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SIMULACIN DE LA CONTAMINACIN DE LA CUENCA DE LA QUEBRADA

SAN LUIS

CARLOS MARIO RUIZ CASTILLO CDIGO: 0302051

DIANA CRISTINA MONCAYO MARTNEZ CDIGO: 0301535

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERA Y ARQUITECTURA

INGENIERA QUMICA SEDE MANIZALES

2007

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SIMULACIN DE LA CONTAMINACIN DE LA CUENCA DE LA QUEBRADA SAN LUIS

CARLOS MARIO RUIZ CASTILLO

CDIGO: 0302051 DIANA CRISTINA MONCAYO MARTNEZ

CDIGO: 0301535

MODALIDAD: PARTICIPACIN EN PROYECTO DE INVESTIGACIN

DIRECTORA ING. ADELA LONDOO CARVAJAL

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERA Y ARQUITECTURA

INGENIERA QUMICA SEDE MANIZALES

2007

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TABLA DE CONTENIDO

Pg. INTRODUCCIN OBJETIVOS

1 CUENCA DE LA QUEBRADA SAN LUIS ______________________________ 8

1.1 1.1 LOCALIZACIN _____________________________________________ 8

1.2 1.2 REA URBANA _____________________________________________ 9

1.3 1.3 USOS DEL SUELO URBANO _________________________________ 11

1.4 1.4 ESTUDIOS RELACIONADOS CON LA CUENCA __________________ 15

2 SIMULADORES DE CORRIENTES DE AGUA __________________________ 17

2.1 2.1 MODELOS URBANOS _______________________________________ 17 2.1.1 DR3MQUAL (Distributed Routing Rainfall-Runoff model) _________ 17 2.1.2 HSPF (Hydrological Simulation Program Fortran) ________________ 18 2.1.3 MIKE-SWMM ____________________________________________ 18 2.1.4 QQS(the Quality Quantity Simulator) __________________________ 19 2.1.5 STORM (Storage, Treatment, Overflow, Runoff Model) ___________ 19 2.1.6 SWMM _________________________________________________ 19 2.1.7 SWMM Level 1 _________________________________________ 20 2.1.8 Wallingford Model ________________________________________ 20

2.2 MODELOS NO URBANOS _______________________________________ 20 2.2.1 BRASS (Basin Runoff and Streamflow simulation) _______________ 20 2.2.2 HEC-5Q ________________________________________________ 21 2.2.3 QUAL2E-UNCAS _________________________________________ 21 2.2.4 WQRRS(Water Quality for River Reservoir System) ______________ 21

3 SELECCIN DEL SIMULADOR _____________________________________ 22

4 SIMULADOR STORM WATER MANAGEMENT MODEL (SWMM) VERSION 5 23

4.1 Capacidades del modelo ________________________________________ 23

4.2 Aplicaciones del SWMM _________________________________________ 24

4.3 Simulacin de la calidad del agua_________________________________ 25

4.4 Modelo conceptual del SWMM ___________________________________ 25

4.5 Objetos visuales _______________________________________________ 27 4.5.1 Pluvimetros (Rain gage) __________________________________ 27 4.5.2 Subcaptacin (Subcatchment) _______________________________ 27 4.5.3 Nodos de unin (Junction nodes) ____________________________ 28 4.5.4 Descoles (Outfall nodes) ___________________________________ 29

4

4.5.5 Nodos divisores de flujo (Flow Divider Nodes) __________________ 29 4.5.6 Unidades de almacenamiento (Storage units) ___________________ 30 4.5.7 Conductos (Conduits) _____________________________________ 31 4.5.8 Reguladores de flujo (Flow regulators) ________________________ 32 4.5.9 Etiquetas del mapa (Map labels) _____________________________ 35

4.6 Objetos no visuales ____________________________________________ 35 4.6.1 Contaminantes __________________________________________ 35 4.6.2 Usos de la tierra _________________________________________ 36 4.6.3 Tratamiento _____________________________________________ 39 4.6.4 Series de tiempo _________________________________________ 39 4.6.5 Patrones de tiempo _______________________________________ 40

4.7 Mtodos de Clculo ____________________________________________ 40 4.7.1 Escorrenta superficial _____________________________________ 40 4.7.2 Infiltracin ______________________________________________ 41 4.7.3 Modelo hidrulico de transporte _____________________________ 42 4.7.4 Superficie de inundacin ___________________________________ 44 4.7.5 Modelo de la calidad del agua _______________________________ 44

5 SELECCIN DE LOS PARMETROS A SIMULAR _____________________ 46

6 SIMULACIN DE LA CUENCA DE LA QUEBRADA SAN LUIS. ___________ 48

6.1 Pluvimetro ___________________________________________________ 49

6.2 Subcaptacin _________________________________________________ 50

6.3 Uniones ______________________________________________________ 54

6.4 Descole ______________________________________________________ 56

6.5 Conductos ____________________________________________________ 56

7 RESULTADOS DE LA SIMULACIN _________________________________ 59 ANEXOS ANEXO A. RESUMEN DE LA INFORMACIN INGRESADA EN EL SIMULADOR BIBLIOGRAFA

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RESUMEN

Este trabajo seleccionar el mejor modelo para la simulacin de la contaminacin

de la cuenca de la Quebrada San Luis, teniendo en cuenta las caractersticas de

la cuenca y su comportamiento ante fenmenos de precipitacin, escorrenta,

infiltracin y el tipo de alcantarillado presente en esta zona. Adems de la

seleccin de los parmetros fsico- qumicos que se simularan para la validacin

del modelo....

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INTRODUCCIN

La Quebrada San Luis, se encuentra dentro del casco urbano de Manizales y

constituye uno de los cauces receptores de aguas residuales domesticas de la

ciudad. El Instituto De Estudios Ambientales IDEA de la Universidad Nacional

sede Manizales viene desarrollando un proyecto de investigacin sobre La cuenca

de la Quebrada San Luis, en el cual se considera a esta como una cuenca

experimental urbana debido a que sirve como descole de la red de alcantarillado

combinado y por lo tanto su comportamiento es diferente a cualquier otra

corriente superficial. Este proyecto fue denominado como Cuencas

Experimentales Urbanas en Colombia. Caso Manizales, en cuya primera fase de

investigacin se realiz la Caracterizacin e instrumentacin de la cuenca.

Actualmente se esta realizando la segunda fase denominada Complementacin,

anlisis e interpretacin de la informacin.

Por medio de este trabajo se pretende seleccionar un modelo para la simular la

cuenca de la Quebrada San Luis siendo esto una herramienta importante para la

planificacin del recurso hdrico, permitiendo conocer el comportamiento del

cuerpo de agua frente a fenmenos climatolgicos y acciones de contaminacin

causados por el hombre o por la naturaleza, ofreciendo informacin que permita

evaluar y mejorar las actividades que se realizan en la cuenca para su

conservacin.

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OBJETIVO GENERAL

Simular la contaminacin de la cuenca de la Quebrada San Lus.

OBJETIVOS ESPECFICOS Identificar el rea aferente de la cuenca de la Quebrada San Lus. Seleccionar un modelo que permitan observar el comportamiento de la

Quebrada durante eventos climticos.

Escoger los parmetros a simular para la validacin del modelo.

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1 CUENCA DE LA QUEBRADA SAN LUIS 4

La Quebrada San Lus vierte sus aguas sobre la vertiente norte del Ro Chinchin, ste cauce es de carcter permanente y a su comportamiento natural como sistema de drenaje de aguas lluvias se suma la recoleccin de flujos superficiales y subterrneos generados por actividades urbanas. Pero la interferencia de ste cauce por fines urbansticos, la desproteccin de cobertura vegetal, cortes, llenos y la impermeabilizacin de reas, han causado grandes alteraciones en sus condiciones ambientales. Se constituye sta cuenca en una de las ms importantes de la ciudad debido a que su rea de influencia abarca una gran zona residencial y doce instituciones educativas. Cuenta con un rea impermeable (edificaciones, vas, parqueaderos) cercana al 70% de la cuenca, y un rea permeable del 30%, la cual esta conformada por bosques naturales secundarios con especies como yarumos, guamo, guaduales, acacias, cerezos, urapanes, guayacanes, pinos, eucaliptos, carboneros, pastos y vegetacin natural arbustiva; se destaca la existencia del jardn Botnico de la Universidad de Caldas.

1.1 1.1 LOCALIZACIN

El rea de estudio se encuentra localizada sobre el flanco occidental de la Cordillera Central, al sur del Departamento de Caldas en la ciudad de Manizales, geogrficamente se encuentra Limitada al Norte por la Avenida Santander, al Este por los barrios la Estrella y Palogrande, Al Oeste por la calle 54 y la Urbanizacin San Luis, y al Sur por los barrios Betania, Po XII y Camilo Torres. Tabla 1: Caractersticas Generales de la cuenca Urbana de la Quebrada San

Luis4

rea Aproximada (plano de 1996)

0.9705 Km

2

Elevacin media 2095 m.s.n.m.

Temperatura media anual

18C

Temperatura mnima media anual 11C

Temperatura mxima media anual 21C

Pluviosidad media anual 2100 mm/ao

Periodos Lluviosos Abril Mayo Octubre-Noviembre

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Figura 1: Limites de la cuenca

1.2 1.2 REA URBANA Dentro del rea, que corresponde a la cuenca, se encuentran barrios de diferentes estratos socioeconmicos, lo que hace que sea una zona representativa de la ciudad. Los principales barrios son:

BELN (Estrato 5-6) Este barrio parte del cruce de la calle 54 con la Avenida Santander, continua por dicha avenida en sentido Este hasta la calle 58, prosiguiendo por la calle hacia el Sur, hasta la interseccin con la Avenida Paralela, por la cual se contina hacia el Oeste, hasta encontrar los linderos de las residencias Universitarias y el Colegio el Rosario. Desde este lindero y en sentido Sur, se sigue hasta encontrar la Quebrada San Luis, se sigue aguas abajo, de la misma, hasta el costado Este del Colegio San Luis, y desde este punto hacia el Norte se llega a la calle 54, se contina por la calle hasta encontrar el punto de partida.

LA ESTRELLA (Estrato 5-6) Esta zona comienza en la interseccin de la Avenida Paralela con calle 58, continua por esta calle en sentido Nor-este hasta la Avenida Santander, y sigue

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hacia el Sureste por sta hasta la calle 62, continuando por la calle, en sentido Suroeste, hasta la Avenida del Estadio (calles 62), por sta se llega a la Avenida Paralela y de aqu, con rumbo al Norte, hasta el punto de partida.

