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ESTUDIOS, ANALISIS Y RECOMENDACIONES PARA EL ORDENAMIENTO AMBIENTAL Y EL DESARROLLO TERRITORIAL DE LA MOJANA Convenio Interadministrativo UN-DNP No. 336/2011 FACULTAD DE MINAS SEDE MEDELLÍN FACULTAD DE INGENIERÍA SEDE BOGOTÁ ESTUDIOS, ANALISIS Y RECOMENDACIONES PARA EL ORDENAMIENTO AMBIENTAL Y EL DESARROLLO TERRITORIAL DE LA MOJANA CONVENIO I NTERADMINISTRATIVO UN-DNP NO. 336/2011 VOLUMEN 1. MODELACIÓN MATEMÁTICA INFORME FINAL BOGOTÁ, 23 DE ABRIL DE 2012

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ESTUDIOS, ANALISIS Y RECOMENDACIONES PARA EL ORDENAMIENTO

AMBIENTAL Y EL DESARROLLO TERRITORIAL DE LA MOJANA

Convenio Interadministrativo UN-DNP No. 336/2011FACULTAD DE MINAS –SEDE MEDELLÍN

FACULTAD DE INGENIERÍA – SEDE BOGOTÁ

ESTUDIOS, ANALISIS Y RECOMENDACIONES

PARA EL ORDENAMIENTO AMBIENTAL Y EL

DESARROLLO TERRITORIAL DE LA MOJANA

CONVENIO INTERADMINISTRATIVO UN-DNP NO. 336/2011

VOLUMEN 1.

MODELACIÓN MATEMÁTICA

INFORME FINAL

BOGOTÁ, 23 DE ABRIL DE 2012

Volumen 1. Modelación Matemática

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ÍNDICE DE CONTENIDO

1. INTRODUCCIÓN .................................................................................................................................. 1

2. JUSTIFICACIÓN, OBJETIVOS Y UTILIDAD DE LA MODELACIÓN MATEMÁTICA ...................................... 3

3. MARCO DE MODELACIÓN PROPUESTO ............................................................................................... 5

4. CONCEPTUALIZACIÓN DEL MODELO MATEMÁTICO DEL SISTEMA HÍDRICO DE LA MOJANA ............... 6

5. SELECCIÓN DEL MODELO Y FORMULACIÓN NUMÉRICA ...................................................................... 9

6. DATOS E IMPLEMENTACIÓN DEL MODELO ....................................................................................... 22

7. CALIBRACIÓN HIDRÁULICA DEL MODELO ......................................................................................... 29

8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................................................................ 35

8.1. CONCLUSIONES .................................................................................................................................. 35

8.2. RECOMENDACIONES ........................................................................................................................... 36

9. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ......................................................................................................... 37

10. ANEXOS ............................................................................................................................................ 41

10.1. ANEXO 1-1: FORMULACIÓN NUMÉRICA DEL MODELO MDLC-QUASAR EXTENDIDO ....................................... 41

10.2. ANEXO 1-2: ESTUDIO HIDROCLIMÁTICO ................................................................................................. 41

10.3. ANEXO 1-3: CURVAS DE CAPACIDAD ...................................................................................................... 41

10.4. ANEXO 1-4: ASPECTOS HIDRÁULICOS ..................................................................................................... 41

10.5. ANEXO 1-5: IMPLEMENTACIÓN DEL MODELO HIDRÁULICO EN HEC RAS ....................................................... 41

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1. INTRODUCCIÓN

Un modelo matemático hidráulico y de calidad del agua de un cuerpo de agua,

apropiadamente calibrado con datos de campo, es una herramienta útil a nivel de

análisis, planeamiento y diseño de obras hidráulicas. Mediante un modelo matemático

de este tipo se pueden evaluar las condiciones actuales del sistema modelado bajo

diferentes escenarios hidrológicos. También se pueden simular los efectos que se

generan en la cantidad y calidad del agua del sistema al modificar los flujos en las

fronteras físicas del cuerpo de agua o al incorporar estructuras hidráulicas, y evaluar

los efectos de alternativas de manejo hidráulico, sedimentológico, y de saneamiento

hídrico.

Con el fin de apoyar la evaluación de alternativas de manejo hídrico y sedimentológico

y la optimización del diseño de estructuras hidráulicas, canales y obras de adecuación

y limpieza de caños del sistema hídrico de la Mojana, se ha desarrollado y aplicado en

esta fase del convenio un modelo matemático hidráulico y de calidad del agua

integrado de todo el sistema. La implementación del modelo desarrollado ha sido

posible gracias a los ejercicios previos de modelación hidrológica de la Universidad de

los Andes (1998, 2000, 2002), la Universidad Nacional de Colombia sede Medellín

(2006), a la información suministrada por el IDEAM y el IGAC para los fines de este

estudio, y a la información primaria levantada en campo en este estudio,

principalmente por la Sede Medellín (Volúmenes 2 y 4). El nuevo modelo ha sido

construido teniendo en cuenta dichos ejercicios y toda la información de campo básica

levantada en el presente estudio y en los estudios previos. En este proyecto se ha

logrado un alcance relevante, al integrar al modelo hidrológico del sistema hídrico de

la Mojana el componente de calidad del agua, y acoplar en un solo modelo los cuerpos

de agua principales que interactúan entre sí, como son los ríos Cauca, San Jorge y el

Brazo de Loba del río Magdalena, ciénagas y caños principales tales como los caños

Barro-Pescado, Muñoz, San Matías, Rabón, Largo-Gramalote-Ventanillas, Mojana, y

Panceguita. En este trabajo se ha avanzado en la calibración hidráulica del modelo

integrado del sistema, garantizando resultados confiables a nivel de planeamiento y

evaluación de alternativas de diseño de obras hidráulicas (Productos A y B) y

adecuación y limpieza de caños (Producto C). Para alcanzar el nivel de diseño de estas

obras es necesario mejorar y complementar el modelo de acuerdo a las conclusiones y

recomendaciones señaladas al final de este Volúmen 1.

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En este Volumen 1, se presenta en forma completa y auto-contenida el informe final

de las actividades desarrolladas de modelación matemática hidráulica y de calidad del

agua del sistema hídrico de la Mojana.

En el Capítulo 2 se presentan todos los elementos conceptuales tenidos en cuenta en

el desarrollo del modelo hidráulico y de calidad del agua, incluyendo los objetivos de

la modelación, las complejidades del sistema modelado, la justificación del modelo

seleccionado, y el alcance requerido de modelación matemática para lograr dichos

objetivos representando adecuadamente el sistema físico modelado.

En el Capítulo 3 se describe el marco de modelación seguido para obtener una

herramienta confiable a nivel de planeamiento y evaluación de alternativas, y en el

Capítulo 4 se presenta la conceptualización del modelo matemático del sistema

hídrico de la Mojana.

En el Capítulo 5 y el Anexo 1-1 por su parte se describe en forma detallada la

formulación numérica del modelo, y se presentan las características generales del

programa de computador desarrollado en SIMULINK de MATLAB (TheMathworks,

1996). Se incluyen las ecuaciones gobernantes, se presenta un listado de los datos

requeridos y los parámetros de calibración del modelo.

En el Capítulo 6 y los Anexos 1-2, 1-3 y 1-4 se describen los datos utilizados en el

montaje y aplicación del modelo al sistema hídrico de la Mojana incluyendo el

complejo lagunar. La información descrita en este capítulo corresponde a información

secundaria recopilada y procesada en este estudio.

En el Capítulo 7 se describe la calibración hidráulica e hidrológica del sistema y se

resumen brevemente las actividades de implementación y simulación de escenarios

que se considera permitieron entender mejor el complejo sistema hídrico de la región

de la Mojana, y optimizar el diseño previsto de obras hidráulicas, canales y limpieza y

adecuación de caños, según se describe en el Volumen 3.

