informe modelación del rio palo, convenio marco 25-05-2012

CORPORACIÓN AUTÓNOMA REGIONAL DEL CAUCA

ESTUDIO DE ACTUALIZACIÓN DEL MODELO DE CALIDAD DEL

AGUA DEL RÍO PALO 2011 TRAMO PUENTE DE GUACHENÉ –

BOCAS DEL PALO

CONVENIO MARCO DE COOPERACIÓN ENTRE

LA CORPORACIÓN AUTÓNOMA REGIONAL DEL CAUCA - CRC,

CARVAJAL PULPA Y PAPEL, INGENIO LA CABAÑA S.A., ZONA

FRANCA DEL CAUCA Y FUNDESINPA

POPAYÁN 25-05-2012.

Proyecto “Calibración del modelo de simulación de la calidad del agua QUAL2Kw del Río Palo con fines de

Ordenamiento del Recurso Hídrico”. Convenio Fundación FUNARU - CRC. Segundo informe técnico.

Ing. Dr. Javier E. Holguin Gonzalez e-mail: [email protected] i

CALIBRACIÓN DEL MODELO DE SIMULACIÓN DE LA CALIDAD DEL AGUA QUAL2KW DEL RÍO PALO CON FINES

DE ORDENAMIENTO DEL RECURSO HÍDRICO

CONVENIO CRC -FUNARU

REALIZADO POR:

Dr. JAVIER ERNESTO HOLGUÍN GONZALEZ

SUBDIRECCION DE GESTIÓN AMBIENTAL JULIO 2014



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TABLA DE CONTENIDO

1. INTRODUCCION _____________________________________________________________ 1

2. ASPECTOS GENERALES DEL USO DEL MODELO QUAL2KW COMO

HERRAMIENTA DE SIMULACIÓN ________________________________________________ 2

2.1. GENERALIDADES _____________________________________________________________ 2 2.2. PROTOCOLO DE MODELACIÓN __________________________________________________ 2 2.3. SELECCIÓN DEL MODELO APROPIADO DE SIMULACIÓN ______________________________ 2 2.4. MODELO DE SIMULACIÓN QUAL2KW ___________________________________________ 4 2.4.1 DESCRIPCIÓN DEL MODELO DE SIMULACIÓN QUAL2KW _____________________________ 4 2.4.2 INFORMACIÓN DE ENTRADA AL MODELO _________________________________________ 10 2.4.3 INFORMACIÓN DE SALIDA DEL MODELO __________________________________________ 11

3. EVALUACIÓN DE LAS BASES DE DATOS EXISTENTES CON FINES DE

CALIBRACION DEL MODELO DE SIMULACION __________________________________ 12

3.1 ESTUDIO DE MODELACIÓN DE INGESAM LTDA. AÑO 2002 ___________________________ 12 3.1.1 TRAMOS DEL RÍO Y CAMPAÑAS DE MONITOREO DE CALIDAD DEL AGUA ________________ 12 3.1.2 CARACTERÍSTICAS HIDRÁULICAS DEL RÍO ________________________________________ 13 3.2 ESTUDIO DE MODELACIÓN DE LA UNIVERSIDAD DEL CAUCA AÑO 2009 ________________ 16 3.2.1 TRAMOS DEL RÍO Y CAMPAÑAS DE MONITOREO DE CALIDAD DEL AGUA ________________ 16 3.2.2 CARACTERÍSTICAS HIDRÁULICAS DEL RÍO ________________________________________ 16

4. IMPLEMENTACIÓN DEL MODELO QUAL2KW PARA EL RÍO PALO ____________ 19

4.1 TOPOLOGÍA O ESQUEMATIZACIÓN______________________________________________ 19 4.2 DATOS DE ENTRADA AL MODELO DE SIMULACIÓN ________________________________ 22 4.2.1 BASE DE DATOS PARA LA CALIBRACIÓN Y VERIFICACIÓN DEL MODELO _____________ 22 4.2.2 CONDICIONES EN LA FRONTERA AGUAS ARRIBA O CABECERA DE LA CORRIENTE ____ 25 4.2.3 CONDICIONES EN LAS ESTACIONES DE MONITOREO AGUAS ABAJO __________________ 26 4.2.4 INFORMACIÓN HIDRÁULICA DE LOS SECTORES DE MODELACIÓN ___________________ 27 4.2.5 DATOS CLIMATOLÓGICOS ___________________________________________________ 29

5. BALANCE HIDRICO, CALIBRACION Y VERIFICACIÓN DEL COMPONENTE

HIDRÁULICO DEL MODELO QUAL2KW DEL RÍO PALO __________________________ 32

6. CARGAS CONTAMINANTES PUNTUALES Y DISPERSAS EN EL MODELO DE

CALIDAD DEL AGUA QUAL2KW DEL RÍO PALO _________________________________ 36

6.1 CONDICIONES EN LAS CARGAS PUNTUALES Y CAPTACIONES _________________________ 36 6.2 CONDICIONES EN LAS CARGAS DISTRIBUIDAS (CARGAS DISPERSAS O DIFUSAS) __________ 38



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7. CALIBRACION Y VERIFICACIÓN DEL MODELO DE CALIDAD DEL AGUA

QUAL2KW DEL RÍO PALO ______________________________________________________ 40

7.1 GENERALIDADES ____________________________________________________________ 40 7.2 PROCESO DE CALIBRACIÓN Y VERIFICACIÓN DEL MODELO QUAL2KW _______________ 41

8. BIBLIOGRAFÍA _____________________________________________________________ 55

ANEXOS _______________________________________________________________________ 57 ANEXO 1 ______________________________________________________________________ 58 CALCULO DE LAS CONSTANTES HIDROMÉTRICAS DE LAS SECCIONES

HIDRÁULICAS UTILIZADAS EN EL MODELO DE CALIDAD DEL AGUA QUAL2KW DEL

RÍO PALO _____________________________________________________________________ 58



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LISTADO DE FIGURAS

Figura No. 1 Marco de modelación propuesto por Camacho y Díaz (2003)............................................ 3 Figura No. 2 Esquematización general del modelo QUAL2Kw para un río con quebradas o ríos

tributarios representadas como vertimientos puntuales Fuente: Chapra y Pelletier (2008). .................... 6 Figura No. 3 Esquematización general del modelo QUAL2Kw para un río con tributarios (a) y

representación del río en el QUAL2Kw (b) ilustrando el ramal principal de modelación, las cabeceras

(HW) y el números de tributarios. Adaptado de: Chapra y Pelletier (2008). .......................................... 7 Figura No. 4 Conceptualización de un elemento computacional, del balance de caudal y balance de

masas al interior de este, en un tramo en un río. Adaptado de US-EPA, 1995. ....................................... 8 Figura No. 5 Balance de caudales en un elemento computacional .......................................................... 8 Figura No. 6 Canal Trapezoidal ............................................................................................................... 9 Figura No. 7 Balance de masas en un elemento computacional ............................................................ 10 Figura No. 8 Hoja de ingreso de información de los tramos de modelación sectores en el QUAL2Kw

(‘’reach’’) ............................................................................................................................................... 21 Figura No. 9 Información suministrada al modelo QUAL2Kw en la cabecera del río Palo durante el

monitoreo de 19 de Septiembre de 2012 ................................................................................................ 26 Figura No. 10 Información suministrada en las estaciones de monitoreo sobre el río Palo, ubicadas

aguas abajo de la cabecera, durante el monitoreo de 19 de Septiembre de 2012 ................................... 27 Figura No. 11 Información de secciones hidráulicas del río Palo suministrada al modelo QUAL2Kw en

los tramos de modelación. Se observan las constantes hidrométricas de las relaciones entre el caudal, la

velocidad y la profundidad del agua seleccionadas. ............................................................................... 30 Figura No. 12 Información climatológica ingresada al modelo durante el monitoreo de 19 de

Septiembre de 2012 (temperatura del aire, temperatura del punto de rocío) ......................................... 31 Figura No. 13 Información de las cargas puntuales y captaciones suministrada al modelo QUAL2Kw

en el río Palo durante el monitoreo del 19 de Septiembre de 2012 (caudales bajos) ........... 37 Figura No. 14 Información de las cargas dispersas suministradas al modelo QUAL2Kw en el río Palo

durante el monitoreo del 19 de Junio de 2013 (caudales altos) .............................................................. 39 Figura No. 15 Proceso general de calibración de un modelo de simulación .......................................... 40 Figura No. 16 Hoja electrónica “Rates” para el ingreso de los parámetros de calibración en el modelo

QUAL2Kw en el Río Palo ..................................................................................................................... 42 Figura No. 17 Metodología implementada para la determinación de los valores de los parámetros de

calibración del modelo QUAL2Kw del río Palo mediante la técnica de algoritmo genéticos (10100

corridas), monitoreo del 19 de Septiembre de 2012. Se observan dos hojas de cálculo Fitness y Auto-

calibración, en las que se desarrolló la aplicación de calibración del modelo. ...................................... 44 Figura No. 18 Ejemplo de resultados usados para la determinación de los valores de los parámetros de

calibración del modelo QUAL2Kw del río Palo mediante la técnica de algoritmo genéticos (10100

corridas), monitoreo del 19 de Septiembre de 2012 ............................................................................... 47 Figura No. 19 Resultados de la calibración del modelo QUAL2Kw del río Palo durante el monitoreo

del 19 de Septiembre de 2012, para el caudal, la velocidad y la profundidad ....................................... 49 Figura No. 20 Resultados de la calibración del modelo QUAL2Kw del río Palo durante el monitoreo

del 19 de Septiembre de 2012, para la temperatura, conductividad, oxígeno disuelto, la DBOrapida

(DBO5), la DBOlenta, el amonio, nitratos + nitritos y detritus ................................................................. 50 Figura No. 21 Resultados de la calibración del modelo QUAL2Kw del río Palo durante el monitoreo

del 19 de Septiembre de 2012, para Fosforo Total, Fosforo Orgánico, Fosforo Inorgánico, Coliformes

Fecales (Patógenos), SST, SSI, pH y Alcalinidad .................................................................................. 51



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Figura No. 22 Resultados de la verificación del modelo QUAL2Kw del río Palo durante el monitoreo

del 19 de Junio de 2013 para el caudal, la velocidad y la profundidad .................................................. 52 Figura No. 23 Resultados de la verificación del modelo QUAL2Kw del río Palo durante el monitoreo

del 19 de Junio de 2013, para la temperatura, conductividad, oxígeno disuelto, la DBOrapida (DBO5), la

DBOlenta, el amonio, nitratos + nitritos y detritus ................................................................................... 53 Figura No. 24 Resultados de la verificación del modelo QUAL2Kw del río Palo durante el monitoreo

del 19 de Junio de 2013, para Fosforo Total, Fosforo Orgánico, Fosforo Inorgánico, Coliformes

Fecales (Patógenos), SST, SSI, pH y Alcalinidad .................................................................................. 54



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LISTADO DE TABLAS

Tabla 1. Parámetros fisicoquímicos y biológicos del modelo QUAL2Kw .......................... 11

Tabla 2. Descripción de tramos del Río Palo – Estudio Ingesam Ltda. ............................. 12 Tabla 3. Tramos característicos del Río Palo y ubicación de captaciones y/o descargas. 13

Tabla 4. Ubicación Geográfica y Altitud de las Secciones Evaluadas en el estudio de

Ingesam Ltda. .......................................................................................................................... 14

Tabla 5. Coeficientes y Exponentes para las Ecuaciones de Velocidad Vs. Caudal y

Profundidad Vs. Caudal. ........................................................................................................ 14

Tabla 6. Localización de las secciones hidráulicas analizadas en el estudio de Ingesam a

lo largo del río Palo. ................................................................................................................. 15 Tabla 7. Descripción de tramos del Río Palo – Estudio Unicauca. ..................................... 16 Tabla 8. Mediciones y constantes hidrométricas para el Rio Palo – Estudio Unicauca ... 17

Tabla 9. Resultados de aforos en las estaciones sobre el Río Palo – Campaña periodo de

estiaje – CRC – Agosto 10 de 2006. ........................................................................................ 17 Tabla 10. Tributarios y Descargas Principales sobre el Rio Palo - Campaña periodo de 18 Tabla 11. Principales extracciones sobre el Rio Palo - Campaña periodo de estiaje – ..... 18

Tabla 12. Descripción de los tramos de modelación del río Palo ........................................ 19 Tabla 13. Esquematización del modelo de calidad de agua del río Palo ............................ 20

Tabla 14. Resultados de los análisis de calidad de agua obtenidos durante el monitoreo

realizado el 19 de Septiembre de 2012. .................................................................................. 23

Tabla 15. Resultados de los análisis de calidad de agua obtenidos durante el monitoreo

realizado el 19 de Junio de 2013. ............................................................................................ 24

Tabla 16. Datos de caudal reportados por la CRC en las dos campañas de monitoreo con

fines de calibración realizadas en los años 2012 y 2013. Caudal en m3/s ........................... 25

Tabla 17. Descripción de los tramos de modelación del río Palo considerados por

Ingesam (2002), que coinciden con el área de estudio considerada por esta Consultoría 28

Tabla 18. Constantes hidrométricas seleccionadas para calibrar el componente

hidráulico del modelo QUAL2Kw del río Palo en este estudio ........................................... 29

Tabla 19. Fuente de información de caudales para la simulación del componente

hidráulico del modelo QUAL2Kw del río Palo. .................................................................... 32

Tabla 20. Caudal de captación por bombeo para riego en el tramo comprendido entre las

estaciones E2 y E3. ................................................................................................................... 33


estaciones E4 y E5. ................................................................................................................... 34

Tabla 22. Caudales dispersos incorporados para la calibración del componente

hidráulico del modelo QUAL2Kw del río Palo. .................................................................... 35

Tabla 23. Descargas puntuales municipales, industriales y naturales sobre el río Palo

consideradas en este estudio ................................................................................................... 36

Tabla 24. Descargas dispersas sobre el río Palo consideradas en este estudio .................. 39

Tabla 25. Principales parámetros de calibración en el modelo QUAL2Kw y rangos

empleados durante la calibración mediante algoritmos genéticos ...................................... 45

Tabla 26. Valores de los parámetros de calibración seleccionados para el modelo

QUAL2Kw del río Palo ........................................................................................................... 46



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1. INTRODUCCION

El Decreto 3930 de 2010 (MAVDT, 2010), reafirma la necesidad y pertinencia de formular los

Planes de Ordenamiento del Recurso Hídrico (PORH) en el marco de la Política Nacional para

la Gestión Integral del Recurso Hídrico. La Corporación Autónoma Regional del Cauca - CRC

como principal autoridad ambiental en el departamento del Cauca se encuentra en el proceso

de formulación del Plan de Ordenamiento del Recurso Hídrico (PORH) del río Palo. Teniendo

en cuenta este objetivo, la CRC convoca a la Fundación FUNARU en un proyecto de

consultoría cuyo objeto es “Prestar una asesoría técnica a la Corporación Autónoma Regional

del Cauca, que permita la calibración y verificación del modelo de simulación de la calidad del

agua QUAL2Kw del río Palo.”

El uso de modelos matemáticos de simulación ha ido ganando importancia como herramienta

para contribuir a la planificación y gestión integrada de los recursos hídricos. El Decreto 3930

de 2010 en sus Artículos 6 y 7 plantea la necesidad y pertinencia de usar modelos de

simulación de la calidad del agua que permitan determinar la capacidad asimilativa de

sustancias biodegradables o acumulativas y la capacidad de dilución de sustancias no

biodegradables. Sin embargo, para que estos modelos de simulación puedan representar con la

mayor fidelidad la realidad estudiada, es necesario someterlos a un proceso de calibración y

verificación. Una vez estos modelos han sido calibrados pueden utilizarse con fines de

pronóstico, mediante corridas del modelo con escenarios de control de la contaminación, para

fijar objetivos de calidad del agua y determinar usos potenciales del rio.

Durante los meses de abril y mayo de 2014 se realizó la calibración y verificación de los

subcomponentes hidráulicos y fisicoquímicos del modelo de simulación de la calidad del agua

QUAL2Kw del Río Palo. Las actividades desarrolladas consistieron en la revisión y

evaluación de la información hidráulica y fisicoquímica disponible de proyectos anteriores

realizados por la CRC en la zona de estudio, para posteriormente hacer la calibración y

verificación del modelo QUAL2Kw del Río Palo.

El presente documento, “Informe de Producto Nº 2 – “Calibración y verificación del modelo

de calidad del agua QUAL2Kw del río Palo”, sintetiza los aspectos más relevantes del

desarrollo del proyecto relacionados con este producto. En este documento se describe la

implementación del modelo QUAL2Kw (Chapra y Pelletier, 2008), en la cuenca baja del río

Palo, en el tramo comprendido entre la estación Puente via Guachené y la desembocadura al

rio Cauca (Bocas del Palo), empleando los datos recopilados en las campañas de monitoreo

con fines de calibración del modelo de simulación, realizadas por la CRC en los meses de

Septiembre de 2012 (caudales bajos) y Junio de 2013 (caudales altos).




2. ASPECTOS GENERALES DEL USO DEL MODELO QUAL2KW COMO

HERRAMIENTA DE SIMULACIÓN

2.1. Generalidades

El rápido crecimiento de los centros urbanos, la ampliación de la frontera agrícola y el

desarrollo industrial, entre otros factores, han propiciado una gran demanda de agua, cuyo

deterioro en cantidad y calidad es creciente, ya que la mayoría de corrientes superficiales están

siendo utilizadas como cuerpos receptores de aguas residuales de las diferentes actividades

humanas, limitando su uso para diferentes propósitos, lo cual implica un impacto económico

importante ya que son necesarios métodos y sistemas de tratamiento más elaborados y

costosos para recuperar el nivel de calidad deseado.

Los modelos de calidad de agua calibrados con datos de campo sirven como herramientas de

planeación integral de los recursos hídricos, permitiendo establecer relaciones causa efecto

para toma de decisiones oportunas y económicamente viables. Estos modelos deben ser una

representación aproximada del sistema real y contener el mayor número de aspectos

importantes del mismo, sin que su grado de complejidad haga difícil su comprensión y

aplicación. Esta técnica permite el análisis y la toma de decisiones con respecto a las

diferentes intervenciones y obras proyectadas, convirtiéndose en una herramienta muy valiosa

para propósitos de gestión, planificación y evaluación de impactos.

2.2. Protocolo de modelación

El protocolo de modelación seguido en este estudio durante la implementación del modelo de

simulación de la calidad del agua del río Palo, tomó como referencia el protocolo propuesto

por Camacho y Diaz (2003), (Figura No. 1) los cuales plantearon una modificación del marco

de modelación general propuesto por Rientjes y Boekelman (1998).

2.3. Selección del modelo apropiado de simulación

La selección de un modelo de calidad de agua implica observar las características de la

corriente hídrica a estudiar, las capacidades de la entidad interesada en implementar el modelo

y las propiedades del programa en sí; entonces, el modelo seleccionado será aquel cuyas

propiedades se adapten mejor a las características de la corriente en cuestión y a las

capacidades de la entidad interesada, Lozano et al (2003). Teniendo en cuenta que el modelo

QUAL2K implementado por la Universidad del Cauca y CRC en el año 2009 en el río Palo

dio resultados satisfactorios, se decidió continuar con la implementación de una actualización

de este modelo, el modelo QUAL2Kw (Chapra y Pelletier, 2008), en el presente estudio. El

modelo QUAL2Kw representa en forma adecuada los fenómenos de transporte de

contaminantes, de transformación de materia orgánica carbonacea y nitrogenada y la

capacidad de autopurificación en ríos (Holguin et al., 2013). De igual forma, este modelo tiene

una representación matemática apropiada de los procesos físico-químicos y de las

interacciones columna agua–sedimentos. Por tales razones, se justifica implementar el modelo

QUAL2Kw para simular la calidad del agua del río Palo.




Figura No. 1 Marco de modelación propuesto por Camacho y Díaz (2003)

Usos actuales y

prospectivos del agua

Valores históricos

hidrologícos y de

calidad del agua

Carga contaminante

Características, cantidad,

localización localización

Investigación preliminar

Tipo de modelo

Estándares de calidad del agua

impactos y determinantes de

calidad del agua

Inspeccion de campo del

modelador

Sitios de medición

Procesos dominantes

Complejidad del modelo

Implementación o selección del

modelo

-Soluciones analiticas y cerradas

-Ejemplos sintéticos

-Pruebas pos-modelación

Modelo apropiado para el sistema

físico

modelado verificado

Investigación hidráulica preliminar

y ensayos con trazadores

No

Si

Parámetros hidráulicos y

de transporte. Modelo de

tiempos de viaje

Código

verificado?