PALOGRANDE (Estrato 6) El barrio comprende la zona que parte de la interseccin de la Avenida Paralela con la calle 62 y en sentido sur, hasta la Glorieta de la Universidad que conecta con la Avenida Lindsay (calle 65), continuando por esta calle hacia el Este en toda su extensin hasta la Avenida Santander, siguiendo por dicha Avenida hasta la calle 62, de aqu, y en sentido Suroeste, se contina en toda su extensin hasta encontrar la carrera 24, contina por la calle en sentido este (Avenida del Estadio), por sta se llega a la Avenida Paralela, punto de partida.

UNIVERSIDAD (Estrato 6) Comienza en la calle 58 con la carrera 25 (Avenida Paralela), continuando hacia el Sureste, hasta la Glorieta de la Universidad y la calle 65. Desde all se extiende en sentido Este, pasando por la puerta sur de la Universidad de Caldas, hasta el costado Este del Liceo Comercial Santa Mara Micaela, y de aqu en sentido Noreste hasta la calle 56, siguiendo al Norte por los linderos de las residencias de la Universidad de Caldas y el Colegio de Rosario, hasta la carrera 25 o Avenida Paralela. Continuando por dicha avenida hacia el Este hasta el punto de partida. BETANIA (Estrato 3) El barrio Betania comienza por el lado Este del Liceo Comercial Mara Micaela, y continua en sentido Oeste hasta llegar a la Cancha de ftbol, y desde all parte, en lnea recta, en sentido Nor-oeste hasta la interseccin de la carrera con la Calle 61 , continuando por esta calle en sentido Sur-oeste prolongndose por esta va hasta encontrar la calle 62, luego en direccin Nor-este hasta encontrar la carrera 33, siguiendo en direccin Norte hasta el final de la va, desde este punto en direccin Oeste, se traza una lnea hasta el empalme de la carrera 39 (antigua Banca del Ferrocarril) con la Quebrada San Luis, continuando aguas arriba por la Quebrada, hasta la calle 56, de aqu en direccin Sur-oeste, contina por el costado Oeste de la Normal Superior y de aqu al punto de partida. SAN FERNANDO (Estrato 2) Este parte del cruce de la quebrada San Luis y la antigua Banca del Ferrocarril, de aqu en lnea recta, en direccin Este, hasta encontrar la carrera 33, contina por la carrera hacia el Sur-este, hasta el final de la va, desde este punto se contina hacia el Suroeste, hasta la calle 62, de aqu en direccin Sur-oeste, hasta

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encontrar la carrera 34D, y desde all en sentido Nor-oeste, siguiendo la curvas de nivel, hasta la interceptar la carrera 39 (antigua Banca del Ferrocarril), por donde se sigue hacia el Nor-este hasta el punto de partida. CAMILO TORRES (Estrato 3) Comienza en la interseccin de la Quebrada San Luis con la antigua Banca del Ferrocarril, se continua sobre la va, en sentido Sur-oeste hasta encontrar el punto de encuentro de la lnea divisoria de aguas de la cuenca, y desde all en sentido Nor-oeste, siguiendo la curvas de nivel, hasta la interseccin de la Quebrada San Luis con la Quebrada Versalles, a partir de este punto y en sentido Nor-este, siguiendo la curvas de nivel, hasta encontrar la antigua Banca del Ferrocarril o carrera 39 (punto de partida).

1.3 1.3 USOS DEL SUELO URBANO

Tabla 2: Clasificacin de Usos del Suelo Urbano del Municipio de Manizales1

USOS

GRUPOS

VIVIENDA

Unifamiliar Aislada: Conformada por una vivienda por

predio, diseada y construida con caractersticas propias. Vivienda Bifamiliar: Dos unidades de vivienda en una

misma edificacin, con caractersticas arquitectnicas similares. Vivienda Multifamiliar: Conformada por tres o ms

unidades de vivienda, en una misma edificacin con caractersticas arquitectnicas similares. Agrupaciones o Conjuntos: Varias edificaciones

(unifamiliares, bifamiliares y/o multifamiliares) en un mismo predio, con caractersticas arquitectnicas similares, con espacios exteriores o interiores conjuntos.

COMERCIAL Y DE SERVICIOS

GRUPO 1: Establecimientos comerciales y/o de servicios de uso frecuente y peridico por la comunidad, de cubrimiento local y bajo impacto urbano, se permiten en cualquier zona de carcter residencial o zonas de uso mixto.

Comentario [al1]: Como esto es del POT, ouede ir en el anexo.

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GRUPO 2: Cobertura a nivel sector y comuna, producen

un mayor impacto por cuanto requieren reas mayores para su funcionamiento, trfico vehicular y mayores exigencias de parqueo. Pueden generar flujos peatonales concentrados y requerir reas de cargue y descargue.

GRUPO 3: Establecimientos de comercio y de servicios de

alto cubrimiento a nivel ciudad, el cual produce un impacto urbano y ambiental por cuanto pueden ocupar grandes reas, generar trfico pesado, generar usos anexos de impacto social negativo y efectos ambientales negativos.

GRUPO 4: Requieren de una ubicacin especial dentro de

la ciudad por sus impactos ambientales, sociales, fsicos y urbansticos negativos: amoblados, casas de lenocinio, talleres de metalmecnica, mecnica automotriz y pintura, diagnosticentros, servtecas; estaciones de llenado, salas de velacin, cementerios y jardines cementerios; hornos crematorios.

INDUSTRIAL

GRUPO 1: Industria domstica artesanal. GRUPO 2: Industria Liviana: De bajo impacto urbanstico y

no ocasiona impacto ambiental a sus vecinos. GRUPO 3: De bajo impacto ambiental, pero con

restricciones de localizacin por su magnitud e impacto urbanstico.

GRUPO 4: Industria Pesada: Pueden generar

contaminacin ambiental como ruidos, olores, vibraciones, etc; y entorpecer el trfico vehicular, por lo tanto tienen restriccin de localizacin y deben situarse en zonas de uso industrial.

GRUPO 5: Sus procesos de elaboracin pueden generar

efectos nocivos sobre el medio ambiente, ocasionando peligros e inconvenientes para la seguridad colectiva.

INSTITUCIONAL

GRUPO 1: Son los equipamientos urbanos requeridos por

la comunidad a nivel de uno o ms barrios. GRUPO 2: Equipamientos urbanos requeridos por la

comunidad a nivel de comuna, los cuales pueden generar impacto urbano por su cubrimiento. GRUPO 3: Producen un impacto sobre el espacio pblico

urbano, debido a su cubrimiento.

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AREAS DE ACTIVIDAD4,7

Las reas de Actividad son las divisiones de las reas urbanas de la ciudad, en sectores que se han conformado de acuerdo con la combinacin e intensidad de los usos del suelo, a su especialidad o cubrimiento a nivel ciudad. Las reas de Actividad generalmente se definen y delimitan a partir del trazado de la red vial bsica y sus extremos limtrofes comprenden los predios de frente en ambos costados. stas se dividen a su vez en: reas de Actividad Mltiple: Muestran tendencia a la mezcla de usos urbanos y a la intensificacin de algunos de ellos, especialmente los comerciales. Constituyen sectores de atraccin de la actividad citadina reas de Actividad Residencial: Son aquellas que estn previstas para uso dominante de vivienda y que se conforman alrededor de las reas y ejes de actividad mltiples. reas de Actividad Especializada: Corresponden a usos de gran importancia dentro de la ciudad que requieren de una ubicacin especial y de la separacin o restriccin con respecto a otros usos. Est conformada por las zonas industrial y los servicios especiales a nivel ciudad. reas de Actividad Institucional: Son las reas destinadas a la prestacin de los equipamientos colectivos a nivel ciudad, o de comuna y que por su conformacin e integracin fsica y urbana dentro del sector, requiere de una reglamentacin y delimitacin especial. Se encuentran diferenciadas de acuerdo a sus usos y combinaciones en la ciudad as: Educativa, Administrativa, Asistencial, Cultural-Recreativa y Seguridad.(Artculo 89 Plan de Desarrollo Manizales Calidad Siglo XXI). Los usos del suelo en la Cuenca de la Quebrada San Luis teniendo en cuenta los barrios que la conforman, de acuerdo con la Tabla # 2 y las reas de actividad son: BELN Este barrio ha tenido un destino de vivienda, pero el desarrollo urbano ha llevado a la construccin de algunos edificios y a cambios en la destinacin inicial, sobre todo en la Avenida Santander, donde la aparicin de almacenes, restaurantes, centros mdicos, entre otros, sin un control adecuado para absorber los nuevos usos, la ubica en un rea de Actividad Mltiple.

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LA ESTRELLA El destino de vivienda se conserva en un alto porcentaje, pero la presencia de estudiantes de las Universidades aledaas, y la aparicin de entidades financieras, ha generado un nuevo ritmo de uso, transformando las casas aisladas en multifamiliares y construyendo nuevos edificios; lo anterior hace que se aumenten la densidad urbana y que los flujos sean mayores. PALOGRANDE Es un ncleo institucional recreativo, ya que all encontramos la Unidad Deportiva Palogrande. Se nota un cambio sustancial de uso residencial por el de servicios universitarios y comerciales, al igual que en los barrios Beln y la Estrella. El corredor de la Avenida Santander, comprendido entre la Calle 54 a la calle 65 se puede catalogar como un rea de Actividad Mltiple, ya que es un sitio donde se desarrollan una gran cantidad de actividades cotidianas, porque all se encontraron entidades financieras, centros mdicos, entidades prestadoras de servicios y una gran proliferacin comercial. UNIVERSIDAD Es un ncleo institucional Educativo, all se encuentran la Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales y la Universidad de Caldas, adems de algunos centros educativos al nivel de secundaria, primaria y preescolar, convirtindola en un centro importante a nivel municipal y regional. BETANIA Y SAN FERNANDO Hay una consolidacin de uso residencial, pero la formacin espontnea de viviendas ha generado un desorden en la configuracin urbana. Los asentamientos de Betania y San Fernando presentan una homogeneidad en su uso, densidades, altura y estado de las construcciones. Se encuentran muy espordicamente algunos cambios de uso como es la adecuacin de las viviendas a talleres familiares o tiendas de barrio. CAMILO TORRES El tramo del barrio que se encuentra en la cuenca se caracteriza por ser una zona de bosque y donde se encuentran algunas viviendas aisladas.

