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XIV CONGRESO CHILENO DE INGENIERÍA SANITARIA Y AMBIENTAL
Santiago, Octubre de 2001
MODELACIÓN DEL OXÍGENO DISUELTO DEL RÍO CHILLÁN José Vargas Baecheler1
Oscar Link Lazo1 Patrick Debels2
Wernher Brevis Vergara1
1Departamento de Ingeniería Civil 2Centro EULA-CHILE
UNIVERSIDAD DE CONCEPCIÓN e.mail:[email protected]
1. Introducción
El crecimiento actual de la población y de las actividades que junto a ellas se desarrollan, han provocado un
aumento sustancial en el consumo y uso del recurso hídrico. Recordemos, que solo una ínfima parte de la
cantidad total del agua disponible en el planeta, puede ser usada para sostener la vida de los seres vivos. Desde
este punto de vista es necesario mejorar la gestión del recurso tanto en la cantidad disponible como en la calidad.
La disposición de los residuos líquidos de los centros urbanos en los cuerpos de agua, ha provocado un aumento
de los niveles de contaminación orgánica, lo que trae consigo una restricción en cuanto al uso del recurso, en
aquellas actividades que presentan directa relación con el hombre.
El Servicio Agrícola Ganadero (SAG), por medio del centro EULA y con la colaboración de la Facultad de
Ingeniería de la Universidad de Concepción, ha puesto en marcha el proyecto :“Desarrollo de una Metodología
para la Evaluación y Mitigación de la Contaminación de Aguas y Suelos": Aplicación a la cuenca del río
Chillán.”, el cual tiene como objetivo principal, evaluar los niveles de contaminación, y determinar el impacto
de esta sobre la actividad agropecuaria.
La idea principal desde el punto de vista de la gestión es mejorar la toma de decisiones, para ello, se usa
actualmente la combinación de los modelos de calidad de agua con instrumentos de decisión, como son los
Sistemas de Información Geográfica (SIG). Se espera que esta combinación de herramientas, permita una visón
integrada, que conduzca a un desarrollo productivo y a la sustentabilidad de las actividades que se desarrollen
dentro de la cuenca.
2 Objetivo
Realizar la modelación para los indicadores de contaminación orgánica Oxígeno Disuelto (OD) y Demanda
Bioquímica de Oxígeno (DBO) e incorporar los resultados en un Sistema de Información Geográfica (SIG),
administrado mediante el Software Arcview.
3 Descripción del área de estudio
3.1 Descripción de la cuenca
La cuenca del río Chillán se ubica en la provincia de Ñuble, VIII región del BioBio, entre los 36° y 37° de
latitud sur y tiene una superficie de 757 Km2. Se extiende desde la falda poniente de los nevados de Chillán, en
la Cordillera de los Andes, hasta el valle central, con alturas que fluctúan entre los 2000 y los 70 m.s.n.m. El
principal curso de la red hídrica lo constituye el río Chillán con una longitud aproximada de 90 km, el cual tiene
un régimen nivo-pluvial, caracterizado por los mayores caudales en los meses de invierno. El caudal promedio
del río, en el cierre de la cuenca (estación fluviométrica de Confluencia), es de 22.9 m3/s (DGA,1987). También
es necesario mencionar que esta cuenca, es a su vez una subcuenca de la cuenca del Itata.
De la superficie total de la cuenca un 45% está destinado al uso agrícola (Comisión Nacional de Riego, 1992),
siendo los principales cultivos el trigo, la remolacha y otros cereales como la cebada y la avena. También es
importante destacar la actividad pecuaria, la que ocupa una importante superficie de la cuenca a través de
praderas artificiales, mejoradas y naturales (aproximadamente el 50%). (Fuente: Centro Eula, Primer Informe
Proyecto Sag 1999 ).
N
EW
S
30 0 30 60 90 120 K m
(a) (b )
VIII Región, Chile
Cuenca del río ChillánVII Región
IX Región
Océ
ano
Pací
fico
Figura 1: Ubicación de la cuenca en la Octava regíon, Chile
3.2 Tramo de estudio
Para poder decidir cual era el tramo del río en el cual se debía focalizar el estudio, se decidió revisar la base de
datos del grupo de calidad del agua del Centro EULA, información generada a partir de 1999. Estos datos
mostraron que la zona en la cual los niveles de Oxígeno Disuelto (OD) presentaban variaciones, era en la zona
inmediatamente aguas abajo del punto de confluencia del estero las Toscas y el río Chillán, por lo tanto se
consideró el tramo que se extiende desde este punto hasta el puente Nebuco, ubicado sobre la ruta 5.
