DETERMINACIÓN DE LOS COEFICIENTES DE OXIGENACIÓN Y DESOXIGENACIÓN PARA LA CURVA DE COMPORTAMIENTO DE OXÍGENO DISUELTO EN EL RÍO FUCHA

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1 DETERMINACIÓN DE LOS COEFICIENTES DE OXIGENACIÓN Y DESOXIGENACIÓN PARA LA CURVA DE COMPORTAMIENTO DE OXÍGENO DISUELTO EN EL RÍO FUCHA JAVIER ANDRÉS ESCOBAR PINTOR NATALY MORENO DUEÑAS UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ D.C. 2016

2 DETERMINACIÓN DE LOS COEFICIENTES DE OXIGENACIÓN Y DESOXIGENACIÓN PARA LA CURVA DE COMPORTAMIENTO DE OXÍGENO DISUELTO EN EL RÍO FUCHA JAVIER ANDRÉS ESCOBAR PINTOR NATALY MORENO DUEÑAS Trabajo de Grado en la modalidad de Trabajo de Investigación para optar al título de Ingeniero Civil Director FELIPE SANTAMARÍA ALZATE Ingeniero Sanitario UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ D.C. 2016

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4 Nota de aceptación Firma. Presidente del jurado Firma Jurado Firma Jurado Bogotá D.C., Mayo de

5 CONTENIDO pág. INTRODUCCIÓN ANTECEDENTES JUSTIFICACIÓN Y DELIMITACIÓN OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL OBJETIVOS ESPECÍFICOS MARCO REFERENCIAL DESCRIPCIÓN DE LA CUENCA FUENTES DE CONTAMINACIÓN HÍDRICA MARCO JURÍDICO MARCO CONCEPTUAL COMPORTAMIENTO DE LAS SUSTANCIAS CONTAMINANTES EN EL MEDIO ACUÁTICO BALANCE DE OXíGENO COEFICIENTE DE DESOXIGENACIÓN CARBONÁCEA COEFICIENTE DE OXIGENACIÓN CURVA SAG METODOLOGÍA SELECCIÓN DE ESTACIONES PARÁMETROS HISTÓRICOS TRABAJO DE CAMPO CURVAS HIDRÁULICAS APLICACIÓN DE LOS MÉTODOS MATEMÁTICOS APLICACIÓN DEL MODELO DE STREETER Y PHELPS CALIBRACIÓN DEL PROGRAMA QUAL2K RESULTADOS CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFÍA ANEXOS

6 LISTA DE IMÁGENES pág. Imagen 1. Cuenca del río Fucha Imagen 2. Índice de calidad de agua WQI en el río Fucha Imagen 3. Ubicación de los puntos de monitoreo de la RCHB en el río Fucha

7 LISTA DE TABLAS pág. Tabla 1.Puntos de vertimiento en el Tramo 1 del río Fucha Tabla 2. Puntos de vertimiento en el Tramo 2 del río Fucha Tabla 3. Puntos de vertimiento en el Tramo 3 del río Fucha Tabla 4. Puntos de vertimiento en el Tramo 4 del río Fucha Tabla 5. Normatividad Ambiental Vigente en relación con el Recurso Hídrico Tabla 6. Objetivos de calidad del río Fucha año Tabla 7. Parámetros para la selección de ecuación en la determinación de la constante de oxigenación Tabla 8. Puntos de monitoreo de la RCHB en el río Fucha Tabla 9. Velocidades en el río Fucha (2006) Tabla 10. Registro de velocidades tomadas en campo y velocidades promedio Tabla 11. Registro de caudal, velocidad y área estaciones río Fucha (2006) Tabla 12. Registro de caudal y profundidad estaciones río Fucha (2009) Tabla 13. Registro de parámetros hidráulicos y de calidad del agua en las estaciones del río Fucha ( ) Tabla 14. Registro de parámetros hidráulicos y de calidad del agua en las estaciones del río Fucha ( ) (Continuación) Tabla 15. Parámetros hidráulicos y de calidad del agua promedio en las estaciones del río Fucha Tabla 16. Selección de método matemático para la determinación del coeficiente K Tabla 17. Coeficientes K1 y K2 de las estaciones por métodos matemáticos Tabla 18. Datos iniciales Tramo Tabla 19. Resultados de OD y DBO para el Tramo Tabla 20. Datos iniciales Tramo Tabla 21. Resultados de OD y DBO para el Tramo Tabla 22. Datos iniciales Tramo Tabla 23. Resultados de OD y DBO para el Tramo

8 Tabla 24. Datos iniciales Tramo Tabla 25. Resultados de OD y DBO para el Tramo Tabla 26. Datos iniciales Tramo Tabla 27. Resultados de OD y DBO para el Tramo Tabla 28. Datos iniciales Tramo Tabla 29. Resultados de OD y DBO para el Tramo Tabla 30. Datos iniciales Tramo Tabla 31. Resultados de OD y DBO para el Tramo Tabla 32. Resumen resultados para el perfil de OD y DBO5 del rio Fucha

9 LISTA DE FIGURAS pág. Figura 1.Interrelación entre los componentes del Balance de Oxígeno Disuelto Figura 2. Tasa de reaireación K2 en función de la velocidad y la profundidad Figura 3. Comportamiento del oxígeno disuelto en el río Figura 4. Curva de oxígeno disuelto (SAG) Figura 5. Diseño Metodológico Figura 6. Curva hidráulica Caudal vs Área Figura 7. Curva hidráulica Caudal vs Profundidad Figura 8. Perfil de OD medido del río Fucha Figura 9. Perfil de DBO5 medido del río Fucha Figura 10. Esquema para los datos del QUAL2K Figura 11. Curva característica Caudal vs Velocidad estación El Delirio Figura 12. Curva característica Caudal vs Profundidad estación El delirio Figura 13. Curva característica Caudal vs Velocidad estación Carrera 7ª Figura 14. Curva característica Caudal vs Profundidad estación Carrera 7ª Figura 15. Curva característica Caudal vs Velocidad estación Av. Ferrocarril Figura 16. Curva característica Caudal vs Profundidad estación Av. Ferrocarril Figura 17. Curva característica Caudal vs Velocidad estación Av. Américas Figura 18. Curva característica Caudal vs Profundidad estación Av. Américas Figura 19. Curva característica Caudal vs Velocidad estación Av. Boyacá Figura 20. Curva característica Caudal vs Profundidad estación Av. Boyacá Figura 21. Curva característica Caudal vs Velocidad estación Visión Colombia Figura 22. Curva característica Caudal vs Profundidad estación Visión Colombia 57 Figura 23. Curva característica Caudal vs Velocidad estación Zona Franca Figura 24. Curva característica Caudal vs Profundidad estación Zona Franca Figura 25. Curva característica Caudal vs Velocidad estación Fucha Alameda Figura 26. Curva característica Caudal vs Profundidad estación Fucha Alameda. 58 Figura 27. Datos de entrada para la estación inicial El Delirio Figura 28. Datos de entrada para la estación final Fucha Alameda

10 Figura 29. Datos demás estaciones consideradas para la calibración del modelo 60 Figura 30. Datos de entrada de caudal para la calibración del modelo Figura 31. Datos de entrada de temperatura para la calibración del modelo Figura 32. Datos de entrada de OD y DBO para la calibración del modelo Figura 33. Perfil de OD calculado del río Fucha Figura 34. Perfil de DBO5 calculado del río Fucha Figura 35. Constantes K1 y K2 del río Fucha calibradas con el modelo QUAL2K. 64 Figura 36. Curva de OD calibrada del rio Fucha con el modelo QUAL2K Figura 37. Curva de DBO5 calibrada del rio Fucha con el modelo QUAL2K

11 LISTA DE ANEXOS pág. Anexo A. Cartera trabajo de campo en el río Fucha Anexo B. Registro fotográfico trabajo de campo en el río Fucha

12 ABREVIATURAS SÍMBOLO Av. CAR DAMA DBO5 DQO EAAB-ESP EPA OD ph IDEAM RCHB SAAM SDA SST WQI ZMPA DESCRIPCIÓN Avenida Corporación Autónoma Regional de Cundinamarca Departamento Técnico Administrativo del Medio Ambiente Demanda Bioquímica de Oxígeno (5 días) Demanda Química de Oxígeno Empresa de Acueducto y Alcantarillado de Bogotá Empresa de Servicios Públicos Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos Oxígeno Disuelto Potencial de Hidrógeno Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales de Colombia Red de Calidad Hídrica de Bogotá Sustancias activas al azul de metileno Secretaria Distrital de Ambiente Sólidos Suspendidos Totales Índice de Calidad del Agua Zonas de Manejo y Preservación Ambiental 12