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1.4 1.4 ESTUDIOS RELACIONADOS CON LA CUENCA4

La cuenca de la Quebrada San Luis ha sido objeto de investigaciones enmarcadas dentro de los aspectos que conforman el perfil ambiental de Manizales y que sirvieron de base para la integracin de propuestas al plan de desarrollo de la ciudad como el BIO MANIZALES. Algunas de las principales investigaciones realizadas son: Manizales: La Dimensin Ambiental de su Regin. En la cual se analizan todos los aspectos de la Formacin y Consolidacin de la Regin, es decir, se estudian los elementos que conforman el desarrollo de la ciudad de Manizales, el proceso de los asentamientos humanos y la manera como se consolidan en la regin, adems de realizar un estudio sobre sus reas de influencia y de intermediacin. Manizales: El Medio Ecosistmico El cual consigna los datos sobre el municipio, con relacin a la diversidad que se presenta en sus zonas de vida; igualmente se evala la oferta natural y los recursos con que cuenta la regin para el desarrollo urbano sostenible. Cobran especial inters, la singularidad y la diversidad de los geosistemas y la variedad que presenta las unidades ecogeogrficas de la cuenca hidrogrfica del Ro Chinchin. Manizales: Bio Dinmica Urbana En donde se estudian los aspectos relacionados con la evolucin del hbitat urbano y su relacin con la oferta natural del municipio; en torno a dicha problemtica se sealan, a manera de grandes numerales, aspectos relacionados con la marginalidad y la calidad ambiental, el inters ambiental del patrimonio arquitectnico urbano, el sistema vial y de transporte, la demografa y el sistema de servicios pblicos, por considerarlos determinantes en el proceso de desarrollo urbano.

Manizales Ambiental: Problemas y Potencialidades En cuyo aparte se presenta un anlisis de los impactos en los procesos de Transformacin del Suelo, en lo que respecta a la erosin; los Procesos de Contaminacin, a nivel atmosfrico, hdrico y edfico; tambin se incluye un anlisis sobre la contaminacin de alimentos con relacin a las consecuencias que tienen sobre la salud de la poblacin. En este captulo slo se analizan los aspectos que son considerados determinantes para el anlisis ambiental urbano de Manizales por ser singularidades en su problemtica.

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Cuencas Experimentales Urbanas en Colombia. Caso Manizales fase 1. Caracterizacin e Instrumentacin4

De todas las investigaciones realizadas sobre la cuenca, esta ha sido la ms completa ya que se tuvieron en cuenta factores sociales y ambientales, adoptando la cuenca como una CUENCA EXPERIMENTAL URBANA de Manizales, con fines investigativos y desarrollar en ella, en una primera fase, actividades de caracterizacin e instrumentacin de la misma, y en siguientes fases aplicaciones de modelos de diseo, simulacin, etc. En este estudio se realizo una caracterizacin fisiogrfica, geolgica, geotcnica, fsico- qumica y morfomtrica y segn el uso del suelo de la cuenca. Se recopilo la informacin existente sobre la cuenca en su dinmica urbana, infraestructura existente en ella y proyectos de desarrollo con nfasis en el sistema de drenaje (alcantarillados, escorrenta). Adems se proceso la informacin meteorolgica e hidromtrica existentes sobre la cuenca, la informacin sobre caractersticas fsico qumicas de las aguas de la quebrada. Con lo cual se doto la cuenca con cuatro estaciones pluviomtricas (ubicadas en Postgrados, Arquitectura, Colegio San Luis, Colegio Concentracin Bolivariana) y una hidromtrica (ubicada en ruta 30), que fueron adecuadas para el monitoreo del proceso carga descarga (hdrica) de la cuenca.

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2 SIMULADORES DE CORRIENTES DE AGUA6

El plan de gestin ambiental de muchas entidades encargadas del manejo y control de los recursos naturales y en particular del recurso hdrico incluye generalmente la planificacin de este recurso con miras a su conservacin y aprovechamiento sostenible dentro del marco de las polticas mundiales actuales del Manejo Integrado del Recurso Hdrico. En el proceso de planificacin del recurso hdrico, se hace indispensable conocer como un cuerpo de agua, en este caso una corriente hdrica superficial, se comporta ante varias situaciones como por ejemplo: la descarga de contaminantes en su cauce o la propia capacidad de recuperacin del cuerpo de agua. La importancia de conocer y evaluar estos factores, reside en que al hacerlo pueden formularse planes de manejo ms adecuados o tener herramientas tcnicas de juicio para expedir normativas ms restrictivas frente al uso indiscriminado del recurso. Los modelos de simulacin de calidad de agua, son herramientas de planificacin del recurso hdrico, pues son estos los que ilustran el comportamiento, real o hipottico, de un cuerpo de agua frente a acciones de contaminacin o descontaminacin de origen humano o natural. Las principales instituciones que desarrollan modelos de simulacin de calidad de agua, en el mundo, son la Agencia de Proteccin Ambiental (Enviromental Protection Agency -EPA), el Departamento de Agricultura (U.S Department of Agriculture -USDA), y el Servicio Geolgico (U.S Geologycal Survey-USGS)en los Estados Unidos, los cuales son generalmente gratuitos.

A continuacin se presentan algunas caractersticas de los simuladores ms importantes:

2.1 2.1 MODELOS URBANOS10

2.1.1 DR3MQUAL (Distributed Routing Rainfall-Runoff model)

Es de acceso publico

Se usa para flujo en tuberas, en canales abiertos, corrientes naturales, en fenmenos lluvia-escorrenta.

Modela: slidos suspendidos, y contaminantes arbitrarios

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El exceso de precipitacin es calculado usando evaporacin en rea cercanas y alejadas, la longitud y pendiente de la captacin

La calidad es simulada usando funciones exponenciales de acumulacin y de lavado.

La erosin es simulada usando ecuaciones empricas que relacionan los sedimentos producidos en un pico de escorrenta y el volumen de esta.

El modelo puede usarse para cualquier intervalo de tiempo

Desventajas

El efluente y el caudal base o mnimo no son modelados

Las interacciones entre los contaminantes no pueden ser simuladas

Las concentraciones de otros contaminantes son asumidas como proporcionales a la concentracin de sedimentos.

2.1.2 HSPF (Hydrological Simulation Program Fortran)

Es de acceso publico

Se usa para flujo en tuberas, en canales abiertos, corrientes naturales, en fenmenos lluvia-escorrenta.

Modela: temperatura, slidos orgnicos suspendidos, sedimentos orgnicos, DBO, coliformes totales, carbn inorgnico total, amonio, nitrgeno total, fsforo total, OD, alcalinidad, slidos suspendidos, slidos disueltos totales, slidos sedimentables y contaminantes arbitrarios, organismos acuticos, nitratos, nitritos, fsforo, fitoplancton, zooplancton.

Se aplica en un amplio rango de procesos hidrolgicos y calidad del agua, en lnea divisoria de aguas, en agricultura y zonas rurales.

Intervalo de tiempo en hora

Simula interacciones entre los contaminantes.

La intercepcin, la evaporacin y la evotranspiracin son incluidos en el balance del agua.

La adveccin de los contaminantes son estimadas usando flujo tampn y almacenamiento mezclado.

Se usan para sistemas de alcantarillado y reservorios

2.1.3 MIKE-SWMM

Es comercial

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Se usa para flujo en tuberas, en canales abiertos, corrientes naturales, en fenmenos lluvia-escorrenta, en vertederos y para flujo de agua superficial

Modela: temperatura, slidos orgnicos suspendidos, sedimentos orgnicos, DBO, coliformes totales, amonio, nitrgeno total, fsforo total, OD, slidos suspendidos, organismos acuticos.

Modela flujos en una dimensin en estado inestable.

Se pueden realizar anlisis hidrolgicos, hidrulicos, de calidad del agua.

Puede simular la inundacin.

La ecuacin de adveccin difusin es usada para simular el transporte de contaminantes.

2.1.4 QQS(the Quality Quantity Simulator)

Es de acceso publico

Sirve para flujo por tuberas presurizadas, en fenmenos lluvia-escorrentia, en vertederos.

Modela : DBO, coliformes totales, nitrgeno total, fsforo total, contaminantes arbitrarios.

Puede simular eventos simples o continuos usando cinco minutos como intervalo de tiempo.

2.1.5 STORM (Storage, Treatment, Overflow, Runoff Model)

Es capaz de simular la escorrenta y las cargas de contaminantes de la lnea divisoria de aguas urbanas y rurales, en repuesta a una precipitacin.

Modela: DBO, coliformes totales, nitrgeno total, fsforo total.

Es un modelo continuo usando intervalos de tiempo de horas, tambin pude ser usado para eventos simples.

Desventaja:

Solo modela contaminantes conservativos (DBO, nitrgeno total, ortofosfatos)

2.1.6 SWMM

Es de acceso publico

Simula tanto la calidad como la cantidad de agua pluvial, como flujo combinado (agua lluvia y de alcantarillado).

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Para simular el efecto lluvia-escorrenta se incluye infiltracin, evaporacin y superficie de escorrenta.

Sirve para flujo por tuberas, en canales abiertos, en fenmenos lluvia-escorrenta, en bombas y canales.

Modela: DBO, coliformes totales, nitrgeno total, fsforo total, slidos suspendidos, slidos sedimentables, aceites/grasas.

Desventaja

La infiltracin del agua de alcantarillado y el flujo en poca de sequa no son correctamente modelados.

2.1.7 SWMM Level 1

Es de acceso pblico.

Se usa para flujo en fenmenos lluvia-escorrenta.

Estima el promedio anual de escorrenta de un Lnea divisoria de aguas con un mnimo de datos de entrada.

Aplica nomogramas y tablas modela : DBO, nitrgeno total, fsforo total)

2.1.8 Wallingford Model

Es comercial.

Se usa en flujo en canales y bombas, en canales abiertos, en fenmenos lluvia-escorrenta, en vertederos.

Modela: DBO, amoniaco, nitrgeno total, fsforo total, contaminantes arbitrarios.

Se puede aplicar a sistemas pluviales, de alcantarillado o combinados usando escalones de tiempo de 15 minutos.

Puede ser usado en tiempo real La cantidad de escorrenta se puede calcular con base en tipo de reas, la pendiente de la captacin, la perdida continua por infiltracin.

La ecuacin de adveccin es usada en el proceso de transporte de los contaminantes.

La erosin y el proceso de acumulacin son modelados. Incluye anlisis de costos.

2.2 MODELOS NO URBANOS10

2.2.1 BRASS (Basin Runoff and Streamflow simulation)

Es de acceso pblico.

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Se usan para flujo en canales abiertos, corrientes, en fenmenos lluvia- escorrenta naturales, en flujo de agua superficial vertederos.

Es usado para eventos continuos para diseo y simulaciones en tiempo real.

El modelo lluvia-escorrenta, incorpora: evaporacin, infiltracin, flujo basal, distribucin de la lluvia espacial y temporal.

No sirve para evaluar la calidad del agua.

2.2.2 HEC-5Q

Es de acceso pblico.

Ayuda a conocer como regular una red compleja de reservorios.

Se usan para flujo en corrientes naturales.

Modela: temperatura, amoniaco y OD, contaminantes arbitrarios, organismos acuticos.

2.2.3 QUAL2E-UNCAS

Es de acceso pblico.

Se usan para flujo en corrientes naturales puede simular el transporte de contaminantes en estado estable e inestable, adems las variaciones en los datos meteorolgicos pueden ser estudiados.

