MODELACIN DE LA CAPACIDAD MXIMA DE ASIMILACIN DE VERTIMIENTOS DE CARGA ORGNICA EN LA CINAGA DE MESOLANDIA

EN EL DEPARTAMENTO DEL ATLNTICO

LUZ ELENA ALEAN VERA

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERA

MAESTRA EN INGENIERA AMBIENTAL Bogota, 2009

MODELACIN DE LA CAPACIDAD MXIMA DE ASIMILACIN DE VERTIMIENTOS DE CARGA ORGNICA EN LA CINAGA DE MESOLANDIA

EN EL DEPARTAMENTO DEL ATLNTICO

LUZ ELENA ALEAN VERA Cdigo 292374

Informe de Tesis para optar el titulo de Magster en Ingeniera Ambiental

Dirigido por PhD, MSc, LUIS ALEJANDRO CAMACHO B

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERA

MAESTRA EN INGENIERA AMBIENTAL Bogota, 2009

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DEDICATORIA

A DIOS, a mis Padres y Hermanas, y a Edgar por el impulso y el apoyo que me brindaron para el desarrollo de este reto.

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AGRADECIMIENTOS

A Luis Alejandro Camacho, PhD, MSc Ingeniero Civil, profesor de la Universidad Nacional de Bogota, por su asesora en el desarrollo de este trabajo. A la Corporacin Autnoma Regional del Atlntico, por la financiacin y el acceso a la informacin sobre el rea de estudio.

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CONTENIDO

Pg.

CAPITULO 1 INTRODUCCION 151.1 Aspectos Generales 151.2 Definicin del problema 161.3 Justificacin 161.4 Objetivos 171.5 Metodologa utilizada 181.6 Datos utilizados y mediciones realizadas 191.7 Resultados obtenidos e importancia 201.8 Resumen de contenido 20 CAPITULO 2 MARCO CONCEPTUAL SOBRE LOS SISTEMAS LENTICOS Y SU MODELACION MATEMATICA

22

2.1 Sistemas lnticos y su ecologa 222.2 Ciclo hidrolgico. 232.3 Comunidades biticas Auttrofas 242.3.1 Produccin primaria en ecosistemas lnticos 252.3.2 Relacin entre produccin y consumo de materia orgnica 252.3.3 Eutrofizacin 262.3.3.1 Estados trficos 282.3.3.2 Crecimiento algal 292.3.3.3 Medida del grado de Eutrofizacin 312.4 Modelacin de la calidad de las agua de sistemas lagunares 332.4.1 Calibracin de los modelos 352.4.2 Modelos de agua consultados 362.4.3 Ventajas y desventajas de los modelo de calidad de agua consultados 412.5 Marco Legal sobre el uso de las aguas naturales 422.5.1 Normas sectoriales de vertimiento expresadas en unidades de

concentracin (miligramos por litro) 42

2.5.2 Normas generales de vertimiento expresadas en unidades de concentracin (miligramos por litro) 43

2.5.3 Normas que controlan la eficiencia de los sistemas de tratamiento 432.5.4 Normas que combinan los criterios de calidad, los permisos de

vertimiento y la capacidad de asimilacin del ecosistema 43

2.5.5 Normatividad colombiana para el control y manejo de los vertimientos y el uso del recurso agua 44

CAPITULO 3 MODELO HIDRULICO Y DE CALIDAD DE AGUA INTEGRADO

47

6

Pg.3.1 Marco conceptual del modelo 483.2 Estructura conceptual 493.3 Ecuaciones gobernantes 503.3.1 Ecuaciones aplicables a los canales de interconexin a la cinaga 503.3.2 Ecuaciones aplicables a la cinaga 553.3.3 Ecuaciones para determinar el factor de asimilacin 60 CAPITULO 4 DESCRIPCIN DEL AREA DE ESTUDIO Y MEDICIONES REALIZADAS

63

4.1 Localizacin del rea de estudio 634.2 Aspectos Socioeconmicos 694.2.1 Municipio de Soledad 694.2.2 Municipio de Malambo 704.3 Aspectos climticos 714.4 Caractersticas hidrolgicas 724.4.1 Profundidad en el ro Magdalena 754.4.2 Profundidad en la cinaga de Mesolandia 764.5 Caractersticas de la vegetacin 784.6 Calidad del agua de la cinaga de Mesolandia 794.6.1 Determinantes 804.6.2 Sitios de medicin y justificacin 804.6.3 Metodologa de toma de muestras, preservacin, transporte y anlisis 834.6.4 Calidad del agua de la Cinaga 834.6.5 Calidad de los afluentes a la cinaga 1014.6.6 Calidad de los vertimientos de agua residual a la Cinaga 102 CAPITULO 5 MODELACIN MATEMTICA 1125.1. Protocolo de Modelacin 1125.2. Estructura del modelo 1135.3. Plataforma empleada en la modelacin 1165.4. Calibracin 1195.4.1. Procedimiento utilizado 1195.4.2. Descripcin del proceso de calibracin 1215.5. Resultados de la aplicacin del modelo integrado y de calidad de agua 1285.6. Capacidad de asimilacin mxima de carga contaminante de la

cinaga 139

5.6.1. Capacidad de asimilacin global 1405.6.2. Capacidad mxima de carga a partir de factores de asimilacin 1455.7. Calidad del agua frente a varios escenarios 147 CAPITULO 6 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 153

7

Pg.6.1 Calidad de las aguas de la cinaga de Mesolandia 1536.2 Objetivos 1546.3 Metodologa Utilizada 1546.4 Aplicabilidad del Modelo de calidad del agua 1546.5 Resultados del anlisis de sensibilidad 1556.6 Asimilacin de carga contaminante 1556.7 Recomendaciones 156

REFERENCIAS 157ANEXOS 162

8

LISTADO DE TABLAS

Pg.Tabla 2.1 Balance Hdrico, municipio de Malambo 1998 (POT 2001-2009) 24Tabla 2.2 Clasificacin trfica en lagos 29Tabla 2.3 Clasificacin trfica en lagos en funcin de la concentracin de fsforo

total y otras variables 29

Tabla 2.4 Escala de eutrofizacin 33Tabla 2.5 Variables contempladas en el modelo WASP 6.0 37Tabla 2.6 Variables contempladas en el modelo AQUATOX 38Tabla 2.7 Modelos de calidad de agua consultados 41Tabla 3.1 Procesos aplicables en el modelo por parmetro contemplado 49Tabla. 3.2 Informacin requerida para la modelacin 50Tabla 4.1 Profundidades del complejo cenagoso de Malambo, ao 2005 74Tabla 4.2 Descripcin de estaciones 81Tabla 4.3 Forma de preservacin y almacenamiento de las muestras 83Tabla 4.3 Mtodos Analticos utilizados 84Tabla 4.4 Valores de produccin primaria en algunos sistemas tropicales y

subtropicales 100

Tabla 4.5. Resultados obtenidos en otras investigaciones del flujo bntico de oxgeno

100

Tabla 4.6 Calidad de agua de los afluentes 101Tabla 4.7 Cargas de DBO5 y SST aportadas por los afluentes a la cinaga 102Tabla 4.8 Empresas ubicadas alrededor de la cinaga de Mesolandia 102Tabla 4.9 Aportes de vertimiento de las fuentes industriales 103Tabla 4.10 Aportes de DBO5 y SST a la cinaga por fuentes industriales 103Tabla 5.1 Rango de constantes de reaccin y velocidades de sedimentacin 121Tabla 5.2 Valores de otras constantes utilizadas (Camacho, 2007 122Tabla 5.3 Resultados del anlisis de sensibilidad del modelo de calidad del agua 123Tabla 5.4 Criterio de calidad de aguas de la cinaga de Mesolandia 139Tabla 5.5 Capacidad de carga de la cinaga de Mesolandia 140Tabla 5.6 Capacidad de carga contaminante a partir de factores de asimilacin 146Tabla 5.7 Factores de asimilacin frente a variacin de concentraciones 146

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LISTADO DE FIGURAS

Pg.

Figura 2.1 Composicin de los nutrientes, a- Fsforo, b- Nitrgeno 32Figura 2.2 Aplicacin estadstica para determinar el factor de asimilacin 34Figura 4.1 Cuencas hidrogrficas del departamento del Atlntico 64Figura 4.2 Ubicacin general del complejo cenagoso de Malambo 65Figura 4.3 Ubicacin de las cinagas y caos del complejo cenagoso de

Malambo 66

Figura 4.4 Comportamiento Temperatura y Humedad relativa, IDEAM, Soledad 71Figura.4.5 Representacin esquemtica del flujo hidrulico de la cinaga

Mesolandia 73

Figura 4.6 a) Distribucin temporal de la profundidad promedio del complejo cenagoso de Malambo y de los niveles del ro Magdalena en el rea de estudio. (b) Curva pluviomtrica local

73

Figura 4.7 Ubicacin de las estaciones en el complejo cenagoso de Malambo 74

Figura 4.8 Comportamiento de la profundidad, poca lluviosa 75Figura 4.9 Comportamiento de la profundidad, poca seca 75Figura 4.10 Curva de precipitacin total local para ao 2006 (fuente IDEAM) 76

Figura 4.11 Distribucin de la profundidad del ro Magdalena, correspondiente a su tramo en rea de influencia del complejo cenagoso de Malambo.

76

Figura 4.12 Comportamiento de la profundidad de la cinaga de Mesolandia 77

Figura 4.13 Relacin rea, Volumen y profundidades la Cinaga 78Figura 4.14 Localizacin geogrfica de las estaciones de monitoreo 82Figura 4.15 Valores de la temperatura del agua en la cinaga de Mesolandia 87

Figura 4.16 Variacin Nictimeral de la temperatura del agua en la cinaga el periodo de estudio (Nov-05 a Abr-06). Estacin 1.

87

Figura 4.17. Valores de pH presentados en la cinaga de Mesolandia en el periodo de estudio

88

Figura 4.18 Variacin nictimeral del pH en la cinaga de Mesolandia 88

Figura 4.19 Valores de Oxgeno disuelto, registrados en la cinaga de Mesolandia

89

Figura 4.20 Valores de Oxgeno disuelto, registrados en la cinaga de Mesolandia

90

Figura 4.21 Valores de DBO5 , registrados en la cinaga de Mesolandia 90Figura 4.22 Valores de SST, registrados en la cinaga de Mesolandia 91

Figura 4.23 Valores de Nitratos, registrados en el complejo cenagoso de Malambo

92

Figura 4.24 Valores de Nitritos, registrados en la cinaga de Mesolandia 93Figura 4.25 Valores de Amonio, registrados en la cinaga de Mesolandia 93

10

Pg.