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2. JUSTIFICACIÓN, OBJETIVOS Y UTILIDAD DE LA MODELACIÓN MATEMÁTICA

La modelación matemática realizada en el presente convenio permite apoyar a nivel

de planeamiento y pre-diseño la evaluación de alternativas de manejo

hidrosedimentológico del sistema hídrico de la región de la Mojana incluyendo el

sistema lagunar. El objetivo general es responder mediante un modelo matemático

hidráulico y de calidad del agua, apropiadamente calibrado con datos de campo,

preguntas sobre el comportamiento más probable del sistema hídrico bajo diferentes

alternativas de intervención, y apoyar el pre-diseño del plan de manejo

hidrosedimentológico del mismo. Específicamente, con el modelo matemático se

desean calcular:

Caudales y niveles de agua en los Ríos Cauca, San Jorge y Magdalena (Brazo de

Loba), los principales caños internos del delta hídrico interior, los caños de

interconexión con las ciénagas, y niveles de agua en las ciénagas, bajo

diferentes condiciones hidrológicas e hidrogramas de entrada en las

condiciones de frontera del sistema.

Carga de sólidos en suspensión a la entrada y salida del sistema hídrico de la

Mojana permitiendo el cálculo de la sedimentación en los ríos, los caños y las

ciénagas del sistema bajo diferentes condiciones hidrológicas, hidrogramas y

carga sólida en las condiciones de frontera.

Calidad bacteriológica, biológica y físico-química del agua en los ríos, los caños

principales y las ciénagas, bajo diferentes condiciones hidrológicas y carga

contaminante a la entrada por las condiciones de frontera.

Mediante el modelo matemático se pueden considerar y comparar varias alternativas

de obras hidráulicas (diques, diques fusibles), secciones de canales y caños,

permitiendo optimizar su pre-diseño en los términos previstos en los Productos A, B y

C del presente Convenio. Los resultados permitirán, adicionalmente a estos Productos

específicos, identificar problemas de inundaciones y disponibilidad del agua para

riego y para consumo humano con la infraestructura física que se diseñe y construya

bajo diferentes condiciones hidrológicas extremas de caudales altos y bajos. Además, a

partir de los cálculos de caudales en las interconexiones ciénaga-canal y ciénaga-caños

será posible estimar y comparar las condiciones limnológicas esperadas de los

cuerpos de agua para diferentes alternativas. Estas condiciones limnológicas se

resumen en un Indice de Estado Limnológico calculado a partir de variables

claculadas por el modelo matemático como la relación área-volumen de las ciénagas,

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la relación nitrógeno – fósforo, el porcentaje de saturación de oxígeno, entre otros

(ver Volumen 3 – Anexo 3-2).

El cálculo de sólidos en suspensión en todo el sistema hídrico es un componente muy

importante para el entendimiento del comportamiento hidrosedimentológico del

delta interior de la Mojana. Adicionalmente, el cálculo de la calidad bacteriológica,

biológica y físico-química del agua en todo el sistema permitirá evaluar los efectos

ambientales en los cuerpos de agua en términos de los conflictos uso-calidad del agua

que se generan, por ejemplo por la minería del oro, y los impactos en el estado

limnológico de los cuerpos de agua, por ejemplo por la construcción de la represa de

Ituango. Finalmente los cálculos de calidad del agua, conjuntamente con los cálculos

de caudales en las interconexiones ciénaga-canal y ciénaga-caños permitirán estimar y

conocer los caudales ecológicos que requieren los cuerpos de agua en condiciones de

verano y determinar si las obras previstas en el sistema los garantizan.

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3. MARCO DE MODELACIÓN PROPUESTO

El diseño del plan de manejo hidrosedimentológico de la región de la Mojana es un

problema complejo, y con el fin de obtener soluciones técnicas apropiadas que sean

costo-efectivas, los ingenieros y técnicos estamos en la obligación de proponer la

aplicación de las mejores tecnologías disponibles.

Los modelos hidráulicos y de transporte de contaminantes y de calidad del agua

permiten dimensionar y diseñar soluciones estructurales (e.g. estructuras hidráulicas,

diques y canales) y no estructurales (e.g. cambios en el uso del suelo) requeridas para

alcanzar caudales, niveles de agua y estándares de calidad de agua bajo diferentes

condiciones hidrológicas y niveles de contaminación y/o tratamiento. Sin embargo, se

requiere una aplicación cuidadosa, honesta y responsable de estas herramientas, para

lo cual es necesario seguir un marco lógico de modelación riguroso. En este trabajo se

ha seguido el marco de modelación propuesto por Camacho (2000) que se presenta en

la Figura 3.1.

Figura 3-1 Marco de modelación propuesto

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4. CONCEPTUALIZACIÓN DEL MODELO MATEMÁTICO DEL SISTEMA HÍDRICO DE LA

MOJANA

El sistema hídrico de la Mojana conformado por el Río Magdalena Brazo de Loba, los

ríos Cauca y San Jorge, los caños interiores, y las ciénagas es muy extenso y complejo.

Todos los cuerpos de agua interactúan entre sí, de manera libre, y otros de forma

controlada mediante diques y estructuras hidráulicas. A continuación se resumen

algunas de las características más importantes del complejo sistema físico modelado

(ver Plano 1-1):

Los caudales de los cauces principales de los ríos Cauca y San Jorge están

controlados por los niveles del Río Magdalena en el Brazo de Loba, los ríos

afluentes como el Nechí y los flujos de interacción con las ciénagas como el

caño La Raya. Estos niveles y caudales fluctúan a nivel horario y por lo tanto el

flujo, se caracteriza por ser no permanente.

Los caudales en los caños de interconexión ciénaga-canal y ciénaga-caño están

determinados por la diferencia de nivel del agua relativa entre los dos cuerpos

de agua. Se presentan flujos en ambas direcciones, canal-ciénaga y ciénaga-

canal, en casi todos los canales de interconexión. Cada interconexión posee su

propia curva de entrega para diferencias de nivel canal - ciénaga.

En época de aguas altas los caños y las ciénagas reciben un aporte muy

importante de caudal por desborde de agua de los ríos Cauca y San Jorge. Todas

las ciénagas y caños reciben adicionalmente aportes importantes por

precipitación directa y escorrentía, dado que la precipitación promedio en la

eco-región supera los 2000 mm anuales.

Los niveles de agua en las ciénagas, a su vez, están determinados por el balance

hídrico a nivel multianual debido a su gran capacidad de almacenamiento. En el

balance hídrico multianual de cada cuerpo de agua intervienen: el caudal

lateral por desborde desde los caños y ríos del sistema, el caudal en los canales

de interconexión ciénaga-canal, la escorrentía directa a través de arroyos y

quebradas, la precipitación y la evaporación.

La calidad del agua y el estado limnológico de cada cuerpo de agua es sensible a

modificaciones en los flujos de agua. El cierre o apertura sin control

institucional, o la falta de limpieza y mantenimiento de caños principales y de

interconexión ciénaga-canal puede afectar la calidad del agua, y por lo tanto el

estado limnológico y la productividad de ciénagas como Ayapel, San Marcos,

Machado, La Hormiga, los Patos, etc.

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Debido a la alta complejidad del sistema modelado y a las características anteriores, se

identificaron al inicio del estudio los siguientes requerimientos para el modelo:

Integrar cantidad, calidad del agua (físico-química, bacteriológica) y ecología,

(eutroficación, cadenas alimenticias, índice limnológico) y permitir

interacciones precisas de agua y sólidos supendidos.

Permitir la simulación de eventos dinámicos cortos y series de tiempo de largo

plazo (balance hídrico).

Calcular los niveles y caudales de salida y entrada de las ciénagas desde y hacia

los ríos Cauca, San Jorge y Magdalena por desborde y a través de los canales de

interconexión.

Ser preferiblemente una herramienta flexible y fácilmente modificable.

Ser dinámico y distribuido para los ríos de baja pendiente.

Ser dinámico, pero posiblemente agregado para las ciénagas.

Integrar cantidad y calidad del agua y limnología acuática simultáneamente en

todos los cuerpos de agua.

Permitir el cálculo del flujo en todas las interconexiones libres y controladas y

bifurcaciones.

Ser eficiente numéricamente permitiendo la simulación de una serie de tiempo

de mediano o largo plazo.

Permitir pérdidas de agua en la planicie de inundación.

Permitir el cálculo del balance hídrico en una base multi-anual.

En la Figura 4-1 y el Plano 1-1 se presenta la conceptualización implementada en el

modelo matemático del complejo sistema hídrico de la Mojana. Si bien el modelo es

una representación limitada del sistema real, nótese que se han incluido todos los

cuerpos de agua principales y todas sus interacciones en cantidad y calidad del agua.