Modela: DBO, temperatura, coliformes totales, OD, contaminantes arbitrarios, organismos acuticos.

Las variaciones en el flujo no pueden ser modeladas.

2.2.4 WQRRS(Water Quality for River Reservoir System)

Es de acceso pblico.

Se usan para flujo en canales abiertos, corrientes naturales, en fenmenos lluvia-escorrenta.

Modela : temperatura, slidos orgnicos suspendidos, sedimentos orgnicos, DBO, coliformes totales, carbn inorgnico total, amonio, pH, OD, alcalinidad, slidos suspendidos, contaminantes arbitrarios, organismos acuticos.

Modela parmetros conservativos de calidad del agua con la ecuacin de adveccin-difusin.

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3 SELECCIN DEL SIMULADOR La seleccin de un modelo de calidad de agua implica observar las caractersticas de la corriente hdrica a estudiar, las capacidades de la entidad interesada en implementar el modelo y las propiedades del programa (accesibilidad, parmetros simulados); entonces, el modelo seleccionado ser aquel cuyas propiedades se adapten mejor a las caractersticas de la corriente y a las capacidades de la entidad interesada. 5

Para la simulacin de la contaminacin de la Cuenca de la Quebrada San Luis, se seleccin un modelo de tipo urbano, Storm Water Management Model (SWMM) realizado por la EPA. Este modelo permite la simulacin de un alcantarillado de tipo combinado, el cual esta presente en el rea de estudio, as como la simulacin de eventos de lluvia, infiltracin y escorrenta, adems de una gran cantidad de indicadores de la calidad del agua. Otro aspecto determinante en la seleccin de este simulador fue su fcil accesibilidad, ya que muchos de los simuladores que se encuentran disponibles no son de carcter gratuito.

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4 SIMULADOR STORM WATER MANAGEMENT MODEL (SWMM) VERSION 5 2,9

El Storm Water Management Model (modelo de gestin de aguas pluviales) de la EPA (SWMM) es un modelo dinmico de simulacin de precipitaciones, que se puede utilizar para un nico acontecimiento o para realizar una simulacin continua en periodo extendido. El programa permite simular tanto la cantidad como la calidad del agua evacuada, especialmente en alcantarillados urbanos. El mdulo de escorrenta o hidrolgico de SWMM funciona con una serie de cuencas en las cuales cae el agua de lluvia y se genera la escorrenta. El mdulo de transporte o hidrulico de SWMM analiza el recorrido de estas aguas a travs de un sistema compuesto por tuberas, canales, dispositivos de almacenamiento y tratamiento, bombas y elementos reguladores. Asimismo, SWMM es capaz de seguir la evolucin de la cantidad y la calidad del agua de escorrenta de cada cuenca, as como el caudal, el nivel de agua en los pozos o la calidad del agua en cada tubera y canal durante una simulacin compuesta por mltiples intervalos de tiempo. SWMM se desarroll por primera vez en 1971, habiendo experimentando desde entonces diversas mejoras. La edicin actual, que corresponde a la 5 versin del programa, es un cdigo reescrito completamente a partir de ediciones anteriores. Funcionando bajo Windows, EPA SWMM 5 proporciona un entorno integrado que permite introducir datos de entrada para el rea de drenaje, simular el comportamiento hidrulico, estimar la calidad del agua y ver todos estos resultados en una gran variedad de formatos. Entre estos, se pueden incluir mapas de contorno o isolneas para el rea de drenaje, grficos y tablas de evolucin a lo largo del tiempo, diagramas de perfil y anlisis estadsticos de frecuencia.

4.1 Capacidades del modelo

El simulador cuenta con un gran nmero de procesos hidrolgicos que se producen en la salida de aguas urbanas, entre las cuales estn:

Precipitaciones variables en el tiempo.

Evaporacin de las aguas superficiales estancadas.

Acumulacin y deshielo de nieve.

Intercepcin de precipitaciones por almacenamiento en depresiones.

Infiltracin de la lluvia dentro de capas de suelo insaturadas

Entrada del agua de la infiltracin en acuferos.

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Intercambio de flujos entre los acuferos y los sistemas de drenaje

Modelo de depsitos no lineales para el flujo superficial

La variabilidad espacial de todos estos procesos es logrado dividiendo el rea de estudio dentro de una coleccin de pequeas y homogneas reas de subcaptacin (reas de tierra que contienen una mezcla de superficies permeable e impermeables en las cuales la escorrenta desagua como un punto comn de salida, el cual puede ser un nodo de la red de drenaje o otra subcaptacin). El SWMM puede estimar la produccin y evolucin de cargas contaminantes asociadas con la escorrenta. Los siguientes procesos pueden ser simulados:

En tiempo de sequa la acumulacin del contaminante para diferentes usos del suelo.

El arrastre de contaminantes durante eventos de lluvia.

Contribucin directa de la propia lluvia.

Reduccin de la acumulacin por limpieza de las calles en poca de sequa.

Reduccin en cargas contaminantes debido al BMPs (buenas practicas de manejo)

Entrada de flujos sanitarios en poca de sequa y usos externos especficos de salida en algn punto en el sistema de drenaje.

Seguimiento de los parmetros asociados a la calidad del agua a travs del sistema de drenaje.

Reduccin en la concentracin del contaminante por medio de tratamientos en las unidades de almacenamiento o por procesos naturales en tuberas y canales.

4.2 Aplicaciones del SWMM

Diseo y dimensionamiento de componentes del sistemas de drenaje para prevenir la inundacin.

Dimensionamiento de estructuras de estructuras de retencin y accesorios correspondientes para el control de inundaciones y proteccin de la calidad de las aguas.

Delimitacin de zonas de inundacin en barrancos y cauces naturales.

Diseo de estrategias de control para minimizar la inundacin en alcantarillados combinados.

Evaluacin del impacto de aportes e infiltracin en las descargas de sistemas de alcantarillados sanitarios.

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Generacin de fuentes no puntuales de carga contaminante para estudios de acumulacin de residuos.

Evaluacin de la efectividad de las buenas practicas de manejo (BMP), para reducir las cargas de contaminantes en poca de lluvias.

4.3 Simulacin de la calidad del agua

El SWMM tiene la habilidad de analizar la acumulacin, arrastre, transporte y tratamiento de cualquier nmero de constituyentes que son usados para evaluar la calidad del agua. Los pasos necesarios para conseguirlos son:

1. Identificar los contaminantes a analizar. 2. Definir los usos del suelo que generan estos contaminantes. 3. Seleccin de parmetros de acumulacin y de funciones de arrastre que

determinan la calidad de escorrenta para cada uso del suelo. 4. Asignar una mezcla de usos del suelo para cada rea de subcaptacin. 5. Definir las funciones de remocin del contaminante de los nodos dentro

del sistema de drenaje que tienen facilidades de tratamiento.

Los contaminantes se pueden definir de acuerdo al uso que tiene el suelo en las subreas, dependiendo de esto se pueden clasificar como residencial, agrcola o en desarrollo.

4.4 Modelo conceptual del SWMM

SWMM representa el comportamiento de un sistema de drenaje mediante una serie de flujos de agua y materia entre los principales mdulos que componen un anlisis medioambiental, estos mdulos deben incluir:

Mdulo atmosfrico, desde el cual se analiza la precipitacin de lluvia y los contaminantes depositados sobre la superficie del suelo, que se analiza en el mdulo de superficie del suelo. El SWMM usa el objeto pluvimetro (Rain Gage) para representar la precipitacin como una entrada al sistema.

Mdulo de superficie del suelo, es representado por uno o ms objetos de subcaptacin (Subcatchment). Estos reciben la precipitacin del modulo atmosfrico en forma de lluvia o nieve; y genera flujos de salida en forma de infiltracin para el mdulo de agua subterrnea y tambin como escorrenta superficial y cargas de contaminantes para el mdulo de transporte.

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El mdulo de aguas subterrneas, recibe la infiltracin del mdulo de superficie del suelo y transfiere una parte de la misma como un flujo de entrada para el mdulo de transporte. Este es modelado usando el objeto acufero (Aquifer)

El mdulo de transporte contiene una red con elementos de transporte (canales. Tuberas, bombas y elementos de regulacin) y unidades de almacenamiento y tratamiento que transportan el agua hacia los descoles (Outfalls) o las estaciones de tratamiento. Los flujos de entrada de este mdulo pueden provenir de la escorrenta superficial, de la interaccin con el flujo de agua subterrnea, de los caudales sanitarios correspondientes a periodos sin lluvia o de hidrogramas de entradas definidos por el usuario. Los componentes del mdulo de transporte son modelado con los objetos nodos (node) y lneas (link).

En un determinado modelo de SWMM no es necesario que aparezcan todos los Mdulos descritos.

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4.5 Objetos visuales

Figura 2: Objetos visuales usados para la representacin de un

sistema de drenaje en el SWMM

4.5.1 Pluvimetros (Rain gage)

Suministra datos de entrada de precipitacin en una o ms reas de subcaptacin en la regin de estudio. Los datos de precipitacin pueden ser definidos por series de tiempo o por un archivo externo.

Los principales parmetros de entrada para los pluvimetros incluyen:

Tipo de datos de precipitacin (intensidad, volumen o volumen acumulado).

Intervalo de tiempo de los datos (hora, 15 minutos etc.).

Fuente de los datos de precipitacin (especificando entrada por serie de tiempo o archivo externo).

Nombre de la fuente de los datos de precipitacin.

4.5.2 Subcaptacin (Subcatchment)

Son unidades hidrolgicas de terreno cuya topografa y elementos del sistema de drenaje conducen la escorrenta directamente hacia un punto de descarga. El usuario puede dividir el rea de estudio en el nmero adecuado de subcaptaciones e identificar el punto de salida (outlet) de cada

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una de ellas. Los puntos de salida de cada una de las subcaptaciones pueden ser nodos del sistema de drenaje u otras subcaptaciones. Las subcaptaciones pueden dividirse en subreas permeables y impermeables. La escorrenta superficial puede filtrarse a travs de una subrea permeable, pero no de una impermeable. Las reas impermeables son as mismas dividas en dos subreas, una que contiene un almacenamiento en depresin y otra que no la tiene. El flujo de escorrenta de una subrea en una subcaptacin puede ser conducida a otra subrea, o ambas subreas pueden drenar a la salida de la subcaptacin.

La infiltracin de la precipitacin de las reas permeables de una

subcaptacin dentro de una zona insaturada puede describirse usando tres diferentes modelos:

Modelo de infiltracin de Horton

Modelo de Infiltracin de Green-Ampt

Modelo de Infiltracin basado en el numero de curva del SCS Otros parmetros de entrada para las subcaptaciones son:

Asignacin de un pluvimetro.

Nodo o subcaptacin de salida.

Usos del suelo.

rea de la subcaptacin.

