ESTUDIO DE LA HIDRODINAMICA Y RENOVACIÓN DE AGUAS DEL CAÑO EL ZAPATERO

DE LISA BORNACHERA, Armando Adolfo

Oceanógrafo Físico RESUMEN

El presente trabajo es un estudio original de la dinámica de aguas y contaminación del Caño El Zapatero, el cual hace parte de la red de canales de la Bahía de Cartagena de Indias. Se identificaron los orígenes de las aguas residuales que llegan al caño, el régimen hidrodinámico del caño mediante el uso de la modelación matemática, los aportes de aguas residuales que ingresan de manera directa, y por último, se realizó un modelo 0.5-dimensional basado en el principio de conservación de masa, determinando la simulación de las concentraciones de contaminantes que permanecen en el caño y su intercambio con las aguas adyacentes de la bahía a fin de estimar el tiempo de renovación; finalmente se obtuvieron resultados inéditos sobre la hidrodinámica y del tiempo que permanece una sustancia con una concentración en el caño.

PALABRAS CLAVES

Hidrodinámica, Caño, Modelo, Celda, CODEGO, Efluente, Conservación de masa, Modelación numérica, Cálculo de caudales, Aguas residuales.

INTRODUCCION

El presente trabajo está orientado a que la comunidad local tenga un conocimiento tangible del Caño El Zapatero en lo concerniente a su hidrodinámica y el tiempo de renovación de sus aguas.

OBJETIVOS

GENERAL: Identificar la hidrodinámica del

Caño y el tiempo de renovación de sus aguas a través de la utilización de la Modelación Numérica como herramienta. ESPECIFICOS:

Identificar el origen de la deposición de residuos al Caño.

Aplicación de la Modelación numérica.

Identificar y cuantificar los caudales de las descargas de aguas residuales al Caño.

Crear un modelo simple basado en el principio de Conservación de Masa para estimar el tiempo de residencia de una sustancia.

DESARROLLO a) Area de aplicación del trabajo: El área de estudio conocida como El Caño El Zapatero hace parte del Distrito de Cartagena. La calidad de las aguas se encuentra regida por las pozas sépticas construidas en la Escuela Naval y en los barrios Iberia y Bosque sector Manzanillo, la falta alcantarillado y los lixiviados generados por la descomposición de la basura. En todos los barrios, a excepción del Barrio Bosque Sector Manzanillo y un sector del Zapatero, cuentan con alcantarillados primitivos para aguas negras y los residuos líquidos en su totalidad son vertidos de manera directa al Caño.

b) Modelación del régimen hidrodinámico: El modelo utilizado es el CODEGO desarrollado por Lonin (1993). Se planearon tres experimentos numéricos, en el primero se identificaron los niveles del mar para dos puntos ubicados en los extremos Norte y Sur del caño, los cuales se consideraron como las condiciones de fronteras, considerando los siguientes parámetros: caudal en el Canal del Dique de 50 seg/m3 . y vientos constantes del NE de 7

seg/m en la época seca y de 150 seg/m3 e intensidades de vientos no

superiores a los 5m/s provenientes del S y del O, para la época húmeda.

N IV E L E S E P O C A H U M E D A

- 0 . 2 0- 0 . 1 5- 0 . 1 0- 0 . 0 5

0 . 0 00 . 0 50 . 1 00 . 1 50 . 2 00 . 2 5

0 2 4 4 8 7 2 9 6 1 2 0 1 4 4 1 6 8 1 9 2 2 1 6 2 4 0

t

niv

ele

s

N I V E L N O R T E N I V E L S U R Figura 1. Niveles época húmeda en m.

N IV E L E S E P O C A S E C A

- 0 . 2 0- 0 . 1 5- 0 . 1 0- 0 . 0 5

0 . 0 00 . 0 50 . 1 00 . 1 50 . 2 00 . 2 5

0 2 4 4 8 7 2 9 6 1 2 0 1 4 4 1 6 8 1 9 2 2 1 6 2 4 0

t

niv

ele

s

N I V E L N O R T E N I V E L S U R Figura 2. Niveles época seca en m. El segundo consistió en utilizar las condiciones de contorno halladas, la batimetría y la línea de costa para identificar la dinámica del caño en tres instantes extremos de marea.

