PROYECTO DE INVESTIGACION APLICACIÓN DEL MODELO DE SIMULACIONDE CALIDAD DE AGUA MIKE 11 EN LA CUENCA DEL RIO LA PAZ

CONTENIDO

1.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ____________________________________ 2

2.

REVISION BIBLIOGRAFICA. ___________________________________________ 2

3.

OBJETIVOS DE LA INVESTIGACION ___________________________________ 3

4.

HIPOTESIS DE LA INVESTIGACION ____________________________________ 4

5.

CARACTERISTICAS DEL MODELO MIKE 11 ____________________________ 4

6. SISTEMA DE CONTROL APLICADO , PARAMETROS SELECCIONADOS Y CONDICIONES DE BORDE _________________________________________________ 6 7.

CALIBRACION Y VALIDACION DEL MODELO ___________________________ 9

8.

ESCENARIOS DE CALIDAD DEL RÍO CHOQUEYAPU ___________________ 12

9.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. _____________________________ 27

10.

BIBLIOGRAFÍA.____________________________________________________ 33

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PROYECTO DE INVESTIGACION APLICACIÓN DEL MODELO DE SIMULACION DE CALIDAD DE AGUA MIKE11 EN LA CUENCA DEL RIO LA PAZ Oscar Paz Rada1 Lysander Lavadenz Carpio2 1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA La ciudad de La Paz sufre desde hace muchos años el problema de la contaminación de sus ríos como fruto de la descarga de efluentes domésticos e industriales, generando en el cuerpo principal de su cuenca, el río Choqueyapu, niveles de contaminación muy elevados, los cuales aun no han podido ser reducidos por la falta de acciones y de toma de decisiones. Esta falta de decisión se basa en innumerables estudios que generaron una serie de opciones de tratamiento, pero que por su costo y por su ubicación no resuelven el principal problema que es reducir la contaminación a todo lo largo del río Choqueyapu. Estudios realizados por el Gobierno Municipal de La Paz, con apoyo Japonés (1993) y estudios del Plan Maestro desarrollados por GITEC Consult (1996) solamente plantean la ubicación de plantas de tratamiento al final de la cuenca, sin resolver el problema central. La no existencia de una herramienta que permita establecer donde ubicar plantas de tratamiento a lo largo del río Choqueyapu y determinar que niveles de tratamiento se deberían aplicar, ha sido el factor fundamental para no asumir una solución integral en la cuenca. De allí la necesidad de encarar, de manera científica un proceso de evaluación de alternativas de tratamiento, respaldada por el uso de un modelo matemático que sirva para la toma de decisiones futuras. 2. REVISION BIBLIOGRAFICA. Gracia Alcaine,1980, desarrolló el primer estudio de calidad del río Choqueyapu, basándose solamente en la toma de muestras y análisis de las mismas a lo largo del cuerpo receptor y planteó algunas ideas de tratamiento. 1 2

Ing. MSc. Docente Investigador Instituto de Ingeniería Sanitaria y Ambiental Ing..MSc. Investigador invitado Post Grado Ingeniería Sanitaria y Ambiental

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Paz 1990 y 2002 desarrolla un análisis de evolución de la calidad del río Choqueyapu, analizando todos los procesos de contaminación a lo largo del tiempo, usando como base varias campañas de muestreo realizadas por el Instituto de Ingeniería Sanitaria. Ribera y Bellot, 1995, aplican por primera vez un modelo matemático para determinar su aplicabilidad al río Choqueyapu. Dicho Modelo es el QUAL2E, sin embargo el trabajo se centra exclusivamente en procesos de Calibración y Validación. Coaquira y Sullca, 2003 desarrollan una valoración estadística de la calidad del río y muestran el proceso de degradación de la calidad, a través de un análisis minucioso de varios parámetros. Mattos y Paz, 2004 desarrollan la validación de la aplicabilidad de tres modelos matemáticos en el río Choqueyapu, RIOS IV, SIMOD y QUAL2E para establecer el nivel de aplicabilidad y de accesibilidad de cada uno de ellos. Este trabajo muestra que estos modelos tienen diferentes niveles de ajuste a la calidad del río, pero también presentan dificultades de aplicabilidad. Astorga, Rivera, Diaz y Paz 2005 desarrollan análisis de calidad a través de campañas completas que sirvan de base para toma de decisiones, a través de un estudio compartido con el Gobierno Municipal de La Paz y el IBTEN. Bellot 2006 elabora un trabajo inicial sobre Indices de Calidad del Río Choqueyapu, a partir de la construcción de los mismos y de los criterios de valoración de cada índice. 3. OBJETIVOS DE LA INVESTIGACION OBJETIVO GENERAL Desarrollar un análisis de opciones de saneamiento del río Choqueyapu, por medio del empleo de un modelo matemático que simule el comportamiento de elementos no conservativos. OBJETIVOS ESPECIFICOS Analizar el Modelo Mike 11 para tener un conocimiento conceptual, funcional y computacional de sus características, capacidades y requerimientos. Evaluar la información existente apta para la aplicación al modelo Mike 11 y completar aquella no existente.

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Valorar parámetros hidráulicos y de calidad y/o estimar variables que solicite el modelo. Calibrar y validar el Modelo Mike 11 para las condiciones del río Choqueyapu. Simular con el modelo escenarios futuros del estado ecológico del río para evaluar planes alternativos de control y manejo de la calidad del agua. 4. HIPOTESIS DE LA INVESTIGACION HIPOTESIS DE TRABAJO La aplicación del Modelo MIKE 11 se constituye en una herramienta de planificación viable y confiable para el saneamiento del río Choqueyapu. SUB HIPOTESIS El modelo MIKE 11 calibrado y validado con datos de campo, simula y predice los fenómenos de transporte y condiciones de autodepuración propios de los ríos de montaña de forma continua en espacio y tiempo. El modelo MIKE 11 simula escenarios futuros de calidad del río Choqueyapu a partir de opciones de tratamiento planteadas. Las variable de contaminantes no conservativos son predecibles a través de MIKE 11 en ríos de montaña. 5. CARACTERISTICAS DEL MODELO MIKE 11 MIKE 11 fue desarrollado por el Danish Hydraulic Institute – Water & Environment, con la finalidad de desarrollar análisis de modelización dinámica unidimensional de sistemas fluviales y canales sencillos y complejos. MIKE 11 tiene la característica de modelar la hidrodinámica de un río, los fenómenos de advección – dispersión y la calidad de agua, denominado WQ ECOLAB. Esto significa que el modelo contiene una estructura modular integrada por varios módulos para cada fenómeno de simulación relacionada con el sistema fluvial. El módulo hidrodinámico es el núcleo del sistema y se constituye en la base para el resto de los módulos. Resuelve las ecuaciones integradas verticalmente para la conservación de continuidad y momento, lo que significa resolver las ecuaciones de Saint Vennant para flujos en estado no permanente como para cuasi permanente (ver ecuaciones abajo).