Pendiente de la subcaptacin.

Ancho caracterstico del flujo superficial.

Valor del coeficiente de Manning n para el flujo superficial tanto para reas permeables como para reas impermeables.

El almacenamiento en depresin en reas permeables y no permeables.

Porcentaje de rea impermeable sin almacenamiento en depresin.

4.5.3 Nodos de unin (Junction nodes)

Las uniones son sistemas de nodos de drenaje donde se conectan diferentes lneas entre si. Fsicamente estas pueden representar la confluencia de canales superficies naturales, de las cmaras en sistemas de alcantarillado o elementos de conexin en tuberas. Los aportes externos entran en el sistema a travs de las uniones. El exceso de agua en un nodo se traduce en un flujo parcialmente presurizado mientras las conducciones conectas se encuentren en carga. Este exceso de agua puede perderse completamente del sistema o por el contrario estancarse en la parte superior para posteriormente volver a entrar de nuevo en la unin.

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Los principales parmetros de entrada para la unin son:

Cota de fondo o fondo del pozo que puede encontrarse en la unin.

Profundidad del pozo.

rea superficial del rea estancada cuando hay inundacin (opcional).

Datos de aportes externos de caudal (opcional).

4.5.4 Descoles (Outfall nodes)

Los descoles son nodos terminales del sistema de drenaje utilizados para definir las condiciones de contorno finales aguas abajo del sistema en el caso de utilizar el modelo de flujo de la Onda Dinmica (Dynamic Wave). Para otros tipos de flujo, los descoles se comportan como conexiones. Una restriccin del modelo es que solo es posible conectar una lnea con un descole. Las condiciones de contorno en los descole pueden describirse mediante una de las siguientes relaciones:

El calado crtico o el calado uniforme en la conexin con el conducto.

Un nivel fijo de agua.

El nivel de mareas representado como los diferentes niveles de la misma a lo largo del da.

Una serie temporal que represente el nivel de agua en el punto de descarga a lo largo del tiempo.

Los principales parmetros de entrada para los descoles incluyen:

La cota del fondo

La descripcin del tipo y estado de la condicin de contorno.

La presencia de una vlvula de compuerta (flat valve) para prevenir el flujo inverso desde el descole.

4.5.5 Nodos divisores de flujo (Flow Divider Nodes)

Los divisores de flujos son nodos del sistema de drenaje utilizados para dividir el flujo en dos conductos de salida. Estos divisores de caudal tan solo pueden tener dos conductos en la descarga de los mismos. Se encuentran activos tan solo cuando se analiza el fenmeno mediante el modelo de la Onda Cinemtica (Kinematic Wave) y se tratan como simples nodos cuando se emplea el modelo de la Onda Dinmica (Dynamic Wave). Existen cuatro tipos de divisores, definido cada uno de ellos a partir del modo en que se reparten los caudales de entrada:

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Divisor de Corte (Cutoff Divider) Deriva todos los caudales de entrada por encima de un determinado valor de corte especificado.

Divisor de Exceso (Overflow Divider) Deriva todos los caudales de entrada por encima de la capacidad del caudal del conducto no derivado.

Divisor Tabular (Tabular Divider) Utiliza uma tabla definida por el usuario para expresar la relacin entre el caudal derivado en funcin del caudal total de entrada.

Aliviadero (Weir Divider) Utiliza la ecuacin caracterstica de un aliviadero para derivar el caudal de entrada. Los principales parmetros para los divisores de flujo son:

Los mismos datos necesarios para representar una unin, tal como se mostr anteriormente.

Nombre de la lnea que recibe la divisin del flujo.

Mtodo usado para el clculo de la cantidad de flujo dividido.

4.5.6 Unidades de almacenamiento (Storage units)

Las unidades de almacenamiento son nodos del sistema de drenaje con la capacidad para almacenar determinados volmenes de agua. Fsicamente ellas pueden representar sistemas de almacenamientos pequeos como cuencas o sistemas grandes como lagos. Las propiedades volumtricas de las unidades de almacenamiento son descritas por una funcin o una tabla que indica la superficie de almacenamiento en funcin de la altura del mismo. Los principales parmetro de entrada de las unidades de almacenamiento incluyen:

La cota de fondo.

La altura mxima del mismo.

Datos que relacionan la altura del sistema de almacenamiento con la superficie del mismo.

La proporcin de evaporacin que se produce en el sistema de almacenamiento.

Superficie de almacenamiento del agua estancada cuando se produce inundacin (opcional).

Datos de aportes externos de caudal (opcional).

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4.5.7 Conductos (Conduits)

Son tuberas o canales por los que se desplaza el agua desde un nodo a otro en el sistema de transporte. La seccional transversal puede ser seleccionada de una gran variedad de geometras abiertas y cerradas definidas por el programa que son enlistadas en la tabla 3. Asimismo el programa permite tambin definir reas de seccin transversal irregular permitiendo representar con ello cauces naturales.

El SWMM usa la ecuacin de Manning para expresar la relacin entre el caudal y el rea transversal, radio hidrulico, y la pendiente en canales abiertos y conductos cerrados parcialmente llenos.

Los principales parmetros para conductos son:

Designar los nodos de salida y de entrada.

Alturas del conducto respecto de la cota de fondo de los nodos inicial y final.

Longitud del conducto.

Coeficiente de Manning.

Geometra de la seccin transversal del conducto.

Coeficiente de prdidas tanto para la entrada como para la salida del conducto.

Presencia de una vlvula de compuerta para prevenir el flujo inverso.

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Tabla 3: Formas de los conductos

4.5.8 Reguladores de flujo (Flow regulators)

Los reguladores de flujo son estructuras o dispositivos usados para el control y la divisin de flujos dentro del sistema de transporte. Fsicamente se emplean para:

Control de las emisiones desde las unidades de almacenamiento.

Prevencin de fenmenos de entrada en carga inaceptables de conductos.

Derivacin de caudales para su tratamiento en los sistemas de intercepcin.

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El SWMM puede modelar los siguientes tipos de reguladores de flujo:

Orificios

Vertederos

Descargas

4.5.8.1 Orificios (orifice)

Son usados para modelar estructuras de descargas y de divisin en sistemas de drenaje. Estos elementos normalmente son apertura en las paredes de las cmaras de registro, sistemas de almacenamiento o compuertas de control facilitan el almacenamiento o la etapa de control. Se representan en el SWMM como una lnea entre dos nodos. Un orificio puede ser de forma circular o rectangular y estar localizado en la parte superior o en el nudo aguas arriba del conducto y eventual puede disponer de una vlvula de compuerta para prevenir el flujo inverso. Los principales parmetros de entrada para el orificio incluyen:

Designacin de los nodos de entrada y salida del orificio.

Configuracin, definiendo si el orifico se encuentra en la parte superior o en un lateral.

Forma del orificio (circular o rectangular).

Altura del orificio sobre la cota del fondo del nodo.

Coeficiente de descarga del orificio.

4.5.8.2 Vertederos (Weirs)

Los vertederos, al igual que los orificios son usados para modelar estructuras de descarga y de divisin en un sistema de drenaje. Los vertederos son tpicamente ubicados en las cmaras de registro, a lo largo de uno de los lados de uno de los conductos o canal, o en las unidades de almacenamiento. Estos se representan internamente en el SWMM con una lnea que une dos nodos donde el vertedero se ubica en el nodo aguas arriba. Estos elementos pueden incluir tambin una vlvula de compuerta para prevenir el flujo inverso. Existen cuatro tipos de vertederos, cada uno tiene una formula diferente para calcular el flujo a travs del vertedero (Tabla 4)

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Tipo de vertedero Forma de la seccin transversal

Expresin

Transversal (transverse)

Rectangular CwLh3/2

Descarga Lateral (Side flow)

Rectangular CwLh5/3

En V (V-notch) Triangular CwSh5/2

Trapezoidal (Trapezoidal)

Trapezoidal CwLh3/2+ CwsSh

5/2

CW = coeficiente de descarga del vertedero, L = longitud del vertedero, S = pendiente del lado del vertedero en V o del vertedero trapezoidal, h = diferencia de alturas en el vertedero, CWS = coeficiente de descarga a travs de los lados de un vertedero trapezoidal.

Tabla 4: Tipos de vertederos

Los parmetros principales para vertederos incluyen:

Designar un nodo de salida y uno de entrada para el vertedero.

Forma y geometra del vertedero.

Altura de la cresta del vertedero sobre la cota del fondo del nudo de entrada.

Coeficiente de descarga.

4.5.8.3 Salidas (Outlets)

Son dispositivos de control de flujo que son usados tpicamente para el control de flujos de salida de la unidad de almacenamientos. Estos son usados para modelar sistemas con relaciones especiales entre la altura y el caudal de descarga que no pueden ser caracterizadas mediante bombas, orificios y vertederos. Las salidas son internamente representados en el SWMM mediante una lnea que conecta dos nodos. Un nodo puede tener una vlvula de compuerta para restringir el flujo en una sola direccin. Los principales parmetros de entrada de las salidas incluyen:

Designar los nodos de entrada y de salida para la descarga.

Altura sobre la cota de fondo del nodo de entrada

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Funcin o tabla que contiene la relacin entre la altura y el caudal descargado por el vertedero.

4.5.9 Etiquetas del mapa (Map labels)

Las etiquetas del Mapa son textos de tipo opcional que pueden aadirse al Mapa de Trabajo de SWMM para poder identificar los objetos o regiones del mapa. Las etiquetas pueden dibujarse mediante cualquiera de las fuentes de Windows, editarlas libremente y arrastrarlas a cualquier posicin del mapa. El SWMM permite simular cuatro tipos de bombas (Pumps elemento visual), los cuales se encuentran descritas en el manual 2,8

4.6 Objetos no visuales

4.6.1 Contaminantes

El SWMM puede simular la generacin, entrada y transporte de un nmero de contaminantes definidos. La informacin para cada contaminante incluye:

Nombre del agente contaminante.

Unidades de concentracin (mg/L, g/L).

Concentracin del contaminante en las aguas proveniente de la lluvia.

Concentracin del contaminante en las aguas subterrneas.

Concentracin del contaminante en los procesos de entrada directa o de infiltracin.

Coeficiente de decaimiento para la reaccin de primer orden.

Tambin se pueden simular agentes contaminantes asociados (co-pollutants) que representan una fraccin de los contaminantes. La acumulacin y el arrastre de contaminantes desde las reas de subcaptacin estn determinados por los usos del suelo asignados a cada una de ellas. Es posible tambin introducir cargas de contaminante en el sistema de alcantarillado mediante series temporales de caudales de entrada, as como mediante los caudales de tiempo seco.

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4.6.2 Usos de la tierra

Las categoras de los usos de la tierra se derivan del desarrollo de actividades o de las caractersticas de la superficie de la tierra. Algunos ejemplos de los usos del suelo son actividades residenciales, comerciales, industriales y no urbanizado. Las caractersticas de la superficie de la tierra pueden incluir tejados, csped, carreteras pavimentadas, etc.

