emisores submarinos

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MANUAL DE AGUA POTABLE,ALCANTARILLADO Y SANEAMIENTO

GUA PARA EL DISEO DE EMISORESSUBMARINOS

NOVIEMBRE, 2002

SUBDIRECCIN GENERAL TCNICA

GERENCIA DE INGENIERA BSICAY NORMAS TCNICAS


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DIRECTORIO

CRISTBAL JAIME JQUEZ

Director GeneralDR. FELIPE I. ARREGUN CORTSSubdirector General Tcnico

ING. JESS CAMPOS LPEZSubdirector General de Construccin

LIC. MARIO ALFONSO CANT SUREZSubdirector General de Administracin del Agua

ING. CSAR HERRERA TOLEDOSubdirector General de Programacin

ING. CSAR O. RAMOS VALDSSubdirector General de Operacin

ING. CSAR L. COLL CARABIASSubdirector General de Administracin

La Comisin Nacional del Agua contrat la elaboracin deeste libro tcnico con el:

INSTITUTO MEXICANO DE TECNOLOGA DEL AGUA.Segn Convenio de Proyectos 2001 SGT-IMTA (Proyecto No. HC-0125) del 7 de marzo de 2001.

La coordinacin estuvo a cargo de la Subdireccin General Tcnica a travs de la Gerencia de Ingeniera Bsicay Normas Tcnicas.

ING. ENRIQUE MEJA MARAVILLAING. EDUARDO MARTNEZ OLIVERING. RAL CARRANZA ESLAVAING. HCTOR E. LVAREZ NOVOA


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CONTENIDOPgina

RESUMEN

1. INTRODUCCIN 12. CONCEPTOS BSICOS Y ASPECTOS TERICOS 7

2.1 EL EMISOR SUBMARINO 72.1.1 El difusor submarino 9

2.2 CARACTERSTICAS FSICAS DE LAS DESCARGAS 92.2.1 Descargas superficiales 92.2.2 Descargas sumergidas 11

2.3 PROCESOS DE DILUCIN 122.3.1 Dilucin Inicial 122.3.2 Dilucin por inactivacin bacteriana 142.3.3 Dilucin por dispersin horizontal 152.3.4 Dilucin total 16

2.4 TIPOS DE AGUAS DESCARGADAS 162.4.1 Origen de las aguas residuales domsticas 172.4.2 Origen de las aguas residuales industriales 172.4.3 Infiltracin y aportaciones incontroladas 202.4.4 Aguas pluviales en alcantarillado 202.4.5 Origen de las aguas residuales termales. 212.4.6 Origen de las descargas salinas. 22

2.5 LOS EMISORES SUBMARINOS EN MXICO 222.5.1 El emisor submarino de la planta de Bixido de

titanio de Du Pont Mxico S.A. de C.V.,planta Altamirano, Tamaulipas.

22

2.5.2 El emisor de Mazatln 252.5.3 El emisor de Puerto Vallarta 28

3 MEDICIN, ANLISIS Y PROCESAMIENTODE LA INFORMACIN

33

3.1 INTRODUCCIN 333.1.1 Caractersticas de los estudios requeridos para

la construccin del emisor submarino33

3.2 ESTUDIOS PRELIMINARES 343.2.1 Caractersticas de los estudios 35

3.3 ESTUDIOS TOPOGRFICOS Y BATIMTRICOS 373.3.1 Topografa de la zona 373.3.2 Batimetra 373.3.3 Seleccin de los sitios de posibles descargas 38

3.4 ESTUDIOS METEOROLGICOS 383.4.1 Vientos locales y huracanados 383.4.2 Vientos en zonas costeras 39


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3.4.3 Caractersticas de los vientos cerca de la superficie 393.4.4 Vientos extremos (huracanes) 40

3.5 ESTUDIOS OCEANOGRFICOS 423.5.1 Mareas 423.5.2 Corrientes 45

3.5.3 Oleaje 473.5.4 Difusin y dispersin 483.5.5 Procesos costeros 503.5.6 Propiedades del agua del mar 523.5.7 Estudios geolgicos 55

3.6 INSTRUMENTOS, TCNICAS DE MEDICINY ANLISIS

55

3.6.1 Informacin geolgica y topogrfica 553.6.2 Informacin meteorolgica 563.6.3 Informacin oceanogrfica y de calidad del agua 563.6.4 Marea 563.6.5 Corrientes 573.6.6 Oleaje 603.6.7 Calidad del agua 603.6.8 Barcos oceanogrficos 60

4 CRITERIOS DE DISEO 63

4.1 INTRODUCCIN 634.2 CARACTERSTICAS DE LA DESCARGA 65

4.2.1 Datos de la descarga 654.3 ANLISIS HIDRULICO DE LA TUBERA

PRINCIPAL DEL EMISOR66

4.4 REVISIN HIDRULICA DEL DIFUSOR 704.5 ESTUDIO DE LA DISPERSIN DE LA PLUMA

DE CONTAMINANTE71

4.6 PROCEDIMIENTO DE CLCULO 744.6.1 Seccin de datos bsicos 744.6.2 Seccin de clculos 744.6.3 Seccin de manejo de concentraciones (coliformes/ml) 75

4.7 REVISIN DE LAS NORMAS DE CALIDAD DEAGUA EN ZONAS COSTERAS

76

4.8 SOFTWARE DISPONIBLE EN LA LITERATURA 774.8.1 Revisin hidrulica de la conduccin 77

4.8.2 Determinacin de la dinmica del mar 784.8.2.1 El Princeton Ocean Model(POM) 794.8.2.2 El modelo ADCIRC 81

4.8.3 Estudio de la dilucin y de dispersin de la pluma 844.8.3.1 El modelo CORMIX-EPA 844.8.3.2 El modelo QUETZAL/3D 84

4.9 ESTUDIOS DE IMPACTO AMBIENTAL 874.9.1 Ubicacin del emisor 87


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4.9.2 Profundidad de la descarga 874.9.3 Difusores y dilucin inicial 884.9.4 Corrientes marinas 884.9.5 Informacin bsica requerida para evaluar el impacto

ambiental88

5 ASPECTOS TECNICOS 93

5.1 INTRODUCCIN 935.2 SELECCIN DEL MATERIAL 94

5.2.1 Tuberas de hierro fundido 965.2.2 Tuberas de acero 965.2.3 Tuberas de concreto 985.2.4 Tuberas de plstico 99

5.3 LAS CAUSAS DE LAS FALLAS EN LOS EMISORES 1015.4 AGENTES GENERADORES DE FUERZAS

HIDRODINMICAS101

5.4.1 Agentes debidos a la dinmica del mar 1015.4.2 Agentes debidos al fluido en movimiento 103

5.4.2.1 Por cambios de direccin y seccin transversal 1035.4.2.2 Fuerzas de friccin 1045.4.2.3 Presiones negativas 1055.4.2.4 Vibraciones 105

5.5 ANLISIS DE LA ESTABILIDAD DE LA TUBERA 1055.6 REVISIN POR SISMICIDAD 106

5.6.1 Eleccin del tipo de anlisis 1075.6.2 Mtodo simplificado 1075.6.3 Mtodo pseudoesttico 1105.6.4 Anlisis dinmico 1115.6.5 Cruce de fallas geolgicas Activas 113

5.7 ANCLAJES Y PILOTAJES 1145.8 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCCIN E

INSTALACIN115

5.8.1 Aspectos de la construccin de un emisor 1155.8.2 Seleccin del dimetro de la tubera 1165.8.3 Seleccin de la razn de dimensin estndar de la

tubera (SDR)117

5.8.4 Anclaje de los emisores submarinos de PEAD 1185.8.5 Determinacin de la distancia entre las pesas del ancla 119

5.8.6 Determinacin del peso del collarn del ancla 1205.8.7 Diseo del ancla 1225.8.8 Moldeado de las anclas de concreto en el lugar de

trabajo125

5.8.9 Unin de los tramos y acoplamiento de los anclajes a latubera

127

5.8.10 Flotacin, inmercin y colocacin del emisor submarino 1295.8.11 Problema ejemplo 131


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6 I. EJEMPLOS 1376.1 EL EMISOR SUBMARINO DE COYUCA DE

BENTEZ, GRO.137

6.1.1 Antecedentes 137

6.1.2 Recopilacin y anlisis de informacin 1386.1.3 Seleccin de los posibles sitios de descarga 1396.1.4 Datos de la descarga 1396.1.5 Anlisis de alternativas. Estudio de las diluciones 1396.1.6 Ejemplo de diseo del emisor 1416.1.7 Conclusiones 158

6.2 EL EMISOR DEL BESS (BARCELONA, ESPAA) 1586.2.1 Antecedentes 1586.2.2 La solucin elegida 1596.2.3 Proceso de construccin del emisor 1626.2.4 Fabricacin de la tubera 162

6.2.5 Patio de almacenamiento 1676.2.6 Dragado 1686.2.7 Sitios importantes de cruce 1696.2.8 Maniobra de tiro y lanzamiento 1706.2.9 Operaciones finales 1726.2.10 Estacin de bombeo 173

6.3 EL EMISOR DEL LLOBREGAT (BARCELONA,ESPAA)

174

6.3.1 Datos generales 1746.3.2 Descripcin de las obras 1756.3.3 Principales caractersticas del emisor 175

6.4 EL EMISOR DE SAN DIEGO, CALIFORNIA (USA) 1796.4.1 Datos generales 1796.5 EL EMISOR DE NIZA (FRANCIA) 182

BIBLIOGRAFA187

APENDICE A. ABREVIATURAS191

APENDICE B. GLOSARIO DE TRMINOS193


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Manual de agua potable, alcantarillado y saneamientoGua para el diseo de emisores submarinos

Resumen

El objetivo del libro Gua para el diseo de emisores submarinos es de disponer de lametodologa para el diseo y construccin de los emisores submarinos, que formaparte del Manual de Agua Potable, Alcantarillado y Saneamiento, de la Gerencia deIngeniera Bsica y Normas Tcnicas perteneciente a la Subdireccin GeneralTcnica de la CNA. El libro se centrar en los criterios establecidos para lasdescargas de aguas residuales provenientes de las plantas de tratamiento.

El libro agrupa el procedimiento para el diseo de emisores submarinos, desde este

punto de vista se hace una descripcin de los elementos tericos necesarios para elentendimiento del proceso fsico y matemtico de las variables. Se presenta unarevisin rpida de los emisores submarinos en Mxico; se mencionan los emisoresde Altamira, Mazatln y Puerto Vallarta. Enseguida se manejan los aspectosconcernientes a la recopilacin, manejo y tratamiento de los estudios de basenecesarios; estos estudios incluyen datos concernientes a las condiciones de lacalidad del agua y el volumen a verter, la informacin topogrfica, geolgica,oceanogrfica y meteorolgica necesaria. Se describen los criterios de diseo de losemisores los cuales abarcan fundamentos prcticos, hidrulicos y ambientales,recopilados de un sin numero de fuentes bibliogrficas. Se presenta una revisin delas normas de calidad de aguas en Mxico, se sugieren tambin algunos elementos

de carcter econmico y social que deben de considerase en el proceso de diseo.Se describen algunos aspectos tcnicos como son los tipos de materiales que seutilizan o recomiendan, los procedimientos constructivos y los mtodos de colocadoin situ.