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 Q A ` q x t Q2  (  )  Q h gQ Q A  gA  2 0 t x x C AR El módulo de Advección – Dispersión se basa en la ecuación unidimensional de conservación de masa de materia disuelta o suspendida. Esta ecuación es resuelta por un diseño implícito de diferencias finitas el cual es inicialmente incondicionalmente estable y tiene despreciable dispersión numérica.  AC QC  C   ( AD ) AKC C 2 q  t x x x Q n 1 / 2 D nj 1 a n 1 / 2 A

El módulo de calidad personaliza modelos de ecosistemas acuáticos para describir la calidad del agua, eutrofización, metales pesados y ecología. El módulo puede llegar a alcanzar procesos complejos, pero cuenta con un sistema básico del estado ecológico de un río como depleción de oxígeno y niveles de amonio como resultado de cargas orgánicas o nutrientes. Regula el proceso de transformación químico-biológico y simultáneamente simula el proceso de transporte. Para ello soluciona un sistema de ecuaciones diferenciales acopladas que describen las interacciones físicas, químicas y biológicas en el río. Toma en cuenta constantes como la de desoxigenación, de reaireación y de saturación de Michealis-Menten. Degradación k1 * T 20

OD 2 Ks OD 2

k 2 a * u b * hc * I d

Según Ambrose et al 1994, se puede apreciar una serie de modelos matemáticos que existen para su utilización y las características de cada uno (ver tabla No.1) donde el Mike 11 presenta características muy importantes y completas para su aplicación.

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6. SISTEMA DE CONTROL APLICADO , PARAMETROS SELECCIONADOS Y CONDICIONES DE BORDE El IIS ya tiene establecidos una serie de puntos de control “históricos” que permiten contar con información de calidad del río Choqueyapu. Son en total 15 Nodos principales de monitoreo en el intervalo de análisis, de los cuales 10 se encuentran a lo largo del río y 5 en la confluencia de los ríos tributarios que fueron utilizados en el muestreo de 2003 y 2005 que sirvieron de base para el análisis. La Tabla 2 y la figura 1 sintetizan la ubicación de dichos puntos de control. Para el análisis fueron considerados parámetros como el caudal, la temperatura, la Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO) y el Oxígeno Disuelto (OD), estos datos están correlacionados y se constituyen en parámetros no conservativos aptos para su aplicación al modelo MIKE 11.

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Figura 1. Puntos de Muestreo en el río Choqueyapu

Tabla No.2 Ubicación de Puntos de muestreo

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Los datos que sirvieron de apoyo se presentan a continuación en las figuras 2, 3, 4 y 5.

Figuras 2, 3, 4 y 5 Variaciones de caudal, temperatura, OD y DBO en el río Choqueyapu Adicionalmente es bueno señalar que el análisis de calidad fue circunscrito a la época de estiaje que se constituye la condición ambiental menos favorable y la más crítica del ciclo estacional,por lo que fueron considerados los caudales más bajos y la información de los meses de junio a septiembre. La Figura 6, abajo, sintetiza la segmentación ambiental aplicada al río Choqueyapu con la consideración de los puntos de control más críticos del sistema y sus características geométricas, distancias y ubicación.

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Para trabajar las condiciones de borde que requiere el modelo se realizaron análisis de balance de caudales que permitan tener estimaciones adecuadas en materia de flujos. Para estimar los valores de carga de DBO en los tramos correlaciones de caudal de descarga y población equivalente fueron inicialmente realizados, para luego indirectamente determinar la DBO de dichos caudales de descarga. En materia de temperatura, también la correlación con el caudal de descarga fue utilizado con una buena correlación para el río Choqueyapu. Finalmente para el OD de las descargas se utilizo la correlación existente con la DBO en diferentes rangos de caudal. Las condiciones de borde hidrodinámicas (septiembre 2003) y de calidad de agua se presentan a continuación en las tablas 3 y 4.

Tablas 3 y 4 Condiciones de borde hidrodinámicas y de calidad de agua 7. CALIBRACION Y VALIDACION DEL MODELO El proceso de calibración se apoyo en información de campo de la campaña de septiembre de 2003 y el de validación usando la campaña de agosto de 2005. La calibración analizó el módulo hidrodinámico con relación al de calidad de agua. La calibración del modelo hidrodinámico es fundamental ya que regula el tiempo de transito del agua a lo largo del río y éste a su vez incide sobre la temperatura y el oxígeno disuelto. Para ello se aplicó una calibración interactiva usando ambos módulos conjuntamente (Deas y Orlob 1999). Las variables de tiempo de transito, que incide sobre la velocidad del agua se supeditaron al coeficiente de manning que fue calibrado y, asimismo, la temperatura apoyada en la radiación solar y el tiempo de transito.

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Calibrado el perfil de temperatura en fase y amplitud se procedió a calibrar el módulo de calidad de agua en sus componentes OD y DBO. A su vez el perfil de OD se ve afectado por la constante k2 de reaireación y el coeficiente de Van Hof Arrenius. , en tanto que la DBO se ve afectada por la constante cinética de degradación k1 y su coeficiente de Van Hoff Arrenius. La figura 7 sintetiza el proceso de calibración a través de un diagrama del proceso adoptado.

Fig.7. Diagrama de Flujo del Proceso de calibración

7.1. Resultados de la calibración. Como resultado de un proceso de varios análisis valorando las diferentes variables se pudo obtener un perfil longitudinal calibrado de la temperatura del agua del río Choqueyapu con un R2=0.91. La figura 8 muestra el nivel de ajuste del OD haciendo variar k2 con el apoyo de los modelos de Thyssen y O´Connor-Dubbins en rangos recomendados, lo cual generó una correlación R2=0.76. Finalmente la DBO fue calibrada ajustando K1 con una bondad de R2=0.60. Las figuras 8, 9 y 10 sintetizan los niveles de calibración.

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Figs. 8,9 y 10 datos calibrados por MIKE 11 para Tº, OD y DBO

7.2. Resultados de la validación. La validación dio correlaciones importantes para la Temperatura, OD y DBO, de 0.85, 0.85 y 0.64, respectivamente. Las figuras 11, 12 y 13 sintetizan el proceso de validación.

Figs. 11 y 12 Calibración con Mike11 de la Tº y el OD.

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Fig. 13 Validación de la DBO en el río Choqueyapu

En síntesis el modelo Mike 11 se ajusta perfectamente en la parte alta del río Choqueyapu hasta el punto CH-12 (coincidente con la canalización) y posteriormente sobrevalora los valores de OD en la parte baja del río Choqueyapu, sin embargo también sobrevalora los niveles de la DBO. 8. ESCENARIOS DE CALIDAD DEL RÍO CHOQUEYAPU Con el modelo calibrado y validado y con el nivel de correlación establecido se trabajo una serie de alternativas de tratamiento (saneamiento) para el río Choqueyapu, entendidas como una evaluación del nivel de reducción del impacto sobre la calidad del río a partir de ciertas opciones asumidas. Inicialmente se evaluó con el modelo la capacidad de autodepuración del río y posteriormente se valora la capacidad de dilución del río, para finalmente valorar diferentes condiciones de escenarios futuros que combinan pre tratamientos con diferentes niveles de exigencia combinados con alternativas de dilución. 8.1. Capacidad de autodepuración. Este análisis se desarrolló con la finalidad de establecer en que partes el río presenta mayor capacidad de autodepuración, para lo cual se fueron aislando en el modelo calibrado y validado, las diferentes descargas distribuidas y puntuales que recibe el río a lo largo de su discurrir, esto también con la finalidad de establecer la posibilidad de construir colectores que reciban las aguas residuales y las transporten a Plantas de Tratamiento de Agua Residual (PTAR), como muestra la figura 14 a continuación. Para las cargas distribuidas los Puntos de control se aislaron en los tramos que a continuación se señalan:

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Puntos de Control CH-2 a CH-3 Puntos de Control CH-3 a CH-4 Puntos de Control CH-4 a CH-5 Puntos de Control CH-9 a CH-12 Puntos de Control CH-12 a CH-13

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Fig.14. Colector que aislaría las descargas del tramo CH-2 a CH-3

Con el propósito también de ponderar el efecto de las descargas de los ríos afluentes, los mismos fueron analizados de forma individual. El análisis tiene por objeto priorizar el orden de su relevancia contaminante y tipo de tratamiento (primario y/o secundario) que debe ser aplicado. La estabilización de la materia orgánica contenida en el caudal de AR’s de los ríos tributarios, considera de igual forma la construcción de un emisario colector paralelo capaz de transportar el caudal de AS hacia una PTAR ubicada antes de la confluencia con el Río Choqueyapu. El efluente de esta PTAR será devuelto al cauce principal con el propósito de aprovechar el fenómeno de dilución de caudal, para luego ser conjuntamente desembocados en el cauce del Río Choqueyapu como descargas puntuales. Los ríos afluentes considerados fueron los siguientes:

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Río Tributario San Pedro Río Tributario Cotahuma Río Tributario Orkojahuira Río Tributario Irpavi Río Tributario Huayñajahuira La idea básica del análisis de la capacidad de autopurificación del Río, consiste en mantener todas las condiciones actuales de descarga contaminante intactas excepto una (cambiarla a descarga no poluída: DBO = 0,0 mg/l, y luego ver cuan sensible es el comportamiento de la DBO al cambio de esa descarga (Ver fig. 15). Si se encuentra una importante variación en el perfil de la DBO de un determinado recorrido, dicho recorrido debe ser identificado como zona sensible de degradación ecológica.

Fig. 15. Sensibilidad de autodepuración del río Choqueyapu

Como puede observarse en la figura 15, claramente el Río Choqueyapu tiene una capacidad de auto-purificación muy limitada entre la descarga del Matadero Municipal y el puente de la Av. del Ejército (Prog. 4 + 912 a 7 + 503), que se debe principalmente a la magnitud de la carga contaminante que el Río recibe actualmente al atravesar este tramo. A pesar de que el Río no entra en condiciones anaeróbicas, el cuerpo de agua llega a la localidad de Río Abajo con condiciones no aptas para riego de verduras y hortalizas, siendo éste su principal uso y por ende nuestra principal preocupación. Nótese además (Fig. 15 - Línea Azul), que gran parte del problema de contaminación del Río sería resuelto si se lograra disminuir la carga contaminante casi por completo en los primeros 10 kilómetros del Río, en otras palabras, si se adelantara por completo el saneamiento a la parte alta

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del Río Choqueyapu, a partir del sector de la Autopista La Paz – El Alto, el cuerpo de agua podría recuperar las condiciones de calidad dadas por la Ley 1333. Debido al actual crecimiento poblacional y su particular distribución a lo largo del Río Choquyapu de la ciudad de La Paz, la aplicación de PTAR’s convencionales no es una alternativa de tratamiento juiciosa en razón a la escasa disponibilidad de espacio para su implementación. Es necesario sobre entender que todas las PTAR’s aquí propuestas son plantas compactas que entre muchas de sus características, permiten un ahorro en superficie de terreno, además de presentar nulo impacto visual debido a su obra civil simple y económica. Como consecuencia de este análisis, la tabla 5 presenta un listado de las zonas más sensibles a tratar según su orden de importancia y una breve descripción de las características de las PTAR’s a implementarse.

Tabla 5. Ubicación de colectores y PTAR compactas

8.2. Capacidad de dilución. También se estudio la influencia que tiene el efecto de dilución de caudal en la capacidad de autodepuración del Río. Para tal objetivo, se programó un incremento secuencial en el caudal que ingresa en la cabecera del Río (CH1), el cual va variando desde los 25 l/s hasta los 500 l/s, dejándose intactas el resto de las condiciones de borde de calidad e hidrodinámicas aguas abajo de este punto. Este análisis indirecto de la autodepuración permite proyectar Proyecto Aplicación del Modelo de Simulación MIKE11.

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medidas de saneamiento alternas. Aplicando el modelo Mike11 calibrado con los parámetros estimados para una condición de estiaje similar a la de la campaña de Agosto/2005, se obtuvieron los resultados para el oxígeno disuelto que se presentan en la Figura 16. En la misma se aprecia claramente que la concentración de OD del Río va mejorando a medida que se incrementa el caudal de ingreso en el punto de control CH-1, lo cual estaría mejorando la capacidad de autodepuración del Río. Es también evidente que la curva correspondiente a un incremento de 25 l/s (color azul), va casi de forma paralela al perfil de OD en condiciones normales (color negro). Ésta simetría entre el perfil actual y las simuladas va desapareciendo a medida que se van incrementando los caudales en la cabecera del río.

Fig. 16.Variación de la calidad del río en términos de OD por incremento de caudal de dilución

La mejoría alcanzada por el efecto de dilución de caudal afecta principalmente a la parte central del Río (CH-4 a CH-12), y en menor proporción al tramo final (CH-12 a CH-15). Independientemente de la capacidad de autodepuración del Río, esto se puede deber a que la concentración de DBO presente en el tramo central es mucho mayor con relación a los caudales que se transportan, por lo que un incremento parcial del caudal tiene mayor incidencia en este sector que en el tramo final, donde los caudales manejados son considerables y la concentración de DBO es menor, haciendo despreciable el efecto de dilución. Resalta a la vista que si se desea considerar la alternativa de construir una represa aguas arriba de la cabecera del Río, para incrementar el caudal de agua únicamente con la propósito de optimizar su capacidad de autodepuración, la idea no es del todo rentable debido al costo/beneficio que

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se obtendría, puesto que estaríamos hablando de descargas mayores a los 500 l/s, quedando además la incertidumbre en cuanto a que tan razonable es descontaminar agua residual con agua no poluída, sin embargo, puede existir la posibilidad de una solución combinada en la que la represa cumpla una función esencial (abastecimiento de agua por ejemplo), y otra función complementaria, en la cual el caudal requerido para la dilución provenga del excedente generado durante la operación de la represa. 8.3 Escenarios Futuros. Escenario #1 Alternativas de Saneamiento a Corto y Mediano Plazo La evaluación de la capacidad de autodepuración del Río Choqueyapu, permite identificar los tramos mas sensibles en los cuales las descargas de AR’s tienen mayor influencia negativa sobre la concentración de OD. Esta lista de tramos sensibles, permite proyectar a priori la ubicación y grado de tratamiento de las PTAR’s vitales para llevar adelante un programa de saneamiento adecuado. Se vio por ventajosa la implementación de un tratamiento secundario (40%) del conjunto de AR’s que desembocan en ciertos tramos, no obstante, luego de varias corridas con Mike11, se adicionaron otras tres medidas como muestra la tabla a continuación.

Tabla 6. Escenario No.1.