Los usos del suelo se utilizan nicamente para considerar los fenmenos de acumulacin y arrastre de contaminantes en las subcaptaciones

El SWMM utiliza muchas opciones para definir los usos del suelo asignado a una subcaptacin. Una aproximacin consiste en asignar una mezcla de usos del suelo para cada subcaptacin, lo que origina que todos los usos del suelo de la subcaptacin tengan las mismas caractersticas permeables e impermeables. Otra aproximacin consiste en crear subcaptaciones que tengan tan solo un nico uso del suelo, de forma que se pueden especificar caractersticas de las reas permeables e impermeables diferentes en cada subcaptacin y lgicamente en cada uso del suelo. Los siguientes procesos pueden ser definidos para cada categora de los usos del suelo:

4.6.2.1 Contaminante acumulado

:La acumulacin de contaminantes dentro de uno de los usos del suelo se describe como la masa por unidad de rea de las subcaptaciones. La masa se expresa en libras (pounds) en unidades US (americanas) y en kilogramos en unidades del sistema internacional. La cantidad de contaminante acumulado es una funcin del nmero de das secos precedentes al estudio, para esto se debe conocer la mxima acumulacin posible de contaminantes. Para el calculo de la acumulacin se utilizan las siguientes funciones:

4.6.2.1.1 Funcin Power (Funcin potencial)

La acumulacin de contaminante (B) es proporcional a al tiempo (t) elevado a una cierta potencia, hasta que se alcanza un determinado valor mximo

),( 321CtCCMinB

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Donde: C1: mxima acumulacin posible (masa por unidad de rea). C2: constante de crecimiento del contaminante acumulado. C3: exponente del tiempo

4.6.2.1.2 Funcin exponencial

La acumulacin sigue un crecimiento exponencial de crecimiento que acerca asintticamente a un valor mximo determinado,

)1( 21tC

eCB

Donde: C1: mxima acumulacin posible (masa por unidad de rea). C2: constante de crecimiento del contaminante acumulado (1/dia).

4.6.2.1.3 Funcin Saturacin:

La acumulacin comienza de forma lineal y progresivamente disminuye a lo largo del hasta que alcanza un determinado valor de saturacin.

tC

tCB

2

1

Donde: C1: mxima acumulacin posible (masa por unidad de rea). C2: constante de saturacin media (das para alcanzar la mitad de la mxima acumulacin posible).

4.6.2.2 Arrastre de agentes contaminantes: El arrastre de los contaminantes generados por los usos del suelo ocurre durante periodos lluviosos y pueden ser descritos por las siguientes ecuaciones.

4.6.2.2.1 Arrastre exponencial:

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La carga de arrastre (W) en unidades de masa por hora es proporcional al producto de la escorrenta elevado a un exponente y a la cantidad de contaminante acumulado.

BqCWC2

1 Donde: C1: coeficiente de arrastre C2: exponente de arrastre q: escorrenta por unidad de rea (in/h o mm/h) B: acumulacin msica del contaminante (lb o Kg) por unidad de rea

4.6.2.2.2 Curva de flujo de arrastre (Rating Curve Washoff):

El flujo de arrastre (W) en masa por segundo es proporcional al caudal de

escorrenta elevado a una cierta potencia.

2

1

CQCW

Donde: C1: coeficiente de arrastre C2: exponente de arrastre Q: escorrenta en unidades de flujo definidas por el usuario.

4.6.2.2.3 Concentracin media por evento:

ste es un caso especial del curva para determinar el flujo de arrastre donde el exponente es 1 y el coeficiente C1 representa la concentracin de contaminante arrastrado en unidades de masa por el litro. En cualquiera de los tres casos la acumulacin de contaminante disminuye conforme se procede el fenmeno de arrastre. De esta forma el fenmeno de arrastre finaliza cuando no existe ms contaminante acumulado. Las cargas de arrastre para un determinado contaminante y uso del suelo pueden reducirse en un porcentaje fijo solo especificando el Rendimiento de Eliminacin (Renoval Efficiency) BMP. Este valor refleja la efectividad de cualquiera de los controles BMP asociados con el uso del suelo.

4.6.2.3 La limpieza de las calles:

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El barrido de las calles puede ser usado sobre cada categora de uso del suelo para reducir peridicamente la acumulacin de contaminantes especficos. Los parmetros que describen el barrido de las calles incluyen:

Das entre dos limpiezas consecutivas.

Das desde la ltima limpieza y el principio de la simulacin.

La fraccin de los contaminantes acumulados que es posible eliminar mediante la limpieza de las calles.

La fraccin de los contaminantes acumulados que se elimina mediante la limpieza.

Limpieza de calles (Street Sweeping).

4.6.3 Tratamiento

La remocin de contaminantes de las corrientes de flujo que entran a algn nodo del sistema de drenaje es modelado por la asignacin de un conjunto de funciones de tratamiento para el nodo. Una funcin de tratamiento puede ser alguna expresin que involucre:

La concentracin del contaminante de la mezcla de todas las corrientes de flujo que entran al nodo (use el nombre del contaminante par representar la concentracin).

La remocin de otros contaminantes (use el prefijo R para el nombre de contaminante que representa la remocin )

Algunas de las siguientes variables de proceso: o FLOW: para el flujo de entrada al nodo. o DEPTH: profundidad del agua respecto a la cota de fondo del

nodo. (ft o m) o AREA: rea de superficie del nodo (ft2 o m2) o DT: incremento de tiempo del modulo hidrulico (routing time) (s) o HRT: tiempo de residencia hidrulico (horas)

4.6.4 Series de tiempo

Los objetos de series de tiempo son usados para describir determinadas propiedades de algunos objetos que varan con el tiempo. Las series de tiempo pueden ser usadas para introducir:

Datos de temperatura.

Datos de evaporacin.

Datos de precipitacin

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Variacin del agua en los descoles.

Hidrogramas externos de entrada de caudal al sistema de alcantarillado a travs de los nodos.

Poluto gramas externos de entrada al sistema de alcantarillado a travs de los nodos.

4.6.5 Patrones de tiempo

Permiten que el flujo externo en periodos de tiempo seco (DWF) vari de una forma peridica. Se trata de coeficientes multiplicadores de los valores de referencia introducidos como caudal de tiempo seco (DWF) o como concentracin de contaminantes. Los diferentes tipos de patrones de tiempo incluyen: meses, das, horas o semanas.

4.7 Mtodos de Clculo

El SWMM es un modelo de simulacin basado en fenmenos fsicos, que utiliza una solucin discreta en el tiempo del fenmeno. Este emplea principios de conservacin de masa, energa, y momento cuando son apropiados. Los modelos usados por el SWMM para simular las aguas pluviales, la cantidad y calidad de la escorrenta a travs de procesos fsicos:

Escorrenta superficial.

Infiltracin.

Aguas subterrneas.

Deshielo de nieve.

Comportamiento hidrulico del sistema.

Inundaciones en la superficie del terreno.

Comportamiento y evolucin de la calidad del agua.

4.7.1 Escorrenta superficial

Cada superficie de la subcaptacin es tratada como un depsito no lineal, los aportes de caudal provienen de los diferentes tipos de precipitacin (lluvia, nieve) y de cualquier otra cuenca situada aguas arriba. Existen diferentes caudales de salida que incluyen infiltracin, evaporacin y escorrenta superficial. La capacidad de este depsito es el valor mximo del parmetro denominado almacenamiento en depresin, que corresponde con el mximo almacenamiento en superficie debido a la inundacin del terreno, el mojado superficial de la superficie del suelo y los caudales interceptados en la escorrenta superficial por las irregularidades del terreno. La superficie de escorrenta por unidad de rea, Q, ocurre cuando la

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profundidad mxima en el depsito excede el valor del mximo almacenamiento en depresin, dp, en este caso el flujo de salida esta dado por la ecuacin de Manning. La profundidad del agua en la subcaptacin (d en pies) vara continuamente con el tiempo (t en segundo) por la solucin numrica del balance de agua sobre la subcaptacin.

Figura 3: Vista conceptual de la superficie de escorrenta

4.7.2 Infiltracin

La infiltracin es un proceso en el cual la lluvia penetra por la superficie de la tierra dentro de una zona insaturada y permeable del rea de la subcaptacin. El SWMM ofrece tres modelos para infiltracin:

Ecuacin Horton: este mtodo es basado en observaciones empricas que muestra que la infiltracin decrece exponencialmente desde un valor inicial mximo hasta un cierto valor mnimo a lo largo del evento de lluvia. Los parmetros de entrada para este mtodo incluyen valores mximos y mnimos de infiltracin, el coeficiente de decaimiento q que describe lo rpido que se produce la disminucin de la infiltracin a lo largo del tiempo, y el tiempo que toma en saturarse el suelo cuando esta completamente seco.

Mtodo Green-Ampt: este mtodo se usa para modelar l fenmeno de la infiltracin este mtodo asume la existencia de un frente hmedo brusco (sharp wetting front) en el suelo que separa el suelo con un determinado contenido inicial de humedad del suelo completamente saturado de la parte superior. Los parmetros necesarios son el valor del dficit inicial de humedad del suelo, la conductividad hidrulica del suelo y la altura de succin en el frente hmedo.

Mtodo del nmero de curva: este enfoque es adoptado desde el NRCS (SCS) para estimar la escorrenta. Asume que la capacidad total

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de infiltracin del suelo puede encontrarse en una tabla de Nmeros de Curva tabulados. Durante un evento de lluvia esta capacidad es una funcin de la precipitacin acumulada y de la capacidad de infiltracin restante. Los parmetros de entrada para este mtodo son el nmero de curva, la conductividad hidrulica del suelo (usada para estimar el tiempo mnimo de separacin de distintos eventos de lluvia) y el tiempo que toma en saturar completamente el suelo seco.

4.7.3 Modelo hidrulico de transporte

Usa las ecuaciones de conservacin de masa y de momento de, flujo transitorio (ecuacin para flujo de Saint Venant). El SWMM usa las siguientes ecuaciones:

Modelo de flujo uniforme: representa la forma ms simple de representar el comportamiento del agua en el interior de los conductos. Para ello se asume que en cada uno de los incrementos de tiempo de clculo considerados el flujo es uniforme. De esta forma el modelo simplemente traslada los hidrogramas de entrada en el nudo aguas arriba del conducto hacia el nudo final del mismo, con un cierto retardo y cambio en el aspecto del mismo, la ecuacin de Manning es usada para relacionar el caudal con el rea o profundidad en el conducto. Este tipo de modelo hidrulico no puede tener en cuenta el almacenamiento de agua que se produce en los conductos, los fenmenos de resalto hidrulico, las prdidas a la entrada y salida de los pozos de registro, el flujo inverso o los fenmenos de flujo presurizado. Solo puede utilizarse en sistemas ramificados, donde cada uno de los nudos tiene nicamente una nica lnea hacia la que vierte sus aguas (a menos que el nudo sea un divisor en cuyo caso requiere de dos tuberas de salida). Este modelo de anlisis es insensible al incremento de tiempo seleccionado y nicamente es apropiado para realizar anlisis preliminares utilizando simulaciones continuas de escalas de tiempo grandes.

