El emisario de aguas residuales de la ciudad de Lima, de 3 m de diámetro

Transcripción

1 El emisario de aguas residuales de la ciudad de Lima, de 3 m de diámetro César Lorido Ingeniero Técnico Industrial PPA&KRAH cesar.lorido@ppakrah.com Eloy Pita Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos INCREA epita@increa.eu Introducción En los últimos años, INCREA ha participado en el diseño y construcción de tuberías submarinas en numerosos proyectos: emisarios de aguas residuales, plantas desaladoras, granjas marinas, circuitos de refrigeración de industrias, etc. Muchos de esos proyectos han sido ejecutados con tuberías de polietileno de alta densidad estructuradas, de gran diámetro, fabricadas por la empresa española PPA&KRAH. Esta empresa, por medio de su filial PPA MARITIME, también ejecuta trabajos marinos, como dragados, protección de tuberías, fondeo de tuberías En la actualidad, tanto PPA como Increa nos vemos inmersos en nuevo reto: la construcción del emisario de aguas residuales de La Taboada, en la ciudad de Lima, con una tubería de 3 m de diámetro interior, auténtica plusmarca mundial. Emisario de La Taboada Localización emisario

2 Localización El emisario de La Taboada está situado en Lima (Perú), cerca del aeropuerto internacional Jorge Chávez. La Isla de San Lorenzo protege el enclave de las obras de los oleajes del sur, que es la dirección predominante de los temporales. Descripción del proyecto El emisario tiene una longitud total de m, incluyendo un corto tramo terrestre desde la PTAR hasta la línea de costa, y alcanza una profundidad de 13 m en el Océano Pacífico. El diámetro interior de la tubería es de 3 m, ejecutada en polietileno de alta densidad (PE-100), con estructura helicoidal y fabricada en Vitoria (España). Para la elección del material que constituye el emisario submarino, se ha realizado un estudio de las diferentes alternativas, teniendo en cuenta, no sólo el coste del tubo, sino también el coste de la instalación, la facilidad constructiva, la dependencia del estado del mar, la corrosión, la durabilidad, etc. El Polietileno de alta densidad (PEAD), PE 100 presenta indudables ventajas en el proceso constructivo de emisarios submarinos, y sus propiedades son muy adecuadas para su utilización en entornos agresivos como el mar. La experiencia existente con este material es muy exitosa. No se corroe al ser material plástico y es muy flexible, con lo que no se ve afectado por asientos o ligeros movimientos, por lo que su comportamiento frente al sismo es inmejorable (podría soportar problemas de licuefacción del terreno). En este caso, al ser tubería estructurada, que es la habitualmente empleada en grandes diámetros, se ejecutará mediante tubos de una longitud próxima a los 6 m, que serán unidos por electrofusión. El tubo, durante su manipulación en fábrica Debemos tener en cuenta que el coste de una tubería no es sólo función del coste del material en sí, sino que también ha de sumarse el coste de instalación. En nuestro caso, el PE es el material que más fácilmente se coloca en el fondo del mar, gracias a su gran flexibilidad. Se puede llegar a fondear tramos de gran longitud (300 m en nuestro caso) en un mismo día, lo cual es una gran ventaja en aguas abiertas del Pacífico. El tramo difusor tiene una longitud de m, con un diámetro interior que se va reduciendo. Es por ello que los primeros 340 m tienen un diámetro interior de 3 m, los siguientes 330 m tienen un diámetro de 2,4 m y los 330 m de 1,8 m. Se colocan lastres alrededor de la tubería, que irán variando en peso, y por tanto en tamaño, según el tramo (terrestre o marino) y el diámetro de la tubería.