Figura 4.26 Valores de NKT, registrados en la cinaga de Mesolandia 94Figura 4.27 Valores de fsforo soluble en la cinaga de Mesolandia 94Figura 4.28 Valores de Fsforo particulado registrados en la cinaga de

Mesolandia 95

Figura 4.29. Valores de Coliformes Totales registrados en la cinaga de Mesolandia

96

Figura 4.30. Valores de Coliformes fecales registrados en la cinaga de Mesolandia

96

Figura 4.31. Productividad primaria bruta (PPB) en la cinaga de Mesolandia 97Figura 4.32. Productividad primaria neta (PPN) en la cinaga de Mesolandia 98

Figura 4.33. Concentraciones de clorofila a en la cinaga de Mesolandia 99Figura 4.34. Produccin Primaria Neta de la vegetacin flotante en la cinaga

Mesolandia 99

Figura 4.35 Flujo bntico de oxgeno en la cinaga La Baha 100Figura 4.36 Distribucin porcentual de las descargas de DBO por fuentes fijas 104Figura 4.37 Distribucin porcentual de las descargas de SST por fuentes fijas 104

Figura 4.38 Comportamiento de la carga de DBO5- Batalln 105Figura 4.39 Comportamiento de la carga de SST- Batalln 105Figura 4.40 Comportamiento de la carga de DBO5 Empaques 106Figura 4.41 Comportamiento de la SST en el vertimiento Empaque 107Figura 4.42 Comportamiento de la DBO en el vertimiento- Acsa 107

Figura 4.43 Comportamiento de los SST en el vertimiento- Acsa 107

Figura 4.44 Comportamiento de la DBO en el vertimiento-Unibol ARD 108Figura 4.45 Comportamiento de los SST en el vertimiento -Unibol ARD 108Figura 4.46 Comportamiento de la DBO en el vertimiento- Unibol ARI 109Figura 4.47 Comportamiento de los SST en el vertimiento - Unibol ARI 109Figura 4.48 Comportamiento de la DBO en el vertimiento -Pimpollo 110Figura 4.49 Comportamiento de los SST en el vertimiento -Pimpollo 110Figura 4.50 Comportamiento de la DBO en el vertimiento -Matadero 111Figura 4.51 Comportamiento de la SST en el vertimiento Matadero 111Figura 5.1 Protocolo de Modelacin 114Figura 5.2 Esquema general del modelo 116Figura 5.3 Representacin de los procesos de transformacin en los canales 117Figura 5.4 Representacin de los procesos de transformacin en la cinaga 118Figura 5.5 Ejemplo de esquema de balance. Determinante DBO 119Figura 5.6 Diagramas de dispersin para el modelo aplicado. poca Seca 124Figura 5.7 Diagramas de dispersin para el modelo aplicado. poca Hmeda 124Figura 5.8 Diagramas de Sensibilidad regional, poca seca 125Figura 5.9 Diagramas de Sensibilidad regional, poca hmeda 126Figura 5.10 Banda de confianza del anlisis de sensibilidad, poca seca 127Figura 5.11 Banda de confianza del anlisis de sensibilidad, poca Hmeda 127Figura 5.12 Resultados simulacin DBO, poca seca 128

11

Pg.

Figura 5.13 Resultados simulacin DBO, poca Hmeda 128Figura 5.14 Resultados simulacin Oxigeno disuelto, poca seca 129Figura 5.15 Resultados simulacin Oxigeno disuelto, poca Hmeda 129Figura 5.16 Resultados simulacin SST, poca seca 130Figura 5.17 Resultados simulacin SST, poca hmeda 130Figura 5.18 Resultados simulacin Nitrgeno Amoniacal (NA), poca seca 130Figura 5.19 Resultados simulacin Nitrgeno Amoniacal (NA), poca Hmeda 131Figura 5.20 Resultados simulacin Nitratos (NI), poca seca 131Figura 5.21 Resultados simulacin Nitratos (NI), poca Hmeda 131Figura 5.22 Resultados simulacin Fsforo Particulado (PP), poca seca 132Figura 5.23 Resultados simulacin Fsforo Particulado (PP), poca hmeda 132Figura 5.24 Resultados simulacin Fsforo Soluble (PS), poca seca 132Figura 5.25 Resultados simulacin Fsforo Soluble (PS), poca hmeda 133Figura 5.26 Resultados simulacin Clorofila-a, poca seca 133Figura 5.27 Resultados simulacin Clorofila-a, poca hmeda 134Figura 5.28 Resultados simulacin Coliformes totales (CT), poca seca 134Figura 5.29 Resultados simulacin Coliformes totales (CT), poca Hmeda 134Figura 5.30 Resultados simulacin temperatura, poca seca 135Figura 5.31 Resultados simulacin temperatura, poca hmeda 135Figura 5.32 Resultados simulacin conductividad, poca seca 135Figura 5.33 Resultados simulacin conductividad, poca hmeda 136Figura 5.34 Resultados simulacin profundidad, poca seca 136Figura 5.35 Resultados simulacin profundidad, poca Hmeda 137Figura 5.36 Resultados rea y Volumen en poca seca 137Figura 5.37 Relacin rea y Volumen en poca seca 138Figura 5.38 Resultados rea - Volumen en poca hmeda 138Figura 5.39 Comportamiento del oxigeno disuelto frente a varias cargas de

vertimiento, 141

Figura 5.40 Comportamiento de la DBO5 frente a varias cargas de vertimiento 142Figura 5.41 Comportamiento del nitrgeno amoniacal frente a varias cargas de

vertimiento 143

Figura 5.42 Comportamiento del fsforo (particulado y soluble) frente a varias cargas de vertimiento

144

Figura 5.43 Comportamiento de los coliformes totales frente a varias cargas de vertimiento

145

Figura 5.44 Comportamiento del oxigeno disuelto frente a los escenarios 148Figura 5.45 Comportamiento de la DBO5 frente a los escenarios 149Figura 5.46 Comportamiento del nitrgeno amoniacal frente a los escenarios 149Figura 5.47 Comportamiento de los nitratos frente a los escenarios 150Figura 5.48 Comportamiento del fsforo particulado frente a los escenarios 150Figura 5.49 Comportamiento del fsforo soluble frente a los escenarios 151Figura 5.50 Comportamiento de los coliformes totales frente a los escenarios 151Figura 5.51 Comportamiento de los slidos suspendidos totales frente a los

escenarios. 152

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ANEXOS

Pg.Anexo 1. Curva de Remanso 163Anexo 2. Datos suministraos al modelo 164Anexo 3. Lmites permisibles de calidad de agua, decreto 1594 de 1984 172

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RESUMEN

La gestin del recurso hdrico en el departamento del Atlntico, y principalmente en la Cinaga de Mesolandia, no ha involucrado el conocimiento sobre la capacidad de asimilacin de contaminantes que tienen los cuerpos de agua. Como una primera aproximacin, el presente estudio presenta la estimacin inicial de la capacidad de asimilacin de vertimientos de carga orgnica, nutrientes y coliformes totales a la cinaga de Mesolandia, lo cual se determin a partir de la implementacin y aplicacin de un modelo hidrolgico y de calidad del agua, desarrollado en Colombia para otros cuerpos cenagosos o lagunares con interacciones cinaga-ro. Este modelo, es una extensin del modelo QUASAR (Whitehead et al., 1997), implementado en SIMULINK de MATLAB (The MATHWORKS Inc, 1996) por Camacho (1997). La informacin de lnea base utilizada en la implementacin del modelo, se estableci a partir de 5 campaas de mediciones de caracterizacin de la calidad del agua en 4 estaciones en la cinaga y a partir de la informacin secundaria existente. Como resultados del estudio se obtuvo que el modelo hidrulico y de calidad de agua (Camacho et al, 2008), implementado en SIMULINK de MATLAB (The MATHWORKS, Inc, 1996), representa adecuadamente el comportamiento de los determinantes. As mismo se determin que la cinaga de Mesolandia presenta una condicin crtica, debido a que las cargas contaminantes son mayores a las cargas mximas que la cinaga puede asimilar. En este estudio se proponen factores de asimilacin para los determinantes de DBO, nutrientes y coliformes totales, los cuales servirn para el diseo de los sistemas de tratamiento requeridos que garanticen condiciones ambientales de esta cinaga. Palabras claves: Modelacin de la calidad del agua, carga contaminante, cinagas tropicales, Cinaga de Mesolandia.

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ABSTRACT Water resources management in the department of Atlntico, and especially in the cinaga of Mesolandia, has not involved the knowledge of the assimilative capacity of pollutants discharged into these water bodies. As a first approximation, this study presents the initial estimate of the assimilative capacity at the Cinaga of Mesolandia, of discharge of organic matter, nutrients and coliforms, by means of the implementation and application of a coupled a hydrological and water quality model. The integrated model was developed in Colombia and applied to other similar hydro systems with lagoon-river interaction. The water quality component of the model is an extension of "QUASAR (Whitehead et al., 1997), implemented in MATLAB SIMULINK (The Mathworks Inc., 1996), by Camacho (1997). The baseline information used in the implementation of the model was established using data of five measurement campaigns of water quality characterizations at four stations within the water body, together with existing secondary information. The results show that the integrated hydraulic, hydrologic, and water quality (Camacho et al, 2008), implemented in MATLAB SIMULINK (The Mathworks, Inc, 1996), adequately represents the behavior of the determinants. It was also found that the cinaga of Mesolandia presents a critical condition due to pollutants loads that largerly exceed the maximum loads that this water body can assimilate. In this work asimillation factors are proposed for BDO, nutrients and total coliforms determinants. These factors are proposed to assist the design of treatment systems required to ensure environmental conditions in this lagoon. Keywords: Water quality modelling, wastewater discharge loads, tropical lagoon, Cinaga of Mesolandia.

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CAPITULO 1

INTRODUCCION 1.1 Aspectos Generales El Departamento del Atlntico cuenta con tres subcuencas hidrogrficas, la cuenca del ro Magdalena, la cuenca del canal del Dique, y la cuenca del Mar Caribe, stas cubren aproximadamente 22.000 Has de humedales tipo cenagosos. Segn lo establecido por la Corporacin Autnoma Regional del Atlntico-CRA (2002), estos humedales estn siendo impactados ambientalmente por la disposicin inadecuada de residuos slidos y vertimientos de tipo domstico, provenientes de actividades antrpicas. Como parte del complejo cenagoso del departamento del Atlntico se destaca la Cinaga de Mesolandia por su importancia. Esta cinaga corresponde a una zona de amortiguacin de las crecientes del ro Magdalena y es un ecosistema de inters social, econmico y ambiental, ya que an existen comunidades que desarrollan actividades agropecuarias y de pesca para su subsistencia aprovechando este ecosistema. Igualmente, la cinaga constituye, en menor grado, una fuente de abastecimiento de agua para las actividades del sector industrial de la calle 30 del municipio de Soledad. Actualmente la Cinaga de Mesolandia no cuenta con un plan de ordenamiento del recurso, que involucre un anlisis de sus condiciones ambientales, que establezca medidas de control para evitar el deterioro de la calidad del agua y por ende del ecosistema, y que permita el aprovechamiento sostenible de su productividad ictiolgica y la explotacin turstica de su riqueza ambiental. Esta falta de planificacin conlleva a que no existan acciones claras sobre el manejo del recurso, y no se tengan identificados y controlados los factores que influyen y afectan el ecosistema. Los modelos matemticos hidrolgicos, hidrodinmicos y de calidad del agua constituyen herramientas tiles para definir planes de ordenamiento del recurso hdrico. Modelos que representan, incluso en forma simplificada, los procesos de transporte y de transformacin fsica, qumica y biolgica, que ocurren en los cuerpos de agua, sirven para evaluar tanto la calidad del agua, como para apoyar la toma de decisiones en la implementacin de sistemas o medidas de saneamiento para el manejo y control del recurso hdrico.