Finalmente se mencionan algunos ejemplos a nivel mundial de los emisores delBess y del Baix Llobregat de Barcelona, Espaa; el emisor de San Diego California;el emisor de la Station de depuration de la Ville de Nice, en Francia. Se mencionatambin el anteproyecto realizado para el diseo del emisor de Coyuca de Bentez enel estado de Guerrero.


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1. INTRODUCCIN

El problema de la contaminacin de los diferentes cuerpos de agua, es un fenmenoque responde al creciente grado de actividad contaminante que se viene dando en

las ltimas dcadas. El desarrollo de los procesos industriales y el incremento detransporte martimo aunado al crecimiento poblacional han incidido en un brusco yextraordinario aumento en la recepcin de los cuerpos de agua de sustanciasexternas contaminantes.

El trmino contaminante ha sido definido en la legislacin mexicana como todamateria o energa, en cualesquiera de sus estados fsicos y formas, que alincorporarse o actuar en la atmsfera, agua, suelo, flora, fauna o cualquier elementonatural, altere o modifique su composicin y condicin natural. Por el trminocontaminacin, se entiende la presencia en el ambiente de uno o ms contaminanteso de cualquier combinacin de ellos que cause desequilibrio ecolgico . Las fuentes

de generacin las podemos clasificar en actividades industriales, agrcolas, ydomsticas, plantas nucleares, fuentes ocasionales y naturales.

A pesar de la presencia de la contaminacin en el medio ambiente durante variossiglos, es nicamente hasta los aos treinta, cuando el desarrollo tecnolgicoindustrial se incrementa, las ciudades comienzan a crecer en formadesproporcionada, se acelera el deterioro del medio ambiente, llegando en estas dosltimas dcadas a alcanzar niveles tan grandes que no slo afecta la naturaleza, sinola misma existencia de la vida. La explosin demogrfica, el desarrollo tecnolgico, lasobre explotacin de los recursos naturales, estn ligados en un ciclo vicioso cadavez ms intenso y la consecuencia es el deterioro del medio ambiente. Adems, en

ciertos pases, las principales ciudades tienen un ndice alto de sobrepoblacin, locual impide una correcta planeacin de los servicios bsicos, lo que a su vez tambincontribuye al deterioro del medio ambiente.

La circulacin de contaminantes es global, por ende, tambin lo son sus efectos; pormuy alejada que se encuentre una comunidad de los grandes conglomeradosurbano-industriales, mantiene una cierta relacin comercial y utiliza tcnicas deproduccin dainas para su medio ambiente, sus productos qumicamente tratados,lesionan la salud a largo plazo (aunque el consumo mayor de estos productos selleve a cabo en las ciudades). Por otra parte, el rgimen de vientos y aguastransporta los residuos de la ciudad a cientos de kilmetros de ella, con lo que se

generaliza la circulacin de contaminantes, de aqu el trmino de global. Algunasactividades del hombre y los animales migratorios tambin contribuyen comomecanismos conductores de contaminacin. Prcticamente no hay ecosistemaacutico que no se encuentre contaminado por aguas negras municipales,pesticidas, aceites, detergentes y en general por una gran cantidad de desechos queafectan la pureza de sus aguas y la vida acutica en las mismas.


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De particular importancia es el mar que es el ecosistema considerado por muchoscomo el que da inicio al ciclo hidrolgico y que adems recibe las consecuenciascuando las aguas regresan a l; efectivamente, las aguas, en sus distintas fasesrecorren diversos ecosistemas y que al estar contaminados se impregna deimpurezas, como se describi anteriormente.

El incremento de las actividades en las zonas costeras como consecuencia delcreciente desarrollo tecnolgico ha deteriorado los sistemas marinos en los ltimosaos a tal grado que las necesidades de restauracin de estos ecosistemas sonurgentes. Escurrimientos naturales, sistemas de drenaje de aguas municipales ypluviales, descargas de plantas de tratamiento y descargas de plantas industrialestoman al mar como fuente receptora de sus descargas, lo que origina que susparmetros fsicos, qumicos y biolgicos se vean alterados. Consecuentemente latoma de conciencia de las autoridades sobre el problema de la contaminacin de losdiferentes cuerpos de agua ha ido en aumento y las restricciones son cada vez msestrictas.

Desde el inicio de la humanidad, los ocanos del mundo, que cubren 70 % de lasuperficie de la tierra, han sido utilizados como un receptculo de desechos humanossin embargo, en trminos generales no han sufrido mayores cambios, pues lacomposicin qumica del mar se ha mantenido esencialmente por ms de un millnde aos, aun mas cuando se compara la enorme cantidad de materia orgnica ysedimentos llevados al mar por los ros del mundo como resultado de procesosnaturales, la contribucin de aguas cloacales producidas por el hombre es pequea.Una observacin interesante sobre la poca importancia relativa de la materiaorgnica fue hecha por el Dr. John D. Isaacs1 quien hizo notar que slo la descargafecal de las anchoas a las aguas costeras del sur de California era equivalente encontenido orgnico (demanda bioqumica de oxgeno y slidos suspendidos) a lasaguas cloacales de alrededor de 90 millones de personas, y sta es slo una de loscientos de especies de vida marina. Esto parecera refutar un punto de vistaprominente, apoyado por algunos ambientalistas que eliminaran todas las formas deevacuacin hacia los ocanos.

Sin embargo ocurren problemas cuando el hombre concentra los desperdicios enreas restringidas en vez de dispersarlos en reas ms amplias donde el procesonatural de purificacin puede actuar con mayor facilidad. Normalmente se desarrollangrandes centros poblados a lo largo de los litorales, en vista de la magnitud delocano, es lgico as como econmico, que la descarga de las aguas residuales delas ciudades costeras se haga a las aguas marinas adyacentes. Un emisorsubmarino diseado apropiadamente provee de un mecanismo eficaz para mitigar lacontaminacin contenida en las aguas servidas. Se pueden alcanzar dilucionesinmediatas iniciales del orden de 100 a 1 en forma consistente durante los primerosminutos de descarga, lo que reduce la concentracin de materia orgnica ynutrientes, caractersticas de aguas negras, niveles que no tendran efectosecolgicos adversos en el mar abierto. Muy por el contrario la introduccin de tales

1 Tomada de Salas H. J. (1994)


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sustancias a un ambiente ocenico usualmente deficiente en nutrientes podraprobablemente ser beneficioso en muchas situaciones.

Despus de la descarga, la reduccin de organismos patgenos para cumplir concriterios establecidos para playas de recreo se obtienen a travs de dilucin fsica y

mortandad en el medio marino hostil. Como ha sido demostrado por numerososinvestigadores, los emisores submarinos apropiadamente diseados para ladescarga de aguas negras tpicas, no han producido impactos ecolgicossignificativamente adversos. Para la descarga de sustancias txicas tales comoPCBs (bifenilos policlorados), pesticidas, mercurio y otros, se necesitan anlisis masprofundos con nfasis en el control de las fuentes.

Surge el dilema sobre cul es la manera ms apropiada de disposicin final: laadopcin de tratamiento convencional de aguas servidas versus emisoressubmarinos. A menos que haya una clara justificacin, en Amrica Latina no sedebe adoptar, a priori, prcticas de algunos pases desarrollados, que obedeciendo arazones polticas en vez de tcnicas, exigen el tratamiento secundario de aguasresiduales. Ms bien, en una situacin de mar abierto, no compleja, los emisoressubmarinos en combinacin con el pretratamiento o tratamiento primario slo para laremocin de material flotante, grasa y aceite posee muchas ventajas sobre lassoluciones convencionales que utilizan tratamiento secundario de aguas residualescon descargas ms cercanas al litoral Por ejemplo, una dilucin inicial de 100 a 1alcanzada por la aplicacin de emisores submarinos est muy lejos de lo que sepuede lograr con tratamiento secundario convencional en lo que se refiere aremocin de materia orgnica y nutrientes. Asimismo, la posterior mortalidad debacterias puede reducir an maslos patgenos a niveles comparables, o menores aaquellos alcanzados por cloracin de los efluentes secundarios. Un argumentonatural que favorece a los emisores es que los procesos de tratamiento biolgicosestn sujetos frecuentemente a trastornos que podra resultan en la descarga deaguas residuales crudas en o cerca del litoral. Descontando la falla estructural lo queraramente se encuentra en diseos modernos, tales descargas no pueden ocurrircon el uso de emisores submarinos que descargan fuera del litoral; adems, losemisores pueden ser diseados para manejar adecuadamente variacionesestacinales significantes del flujo de las aguas negras, debido a la poblacintransitoria tpica de reas tursticas. Esta flexibilidad no sera tan factible consistemas biolgicos de tratamiento secundario.

El tratamiento secundario convencional tambin separa el efluente a un costoelevado, en dos corrientes de aguas servidas: efluente tratado que es casi siempreclorado, y lodo - ambos usualmente encuentran su camino hacia el ambiente marinopor emisarios separados, lo cual puede considerarse superfluo. Finalmente, enplantas convencionales no hay redaccin significativa de la mayora de lassustancias txicas.

Un anlisis econmico de Ludwig (1998)demuestra que para las aguas residualesurbanas tpicas, la diferencia de costo de construccin y mantenimiento yoperaciones entre el tratamiento secundario convencional, por una parte, y los


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emisores submarinos largos con solo tratamiento primario convencional, por la otra,claramente favorece a la ltima. Esta conclusin se basa en que los emisoressubmarinos largos (3 a 5 km), diseados apropiadamente, y que descargan en aguasde profundidades mayores a 20 metros, casi siempre cumplen con estndares tantode coliformes totales como fecales, para playas de recreo. Limitando el tratamiento

slo para la remocin de flotantes, grasas y aceites, la comparacin sera aun msfavorable a los emisores, aunque para tales descargas se debe evaluar la posibleacumulacin de sedimentos en el fondo y su posterior movimiento hacia el litoraldebido a corrientes marinas cerca del fondo. Asimismo, el uso reciente de plsticosms econmicos en la construccin de emisores alimenta la viabilidad de estaalternativa para disposicin de aguas residuales, especialmente para comunidadespequeas e intermedias.