Aplicando el modelo Mike11 calibrado con los parámetros estimados para una condición de estiaje, y condiciones de contorno proyectadas para Septiembre/2007, se obtuvieron como resultado las Figuras 17 y 18, que corresponden a las simulaciones del OD y la DBO respectivamente.

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Fig. 17. Modelación del OD, bajo escenario No.1

En el perfil longitudinal de la Figura 17, se aprecian las curvas de OD antes y después de la modelación de las alternativas de saneamiento propuestas para el Escenario #1. Se evidencia una notable mejoría del orden de +3,0 mg.O2/l (como valor promedio) desde la altura del matadero municipal (sobre la autopista), hasta el puente de Valencia en la localidad de Río Abajo. Exceptuando el tramo comprendido entre el Surtidor de la Costanera (CH-9) y la Progresiva 20 + 800 (entre CH-13 y CH-14), todos los demás valores de OD sobrepasan la concentración de OD mínima requerida (según Ley 1333), para clasificar este cuerpo de agua como tipo CLASE B (OD > 70% SAT); Por el contrario, en el estado ecológico actual (Color Negro), la concentración de OD es menor al 60% de Saturación a partir del Matadero Municipal (CH-3), hecho que perturba radicalmente la recuperación natural del OD aguas mas abajo. Durante el análisis de escenarios, se barajó la alternativa de Incrementar el porcentaje de eficiencia de remoción en la PTAR Orkojahuira hasta un 60%, en contraposición de No Tratar las aguas del afluente San Pedro. Luego de las corridas respectivas se apreció que la mejoría proporcionada por una u otra alternativa eran beneficiosas en similar proporción, puesto que para ambas condiciones, sus curvas de OD se igualaban a partir del sector de La Florida. Cotejando ambas gráficas, se optó por implementar en este escenario la PTAR San Pedro (40%), en razón a su razonable eficiencia de tratamiento (tratamiento secundario), y su relevante ubicación (aguas más arriba de la PTAR Orkojahuira). También se simuló un escenario adicional con la implementación de ambas alternativas de forma simultánea, sin embargo, el costo/beneficio obtenido no justificó su aplicación.

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Fig. 18. Evolución de la DBO bajo Escenario No.1

Como puede observarse en la Figura 18, la curva de DBO obtenida presenta una valiosa reducción de materia orgánica del orden de hasta -225 mg.DBO/l en el tramo más sensible (CH-4 a CH-5). A pesar de la valiosa reducción conseguida, lamentablemente no se alcanza siquiera la concentración límite de DBO admisible para un cuerpo de agua tipo CLASE C (DBO 70% SAT), lo cual permite clasificar el Río a partir de este punto como CLASE B (apta para riego), que es uno de los principales objetivos debido al uso de suelo que tiene este sector. Lamentablemente, el tramo precedente que va desde la descarga del río Cotahuma (Progresiva 10 + 046), hasta la Zona de La Florida (CH-12), no logra catalogarse como cuerpo de agua CLASE B, pese a la mejoría de las condiciones ambientales aguas arriba de este tramo. No obstante, no debemos olvidar como atenuante que la lectura de los datos fue tomada en la hora mas crítica de la simulación (15:00 Hrs.), por cuanto antes y después de dicha hora

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las condiciones de calidad del Río tenderían a mejorar de forma natural. Salta a la vista una vez más que el tronco del problema se ubica en el tramo embovedado que a traviesa el centro de la ciudad. Es en este trecho que el OD sufre una estrepitosa caída que no permite su pronta recuperación hasta llegar al puente de la Av. del Ejército (que coincidentemente es donde termina el embovedado). A diferencia del Escenario #1, la supresión del caudal de dilución en el presente escenario no permitió mejorar las condiciones ambientales aguas arriba de la descarga del río tributario Cotahuma, lo cual provocó que la descarga puntual del Río Orkojahuira (progresiva 10 + 406), impacte sobre el OD lo suficiente como para evitar su pronta recuperación, obteniéndose de esta manera concentraciones de OD menores que las obtenidas con el anterior escenario. Sin embargo, la implementación de PTAR’s consecutivas (como alternativa de tratamiento en su conjunto), contribuyó con una perceptible mejora global en el nivel de OD alcanzado. Similarmente, en el perfil longitudinal de concentraciones de DBO (figura 20), se puede apreciar que la concentración original de DBO (línea color negro), presente en el curso de agua, es notablemente reducida en poco más o menos un 50% de su valor inicial (línea color fucsia), pero no lo suficiente como para permitir clasificar el cuerpo de agua como Río CLASE C. Una vez más, se hace evidente el profundo impacto negativo que sufre el Río al atravesar el tramo embovedado que pasa por el centro de la ciudad (Tramo CH-4 a CH-5). De forma análoga al perfil del Escenario #1 (línea color azul), a partir de La Forida (CH-12), la pendiente de la curva de DBO se mantiene casi constante, haciendo poco relevante el fenómeno de autodepuración natural del Río. Escenario #3 Alternativa de Saneamiento: Caso Intermedio Éste último escenario intenta extractar los aspectos más positivos y ventajosos obtenidos con las dos anteriores propuestas, y desde un enfoque más técnico, suprimir aquellas medidas de saneamiento poco eficientes y/o rentables. Se destacan en este escenario las siguientes alternativas de saneamiento: 1. Incorporar cinco PTAR’s consideradas vitales: tres plantas de tratamiento a nivel secundario (40%) y otras dos adicionales capaces de remover el 60% de DBO para ciertas zonas sensibles. 2. Exigir al sector industrial un tratamiento previo de sus efluentes (Efic. 80%). 3. Aplicar el efecto producido por la dilución de caudal y la implementación de PTAR’s, como alternativa de una solución combinada. El detalle de los niveles de tratamiento de la DBO contemplados para las PTAR’s tomadas en cuenta, y demás aspectos considerados como alternativas de tratamiento del Escenario #3, se muestran en la tabla 8.

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Tabla 8. Escenario No.3

Los resultados de las simulaciones generadas con Mike11 para el presente escenario, se muestran en las Figuras 21 y 22, perfiles longitudinales de OD y DBO respectivamente.

Fig. 21. Evolución del OD

Fig. 22. Evolución de la DBO

Se puede señalar como resultado del escenario 3 que el modelo Mike 11 simula que se permite alcanzar concentraciones de OD que se ubican por encima del 70% del valor de concentración de saturación (fig. 21 línea color verde), lo que permite clasificar el cuerpo de agua como Río CLASE B en toda su extensión. Al igual que en los dos anteriores escenarios (líneas color azul y fucsia), en el Escenario #3 se observa una notable depleción del oxígeno a la salida del tramo embovedado (CH-4 a CH-5), y a la altura del Surtidor de la Costanera (CH-9), justo después de la descarga del Río Tributario Orkojahuira (línea color verde), por cuanto se considera acertada (aunque insuficiente), la decisión de elevar el nivel de tratamiento a un 60% en estos dos puntos específicos. En lo que respecta al perfil longitudinal de la DBO (figura 22 línea color verde), la reducción de la materia orgánica alcanzada es notablemente mejor, pero aún Proyecto Aplicación del Modelo de Simulación MIKE11.