Modelo de la onda cinemtica: este mtodo de ruta soluciona la ecuacin de continuidad con una forma simplificada de la ecuacin de momento en cada conducto. Se requiere que la pendiente de la superficie libre del agua sea igual a la pendiente de fondo del conducto. El mximo flujo que puede ser llevado a travs del conducto es calculado con la ecuacin de Manning (caudal a tubo lleno). Cualquier exceso de caudal sobre este valor en el nudo de entrada del conducto se pierde del sistema o bien puede permanecer estancado en la parte superior del nudo de entrada y entrar posteriormente en el sistema cuando la capacidad del conducto lo permita. El modelo de onda cinemtica permite que tanto el flujo como el rea varen tanto espacial como

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temporalmente dentro de un conducto. No obstante, este modelo de transporte no puede considerar efectos como el resalto hidrulico, las prdidas en las entradas o salidas de los pozos de registro, el flujo inverso o el flujo presurizado, as como su aplicacin est restringida nicamente a redes ramificadas. Como prctica general puede mantener una estabilidad numrica adecuada con incrementos de tiempo de clculo relativamente grandes, del orden de 5 a 15 minutos. Si algunos de los efectos especiales mencionados con anterioridad no se presentan en el sistema o no son significativamente importantes en el mismo el modelo de la onda cinemtica es una alternativa suficientemente precisa y eficiente para el modelo de transporte con tiempos de simulacin largos.

Modelo de la onda dinmica: soluciona las ecuaciones unidimensionales de flujo de Saint Venant y as produce resultados tericamente ms precisos. Estas ecuaciones constan de ecuaciones de continuidad y momento para conductos y la continuidad de los volmenes en los nodos. Con esta forma de ruta es posible representar el flujo presurizado cuando el conducto esta completamente lleno, de igual forma que los flujos pueden exceder el valor de flujo lleno calculado con la ecuacin de Manning. La inundacin ocurre cuando la profundidad del agua excede la profundidad mxima disponible en el nodo. Este exceso de caudal bien puede perderse o bien puede generar un estancamiento en la parte superior del nodo y volver a entrar al sistema de alcantarillado posteriormente. El modelo de transporte de la Onda Dinmica puede contemplar efectos como el almacenamiento en los conductos, los resaltos hidrulicos, las prdidas en las entradas y salidas de las cmaras de registro, el flujo inverso y el flujo presurizado. Dado que resuelve de forma simultnea los valores de los niveles de agua en los nodos y los caudales en las conducciones puede aplicarse para cualquier tipo de configuracin de red de alcantarillado, incluso en el caso de que contengan nodos con mltiples divisiones del flujo aguas abajo del mismo. Se trata del mtodo de resolucin adecuado para sistemas en los que los efectos de resalto hidrulico, originados por las restricciones del flujo aguas abajo y la presencia de elementos de regulacin tales como orificios y vertederos, sean importantes. El precio que generalmente es necesario pagar por el empleo de este mtodo es la necesidad de utilizar incrementos de tiempo de clculo mucho ms pequeos, del orden de 1 minuto o menos. Durante el clculo SWMM reducir automticamente el incremento de tiempo de clculo mximo definido por el usuario si es necesario para mantener la estabilidad numrica del anlisis.

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4.7.4 Superficie de inundacin

Normalmente, en los modelos de transporte, cuando el caudal en una de las cmaras de registro del sistema excede la capacidad mxima del sistema de transporte situado aguas abajo, se produce un exceso de caudal en el sistema que generalmente se pierde. Una opcin que presenta el programa consiste en almacenar este exceso de volumen en la parte superior del nodo, en forma de un almacenamiento o estancamiento del agua, de forma que entra de nuevo en el sistema de alcantarillado cuando la capacidad del sistema lo permite. En estado estable y ruta de flujo de onda cinemtica, la inundacin del agua es almacenada simplemente con un volumen en exceso. En los modelos de Flujo Uniforme y de la Onda Cinemtica, el agua estancada simplemente se almacena como un exceso de volumen. En el caso del modelo de la Onda Dinmica, que est condicionado por los niveles de agua en los nodos, este exceso de volumen se asume como una inundacin en la parte superior del nodo con un rea superficial constante. Esta rea superficial es un parmetro de entrada suministrado en el nodo. Alternativamente, el usuario puede desear representar la superficie del sistema de sobreflujo explcitamente. En el caso de canales abiertos esto puede suponer la inundacin de carreteras en tneles o cruces de alcantarillados, as como la aparicin de nuevas zonas de almacenamiento por inundacin. En sistemas de conductos cerrados, la superficie de inundacin puede ser transportada por calles, callejones o en otros flujos superficiales disponibles en las proximidades de los imbornales del sistema de alcantarillado. Las inundaciones superficiales tambin pueden fluir hacia depresiones de la superficie del terreno tales como parqueaderos, stanos, patios, y reas similares.

4.7.5 Modelo de la calidad del agua

La calidad del agua durante el recorrido por los conductos, puede ser comparada con un reactor de tanque agitado (CSTR). Aunque la consideracin de un reactor de flujo en pistn pueda parecer una suposicin ms realista, las diferencias entre ambos modelos pueden ser pequeas si el tiempo de recorrido a travs del conducto es del mismo orden que el del intervalo de tiempo del modelo hidrulico de transporte. La concentracin del un constituyente que sale del conducto al final del intervalo de tiempo es encontrada por la integracin de la ecuacin de conservacin de masa, usando un valor promedio de las cantidades que pueden cambiar sobre el intervalo de tiempo as como la velocidad de flujo y el volumen de agua en el conducto.

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La calidad del agua es modelada dentro de nodos de almacenamiento siguiendo la misma aproximacin usada para conductos. Para otros tipos de nodos que no tienen volumen, la calidad del agua a la salida del nodo es simplemente la mezcla de la concentracin de toda el agua que entra al nodo.

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5 SELECCIN DE LOS PARMETROS A SIMULAR

De acuerdo al CENSO de 2005, Manizales cuenta con una poblacin en su cabecera municipal de 342.620 habitantes, ubicndose en un nivel de complejidad Alto (>60000 habitantes) por lo tanto los parmetros mnimos requeridos para la caracterizacin de las aguas residuales son oxigeno disuelto, DBO5 soluble y total, slidos suspendidos totales (SST), slidos suspendidos voltiles (SSV), DQO soluble y total, Nitrgeno orgnico soluble y particulado, nitrgeno amoniacal soluble y Particulado, nitritos, nitratos, fsforo total soluble y particulado, cloruros, alcalinidad, aceites y grasas, coliformes fecales y totales, pH, acidez, detergentes, tambin es necesario medir el caudal y la temperatura (medidas en campo) para obtener una caracterizacin completa de las aguas segn el RAS 2000 8 (Ver Tabla 5).

Parmetro Bajo Medio Medio Alto

Alto

OXIGENO DISUELTO

X X X X

DBO5 Soluble Total

X X

X X

X X

X X

SS SST SSV

X X

X X

X X

X X

DQO Soluble Total

X X

X X

X X

X X

NITRGENO Total

Orgnico Soluble

Particulado Amoniacal

Soluble Particulado

Nitritos Nitratos

X

X

X X

X X X X

FOSFORO TOTAL Soluble

X X

X X

X X

X X

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Particulado

CLORUROS X X

ALCALINIDAD X

ACEITES Y GRASAS

X X

COLIFORMES Fecales Totales

X X

X X

PH X X X X

ACIDEZ X X X X

DETERGENTES

X X

Tabla 5: Parmetros mnimos que deben medirse para cada nivel de

complejidad en aguas residuales 7.

Para la seleccin de los parmetros a simular se tuvo en cuenta cuales de estos son ms relevantes para la seleccin del tipo de tratamiento que se desea realizar a las aguas residuales y que a su vez sean indicadores que permitan una evaluacin rpida del grado de contaminacin como lo son el Oxigeno Disuelto, la DBO, la DQO y la slidos en general. Por tanto para la simulacin de la contaminacin de la Quebrada San Luis se seleccionaran los parmetros anteriormente mencionados y el caudal, ya que este determina el tamao de la planta de tratamiento y el uso de unidades especiales como reguladores de caudal como consecuencia de la presencia de un alcantarillado combinado en la zona.

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6 SIMULACIN DE LA CUENCA DE LA QUEBRADA SAN LUIS.

Para realizar la simulacin de la cuenca, se dividi la zona en seis subcaptaciones teniendo en cuenta el sistema de alcantarillado y los descoles sobre la quebrada, se usaron seis uniones las cuales representan las cmaras en funcionamiento ms cercanas a cada descole, segn la informacin suministrada por Aguas de Manizales, se utilizo un descole que representa un punto en el cual la quebrada ha recibido los aportes de todos los descoles, seis tramos de conductos que representan la quebrada y un pluvimetro que representa el evento de lluvia para el cual se realizara la simulacin (ver figura 4). A continuacin se realizara una descripcin ms detallada de cada uno de los objetos usados en la simulacin.

Figura 4: Representacin de la cuenca en el SWMM

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6.1 Pluvimetro La informacin necesaria que debe ser ingresada al programa para el pluvimetro se encuentra descrita en el Apndice B.1 del Manual 2, 9: La simulacin se realiz con los datos de la estacin pluviomtrica de postgrados para el evento de lluvia registrado el 4 de mayo del 2007, los cuales fueron suministrados por el Instituto De Estudios Ambientales (IDEA) de la Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales. El formato de lluvia seleccionado fue la Intensidad (Intensity) con intervalos de tiempo de 10 minutos. Los datos del evento de lluvia se ingresaron como una serie temporal al simulador (Postgrados4/mayo/2007), estos fueron ajustados de tal manera que el intervalo de tiempo fuera constante (10 minutos) y adems fue necesario calcular la intensidad debido que la estacin suministra datos en un formato de volumen. A continuacin se muestra la informacin ingresada en la serie temporal postgrados4/mayo/2007.