En Mxico, particularmente las zonas del golfo se ven afectadas por la intensidad delas actividades petroleras, las cuales vierten al mar gran cantidad de desechos,producto de los procesos de exploracin y explotacin del crudo. Del lado delPacfico se tienen actualmente problemas de contaminacin a lo largo del sistemalagunar de Acapulco, integrado por la laguna de Coyuca, la baha de Acapulco, laLaguna Negra y la Laguna de Tres Palos. La explosin demogrfica ha trado comoconsecuencia una degradacin de la zona o cuencas que confluyen al sistemalagunar, provocando que grandes cantidades de desechos sean arrastrados por losros, sobre todo en temporada de lluvias, hasta su desembocadura en las lagunas oel mar. La opcin de construir planes integrales de saneamiento debe serurgentemente promovido por las instancias gubernamentales para remediar losecosistemas costeros a nivel nacional y evitar en lo posible las descargas en formadirecta al mar y reducir al mximo el impacto al medio ambiente. La combinacin deldiseo y mejoramiento de plantas de tratamiento de aguas residuales en zonasestratgicas y complementados con emisores submarinos es una alternativa viableque se ha desarrollado en pases como Estados Unidos, Espaa, Francia, entreotros.

La forma ms recomendable de disposicin de aguas residuales es descargarlas atravs de tuberas dentro de cuerpos de agua cercanos. Las tuberas para descargasson ms comnmente diseadas con el fin de alcanzar o lograr fines de calidad delagua, es decir, el principal objetivo de la disposicin de aguas residuales en el mares diluir los contaminantes tan rpida y completamente como sea posible para evitarefectos txicos y minimizar tambin el impacto en el ambiente marino de lasinmediaciones del sitio de descarga. Por ejemplo el uso de tuberas muy largas, encombinacin con caractersticas de diseo tales como grandes difusores conmultipuertos, puede resultar en descargas de efluentes que son altamente diluidos yms lejos de la lnea de costa. Una vez ocurrida la dilucin inicial, las corrientesocenicas actan para seguir diluyendo y purificando dicha descarga. La cantidad deagua transportada en las corrientes martimas es inmensa en comparacin con lascantidades evacuadas por las ms grandes obras de descarga.

La alternativa de emisores submarinos tambin debe evaluarse en trminos denecesidades locales del rea. Por ejemplo, en zonas costeras ridas, como en el


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Per, el rehso de aguas residuales tratadas pueden ser una alternativa viable.Tambin, las prioridades socioeconmicas tomaran una mayor importancia enalgunos pases en desarrollo donde la distribucin de los escasos recursos se tieneque hacer dentro del marco de la carencia de hospitales, colegios, abastecimientosseguros de agua o an el alimento necesario para sobrevivir. Se debe evitar la

ubicacin de emisarios submarinos para disposicin de aguas residuales cerca dereas ambientales sensibles tales como arrecifes, corales y lugares de cosecha demariscos etc.

En este texto se presentan los elementos necesarios de soporte para el diseo delos emisores submarinos organizados en cinco partes como se describe acontinuacin:

? Conceptos bsicos y aspectos tericos? Medicin, anlisis y procesamiento de la informacin? Criterios de diseo

? Aspectos tcnicos de diseo? Ejemplos de diseo

Cada una de estas partes proporciona algunos elementos tiles para el diseo delos emisores submarinos.


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2. CONCEPTOS BSICOS Y ASPECTOS TERICOS

2.1 EL EMISOR SUBMARINO

Un emisor submarino es una tubera sumergida que conduce aguas residuales desde

la tierra hacia el mar. La localizacin del punto de descarga de ese emisor es de granimportancia ya que afecta la relacin en la cual la dispersin tomar lugar y el tiemporequerido para que cualquier efluente alcance la lnea costera.

Los emisores modernos no solo terminan con una tubera abierta descargando losdesechos, sino que adems, el sistema emisor consiste de la tubera principal,accesorios, y sistema de difusores como se indica en la Figura 2.1. El emisor esgeneralmente cubierto al final, con las aguas residuales saliendo a travs de puertosa lo largo de la longitud de la tubera conocida como difusor. Los difusores songeneralmente estructuras de algunas decenas de metros de longitud.

El agua residual pasando a travs de los puertos es por lo general menos densa queel agua de mar circundante, y tiende a elevarse hacia la superficie libre. A medidaque la pluma de desechos sube, se mezcla con el agua circundante diluyndose enmayor grado en las orillas de la pluma y en menor grado en el centro. Si las aguasreceptoras estn en movimiento, la pluma tender a moverse con ellas, formando uncampo con aguas residuales mezcladas y la dilucin se incrementar. Con el tiempo,los contaminantes de las aguas residuales empezaran a difundirse dentro del aguadel ambiente. Si hay gradientes de densidad en las aguas receptoras, es posible quela pluma pueda ser atrapada bajo la superficie del agua. El grado de mezclado odilucin que ocurre antes de la difusin de los desechos o que inicie la adveccin esllamado dilucin inicial. La dilucin mnima del efluente en la superficie del agua es

de gran inters, ya que esta determina la mxima concentracin de contaminante enla superficie.

Figura 2.1. Composicin del sistema de emisin submarino


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Tubera del emisor: Actualmente el tipo ms comn de tuberas para emisoressubmarinos son tuberas de concreto reforzado sobre todo para cuando losdimetros son considerables, aunque en el pasado fueron utilizadas tuberas dehierro fundido y hierro forjado, acero y plstico. Las tuberas de concreto son las ms

frecuentemente usadas porque adems de construirse de grandes tamaos, son muyresistentes a ataques del agua de mar y de organismos marinos, y pueden serreforzadas con cilindros de acero para dar una excelente resistencia a la tensin y ala compresin. Existen emisores de tubera de concreto instalados con dimetros quevaran desde 0.305 m a 3.658 m; en profundidades que alcanzan los 100 m ylongitudes de hasta 11 Km.

Los diversos parmetros que caracterizan la obra para abordar un proyectoconsistente de un emisor submarino dependen de datos concernientes a lanaturaleza del efluente; nmero de habitantes de acuerdo con el sistema de la red dealcantarillado o en su caso, caudal vertido; tipo de tratamiento que recibe el efluente;vientos; oleaje; corrientes; uso de la zona de descarga. En base a esto se disea elsistema emisor, tomando en cuenta otro tipo de datos como la forma de la costa;flora y fauna; naturaleza del fondo y perfil batimtrico; corrientes marinas; oleaje ymareas; hidrometeorologia local, etc. Con estos grupos de datos se procede aldiseo de los parmetros propios del sistema como son: longitud y dimetro delemisor; velocidad del efluente en el emisor; nmero de tubos, longitud y dimetro deldifusor; materiales y sus caractersticas fsicas y qumicas; cimentacin y anclaje delos tubos, y otros.

El punto de descarga final debe ser localizado en una rea lo suficientementeprofunda para asegurar en todo lo posible un campo de desechos sumergido. Laexperiencia en el diseo de emisores submarinos a nivel mundial estableceprofundidades de 30 a 60 m, aunque es comn encontrar diseos con profundidadesque van desde los 20 m; para descargas pequeas suelen utilizarse profundidadestodava menores. No existe una regla para este diseo y mas bien resulta del anlisisde muchos factores y los objetivos de la obra. La zona de descarga debe ser tambinlo suficientemente lejos de la costa e impedir que las corrientes transporten lasdescargas directamente a la lnea de playa. Existen otros factores que puedan serimportantes, por ejemplo, el sistema debe ubicarse, en la medida de lo posible, lejosde reas de rastreo de pesca o anclas de dragado de barcos que puedan daarlos.Este problema se puede superar enterrando el emisor aunque esto puede resultaruna operacin costosa y habra que revisar el balance costo-operacin-beneficio.Finalmente, el sistema del emisor y el difusor debe ser localizado en fondo dematerial relativamente estable lejos de afloramientos de rocas y reas de grandescorrientes u ondas que puedan causar algn tipo de movimiento del sistema yprovocar fracturas o hasta la ruptura del emisor.


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2.1.1 El difusor submarino

La localizacin del sistema difusor es un factor que muchas veces resulta crtico yaque es la estructura con mayor impacto en la dilucin de las aguas de descarga. Serecomienda colocar esta estructura de forma horizontal y enterrada para facilitar

operaciones de instalacin y disminuir los efectos de los asentamientos de losslidos. Las boquillas de los difusores se instalan de tal forma que garanticen que nose azolvaran en el movimiento natural del material del fondo.

Un tipo efectivo y simple de difusor es el que distribuye el efluente a travs demuchas bocas sobre un rea grande, con una mnima prdida de carga. Ladistribucin del flujo debe producirse de modo que la descarga por cada boca seaaproximadamente uniforme; la ve locidad del flujo en todas las partes del difusor debede ser lo suficientemente alta como para impedir que se le depositen partculasresiduales restantes despus de la sedimentacin primaria, adems, el diseo debede permitir limpiezas ocasionales y las bocas deben de descargar llenas en todo

momento para evitar la entrada de agua de mar. La prdida de carga total en elsistema debe mantenerse razonablemente baja. Los difusores pueden instalarse enuna variedad de configuraciones como se indica el la Figura 2.2.

Figura 2.2 Diferentes formas de estructuras difusoras

2.2 CARACTERSTICAS FISICAS DE LAS DESCARGAS

2.2.1 Descargas superficiales

Los efluentes vertidos tienen generalmente menor densidad que las aguas marinas,por lo que tienden a elevarse dentro de estas, o bien, cuando son descargadas en lasuperficie, a flotar horizontalmente a lo largo de la superficie, desde el cauce, canal otubera de entrada o descarga (Figura 2.3); este fenmeno conserva alguna similitudcon la mayora de los chorros de descargas sumergidas. Para una distanciarelativamente corta, el efluente se comporta como chorro regido por la cantidad demovimiento inicial y dispersndose en sentidos lateral y vertical debido al mezclado


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turbulento. En este tipo de descargas son importantes la seccin transversal yorientacin del flujo entrando en el curso de la corriente.

a) Chorro superficial flotante en ambienteestancado.

b) Chorro superficial flotante en ambientecon flujo transversal.

c) Chorro superficial pegado a la fronteraaguas abajo en ambiente con flujotransversal.

d) Pluma introducindose hacia aguasarriba en ambiente con flujo transversaldbil.

Figura 2.3 Patrones tpicos de flujo en chorros flotantes bajo condiciones decorrientes y aguas estancadas.

Despus de esta etapa, las entradas verticales llegan a ser inhibidas debido alfrenado de la masa flotante de los movimientos turbulentos, y el chorro experimentauna fuerte dispersin lateral. Durante las condiciones de ambiente estancado, sepuede formar una capa razonablemente delgada en la superficie de las aguasreceptoras; esta capa puede experimentar movimientos de dispersin flotando comose muestra en la Figura 2.3.

En la presencia de flujo transversal en el ambiente, los chorros en la superficieflotante pueden mostrar cualquiera de los tres tipos de caractersticas siguientes deflujo: un chorro desviado dbilmente que no interacta con las lneas de corriente(Figura 2.3b); cuando el flujo transversal es fuerte, puede juntarse aguas abajo a lafrontera formando una pluma pegada a la lnea de frontera (Figura 2.3c). Cuando una


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descarga alta que fluye flotando se combina con una corriente transversal dbil, losefectos de difusin de la masa flotante pueden ser tan fuertes que forma una plumaentrando aguas arriba que tambin permanece cerrada o pegada a la lnea defrontera (Figura 2.3d).