13 GLOSARIO AFLUENTE: agua, agua residual u otro líquido que ingrese a un reservorio o algún proceso de tratamiento. ALCANTARILLADO DE AGUAS COMBINADAS: sistema compuesto por todas las instalaciones destinadas para la recolección y conducción, tanto de las aguas residuales como de las aguas lluvias. ALCANTARILLADO DE AGUAS LLUVIAS: sistema compuesto por todas las instalaciones destinadas para la recolección y conducción de aguas lluvias. ALCANTARILLADO DE AGUAS RESIDUALES: sistema compuesto por todas las instalaciones destinadas para la recolección y conducción de las aguas residuales servidas domésticas y/o industriales. CALIDAD DEL AGUA: es el conjunto de características organolépticas, físicas, químicas y microbiológicas propias del agua. CANAL: conducto o cauce artificial, descubierto, con revestimiento o sin él, que se construye para conducir las aguas lluvias a flujo libre hasta su entrega final en un cauce natural. CARGA CONTAMINANTE: es el resultado de multiplicar el caudal promedio por la concentración de la sustancia contaminante. CONCENTRACIÓN: es el peso de un elemento, sustancia o compuesto, por unidad de volumen del líquido que lo contiene. CONEXIÓN ERRADA: contribución adicional de caudal debido al aporte de aguas pluviales en la red de aguas sanitarias y viceversa. CONTAMINACIÓN DEL AGUA: es la alteración de las características organolépticas, físicas, químicas, radiactivas y microbiológicas del agua, como resultado de las actividades humanas o procesos naturales, que producen o pueden producir rechazo, enfermedad o muerte al consumidor. CUENCA: área de aguas superficiales o subterráneas que vierten a una red natural con uno o varios cauces naturales, de caudal continuo o intermitente, que confluyen en un curso mayor que, a su vez, puede desembocar en un rio principal, en un deposito natural de aguas, en un pantano o directamente en el mar. DEMANDA BIOQUÍMICA DE OXÍGENO (DBO): cantidad de oxigeno usado en la estabilización de la materia orgánica carbonácea y nitrogenada por acción de los microorganismos en condiciones de tiempo y temperatura especificados 13

14 (generalmente cinco (5) días y 20 C). Mide indirectamente el contenido de materia orgánica biodegradable. MOLINETE: aparato mecánico que permite medir la velocidad angular de una corriente gracias al número de revoluciones que da una rueda de aspas o copas en un tiempo determinado. OXÍGENO DISUELTO (OD): concentración de oxigeno medida en un líquido, por debajo de saturación. Normalmente se expresa en mg/l. ph: logaritmo, con signo negativo de la concentración de iones de hidrogeno en moles por litro. PUNTO DE DESCARGA: sitio o lugar donde se realiza un vertimiento, en el cual se deben llevar a cabo los muestreos. SEDIMENTACIÓN: proceso físico de clarificación de aguas residuales por efecto de la gravedad. Junto con los sólidos sedimentables precipita materia orgánica del tipo putrescible. VERTIMIENTO: cualquier descarga final al recurso hídrico de un elemento, sustancia o compuesto que este contenido en un líquido residual de cualquier origen, ya sea agrícola, minero, industrial, de servicios, aguas negras o servidas, a un cuerpo de agua, a un canal, al suelo o al subsuelo. 14

15 RESUMEN El río Fucha es uno de los cuerpos hídricos más importantes de la ciudad de Bogotá, nace en los cerros orientales y desemboca en el río Bogotá a la altura de la localidad de Fontibón. En su recorrido no solo recibe las aguas de quebradas en la cuenca alta, sino de afluentes provenientes de la red de alcantarillado de diez localidades de la capital, principales fuentes de contaminación de la corriente. En el presente trabajo de investigación se determinan los coeficientes de desoxigenación (K1) y oxigenación (K2) del río en mención a partir de la calibración del modelo QUAL2K. En primera instancia se hallan los valores de las constantes, aplicando las ecuaciones matemáticas respectivas, con los datos reportados y documentados de calidad del sistema hídrico de la ciudad de Bogotá, tomados en campo, por la Secretaria Distrital de Ambiente en convenio con otras entidades durante la última década. A partir de los datos obtenidos se aplica el modelo de Streeter y Phelps para generar la curva SAG y demás curvas de características hidráulicas en función del caudal necesarias para calibrar el modelo estadounidense. Se puede constatar que las constantes resultantes de la calibración son acordes a las curvas de OD y DBO5 de datos medidos y coherentes con lo que dictaminan los parámetros científicos respecto al tema. Para la recuperación del río Fucha se hace necesario que las entidades encargadas realicen el debido seguimiento y control de los afluentes que entregan sus aguas al cuerpo hídrico de tal manera que se cumplan los objetivos de calidad para los años 2015 a 2020 estipulados en la resolución 3162 del 30 de diciembre de 2015 emitida por Secretaria Distrital de Ambiente. PALABRAS CLAVES: calibración de modelos, calidad del agua, curva SAG, desoxigenación, oxigenación, río Fucha. 15

16 INTRODUCCIÓN El río Fucha es uno de los cuerpos hídricos más importantes que atraviesan la ciudad de Bogotá, nace en los cerros orientales, empieza su recorrido en la localidad de San Cristóbal y desemboca en el río Bogotá a la altura de la localidad de Fontibón. Hace parte de la gran red fluvial de la capital colombiana donde también se encuentran los ríos Torca, Salitre y Tunjuelo. El río recibe las aguas de quebradas en la parte alta y a lo largo de su cauce sus principales afluentes son canales provenientes de la red de alcantarillado, de diez localidades de la ciudad, el cual es de tres sistemas: pluvial, residual y combinado. La contaminación presente en el río Fucha no solo se debe a las aguas que recibe de la red de alcantarillado, sino a vertimientos provenientes de hogares y diferentes sectores de la industria sin un tratamiento previo, conexiones erradas a la red de aguas lluvias, una inadecuada disposición de los residuos y demás contaminación en las zonas de ronda y en su cauce principal. El presente trabajo de investigación orientado desde la Universidad Católica de Colombia facultad de Ingeniería Civil, busca determinar los coeficientes de desoxigenación carbonácea (K1) y oxigenación (K2) del río en mención, constantes que rigen el comportamiento de la calidad de agua en cualquier tipo de recurso hídrico. La metodología empleada es de orden analítico, ya que este estudio se hace en base de métodos matemáticos y con datos promedio tomados de estudios realizados por parte de La Secretaria Distrital de Ambiente (SDA) y La Universidad de los Andes acerca de la calidad del recurso hídrico de la ciudad de Bogotá, en el período comprendido entre los años 2006 y 2015; debido a la imprecisión de dichos métodos, se hace una verificación y una calibración de las constantes halladas en el modelo QUAL2K, lo anterior con el fin de determinar el comportamiento de Oxígeno disuelto (OD) presente en uno de los principales afluentes del Río Bogotá, el río Fucha. 16

17 1 ANTECEDENTES El sistema hídrico de Bogotá está conformado por los ríos Torca, Salitre, Fucha y Tunjuelo. Estas corrientes nacen en los cerros orientales, atraviesan la ciudad de oriente a occidente para luego desembocar en el río Bogotá, además son receptores de las aguas provenientes del alcantarillado pluvial y residual de la ciudad. Debido al crecimiento y desarrollo que ha tenido la capital en las últimas décadas se han generado presiones ambientales que dichos ecosistemas no logran soportar. La Secretaria Distrital de Ambiente (SDA) ha venido adelantando durante los últimos quince años diferentes convenios y campañas con entidades públicas y/o privadas para identificar los grados de contaminación de los cuerpos de agua en la ciudad de Bogotá. En los diferentes proyectos de seguimiento de calidad, no solo se ha logrado definir los objetivos de interés al respecto, sino que se estandarizaron las metodologías, puntos de monitoreo, parámetros a medir, frecuencias, jornadas y tipo de muestras de dichos estudios. La Secretaria Distrital de Ambiente en el año 2002 dio marcha al Convenio 041 del mismo año suscrito con el Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales de Colombia (IDEAM), para el seguimiento a la calidad hídrica de Bogotá, dicho convenio se ejecutó desde el año 2003 hasta el 2004 y se considera el primer record histórico de calidad de los cuerpos hídricos que hacen parte de la ciudad. En el Convenio 017 de 2004 suscrito con la Empresa de Acueducto y Alcantarillado de Bogotá (EAAB-ESP) se definió que el indicador más representativo para medir la calidad de los ríos pertenecientes al casco urbano era el Índice de calidad CCME- WQI (Canadian Council Of Ministers of the Environment Water Quality Index) creado por el Concejo Canadiense del Ministerio del Medio Ambiente de Canadá. En el Convenio 005 de 2006 firmado entre estas dos entidades, lograron orientar el programa de monitoreo aleatorio obtenido en el Convenio 017 de 2004, anteriormente descrito, hacia el índice de calidad CCME-WQI de acuerdo con lo estipulado en la Resolución 1813 de 2006 del Departamento Técnico Administrativo del Medio Ambiente DAMA (actualmente SDA) y el acuerdo 43 de 2006 de la Corporación Autónoma Regional de Cundinamarca CAR; además en este se implementa, por primera vez, el programa de funcionamiento de la Red de Calidad Hídrica de Bogotá RCHB. La Operación de la Red de Calidad Hídrica de Bogotá permite la cuantificación y calificación de la calidad del agua de los principales ríos de la ciudad: Torca, Salitre, Fucha y Tunjuelo, para lo cual se han consolidado los resultados de las variables de las determinantes de la calidad del agua que 17

