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ESTUDIO DE USO COMBINADO DE FUENTES DE AGUA SUPERFICIAL Y SUBTERRÁNEA PARA EL SUMINISTRO DE AGUA POTABLE PARA EL MUNICIPIO DE TURBO, ANTIOQUIA

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Capítulo 1

1. Introducción general

1.1 Generalidades

A mediados del año 2007 E.E.P.P.M, contacto a la Universidad Nacional Sede Medellín para evaluar la posibilidad de realizar un estudio del uso conjunto de agua superficial y agua subterránea en la zona de Turbo, Antioquia, aprovechando el conocimiento que tiene esta universidad en la materia. Aprovechando la información recogida y los objetivos planteados se formularon dos tesis de maestría, una de las cuales la constituye este informe

1.2 Localización

El municipio de Turbo se encuentra localizado al norte del departamento de Antioquia, en la llamada zona del Urabá antioqueño. El municipio se encuentra bañado por el mar Caribe y el río Atrato. Tiene una extensión de 3.055 km². Cuenta con un aeródromo, Gonzalo Mejía, un proyecto de puerto internacional y una carretera que lo comunica con la capital departamental, Medellín. Limita al norte con el mar Caribe y el municipio de Necoclí; al este con los municipios de San Pedro de Urabá y Apartadó, y con el departamento de Córdoba; al sur con los municipios de Carepa, Chigorodó y Mutatá, y al oeste con el departamento del Chocó. Turbo se creó como Distrito por el Congreso Nacional de Colombia en la finalización del periodo legislativo del 2007. Su población total es de 122780 (47747 en la zona urbana (DANE 2005)).

Se encuentra a una altitud promedio de 2 m.s.n.m, con una temperatura media de 28°C y una precipitación media anual de 1925 milímetros.

La zona de estudio se encuentra delimitada por el polígono rojo de la Figura 1, cuyo límite al sur es el río Guadualito; al norte, la quebrada Piedrecitas; al occidente la línea de costa en el golfo de Urabá, y al oriente, la vía que del Tres conduce al Dos. El área total es de aproximadamente 110 km2.

Esta es una región del país con la más baja cobertura en servicios de acueducto y alcantarillado, las fuentes de agua actuales para consumo humano son superficiales y subterráneas y no alcanzan a cubrir la demanda. Por la carencia de agua para el


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abastecimiento de esta zona es necesario evaluar las condiciones del uso combinado de agua superficial y agua subterránea.

Figura 1. Localización general de la región de estudio

1.3 Objetivos

1.3.1 Objetivo general

Evaluar el uso conjunto de fuentes de agua superficial y agua subterránea para el abastecimiento del sistema de acueducto del municipio de Turbo, Antioquia, y a partir de este determinar una opción óptima de abastecimiento conjunto en términos de calidad, cantidad y permanencia del recurso de tal manera que se suministre la demanda necesaria actual y futura

1.3.2 Objetivos específicos

Buscar e identificar las posibles fuentes de aprovechamiento de agua superficial y subterránea en la zona.

Evaluar la calidad de las aguas de las posibles fuentes de abastecimiento para el uso conjunto.

Conocer las condiciones hidrológicas y de cobertura de las cuencas de las posibles fuentes


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para el abastecimiento de agua.

Conocer las condiciones hidrogeológicas de los acuíferos potenciales para abastecimiento de agua.

Evaluar la capacidad del acuífero como posible fuente de abastecimiento.

Evaluar el avance de la intrusión salina en los acuíferos de agua dulce de la zona para determinar el uso sostenible del recurso de agua subterránea.

Elaborar una metodología que permita evaluar el uso combinado de agua subterránea y agua superficial para los sistemas de acueducto.

Diseñar el pozo de aprovechamiento de agua subterránea para el sistema de acueducto del municipio de Turbo, con base en la investigación realizada.

1.4 Antecedentes

Desde hace aproximadamente unos 23 años, desde que se empezó a observar la región de Urabá como una fuente importante de progreso para el país, se han dedicado esfuerzos para suplir la demanda de agua de este lugar de desarrollo.

El sistema de Acueducto del Municipio de Turbo es operado, administrado y mantenido desde 1997 por la empresa Conhydra S.A. ESP como resultado de una contratación con la empresa Acuantioquia, en liquidación. (Gobernación de Antioquia 2005).

Según Gobernación (2005), la principal fuente empleada en el acueducto de Turbo está constituida por el río Turbo. Durante la mayoría del año el río abastece con facilidad los 200 l/s que consume la población. Sin embargo, en épocas de verano intenso el río tiene caudales mínimos inferiores a este valor. Los reportes de caudales en las estaciones de aforo reportan como caudal mínimo un valor de 80 l/s, valor que no debiera ocurrir en una cuenca que tiene 150 km2.

Como resultado de lo anterior, la oferta hídrica se ve afectada por la mala utilización de la cuenca, desde el punto de vista de calidad y cantidad. Se presentan problemas de contaminación debido a descargas en la fuente hídrica de la cual se abastece el municipio, la contaminación es producto de la utilización de pesticidas, residuos de abonos químicos utilizados en la actividad agrícola y por la deforestación.

Adicionalmente, existe otra fuente de abastecimiento, que es un pozo de agua subterránea, que se localiza dentro de la planta de potabilización y su caudal de explotación fue estimado en 30 l/s, sin embargo, este pozo se encuentra fuera de servicio y se dejó de utilizar sin tener claras las razones.

La cobertura en abastecimiento de agua está en promedio en el 75 por ciento, pero en el índice se considera muy regular desde Arboletes hasta Chigorodó. Desde 1994 se habla se la construcción de un acueducto regional que desde entonces el director de CORPOURABA, formuló el proyecto para la gobernación de Antioquia. Ahora se presenta una gran expectativa con el ingreso de E.E.P.P.M a la empresa subregional Aguas de Urabá.


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Hacia fines de 1985, la universidad Nacional-Seccional Medellín, en conjunto con la gerencia general de Augura plantearon un objetivo específico de señalar algunas orientaciones y acciones para el planeamiento y la administración del recurso agua en la región de Urabá. (Augura, 1986)

En los últimos años por medio de la creación en 1992 de CORPOURABA a partir de la ley 99, esta entidad encargada del manejo, control y protección de las fuentes de agua en la zona, tiene un creciente interés por impulsar la realización de estudios de tipo regional a partir de los cuales se logre un mejor conocimiento acerca de la disponibilidad y características del agua subterránea en la región y en desarrollar herramientas de apoyo para una mejor administración de ella.

En la actualidad, el desarrollo económico y social que significa el acercamiento de los municipios de Urabá a Medellín puso a las autoridades ante el reto de resolver el atraso que presenta la subregión en materia de abastecimiento de agua.

La empresa ACP consultores contrató con la corporación para el Desarrollo Sostenible de Urabá, CORPOURABA, el estudio de “Alternativas de Abastecimiento para el Acueducto Regional de Urabá”, con el fin de determinar cual es la mejor alternativa para la solución de los problemas de abastecimiento en las poblaciones del eje Chigorodó – Turbo en las cuales se encuentran: Chigorodó, Carepa, Apartadó, Currulao, El Tres y Turbo. Desde varios años atrás se han realizado estudios que procuran por encontrar soluciones a los problemas de agua que presenta la zona de Urabá. En este estudio de alternativas se analizaron, un acueducto regional con presa sobre el río Chigorodó y el mejoramiento de los acueductos locales, además se evaluó la viabilidad de una empresa regional de servicios.

En el año de 1995 a través de INGEOMINAS se realizó la evaluación del agua subterránea en la región de Uraba, en este estudio se determinó el gran recurso de agua presente en la zona, es así como se indica que, en la zona sur del estudio, localizada entre Turbo y Juradó se presentan grandes perspectivas de aprovechamiento de las aguas subterráneas para el abastecimiento de poblaciones, los acuíferos de mayor importancia son los denominados en el estudio como los de la unidad T2, especialmente el conjunto B. Este conjunto aflora en superficie en la zona sur-este del estudio realizado por INGEOMINAS, que comprendía una extensión total aproximada de 6300 km2, enmarcada por las serranías de Abibe y de las Palomas al oriente, el litoral del mar Caribe al norte, el golfo de Urabá al occidente y el río León al sur, la zona sur-este del estudio ubicada al sur del municipio de Turbo, presenta el conjunto T2B formando una franja alarga en sentido S-NE, Las profundidades a las cuales se encuentra el techo de dicha arenisca conglomerática van desde unos 20 m en el sector de Barranquillita, en la parte sur del área, hasta 75 m entre Turbo y Apartado y en general se presentan espesores entre 20 y 190 m. En conclusión del estudio realizado por INGEOMINAS, el conjunto T2B es el de mayor importancia hidrogeológica en el área presentando excelentes condiciones para el aprovechamiento del agua subterránea.

Este proyecto pretende investigar y trabajar en una escala más detallada que permita generar un conocimiento más amplio de los sistemas acuíferos del municipio de Turbo y determinar cuál es el manejo más adecuado para aprovechar el recurso de agua subterránea y superficial.