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1.2 Definicin del problema La cinaga de Mesolandia, as como otras fuentes de agua superficial del departamento del Atlntico, reciben de sus cuencas hidrogrficas, descargas de materia orgnica, nutrientes, contaminantes microbiolgicos, y en menor grado sustancias txicas. Estos vertimientos son controlados por las autoridades ambientales bajo los criterios establecidos en el decreto 1594 de 1984 del Ministerio de Agricultura. An bajo el cumplimiento de los criterios de calidad, establecidos en el decreto 1594 de 1984, para los vertimientos lquidos, la cinaga de Mesolandia presenta un nivel de contaminacin que no ha sido evaluado, con el fin de determinar la influencia de los vertimientos y afluentes sobre la calidad del agua. Actualmente en el Departamento del Atlntico, el seguimiento a la calidad del agua se limita al monitoreo de algunos determinantes de calidad establecido en el decreto 1594 de 1984. Sin embargo este monitoreo no es continuo y no contempla la influencia de las cargas contaminantes sobre la calidad del recurso hdrico. No existen por lo tanto criterios objetivos para la autorizacin de vertimientos a la cinaga de Mesolandia u a otros cuerpos de agua, que consideren la afectacin de la calidad del agua y por ende de las cadenas alimenticias. Los permisos de vertimientos se autorizan considerando el cumplimiento de las normas de reduccin de carga contaminante especificadas en el Decreto 1594 de 1984 y no con criterios y objetivos de calidad de la fuente receptora. No es claro, a la luz de la normatividad vigente, para la autoridad ambiental del Atlntico y otras autoridades en Colombia, cmo se puede determinar la capacidad de asimilacin de carga contaminante, para un cuerpo cenagoso que presenta interacciones de caudal, materia orgnica y nutrientes con un ro, que recibe aportes hidrolgicos de escorrenta y precipitacin directa y vertimientos puntuales y difusos, y que presenta prdidas importantes de agua por evapotranspiracin desde el humedal y el espejo del agua, de tal manera que se cumplan los estndares de calidad del agua que garanticen los usos del recurso hdrico en dicho cuerpo de agua. Este estudio tiene como alcance hacer un aporte inicial al clculo de la capacidad de asimilacin de contaminantes biodegradables y microbiolgicos de la cinaga de Mesolandia, mediante modelos matemticos hidrolgicos y de calidad del agua, que representan en forma simplificada los procesos fsicos, qumicos y biolgicos de la calidad del agua considerando todos los aportes hidrolgicos y de vertimientos que se realizan a dicho cuerpo de agua. 1.3 Justificacin El decreto 1594 de 1984 establece en su artculo 22 que para destinar las aguas (superficiales, subterrneas, marinas y estuarinas) en forma genrica a los diferentes usos que establece este mismo decreto, se deber desarrollar un plan de ordenamiento, por parte de las entidad encargada del manejo y administracin del Recurso (EMAR) o del Ministerio de Salud en donde aquellas no existan.

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As mismo el decreto 1594 de 1984, establece en su artculo 23, que las autoridades para el ordenamiento del recurso debern considerar entre otros aspectos, la implementacin de los modelos de simulacin de calidad que permitan determinar la capacidad asimilativa de sustancias biodegradables o acumulativas y la capacidad de dilucin de sustancias no biodegradables, y entre otros, considerar los criterios de calidad y normas de vertimiento vigentes en el momento del ordenamiento. La gestin actual sobre el recurso hdrico, an bajo lo contemplado por el decreto 1594 de 1984, se ha limitado al control de vertimientos lquidos a los cuerpos de agua, basndose en las normas de vertimiento establecidos en ese mismo decreto, desconociendo la capacidad de asimilacin que tienen los cuerpos de agua y no evaluando la afectacin de los usos potenciales y sus efectos sobre la poblacin cuyas actividades econmicas dependen de la cinaga. Este panorama, se ha presentado debido a la falta de investigaciones y acciones sobre el tema de ordenamiento que permitan apoyar la toma de decisiones sobre el manejo del recurso, y que involucre los aspectos sociales y econmicos, as como la conservacin del ecosistema. Actualmente la implementacin de la tasa retributiva, en cumplimiento del decreto 3100 de 30 de octubre de 2003, es un instrumento que va ms all del cumplimiento de normas y que requiere del establecimiento de objetivos de calidad de agua para el establecimiento de metas de reduccin de vertimientos a cuerpos de agua. Estas metas actualmente se estn fijando sin soporte tcnico ni cientfico y a partir de informacin secundaria y puntual. La Corporacin Autnoma Regional del Atlntico, de ahora en adelante CRA, para el establecimiento de objetivos de calidad, inici una revisin preliminar de la informacin existente sobre monitoreos fsico qumicos y microbiolgicos de este cuerpo de agua. El resultado indica que existe poca informacin de las caractersticas del agua, la cual est dispersa y es puntual. De la cinaga de Mesolandia, se cuenta con poca informacin sobre el estado de sus recursos. Esta cinaga, es el nico cuerpo de agua de tipo superficial del municipio de Soledad, y hace muchos aos era la fuente de abastecimiento del acueducto. Con base en lo expuesto se considera importante comenzar con la aplicacin de modelos sencillos hidrolgicos y de calidad del agua del cuerpo de agua que permitan estimar la capacidad de asimilacin de vertimientos de carga contaminante a la cinaga de Mesolandia. Esta informacin y ejercicio metodolgico servir de soporte a la CRA para el establecimiento de los objetivos de calidad del agua y como herramienta de apoyo para dar inicio al ordenamiento del recurso hdrico de la cinaga de Mesolandia y otros cuerpos de agua del Departamento. 1.4 Objetivos

El presente proyecto tiene como objetivo general realizar la estimacin inicial de la capacidad de asimilacin de vertimientos de carga orgnica, nutrientes y coliformes

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totales a la cinaga de Mesolandia, fundamentada en la implementacin y aplicacin de modelos hidrolgicos y de calidad del agua que permitan identificar acciones orientadas a preservar la calidad del recurso en trminos de los usos actuales. Para el logro de lo anterior, se plantean los siguientes objetivos especficos: - Determinar, mediante mediciones de campo e informacin secundaria, las cargas de

materia orgnica, nutrientes y coliformes totales que recibe la cinaga de Mesolandia, provenientes de las actividades antrpicas en el rea de influencia del cuerpo de agua.

- Evaluar la calidad actual del cuerpo de agua en funcin de la concentracin de DBO,

oxgeno disuelto, nutrientes, clorofila y coliformes totales. - Determinar la capacidad mxima de asimilacin de carga contaminante de la cinaga,

a travs de un modelo computacional hidrolgico y de calidad del agua, en funcin de las concentraciones de los determinantes de calidad del agua mencionados en los vertimientos y afluentes, bajo las condiciones actuales de uso del recurso

- Evaluar el impacto en la calidad del agua de la gestin ambiental de las actividades

econmicas, productivas y de servicios existentes, frente a la reduccin de vertimientos con aportes de materia orgnica a la cinaga.

- Modelar escenarios de manejo y control hidrulico para determinar la sensibilidad en la

respuesta de la calidad del agua en el cuerpo de agua ante entradas y salidas de caudal.

1.5 Metodologa utilizada Inicialmente se estableci la lnea base ambiental de condiciones actuales de la cinaga, relacionada con la calidad del agua, los aportes de contaminantes, y las condiciones hidrolgicas y de los usos del recurso. Posteriormente se seleccion e implement un modelo simplificado hidrolgico y de calidad de agua para determinar las cargas mximas de asimilacin. Para la seleccin del modelo de calidad de agua se realiz una consulta de los posibles modelos aplicables para la simulacin de la calidad del agua de la cinaga de Mesolandia bajo un escenario de informacin escasa. Ante la limitacin de informacin topo batimtrica e hidrometeorolgica de vientos, temperatura y radiacin solar, datos necesarios para la implementacin de un modelo hidrodinmico distribuido ms complejo, bi-dimensional o tri-dimensional, se opt por la revisin de modelos hidrolgicos y de calidad del agua agregados. Entre los modelos revisados se consideraron aquellos aplicados por la EPA, por el CEPIS y uno aplicado por la Universidad Nacional de Bogota. Por tratarse de un modelo aplicable a las condiciones de la Cinaga de Mesolandia bajo el escenario de informacin disponible y obtenible en el desarrollo de este trabajo de investigacin, se utiliz un modelo hidrolgico y de calidad del agua desarrollado en Colombia para otros cuerpos cenagosos o lagunares con interacciones cinaga-ro. El

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modelo ha sido desarrollado y perfeccionado en numerosas investigaciones y publicaciones desde 1991 (Universidad de los Andes Colciencias, 1991; DazGranados et al., 1992; Universidad de los Andes CVS, 2003; Camacho, 1997; Lees et al., 1998; Camacho y Lees, 2000; DazGranados et al., 2003; Universidad Nacional de Colombia Cormagdalena, 2007; Camacho et al., 2008). El modelo hidrolgico-hidrulico-de calidad del agua, aplicado recientemente en el proyecto Estudios e investigaciones de las obras de restauracin ambiental y de navegacin del canal del Dique, desarrollado por CORMAGDALENA y la Universidad Nacional de Bogota (2007, 2008), es una extensin del modelo QUASAR (Whitehead et al., 1997), implementado en SIMULINK de MATLAB (The MATHWORKS Inc, 1996) por Camacho (1997). La calibracin y anlisis de sensibilidad del modelo, se desarroll a travs de simulaciones de Monte-Carlo, definiendo los valores de diez (10) parmetros del modelo correspondientes a las tasas de reaccin que intervienen en los procesos de transformacin fisicoqumica y biolgica del agua. Para esto, se utiliz la metodologa de estimacin de incertidumbre generalizada (Generalised Likelihood Uncertainty Estimation Methodology, GLUE, Beven y Binley, 1992), partiendo de un rango terico posible para lastasas de reaccin. Para la calibracin se utilizaron datos medidos en campo y resultados de anlisis de laboratorio de mediciones realizadas en cinco campaas de medicin. Con el modelo simplificado calibrado, se estimaron factores de asimilacin del cuerpo de agua (Chapra, 1997) para las cargas de DBO5, coliformes totales y nutrientes, con los cuales se calcularon cargas mximas permisibles para diferentes objetivos de calidad. Finalmente se simul el comportamiento de la calidad del agua de la cinaga considerando diferentes escenarios hidrolgicos y de saneamiento ambiental. 1.6 Datos utilizados y mediciones realizadas La informacin de lnea base utilizada para la implementacin del modelo se estableci a partir de 5 campaas de mediciones en 4 estaciones distribuidas para determinar la calidad de agua dentro de la cinaga; y una medicin puntual del ro Magdalena y del cao de Soledad (que incluye las aguas del arroyo Platanal). Los parmetros evaluados correspondieron a oxgeno disuelto, demanda bioqumica de oxgeno, nitrgeno amoniacal, nitratos, fsforo particulado y soluble, coliformes totales, pH, temperatura, conductividad y slidos suspendidos totales. La calidad de los vertimientos domsticos e industriales, as como la informacin de la calidad de las aguas del arroyo Platanal antes de su conexin al cao de Soledad, se estim a partir de informacin secundaria, existente en los expedientes asociados a las empresas y estudios desarrollados por la CORPORACIN REGIONAL DEL ATLNTICO-CRA (1997, 1998, 2002a, 2002b, 2004, 2006). El desarrollo de las campaas de medicin de esta investigacin fue financiado por los recursos asignados por la CRA, dentro del proyecto Observatorio de calidad ambiental y el programa de monitoreo a los cuerpos de agua del departamento, contando con el apoyo del laboratorio Ecoquimia y estudiantes de Biologa de la Universidad del Atlntico. Sin embargo, el monto asignado y la carencia de un laboratorio propio de la CRA, limit la