18 representan el estado físico, químico y biológico de los ríos 1. Actualmente está conformada por 28 estaciones o puntos de monitoreo. La Secretaria Distrital de Ambiente junto con la Universidad de los Andes ha realizado unas campañas, desde el segundo semestre del año 2009 hasta el primer semestre del año 2013, que continúan con los objetivos y parámetros definidos en los anteriores convenios, para el seguimiento a la calidad del recurso hídrico superficial bajo metodologías establecidas y de acuerdo a los puntos de monitoreo definidos por la RCHB. En los documentos publicados por la entidad y la universidad, reportan los resultados obtenidos para el índice de calidad del agua (WQI), además de las variables como: oxígeno disuelto (OD), demanda bioquímica de oxígeno (DBO5), demanda química de oxígeno (DQO), sólidos suspendidos totales (SST), coliformes fecales, sustancias activas al azul de metileno (SAAM), grasas y aceites, nitrógeno fosforo, sulfuros, fenoles, metales, conductividad eléctrica y ph. 1 SECRETARIA DISTRITAL DE AMBIENTE. Estado de Calidad de los Ríos Torca, Salitre, Fucha y Tunjuelo: Índice de Calidad Hídrica WQI Informe Técnico N Bogotá: SDA, p

19 2 JUSTIFICACIÓN Y DELIMITACIÓN La degradación de la calidad de los recursos hídricos en Colombia es un tema que cada vez va en aumentando, debido a esta situación se ha vuelto un objetivo importante para las entidades encargadas, mejorar estas condiciones mediante mecanismos de seguimiento, control y solución. Esta problemática limita los usos posibles de las aguas naturales como aguas potables, incrementa los costos de tratamientos de aguas contaminadas, disminuye el valor de las viviendas o proyectos en su entorno, facilita los asentamientos ilegales, atenta contra la salud de la población y crea en los habitantes una sensación de malestar y desacuerdo por vivir en esas condiciones. El mayor aporte de esta investigación es determinar de qué manera se comporta el río en presencia de materia orgánica, de tal manera que cuando tenga descarga de carga contaminante se pueda conocer la cantidad de oxigeno presente en el cuerpo de agua. Lo anterior ayuda a precisar cuál es el grado máximo de contaminación que soporta el río, de tal modo que cumpla con los estándares de calidad definidos por la entidad encargada, en ese caso la Secretaria Distrital de Ambiente, para el periodo comprendido entre los años 2015 y El presente trabajo de investigación fue realizado en el primer periodo académico del año 2016 por parte de los autores para optar al título de Ingeniero Civil de la Universidad Católica de Colombia. El enfoque de dicha investigación es la determinación de los coeficientes de oxigenación y desoxigenación por materia orgánica en el río Fucha, a partir de los parámetros de calidad del agua: oxígeno disuelto (OD) y demanda bioquímica de oxígeno (DBO), desde la estación El Delirio ubicada en la cuenca alta del río hasta la estación de Fucha Alameda, metros antes de la entrega de este, al río Bogotá. 19

20 3 OBJETIVOS 3.1 OBJETIVO GENERAL Determinar los coeficientes de oxigenación y desoxigenación para el comportamiento de oxígeno disuelto por contaminación de materia orgánica en el río Fucha 3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS Calcular los coeficientes de oxigenación (k2) y desoxigenación carbonácea (k1) a través de diferentes métodos analíticos con base en datos históricos. Calibrar los resultados de los coeficientes mediante el modelo de calidad de aguas superficiales QUAL2K. Determinar la curva de comportamiento de oxígeno disuelto (OD) del río en estudio. 20

21 4.1 DESCRIPCIÓN DE LA CUENCA 4 MARCO REFERENCIAL La cuenca del río Fucha comprende un área de Ha urbanas y Ha en la parte rural, correspondiente a los cerros orientales. Está localizada en el sector centro-sur del Distrito Capital, y drena las aguas de oriente a occidente para finalmente entregarlas al río Bogotá. Presenta pendientes pronunciadas que oscilan entre 5.4% y 0.04% 2. El cauce principal cuenta con una longitud total de km y ya dentro del perímetro urbano hasta su desembocadura tiene una longitud de km. Debido a su composición y longitud se divide en tres partes: cuenca alta, cuenca media y cuenca baja. La primera corresponde a la parte montañosa, la segunda va desde la entrada del río a la ciudad hasta la Av. Boyacá y la tercera va desde la Av. Boyacá hasta su desembocadura en el río Bogotá. El río Fucha atraviesa las localidades de San Cristóbal, Antonio Nariño, Puente Aranda, Kennedy y Fontibón. Nace en la reserva ecológica los delirios e inicia su trayecto en la zona suroriental de la ciudad de Bogotá. A partir de la carrera 7ª hasta la carrera 86 se encuentra canalizado con una sección de forma trapezoidal en concreto, donde se encuentra con su cauce natural para luego desembocar en el Río Bogotá en el sector de Zona Franca perteneciente a la localidad de Fontibón. Al llegar al Parque Metropolitano San Cristóbal recibe al canal San Blas, a la altura de la carrera 39 y carrera 51 recibe a los canales Albina y Seco respectivamente y finalmente en el cruce de la carrera 68 B bis con calle 3 desemboca el canal Comuneros; también hacen parte de la cuenca las quebradas Finca, San José, La Peña, Los Laches, San Cristóbal, San Francisco, Santa Isabel, Honda, entre otras; de igual manera se incorporan los humedales de Techo, El Burro, La Vaca y Capellanía. La red de alcantarillado de esta cuenca consta de tres sistemas (combinado, pluvial y sanitario) con una longitud existente de km. La red combinada está localizada al oriente de la cuenca y drena, a través de los respectivos canales e interceptores, hacia un área donde el sistema está separado: pluvial y sanitario 3. 2 ALCALDÍA MAYOR DE BOGOTÁ. SECRETARIA DISTRITAL DE AMBIENTE. EMPRESA DE ACUEDUCTO Y ALCANTARILLADO DE BOGOTÁ. Calidad del Sistema Hídrico de Bogotá. 1a ed. Bogotá: Pontificia Universidad Javeriana, p Ibíd., p

22 Imagen 1. Cuenca del río Fucha Fuente. SECRETARIA DISTRITAL DE AMBIENTE. Descripción y Contexto de la Cuencas Hídricas del Distrito Capital (Torca, salitre, Fucha y Tunjuelo). Informe Técnico N Bogotá: SDA, p