Implementación y análisis de

simulaciones. Orientación a nivel

de planeación

Investigación hidráulica preliminar

y ensayos con trazadores

Parámetros hidráulicos y

de transporte. Modelo de

tiempos de viaje

Programacion de tomas de

muestras

Campañas de mediciones y

análisis de laboratorio

Análisis de datos y determinación

de conflictos uso calidad

Calibración del modelo

Verificación del modelo

Metodología de muestreo, sitios,

horas de toma, frecuencia.

Acuerdos laboratorio y personal de

campo

Datos para calibración del

modelo con mínima

incertidumbre

Análisis de sensibilidad e

incertidumbre paramétrica.

Límites de confianza

cuantificación de incetidumbre

cargas y medio físico. Límites de

confianza

Contramuestras

Estándares de toma,

preservación, transporte y

análisis

Comparación con series de

tiempo independientes




2.4. Modelo de simulación QUAL2Kw

2.4.1 Descripción del modelo de simulación QUAL2Kw

El modelo QUAL2Kw (Chapra y Pelletier, 2008) es un software de modelación de calidad de

agua para ríos de uso libre, desarrollado bajo una aplicación de Visual Basic que trabaja bajo

Excel. El modelo incorpora parámetros de calidad de agua, parámetros hidráulicos, datos de

elevación, ubicación geográfica, meteorología y procesos de reaireación. El modelo

QUAL2Kw es una versión mejorada del modelo QUAL2K (Chapra y Pelletier, 2003) que

permite la simulación de sistemas hídricos de tipo dendrítico, es decir, aquellos donde la

simulación se extiende no solo a la corriente principal, sino también a corrientes tributarias.

Adicionalmente, este modelo presenta una aplicación que permite realizar una calibración

objetiva, mediante la auto calibración del modelo usando la técnica de algoritmos genéticos.

Las características generales del modelo QUAL2Kw son:

Tipo de software e interfase gráfica. Este modelo opera en ambiente Windows mediante

el lenguaje Visual Basic. La interfase con el usuario se efectúa bajo el software Excel

facilitando ampliamente la captura de datos y la generación y presentación de resultados

tanto de bases de datos como de gráficas. Estas características hacen del QUAL2Kw un

modelo amigable y de fácil de uso.

Segmentación del modelo. A diferencia de modelos anteriores como el QUAL2E, el

modelo QUAL2Kw no presenta limitaciones en la especificación del número y longitud de

tramos que se pueden modelar. De esta forma múltiples vertimientos y extracciones

pueden ser introducidas en cualquier tramo.

Dimensionalidad. El modelo QUAL2Kw es un modelo unidimensional. Debido a que en

la mayoría de los ríos las dimensiones de la longitud son mucho mayores a las

profundidades y anchos, entonces es adecuado hacer una representación del sistema en una

dimensión (en la dirección del flujo). Se parte del supuesto de que el río o canal se

encuentra bien mezclado tanto vertical como horizontalmente.

Hidrodinámica. Se simula el flujo en condiciones hidráulicas estables, es decir en

condiciones de flujo permanente, simulando periodos de caudal y cargas constantes en el

tiempo (tanto en la corriente principal como en los tributarios).

Modelación de sistemas hídricos de tipo dendrítico. El modelo permite hacer

simulaciones de la calidad del agua de sistemas hídricos de tipo dendrítico, es decir,

aquellos donde la simulación se extiende no solo a la corriente principal, sino también a

corrientes tributarias. El modelo tiene capacidad de simular en total cuatro (4) corrientes

superficiales de manera independiente o integrada al ramal principal dependiendo de las

necesidades del usuario.

Variación diurna del calor. El calor del volumen de agua y la temperatura son simulados

como función de aspectos metereológicos en una escala de variación diurna.




Cinética diurna de la calidad del agua. Todas las variables de la calidad del agua son

simuladas en escala de tiempo diurna. A pesar de ser un modelo de flujo permanente, el

modelo tienen la opción de trabajo en la modalidad de un modelo cuasi-dinámico,

mediante el cual se pueden analizar los efectos de las variaciones diurnas de los estándares

meteorológicos sobre la calidad del agua, especialmente sobre OD y temperatura, así como

estudiar variaciones diurnas de OD debidas al crecimiento algal y la respiración.

Entradas de masa y calor al sistema. Se simulan vertimientos y extracciones tanto

puntuales como dispersas.

Parámetros modelados. El modelo simula los siguientes parámetros: conductividad,

sólidos suspendidos inorgánicos, oxígeno disuelto, DBO rápida, DBO lenta, nitrógeno

orgánico disuelto, nitrógeno amoniacal, nitratos, fósforo orgánico disuelto, fósforo

inorgánico, fitoplancton (algas en la columna de agua), detritus, patógenos, alcalinidad,

carbono orgánico total, algas de fondo, temperatura y caudal.

Especies de DBO carbonacea. El modelo QUAL2Kw usa dos formas de DBO

carbonacea para representar el carbono orgánico. Estas formas son: la DBO de lenta

oxidación (materia orgánica degradable lentamente o DBOslow) y la DBO de rápida

oxidación (materia orgánica degradable rápidamente o DBOfast). Adicionalmente se

simula la materia orgánica particulada (Detritus). Este material de detritus está compuesto

por partículas de carbón, nitrógeno y fósforo en una estequiometria fija.

Algas en el fondo (periphyton o plantas radiculadas fijas). El modelo tiene un módulo

completo de modelación de crecimiento de phytoplankton (plantas flotantes) y de

periphyton y macrófitas (plantas radiculadas fijas) y simula explícitamente las formaciones

de algas en el fondo. Los modelos de crecimiento son función de la disponibilidad de

nutrientes (fósforo y nitrógeno en forma aprovechable para la generación de biomasa), de

la temperatura, y de la intensidad de luz que penetra en el cuerpo de agua. Esta última a su

vez es función de la radiación solar incidente y de la turbidez del agua.

Extinción de la luz. La extinción de la luz al interior de la columna de agua se calcula

como función de las algas, el detritus y los sólidos inorgánicos

pH. Inicialmente se simula la alcalinidad y el carbón inorgánico total. Después el pH en el

río se modela basado en las dos cantidades anteriores.

Patógenos. Se modela un patógeno genérico (coliformes fecales o coliformes totales). La

remoción de patógenos está determinada como función de la temperatura, la luz y la

sedimentación.

Interacciones Agua-Sedimento. Los flujos en la interfase agua-sedimento de OD y

nutrientes se simulan internamente en el modelo. De esta forma el flujo de demanda

béntica (SOD) y de nutrientes son simulados como función de la sedimentación de materia




orgánica particulada, reacciones dentro de los sedimentos, y de concentraciones de las

formas solubles en la columna de agua.

Condiciones anaeróbicas y Anoxia. El modelo QUAL2Kw bajo condiciones anaeróbicas

calcula endógenamente la degradación de la materia orgánica en la metanogénesis y

modela la desnitrificación en la columna de agua y en los sedimentos. Este modelo

representa la tasa de descomposición de la materia orgánica bajo condiciones anaeróbicas,

teniendo en cuenta la anoxia mediante la asignación de un valor de cero (0) a las

reacciones de oxidación a bajas concentraciones de OD. En estas condiciones, la tasa de

descomposición ocurre a la tasa de reaireación superficial con un déficit de oxígeno

máximo igual al nivel de oxígeno de saturación. Adicionalmente, el modelo presenta una

corrección en la tasa de nitrificación (inhibición) bajo niveles muy bajos de oxígeno y

modela la desnitrificación en la columna de agua y en los sedimentos como una reacción

de primer orden que empieza a ser importante en bajos niveles de oxígeno.

2.4.1.1 Representación de una corriente superficial en el QUAL2K

La topología o esquematización de un modelo matemático de simulación corresponde a la

representación de las características del sistema que se requiere modelar. En el caso de la

modelación en corrientes superficiales dicha representación se refiere a las características

hidrogeométricas y la definición de las fronteras del modelo (fronteras internas y externas).

Las fronteras externas corresponden a las estaciones de monitoreo ubicadas aguas arriba y

aguas abajo del tramo en estudio (Figura No. 2). Las fronteras internas corresponden a los ríos

tributarios, las extracciones y los vertimientos para los cuales se dispone de información de

caudales y calidad del agua. La corriente modelada se divide en una red de “cabeceras”

(fronteras aguas arriba), “tramos” y “nodos o intersecciones”. En el momento de seleccionar

los tramo entre las estaciones se debe tener en cuenta que las propiedades físicas e hidráulicas

(sección transversal, pendiente de la corriente, rugosidad etc), químicas y biológicas

permanecen constantes a lo largo de cada tramo.

Frontera aguas arriba

Frontera aguas abajo

Vertimiento puntual

Extracción puntual

Vertimiento puntual

Extracción puntual

Vertimiento puntual

Vertimiento

distribuido

Extracción

distribuida

Frontera aguas arriba

Frontera aguas abajo

Vertimiento puntual

Extracción puntual

Vertimiento puntual

Extracción puntual

Vertimiento puntual

Vertimiento

distribuido

Extracción

distribuida

Figura No. 2 Esquematización general del modelo QUAL2Kw para un río con quebradas o

ríos tributarios representadas como vertimientos puntuales Fuente: Chapra y Pelletier (2008).




El modelo QUAL2Kw simula sistemas hídricos de tipo dendrítico, es decir, aquellos donde la

simulación se extiende no solo a la corriente principal, sino también a corrientes tributarias

(Figura No. 3). El modelo tiene capacidad de simular un (1) ramal principal y tres (3)

corrientes tributarias. Los ríos tributarios pueden ser manejados de manera independiente o

integrarse al ramal principal dependiendo de las necesidades del usuario.

Figura No. 3 Esquematización general del modelo QUAL2Kw para un río con tributarios (a)

y representación del río en el QUAL2Kw (b) ilustrando el ramal principal de modelación, las

cabeceras (HW) y el números de tributarios. Adaptado de: Chapra y Pelletier (2008).

El modelo QUAL2Kw permite evaluar la capacidad asimilativa de agua residual de un sistema

de corrientes mediante la simulación de varios constituyentes de calidad del agua en el

sistema, utilizando una solución en diferencias finitas de las ecuaciones de advección y

dispersión de masa y de reacción. Conceptualmente el tramo de un río se divide en una

sucesión de pequeños subtramos o elementos computacionales (Figura No. 4), que operan

como reactores completamente mezclados. Para cada elemento computacional se realiza un

balance hidrológico en términos del caudal Q, un balance térmico en términos de la

temperatura T, y un balance de masa en términos de concentración C de cada constituyente

(Figura No. 4). En estos elementos puede haber ganancia o pérdida de masa debido a procesos

de transporte (advección y dispersión), fuentes externas o sumideros (e.g. descarga de agua

residual o tomas o extracciones de agua) o por fuentes internas y sumideros (e.g. demanda

béntica o transformaciones bioquímicas). Las ecuaciones de balance resultante se resuelven

para el caso de flujo permanente con un método clásico de diferencias finitas implícito. Los

resultados finales se traducen en curvas que muestran la variación de los parámetros

modelados a lo largo de la corriente.




Figura No. 4 Conceptualización de un elemento computacional, del balance de caudal y

balance de masas al interior de este, en un tramo en un río. Adaptado de US-EPA, 1995.

2.4.1.2 Balance de flujo en la corriente

En el modelo QUAL2Kw se simula el flujo en una corriente superficial en estado estable o

permanente (el caudal en la fronteras externas (cabecera) y las internas (tributarios y

captaciones) es constante en el tiempo) y no uniforme (el caudal es diferente en la trayectoria

del río, en la medida que recibe el aporte de los tributarios). Al asumir un régimen de flujo en

estado estable, se puede establecer un balance de caudales para un elemento computacional i,

tal como se expresa en la Figura No. 5 y Ecuación 1:

Figura No. 5 Balance de caudales en un elemento computacional

iabinii QQQQi ,,1 (1)

Tramo n

Elemento

Computacional i

Balance

de masa

Balance

de flujo




donde Qi= caudal a la salida del elemento i, Qi-1 = caudal a la entrada del elemento, Qin,i=

caudal de los vertimientos o entradas puntuales del elemento i y Qab,i= caudal de las

extracciones o salidas puntuales del elemento i.

Después de haber calculado el caudal a la salida de cada elemento computacional, se puede

calcular la profundidad y la velocidad de dos formas: mediante curvas de relaciones

hidráulicas o mediante la ecuación de Manning. A continuación se describe cada una de ellas:

Curvas de relaciones hidráulicas: Se pueden derivar ecuaciones potenciales para

relacionar la velocidad y la profundidad del flujo de la forma:

(2)

(3)

donde a, b, y son coeficientes empíricos que se determinan de las curvas velocidad-

caudal y de profundidad – caudal.

Ecuación de Manning: Cada tramo es idealizado como un canal trapezoidal (Figura No.

6). Bajo condiciones de estado estable, la ecuación de Manning puede ser empleada para

expresar la relación entre el caudal y la profundidad como:

donde Q = caudal, So = pendiente del fondo, n = coeficiente de rugosidad de manning, Ac =

área transversal y P = perímetro mojado.

32

35

21

nP

ASQ co

Figura No. 6 Canal Trapezoidal

2.4.1.3 Balance de masa en la corriente

El modelo QUAL2Kw considera por cada constituyente (parámetro fisicoquímico o biológico)

un balance general de masa en cada elemento computacional (Figura No. 7), el cual se

describe mediante la ecuación 5 la cual involucra los efectos de advección, dispersión,

dilución, consumo o generación de constituyentes por reacciones químicas o bioquímicas y la

baQU QH

32

35

21

nP

ASQ co

baQU QH

(4)




generación o pérdida de nutrientes por fuentes externas o internas (descargas puntuales,

captaciones, sedimentación, etc).

donde dCi/dt = cambio en el tiempo de la concentración del constituyente en el elemento i, E´=

variación en la concentración debido a la dispersión, Wi = es la carga externa del constituyente

en el elemento i [g/d or mg/d] y Si = entradas y salidas del constituyente debido a las

reacciones y los mecanismos de transferencia [g/m3/d o mg/m

3/d].

Figura No. 7 Balance de masas en un elemento computacional

2.4.2 Información de entrada al modelo

El modelo QUAL2Kw emplea el software Excel como interfase gráfica y de acceso de datos.

El libro de Excel contiene varias hojas electrónicas desde donde se suministran los diferentes

datos de entrada del modelo y desde donde éste es ejecutado. Cada una de estas hojas

electrónicas tiene un nombre que identifica el tipo de información que contiene: información

general, información de la frontera aguas arriba (cabecera), descripción de los tramos del río,

condiciones climatológicas (temperatura del aire, temperatura del punto de rocío, velocidad

del viento, nubosidad y sombra), los valores de las tasas de reacción o constantes cinéticas de

calibración del modelo, la información correspondiente a los tributarios y captaciones

puntuales y distribuidas y la información de las estaciones aguas abajo de la cabecera.

En el modelo se usan colores en las celdas para identificar si la información debe ser ingresada

por el usuario o si corresponden a resultados del programa:

Celdas azules: corresponden a las variables de diseño y los valores de los parámetros que

deben ser ingresados por el usuario.

Entrada

Entrada de masa

Dispersión

Extracción de masa

Salida

Algas del fondo Sedimentos

Dispersión

Transferencia

atmosférica

iEntrada

Entrada de masa

Dispersión

Extracción de masa

Salida

Algas del fondo Sedimentos

Dispersión

Transferencia

atmosférica

i

(5)




Celdas amarillas: son los datos medidos en campo que deben ser ingresados por el

usuario. Estos datos posteriormente se muestran en las gráficas generadas por el modelo

QUAL2K.

Celdas verdes: corresponden a los resultados del modelo.

Celdas oscurecidas: se usan para títulos y nomenclatura y no deben cambiarse.

Los datos requeridos por el modelo QUAL2Kw son esencialmente los mismos datos

requeridos por los modelos QUAL2K y QUAL2E, al igual que las constantes y los parámetros

de la calidad del agua (Tabla 1). Solamente debe suministrarse una representación diferente de

formas de carbono. En el modelo QUAL2E solo existe una especie de carbono en forma de

demanda bioquímica carbonácea de oxígeno DBO-Carbonácea. En los modelos QUAL2K y

QUAL2Kw se consideran las siguientes formas: materia orgánica particulada (sujeta a

sedimentación), carbono de descomposición rápida (por ejemplo excretas) y carbono de

descomposición lenta (por ejemplo grasas y aceites). En este estudio se asumió que los valores

de DBO5 corresponden a la forma de carbono de descomposición rápida y la diferencia entre

la demanda última de oxígeno (DBOu o DBO20) y la DBO5 como la forma de carbono de

descomposición lenta. Adicionalmente, se especifica la diferencia de los valores medidos de

DBO total y filtrada como datos de Detritus o Materia Orgánica Particulada (POM) sujeta a

sedimentación, Uniandes y EAAB (2001).

Tabla 1. Parámetros fisicoquímicos y biológicos del modelo QUAL2Kw

Parámetro

Oxígeno disuelto Patógenos

DBOc de lenta reacción Conductividad

DBOc de rapida degradación Algas del Fondo

Sólidos suspendidos

inorganicos Fitoplancton

Nitrógeno orgánico disuelto Detritus

Nitrógeno Amoniacal Carbono orgánico total

Nitratos Temperatura

Fósforo orgánico disuelto Alcalinidad

Fósforo inorgánico pH

2.4.3 Información de salida del modelo

Después de que el modelo QUAL2Kw ha efectuado los cálculos necesarios para poder realizar

las corridas de simulación, se generan diferentes hojas electrónicas y gráficas con los

resultados en el mismo libro de Excel. En las gráficas resultantes se pueden comparar las

curvas correspondientes al perfil de concentraciones de los diferentes parámetros estimados

por el modelo a lo largo del río, con los datos medidos en campo en las estaciones de

monitoreo.




3. EVALUACIÓN DE LAS BASES DE DATOS EXISTENTES CON FINES DE

CALIBRACION DEL MODELO DE SIMULACION

Durante el desarrollo de esta actividad se revisó y evaluó la información disponible de

proyectos anteriores en la zona de estudio, como son los desarrollados por Ingesam Ltda. en el

año 2002 y la Universidad del Cauca (Unicauca) en el año 2009, con el fin de realizar una

calibración y verificación de los componentes hidráulico y fisicoquímico del modelo

QUAL2Kw. De igual forma se revisó la información de las campañas de monitoreo con fines

de calibración del modelo de simulación, realizadas por la CRC el 19 de Septiembre de 2012

(caudales bajos) y el 19 de Junio de 2013 (caudales altos) (ver Informe Tecnico No. 1 de este

estudio). A continuación se resume el contenido presentado en los dos proyectos mencionados.

3.1 Estudio de modelación de Ingesam Ltda. año 2002

3.1.1 Tramos del río y campañas de monitoreo de calidad del agua

En el estudio realizado por Ingesam Ltda. en el año 2002, se implementó el modelo de flujo

permanente QUAL2E, para un tramo de modelación de 39.58 Km, comprendido entre la

Bocatoma Cedelca y la desembocadura al río Cauca. Para la calibración del modelo Ingesam

realizó seis jornadas de medición en el río Palo buscando que tres de ellas fueran en tiempo de

bajo caudal y las otras tres en tiempo de lluvias, tomando como referencia el caudal en el río

Palo antes de la confluencia con el río Paila. Las mediciones se realizaron en los siguientes

días: para tiempo seco: Septiembre 06 de 2001 (caudal: 14.7 m3/s); Septiembre 11 de 2001

(caudal: 10.8 m3/s); Noviembre 23 de 2001 (caudal: 11.0 m

3/s); para tiempo de lluvias:

Septiembre 13 de 2001 (caudal: 16.0 m3/s); Noviembre 21 de 2001 (caudal: 22.4 m

3/s);

Diciembre 18 de 2001 (caudal: 18.0 m3/s).

En este estudio se tuvieron en cuenta las características del cauce en su recorrido y la

topografía de ocho secciones transversales analizadas, se definieron cinco tramos de

modelación, que por sus características, presentan condiciones hidráulicas similares. Estos

tramos se presentan en la Tabla 2:

Tabla 2. Descripción de tramos del Río Palo – Estudio Ingesam Ltda.