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insuficiente si se quiere clasificar el cuerpo de agua según la Ley 1333. Al respecto se debe señalar que durante la fase de validación del modelo, el perfil de DBO generado presentó un error máximo (por exceso) de 112 mg.DBO/l, motivo entre otros, por el cual el perfil de esta variable fue catalogado como de moderada correlación (R2 = 0.68). Por consiguiente, la curva actual pronosticada conserva en su origen parte de este error de sobre predicción, por cuanto la desalentadora reducción de materia orgánica lograda en las últimas simulaciones puede deberse en gran parte a las dificultades de vaticinio que presenta esta variable del modelo. En ambos perfiles generados (OD y DBO), del presente escenario, las condiciones de calidad del cuerpo de agua son mejores debido a la eficiencia obtenida al combinar las alternativas de saneamiento de los dos escenarios previos. Escenarios #4, 5 y 6 Visión Rigurosa de Posibles Alternativas de Saneamiento. Estos escenarios apuntan a cumplir determinados aspectos normativos vigentes, en otras palabras, se establece de antemano el umbral que se desea alcanzar, y posteriormente se adecuan las alternativas de saneamiento para cumplir dicho propósito. En virtud de ello, y apelando a la clasificación de los cuerpos de agua según el Reglamento en Materia de Contaminación Hídrica - Ley 1333, se definió catalogar el Río Choqueyapu en función a la aptitud de uso que podría tener durante su recorrido, distinguiéndose dos tramos característicos: 1er. Tramo Ésta primera segmentación del Río Choqueyapu está comprendida entre las progresivas 0+00 y 15 + 830, que en la práctica corresponden a toda el área urbana de la ciudad de La Paz, incluyendo la Zona Sur hasta la Zona de Aranjuez (CH-13). Según la aptitud de uso que se le puede dar al Río en toda ésta extensión, éste fue catalogado como cuerpo de agua CLASE C, debido a que el efluente de las PTAR’s propuestas, podría ser beneficiosamente empleado para recreación de contacto primario y abastecimiento industrial, entre otras actividades del sector. 2do. Tramo Una segunda segmentación comprendería la parte final de la Zona Sur de la ciudad de La Paz y toda la región de Río Abajo, es decir, desde la Zona de Aranjuez hasta el último punto de control aguas arriba del puente de Valencia (progresivas 15 + 830 a 31 + 230 respectivamente). Como ya se expuso en líneas precedentes, la aptitud de uso del agua durante este recorrido es especialmente para el riego de hortalizas y frutas de cáscara delgada, además de emplearse para recreación de contacto primario y abastecimiento industrial entre otros, aspectos que en su conjunto otorgan a este tramo del Río la clasificación de CLASE B. Una vez fijados los umbrales por medio de la clasificación de los cuerpos de agua según su aptitud de uso, se procedió a diseñar las posibles alternativas de saneamiento acorde con los objetivos que se deseaban alcanzar. Un compendio de los niveles de tratamiento sugeridos para cada PTAR contemplada, y demás

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aspectos considerados como alternativas de tratamiento de los restantes tres escenarios correspondientes al presente acápite (Escenarios 4, 5 y 6), se muestran en la Tabla No.9 a continuación.

Tabla No.9 Escenarios 4, 5 y 6

Con la información de la Tabla 9 y el modelo Mike11 calibrado para una condición de estiaje proyectada para Septiembre/2007, se generaron las gráficas de las figuras 23 y 24, que corresponden a las simulaciones del OD y la DBO respectivamente.

Figura 23. Evolución del OD

Fig. 24. Evolución de la DBO

Con el objeto de poder comparar entre escenarios el impacto específico de cada determinada alternativa de saneamiento, se optó por graficar en un mismo cuadro, los perfiles del escenario actual y de los tres escenarios futuros (Escenarios 4, 5 y 6 del presente acápite), permitiéndose de esta manera obtener una visión más amplia del problema por medio de la comparación con

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los límites establecidos por la Ley 1333. La línea color negro de la figura 23 representa el estado actual de la concentración de OD del Río Choqueyapu, y las líneas a colores los escenarios propuestos 4, 5 y 6. La considerable mejora lograda en los perfiles de OD de los tres nuevos escenarios, obedece al estricto cumplimiento de la Ley 1333 en sus límites establecidos para cuerpos de agua CLASE B y C (OD > 70% SAT; y OD > 60% SAT respectivamente). La línea punteada horizontal representa la concentración de saturación de oxígeno (OD SAT) existente en el cuerpo de agua, por cuanto para preservar el ecosistema saludable, la concentración de oxígeno existente en el río debe aproximarse a la OD SAT. En la figura 23 las concentraciones de OD de los escenarios simulados están ligeramente por debajo de la de saturación, lo cual es producto de la optimización de las alternativas de saneamiento formuladas. Según los niveles de OD alcanzados, el cuerpo de agua cumple con los aspectos normativos exigidos para clasificar el Río como CLASE B en toda se extensión. La similitud en el trazo de las curvas de los escenarios 4 y 6 de la figura 23, se debe principalmente al incremento de caudal en la cabecera del Río, aspecto que no fue considerado como alternativa de saneamiento en el escenario # 5 (línea color fucsia), y motivo por el cual a partir del nodo CH-3 (Matadero Municipal), la concentración de OD presenta mayor sensibilidad a las descargas industriales y domésticas del centro de la ciudad de La Paz, lo que repercute en un descenso de la concentración de OD. El perfil longitudinal de la DBO se muestra en las figuras 24 y 25. Ambas figuras exhiben los escenarios 4, 5 y 6 del presente acápite, sin embargo, para un mejor análisis de las variaciones producidas por las alternativas de saneamiento, el perfil longitudinal fue nuevamente graficado a una mayor escala (ampliación) en la figura 25, la cual se ve a continuación