Figura 2 : Detalle del tramo de estudio y ubicación de las estaciones de muestreo
Como se puede observar en la figura 2, se usaron 7 estaciones para realizar los muestreos, esta información se
usó posteriormente en la calibración del modelo.
4 Descripción del modelo
Para realizar la modelación del OD en el tramo en estudio, se usó una solución analítica de la ecuación de
advección – dispersión en régimen permanente, considerando para esto el balance del Déficit de OD (
Diferencia entre la concentración de saturación y la modelada), esta ecuación es:
QL*kdDkdxdD
vdx
DdE a2
2
?????
(1)
La cual lleva acoplada la ecuación diferencial:
xvkr
o e*LL?
? (2)
Donde :
D: Déficit de OD [M/L3]
E: Coeficiente de Dispersión Longitudinal [L2/t]
v: Velocidad media [L/t]
ka: Tasa de reaereación [1/t]
kd: Tasa de desoxigenación de la DBO [1/t]
kr = Tasa de decaimiento total de la DBO [1/t]
Lo = Concentración de DBO inicial o DBO última [M/L3]
Q = Pa –R- Sb
Pa = Producción de OD por Fotosíntesis [M/L2 t]
R = Cantidad de OD consumida por Respiración de Plantas Acuáticas [M/L2 t]
Sb = Demanda de Oxígeno de los Sedimentos [M/L2 t]
Para obtener la solución analítica, se usó el principio de superposición de efectos. Se consideran las demandas
de oxígeno en forma individual, para luego superponer sus efectos en la solución final, la cual para este caso es:
??
?
?
??
?
???
???
?
???
??
????
???
????
????
???
????
?????
?
????
???
1ekaQ
eekakr
vkr
*E
L*kde*D)x(D
x*v
kaE411
E2v
xvkrx*
v
kaE411
E2v
2
2o
xv
kaE411
E2v
o
222
(3)
Para evaluar la solución e incorporar los resultados de la modelación en el Sistema de Información Geográfica
(SIG), se decidió construir un programa en lenguaje Matlab.
El programa fue diseñado para el tramo Las Toscas – Nebuco en las condiciones actuales, es decir, considera los
aportes del Estero Las Toscas, Descarga de la Planta de Tratamiento y Estero Quilmo, siendo necesario
modificarlo para incorporar el aporte de una fuente puntual que pudiera aparecer en el futuro.
Se le pide al usuario que ingrese las mediciones de terreno (Caudales, Concentraciones observadas,
temperatura), y los parámetros calculados (tasa de desoxigenación de la DBO y Coeficiente de Dispersión
longitudinal). La tasa de reaereación es calculada mediante la fórmula de Link (1998). Además facilita la
calibración de la tasa de sedimentación de la DBO, producción de OD por fotosíntesis, además de la respiración
y demanda béntica (Parámetros para los cuales aún no se ha trabajado en metodología de terreno). La
concentración de saturación es calculada mediante la fórmula de la APHA (1992) y se usa para ello la
temperatura promedio del tramo. El valor de la profundidad y velocidad media se calculan por medio de
relaciones de Leopold y Madock de la forma bQ*ah ? y
bQ*av ? . Los datos usados para estimar el valor
de los coeficientes a y b para cada una de esta expresiones fueron obtenidos por medio de mediciones de caudal
y de los resultados de las campañas de medición de tiempo de viaje respectivamente. Por último las correcciones
por temperatura se hacen usando la expresión de Arrhenius.
Para realizar la conexión de los resultados de la modelación con el SIG, se generó un archivo de salida del
programa en Matlab, que tuviera el formato de lectura permitido por Arcview. Para realizar esta lectura, se creó
una macro en lenguaje Avenue que automatiza los procedimientos y a su vez permite que se realice el
procedimiento de incorporación.
El modelo computacional creado en Matlab, utiliza un sistema de coordenadas unidimensional para referir
puntos o tramos a lo largo del río, se establece un punto de referencia al inicio (aguas arriba) del sistema a
estudiar Entonces, un punto específico puede ser ubicado en términos de una distancia, medida a lo largo del río,
desde el punto de referencia.
Para lograr la integración de los resultados de la modelación en Arcview se usó una técnica denominada
segmentación dinámica. Está es una herramienta poderosa para la generación de un sistema de coordenadas
unidimensional a lo largo de elementos lineales, que han sido ingresados utilizando un sistema cartesiano de
coordenadas. El nuevo sistema de coordenadas, denominado ‘río-kilómetro’, permite el intercambio de
información entre el modelo y la base de datos del SIG, y al mismo tiempo facilita la representación de los
resultados de la modelación por encima de la representación cartográfica del río en el SIG.