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1.5 Metodología

Para el desarrollo de este proyecto se analizaron las posibles proyectos de abastecimiento de agua para el municipio de Turbo, básicamente se evaluaron alternativas de aprovechamiento de agua superficial y de agua subterránea.Para la evaluación de fuentes de abastecimiento con agua superficial se analizaron desde el punto de vista de hidrológico y de calidad de agua. Para la evaluación de la fuente de agua subterránea, se apoyó en el documento Programa de Exploración de Aguas Subterráneas”INGEOMINAS (2004) el cual definió pautas claras para la exploración y evaluación de aguas subterráneas Á continuación se describen los pasos para llegar a construir un modelo hidrogeológico conceptual y luego evaluar el uso conjunto de fuentes subterráneas y superficial. El mapa conceptual que se adjunta muestra los pasos y el orden en que se deberán dar en un proceso de exploración. Siendo el modelo hidrogeológico conceptual la herramienta más importante para la evaluación del recurso agua subterránea. El modelo conceptual del sistema de aguas subterráneas es la base para el conocimiento de su funcionamiento y para la gestión del recurso. Adicionalmente se presentan los capítulos de la evaluación conjunta. A continuación se detallan los pasos metodológicos que se muestran en la Figura 2.

1.5.1 Geología La geología es la información base para los estudios hidrogeológicos ya que define las propiedades de las rocas y las estructuras geológicas favorables para almacenar aguas subterráneas. La cartografía geológica debe realizarse haciendo énfasis en la litología, textura, cambios de facies, tipo de porosidad, ambientes de depositación, estructuras tectónicas y geomorfológicas, así como composición mineralógica de los sedimentos y rocas.

Para la interpretación geológica adecuada debe hacerse trabajo de campo detallado y utilizar herramientas y diferentes disciplinas, tales como interpretación de fotografías aéreas, imágenes de radar y satélite, levantamiento de las secuencias estratigráficas, sedimentología, vulcanología y geología estructural, principalmente. Para el caso de rocas ígneas y metamórficas es indispensable estudiar con detalle las formas e intensidades del fracturamiento y todos los sistemas de discontinuidades de los macizos rocosos utilizando técnicas de campo y estadísticas que permitan conocer los sistemas dominantes de fracturas y sus condiciones de conductividad hidráulica como por ejemplo, ancho, continuidad, rugosidad, y relleno.

Pueden haber circunstancias especiales en que la geomorfología del lugar juega un papel dominante en la forma en que se infiltra el agua y la manera en que se transmite al sistema fracturado y de éste a las zonas de almacenamiento y alimentación de las fuentes superficiales. Un adecuado conocimiento de las formas superficiales permite identificar, en ocasiones, las zonas más adecuadas para cartografiar la extensión de áreas de recarga de los acuíferos.

En particular en la elaboración de este trabajo se recopiló y analizó la información existente, se recopilo toda la información relacionada con la geología y geomorfología de la zona de Urabá, se destacan los estudios realizados por INGEOMINAS (1995, 2001, 2003), por Integral (1986), junto con tesis de grado y artículos de revista relacionados con este


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tema.

La interpretación fotogeológica se realizó con base en las fotografías de los vuelos C – 1302 y FN – 19, que corresponden a la zona concreta de estudio.

Para la elaboración del mapa preliminar, se tomo como base el mapa geológico elaborado por el INGEOMINAS (1995), este se llevo a campo para corroborar la persistencia de las unidades geológicas, las estructuras y los contactos litológicos.

Se realizó trabajo de campo entre el 14 de Julio y el 12 de Agosto de 2008, entre la zona comprendida desde la quebrada Piedrecita hasta el río Guadualito. Municipio de turbo. Antioquia, en este trabajo se levantaron columnas estratigráficas y se tomaron datos estructurales.

1.5.2 Evaluación Hidrológica

Las aguas atmosféricas, superficiales y subterráneas hacen parte del ciclo hidrológico y se encuentran constantemente en interacción. Además, la principal fuente de alimentación de las aguas subterráneas son las aguas meteóricas. Por lo anterior, es de gran importancia la evaluación de las condiciones meteorológicas e hidrológicas, para contribuir al modelo hidrogeológico con información sobre posibles fuentes y zonas de recarga y descarga de aguas subterráneas y disponibilidad del agua para la recarga (balance hídrico superficial). Para la evaluación de este componente se utilizó información adquirida en el IDEAM (Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales). La cartografía utilizada corresponde a la red de drenaje en escala 1:10000 obtenida del IGAC (Instituto Geográfico Agustín Codazzi), igual que el Modelo Digital de Elevación (MDE) con píxeles de aproximadamente 30 m de ancho propiedad de la United States Geological Survey (USGS, 2009).

Para la evaluación de las diferentes variables hidroclimatológicas se estiman los campos promedios anuales de precipitación y evapotranspiración en la región, los cuales son utilizados para el cálculo de los caudales medios multianuales empleando el método del balance hidrológico de largo plazo.

Para el modelamiento del comportamiento hidrológico de las tres cuencas que enmarcan la región estudiada, se calibra un modelo lluvia-escorrentía agregado a escala diaria en cada una de las cuencas, se presenta la evaluación de los caudales mínimos para diferentes periodos de retorno y un análisis de interpretación de los resultados para estimar la recarga potencial asociada al modelo lluvia escorrentía.

1.5.3 Exploración Geofísica

Esta fase contribuye a determinar la presencia y la geometría de los acuíferos o zonas acuíferas y la obtención de un modelo conceptual geológico, que a su vez se valida con perforaciones exploratorias. Se debe hacer uso de las metodologías geofísicas convencionales tales como resistividad, gravimetría, sísmica, magnetometría, electromagnetismo, registros geofísicos de pozos y nuevas técnicas como la resonancia magnética de protones o nuclear.

El objetivo de la exploración geofísica es aportar al modelo hidrogeológico el modelo geológico del subsuelo de la zona de estudio, infiriendo a partir de medidas de resistividad,


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la litología, estratos saturados con agua dulce y la detección de la cuña marina.

Para la exploración geofísica, se empleó el método eléctrico, mediante la ejecución e interpretación de 47 sondeos eléctricos verticales (SEV), utilizando el arreglo electródico Schlumberger, para la interpretación de los SEV, se utilizó el software IPI2 WIN, (Gómez, 2009).

La exploración geofísica se utiliza también para: estimación del nivel de la profundidad del agua subterránea, estimación del espesor de la zona no saturada, estimación de la porosidad de la roca, contribución a la identificación de los ambientes de depositación, determinación del grado de mineralización de las aguas subterráneas, localización de fracturas, identificación de reservorios geotérmicos y aguas termales.


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Figura 2. Diagrama de flujo metodológico de exploración hidrogeológica regional (INGEOMINAS 2004)


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1.5.4 Reconocimiento Hidrogeológico El reconocimiento hidrogeológico es la fase inicial en la exploración de aguas subterráneas y comprende las siguientes etapas: recolección de datos en el campo mediante el inventario de puntos de agua, discriminados en manantiales, aljibes, pozos, humedales y corrientes de agua, diseño y desarrollo de la red de monitoreo para confirmar el modelo conceptual. Los datos obtenidos en esta fase son la base para clasificar y caracterizar las unidades geológicas y así determinar las características hidrogeológicas preliminares del área. En el área de estudio en el municipio de Turbo se realizó inventario de puntos y a partir de éstos elaborar el mapa de isopiezas, sin embargo, la mayoría de los puntos de agua son aljibes y por tanto, con esta información solo se conocen las características preliminares del estrato superior. El inventario de pozos se elaboró realizando una visita a todos puntos de agua en la zona de estudio, cada punto se localizó espacialmente mediante un GPS de alta precisión.

1.5.5 Caracterización Hidrogeoquímica

Con la hidrogeoquímica se pueden determinar el origen, los procesos y la evolución de la composición del agua almacenada en los acuíferos. Ésta es una herramienta básica la cual además de permitir determinar la calidad natural del agua para diferentes usos, mediante análisis fisicoquímicos e isotópicos, aporta la siguiente información al modelo hidrogeológico conceptual: Identificación de zonas de recarga y descarga, dirección del flujo subterráneo, mezclas e interconexiones de agua de diferentes orígenes (aguas superficiales y subterráneas, entre acuíferos),origen del agua subterránea, tiempo de residencia de las aguas subterráneas, identificación de ocurrencias de aguas termales y minerales.

1.5.6 Evaluación de Vulnerabilidad Intrínseca a la Contaminación

La vulnerabilidad intrínseca de los acuíferos a la contaminación depende de las características litológicas de la zona no saturada, del tipo de acuífero, de la profundidad del nivel del agua para el acuífero libre o de la profundidad del techo del acuífero confinado. La vulnerabilidad debe ser revisada periódicamente ya que algunas de las variables involucradas son temporales, dependiendo de situaciones particulares como por ejemplo la proximidad a cuerpos de agua salobre o el mar, vertederos de desechos, sistemas de riego en zonas agrícolas con uso intensivo de agroquímicos, descargas de sistemas de alcantarillado o plantas de tratamiento de aguas servidas entre muchas otras.

1.5.7 Evaluación Hidrodinámica

Con la evaluación hidrodinámica de las aguas subterráneas se pueden determinar la altura piezométrica, el gradiente y los parámetros hidráulicos del acuífero (conductividad hidráulica, transmisividad y coeficiente de almacenamiento) que caracterizan el flujo y almacenamiento de agua en los diferentes acuíferos.

1.5.8 Perforaciones Exploratorias

Las perforaciones exploratorias son necesarias para validar los modelos geológico-geofísicos e hidrogeológicos, obtenidos en las fases de trabajo anteriores, y para la caracterización de los acuíferos desde el punto de vista hidráulico y químico. Con ellas se determinan los parámetros hidráulicos de los acuíferos existentes mediante pruebas de


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bombeo. Permiten también, de manera precisa, determinar la geometría del acuífero, lo cual influirá en el diseño del pozo.