2.2.2 Descargas sumergidasEn la mayora de los casos, las aguas receptoras no estn homogneamentemezcladas en la profundidad; es decir, son ms densas en el fondo que cerca de lasuperficie, lo que produce una estratificacin. Debido a su densidad, que esaproximadamente igual a la de las aguas dulces, las aguas residuales tienden a subiral ser descargadas en el fondo del mar y por consiguiente, incrementa su peso, msque el agua superficial. Este cambio en la densidad con la profundidad tiene unefecto significante en la dilucin inicial y puede evitar que la pluma alcancetotalmente a la superficie provocando que los desechos queden atrapados bajo lasuperficie, lo cual es deseable usualmente por razones tanto higinicas comoestticas, formando un campo de contaminantes sumergido (Figura 2.4). Las capassuperficiales con aguas residuales pueden moverse a grandes distancias por lainfluencia de vientos y olas, frecuentemente hacia la lnea costera. Adems, lascorrientes subsuperficiales son usualmente menores que las superficiales, as que eltiempo de viaje hacia la lnea costera se incrementa y se alcanza un mayor tiempopara la degradacin del agua residual.

Figura 2.4. Atrapamiento de aguas residuales en aguas de densidadhomognea (a) y estratificada (b).

La variacin de la densidad con respecto a la profundidad puede calcularse con larelacin d?a/dz y ser negativa movindose hacia la superficie. La variable zrepresenta la dimensin vertical; ?a(Zo) es utilizado para referir la densidad del mar alnivel de la descarga del difusor (Z0). La profundidad a la cual la pluma se elevar y ladilucin mnima que ocurrir dentro de la pluma puede calcularse relativamente fcilsi se asume un cambio lineal en la densidad del agua de mar.


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2.3 PROCESOS DE DILUCIN

Es comn que en zonas costeras las aguas municipales provenientes de lossistemas de alcantarillado se viertan al mar; las normas de calidad generalmentesugieren que esas aguas sean previamente tratadas y depositadas en zonas

profundas y alejadas de la lnea de playa. El diseo apropiado de un sistema emisorpuede lograr diluciones suficientes de la descarga de aguas residuales para reducirlas concentraciones de contaminantes a niveles establecidos por las normas decalidad de agua. Una dilucin mnima de 100:1 es comn y permite que los efectosdel emisor supere los tratamientos de las plantas de tratamiento convencionales.

Hay varios mecanismos que controlan las caractersticas de dilucin de un emisor loscuales usualmente se consideran en tres fases y son conocidas como dilucin inicial,dilucin bacteriana y dilucin por transporte y dispersin horizontal.

2.3.1 Dilucin inicial

La dilucin inicial ocurre durante los primeros minutos al salir las aguas residualesdel emisor y est sujeta a tres etapas principales: en primer lugar, la mezcla causadapor el impulso de las aguas servidas al salir del emisor provoca una fuerzaascendente causada por la diferencia de densidad entre las aguas residuales y lasaguas de mar (diferencia en temperatura y salinidad que hace que el campo deaguas residuales ascienda en la columna de aguas extendindose en el proceso y,por lo tanto, mezclndose con agua de mar, y finalmente, el efecto de la corrienteque causa una mezcla lateral de agua de mar renovadora en el campo de las aguasresiduales. En segundo lugar, se crea un campo homogneo de aguas residuales pordifusin y es una transicin desde el chorro ascendente, o lnea de origen, a unapluma difundida acarreada por la corriente martima. En la ltima o tercera etapa lapluma es acarreada desde las inmediaciones del difusor y diluida an ms por efectode difusin marina. En esta misma etapa, la sedimentacin y la desaparicin gradualde bacterias o contaminantes no conservativos contribuyen igualmente a diluir laconcentracin.

La dilucin media de la pluma que se obtiene al descargar verticalmente a travs deun solo puerto u orificio est dada por:

2Dm H)Q/U(29.0S ? (2.1)

donde

QD es el gasto de descarga (m3/s)

H Profundidad de descarga, en mU velocidad media de las aguas receptoras


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El valor dado por la ec (2.1), representa 1.8 veces la dilucin mnima en la lneacentral de la pluma. Adems se considera que en las descargas con puertosdescargando horizontalmente la dilucin se incrementa de un 30 a un 50% (Figura2.5).

b

H

d

Tubo dedescarga

? (z0)

Ud

Sm

? (z)

Figura 2.5 Esquema de un chorro ascendente de agua residual descargadahorizontalmente por un difusor dentro del mar

Para una determinada descarga en el mar, la dispersin es mejorada si se logramediante el uso de un difusor de bocas mltiples colocado en la salida; las bocaspueden ser huecos circulares laterales sin salientes. Si la descarga se hace mediante

una sola boca, o sea masivamente, la dispersin y dilucin ser ms lenta que la queocurrira si se realizar por un rea mayor a travs de mltiples bocas. En efecto, sinel uso de difusores de bocas mltiples, permaneciendo invariables las otrascondiciones, se requieren salidas mucho mas largas en aguas profundas paraproporcionar el mismo grado de dispersin y la consecuente proteccin costera. Ladilucin inicial para difusores de puertos mltiples esta dada por:

3

5

m )64.0dF

H38.0(F54.0S ?? (2.2)

donde

Sm es la dilucin iniciald es el dimetro de las bocas de salida del difusor (mH es la profundidad de vertido (m)F es el nmero de Froude representado por


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d27.0

UF d? (2.3)

donde Ud es la velocidad del agua vertida a travs de los orificios del difusor. Lasvariables se encuentran definidas en la Figura 2.5. Como puede verse, la dilucin

inicial es una funcin de la altura ascendente y del Froude: ?S f H Fm ? ,

De las ecuaciones (2.1) y (2.2) se puede ver que si se requiere un incremento en ladilucin inicial, el difusor se puede localizar mas lejos de la lnea costera en aguasmas profundas, ya que el valor de Hse incrementa, o bien, un difusor mas largo quepueda ser usado en aguas someras ya que el valor del gasto decrece al aumentar elnmero de orificios de descarga.

Se puede disear un sistema de descargas al ocano aceptable una vez que seaconocida la dilucin inicial mnima requerida para la dispersin adecuada de losdesechos. La discusin previa ha sido en relacin slo con la dilucin inicial de lasaguas residuales, sin embargo, actan tambin otros procesos en la pluma,incluyendo dispersin superficial, difusin y dispersin debido a corrientes. Larevisin de estos efectos sobre la descarga se ver mas adelante.

A reserva de ver los otros dos procesos de dilucin, podemos mencionar que ladilucin inicial es el principal factor para el diseo del sistema; en al literatura mundialsuelen encontrarse diseos con diluciones iniciales que van de 50-200:1.

2.3.2 Dilucin por inactivacin bacteriana

Otro de los procesos que acta despus de la dilucin inicial es denominadoinactivacin bacteriana. Para la descarga de aguas residuales, el mecanismo demayor importancia para el diseo es la desaparicin de organismos indicadores talescomo coliformes. As el clculo de concentracin de coliformes despus del recorridode la trayectoria del contaminante est dado por el modelo simple logartmico demortalidad bacterial propuesto por Brooks (1960)

90T

T

b 10S ? (2.6)

donde

Sb es la dilucin o muerte de coliformesT es el tiempo de traslado de la zona de vertido de las aguas residuales a

la zona a protegerT90 es el tiempo requerido para que se produzca la muerte del 90% de las

bacterias presentes inicialmente.


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2.3.3 Dilucin por dispersin horizontal

La dispersin horizontal y el transporte son funcin del rgimen de corrientes localesy dispersin turbulenta (mezcla lateral causada por corrientes turbulentas). Brooks(1960) ha desarrollado un modelo que caracteriza adecuadamente estos procesos .

La dispersin horizontal despus de que la pluma emerge a superficie se calculasegn Brooks( 1960) por:

5.1

1b

t131

S

3

32

h

???

?

?

??

?

??

? (2.7)

donde

t es el tiempo de recorrido de la mancha deducido a partir de la longitud

de la trayectoria del contaminanteb es el ancho de la descarga emergiendo a la superficie, el cual para una

descarga por un puerto nico se puede calcular con la siguientefrmula:

?

?

?

?

?

?

?

?

??

?

?

??

?

???

31

dU

U4.03.0Hb (2.8)

donde

H es la profundidad de vertidoUd es la velocidad de la descargaU es la velocidad media de las aguas receptoras.

Para el caso de puertos mltiples (n) se puede aplicar la siguiente frmula

? ?????

???

??? 60cos

3

H

2

845.0nb (2.9)

? ?3H

845.0nLd ?? (2.10)

En donde

n es el nmero de orificiosLd es la longitud del difusor, en m


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? es el ngulo que forma el punto de la unin del emisor con eldifusor y la lnea de playa (ver Figura 4.3)

Para cuando no se dispone de mediciones reales, Verbestel y Leonard-Etienne(1981) recomiendan utilizar un valor de 0.15 m/s que considera las corrientes de

marea y oleaje2.3.4 Dilucin total

La dilucin total es obtenida como resultado de los tres procesos descritosanteriormente, y se calcula simplemente como el producto de tales diluciones:

SSSS hbmT ??? (2.11)

En donde:

ST es la dilucin totalSm es la dilucin inicialSh es la dilucin horizontalSb la desaparicin o muerte de coliformes

La dilucin total se obtiene por la multiplicacin de las tres diluciones dependiendodel diseo de vertido por un solo puerto o bien por sistema difusor, y los factores S b ySh . La concentracin mxima permitida al final de los procesos debe cumplir con lasnormas de calidad del agua establecidas para las zonas costeras.

2.4 TIPOS DE AGUAS DESCARGADAS

La composicin de los caudales de aguas residuales de una comunidad depende deltipo de sistema de captacin de aguas residuales que se emplee, y puede incluir lossiguientes componentes.

? Agua residual domstica. Procedente de zonas residenciales, instalacionesdeportivas, comerciales, pblicas y similares.

? Agua residual industrial. Aquella en la que predominan los vertidos provenientesde industrias.

? Infiltracin y aportaciones incontroladas. Agua que entra tanto de manera directacomo indirecta en la red de alcantarillado. La infiltracin hace referencia al aguaque penetra en el sistema a travs de juntas defectuosas, fracturas y grietas, oparedes porosas. Las aportaciones incontroladas corresponden a aguas pluvialesque se descargan a la red por medio de alcantarillas pluviales, drenes decimentaciones, bajantes de edificios y tapas de pozos de registro.


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? Aguas pluviales. Agua resultante de los escurrimientos superficiales .