Se piensa que esta herramienta permite por lo tanto cumplir con los objetivos de

evaluación del impacto de alternativas de manejo del sistema y de optimización del

diseño de estructuras hidráulicas, canales y obras de adecuación y limpieza de caños

en los términos previstos en el Convenio en los Productos A, B y C, descritos

anteriormente.

El modelo conceptual planteado en este convenio es un poco más completo que el

modelo de la Universidad de los Andes (1998, 2000, 2002).

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Figura 4-1 Conceptualización del sistema hídrico de la Mojana. Ríos, caños y ciénagas modeladas

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5. SELECCIÓN DEL MODELO Y FORMULACIÓN NUMÉRICA

No siempre el modelo más complejo es el mejor, más cuando la cantidad y calidad de

los datos disponibles no es adecuada y suficiente, pero la complejidad del modelo

seleccionado debe garantizar que la pregunta y los objetivos de modelación

formulados sean respondidos de forma confiable. Por tal motivo, es importante

analizar de manera cuidadosa cuál es el problema del sistema o del cuerpo de agua

receptor que se quiere resolver para la selección apropiada del modelo numérico.

Con el fin de realizar la selección técnica del modelo a implementar se empleó la

siguiente metodología por pasos:

Definición de los objetivos de la modelación hidráulica y dinámica de la calidad del agua del sistema hídrico de la Mojana.

Identificación y resumen de la complejidad y las características del sistema hídrico de la Mojana.

Determinación de los requerimientos y alcance del modelo a ser utilizado con base en los dos elementos anteriores.

Confrontación de los requerimientos del modelo con las características de los modelos disponibles con el fin de realizar la selección de los más apropiados.

Los tres primeros pasos han sido presentados anteriormente. En las experiencias

previas de modelación matemática en los proyectos del Canal del Dique

(CORMAGDALENA-UNAL, 2007a, 2007b) y del Río Bogotá (EAAB-UNAL, 2010, 2011)

el grupo de la Universidad Nacional de Colombia ha revisado detalladamente las

ventajas y desventajas de diferentes modelos matemáticos hidráulicos y de calidad del

agua. A continuación se presenta el resumen del análisis de diferentes modelos.

El modelo Hec-Ras vs 4.0 (US ArmyCorp of Engineers) es un software versátil, sencillo

de manejar, ampliamente utilizado en simulaciones hidráulicas. El modelo es gratuito

y está respaldado por el Cuerpo de Ingenieros de los Estados Unidos. La interfaz para

el manejo de los datos de calidad del agua es flexible y cómoda para el trabajo por

parte del usuario. Los procesos modelados incluyen el transporte de sustancias

disueltas, el ciclo del carbono, incluyendo la oxidación de la materia orgánica, la

demanda béntica, la nitrificación, el crecimiento y muerte de algas, la fotosíntesis y la

respiración con retroalimentación del pool de nutrientes, la re-aireación de oxígeno

disuelto y la modelación de la temperatura del agua. Como desventajas se resalta que

el modelo está limitado a la modelación de un número fijo de determinantes de

calidad del agua y el código es cerrado no pudiéndose modificar, no contiene la

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cinética y los procesos que se presentan en condiciones anaerobias. Además el código

de calidad del agua es relativamente nuevo presentando algunos problemas menores

en su desarrollo. Para su aplicación al caso del sistema hídrico de la Mojana se puede

concluir que:

Es un modelo hidráulico uni-dimensional que no permite simulaciones de largo

plazo, no permite un acople bidireccional con las ciénagas y no permite la

modelación correcta de los efectos de desborde.

Se puede utilizar para flujo dentro de las bancas en ríos y canales del sistema

pero su complejidad es alta para simulaciones de mediano y largo plazo.

Por su parte el modelo MIKE11 (DHI) es un software comercial no gratuito

ampliamente utilizado y reconocido en el campo de la ingeniería. El módulo de calidad

del agua (ECOLAB) es presentado por DHI como flexible, el cual puede modificarse y

extenderse según los requerimientos de modelación. Sin embargo, dado que es un

software comercial de alto costo, los procesos y ecuaciones y cinética que utiliza el

modelo son cerrados y no abiertos al conocimiento del usuario. Las plantillas

predeterminadas tampoco contienen la cinética y los procesos que se presentan en

condiciones anaerobias. Finalmente, es imposible controlar el modelo mediante una

técnica de calibración objetiva. Para su aplicación al caso del sistema hídrico de la

Mojana se puede concluir que:

Es un modelo hidráulico y de calidad del agua uni-dimensional desacoplado de

las ciénagas que no permite simulaciones de largo plazo y tiene un costoso

componente de eutroficación, al que le faltan componentes de cadenas

alimenticias y patógenos y cuya flexibilidad y facilidad de modificación es

relativa (requiere la experticia del modelador).

La versión bi-dimensional MIKE 21 (DHI) es un modelo hidrodinámico y de

calidad del agua bi-dimensional. La complejidad de los datos requeridos es alta,

posiblemente requiere de información LIDAR, y le falta el componente de

interacciones agua –sedimento (sedimentación y resuspensión) y componentes

de cadenas alimenticias y patógenos. Su flexibilidad y facilidad de modificación

es muy relativa.

Si bien el modelo parece ser útil a nivel de diseño, en esta fase de pre-diseño y

evaluación preliminar de alternativas no se justifica su alta complejidad y

costo. En una fase de diseño más avanzada podría ser consuderada su

utilización.

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Adicionalmente el modelo WASP (USEPA) es un software muy completo para la

modelación de determinantes de calidad del agua de ríos, lagos y embalses. El modelo

es de uso libre con el respaldo de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados

Unidos. El modelo permite ser modificado y ser ajustado a los requerimientos de cada

proyecto. Al ser un software gratuito, en los manuales y documentación se encuentran

ampliamente explicados todos los procesos, ecuaciones y operación del software para

la modelación, lo que le permite al usuario entender de forma completa su

funcionamiento. Como desventajas se resalta el hecho de estar desacoplado de un

modelo hidrodinámico robusto, y la interfaz para ingreso de datos e información es

compleja y poco amigable demandándose un esfuerzo considerable en el montaje de

un tramo de río. La visualización de resultados es deficiente y tampoco contiene de

manera predeterminada el cálculo de flujos de intercambio con los sedimentos que se

presentan bajo condiciones anaerobias. El modelo no se puede controlar mediante

una técnica de calibración objetiva.

Por su parte, la revisión realizada de la plataforma SMS y de los módulos RMA2 y

RMA4 a partir de la información disponible en los manuales y artículos publicados se

encuentra bastante limitada puesto que la documentación existente es realmente

pobre en el sentido técnico y de presentación de ecuaciones de cálculo o de

capacidades del modelo (procesos modelados, plataformas de modelación, etc.). Las

publicaciones correspondientes al modelo se centran en los procedimientos y

operaciones para llevar a cabo la ejecución de simulaciones (manuales de guía para el

usuario sin incluir manuales de referencia técnicos). Sin embargo no ofrecen el

respaldo suficiente como para realizar de manera adecuada una revisión técnica

detallada del modelo. El manual descargado del módulo RMA4 de la página oficial de

SMS presenta aún notas por parte de los autores que se refieren a ampliar su

contenido, lo que indica que la documentación aún se encuentra en fase de revisión

con el ánimo de ser ampliada. A partir de la información recopilada, el modelo se

encuentra limitado a la modelación de hasta 6 constituyentes y la plataforma

predeterminada que posee para la simulación de oxígeno disuelto y demanda

biológica de oxígeno se encuentra aún en fase de prueba y no ha sido revisada de

manera amplia como para garantizar su correcta operación.

El modelo SIMBA es un software comercial de bajo costo, muy versátil en SIMULINK

de MATLAB, que permite la modelación integrada del sistema de alcantarillado, las

Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales (PTAR’s) y el Río. El modelo contiene la

cinética y procesos que se presentan bajo condiciones anaerobias y una amplia

librería para el cálculo de la transformación de la calidad del agua en el sistema de

drenaje y las PTAR´s. Sin embargo, como se trata de un modelo comercial, se

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encuentra poca información sobre su funcionamiento y operación. En particular el

modelo de calidad del agua de la componente río, el modelo SWMM, no es el mejor ni

más apropiado para el sistema hídrico de la Mojana.