23 4.2 FUENTES DE CONTAMINACIÓN HÍDRICA Los vertimientos pertenecientes a la red de alcantarillado público, que tienen como entidad responsable a la Empresa de Acueducto y Alcantarillado de Bogotá EAAB- ESP., descargan aguas residuales en el río Fucha las cuales se convierten en las principales causas de la contaminación, aportando a su cauce cargas de materia orgánica, sólidos suspendidos totales (SST), coliformes totales y coliformes fecales. De acuerdo al último informe técnico realizado por parte de la Secretaria Distrital de Ambiente (SDA) acerca de la Línea base-usuarios, Cargas y Legalidad del año 2015, se identifican los puntos de vertimiento que aportan cargas significativas al cuerpo hídrico. La Red de Calidad Hídrica de Bogotá cuenta con ocho puntos monitoreo de la calidad y cantidad del agua, que están distribuidos en los cuatro tramos que conforman el río Fucha 4. El Tramo1 va desde la entrada a la ciudad hasta la carrera 7ª, el Tramo 2 desde la carrera 7ª hasta la desembocadura del Canal Comuneros, el Tramo 3 desde la desembocadura del Canal Comuneros hasta la Av. Boyacá y el Tramo 4 a partir de la Av. Boyacá hasta la desembocadura en el río Bogotá. Tabla 1.Puntos de vertimiento en el Tramo 1 del río Fucha N DIRECCIÓN CÓDIGO SDA CAUDAL (m3/año) DBO5 (kg/año) 1 Canal San Blas en la Carera 4 con Calle 13 Sur RFU-T , ,44 2 Calle 11A Sur con Carrera 4 Este RFU-T , ,78 Fuente. Adaptado de SECRETARIA DISTRITAL DE AMBIENTE. Línea base- Usuarios, Cargas y Legalidad: Proceso de establecimiento de Meta Global de Carga Contaminante Quinquenio Informe Técnico N Bogotá: SDA, p.38. Tabla 2. Puntos de vertimiento en el Tramo 2 del río Fucha N DIRECCIÓN CÓDIGO SDA CAUDAL (m3/año) DBO5 (kg/año) 1 Calle 12B Sur con Carrera 24A RFU-T , ,39 2 Diagonal 17 Sur con Carrera 35A RFU-T , ,77 3 Diagonal 17 con Carrera 41C Sur RFU-T , ,45 4 Av.Carrera 46 con Diagonal 17 Sur RFU-T ,60 917,76 5 Diagonal 17 Sur con Carrera 48A RFU-T , ,79 6 Transversal 48A con Diagonal 17 Sur RFU-T ,23 541,43 7 Av. del Ferrocarril con Diagonal 16 RFU-T , ,78 8 Diagonal 1C Sur con Transversal 53A RFU-T ,93 473,17 9 Diagonal 1C Sur con Transversal 57 RFU-T ,14 587,33 10 Diagonal 1C Sur con Transversal 58 RFU-T , ,70 Fuente. Adaptado de Ibíd., p SECRETARIA DISTRITAL DE AMBIENTE, Descripción y Contexto de la Cuencas Hídricas del Distrito Capital (Torca, Salitre, Fucha y Tunjuelo), Op.cit., p

24 Tabla 3. Puntos de vertimiento en el Tramo 3 del río Fucha N DIRECCIÓN CÓDIGO SDA CAUDAL (m3/año) DBO5 (kg/año) 1 Carrera 68B Bis con Calle 4 RFU-T , , m. aprox. aguas abajo del Puente de la Av. las Américas RFU-T , ,65 3 Carrera 68G con Calle 10A RFU-T ,30 288,61 4 Costado oriental a 200 m. aprox. aguas abajo del puente de las RFU-T ,89 265,57 Carrera 68G con Calle 9C (Red Local 5 Pluvial entre la Calle 10 y Calle 11 con RFU-T ,39 247,63 Carrera 68 G) 6 Carrera 68G No. 9C - 97 (Costado norte del RFU-T , ,70 7 Av. Calle 13 con carrera 68 D RFU-T , ,11 Fuente. Adaptado de Ibíd., p.40. Tabla 4. Puntos de vertimiento en el Tramo 4 del río Fucha N DIRECCIÓN CÓDIGO SDA CAUDAL (m3/año) DBO5 (kg/año) 1 Interceptor 30m aguas abajo con la Av. Boyacá RFU-T , ,34 2 Interceptor 100m aguas abajo con la Av. Boyacá RFU-T , ,22 3 Carrera 75 costado Sur ,09 0,00 4 Interceptor del sur Calle 14B con Transversal 73 RFU-T , ,07 5 Interceptor del Sur (Detrás de Lafayette) Calle14B con Transversal RFU-T , ,11 6 Calle 14B con Carrera 78B RFU-T , ,21 7 Carrera 79 con Río Fucha RFU-T , ,13 8 Carrera 79 A con Río Fucha RFU-T , ,79 9 Calle 16 con Carrera 79 RFU-T , ,52 10 Carrera 79B con Calle 76D RFU-T , ,34 11 Interceptor Kennedy, a 50m aguas abajo del Fucha con carrera 78 RFU-T , ,77 12 Calle 17 con carrera 80 (Av. Agoberto Mejía) RFU-T , ,97 13 Carrera 93 Río Fucha EB Fontibón RFU-T , ,91 Fuente. Adaptado de Ibíd., p

25 En los resultados obtenidos para el Índice de Calidad Hídrica WQI durante los años 2014 y 2015 para el río Fucha en los tramos y puntos de monitoreo sobre este, de acuerdo al estudio adelantado por la Secretaria Distrital de Ambiente (véase la Imagen 2), se hace evidente que solo en los primeros kilómetros de su eje principal, más exactamente hasta la carrera 7ª correspondiente al Tramo 1, la calidad del agua es buena es decir que se encuentra dentro de los estándares permitidos por norma; sin embargo en los Tramos 2, 3 y 4 el indicador predominante es pobre esto refleja que la contaminación cargada sobre este y la falta de medidas de control inciden de una manera significativa amenazando la calidad de este recurso hídrico. Imagen 2. Índice de calidad de agua WQI en el río Fucha 2015 Fuente. SECRETARIA DISTRITAL DE AMBIENTE, Estado de Calidad de los Ríos Torca, Salitre, Fucha y Tunjuelo Índice de Calidad Hídrica WQI , Op. cit., p

26 5 MARCO JURÍDICO En la ciudad de Bogotá, la entidad encargada de proclamar, vigilar y establecer la reglamentación ambiental es la Secretaria Distrital de Ambiente. Las normas vigentes que amparan y regulan las acciones a tomar por parte de la entidad para la protección y el uso adecuado del recurso hídrico, se relacionan a continuación: Tabla 5. Normatividad Ambiental Vigente en relación con el Recurso Hídrico NORMA Decreto 2811 de 1974 Decreto 1541 de 1978 Decreto 1681 de Ley 09 de 1979 Decreto 2105 de 1983 Decreto 1594 de 1984 Decreto 605 de 1996 Decreto 901 de 1997 Ley 373 de 1997 Resolución 3956 de 2009 SDA Resolución 3957 de 2009 SDA DESCRIPCIÓN Es el reglamento sobre aguas no marítimas, de recursos hidrobiológicos, de cuencas hidrográficas y de áreas de manejo especial. Reglamenta las concesiones de aguas superficiales y subterráneas exploraciones de materia de arrastre y ocupaciones de cauce. Reglamento sobre los recursos hidrobiológicos. Conocida como Código Sanitario Nacional. Potabilización del agua. Reglamenta su potabilización y su suministro para consumo humano. Reglamenta los usos del agua y los vertimientos líquidos además del control sobre los residuos líquidos. Sobre la potabilización del agua y su suministro para consumo humano. Establece las tasas retributivas por vertimiento líquidos puntuales a cuerpos de agua. Reglamenta el vertimiento para DBO y SST. Establece el uso eficiente y ahorro del agua. Reglamenta el uso y ahorro del agua. Por la cual se establece la norma técnica, para el control y manejo de los vertimientos realizados al recurso hídrico en el Distrito Capital. Por la cual se establece la norma técnica, para el control y manejo de los vertimientos realizados a la red de alcantarillado público en el Distrito Capital. Fuente. Adaptado de SECRETARIA DISTRITAL DE AMBIENTE. Marco Jurídico Normatividad Ambiental. {En línea}. {19 marzo de 2016}. Disponible en: ( 26

27 En la resolución 3162 del 30 de diciembre de 2015, la Secretaria Distrital de Ambiente establece las metas individuales de cargas contaminantes permitidas por demanda bioquímica de oxígeno y sólidos suspendidos totales, para los ríos Torca, Salitre, Fucha y Tunjuelo, a lograr en el año Los objetivos de calidad para el quinquenio referente al río Fucha son las siguientes: Tabla 6. Objetivos de calidad del río Fucha año 2020 PARÁMETRO TRAMO 1 TRAMO 2 TRAMO 3 TRAMO 4 OD (mg/l) DBO5 (mg/l) DQO (mg/l) SST (mg/l) Fuente. Adaptado de COLOMBIA. SECRETARIA DISTRITAL DE AMBIENTE. Resolución (30, diciembre, 2015). Por el cual se establecen los objetivos de calidad para el año 2020 y la meta global de carga contaminante de los cuerpos de agua del perímetro urbano de Bogotá D.C., y las metas individuales de la carga contaminante , y se adoptan otras determinaciones. Bogotá: La Secretaria, p.18. Esta concertación de metas también contempló la utilización de un nuevo instrumento de rigor técnico con el que no se contaba, el Modelo Dinámico de Calidad del Agua de Bogotá, desarrollado por la SDA y la Universidad de Los Andes, el cual va será alimentado con los escenarios de saneamiento y disminución de cargas propuestas, evaluará los escenarios y predecirá la calidad de los ríos en el tiempo 5. 5 SECRETARIA DISTRITAL DE AMBIENTE. Plan Quinquenal {En línea}. {19 marzo de 2016]. Disponible en: ( 27

