10 + 280 F.DI
Puente Av. Ferrocarril 74º12'02.8'' 11º13'51.7'' K 13 + 900 F.DF - E.M
Quebrada Tamacá 74º12'27'' 11º13'48'' K 15 + 075 F.P
Puente Batallón 74º13'09.9'' 11º14'12.8'' K 16 + 630 F.DI Descargas A.R.D Puerto Mosquito 74º13'20.2'' 11º14'15.5'' K 17 + 500 F.DF
Desembocadura 74º13'24.9'' 11º14'19.2'' K 17 + 750 E.M
Claves: F.P: Fuente Puntual, F.D: Fuente Difusa (Inicio y final), E.M: Estación de Monitoreo.
41
Figura 7. Georeferenciación de estaciones de muestreo.
4.2.2. Mediciones de campo y análisis de laboratorio
Se llevaron a cabo dos (2) campañas de muestreo cobijando los periodos de
estiaje e invierno en los meses de Julio de 2005 y Mayo de 2006 respectivamente,
donde se midieron variables en campo (OD, conductividad, pH, temperatura) con
equipos previamente calibrados (Tabla 10) del Laboratorio de Calidad de Aguas
de la Universidad del Magdalena.
42
Tabla 10. Equipos y referencias para análisis de variables de campo y laboratorio.
STANDAR METHODS EQUIPOS
PARÁMETRO MÉTODO ANÉÁLITICO REFERENCIA MARCA MODELO
pH Electrométrico 4500 H+ B SCHOTT HANDYLAB 1 Conductividad Electrométrico 2510 B THERMO ORION 145A+
Oxígeno Disuelto
Electrodo Membrana 4500 O G WTW OXI315i/set
Temperatura electrométrico 2550 B WTW OXI315i/set Demanda
Bioquímica de Oxigeno (DBO5)
winkler 5210-B
Para la determinación de la Demanda Bioquímica de Oxigeno (BDO5) se utilizaron
botellas Winkler las cuales al momento posterior al llenado fueron refrigeradas y
llevadas al laboratorio de Calidad de Aguas de la Universidad del Magdalena para
su posterior análisis.
En los muestreos se recolectaron muestras compuestas combinando alícuotas
provenientes de dos (2) o tres (3) verticales distribuidas a lo ancho del río
dependiendo del punto de muestreo (Figura 8). En las estaciones ubicadas de la
población de Bonda aguas arriba se recolectaron muestras en dos (2) verticales
ya que el ancho del río varia de 2 a 5 mt en la mayor parte del año, en puntos
como la desembocadura de las quebradas Seca y Mojada se realizó la toma de
muestras en tres (3) verticales debido al ancho del río que osciló en 15 y 20 mt de
longitud.
43
Figura 8. Distribución de verticales y profundidades para toma de muestras.
La determinación de caudales se realizó de forma simultanea con la toma de
muestras, para esta la sección transversal del río fue dividida en segmentos
iguales de longitud variable de 0.5 a 1 m, con la ayuda de una cinta métrica y
estacas de madera (Figura 9), creando una familia de áreas que fueron
consideradas como trapecios para luego determinar la velocidad media y por
ultimo caudales unitarios con la Ecuación 1.
(Ec. 1)
Donde:
= Caudal (m3/s)
= Velocidad media del flujo (m/s)
44
= Área transversal al flujo (m2)
Figura 9. Sección transversal de la corriente.
Se obtuvo un caudal representativo por sumatoria para un sitio en particular. En la
medición de velocidad se utilizó un correntómetro marca OTT, modelo C20,
perteneciente al laboratorio de Ingeniería Civil de la Universidad del Magdalena, el
cual mide velocidad en términos de revoluciones por minutos utilizando la
Ecuación 2.
(Ec. 2)
Donde:
= Velocidad medio del flujo (m/s).
45
= Número de vueltas por segundo de la elipse.
En el caso de algunas quebradas en donde era imposible utilizar el correntómetro
debido a la poca profundidad se determino la velocidad media por el método del
flotador.
4.2.3. Estaciones de monitoreo y tramos de simulación
Las estaciones de monitoreo utilizadas para la calibración del modelo QUAL2K
fueron establecidas por el método del Centroide (MINISTERIO DE DESARROLLO
SOCIAL Y MEDIO AMBIENTE, Argentina, 1996), el cual se basa en la cantidad y
orden de los tributarios que llegan desde un punto determinado hasta la
desembocadura de un río. Para el caso del Río Manzanares se aplico desde la
cabecera hasta la desembocadura obteniendo una primera jerarquización que
estableció una estación de monitoreo sobre el Puente de la Troncal. Para la
segunda jerarquización se estableció una estación de monitoreo en el puente de la
Avenida del Ferrocarril. Adicionalmente se ubico una estación de monitoreo aguas
abajo de la afluencia de la quebrada y otra en la desembocadura del Río
Manzanares.
El método del Centroide tiene como condición limitante los caudales de los
tributarios que descargan sobre el río en estudio, si el valor aportado por un
tributario es menor a 1.5 m3/s este no se incluye en la metodología. Teniendo en
cuenta que los aportes de las quebradas afluentes sobre el Río Manzanares no
sobrepasan el valor limitante en la mayo parte del año (excepto la quebrada
Matogiro donde su caudal es superior a 1.5 m3/s) y a la escala de la cuenca, esta
46
metodología fue aplicada a fin de establecer las estaciones de monitoreo con
criterio técnico.
Se establecieron tramos de simulación a lo largo de la sección en estudio del Río
Manzanares de acuerdo a las descargas confluidas sobre este y las
características hidráulicas, obteniendo un total de 7 tramos (Figura 10).