4 4 2 2 0 0 .0 0 4 4 2 6 0 0 .0 0 1 1 4 7 8 0 0 . 0 0

1 1 4 8 0 0 0 . 0 0

1 1 4 8 2 0 0 . 0 0

1 1 4 8 4 0 0 . 0 0

1 1 4 8 6 0 0 . 0 0

1 1 4 8 8 0 0 . 0 0

1 1 4 9 0 0 0 . 0 0

1 1 4 9 2 0 0 . 0 0

1 1 4 9 4 0 0 . 0 0

0 .5 0

1 .0 0

1 .5 0

2 .0 0

2 .5 0

3 .0 0

3 .5 0

4 .0 0

4 .5 0

5 .0 0

5 .5 0

4 4 2 2 0 0 .0 0 4 4 2 6 0 0 .0 0 1 1 4 7 8 0 0 . 0 0

1 1 4 8 0 0 0 . 0 0

1 1 4 8 2 0 0 . 0 0

1 1 4 8 4 0 0 . 0 0

1 1 4 8 6 0 0 . 0 0

1 1 4 8 8 0 0 . 0 0

1 1 4 9 0 0 0 . 0 0

1 1 4 9 2 0 0 . 0 0

1 1 4 9 4 0 0 . 0 0

Figura 3. Batimetría y línea de costa del caño

a) b) c) a) b) c)

Figura 4.Epoca húmeda. Dinámica en Z= 0 m en a)Marea mas baja, b)sicigia y c)cuadratura, en cm/seg.

a) b) c) a) b) c)

Figura 5.Epoca seca. Dinámica en Z= 0 m en a)Marea mas baja, b)sicigia y c)cuadratura, en cm/seg. c) Determinación de aportes de aguas residuales: La determinación de los caudales de aguas residuales vertidos a través de dos únicos efluentes (Q1 y Q2) identificados, se realizó mediante la siguiente relación:

86400H.Dd

mmd=Q=Q (1)

donde, mQ = Caudal diario total en litros/seg. dmQ = Caudal medio diario domestico, en

litros/seg. H = Numero de habitantes.

dD = Dotación para uso domestico, en litros/hab. día.

Se asumió un número de habitantes (H) promedio de 8 hab/casa y un consumo de 200 l/hab. día (Dd), calculando así entonces, los siguientes caudales Q1 ( COMEDOR DE

CADETES)=0.138 l/s ≈ 1.38 x 10 -04 s/m3 para 100 habitantes y 120

l/hab.dia, y Q2(BARRIOS)=1.851 l/s ≈1.85 x10 -03 s/m3 para 800 habitantes y 200l/hab.dia. d)Determinación de renovación de aguas: Se realizó una subdivisión del Caño en 4 celdas básicamente por su geomorfología y el régimen hidrodinámico.

Figura 6. División de celdas. Se realizó el tercer experimento, el cual es un modelo 0.5-dimensional utilizando la hidrodinámica hallada a fin de identificar la renovación de aguas y determinar el tiempo de residencia de una sustancia supuesta. La Ley de conservación de masa fue aplicada a todas las celdas así:

∑ ∑+=∂

∂k e eekk

xx CQCqtVC (2)

en donde,

xC = Concentración de cada celda en función de t. ( 3m/Kg )

xV = Volumen total de cada celda en función de t.( 3m )

kq = Caudales en las fronteras.( s/m 3 )

kC = Concentraciones iniciales de cada celda. 3m/Kg

eQ = Caudales de efluentes en las celdas.

s/m 3 eC = Concentraciones de los efluentes.