Por las razones anteriores, en este trabajo se propone la modelación de alternativas

mediante el modelo matemático integrado hidráulico, de calidad del agua y ecológico

MDLC-QUASAR extendido desarrollado por la Universidad Nacional para el Canal del

Dique y su Sistema Lagunar implementado en el proyecto CORMAGDALENA-UNAL

(2007a, 2007b; Camacho et al., 2008), modificado para el caso del Río Bogotá en el

proyecto EAAB-UNAL (2010, 2011), con algunas modificaciones y actualizaciones

adicionales incorporadas en el presente trabajo.

El modelo MDLC-QUASAR extendido es un software versátil que permite la

modelación en la plataforma SIMULINK de MATLAB (The MATHWORKS Inc, 1996).

Por corresponder a un software desarrollado “en casa” puede modificarse y

extenderse fácil y rápidamente, y controlarse en la fase de calibración mediante una

técnica objetiva. El modelo de transporte de solutos y el modelo hidrológico de flujo

no permanente acoplados pueden calibrarse adecuadamente para ríos de montaña y

para ríos de planicie teniendo en cuenta el efecto de zonas muertas. La complejidad

del modelo puede incrementarse en el tiempo para tener en cuenta procesos

adicionales de transporte y destino de sustancias tóxicas.

Se prefiere la adaptación y complementación de este modelo integral existente, hecho

en casa, en construcción desde 1991. Es un modelo implementado en la plataforma

flexible SIMULINK/MATLAB cuya documentación y desarrollo se puede consultar en

las siguientes referencias bibliográficas: Díaz Granados et al., 1992, 2001; Camacho,

1997, 2000; Whitehead et al., 1997; Lees et al., 1998; Camacho y Lees, 1998, 2000;

Camacho et al., 2003; 2008, CORMAGDALENA-UNAL (2007a, 2007b); EAAB-UNAL

(2010, 2011). Para su aplicación al caso del sistema hídrico de la Mojana se puede

concluir que el modelo MDLC-QUASAR extendido:

Es un modelo dinámico distribuido para ríos y caños.

Es un modelo dinámico agregado de las ciénagas.

Integra cantidad y calidad del agua en todos los cuerpos de agua.

Permite modelar interconexiones con ciénagas en forma bi-direccional o uni-

direccionalmente.

Es eficiente numéricamente y permite simular series de tiempo de largo plazo.

Permite realizar el balance hídrico y la simulación de calidad del agua de largo

plazo de las ciénagas.

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En este estudio el modelo se extenderá para:

Modelar flujos y pérdidas por desborde de agua a lo largo de los canales

principales.

Representar interacciones de la cadena alimenticia nutrientes –fitoplancton–

zooplancton en los cuerpos lagunares.

Representar el transporte y destino de mercurio en el sistema mediante una

tesis de maestría.

Para la formulación numérica del modelo MDLC-QUASAR extendido se ha realizado la

revisión bibliográfica del marco de modelación integrado de modelación hidráulica y

calidad del agua propuesto por Camacho et al., (2003). Este marco de modelación

incluye, por una parte, la integración del modelo hidrológico de tránsito de caudales

multilineal discreto de retraso y cascada (Multilinear discrete lag-cascade of channel

routing, MDLC, Camacho y Lees, 1998), con el modelo de zona muerta agregada de

transporte de solutos (Aggregated dead zone model, ADZ, Beer y Young, 1983), y con

el modelo extendido de calidad del agua en ríos (Quality Simulation Along River

Systems, QUASAR, Whiteheadet. al, 1997; Camacho, 1997; Lees et al., 1998). El modelo

conceptual integrado resultante,MDLC-ADZ-QUASAR, se propone como modelo para

la modelación hidráulica y de calidad del agua del sistema hídrico de la Mojana y es el

que se ha denominado aquí modelo QUASAR EXTENDIDO.

Por otra parte el marco de modelación incluye la integración de las ecuaciones

completas de St. Venant (e.g. Fread, 1985), con las ecuaciones de advección dispersión

y almacenamiento temporal de transporte de solutos (Transient storage zone model,

TS, Bencala y Walters, 1983), y el modelo distribuido de calidad del agua QUASAR.

Este modelo constituye la base de un modelo distribuido dinámico de calidad del

agua,utilizado con fines de diseño, planeamiento y evaluación temporal del impacto de

obras hidráulicas y alternativas de saneamiento. Dicho marco ha sido aplicado y

utilizado con éxito en el Canal del Dique en Colombia (Cormagdalena – Universidad

Nacional, 2007a, 2007b, 2008).

La gran ventaja del marco jerárquico de modelación propuesto es que los modelos de

flujo y transporte de solutos de diferente nivel de complejidad están interrelacionados

mediante relaciones paramétricas obtenidas mediante la técnica de igualación de

momentos temporales (Camacho y Lees, 1999; Lees et. al, 2000; Camacho, 2000).

Adicionalmente los parámetros de los modelos de transporte de solutos están

acoplados en forma directa con los modelos de flujo. Los parámetros de los modelos

de flujo se calculan principalmente a partir de variables hidráulicas (Camacho y Lees,

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2000; Camacho 2000). Estas relaciones y acoples directos permiten, entre otros

aspectos, calibrar los modelos distribuidos a partir de los parámetros de los modelos

conceptuales más simples utilizando la metodología GLUE basada en simulaciones de

Monte Carlo. Adicionalmente se acopla el modelo conceptual de transporte MDLC-ADZ

con las ecuaciones del modelo QUASAR extendidas para incorporar los efectos de

mezcla incompleta (Whitehead et. al, 1998). Similarmente el modelo de transporte

SVE-TS se acopla con las ecuaciones originales del modelo QUASAR (Whitehead, et. al,

1997). En la Figura 5-1 se presenta el marco jerárquico de modelación propuesto

indicando las relaciones entre los diferentes modelos de flujo y transporte y las

relaciones paramétricas consideradas.

Figura 5-1 Marco jerárquico de modelación propuesto por Camacho et al., 2003

La base del modelo integrado hidráulico y de calidad del agua es el modelo Quality

Simulation Along River Systems (QUASAR, Whiteheadet al., 1997; Lees et al., 1998).

Este modelo ha sido extendido para modelar determinantes biológicos,

bacteriológicos y físico-químicos adicionales a los del modelo original. Para cada

subtramo de canal se realiza el balance de masa de cada determinante de calidad del

agua. Se utiliza por lo tanto la representación de un reactor incompletamente

mezclado para modelar tanto los procesos de transporte, advección y dispersión,

como los procesos físicos, químicos y biológicos de transformación de cada

determinante. El modelo resultante integra 15 ecuaciones diferenciales acopladas

para el caso de cada tramo de canal. En la Tabla 5-1 se resumen los determinantes de

calidad del agua y los procesos modelados.

Como determinantes físico-químicos se incluyen temperatura, conductividad, sólidos

suspendidos totales, demanda biológica de oxígeno, nitrógeno amoniacal, nitratos,

fósforo soluble reactivo, fósforo particulado, y oxígeno disuelto. Como determinantes

biológicos se consideran la clorofila-a. Como determinante bacteriológico se modela el

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indicador de Coliformes Totales. En el modelo se considera retroalimentación al pool

de nutrientes y materia orgánica debido a procesos de respiración y muerte de

fitoplancton.