47
DESCARGAS DE LOS BARRIOS LAS MALVINAS, LAS VEGAS Y LA AV DEL RIO
K 1 + 050
CABECERA - BONDA1
2
3
4
5
6
7
DESEMBOCADURA
QUEBRADA MATOGIRO
CAÑO DE A.R.D - BONDA
QUEBRADA VERACRUZ
QUEBRADA MOJADA
QUEBRADA SECA
QUEBRADA TAMACA
K 1 + 925
K 4 + 075
K 4 + 450
K 4 + 950
K15 + 075
K17 + 750
K 0 + 000
DESCARGAS DEL BARRIO PUERTO MOSQUITO
Figura 10. Tramos de simulación.
48
5. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE SIMULACIONES
5.1. Inventario de fuentes puntuales y quebradas
En la Tabla 11 se muestra el inventario de fuentes de descargas puntuales,
puntos de extracción y afluentes, levantados mediante un recorrido desde la
desembocadura hasta la parte más alta del área de estudio sobre el río
Manzanares.
En total se encontraron seis (6) fuentes puntuales o puntos de entrada de
contaminación al río Manzanares. Este número que resulta relativamente bajo se
hace más significante al observar el grado de deterioro que presenta el río, sin
embargo esto se puede explicar por el echo de que las principales fuentes de
contaminación están representadas por las descargas de aguas residuales
domesticas, las cuales para efecto de la presente investigación no se designaron
como fuentes puntuales, si no como fuentes difusas. A continuación se describen
cada una de los puntos de afluencia encontrados en el tramo que se simuló la
calidad del agua.
49
Tabla 11. Inventario de fuentes puntuales y quebradas.
LOCALIZACIÓN NOMBRE DE LA FUENTE
TIPO DE FUENTE N W
LOCALIZACIÓN (Km)
Quebrada Matogiro Quebrada 11° 14’ 15’’ 74° 07’ 06’’ 1.05
Caño de ARD en Bonda Puntual 11° 14’ 24’’ 74° 07’ 39’’ 1.925
Quebrada Veracruz Quebrada 11° 14’ 26’’ 74° 08’ 28’’ 4.075
Quebrada mojada Quebrada 11° 14’ 14’’ 74° 08’ 49’’ 4.45
Quebrada seca Quebrada 11° 14’ 08’’ 74° 08’ 58’’ 4.95
Quebrada Tamacá Quebrada 11° 13’ 48’’ 74° 12’ 27’’ 15.075
5.1.1. Punto de afluencia Quebrada Matogiro.
Es la primera quebrada que se encuentra aguas abajo del punto escogido como
cabecera en la investigación, la quebrada Matogiro desemboca en el río
Manzanares a 1.05 km de este punto, este sitio de afluencia se encuentra ubicado
a 11º 14’ 15’’ de latitud norte y 74º 7’ 6’’ de longitud oeste, a escasos cien (100)
metros aguas abajo del puente de Bonda. La quebrada esta tributando agua
continuamente al río Manzanares tanto en época de invierno como en verano, al
contrario de lo que sucede con otros tributarios. Esta quebrada durante el invierno
presenta caudales cercanos a 1 m3 y en el verano es de 0.4 m3
aproximadamente, convirtiéndose en el afluente que aporta el mayor caudal al río
Manzanares en su parte baja.
50
El agua de la quebrada Matogiro es de aspecto limpio, sin embargo presenta un
poco de contaminación derivado de algunas porquerizas y criaderos de pollos que
descargan aguas residuales generadas en esta clase de explotaciones pecuarias.
En la mayoría de los casos las descargas de estas aguas residuales no se hacen
directamente sobre el cuerpo hídrico, si no sobre suelos cercanos a la quebrada,
pero finalmente estas aguas escurren hasta llegar a su lecho. No obstante la
quebrada desemboca al río Manzanares con un Oxigeno Disuelto (OD) de 6.45
mg/l durante época de estiaje; valor cercano a 8 mg/l que es el nivel de saturación,
esto es originado seguramente por el lecho rocoso que presenta el cuerpo hídrico
que aumenta la aireación del agua.
5.1.2. Punto de afluencia caño de aguas residuales domésticas en Bonda.
Ubicado a 1.9 km aguas abajo del punto más alto de simulación. Este pequeño
riachuelo aporta un caudal aproximado de 0.2 m3/s al río Manzanares en invierno,
siendo este uno de los tributarios más contaminados por que recolecta aguas
grises de una urbanización en el caserío de Bonda. Durante el verano el caño no
se seca debido a las descargas de aguas grises, el agua tiene turbidez alta por la
presencia de jabones y detergentes, presenta niveles de OD bajos (cercanos a 3
mg/l) y una DBO aproximada de 50 mg/l.
5.1.3. Punto de afluencia quebrada Veracruz
El río Manzanares luego de pasar por el caserío de Bonda, posee un tramo de
aproximadamente 2.1 Km donde no presenta descargas de agua dirigidas hacia
el. En el Km 4.1 aguas abajo del punto inicial se encuentra la quebrada Veracruz.
51
Aunque el agua de esta es de aspecto cristalino, presenta un olor desagradable
producido presumiblemente por la descarga de aguas residuales de la planta
procesadora de pollo HUCANA. Durante el verano la quebrada puede llegar a
secarse, mientras en periodo de lluvias se registró un caudal de 20 l/s. El oxígeno
disuelto es de alrededor de 6 mg/l y la DBO es de 30 mg/l aproximadamente, lo
que demuestra que el cuerpo tiene algún grado de contaminación.
5.1.4. Punto de afluencia quebrada Mojada
Ubicada a los 4.45 km desde el tramo inicial, es un afluente relativamente grande
con un caudal aproximado de 180 l/s en periodo de lluvias. Este reviste gran
importancia por que es el cuerpo hídrico que pasa con mayor aproximación al
antiguo botadero de basuras de Veracruz y es probable que una pequeña parte de
los lixiviados producidos al interior de este escurran hasta llegar al lecho de la
quebrada contaminándola.