28 6 MARCO CONCEPTUAL 6.1 COMPORTAMIENTO DE LAS SUSTANCIAS CONTAMINANTES EN EL MEDIO ACUÁTICO Cuando una sustancia química o contaminante ingresa a un cuerpo de agua, se generan algunos fenómenos, que alteran la concentración de dichas sustancias y son de gran importancia para el estudio de calidad del agua. Dentro de los más importantes se encuentran: la advección, la dispersión, la difusión, la reacción y los sumideros. La advección es el movimiento o transporte del contaminante de un sitio a otro causado por la fuerza de la corriente o por el caudal del cuerpo hídrico donde se encuentre. En este comportamiento la concentración de la sustancia cambia pero su composición química se mantiene igual. La difusión se basa en el desplazamiento de la masa de un lugar a otro con respecto al movimiento de las moléculas del agua en el tiempo. Al igual que en la advección el contaminante cambia su concentración pero no su estructura química. Existen dos tipos de fenómenos difusivos: la difusión molecular, a escala microscópica, debida al movimiento browniano de las moléculas y la otra, la difusión turbulenta, ocasionada por acciones externas que producen mezcla en el agua como por ejemplo el viento 6. La dispersión ocurre cuando la sustancia se esparce en el agua debido a las diferentes velocidades que se presenten en dos puntos del mismo cuerpo de agua. En los ríos, canales y estuarios predomina este movimiento debido al cambio significativo de velocidades que se evidencia en estos sistemas hídricos. En este comportamiento la sustancia cambia su concentración más no su composición química. Las reacciones obedecen a los cambios químicos, físicos y biológicos que sufre el contaminante al reaccionar químicamente en el agua, transformándose en otro compuesto. A diferencia de los anteriores mecanismos, en este los contaminantes cambian su composición química. Los sumideros hacen referencia a los aumentos y/o disminuciones en la concentración de una sustancia debido al material que está entrando o saliendo del sistema. En general, los sumideros corresponden a los aportes de contaminantes ocasionados por las cargas contaminantes puntuales y las distribuidas 7. 6 SIERRA RAMÍREZ, Carlos Alberto. Calidad del agua Evaluación y diagnóstico. 1a ed. Medellín: Universidad de Medellín. Ediciones de la U, p Ibíd., p

29 6.2 BALANCE DE OXÍGENO Las concentraciones de oxígeno disuelto OD en aguas naturales dependen de las características fisicoquímicas y la actividad bioquímica de los organismos en los cuerpos de agua. El análisis del OD es fundamental en el control de la contaminación en las aguas naturales y en los procesos de tratamiento de las aguas residuales industriales o domésticas. El oxígeno disuelto, dada su importancia en la salud del agua, se ha constituido en el parámetro más importante en el diagnóstico sobre el estado de la contaminación de un ecosistema acuático. El problema del OD puede entonces resumirse como la descarga de desechos orgánicos e inorgánicos en un cuerpo de agua que ocasiona el descenso de las concentraciones de OD lo cual interfiere con los usos benéficos del agua 8. En el balance de oxígeno disuelto se ven involucrados diferentes componentes, clasificados en aportantes y consumidores de OD. Los aportantes más importantes son: reaireación, fotosíntesis de las algas y el OD aportado por tributarios. Por otro lado los principales fenómenos consumidores de OD son: oxidación de la materia orgánica y nitrogenácea, oxígeno demandado por el material depositado en el fondo (SOD) y el consumido por las plantas acuáticas. Figura 1.Interrelación entre los componentes del Balance de Oxígeno Disuelto Fuente. Ibíd., p Ibíd., p

30 6.3 COEFICIENTE DE DESOXIGENACIÓN CARBONÁCEA El coeficiente de desoxigenación carbonácea es la tasa con la que se consume el oxígeno por parte de los microorganismos para degradar la materia orgánica, es decir la demanda bioquímica de oxígeno carbonácea. La constante de desoxigenación se puede calcular mediante la siguiente ecuación: Donde: dl dt = k L dl/dt= Tasa de oxidación de la materia orgánica L= Materia orgánica remanente en el tiempo (mg/l) K1= coeficiente de desoxigenación carbonácea (d 1 ) Esta constante determina de qué manera se comporta la DBO en el tiempo, en ella interfieren diversos factores, entre ellos la temperatura, la geometría, la concentración de OD y la materia orgánica. Entre los métodos matemáticos más importantes para el cálculo de la constante están el logarítmico, los momentos de Moore, Thomas, entre otros. Para el caso en estudio, el río Fucha, se toma la constante de desoxigenación (K1) como la tasa de remoción efectiva de DBO (KR). Donde: KR= Constante de remoción de DBO K1= Constante de desoxigenación KS= Constante de sedimentación k R = k 1 + k s Debido a que no se contempla el efecto de la sedimentación así como el consumo de OD ejercido por la demanda de la materia orgánica nitrogenada, se obtiene la siguiente equivalencia: k 1 = k R El cálculo del coeficiente (K1) se obtiene por medio de la siguiente ecuación con base en los datos históricos de velocidad, caudal, distancia y DBO para las estaciones del río Fucha. 30

31 k 1 = V ln Q 1L 1 Q 2 L 2 X 2 X 1 Donde: K1= Constante de desoxigenación (d 1 ) V = Velocidad media del río (m/s) Q1= Caudal estación aguas arriba (m3/s) Q2= Caudal estación aguas abajo (m3/s) L1= Concentración de DBO estación aguas arriba (mg/l) L2= Concentración de DBO estación aguas abajo (mg/l) X1= Distancia estación aguas abajo (m) X2= Distancia estación aguas arriba (m) 6.4 COEFICIENTE DE OXIGENACIÓN El coeficiente de oxigenación (K2), conocido también como constante de reaireación, representa la capacidad o velocidad con la que se oxigena un cuerpo de agua por introducción de oxígeno ya sea por el contacto directo con la atmosfera o por fotosíntesis de las plantas acuáticas. Esta constante depende de diversos factores como turbulencia, condiciones de mezcla internas en el río, temperatura, velocidad del viento y la presencia de caídas, resaltos, etc. Para el cálculo del coeficiente de oxigenación en ríos se aplican las siguientes formulas: O Connor y Dobbins: k 2 = 3.93 U0.5 H 1.5 Churchill: k 2 = U H 1.67 Owens y Gibbs: k 2 = 5.32 U0.67 H 1.85 Donde: K2= Coeficiente de oxigenación (d 1 ) U= Velocidad de la corriente (m/s) H= Altura de lámina de agua (m) 31

32 Tabla 7. Parámetros para la selección de ecuación en la determinación de la constante de oxigenación Parámetro O Connor y Dobbins Churchill Owens y Gibbs Profundidad (m) 0,3-9,14 0,61-3,35 0,12-0,73 Velocidad (m/s) 0,15-0,49 0,55-1,52 0,03-0,55 Fuente. Ibíd., p.299. Figura 2. Tasa de reaireación K2 en función de la velocidad y la profundidad Fuente. Ibíd., p CURVA SAG La curva SAG, también conocida como curva de oxígeno disuelto, representa el comportamiento de OD en una corriente de agua. Cuando un río está en condiciones óptimas y no ha sufrido ningún tipo de contaminación la concentración de OD se encuentra en un grado de saturación alto. Inmediatamente después de la descarga de un vertimiento de aguas residuales en él, se generan fenómenos como la turbiedad por la presencia de solidos que impide el paso suficiente de luz para el proceso de fotosíntesis de las algas y disminución de oxigeno debido a las grandes cantidades que consumen los microorganismos heterotróficos. Esta baja de OD es compensada con el oxígeno presente en la atmosfera al hacer contacto con el agua. En un principio la demanda de oxígeno en la columna de agua y en los sedimentos consume el aporte generado por esta reaireación. Como consecuencia, existe un punto en el cual se presenta un balance entre consumo y el aporte de oxígeno por reaireación. Dicho punto se conoce como el punto crítico 32