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determinacin experimental de las constantes de reaccin, requerida para complementar la calibracin del modelo. 1.7 Resultados obtenidos e importancia. Este trabajo corresponde a una primera aproximacin de modelacin matemtica de la cinaga de Mesolandia, ya que la poca informacin existente y los limitados recursos, no permitieron la implementacin de un modelo distribuido hidrodinmico y de calidad del agua de mayor complejidad, que considerara las variaciones espaciales en el cuerpo de agua. Los resultados obtenidos en la simulacin, indican que el modelo hidrulico y de calidad de agua (Camacho et al, 2008), implementado en SIMULINK (Dynamic System Simulation Software) de MATLAB (The MATHWORKS, Inc, 1996), representa adecuadamente el comportamiento de los determinantes considerados para evaluar la calidad del agua de la cinaga. Sin embargo en la poca seca se presenta mayor incertidumbre en los resultados, por la poca informacin disponible de las condiciones hidrolgicas, y de la calidad del agua de los afluentes, as como, debido a posibles errores en los resultados generados por el laboratorio de calidad del agua. Los resultados de modelacin confirman que actualmente se presenta en la cinaga una condicin crtica, debido a que las cargas contaminantes son mayores a las cargas mximas que la cinaga puede asimilar. Debido esto, los vertimientos de tipo domstico que llegan a travs del arroyo Platanal y posteriormente por el cao de Soledad deben ser controlados. Los usos potenciales del recurso (uso agropecuario y de conservacin) estn condicionados, bien a las reducciones de los vertimientos, o bien, a la implementacin de sistemas de tratamiento de los mismos. En el presente estudio se proponen factores de asimilacin para los determinantes de DBO, nutrientes y coliformes totales, los cuales servirn para el diseo de los sistemas de tratamiento requeridos que garanticen condiciones de calidad del agua y condiciones ambientales en la cinaga de Mesolandia mayores a los estndares de calidad del agua requeridos para los usos actuales y prospectivos del agua. Por ltimo en las recomendaciones dadas en este estudio, se propone la aplicacin de un modelo hidrodinmico y de calidad del agua de mayor complejidad una vez sea desarrollado el monitoreo espacial y temporal de los de los determinantes de calidad del agua y las variables hidrulicas e hidrometeorolgicas requeridas para su calibracin. 1.8 Resumen de contenido El presente documento, est conformado por 6 captulos en los que se recopila la informacin considerada para el desarrollo del estudio. El Captulo 1 presenta una introduccin de los antecedentes y alcance del estudio. El Captulo 2, presenta una

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descripcin de los sistemas lnticos y su ecologa, la importancia del ciclo hidrolgico, las comunidades presentes y sus principales problemas, as como los modelos de calidad de agua aplicables a este tipo de sistemas. En el Capitulo 3, se detallan las caractersticas del modelo seleccionado para simular la calidad del agua de la cinaga, indicando las ecuaciones gobernantes en la modelacin y las ecuaciones para determinar el factor de asimilacin de varios determinantes. En el Capitulo 4, se describe el rea de estudio, y se describen las caractersticas ambientales, y la calidad del agua de la cinaga. En el Captulo 5, se resumen la metodologa y los resultados de la modelacin, la determinacin de la capacidad de asimilacin de la cinaga, y los escenarios considerados y simulados de reduccin de cargas contaminantes de los vertimientos. Finalmente, en el captulo 6 se presentan las conclusiones y recomendaciones de la presente investigacin.

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CAPITULO 2

REVISIN DEL MARCO CONCEPTUAL SOBRE LOS SISTEMAS LENTICOS Y SU MODELACION MATEMATICA

Este capitulo presenta una descripcin de los sistemas lnticos, incluyendo su ecologa, la importancia del ciclo hidrolgico, las comunidades presentes y sus principales problemas ambientales. Se hace mencin de cuatro modelos aplicables a cuerpos de agua lnticos y en la ltima parte del captulo se presenta un anlisis y resumen de las normas de vertimiento. Esto ltimo con el fin de ilustrar su importancia en el control de la contaminacin del recurso hdrico para garantizar sus usos potenciales. 2.1 Sistemas lnticos y su ecologa Los sistemas lnticos estn representados por lagos, lagunas, cinagas, planos inundables, estuarios y embalses. La caracterstica fundamental que los diferencia de los sistemas lticos es el almacenamiento de un volumen importante de agua que carece de un flujo unidireccional permanente. Las cinagas son sistemas poco profundos que no sobrepasan los 5m de profundidad y se localizan sobre terrenos de baja altitud (0 a 1000 msnm), por lo que su temperatura es propia de climas clidos. Estas pueden ser agrupadas en diferentes tipos (Arias, 1985): - Cinagas tipo I: son aquellas consideradas como cinagas simples y primarias,

conectadas directamente al ro. - Cinagas tipo II: son aquellas ubicadas en conjunto o racimo, formados por una

cinaga primaria conectada directamente al ro y una o ms cinagas secundarias conectadas directa o indirectamente a la cinaga primaria a travs de caos.

- Cinagas tipo III: son las que presentan caracterstica de una cinaga primaria conectada indirectamente al ro.

- Cinagas tipo IV: son cinagas aisladas sin conexin con el ro. Las condiciones biticas y abiticas de las cinagas, estn estrechamente ligadas a los periodos climticos (Ramrez et al., 1998). Durante la temporada de lluvias los sistemas lnticos amortiguan las crecientes en invierno y con ello evitan o reducen las inundaciones. El proceso de inundacin ocurre con alto dinamismo y rapidez, situacin que conduce al enturbiamiento de las aguas de las cinagas, a la desaparicin o atenuacin de los gradientes espaciales, a la dilucin de los slidos disueltos, y a un menor desarrollo fitoplanctnico. Una vez estabilizada la entrada de las aguas, los slidos inician su sedimentacin paulatina, situacin que induce el desarrollo explosivo del fitoplancton en

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virtud de la mayor cantidad de luz presente, y el enriquecimiento con material orgnico e inorgnico ocurrido durante la inundacin. La distribucin vertical y horizontal de las algas se amplia, y los procesos de eutrofizacin dan lugar a la sobresaturacin del oxgeno durante las horas del da, lo que produce su desplazamiento hacia la atmsfera. Los mayores valores de oxgeno se observan durante las horas de la tarde (2 a 4 pm) y los menores durante la noche o la madrugada. Entrada la temporada de sequa, el proceso de inundacin se invierte produciendo la salida de aguas de la cinaga haca el ro conocido como el proceso de estiaje, ocurriendo el desvanecimiento de los gradientes espaciales, como indican Ramrez y Via (1998). Durante esta poca, las concentraciones de iones se incrementan, y ms en los sistemas con incidencia antrpica, lo que genera mayores concentraciones de nutrientes y variaciones drsticas en el oxgeno, acorde no solo con el ciclo diario sino con los procesos de eutrofizacin y de descomposicin de macrfitas. Las condiciones prevalecientes en los sistemas lnticos dan lugar al desarrollo de comunidades planctnicas en la masa de agua, de plantas acuticas enraizadas o errantes en las orillas y con ello de una rica ictiofauna, de comunidades de aves y mamferos tales como nutrias y manates. Ramrez y Via (1998) establecen que la presencia de cinagas con poca comunicacin de agua, propicia la proliferacin de densos tapones de buchones con predominio de Eichhonia Crassipes. Las aguas lnticas posibilitan la precipitacin de los slidos suspendidos y con ello se arrastran a los sedimentos, una importante carga de fsforo. La reduccin de la turbiedad, y con ello la mayor penetracin de luz en la columna de agua, induce el desarrollo de fitoplancton en la zona ftica (presencia de luz). En la zona aftica no hay fotosntesis y los organismos presentes se alimentan del material orgnico que se sedimenta, (i.e., detritvoros, saprfagos, bacterias descomponedoras). La ausencia de productores primarios, la sedimentacin de la materia orgnica y el bajo potencial de reoxigenacin que all ocurre, puede inducir condiciones anxicas en las capas ms profundas, con emisin de gases como metano y cido sulfhdrico (Ramrez y Via, 1998). Los ecosistemas cenagosos del Neotrpico caracterizados por condiciones climticas como las del Caribe Colombiano en tierras bajas y con dficit hdrico, han sido poco estudiados y referenciados. Por lo tanto, hoy se tiene un conocimiento deficiente de su composicin biolgica, de la dinmica de las comunidades y de su funcionamiento limnolgico. La falta de esta informacin, impide el uso y manejo adecuado de estos recursos, en la medida en que no se puede estimar el impacto generado por los factores externos que lo intervienen. 2.2 Ciclo hidrolgico. El ciclo del agua es bien conocido como uno de los principales reguladores del metabolismo de los ecosistemas de este planeta. Los cuerpos de agua continentales, ubicados en el neotrpico, donde la variacin de la luz y la temperatura a lo largo del ao son menos amplias que en latitudes medias, tienen como principales controladores de su

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dinmica a los regmenes de lluvias y la variacin de los vientos (Ramrez y Alcarz, 2002). Este control depende en gran parte de las caractersticas de la cuenca en la que se ubica cada cuerpo de agua, relacionada con la conectividad con otros sistemas, la morfologa y geoqumica de la cuenca, entre otros. As, la cantidad y la calidad del agua que ingresa al sistema y su forma de ingreso a travs de caos, escorrentas o agua subterrnea, pueden influir de manera especial en el metabolismo de los ecosistemas lnticos neotropicales. La zona en la que se ubica el departamento del Atlntico presenta un rgimen pluviomtrico monomodal (CRA, 1997). As, la precipitacin anual se encuentra distribuida heterogneamente, presentndose pocas lluviosas entre los meses de mayo a diciembre y pocas secas entre los meses de enero a abril. Esta distribucin hace esperar que los cuerpos de agua de esta regin presenten condiciones diferentes en los distintos momentos del ciclo hidrolgico, dadas las variaciones que se pueden dar en la cantidad de materia alctona que reciben. Para los humedales que son producto de la accin fluvial, esto tiene un significado particularmente importante debido a que stos no slo se ven afectados por la precipitacin local, sino tambin, indirectamente por la que se dan a lo largo de toda la cuenca de su ro principal. Por otra parte el balance precipitacin evapotranspiracin del departamento es deficitario anualmente como se indica en la Tabla 2.1. Esta circunstancia, sumada al mal manejo de los ecosistemas acuticos, puede llegar a convertirse en un problema de gran magnitud, cuyos costos de reparacin rebasaran cualquier estimativo razonable (Alcalda de Malambo, 2000)

