INGENIERÍA HIDRÁULICA Y AMBIENTAL, VOL. XXXI, No. 3, 2010

Aplicación de un sistema de aireación en la laguna de Bojórquez, Cancún, México INTRODUCCIÓN Cancún es uno de los desarrollos turísticos más ambiciosos de América Latina, el cual fue construido alrededor del sistema lagunar Nichupté (SLN) incluyendo la zona hotelera y todos sus servicios a lo largo de las islas ubicadas en los límites del SLN. Todo este complejo se localiza en la costa del Caribe Mexicano (véase figura 1). Las lagunas son, en su conjunto, una componente importante de valor estético y recreativo para esta región. De manera que se tiene por un lado los bellos colores turquesa de diferentes tonalidades que producen los corales del lado de la costa marina y, por otro, la fuente recreativa de las aguas tranquilas de la laguna. Desafortunadamente, la falta de planeación para prevenir y evitar los efectos de deterioro por causas de actividades humanas ha provocado que las características ambientales actuales afecten la atracción turística del área Lagunas como la de Bojórquez localizadas muy cerca del área de mayor intensidad en la actividad turística, son ahora cuerpos de agua turbia y con masas de materia orgánica flotante con olores fétidos, lo que sugiere que se encuentran en un proceso de eutroficación. Sin embargo, esta situación permite estudiar el grado de contaminación en un sistema que no cuenta con un historial largo de actividad humana, lo cual permite identificar las causas y efectos.

Resumen / Abstract En el año 1993 el IMTA (Instituto Mexicano de Tecnología del Agua), inició estudios de eutroficación en la laguna de Nichupté, en Cancún, México. En particular la laguna de Bojórquez, parte del sistema de Nichupté. Los problemas de esta región lagunar son malos olores por descargas residuales de hoteles. La laguna de Bojórquez es somera y estancada y en noches de verano y poco viento, desprende malos olores molestando a los turistas. Se diseñó un sistema de aireación para las áreas problemáticas de la laguna. El diseño utiliza la ecuación de Nakasone con parámetros principales: altura de caída, gasto y profundidad de penetración del chorro. El sistema cuenta con estructura en cascada y cárcamo de bombeo separados entre sí como fuente y sumidero respectivamente. Palabras clave: eutroficación, lagunas, residuales, tratamiento.

Eutrophication studies were started in 1993 by IMTA (Instituto Mexicano de Tecnología del Agua) in Nichupté lagoon, in Cancún, México. Particularly in Bojórquez lagoon, part of Nichupté system. The problems in this region are bad odors from hotels waste discharges. To this is added that Bojórquez lagoon is shallow and stagnant. In summer nights with low wind it expells bad odors which are a nuisance to tourists. An aeration system was designed to be applied in troubled areas. The design is based on Nakasone equation with main parameters: height of fall, discharge flow and penetration depth of flow jet. The system is structured as a cascade and a pumping ditch which are separated as the source and the sink respectively. Keywords: eutrophication, lagoons, waste water, treatment.

José Isidro Robles López, IMTA, Instituto Mexicano de Tecnología del Agua email: [email protected],

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Figura 1. Mapa de localización del sistema lagunar Nichupté; en particular,de la laguna de Bojórquez