1.5.9 Modelo hidrogeológico conceptual

El conocimiento hidrogeológico del área se representa a través del modelo hidrogeológico conceptual, el cual es un esquema lógico, tanto a nivel cualitativo como cuantitativo, que describe las propiedades, condiciones, procesos y potencialidades de los acuíferos. Este modelo permite entender el funcionamiento de los acuíferos, incluyendo aguas termales y minerales, para predecir su comportamiento y determinar sus recursos explotables; además, es útil para prever posibles impactos ambientales sobre el sistema o por su aprovechamiento y para la gestión integral del recurso hídrico.

El modelo conceptual se construye cuando se han acumulado suficientes datos sobre los materiales geológicos del subsuelo y la forma como circula el agua subterránea.

1.5.10 Modelo matemático

Es una representación de la circulación del flujo de agua subterránea, por medio de ecuaciones. Un modelo matemático permite hacer simulaciones del comportamiento de los niveles de agua, las direcciones de flujo y los caudales de explotación.

Toda la información anterior, modelo conceptual y modelo matemático posibilitan la evaluación del potencial hidrogeológico desde el punto de vista técnico y económico. Los modelos matemáticos son útiles entre otras cosas para la evaluación regional del recurso agua subterránea, predicción de efectos de posibles abatimientos, delimitación de zonas de protección, diseño de redes de monitoreo, evaluación de riesgo de contaminación, reglamentación del recurso.

En este trabajo la modelación numérica se hizo con el programa, Visual MODFLOW 4.2, que es un programa desarrollado por el USGS

Se plantea luego un modelo de optimización del aprovechamiento conjunto de agua superficial y subterránea, que relacione todas las variables y restricciones físicas, operativas, ambientales y legales. Para el proceso de optimización se combinan los programas de GAMS que es un lenguaje, soportado por un paquete informático, que permite especificar un problema de programación matemática independientemente del método de resolución asociado al mismo y las modelaciones realizadas en MODFLOW para la optimización de la ubicación de los pozos. El tipo de programación empleada en GAMS fue Lineal Entera Mixta, en la cual las variables pueden ser de tipo continuo o discreto y solamente se permiten relaciones lineales entre las mismas.


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Capítulo 2

2. Hidrología En este capítulo se determinó la oferta natural de agua superficial en las cuencas de los ríos Turbo, Guadualito y Currulao. A partir de esta oferta se establece cuales son los caudales mínimos asociados a los diferentes periodos de retorno y su disponibilidad para ser aprovechados por el sistema de acueducto como recurso de abastecimiento presente futuro, también, se utilizan los resultados obtenidos de la hidrología para estimar la tasa de recarga del acuífero de la zona de estudio.

2.1 Recopilación de información

Para el modelamiento del comportamiento hidrológico de las cuencas de la región se utilizó información adquirida en el IDEAM (Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales) cuyas características se presentan en las Tabla 1 y 2. Su localización en la región se observa en la Figura 3. Todas las estaciones de precipitación se utilizaron para la estimación de los campos promedios de precipitación, y las estaciones Prado Mar, Pueblo Bello, El Mellito y Turbo se usaron también para la simulación de caudales con el modelo de lluvia escorrentía a nivel diario. Las estaciones de caudal se encuentran a resolución diaria y se utilizaron para la calibración del modelo de lluvia escorrentía de cada una de las cuencas estudiadas en la región.

Tabla 1. Estaciones de medición de precipitación usadas para el modelamiento hidrológico

Tipo Resolución Nombre Años registrados

Precipitación media (mm/año)

Datos faltantes (%)

PM Diaria Prado Mar* 30 2312 4.5 PM Diaria Pueblo Bello* 35 1522 2.7 PM Diaria Nueva Antioquia 9 1783 13.5 PG Diaria La Playona 7 3207 22.6 CO Diaria Aeropuerto Gonzalo Mejía 53 2188 33.9 CO Diaria Caribia 10 1501 39.6 CO Diaria Turbo* 23 2297 11.7 PM Diaria La Lorena 24 2390 10.7 PM Mensual Santa Martha 19 2685 0.0 CO Diaria El Mellito* 24 1831 18.2 PM Mensual Santa Isabel 13 2944 0.0 PM Diaria Saiza 10 1803 23.2 AM Diaria La Cerrazon 6 2597 15.9 CO Diaria Tulenapa 21 2912 25.3


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PM Diaria Barranquillita 21 3477 17.5 AM Mensual Uniban 29 2924 1.9

Tabla 2. Estaciones de medición de caudal usadas para el modelamiento hidrológico

Tipo Nombre Corriente Área drenaje (km2)

Caudal medio (m3/s)

Datos faltantes (%)

Años registrados

LM El Dos Río Turbo 149.06 3.25 6.8 16 LM El Tres Río Guadualito 77.46 2.58 9.7 24 LM Currulao Río Currulao 231.6 8.63 26.3 24

Figura 3. Localización de las cuencas y de las estaciones utilizadas en el modelo

El ciclo anual de la precipitación en las estaciones Prado Mar, Pueblo Bello, El Mellito y Turbo y el de caudal de las estaciones de la Tabla 2 es de carácter unimodal con un marcado periodo seco en los meses de enero a marzo y húmedo el resto del año (Figura 4).


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(a)

(b) Figura 4. Ciclo anual en las estaciones de (a) precipitación y (b) caudal

La Figura 5 muestra la distribución temporal de la precipitación en las estaciones seleccionadas para elaborar el modelo de lluvia-escorrentía de las tres cuencas. El período de tiempo considerado es el período en común entre todas las estaciones (1984-2007). En ella se observa una buena correlación entre las cuatro estaciones consideradas, presentándose los mismos años de sequía y años lluviosos.

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50

100

150

200

250

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350

ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGOS SEP OCT NOV DIC

Prec

ipita

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(mm

/mes

)

PRADO MAR PUEBLO BELLO EL MELLITO TURBO

0

2

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ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGOS SEP OCT NOV DIC

Cau

dal (

m3 /s

)

EL TRES CURRULAO EL DOS


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Figura 5. Distribución temporal de la precipitación en las estaciones seleccionadas para elaborar el

modelo de tanques.

La cartografía utilizada corresponde a la red de drenaje en escala 1:10000 obtenida del IGAC (Instituto Geográfico Agustín Codazzi), igual que el Modelo Digital de Elevación (MDE) con píxeles de aproximadamente 30 m de ancho propiedad de la United States Geological Survey (USGS, 2009).

2.2 Estimación de la variabilidad espacial de la precipitación

Utilizando la información de precipitación proveniente de los registros de las estaciones (Tabla 1) se han calculado los campos de precipitación media multianual en la región. Para ello se utilizaron dos técnicas de estimación espacial estocástica: Kriging Ordinario (KO) y Kriging con Deriva Externa (KDE), las cuales se encuentran implementadas en el software de libre distribución HidroSIG 3.1 (Alvarez, 2007). Emplear un algoritmo de estimación espacial estocástico presenta dos ventajas importantes en el caso del análisis de la precipitación: (i) es posible estimar el(los) campo(s) de incertidumbre asociado(s) con su estimación y (ii).algunas técnicas, conocidas como multivariadas por ejemplo KDE, permiten incorporar una o varias variables densamente muestreadas (representadas como un mapa raster de mediciones por ejemplo de reflectividad de ondas de radar) que manifiesten la variabilidad espacial de la precipitación y son susceptibles de integrarse como apoyo en el procedimiento de estimación. La segunda ventaja se hace realmente importante en regiones donde existan poca cantidad de estaciones de medición en tierra y su distribución espacial es deficiente puesto que el campo estimado hereda tanto las características de las mediciones en tierra como la distribución espacial de la variable de apoyo, como lo es el caso de nuestra región de estudio. A pesar de lo anterior, cabe anotar que la calidad de un campo de precitación que se obtiene empleando un método de estimación espacial, está estrechamente ligada con la cantidad, calidad y distribución de los datos puntuales de precipitación que se tengan en la región de estudio y con la confiabilidad de la información secundaria integrada al procedimiento de estimación. Mientras menor sea la cantidad de datos de precipitación disponibles en tierra, mayor será la incertidumbre asociada con la

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500

1000

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2004

2005

2006

AÑOS

P (m

m)

PM_Prado Mar PM_Pueblo Bello CO_El Mellito CO_Turbo


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estimación.

Ahora bien, para poder considerar los patrones de variabilidad espacial regional de la precipitación como una variable aleatoria, debe construirse su modelo de regionalización, lo cual se realizado estimando el semivariograma experimental omnidireccional (Figura 6). A éste se le ha ajustado una superposición lineal de modelos básicos permisibles de variograma: (i) un modelo básico de efecto pepita (ii) un modelo esférico acotado. Debido a que los datos disponibles de precipitación son escasos, no fue posible estimar un modelo de regionalización anisotrópico que permitiera representar mejor las características de la variabilidad de la precipitación en la región. El modelo de variograma (Figura 7) ajustado para la regionalización se utilizó en el cálculo de los diferentes campos de precipitación.

Figura 6. Semivariograma experimental

Figura 7. Variograma ajustado.