Tabla 2.1. Balance hdrico anual, Malambo 1998 (Alcalda de Malambo, 2000) Parmetros (mm / mes)

Meses E F M A M JN JL A S O N D

Precipitacin 0 1.2 3.4 40 260.6 105.1 84.11 91 277.2 139.1 144.3 166.3

Almacenamiento 164.5 112.8 156.5 148.6 133.2 137.8 133.5 121.1 106.5 97.7 84.1 111.7

Dficit 164.5 110.6 153.1 108.6 0 32.7 49.4 30.1 0 0 0 0 Exceso 0 0 0 0 127.4 0 0 0 170.7 41.4 60.2 54.6

2.3 Comunidades biticas auttrofas El fitoplancton y las macrfitas constituyen los principales componentes auttrofos de los sistemas lnticos. De esta forma, los diferentes iones y compuestos inorgnicos disueltos en el agua son atrapados por estas comunidades y convertidos en materia orgnica. Entre las caractersticas ecolgicas del fitoplancton, se encuentran la coexistencia simultnea de numerosas poblaciones de especies en un mismo hbitat. Algunas de

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estas especies presentan, en determinados momentos, una dominancia mayor, otras una intermedia, y una gran porcin son especies raras. Otra propiedad importante del fitoplancton es la capacidad de mantenerse en suspensin con el fin de permanecer dentro de la zona ftica. Para lograr esto, los organismos desarrollan adaptaciones indispensables, dado que la mayora de ellos tienen una densidad de 1.01 a 1.03 veces superior a la del agua, diferencia que aunque pequea determina su hundimiento; no obstante, los principales componentes orgnicos del cuerpo de un alga, excepto los lpidos, tienen densidades mayores que la del agua, lo que les impide en realidad flotar (Ramrez, 2000). Adems de las anteriores caractersticas, el fitoplancton tambin tiene capacidad bioindicadora. Un indicador es un parmetro que caracteriza el estado de un sistema, as como un medio del que dispone el hombre para captar en un tiempo breve un fenmeno que escapa a su percepcin normal (Meja 1988 citado por Ramrez, 2000). En este aspecto, en las zonas tropicales y en especial en la regin Caribe en Colombia, la utilizacin del fitoplancton como bioindicador de calidad ha sido muy limitada debido a los pocos estudios adelantados. 2.3.1 Produccin primaria en ecosistemas lnticos La mayor parte de la produccin primaria de la biosfera est a cargo de la fotosntesis. Mediante este proceso, el CO2 es incorporado a la biomasa de los productores primarios y, a partir de ellos, pasa a los organismos herbvoros y posteriormente a los consumidores secundarios. De esta manera, la mayor parte de los ecosistemas del planeta dependen casi exclusivamente de la energa que fluye hacia ellos a travs de los productores primarios. Este proceso puede ser considerado desde dos puntos de vista: considerando la produccin bruta (PPB) y la produccin neta (PPN). La primera se refiere a la cantidad de dixido de carbono que es asimilado sin incluir las prdidas producidas por la respiracin de las clulas fitoplanctnicas. La segunda expresa la cantidad de este carbono asimilado por el fitoplancton, que resta despus de que se han incluido en el clculo la prdida por la respiracin (Margalef, 1983 y Wetzel, 1981). En los ecosistemas acuticos de aguas quietas (ecosistemas lnticos), la produccin primaria se encuentra mayormente a cargo de los organismos fitoplanctnicos, las microalgas ssiles y la vegetacin superior asociada al humedal; cada uno con un aporte a la produccin total que vara de acuerdo con las caractersticas propias de cada especie, regin geogrfica y disponibilidad de recursos. 2.3.2 Relacin entre produccin y consumo de materia orgnica La relacin entre la cantidad de materia orgnica incorporada a un ecosistema a travs de la fotosntesis y su tasa de degradacin en la columna de agua y en los sedimentos, permite realizar inferencias sobre la direccin del flujo energtico global (Ramrez y Via, 1998). Cuando la produccin de materia orgnica se encuentra por encima de su

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consumo, esta tender a acumularse en el sistema, generando hipoxia (y a veces anoxia) de las capas profundas y condiciones reductoras, con lo que el sistema tender a la eutrofia. Por el contrario, si la tasa de mineralizacin de la materia orgnica es mayor que su tasa de produccin, el sistema tender a la oligotrofia, presentar baja concentracin de materia orgnica en los sedimentos y alta concentracin de oxgeno disuelto. La importancia de los sedimentos lmnicos en el balance produccin-consumo, radica en el hecho de que estos pueden actuar como sumidero y como fuente de muchas sustancias orgnicas e inorgnicas. El conocimiento de la dinmica de este intercambio de materiales entre los sedimentos y la columna de agua es muy importante dada su estrecha relacin con el funcionamiento global de los ecosistemas acuticos (Uhlenhopp y Devol, 1998). Las alteraciones de este metabolismo natural por efecto del hombre son la principal causa de eutrofizacin de las aguas naturales, proceso al que se encuentran asociados la prdida de la biodiversidad, de la calidad del agua y dems bienes y servicios ambientales propios de los humedales. 2.3.3 Eutrofizacin

La eutrofizacin es un proceso de fertilizacin excesiva de un cuerpo de agua, es decir enriquecimiento del medio acutico con nutrientes, que tiene como consecuencia un crecimiento perjudicial de macrfitas y algas. Este fenmeno sucede en forma natural, debido al transporte de sedimentos y nutrientes al cuerpo de agua por la escorrenta, intercambio con aguas subterrneas y el viento, que favorecen el aumento de la productividad primaria Sin embargo, el impacto de las actividades humanas puede acelerar el proceso debido al aporte continuo de nutrientes, alterando los ciclos qumicos y biolgicos y provocando un aumento perjudicial de nutrientes, especialmente fsforo y nitrgeno. La eutrofizacin ocurre generalmente en aguas lnticas (lagos, estuarios), pero tambin puede presentarse en aguas lticas, por ejemplo en aguas claras de alta o media montaa se pueden dar abundantes comunidades de perifition, mientras que en arroyos de invierno se presentan abundantes comunidades de fitoplancton y/o macrfitas. La eutrofizacin puede estimarse mediante las variables que la causan, tales como: incremento de las concentraciones de nutrientes, principalmente fsforo u ortofosfatos; densidades fitoplanctnicas; concentracin de clorofila; o incluso mediante las variables conexas como la medicin de la transparencia. Cuando ocurre eutrofizacin, se obtienen concentraciones de oxgeno superiores a los niveles de saturacin, i.e. se presenta sobresaturacin durante las horas del da, y durante las horas de la noche los niveles de oxgeno decaen por efecto de la respiracin de la fauna y flora presentes en el ecosistema acutico. Los factores que afectan el grado de eutrofizacin son entre otros:

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- Clima. El clima clido favorece el proceso. Las condiciones ambientales de los sistemas lnticos experimentan una estrecha dependencia con la precipitacin, por lo cual las pocas de sequa, lluvia y transicin, crean ritmos de crecimiento vegetal en funcin de los aportes de nutrientes, de las poblaciones existentes y de la cantidad de luz disponible. En poca de lluvia ocurre la mayor carga de slidos, causando un descenso de fitoplancton. En poca de sequa se presenta mortalidad masiva de las macrfitas que quedan expuestas. Si a esto se le suma que existen vertimientos de origen antrpico, se propicia el aumento de nutrientes, el crecimiento rpido de algas y por lo tanto se acentan el problema de eutrofizacin.

- Profundidad. Cuerpos de agua pocos profundos o de bajo caudal, son ms propicios para el desarrollo del proceso de eutrofizacin.

- rea de drenaje. La poca cubierta arbrea de las reas aportantes a los cuerpos de agua, sujetas a precipitacin abundante, favorece la erosin y el arrastre de nutrientes hacia el cuerpo de agua.

- Geologa. En reas de drenaje, donde predominan rocas sedimentarias, hay mayor aporte de fsforo por escorrenta. Los suelos arcillosos drenan pobremente y tambin favorecen la escorrenta y consecuentemente el aporte de nutrientes.

El fenmeno de la eutrofizacin en un cuerpo de agua, viene acompaada de la transformacin del ecosistema acutico, provocando consecuencias negativas en la calidad del agua. Sin embargo puede ser deseable, cuando gracias a sobre-fertilizacin se recicla materia y energa, por ejemplo en forma de pesca, explotacin de vegetacin de rivera, poblacin de aves o mamferos, etc. Los principales problemas asociados con el fenmeno de eutrofizacin son: - Acumulacin del amoniaco en la columna de agua y resuspensin de ciertos metales

(Fe, Mn) del sedimento bajo condiciones anxicas. - Condiciones anaerbicas. Al presentarse disminucin de la concentracin de oxgeno

que favorecen el crecimiento de organismos anaerobios. - Afectacin de los procesos de potabilizacin del agua, debido a la alteracin de la

calidad del agua y el sabor y olor desagradable, incluso despus de la cloracin. Adicionalmente se generan problemas de corrosin del equipo hidroelctrico y distintos trastornos en los procesos de tratamiento potabilizador por disminucin del contenido de oxgeno.

- Alta demanda de oxgeno en el sedimento, con condiciones anxicas en los estratos ms profundos.

- Grandes variaciones de oxgeno disuelto a lo largo del ciclo diario. Cuando ocurre eutrofizacin por fitoplancton, se presenta sobresaturacin de oxgeno durante el da, escapndose gran parte a la atmsfera. Durante la noche, por causa de la respiracin de animales y plantas, los valores de oxigeno decaen abruptamente a niveles inferiores a los requeridos para la supervivencia de la fauna.

- Problemas de navegacin por la presencia de grandes cantidades de macrfitas se dificultan el paso de lanchas o canoas.

- Proliferacin de algas verde azules y algunas especies de estas algas, i.e,. cianobacterias, que generan toxinas como la anatoxina. Esta es una neurotoxina que interfiere con el funcionamiento del sistema nervioso, provoca la muerte por la paralizacin de los msculos respiratorios, es mortal ya que no puede ser degradada,

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induce a la fatiga y la parlisis, adems puede generar convulsiones, falta de oxgeno en el cerebro, y muerte. Desde el punto de vista ecolgico tienen tendencia a acumularse peridicamente en densas masas superficiales o "blooms" en lagos y embalses eutrficos y mesotrficos. Esta caracterstica, junto con el hecho de que muchas especies producen toxinas, ha hecho que estas algas cada vez tengan ms implicaciones sociales y econmicas en aspectos como la calidad del agua, impactos visuales o usos recreativos de los ecosistemas acuticos. En las cianobacterias, dentro de los gneros que producen anatoxinas, estn Anabaena y Oscillatoria.