3 El tubo, con el lastre colocado, realizando pruebas de adherencia en obra La tubería será colocada en zanja que deberá ser previamente dragada a lo largo de toda la traza. El material a dragar es fango, hecho que ha condicionado el diseño. La profundidad de la zanja será tal que garantice el suficiente recubrimiento sobre clave para asegurar que ante los cambios de perfil, la tubería seguirá debidamente protegida. Se protegerá con escollera de 150 Kg en el tramo difusor y en la zona de rompientes. La tubería, durante su instalación en el tramo terrestre

4 La tubería tendrá las suficientes bocas de hombre para su inspección y ventosas para la salida de aire. El difusor estará protegido del arrastre de redes y de las anclas con antiarrastreros. El final y el arranque del tramo difusor se señalizan con una boya, cada uno. El sismo ha sido tenido en cuenta en el diseño de la conducción: PE es el mejor material para evitar sus consecuencias, debido a su flexibilidad y la capacidad de resistir esfuerzos de tracción, incluso en juntas. Diseño ambiental del emisario Debido a que el concurso permitía optimizar el diseño del sistema formado por la planta de pretratamiento y la conducción de vertido, se hizo un profundo estudio del comportamiento ambiental, para cumplir con la legislación peruana, que limitaba la carga contaminante en la costa. La extensión de la pluma en el medio marino, producida por el efluente del emisario es un aspecto esencial para el diseño y la evaluación del impacto de la infraestructura en el medio receptor, teniendo en cuenta el contenido de contaminantes. Dicho impacto es función de la capacidad de dilución de la infraestructura (campo cercano) y la energía del sistema marino, caracterizado por la intensidad de las corrientes marinas (campo lejano). El resultado de dicha dilución es una distribución espacial de la carga contaminante que no debe superar los límites establecidos por la normativa correspondiente (Ley de Aguas Clase VI). Las longitudes de la tubería principal y del difusor se calcularon apoyándose en un modelo numérico de gran precisión. Las condiciones meteo-oceanográficas se evaluaron a partir de los datos disponibles. Evolución en el tiempo de una traza conservativa en el emisario de La Taboada El modelo de campo cercano CORMIX fue acoplado junto al modelo hidrodinámico ROMS (Regional Ocean Modelling System) para poder estudiar el comportamiento de la mancha en campo cercano y en campo lejano.

5 En primer lugar vamos a describir el modelo empleado para el cálculo de la dilución inicial, es decir, en el campo cercano. Para estudiar el proceso de dilución inicial se ha utilizado el modelo CORMIX (Tsanis, I.K. y Valeo, C., 1994). Este código está recomendado por la EPA, Environmental Protection Agency (USA). El CORMIX (Cornell Mixing Zone Expert System) es un software destinado al análisis, la predicción y el diseño de vertidos tóxicos, salinos, térmicos o simplemente de vertidos flotantes (o no flotantes) en cuerpos de agua. Este programa describe de forma adecuada los procesos de mezcla en las proximidades de la boca (o bocas) de salida del emisor, donde estos procesos en la dirección del tubo, debido a la velocidad de salida del caudal, y de mezcla vertical debido a la flotabilidad (positiva o negativa según lo sea la diferencia de densidades entre el medio receptor y el líquido vertido), preponderan sobre el efecto de advección provocado por las corrientes marinas que existan en la zona. A continuación se describe brevemente el modelo hidrodinámico y de transporte de sustancias utilizado para evaluar las corrientes y la dispersión de contaminantes en la Bahía del Callao. En el Proyecto se profundiza en los detalles numéricos y de implementación en la zona de los modelos de simulación. Para la obtención del campo de corrientes se ha utilizado el modelo ROMS (Regional Ocean Modelling System). Dicho modelo hidrodinámico resuelve las ecuaciones de Navier-Stokes en coordenadas sigma usando la aproximación de Boussinesq y balance de momento vertical (condición de hidrostaticidad). El código ROMS (Shchepetkin and Macwilliams, 2005) esta implementado en un malla Arakawa C, que permite optimizar el tiempo de calculo, a la vez que usa el solver de ecuaciones predictor de tercer orden (Leap-Frog) y un corrector multipaso (Adam-Molton), lo que permite una resolución estable y robusta. Para la parametrización de la turbulencia se ha utilizado el modelo Smagorinsky para la resolución horizontal y K-ε para la vertical. Para la condición de frontera se usa una ley de radiación para las componentes barotrópicas (Flather condición) y para las velocidades baroclinicas (condición de Orlansky). El ROMS es ampliamente utilizado por la comunidad científica y técnica mundial, con gran éxito. Para modelizar la pluma del emisario se ha utilizado un modelo de dispersión de sustancias basado en la implementación de la ecuación del transporte desde el punto de vista lagrangiano. La parte advectiva del transporte se ha utilizado el algoritmo Runge-Kutta de 4º orden, mientras que la parte difusiva se ha utilizado el algoritmo del camino aleatorio (random-walk) para parametrizar adecuadamente el proceso estocástico de la difusión. Para modelar el decaimiento bacteriano de los Coliformes se ha utilizado la ecuación diferencial de desaparición bacteriana de primer orden que es función del coeficiente de desaparición bacteriana. Los resultados obtenidos, tras calcular campo cercano y campo lejano, son: Concentraciones obtenidas Sustancia Concentración en el fin del Campo Cercano Concentración del punto más próximo a la costa (Campo lejano). Normativa (Ley calidad de Aguas Clase VI) Estado CT NMP/ml 3200 NMP/ml NMP/ml Cumple CF NMP/ml 3200 NMP/ml 4000 NMP/ml Cumple DBO mgr/l 4.13 mgr/l 10 mgr/l Cumple Arsénico 1.24 mgr/l mgr/l 0.05 mgr/l Cumple Cadmio 0.14 mgr/l mgr/l mgr/l Cumple Cromo 4.96 mgr/l mgr/l 0.05 mgr/l Cumple Plomo 1.93 mgr/l mgr/l 0.03 mgr/l Cumple Sulfuros 0.10 mgr/l mgr/l mgr/l Cumple Mercurio 1.65 mgr/l mgr/l mgr/l Cumple