Inicialmente se estimó un campo de precipitación media anual usando el algoritmo de KO. Posteriormente, se estimó el campo de precipitación utilizando el método de KDE usando como mapa de derivas el MDE de la zona de estudio, lo cual supone que hay alta dependencia entre la elevación y la precipitación y pone de manifiesto la presencia de efectos orográficos sobre el fenómeno de la lluvia en la zona de estudio. Finalmente, se estimó un campo de precipitación mediante KDE empleando como deriva el mapa de precipitación promedio obtenido de la información de la TRMM “Tropical Rainfall Measurement Misión” (Kumerow et al.,1998 y NASA, 2009). La TRMM es una


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exploración espacial conjunta entre la NASA y la Agencia Japonesa de Exploración Espacial (JAXA) diseñada para estudiar y analizar la dinámica del fenómeno de la precipitación en las regiones tropicales y subtropicales (Kumerow et al.,1998), y de la cual se tiene información disponible en el período comprendido entre el 27 de noviembre de 1997 y el 31 de diciembre de 2002. Dada la alta intermitencia temporal en la toma de datos y la escasa longitud de registros de la misión, no es adecuado considerar que el campo de precipitación promedia utilizando la información de la TRMM es representativo de la precipitación media en la zona. A pesar de ello, investigaciones previas, como la realizada por Álvarez (2007), muestran que las tendencias de variabilidad espacial observadas en los datos de la TRMM son muy representativas de la estructura espacial del campo de la precipitación media anual en Colombia. Así, con el fin de disponer de un campo de precipitación en la misma resolución espacial del MDE, la información original de la TRMM empleada en el trabajo de Álvarez (2007) fue remuestreada utilizando el algoritmo bilineal.

2.3 Estimación de la variabilidad espacial de la evapotranspiración

La evapotranspiración es uno de los componentes más importantes del balance hídrico. Representa la cantidad de agua saliente del sistema hacia la atmósfera en forma de vapor de agua, por una combinación de la evaporación física y de la transpiración de la vegetación. La evapotranspiración depende fundamentalmente de condiciones climáticas que a su vez son función de las características físicas de la atmósfera que se encuentra cerca al suelo y a la vegetación, además depende de la calidad del agua y del área del espejo de agua.

Para el cálculo de esta variable existen varios métodos empíricos, la mayoría de ellos basados en fórmulas que han sido obtenidas en condiciones climáticas diferentes a las tropicales, por lo que es necesario hacer el cálculo con diferentes expresiones y poder compararlas y analizar cuál de ellas representa de mejor manera la variación de la evapotranspiración en las cuencas estudiadas.

Los diferentes métodos por los cuales se calcularon los mapas de evaporación real en la región de estudio se describen a continuación y son presentados con mayor profundidad por UNAL-CTA (2001) y Barco y Cuartas (1998).

2.3.1 Método de Cenicafé – Budyko

Este método permite calcular la evapotranspiración potencial en función de la elevación sobre el nivel del mar. La Ecuación 1 fue obtenida realizando una regresión a los valores obtenidos de aplicar el método de Penman a los datos de las estaciones climáticas de Colombia.

( )hTPE 0002,0exp17,1700 −= (Ecuación 1)

Donde, ETP es la evapotranspiración potencial (mm/año) y h es la elevación sobre el nivel del mar (m).

La evapotranspiración potencial se transforma a evapotranspiración real mediante la expresión de Budyko, la cual se presenta en la ecuación (2).


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5,0

cosh1tanh ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛−⋅⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛⋅⋅=

PETPsenh

PETP

ETPPPETPTRE

(Ecuación 2)

Donde, ETR es la evapotranspiración real (mm/año), ETP es la evapotranspiración potencial (mm/año) y P es la precipitación media en la cuenca (mm/año).

2.3.2 Método de Turc

Su formulación está basada en un balance de masas, en función de elementos meteorológicos simples como la temperatura y la precipitación de la cuenca, aplicadas a medidas de largo plazo.

2

2

9,0LP

PTRE+

=

(Ecuación 3)

Donde, ETR es la evapotranspiración real (mm/año) y P es la precipitación media en la cuenca (mm/año) y P/L > 0,316. L se expresa como:

305,025300 TTL ++= (Ecuación 4)

Donde, T la temperatura promedio anual (°C). Por la escasez de información en la región, para conocer la variabilidad espacial de la temperatura se recurrió a la estimación indirecta mediante la ecuación propuesta por Chávez y Jaramillo (1998). En esta metodología se regionaliza está variable con la altura sobre el nivel del mar a partir de registros de temperatura media mensual en superficie para diferentes regiones geográficas en el país. La ecuación utilizada, pertenece a la región caribe y es de la forma:

HT 0055,072,27 −= (Ecuación 5) Donde, T es la temperatura media anual (°C) y H es la altura sobre el nivel del mar (m). Si P/L < 0,316:

PETR = (Ecuación 6)

2.3.3 Método de Choudhury

Se estima la evaporación real anual a través de una ecuación empírica de la forma:

⎪⎩

⎪⎨

⎧

⎪⎭

⎪⎬⎫

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

=αα1

1nR

P

PETR

(Ecuación 7)

Donde, P es la precipitación anual (mm/año), Rn es el equivalente de agua de la radiación neta en (mm/año), α es un parámetro ajustable que depende de la escala de estimación de la variable (Choudhury, 1999 en UNAL-CTA, 2001) y ETR es la evapotranspiración real (mm/año).


18

El método asume que la evaporación anual no excede los valores correspondientes a P ó Rn y dispone, para las cuencas de trabajo, de la relación µ = P/Rn en el rango 0,23 < µ < 1,97, típico de regiones poco húmedas con altos valores de radiación neta. UNAL-CTA (2001) proponen el cálculo del factor alfa para el departamento de Antioquia de manera que se minimice el error medio absoluto entre las evaporaciones estimadas y las obtenidas al realizar el balance de largo plazo en 52 cuencas con áreas entre 25 y 5300 km2 con condiciones climáticas diferentes. Los resultados encontrados por estos autores muestran un valor de α = 1,91, con mejores resultados en el rango de 0,85 < µ < 1,9, pero aplicable a todo el departamento de Antioquia con 0,85 < µ < 6,37, valores de µ típicos de regiones tropicales húmedas.

2.4 Balances hidrológicos

El balance hidrológico se utilizó como una herramienta para la validación de los mapas de precipitación y evapotranspiración, realizando una comparación de los valores obtenidos con este método y el valor del caudal promedio obtenido de los registros de caudales en las estaciones de cada una de las tres cuencas evaluadas.

Para la estimación de caudales medios se usa la metodología del balance hidrológico de largo plazo, la cual se encuentra automatizada en el sistema de información geográfica HidroSIG 3.1.

Para el balance hidrológico, se utilizan las ecuaciones de conservación de masa de agua en un sistema o volumen de control. En este caso, el volumen de control considerado está conformado por las columnas de agua y suelo, donde la frontera horizontal está definida por la divisoria de la cuenca; el borde inferior de la columna de suelo es un estrato impermeable y el borde superior de la columna atmosférica es su tapa.

El caudal medio (Q ) en una cuenca en m3/s puede estimarse según la ecuación 8 presentada en UNAL-CTA (2001):

( ) ( )[ ]∫ −=CuencaÁrea

dAyxEyxPQ ,, (Ecuación 8)

Donde, P(x,y) es la precipitación media multianual que recibe el mismo punto (en m/s), E(x,y) es la lámina de agua que se pierde por evapotranspiración real en el punto (x,y) en el mismo período de tiempo (en m/s) y dA es el diferencial de área (en m2).

Finalmente el caudal medio se obtiene aplicando (8) mediante diferenciales de área del tamaño de los píxeles del MDE (30m x 30m). Así, para cada píxel en el interior de la cuenca, se estima E y P de los campos cuyo procedimiento de cálculo se explicó previamente, se evalúa la ecuación (8) y su resultado se multiplica por el área del píxel, obteniendo así el volumen de agua que el píxel aporta en el balance de largo plazo.

2.4.1 Incertidumbre en la estimación del caudal medio de largo plazo

En esta sección se cuantifica la incertidumbre asociada a la estimación del caudal medio en una cuenca a partir del modelo de balance hídrico de largo plazo, a partir de la metodología propuesta por Álvarez (2007) y aplicados en Amaya et, al (2009), los cálculos de


19

incertidumbre se estimaron como herramienta para la elección de los campos de precipitación y evapotranspiración.

Como se comentó en el balance hidrológico, la estimación de los caudales medios anuales para una cuenca hidrológica se basó la expresión:

( ) ( )[ ]∫ −=CuencaÁrea

dAyxEyxPQ ,, (Ecuación 9)

O análogamente:

AEPQ )( −= (Ecuación 10)

Donde, Q es el caudal medio anual (en m3/año), A es el área de la cuenca (en m2), P es la precipitación media multianual en la cuenca (en m/s) y E es la evapotranspiración real media anual en la cuenca (en m/s).

La incertidumbre en el cálculo del caudal medio, relativo a la superposición de errores en las variables involucradas en la ecuación 10, se puede estimar como:

5.022 )( EPQ SSAS += (Ecuación 11)

Donde, SQ representa la incertidumbre asociada con la estimación del caudal medio anual, SP es la incertidumbre asociada con la precipitación promedio para la cuenca, y SE es la incertidumbre de la evapotranspiración promedio para la cuenca, los cálculos de las incertidumbres asociadas a la precipitación y evapotranspiración se pueden leer en Amaya et, al 2009.

En esta ecuación (11) no se considera la incertidumbre asociada a la estimación del área de la cuenca, pues siguiendo la metodología presentada por Álvarez (2007) se encontró que su contribución a la incertidumbre global era despreciable (mucho menor al 0,1%) para esta escala de trabajo (Amaya et, al 2009).