5.1.5. Punto de afluencia quebrada Seca
Es uno de los afluentes que aporta mayor caudal al río Manzanares. Se registró un
caudal de 223 l/s en periodo de invierno. También presenta problemas de
contaminación reflejados en una DBO de 25 mg/l y OD de 4.5 mg/l en promedio.
52
5.1.6. Punto de afluencia quebrada Tamacá.
La quebrada Tamacá se puede considerar como una fuente puntual de
contaminación ya que esta recolecta aguas residuales de algunas viviendas
ubicadas en los barrios El minuto de Dios, La Lucha y Curínca, que luego
desembocan al río Manzanares. Además de transportar aguas residuales
domésticas la quebrada Tamacá recolecta grandes cantidades de residuos sólidos
a su paso por los diferentes barrios mencionados anteriormente, los residuos
sólidos son arrastrados hasta el cause del río Manzanares y finalmente a la bahía
de Santa Marta. Durante el verano este riachuelo puede llegar a secarse mientras
en invierno pude tener un caudal bastante alto.
5.2. Inventario de fuentes difusas.
Durante la inspección del tramo a simular se establecieron dos fuentes difusas, las
cuales se muestran en la Tabla 12 Estas corresponden a los trayectos donde
ocurren las descargas de aguas residuales domésticas, las cuales son muy
difíciles de identificar individualmente en lo referente a su localización y caudal,
mientras agrupándolas es más fácil de ubicarlas espacialmente y de calcular su
caudal. Para esto último se contó el número de viviendas y se efectuó el cálculo, a
las cuales sele asignó una dotación neta de 150 l/hab/d y un coeficiente de retorno
del 5%.
53
54
Tabla 12. Inventario de fuentes difusas
LOCALIZACIÓN DESDE HASTA NOMBRE
N W N W CA
UD
AL
(m3 /s
)
DB
O
(mg/
l)
OD
(mg/
l)
pH
Difusa 1 11°13’57’’ 74°10’45’’ 11°13’52’’ 74°12’5’’ 0.1 180 2 7.3
Difusa 2 11°14’14’’ 74°13’01’’ 11°14’20’’ 74°13’25’’ 0.01 180 2 7.3
La primera fuente difusa empieza en el barrio las Malvinas y se extiende aguas
abajo hasta el puente ubicado sobre la avenida del ferrocarril.
La segunda fuente difusa se inicia en el puente de la cuarta y termina en la
desembocadura del río en la bahía de Santa Marta. Para las simulaciones se
utilizaros valores de OD, DBO y pH correspondientes a aguas residuales
doméstica típicas.
5.3. Inventario de puntos de extracción.
En la Tabla 13 se muestran los (2) dos puntos de extracción que se ubicaron
durante el desarrollo de la presente investigación. Estos puntos corresponden a
estructuras que fueron construidas sobre el lecho del río Manzanares con el fin de
aumentar la recarga del acuífero de Santa Marta. Los datos de los caudales fueron
proporcionados por METROAGUA empresa que presta el servicio de acueducto y
alcantarillado en la ciudad. Tabla 13. Inventario de puntos de extracción
NOMBRE LOCALIZACIÓN AGUAS ABAJO (Km) CAUDAL (m3/s)
Recarga 1 10.30 0.17 Recarga 2 10.93 0.17
5.4. Resultados de mediciones de campo de las condiciones actuales de la calidad del agua del Río Manzanares.
5.4.1. Calibración del modelo.
La primera campaña de muestreo se realizó durante el mes de Julio de 2005,
época durante la cual se presentó sequía.
5.4.1.1. Caracterización de la calidad del agua en la frontera aguas arriba.
Las condiciones de frontera del modelo se ubicaron en la bocatoma del acueducto
de Santa Marta. Para la caracterización de este punto se tomaron 24 muestras de
agua (una cada hora durante un día) a las cuales se le midieron algunos
parámetros in sítu (OD, pH y conductividad) y posteriormente fueron llevadas al
laboratorio para determinación de DBO. Los resultados de la caracterización de
este punto se presentan en la Tabla 14..
55
Tabla 14. Resultados de los parámetros medidos en el punto más alto de simulación (Julio de 2005).
HORA DE MUESTREO OD (mg/l) DBO (mg/l) CONDUCTIVIDAD
(umhos) pH
12:00 AM 7.55 3.3 165 7.29 1:00 AM 7.55 3.4 162 7.3 2:00 AM 7.56 3.46 160 7.29 3:00 AM 7.56 3.4 160 7 4:00 AM 7.55 3.48 163 7.3 5:00 AM 7.55 3.55 164 7.3 6:00 AM 7.54 3.53 166 7.3 7:00 AM 7.53 3.58 166 7.3 8:00 AM 7.51 3.61 166 7.3 9:00 AM 7.5 3.61 166 7.3
10:00 AM 7.52 3.64 167 7.26 11:00 AM 7.5 3.64 166 7.28 12:00 PM 7.51 3.67 168 7.31 1:00 PM 7.5 3.68 167 7.3 2:00 PM 7.49 3.68 168 7.3 3:00 PM 7.48 3.68 168 7.28 4:00 PM 7.5 3.7 167 7.29 5:00 PM 7.5 3.64 166 7.31 6:00 PM 7.51 3.63 164 7.3 7:00 PM 7.53 3.61 165 7.31 8:00 PM 7.54 3.59 164 7.3 9:00 PM 7.55 3.51 165 7.31
10:00 PM 7.55 3.51 165 7.29 11:00 PM 7.55 3.5 165 7.29 11:00 PM 7.55 3.5 165 7.29 MÁXIMO 7.56 3.7 168 7.31 MÍNIMO 7.48 3.3 160 7
PROMEDIO 7.53 3.57 165.13 7.28
Se encontraron niveles de concentración de DBO similares a las reportadas en la
literatura para aguas naturales superficiales con baja intervención antrópica, lo que
confirma que la mayor parte de la contaminación del río Manzanares es producida
en la parte baja cuando este atraviesa la ciudad de Santa Marta. Los valores
reportados en la Tabla 14, presentan un valor mínimo de OD de 7.48 mg/l medido
a las 3:00 p.m.