3m/Kg

Así mismo se considera que: 1.Las concentraciones de los efluentes se distribuyen de manera instantánea. 2.La disgregación de la sustancia no se presenta; se tiene entonces,

)(- xxeeekkkxx VCCQCq

tVC λ∑∑ +=

∂∂ (3)

en donde, )VC( xxλ = Factor de disgregación. λ

es igual a 1/ τ , siendo τ el tiempo estimado supuesto de una sustancia en dispersarse = 36,000 seg. (10 horas), entonces,

tV

CQCqt

tVCQCq

Cx

eeekkk

x

eeekkkx ∆

)(∆

)1()( ∑∑∑∑ +

∆+

+=

λ (4)

En (4) el término correspondiente al factor de disgregación tiende a 0, por lo tanto no infiere directamente sobre los demás factores hidrodinámicos, lo que demuestra que el factor biológico es despreciable. Se considera que en t=0 las concentraciones iniciales en cada celda, kC son iguales a 0; aplicando (2), t =0 y t>0, se tiene:

tC tx

ee

VCQt

x ∆== 0 (5)

∫ ∑ ∑++=+t

k e eekktt

x dtCQCqCC0

1 )(

0 . 0 0 E + 0 0

5 . 0 0 E - 0 7

1 . 0 0 E - 0 6

1 . 5 0 E - 0 6

2 . 0 0 E - 0 6

2 . 5 0 E - 0 6

3 . 0 0 E - 0 6

3 . 5 0 E - 0 6

0 2 4 4 8 7 2

C E L D A 1 C E L D A 2 C E L D A 3 C E L D A 4 Figura 7. Concentraciones época húmeda.

0 . 0 0 E + 0 0

5 . 0 0 E - 0 7

1 . 0 0 E - 0 6

1 . 5 0 E - 0 6

2 . 0 0 E - 0 6

2 . 5 0 E - 0 6

3 . 0 0 E - 0 6

3 . 5 0 E - 0 6

0 2 4 4 8 7 2C E L D A 1 C E L D A 2 C E L D A 3 C E L D A 4

Figura 8. Concentraciones época seca.

≅

Se resume el tiempo que permaneció la concentración desde que fue aportada en el Caño como 3 días y medio para la época húmeda aproximadamente y de 2 días para la seca. Se dedujo que los tiempos tanto de renovación de aguas como de residencia de la sustancia son idénticos debido al factor de disgregación. En un periodo extenso de tiempo en el que se observa un flujo resultante en un sentido (sur-norte) y teniendo en cuenta que el Caño tiene una “inclinación” de la superficie del mar tal, que permite que éste, se comporte como un “río” que requiere un poco más de una fase de mareas para que una sustancia salga de él.

CONCLUSIONES

Se presenta en el Caño un flujo continuo sur-norte, aunque no constante en períodos extensos de tiempo el cual no permite que suceda la disgregación masiva. La diferencia de los niveles del mar debida a la incidencia del viento en los dos extremos del Caño rigen la dinámica de las aguas. Las máximas velocidades encontradas a nivel Z= 0 m fueron durante la marea de sicigia, de 28.8 cm/seg. para la época húmeda y 32.5 cm/seg. para la época seca. En la parte central del Caño se observa un efecto tipo “tobera”. La cantidad de sustancias contaminantes que ingresan al Caño son fácilmente evacuadas debido a la diferencia de los caudales del sistema son mucho mayores que los que ingresan a través de los efluentes.

RECOMENDACIONES La culturización de los habitantes del sector, por parte de la autoridad ambiental regional. Se recomienda al Centro de Investigaciones Oceanográficas e Hidrográficas (CIOH) realizar un estudio actual de contaminación bioquímica. Los resultados del presente estudio pueden servir para analizar el comportamiento dinámico de cualquier sustancia conservativa o cuasi conservativa convirtiendo los valores de la descarga correspondiente a la sustancia dada.

BIOGRAFIA TN Armando De Lisa Bornachera. Oceanógrafo Físico. delisa73@mixmail.com

BIBLIOGRAFIA AGUAS DE CARTAGENA, Plan Director de Acueducto y Alcantarillado de Cartagena, 1997. CATALA, FERNANDO. , Calculo de Caudales en las Redes de Saneamiento, 2ª Edición, Colección Senior No.5, Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, 1992, P. 57-59. LONIN, S., Y L. GIRALDO, (1995), Circulación de las aguas y transporte de contaminantes en la Bahía Interna de Cartagena. Boletín Científico CIOH, N. 16, Cartagena, P. 25-56.