EL FENÓMENO DE LA EUTROFICACIÓN De manera natural, todos los cuerpos de agua, tienden a desaparecer. Desde su formación inicia un proceso de azolve y saturación de nutrientes provenientes de corrientes naturales y de arrastres de sólidos de laderas por escurrimiento en temporada de lluvias. El proceso continúa con la formación de pantanos hasta culminar con extensos llanos donde alguna vez hubo agua. Aunque no es exactamente el caso para la laguna de Bojórquez, debido a que se encuentra alimentada constantemente por varias bocas al mar y por agua subterránea, las actividades que ahí se desarrollan con poco control, contribuyen a una aceleración en el proceso tendiente a la eutroficación. La cantidad excesiva de aguas crudas vertidas en la laguna sobrepasa la capacidad propia para depuración en un periodo de mediano y quizás largo plazo. La acumulación constante en el fondo de desechos que son atrapados por el sedimento con altos contenidos de nutrientes ha provocado problemas de turbiedad y mal olor. En las noches de verano, con un incremento en la temperatura del agua y poco viento, en el fondo de la laguna cesa la actividad fotosintética de las plantas acuáticas. Bajo estas condiciones la cantidad de oxígeno disuelto disponible en la columna del agua se torna crítica. Una de las consecuencias de este hecho, es la aparición de bacterias que viven en la ausencia del oxígeno y son las que producen malos olores. Además, desde los sedimentos, en el fondo de la laguna se liberan otros gases como el metano o el ácido sulfhídrico, etc. que son los causantes de las molestias inherentes. PROYECTO DE AIREACIÓN PARA LA LAGUNA DE BOJÓRQUEZ Los efectos negativos como la turbiedad y los malos olores que demeritan la calidad del agua dieron origen a

un estudio desarrollado por el IMTA, Morelos, México, en el cual se inició un proyecto que contemplara: el estudio de la calidad del agua mediante muestreos in situ; estudio de alternativas de varias propuestas efectuadas por distintas dependencias y centros de investigación; una propuesta de remediación aplicable a la laguna, entre otras actividades. Una de las componentes principales del estudio sería la eliminación de los malos olores que existen en la laguna, sobre todo en la zona norte, donde los niveles del agua son muy bajos y sopla poco el viento debido a las obstrucciones físicas de los hoteles y restaurantes ubicados en esa zona. Exactamente ahí, existe una gran cantidad de tuberías que descargaron agua cruda directamente a la laguna impactando la calidad del agua. En la actualidad, existe un control por parte de Fonatur para verificar la clausura de estas descargas clandestinas, aunque el daño ecológico ya está hecho. El proyecto contempló varios aspectos en torno a la problemática de la contaminación de la laguna, entre ellos, destaca el estudio de alternativas de remediación de la contaminación de Bojórquez. En esta parte se determinó que la mayoría de las propuestas eran muy costosas o poco viables. Algunas, incluso, deterioraban el medio ambiente debido a la aplicación del método. En el estudio de que se habla, se determinó que la aireación de la laguna sería una componente importante para la eliminación de los malos olores, sobre todo en los periodos críticos y en zonas específicas de la laguna de Bojórquez. Para encontrar el método de aireación adecuado en función del costo y eficiencia se tuvo que consultar una gran cantidad de métodos existentes en la actualidad, pero nuevamente, se tuvo dificultad para encontrar una técnica adecuada para las necesidades propias de la laguna. Algunos métodos resultaban ser muy costosos, mientras que otros implicaban serios problemas para su construc-

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ción, por ser la laguna de recreación turística. Por lo que se tuvo que recurrir a una investigación ulterior que considerara una amplia gama de estudios en campo y laboratorio, que asegurara una aireación eficiente de la columna del agua con un costo de la obra razonable.

de un conducto para transportar agua de un punto de baja profundidad a otro de mayor profundidad, aproximadamente de 350 m distantes entre sí. De esta manera, se establecería una circulación artificial del agua para un mayor recambio en las zonas de mayor contaminación.

Después de revisar varias alternativas se concluyó en que la estructura debería ser parecida a una del tipo escalón o escalonada (figura 2). En donde, el agua, escurre por gravedad en pequeños saltos, escalón por escalón, hasta ser descargada en la laguna con una concentración mayor de oxígeno disuelto.

La elección del tipo de sistema de aireación que se aplicaría en la laguna resultó ser complejo por varios aspectos. Uno de ellos lo fue el costo de la estructura, afortunadamente las dimensiones de la laguna no son muy grandes, dado que tiene una extensión aproximada de 3.75 km2 y por ser un cuerpo somero, el volumen tampoco resulta ser grande.

Figura 2. Diseño de la estructura de aireación/circulación.