56
5.4.1.2. Caracterización de la calidad del agua en los afluentes
Para caracterizar los efluentes se tomaron muestras puntuales a las cuales se les
midieron los diferentes parámetros considerados en la investigación. Los
resultados de estas determinaciones se muestran en la Tabla 15. La ausencia de
datos en la quebrada Tamacá se debió a que esta se encontraba sin flujo en la
época en que se llevó a cabo el muestreo.
Tabla 15. Caracterización de parámetros de los afluentes (Julio de 2005).
NOMBRE LOCALIZACIÓN (Km)
CAUDAL (m3/s)
CONDUCT (umhos)
OD (mg/l)
DBO (mg/l) pH
QuebradaMatogiro 1.05 0.4 383 6.45 5.2 7.5
Q ARD Bonda 1.93 0.2 367 3.1 50.1 7.25
Quebrada Veracruz 4.75 0.02 552 6.55 3.53 7.42
Quebrada Mojada 4.45 0.183 625 6.5 18 7.7
Quebrada Seca 4.95 0.223 178 4.5 25.2 7.4
Quebrada Tamacá 15.08 0 - - - -
Los resultados de esta caracterización dejan ver que a la altura de Bonda (Km
1.93) se aporta un alto grado de contaminación ya que el registro de OD es el
más bajo (3.1 mg/l). Cabe resaltar que este aporte se hace principalmente por
vertimiento de aguas grises sin previo tratamiento.
57
5.4.1.3. Caracterización de la calidad del agua en las estaciones de monitoreo.
En las cuatro (4) estaciones seleccionadas se tomaron muestras instantáneas,
además del aforo del caudal del río. La información recopilada en las estaciones
de monitoreo se presenta en Tabla 16. Esta fue utilizada para la calibración del
modelo.
Tabla 16. Caracterización de la calidad del agua en cuatro (4) estaciones de monitoreo a lo largo del tramo simulado. (Julio de 2005).
LOCALIZACIÓN (Km)
COND (UMHOS) OD (mg/l) DBO (mg/l) PH
2.78 266 6 20 7.1 4.55 375 6 15 6.8 13.9 420 5 24 7.2 17.5 600 3 25 7.1
En la primera estación de monitoreo (Kilómetro 2.78) los valores de OD y DBO se
reflejan aporte de poca contaminación orgánica, a medida que el río avanza hacia
la desembocadura la calidad del agua va disminuyendo hasta alcanzar valores
desfavorables como se puede observar en la última estación (Kilómetro 17.50,
según los datos reportados en laTabla 16) de monitoreo donde la OD alcanzó un
valor de tan solo 3 mg/l.
5.4.1.4. Calibración del modelo QUAL2K
Para aplicar el modelo se halló el RMS (error de la raíz media cuadrática), con el
fin de establecer el error entre lo simulado y lo obtenido en campo. El modelo se
consideró calibrado cuando fue inferior al 5% del valor medio en campo. El RMS
se calculó para la DBO y OD. Para la OD fue de 0.197 mg/l. Que corresponde al
4.1% del valor medio del dato obtenido en campo (4.825 mg/l). Para la DBO se
58
obtuvo un RMS de 0.87 mg/l, equivalente al 4.5% del valor medio de los datos de
las mediciones de campo (19.4 mg/l).
5.4.2. Datos para verificación del modelo
Se llevó a cabo con los datos recolectados durante el mes de mayo de 2006,
periodo durante el cual se presentaron algunas lluvias. Se recolectó la misma
información que en la primera campaña de muestreo y con la misma metodología.
Los resultados de la caracterización de la calidad del agua en la frontera aguas
arriba, en los afluentes y en las estaciones de monitoreo se presentan en las
Tablas 17, 18 y 19 respectivamente.
59
Tabla 17. Resultados de los parámetros medidos en la frontera aguas arriba (Mayo de 2006)
HORA DE MUESTREO
OD (mg/l)
DBO (mg/l) CONDUCTIVIDAD (umhos) pH
12:00 a.m. 7.5 5.6 164 7.3 01:00 a.m. 7.52 6.8 160 7.4 02:00 a.m. 7.55 5.4 160 7.3 03:00 a.m. 7.56 5.2 160 7 04:00 a.m. 7.53 5.2 162 7.4 05:00 a.m. 7.54 5.6 163 7.3 06:00 a.m. 7.55 6.5 167 7.2 07:00 a.m. 7.5 6.4 166 7.2 08:00 a.m. 7.51 6.8 166 7.2 09:00 a.m. 7.51 6.4 166 7.3 10:00 a.m. 7.5 6.9 167 7.3 11:00 a.m. 7.5 7.3 167 7.2 12:00 p.m. 7.52 7.2 168 7.2 01:00 p.m. 7.56 6.8 167 7.2 02:00 p.m. 7.49 6.1 168 7.28 03:00 p.m. 7.45 6.15 168 7.31 04:00 p.m. 7.56 6.08 168 7.4 05:00 p.m. 7.51 6.01 166 7.3 06:00 p.m. 7.51 6.0 166 7.29 07:00 p.m. 7.53 6.01 165 7.25 08:00 p.m. 7.54 6.0 164 7.3 09:00 p.m. 7.55 6.2 165 7.31 10:00 p.m. 7.55 5.6 165 7.3 11:00 p.m. 7.55 5.5 165 7.3 11:00 p.m. 7.54 5.5 167 7.3 MÁXIMO 7.56 7.3 168 7.4 MÍNIMO 7.45 5.2 160 7
PROMEDIO 7.52 6.16 165.13 7.27
60
Los datos colectados en la frontera aguas arriba para esta segunda campaña se
asemejan bastante a los colectados durante la primera campaña de muestro. los
valores de cada uno de los parámetros muestreados son similares a las
reportadas en la literatura para aguas naturales superficiales con baja intervención
antrópica
Tabla 18. Caracterización de parámetros de los afluentes (Mayo de 2006).