5 Descripción de las campañas de terreno
Se realizaron 2 campañas de terreno, el 15 de Febrero y el 22 de Marzo del 2001. Para muestrear siguiendo la
masa de agua (eliminar la impermanencia en la modelación), se decidió hacer previamente campañas de
medición de tiempo de viaje con Rodamina WT . Durante los muestreos, también se tomaron muestras de
Coliformes totales, los cuales arrojaron resultados negativos, es decir, debido a la desinfección realizada por la
planta de tratamiento de aguas servidas, su presencia ya no es de importancia en el río. Durante estas campañas
se midió OD, DBO5, Sólidos Sedimentables, Sólidos suspendidos orgánicos, además de temperatura, pH y
conductividad. También se realizaron muestreos complementarios, los que incluyeron Cloro residual, Demanda
Química de Oxígeno (DQO) y sólidos suspendidos, muestras que fueron tomadas solo en casos puntuales, y que
se usaron para la interpretación de los resultados de los indicadores a modelar.
6 Resultados de laboratorio y análisis por estación
A continuación se presentan los resultados de los análisis entregados por el laboratorio de Química ambiental
del centro Eula, para cada una de las estaciones ubicadas en el río Chillán.
OD (mg/l)
Estación N° 15 Febrero 22 de Marzo
Chillán 1 1 8.5 8.7
Chillán 2 2 5.8 7.8
Chillán 3 3 6.2 8.0
Chillán 4 4 11.2 8.7
Chillán 5 5 11.8 8.5
Chillán 6 6 - 8.9
Chillán 7 7 7.9 8.9
Tabla 1. Concentraciones de OD observadas por estación
Concentraciones de OD
02468
101214
0 2 4 6 8
Estación
OD
(mg/
l)
15 de Febrero22 de Marzo
Figura 3. Concentraciones de OD para ambas campañas
La diferencia de los valores de OD en las 2 campañas de terreno, se debe principalmente a la regulación del
funcionamiento de la planta de tratamiento. El 22 de Marzo existió un valor menor de la DBO, lo que permitió
que no hubiese un descenso brusco de la concentración de OD en los primeros kilómetros. Los niveles de OD
registrado en Chillán 4 y 5 son mayores en la campaña del 15 de Febrero, esto podría ser explicado, debido a
que en esa fecha se observó una mayor presencia de macrófitas en este tramo.
DBO5 (mg/l)
Estación N° 15 de Febrero 22 de Marzo
Chillán 1 1 0.2 0.2
Chillán 2 2 28.1 1.5
Chillán 3 3 - 1.9
Chillán 4 4 2.7 3.3
Chillán 5 5 2.5 0.9
Chillán 6 6 2.2 2.1
Chillán 7 7 2.9 1.9
Tabla 2. Concentraciones de DBO observadas por estación
Concentraciones de DBO5
0
2
4
6
8
10
0 2 4 6 8
Estación
DB
O (
mg
/l)
15 de Febrero
22 de Marzo
Figura 4. Concentraciones de DBO para ambas campañas
En esta gráfica, se puede observar que en los primeros kilómetros existe un fuerte caída de la concentración de
la DBO. Esto sería producto de un alto nivel de depositación en el lecho, lo que a su vez produciría una aumento
de la demanda de oxígeno de los sedimentos, situación que fue ratificada en la modelación.
7 Resultados de la modelación e incorporación en el SIG.
A continuación se presentan los resultados obtenidos mediante el uso del programa computacional. La tasa de
desoxigenación de la DBO fue obtenida usando los resultados de la DBO medida en 20 días y aplicando el
método de los mínimos cuadrados, el valor de el Coeficiente de Dispersión longitudinal y de velocidad media se
obtuvieron por medio del análisis de los resultados de campañas de Rodamina WT.
Para obtener el valor de la tasa de decaimiento de la DBO por sedimentación se realizó una calibración del
modelo de DBO en base a las concentraciones observadas en terreno. De la misma forma se obtuvo el valor de
producción por Fotosíntesis, Respiración y Demanda Béntica.