Tabla 5-1 Determinantes de calidad del agua modelados en QUASAR extendido

Determinante de calidad

del agua Símbolo

Procesos, ecuaciones Modeladas

Río

Caudal Q Continuidad, momentum Nivel y, h Continuidad, momentum Caudal lateral QL Desborde vertedero lateral Sólidos suspendidos totales SST Sedimentación Conductividad Cons Conservativo Temperatura Te Conservativo Nitrógeno amoniacal NA Nitrificación

Nitratos NI

Nitrificación,

desnitrificación,

crecimiento fitoplancton en

ciénagas

Demanda biológica

oxígeno DBO

Oxidación, respiración y

muerte fitoplancton

Oxígeno disuelto OD

Reaireación, oxidación

materia orgánica,

nitrificación, demanda

béntica fotosíntesis y

respiración (dos últimos en

ciénagas)

Oxígeno de saturación Cs Condiciones de saturación

Clorofila-a Cla Crecimiento, respiración y

muerte, pastoreo

zooplancton (en ciénagas)

Fósforo soluble reactivo PSR Hidrólisis, Crecimiento de

fitoplancton (en ciénagas)

Fósforo particulado PP Sedimentación, hidrólisis

Coliformes totales CT Decaimiento de primer

orden

El modelo hidráulico calcula la distribución del flujo en el sistema hídrico de la Mojana

incluyendo caños, canales de interconexión y ciénagas para condiciones de flujo no

permanente y permite visualizar el caudal en el tiempo en cualquier punto de la red

de drenaje. Cada tramo de canal se representa por una serie de subtramos con

características hidráulicas propias. Se implementaron los dos modelos de tránsito de

caudales, el primero es un modelo distribuido basado en las ecuaciones completas de

St. Venant (Camacho y Lees, 1998) extendido en este proyecto para considerar

desborde lateral de agua sin retorno al canal. El segundo modelo de tránsito de

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caudales está basado en un método hidrológico, no lineal, de estructura sencilla

(Whitehead, et al., 1997; Camacho, 1997; Lees et al., 1998) que también considera

desborde lateral. Los dos modelos son complementarios y los parámetros del modelo

más sencillo se calculan a partir de los parámetros calibrados del modelo distribuido

más completo que demanda mayor tiempo de cálculo. El modelo hidrológico de

tránsito más sencillo es aquel que se integra con las ecuaciones de calidad del agua.

Se realiza el tránsito hidráulico por los ríos Cauca. Magdalena y San Jorge hasta

encontrar un rompedero o canal de interconexión. En el tránsito se tiene en cuenta el

flujo de desborde lateral si el nivel del agua supera la banca izquierda o derecha. El

caudal desbordado se convierte en un flujo de salida del canal y de entrada a la

planicie de inundación o caño que alimenta las ciénagas respectivas. El modelo

permite considerar que una fracción del caudal desbordado quede almacenada en la

planicie de inundación, donde ocurrirán pérdidas por evapotranspiración, y que la

fracción restante alimente las ciénagas respectivas. El flujo desbordado solamente

puede retornar a los ríos o caños del sistema a través de los canales de interconexión

canal-ciénaga y no desde la planicie de inundación. El caudal de desborde está dado

por la siguiente ecuación (Sturm, 2001):

2/32

3

2PygLCQ dL [1]

donde, QL = caudal lateral de desborde; L = longitud del subtramo a lo largo del cual

ocurre el desborde;Cd = coeficiente de descarga del vertedero lateral;g = aceleración

de la gravedad; y = profundidad del flujo;P = profundidad de desborde del canal (ver

Figura 5-2)

Figura 5-2 Variables de cálculo del Flujo lateral de desborde de los ríos Cauca, San Jorge y

Magdalena

Cuando se alcanza el canal de interconexión ciénaga-canal se examinan los niveles del

agua en los ríos o caños y en la ciénaga y, a partir de la curva de entrega o la curva de

descarga respectiva, se actualiza la dirección y magnitud del flujo en la interconexión.

yyPP

LL

yyPP

LL

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La curva de descarga en conexiones de flujo libre sin control de compuertas se calcula

mediante la siguiente ecuación dependiendo de la dirección del flujo (Sturm, 2001),

ciénaga-canalDirección 40.1'

canal-ciénagaDirección 68.1'

2/3

int

2/3

int

ca

ci

PyWCdQ

PhWCdQ

[2]

donde, Qint = caudal en la interconexión; W = ancho del canal de interconexión; h =

profundidad de la ciénaga a la entrada al caño de interconexión; Pci = profundidad del

fondo a la entrada del caño de interconexión en la dirección ciénaga-canal (ver Figura

5-3); Pca = profundidad del fondo a la entrada del caño de interconexión en la

dirección canal-ciénaga (ver Figura 5-3); y = profundidad del flujo; Cd’= coeficiente de

descarga, el cual depende de la longitud, sinuosidad, y rugosidad del caño de

interconexión.

A su vez, el nivel en la ciénaga se calcula realizando el balance hídrico, en el cual, el

cambio de almacenamiento, en un intervalo de tiempo, debe ser igual a los volúmenes

de entrada por precipitación, caudal de escorrentía, caudal lateral de desborde y flujo

en la interconexión con el canal u otra ciénaga. La ecuación de balance hídrico para

cada ciénaga está dada por:

int)()()( QQQhAsEhAPdt

dhhAs Lesc [3]

donde, h = profundidad de la ciénaga; As = área superficial del espejo de agua de la

ciénaga a la profundidad h; P = intensidad de precipitación; E = tasa de evaporación

del cuerpo de agua; Qesc = caudal de escorrentía directa a la ciénaga; QL = caudal de

escorrentía lateral por desborde del río o caño respectivo; Qint= caudal en la

interconexión ciénaga-canal, el cual puede entrar o salir de la ciénaga para nivel de

agua alto o bajo respectivamente, en los ríos o caños .

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Figura 5-3 Variables de cálculo de caudal en la interconexión

Nótese que se requiere un proceso iterativo de cálculo hasta alcanzar convergencia ya

que, el flujo en la interconexión depende del nivel del agua en la ciénaga, y éste a su

vez depende del caudal en la interconexión. En la Figura 5-4se esquematizan los flujos

de entrada y salida a una ciénaga genérica.

Figura 5-4 Esquema de flujos de entrada y salida de una ciénaga

La determinación de las series diarias del caudal de escorrentía directa, la

precipitación y la evaporación de cada cuerpo de agua se explica y describe más

adelante.

h

Pci

y

CotaCi

Pca

CANAL

CIÉNAGA

CANAL DE INTERCONEXIÓN

DEL DIQUE

QQLatLat

QQAbAb

QQArrArrPP

EE

QQEscEsc

QQEscEsc

QQIntInt

CANAL

CIÉNAGA

CANAL DE INTERCONEXIÓN

DEL DIQUE

QQLatLat

QQAbAb

QQArrArrPP

EE

QQEscEsc

QQEscEsc

QQIntInt

RÍO O CAÑO

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El modelo de tránsito hidráulico distribuido (Camacho y Lees, 1998) de los ríos o

caños del sistema está dado por las ecuaciones de St. Venant. Las ecuaciones de

conservación de masa y momentum de agua, son respectivamente,

0 Lqt

A

x

Q

[4]

0)/(

0

2

Lxef qvSSS

x

ygA

x

AQ

t

Q

[5]

donde, Q = caudal; A = área transversal, incluyendo áreas de almacenamiento de

inundación; y = profundidad de la superficie del agua; Sf= pendiente de la línea de

fricción; S0 = pendiente longitudinal del fondo del canal; Se= pendiente de energía

para tener en cuenta contracciones y expansiones abruptas del canal; vx= velocidad de

entrada del caudal lateral en la dirección x; qL= caudal lateral de entrada o salida por

unidad de longitud; = coeficiente de momentum.

Las ecuaciones se resuelven numéricamente con el método de Preissmann de cuatro

puntos.

A su vez, el modelo de tránsito hidrológico, más simple, para cada tramo está dado por

n celdas cada una representada por la siguiente ecuación (Camacho y Lees, 1999),

)()(1)(

tQtQKdt

tdQin [6]

donde, Q = caudal de salida del tramo; Qin= caudal de entrada al tramo; K = parámetro

equivalente a un coeficiente de almacenamiento del modelo hidrológico.

Los parámetros del modelo hidrológico multi-lineal (n, K) varían con el caudal

(Camacho y Lees, 1999). Esto hace que el modelo sea no-lineal y por lo tanto más

preciso que versiones lineales como Muskingum-Cunge. En la presente versión se

implementó la variación de K del modelo QualitySimulationAlongRiverSystems

(QUASAR, Whiteheadet al., 1997; Lees et al., 1998),

b

aQ

L

v

LK [7]

donde, L = longitud del tramo modelada; v= velocidad media; a y b = parámetros

hidráulicos calculados para flujo uniforme o flujo gradualmente variado según

corresponda.