2.5 Descripción del modelo lluvia-escorrentía

En el modelo utilizado, la producción de escorrentía superficial en una cuenca se puede representar por cuatro tanques o niveles de almacenamiento conectados entre sí, como puede observarse en la Figura 8.

El modelo representa por medio de un sistema de tanques interconectados entre sí los procesos determinantes de la producción de la escorrentía: interceptación de las plantas, detención de agua en los charcos, infiltración, evapotranspiración, recarga del acuífero, y escorrentía superficial, subsuperficial, y flujo base. En cada intervalo de tiempo, la precipitación (X1) se distribuye a los distintos almacenamientos, donde en función del volumen almacenado en cada uno de ellos (Hi), se determina su contribución a la escorrentía (Yi). El modelo realiza el balance de agua en cada tanque y actualiza los volúmenes almacenados en cada uno.

La cantidad de agua que se deriva en cada nodo (Di) y la que continua hacia los niveles


20

inferiores (Xi) por el conducto distribuidor depende de la cantidad de agua disponible, el estado del almacenamiento del tanque y de la capacidad del conducto distribuidor aguas abajo del nodo, la cual se puede relacionar con la conductividad hidráulica en el subsuelo.

Figura 8. Esquema conceptual del modelo de tanques

La descarga (Yi) en cada uno de los tanques está en función del volumen almacenado y de las características de la cuenca que se pueden asociar con el tiempo de permanencia del agua en un elemento de almacenamiento temporal. La descripción del modelo se realiza en detalle en Vélez, 2001.

2.5.1 Calibración del modelo hidrológico

Para la calibrar el modelo se utilizó la información de caudal diaria de las estaciones de la Tabla 2. Las estaciones de precipitación para cada modelo se eligen considerando cuales pueden representar correctamente la distribución espacial de la lluvia en cada cuenca asociada a una estación de caudal.

Como la precipitación es una variable de entrada para el modelo, se pondera el peso de cada una de las estaciones de forma que, en el largo plazo, la precipitación media del modelo en una cuenca es igual a la obtenida usando el mapa de precipitación ya mencionado.

Tabla 3. Rangos establecidos para los parámetros del modelo

Parámetro Mínimo Máximo Almacenamiento Capilar 20 600

Conductividad Capa Superior (mm/día) 1 100 Conductividad Capa Inferior (mm/día) 0,01 10

Perdidas Subterráneas (mm) 0 10 Tiempo Medio de Residencia Flujo Superficial (días) 1 10

Tiempo Medio de Residencia Flujo Subsuperficial (días) 1 10


21

Tiempo Medio de Residencia Flujo Base (días) 50 200 Exponente Infiltración 2 2

Exponente Evaporación 0.6 0.6 Radiación Global Incidente Promedia (cal/cm2)/día 350 350

Se varían manualmente los parámetros del modelo entre los rangos establecidos, ajustándolos a lo que cualitativamente se esperara de cada uno y en este punto se compara la serie gráfica real con la simulada. Además se construyen las curvas de duración de la serie real y simulada y se comparan. La calibración se finaliza cuando la serie gráfica simulada represente de forma aceptable la serie real, haciendo especial énfasis en la simulación de las recesiones de los caudales, y además, cuando la curva de duración simulada sea similar a la curva real, al menos desde el 5% del porcentaje de tiempo en el que el caudal es excedido.

Para comparar los resultados obtenidos en la calibración del modelo, se calculan además algunos indicadores de error entre la serie simulada y la observada los cuales son:

• RMSE (Error Cuadrático Medio).

T

QQsmRMSE

T

tsimtobst∑

=

−= 1

2,,

3)(

)/( (Ecuación 12)

• E1 (coeficiente de eficiencia de Nash tradicional, cuyo óptimo es el 100%).

100)(

)(1(%)1

1

2,

1

2,,

⋅

⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

−

−−=

∑

∑

=

=T

tobsobst

T

tobstsimt

QQ

QQE (Ecuación 13)

• E2 (coeficiente de eficiencia de Nash para la raíz cuadrada de los caudales): minimiza el efecto negativo sobre el indicador de error tradicional dado por las grandes desviaciones que se presentan en los caudales pico.

100)(

)(1(%)2

1

2,

1

2,,

⋅

⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

−

−−=

∑

∑

=

=T

tobsobst

T

tobstsimt

QQ

QQE (Ecuación 14)

• BE (error porcentual en el balance, cuyo óptimo es el 0%).

100(%) ⋅−

=obs

obssim

QQQBE (Ecuación 15)

Donde, obstQ , y simtQ , son el caudal observado y simulado para el día t respectivamente,


22

obsQ y simQ son el caudal medio observado y simulado en el periodo de calibración respectivamente y T es el número total de días del periodo de calibración.

2.5.2 Simulación de caudales

Finalizado el proceso de calibración de los modelos hidrológicos, se puede proceder a simular caudales en diferentes puntos sobre la red de drenaje de estas tres cuencas hidrográficas para lo cual, dada la ausencia de información, es necesario suponer que los parámetros del modelo hidrológico en una subcuenca de la región son iguales a algunos de los estimados en el proceso de calibración, y debe ingresarse la precipitación y evaporación diaria propias de cada cuenca al modelo de la misma forma que se ingresó en el proceso de calibración.

2.6 Resultados

2.6.1 Precipitación

De los tres campos de precipitación estimados, el que se obtiene con el método de KDE usando como deriva el mapa de la TRMM es el que representa de mejor forma la tendencia general del campo de precipitación en la zona, debido a que existe una mayor correlación entre la información puntual de precipitación y el valor del mapa de la TRMM en el lugar donde se ubica cada estación, de la que se obtiene con la altura mediante el MDE. Igualmente las incertidumbre son menores cuando se usa el KDE con deriva la TRMM que cuando se realiza el KO, razón por la cual es este mapa el que se utiliza como el representativo del campo de precipitación media multianual en la región de estudio (Figura 9).


23

(a) (b) Figura 9. Campo de precipitación media multianual (a) e incertidumbre asociada (b), utilizando el

método KDE con mapa de derivas de la TRMM

2.6.2 Evapotranspiración

Con base en la metodología expuesta se generaron los mapas de evapotranspiración para cada uno de los métodos propuestos a partir del mapa de precipitación construido con la deriva del TRMM. La Figura 10, muestra el mapa de evapotranspiración real en la región de estudio calculado por el método de Cenicafé-Budyko para el mapa de precipitación construido con KDE-TRMM y a su incertidumbre asociada.

En la Tabla 4, se muestran los valores medios estimados de precipitación y evapotranspiración real por los tres métodos descritos y la incertidumbre asociada para las tres cuencas instrumentadas con estaciones de caudal.

(a) (b) Figura 10. Mapa de evapotranspiración real media multianual por el método de Turc (a) y su

incertidumbre asociada (b)

Tabla 4. Precipitación y evapotranspiración real media multianual en las cuencas de las estaciones de medición de caudal, y su incertidumbre asociada (mm/año)

Cuenca Precipitación +/- SP Método de Cálculo de la evapotranspiración

Cenicafé +/- ETRS Choudhury +/- ETRS Turc +/- ETRS El Dos 1911 +/- 390 1217 +/- 104 1078 +/- 93 939 +/- 43 El Tres 1869 +/- 458 1209 +/- 126 1069 +/- 104 940 +/- 53

Currulao 2104 +/- 557 1232 +/- 114 1109 +/- 103 932 +/- 45


24

2.6.3 Balances hidrológicos Luego de la construcción de los campos de precipitación y de evapotranspiración, se realizaron los balances hidrológicos de largo plazo para cada una de las cuencas estudiadas, en las que se estimaron los caudales medios en el punto de localización de la estación de caudal y se calculó la incertidumbre asociada con la metodología descrita, estos resultados se muestran en la Tabla 5 y Figura 11.

(a) (b) (c)

Figura 11. Caudales medios e incertidumbres asociadas a la aplicación del método del balance hidrológico utilizando el método de cálculo de la evapotranspiración de (a) Cenicafé-Budyko, (b) Turc,

y (c) Choudhury

Tabla 5. Caudales medios a la salida de las tres cuencas de las estaciones de medición de caudal y su incertidumbre asociada (m3/s)

Cuenca Caudal medio observado (m3/s)

Método de Cálculo de la evapotranspiración

Cenicafé +/- ETRS Choudhury +/- ETRS Turc +/- ETRS El Dos 3.25 3.28 +/- 1.91 3.94 +/- 1.86 4.59 +/- 1.90 El Tres 2.58 1.62 +/- 1.17 1.97 +/- 1.13 2.28 +/- 1.15

Currulao 8.63 6.41 +/- 4.18 7.31 +/- 4.11 8.61 +/- 4.16

De la Tabla 5 y Figura 11 se observa como en las cuencas delimitadas por las estaciones El Tres y Currulao, los balances realizados con los campos de evapotranspiración empleando los métodos de Turc y Choudhury, presentan las menores desviaciones respecto a los caudales medios observados (menores del 10% usando Turc y menores del 20% usando Choudhury), mientras los balances realizados con el método de Cenicafé-Budyko presenta las mayores desviaciones para estas cuencas, pero presenta la menor desviación en la cuenca de la estación El Dos (menor al 2%). De los tres métodos de cálculo de la evapotranspiración, es el método de Turc quien presenta menores incertidumbres en la estimación del balance hídrico y el método de Cenicafé-Budyko el quien presenta las mayores desviaciones. En todo caso, ningún método de cálculo de la evapotranspiración permite obtener incertidumbre menores del 40% en la estimación del balance hídrico en las tres cuencas analizadas.