Fuente: Estudio Ingesam Ltda. – 2002.




La Tabla 3 presenta la ubicación de las diferentes descargas y captaciones identificadas en

cada uno de los tramos anteriores, durante el estudio realizado por Ingesam.

Tabla 3. Tramos característicos del Río Palo y ubicación de captaciones y/o descargas.

Fuente: Estudio INGESAM LTDA. – 2002.

3.1.2 Características hidráulicas del río

Con el objeto de identificar las características hidráulicas del río Palo a lo largo del tramo en

estudio, Ingesam llevó a cabo el levantamiento de la sección transversal del río en ocho (8)

sitios diferentes, los cuales fueron debidamente georeferenciados e identificados en el sitio

mediante mojones. Para el levantamiento de las secciones transversales en el lecho del río, se

ubicaron sitios cuyo régimen de flujo (suave o turbulento) y cuyo ancho fueran típicos o

representativos para un determinado tramo.

Con base en los datos obtenidos en las secciones se determinan por medio de regresiones

potenciales las relaciones hidráulicas entre el caudal, la velocidad y la altura de la lámina de

agua. Las relaciones hidráulicas obtenidas en las secciones, permiten expresar los parámetros

por medio de las siguientes expresiones:

u = aQ b

en donde u es la velocidad media de la corriente; a es el coeficiente y b el exponente para

aplicar al caudal Q , para obtener la velocidad en la respectiva sección del río.

d = Q

(6)

(7)




en donde d es la profundidad media de la corriente; es el coeficiente y es el exponente

para aplicar al caudal Q , para obtener la profundidad de la corriente.

La Tabla 4 presenta las coordenadas geográficas y la altitud media de cada sección;

igualmente se indica la correspondiente ubicación en kilómetros desde la Bocatoma de

Cedelca.

Tabla 4. Ubicación Geográfica y Altitud de las Secciones Evaluadas en el estudio de

Ingesam Ltda.


La Tabla 5, presenta el resumen de las relaciones hidráulicas en cada una de las secciones

levantadas del río, de acuerdo con las características del río y con la manera como se han

seleccionado los tramos para la modelación.

Tabla 5. Coeficientes y Exponentes para las Ecuaciones de Velocidad Vs. Caudal y

Profundidad Vs. Caudal.





La Sección 1 corresponde al tramo del río posterior a la bocatoma de CEDELCA, en el cual

los flujos se encuentran reducidos por la salida de aproximadamente 6 m3/s para generación

eléctrica, que son devueltos al río Palo a través de la Quebrada La Trampa.

Las secciones No. 2 a No. 4, ubicadas después de la confluencia con la quebrada La Trampa y

antes de la descarga de la PTAR Guachené, muestran similaridad, dado que el lecho del río

presenta un perfil suave y un ancho medio de unos 25 metros aproximadamente.

La sección No. 5 ubicada a 1,1 Km aguas abajo de la descarga de la PTAR Guachené, presenta

un lecho de mayor amplitud con un ancho aproximado de 40 metros; en esta Sección se ha

incluido el levantamiento del área transversal de la acequia La Cabaña que corre paralela al río

en este sitio. La zona más sinuosa del río Palo se encuentra entre Guachené y la Bocatoma de

Propal II. La presencia de curvaturas hace que la mayor parte del flujo se localice hacia una u

otra orilla. La sección No. 6, a unos 600 metros aguas arriba de la Bocatoma de Propal II,

muestra un perfil típico de este tramo en donde el flujo circula por el lado derecho del río.

Entre la Bocatoma de Propal II y la confluencia con el río La Paila, el cauce presenta tramos

rectos y curvas moderadas; por lo que el lecho del río es bastante uniforme. La sección No. 7,

corresponde a un perfil típico en el cual el flujo se observa prácticamente canalizado. Entre el

Municipio de Puerto Tejada y la desembocadura en el río Cauca, el cauce discurre sin mayores

alteraciones. La sección No. 8 muestra la topografía del fondo del río en este tramo.

Tomando como base las cotas del nivel de agua en cada una de las ocho secciones analizadas

y su localización a lo largo del río, en la Tabla 6 se presenta la localización de las secciones

hidráulicas respecto a algunas estaciones.

Tabla 6. Localización de las secciones hidráulicas analizadas en el estudio de Ingesam a

lo largo del río Palo.


El resultado de estas relaciones hidráulicas su utilizó en el módulo hidráulico del modelo

QUAl2E de Ingesam así: La Sección 1 se aplica para el Tramo No. 1, el promedio de las

Secciones 2, 3 y 4 se aplica para el Tramo No. 2, el promedio de las Secciones 5 y 6 se aplica

para el Tramo No. 3, la Sección 7 se aplica al Tramo No. 4 y la Sección 8 se aplica al Tramo

No. 5.




3.2 Estudio de modelación de la Universidad del Cauca año 2009

3.2.1 Tramos del río y campañas de monitoreo de calidad del agua

Tomando como base el modelo de calidad de agua del río Palo QUAL2E implementado por

Ingesam Ltda. en el año 2002, la Universidad del Cauca desarrolló el modelo de calidad del

agua del río Palo, en el software QUAL2K. Al igual que en el estudio de Ingesam, en el

proyecto de Unicauca, el río fue divido en 5 tramos de estudio debido que sus características

presentaban condiciones hidráulicas similares. Estos tramos son los siguientes (Tabla 7):

Tabla 7. Descripción de tramos del Río Palo – Estudio Unicauca.

Fuente: Estudio UNICAUCA – 2009.

Teniendo como referencia el modelo de calidad de agua en QUAL2E realizado por Ingesam

en 2002, la Universidad del Cauca realizó nuevamente el proceso de calibración y validación

para el modelo QUAL2K del río Palo, con nueva información procedente de dos campañas

con fines de modelación realizadas por la CRC en el año 2006 en los meses de Mayo

(temporada de invierno) y Agosto (temporada de estiaje).

3.2.2 Características hidráulicas del río

Inicialmente Unicauca efectuó la determinación de los parámetros hidráulicos del río Palo,

para lo cual tomaron en consideración la información de los aforos realizados en las nuevas

campañas de monitoreo; con estos datos se obtuvieron los nuevos coeficientes para la

representación hidráulica en QUAL2K. Los resultados obtenidos se relacionan en la Tabla 8.

La Tabla 9 muestra el compendio de la información recolectada en campo para las diferentes

estaciones localizadas sobre el cauce del Río Palo.

En la Tabla 10 se relacionan las mediciones en campo correspondientes a los principales

tributarios y descargas de aguas residuales recibidas por el Río Palo en el área de estudio.

Adicionalmente, se utilizó la siguiente información acerca de derivaciones o extracciones

realizadas en el Rio Palo (Tabla 11).

Unicauca efectuó el proceso de calibración del modelo, obteniendo en primer lugar, un ajuste

en los parámetros de caudal, velocidad y profundidad. Para ello, recurrieron a la utilización de




fuentes difusas las cuales permiten considerar los demás componentes del balance hídrico

como son escorrentía, infiltración y fuentes no localizadas. El ajuste deseado se logró

incorporando un caudal disperso de 4.38 m3/s distribuidos convenientemente a lo largo de los

38.5 km que comprende el sector estudiado.

Tabla 8. Mediciones y constantes hidrométricas para el Rio Palo – Estudio Unicauca


Tabla 9. Resultados de aforos en las estaciones sobre el Río Palo – Campaña periodo de

estiaje – CRC – Agosto 10 de 2006.





Tabla 10. Tributarios y Descargas Principales sobre el Rio Palo - Campaña periodo de

estiaje – CRC – Agosto 10 de 2006.


Tabla 11. Principales extracciones sobre el Rio Palo - Campaña periodo de estiaje –

CRC – Agosto 10 de 2006.





4. IMPLEMENTACIÓN DEL MODELO QUAL2KW PARA EL RÍO PALO

4.1 Topología o Esquematización

La esquematización del río Palo corresponde a una red construida entre la abscisa 0.0 Km

(Puente via Guachené) al inicio del tramo simulado y la abscisa 30.89 Km (Bocas del Palo) en

la salida del tramo. La corriente modelada se divide en una red de “cabeceras” (fronteras aguas

arriba), “tramos” y “nodos o intersecciones”. En el momento de seleccionar los tramos se debe

tener en cuenta que las propiedades físicas e hidráulicas (sección transversal, pendiente de la

corriente, rugosidad etc), químicas y biológicas permanecen constantes a lo largo de cada

tramo.

En la Tabla 12 se presenta la descripción de los cuatro (4) tramos de modelación del río Palo,

mientras que en la Tabla 13 se observa la esquematización del modelo, con la ubicación de sus

respectivas estaciones de monitoreo sobre el Río y las diferentes fronteras internas (tributarios,

vertimientos y captaciones) identificadas en cada uno de estos tramos. Vale la pena resaltar

que la Estación Rio Palo antes de la Bocatoma Propal (E2´, en Tabla 13) no fue considerada

como límite de tramo de modelación, para evitar que el Tramo 2 tuviese una longitud mayor

comparada con los tramos restantes. Se decidió considerar el Tramo 3 con una distancia corta

(1.934 Km) (desde E3-Puente Perico Negro hasta E4-Puente ConFacauca), para representar de

forma adecuada el impacto del rio Paila, el cual es uno de los principales tributarios en la zona

de estudio.

A manera de ejemplo en la Figura No. 8, se presenta la hoja de ingreso de información

(‘’reach’’) en el modelo QUAL2Kw, para la definición de los segmentos o elementos de

cálculo. La información que se debe suministrar en esta hoja de cálculo corresponde a la

abscisa, la altura sobre el nivel del mar y la ubicación en coordenadas geográficas de cada

estación.

Tabla 12. Descripción de los tramos de modelación del río Palo

Tramo DescripciónAbscisa

inicial (Km)

Abscisa final

(Km)

Longitud

(Km)

1 Desde E1-Puente via Guachené hasta E2-Puente campamento El Maíz 0.000 11.098 11.098

2 Desde E2-Puente campamento El Maíz hasta E3-Puente Perico Negro 11.098 20.566 9.468

3 Desde E3-Puente Perico Negro hasta E4-Puente ConFacauca 20.566 22.499 1.934

4 Desde E4-Puente ConFacauca hasta E5-Bocas del Palo 22.499 30.893 8.394

Total 30.89

Fuente: Consultoría Javier Holguín - 2014.




Tabla 13. Esquematización del modelo de calidad de agua del río Palo

Frontera Interna (Tributario o Captación) Abscisa (Km)

E1 Rio Palo – Puente via Guachené 0.000

Acequia La Cabaña 0.350

Descarga PTAR Guachene 0.710

Aportes distribuidos sobrantes de Riego 0.700 - 11.098

E2 Rio Palo – Puente campamento El Maíz 11.098

E2´ Rio Palo – Antes Bocatoma Propal 15.960

Bocatoma Carvajal Pulpa y Papel-CPP (antes

llamado Propal II)15.974

Descarga Ingenio La Cabaña Laguna 16.807

Descarga Ingenio La Cabaña E Final 16.827

Descarga Alpina-Colbesa 17.558

Descarga Carvajal Pulpa y Papel-CPP (antes

llamado Propal II)17.688

Captaciones por Bombeo para riego 17.688 - 20.566

Quebrada El Puente 18.570

Descarga PICC, etapas I 18.902

Descargas de Sancela- Familia 18.903

Descarga PICC, etapas III 18.922

Descarga PICC, etapas II y IV 18.977

Retorno de Riego Acequia El Naranjo 19.576

E3 Rio Palo – Puente Perico Negro 20.566

Descargas domésticas Barrio El Triunfo 22.070

Desembocadura Rio Paila 22.250

E4 Rio Palo – Puente ConFacauca 22.499

Captaciones por Bombeo para riego 22.499 - 30.893

Descarga Matadero Municipal Pto. Tejada 22.600

Captaciones No Reglamentadas (clandestinas o

no reportadas) 22.850 - 30.893

Descarga Hospital El Cincuentenario 22.800

Descarga ISS 22.800

Descarga doméstica Barrio Santa Helena 22.800

Retorno de Sobrantes de riego y acequias 22.850 - 30.893

E5 Rio Palo – Bocas del Palo 30.893

Estaciones


Estaciones sobre el rio Palo

Captaciones

Descargas, vertimientos o tributarios

NOMENCALTURA

Proyecto “Calibración del modelo de simulación de la calidad del agua QUAL2Kw del Río Palo con fines de Ordenamiento del Recurso Hídrico”. Convenio Fundación FUNARU

- CRC. Segundo informe técnico.


QUAL2Kw

Stream Water Quality Model

Rio_Palo_Caudales bajos (9/19/2012)

Reach Data:

Reach for diel plot: 2

Reach Downstream

Reach Downstream length Downstream location Upstream Downstream

Label end of reach label Number (km) Latitude Longitude (km) (m) (m) Degrees Minutes Seconds Degrees Minutes Seconds

Rio Palo – Pte. via Guachené 0 3.13 76.39 0.000 975.000 3.0 7.0 40.9 76.0 23.0 39.4

Acequia La Cabaña 1 0.350 0.00 0.00 0.350 975.000 973.285

2 0.650 0.00 0.00 1.000 973.285 972.180

3 1.000 0.00 0.00 2.000 972.180 970.480

4 1.000 0.00 0.00 3.000 970.480 968.780

5 1.000 0.00 0.00 4.000 968.780 967.080

6 1.000 0.00 0.00 5.000 967.080 965.380

7 1.000 0.00 0.00 6.000 965.380 963.680

8 1.000 0.00 0.00 7.000 963.680 961.980

9 1.000 0.00 0.00 8.000 961.980 960.280

10 0.570 0.00 0.00 8.570 960.280 959.311

11 1.430 0.00 0.00 10.000 959.311 956.880

Rio Palo-Pte. campamento El Maíz 12 1.098 3.16 76.42 11.098 956.880 955.013 3.0 9.0 50.3 76.0 25.0 12.8

13 0.902 0.00 0.00 12.000 955.013 953.480

14 1.000 0.00 0.00 13.000 953.480 951.780

15 1.000 0.00 0.00 14.000 951.780 950.080

16 1.000 0.00 0.00 15.000 950.080 948.380

Bocatoma CPP 17 0.974 0.00 0.000 15.974 948.380 946.724

18 1.026 0.00 0.000 17.000 946.724 945.596

19 1.000 0.00 0.000 18.000 945.596 944.496

Descarga PICC I y II 20 1.000 0.00 0.000 19.000 944.496 943.396

Rio Palo-Pte. Perico Negro 21 1.566 3.22 76.42 20.566 943.396 941.674 3.0 12.0 58.7 76.0 25.0 18.4

22 0.435 0.00 0.00 21.000 941.674 941.196

Río La Paila 23 1.250 0.00 0.00 22.250 941.196 939.821

Rio Palo-Pte. ConFacauca 24 0.249 3.23 76.42 22.499 939.821 939.547 3.0 13.0 41.9 76.0 25.0 15.9

25 0.501 0.00 0.00 23.000 939.547 939.446

26 1.000 0.00 0.00 24.000 939.446 939.246

27 1.000 0.00 0.00 25.000 939.246 939.046

28 1.000 0.00 0.00 26.000 939.046 938.846

29 1.000 0.00 0.00 27.000 938.846 938.646

30 1.000 0.00 0.00 28.000 938.646 938.446

31 1.000 0.00 0.00 29.000 938.446 938.246

32 1.000 0.00 0.00 30.000 938.246 938.046

Rio Palo – Bocas del Palo 33 0.893 3.26 76.46 30.893 938.046 937.868 3.0 15.0 32.1 76.0 27.0 32.8

Elevation Downstream

Latitude Longitude

Run

Fortran

<-------- change diel plots to this reach

Figura No. 8 Hoja de ingreso de información de los tramos de modelación sectores en el QUAL2Kw (‘’reach’’)




4.2 Datos de Entrada al Modelo de Simulación

Durante la implementación de un modelo de simulación en una corriente superficial es

necesario recolectar información sobre dos aspectos básicos:

Información sobre calidad, cantidad y ubicación de los tributarios o vertimientos y de las

captaciones de agua sobre la corriente que se está modelando.

Las características hidráulicas de la corriente, que permitan conocer el caudal, la velocidad

media de la corriente, los anchos y profundidades de las secciones transversales a lo largo

del río y las pendientes de los tramos. Adicionalmente, es necesario conocer la frecuencia

de permanencia de caudales.

4.2.1 Base de Datos para la Calibración y Verificación del Modelo

Para poder realizar la calibración y verificación de un modelo de simulación es necesario

contar con un grupo de datos en las fronteras de este, que permita realizar las simulaciones o

corridas, hasta lograr reproducir con precisión las series de datos observados en campo en

diferentes estaciones, mediante el ajuste de los parámetros físicos y numéricos del modelo. Por

esta razón, la recolección de datos del sistema (corriente superficial) resulta fundamental, ya

que todos los resultados producidos por el modelo están basados en los datos de entrada de las

fronteras. Según Camacho y Diaz (2002), la utilidad de los modelos matemáticos está

determinada en gran medida por su habilidad en reproducir con precisión series de datos

observados, por ejemplo el nivel de calibración logrado, pero más aún, por su capacidad

predictiva. Se entiende ésta como la capacidad del modelo de describir otras series de tiempo

sin que se requiera el ajuste de alguno de los parámetros calibrados, de esta forma se obtienen

resultados precisos bajo condiciones hidrológicas y ambientales, diferentes a las observadas en

la calibración del modelo, en el sistema modelado.

Teniendo en cuenta lo anterior, la CRC realizó dos campañas de monitoreo con fines de

calibración y verificación del modelo de calidad del agua del rio Palo, una en época de estiaje

(caudales bajos) el 19 de Septiembre de 2012 y otra, en época de lluvias (caudales altos) el 19

de Junio de 2013 (ver Primer Informe Técnico de este estudio). Debido a problemas de orden

público, los monitoreos se realizaron desde el puente en la vía Guachené hasta la

desembocadura del río Palo en el río Cauca. Durante las dos campañas de monitoreo, se

realizaron aforos y caracterizaciones fisicoquímicas en cinco estaciones, un tributario (Río La

Paila) y en siete vertimientos industriales que descargan sus aguas residuales al río Palo.

Una vez evaluada la metodología de toma de muestras empleada en los monitoreos, los

resultados por parámetro fisicoquímico analizado, las tendencias y valores máximos y

mínimos comparando estos resultados con los valores históricos reportados para el río Palo

(ver Informe Tecnico No. 1 de este estudio), se definió que los datos recolectados por la CRC

en las dos campañas de monitoreo, son representativos y pueden ser utilizados con fines de

calibración y verificación del modelo QUAL2Kw. Para construir la base de datos para la

calibración y verificación del modelo QUAL2Kw, se utilizó la información registrada en las

dos campañas de monitoreo antes mencionadas (Tablas 14 y 15), las cuales representan

diferentes condiciones hidrológicas y ambientales en el río Palo.




Tabla 14. Resultados de los análisis de calidad de agua obtenidos durante el monitoreo realizado el 19 de Septiembre de 2012.

425 426 427 428 429 430 431 432 433 434 435 436 437 438 439 440

E1 E2 E3 E4 E5 E6 V.Propal V.Sancela V.Et1_ARI+ARD V.Et3_ARI+ARD V.Et2y4_Final V.Alpina V.Et2y4_ARI+ARD Cabaña_LM Cabaña_Final Cabaña_Ppal

Pte

Guachené

Bocatoma

Propal

Pte Perico

Negro

Desemb.

Río La Paila

Pte

Confacauca

Bocas del

Palo

(Desemb.

al río

Cauca)

Vert.

Propal

Vert.

Sancela-

Familia

Etapa I,

efluente ARI +

ARD

Etapa III,

efluente ARI +

ARD

Etapa II y IV,

efluente final

canal

Vert. Alpina

- Colbesa

Etapa II y IV,

efluente ARI +

ARD (tanque

amortización)

Cabaña,

lavado de

máquinas

Cabaña,

efluente

final

combinado

Cabaña, vert.