NOMBRE LOCALIZACIÓN (Km)
CAUDAL (m3/s)
CONDUT (umhos)
OD (mg/l)
DBO (mg/l) pH
Quebrada Matogiro 1.05 0.78 293 5.22 5.2 7.1
Q. ARD Bonda 1.93 0.015 392 2.23 55.23 7.25
Quebrada Veracruz 4.75 0.01 365 5.18 25.18 7.42
Quebrada Mojada 4.45 0.06 421 4.95 15.95 7.7
Quebrada Mojada 4.95 0.05 256 5.6 5.92 7.4
Quebrada Tamacá 15.08 0.03 526 0.24 92.24 6.7
En esta segunda campaña de muestreo se observó nuevamente que a la altura de
Bonda (Kilómetro 1.93) es localizada la fuente de mayor contaminación. Como se
puede observar en la Tabla 18 en este unto se reportó la OD más baja (2.23 mg/l),
y la DBO más alta (55.23), esto debido a que la mayor parte del agua que drena
por este pequeño arrollo son aguas grises provenientes del algunas
urbanizaciones.
61
Tabla 19. Caracterización de la calidad del agua en cuatro estaciones de monitoreo a lo largo del tramo simulado. (Mayo de 2006).
LOCALIZACIÓN (Km)
CONDUCT (umhos) OD (mg/l) DBO (mg/l) pH
2.78 266 7 5 7.1 4.55 375 7 4 6.8 13.9 420 6 13 7.2 17.5 600 5 14 7.1
Como era de suponerse los resultados mostrados en la Tabla 19 manifiestan un
aumento de la DBO a medida que avanzamos aguas abajo por el río y una
disminución en los niveles de OD. Lo que significa mayor contaminación a medida
que nos acercamos a ala desembocadura.
5.4. Verificación del modelo QUAL2K
Para verificar el modelo se simuló la calidad el agua del Río Manzanares con
datos de la segunda campaña de muestreo. El acercamiento entre los datos
simulados y medidos se estableció mediante el RMS. Para la verificación se
tomaron las mismas tasas de reaireación y de demanda béntica de oxígeno pero
con datos de una época diferente del año. El error encontrado al comparar los
datos simulados con los medidos fue relativamente bajo, por tanto a juicio de los
modeladores el modelo QUAL2K para el río Manzanares se consideró calibrado,
validado y verificado. Para la OD el error calculado fue de 0.23 mg/l (porcentaje %)
y para la DBO fue de 0.66 mg/l (porcentaje %).
5.5. Simulaciones de la Calidad del agua del Río Manzanares (modelo QUAL2K).
62
5.5.1. Oxígeno Disuelto.
En las Figuras 11 y 12 se muestran los resultados de las simulaciones de OD en
época de invierno y sequía respectivamente. En estas se aprecian los resultados
de las simulaciones y las mediciones, e igualmente se puede observar la variación
espacial de la concentración de oxígeno disuelto. Para este cuerpo hídrico que en
la parte alta de su cuenca presenta altas pendientes con aguas muy turbulentas
inicia su descenso con una concentración de OD de 7.5 mg/l, cercano al nivel de
saturación (8.5 mg/l) a medida que pasa por Santa Marta el OD disminuye debido
a las descargas de aguas residuales. Para el periodo de verano la OD empieza a
disminuir cuando el río pasa por el corregimiento de Bonda, Desde el Km 4 hasta
el puente de Mamatoco (Km 10) el río sufre un proceso de auto purificación debido
principalmente al lecho rocoso de este, que aumenta la reaireación y la ausencia
de descargas de desechos líquidos. Del Km 10 hacia abajo, en ambos periodos, el
Oxígeno Disuelto empieza a disminuir debido a las continuas descargas de aguas
residuales domésticas, siendo el punto más critico la desembocadura del río
donde la OD alcanza un valor de 4.5 mg/l en periodo de invierno y de 3 mg/l en
verano.
Aunque en ambos periodos el comportamiento de las curvas es similar, al
comparar la grafica del déficit versos la distancia (Figura 13) en los dos (2)
periodos podemos diferenciar entre las dos (2) condiciones. El mayor déficit se da
cerca de la desembocadura, sin embargo en época de invierno el déficit es un
poco menor debido a que el caudal es mayor y por consiguiente el proceso de
dilución es más favorable.
63
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
024681012141618
Distancia (Km)
OD
(mg/
l)
OD (mg/l) OD (mg/l) Dato de campo OD sat
Figura 11. Simulación de Oxígeno Disuelto del Río Manzanares (invierno).
64
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
024681012141618
Distancia (Km)
OD
(mg/
l)
OD (mg/l) OD (mg/l) Dato de campo OD sat
Figura 12. Simulación de Oxígeno Disuelto del Río Manzanares (verano).
65
5.5.2. Demanda Biológica de Oxígeno.
Las figuras 14 y 15 muestran las variaciones longitudinales de la DBO tanto en
periodo de verano como invierno.