2.6.3.1 Calibración del modelo

Se calibró el modelo hidrológico descrito en las tres cuencas instrumentadas presentadas en la Tabla 2. La precipitación se ingresó siguiendo la metodología descrita, conservando los valores de precipitación media multianual presentados en la Tabla 4 y calculando la evapotranspiración potencial media en cada cuenca con el método de Cenicafé. En la Tabla

0

2

4

6

8

10

12

14

El Dos El Tres Currulao

Cau

dal (

m3 /s

)

Balance Observado

0

2

4

6

8

10

12

14


Cau

dal (

m3 /s

)Balance Observado

0

2

4

6

8

10

12

14


Cau

dal (

m3 /s

)

Balance Observado


25

6, se presenta los parámetros obtenidos en el proceso de calibración de las tres cuencas consideradas. En la Figura 12 se presentan las gráficas de las series diarias simuladas y calibradas de las tres cuencas en el periodo comprendido entre el año 1988 y 1990 y la Figura 13 presenta las curvas de duración construidas en el proceso de calibración. Igualmente, en la Tabla 7 se presentan los indicadores de error de las calibraciones realizadas.

Tabla 6. Parámetros de calibración del modelo de tanques en las cuencas analizadas

Parámetro Estación

El Dos El Tres Currulao Capacidad máxima de almacenamiento capilar, Hu (mm/día) 45 10 15 Conductividad hidráulica de la capa superior, Ks (mm/día) 2 2 2 Conductividad hidráulica de la capa inferior, Kp (mm/día) 0.65 0.45 0.45

Tiempo de residencia flujo superficial, Tr2 (días) 2 2 2 Tiempo de residencia flujo subsuperficial, Tr3 (días) 2 3 2 Tiempo de residencia flujo subterráneo, Tr4 (días) 200 200 200

Exponente Infiltración 2 Exponente Evaporación 0.6 Perdidas subterráneas 0

(a)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

01/01/1988 31/12/1988 31/12/1989 31/12/1990Fecha

Cau

dal (

m3 /s

)

0

50

100

150

200

250

300

Prec

ipita

ción

(mm

)

Precipitación Media Caudal Observado Caudal Simulado


26

(b)

(c)

Figura 12. Calibración modelo de tanques de las estaciones (a) El Dos, (b) El Tres y (c) Currulao

0

10

20

30

40

50

60

01/01/1988 31/12/1988 31/12/1989 31/12/1990Fecha

Cau

dal (

m3 /s

)

0

50

100

150

200

250

300

Prec

ipita

ción

(mm

)


0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

01/01/1988 31/12/1988 31/12/1989 31/12/1990Fecha

Cau

dal (

m3 /s

)

0

50

100

150

200

250

300

Prec

ipita

ción

(mm

)



27

(a)

(b)

(c)

Figura 13. Curvas de duración de las series del modelo de tanques calibrado en las estaciones (a) El Dos, (b) El Tres y (c) Currulao

0

20

40

60

80

100

120

0 20 40 60 80 100

Porcentaje de tiempo en el que el caudal es excedido

Cau

dal (

m3 /s

)

Caudal Simulado Caudal Observado

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 20 40 60 80 100


Cau

dal (

m3 /s

)


0

50

100

150

200

250

300

0 20 40 60 80 100


Cau

dal (

m3 /s

)



28

Tabla 7. Indicadores de error de la calibración del modelo de tanques en las cuencas analizadas

Cuenca obsQ (m3/s) simQ (m3/s) BE (%) RMSE (m3/s) E1 (%) E2 (%)

El Dos 3.25 2.60 20.01 6.41 -10.82 1.28 El Tres 2.58 2.55 1.15 3.06 63.04 70.15

Currulao 8.63 8.71 0.88 10.95 57.62 66.72

Como puede observarse en la Figura 12 y Tabla 7, el proceso de calibración es aceptable en el caso de las estaciones El Tres (Río Guadualito) y Currulao (Río Currulao), pues el modelo representa adecuadamente el valor del caudal medio de la serie en el periodo considerado (errores en el balance menores al 2%), además la curva de duración de caudales y los coeficientes de suficiencia E1 y E2 sugieren una reproducción aproximada de los registros de la serie de caudales observados, pero en la estación El Dos (Río Turbo) la calibración no es satisfactoria como lo muestra estos indicadores de error, lo cual se puede estar relacionado con errores en la medición del caudal, y a la posibilidad de representar adecuadamente la variabilidad espacial de la lluvia a escala diaria con las estaciones usadas para esta cuenca.

Paralelamente al proceso de calibración mencionado, se realizaron calibraciones automáticas tratando de optimizar independientemente los criterios de error considerados (RMSE, E1 y E2), observando que se mejoraba poco el valor de cada uno de estos criterios a partir de cambios significativos en los valores de los parámetros del modelo, incluso en rangos en los cuales estos parámetros no tenían sensibilidad importante en la reproducción de los caudales, lo cual se podía verificar mediante la curva de duración o el error en el balance. Por esta razón se presentan solamente las calibraciones realizadas basadas en el criterio del analista y no las obtenidas mediante métodos de optimización.

2.6.3.2 Simulación de caudales

Con los parámetros de calibración de las series de caudal de cada una de cuencas de los ríos estudiados y reportados en la Tabla 6, se simulan caudales en el sitio de ubicación de la captación del sistema de acueducto del municipio de Turbo sobre el río Turbo, en un periodo de 20 años (1987-2007) dado por la longitud de registros de las estaciones de precipitación utilizadas para tal fin en la Tabla 1.

La Figura 14 muestra la serie gráfica de caudales simulados con el modelo de tanques, utilizando las calibraciones de la estación El Dos.


29

Figura 14. Serie de caudales simulados en el sitio de la bocatoma sobre el río Turbo (calibración

estación El Dos)

Con base en las series de caudales simuladas, se genera una serie de caudales mínimos (en los 20 años de simulación) en el sitio de ubicación de la bocatoma sobre el río Turbo.

A partir de estas series de caudales mínimos se estimó la media y la desviación estándar de los caudales mínimos, como se muestra en la Tabla 8.

Tabla 8. Estadísticos de las series de caudales mínimos anuales simulados a la salida de la cuenca del

río Turbo

minQμ (m3/s) 0,369

minQσ (m3/s) 0,078

Donde μ̂ y σ̂ son la media y la desviación estándar muestral de los caudales mínimos.

Mediante estos estadísticos, se estimaron los caudales mínimos para diferentes periodos de retorno, a partir de la ecuación presentada por Ven Te Chow (Chow, V. T, et al., 1994), la cual se presenta a continuación:

minmin QQTr KQ σμ += (Ecuación 16)

En la cual QTr es el caudal mínimo para un período de retorno Tr, y k es un factor de frecuencia que depende de la función de distribución de probabilidad valores extremos elegida y del período de retorno.

La distribución de frecuencia que se utilizará en el presente trabajo será la distribución tipo Gumbel, como lo propone UNAL-EPM (1987), para ella el factor de frecuencia K que depende del periodo de retorno (Tr), para eventos mínimos se calcula como:

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

01/01/1987 16/11/1991 30/09/1996 15/08/2001Fecha

Cau

dal (

m3/

s)

0

50

100

150

200

250

300

Prec

ipita

ción

(mm

)

Precipitación Media Caudal Simulado


30

( )( )( )TrLnLnK +−= 5772,06π (Ecuación 17)

La Tabla 9 muestra los valores de K para diferentes periodos de retorno considerados. Tabla 9. Factor de frecuencia para caudales mínimos de la distribución tipo Gumbel

Tr (años) K 2,33 -0,31953

5 -0,82109 10 -1,10033 25 -1,36153 50 -1,51359 100 -1,64078

A partir de estos factores de frecuencia obtuvieron los caudales mínimos a diferentes periodos de diseño como se muestra en la Tabla 10.

Tabla 10. Caudales mínimos para diferentes periodos de retorno obtenidos de la simulación

Tr (años) l/s 2,33 344.18

5 305.15 10 283.42 25 263.09 50 251.26 100 241.36

Aprovechando que se realizaron simulaciones de caudales sobre los ríos Guadualito y Currulao, también se calcularon los caudales mínimos a diferentes periodos de retorno empleando, la misma metodología utilizada para calcular los del río Turbo y los resultados se muestran en la Tabla 11.

Tabla 11. Caudales mínimos para diferentes periodos de retorno obtenidos de la simulación para los ríos Guadualito y Currulao

Río Currulao Río GuadualitoTr (años) l/s l/s

2,33 341.97 66.53 5 303.48 53.25

10 281.43 45.86 25 261.18 38.94 50 249.39 34.91 100 239.53 31.55

Adicionalmente, se empleo la calibración y simulación de las tres cuencas para estimar la recarga a través de este modelo lluvia escorrentía, sin embargo, los resultados de la recarga se muestran en el capítulo de recarga y su comparación con respecto a la otra metodología empleada.


31


32

Capítulo 3

3. Calidad de Agua 3.1 Inventario de captaciones de agua subterránea

Con el fin de establecer una red o puntos de muestreo, para determinar las propiedades físicas y la composición química del agua, se realizó previamente un inventario de captaciones de aguas subterráneas en la primera fase de campo. El inventario identificó que la gran mayoría de captaciones son tipo aljibe, para uso doméstico, y un número más reducido de pozos para uso agrícola. La Tabla 12, presenta el total de captaciones inventariadas por tipo. La Figura 15, muestra la ubicación de las captaciones en la zona de estudio.