Principal

Temperatura °C 23.10 27.80 28.60 32.90 31.70 29.50 27.00 34.00 28.00 27.00 28.00

pH uds 8.25 7.87 7.55 7.81 7.62 7.71 7.77 7.45 7.08 7.86 6.95 7.82 7.48 7.96 7.84 4.77

Conductividad (C.E.) Umhos 172 185 309 284 305 308 1323 1166 1259 1348 2417 1053 1757 906 255 522

Color mg/L 30 23 61 33 56 39 321 150 153 49 37 23 259 258 38 257

Turbidez mg/L 27.8 18.2 27.2 29.7 28.7 21.5 117 33.2 305 17.6 212 6.1 121 198 36.3 268

Nitratos mg/L 0.72 0.8 2.53 1.31 1.95 1.53 23.2 6 12.3 15.8 20.7 1.58 13.2 9.2 1.5 9

Nitritos mg/L <0,02 0.03 0.06 0.06 0.06 0.07 * * * * * * * * * *

Nitrogeno amoniacal mg/L <0,02 0.02 0.5 0.14 0.47 0.36 8.5 73.5 1.02 0.03 2.28 0.31 8.6 16.8 0.27 0.05

Ortofosfatos mg/L 0.03 0.05 0.07 0.12 0.1 0.09 0.45 0.58 0.56 0.59 0.44 0.08 0.67 0.65 0.15 0.5

Fosforo total mg/L 0.05 0.07 0.1 0.16 0.13 0.1 1.74 4.25 5.8 4.5 4.9 0.11 4.7 0.7 0.15 1.12

Dureza mg/L 66.2 76.9 95.2 118 102 103 209 126 470 198 318 76.6 199 352 96.2 154

Alcalinidad mg/L 54.4 64.9 107 99.4 102 106 * 336 201 179 262 414 333 343 73.9 59.3

DBO5 mg/L 0.7 1.3 14.1 2.9 13.2 7.4 49.7 48.6 515 35 648 7.6 516 50.1 6.9 586

DBO5 filtrada mg/L 0.6 0.7 7.4 0.9 7.5 2.2 14.7 33 410 19 439 4 263 14.9 1.7 486

DBO8 mg/L 0.9 1.8 17.9 4.2 17.1 9.8 63.9 63 584 35.1 747 12 709 56.1 10.8 646

DBO12 mg/L 1.2 2 20.5 5 18 12.5 * * * * * * 718 * * *

DQO mg/L 72 80 105 60 100 93 267 121 732 126 791 106 578 135 70 769

DQO filtrada mg/L 45 38 81 21 76 65 167 74 288 97 590 99 405 100 49 709

SST mg/L 34.3 20.7 36.5 51.8 41.2 27.8 67.6 20 291 23 467 16 233 193 27.7 300

SSV mg/L 23.6 5.6 18.7 14.4 8.8 9.1 54.3 8.5 203 16.9 280 12.3 5 64 12.2 142

ST mg/L 120.3 113.2 189 224.3 213.2 184.8

OD mg/L 8.09 7.68 2.81 5.7 3.85 1.61 0.38 3.16 0.4 4.66 0.35

%satOD % 106.9 109.8 41.1 91.8 59.3 23.8

Col Totales UFC/100mL 1400 1700 1500 1500 900 2000 1000 1300 2100 1500 1700

Col Fecales UFC/100mL 300 600 800 300 200 400 300 100 500 800 700

Resultados / Muestras No.

Parámetro de Calidad Unidad

Nota: Los resultados que aparecen en color fueron tomados de los informes de laboratorio de FUMIINDUSTRIAL, porque no aparecían reportados en los informes del

Laboratorio Ambiental de la CRC.

Fuente: Reportes Laboratorio Ambiental CRC – Septiembre 19 de 2012.




Tabla 15. Resultados de los análisis de calidad de agua obtenidos durante el monitoreo realizado el 19 de Junio de 2013.

229 230 231 232 233 234 235 236 237 238 239 240 241 242 243 244 245 246 247

E1 E2 E3 E4 E5 E6 V.Propal V.Sancela Cabaña_LM Cabaña_PpalCabaña_Final

Pte

GuachenéPte El Maiz

Pte Perico

Negro

Desemb.

Río La Paila

Pte

Confacauca

Bocas del

Palo

(Desemb. al

río Cauca)

Vert. PropalSalida PTAR

Etapa III

Salida PTAR

PICC Etapa II y

IV

PICC Etapa I,

entrada tanque

amortización

Entrada

tanque

amortización

etapa II

Entrada

tanque

amortización

etapa IV

Salida PTAR Etapa

I

Entrada

tanque

amortizació

n etapa III

Efluente

PTARD

Sancela

Familia

Cabaña -

sobrante

reservorio

Cabaña,

lavado de

máquinas

Cabaña,

vert.

Principal

(laguna)

Cabaña,

efluente

final

Temperatura °C 19.4 21.5 23.1 25.4 24.4 24.7

pH uds 7.77 6.68 6.16 6.98 6.92 6.54 7.61 7.07 5.27 5.90 8.22 8.24 8.01 7.62 6.94 8.01 7.59 6.83 7.86

Conductividad (C.E.) Umhos 106.4 137.9 181.4 185.3 186.9 184.4 1233 1053 1140 1152 1638 688 1184 413 1066 347 461 590 382

Color mg/L 13 18 31 38 34 30

Turbidez mg/L 8.6 17.6 23.3 64.2 36.2 43.9

Nitratos mg/L 0.91 0.88 1.23 1.91 1.8 1.65 12.5 10.7 10.5 8.87 6.2 2.82 3.25 2.06 11.8 0.97 2.38 3.91 1.24

Nitritos mg/L <0,01 <0,01 <0,01 0.02 0.01 0.01 0.14 0.18 0.22 0.02 0.01 0.01 0.12 0.15 0.04 0.02 0.06 0.02 0.02

Nitrogeno amoniacal mg/L <0,01 0.05 0.06 <0,01 <0,01 <0,01 3.45 2.38 4.97 0.39 1.96 3.93 5.62 0.07 2.98 <0,01 2.06 1.14 <0,01

Ortofosfatos mg/L <0,02 <0,02 0.09 0.06 0.08 0.08 2.22 5.9 5.7 0.18 5.1 4.5 6.6 0.58 2.99 0.21 0.77 0.45 0.6

Fosforo total mg/L 0.1 0.08 0.16 0.14 0.15 0.17 2.34 8.1 7.5 0.21 5.5 4.6 10.7 0.79 4.01 0.38 0.91 0.66 0.67

Dureza mg/L 56 59 65.8 78.6 72.5 78.9 210 136 127 263 134 89.9 113 93.9 123 79.5 173 173 163

Alcalinidad mg/L 58 62.6 71.3 78.9 84.1 87.6 465 56.4 93.3 218 477 259 293 129 221 147 173 244 149

DBO5 mg/L 1.1 0.7 2.9 1.4 2.3 2.2 55.5 30.1 34.4 637 417 226 35.2 12.6 292 1.5 10.2 302 3.6

DBO5 filtrada mg/L 0.8 0.4 0.7 0.9 0.6 0.5 10 3.5 3.6 389 224 121 4.6 4.8 181 1 1.6 179 0.5

DBO8 mg/L 1.2 0.9 3.9 2 3.4 3.3 77.7 * * 655 459 271 * 16 329 2.4 11.5 316 5.7

DBO12 mg/L 1.3 1.2 6.2 2.6 4.9 4.7 112 * * 744 534 343 * 36 387 3.3 27.6 402 12.9

DQO mg/L 4.7 <4 7.5 6 5.5 7 276 139 91 1147 584 356 120 69 594 6.5 74 519 18

DQO filtrada mg/L <4 <4 5.7 <4 <4 <4 144 76 28.4 908 336 198 55 58 388 <4 36 371 7.8

SST mg/L 20 38 46.1 91.7 69.3 95.7 53.3 20 33.3 231 212 142 48.6 13 187 70 535 218 64

SSV mg/L 7 9.2 12.8 16.7 16 21.4 50 14 30 225 190 90 45.7 10 180 30 125 212 16

ST mg/L

OD mg/L 8.42 7.24 6.24 6.65 5.82 5.51

%satOD % 104.3 92.1 81.3 91.8 78.6 75

Col Totales UFC/100mL 31000 72000 144000 142000 192000 336000 400 125 32000000 4000000 940000 500 130000

Col Fecales UFC/100mL 2000 6000 9000 8000 11000 16000 <10 <10 6000 3900000 15000 <10 79000

Parámetro de Calidad Unidad

Nota: Los resultados que aparecen en color fueron tomados de los informes de laboratorio de ANALISIS AMBIENTAL, porque no aparecían reportados en los informes

del Laboratorio Ambiental de la CRC.

Fuente: Reportes Laboratorio Ambiental CRC – Junio 19 de 2013.




En la Tabla 16, se presentan los resultados de los aforos realizados en los sitios mencionados,

durante las dos campañas de monitoreo realizadas el 9 de Septiembre de 2012 (caudales bajos)

y otra, el 19 de junio de 2013 en época de lluvias (caudales altos). Los datos registrados en la

Tabla 16 corresponden a los valores de caudal reportados por la CRC y a los valores

calculados por la Consultoría con la información de aforos disponibles. De acuerdo con

información de la CRC, durante las dos campañas de monitoreo, se utilizó el método de aforo

con molinete, identificando los datos sobre la geometría hidráulica del Río Palo, tales como:

área mojada, perímetro mojado, profundidad media y velocidad media. Sin embargo, la

información recopilada no permite calcular los datos hidráulicos del río en todos los puntos de

muestreo; debido a que en la documentación entregada por la CRC no están los datos de los

aforos de todas las estaciones.

Tabla 16. Datos de caudal reportados por la CRC en las dos campañas de monitoreo con

fines de calibración realizadas en los años 2012 y 2013. Caudal en m3/s

Nota: * Datos calculados por la Consultoría, de acuerdo con los aforos entregados

por la CRC.

Fuente: Información entregada por CRC en marzo de 2014.

4.2.2 Condiciones en la Frontera Aguas Arriba o Cabecera de la Corriente

Durante el proceso de modelación es necesario introdcir las condiciones del río (caudal y

parámetros de calidad) en la frontera aguas arriba o cabecera del tramo en estudio. En el

modelo QUAL2Kw esta información se suministra en la hoja ‘’Headwater’’. Como ejemplo,

en la Figura No. 9 se muestra la hoja de ingreso de información en la cabecera del rio Palo.

Teniendo en cuenta las recomendaciones planteadas por Uniandes y EAAB (2001) y

CORPOCALDAS y Fundación SANEAR (2009) y para efectos de modelación, se asume que

los valores de DBO5 corresponden a la forma de carbono de descomposición rápida y la

diferencia entre la DBO20 y la DBO5 como la forma de carbono de descomposición lenta. Para

determinar los valores de la DBOu en las estaciones del rio Palo, los tributarios y vertimientos,

se usaron los valores de las relaciones entre la DBO5/DBOu reportados por Reyes (2009), los

cuales fueron establecidos mediante mediciones en laboratorio. Adicionalmente, se especifica

la diferencia de los valores medidos de DBO total y filtrada como datos de Detritus o Materia

Orgánica Particulada (POM) sujeta a sedimentación. En cuanto al Fósforo Orgánico Soluble

se calcula como la resta entre el Fósforo Total y el Fósforo Inorgánico o Fósforo Soluble

Reactivo (SRP) (representado en este estudio por los ortofosfátos). Adicionalmente, en la

Laboratorio CRC

Fumindustrial

Analisis Ambiental

NOMENCALTURA




modelación de los patógenos se consideraron los Coliformes Fecales, por ser estos mejores

indicadores de la presencia de contaminación fecal reciente. Finalmente los Sólidos

Suspendidos Inorgánicos (SSI) se calculan mediante la resta entre los Sólidos Suspendidos

Totales (SST) y la Materia Orgánica Particulada (POM). En este estudio no se calculó el

Nitrógeno Orgánico, debido a que no se contó con información del Nitrógeno Total Kjeldahl.

QUAL2Kw



Headwater and Downstream Boundary Data:

Headwater Flow 3.850 m3/s

Prescribed downstream boundary? No

Headwater Water Quality Units 12:00 a. m. 01:00 a. m. 02:00 a. m.

Temperature C 23.10 23.10 23.10

Conductivity umhos 172.0 172.0 172.0

Inorganic Solids mgD/L 34.20 34.20 34.20

Dissolved Oxygen mg/L 8.090 8.090 8.090

CBODslow mgO2/L 0.329 0.329 0.329

CBODfast mgO2/L 0.700 0.700 0.700

Organic Nitrogen ugN/L

NH4-Nitrogen ugN/L 20.000 20.000 20.000

NO3-Nitrogen ugN/L 720.000 720.000 720.000

Organic Phosphorus ugP/L 20.000 20.000 20.000

Inorganic Phosphorus (SRP) ugP/L 30.000 30.000 30.000

Phytoplankton ugA/L

Detritus (POM) mgD/L 0.100 0.100 0.100

Pathogen cfu/100 mL 300.0 300.0 300.0

Generic constituent user defined

Alkalinity mgCaCO3/L 54.4 54.4 54.4

pH s.u. 8.25 8.25 8.25

Figura No. 9 Información suministrada al modelo QUAL2Kw en la cabecera del río Palo

durante el monitoreo de 19 de Septiembre de 2012

4.2.3 Condiciones en las estaciones de monitoreo aguas abajo

La información correspondiente a las estaciones de monitoreo sobre el río Palo ubicadas aguas

abajo de la cabecera, es suministrada en el modelo en las hojas “Hydraulics Data”,

‘’Temperature Data’’y “WQ Data”. Esta información es luego graficada para cada uno de los

parámetros evaluados y permite comparar los datos medidos en campo con las curvas

correspondientes al perfil de concentraciones de los diferentes parámetros estimados por el

modelo a lo largo del río. A manera de ejemplo en la Figura No. 10, pueden observarse las

hojas de ingreso de información en las estaciones sobre el río Palo.




QUAL2Kw



Water Quality Data:

Distance Cond (umhos) ISS (mgD/L) DO (mgO2/L) CBODs (mgO2/L) CBODf (mgO2/L) Norg (ugN/L) NH4 (ugN/L) NO3 (ugN/L)

km data data data data data data data data

0.00 172.00 34.20 8.09 0.33 0.70 20.00 720.00

15.96 185.00 20.10 7.68 0.73 1.30 20.00 800.00

20.57 309.00 29.80 2.81 14.68 14.10 500.00 2530.00

22.50 305.00 35.50 3.85 13.74 13.20 470.00 1950.00

30.89 308.00 22.60 1.61 4.93 7.40 360.00 1530.000

Run

Fortran

QUAL2Kw



Temperature Data:

Distance Mean Minimum Maximum

x(km) Temp-data Temp-data Temp-data

0.00 23.10

15.96 27.80

20.57 28.60

22.50 31.70

30.89 29.50

QUAL2Kw



Hydraulics Data:

Distance Q-data H-data U-data Travel time

x(km) m3/s m m/s data (d)

0.00 3.850 0.310 0.545

11.10 4.230 0.410 0.690

20.57 4.070 0.470 0.510

22.50 4.950

30.89 5.050 Figura No. 10 Información suministrada en las estaciones de monitoreo sobre el río Palo,

ubicadas aguas abajo de la cabecera, durante el monitoreo de 19 de Septiembre de 2012

4.2.4 Información Hidráulica de los Sectores de modelación

Para realizar la calibración y modelación de la calidad del agua de un río usando el software

QUAL2Kw, primero que todo es necesario calibrar el componente hidráulico del modelo. El

primer paso de la modelación en un río consiste en dividir el sector en estudio en varios

tramos de características hidráulicas homogéneas, tomando como base la morfología de la

cuenca. Una vez definidos los tramos de modelación con características hidráulicas similares,

es necesario obtener las constantes hidrométricas del río en cada uno de los tramos. El objetivo

es obtener los valores de los coeficientes y exponentes que mejor aproximen las series de

datos de caudal - velocidad y caudal - profundidad. Dado que dentro de los alcances de esta

Consultoría no se incluía el levantamiento de información de campo, se evalúo y analizó la

información secundaria disponible de los estudios realizados previamente por Ingesam (2002)

y Unicauca (2009). Después de analizar estos estudios, la Consultoría considera que la

información hidráulica utilizada por Ingesam para la modelación de la calidad del agua del río

Palo es más confiable, puesto que esta consultoría llevó a cabo el levantamiento de la sección

transversal del río en ocho sitios diferentes, los cuales fueron debidamente georreferenciados e

identificados en el sitio mediante mojones y además en el cálculo de las constantes

hidrométricas, se obtuvieron curvas de regresión con altos porcentajes de precisión (R2≈ 0,99).

Teniendo en cuenta las características del cauce en su recorrido y la topografía de las

secciones analizadas por Ingesam, de acuerdo con las estaciones y sitios de muestreo de las




dos campañas de monitoreo realizadas por la CRC en el año 2012 y 2013, se distinguen los

siguientes tramos en el río Palo:

Tramo 1: Entre el puente en la vía a Guachené y la descarga de la PTAR de Guachené.

Tramo 2: Entre la descarga de la PTAR de Guachené y la Bocatoma de Propal II.

Tramo 3: Entre la Bocatoma de Propal II y la confluencia del río La Paila.

Tramo 4: Entre la Confluencia del río La Paila y la desembocadura en el río Cauca.

En la Tabla 17 se presentan la descripción de los tramos de modelación del río Palo

considerados por Ingesam (2002), que coinciden con el área de estudio considerada por esta

Consultoría.

Tabla 17. Descripción de los tramos de modelación del río Palo considerados por

Ingesam (2002), que coinciden con el área de estudio considerada por esta Consultoría

Tramo Descripción Abscisa inicial (Km) Abscisa final (Km) Longitud (Km)

1Desde el puente en la vía a Guachené hasta

la descarga de la PTAR de Guachené0,00 0,71 0,71

2Desde la descarga de la PTAR de

Guachené hasta la Bocatoma de Propal II.0,71 15,97 15,26

3Desde la Bocatoma de Propal II hasta la

confluencia del río La Paila.15,97 22,25 6,28

4Desde la Confluencia del río La Paila hasta

la desembocadura en el río Cauca. 22,25 30,89 8,64


El QUAL2Kw es un modelo unidimensional de calidad de agua para ríos, en el cual la

hidráulica de la corriente se representa mediante la simulación de flujo no uniforme en estado

estable.

Durante el proceso de la calibración del componente hidráulico del modelo QUAL2Kw, se

requiere establecer relaciones entre el caudal, la velocidad y la profundidad del agua, de

acuerdo con las siguientes expresiones:

U = a Q b

H = Q

donde U, es la velocidad media de la corriente; H es la profundidad media y Q es el caudal.

En estas ecuaciones a, b, y son constantes empíricas propias para cada tramo, que pueden

determinarse mediante una regresión matemática de los datos de velocidad versus caudal y

profundidad versus Caudal, obtenidos en una sección típica de cada tramo. En el Anexo No. 1

se presenta el procedimiento de cálculo de las constantes hidrométricas determinadas por

Ingesam, y que fueron utilizadas por la Consultoría en el modelo actual del río Palo.

(11)




Como se mencionó previamente, la Consultoría utilizó las constantes hidrométricas

determinadas por Ingesam, para la simulación del componente hidráulico del modelo

QUAL2Kw del río Palo. Ingesam, llevó a cabo el levantamiento de la sección transversal del

río en ocho sitios diferentes, cuyo régimen de flujo (suave o turbulento) y cuyo ancho fueran

típicos o representativos para un determinado tramo.

De acuerdo con la localización de las secciones hidráulicas analizadas por Ingesam, se

asignaron las constantes hidrométricas a, b, y que mejor describieran las características

hidráulicas de los tramos de modelación definidos por la Consultoría (ver Tabla 18). La

información correspondiente a las secciones hidráulicas de los tramos de modelación del rio

Palo es suministrada en el modelo QUAL2Kw en las hojas “reach” (Figura No. 11).

Tabla 18. Constantes hidrométricas seleccionadas para calibrar el componente

hidráulico del modelo QUAL2Kw del río Palo en este estudio

Tramo Descripción

Sección

hidráulica

(Ingesam 2002)

Coeficiente de

Velocidad (a)

Exponente de

Velocidad (b)

Coeficiente de

Profundidad

(a)

Exponente de

Profundidad

(b)

1

Desde el puente en la vía a

Guachené hasta la descarga de

la PTAR de Guachené

4 0,36 0,32 0,13 0,61

2

Desde la descarga de la PTAR

de Guachené hasta la

Bocatoma de Propal II.

Promedio 5 y 6 0,49 0,26 0,19 0,49

3

Desde la Bocatoma de Propal

II hasta la confluencia del río

La Paila.

7 0,32 0,34 0,22 0,58

4

Desde la Confluencia del río

La Paila hasta la

desembocadura en el río

Cauca.