Las principales causas de los procesos de eutrofizacin son: - Procesos fisicoqumicos: caractersticas geolgicas de la cuenca como el contenido de

minerales y nutrientes en los suelos y slidos suspendidos transportados, la erosin, la tasa de renovacin del agua y caractersticas morfomtricas del cuerpo de agua.

- Procesos Nutricionales: relacin entrada y salida de nutrientes y el tipo de vegetacin existente.

- Procesos Antrpicos: actividades humanas tales como el vertimiento de agua residual domstica e industrial, escorrenta urbana, escorrenta agrcola con fertilizantes naturales o artificiales que producen altas cargas de nutrientes, biocidas procedentes de la acuicultura, procesos de dragados, deforestacin, remocin de tierra, actividades acucola tales como la piscicultura, y camaroneras, actividades todas que generan una mayor entrada de nutrientes a los cuerpos de agua.

2.3.3.1 Estados trficos Cuando un lago o embalse es pobre en nutrientes (oligotrfico) sus aguas tienden a ser transparentes, la luz penetra bien, el crecimiento de algas es pequeo, y presenta poca ictiofauna. Al recibir una mayor carga de nutrientes el lago se convierte en eutrfico. En estas condiciones crecen las algas en gran cantidad aumentando la turbiedad. Las algas y otros organismos, cuando mueren, son sometidos a descomposicin por la accin de las bacterias, disminuyendo la concentracin de oxgeno. Este factor es a su vez la causa de la disminucin del nmero de especies de peces. Por eso en un lago de estas caractersticas se encuentran barbos, percas y otros organismos de aguas poco oxigenadas. En algunos casos se alcanzan incluso condiciones anaerbicas acompaadas de malos olores, con agua turbia y de baja calidad para el consumo humano, el riego agrcola y el uso con fines de recreacin. En estas condiciones adicionalmente la profundidad del lago disminuye por sedimentacin de slidos suspendidos y materia orgnica. Una forma de clasificacin trfica como lo reportan Vollenweider y Kerekes (1983), se presenta en la Tabla 2.2, en la cual se relaciona la categorizacin limnolgica de un lago versus la categora de eutrofizacin. Chapra (1997) establece la clasificacin trfica para un sistema acutico, basado en la concentracin de fsforo total as como en otras variables como se indica en la Tabla 2.3.

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Tabla 2.2. Clasificacin trfica en lagos Categoras Categorizacin Limnolgica

Ultra-Oligotrfica

Oligotrfica Mesotrfica Eutrfica Hipertrfica

Biomasa Muy baja Baja Mediana Alta Muy alta Fraccin de algas verdes o verdes-azules

Baja Baja Variable Alta Muy alta

Macrfitas Baja o ausente Baja Variable Alta o Baja Baja Produccin dinmica Muy baja Baja Mediana Alta Alta, Inestable

Dinmica de oxgeno Epilmnico Normalmente

saturada Normalmente saturada

Variable sobresaturada

Frecuentemente sobresaturada

Muy inestable variando desde una alta sobresaturacin a falta completa

Hipolmnico Normalmente saturada

Normalmente saturada

Variable subsaturada

Subsaturada o agotamiento completo

Deterioro de los usos mltiples

Baja Baja Variable Alta Muy alta

Tabla 2.3 Clasificacin trfica en lagos en funcin de la concentracin de fsforo total y otras variables (Chapra 1997) Variable Oligotrfico Mesotrfico Eutrfico Fsforo total (gP/L) < 10 10 - 20 > 20 Clorofila a ((g Chla/L) < 4 4 - 10 > 10 Profundidad del disco Secchi (m) > 4 2 - 4 < 2 Oxigeno Hipolimnico (% saturacin) > 80 10- 80 < 10 2.3.3.2 Crecimiento algal El crecimiento vegetal est definido a travs del proceso de fotosntesis, este ltimo dado por la siguiente reaccin:

2138161101061061821222

42

3162106 OPNOHCLuzentesmicronutriHOHHPONOCO ++++++++

[2.1]

La intensidad de la luz incide en el crecimiento algal y depende de: hora del da, concentracin de slidos totales y poblaciones de fitoplancton y zooplancton que reducen la penetracin de luz en el agua, y la profundidad. En aguas con alto contenido de slidos, la transparencia obedece ms a estos que a las comunidades planctnicas. La radiacin solar es entonces baja limitando el proceso de fotosntesis en la zona ftica o profundidad a la cual llega el 99% de la luz superficial.

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Los slidos como las poblaciones planctnicas, de la columna de agua, reflejan la luz hacia la superficie disminuyendo el paso a los estratos profundos. La radiacin solar y/o intensidad de luz con la profundidad del agua, se estima a partir de la ley de Beer y Lambert (Chapra, 1997) como:

KZoZ eLL

= 2.2 Donde, ZL es la intensidad lumnica en la profundidad Z, oL es la intensidad lumnica en la superficie, K, constante de atenuacin de luz y depende de la turbiedad y concentracin de algas, y Z es la profundidad. Los nutrientes inorgnicos proveen las bases qumicas para la generacin de la vida en los sistemas acuticos. Algunas especies requieren grandes cantidades para el desarrollo de las clulas, es decir macronutrientes tales como el carbono, oxgeno, sulfuro, nitrgeno, fsforo, silicio y hierro; y a los requerimientos de nutrientes en pequeas cantidades se les llama micronutrientes, tales como manganeso, cobre y zinc. Usualmente los modelos de calidad de agua estn enfocados a representar los procesos de macronutrientes, fsforo, carbono, nitrgeno y silicio pues son los fosfatos y los nitratos, los nutrientes que ms influyen en el proceso de eutrofizacin. En algunos ecosistemas el factor limitante es el fsforo, como sucede en la mayora de los lagos de agua dulce no dominados por vertimientos puntuales. En muchos mares, lagos pequeos y ros con vertimientos sin remocin de fsforo el factor limitante es el nitrgeno, requerido para la mayora de las especies de plantas. En los ltimos 20 30 aos las concentraciones de nitrgeno y fsforo en muchos mares y lagos se han duplicado. Los mayores aportes llegan a travs de los ros. En el caso del nitrgeno, una elevada proporcin alrededor del 30% llega a travs de la contaminacin atmosfrica. El nitrgeno es ms mvil que el fsforo y puede presentarse en el drenaje del suelo o pasar al aire por evaporacin del amoniaco no ionizado a alto pH (NH3) o por desnitrificacin en la forma de nitrgeno libre (N2). El fsforo es absorbido con ms facilidad por las partculas del suelo y es arrastrado por la erosin o transportado absorbido a las partculas existentes en las aguas de escorrenta superficial. En condiciones naturales, a un sistema acutico entra menos de 1Kg de fosfato por hectrea por ao (Chapra, 1997). En los vertimientos de aguas residuales domsticas e industriales esta cantidad es mucho mayor. Durante muchos aos los jabones y detergentes fueron los principales causantes de este problema. En las dcadas de los 60 y 70, el 65% de la composicin de los detergentes eran compuestos de fsforo, tales como el tripolifosfato sdico, que se usaba para quelar los iones de Ca, Mg, Fe y Mn. De esta forma se consegua que estos iones no impidieran el trabajo de las molculas surfactantes, que son las que hacen el lavado. Estos detergentes tenan alrededor de un 16% en peso de fsforo. El resultado era que los vertimientos domsticos y de lavanderas contenan una gran proporcin de Ion fosfato. A partir de 1973, Canad tom la iniciativa, y luego otros pases, prohibiendo el uso de detergentes que tuvieran ms de un 2,2% de fsforo, obligando as a usar otros quelantes

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con menor contenido de este elemento. Algunas legislaciones han llegado a prohibir los detergentes con ms de 0,5% de fsforo, medidas que an no se han tomado en Colombia. De la reaccin de fotosntesis, presentada anteriormente, se necesita una relacin de carbono nitrgeno y fsforo de 41C: 7N: 1P para la sntesis vegetal. En el campo de la limnologa, se ha aproximado que una relacin de N:P mayor a 10 seala al fsforo como nutriente limitante, y una menor a 5 hace lo propio con el nitrgeno. El proceso de eutrofizacin est acompaado por disminucin en la relacin N/P. Welch (1996) seala oligotrofa en relaciones N/P mayores a 63, mesotrofia para N/P de 20 a 27, eutrofia de 10, e hipereutrofa si son menores a 4. El nitrgeno presente en aminocidos, que forman protenas y cidos nucleicos, ingresa a las plantas como nitratos, amonio y nitrgeno molecular, y como puede ser capturado de la atmsfera no suele ser el nutriente limitante, y el ciclo del agua permite su renovacin. El fsforo no se recicla, tiende a acumularse en los ocanos, es un elemento escaso y no es muy soluble en agua, excepto en condiciones cidas. Las plantas lo toman en forma de ortofosfatos ionizados (PO43- , HPO42-, H2PO4-, H3PO4) y su solubilidad depende de los compuestos de calcio y hierro. Parte del fsforo que entra a los cuerpos de agua se concentra en los sedimentos, y algunas fracciones retornan al agua cuando existen condiciones reductoras establecidas por poco O2 y alto CO2. Todos los nutrientes presentes en un cuerpo de agua no estn realmente disponibles para ser asimilados por el fitoplancton. La clasificacin se puede ver en la figura 2.1.

2.3.3.3 Medida del grado de Eutrofizacin Para conocer el nivel de eutrofizacin de un agua determinada se suele medir usando los siguientes criterios: - Conteo de especies en fitoplancton (nmero/ml). Requiere de la participacin de

especialistas en identificacin del fitoplancton, botnicos o bilogos, considerando adems que la medicin de la conversin a biomasa se hace difcil por la variacin en el tamao de las clulas para una especie dada.

- Volumen de las clulas de las especies (m3/l). Permite medir las conversiones de la biomasa, como peso seco de carbn agrupndola en diferentes categoras.

- Contenido de clorofila-a. Admitida como una medida de la biomasa de algas en la columna de agua (g/l). Este valor se combina con otros parmetros como el contenido de fsforo y de nitrgeno y el valor de penetracin de la luz. Es el determinante ms comn para el estudio de la eutrofizacin.

- Otros determinantes de calidad de agua para evaluar la eutrofizacin son las macrfitas y los trihalometanos.

La proliferacin de plantas acuticas en los lagos clidos tropicales, como por ejemplo de la especie bien conocida jacinto o lirio de agua (Eichhornia crassipes), produce problemas tanto en la operatividad de las plantas de tratamiento como en el ecosistema acutico. Su presencia aumenta la evapotranspiracin y la acumulacin de material vegetal en los

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sedimentos. Adems, su descomposicin incorpora una carga orgnica adicional a la columna de agua que puede resultar en un desequilibrio del oxgeno disuelto en el hipolimnin, con la consiguiente alteracin de la cadena trfica, mortalidad de peces, y problemas en la potabilizacin del agua.