Con la DBO acontece algo similar a lo reportado para el OD. El comportamiento
de las curvas son similares para ambas simulaciones, pero en periodo de verano
la DBO es mayor, la cual alcanza un valor de 24 mg/l mientras en periodo de
invierno llaga hasta los 15 mg/l. Esto también se explica por el hecho de que en
periodo de lluvias el caudal es mayor y por tanto también la dilución de cualquier
contaminante en el agua. El punto más crítico de contaminación sigue siendo el
último Kilómetro, lo cual indica que en el momento no hay condiciones suficientes
para que el río pueda auto recuperarse dadas las condiciones de vertimientos
continuos (en el espacio y tiempo) de aguas residuales domésticas sin ningún tipo
de tratamiento, lo cual se refleja en las curvas de OD y DBO. A partir del Km 10
siempre hay una tendencia de aumento de la DBO y disminución de la OD.
66
0
1
2
3
4
5
6
024681012141618
Distancia (Km)
Déf
icit
de O
D (m
g/l)
Déficit de OD (mg/l) inv Déficit de OD (mg/l) ver
Figura 13. Condiciones de oxígeno en el Río Manzanares en invierno y verano.
67
0
5
10
15
20
25
30
024681012141618
Distancia (Km)
DB
O (m
g/l)
DBO (mg/l) DBO (mg/l) Dato de campo
Figura 14. Simulación de Demanda Biológica de oxígeno del Río Manzanares (verano).
68
0
2
4
6
8
10
12
14
16
024681012141618
Distancia (Km)
DB
O (m
g/l)
DBO (mg/l) DBO (mg/l) Dato de campo
Figura 15. Simulación de Demanda Biológica de oxígeno del Río Manzanares (invierno).
69
5.6. Simulación de escenarios y capacidad de autodepuración.
Luego de calibrar y verificar el modelo se establecieron escenarios y opciones de
saneamientos donde se comparan las condiciones actuales con condiciones
supuestas con miras a examinar alternativas que minimicen la contaminación de
las aguas. En total se elaboraron cinco (5) escenarios de simulación. El primer
escenario de simulación se implementó con la ausencia de carga contaminante en
la quebrada Matogiro, para determinar el efecto individual de este afluente del río
Manzanares; El segundo escenario se elaboró bajo el supuesto de la ausencia de
contaminación en la pequeña quebrada que se encuentra a la altura del
corregimiento de Bonda, cuyas aguas son contaminadas constantemente con
aguas grises; En el tercer escenario se observó el efecto conjunto de las cargas
contaminantes de las dos (2) fuentes anteriores, en el cuarto escenario se evaluó
la influencia sobre la calidad del Río Manzanares de las descargas de aguas
residuales domésticas en la parte urbanizada y en el ultimo escenario se analizó
el efecto sobre la calidad del agua del Río Manzanares de las dos (2) extracciones
que se le hacen a este para la recarga artificial del acuífero de Santa Marta. Para
efectos de simplificación en cada uno de los escenarios solo se muestran en este
documento los resultados de la simulación de Oxígeno Disuelto (OD).
5.6.1. Escenario 1. Calidad del agua del Río Manzanares sin carga contaminante en la Quebrada Matogiro.
Las Figuras 16 y 17 muestran el resultado de la simulación en periodo de verano e
invierno de la OD en el caso hipotético que no existiera carga contaminante en la
Quebrada Matogiro. La línea negra representa la OD real (simulación actual) y la
línea roja representa la OD del escenario. Para ambos periodos las gráficas
70
muestran que a partir del punto en el cual la quebrada Matogiro tributa sus aguas
al Río Manzanares (Kilómetro 1.05), la línea roja se sobrepone a la línea negra, lo
que quiere decir que bajo las condiciones actuales al realizar el balance de masas
una vez efectuada la mezcla de aguas de los dos (2) canales, la OD del canal
principal (Río Manzanares) disminuye por la influencia de la concentración de OD
y el caudal del canal secundario (quebrada Matogiro). Para periodo de verano el
escenario muestra que al aumentar la OD de 5.22 mg/l (real) a 8.5 mg/l (valor
utilizado para el escenario) se mejoraría la calidad del agua del Río Manzanares.
Este mejoramiento de la calidad del agua del Río Manzanares se daría desde el
Kilómetro 1.05 (Punto de mezcla) hasta el Kilómetro 9 en periodos de verano,
mientras que en periodos de lluvia el efecto se notaría desde el punto de mezcla
hasta la desembocadura del Río Manzanares en la bahía de Santa Marta. El
efecto es mayor y más prolongado en periodo de invierno que en periodo de
verano por que el caudal de la quebrada Matogiro es mayor en tiempos de lluvias
(0.78 m3/s) que en verano (0.4 m3/s) y por tanto en el primer caso el proceso de
dilución es más favorable.
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Distancia (Km)
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OD (mg/l) Escenario 1 OD sat OD (mg/l) Real
Figura 16. Escenario 1. OD del río Manzanares sin la influencia de la carga contaminante de la quebrada Matogiro. (Periodo de verano).
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024681012141618
Distancia (Km)
OD
(mg/
l)
OD Escenario 1 (mg/l) OD sat OD (mg/l) Real
Figura 17. Escenario 1. OD del río Manzanares sin la influencia de la carga contaminante de la quebrada Matogiro. (Periodo de invierno).
73
5.6.2. Escenario 2. Calidad del agua del Río Manzanares sin la influencia de la carga contaminante aportada por la quebrada con ARD a la altura del corregimiento de Bonda.
El modelo calibrado y validado con datos de campo se utilizó para simular la
calidad del agua del río Manzanares bajo el supuesto de la eliminación de la carga
contaminante de la quebrada con aguas residuales domésticas que ingresa al río
manzanares a la altura del corregimiento de Bonda, Km 1.93 del tramo simulado.