Postgrados 4 /mayo /2007

Hora Hora:min

Valor mm/h

Hora Hora:min

Valor mm/h

02:30 0.1215 04:40 86.747

02:40 12.287 04:50 80.000

02:50 69.231 05:00 85.714

03:00 18.367 05:10 69.231

03:10 97.297 05:20 72.727

03:20 144.000 05:30 50.000

03:30 124.138 05:40 49.315

03:40 112.500 05:50 54.135

03:50 122.034 06:00 54.545

04:00 110.769 06:10 48.000

04:10 92.308 06:20 34.951

04:20 110.769 06:30 27.376

04:30 83.721 06:40 14.201

Tabla 6: serie temporal de lluvia

En el Anexo A.1 se muestran todos los parmetros requeridos para realizar la simulacin del pluvimetro.

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6.2 Subcaptacin

La informacin necesaria que debe ser ingresada al programa para cada subcaptacin se encuentra descrita en el Apndice B.2 del Manual 2, 9 . A continuacin se muestra el calculo de los parmetros ingresados:

Clculo del rea y el ancho.

Se delimitaron las subcaptaciones sobre un plano de escala 1:3500, posteriormente se midieron las reas usando un planmetro. Para determinar el ancho de cada subcaptacin se utiliz un escalmetro con el cual se realizaron mediciones en diferentes puntos de la subcaptacin en forma perpendicular al flujo de la escorrenta y con incrementos (y) de 70 m en la direccin del flujo, con estos valores se calculo un promedio que corresponde al ancho de la subcaptacin, ver tabla 7 .

Figura 5: Representacin grfica para el clculo del ancho

y

Di Direccin del flujo de escorrenta

P Puntos de medicin del ancho

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X

Y

y (m)

Ancho (m)

70 280

140 360.5

210 448

280 455

350 413

420 409.5

490 378

560 437.5

630 507.5

700 577.5

770 630

Promedio 445.1364

Tabla 6: Calculo del ancho para subcaptacin 1.

Clculo del porcentaje de pendiente (% slope)

La pendiente para cada subcaptacin se calculo mediante un tringulo rectngulo, en el cual la altura se determino con las curvas de nivel de la zona (y) y la longitud de cada subcaptacin (x), en donde la pendiente es igual al ngulo (ver figura 7)

X

Yarctan

Figura 7: Representacin grfica del clculo de la pendiente.

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Clculo del porcentaje impermeable (% imperv)

Para este clculo se determino primero el porcentaje de rea permeable delimitando esta rea con el planmetro y dividindola sobre el rea total. Por tanto el porcentaje de rea impermeable es:

pervimperv %100%

Seleccin del N-perv y N-imperv

Tabla 7: coeficientes n para la ecuacin de Manning. (Apndice A.6)2, 9

Teniendo en cuenta la tabla 7, se seleccin un valor de n para la zona impermeable de 0.012, asumiendo que sta compuesta por concreto liso para todas las subcaptaciones, de 0.4 para la zona permeable de las subcaptaciones 4,5 y 6 que estn compuestas por bosques poco densos y de 0.15 para las subcaptaciones 1,2 y 3 ya que predomina el csped corto.

Surface n

Smooth asphalt 0.011

Smooth concrete 0.012

Ordinary concrete lining 0.013

Good Wood 0.014

Brick with cement mortar 0.014

Vitrified clay 0.015

Cast iron 0.015

Corrugated metal pipes 0.024

Cement rubble surface 0.024

Fallow soils (no residue) 0.05

Cultivate soils Residue cover < 20% Residue cover > 20%

0.06 0.17

Grass Short, prarie

Dense Bermuda grass

0.15 0.24 0.41

Range (natural) 0.13

Woods Light underbrush

Dense underbrush

0.40 0.80

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Seleccin de Dstore-Imperv y de Dstore-Perv

Tabla 8: valores tpicos de almacenamiento en depresion.(Apndice A.5) 2, 9

De la tabla 8, se seleccin la profundidad del almacenamiento en depresin para la superficie impermeable de 0.1 pulgadas o 2.54mm, correspondiente al mximo valor del intervalo tpico y para el rea permeable de 0.2 pulgadas o 5.08mm que corresponde a zonas con presencia de pasto.

Calculo del porcentaje de suelo impermeable que no presenta almacenamiento en depresin (%zero- imperv)

El porcentaje de rea impermeable que no tiene almacenamiento en depresin usado para la simulacin fue el valor predeterminado por el simulador de 25%.

Seleccin del tipo de flujo entre reas (subrea routing)

Se asumi que existe flujo de escorrenta desde el rea impermeable y permeable a la salida de la subcaptacin (outlet).

Seleccin del porcentaje de flujo (percent routed) Se selecciono un porcentaje de ruta de escorrenta entre las subreas del 100%.

Infiltracion (Infiltration)

La infiltracin se modelara utilizando la ley de Horton, para la cual se requiere los siguientes parmetros:

Tasa de infiltracin mxima (Max. Infilt. Rate) = 3 mm/hr.

Tasa de infiltracin mnima (Min. Infilt. Rate) = 0.5 mm/hr.

Constante de decaimiento (Decay constant) = 4 1/hr

Tiempo de secado (Drying time) = 7 dias. Este valor corresponde al tiempo que tarda el suelo en saturarse completamente cuando se encuentra seco.

Volumen mximo (Max Volumen) = 0. Este valor corresponde al mximo volumen de infiltracin posible en pulgadas o mm, 0 si no es aplicable.

Impervious surfaces 0.05 0.10 pulgadas

Lawns 0.10 -0.20 pulgadas

Pasture 0.20 pulgadas

Forest litter 0.30 pulgadas

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Los valores asignados para cada uno de los parmetros de la ley de Horton fueron los asignados por el simulador.

Aguas subterrneas (Groundwater)

Se ha reportado la presencia de aguas subterrneas en la zona, pero debido a la poca informacin existente no se tuvieron en cuenta para la simulacin. En el Anexo A.2 se muestran todos los parmetros requeridos para realizar la simulacin de las subcaptaciones.

6.3 Uniones

La informacin necesaria que debe ser ingresada al programa para cada union se encuentra descrita en el Apndice B.3 del Manual 2, 9. Para la simulacin de las uniones se hicieron las siguientes suposiciones:

No existen aportes por infiltracin en la red

No hay tratamiento para contaminantes

No ocurre sobrepresin

No existen reas de inundacin Unin 1: Corresponde a la cmara de la red de alcantarillado 20623C, la cual recibe el agua residual y los flujos de escorrenta de la subcaptacin 1. La elevacin invertida corresponde a la cota del fondo (cota de la batea) que es igual a 1981.585 m. La mxima profundidad en la unin es la diferencia entre la cota de la tapa y la cota de la batea que equivale a 1.4 m. Unin 2: Corresponde a las cmaras de la red de alcantarillado 20185C y 20593C, las cuales reciben las aguas residuales y los flujos de escorrenta de la subcaptacin 2. La elevacin invertida corresponde a la cota del fondo (cota de la batea) que es igual a 2084.344 m. La mxima profundidad en la unin es la diferencia entre la cota de la tapa y la cota de la batea que equivale a 4 m. Unin 3: Corresponde a la cmara de la red de alcantarillado 20182C, la cual recibe el agua residual y los flujos de escorrenta de la subcaptacin 3. La elevacin invertida corresponde a la cota del fondo (cota de la batea) que es igual a 2081 m. La mxima profundidad en la unin es la diferencia entre la cota de la tapa y la cota de la batea que equivale a 7 m. Unin 4: Corresponde a la cmara de la red de alcantarillado 20743C y 20560C, la cual recibe el agua residual y los flujos de escorrenta de la subcaptacin 4. La elevacin invertida corresponde a la cota del fondo (cota de

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la batea) que es igual a 2065.573 m. La mxima profundidad en la unin es la diferencia entre la cota de la tapa y la cota de la batea que equivale a 1.7 m. Unin 5: Corresponde a la cmara de la red de alcantarillado 20629C, la cual recibe el agua residual y los flujos de escorrenta de la subcaptacin 5. La elevacin invertida corresponde a la cota del fondo (cota de la batea) que es igual a 2006.999m. La mxima profundidad en la unin es la diferencia entre la cota de la tapa y la cota de la batea que equivale a 2.4 m. Unin 6: Corresponde a la cmara de la red de alcantarillado 26360C, la cual recibe el agua residual y los flujos de escorrenta de la subcaptacin 4. La elevacin invertida corresponde a la cota del fondo (cota de la batea) que es igual a 2003.8690 m. La mxima profundidad en la unin es la diferencia entre la cota de la tapa y la cota de la batea que equivale a 6 m. La informacin de la identificacin de las cmaras, las cotas de la tapa, de la batea y los dimetros de cada cmara fueron suministrados por el SIG de Aguas de Manizales. El nivel inicial del agua en cada unin se asumi igual al nivel en la tubera de descarga en cada una de ellas y se determin usando la siguiente ecuacin:

HAtQ **

Donde : Q: Caudal (m3/s) T: Tiempo (s) A: rea (m2) H: Altura (m) Para la primera unin se asumi que el caudal es el del tramo 20623C-20624C segn la identificacin del las cmaras de Aguas de Manizales, en la tabla 9 se muestran los tramos usados para las dems uniones y sus respectivos niveles iniciales.

Unin Tramo Caudal (m3/s)3

Dimetro (m)

Nivel inicial (m)

1 20623C-20624C 1.55112*10-2 1.2 1.3715*10-3

2 20185C-20550C 1.33154 1.2 1.1773

3 20182C-20002D 1.38436 1.2 1.2240

4 20560C-20001D 1.31498 1.2 1.1624

5 20521C-20006D 6.1435*10-3 1.2 5.4320*10-3

6 Descole 20012D 1.43*10-3 1.2 1.2644*10-3

Tabla 9: Nivel inicial en cada cmara.

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En el Anexo A.3 se muestran todos los parmetros requeridos para realizar la simulacin de las uniones.

6.4 Descole

La informacin necesaria que debe ser ingresada al programa para el descole se encuentra descrita en el Apndice B.4 del Manual 2, 9. Al descole se le asigno el nombre de CanaletaParshall, este simulara el caudal que se encuentra en la canaleta Parshall ubicada en Ruta 30, el cual ha recibido todos los aportes de todas las subcaptaciones y de la red de alcantarillado. Se asumi que no existe una compuerta para prevenir el flujo inverso y que no hay tratamiento de contaminantes en el descole. La elevacin invertida corresponde a la cota de fondo del punto de descarga (Canaleta Parshall) la cual se determino con la distancia entre el nacimiento de la quebrada y la ubicacin de la canaleta (658 m) utilizando el perfil longitudinal de la quebrada5 y corresponde a 1936.0633 m. La lnea base de la quebrada en tiempo seco se ingres a la simulacin como un influjo, que corresponde a un caudal 0.04417 m3/s de acuerdo a lo reportado por el sensor de nivel para la fecha de simulacin (4 de mayo de 2007)5

En el Anexo A.4 se muestran todos los parmetros requeridos para realizar la simulacin de las uniones

6.5 Conductos

La informacin necesaria que debe ser ingresada al programa para los conductos se encuentra descrita e