Figura No.25. Vista ampliada de la Evolución de la DBO

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En el estado actual de degradación del Río Choqueyapu, la concentración de materia orgánica llega a superar los 250 mg.DBO/l. Con la implementación de las alternativas propuestas en los escenarios 4, 5 y 6, estas concentraciones pueden ser reducidas hasta en nueve veces su valor. El trazo heterogéneo de los perfiles generados se origina en la diversidad de las medidas de saneamiento propuestas para cada escenario. El efecto de dilución tomado en cuenta en los escenarios 4 y 6 (líneas color azul y verde respectivamente), evita el súbito ascenso de la DBO en el primer tramo del Río (CH-1 a CH-2), por cuanto tanto para el OD (fig. 24) y la DBO (fig. 25), el efecto de dilución de caudal es vital en los primeros tramos del Río, y puede convertirse a la larga en una alternativa de tratamiento frente a la dificultad de encontrar espacio suficiente para la disposición de una PTAR. El Escenario #6 (línea color verde), combina el efecto de dilución de caudal y niveles altos de tratamiento en los primeros dos tramos del Río, hecho que trasciende aguas abajo con la obtención de niveles bajos de materia orgánica a la altura de la Av. del Ejército (8.86 mg.DBO/l). Otra medida de saneamiento relevante, es la llevada a cabo con la descarga del Río Tributario Orkojahuira (Prog. 10 + 408), que por la magnitud de su contenido orgánico que transporta, la PTAR correspondiente requiere una eficiencia de remoción del 99%. Éste hecho es verificable si comparamos los escenarios 5 y 6 (líneas color fucsia y verde), que contemplan un 99% de remoción, versus el escenario 4, en el cual se simuló una insuficiente remoción del 90%. Como era de esperarse, a partir del Puente de Aranjuez (CH-13), la concentración de DBO va disminuyendo paulatinamente casi a una tasa constante. 8.4. Resultados del Análisis de Escenarios. La generación de futuros escenarios virtuales permitió descartar técnicamente la posibilidad de emplear un sistema de tratamiento regional como alternativa de saneamiento para el Río Choqueyapu. Por el contrario, en razón a la aptitud de uso que se le puede dar al cuerpo de agua, y la escasa disponibilidad de espacio para la ubicación de PTAR’s convencionales, se optó por evaluar el desempeño que tendría la construcción y ubicación de depuradoras múltiples (PTAR’s compactas), a lo largo de su recorrido. La comparación gráfica de los perfiles generados permitió además evaluar el desempeño general de cada alternativa de saneamiento propuesta, al mismo tiempo que permitió entender e identificar procesos dominantes, magnitudes de cargas contaminantes principales, y en general entender los problemas de contaminación del Río Choqueyapu. El Escenario # 1 es el que representa menor inversión económica debido a que sólo trata un 32 % del total de la carga diaria que recibe el Río Choqueyapu, en contraposición del 84 % de materia orgánica depurado por los escenarios 5 y 6. Si contrastamos esta información con los niveles de OD y DBO alcanzados en los sectores más desfavorables del Río, es posible tener a priori un juicio acerca

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del rendimiento de cada estrategia de saneamiento. Al hacer una evaluación del costo/beneficio obtenido por cada una de las alternativas de tratamiento, destacan los escenarios 1 y 4 (cada uno en su respectivo grupo), por las concentraciones de OD y DBO alcanzadas, y el bajo nivel de tratamiento empleado (32% y 61% de la carga orgánica total respectivamente). La eficiencia alcanzada tiene que ver con la optimización en el número de PTAR’s, su ubicación, nivel de tratamiento, y combinación con el efecto de dilución, característica que fue necesariamente simulada debido a la falta de espacio suficiente para la ubicación de una PTAR en los primeros tramos del Río. Está claro que los mejores valores de OD y DBO generados corresponden a los escenarios 4, 5 y 6, debido a la visión más rigurosa mediante la cual fue ideada. En general, en los seis escenarios simulados se produjeron niveles de OD satisfactorios, no obstante, el resultado no fue el mismo con los niveles de DBO. Desafortunadamente, ninguno de los seis escenarios simulados pudo generar a partir del Puente de Aranjuez, concentraciones bajas de materia orgánica (< 5 mg.DBO/l), como se tenía previsto según la aptitud de uso del cuerpo de agua a partir de este punto. Al respecto debemos señalar que la curva de DBO pronosticada presenta dificultades de vaticinio que se generaron durante la fase de calibración. Recordemos que durante el establecimiento de las condiciones de borde del sistema, se hizo correr el modelo hidrodinámico por un tiempo de 1 a 2 días, lo cual nos permitió alcanzar un “estado permanente” de las condiciones hidrodinámicas del río gracias a que no existe variación en los caudales que ingresan y salen del sistema (condiciones de borde constantes). Consecutivamente, se aplicó un juego de condiciones de calidad de agua, lo que a su vez permitió que el sistema alcance un equilibrio a lo largo de un cierto periodo de simulación. Por consiguiente, si interpretamos el anterior párrafo, esto implica que la carga de materia orgánica, es descargada al Río durante las 24 horas del día de forma constante, lo cual no necesariamente refleja la realidad, puesto que tanto los efluentes domésticos como industriales, son descargados al Río de forma intermitente durante ciertos periodos de tiempo, y no de forma constante y simultánea durante las 24 horas. En la práctica, el medio receptor posee intervalos de tiempo durante los cuales puede llegar a recuperarse de forma natural, debido al descenso en la concentración de DBO transportada, aspecto que en el modelo fue sub estimado al no considerarse un coeficiente de simultaneidad que aminore la intensidad de las descargas contaminantes. 9. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. 9.1. CONCLUSIONES A nivel de las Fases de Calibración y Validación del Modelo  El Río Choqueyapu es un sistema fluvial dinámico, variable en su morfología, flujo y características hidráulicas; todos estos factores influyen en el balance

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de energía térmico, y por ende en el destino y transporte de los elementos no conservativos del Río, en otras palabras, la heterogeneidad física y geométrica del Río Choqueyapu, origina efectos hidráulicos que perturban el tiempo teórico de transito del agua, y repercuten en el comportamiento de las variables de calidad de agua a lo largo de su curso.  De forma análoga, el ajuste del coeficiente de rugosidad de Manning influye el gradiente de la corriente de agua, y consecuentemente su velocidad y tiempo de tránsito. Por consiguiente, una calibración exacta del modelo hidrodinámico es crucial, puesto que regula el tiempo de transito del agua a lo largo del río y este a su vez impacta directamente sobre la posición y magnitud del ciclo diario de temperatura del agua.  La aplicación del Método Iterativo de Calibración permitió superar las limitaciones de la calibración independiente de los módulos: hidrodinámico y de calidad de agua, lo cual permite interrelacionar de forma simultánea el desempeño de ambos módulos, asegurando una exacta calibración de la fase y amplitud de los perfiles de Temperatura, OD y DBO.  La aplicación del método de Análisis Estadístico a los datos simulados y sus errores asociados (Cuantificación de la Incertidumbre del Modelo), permitió obtener un juicio de la fiabilidad de la modelación y proporcionar además un criterio objetivo para dar por terminado el proceso de calibración y validación de las tres variables: ºT, OD y DBO.  En el perfil generado por Mike11, se observó un pronóstico por exceso de las concentraciones de OD, esta sobre predicción puede deberse a la ausencia del nitrógeno (N) como variable activa en la representación del sistema, cuyo comportamiento en el entorno real además de la demanda de oxígeno carbonácea, considera la demanda de oxígeno nitrogenada.  Los valores de la constante cinética de degradación de materia orgánica encontrados para el modelo, no necesariamente corresponden a los valores de la tasa que se obtienen en laboratorio “k ”, por el contrario, los valores 1

hallados se adecuan mejor a los de la Tasa de Desoxigenación “k ” (k < k ). d

1

d

 El hallazgo de valores bajos de k en determinados tramos del Río (k ≈k ), d

d

1

se debe a que su valor depende de la facilidad con que la bacteria aeróbica encuentra y metaboliza la materia orgánica. Si la masa de agua ha sufrido una dilución de caudal, entonces el valor de k será menor ya que la masa d

bacteriana no encuentra tan fácilmente el alimento disponible. El mismo efecto puede causar algún tratamiento biológico previo que ocasiona la progresiva resistencia de los productos finales más estables (refractarios) a la oxidación bioquímica.  La aparente recuperación ecológica del Río en sus últimos tramos no canalizados (Zona de Río Abajo), coincide con los tramos en los cuales se registraron detracciones de flujo, resultantes en la práctica, de un balance hídrico entre el ingreso de excedentes de riego y escorrentía (agua