33 y a partir de él, la reaireación es mayor que el consumo y el nivel de oxígeno empieza a incrementarse 9 (véase las Figuras 3 y 4). Figura 3. Comportamiento del oxígeno disuelto en el río Fuente. Ibíd., p.321. Figura 4. Curva de oxígeno disuelto (SAG) Fuente. Ibíd., p Ibíd., p

34 7 METODOLOGÍA La metodología empleada para determinar los coeficientes de oxigenación y desoxigenación del caso en estudio, el río Fucha, es de orden analítico. En primera instancia se hallan los valores de las constantes, aplicando las ecuaciones matemáticas respectivas, con los datos reportados y documentados de calidad del sistema hídrico de la ciudad de Bogotá por la Secretaria Distrital de Ambiente en convenio con otras entidades durante los últimos años. Debido a la insuficiencia de datos fue necesario el uso de curvas hidráulicas a partir de los datos conocidos y realizar un trabajo de campo que consistió en la toma de velocidades del cauce en los puntos de monitoreo de la RCHB (véase los Anexos A y B). Para la verificación de resultados se emplea el modelo de Streeter y Phelps, donde, a partir de datos medidos de oxígeno disuelto y demanda bioquímica de oxígeno, se generan unos valores calculados los cuales son usados para calibrar el programa QUAL2K, de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA). De esta manera y a partir de un proceso iterativo se llega a los valores definitivos de las constantes K1 y K2, teniendo en cuenta que este caso es de régimen permanente y estacionario (véase la Figuras 5). Figura 5. Diseño Metodológico 34

35 7.1 SELECCIÓN DE ESTACIONES Se seleccionan las estaciones o puntos de monitoreo dados por la RCHB para el río Fucha, las cuales se relacionan en la Tabla 8 y se localizan espacialmente en la Imagen 3. Tabla 8. Puntos de monitoreo de la RCHB en el río Fucha COORDENADAS GEOGRÁFICAS COTA ESTACIÓN TRAMO ABSCISA LATIDUD LONGITUD (m.s.n.m.) El Delirio '13.32" 74 3'38.10" 2912 K Carrera 7a ' '16.55" 2597 K Av. Ferrocarril '43.96" 74 7'19.80" 2555 K Av. Américas '46.60" 74 7'34.10" 2550 K Av. Boyacá '27.51" 74 7'25.70" 2547 K Visión Colombia '39.92" 74 7'31.03" 2545 K Zona Franca '42.14" 74 8'38.35" 2542 K Fucha Alameda '50.38" 74 9'12.58" 2541 K PARÁMETROS HISTÓRICOS Para el cálculo de los coeficientes se utilizan los resultados promedio de DBO5, OD y caudales reportados en los estudios de calidad del recurso hídrico de Bogotá realizados por la Secretaria Distrital de Ambiente desde el año 2006 hasta el 2015 (véase las Tablas 13 y 14). Las velocidades para el año 2006 se toman de la sexta campaña hecha por el IDEAM y el DAMA, ahora SDA, para el seguimiento de los principales efluentes industriales y corrientes superficiales de Bogotá, las cuales se indican en la tabla 9. Tabla 9. Velocidades en el río Fucha (2006) ZONA LECHO DIVISIÓN VELOCIDAD - RÍO (m/s) Zona alta Libre Cerros Orientales 0,41 Carrera 10 0,39 Zona media Canal abierto Carrera 10 Av. Boyacá 0,36 Zona baja Libre Av. Boyacá 0,24 Desembocadura 0,16 35

36 Los valores de temperatura usados corresponden al estudio de calidad del recurso hídrico de Bogotá en el año 2006 y al programa de monitoreo de afluentes y efluentes de la ciudad fase XI en el año Los demás parámetros hidráulicos faltantes para el desarrollo del presente estudio y que se incluyen en las tablas 13 y 14, son el resultado de las curvas características en función del caudal y de la relación hidráulica que existe entre caudal, área y velocidad. Imagen 3. Ubicación de los puntos de monitoreo de la RCHB en el río Fucha 36

37 7.3 TRABAJO DE CAMPO Dado que los años 2014 y 2015 no registran datos de caudal ni velocidad, fue necesario realizar un trabajo de campo en el río Fucha. Este consistió básicamente en la toma de varias velocidades con un molinete a cierta profundidad del cauce en las estaciones anteriormente descritas. Los resultados se muestran en la tabla 10 (véase el Anexo A). Tabla 10. Registro de velocidades tomadas en campo y velocidades promedio ESTACIÓN TOMA DE VELOCIDAD (ft/s) PROMEDIO VELOCIDAD (ft/s) (m/s) Carrera 7a 4,7 5,1 4,7 4,9 5,1 4,9 1,49 Av. Ferrocarril 0,9 1,1 1,1 1,3 1,3 1,14 0,35 Av. Américas 2,5 3,2 2,6 2,6 2,8 2,74 0,84 Av. Boyacá 2,4 2,6 2,1 2,1 2,4 2,32 0,71 Zona Franca 1,1 1,3 1,1 1,3 1,1 1,2 0,37 Fucha Alameda 0,6 0,4 0,8 0,6 0,4 0,56 0, CURVAS HIDRÁULICAS La curva característica de caudal y área se determina con los caudales obtenidos en el estudio de calidad del recurso hídrico para la ciudad de Bogotá y las velocidades de la tabla 9 correspondientes al año Tabla 11. Registro de caudal, velocidad y área estaciones río Fucha (2006) ESTACIÓN CAUDAL (Q) l/s m3/s VELOCIDAD (m/s) ÁREA (m2) El Delirio Carrera 7a Av. Ferrocarril Av. Américas Visión Colombia Zona Franca Fucha Alameda

38 Figura 6. Curva hidráulica Caudal vs Área La curva característica de caudal y profundidad se define con los datos obtenidos en el trabajo de investigación de César Cardona Almeida, Desarrollo de un Modelo espacio-temporal de la hidrodinámica y la temperatura de un cauce fluvial: Caso de estudio río Fucha, en el año Tabla 12. Registro de caudal y profundidad estaciones río Fucha (2009) ESTACIÓN CAUDAL (Q) l/s m3/s PROFUNDIDAD (m) El Delirio 187,6 0,19 0,65 Carrera 7a 320,5 0,32 0,05 Av. Ferrocarril 1682,0 1,68 0,18 Av. Américas 2068,7 2,07 0,23 Visión Colombia 4895,4 4,90 0,91 Zona Franca 6807,7 6,81 1,36 Fucha Alameda 8628,9 8,63 2,17 38

39 Figura 7. Curva hidráulica Caudal vs Profundidad 39

40 7.5 APLICACIÓN DE LOS MÉTODOS MATEMÁTICOS Tabla 13. Registro de parámetros hidráulicos y de calidad del agua en las estaciones del río Fucha ( ) AÑO ESTACIÓN PARÁMETRO UND Av. Visión Fucha El Delirio Carrera 7a Av. Américas Av. Boyacá Zona Franca Ferrocarril Colombia Alameda ABS K0+000 K0+000 K4+431 K K K K K K DBO5 mg/l N.A OD mg/l N.A Q l/s N.A m3/s N.A A m N.A H m N.A V m/s N.A T C N.A DBO5 mg/l N.A OD mg/l N.A Q l/s N.A m3/s N.A A m N.A H m N.A V m/s N.A DBO5 mg/l N.A OD mg/l N.A Q l/s N.A m3/s N.A A m N.A H m N.A V m/s N.A DBO5 mg/l N.A OD mg/l N.A Q l/s N.A m3/s N.A A m N.A H m N.A V m/s N.A

41 Tabla 14. Registro de parámetros hidráulicos y de calidad del agua en las estaciones del río Fucha ( ) (Continuación) AÑO ESTACIÓN PARÁMETRO UND Av. Visión Fucha El Delirio Carrera 7a Av. Américas Av. Boyacá Zona Franca Ferrocarril Colombia Alameda ABS K0+000 K0+000 K4+431 K K K K K K DBO5 mg/l OD mg/l Q l/s m3/s A m H m V m/s DBO5 mg/l OD mg/l Q l/s m3/s A m H m V m/s DBO5 mg/l OD mg/l Q l/s m3/s A m H m V m/s T C

42 Tabla 15. Parámetros hidráulicos y de calidad del agua promedio en las estaciones del río Fucha ESTACIÓN PARÁMETRO UND Av. Visión Fucha El Delirio Carrera 7a Av. Américas Av. Boyacá Zona Franca Ferrocarril Colombia Alameda DBO5 mg/l OD mg/l Q l/s m3/s A m H m V m/s T C ABS K0+000 K K K K K K K K COTA m.s.n.m De acuerdo a los valores promedio obtenidos del anterior análisis e incluidos en la tabla 15 se elaboran los perfiles de OD y DBO5 medido. Figura 8. Perfil de OD medido del río Fucha 42