8 0,47 0,25 0,28 0,46


4.2.5 Datos Climatológicos

En el modelo QUAL2Kw los datos climatológicos (temperatura del aire, temperatura del

punto de rocío, velocidad del viento, nubosidad y sombra) de los tramos en estudio, se

introducen en las hojas “Air Temperature”,”Dew Point Temperature “,”Wind Speed”, “Cloud

Cover” y “Shade”. Esta información junto con la temperatura del agua del río y de los

tributarios, permite realizar un balance de energía térmica para el cálculo de la temperatura del

agua del río, proceso que influencia los valores de las constantes cinéticas o tasas de reacción

o degradación (generalmente estas constantes se reportan a 20° C).

Debido a que durante los monitoreos realizados por la CRC en 2012 y 2013 no se recopiló

información climatológica, fue necesario hacer una estimación de dicha información con base

en información histórica registrada en la estación climatológica más próxima, para los días

exactos de los monitoreos (19 de Septiembre de 2012 y 19 de Junio de 2013). En la zona de




estudio no se cuenta con estaciones climatológicas que brinden la información requerida para

la implementación del modelo del río Palo en sus diferentes sectores de modelación, por esto

fue necesario tomar como referencia la estación más próxima que brindara información

confiable, siendo esta la Estación meteorológica del Aeropuerto Alfonso Bonilla Aragón de la

Ciudad de Cali, localizada a 35,2 km de Puerto Tejada. Después de contar con dicha

información se ajustaron subjetivamente según los rangos reportados, los datos de temperatura

de punto de rocio, velocidad del viento, nubosidad y sombra, hasta obtener un perfil de

temperatura modelado que se ajustara relativamente bien a los datos de temperatura

registrados en campo. Adicionalmente, debido a que no se contó con registros horarios de los

parámetros climatológicos durante el muestreo, que permitiesen evaluar las variaciones

diurnas de los estándares metereológicos y su efecto sobre el OD y la temperatura, fue

necesario colocar constantes los valores durante todo el tiempo. A manera de ejemplo en las

Figura No. 12, se presentan las hojas de ingreso de la información climatológica en el río Palo.

QUAL2Kw



Reach Data:

Reach for diel plot: 2 Hydraulic Model

Rating Curves Manning Formula

Reach Downstream Channel

Label end of reach label Coefficient Exponent Coefficient Exponent Slope

Rio Palo – Pte. via Guachené 0.3560 0.322 0.1320 0.614 0.00490

Acequia La Cabaña 0.3560 0.322 0.1320 0.614 0.00490

0.4880 0.255 0.1920 0.490 0.00170

0.4880 0.255 0.1920 0.490 0.00170

0.4880 0.255 0.1920 0.490 0.00170

0.4880 0.255 0.1920 0.490 0.00170

0.4880 0.255 0.1920 0.490 0.00170

0.4880 0.255 0.1920 0.490 0.00170

0.4880 0.255 0.1920 0.490 0.00170

0.4880 0.255 0.1920 0.490 0.00170

0.4880 0.255 0.1920 0.490 0.00170

0.4880 0.255 0.1920 0.490 0.00170

Rio Palo-Pte. campamento El Maíz 0.4880 0.255 0.1920 0.490 0.00170

0.4880 0.255 0.1920 0.490 0.00170

0.4880 0.255 0.1920 0.490 0.00170

0.4880 0.255 0.1920 0.490 0.00170

0.4880 0.255 0.1920 0.490 0.00170

Bocatoma CPP 0.4880 0.255 0.1920 0.490 0.00170

0.3220 0.344 0.2150 0.582 0.00110

0.3220 0.344 0.2150 0.582 0.00110

Descarga PICC I y II 0.3220 0.344 0.2150 0.582 0.00110

Rio Palo-Pte. Perico Negro 0.3220 0.344 0.2150 0.582 0.00110

0.3220 0.344 0.2150 0.582 0.00110

Río La Paila 0.3220 0.344 0.2150 0.582 0.00110

Rio Palo-Pte. ConFacauca 0.4670 0.250 0.2810 0.458 0.00020

0.4670 0.250 0.2810 0.458 0.00020

0.4670 0.250 0.2810 0.458 0.00020

0.4670 0.250 0.2810 0.458 0.00020

0.4670 0.250 0.2810 0.458 0.00020

0.4670 0.250 0.2810 0.458 0.0002

0.4670 0.250 0.2810 0.458 0.0002

0.4670 0.250 0.2810 0.458 0.0002

0.4670 0.250 0.2810 0.458 0.00020

Rio Palo – Bocas del Palo 0.4670 0.250 0.2810 0.458 0.00020

Velocity Depth

Figura No. 11 Información de secciones hidráulicas del río Palo suministrada al modelo

QUAL2Kw en los tramos de modelación. Se observan las constantes hidrométricas de las

relaciones entre el caudal, la velocidad y la profundidad del agua seleccionadas.




QUAL2Kw



Air Temperature Data:

Upstream Downstream 12:00 AM 1:00 AM 2:00 AM

Upstream Reach Downstream Reach Distance Distance Hourly air temperature for each reach (degrees C)

Label Label Label Number km km (The input values are applied as point estimates at each time. Linear interpolation is used to estimate values between the hourly inputs.)

Rio Palo – Pte. via Guachené Acequia La Cabaña 1 0,00 0,35 27,00 27,00 27,00

Acequia La Cabaña 2 0,35 1,00 27,00 27,00 27,00

3 1,00 2,00 27,00 27,00 27,00

4 2,00 3,00 27,00 27,00 27,00

5 3,00 4,00 27,00 27,00 27,00

6 4,00 5,00 27,00 27,00 27,00

7 5,00 6,00 27,00 27,00 27,00

8 6,00 7,00 28,00 28,00 28,00

9 7,00 8,00 28,00 28,00 28,00

10 8,00 8,57 28,00 28,00 28,00

11 8,57 10,00 28,00 28,00 28,00

Rio Palo-Pte. campamento El Maíz12 10,00 11,10 29,00 29,00 29,00

Rio Palo-Pte. campamento El Maíz 13 11,10 12,00 33,00 28,00 28,00

14 12,00 13,00 33,00 28,00 28,00

15 13,00 14,00 33,00 28,00 28,00

16 14,00 15,00 33,00 28,00 28,00

Bocatoma CPP 17 15,00 15,97 33,00 30,00 30,00

Bocatoma CPP 18 15,97 17,00 33,00 30,00 30,00

19 17,00 18,00 33,00 30,00 30,00

Descarga PICC I y II 20 18,00 19,00 33,00 33,00 33,00

Descarga PICC I y II Rio Palo-Pte. Perico Negro 21 19,00 20,57 33,00 33,00 33,00

Rio Palo-Pte. Perico Negro 22 20,57 21,00 33,00 33,00 33,00

Río La Paila 23 21,00 22,25 33,00 33,00 33,00

Río La Paila Rio Palo-Pte. ConFacauca 24 22,25 22,50 33,00 33,00 33,00

Rio Palo-Pte. ConFacauca 25 22,50 23,00 33,00 33,00 33,00

26 23,00 24,00 33,00 33,00 33,00

27 24,00 25,00 33,00 33,00 33,00

28 25,00 26,00 33,00 33,00 33,00

29 26,00 27,00 33,00 33,00 33,00

30 27,00 28,00 33,00 31,00 31,00

31 28,00 29,00 33,00 31,00 31,00

32 29,00 30,00 33,00 31,00 31,00

Rio Palo – Bocas del Palo 33 30,00 30,89 33,00 31,00 31,00

Run Fortran

QUAL2Kw



Dew Point Temperature Data:

Upstream Downstream 12:00 a.m. 01:00 a.m. 02:00 a.m.

Upstream Reach Downstream Reach Distance Distance Hourly dewpoint temperature for each reach (degrees C)

Label Label Label Number km km (The input values are applied as point estimates at each time. Linear interpolation is used to estimate values between the hourly inputs.)

Rio Palo – Pte. via Guachené Acequia La Cabaña 1 0,00 0,35 17,00 17,00 17,00

Acequia La Cabaña 2 0,35 1,00 17,00 17,00 17,00

3 1,00 2,00 17,00 17,00 17,00

4 2,00 3,00 17,00 17,00 17,00

5 3,00 4,00 17,00 17,00 17,00

6 4,00 5,00 17,00 17,00 17,00

7 5,00 6,00 17,00 17,00 17,00

8 6,00 7,00 17,00 17,00 17,00

9 7,00 8,00 17,00 17,00 17,00

10 8,00 8,57 17,00 17,00 17,00

11 8,57 10,00 17,00 17,00 17,00

Rio Palo-Pte. campamento El Maíz12 10,00 11,10 17,00 17,00 17,00

Rio Palo-Pte. campamento El Maíz 13 11,10 12,00 17,00 17,00 17,00

14 12,00 13,00 17,00 17,00 17,00

15 13,00 14,00 17,00 17,00 17,00

16 14,00 15,00 17,00 17,00 17,00

Bocatoma CPP 17 15,00 15,97 17,00 17,00 17,00

Bocatoma CPP 18 15,97 17,00 17,00 17,00 17,00

19 17,00 18,00 17,00 17,00 17,00

Descarga PICC I y II 20 18,00 19,00 17,00 17,00 17,00

Descarga PICC I y II Rio Palo-Pte. Perico Negro 21 19,00 20,57 17,00 17,00 17,00

Rio Palo-Pte. Perico Negro 22 20,57 21,00 17,00 17,00 17,00

Río La Paila 23 21,00 22,25 17,00 17,00 17,00

Río La Paila Rio Palo-Pte. ConFacauca 24 22,25 22,50 17,00 17,00 17,00

Rio Palo-Pte. ConFacauca 25 22,50 23,00 17,00 17,00 17,00

26 23,00 24,00 17,00 17,00 17,00

27 24,00 25,00 17,00 17,00 17,00

28 25,00 26,00 17,00 17,00 17,00

29 26,00 27,00 17,00 17,00 17,00

30 27,00 28,00 17,00 17,00 17,00

31 28,00 29,00 17,00 17,00 17,00

32 29,00 30,00 17,00 17,00 17,00

Rio Palo – Bocas del Palo 33 30,00 30,89 17,00 17,00 17,00

Run Fortran

Figura No. 12 Información climatológica ingresada al modelo durante el monitoreo de 19 de

Septiembre de 2012 (temperatura del aire, temperatura del punto de rocío)




5. BALANCE HIDRICO, CALIBRACION Y VERIFICACIÓN DEL

COMPONENTE HIDRÁULICO DEL MODELO QUAL2KW DEL RÍO PALO

El proceso de calibración del modelo QUAL2Kw se llevó a cabo tomando como base las

constantes hidrométricas seleccionadas para calibrar el componente hidráulico del modelo

(Tabla 18) y la información recolectada en las dos campañas de monitoreo con fines de

calibración del modelo de calidad de agua del río Palo, realizadas por la CRC (Septiembre de

2012 y Junio de 2013). En estas campañas se incluyeron cinco estaciones sobre el rio Palo (E1

– E5), el tributario río La Paila y siete vertimientos puntuales (ver Tablas 14, 15 y 16).

Adicionalmente, durante la calibración del componente hidráulico del QUAL2Kw se requiere

establecer un balance hídrico (balance de caudales) en los tramos de modelación, considerando

el caudal del rio, los ríos tributarios, vertimientos y captaciones puntuales y los vertimientos

dispersos (ejemplo escorrentía agrícola) y captaciones dispersas (ejemplo captaciones móviles

de bombeo para riego). Según los informes presentados por la Fundación SANEAR (2013), a

lo largo del recorrido del río Palo entre el puente en la vía a Guachené y la desembocadura del

río en el río Cauca, se identificaron captaciones y descargas que no fueron monitoreados en las

campañas de la CRC pero si fueron incluidas por la presente Consultoría en la

esquematización del modelo de calidad de agua del río Palo. Para los sitios consignados en la

Tabla 19, se utilizó como fuente de información de caudales, los valores mínimos y máximos

reportados en el estudio del año 2009 de la Universidad del Cauca y el Informe de Avance No.

2 del año 2013 de la Fundación SANEAR.

Tabla 19. Fuente de información de caudales para la simulación del componente

hidráulico del modelo QUAL2Kw del río Palo.

Tributario Abscisa (Km)Fuente de información

caudales

E1 Rio Palo – Puente via Guachené 0,000

Acequia La Cabaña 0,350 Informe 2 SANEAR

Descarga PTAR Guachene 0,710 Informe 2 SANEAR

E2 Rio Palo – Puente campamento El Maíz 11,098

Bocatoma Carvajal Pulpa y Papel-CPP (antes

llamado Propal II)

15,974 Proyecto UNICAUCA -

2009

Captaciones por Bombeo para riego Captaciones distribuidas entre

Km 17,7 hasta Km 20,6

Informe 2 SANEAR -

Consultoría JH - 2014 *

Descarga Carvajal Pulpa y Papel-CPP (antes

llamado Propal II)

17,688 Informe 2 SANEAR

E3 Rio Palo – Puente Perico Negro 20,566

Descargas domésticas Barrio El Triunfo 22,070 Informe 2 SANEAR

E4 Rio Palo – Puente ConFacauca 22,499

Captaciones por Bombeo para riego Captaciones distribuidas entre


Informe 2 SANEAR -

Consultoría JH - 2014 *

Descarga Matadero Municipal Pto. Tejada 22,600 Informe 2 SANEAR

Descarga Hospital El Cincuentenario 23,004 Informe 2 SANEAR

Descarga doméstica Barrio Santa Helena 23,004 Informe 2 SANEAR

Descarga ISS 23,004 Informe 2 SANEAR

E5 Rio Palo – Bocas del Palo 30,893

Estacion

*Nota: Con base en el inventario de infraestructura hidráulica realizado por la Fundación SANEAR en

el año 2013, (Ver Tablas 20 y 21).




Con base en el inventario de infraestructura hidráulica realizado por la Fundación SANEAR

en el año 2013, sobre la corriente principal del río Palo, y la información de caudales

registrada en el listado de concesiones de la CRC, la Consultoría determinó los caudales para

las captaciones por bombeo para riego localizadas entre las estaciones E2 y E3, y la E4 y E5

(Ver Tablas 20 y 21).


estaciones E2 y E3.

X Y ZPredio Perico Negro

20Coburgo 001-010-237 20Coburgo-001-010-002 12Coburgo 001-010-317 125Coburgo 006-004-585(578) 34

Incabaña Isaac

Rabinovich

Normandía Guazá 1073275.4 839979.1 995

10Incabaña Camila

Holguín

Predio Coburgos 006-004-025. En

los listados anteriores aparece

como predio Coburgos

1070766.4 848967.9 979

40Incabaña Normandía 1072920.5 841372.2 991 1Dorón Danny Hda Sarria 1072876.1 841280.0 991 20Yolanda Moribe

Sakamoto

Predio Perico Negro Lote C 1072473.0 849029.3

6Predio La Ceiba. Se abastecen

los predios 15Angel 55Canarias 150La Serafina 65Pampa I 150Pampa II 150Central Colombia 43Santa Helena 200Zanjón Oscuro 117

Gustavo Rojas

Fernandez - Ossa

Adriana

Estación servicio. Se ubica en la

nueva construcción del muro de

contención

1072983.9 848923.3 988

1,5

1234,5TOTAL

COORDENADAUsuario Predio Caudal (L/s)

Camila Holguin de

Quintero

1072796.2 847120.7 995

Incastilla S.A 1072717.1 848987.7 990

Fuente: Inventario de infraestructura hidráulica: Informe 2 Fundación SANEAR – 2013 y Caudales:

Concesiones de agua CRC – 2002.





estaciones E4 y E5.

X Y ZVillegas Jaime Predio Los Sauces 1072377.2 849207.4 2Incauca Inversiones

Palandá

Predio Periconegro (3

estaciones). Estación 1.

1071729.6 849147.3 982 102

Varela Villegas

Germán

Predio El Palmar. Abastece a los

predios:1

Margarita Ramírez Vuelta Larga 2Giraldo Restrepo

José Aníbal

Tatania 5

Carlos Andres

Giraldo

Cataluña 6

"Carlos Andres

Giraldo

Angela María Giraldo

Bueno

Victoria Bueno

Restrepo Mejia

Camilo - Incabaña

Predio Los Mandarinos. De

acuerdo a los informes anteriores

son dos puntos de captación y el

Predio se llama California

1071127.5 849159.8 977 5

Incabaña Camila

Holguín

Predio Coburgos 006-004-025. En

los listados anteriores aparece

como predio Coburgos

1070766.4 848967.9 979 40

Incabaña SA. Rengifo

F. William

Predio Suerte de Coburgo. No

aparece en el listado de usuarios

actualizado.

1070775.2 849690.4 984 20

Giraldo Rafael Predio Gallinaza No. 1 1070519.4 849898.5 980 2Juan Cristobal

Romero-Yoshioka

Carlos

Gavilan 006-004-007 1070091.4 850062.2 984 18

Guengue S. A.- José

Manuel Quintero

Davila

Predio El Edén 1069806.0 850222.4 980 sin dato

Incabaña Predio Casablanca 006-004-671 1069698.4 850347.6 980 31Incabaña Predio Torejano 006-004-670 1069624.3 850349.4 987 50Naranjo Luis Predio San Carlos 1069716.8 850522.7 978 14,5Pedro J. Charria y

Cia Ltda

Predio La Camila 1069616.7 850730.9 978 15

Lida Ochoa de

Londoño

Predio Bohemia 1069577.7 850848.9 978 103

Jose Nelsón Montoya

Aristizabal -

INCAUCA

Predio Gallinazas 1069366.0 851532.5 981 20

Incabaña Predio Cabezón 1069245.5 851785.0 981 47Rengifo de Rivas

Emma

Predio Villa Díaz 1069265.8 851866.0 981 2

Escobar Grecia

Orejuela

Predio Bocas del Palo 1069156.4 851987.6 981 2

493,5

Caudal (L/s)

TOTAL

6

COORDENADAUsuario Predio

1071707.2 849313.2 978

Predio de Captación Finlandia. 1071570.1 849442.1 978

Fuente: Inventario de infraestructura hidráulica: Informe 2 Fundación SANEAR – 2013 y Caudales:

Concesiones de agua CRC – 2002.




Adicionalmente, para lograr establecer un adecuado balance de caudales en los tramos de

modelación, fue necesario recurrir a la utilización de fuentes difusas (Diffuse Sources) las

cuales permiten considerar los demás componentes del balance hídrico. El ajuste deseado se

logró incorporando caudales dispersos distribuidos adecuadamente a lo largo del sector

estudiado del río Palo, tales como la escorrentía de tributarios no aforados (Quebrada El

Puente y Acequia El Naranjo), la descarga de sobrantes de riego, captaciones clandestinas por

bombeo para riego y vertimientos no localizados de aguas residuales sobre el río (Tabla 22).

Tabla 22. Caudales dispersos incorporados para la calibración del componente

hidráulico del modelo QUAL2Kw del río Palo.

Caudales dispersos Abscisa (Km)

E1 Rio Palo – Puente via Guachené 0,000

Otros aportes distribuidos sobrantes de

Riego

Aportes distribuidos, entre


E2 Rio Palo – Puente campamento El Maíz 11,098

Quebrada El Puente 18,570

Retorno de Riego Acequia El Naranjo 19,576

E3 Rio Palo – Puente Perico Negro 20,566

E4 Rio Palo – Puente ConFacauca 22,499

Captaciones clandestinas por Bombeo para

riego

Captaciones distribuidas

entre Km 22,9 hasta Km 30,9

Descargas domésticas de Perico Negro, otros

caseríos y confluencia de acequias

Descargas (sobrantes de

riego) y vertimientos

distribuidos, entre Km 18.564

hasta Km 26.3

E5 Rio Palo – Bocas del Palo 30,893

Estacion


Finalmente, el balance hídrico considerando el caudal del rio Palo, los ríos tributarios,

vertimientos y captaciones puntuales y los vertimientos y captaciones dispersas, permitió

obtener un ajuste adecuado en los parámetros hidráulicos del río, esto es, caudal, velocidad y

profundidad, para calibrar el componente hidráulico del modelo de calidad QUAL2Kw del río

Palo.