? Aguas residuales termales. Una descarga de agua trmica se define comoaquella en la que la disposicin de calor es el propsito primario; el calor provienede un intercambiador antropognico y los contaminantes adicionales presentes se

originan a partir de aditivos, tratamientos y anticorrosivos adicionados en elsistema mas que en el proceso de manufactura.

? Descargas salinas. El incremento en la salinidad del agua puede deberse adiversas actividades humanas. Por ejemplo en las refineras de petrleo segeneran aguas con altos contenidos de sal (? 120,000 ppm) como resultados delproceso de lavado y separacin de las aguas del aceite. Estos aguas de desechose vierten sea al subsuelo o se dispone de ellas en el mar a travs de un emisorsubmarino. Por otro lado, al pasar el agua por un sistema municipal, incorporainevitablemente, sales de diversos procesos, como por ejemplo: la recarga desuavizantes con cloruro de sodio.

2.4.1 Origen de las aguas residuales domsticas.

? Zonas residenciales. En zonas residenciales, generalmente la determinacin delos caudales de aguas residuales se realiza en base a la densidad de poblacin ya la contribucin a las aguas residuales por habitante, empleando valores tpicos.

? Zonas comerciales. La obtencin de los caudales de agua residual generados enzonas comerciales se basa en la comparacin con datos de zonas existentes o defutura implantacin, expresndose usualmente en (m3/ha d). Los valores tpicos

oscilan entre 7.5-14 (m3/ha d).

? Centros institucionales. Los caudales de agua residual domstica que se generanen instituciones pblicas, varan considerablemente en funcin de la regin, elclima, y el tipo de institucin.

? Espacios y centros de recreo. Los caudales que se generan en este tipo deinstalaciones varan de manera muy marcada en funcin de la poca del ao,dado que su actividad es fundamentalmente de temporada.

2.4.2 Origen de las aguas residuales industriales.

Los caudales de aguas residuales generadas en las diferentes industrias dependende diversos factores como: tipo y tamao del centro industrial, el grado dereutilizacin del agua y el pretratamiento que se d al agua utilizada, en caso de queexista alguno. En zonas industriales donde no se empleen procesos hmedos, losvalores tpicos de proyecto de los caudales se sitan en el intervalo de 9 a 14 (m3/ha


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d) para zonas de escaso desarrollo industrial y, para zonas con un desarrolloindustrial medio, valores de 14 a 28 (m3/ha d).

Las aguas residuales descargadas por operaciones industriales son, en algunoscasos la mayor causa de contaminacin del agua. Aunque la naturaleza de los

contaminantes asociados con este tipo de aguas residuales vara entre industrias, enla mayora de los casos los problemas que se originan son causados por una o lacombinacin de varias de las siguientes condiciones:

? Alta demanda bioqumica de oxgeno (DBO).? Alta concentracin de slidos suspendidos (SS).? Presencia de sustancias txicas.

El agua residual industrial proveniente de molinos de pulpa, refineras de azcar,plantas procesadoras de alimentos fcilmente puede tener una DBO de miles departes por milln (ppm). La DBO y los SS pueden ser mayores 10 o ms veces en

efluentes industriales que en descargas municipales crudas. Los problemasgenerados por abatimiento de oxgeno y/o turbidez y sedimentacin conllevanconsecuencias severas.

En la Tabla 2.2, se comparan valores de agua residual de una industria alimenticiacon valores tpicos de una descarga domstica. Para tener una idea de la magnituddel problema, si se compara un proceso de produccin usando sulfitos de 500 ton/daen una planta procesadora de pulpa, se esperara una descarga de agua residual de100 millones de litros por da con una DBO de cerca de 1000 ppm. Esto equivaldraal volumen de drenaje sanitario producido por una ciudad de 250,000 personas y unacarga de DBO producida por una ciudad de 1.3 millones de habitantes.


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Tabla 2.1 Composicin tpica del agua residual domstica bruta. (Metcalf &Eddy, 1996).

ConcentracinContaminantesUnidades Dbil Media Fuerte

Slidos Totales mg/l 350 720 1200

Disueltos totales mg/l 250 500 850Fijos mg/l 145 300 525Voltiles mg/l 105 200 325

Slidos en suspensin mg/l 100 220 350Fijos mg/l 20 55 75Voltiles mg/l 80 165 275

Slidos sedimentables ml/l 5 10 20Demanda Bioqumica de Oxgeno(DBO5, 20C)

mg/l 110 220 400

Carbono Orgnico Total (COT) mg/l 80 160 290Demanda qumica de oxgeno(DQO)

mg/l 250 500 1000

Nitrgeno (total en la forma N) mg/l 20 40 85Orgnico mg/l 8 15 35

Amonaco libre mg/l 12 25 50Nitritos mg/l 0 0 0Nitratos mg/l 0 0 0

Fsforo (total en la forma P) mg/l 4 8 15Orgnico mg/l 1 3 5Inorgnico mg/l 3 5 10

Cloruros mg/l 30 50 100Sulfato mg/l 20 30 50

Alcalinidad (como CaCO3) mg/l 50 100 200Grasa mg/l 50 100 150Coliformes totales n./100 ml 106-107 107-108 107-109Compuestos orgnicos voltiles(COVs)

? g/l < 100 100-400 > 400


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Tabla 2.2 Concentracin media de los parmetros seleccionados en ladescarga residual de un molino de caa de azcar y los valores tpicos de agua

residual cruda domstica.

Parmetro Agua residual industrial Agua residual domsticaColiformes fecales 53000/100 ml 106/100 mlSlidos suspendidos 6900 ppm 200 ppmSlidos sedimentables 6600 ppm -DBO 755 ppm 200 ppmDQO 2033 ppm 350 ppmNitrgeno total 39 ppm 40 ppmFsforo total 15 ppm 10 ppm

2.4.3 Infiltracin y aportaciones incontroladas.

? Infiltracin. Agua que entra en la red de alcantarillado a travs de tuberasdefectuosas, juntas, conexiones entre elementos de la red y paredes de los pozosde registro.

? Aportaciones permanentes. Agua proveniente del drenaje de stanos ycimentaciones, circuitos de refrigeracin y drenaje de zonas pantanosas ymanantiales. Este tipo de aportaciones permanentes pueden ser medidas eincluidas como parte de la infiltracin.

? Aportaciones directas. Incluyen las aportaciones del escurrimiento superficial a lared de alcantarillado, circunstancia que provoca el aumento instantneo de los

caudales de agua residual. Los posibles orgenes son las aportaciones deedificios, drenajes de terrazas y patios, tapas de pozos de registro y alcantarillas.

? Total de aportaciones incontroladas. La suma de las conexiones directas encualquier punto de la red y la suma de todos los caudales aportados en la redaguas arriba de ese punto, ya sea debidos a desbordamientos, bypass deestaciones de bombeo o similares.

? Aportaciones retardadas. Aguas pluviales cuyo drenaje e incorporacin a la redde alcantarillado se produce al cabo de algunos das despus de lasprecipitaciones. Aqu se pueden incluir las descargas de los sistemas de bombeo

para el drenaje de stanos y la filtracin de agua en los pozos de registro dezonas anegadas.

2.4.4 Aguas pluviales en alcantarillado.

En ocasiones, parte de las aguas pluviales escurre rpidamente por las alcantarillaspluviales y otros tipos de conducciones de desage, parte se evapora y el resto se


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infiltra en el terreno convirtindose en agua subterrnea. La proporcin de agua quese infiltra depende de la naturaleza de la superficie, las caractersticas del suelo y dela cantidad y distribucin de las precipitaciones segn las estaciones. Todareduccin en la permeabilidad del terreno, ya sea por la presencia de edificios ycalzadas o por heladas, se traduce en un aumento de la escorrenta superficial y una

reduccin en las posibilidades de infiltracin de las aguas pluviales.2.4.5 Origen de las aguas residuales termales.

Las plantas generadoras de energa elctrica, principalmente termoelctricas,producen del 75-80 % de la contaminacin trmica segn datos para E.U.Operaciones industriales realizadas en refineras, plantas petroqumicas, productorasde coque y fundidoras producen el porcentaje restante. Debido a sus caractersticasparticulares, las nucleoelctricas descargan aproximadamente 45% ms calor dedesecho por unidad de electricidad generada al agua de enfriamiento que las plantasque utilizan combustibles fsiles. La diferencia se debe tanto a la menor eficiencia de

las centrales nucleoelctricas (35% vs. 40%) como al hecho de que lastermoelctricas descargan cerca del 15% de su calor de desecho al aire. Lasnucleoelctricas descargan a la atmsfera alrededor de un 3%. La mayora de lasplantas en E.U. operan de forma tal que el efluente generado mantenga unatemperatura entre 5-15 C superior a la ambiente. La tasa a la que el agua deenfriamiento debe bombearse a travs de los intercambiadores de calor para lograrcierto incremento de temperatura vara de una planta a otra, no obstante, un valoraproximado de la cantidad de agua requerida sugiere cerca de 2.6-5.2 x 103 m3 d-1por megawatt (MW) de electricidad para limitar el incremento de temperatura en 10C.

Para E.U., en 1968 el Comit Asesor Nacional Tcnico recomend elevacionesmximas de 0.8-2.8 C, dependientes de la naturaleza del cuerpo de agua y, en elcaso de estuarios, de la estacin del ao. En la Tabla 2.3, se especifican dichasrecomendaciones.

Tabla 2.3 Elevaciones mximas de promedios mensuales de temperaturas diariasmximas del agua fuera de las zonas designadas para mezclado

rea Elevacin de temperaturaLagos 1.7 CRos 2.8 C

EstuariosEn verano 0.8 CResto de las estaciones 2.2 C

Los criterios presentes de la EPA con respecto a la temperatura se promulgaron en1976. En aguas marinas, el criterio especifica como incremento mximo aceptable enel promedio de temperatura semanal como consecuencia de fuentes artificiales 1.0C para todas las temporadas del ao. Los criterios para aguas dulces son ms


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complicados y especficos. Consideran la tolerancia trmica de las especiesimportantes ms sensibles y los requerimientos para una migracin exitosa, desove,incubacin y otras funciones reproductivas.

En Mxico, el criterio de calidad del agua para este parmetro se encuentra en la

Tabla 2.1, dentro de la Norma Oficial Mexicana NOM-001-ECOL-1996 donde seestablecen los lmites mximos permisibles para contaminantes bsicos, permitiendodescargar aguas a 40 C (tanto como promedio mensual como promedio diario),independientemente de que el cuerpo receptor de la descarga sea un ro, embalsenatural o artificial, aguas costeras o humedales naturales.

2.4.6 Origen de las descargas salinas.

Uno de las mayores restricciones ambientales en la produccin de aceite derivadodel petrleo es el alto porcentaje de sulfato de sodio lixiviable a partir de las pilas delaceite (esquisto) gastado. La irrigacin agrega una gran cantidad de sal al agua, un

fenmeno que ha sido fuente de conflicto entre Mxico y Estados Unidos por lasdescargas salinas al Ro Bravo y Ro Colorado. La irrigacin aunada a intensaactividad agrcola provoca formacin de fosas salinas. Esto ocurre cuando el aguacon altas concentraciones de sal (principalmente sulfatos de sodio, magnesio ycalcio) llega a una pequea depresin o laguna, se deposita, azolva y con el tiempoel agua se evapora dejando un rea con cantidades significativas de sales incapazde soportar crecimiento vegetal.