43 Figura 9. Perfil de DBO5 medido del río Fucha El cálculo de la constante K1 se realiza de acuerdo a lo estipulado en el numeral 5.3 del presente documento, para el cálculo de la constante K2 es necesario determinar porque método se trabaja de acuerdo a los parámetros de velocidad y profundidad indicados en la tabla 7. Tabla 16. Selección de método matemático para la determinación del coeficiente K2 ESTACIÓN PARÁMETRO UND Av. Visión Fucha El Delirio Carrera 7a Av. Américas Av. Boyacá Zona Franca Ferrocarril Colombia Alameda V m/s H m MÉTODO OWENS Y GIBBS OWENS Y GIBBS OWENS Y GIBBS OWENS Y GIBBS OWENS Y GIBBS O CONNOR Y DOBBINS Tabla 17. Coeficientes K1 y K2 de las estaciones por métodos matemáticos ESTACIÓN K1 (1/d) K2 (1/d) El Delirio Carrera 7a Av. Ferrocarril Av. Américas Av. Boyacá Visión Colombia Zona Franca Fucha Alameda O CONNOR Y DOBBINS O CONNOR Y DOBBINS 43

44 7.6 APLICACIÓN DEL MODELO DE STREETER Y PHELPS Para la implementación del modelo de Streeter y Phelps el río Fucha se divide en siete tramos delimitados por las ocho estaciones de monitoreo. De igual manera se utilizan los parámetros de las estaciones registrados en la tabla 15 junto con los coeficientes calculados de la tabla 17. Tabla 18. Datos iniciales Tramo 1 CURVA SAG DATOS PARA EL CALCULO TRAMO 1 Q m3/s 0.37 DBO5 mg/l 2.16 El Delirio OD mg/l 7.53 T C K1 1/d K2 1/d Q m3/s 0.66 DBO5 mg/l Carrera 7a OD mg/l 5.93 T C 15.8 K1 1/d K2 1/d CALCULO DE LAS CONDICIONES INICIALES TRAMO 1 DBOo mg/l ODo mg/l 6.51 To C CORRECCIÓN DEL ODo OXIGENO DE SATURACIÓN mg/l 6.85 Do mg/l 0.34 CORRECCIÓN CONSTANTE DE DESOXIGENACIÓN K1 K1 1/d CORRECCIÓN CONSTANTE DE REAIREACIÓN K2 K2 1/d El cálculo de las condiciones iniciales para el tramo 1 se hace por las ecuaciones de balance de masa (ODo y Lo) relacionando el DBO, OD y la temperatura de cada estación. Además para cada tramo se emplea las correcciones correspondientes del ODo y las constantes K1 y K2. 44

45 Tabla 19. Resultados de OD y DBO para el Tramo 1 En la tabla de resultados las condiciones de OD y DBO dependen de la abscisa recorrida, y así es para cada uno de los tramos a desarrollar. Tabla 20. Datos iniciales Tramo 2 Abscisa(m) t(d) D(mg/L) OD(mg/L) DBO(mg/L) K ,00 0,34 6,51 33,33 K ,01 0,66 6,19 33,20 K ,03 0,48 6,38 33,07 K ,05 0,25 6,61 32,81 K ,06 0,21 6,64 32,76 K ,08 0,13 6,73 32,55 K ,11 0,07 6,79 32,30 K ,12 0,05 6,80 32,19 CURVA SAG DATOS PARA EL CALCULO TRAMO 2 Q m3/s 0.66 DBO5 mg/l Carrera 7a OD mg/l 5.93 T C K1 1/d t 1/d Q m3/s 0.97 DBO5 mg/l Av. Ferrocarril OD mg/l 1.19 T C K1 1/d 6.36 K2 1/d CALCULO DE LAS CONDICIONES INICIALES TRAMO 2 DBOo mg/l ODo mg/l 3.10 To C CORRECCIÓN DEL ODo OXIGENO DE SATURACIÓN mg/l 6.86 Do mg/l 3.76 CORRECCIÓN CONSTANTE DE DESOXIGENACIÓN K1 K1 1/d CORRECCIÓN CONSTANTE DE REAIREACIÓN K2 K2 1/d

46 Tabla 21. Resultados de OD y DBO para el Tramo 2 Tabla 22. Datos iniciales Tramo 3 Abscisa(m) t(d) D(mg/L) OD(mg/L) DBO(mg/L) K ,00 3,76 3,10 74,96 K ,02 0,90 5,96 74,63 K ,04 0,46 6,39 74,04 K ,07 0,39 6,46 73,45 K ,08 0,36 6,49 73,16 K ,09 0,34 6,52 72,87 K ,12 0,29 6,56 72,29 K ,15 0,24 6,61 71,60 CURVA SAG DATOS PARA EL CALCULO TRAMO 3 Q m3/s 0.97 DBO5 mg/l Av. Ferrocarril OD mg/l 1.19 T C K1 1/d 6.36 K2 1/d Q m3/s 1.50 DBO5 mg/l Av. Américas OD mg/l 0.86 T C K1 1/d K2 1/d CALCULO DE LAS CONDICIONES INICIALES TRAMO 3 DBOo mg/l ODo mg/l 0.99 To C CORRECCIÓN DEL ODo OXIGENO DE SATURACIÓN mg/l 6.85 Do mg/l 5.86 CORRECCIÓN CONSTANTE DE DESOXIGENACIÓN K1 K1 1/d CORRECCIÓN CONSTANTE DE REAIREACIÓN K2 K2 1/d

47 Tabla 23. Resultados de OD y DBO para el Tramo 3 Tabla 24. Datos iniciales Tramo 4 Abscisa(m) t(d) D(mg/L) OD(mg/L) DBO(mg/L) K ,00 5,86 0,99 105,06 K ,01 4,59 2,25 104,87 K ,02 2,78 4,06 104,41 K ,03 2,09 4,76 104,04 K ,04 1,77 5,07 103,76 K ,05 1,55 5,30 103,48 K ,06 1,43 5,42 103,29 K ,06 1,33 5,52 103,11 CURVA SAG DATOS PARA EL CALCULO TRAMO 4 Q m3/s 1.50 DBO5 mg/l Av. Américas OD mg/l 0.86 T C K1 1/d K2 1/d Q m3/s 2.06 DBO5 mg/l Av. Boyacá OD mg/l 0.42 T C 17 K1 1/d 9.39 K2 1/d CALCULO DE LAS CONDICIONES INICIALES TRAMO 4 DBOo mg/l ODo mg/l 0.60 To C CORRECCIÓN DEL ODo OXIGENO DE mg/l 6.99 Do mg/l 6.39 CORRECCIÓN CONSTANTE DE DESOXIGENACIÓN K1 K1 1/d CORRECCIÓN CONSTANTE DE REAIREACIÓN K2 K2 1/d

48 Tabla 25. Resultados de OD y DBO para el Tramo 4. Tabla 26. Datos iniciales Tramo 5 Abscisa(m) t(d) D(mg/L) OD(mg/L) DBO(mg/L) K ,00 6,39 0,60 128,54 K ,01 5,82 1,17 128,35 K ,01 5,09 1,90 128,05 K ,02 4,32 2,67 127,65 K ,03 3,87 3,12 127,35 K ,04 3,48 3,50 127,06 K ,05 3,16 3,83 126,76 K ,06 2,86 4,13 126,43 CURVA SAG DATOS PARA EL CALCULO TRAMO 5 Q m3/s 2.06 DBO5 mg/l Av. Boyacá OD mg/l 0.42 T C K1 1/d 9.39 K2 1/d Q m3/s 6.90 DBO5 mg/l Visión OD mg/l 0.07 Colombia T C 17.7 K1 1/d K2 1/d 1.06 CALCULO DE LAS CONDICIONES INICIALES TRAMO 5 DBOo mg/l ODo mg/l 0.15 To C CORRECCIÓN DEL ODo OXIGENO DE mg/l 6.89 Do mg/l 6.74 CORRECCIÓN CONSTANTE DE DESOXIGENACIÓN K1 K1 1/d CORRECCIÓN CONSTANTE DE REAIREACIÓN K2 K2 1/d