CRITERIOS PARA EL DISEÑO DEL SISTEMA DE AIREACIÓN Debido a que existen zonas en la laguna de Bojórquez poco profundas, el agua permanece por largos periodos en un solo lugar. Más aún, cuando el viento tiene una mínima o nula influencia en la circulación debido a las obstrucciones que ofrecen los edificios de hoteles y comercios. Adicionalmente, esta es una zona donde por periodos largos de tiempo se descargaron una gran cantidad de aguas residuales sin tratamiento. El efecto combinado de estas componentes provoca en la actualidad varias consecuencias negativas que se reflejan en aguas turbias y malos olores. Los puntos anteriores permitieron dar paso al primer criterio en el diseño del sistema de aireación de la laguna: la circulación. Para lo cual se estableció, por las características batimétricas de las zonas contaminadas, la aplicación

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De esta manera, la estructura debería tratar una cantidad de flujo razonablemente pequeña por periodos largos. Otro aspecto problemático fue que se trata de una laguna de uso recreativo por lo que existieron restricciones para el tipo de estructuras que se tuvieran que construir en puntos intermedios de la laguna, debido al tránsito de embarcaciones. También los aspectos ecológicos definidos por grupos ambientalistas restringieron la ubicación de las estructuras; así como el diseño propio de la estructura de aireación. Un punto más que se debió cuidar fue que existen zonas restringidas dentro de la laguna para realizar construcción. DISEÑO DEL SISTEMA DE AIREACIÓN/ CIRCULACIÓN DE BOJÓRQUEZ El gasto utilizado por el sistema de aireación/circulación se fijó en 50 l/s. Se contemplaron un total de 3 es-

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tructuras ubicadas en sitios estratégicos a lo largo de la laguna (ver la figura 3), cada una incluyó un punto de succión con cárcamos de bombeo, línea de conducción del agua, y estructura de aireación para después descargar directamente a la laguna. Se utilizaron bombas de 4 HP, para la succión del agua, para la línea de conducción se utilizaron ductos de plástico de 8". El cálculo de los diámetros se realizó para salvar la carga establecida por la altura de la estructura y por las pérdidas por conducción, además de las pérdidas locales. La estructura de aireación tiene una altura total de 2.5 m y aproximadamente 8.25 m de largo. Las dimensiones de la estructura se estimaron con base a los siguientes puntos: se requería conocer la concentración de oxígeno disuelto a la que el agua era entregada en la parte más alta de la estructura, para lo cual se recurrió a los datos de monitoreo existentes de calidad del agua, de donde se estimó un valor promedio aritmético en la concentración de 5.1 mg/l. Otro requerimiento solicitado para el diseño de la estructura fue que se debería entregar al final de la estructura, es decir, en la descarga a la laguna, una concentración de saturación de oxígeno disuelto en la columna de agua, estimada para las características del agua en Bojórquez de 6.6 mg/l. Se tuvo especial cuidado en las dimensiones hacia el interior de la estructura como longitud de mezclado, altura de caída, profundidad de penetración de la napa, dimensiones adecuadas para la zona de aquietamiento en la entrada del flujo proveniente de la línea de conducción, ancho de los vertedores de descarga, distancia suficiente desde la entrada hasta el primer vertedor para tener un tirante estable para aforo, biseles de los vertedores, etc.

rancia, resultado de la cimentación de la propia estructura, que impedía que la napa penetrara eficientemente en la laguna. Para lo anterior, se diseñó una prolongación de descarga que salvara este obstáculo y permitiera una caída libre del chorro. Con esta modificación en las tres estructuras, se elevó la eficiencia de aireación a niveles de diseño, es decir, con una descarga con concentración a saturación. Existieron otras modificaciones, que permitieron asegurar el funcionamiento óptimo de la estructura, como el hecho de practicar pequeñas perforaciones en los costados de cada escalón, con la finalidad de liberar aire atrapado por la napa y las paredes laterales. De esta manera, también, se libera una contracción que se presenta en la vena líquida por efecto de subpresión en el saco hueco ubicado exactamente por debajo del chorro y confinado lateralmente por las paredes. Adicionalmente, se mejoró la estructura de descarga con la instalación de vertedores dentados que dividen la napa en varios chorros individuales, proporcionando un mejor desempeño en la introducción de oxígeno a la columna de agua mediante la formación de burbujas en el fondo.

FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA DE AIREACIÓN La etapa de arranque del sistema permitió la verificación del gasto que circula por cada una de sus componentes. En especial se pudo medir que efectivamente se tiene un gasto de aproximadamente 54 l/s en cada estructura, ligeramente superior al calculado, pero que de ninguna manera demerita el funcionamiento adecuado de todo el sistema, al contrario permite asegurar un gasto de operación adecuado durante su vida útil. Debido a que son dos bombas las que alimentan a cada estructura, en un inicio se advirtió fallas en el arranque de alguna de las dos bombas en dos estructuras. Por lo que fue necesaria la revisión para posterior reparación de las mismas. AJUSTES Y MODIFICACIONES AL SISTEMA DESPUÉS DE SU CONSTRUCCIÓN Esta etapa permitió remediar algunas anomalías en el funcionamiento óptimo del sistema de aireación/circulación. En primer lugar se detectó que la descarga al final de la estructura de aireación golpeaba en una protube-

Figura 3. Ubicación de los sistemas de aireación, donde la S indica succión y la D descarga.

CAMPAÑAS DE MONITOREO DE LA CALIDAD DEL AGUA Se inició una serie de monitoreos de la calidad del agua desde que se puso en marcha el sistema de aireación/ circulación que permitirán dar un seguimiento del impacto

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del sistema en la laguna de Bojórquez. Parte de este muestreo, consiste en determinar mediante mediciones en campo la cantidad de oxígeno que se introduce al agua de escalón en escalón hasta la descarga, para después comparar los resultados de la concentración de oxígeno disuelto en el agua con lo calculado en el diseño con fines de verificación. CONCLUSIONES

AGRADECIMIENTOS Se agradece la participación activa del personal de la subcoordinación de hidráulica ambiental del IMTA, México. REFERENCIAS Harleman, D.R.F. 1982. Hydrothermal analysis of lakes and reservoirs, ASCE, Journal of Hydrodynamics Div. 108 (3): 302-325.

De los primeros resultados obtenidos de los monitoreos, se realizó una comparación cualitativa del incremento paulatino en la concentración de oxígeno disuelto con el modelo analítico de diseño de las estructuras.

Kojima, Sadao, 1990. Circulación artificial del agua de lagos como medida de control para la eutrofización, Nihon Suido Consultants Co. Ltd,.

El monitoreo se realizó de la siguiente forma: se determinó la concentración inicial de OD en la parte más alta de la estructura para posteriormente realizar la medición en cada escalón en la dirección aguas abajo hasta medir la concentración a la que era descargada el agua a la laguna.

Kojima, Sadao, 1989. Aeration of impounded water. Nihon, Suido Consultant Co. Ltd.

En el cálculo se establece una concentración inicial de OD que se incrementa a cada salto a lo largo de la estructura hasta llegar al punto de saturación al final de la misma, 5.1 mg/l y 6.6 mg/l respectivamente. En las comparaciones realizadas de concentración a saturación tanto en mediciones como los cálculos realizados existe una buena concordancia. De manera que el diseño resultó ser adecuado, ya que el objetivo era entregar agua al final de la estructura a saturación, situación que se logró acompañado de una reducción de malos olores en la zona de aplicación.

Porcella, D.B., Peterson, S.A., Larsen, D.P. 1980. Index to evaluate lake restoration, Journal Environmental Eng. Div. ASCE 106: 1151-1169. London, A (234): 1-23.

Nurnberg, G. K. 1987. Hypolimnetic withdrawal as lake restoration technique, Journal Environmental Eng. , 113: 1006-1016.

Salas, H.J. y Martino, P. 1990. Metodologías simplificadas para evaluación de eutrofización en lagos cálidos y tropicales 1981-1990, Programa Regional Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente. Organización Mundial de la Salud, Organización Panamericana de Salud, Lima, Perú: 51. Septiembre de 2010

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