En Mxico se ha identificado otro problema asociado a altas salinidades. Durante laextraccin de petrleo, particularmente en las plataformas marinas del Golfo deMxico, para mantener presurizado el pozo y facilitar la extraccin se inyectan

grandes cantidades de agua marina en el yacimiento. Una vez extrado el petrleo, elagua de acompaamiento con la que sale se separa y al hacerlo se tiene unefluente hipersalino de difcil tratamiento y disposicin. Normalmente esta agua seregresa al mar sin tratarla para remover las sales, formando un gradiente dedensidades y como consecuencia problemas ecolgicos de cierta magnitud.

2.5 LOS EMISORES SUBMARINOS EN MEXICO

2.5.1 El emisor submarino de la Planta de Bixido de Titanio de Du Pont, MxicoS.A. de C.V., Planta Altamira, Tamaulipas.

Antecedentes:En las ltimas dcadas, la regin sur del estado de Tamaulipas ha registrado uncrecimiento acelerado al instalarse una serie de plantas industriales en el Municipiode Altamira, como parte de un programa nacional de desarrollo industrial paraincrementar la capacidad productiva del pas. Esto ha contribuido paulatinamente aldeterioro ambiental de los ecosistemas, en particular las zonas martimas aledaas,las cuales reciben las aguas provenientes de las plantas industriales. Las planta dePigmentos y Productos Qumicos de Altamira (PPQ), perteneciente a Du Pont, ha


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venido operando desde 1960 y, actualmente, utiliza como materia prima principalIlmenita -que es un mineral con alto contenido de titanio y fierro, cloro y coque depetrleo. El proceso consiste en la reaccin del mineral con el cloro; con la formacinsubsecuente de tetracloruros de titanio y fierro, entre otros compuestos.

Las aguas residuales que descarga la planta de PPQ, como resultado de su procesode produccin, son vertidas en el Golfo de Mxico a travs de una lnea deaproximadamente 7.5 km de longitud, que incluye un emisor y difusor submarino de3.5 km. (Figura 2.7) En 1995 se inicia con el programa de mejoramiento de ladescarga que contempla 5 proyectos insertos en el Titulo de Concesin que laComisin Nacional del Agua les extendi con condiciones particulares de descargaque paulatinamente se vieron mejoradas por las obras como segregacin dedrenajes, planta de tratamiento de aguas sanitarias e industrial, as como el proyectode Neutralizacin que utilizando la tecnologa de Hardtac? es posible neutralizar lascorrientes de cloruro frrico (FeCl3), cloruro ferroso (FeCl2) y cido clorhdrico (HCl).Ya en forma de Hidrxidos son filtrados y dispuestos en una celda de transferencia

de coproducto y el resto bombeado hacia el Mar en forma de salmuera, al entrar encontacto con el agua marina, se hidrolizan y el fierro en estado ferroso es oxidadopor el oxgeno disuelto en el agua, a fierro trivalente como oxido frrico. Este emisorentro en funciones a partir de marzo del 2001.

Las concentraciones actuales del Fe estn en el orden de las 3000 ppm, y los SSTalrededor de 150 ppm con un pH de entre 6 y 9.

Figura 2.7 Lnea de conduccin de las descargas de la planta

Caractersticas fsicas del emisorEl emisor submarino consta de una longitud de 3.5 km teniendo como dimetrointerior 46 cm; esta tubera de polietileno de alta densidad consta de unrecubrimiento exterior segn se especifica en la Figura 2.8, la lnea fue colocada enel lecho marino dentro de una zanja recubierta como se ilustra en la misma Figura.


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Figu ra 2.8 Seccin trans vers al de la lnea pr inc ipal d el emis or y la zanja

pro tec to ra

En la parte terminal se tiene el difusor, como se indica en la Figura 2.9, en donde

pueden verse los 10 orificios o puertos de salida. El dimetro interno del difusor es de46 cm, siguiendo con la lnea principal, y tiene una longitud total de 44 m. En laFigura 2.9 pueden verse tambin los anclajes que fueron instalados debido a queeste tramo sale del lecho marino. La seccin tpica del difusor con un puerto semuestra en la Figura 2.10.

Figura 2.9 Vista de planta y perfil del difusor. Detalle de la unin con el emisor

y seccin tpica del difusor con un puerto

En la Figura 2.10 se muestra esquemticamente la dispersin de la pluma decontaminantes segn las condiciones del oleaje predominante.


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Figura. 2.11. Mapa de localizacin de la planta de tratamiento de Mazatln. Laplanta de tratamiento y el emisor se encuentran en el circulo inferior del mapa a

un costado del Cerro el Crespn.

Caractersticas generales del emisor de Mazatln

Longitud total del emisortramo terrestreTramo marino

1011 m216 m795 m

Dimetro interior 0.914 mProfundidad 24 mNo. de difusores 45

En las Fotografas 2.1 a 2.3 se muestran algunas imgenes del estado actual de lareparacin del emisor


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Fotografa 2.1 Colector de la planta de tratamiento e inicio de la tubera delemisor submarino. El tubo de acero ha sido remplazado por polietileno de altadensidad. Al costado izquierdo se observa parte de la planta de tratamiento de

JUMAPAM.

Fotografa 2.2. Colocacin del tubo original de acero del emisor y conexin delos tubos nuevos de polietileno de alta densidad.


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Fotografa 2.3 Rehabilitacin de la parte terrestre del tubo del emisor. Al fondo,la planta de tratamiento de JUMAPAM.

2.5.3 El emisor de Puerto Vallarta

Antecedentes

Puerto Vallarta cuenta con un emisor submarino el cual actualmente funcionaespordicamente para descargar aguas pluviales de la ciudad. Con base ainformacin proporcionada por el Sistema de los Servicios de Agua Potable y

Alcantarillado (SEAPAL) de Puerto Vallarta, el emisor oper normalmente hasta1995. El emisor inicia en de la Planta de Tratamiento Centro (en donde actualmentese encuentra en las oficinas de la SEAPAL) y se extiende 300 m hasta llegar a lacosta. A partir de ah se estima que el emisor es de aproximadamente 0.914 m (36)de dimetro y de 800 m de longitud, cuenta con una serie de difusores ubicados en laparte final de la tubera; las caractersticas generales se resumen en la Tabla 2.4. Lacapacidad del emisor es de 300 lps y el tratamiento que se le daba a las aguas antesde descargarlas era primario. Con el crecimiento de la ciudad el emisor result

insuficiente adems de que se opt por tratar las aguas residuales. Actualmente,Puerto Vallarta cuenta con dos plantas las cuales se encargan de tratar todas lasaguas de la ciudad. Una ella es administrada por la SEAPAL (P.T. Norte I) y la otrapor la compaa Biwater (P.T. Norte II). La planta Biwater tiene capacidad de tratarhasta 1000 lps mientras que la de la SEAPAL de 100 lps. Por la eficiencia en eltratamiento de las aguas gran parte del flujo se dirige a la Planta Biwater la cualprocesa en promedio 700 lps. Las aguas tratadas son descargadas al Ro Ameca,asimismo una parte de las aguas que se descargan (200 lps) son reutilizadas en


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riego de cultivos y campos de golf. Anlisis de laboratorio de la calidad del agua de laplanta muestran que la planta cumple de acuerdo a la norma NOM-001-ECOL-1996,que establece los limites mximos permisibles de contaminantes en las descargas deaguas residuales en aguas y bienes nacionales.

Caractersticas generales del emisor de Puerto VallartaLongitud total del emisario

tramo terrestretramo marino

1100 m300 m800 m

Dimetro interior 0.914 mProfundidad 40 mCapacidad 300 lpsNo. de difusores (perforaciones) 12

Finalmente, a pesar de que el emisor submarino de Puerto Vallarta ya no operacontinuamente, a ste se le ha dado mantenimiento y funciona principalmente paradescargar el exceso de aguas pluviales durante la poca de lluvias y forma parte delsistema para cualquier contingencia que pudiera ocurrir en las plantas detratamiento. En las Fotografas 2.4 a 2.7 se muestran imgenes del emisor y lasplantas de tratamiento

Fotografa 2.4 Vista del colector del emisor submarino de Puerto Vallarta


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Fotografa 2.5 Colector e inicio del emisor submarino de Puerto Vallarta

Fotografa 2.6 Colector de la planta Biwater recibiendo las aguas para sutratamiento.


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Fotografa 2.7 Descarga de las aguas residuales posterior a su tratamiento enla Planta Biwater.


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3. MEDICIN, ANLISIS Y PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIN

3.1 INTRODUCCIN

Uno de los aspectos fundamentales que se requiere para el diseo de emisoressubmarinos es el de contar con un conocimiento amplio de las condiciones marinasque prevalecen en el rea. Es evidente que un estudio completo del medio ambientecostero puede resultar en un ahorro significativo en la construccin del emisor. Por lotanto, los aspectos que se deben cubrir en los estudios ambientales son lossiguientes:

1. Recopilar suficiente informacin para que el diseo del emisor cumpla con losrequerimientos de calidad del agua correspondientes al medio ambientemarino que lo rodea.

2. Proveer de informacin tcnica para su diseo funcional y estructural.3. Proveer de la informacin necesaria para evaluar la viabilidad de varios

diseos de construccin.

El disponer de esta informacin requiere del estudio multidisciplinario del medioambiente marino. En estos casos los estudios oceanogrficos son necesarios paraevaluar la circulacin y capacidad de dilucin, del medio receptor de las aguasresiduales, bajo diferentes regmenes de marea y condiciones meteorolgicas. Asmismo, es necesario llevar a cabo estudios ecolgicos y de calidad del agua paraevaluar el impacto ambiental del emisor, sobre la flora y fauna de las diferentesespecies endmicas de la zona, y verificar que el diseo cumple con los estndares

ambientales de calidad. Mientras que para el diseo estructural es necesarioinvestigar las fuerzas que actuarn sobre el emisor, batimetra, geologa, geotecnia ysedimentologa del fondo marino en donde se har el tendido de la estructura delemisor.

En las siguientes secciones se describen los estudios bsicos mas importantes quese deben considerar para el diseo de emisores submarinos. Asimismo, se pretendeque estos estudios sirvan de gua para evaluar la viabilidad de la obra. Por lo tanto,para que se tenga un mayor xito en el diseo, construccin y operacin del emisorse deben de considerar los estudios oceanogrficos, meteorolgicos, topogrficos,batimtricos, geofsicos, ecolgicos y de calidad del agua.