Figura 2.1, composicin de los nutrientes, a- Fsforo, b- Nitrgeno (Adaptada de Chapra,

1997) Para la evaluacin de la eutrofizacin es importante seleccionar variables de calidad de agua que reflejen los efectos cuantitativos de este proceso en la salud humana, tales como los trihalometanos (THMs) o la presencia y densidad de algas productoras de toxinas como microcysts sp. Para zonas tropicales Toledo et al, (1983 citado por Henao, 1987) proponen los parmetros para las categoras trficas y Chapra (1997) establece parmetros similares y uno adicional, los cuales se resumen en la Tabla. 2.4

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Tabla. 2.4 Escala de eutrofizacin

Variable Nivel Trfico

Oligotrofia Mesotrofia Eutrofia Toledo Chapra Toledo Chapra Toledo Chapra

Clorofila (g/L ) < 4 10 > 10 Profundidad secchi (m) >1.6 >4 1.6 0.8 2-4

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Una forma simple de determinar la relacin entre la concentracin de un determinante de calidad de agua frente a la carga vertida, es utilizando el concepto de factor de asimilacin (ver ec. 2.4), el cual representa todos los factores fsicos, qumicos y biolgicos del cuerpo receptor (Chapra 2007).

Wa

c 1= [2.4]

Donde, c es la concentracin del determinante (mg/L), W es el la carga vertida del determinante (Kg/da), y a es el factor de asimilacin (L/da). Los modelos pueden emplearse en tres modos. El primer modo de simulacin: determinando la concentracin del determinante en funcin de la carga vertida (ec. 2.4). El segundo modo de estimacin de la carga mxima permisible: una vez conocido o fijado el objetivo de calidad del agua de la zona de estudio se calcula la carga mxima permisible W como,

acW = [2.5]

El tercer modo de diseo o de modificacin ambiental en la cual se calcula el factor de asimilacin requerido para que en una carga determinada no exceda la concentracin deseada,

Wc

a 1= [2.6]

Para determinar el factor de asimilacin existen dos modelos, el modelo emprico y el modelo mecanicista. El primero es de tipo deductivo y se basa en una serie de datos obtenidos directamente, y para calcular el factor de asimilacin utiliza tcnicas de estadsticas de regresin, figura 2.2. El segundo, es de tipo deductivo y utiliza datos tericos partiendo de la ley de la conservacin de la masa, ec.2.7.

Figura 2.2. Aplicacin estadstica para determinar el factor de asimilacin

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reaccintransporteascnAcumulaci = arg [2.7]

2.4.1 Calibracin de los modelos La calibracin es el proceso por el cual se determinan los valores de una serie de parmetros caractersticos del sistema, en el cual los resultados del modelo se ajustan a unos datos reales y que son los valores de referencia en este ajuste. Para realizar la calibracin de un modelo que represente las variaciones y tendencia de de la calidad de agua de un sistema en estudio, se requiere un trabajo previo de conocimiento del entorno en donde va a ser aplicado. Este conocimiento permitir estimar, bajo determinadas condiciones, la hidrodinmica de las corrientes y las tasas de reaccin o transformacin de los determinantes de calidad del agua y las tasas de transferencia de masa, hacia o desde la superficie del agua y el fondo del sistema, que mejor representen los procesos de transformacin qumicos, fsicos y biolgicos contemplados en el modelo, y con ello obtener resultados reales en la simulacin. Durante la fase de calibracin de un modelo de simulacin aplicable a cualquier proceso natural, se requiere ajustar los resultados de la simulacin efectuada por el modelo durante un periodo determinado, con los datos de campo obtenidos durante ese mismo periodo. Esto implica establecer las funciones matemticas y los valores de todos parmetros del modelo que representan adecuadamente los procesos que tienen lugar en el sistema natural estudiado. Un aspecto importante y previo al desarrollar la calibracin de los modelos matemticos, que manejen un nmero considerable de parmetros, es identificar que parmetros del modelo generan mayor impacto sobre las predicciones del modelo, lo cual se puede determinar mediante un anlisis de sensibilidad. El anlisis de sensibilidad implica variar los datos de entrada de los parmetros del modelo y comparar su influencia sobre la capacidad predictiva del modelo de calidad de agua y finalmente entender su comportamiento, determinando los parmetros ms influyentes en la modelacin de las variables objetivo del modelo. Dentro de los mtodos ms comunes para realizar el anlisis de sensibilidad en un modelo, se encuentra la perturbacin de un parmetro, y el anlisis de sensibilidad de primer orden. Sin embargo el anlisis de Monte Carlo proporciona una aproximacin ms general (Chapra, 1997). El mtodo de perturbacin de un parmetro consiste en variar cada uno de los parmetros que definen las ecuaciones, aumentando o disminuyendo su valor en un porcentaje definido, mientras los dems se mantienen constantes. Las variaciones correspondientes en las otras variables de salida reflejan la sensibilidad de la solucin a este parmetro, observando los incrementos relativos que en la solucin se producen y parametrizando cul de ellos es ms influyente. Si c es la funcin objetivo y queremos saber cun sensible es la misma a la variacin del parmetro k esta variacin se expresa de la forma:

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2)()( kkckkcc +=

[2.8] El anlisis de sensibilidad de primer orden usa la derivada de la funcin con respecto al parmetro en cuestin para estimar la sensibilidad, utilizando la siguiente expresin:

kkkckkckkcc

=+

=)(

2)()(

[2.9] El signo de la derivada refleja una variacin positiva o negativa de la prediccin. El anlisis de Monte Carlo, consiste en generar una serie del parmetro a estudiar siguiendo una distribucin que representa la probabilidad de ocurrencia. Esta ocurrencia afectar a los resultados del modelo de una forma determinada, que representa el grado de cambio de los resultados con el grado de cambio del parmetro en estudio. De esta manera podemos conocer cual es el parmetro, que cambiando con la misma distribucin que los dems, afecta ms al resultado. Camacho y DazGranados (2003) han establecido que la calibracin de modelos con varios parmetros es un problema complejo que requiere mtodos de calibracin objetiva. Los mtodos de calibracin objetiva tipo gradiente tales como mtodos de mnimos cuadrados no lineales (NLS), presentan serias limitaciones en la obtencin de parmetros ptimos del modelo por problemas de alta no linealidad e interdependencia paramtrica. Estos mismos autores recomiendan, en el caso de modelos de calidad del agua tpicamente con ms de 7 parmetros, la utilizacin de mtodos basados en simulaciones de Monte Carlo, tales como la metodologa de estimacin de incertidumbre generalizada GLUE (Generalised Likelihood Uncertainty Estimation methodology), el procedimiento de identificacin dinmica (Dynamic identifiability) o el mtodo de evolucin compleja de poblaciones (Shuffled complex evolution method). 2.4.2 Modelos de calidad de agua consultados Dentro de las consultas realizadas para la seleccin de un modelo aplicable para la simulacin de calidad de aguas en cinagas, se realiz una revisin de fuentes de informacin pblica. Se encontraron cuatro modelos, dos de la Environmental Protection Agency EPA, el WASP 6.0 y el AQUATOX; uno del Centro Panamericano de Ingeniera Sanitaria y Ciencias del Ambiente-CEPIS, modelo LACAT, aplicable a lagos tropicales y sobre el cual existen resultados de su aplicacin en el departamento del Atlntico; y la aplicacin de un modelo hidrolgico, hidrulico y de calidad de agua implementado en el proyecto Estudios e investigaciones de las obras de restauracin ambiental y de navegacin del canal del Dique realizado por CORMAGDALENA y la Universidad Nacional (2007)

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- Modelo WASP (Programa de simulacin de anlisis de calidad de agua) El WASP 6.0, es una versin mejorada del modelo WASP (EPA). Este modelo ayuda a interpretar y predecir la respuesta de la calidad del agua frente a fenmenos naturales y/o ocasionados por la contaminacin antropognica, contando con dos mdulos que permiten simular los dos principales problemas de calidad de agua, correspondientes a la contaminacin convencional y la contaminacin por txicos: a. EUTRO: este contempla determinantes como: oxgeno disuelto, demanda bioqumica

de oxigeno, nutrientes, fitoplancton, perifiton, detritus, Nitrgeno orgnico disuelto, Amonio, Nitrato, Fsforo orgnico disuelto, ortofosfato salinidad, slidos, sedimentos.

b. TOXI: incluye determinantes como compuestos qumicos orgnicos, metales y sedimentos.

WASP es un modelo dinmico, diseado en Windows, aplicable a sistemas acuticos, incluyendo la columna de agua y la capa de bentos. Permite estudiar sistemas en 1, 2 y 3 dimensiones, utilizando una variedad de contaminantes en periodos estacionales, mensuales, diarios y/o horarios. En el modelo se representan la variacin en el tiempo de los procesos de adveccin, dispersin y difusin de cargas msicas. Como complemento, el modelo puede trabajarse con modelos hidrodinmicos y de transporte de sedimentos, que suministran datos de caudal, profundidad, velocidad, temperatura, salinidad y velocidad de sedimentacin. Tiene como principales limitaciones su aplicacin en procesos en zonas de mezcla, los mdulos EUTRO y TOXI se manejan independientes y no permite el uso de herramientas como el anlisis de Monte Carlo. WASP ha sido usado en los Estados Unidos, para evaluar la eutrofizacin de Tampa Bay, carga de fsforo al lago Okeechobee, eutrofizacin del estuario del ro Neuse, eutrofizacin del ro Coosa y sus estuarios, eutrofizacin y contaminacin por PCBs en el Gran Lago, y eutrofizacin en el estuario de Potomac, entre otras. La aplicacin del modulo EUTRO en un cuerpo de agua simula el transporte y las reacciones de transformacin a travs de la cintica del fitoplancton, el ciclo del fsforo, el ciclo del nitrgeno y el balance de oxigeno, cubriendo ocho determinantes: DBO carboncea, oxigeno disuelto, amonio, nitrato, fitoplancton, nitrgeno orgnico, fsforo orgnico e inorgnico. La simulacin requiere por lo tanto de las variables indicadas en la Tabla 2.5.