6 Lecciones aprendidas Las lecciones más importantes aprendidas durante el diseño y la ejecución de los numerosos Proyectos en los que hemos participado son: - Las tuberías de PE son la mejor solución para instalaciones marinas. Cuando son necesarios grandes diámetros, las tuberías soldadas helicoidalmente (convenientemente diseñadas) son la única posibilidad de la que se dispone, en este material. - La instalación de la tubería en el fondo del mar debe ser estudiada en profundidad por ingenieros con gran experiencia, tanto en diseño como en construcción. - La instalación de las tuberías, es frecuentemente, la peor situación, desde el punto de vista estructural, que sufre la tubería a lo largo de toda su vida útil. Por ello, el proceso debe ser optimizado para reducir las características de la tubería (espesor de pared, inercia, ) y así su coste. - El mejor método para la instalación de tuberías de PE de medio o pequeño diámetro (<1.500 mm) en el fondo del mar (profundidades por encima de 30 m), es el Método de fondeo controlado mediante inundación progresiva. Sin embargo, cuando los diámetros o las profundidades son altos, se recomienda el uso de flotadores para la instalación. -Las rampas terrestres para lanzamiento de las tuberías, deben estudiarse con mucho detenimiento, con ángulos que no generen altas tensiones que no puedan ser soportadas por la tubería. - Los trabajos marinos dependen en gran medida de las condiciones del mar. Los pronósticos del tiempo deben ser precisos y deben estar disponibles con suficiente antelación. - Para el hundimiento es necesario disponer de una amplia flota de embarcaciones. A pesar de que su costo diario puede ser alto, ya que estas operaciones son de corta duración, merece la pena ser generoso en su dimensionamiento, para realizar las operaciones sin correr riesgos innecesarios. - Colocar la tubería en zanja es la mejor protección contra agentes externos. Se recomienda diseñar una zanja profunda para tener suficiente recubrimiento sobre clave de tubería. En este caso, es suficiente rellenar la zanja con el mismo material obtenido del dragado. Si el recubrimiento no es elevado, el hormigonado de la zanja o su relleno con escollera es una buena protección contra el mar y las acciones accidentales.