49 Tabla 27. Resultados de OD y DBO para el Tramo 5 Tabla 28. Datos iniciales Tramo 6 Abscisa(m) t(d) D(mg/L) OD(mg/L) DBO(mg/L) K ,00 6,74 0,15 220,83 K ,00 9,08-2,20 220,70 K ,01 11,93-5,04 220,50 K ,01 14,05-7,16 220,29 K ,01 15,64-8,75 220,09 K ,01 16,27-9,38 219,99 K ,01 16,81-9,93 219,89 K ,02 17,64-10,75 219,70 CURVA SAG DATOS PARA EL CALCULO TRAMO 6 Q m3/s 6.90 DBO mg/l Visión OD mg/l 0.07 Colombia T C K1 1/d K2 1/d 1.06 Q m3/s 7.54 DBO mg/l Zona Franca OD mg/l 0.04 T C 17.3 K1 1/d 0.75 K2 1/d 0.83 CALCULO DE LAS CONDICIONES INICIALES TRAMO 6 DBOo mg/l ODo mg/l 0.05 To C CORRECCIÓN DEL ODo OXIGENO DE mg/l 6.95 Do mg/l 6.90 CORRECCIÓN CONSTANTE DE DESOXIGENACIÓN K1 K1 1/d CORRECCIÓN CONSTANTE DE REAIREACIÓN K2 K2 1/d

50 Tabla 29. Resultados de OD y DBO para el Tramo 6 Tabla 30. Datos iniciales Tramo 7 Abscisa(m) t(d) D(mg/L) OD(mg/L) DBO(mg/L) K ,00 6,90 0,05 242,12 K ,01 6,93 0,01 241,46 K ,02 6,98-0,04 240,51 K ,04 7,03-0,08 239,56 K ,05 7,08-0,13 238,61 K ,06 7,12-0,18 237,67 K ,07 7,17-0,22 236,73 K ,08 7,20-0,25 236,05 CURVA SAG DATOS PARA EL CALCULO TRAMO 7 Q m3/s 7.54 DBO mg/l Zona Franca OD mg/l 0.04 T C K1 1/d 0.75 K2 1/d 0.83 Q m3/s 7.87 DBO mg/l Fucha OD mg/l 0.03 Alameda T C 17.3 K1 1/d 1.56 K2 1/d 0.69 CALCULO DE LAS CONDICIONES INICIALES TRAMO 7 DBOo mg/l ODo mg/l 0.03 To C CORRECCIÓN DEL ODo OXIGENO DE mg/l 6.95 Do mg/l 6.92 CORRECCIÓN CONSTANTE DE DESOXIGENACIÓN K1 K1 1/d CORRECCIÓN CONSTANTE DE REAIREACIÓN K2 K2 1/d

51 Tabla 31. Resultados de OD y DBO para el Tramo 7 Abscisa(m) t(d) D(mg/L) OD(mg/L) DBO(mg/L) K ,00 6,92 0,03 244,21 K ,00 6,98-0,03 243,90 K ,01 7,10-0,15 243,32 K ,02 7,21-0,26 242,74 K ,03 7,32-0,37 242,16 K ,04 7,43-0,48 241,59 K ,04 7,53-0,58 241,02 K ,05 7,66-0,71 240, CALIBRACIÓN DEL PROGRAMA QUAL2K La implementación de este modelo, para la calidad del agua, requiere datos adicionales a los anteriormente calculados como la posición geográfica de las estaciones seleccionadas (véase la tabla 8), además se hace un esquema donde se indican los parámetros de cada estación teniendo como base los puntos de monitoreo inicial y final (véase la figura 3). 51

52 Figura 10. Esquema para los datos del QUAL2K RIO FUCHA ESTACIÓN EL DELIRIO Q = m³/s DBO = 2.16 mg/l OD = 7.53 mg/l T= C ESTACIÓN CR 7 K4+431 Q = 0.66 m³/s DBO = mg/l V= 0.44 m/s OD = 5.93 mg/l T= C ESTACIÓN AV AMERICAS K ESTACIÓN AV FERROCARRIL K Q = 0.97 m³/s V= 0.44 m/s DBO = mg/l OD = 1.19 mg/l T= C Q = 1.50 m³/s DBO = mg/l V= 0.39 m/s OD = 0.86 mg/l T= C ESTACIÓN VISIÓN COLOMBIA K ESTACIÓN AV BOYACA K Q = 2.06 m³/s V= 0.45 m/s DBO = mg/l OD = 0.42 mg/l T= C Q = 6.90 m³/s DBO = mg/l V= 0.38 m/s OD = 0.07 mg/l T= C ESTACIÓN ZONA FRANCA K Q = 7.54 m³/s V= 0.26 m/s DBO = mg/l OD = 0.04 mg/l T= C Tramo 1 Long 4431 m Tramo 2 Long 5775 m Tramo 3 Long 2098 m Tramo 4 Long 2131 m Tramo 5 Long 559 m Tramo 6 Long 1924 m Tramo 7 Long 1015 m ESTACIÓN ALAMEDA K Q = 7.87 m³/s DBO = mg/l OD = 0.03 mg/l T= C V= 0.22 m/s 52

53 El proceso de calibración hidráulica se ajusta con los datos promedio de las estaciones del río Fucha reportados en las tablas 13 y 14, generando las curvas características de velocidad y profundidad en función del caudal. Esta información permite al programa reconocer de una manera adecuada la sección transversal de cada estación. Figura 11. Curva característica Caudal vs Velocidad estación El Delirio Figura 12. Curva característica Caudal vs Profundidad estación El delirio 53

54 Figura 13. Curva característica Caudal vs Velocidad estación Carrera 7ª Figura 14. Curva característica Caudal vs Profundidad estación Carrera 7ª Figura 15. Curva característica Caudal vs Velocidad estación Av. Ferrocarril 54

55 Figura 16. Curva característica Caudal vs Profundidad estación Av. Ferrocarril Figura 17. Curva característica Caudal vs Velocidad estación Av. Américas Figura 18. Curva característica Caudal vs Profundidad estación Av. Américas 55

56 Figura 19. Curva característica Caudal vs Velocidad estación Av. Boyacá Figura 20. Curva característica Caudal vs Profundidad estación Av. Boyacá Figura 21. Curva característica Caudal vs Velocidad estación Visión Colombia 56

57 Figura 22. Curva característica Caudal vs Profundidad estación Visión Colombia Figura 23. Curva característica Caudal vs Velocidad estación Zona Franca Figura 24. Curva característica Caudal vs Profundidad estación Zona Franca 57

58 Figura 25. Curva característica Caudal vs Velocidad estación Fucha Alameda Figura 26. Curva característica Caudal vs Profundidad estación Fucha Alameda 58

59 Figura 27. Datos de entrada para la estación inicial El Delirio Figura 28. Datos de entrada para la estación final Fucha Alameda 59

60 Figura 29. Datos demás estaciones consideradas para la calibración del modelo Para el ingreso de los valores por estación de OD, DBO, caudal y temperatura se tiene en cuenta que el programa analiza en orden inverso, es decir que los datos se ingresan comenzando por la estacion final (Fucha Alameda) y terminando con la estación inicial (El Delirio). Figura 30. Datos de entrada de caudal para la calibración del modelo 60

61 Figura 31. Datos de entrada de temperatura para la calibración del modelo Figura 32. Datos de entrada de OD y DBO para la calibración del modelo 61

62 8 RESULTADOS Los resultados del modelo de Streeter y Phelps se resumen en la tabla 32, a partir de dichos resultados se obtienen las curvas de comportamiento de OD y DBO5 durante el recorrido propuesto por el análisis en el rio Fucha (véase las Figuras 32 y 33). Tabla 32. Resumen resultados para el perfil de OD y DBO5 del rio Fucha TRAMO RESUMEN DATOS GRÁFICA SAG Abscisa(m) t(d) D(mg/L) OD(mg/L) DBO(mg/L) K K K K K K K K K K K K K K K K K K K K K K K K K K K K K K K K K K K K K K K K K K K K K K K K K K K K K K K K

63 Figura 33. Perfil de OD calculado del río Fucha Figura 34. Perfil de DBO5 calculado del río Fucha Los resultados obtenidos por el programa QUAL2K dependen de la calibración realizada para la determinación de las constantes de desoxigenación (K1) y reaireación (K2) ya que estas deben tener relación con los perfiles obtenidos de OD y el DBO5 medido en las estaciones del rio Fucha. 63

64 Figura 35. Constantes K1 y K2 del río Fucha calibradas con el modelo QUAL2K Figura 36. Curva de OD calibrada del rio Fucha con el modelo QUAL2K 64

65 Figura 37. Curva de DBO5 calibrada del rio Fucha con el modelo QUAL2K 65