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Es fácil demostrar que para flujo uniforme, utilizando la ecuación de Manning, estos

están dados por,

5/3

2/1

0

3/2

1

4.0

S

Pn

a

b

[8]

donde, P = perímetro mojado; n = coeficiente de rugosidad de Manning; S0= pendiente

de la línea de energía.

Para flujo gradualmente variado es fácil determinar los parámetros a y b, utilizando el

modelo Hec-Ras o el modelo distribuido de Saint Venant. Estos se obtienen mediante

corridas del modelo para diferentes caudales y realizando una regresión potencial de

la velocidad versus caudal.

En el Anexo 1 se describen en forma detallada los procesos, los determinantes de

calidad del agua, los requerimientos de información y los parámetros de calibración

del modelo, así como las ecuaciones gobernantes y métodos de solución.

Avances relativamente recientes en hardware y software han eliminado las

limitaciones computacionales de modelos anteriores como WASP y facilitan el proceso

de modelación. Hoy en día es más fácil desarrollar aplicaciones completas en las

cuales la generación, visualización y análisis de las entradas y salidas de los modelos

se llevan a cabo mediante interfaces gráficas a nivel de usuario (ver The MATH.

WORKS Inc., 1996).

Al igual que en el modelo SIMBA, en el modelo QUASAR EXTENDIDO se utiliza la

técnica relativamente reciente de programación iconográfica soportada por el

Software de Simulación Dinámica de Sistemas (SIMULINK, The MATH WORKS Inc.,

1996). El modelo desarrollado permite fácil y rápidamente modificar la topología de la

red de drenaje y simular, a partir de condiciones hidráulicas en las fronteras de aguas

arriba, el caudal, el nivel y la calidad del agua en todo el sistema. Como plataforma de

desarrollo, implementación y modelación se utiliza el software MATLAB y su

herramienta SIMULINK. En SIMULINK es posible implementar en forma fácil modelos

basados en ecuaciones diferenciales acopladas ya que ha sido específicamente

diseñado para modelar, simular y analizar sistemas dinámicos. Las ventajas

principales de usar el software de SIMULINK son:

• Acceso a la técnica de programación iconográfica que facilita la generación, modificación y extensión de los modelos. Esta característica se considera

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fundamental en el caso del Río Bogotá, donde se requiere flexibilidad en la representación de escenarios de saneamiento y facilidad de modificación de la red de drenaje mediante incorporación de nuevos o eliminación de sitios de vertimiento existentes. El modelo se puede desarrollar a la medida simplemente “copiando” y “pegando” bloques o iconos que representan un tramo de canal y modificando manualmente los parámetros.

• Acceso a la estructura jerárquica de SIMULINK que proporciona claridad de cómo el modelo está organizado y cómo interactúan sus partes. Esta es la característica principal de la plataforma que garantiza la fácil expansión y modificación del modelo y de la red de drenaje de ríos y canales.

• Acceso a procedimientos numéricos eficientes que se seleccionan por parte del usuario de una interface gráfica y que permite el desarrollo del modelo en bloques. Por ejemplo se tiene acceso a rutinas de integración numérica de ecuaciones diferenciales ordinarias por el método de RungeKutta de cuarto y quinto orden. Esta característica de SIMULINK facilita la programación y garantiza la correcta solución numérica de las ecuaciones.

• Acceso a salidas gráficas durante el tiempo de simulación y acceso a herramientas de MATLAB para la visualización y el post-procesamiento de resultados. Esta característica hace muy amigable la interface de resultados gráficos del modelo.

• Acceso a la librería de SIMULINK para el análisis de sistemas lineales o no lineales modelados en tiempo continuo o discreto y acceso a una plataforma sencilla para la entrada de datos, la operación del modelo y el chequeo de parámetros.

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6. DATOS E IMPLEMENTACIÓN DEL MODELO

Para la implementación del modelo del sistema hídrico de la Mojana descrito

anteriormente se utilizó toda la información hidráulica, información batimétrica,

curvas de capacidad de las ciénagas y calidad del agua disponible de todos los estudios

previos. En el presente Capítulo se describen los datos utilizados en el montaje y

aplicación del modelo al sistema hídrico de la Mojana. La información recopilada y

condensada a continuación corresponde principalmente a información secundaria

generada en estudios previos e información derivada o calculada en el presente

estudio a partir de dicha información secundaria, como se referencia a continuación:

Datos básicos del estudio Dinámica fluvial y modelación hidrológica de la

región de la Mojana (Universidad de los Andes, FAO, CORPOICA, DNP, 1995,

1998, 2002).

Datos hidrológicos de precipitación y evaporación, datos hidráulicos de niveles,

caudales, secciones transversales y aforos, y cotas huella, suministrados por

IDEAM (2011).

Datos cota–área –volumen de cuerpos de agua calculados a partir de imágenes

de satélite suministradas por IDEAM (2011).

Información geográfica IGAC (2011).

Información hidráulica y geomorfológica del Río Cauca levantada en el estudio

previo de la Universidad Nacional de Colombia (2005) y en este estudio en los

Productos A y C.

Información detallada de levantamiento topográfico y altimétrico vía

Guaranda-Majagual-Achí-San Marcos.

Información de campo recopilada en este estudio como parte del Producto B.

A partir de la información geográfica del IGAC se procedió a realizar el abscisado de

todos los ríos y caños y la topología (conexiones) de todo el sistema. El abscisado

completo se presenta en la Figura 6-1 y el Plano 1-2.

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Figura 6-1 Abscisado del sistema hídrico de la Mojana. Ríos y caños principales

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En el Anexo 2-2 se presenta el estudio de la información hidroclimatológica recibida

por parte del IDEAM. Se realizó inicialmente un análisis de la calidad, consistencia y

validez de la información y luego se procedió al llenado de datos faltantes de las series

meteorológicas. Finalmente se realizaron histogramas de frecuencia para el análisis

temporal de las variables meteorológicas y polígonos de Thiessen (Figura 6-2) para el

cálculo de la precipitación en cada una de las sub-áreas del modelo matemático

conceptual y el análisis de la distribución espacial de la precipitación.

Figura 6-2 Distribución espacial de la precipitación. Polígonos de Thiessen

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En el mapa de los polígonos de Thiessen (Figura 6-2) se pueden identificar zonas de

alta pluviosidad al suroriente de la región de la Mojana, en la subcuenca del rio Cauca

y en la subcuenca del caño Panceguita, con valores que superan los 2700 mm al año.

Zonas de mediana precipitación, entre 1600 y 2300 mm al año se localizan en el

centro y la parte nororiental de la región de la Mojana, en la subcuenca del caño Barro,

Muños, San Matías, el Rabón, el caño Mojana, en la subcuenca de la ciénaga Ayapel y

en la subcuenca del Brazo de Loba.

Finalmente, zonas de baja precipitación del suroccidente al noroccidente en la mayor

parte del territorio, en las subcuenca del rio San Jorge y en la subcuenca de la ciénaga

Grande, con valores inferiores a 1600 mm al año.

La precipitación promedio anual para la cuenca de la región de la Mojana es de 2054

mm. La subcuenca del rio Cauca registra el mayor porcentaje de lluvia media anual

que cae en toda la cuenca con el 15% y la subcuenca del rio San Jorge presenta el

menor porcentaje de precipitación con el 4% (Tabla 6-1).

Tabla 6-1 Precipitación anual por subcuencas.

Esta información se utiliza para calcular las series de precipitación y evaporación de

cada subcuenca en el modelo integrado MDLC-QUASAR extendido.