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ligeramente descontaminada), menos la cantidad de agua desviada para riego (agua contaminada). Dicho ciclo permanente no es tomado en cuenta en el balance hídrico interno del modelo, siendo que en la experiencia de campo, su influencia ocasiona la dilución de la concentración de DBO contenida en la mezcla, lo cual se refleja en una aparente contribución en la capacidad de autopurificación del Río.  La curva de DBO pronosticada presenta mayores dificultades de vaticinio debido al estado crítico de simulación considerado. Recordemos que durante el establecimiento de las condiciones de borde del sistema, se hizo correr el modelo hidrodinámico hasta alcanzar un “estado permanente” de las condiciones hidrodinámicas del río gracias a que no existe variación en los caudales que ingresan y salen del sistema (condiciones de borde constantes). Consecutivamente, se asoció un juego de condiciones de calidad de agua a estos caudales, lo que a su vez permitió que el sistema alcance un equilibrio a lo largo de un cierto periodo de simulación. Por consiguiente, una interpretación de este fenómeno supone que la descarga de materia orgánica al Río es efectuada durante todo el día de forma constante, lo cual no refleja la realidad, puesto que tanto los efluentes domésticos como industriales, son descargados al Río de forma intermitente durante ciertos periodos de tiempo, y no de forma constante y simultánea durante las 24 horas del día. En la práctica, el medio receptor posee intervalos de tiempo durante los cuales puede llegar a recuperarse de forma natural, debido al descenso y dilución de la concentración de DBO transportada, aspecto que en el modelo fue sub estimado al no considerarse un coeficiente de simultaneidad que aminore la intensidad de las descargas contaminantes. A esto se suma como atenuante que la lectura de los datos fue tomada en la hora mas crítica de la simulación (15:00 Hrs.), por cuanto antes y después de dicha hora las condiciones de calidad del Río tenderían a mejorar de forma natural.  Los resultados de calibración y verificación del modelo Mike11 se consideran adecuados y suficientemente precisos. Sin embargo en el marco de la investigación, se ha reconocido que la incertidumbre en los parámetros y resultados del modelo puede todavía ser reducida, tomando en cuenta que faltan datos de mediciones bajo otras condiciones hidrológicas.

A nivel del Análisis de Sensibilidad y de Escenarios  El Análisis de Sensibilidad de Primer Orden dio a conocer que los parámetros k y k producen un considerable efecto sobre el OD d

m

(comparando en términos relativos el efecto versus causa), por consiguiente se convierten en parámetros relevantes para la calibración del modelo debido a su notable efecto sobre las variables analizadas. De forma análoga, a través del Coeficiente de Sensibilidad S (comparando en términos ij

absolutos el efecto versus causa), se comprueba que los coeficientes de temperatura θ y θ, carecen de relevancia como parámetros de calibración, 1

2

pero adquieren importancia en la necesidad de fijar previamente en

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laboratorio sus valores exactos para poder hacer conjeturas científicas más acertadas.  El análisis de escenarios mostró que en caso de interceptar y tratar las AR’s en cualquier sub-tramo del Río, se debe asegurar en la PTAR correspondiente una eficiencia de tratamiento del 80% como mínimo, caso contrario la descarga puntual de este efluente no completamente depurado, podría ocasionar una intensa depleción del OD y tener un mayor impacto negativo que las condiciones actuales de descarga.  Asímismo, se demostró que es importante concienciar al Sector Industrial de nuestra ciudad, acerca del tratamiento previo “tratamiento adecuado” de sus efluentes (Efic. 80%), de manera tal que sus descargas líquidas se asemejen en calidad a las aguas residuales domésticas, para que puedan luego ser completamente depuradas en las plantas de tratamiento urbanas.  La modelación de escenarios en los cuales se incluyó la implementación de PTAR’s compactas y el efecto de dilución de caudal como solución combinada, elimina la dificultad que representa la disponibilidad de espacio suficiente para la ubicación de PTAR’s convencionales en la parte alta de la cuenca.  Se demostró que se considera pertinente considerar entre otras alternativas novedosas de saneamiento, el aumento del caudal base de dilución de la corriente al paso por la parte alta de la cuenca.  El análisis de un primer escenario a corto y mediano plazo, y un segundo a largo plazo, permitió construir un tercer caso capaz de combinar lo mejor de los dos anteriores escenarios, al mismo tiempo que brinda la posibilidad de poder ser implementado priorizando aquellas medidas de saneamiento vitales, y que por tanto deberían ser implementadas de forma inmediata, de aquellas que por razones económicas principalmente, pueden ser aplicadas posteriormente.  Se requiere una revisión del esquema vigente de saneamiento del Río Choqueyapu. Éste propone la implementación de un sistema de tratamiento regional único ubicado a la salida de la ciudad, desistiendo así de la recuperación ecológica del Río en la parte alta de la cuenca. Las alternativas modeladas indican que el sistema de tratamiento regional no es la mejor opción para mejorar las condiciones ecológicas de la corriente, en especial si las condiciones de calidad del agua en la corriente al comienzo de la ciudad están tan deterioradas como las actuales.  En razón a la aptitud de uso que se le puede dar al cuerpo de agua, y la escasa disponibilidad de espacio para la ubicación de PTAR’s convencionales, se propone la revisión y el avance en el desarrollo del sistema de alcantarillado y la implementación de Depuradoras Múltiples Compactas a lo largo de la ciudad, de tal manera que se integren claramente todos los componentes del sistema, es decir, Río, Alcantarillado y Planta de Tratamiento.

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 La formulación de los escenarios virtuales desde distintos enfoques técnicos permitió además de evaluar medidas de saneamiento juiciosas, tener un criterio objetivo del grado de tratamiento que requiere el Río Choqueyapu para poder cumplir con las políticas ambientales de nuestro país.

 Dado que los reportes de estudios experimentales previos referidos al tema aún son incipientes, los resultados del presente estudio fortalecen la aplicación de los modelos de calidad utilizados para predecir el transporte de contaminantes no conservativos del Río Choqueyapu.

A nivel del Modelo Mike11  Cualquier detracción de flujo en el Río es simulada en Mike11 a través del ingreso de caudales negativos en el nodo seleccionado, lo cual implica que la concentraciones de OD y DBO contenidas en la masa de agua sustraída deben también ser especificadas como datos, para que Mike11 pueda hacer el correspondiente balance de masa. En el entorno real, éstas concentraciones de OD y DBO corresponden al los de la mezcla en el momento del desvío, sin embargo, sus valores son totalmente dinámicos ya que dependen de las condiciones aguas arriba del punto de extracción y por lo tanto son difíciles de determinar, lo cual se convierte en una desventaja para la aplicación de Mike11.  Si bien Mike11 posee la opción de aislar el dominio del fenómeno modelado, del entorno real del mundo, es preferible tomar en cuenta para la conformación de la rejilla de elementos finitos del río, dos nodos adicionalse, uno al inicio y otro al final del tramo en análisis. Ésta consideración permitirá un mayor control de cualquier distorsión en los resultados generados para el intervalo estudiado.  Cuanto menor es la cantidad de datos de entrada requeridos para hacer correr el modelo, es de esperarse que la incertidumbre total de los resultados sea menor. Esto se debe a que en modelos complejos, la representación de ciertos procesos implica la introducción de parámetros adicionales con las correspondientes incertidumbres asociadas a su determinación, aspecto que se minimiza en el caso de modelos simplificados. Por consiguiente, el tipo y complejidad del modelo más apropiado para una determinada aplicación depende de los objetivos del proyecto y la disponibilidad de datos. En el caso práctico, la selección del nivel de complejidad del modelo Mike11 fue realizada tomando en cuenta la cantidad y calidad de la información disponible (datos de muestras de calidad de agua).  La aplicación de Mike11 en el Río Choqueyapu se constituye ahora en una herramienta de mayor precisión para ser utilizada con fines de seguimiento y control por las entidades ambientales, a la vez que la metodología de calibración empleada puede ser aplicada a otras corrientes, contribuyendo al conocimiento del estado de los recursos hídricos del país, con lo cual se favorece el desarrollo de futuros estudios de modelación de calidad de agua.