Tabla 2.5 Variables contempladas en el modelo WASP 6.0

Tipo Parmetros Ambientales OD, DBOC, amonio, nitrato, fitoplancton, nitrgeno orgnico, fsforo orgnico e

inorgnico Transporte Velocidad de sedimentacin, velocidad de resuspensin. Condiciones Lmites

Cargas de contaminantes (Kg/da), concentraciones de los determinantes en las entradas y salidas de cada tramo, fraccin disuelta de la DBOC y de los nutrientes

Transformacin Temperatura del agua, radiacin solar (langleys/da), coeficiente de extincin de la luz, tasa de crecimiento del fitoplancton, relacin de carbono/clorofila, rata de

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Tipo Parmetros respiracin del fitoplancton, relacin fsforo/carbono, rata de mineralizacin del fsforo, constante media de saturacin del fsforo, relacin Nitrgeno/carbono, rata de mineralizacin del nitrgeno, rata de nitrificacin, constante media de saturacin del nitrgeno, rata asimilacin de nitrgeno por el fitoplancton, demanda de nitrgeno en bentos, demanda de oxigeno por sedimentos, rata de reaireacin, rata de oxidacin de la DBOC

- Modelo AQUATOX Es uno de los pocos modelos de riesgo ecolgico, que representa el comportamiento ambiental de los qumicos orgnicos txicos y sus efectos. Adems, modela contaminantes convencionales, como nutrientes y sedimentos, y considera varios niveles trficos, algas, vegetacin sumergida, varios tipos de invertebrados y peces. Este modelo ha sido implementado en ros, lagos y embalses. El modelo puede ser usado para evaluar la probabilidad de efectos adversos en el pasado, presente y futuro de varios contaminantes, individual o conjuntos, incluyendo txicos qumicos orgnicos, nutrientes, residuos orgnicos, sedimentos y temperatura. Aquatox simula el ecosistema acutico frente a cambios en la concentracin de organismos, nutrientes y sedimentos en una unidad de volumen de agua, por lo cual difiere de los modelos poblacionales, los cuales representan los cambios en nmero de individuos. Est diseado para representar el promedio diario de las condiciones de un sistema acutico completamente mezclado. Adems puede implementarse en una sola dimensin, vertical, epilimnin y hipolimnin, para aquellos sistemas que presentan estratificacin. El modelo est escrito en pascal, usando el sistema de programacin Delphi para Windows y utiliza ecuaciones diferenciales para representar los cambios de valores de las variables de estado. Igualmente este modelo es aplicable a ecosistemas completos, para lo cual utiliza procesos como: oxidacin, respiracin, remineralizacin, consumo de predacin y defecacin, sedimentacin y resuspensin, nitrificacin, desnitrificacin, hidrlisis, volatilizacin y bioacumulacin, entre otras. Este modelo contiene mltiples componentes y por lo tanto requiere gran variedad de datos de entrada (variables biticas y abiticas), ver Tabla 2.6.

Tabla 2.6 Variables contempladas en el modelo AQUATOX

Tipo Parmetros Ambientales OD, DBO (% particulado, % refractario), nutrientes en su forma elemental

(Nitrogeno, y fsforo), materia orgnica, tipo de plantas y animales propios del cuerpo de agua, CO2.

Transporte Velocidad de sedimentacin y velocidad de resuspensin de slidos. Condiciones Lmites

Cargas de contaminantes (Kg/da), concentraciones de los determinantes en las entradas y salidas de cada tramo, volumen de agua

Transformacin Temperatura del agua, pH, velocidad del viento, radiacin solar (langleys/da), coeficiente de extincin de la luz, tasa de crecimiento del

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Tipo Parmetros fitoplancton, relacin de carbono/clorofila, rata de respiracin del fitoplancton, relacin fsforo/carbono, rata de mineralizacin del fsforo, constante media de saturacin del fsforo, relacin Nitrgeno/carbono, rata de mineralizacin del nitrgeno, rata de nitrificacin, constante media de saturacin del nitrgeno, rata asimilacin de nitrgeno por el fitoplancton, demanda de nitrgeno en bentos, demanda de oxigeno por sedimentos, rata de reareacin, rata de oxidacin de la DBOC y otras para la simulacin con plantas y animales.

- Modelo LACAT

El programa lagos clidos tropicales LACAT, es el resultado del estudio de metodologas simplificadas para la evaluacin de eutrofizacin en lagos clidos tropicales, desarrollado por el Centro Panamericano de Ingeniera Sanitaria y Ciencias del Ambiente- CEPIS, (Salas y Martino, 1991). El programa LACAT es interactivo y est diseado en idioma BASIC, y permite la estimacin de un estado trfico de un lago clido tropical, requiriendo como insumos la profundidad (m), el tiempo de retencin (aos) y el aporte de fsforo total (g/m2-ao). El programa calcula el fsforo total (mg/L) basado en una ecuacin que corresponde a una regresin mltiple para fsforo total y es una aproximacin totalmente emprica, producto de una regresin "stepwise" con todas las variables independientes, disponibles, tal como se presenta a continuacin:

934,0

676,0891,0)(29,0

Z

TpLP = [2.11]

Donde P es el fsforo total (mg/L), )( pL es el aporte de fsforo total (g/m

2-ao), T es el

tiempo de retencin (aos) y Z es la profundidad promedio (m). Los antecedentes del programa, se basan en una revisin previa de los modelos simplificados disponibles en 1982, desarrollados con datos de lagos predominantemente templados. Salas y Marino (1991) concluyeron, que debido a las diferencias fundamentales entre lagos templados y lagos clidos tropicales, estos modelos previos no eran aplicables a la mayora de los cuerpos de agua de la regin. El modelo LACAT surge como una alternativa para la simulacin de la calidad de agua solo en lagos clidos tropicales, los cuales se consideran como aquellos que presentan una temperatura mnima de 10C durante condiciones normales y un promedio anual mnimo de 15C. La aplicacin del modelo, durante su desarrollo, incluy lagos y embalses de zonas clidas desde el lago Livinstong en Texas E.U.A hasta salto grande en Argentina, reportando que la mayor parte de los lagos estaban limitados por el fsforo. En Colombia,

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se incluyeron los Embalses de El Peol en el Oriente Antioqueo, el Embalse del Gujaro en la Costa Atlntica y el Embalse de Sonso en el Valle del Cauca. Los resultados de la aplicacin del modelo en Colombia no fue del todo exitosa, debido a la solo el embalse de Sonso present los datos necesarios, clasificndose como un cuerpo de agua hipereutrfico. Como resultado paralelo, se estim que los Embalse de El Peol y El Gujaro clasificaban como eutrficos.

- Modelo hidrulico y de calidad de agua integrado Camacho (1997), desarroll una extensin del modelo QUASAR, utilizando el Software de Simulacin Dinmica de Sistemas SIMULINK" (The MATHWORKS Inc, 1996). El Modelo QUASAR, es un modelo dinmico que utiliza ecuaciones diferenciales para describir los cambios de flujo y concentraciones de los determinantes de la calidad del agua en el tiempo, utilizando tramos en serie, que simulan espacialmente el cuerpo de agua. Cada tramo considerado corresponde a un sistema completamente mezclado donde se simula el comportamiento de la degradacin o transformacin de los contaminantes. Simulink es una herramienta interactiva del programa de computacin Matlab, que permite la programacin iconogrfica y facilita la generacin, modificacin y extensin de un modelo. En SIMULINK es posible implementar en forma fcil modelos basados en ecuaciones diferenciales acopladas ya que ha sido especficamente diseado para modelar, simular y analizar sistemas dinmicos. El modelo hidrulico y de calidad de agua integrado resultante, acopla cantidad y calidad del agua. Permite modelar interconexiones con cinagas y bifurcaciones, y la modelacin de determinantes biolgicos como la clorofila; bacteriolgico como los coliformes totales; y fsico-qumicos como oxigeno disuelto, demanda bioqumica de oxgeno, slidos suspendidos totales, conductividad y salinidad, temperatura, nitratos, nitritos, fsforo particulado, fsforo soluble, amonio, entre otras. En el proyecto Estudios e investigaciones de las obras de restauracin ambiental y de navegacin del canal del Dique (CORMAGDALENA y Universidad Nacional, 2007) se implement el modelo hidrulico y de calidad de agua, con modificaciones en funcin de las caractersticas de la zona de estudio, permitiendo el ingreso de series de datos de caudales de agua del Canal del Dique para diferentes periodos, mensuales y de varios aos. Las ventajas principales de usar el software de SIMULINK en la simulacin de la calidad de agua de un sistema son: - Acceso a la tcnica de programacin iconogrfica. El modelo se puede estructurar

representando a travs de bloques los afluentes, tramos, o cuerpos de agua mezclados, de una zona en estudio.

- Acceso a la estructura jerrquica de SIMULINK que proporciona claridad de cmo el modelo est organizado y cmo interactan sus partes. Esta es la caracterstica

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principal de la plataforma que garantiza la fcil expansin y modificacin del modelo y de la red de drenaje de ros y canales.

- Acceso a procedimientos numricos eficientes que se seleccionan por parte del usuario de una interfase grfica y que permite el desarrollo del modelo en bloques. Por ejemplo se tiene acceso a rutinas de integracin numrica de ecuaciones diferenciales ordinarias por el mtodo de Runge Kutta de cuarto y quinto orden. Esta caracterstica de SIMULINK facilita la programacin y garantiza la correcta solucin numrica de las ecuaciones.

- Acceso a salidas grficas durante el tiempo de simulacin y acceso a herramientas de MATLAB para la visualizacin y el post-procesamiento de resultados.

- Acceso a la librera de SIMULINK para el anlisis de sistemas lineales o no lineales modelados en tiempo continuo o discreto.

- Acceso a una plataforma sencilla para la entrada de datos, la operacin del modelo y el chequeo de parmetros.

- Permite el uso de herramientas de anlisis de sensibilidad, como el anlisis de Monte Carlo.

- En el software se estructuran las ecuaciones de flujo hidrulico y de balance de masa que representan el modelo. Estas se discuten ms adelante.

2.4.3 Ventajas y desventajas de los modelos de calidad de agua consultados A continuacin se presenta un resumen de las ventajas y desventajas en los modelos evaluados (Tabla 2.7):

Tabla 2.7 Modelos de calidad de agua consultados

Aspecto Modelo Ventaja Desventaja Alcance WASP 6.0 Permite modelar muchos

determinantes, considerando variaciones en dos dimensiones

Requiere una alta informacin implicando mayores mediciones a las que se plantean en este estudio, siendo ms compleja la calibracin

AQUATOX

LACAT Es fcil de aplicar a cuerpos de agua tropicales

Solo simula el comportamiento de un solo determinante

Modelo hidrulico y de calidad de agua integrado

Es fcil de aplicar a cuerpos de agua tropicales y permite simular muchos determinantes

Antecedentes de aplicacin

WASP 6.0 Se ha aplicado a lagos Su aplicacin ha sido en climas templados y principalmente en lagos profundos

AQUATOX

LACAT Se ha aplicado a lagos tropicales

Modelo hidrulico y de calidad de

Se ha aplicado a lagos tropicales

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Aspecto Modelo Ventaja Desventaja agua integrado

Estructura WASP 6.0 Utiliza ecuaciones de transformacin de los determinantes considerando todas las constantes (fsicas, qumicas, y biolgicas)

No permite modificar las ecuaciones e incluir la conexin de canales a un cuerpo lagunar

AQUATOX

LACAT No incluye constantes que requieran calibracin, solo implica variables fsica del sistema

Se limita solo a un dato de entrada y no permite evaluar el comportamiento incluyendo conexiones de canales

Modelo hidrulico y de calidad de agua integrado

Permite estructurar el sistema, incluyendo varias conexiones con sus respectivas ecuaciones de transformacin.

2.5 Marco Legal sobre el uso de las aguas naturales

El impacto de las actividades antrpicas sobre el recurso hdrico est asociado principalmente a las descargas de vertimientos lquidos, sin considerar la afectacin de los usos potenciales del recurso. En este aspecto las normas de vertimiento son un mecanismo empleado internacionalmente para el control de la contaminacin del agua, generada por las descargas de aguas residuales procedentes de las actividades antrpicas. Estas normas se aplican solas o en combinacin con las normas de calidad u otros mecanismos de control. Segn Bernstein 1991 (citado en The World Bank, 1994), la norma de vertimiento es una regulacin orientada a controlar la descarga de contaminantes con el propsito de alcanzar los criterios de calidad del agua. Es claro que proteger los usos del