Finalmente en el Anexo 1-2 se presenta también el análisis y procesamiento realizada

a las series de datos hidrométricos de niveles y caudales recibidos por parte del

IDEAM. Las series temporales de caudal medio diario presentan buena continuidad

durante casi todo el periodo seleccionando en el estudio (1980 – 2010). Sin embargo,

se observa que en algunas series hidrológicas hacen falta varios días de registro e

inclusive años completos sin datos para el periodo de estudio, como es el caso de las

estaciones, Rio Nuevo, Armenia, Sitio Nuevo, Barbosa, Montelíbano y Palenquito. Por

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esta razón, a cada serie de tiempo se le realizó un análisis de consistencia,

homogeneidad y validez de la información hidrológica. Para el análisis de consistencia

y homogeneidad de los registros se graficaron curvas de masa, doble masa y

diagramas bilineales. Igualmente, se aplicaron ocho pruebas estadísticas a cada serie

de tiempo para la búsqueda de datos atípicos (Z-scores, Modified Z-scores, Boxplot,

Adjusted Boxplot, Generalized Extreme Studentized Deviate (GESD), Grubbs, Kimber y

Moving Window Filtering Algorithm (MWFA)), esto con el fin de establecer la validez

de la información (Alcaraz, 2010). Para evaluar si un registro era o no un valor atípico,

se tomó como criterio: “cuando cuatro a más pruebas estadísticas sugieran que el dato

es anómalo, este dato se identifica como outlier”, el cual era removido de la serie y

corregido utilizando técnicas de llenado de datos faltantes.

Con el fin de realizar una adecuada caracterización de las series hidrométricas, es

indispensable contar con series de tiempo lo más completas posible. Por esta razón y

una vez revisada la consistencia y homogeneidad de los registros se emplearon

diversas metodologías para completar los registros de niveles diarios suministrados

por el IDEAM, considerando la cantidad de datos faltantes consecutivos en las

diferentes series, tal como se describe a continuación.

El procedimiento empleado se seleccionó con base en la cantidad de datos

consecutivos faltantes, así:

• Para un valor faltante, este se llenó utilizando el promedio de los datos anterior y

posterior.

• Para menos de cinco datos faltantes consecutivos en la serie investigada, se

utilizó el promedio móvil para una ventana de 7 días (período semanal). El

tamaño de la ventana se analizó para cada caso particular utilizando datos

existentes consecutivos. Para ello se consideraron ventanas entre 3 y 12 datos.

• Para períodos con datos faltantes mayores a 5 días, los registros fueron

complementados a través de correlaciones de niveles entre estaciones

hidrométricas vecinas (estaciones aguas abajo y aguas arriba), que se ajustaron

utilizando regresiones de tipo multilineal.

Las curvas de calibración nivel – caudal fueron elaboradas a partir de las tablas de

calibración suministradas por el IDEAM para diferentes períodos, y se usaron en la

metodología de llenado de datos faltantes para las series de caudal. Cuando fue

imposible obtener el dato de caudal por medio de las curvas de calibración se aplicó la

misma metodología descrita anteriormente para el llenado de datos faltantes de nivel.

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El resultado importante del análisis de complementación de datos faltantes de nivel y

caudal son las series completas a nivel diario de 30 años en el periodo 1980 – 2010,

las cuales son la información base de la modelación matemática.

Para lograr realizar el balance hídrico de las ciénagas seleccionadas y correr el modelo

integrado es necesario contar con datos de capacidad dados por el área superficial y

de volumen de agua para diferentes niveles. En este estudio se utilizó la información

suministrada por el IDEAM dedatos de niveles para diferentes estaciones localizadas

en el área de estudio, además de algunas imágenes satelitales de Landsat tomadas

entre los años de 1984 y 2004. Con el fin de completar el vacío de los años 2001 y

2003 en la serie temporal de las imágenes, se utilizó el servidor ESDI (EarthScience

Data Interface) de la página principal de la Universidad de Maryland y el software

ERDAS para procesarlas. Con la información de imágenes y niveles de agua

concurrentes se calcularon datos de cota–área –volumen de los cuerpos de agua del

modelo matemático conceptual. La metodología detallada se describe en el Anexo 1-3.

Los resultados obtenidos de las mejores relaciones potenciales ajustadas después de

haber calculado el área superficial y el volumen de agua para cada ciénaga se resumen

en la Tabla 6-2, y en el Anexo 1-3 se muestran de manera gráfica.

Con la información recibida del IDEAM de secciones transversales y aforos en las

estaciones hidrométricas y la información secundaria disponible de estudios previos

se realizaron análisis de las secciones hidráulicas equivalentes en los diferentes

tramos de estudio del modelo conceptual. Los Análisis se presentan completos en el

Anexo 1-4. En la Tabla 6-3 se resumen las secciones trapezoidales equivalentes

encontradas por el método de calibración descrito en el Anexo 1-4.

Adicionalmente a la información topobatimétrica recibida del IDEAM se utilizó toda la

información secundaria de estudios previos (Uniandes, 1998), (Universidad Nacional

de Colombia, 2006) disponible y primaria levantada en este estudio por la Sede

Medellín (ver Volúmenes 2 y 4). Es necesario resaltar que debido al alcance del

presente Convenio la información reciente levantada es puntual y se limita a algunos

cuantos aforos de los rompederos en el Río Cauca y de los caños receptores de las

aguas del Cauca en la región. Del análisis de esta información es claro que la dinámica

geomorfológica del río es muy alta. Como el río cambia continuamente el uso de

información levantada en diferentes periodos y estudios no es consistente y no se

puede ensamblar fácilmente.

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Tabla 6-2 Relaciones Cota - Área – Volumen ciénagas modelo conceptual

CIÉNAGA Rango Validez

cota Relación Cota - Área R2

Relación Cota -

Volumen R2

Ayapel 0<h<4.18 A = 2*107h1

.2789 0.999 V =810844h

4.6503 0.981

San Marcos 0<h<5.72 A = 2641.6h5.4276

0.993 V = 35.171h8.4294

0.998

La Hormiga 0<h<4.20 A = 963164h1.215

0.995 V = 445884h2.8836

0.968

Los Palos 0<h<7.02 A = 5*106h

0.827 0.997 V = 2*10

6h

2.6643 0.964

Machado 0<h<6.63 A = 3*107h

0.4483 0.985 V = 1*10

7h

2.4519 0.954

Los Patos 0<h<6.60 A = 3*107h

1.0832 0.999 V = 1*10

7h

2.8589 0.972

Las Islas 0<h<4.24 A = 4*106h

2.3487 0.995 V = 143812h

5.6927 0.985

Los Murciélagos 0<h<4.25 A = 2*107h

0.4398 0.975 V = 1*10

7h

2.2309 0.945

h= cota; A= Área superficial de la ciénaga (m2); V=Volumen de agua ciénaga (m3).

Tabla 6-3 Dimensiones canales trapezoidales equivalentes

Canal Ancho fondo del

canal [m] Pendiente

del talud

Brazo Chicagua 97.36 4.84

Brazo Loba 320.65 9.92

Brazo Mompos 61.02 6.94

Brazo Papayal 21.88 4.53

Brazo Rosario 85.91 6.996

Brazo Victoria 226.99 8.47

Río Cauca 261.43 9.96

Río Nechí 80.31 12.92

Río San Jorge 45.79 9.40

Río Magdalena 290.90 6.97

Esta limitación de información topobatimétrica reciente es muy importante y debe

subsanarse en etapas posteriores de diseño. En el Río Cauca por ejemplo deben

utilizarse los datos recopilados en las recientes campañas de monitoreo (2011 –

2012) desarrolladas por la Universidad del Norte para INVÏAS en el sector Caucasia –

Pinillos.

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7. CALIBRACIÓN HIDRÁULICA DEL MODELO

En este trabajo se avanzó en la calibración y verificación de la componente hidráulica

del modelo integrado hidrológico, hidráulico y de calidad del agua. La metodología de

calibración y verificación seguida se resume en los siguientes pasos:

• Calibración del modelo hidráulico entre estaciones sucesivas de aguas arriba

hacia aguas abajo usando los datos de las series hidrométricas de los años

1988 a 1991 (01/01/1988 - 31/12/1991)

• Verificación del modelo hidráulico calibrado entre estaciones sucesivas de

aguas arriba hacia aguas abajo usando los datos de las series hidrométricas

de los años 2006 a 2010 (01/01/2006 - 31/12/2010)

En particular se calibraron los parámetros del modelo hidráulico, n-Manning y

coeficiente de descarga o desborde lateral Cd (ver Ecuación 1) para las condiciones de

desborde del año 2010 en los siguientes tramos de los ríos Cauca – San Jorge y

Magdalena – Brazo de Loba (ver Plano 1-1):

Tramo río Cauca La Coquera (Caucasia) – Margento: n-Manning

Tramo río Cauca Margento – Las Flores: n-Manning, coeficientes de desborde

en los rompederos de Colorado (o Laredo) y Nuevo Mundo

Tramo río Cauca Las Flores – Las Varas: n-Manning, coeficientes de desborde

en los rompederos de Pedro Ignacio, Santa Anita, Potrero Nuevo, Tenche, San

Jacinto, Caregato o Malabeth y las Brisas

Tramo río Cauca Las Varas – Tres Cruces: n-Manning, coeficientes de desborde

en los rompederos de Caimital, la Boca del Cura y el Chorro los Bravos

(Ignacio)

Tramos Confluencia Río Cauca y Río Magdalena-Brazo de Loba utilizando las

estaciones de Tres Cruces (Cauca), Armenia (Brazo de Loba aguas arriba),

Palenquito (Brazo Chicagua) y Coyongal (Brazo de Loba aguas abajo): n-

Manning

Tramo río Magdalena - Brazo de Loba Coyongal-Sitio Nuevo-Barbosa: n-

Manning

Tramo río San Jorge Montelíbano – Marralú: n-Manning

No fue posible calibrar aún en forma satisfactoria, por su complejidad y falta de

estaciones hidrométricas los tramos del río San Jorge Marralú – Jegua y Jegua- San

Antonio.