6. CARGAS CONTAMINANTES PUNTUALES Y DISPERSAS EN EL MODELO

DE CALIDAD DEL AGUA QUAL2KW DEL RÍO PALO

6.1 Condiciones en las cargas puntuales y captaciones

Las cargas puntuales corresponden a los vertimientos de aguas residuales domesticas o

industriales y a los ríos tributarios que descargan de manera puntual al río. Esta información

involucra la abscisa del lugar o el kilómetro donde ocurre el vertimiento o captación de agua,

al igual que las características de calidad y cantidad de agua monitoreadas por CRC durante

las campañas de Septiembre de 2012 y Junio de 2013. En la Tabla 23 se observan las cargas

contaminantes introducidas al modelo QUAL2Kw en este estudio correspondientes a la

información de la campaña de monitoreo realizadas por la CRC en Septiembre de 2012

(condición crítica, época de caudales bajos y menor dilución en el río). Adicionalmente, en los

vertimientos en los que no se contaba con información durante dichos monitoreos, fue

necesario recurrir a las caracterizaciones realizadas por la Fundación SANEAR (2013), la

Universidad del Cauca (2009), Reyes (2009) en INGESAM (2002).

Tabla 23. Descargas puntuales municipales, industriales y naturales sobre el río Palo

consideradas en este estudio

Descripción de la descarga

19 Septiembre de 2012 19 Junio de 2013

Q

(m3/s)

DBO

(Kg/d)

Q

(m3/s)

DBO

(Kg/d)

Industriales

Descarga Ingenio La Cabaña Laguna 0.13100 3418.2 0,0500 1304,6

Descarga Ingenio La Cabaña Efluente

final 0.09110 54.3 0,0975 30,3

Descarga Alpina-Colbesa 0.00780 5.1 0,0078e 5,1

e

Descarga Carvajal Pulpa y Papel-CPP

(antes llamado Propal II) 0.43100

b 1850.7 0,4860

b 2330,5

Descarga PICC, etapa I 0.00085 37.8 0,0002 0,5

Descargas de Sancela- Familia 0.00016 0.7 0,0008 21,2

Descarga PICC, etapa III 0.00043 1.3 0,0007 1,8

Descarga PICC, etapas II y IV 0.03070 1718.8 0,0015 4,3

Sub-Total 7086.9

Municipales

Descarga PTAR Guachene 0.02130a 41.4

a 0.02130

a 41.4

a

Descarga ARD Barrio El Triunfo 0.05000 c,d

1261.4 c,d

0.05000 c,d

1261.4 c,d

Descarga ARD Barrio Santa Helena 0.04406a 453.0

a 0.04406

a 453.0

a

Sub-Total 1755.9 1755.9

Naturales Desembocadura Rio Paila 1.13000 283.1 10,7700 1302,7

Nota: Información reportada en: aFundación SANEAR (2013),

bUniversidad del Cauca (2009),

c Reyes (2009),

dINGESAM (2002),

einformación asumida igual al muestreo en Sept de 2012.

En el modelo QUAL2Kw los valores de cargas puntuales se ingresan en la hoja de cálculo

“Point Sources”. En la Figura No. 13 se presenta a manera de ejemplo la hoja de ingreso de la

información de las cargas puntuales y captaciones del río Palo, durante la campaña de

Septiembre de 2012.




QUAL2Kw



Point Source Data:

Point Point

Abstraction Inflow mean range/2 time of mean range/2 time of mean range/2 time of mean range/2 time of mean range/2 time of mean range/2 time of

Name Location (km) m3/s m3/s °C °C max umhos umhos max mg/L mg/L max mg/L mg/L max mgO2/L mgO2/L max mgO2/L mgO2/L max

Acequia La Cabaña 0,3500 0,7200

Descarga PTAR Guachene 0,7100 0,0213 23,80 341,00 7,30 0,00 8,75 22,50

Bocatoma Carvajal Pulpa y Papel-

CPP (antes llamado Propal II) 15,9740 0,4200

Descarga Ing La Cabaña Laguna 16,8070 0,1310 28,00 522,00 200,00 0,35 290,16 302,00

Descarga Ing La Cabaña Efl final 16,8270 0,0911 27,00 255,00 22,50 4,66 6,90 6,90

Descarga Alpina-Colbesa 17,5580 0,0078 34,00 1053,00 12,50 3,16 17,73 7,60


(antes llamado Propal II) 17,6880 0,4310 28,60 1323,00 32,60 0,00 96,48 49,70

Descarga PICC, etapas I 18,9020 0,0009 29,70 1259,00 186,00 0,00 1201,67 515,00

Descargas de Sancela- Familia 18,9030 0,0002 27,00 1166,00 4,40 0,38 113,40 48,60

Descarga PICC, etapas III 18,9220 0,0004 29,70 1348,00 6,40 0,00 81,67 35,00

Descarga PICC, etapas II y IV 18,9765 0,0307 29,70 2417,00 258,00 0,21 1512,00 648,00

Descarga ARD Barrio El Triunfo 22,0700 0,0500 30,00 400,00 72,70 0,00 59,80 292,00

Desembocadura Rio Paila 22,2500 1,1300 32,90 284,00 49,80 5,70 0,97 2,90

Descarga ARD Barrio Santa Helena 22,9560 0,0441 30,00 397,00 72,70 0,00 24,37 119,00

Temperature Specific Conductance Inorganic Suspended Solids Dissolved Oxygen Slow CBOD Fast CBOD

Run Fortran

QUAL2Kw



Point Source Data:

Point Point

Abstraction Inflow mean range/2 time of mean range/2 time of mean range/2 time of mean range/2 time of mean range/2 time of mean range/2 time of mean range/2 time of mean range/2 time of mean range/2 time of mean range/2 time of

Name Location (km) m3/s m3/s ugN/L ugN/L max ugN/L ugN/L max ugP/L ugP/L max ugP/L ugP/L max ugA/L ugA/L max mgD/L mgD/L max cfu/100ml cfu/100ml max user defined user defined max mgCaCO3/L mgCaCO3/L max s.u. s.u. max


Descarga PTAR Guachene 0,7100 0,0213 11000 1940 160 1080 16,70 58000 126,00 7,58



Descarga Ing La Cabaña Laguna 16,8070 0,1310 50 9000 620 500 100,00 700 59,30 4,77

Descarga Ing La Cabaña Efl final 16,8270 0,0911 270 1500 0 150 5,20 800 73,90 7,84

Descarga Alpina-Colbesa 17,5580 0,0078 310 1580 30 80 3,50 100 414,00 7,82


(antes llamado Propal II) 17,6880 0,4310 8500 23200 1290 450 35,00 1000 465,00 7,61

Descarga PICC, etapas I 18,9020 0,0009 1020 12300 5240 560 105,00 10 201,00 7,08

Descargas de Sancela- Familia 18,9030 0,0002 73500 6000 3670 580 15,60 300 336,00 7,45

Descarga PICC, etapas III 18,9220 0,0004 30 15800 3910 590 16,10 10 179,00 7,86

Descarga PICC, etapas II y IV 18,9765 0,0307 2280 20700 4460 440 209,00 10 262,00 6,95

Descarga ARD Barrio El Triunfo 22,0700 0,0500 18700,00 510,00 1330 6270 62,30 1300000 141,00 7,46

Desembocadura Rio Paila 22,2500 1,1300 140,00 1310,00 40 120 2,00 300 99,40 7,81

Descarga ARD Barrio Santa Helena 22,9560 0,0441 12200,00 3000,00 20 1980 62,30 1300000 141,00 7,46

Ammonia N Nitrate + Nitrite N Organic P Inorganic P Phytoplankton pHDetritus Pathogen Indicator Bacteria Generic constituent Alkalinity

QUAL2Kw



Point Source Data:

Point Point




















QUAL2Kw



Point Source Data:

Point Point




















Figura No. 13 Información de las cargas puntuales y captaciones suministrada al modelo QUAL2Kw en el río Palo durante el

monitoreo del 19 de Septiembre de 2012 (caudales bajos)




6.2 Condiciones en las cargas distribuidas (cargas dispersas o difusas)

En este proyecto se contó con aforos y parámetros de calidad fisicoquímica y microbiológica

monitoreados en la desembocadura de los principales ríos tributarios y vertimientos de aguas

residuales domesticas e industriales que llegan al río Palo y se realizaron aforos y muestreos

de todos los parámetros de calidad en las estaciones a lo largo del río, siguiendo la misma

masa de agua. Sin embargo, en el río existen vertimientos distribuidos o descargas dispersas

que afectan la calidad del agua de este, los cuales son de difícil identificación y

caracterización.

En este estudio se consideró que estas descargas corresponden principalmente a sobrantes o

retornos de agua de riego provenientes del mismo rio Palo, algunas acequias o pequeñas

quebradas y algunas descargas de aguas residuales que no cuentan con caracterización. Las

cargas dispersas o difusas consideradas en este estudio son (Ver Tabla 24):

▪ Aportes distribuidos Tramo I (E1-E2): Sobrantes de riego

▪ Aportes distribuidos Tramo II (E2-E3): Quebrada El Puente; Retorno de Riego Acequia El

Naranjo

▪ Aportes distribuidos Tramo IV (E4-E5): Descarga Matadero Municipal Pto. Tejada;

Descarga Hospital El Cincuentenario; Descarga ISS

▪ Aportes distribuidos Tramo IV (E4-E5): Sobrantes de riego y acequias

Los parámetros correspondientes a las cargas dispersas se estimaron a partir de un balance de

caudales y cargas en los diferentes tramos en estudio. Para los sobrantes de riego fue necesario

tener en cuenta los valores de los parámetros de calidad del agua del rio Palo en donde es

captada, ya que parte de esta misma agua es devuelta al rio como sobrantes de riego. La

información correspondiente a estas cargas distribuidas se introduce en la hoja de cálculo

”Difuse Sources”, en la cual se debe especificar la ubicación y las características de calidad y

cantidad de agua. La carga total de entrada es distribuida por el modelo de manera uniforme a

lo largo del correspondiente tramo. A manera de ejemplo en la Figura No. 14 se presenta la

hoja de ingreso de la información de las cargas distribuidas en el río Palo, durante el

monitoreo del 19 de Junio de 2013 (caudales altos).

Adicionalmente, existen unas captaciones de agua para riego de cultivos, por medio de

motobombas móviles que funcionan de manera intermitente y son transportadas a lo largo de

las orillas del rio Palo (SANEAR, 2013). Estas captaciones disminuyen el caudal del rio Palo

y por ende su capacidad de dilución de la carga contaminante vertida a este. Algunas de estas

captaciones, principalmente ubicadas en el Tramo IV (E4-Puente ConFacauca hasta E5-Bocas

del palo), funcionan en condiciones de caudales altos, no se encuentran reglamentadas por la

CRC y se desconoce el caudal de agua captado (SANEAR, 2013). Los caudales asociados a

las captaciones dispersas consideradas en este estudio corresponden a los valores descritos

previamente en las Tablas 20 y 21 y son:

▪ Captaciones por bombeo distribuidos Tramo II (E2-E3)

▪ Captaciones por bombeo distribuidos Tramo IV (E4-E5)

▪ Captaciones No Reglamentadas (clandestinas) Tramo IV (E4-E5) (solo en caudales altos)




Tabla 24. Descargas dispersas sobre el río Palo consideradas en este estudio

Descripción de la descarga

19 Septiembre de 2012 19 Junio de 2013

Q

(m3/s)

DBO

(Kg/d)

Q

(m3/s)

DBO

(Kg/d)

Aportes distribuidos Tramo I (E1-E2):

Sobrantes de riego 1.000 60.5 1.000 95.0

Aportes distribuidos Tramo II (E2-E3):

Quebrada El Puente; Retorno de Riego

Acequia El Naranjo

0.700 42.3 2.5000 237.6

Aportes distribuidos Tramo IV (E4-E5):

Descarga Matadero Municipal Pto.

Tejada; Descarga Hospital El

Cincuentenario; Descarga ISS

0.043 297.2 0.043 297.2


Sobrantes de riego y acequias 0.400 69.1 0.400 79.5

QUAL2Kw


Rio_Palo_Caudales altos (6/19/2013)

Diffuse Source Data:

Diffuse Diffuse Spec Inorg Diss CBOD CBOD

Abstraction Inflow Temp Cond SS Oxygen slow fast

Name Up (km) Down (km) m3/s m3/s C umhos mgD/L mg/L mgO2/L mgO2/L

Aportes distribuidos Tramo I (E1-E2):

Sobrantes de riego0.700 11.098

1.0000 20.00 200.00 100.00 8.42 0.52 1.10

Captaciones por bombeo distribuidos

Tramo II (E2-E3)17.688 20.566

1.2340

Aportes distribuidos Tramo II (E2-E3):

Quebrada El Puente; Retorno de Riego

18.570 19.576 2.5000 28.00 200.00 100.00 8.42 0.52 1.10

Captaciones por bombeo distribuidos

Tramo IV (E4-E5)22.499 30.893

0.5795Captaciones No Reglamentadas

(clandestinas) Tramo IV (E4-E5)22.850 30.893

0.5000


Descarga Matadero Municipal Pto.

Tejada; Descarga Hospital El

Cincuentenario; Descarga ISS

22.800 22.850

0.0430 28.00 400.00 100.00 0.00 10.00 80.00


Sobrantes de riego y acequias22.850 30.893

0.4000 26.00 200.00 120.00 1.61 2.39 2.30

Run

Fortran

Figura No. 14 Información de las cargas dispersas suministradas al modelo QUAL2Kw

en el río Palo durante el monitoreo del 19 de Junio de 2013 (caudales altos)




7. CALIBRACION Y VERIFICACIÓN DEL MODELO DE CALIDAD DEL

AGUA QUAL2KW DEL RÍO PALO

7.1 Generalidades

En un modelo de calidad del agua se deben especificar las tasas de reacción o transformación

de los determinantes de calidad del agua y tasas de transferencia de masa hacia o desde la

superficie del agua y el fondo del canal. La cinética de las reacciones son particulares para

cada tipo de río y/o agua residual en las condiciones específicas que se presentan en el sistema

físico modelado y las tasas de transferencia dependen en gran parte de la turbulencia propia de

la corriente. Esto necesariamente obliga al modelador a calibrar los modelos que se aplican a

un sistema físico particular utilizando parámetros de calibración (Camacho y Diaz, 2003).

La calibración de un modelo de simulación de calidad del agua es un proceso complejo que

procura la obtención de un conjunto de valores de los parámetros de calibración (físicos y

numéricos) que minimicen la diferencia (error) entre los datos medidos en campo y los

calculados por el modelo (Figura No. 15). Durante este proceso, se emplea una base de datos

en las fronteras del modelo, la cual permite realizar simulaciones hasta lograr reproducir con

precisión las series de datos observados en campo en diferentes estaciones. La utilidad de los

modelos matemáticos está determinada en gran medida por su habilidad en reproducir con

precisión series de datos observados.

Figura No. 15 Proceso general de calibración de un modelo de simulación

Entradas

medidasRealidad

Modelo

Error

Parámetros

Salidas

Calculadas

Salidas

Medidas

-

Ajuste

Fuente: Camacho, 2002

longitud

Salida




7.2 Proceso de calibración y verificación del Modelo QUAL2Kw

Para que los modelos de simulación puedan representar con la mayor fidelidad la realidad

estudiada, es necesario someterlos a un proceso de calibración y verificación. La importancia

de este proceso radica en que si el mismo es muy confiable, la modelación será una

herramienta muy útil para tomar las mejores decisiones con respecto al Ordenamiento del

Recurso Hídrico. Por el contrario, una inadecuada calibración del modelo, generaría una gran

incertidumbre durante el planteamiento de los diferentes escenarios de saneamiento de la

cuenca y en la definición de objetivos de calidad del agua dentro de un plan de

descontaminación de la corriente a corto, mediano y largo plazo. Esto redundaría en

inversiones riesgosas para el saneamiento de la corriente, que no verían reflejados los

esfuerzos en el mejoramiento de la calidad del agua. De otro lado, la definición inoportuna de

los objetivos de calidad generaría perjuicios a la autoridad ambiental en el cobro de las tasas

retributivas.

Una de las mayores utilidades de los modelos matemáticos de simulación está determinada por

su capacidad predictiva, siendo esta la capacidad del modelo de describir otras series de

tiempo sin que se requiera el ajuste de alguno de los parámetros calibrados. Sin embargo,

después de haber calibrado un modelo, es necesario realizar la verificación de este, para lo

cual se debe disponer de otro conjunto de datos en las fronteras, con el fin de verificar que con

los mismos parámetros de calibración se puede describir en forma adecuada el nuevo grupo de

datos de campo. En el presente estudio se planteó realizar la calibración del modelo

QUAL2Kw con la información del monitoreo realizado en Septiembre 19 de 2012

(condiciones de estiaje, caudales bajos) y una verificación con la información del monitoreo

de Junio 19 de 2013 (condiciones de lluvias, caudales altos). De esta forma se obtienen

resultados precisos bajo condiciones hidrológicas y ambientales, diferentes a las observadas en

la calibración del modelo.

Para utilizar en forma adecuada los modelos de simulación de la calidad del agua se requiere

seguir una metodología rigurosa en la implementación, calibración, verificación y aplicación,

sustentado en el mayor rigor posible en la calibración objetiva del modelo (ejemplo

simulaciones de Monte Carlo o algoritmos genéticos). De esta forma los modelos podrán ser

utilizados efectivamente como herramientas útiles en la toma de decisiones de saneamiento y

manejo de vertimientos.

Dada la complejidad de los modelos de calidad del agua como lo es el QUAL2Kw (Pelletier

et al., 2006), caracterizado por un gran número de parámetros, se requieren metodologías

adecuadas y objetivas de calibración, que permitan determinar los procesos y parámetros

dominantes correspondientes a partir de los datos observados (Holguin et al., 2013). El modelo

QUAL2Kw está caracterizado por 18 parámetros de calibración fundamentales (sin considerar

mecanismos de crecimiento de phytoplankton). Estos parámetros se ingresan en la hoja de

calculo “Rates” (Figura No. 16).




xQUAL2Kw


Calibration of up to four surveys or branches

Water Column Rates

Parameter Value Units Symbol

Stoichiometry:

Carbon 40 gC gC

Nitrogen 7,2 gN gN

Phosphorus 1 gP gP

Dry weight 100 gD gD

Chlorophyll 0,5 gA gA

Inorganic suspended solids:

Settling velocity 1,5 m/d v i

Oxygen:

Reaeration model Internal

Temp correction 1,024 q a

Reaeration wind effect None

O2 for carbon oxidation 2,69 gO2/gC r oc

O2 for NH4 nitrification 4,57 gO2/gN r on

Oxygen inhib model CBOD oxidation Exponential

Oxygen inhib parameter CBOD oxidation 0,60 L/mgO2 K socf

Oxygen inhib model nitrification Exponential

Oxygen inhib parameter nitrification 0,60 L/mgO2 K sona

Oxygen enhance model denitrification Exponential

Oxygen enhance parameter denitrification 0,60 L/mgO2 K sodn

Oxygen inhib model phyto resp Exponential

Oxygen inhib parameter phyto resp 0,60 L/mgO2 K sop

Oxygen enhance model bot alg resp Exponential

Oxygen enhance parameter bot alg resp 0,60 L/mgO2 K sob

Slow CBOD:

Hydrolysis rate 1,2212 /d k hc

Temp correction 1,047 q hc

Oxidation rate 4,8787 /d k dcs

Temp correction 1,0470 q dcs

Fast CBOD:

Oxidation rate 4,7146 /d k dc

Temp correction 1,047 q dc

Organic N:

Hydrolysis 0,3463 /d k hn

Temp correction 1,07 q hn

Settling velocity 1,5918 m/d v on

Ammonium:

Nitrification 4,1085 /d k na

Temp correction 1,07 q na

Nitrate:

Denitrification 1,7561 /d k dn

Temp correction 1,07 q dn

Sed denitrification transfer coeff 0,3431 m/d v di

Temp correction 1,07 q di

Organic P:

Hydrolysis 4,9268 /d k hp

Temp correction 1,07 q hp

Settling velocity 1,5892 m/d v op

Inorganic P:

Settling velocity 0,0873 m/d v ip

Sed P oxygen attenuation half sat constant 0,6492 mgO2/L k spi

Phytoplankton:

Max Growth rate 2,5 /d k gp

Temp correction 1,07 q gp

Respiration rate 0,1 /d k rp

Temp correction 1,07 q rp

Death rate 0 /d k dp

Temp correction 1,07 q dp

Nitrogen half sat constant 15 ugN/L k sPp

Phosphorus half sat constant 10 ugP/L k sNp

Inorganic carbon half sat constant 1,30E-05 moles/L k sCp

Phytoplankton use HCO3- as substrate Yes

Light model Half saturation

Light constant 57,6 langleys/d K Lp

Ammonia preference 25 ugN/L k hnxp

Settling velocity 0,15 m/d v a

Bottom Algae:

Growth model Zero-order

Max Growth rate 69,903 gD/m2/d or /d C gb

Temp correction 1,04 q gb

First-order model carrying capacity 200 gD/m2a b,max

Basal respiration rate 0,29104 /d k r1b

Photo-respiration rate parameter 0 unitless k r2b

Temp correction 1,04 q rb

Excretion rate 0,22228 /d k eb

Temp correction 1,04 q db

Death rate 0,43762 /d k db


External nitrogen half sat constant 83,877 ugN/L k sPb

External phosphorus half sat constant 38,388 ugP/L k sNb

Inorganic carbon half sat constant 5,72781E-05 moles/L k sCb

Bottom algae use HCO3- as substrate Yes


Light constant 65,42029 langleys/d K Lb

Ammonia preference 87,66361 ugN/L k hnxb

Subsistence quota for nitrogen 20,877174 mgN/gD q 0N

Subsistence quota for phosphorus 2,1170908 mgP/gD q 0P

Maximum uptake rate for nitrogen 359,016 mgN/gD/d r mN

Maximum uptake rate for phosphorus 170,915 mgP/gD/d r mP

Internal nitrogen half sat ratio 4,357572 K qN,ratio

Internal phosphorus half sat ratio 2,8419175 K qP,ratio

Nitrogen uptake water column fraction 1 N UpWCfrac

Phosphorus uptake water column fraction 1 P UpWCfrac

Detritus (POM):

Dissolution rate 0,6435 /d k dt

Temp correction 1,07 q dt

Settling velocity 0,79885 m/d v dt

Pathogens:

Decay rate 0,5 /d k dx

Temp correction 1,07 q dx

Settling velocity 1,5 m/d v x

alpha constant for light mortality 1 /d per ly/hr apath

pH:

Partial pressure of carbon dioxide 372 ppm p CO2

Hyporheic metabolism

Model for biofilm oxidation of fast CBOD Zero-order level 1

Max biofilm growth rate 5 gO2/m^2/d or /d "

Temp correction 1,047 "

Fast CBOD half-saturation 0,5 mgO2/L "

Oxygen inhib model Exponential "

Oxygen inhib parameter 0,60 L/mgO2 "

Respiration rate 0,2 /d level 2


Death rate 0,05 /d "


External nitrogen half sat constant 15 ugN/L "

External phosphorus half sat constant 2 ugP/L "

Ammonia preference 25 ugN/L "

First-order model carrying capacity 100 gD/m2"

Generic constituent

Decay rate 0 /d

Temp correction 1

Settling velocity 0 m/d

Use generic constituent as COD? No

Run Fortran

xQUAL2Kw


Calibration of up to four surveys or branches

Water Column Rates

Parameter Value Units Symbol

Stoichiometry:

Carbon 40 gC gC

Nitrogen 7,2 gN gN

Phosphorus 1 gP gP

Dry weight 100 gD gD

Chlorophyll 0,5 gA gA

Inorganic suspended solids:

Settling velocity 1,5 m/d v i

Oxygen:

Reaeration model Internal

Temp correction 1,024 q a

Reaeration wind effect None

O2 for carbon oxidation 2,69 gO2/gC r oc

O2 for NH4 nitrification 4,57 gO2/gN r on

Oxygen inhib model CBOD oxidation Exponential

Oxygen inhib parameter CBOD oxidation 0,60 L/mgO2 K socf

Oxygen inhib model nitrification Exponential

Oxygen inhib parameter nitrification 0,60 L/mgO2 K sona

Oxygen enhance model denitrification Exponential

Oxygen enhance parameter denitrification 0,60 L/mgO2 K sodn

Oxygen inhib model phyto resp Exponential

Oxygen inhib parameter phyto resp 0,60 L/mgO2 K sop

Oxygen enhance model bot alg resp Exponential

Oxygen enhance parameter bot alg resp 0,60 L/mgO2 K sob

Slow CBOD:

Hydrolysis rate 1,2212 /d k hc

Temp correction 1,047 q hc

Oxidation rate 4,8787 /d k dcs

Temp correction 1,0470 q dcs

Fast CBOD:

Oxidation rate 4,7146 /d k dc

Temp correction 1,047 q dc

Organic N:

Hydrolysis 0,3463 /d k hn

Temp correction 1,07 q hn

Settling velocity 1,5918 m/d v on

Ammonium:

Nitrification 4,1085 /d k na

Temp correction 1,07 q na

Nitrate:

Denitrification 1,7561 /d k dn

Temp correction 1,07 q dn

Sed denitrification transfer coeff 0,3431 m/d v di

Temp correction 1,07 q di

Organic P:

Hydrolysis 4,9268 /d k hp

Temp correction 1,07 q hp

Settling velocity 1,5892 m/d v op

Inorganic P:

Settling velocity 0,0873 m/d v ip

Sed P oxygen attenuation half sat constant 0,6492 mgO2/L k spi

Phytoplankton:

Max Growth rate 2,5 /d k gp

Temp correction 1,07 q gp

Respiration rate 0,1 /d k rp

Temp correction 1,07 q rp

Death rate 0 /d k dp

Temp correction 1,07 q dp

Nitrogen half sat constant 15 ugN/L k sPp

Phosphorus half sat constant 10 ugP/L k sNp

Inorganic carbon half sat constant 1,30E-05 moles/L k sCp

Phytoplankton use HCO3- as substrate Yes


Light constant 57,6 langleys/d K Lp

Ammonia preference 25 ugN/L k hnxp

Settling velocity 0,15 m/d v a

Bottom Algae:

Growth model Zero-order

Max Growth rate 69,903 gD/m2/d or /d C gb

Temp correction 1,04 q gb

First-order model carrying capacity 200 gD/m2a b,max

Basal respiration rate 0,29104 /d k r1b

Photo-respiration rate parameter 0 unitless k r2b

Temp correction 1,04 q rb

Excretion rate 0,22228 /d k eb


Death rate 0,43762 /d k db


External nitrogen half sat constant 83,877 ugN/L k sPb

External phosphorus half sat constant 38,388 ugP/L k sNb

Inorganic carbon half sat constant 5,72781E-05 moles/L k sCb

Bottom algae use HCO3- as substrate Yes


Light constant 65,42029 langleys/d K Lb

Ammonia preference 87,66361 ugN/L k hnxb

Subsistence quota for nitrogen 20,877174 mgN/gD q 0N

Subsistence quota for phosphorus 2,1170908 mgP/gD q 0P

Maximum uptake rate for nitrogen 359,016 mgN/gD/d r mN

Maximum uptake rate for phosphorus 170,915 mgP/gD/d r mP

Internal nitrogen half sat ratio 4,357572 K qN,ratio

Internal phosphorus half sat ratio 2,8419175 K qP,ratio

Nitrogen uptake water column fraction 1 N UpWCfrac

Phosphorus uptake water column fraction 1 P UpWCfrac

Detritus (POM):

Dissolution rate 0,6435 /d k dt

Temp correction 1,07 q dt

Settling velocity 0,79885 m/d v dt

Pathogens:

Decay rate 0,5 /d k dx

Temp correction 1,07 q dx

Settling velocity 1,5 m/d v x

alpha constant for light mortality 1 /d per ly/hr apath

pH:

Partial pressure of carbon dioxide 372 ppm p CO2

Hyporheic metabolism

Model for biofilm oxidation of fast CBOD Zero-order level 1

Max biofilm growth rate 5 gO2/m^2/d or /d "


Fast CBOD half-saturation 0,5 mgO2/L "

Oxygen inhib model Exponential "

Oxygen inhib parameter 0,60 L/mgO2 "

Respiration rate 0,2 /d level 2


Death rate 0,05 /d "


External nitrogen half sat constant 15 ugN/L "

External phosphorus half sat constant 2 ugP/L "

Ammonia preference 25 ugN/L "

First-order model carrying capacity 100 gD/m2"

Generic constituent

Decay rate 0 /d

Temp correction 1

Settling velocity 0 m/d

Use generic constituent as COD? No

Run Fortran

Figura No. 16 Hoja electrónica “Rates” para el ingreso de los parámetros de calibración

en el modelo QUAL2Kw en el Río Palo




Teniendo en cuenta las recomendaciones de Pelletier et al. (2006) y Holguin et al. (2013),

para la calibración del modelo de calidad del agua del río Palo, se realizó una calibración

objetiva mediante algoritmos genéticos. Esta metodología se implementó mediante el uso de

dos hojas de cálculo en el modelo QUAL2Kw, denominadas Fitness y Auto-calibración

(Figura No. 17). Un algoritmo genético es un método de búsqueda dirigida basada en

probabilidad. Los algoritmos genéticos son llamados así porque se inspiran en la evolución

biológica y su base genético-molecular. Estos algoritmos hacen evolucionar una población de

individuos sometiéndola a acciones aleatorias semejantes a las que actúan en la evolución

biológica (mutaciones y recombinaciones genéticas), así como también a una Selección de

acuerdo con algún criterio, en función del cual se decide cuáles son los individuos más

adaptados, que sobreviven, y cuáles los menos aptos, que son descartados.

La metodología empleada usando algoritmos genéticos permitió hacer 10100 corridas del

modelo QUAL2Kw con igual número de combinaciones de parámetros de calibración, a partir

de la distribución uniforme en el rango de valores indicado en la Tabla 25. Dichos rangos de

valores fueron establecidos a partir de las recomendaciones de Garcia et al. (2009), Kannel et

al. (2007), Chapra (1997), Bowie et al. (1985), US-EPA (1995) y Uniandes - EAAB (2001).

Mediante una condición con la que el algoritmo guarda siempre al mejor elemento de la

población sin hacerle ningún cambio, se puede demostrar que el algoritmo converge en

probabilidad al óptimo. En otras palabras, al aumentar el número de iteraciones, la

probabilidad de tener el óptimo en la población tiende a 1 (uno). Para cada combinación de

parámetros de calibración se efectuó una corrida del modelo y se obtuvo un conjunto de datos.

Mediante la optimización de la raíz cuadrada del error medio (RMSE) y la ponderación de

dicho coeficiente según la importancia de cada parámetro modelado definido en este estudio

(oxígeno disuelto, DBO5,.. etc) se determinó el conjunto o combinación de parámetros que

arrojó el mejor ajuste. De esta forma, la combinación de los parámetros de entrada asociados a

dicho conjunto fue la óptima.

En la Tabla 26 se presentan los valores de los grupos de parámetros óptimos que permitieron

la calibración del modelo de simulación en el río Palo, mediante el criterio combinado de

ajuste del Oxígeno Disuelto (OD), DBOc de rápida y lenta degradación, Fósforo orgánico

disuelto, Nitrógeno Amoniacal y Patógenos. Vale la pena mencionar que durante la

calibración de la tasa de reaireación (Ka), se evaluaron diferentes ecuaciones predictivas, sin

embargo el mejor ajuste se obtuvo con una ecuación en función de la pendiente, velocidad y

profundidad, con la formula Ka = A * slope^B * velocity^C * depth^D, en donde A, B, C y D son

constantes estimadas por el algoritmo genético. Los valores de Ka resultantes son insertados

en la hoja 'Reach Rates'. En la Figura No. 18 se puede observar un ejemplo de los resultados

usados para la determinación de los valores de los parámetros de calibración del modelo

QUAL2Kw del río Palo mediante la técnica de algoritmos genéticos (10100 corridas). En

dicha figura se observa que parámetros tales como la Tasa de Oxidación de la DBO lenta, la

Tasa de Oxidación de la de la DBO rápida (DBO5) y la Hidrólisis del Fosforo Orgánico

presentan un valor optimo en el rango superior de valores del parámetro evaluado, es decir

cercano a un valor de cinco (5). Es así como la dispersión de datos de estos parámetros tiene

una tendencia de valores de ajuste (fitness) más altos, cuando el valor del parámetro tiende a

cinco (5). Para los restantes parámetros el rango de identificación del valor optimo es un poco

más complejo y es allí en donde cobra importancia la técnica de algoritmo genéticos, para

escoger la combinación optima de parámetros de calibración.




Figura No. 17 Metodología implementada para la determinación de los valores de los

parámetros de calibración del modelo QUAL2Kw del río Palo mediante la técnica de

algoritmo genéticos (10100 corridas), monitoreo del 19 de Septiembre de 2012. Se observan

dos hojas de cálculo Fitness y Auto-calibración, en las que se desarrolló la aplicación de

calibración del modelo.




Tabla 25. Principales parámetros de calibración en el modelo QUAL2Kw y rangos

empleados durante la calibración mediante algoritmos genéticos

Abreviación del

parámetro

Descripción del parámetro de

calibración

Rango de valores de

calibración Unidades

VS-SSI Velocidad de sedimentación de

sólidos suspendidos inorgánicos 0 – 2 m/d

Ka Tasa de reaireación, descrita por la

ecuación de reaireación

Valores de Ka definidos según

ecuación calculada en función

de la pendiente, velocidad y

profundidad según formula

f(s u h): Ka = A * slope^B *

velocity^C * depth^D, en

donde A,B,C y D son

constantes estimadas por el

algoritmo genético. Los valores

de Ka resultantes son insertados

en la hoja 'Reach Rates' .

1/d

Tasa hidrólisis DBOslow Tasa de hidrólisis de la materia

orgánica de lenta descomposición 0 - 5 1/d

T. Oxidación DBO-

DBOslow

Tasa de oxidación de la materia

orgánica de lenta descomposición 0 - 5 1/d

T. Oxidación DBOfast Tasa de oxidación de la materia

orgánica de rápida degradación 0 – 5 1/d

Hidrólisis NO Hidrólisis de nitrógeno orgánico 0 – 5 1/d

VS-NO Velocidad de sedimentación de

nitrógeno orgánico 0 - 2 m/d

T. Nitrificación Tasa de nitrificación de amonio 0 – 10 1/d

T. Desnitrificación

Tasa de desnitrificación de

nitratos (importante cuando

existen condiciones anaeróbicas) 0 – 2 m/d

CT- Desnitrificación

Sed.

Coeficiente de transferencia por

desnitrificación de sedimentos 0 – 1 1/d

Hidrólisis PO Hidrólisis del Fósforo Orgánico 0 - 5 1/d

VS-PO Velocidad de sedimentación del

Fósforo Orgánico 0 – 2 m/d

VS-PI Velocidad de sedimentación del

Fósforo Inorgánico 0 – 2 m/d

Hidrólisis POM Hidrólisis de la materia orgánica

particulada (Detritus (POM)) 0 – 5 1/d

Vel. sedimentación POM

Velocidad de sedimentación de la

materia orgánica particulada

(Detritus (POM)) 0 – 5 m/d

T. Decaimiento

Patógenos

Tasa de decaimiento de los

patógenos 0 – 2 1/d

VS-Patógenos Velocidad de sedimentación de los

patógenos 0 – 2 m/d

constantemortalidad-

Patógenos

constantepara mortalidad de

los patógenos por luz solar 0 – 1

1/d per

ly/hr




Tabla 26. Valores de los parámetros de calibración seleccionados para el modelo

QUAL2Kw del río Palo

Abreviación del

parámetro

Rango de valores de

calibración Unidades

VS-SSI 1.5 m/d

Ka

Valores calculados según: Ka

= A * slope^B * velocity^C *

depth^D y son incluidos en la

hoja 'Reach Rates'.

1/d

Tasa hidrólisis DBOslow 1.22 1/d

T. Oxidación DBO-

DBOslow 4.88 1/d

T. Oxidación DBOfast 4.71 1/d

Hidrólisis NO 0.35 1/d

VS-NO 1.59 m/d

T. Nitrificación 4.11 1/d

T. Desnitrificación 1.75 m/d

CT- Desnitrificación

Sed. 0.34 1/d

Hidrólisis PO 4.93 1/d

VS-PO 1.59 m/d

VS-PI 0.087 m/d

Hidrólisis POM 0.64 1/d

Vel. sedimentación POM 0.80 m/d

T. Decaimiento

Patógenos 0.5 1/d

VS-Patógenos 1.5 m/d

constantemortalidad-

Patógenos 1.0

1/d per

ly/hr




0,5

0,55

0,6

0,65

0,7

0 1 2 3 4 5

Fitn

ess

Slow BOD-Oxidation rate

Dispersión del parametro de calibración tasa de oxidación de la DBO lenta

0,5

0,55

0,6

0,65

0,7

0 1 2 3 4 5

Fitn

ess

Slow BOD-Hydrolysis rate

Dispersión del parametro de calibración tasa de hidrolisis de la DBO lenta

0,5

0,55

0,6

0,65

0,7

0 1 2 3 4 5

Fitn

ess

Fast BOD-Oxidation rate

Dispersión del parametro de calibración tasa de oxidación de la DBO rapida

0,5

0,55

0,6

0,65

0,7

0 2 4 6 8 10Fi

tne

ss

Ammonium Nitrification

Dispersión del parametro de calibración nitrificación del amonio

0,5

0,55

0,6

0,65

0,7

0 1 2 3 4 5

Fitn

ess

Organic N Hydrolysis

Dispersión del parametro de calibración hidrolisis de nitrógeno orgánico

0,5

0,55

0,6

0,65

0,7

0 0,5 1 1,5 2

Fitn

ess

Organic N Settling velocity

Dispersión del parametro de calibración velocidad de sedimentación del nitrógeno orgánico

0,5

0,55

0,6

0,65

0,7

0 1 2 3 4 5

Fitn

ess

Organic P Hydrolysis

Dispersión del parametro de calibración hidrolisis de fósforo orgánico

0,5

0,55

0,6

0,65

0,7

0 0,5 1 1,5 2

Fitn

ess

Organic P Settling velocity

Dispersión del parametro de calibración velocidad de sedimentación del fósforo orgánico

Figura No. 18 Ejemplo de resultados usados para la determinación de los valores de los

parámetros de calibración del modelo QUAL2Kw del río Palo mediante la técnica de

algoritmo genéticos (10100 corridas), monitoreo del 19 de Septiembre de 2012




En las Figuras Nos. 19 a 21 se pueden observar los resultados de la calibración del modelo de

simulación de la calidad del agua QUAL2Kw del río Palo y en las Figuras Nos. 22 a 24 se

pueden observar los resultados de la verificación de este modelo. El análisis de las figuras

anteriores permite observar que en forma general los resultados de la calibración y verificación

del modelo de simulación muestran un buen ajuste entre los valores calculados por el modelo

y los medidos en campo de las variables determinantes de la calidad del agua en la mayoría de

las estaciones, en los sectores evaluados.

Se destaca la representatividad que tiene el modelo en los tramos críticos de calidad del agua

en donde se reproduce con buena precisión la tendencia y los valores máximos y mínimos de

los parámetros, especialmente el OD, la DBO rápida (DBO5), DBO lenta y detritus. Los

menores ajustes se obtuvieron en la modelación del Fosforo orgánico, del Fosforo inorgánico

y del Nitrógeno Amoniacal. Esto en parte puede estar atribuido a la incertidumbre en la

determinación en laboratorio de los valores bajos de estos parámetros, debido a los límites de

detección reportados por el laboratorio de CRC, para los Ortofosfatos (<0,02 mg/l) y para el

Nitrógeno Amoniacal y NItritos (<0,01 mg/l).

Vale la pena resaltar que la verificación del modelo QUAL2Kw realizada en este estudio, se

efectuó con una base de datos (i.e. campaña del año 2013) diferente a la usada durante la

calibración del modelo (i.e. campañas del 2012) y sin modificar los parámetros de calibración

calibrados. De esta forma, se evaluó la capacidad predictiva del modelo QUAL2Kw, en

condiciones hidrológicas y ambientales diferentes a las observadas en la calibración. Con esta

metodología se comprobó que el modelo de simulación de la calidad del agua del río Palo es

un modelo robusto y confiable y se encuentra calibrado y verificado.