Los resultados obtenidos para las 2 campañas se presentan a continuación :
7.1 Campaña del 15 de febrero de 2001
Tramo Parámetro 1 2 3 4 5 6
Tasa de desoxigenación de la DBO kd [1/día] 0.044 0.044 0.044 0.018 0.06 0.06 Tasa de decaimiento de la DBO kr = ks+ks [1/día] 6.9 6.9 11.9 0.5 1.6 0.5
Tasa de producción de OD por fotosíntesis [g O2/m2 día] 0 0 28 9.8 0 0 Tasa de consumo por respiración [g O2/m2 día] 0 0 0 0 0 0
Tasa de demanda de OD de los Sedimentos [g O2/m2 día] 26.2 3.3 0 0 8 4.95 Coeficiente de Dispersión longitudinal [m2/s] 3.32 3.32 3.32 3.32 3.32 3.32
Tabla 3. Valor de los parámetros usados el 15 de Febrero
7.1.1 Tasa de desoxigenación de la DBO
Para esta campaña se decidió extrapolar el valor medido de la tasa de desoxigenación a las estaciones
adyacentes que presentaban características similares (geometría, temperatura y distancia entre estaciones ). En
todos los tramos los valores de kd están dentro del rango de resultados enunciados por Bowie et. al. (1985) Se
tienen variaciones desde 0.01 en Merrimack River hasta 1.5 en Arkansas River.
7.1.2 Tasa de sedimentación de la DBO
Por otra parte en base a los datos observados en terreno se ve que existe un fuerte descenso en las concentración
de DBO en los primeros kilómetros. Por lo tanto, considerando los bajos valores de kd, se puede pensar que esta
disminución se debe principalmente a la depositación de la materia orgánica en suspensión. Esta idea se ve
apoyada si se compara los resultados de los sólidos suspendidos y sólidos suspendidos orgánicos registrados en
la misma fecha, los que también tienen un comportamiento similar.
Para kr se enuncian valores para tramos normales, es decir, que no se encuentran cerca de una descarga de aguas
servidas. Estos valores van desde 0.5 en Tittabawassee River hasta 3.0 en Elk River. Los valores calibrados
para los tramos 4, 5 y 6 se encuentran dentro de esos rangos y se podrían considerar eventualmente como
normales. Sin embargo el valor de kr en los tramos iniciales debe tener esta magnitud, para permitir que la
solución de la ecuación se aproxime a los valores de DBO medidos en terreno. No fue posible encontrar en la
literatura valores de referencia para kr.
7.1.3 Demanda de oxígeno de los sedimentos
Para el tramo 1 se tiene una gran Demanda de Oxígeno de los Sedimentos, este valor puede ser explicado debido
al alto nivel de depositación de la DBO, sin embargo en el tramo 2 y 3 donde hay alta depositación no se
observa un comportamiento similar. En la literatura se pueden encontrar valores altos, por ejemplo Hunter et. al.
(1973) obtuvo valores de hasta 12.8 g O2/m2 día en sus investigaciones en los ríos de New Jersey
(Investigación realizada con respirómetros in situ), por otro lado James (1974) obtuvo valores que estaban entre
los 6 – 44 g O2/m2 día (mediante balance másico de oxígeno), un último ejemplo de altos valores de DOS es la
registrada por NCASI (1978) en los río del este de Estados Unidos, aguas debajo de la descarga de una fábrica
de papeles, en ese entonces se registraron valores que iban desde 2 hasta 33 g O2/m2 día (mediciones realizadas
in situ a una temperatura de 22–27 °C). Todos los estudios situados anteriormente son enunciados por Bowie et.
al. (1985).
7.1.4 Fotosíntesis
Se pueden observar altos valores de la tasa de fotosíntesis en el tramo 3 y 4 este valor pasa a ser de gran
importancia debido a que permite una recuperación de la concentración de Oxígeno Disuelto. Magnitudes
similares pueden ser encontradas en la literatura, por ejemplo O´Connor and Di toro (1970) registraron valores
máximos de hasta 37.6 g O2/m2 día en Grand River y 40 g O2/m2 día en Flint River, Gulliver et. al. (1982)
obtuvo valores de hasta 45 g O2/m2 día en canales experimentales.
En el río se observo presencia de algas acuáticas y macrófitas sumergidas las cuales podrían ser la razón del
rápido aumento del OD. Se desestimó la influencia de los rápidos en esta variación ya que la configuración de
ellos no cambio y no se ve el mismo efecto en la campaña del 22 de marzo.
En la figura 5 se observa la solución obtenida usando los parámetros descritos anteriormente, se tiene un ajuste
de la solución de la ecuación a los datos de terreno.