Tabla 12. Captaciones inventariadas

Tipo de Captación Número Aljibe 69

Manantial 3 Pozo 19 Total 91

3.2 Muestreo aguas subterráneas

Los criterios para elegir los sitios de muestreo a partir del inventario de captaciones, fueron sencillos:

• Tratar de tomar muestra de todos los pozos activos, para obtener información de los acuíferos más profundos.

• Elegir un número de aljibes, distribuidos en toda la zona de estudio, para caracterizar el agua del acuífero superficial, que es el más explotado actualmente.

La elección de una buena red de monitoreo obedece a propósitos específicos, que dependen de la infraestructura de piezómetros o captaciones existentes entre otros. En vista que en la zona de estudio aun no hay piezómetros en las diferentes unidades acuíferas, los sitios elegidos para el muestreo, corresponden a los sitios donde fue posible realizarlo tanto por ubicación y representatividad, como por logística.

3.2.1 Sitios de muestreo

Los sitios donde se tomaron muestras, se presentan en la Figura 16. Se eligieron 10 aljibes y 8 pozos.


33

Figura 15. Captaciones de aguas subterráneas en la zona de estudio


34

Figura 16. Sitios de muestreo para análisis fisicoquímico


35

3.3 Metodología del muestreo

Para el muestreo, la preservación y manejo de las muestras se siguió la norma técnica colombiana NTC-ISO 5667-11 (Guía para el muestreo de aguas subterráneas) y NTC-ISO 5667-3 (Directrices para la conservación y el manejo de muestras) respectivamente. Se tuvieron en cuenta también las sugerencias hechas por los laboratorios, con respecto al tipo de ácido y cantidad, y los volúmenes de muestra para analizar varios parámetros a la vez.

3.4 Análisis fisicoquímico

El análisis, consistió en determinar las concentraciones de cloruros, bicarbonatos, sulfatos, nitratos, nitritos, calcio, magnesio, sodio, potasio, magnesio, manganeso, hierro, dureza total, dureza cálcica, dureza magnésica, alcalinidad, y las propiedades físicas como la temperatura, la conductividad eléctrica, el color y la turbidez de las muestras de agua seleccionadas.

3.4.1 Resultados del análisis fisicoquímico

En la Tabla 13, muestra los resultados de los parámetros físicos analizados; la Tabla 14, los resultados de sólidos totales, suspendidos y disueltos; la Tabla 15, los de durezas total, magnésica y cálcica, y la Tabla 16, los resultados de los concentraciones de los iones.

Tabla 13. Parámetros físicos

Muestra Temperatura (°C)

pH Conductividad eléctrica (μs/cm)

Color (U.P.C)

Turbiedad (N.T.U)

A5 28.10 6.65 664.00 1.33 0.70 A61 28.30 6.26 908.00 5.90 14.30 A14 28.50 6.59 408.00 3.82 324.00 A20 28.90 6.53 693.00 3.00 1.60 A23 29.90 6.06 405.00 1.75 5.86 A25 28.30 6.89 478.00 6.32 24.80 A32 28.80 7.20 1101.00 7.98 3.16 A38 28.60 6.73 1005.00 17.95 155.00 A4 28.60 6.82 845.00 5.07 8.10

A45 28.00 6.80 848.00 2.58 1.51 P1 28.00 7.02 883.00 7.10 40.40 P17 27.50 6.99 2460.00 28.34 21.60 P18 28.80 6.84 2080.00 6.73 8.40 P19 27.70 7.16 1162.00 23.77 6.82 P5 28.70 7.22 1479.00 20.86 8.60 P6 28.20 6.64 2430.00 2.99 7.08 P7 27.30 7.53 14400.00 84.20 10.20 P8 27.10 6.70 4180.00 26.30 55.60


36

Tabla 14. Resultados de sólidos

Muestra Sólidos suspendidos (mg/L)

Sólidos disueltos (mg/L)

Sólidos totales (mg/L)

A5 11.50 454.00 486.00 A61 1.50 624.00 626.00 A14 734.29 228.00 990.00 A20 1.00 448.00 452.00 A23 9.00 272.00 292.00 A25 17.33 304.00 322.00 A32 2.80 716.00 732.00 A38 19.00 606.00 626.00 A4 6.00 608.00 636.00

A45 8.00 554.00 564.00 P1 12.67 520.00 544.00 P17 8.50 1492.00 1502.00 P18 4.00 1242.00 1246.00 P19 25.00 732.00 758.00 P5 8.67 902.00 932.00 P6 5.20 1554.00 1560.00 P7 25.33 8496.00 8522.00 P8 25.33 2920.00 3072.00

Tabla 15. Resultados de durezas y alcalinidad

Muestra Dureza total (mg/L CaCO3)

Dureza cálcica (mg/L CaCO3)

Dureza magnésica (mg/L CaCO3)

Alcalinidad (mg/L CaCO3)

A5 145.00 103.50 41.50 153.00 A61 405.00 150.00 255.00 406.00 A14 55.00 54.00 1.00 114.00 A20 242.00 123.00 119.00 190.00 A23 160.00 65.00 95.00 124.00 A25 86.00 35.50 50.50 212.00 A32 480.00 300.00 180.00 472.00 A38 440.00 180.00 260.00 468.00 A4 284.00 170.00 114.00 181.00

A45 315.00 180.00 135.00 286.00 P1 52.00 25.00 27.00 241.00 P17 475.00 105.00 370.00 626.00 P18 234.00 32.00 202.00 414.00 P19 170.00 55.00 115.00 560.00 P5 300.00 99.00 201.00 817.00 P6 670.00 145.00 525.00 400.00 P7 750.00 80.00 670.00 982.00 P8 860.00 240.00 620.00 476.00


37

Tabla 16. Resultados químicos

Muestra HCO3- (mg/L)

SO4-2 (mg/L)

Cl- (mg/L)

NO3- (mg/L)

Na+ (mg/L)

Ca+2 (mg/L)

K+ (mg/L)

Mg+2 (mg/L)

Fe (mg/L)

Mn (mg/L)

A5 186.66 81.61 29.99 41.34 30.59 84.20 2.35 24.93 0.02 0.07 A61 495.32 22.41 32.49 0.50 81.88 57.80 0.78 59.29 1.94 4.73 A14 139.08 75.12 22.49 3.05 36.11 36.60 1.96 14.76 18.86 2.84 A20 231.80 22.93 69.98 13.48 36.80 67.20 17.20 29.52 0.14 0.88 A23 151.28 10.45 47.48 0.56 31.05 24.00 0.78 18.76 0.61 1.28 A25 258.64 21.63 12.50 0.43 28.29 42.60 16.03 15.97 1.97 0.37 A32 575.84 57.26 69.98 0.25 91.54 135.60 1.96 41.62 0.22 2.00 A38 570.96 4.53 77.48 1.81 60.03 84.00 1.56 60.26 13.92 0.98 A4 220.82 147.66 49.98 0.99 78.66 74.40 1.96 24.93 0.81 0.29 A45 348.92 50.54 89.97 1.99 82.57 75.40 2.35 33.15 0.13 0.50 P1 294.02 12.82 142.46 0.25 184.69 10.60 1.17 17.79 4.55 0.37 P17 763.72 19.56 499.84 1.93 395.60 50.00 2.74 91.48 1.98 0.95 P18 505.08 5.31 474.85 0.70 278.30 54.20 3.13 86.03 0.99 0.98 P19 683.20 6.08 74.98 0.87 246.10 21.80 2.35 25.65 1.40 0.34 P5 996.74 6.35 39.99 0.00 261.05 41.80 10.56 14.16 1.54 0.33 P6 488.00 5.83 599.81 0.19 326.60 65.20 2.35 101.52 0.57 2.00 P7 1198.04 14.12 4198.70 0.81 3394.80 44.40 133.72 147.62 1.84 0.19 P8 580.72 8.68 1174.60 0.50 528.77 120.40 3.52 156.09 9.24 0.31

3.5 Evaluación de los resultados químicos

Para hacer las clasificaciones y determinar la calidad del agua, se debe hacer primero, una evaluación del análisis químico para verificar la consistencia de los análisis realizados en laboratorio. Esto se realiza, con un balance iónico (electroneutralidad) y la verificación de relaciones entre algunos iones y parámetros, los cuales indican que la muestra de agua fue analizada correctamente y los resultados son confiables.

3.5.1 Balance iónico

Mide la diferencia entre el total de aniones y cationes expresados en mili equivalentes por litro (meq/L), determinados analíticamente. El error del balance iónico, se define según la

( ) ( )( ) 100*

anionescationesanionescationes%Error

∑+∑∑−∑

=(Ecuación 18, y hace parte de un requerimiento mínimo

que debe hacerse dentro de la evaluación del análisis químico, para establecer la confiabilidad de los resultados del laboratorio.

( ) ( )( ) 100*

anionescationesanionescationes%Error

∑+∑∑−∑

=(Ecuación 18)

Los rangos de error para aceptar o no el análisis de una muestra de agua, dependen según la literatura, del valor de conductividad eléctrica (Custodio y Llamas, 1976), o de la sumatoria de aniones (Crites y Tchobanoglous, 2000). La Tabla 17, presentan los valores para cada criterio respectivamente.