Los resultados arrojados por el modelo se muestran gráficamente en las Figuras
18 y 19, en estas se comparan el escenario frente a la situación real en periodo
de verano e invierno. La línea negra representa la variación espacial de la OD real,
mientras la amarilla representa la misma variación pero sin la carga contaminante
aportada por el afluente. En la Figura 18(periodo de verano), podemos observar
claramente como la línea roja siempre está por encima de la línea negra una vez
se produce la mezcla de los dos (2) cuerpos hídricos por lo cual podemos
establecer que la carga contaminante de la pequeña quebrada esta afectando la
calidad del agua del Río Manzanares en periodos de verano. Durante el invierno
(Figura 19) las dos (2) líneas son semejantes lo que quiere decir que en este caso
la carga contaminante de la quebrada se diluye casi totalmente en las aguas del
Río Manzanares dado a que el caudal de este último es mucho mayor que el de la
pequeña quebrada en esta época del año.
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Distancia (Km)
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OD Escenario 2 (mg/l) OD sat OD (mg/l) Real
Figura 18. Escenario 2. OD del río Manzanares sin la influencia de la carga contaminante aportada por la quebrada con ARD a la altura del corregimiento de Bonda. (Periodo de verano).
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Distancia (Km)
OD
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OD Escenario 2 (mg/l) OD sat OD (mg/l) Real
Figura 19. Escenario 2. OD del río Manzanares sin la influencia de la carga contaminante aportada por la quebrada con ARD a la altura del corregimiento de Bonda. (Periodo de invierno).
76
5.6.3. Escenario 3. OD del Río Manzanares sin la carga contaminante de las quebradas Matogiro y la quebrada con ARD a la altura de Bonda.
Este tercer escenario se construyó para evaluar el efecto combinado de las dos (2)
fuentes puntuales cuyos efectos individuales se estudiaron en los dos (2)
primeros escenarios. En este escenario se utilizó el modelo del QUAL2K calibrado
y verificado con datos de campo para simular la calidad del río Manzanares
suprimiendo las cargas contaminantes de las dos primeras fuentes puntuales (la
quebrada Matogiro y la quebrada con ARD de Bonda). Los resultados de dicha
simulación se presentan tanto para verano como invierno en las figuras 20 y 21
respectivamente.
Para ambos periodos del año el escenario muestra que al no estar contaminadas
las dos quebradas, se produciría un pequeño aumento en el nivel de OD en el río,
aunque un poco más marcado en periodo de sequía que en el invierno. No
obstante a que se refleja un mejoramiento de la calidad del agua del río siempre
hay una tendencia de disminución de la OD en la parte más baja (después del
Kilómetro 10) debido al vertimiento de aguas residuales domésticas.
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Distancia (Km)
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OD Escenario 3 (mg/l) OD sat OD (mg/l) Real
Figura 20. Escenario 3. OD del Río Manzanares sin la carga contaminante de las quebradas Matogiro y la quebrada con ARD a la altura de Bonda. (Periodo de verano).
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Distancia (Km)
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OD Escenario 3 (mg/l) OD sat OD (mg/l) Real
Figura 21. Escenario 3. OD del Río Manzanares sin la carga contaminante de las quebradas Matogiro y la quebrada con ARD a la altura de Bonda. (Periodo de invierno).
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5.6.4. Escenario 4. OD del Río Manzanares sin vertimiento de ARD a partir del barrio Mamatoco hacia abajo.
Este escenario de simulación se construyó suponiendo que se eliminaran las
descargas de aguas residuales domésticas, lo cual podría ser cierto si se
reubicaran a las personas que viven en la margen del río para respetar los retiros
de desde el cauce y si además se mejora la cobertura del sistema de
alcantarillado en la riveras del rió Manzanares. Bajo este supuesto se corrió el
modelo calibrado y verificado previamente con datos de campo. Los resultados de
la simulación para la OD se presentan en las figura 22 (periodo de verano) y figura
23 (periodo de invierno). Se puede observar en ambas gráficas como se
autorecupera el río. La línea roja (escenario) tiene una tendencia a aumentar
buscando el nivel de saturación (línea azul punteada), caso contrario acontece con
la curva negra (OD real) que tiene una tendencia a disminuir dado el continuo
vertimiento de aguas residuales domésticas. El escenario demuestra que estos
vertimientos en la parte baja (Kilómetro 10 en adelante) del río Manzanares,
influyen drásticamente sobre la calidad de las aguas de este.
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Distancia (Km)
OD
(mg/
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OD Escenario 4 (mg/l) OD sat OD (mg/l) Real
Figura 22. Escenario 4. OD del Río Manzanares sin vertimiento de ARD a partir del barrio Mamatoco hacia abajo. (Periodo de verano).
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OD Escenario 4 (mg/l) OD sat OD (mg/l) Real
Figura 23. Escenario 4. OD del Río Manzanares sin vertimiento de ARD a partir del barrio Mamatoco hacia abajo. (Periodo de invierno).
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5.6.5. Escenario 5. Ausencia de extracciones de agua para recarga artificial del acuífero de Santa Marta.
El resultado de la simulación de este escenario, en periodo de verano, se presenta
de forma gráfica en la figura 24 y para periodo de invierno en la figura 25. La curva
de color negro representa la variación real de la OD respecto al espacio y la curva
rojo representa la misma variación pero en el caso de la anulación de las dos
extracciones. Tanto para invierno como verano podemos ver que lo OD del río
aumentaría si no se extrae agua del río para la recarga artificial del acuífero de
Santa Marta.
En este escenario en época de verano (figura 24), se observa que a partir del Km
10 aproximadamente la curva de color rojo (escenario) está por encima de la de la
OD real y a la altura de la desembocadura la gráfica muestra que de no extraer
agua para la recarga artificial del acuífero de Santa Marta la OD podría ser de 3.7
mg/l o dicho con otras palabras 0.6 mg/l más de OD que lo que hay actualmente.