Figura 5. Resultado de la modelación y representación en el SIG para el indicador OD, 15 de Febrero
Figura 6. Resultado de la modelación y representación en el SIG para el indicador DBO, 15 de Febrero 7.2 Campaña del 22 de Marzo de 2001
Tramo
Parámetro 1 2 3 4 5 6 Tasa de desoxigenación de la DBO kd [1/día] 0.044 0.044 0.018 0.018 0.06 0.06 Tasa de decaimiento de la DBO kr = ks+ks [1/día] 1.2 0.8 0.1 0.1 0.1 0.2 Tasa de producción de OD por fotosíntesis [mg O2/m2 día] 0 0 0.75 0 0.1 0
Tasa de consumo por respiración [mg O2/m2 día] 0 0 0 0 0 0 Tasa de demanda de OD de los Sedimentos 9 1.7 0 2.1 0 0.8 Coeficiente de Dispersión longitudinal 3.32 3.32 3.32 3.32 3.32 3.32
Tabla 4.Valor de los parámetros usados el 22 de Marzo
Los datos obtenidos en esta campaña son completamente distintos a los obtenidos el 15 de febrero, a pesar de
haber sido realizadas ambas campañas en estiaje. La explicación para ellos es que en esta fecha el
funcionamiento de la planta de tratamiento debe haber estado regularizado, incluso se apreció una mayor
desinfección, ya que el cloro era fácilmente percibido. Por otro lado cualitativamente hablando, se tenia un
efluente menos turbio al que existió en la campaña anterior.
Los valores de los parámetros en este caso, son mucho menores, esto debido principalmente a que los
concentraciones medidas en terreno se encontraban dentro de un mismo rango.
7.2.1 Demanda de Oxígeno de los Sedimentos
Se observa una disminución notable de los valores de Demanda de Oxígeno de los Sedimentos en relación a los
obtenidos el 15 de febrero. Por otro lado se supone que la configuración de los rápidos en el tramo sigue siendo
el mismo, lo que da a entender, que probablemente si exista una producción de OD por fotosíntesis en el tramo
3. En general se conservan las mismas fuentes y demandas en los tramos, aunque con magnitudes
completamente distintas.
Figura 7. Resultado de la modelación y representación en el SIG para el indicador OD, 22 de marzo
La calibración del modelo de DBO fue complicado ya que no se obtuvo un decaimiento continuo, existieron
variaciones de los valores medidos en terreno, aunque probablemente dentro del margen de error de los análisis
de laboratorio.
Figura 8. Resultado de la modelación y representación en el SIG para el indicador DBO, 22 de marzo
8 Conclusiones y Comentarios
En base a los resultados de la campaña del 15 de Febrero de 2001, se tiene que los procesos que controlan la
concentración de Oxígeno Disuelto son la Demanda Béntica en los tramos inmediatamente aguas abajo del
Estero Las Toscas (alta tasa de sedimentación de la DBO) y en el tramo entre el Estero Quilmo y el Puente
Nebuco (flujo con baja velocidad), en los tramos intermedios 3 y 4 se observa una sobresaturación la cual es
producida debida a los altos niveles de producción de OD por fotosíntesis.
Si se compara los resultados obtenidos el 22 de marzo con los del 15 de Febrero, se observa el efecto de la
puesta en funcionamiento de la planta de tratamiento de aguas servidas, la que mejoró notablemente la calidad
del agua desde el punto de vista de las concentraciones de OD y DBO. Será necesario evaluar en el futuro los
posibles efectos de la desinfección con cloro en el río.
De los resultados de Febrero del 2001, se observa la corta longitud para que se realice el proceso de
autodepuración , es decir, la longitud necesaria para que el río presente niveles aceptables de las concentraciones
de OD y DBO con caudales bajos.
Debido a que el muestreo se realizó durante a la puesta en marcha de la planta de tratamiento de Essbío, se
obtuvieron 2 set de datos completamente distintos. Esto se debe a las modificaciones de las características del
efluente de la planta producto de los ajustes de operación en la misma. Por lo tanto, el uso del modelo se
restringe a las fechas en las cuales fueron realizados los muestreos, siendo inconveniente el uso de estos
resultados para la simulación de escenarios distintos.
Con el fin de disminuir la incerteza asociada a la determinación del valor de los parámetros, se debe investigar
o desarrollar metodologías que permitan , al mínimo costo, la determinación en terreno de la tasa de reaereación,
Demanda de Oxígeno de los Sedimentos, producción de OD por fotosíntesis y consumo por respiración de
plantas acuáticas.
La integración de los resultados con el SIG permite hacer uso de los resultados de modelación en un sistema en
el cual se presenta un gran número de información, lo que mejora la toma de decisiones o eleva la calidad de
la gestión del recurso hídrico en la cuenca.
Agradecimientos
Los autores agradecen al Centro Eula de la Universidad de Concepción, al proyecto de cooperación bilateral
entre los gobiernos de Flandes y Chile, y al Servicio Agrícola y Ganadero de Chile (SAG), por el financiamiento
aportado para realizar esta investigación.
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