3.1.1 Caractersticas de los estudios requeridos para la construccin del emisorsubmarino.

Las actividades requeridas para el diseo y construccin del emisor submarino sepueden dividir en 3 fases:


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1. Estudios preliminares. Consisten en una evaluacin de las opciones dedescarga, establecer la calidad del agua del medio receptor y, asimismo,permitir una o varias opciones de sitios para la descarga del emisor. Estosestudios se pueden llevar a cabo a travs de informacin ya existente del reade estudio, sin embargo, en la mayora de los casos es necesario

complementar los estudios de gabinete con mediciones preliminares del reade estudio.

2. Estudios especficos. Se deben llevar a cabo investigaciones especficas delrea de estudio suficientes para establecer los posibles sitios de ubicacin delemisor y proveer informacin suficiente para su diseo final.

3. Monitoreo. Posterior a su construccin se deben llevar a cabo mediciones demonitoreo para evaluar si el emisor esta cumpliendo con los estndares dediseo y establecer el impacto real al medio ambiente.

Los alcances y tipo de estudios depender de varios aspectos como son la cantidady calidad de datos existentes sobre el rea, los recursos disponibles y del criterio decalidad de agua que se tenga que cumplir. Por ejemplo, los estndares de calidad delagua son mas estrictos en playas tursticas mientras este estndar puede ser menosestricto en reas en donde no se pone en riesgo la salud humana ni a lascomunidades marinas. La magnitud de los estudios depender del volumen de aguasresiduales a descargar. Generalmente, un emisor cuyo volumen de descarga espequeo requiere de estudios a escala mas local que aquellos emisores cuyovolumen de descarga sea mucho mayor.

3.2 ESTUDIOS PRELIMINARES

Uno de los aspectos importantes del diseo de un emisor son los estudiospreliminares los cuales estn enfocados a:

? Considerar las diferentes opciones, recursos y posibles restricciones.

? Recopilar y evaluar la informacin existente.

? Establecer los criterios ambientales para el diseo del emisor.

? Definir costos aproximados de la obra y evaluar el proyecto ejecutivo.Con toda esta informacin es posible establecer una estrategia sobre los costos yevaluar la factibilidad de uno o un numero limitado de sitios de ubicacin del emisor.De esta forma el planteamiento traer consigo un ahorro significativo de tiempo y dedinero, ya que no se recopilar y analizar informacin de campo innecesaria eirrelevante o se examinen detalles de opciones que no son tangibles.


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3.2.1 Caractersticas de los estudios.

Estudios de gabinete

Antes de iniciar cualquier medicin de campo es fundamental llevar a cabo una

revisin exhaustiva de la informacin existente del rea y aspectos tales como:

? Definir el rea de influencia del emisor submarino y establecer el criterio decalidad del agua

? Recopilar informacin sobre las descargas existentes, estaciones de bombeoy descargas submarinas. Establecer la descarga actual y futura del emisor, ascomo, considerar cambios estacionales y otras variaciones que pudieranexistir. Asimismo, considerar las posibles limitaciones hidrulicas del emisor.

? Calcular la dilucin requerida para descargar en el medio ambiente receptor.

As como, la factibilidad de la construccin del emisor en base a estudiosbatimtricos, geofsicos y geotcnicos.

Fuentes de informacin

Actualmente existen bases de datos meteorolgica y costera que puede ser utilizadacomo base para la planeacin, ubicacin y diseo del emisor (Tabla 3.1). Gran partede esta informacin es muy general y por lo tanto resulta insuficiente para lospropsitos requeridos en el diseo, sin embargo, esta informacin es de gran utilidadya que nos da una primera aproximacin de los caractersticas y procesos queocurren en el rea de emplazamiento del emisor.

Tabla 3.1. Informacin requerida para el diseo de emisores submarinos.Informacin preliminar puede ser obtenida a travs de diferentes institucionesy consultada como parte de los estudios de gabinete para el diseo del emisor

submarino.

Tipo de datos FuentesCorrientes Secretara de Marina, Universidades e

instituciones de investigacinMareas Instituto de Geofsica de la UNAM,

Secretara de Marina y CICESEOleaje universidades e instituciones deinvestigacin

Vientos SMN e IMTABatimetra Secretara de Marina, INEGIPerfiles de temperatura y salinidad Bancos de datos internacionalesGeologa (sedimentos) INEGI


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Estudios preliminares para el diseo del emisor

En reas en donde se carece de informacin sobre las corrientes ser necesariollevar a cabo mediciones para obtener la primera evaluacin sobre los posibles sitiosde emplazamiento del emisor. La informacin recopilada deber ser suficiente para

establecer el patrn de flujo regional y determinar el alcance de los estudiossubsecuentes que tengan que llevarse a cabo en el rea de estudio. Aspectos en lacirculacin que pueden ser crticos, en la ubicacin del emisor, son la ocurrencia deremolinos, que al separarse de la corriente costera, generen un patrn de circulacinhacia la costa que transporte las aguas residuales hacia la zona costera o reas deestancamiento debido a los rasgos topogrficos o batimtricos. Adicionalmente, sepuede utilizar un modelo numrico con baja resolucin para sintetizar y ayudar en lainterpretacin de los datos de corrientes. Los modelos, sin embargo, deben serutilizados con cuidado debido a las limitaciones que imponen los diferentesesquemas numricos y a la verificacin en base a los escasos datos de campoobtenidos de las mediciones preliminares.

Estudios especficos del sitio para el diseo del emisor

Los resultados del estudio preliminar permitirn establecer el proyecto y la factibilidaddel emplazamiento del emisor. Con base a esto se podrn evaluar las diferentesopciones de descarga del emisor y descartar aquellas que no se apeguen a ciertascaractersticas y, asimismo, las reas que se consideren mas viables seanestudiadas mas profundamente. Finalmente, los principales objetivos de los estudiosespecficos del sitio son:

? Satisfacer las normas de calidad de agua.

? Proveer de informacin bsica para el diseo hidrulico del emisor.

? Establecer la factibilidad de la obra y costos de construccin

El alineamiento optimo, longitud y configuracin del difusor estar en funcin delcosto y de la capacidad de descarga, la dilucin inicial de la pluma (cuando sale deldifusor y se mueve a la superficie), de la dilucin secundaria de la pluma (conformees transportada lejos del punto de descarga) y de las normas de calidad del aguaestablecidas para el sitio.

Es necesario el clima de oleaje para evaluar las cargas sobre la estructura. Labatimetra y perfiles de las capas del lecho marino son necesarias como parte delestudio de diseo para conocer las caractersticas del fondo marino y anticiparcualquier problema durante la construccin. Asimismo, asegurar que los procesosadvectivos y difusivos del rea sean capaces de diluir las aguas descargadas ymantener los estndares de calidad del agua. Esto se puede llevar a cabo mediantela combinacin de experimentos en el sitio y modelacin numrica. El grado desofisticacin del modelo depender de la naturaleza del sitio de descarga. En


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algunos casos un modelo simple de dispersin de plumas ser suficiente mientrasque modelos mas sofisticados sern requeridos en casos en que la batimetra ycorrientes sean mas complejas. Por lo tanto, dependiendo de las dimensiones yresolucin espacial utilizadas ser la demanda de tiempo de computo.

Finalmente, es evidente que una componente esencial para establecer la factibilidaddel emplazamiento de un emisor son las mediciones que se lleven a cabo en el sitio.Las mediciones en el sitio son requerida para verificar empricamente la ubicacin dedescarga y los difusores y la calibracin del modelo numrico que simula lascondiciones ambientales del rea alrededor del emisor. Solo cuando el modelo seatotalmente validado con los datos de campo podr ser utilizado para evaluar, concertidumbre, la factibilidad del emisor.

3.3 ESTUDIOS TOPOGRFICOS Y BATIMTRICOS

3.3.1 Topografa de la zona

Los estudios topogrficos forman parte fundamental del diseo y a su vez estnntimamente relacionados con la morfologa costera. El Instituto Nacional deEstadstica, Geografa e Informtica (INEGI) cuenta con cartas topogrficas conescala 1:50000 que proporcionan informacin sobre el relieve del terreno de lamargen costera. Un anlisis prospectivo de las elevaciones nos dar una primeraaproximacin de donde se podra ubicar la planta de tratamiento y la distancia ypendiente del tubo del emisor. Sin embargo mediciones mas precisas sernrequeridas para llevar a cabo el diseo de la planta e inicio del emisor. Ciertos

aspectos tienen que ser considerados de acuerdo a cada caso y que estarndeterminados de acuerdo al tipo de margen continental tales como:

? Zona de dunas o acantilados

? Playa arenosa o rocosa

? Caractersticas del suelo

Las dunas juegan un papel muy dinmico en lo que es la zona de transicin de lamargen continental y zona costera por lo que deber de evitarse el perturbar esteambiente y evitar problemas posteriores. Asimismo, pudiera haber otros factores quepor las caractersticas del relieve debern ser considerados y son los: tectnicos yclimticos

3.3.2 Batimetra

Para el diseo del emisor es fundamental conocer la profundidad del lecho marino oplataforma continental. La descripcin de las profundidades se conoce comobatimetra del rea. Para la zona costera y marina existen cartas batimtricas lascuales dan una idea de las caractersticas del fondo marino, sin embargo, no proveen


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de los detalles suficientes para el diseo del emisor submarino. El INEGI cuenta conla carta batimtrica de la Zona Econmica Exclusiva de Mxico a escala de1:1,000000. Asimismo la Secretaria de Marina publica cartas batimtricas a unaescala mas detallada de las principales rutas de navegacin, sin embargo, datoscercanos a la costa son escasos.

Para el diseo del emisor se requiere informacin reciente y detallada de laprofundidad de la zona costera por lo que ser necesario llevar a cabo medicionesalrededor del sitio. La cantidad de datos requeridos depender de las caractersticasdel proyecto. Asimismo, estas pueden complementarse con otras fuentes disponiblesde datos. Las batimetras son referidas al nivel medio del mar (NMM) y este seestablece a partir de los datos mareogrficos. A partir del NMM se establece tambinla lnea de costa. Finalmente, con la batimetra del sitio seleccionado se podrestablecer algunas caractersticas de diseo del emisor tal como su longitud y formadel difusor.

3.3.3 Seleccin de los sitios de posibles descargas

Basado en el anlisis la informacin, de los dos puntos anteriores, se pueden ubicaren forma preliminar la ubicacin de los sitios mas factibles en los cuales se puedeubicar el emisor. Sin el resultado final de la ubicacin del sitio estar tambindeterminado por la capacidad del medio en transportar y diluir la descarga delemisor.

3.4 ESTUDIOS METEOROLGICOS

El estudio de la meteorologa costera y marina es otro aspecto importantes que debede considerarse para el diseo del emisor submarino. Las principales variablesmeteorolgicas que pueden incidir en el diseo son: el viento, la precipitacin,evaporacin, temperatura y la radiacin solar. Estas variables y su interaccinincidirn, directa o indirectamente, en establecer las condiciones ambientales tantode la zona marina como de la zona costera. El viento, por ejemplo, incidir en lageneracin del oleaje, las corrientes (inducidas por el viento) y posibles sobreelevaciones del nivel del mar debido a vientos huracanados.