Para el caso de invierno el comportamiento es muy similar sin embargo sería un
poco menos notorio ya que solo habría un aumento de OD de tan solo 0.2 mg/l..
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Distancia (Km)
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OD Escenario 5 (mg/l) OD sat OD (mg/l) Real
Figura 24. Escenario 5. Evaluación de la influencia de las extracciones de agua para la recarga artificial del acuífero de Santa Marta sobre la calidad del agua del río Manzanares. (Periodo de verano).
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Distancia (Km)
OD
(mg/
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OD Escenario 5 (mg/l) OD sat OD (mg/l) Real
Figura 25. Escenario 5. Evaluación de la influencia de las extracciones de agua para la recarga artificial del acuífero de Santa Marta sobre la calidad del agua del río Manzanares. (Periodo de invierno).
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6. CONCLUSIONES Y DISCUSIONES
La aplicación del modelo QUAL2K (calibrado y validado con datos de campo) para
la simulación de la calidad del agua del Río Manzanares se utilizó para predecir
las condiciones de OD de este cuerpo hídrico bajo cinco (5) condiciones o
escenarios diferentes. El primero de ellos nos permitió evaluar la capacidad de
autodepuración del río Manzanares en el caso de no existir carga contaminante en
la quebrada Matogiro, en el segundo escenario se simuló el comportamiento de
OD en el río Manzanares de no existir carga contaminante en la quebrada con
aguas residuales domésticas a la altura del corregimiento de Bonda, en el tercer
escenario se visualizó el efecto conjunto de las dos (2) quebradas de los
anteriores escenarios, en el cuarto escenario se evaluó el efecto del vertimiento de
ARD en la parte más baja del río y por ultimo en un quinto escenario se demostró
que existe una influencia sobre la calidad del agua del río Manzanares por la
extracción de agua de este cuerpo hídrico para la recarga artificial del acuífero de
la ciudad de Santa Marta. De los resultados obtenidos de estos escenarios los
autores de esta investigación concluyen:
El vertimiento de aguas residuales domésticas a partir del Kilómetro 10 de
simulación (las cuales para efectos de este trabajo se ingresaron al modelo como
fuentes difusas), son la mayor causa de contaminación y de deterioro en la calidad
del agua del Río Manzanares. Por tanto si se diera la oportunidad de invertir
algunos recursos para la recuperación del Río, estos deben estar dirigidos a la
reubicación de las personas que se encuentran ubicadas en las zonas de
inundación que actualmente están vertiendo ARD sin ningún tipo de tratamiento al
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cuerpo hídrico y/o al mejoramiento de la infraestructura para recolectar e
interceptar las aguas residuales del sector evitando su vertimiento al río.
Las extracciones de agua que actualmente se están realizando del Río
Manzanares para la recarga artificial del acuífero de Santa Marta repercuten de
manera desfavorable sobre la calidad del agua de este cuerpo hídrico. Esto debido
a que al realizar las extracciones si disminuye el caudal del río y por tanto se
desmejora el proceso de dilución de los contaminantes en el agua. Sin embargo
debe considerarse que el río manzanares es una de las fuentes principales de
recarga del acuífero que surte el 70% del agua potable en la ciudad, por tanto no
se recomienda retirar las mismas.
El Río Manzanares en las condiciones actuales presenta un alto consumo de
oxígeno disuelto debido a las descargas naturales y de aguas residuales
domesticas, esta situación se presenta en la cuenca baja del río iniciándose a
partir de la población de Bonda hasta la desembocadura. Las características
hidráulicas, geométricas, topográficas y climáticas del río en su cuenca baja
imposibilitan una transferencia óptima de oxígeno limitando la capacidad de auto
depuración de las aguas. Este cuerpo superficial de agua en su zona de
producción posee aguas con características que lo sitúan como un cuerpo hídrico
sano (baja intervención antrópica), teniendo concentraciones promedios de DBO y
OD de 3.73 y 7.53 mg/l respectivamente.
El modelo de calidad de agua QUAL2K después de ser calibrado con datos de
campo se demostró confiabilidad ante las condiciones generales de río
presentando un error relativo del 3.7% de los datos simulados frente a los datos
medidos.
.
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Aunque en esta investigación se calibró el modelo QUAL2K para las condiciones
propias del río Manzanares este debe seguir comparándose y verificándose con
más datos de campo para disminuir el error a la hora de simular otros escenarios.
Para el mejoramiento del modelo QUAL2K se debe tener en cuenta el impacto de
los residuos sólidos urbanos que se arrojan continuamente y que generan un
consumo de oxígeno en su degradación por parte de la actividad bacteriana.
88
7. BIBLIOGRAFÍA
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QUAL2E Model of Zayandeh-Rood River. Water Environment Research, ProQuest
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Nombre de archivo: SIMULACIÓN DE LA CALIDAD DEL AGUA DEL RÍO MANZANARES UTILIZANDO EL MODELO QUAL2K.
Directorio: G:\Juan Carlos Plantilla: C:\Documents and Settings\Juan Carlos\Datos de
programa\Microsoft\Plantillas\Normal.dot Título: SIMULACIÓN DE LA CALIDAD DEL AGUA DEL RÍO
MANZANARES UTILIZANDO EL MODELO QUAL2K Asunto: Autor: Juan Carlos Palabras clave: Comentarios: Fecha de creación: 27/06/2002 0:17:00 Cambio número: 77 Guardado el: 27/06/2002 2:45:00 Guardado por: Juan Carlos Tiempo de edición: 238 minutos Impreso el: 27/06/2002 2:45:00 Última impresión completa Número de páginas: 91 Número de palabras: 15.006 (aprox.) Número de caracteres: 82.538 (aprox.)
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