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9.1. Recomendaciones  Los bajos coeficientes de sensibilidad encontrados ratifican la insignificante sensibilidad de la DBO con respecto a los parámetros estudiados. Éste hallazgo hace presumir que la calibración de la DBO como variable del modelo, depende principalmente de la cantidad de materia orgánica que intercambia el sistema, y secundariamente del efecto de la tasa de desoxigenación. Por tanto, mientras no se tenga confiablemente censada la cantidad de carga orgánica proveniente de nuestro parque industrial, la DBO se hace una variable difícil de calibrar con precisión. Al respecto se formula para estudios posteriores, la alternativa de no usar la cantidad de materia orgánica que ingresa en el sistema como condición de borde, si no por el contrario como parámetro de calibración de la DBO, siempre y cuando se tengan ya valores definitivos y confiables de los demás parámetros.  Bajo las condiciones actuales de calidad del agua del Río en sus primeros tramos, deterioradas aún mas por las descargas de AR’s al paso por la parte central de la ciudad de La Paz, es necesario considerar alternativas novedosas de saneamiento en toda la parte alta de la cuenca, por lo que se propone extender el plan de monitoreo orientando las subsiguientes campañas de medición a proporcionar información específica con fines de modelación matemática.  La simulación de los escenarios desde una visión de saneamiento mas rigurosa destacó lo estricto de nuestra norma vigente en cuanto a la clasificación de los cuerpos de agua según su aptitud de uso, haciendo notar que podría ser aceptable incluir una catalogación intermedia entre Clase B y C, que permita por ejemplo: la utilización de efluentes tratados en actividades de riego de áreas verdes, limpieza de calles, etc, con lo cual se abriría la posibilidad de emplear tecnologías de tratamiento acordes con la realidad del país.  Las experiencias de campo dadas por la calibración de modelos de calidad son esenciales para el óptimo manejo y control de los recursos hídricos, por lo tanto, la implementación paulatina de un programa de saneamiento otorga la oportunidad de ir reduciendo la incertidumbre del modelo por medio de la medición in situ y retroalimentación continua del programa, al mismo tiempo que brinda la oportunidad de incluir secuencialmente el pronóstico de contaminantes adicionales como: nutrientes, coliformes y metales pesados entre los mas relevantes.  El trabajo aquí presentado brinda la oportunidad de tener un criterio objetivo de la forma en la cual se puede llevar adelante un programa de saneamiento para el Río Choqueyapu. Es menester considerar que si no se toman decisiones ahora, en un futuro próximo estas opciones corren el riesgo de quedar completamente desactualizadas por los costos de su aplicación. Aspectos más específicos concernientes al tipo de tratamiento que se puede aplicar (utilización de humedales, tratamiento biológico, etc.), implica la necesidad de realizar un Censo del Sector Industrial de nuestra ciudad “si no se sabe que se tiene, no se sabe que se va tratar”.

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10. BIBLIOGRAFÍA.  Arcement G.J. et Al, Guide for selecting Manning´s Roughness Coefficients for natural channel and Flood plains. USGS, Paper 2339. 2000.  Astorga E. et Al. Contaminación Orgánica e Inorgánica de la Cuenca del río La Paz. La Paz, 2004.  Vargas W. Evaluación de la calidad de agua en los ríos mediante el Modelo SIMOD. ABIS IV Congreso. La Paz, Bolivia 1989.  Beck M.B. Mathematical modelling of water quality. New York, USA 1983.  Bellot F. Tecnología de procesos Ambinetales. Curso IISA.UMSA La Paz, Bolivia 2000.  Bellot F. Estadística Aplicada. Curso IISA UMSA. La Paz, Bolivia, 1999.  Bowie et Al. Rates, Constants and Kinetics Formulations in surface water quality modeling. US EPA Athens GA. 1985.  Brown et Al. The enhanced stream water quality models QUAL2E and QUAL2E-UNCAS. US EPA. Athens GA. 1987.  CEPIS – OPS. Modelos Matemáticos de Calidad de Agua. www.cepis.ops_oms.org  Camacho L. et Al. Contribución al Desarrollo de un modelo de Calidad de Agua apropiado para evaluar alternativas de saneamiento del río Bogota. Universidad de Los Andes. Bogota Colombia, 2003.  Castagnino W. Polución del Agua – Modelos y Control. CEPIS. No. 34. Lima, Perú, 1978.  Chapra, S. Surface Water Quality Modelling. Mc. Graw – Hill. New York, 1997.  Coaquira M. et Al. Evaluación estadística y Aplicación de un software para el segumiento de la contaminación del río Choqueyapu. PG. UMSA. La Paz, Bolivia 2003.  DHI. Water & Environment. Mike 11 – A. Modelling system for rivers and channels. User Manual. Denmark, 2003.  Gomez V. Estudio de la influencia sobre la calidad del agua debido a la reaireación en las caídas a diferentes alturas en el río Choqueyapu. PG. UMSA. 2001.  Salas H. Criterios para seleccionar modelos matemáticos de calidad de agua. CEPIS – OPS. 1984.  JICA. Estudio para el control de la contaminación del agua en los ríos de la ciudad de La Paz. HAM La Paz. 1993.  López J. et Al. El modelo matemático y su proceso de calibración como herramienta para la gestión y conservación de la calidad de agua en cauces superficiales. Universidad de Valencia. España, 2002.  Mattos S. Evaluación y comparación de modelos de calidad de agua – río Choqueyapu. PG. UMSA. La Paz, Bolivia, 2004.  Paz O. et Al. Modelización Ecológica de un río, IIS – UMSA, La Paz, Bolivia, 1999.  Paz O. et Al. Evolución de calidad del río Choqueyapu. IIS – UMSA. La Paz, Bolivia, 1991.  Paz O. Calidad de Agua. Curso de post grado IISA, La Paz, Bolivia, 2002.  Paz O. Segunda evaluación de calidad del río Choqueyapu. UMSA – IIS. La Paz, Bolivia, 2003.  Ramos G. Aplicación del Modelo de simulación QUAL2E en la cuenca del río La Paz. PG. UMSA. La Paz, Bolivia, 1998.  Saravia I. Red solarimétrica Boliviana. IIF UMSA La Paz, Bolivia, 1985.  Soetaert K. et Al. Ecological Modelling Netherlands Institute od Ecology, Netherlands 2001.  Ven Te Chow. Open Channel Hydraulics. Mc. Graw – Hill. Japan. 1982.

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