0,000

1,000

2,000

3,000

4,000

5,000

6,000

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0

flo

w (

m^

3/s)

distance downstream (Km)


Q, m3/s Q-data m3/s

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0

velo

city

(m

/s)



U, mps U-data m/s

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0

dep

th (

m)



H, m H-data m Figura No. 19 Resultados de la calibración del modelo QUAL2Kw del río Palo durante el

monitoreo del 19 de Septiembre de 2012, para el caudal, la velocidad y la profundidad




0

5

10

15

20

25

30

35

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0

tem

per

atu

re (

deg

C)



Temp(C) Average Mean Temp-data Temp(C) Minimum

Temp(C) Maximum Minimum Temp-data Maximum Temp-data

0

50

100

150

200

250

300

350

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0

con

du

ctiv

ity

(um

ho

s)



cond (umhos) Cond (umhos) data cond (umhos) Min

cond (umhos) Max Minimum cond-data Maximum cond-data

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0

dis

solv

ed o

xyg

en (

mg

/L)



DO(mgO2/L) DO (mgO2/L) data DO(mgO2/L) Min DO(mgO2/L) Max

Minimum DO-data Maximum DO-data DO sat

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0

fast

-rea

ctin

g C

BO

D (

mg

/L)



CBODf (mgO2/L) CBODf (mgO2/L) data CBODf (mgO2/L) Min CBODf (mgO2/L) Max

0

5

10

15

20

25

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0

slo

w-r

eact

ing

CB

OD

(m

g/L

)



CBODs (mgO2/L) CBODs (mgO2/L) data CBODs (mgO2/L) Min CBODs (mgO2/L) Max

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0

amm

on

ia (

ug

N/L

)



NH4 (ugN/L) data NH4(ugN/L) NH4(ugN/L) Min

NH4(ugN/L) Max Minimum NH4-data Maximum NH4-data

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0

nit

rate

+ n

itri

te (

ug

N/L

)



NO3 (ugN/L) data NO3(ugN/L) NO3(ugN/L) Min

NO3(ugN/L) Max Minimum NO3-data Maximum NO3-data

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0

det

ritu

s (m

gD

/L)



Detritus (mgD/L) Detr (mgD/L) data Detritus (mgD/L) Min Detritus (mgD/L) Max Figura No. 20 Resultados de la calibración del modelo QUAL2Kw del río Palo durante el

monitoreo del 19 de Septiembre de 2012, para la temperatura, conductividad, oxígeno

disuelto, la DBOrapida (DBO5), la DBOlenta, el amonio, nitratos + nitritos y detritus




0

50

100

150

200

250

300

350

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0



TP (ugP/L) data TP TP Min TP Max

0

20

40

60

80

100

120

140

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0

org

anic

P (

ug

P/L

)



Porg (ugN/L) data Po (ugP/L) Po (ugP/L) Min Po (ugP/L) Max

0

50

100

150

200

250

300

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0



Inorg P (ugP/L) data Inorg P (ugP/L) Inorg P (ugP/L) Min

Inorg P (ugP/L) Max Minimum Inorg P-data Maximum Inorg P-data

1

10

100

1000

10000

100000

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0



Pathogen Pathogens (cfu/100 mL) data Pathogen Min Pathogen Max

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

35,0

40,0

45,0

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0



TSS (mgD/L) TSS (mgD/L) data TSS Min TSS Max

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0

ISS

(m

g/L

)



ISS (mgD/L) ISS (mgD/L) data ISS (mgD/L) Min ISS (mgD/L) Max

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

9,0

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0



pH pH data pH Min pH Max Minimum pH-data Maximum pH-data pHsat

0

20

40

60

80

100

120

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0



Alk (mgCaCO3/L) data Alk Alk Min Alk Max Minimum Alk-data Maximum Alk-data Figura No. 21 Resultados de la calibración del modelo QUAL2Kw del río Palo durante el

monitoreo del 19 de Septiembre de 2012, para Fosforo Total, Fosforo Orgánico, Fosforo

Inorgánico, Coliformes Fecales (Patógenos), SST, SSI, pH y Alcalinidad




0,000

5,000

10,000

15,000

20,000

25,000

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0

flo

w (

m^

3/s)



Q, m3/s Q-data m3/s

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0

velo

city

(m

/s)



U, mps U-data m/s

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0

dep

th (

m)



H, m H-data m Figura No. 22 Resultados de la verificación del modelo QUAL2Kw del río Palo durante el

monitoreo del 19 de Junio de 2013 para el caudal, la velocidad y la profundidad




0

5

10

15

20

25

30

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0

tem

per

atu

re (

deg

C)



Temp(C) Average Mean Temp-data Temp(C) Minimum

Temp(C) Maximum Minimum Temp-data Maximum Temp-data

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0

con

du

ctiv

ity

(um

ho

s)



cond (umhos) Cond (umhos) data cond (umhos) Min

cond (umhos) Max Minimum cond-data Maximum cond-data

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0

dis

solv

ed o

xyg

en (

mg

/L)



DO(mgO2/L) DO (mgO2/L) data DO(mgO2/L) Min DO(mgO2/L) Max

Minimum DO-data Maximum DO-data DO sat

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0

fast

-rea

ctin

g C

BO

D (

mg

/L)



CBODf (mgO2/L) CBODf (mgO2/L) data CBODf (mgO2/L) Min CBODf (mgO2/L) Max

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0

slo

w-r

eact

ing

CB

OD

(m

g/L

)



CBODs (mgO2/L) CBODs (mgO2/L) data CBODs (mgO2/L) Min CBODs (mgO2/L) Max

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0

amm

on

ia (

ug

N/L

)



NH4 (ugN/L) data NH4(ugN/L) NH4(ugN/L) Min

NH4(ugN/L) Max Minimum NH4-data Maximum NH4-data

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0

nit

rate

+ n

itri

te (

ug

N/L

)



NO3 (ugN/L) data NO3(ugN/L) NO3(ugN/L) Min

NO3(ugN/L) Max Minimum NO3-data Maximum NO3-data

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0

det

ritu

s (m

gD

/L)



Detritus (mgD/L) Detr (mgD/L) data Detritus (mgD/L) Min Detritus (mgD/L) Max Figura No. 23 Resultados de la verificación del modelo QUAL2Kw del río Palo durante el

monitoreo del 19 de Junio de 2013, para la temperatura, conductividad, oxígeno disuelto, la

DBOrapida (DBO5), la DBOlenta, el amonio, nitratos + nitritos y detritus




0

50

100

150

200

250

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0



TP (ugP/L) data TP TP Min TP Max

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0

org

anic

P (

ug

P/L

)



Porg (ugN/L) data Po (ugP/L) Po (ugP/L) Min Po (ugP/L) Max

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0



Inorg P (ugP/L) data Inorg P (ugP/L) Inorg P (ugP/L) Min

Inorg P (ugP/L) Max Minimum Inorg P-data Maximum Inorg P-data

1

10

100

1000

10000

100000

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0



Pathogen Pathogens (cfu/100 mL) data Pathogen Min Pathogen Max

0,0

20,0

40,0

60,0

80,0

100,0

120,0

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0



TSS (mgD/L) TSS (mgD/L) data TSS Min TSS Max

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0

ISS

(m

g/L

)



ISS (mgD/L) ISS (mgD/L) data ISS (mgD/L) Min ISS (mgD/L) Max

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

9,0

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0



pH pH data pH Min pH Max Minimum pH-data Maximum pH-data pHsat

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0



Alk (mgCaCO3/L) data Alk Alk Min Alk Max Minimum Alk-data Maximum Alk-data Figura No. 24 Resultados de la verificación del modelo QUAL2Kw del río Palo durante el

monitoreo del 19 de Junio de 2013, para Fosforo Total, Fosforo Orgánico, Fosforo Inorgánico,

Coliformes Fecales (Patógenos), SST, SSI, pH y Alcalinidad




8. BIBLIOGRAFÍA

Análisis Ambiental Ltda. - Corporación Autónoma Regional del Cauca – CRC (19 de

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ANEXOS




ANEXO 1

CALCULO DE LAS CONSTANTES HIDROMÉTRICAS DE LAS SECCIONES

HIDRÁULICAS UTILIZADAS EN EL MODELO DE CALIDAD DEL AGUA

QUAL2KW DEL RÍO PALO

(TOMADO DEL ANEXO 2 DEL ESTUDIO DE INGESAM LTDA. – AÑO 2002)

1. POSICIONAMIENTO DE LOS PUNTOS DE CONTROL DE LAS SECCIONES DEL RÍO

PALO

Información de Campo

COORDENADAS DE LOS PUNTOS DE CONTROL DE LAS SECCIONES SOBRE EL

RIO PALO

PUNTO LONGITUD LATITUD ASE NORTE ESTE ASNM

S4 -76.4026184 3.13176589 989.217 837771.526 1075400.53 969.419

S5 -76.4059684 3.1354654 989.45 838180.401 1075027.86 969.947

S6 -76.4188757 3.18702509 969.589 843881.278 1073589.38 949.844

S7 -76.4175841 3.20796213 969.174 846196.722 1073731.46 949.396

S8 -76.4261011 3.23292029 965.687 848956.141 1072782.95 945.802

ASE = Altura Sobre Elipsoide

ASNM = Altura Sobre el Nivel Mar

2. DATOS HIDRÁULICOS Y GEOMÉTRICOS DE LAS SECCIONES

Las Tablas A1-1 a A1-5, presentan los resultados de los levantamientos a las secciones 4 a la 8 del río,

en las cuales se ha realizado el cálculo de las áreas de flujo para diferentes alturas del agua y se ha

realizado el estimativo del caudal que corresponde a cada altura del agua en cada sección. El modelo

requiere relaciones entre el Caudal, la Velocidad y la Profundidad del agua, relaciones que se derivarán

de los datos consignados en estas tablas.




TABLA A1 – 1

CARACTERÍSTICAS DE LA SECCIÓN 4

ELEVACIÓN DEL MOJÓN: 969,419 msnm

COORDENADA NORTE: 837771,526 km COORDENADA ESTE: 1075400,53 km.

ELEVACIÓN DEL AGUA -21 Dic 2001: 967,67 msnm

DISTANCIA A BOCATOMA CEDELCA POR EL RÍO: 12,98 km

NIVEL ANCHO PROF. MÁX AREA PROF. PROM VELOC. CAUDAL

msnm m m m2 m m/s m3/s

969,42 32,70 2,90 74,65 2,28 1,60 119,4

969,12 30,50 2,60 65,16 2,14 1,60 104,3

968,92 29,90 2,40 59,12 1,98 1,60 94,6

968,72 29,10 2,20 53,21 1,83 1,50 79,8

968,52 28,30 2,00 47,47 1,68 1,40 66,5

968,32 27,40 1,80 41,90 1,53 1,30 54,5

968,12 26,70 1,60 36,48 1,37 1,20 43,8

967,92 25,90 1,40 31,22 1,21 1,10 34,3

967,72 25,20 1,20 26,10 1,04 1,00 26,1

967,52 24,70 1,00 21,11 0,85 0,90 19,0

967,32 24,30 0,80 16,20 0,67 0,80 13,0

967,12 24,00 0,60 11,37 0,47 0,65 7,4

966,92 23,40 0,40 6,62 0,28 0,50 3,3

966,72 21,40 0,20 2,14 0,10 0,35 0,7

966,52 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,0

TABLA A1 – 2








969,12 48,50 2,62 93,62 1,93 1,60 149,8

968,90 45,60 2,40 83,20 1,82 1,60 133,1

968,70 45,10 2,20 74,07 1,64 1,50 111,1

968,50 44,90 2,00 65,00 1,45 1,40 91,0

968,30 44,70 1,80 55,98 1,25 1,30 72,8

968,10 44,10 1,60 47,03 1,07 1,20 56,4

967,90 42,70 1,40 38,28 0,90 1,10 42,1

967,70 40,00 1,20 29,95 0,75 1,00 29,9

967,50 32,90 1,00 22,59 0,69 0,90 20,3

967,30 30,10 0,80 16,23 0,54 0,80 13,0

967,10 28,60 0,60 10,29 0,36 0,65 6,7

966,90 26,00 0,40 4,76 0,18 0,50 2,4

966,70 10,50 0,20 1,05 0,10 0,35 0,4

966,50 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,0




TABLA A1 – 3








949,46 28,00 4,44 81,58 2,91 1,80 146,9

949,02 25,60 4,00 69,77 2,73 1,70 118,6

948,62 23,80 3,60 59,88 2,52 1,70 101,8

948,22 23,30 3,20 50,44 2,16 1,60 80,7

947,92 22,30 2,90 43,58 1,95 1,60 69,7

947,62 21,40 2,60 37,00 1,73 1,60 59,2

947,42 20,20 2,40 32,83 1,63 1,60 52,5

947,22 19,10 2,20 28,88 1,51 1,50 43,3

947,02 18,70 2,00 25,08 1,34 1,40 35,1

946,82 18,40 1,80 21,35 1,16 1,30 27,8

946,62 17,60 1,60 17,73 1,01 1,20 21,3

946,42 17,00 1,40 14,25 0,84 1,10 15,7

946,22 16,70 1,20 10,86 0,65 1,00 10,9

946,02 14,30 1,00 7,74 0,54 0,90 7,0

945,82 11,90 0,80 5,11 0,43 0,80 4,1

945,62 8,60 0,60 3,04 0,35 0,65 2,0

945,42 6,40 0,40 1,52 0,24 0,50 0,8

945,22 4,30 0,20 0,43 0,10 0,35 0,2

945,02 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,0

TABLA A1 – 4








949,98 39,80 7,19 164,84 4,14 1,80 296,7

949,59 36,50 6,80 150,03 4,11 1,80 270,1

949,19 33,00 6,40 136,19 4,13 1,80 245,1

948,79 32,70 6,00 123,12 3,77 1,80 221,6

948,39 28,30 5,60 110,98 3,92 1,80 199,8

947,99 26,70 5,20 100,05 3,75 1,80 180,1

947,59 25,20 4,80 89,73 3,56 1,80 161,5

947,19 24,00 4,40 79,96 3,33 1,80 143,9

946,79 22,70 4,00 70,68 3,11 1,80 127,2

946,39 21,50 3,60 61,91 2,88 1,70 105,2

945,99 20,00 3,20 53,67 2,68 1,70 91,2

945,69 19,80 2,90 47,77 2,41 1,60 76,4

945,39 19,20 2,60 41,98 2,19 1,50 63,0

945,19 18,80 2,40 38,25 2,03 1,30 49,7

944,99 18,60 2,20 34,57 1,86 1,15 39,8

944,79 18,10 2,00 30,97 1,71 1,00 31,0




944,59 17,80 1,80 27,44 1,54 0,90 24,7

944,39 17,60 1,60 23,97 1,36 0,80 19,2

944,19 17,40 1,40 20,53 1,18 0,70 14,4

943,99 17,00 1,20 17,16 1,01 0,60 10,3

943,79 16,90 1,00 13,83 0,82 0,55 7,6

943,59 16,80 0,80 10,53 0,63 0,50 5,3

943,39 16,50 0,60 7,26 0,44 0,45 3,3

943,19 14,70 0,40 4,21 0,29 0,40 1,7

942,99 14,00 0,20 1,40 0,10 0,35 0,5

942,79 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,0

TABLA A1 – 5

CARACTERÍSTICAS DE LA SECCIÓN 8 ELEVACIÓN DEL MOJÓN: 945,802 msnm






945,80 39,00 7,15 177,14 4,54 1,80 318,9

945,45 37,90 6,80 163,77 4,32 1,80 294,8

945,05 36,50 6,40 148,97 4,08 1,70 253,2

944,65 36,30 6,00 134,49 3,71 1,70 228,6

944,25 34,60 5,60 120,39 3,48 1,70 204,7

943,85 33,50 5,20 106,86 3,19 1,60 171,0

943,45 32,20 4,80 93,80 2,91 1,60 150,1

943,05 29,80 4,40 81,48 2,73 1,60 130,4

942,65 28,00 4,00 70,01 2,50 1,50 105,0

942,25 26,60 3,60 59,17 2,22 1,50 88,8

941,85 25,40 3,20 48,85 1,92 1,50 73,3

941,55 24,40 2,90 41,46 1,70 1,50 62,2

941,25 23,20 2,60 34,41 1,48 1,50 51,6

941,05 22,30 2,40 29,94 1,34 1,30 38,9

940,85 21,70 2,20 25,62 1,18 1,15 29,5

940,65 19,40 2,00 21,60 1,11 1,00 21,6

940,45 18,00 1,80 17,94 1,00 0,90 16,1

940,25 16,00 1,60 14,62 0,91 0,80 11,7

940,05 14,40 1,40 11,66 0,81 0,70 8,2

939,85 13,20 1,20 8,99 0,68 0,60 5,4

939,65 12,00 1,00 6,55 0,55 0,55 3,6

939,45 10,40 0,80 4,39 0,42 0,50 2,2

939,25 8,80 0,60 2,56 0,29 0,45 1,1

939,05 6,00 0,40 1,16 0,19 0,40 0,5

938,85 3,20 0,20 0,32 0,10 0,35 0,1

938,65 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,0

Los perfiles de dichas secciones se presentan en las Figuras A1 – 1 a A1 – 5.




FIGURA A1 - 1 RIO PALO - SECCIÓN 4

966,000

966,500

967,000

967,500

968,000

968,500

969,000

969,500

970,000

970,500

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00 45,00 50,00 ABSCISA m.





966,000

966,500

967,000

967,500

968,000

968,500

969,000

969,500

970,000

970,500

971,000

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00 90,00 100,00 ABSCISA m


944,000

945,000

946,000

947,000

948,000

949,000

950,000

951,000

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 ABSCISA m





942,000

944,000

946,000

948,000

950,000

952,000

954,000

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00 ABSCISA m.


938,000

939,000

940,000

941,000

942,000

943,000

944,000

945,000

946,000

947,000

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 ABSCISA m




La sección No. 4 está ubicada después de la confluencia con la quebrada La Trampa y antes de la

descarga de la PTAR Guachené, el lecho del río presenta un perfil suave y un ancho medio de unos 25

metros aproximadamente.

La sección No. 5 ubicada a 1,1 Km aguas abajo de la descarga de la PTAR Guachené, presenta un

lecho de mayor amplitud con un ancho aproximado de 40 metros; como puede observarse en esta

Sección se ha incluido el levantamiento del área transversal de la acequia La Cabaña que corre paralela

al río en este sitio. La zona más sinuosa del río Palo se encuentra entre Guachené y la Bocatoma de

Propal II. La presencia de curvaturas hace que la mayor parte del flujo se localice hacia una u otra

orilla. La sección No. 6, a unos 600 metros aguas arriba de la Bocatoma de Propal II, muestra un perfil

típico de este tramo en donde el flujo circula por el lado derecho del río.

Entre la Bocatoma de Propal II y la confluencia con el río La Paila, el cauce presenta tramos rectos y

curvas moderadas; por lo que el lecho del río es bastante uniforme. La sección No. 7, corresponde a un

perfil típico en el cual el flujo se observa prácticamente canalizado.

Entre el Municipio de Puerto Tejada y la desembocadura en el río Cauca, el cauce discurre sin mayores

alteraciones. La sección No. 8 muestra la topografía del fondo del río en este tramo.

3. RELACIONES HIDRÁULICAS

Con base en los datos obtenidos en las secciones se determinan por medio de regresiones potenciales

las relaciones hidráulicas entre el caudal, la velocidad y la altura de la lámina de agua. Las Figuras A1

– 6 a A1 – 10, presentan las relaciones hidráulicas obtenidas en las secciones 4 a la 8, las cuales

permiten expresar estos parámetros por medio de las siguientes expresiones:

u = aQ b

en donde u es la velocidad media de la corriente; a es el coeficiente y b el exponente para aplicar al

caudal Q , para obtener la velocidad en la respectiva sección del río.

d = Q

en donde d es la profundidad media de la corriente; es el coeficiente y es el exponente para

aplicar al caudal Q , para obtener la profundidad de la corriente.




FIGURA A1 – 6 VARIACIÓN DE CAUDAL vs ALTURA Y VELOCIDAD SECCION 4






FIGURA A1 – 9 VARIACIÓN DE CAUDAL vs ALTURA Y VELOCIDAD

SECCION 7




FIGURA A1 – 10 VARIACIÓN DE CAUDAL vs ALTURA Y VELOCIDAD

SECCION 8

La Tabla A1 – 6, presenta el resumen de las relaciones hidráulicas en cada una de las secciones

levantadas del río.

TABLA A1 – 6

RELACIONES HIDRÁULICAS EN SECCIONES DEL RÍO PALO

SECCIÓN

RELACIÓN Q y u RELACIÓN Q y d

a b

4 0,356 0,322 0,132 0,614

5 0,422 0,257 0,145 0,497

6 0,554 0,253 0,239 0,4836

7 0,322 0,344 0,215 0,582

8 0,467 0,250 0,281 0,458

informe modelación del rio palo, convenio marco 25-05-2012

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