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Se realizó la verificación del modelo calibrado con los datos del periodo 2006-

2010 y re-calibración en algunos casos del modelo. La calibración definitiva del

modelo hidráulico e hidrológico se presenta en los Anexos 3-4 y 3-5 de aspectos

hidráulicos y del modelo Hec-Ras del sistema Cauca – Brazo de Loba, el cual se

entrega como producto del presente convenio, junto con la herramienta

matemática desarrollada en Simulink.

Toda la información referente al modelo matemático incluyendo los datos y series

de entrada en las condiciones de frontera y los resultados de calibración se

entregará en un CD autocontenido en un curso de capacitación programado

conjuntamente con el DNP. Las series de caudal en las fronteras del sistema (ver

Plano 1-1), La Coquera (Río Cauca), La Esperanza (Río Nechí), La Raya (ciénaga la

Raya), Armenia (Brazo de Loba), Palenquito (Caño Chicagua), y Montelíbano (río

San Jorge) se presentan en las Figuras 7-1 a 7-6.

Figura 7-1 Series de tiempo periodos de calibración y verificación. Río Cauca – La Coquera

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Figura 7-2 Series de tiempo periodos de calibración y verificación. Río Nechí – La esperanza

Figura 7-3 Series de tiempo periodos de calibración y verificación. Ciénaga - La Raya

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Figura 7-4 Series de tiempo periodos de calibración y verificación. Armenia – Brazo de Loba

Figura 7-5 Series de tiempo periodos de calibración y verificación. Caño Palenquito – Brazo de

Loba

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Figura 7-6 Series de tiempo periodos de calibración y verificación. Montelíbano – Río San Jorge

Además de las condiciones actuales se han implementado en el modelo dos

alternativas con estructuras de diques vertederos y limpieza y adecuación de caños

receptores que serán descritas en los Volúmenes 2, 3 y 4 del Informe Final. Las

alternativas de manejo implementadas en el modelo matemático se esquematizan en

el plano de la Figura 7-7.

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Figura 7-7 Alternativa de manejo de rompientes del Río Cauca modelada matemáticamente

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8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

8.1. CONCLUSIONES

Como parte de este convenio se ha implementado una herramienta matemática

integrada de cantidad y calidad del agua del complejo sistema hídrico de la región de

la Mojana. La herramiente permite a nivel de planeamiento y pre-diseño simular y

comparar diferentes escenarios y alternativas de obras hidráulicas de manejo hidro-

sedimentológico de la región de la Mojana. En la implementación se utilizó la mejor

información secundaria disponible y alguna información hidráulica primaria

levantada en este estudio. La herramienta se calibró hidráulicamente con la

información disponible. Se implementaron y modelaron los efectos de alternativas de

manejo hidrosedimentológico propuestas para las Actividades y Productos A, B y C del

Convenio. La herramienta se encuentra a nivel operativo de usuario primario de

MATLAB/SIMULINK y no se alcanzaron a desarrollar interfaces de usuario secundario

o final. No obstante lo anterior la plataforma de trabajo es flexible y muy amigable y es

posible operar y manejar el modelo por parte de personal con conocimientos básicos

en MATLAB/SIMULINK. La herramienta permite calcular:

Caudales y niveles de agua en losRíos Cauca, San Jorge y Magdalena (Brazo de

Loba), los principales caños internos del delta hídrico interior, los caños de

interconexión con las ciénagas, y niveles de agua en las ciénagas, bajo

diferentes condiciones hidrológicas e hidrogramas de entrada en las

condiciones de frontera del sistema.

Carga de sólidos en suspensión a la entrada y salida del sistema hídrico de la

Mojana permitiendo el cálculo de la sedimentación en los ríos, los caños y las

ciénagas del sistema bajo diferentes condiciones hidrológicas, hidrogramas y

carga sólida en las condiciones de frontera.

Calidad bacteriológica, biológica y físico-química del agua en los ríos,los caños

principales y las ciénagas, bajo diferentes condiciones hidrológicas y carga

contaminante a la entrada por las condiciones de frontera.

Mediante el modelo matemático se pudieron considerar y comparar varias

alternativas de obras hidráulicas (diques, diques vertederos), secciones de canales y

caños receptoras de las aguas del Río Cauca, permitiendo optimizar su diseño en los

términos previstos en las Actividades y Productos A, B y C del presente Convenio.

Estos resultados se presentan en los Volúmenes correspondientes.

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8.2. RECOMENDACIONES

Desarrollar campañas de mediciones de calidad del agua que permitan calibrar

el modelo matemático en esta componente, el cual no se calibró como parte de

este estudio

Incorporar en el modelo hidráulico del Río Cauca los datos tomados en las

recientes campañas de mediciones llevadas a cabo por la Universidad del Norte

para INVIAS, en el sector de Caucasia a Pinillos, como parte del estudio de

factibilidad de la Navegabilidad del Río Cauca

Realizar campañas de mediciones hidrométricas en los caños internos del

sistema después de la ola invernal 2010 – 2012 para actualizar y perfeccionar

la conceptualización e información de las interconexiones y secciones

transversales del modelo

Mejorar la instrumentación hidrométrica al interior de los principales caños

del sistema y al menos en los siguientes: Barro, Muñoz, San Matías, Rabón,

Gramalote, Ventanillas, Mojana y Panceguita, así como en el bajo San Jorge en

San Marcos, San Antonio y en la desembocadura al Brazo de Loba. La

información es necesaria entre otros aspectos, para mejorar el entendimiento

del comportamiento hídrico del sistema y calibrar el modelo matemático al

interior del sistema.

Desarrollar programas de pos-procesamiento de información generada por el

modelo e interfaces de usuario final y el manual de usuario correspondiente.

Programar y realizar la capacitación de la herramienta a funcionarios del

IDEAM y las Corporaciones regionales involucradas en la planeación,

ordenamiento y el manejo de la región.

Realizar, con fines de diseño definitivo de la alternativa de manejo y control de

inundaciones recomendada en este estudio de prefactibilidad, levantamientos

altimétricos LIDAR en franjas de 500 metros de ancho a lo largo de los ríos

Cauca, Magdalena – Brazo de Loba y San Jorge, y los caños Barro, Muñoz, San

Matías, Rabón, Gramalote, Ventanillas, Mojana y Panceguita en los términos

indicados en los Volúmenes 2, 3 y 4. Esta información se considera un insumo

base del modelo desarrollado o de cualquier otro que se utilice en el diseño

final de estructuras hidráulicas y adecuaciones y limpieza de caños del sistema

soportado en modelación matemática.

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10. ANEXOS

10.1. ANEXO 1-1: FORMULACIÓN NUMÉRICA DEL MODELO MDLC-QUASAR EXTENDIDO

10.2. ANEXO 1-2: ESTUDIO HIDROCLIMÁTICO

10.3. ANEXO 1-3: CURVAS DE CAPACIDAD

10.4. ANEXO 1-4: ASPECTOS HIDRÁULICOS

10.5. ANEXO 1-5: IMPLEMENTACIÓN DEL MODELO HIDRÁULICO EN HEC RAS