3.4.1 Vientos locales y huracanados

La circulacin atmosfrica es determinada principalmente por la radiacin solar y larotacin de la Tierra. En las zonas costeras el movimiento horizontal de los vientosesta determinado por el gradiente horizontal de la densidad del aire inducido por elcalentamiento diferencial del ocano y las reas continentales. Mientras que losmovimientos verticales de las masas de aire son tpicamente generados por lainestabilidad inducida por la radiacin solar, por adveccin de una masa de aire auna regin de diferente densidad y por efectos topogrficos.


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3.4.2 Vientos en zonas costera

Los vientos en cualquier regin corresponden a la superposicin de varios procesosatmosfricos de diferentes escala espacial y temporal. Por lo tanto, debido a lacombinacin de los diferentes procesos los vientos son raramente constantes

durante largos intervalos de tiempo. En zonas costeras la presencia de la margencontinental juega un papel importante en el efecto del viento ya que lo puede desviaro bloquear. Asimismo, el viento cambia peridicamente debido a las diferencias detemperatura y flujos de calor entre la superficie del agua y de la tierra lo que produceel efecto de brisa. La brisa tiene un periodo diario y su efecto llega de 10 a 20 kmdentro y fuera de la costa con velocidades menores a los 10 m/s.

El efecto mas visible del esfuerzo del viento sobre la superficie del agua es lageneracin de olas las cuales inducen un movimiento oscilatorio de las partculas deagua que decrece con la profundidad. De igual forma el esfuerzo del viento produceun movimiento uniforme de la capa superficial en direccin del viento. Asimismo, la

capa superficial transfiere movimiento a las capas mas profundas produciendo unperfil de velocidades que decrece con la profundidad. Una descripcin mas detalladadel efecto del viento en la circulacin se da en la seccin 2.5.2 de corrientes. Otro delos efectos que causa el viento en zonas costeras es la sobre elevacin del nivel delmar cuando este se dirige hacia la costa en forma perpendicular a la lnea de costa.

3.4.3 Caractersticas de los vientos cerca de la superficie

El viento es un vector por lo que tiene intensidad y direccin. El perfil de la velocidaddel viento en la capa limite atmosfrica se comporta de forma logartmica y serepresenta por la siguiente ecuacin

??

?

?

??

?

??

0

* lnz

z

k

UUz (3.1)

dondeUz : es la velocidad del viento a una altura z sobre la superficie,U* : es la velocidad de friccin,k la constante de von Karman (aproximadamente 0.4), yz0 la longitud de rugosidad de la superficie del mar.

La fuerza horizontal ejercida por el viento sobre la superficie del mar se conoce comoel esfuerzo del viento y es estimado a partir de

2UC aD?? ? (3.2)

donde ? es el esfuerzo cortante del viento, CD el coeficiente de arrastre (1.4? 10-3), ? a

la densidad del aire y U es la intensidad del viento medida a 10 m de altura sobre lasuperficie. Esta altura es el estndar internacional de referencia para la medicin de


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la velocidad del viento. Asimismo, se ha determinado empricamente que la corrientesuperficial del agua, debido al viento, es aproximadamente un 3% de la intensidaddel viento y que decrece logartmicamente en la vertical.

3.4.4 Vientos extremos (huracanes)

Mxico se encuentra ubicado en medio de dos regiones ciclogenticas muy activasque son el Pacfico tropical y el Mar Caribe. Los huracanes o ciclones se presentanprincipalmente durante el verano. Estos se forman en regiones de aguas tropicalesclidas (T > 26.5?C), donde los cambios de la intensidad del viento en la vertical sondbiles. Los huracanes son caracterizados por bajas presiones y fuertes vientos. Losvientos extremos inducidos por los huracanes deben ser considerados en el diseode cualquier estructura costera ya que el esfuerzo del viento produce lo que seconoce como ondas de tormenta o sobre elevacin del nivel del mar (surges), unmayor oleaje y lluvias. La sobre elevacin, aunque en un periodo corto de tiempo,puede ser considerable y afectar cualquier estructura costera. El impacto de estos

eventos puede ser todava mas marcado si coincide durante una pleamar durantemareas vivas. Asimismo, adems, de la sobre elevacin que producen, su efecto enel clima de oleaje y lluvia es muy importante y su efecto tiene que ser considerado enel diseo de las estructuras del emisor.

Por la ubicacin geogrfica en que se encuentra, Mxico es afectado por loshuracanes a lo largo de toda la costa del Ocano Pacfico, Golfo de Mxico y MarCaribe (Figura 3.1). Por lo que, se debe de considerar un nivel de proteccin a lasestructuras que se construyan tanto en la zona marina como en la zona costera. Estenivel de proteccin depender de la intensidad y la frecuencia de ocurrencia de loshuracanes. Con el fin de categorizar la intensidad de los huracanes se ha elaboradouna escala denominada de Saffir-Simpson en trminos de la intensidad de ladepresin en el centro del huracn y de los vientos mximos los cuales sonparcialmente responsables de los daos que causan estos hidrometeoros (Tabla3.2).


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Figura 3.1 Trayectorias tpicas de los huracanes que ocurren en Mxico

Tabla 3.2 Clasificacin de los ciclones segn la presin y velocidad del viento.

Tipo Categora Presin(mb)

Viento(m/s)

Viento(km/h)

Depresin Tropical DT ----- < 17 < 62Tormenta Tropical TT ----- 17-32 62-117Huracn 1 > 980 33-42 118-152Huracn 2 965-980 43-48 153-176Huracn 3 945-965 49-57 177-208Huracn 4 920-945 58-68 209-248Huracn 5 < 920 > 68 > 248

Finalmente, el efecto del viento (brisa y vientos extremos) puede ser directo sobre lasestructuras costeras o indirecto a travs del esfuerzo del viento sobre la superficiedel mar produciendo una sobre elevacin del nivel del mar e intensificando el climade oleaje. En el rea de arribo o punto de entrada de un huracn, cuando ste entraa tierra, la sobre elevacin o domo puede extenderse de 60 a 80 km y alcanzar unaaltura de 2 a 5 m sobre el nivel medio del mar.

114oW 108oW 102oW 96oW 90oW

16oN

20oN

24oN

28oN

32oN


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La informacin sobre vientos puede ser complementada con datos adicionales comola precipitacin, evaporacin, escurrimientos, humedad y temperatura atmosfrica.

3.5. ESTUDIOS OCEANOGRFICOS

El diseo y ubicacin de emisores submarinos en las costas esta determinado por lascondiciones ambientales de zona costera. Las condiciones ambientales determinanla capacidad de transporte y dilucin del sistema, por lo tanto, es de vital importanciaconocer y cuantificar estos procesos en el rea en donde se ubicara el emisor. Esevidente que los principales procesos fsicos que determinan la dinmica (advecciny difusin) de la zona costera son: el forzamiento de la marea, el esfuerzo del viento,el oleaje, los gradientes de densidad y las descargas o plumas de los ros. La sumade estos procesos determinan las condiciones locales de las corrientes y procesosde mezclado para el rea de estudio. Asimismo, existen otros factores que puedencontribuir significativamente al flujo como son la morfologa costera y la batimetra talcomo reas someras semicerrradas.

Por lo tanto las mediciones o estudios oceanogrficos tiene la finalidad de:

1. proveer informacin suficiente sobre las mareas, corrientes y la estructuravertical de la columna de agua para establecer el transporte (adveccin) ydilucin inicial de la pluma de aguas residuales.

2. proveer informacin sobre las caractersticas de la dispersin del rea deestudio tal que la dilucin secundaria pueda ser propiamente evaluada.

Asimismo, la informacin medida tiene que ser suficiente para, de una formaconfiable, establecer la variabilidad del nivel del mar y las corrientes durante losciclos de mareas vivas y muertas y bajo diferentes condiciones meteorolgicas.

3.5.1 Mareas

Las mareas se originan por la atraccin gravitacional que ejercen los astros sobre laTierra. Como resultado de este efecto se observa una elevacin y descensoperidico (e.g. dos veces al da) del nivel del mar (Figura 3.2). Observaciones enMxico de la marea indican que esta puede presentar una gran variacin en suamplitud o rango. Por lo tanto la marea puede ser imperceptible como ocurre en elMar Caribe o causar desplazamientos verticales cercanos a los 10 m como ocurre enla regin del Alto Golfo de California. La marea al acercarse a costa sufre una seriede modificaciones en su amplitud y velocidad. Adicional a las variaciones del nivelque se observa en la costa, la marea es generalmente el principal mecanismogenerador de corrientes en regiones someras. Las corrientes asociadas a unincremento en la elevacin son llamadas flujo y las que ocurren durante el descensoson llamadas reflujo. Asimismo, la interaccin de las fuertes corrientes de marea conel fondo (en zonas someras) genera turbulencia que contribuye significativamente almezclado vertical de la columna de agua. La amplitud y fase de marea vara de un


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lugar a otro, sin embargo para dos puntos cercanos entre si, estos cambio songraduales debido a que la marea en el ocano abierto se comporta como una ondaestacionaria de Kelvin. En la zona costera el desplazamiento vertical de la marea esgeneralmente de 2 o 3 m y las corriente son del orden de 0.3 m/s.

Figura 3.2 Variaciones del nivel del mar tpicas de una estacin mareogrfica.

La forma esquemtica de un registro del nivel del mar se describe en la Figura 3.2.La elevacin instantnea esta dada con respecto al tiempo local y la grafica describeprincipalmente el efecto que tiene el sol y la luna cuyos periodos son de 12 horas y12 horas 25 minutos respectivamente. El nivel mas alto es la pleamar y el nivel mas

bajo es la bajamar. Dos pleamares o dos bajamares consecutivas no tienen la mismaaltura. Como esto es causado por una componente diurna a este fenmeno se leconoce como desigualdad diurna. La pleamar ms alta de 2 pleamares se le conocecomo pleamar superior y la otra como pleamar inferior. Asimismo se tiene la bajamarinferior (la mas baja) y la bajamar superior. La diferencia de nivel entre una pleamar yla bajamar que le sigue es el rango. Estadstica bsica de las mediciones horarias delnivel del mar, durante por lo menos un ao, permite establecer ciertos parmetros dediseo del emisor tales como:


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Pleamar mxima registradaNivel de pleamar media superiorNivel de pleamar mediaNivel medio del mar

Nivel de media mareaNivel de bajamar mediaNivel de bajamar media inferiorBajamar mnima registrada

Altura mnima registrada

Representacin armnica de la marea

La marea es un fenmeno determinstico. El movimiento de la marea vertical marea onivel del mar, observado en una estacin mareogrfica, es determinado por la sumade los efe

emisores submarinos

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