38

Tabla 17. Error aceptable en balance iónico según sumatoria de aniones

Σaniones (meq/L) Error aceptable (%) 0 - 3 ± 0.2

3 - 10 ± 2 10 -800 ± 5

Estos valores suelen ser conservadores, y por lo tanto, se acepta un valor máximo en el error del balance iónico de 10 %. La Tabla 18, presenta los errores en los balances iónicos de las muestras analizadas.

Tabla 18. Errores del balance iónico

Muestra Error balance iónico (%) A5 10

A61 10 A14 9 A20 10 A23 2 A25 1 A32 6 A38 3 A4 7 A45 4 P1 6

P17 1 P18 1 P19 2 P5 8 P6 2 P7 9 P8 1

3.5.2 Relaciones entre iones y otros parámetros

Son relaciones que se evalúan para complementar un criterio de aceptación o rechazo de un análisis químico de una muestra de agua. Las relaciones son las siguientes:

La relación ( )KNaK+

debe ser menor al 20%

La relación ( )MgCaMg+

debe ser menor al 40%

La relación ( )4SOCaCa+

debe ser mayor al 50%

La relación ( )ClNaNa+

debe ser mayor al 50%

La relación entre los sólidos disueltos (STD) y la conductividad eléctrica debe ser:


39

750550 .elecCond

STD. medido <<

La relación entre la conductividad eléctrica y el total de cationes debe ser: 11090 <

∑<

l/meqcationeselecCond

En el ANEXO C, se presentan las tablas para el cálculo del balance iónico y las relaciones entre iones y otros parámetros para cada muestra de agua.

3.6 Clasificación química del agua subterránea

La gran variedad de componentes y características fisicoquímicas del agua natural, exige su clasificación en grupos, para tener una información breve y sencilla sobre la composición química.

3.6.1 Clasificación por dureza

Puede variar según la zona y el uso específico que se le dé al agua, por esta razón, en la literatura se encuentran rangos que pueden variar de un autor a otro. En la Tabla 19 y la Tabla 20, se presenta la clasificación según Custodio y Llamas (1976), y según Pérez (1997).

Tabla 19. Clasificación por dureza, Custodio y Llamas 1976

Tipo de agua mg/l como CaCO3 blanda 0 - 60

algo dura 61 - 120 dura 121 - 250

muy dura > 250

Tabla 20. Clasificación por dureza, Pérez 1997

Tipo de agua mg/l como CaCO3 blanda < 100

medianamente dura 100 - 200 dura 200 - 300

La Tabla 21, presenta la clasificación por dureza para las muestras analizadas en la zona de estudio.

Tabla 21. Clasificación del agua subterránea por dureza, Pérez 1997

Tipo de agua Muestra blanda A14, A25, P1

medianamente dura A5, A23, P19 dura A4, A20, A32, A38, A45, P5, P6, P7, P8, P17, P18

3.6.2 Clasificación por iones dominantes

La clasificación por iones dominantes utiliza herramientas gráficas para su representación. Se nombra el agua por el anión o catión que sobrepasa el 50% de sus sumas respectivas. Si


40

ninguno sobrepasa el 50%, se nombran los dos más abundantes. Si conviene, se puede añadir el nombre de algún ion menor de interés y que esté en concentración anormalmente alta. El manejo y estudio de análisis químicos puede simplificarse con el empleo de gráficos y diagramas, en especial cuando se trata de hacer comparaciones entre varios análisis de aguas de un mismo lugar en épocas diferentes o de lugares diferentes (Custodio y Llamas, 1976).

Son múltiples los diagramas desarrollados con este fin: diagramas columnares, triangulares, circulares, poligonales, columnares logarítmicos, etc. Para la clasificación del agua subterránea, se emplearon los diagramas de Stiff y Piper.

3.6.2.1 Diagramas de Stiff

Para aguas subterráneas se utiliza la disposición mostrada en la Figura 17. La Tabla 22 presenta los diagramas de Stiff para cada uno de las muestras de agua analizada.

Figura 17. Configuración del diagrama de Stiff para aguas subterráneas

Tabla 22. Diagramas de Stiff

A4

A5

2 2 4 4 6 6 8 8 10 (meq/l 10

Na Cl

Ca HCO3

Mg SO4

2 2 4 4 6 6 8 8 10 (meq/l) 10

Na Cl

Ca HCO3

Mg SO4


41

A14

A20

A23

A25

A32

A38

A45

A61

2 2 4 4 6 6 8 8 10 (meq/l 10

Na Cl

Ca HCO3

Mg SO4

2 2 4 4 6 6 8 8 10 (meq/l 10

Na Cl

Ca HCO3

Mg SO4

2 2 4 4 6 6 8 8 10 (meq/ 10

Na Cl

Ca HCO3

Mg SO4

2 2 4 4 6 6 8 8 10 (meq/l 10

Na Cl

Ca HCO3

Mg SO4

2 2 4 4 6 6 8 8 10 (meq/l 10

Na Cl

Ca HCO3

Mg SO4

2 2 4 4 6 6 8 8 10 (meq/l 10

Na Cl

Ca HCO3

Mg SO4

2 2 4 4 6 6 8 8 10 (meq/l 10

Na Cl

Ca HCO3

Mg SO4

2 2 4 4 6 6 8 8 10 (meq/l 10

Na Cl

Ca HCO3

Mg SO4


42

P1

P5

P6

P7

P8

P17

P18

P19

La Figura 19, muestra los diagramas de Stiff para cada sitio donde se analizaron las características químicas del agua, y da una idea, de la variación de la composición química da las aguas subterráneas superficiales en la zona de estudio.

4 4 8 8 12 12 16 16 20 (meq/l 20

Na Cl

Ca HCO3

Mg SO4

4 4 8 8 12 12 16 16 20 (meq/l 20

Na Cl

Ca HCO3

Mg SO4

4 4 8 8 12 12 16 16 20 (meq/l 20

Na Cl

Ca HCO3

Mg SO4

40 40 80 80 120 120 160 160 200 (meq/l) 200

Na Cl

Ca HCO3

Mg SO4

8 8 16 16 24 24 32 32 40 (meq/l 40

Na Cl

Ca HCO3

Mg SO4

4 4 8 8 12 12 16 16 20 (meq/l 20

Na Cl

Ca HCO3

Mg SO4

4 4 8 8 12 12 16 16 20 (meq/l 20

Na Cl

Ca HCO3

Mg SO4 4 4 8 8 12 12 16 16 20 (meq/l) 20

Na Cl

Ca HCO3

Mg SO4

Pozo 19 (Monterrey 3)


43

3.6.2.2 Diagrama Piper La Figura 18 presenta la clasificación mediante el diagrama de Piper para las muestras analizadas.

Figura 18. Diagrama Piper


44

Figura 19. Diagramas de Stiff para clasificación química del agua subterránea


45

Según la representación gráfica de las muestras de agua, se obtiene la clasificación dada por la Tabla 23.

Tabla 23. Clasificación química del agua

Muestra Tipo de agua A5 Ca-Mg-HCO3-SO4 Cálcica magnésica bicarbonatada sulfatada

A61 Mg-Na-Ca-HCO3 Magnésica sódica cálcica bicarbonatada A14 Na-Ca-Mg-HCO3-

SO4 Sódica cálcica magnésica bicarbonatada sulfatada

A20 Ca-Mg-Na-HCO3-Cl Cálcica magnésica sódica bicarbonatada clorurada A23 Na-Ca-Mg-HCO3-Cl Sódica cálcica magnésica bicarbonatada clorurada A25 Ca-Na-Mg-HCO3 Cálcica sódica magnésica bicarbonatada A32 Ca-Na-Mg-HCO3 Cálcica sódica magnésica bicarbonatada A38 Ca-Mg-Na-HCO3 Cálcica sódica magnésica bicarbonatada A4 Na-Ca-Mg-HCO3-

SO4 Sódica cálcica magnésica bicarbonatada sulfatada

A45 Na-Ca-Mg-HCO3-Cl Sódica cálcica magnésica bicarbonatada clorurada P1 Na-Cl-HCO3 Sódica clorurada bicarbonatada

P17 Na-Mg-Cl-HCO3 Sódica magnésica clorurada bicarbonatada P18 Na-Mg-Cl-HCO3 Sódica magnésica clorurada bicarbonatada P19 Na-HCO3 Sódica bicarbonatada P5 Na-HCO3 Sódica bicarbonatada P6 Na-Mg-Cl-HCO3 Sódica magnésica clorurada bicarbonatada P7 Na-Cl Sódica clorurada P8 Na-Mg-Cl-HCO3 Sódica magnésica clorurada bicarbonatada

3.7 Análisis de calidad del agua

Cuando la composición y características del agua se consideran bajo el punto de vista de una utilización o aplicación determinada, nace el concepto de "calidad". Mientras la composición en un instante y lugar determinados es única, la calidad puede ser múltiple y no queda perfectamente definida, hasta que el uso concreto a que se destine el agua no quede especificado. Se habla entonces de calidad para el consumo humano, para la agricultura o para cierto tipo de industria.

El agua subterránea de las captaciones en el municipio de Turbo, es para uso doméstico y uso agrícola. La calidad para uso agrícola depende de cada cultivo en específico y se considera que no es pertinente un análisis en el desarrollo de este trabajo. Para uso doméstico y consumo humano, se hace un análisis de calidad respecto a la resolución 2115 de 2007 (Tabla 24 y Tabla 25).

Tabla 24. Valores admisibles de características físicas del agua para consumo humano

Característica Valor Admisible Color verdadero < 15 UPC

Turbiedad < 2 UNT


46

Tabla 25. Valores admisibles de características químicas para consumo humano

Característica Valor Admisible (mg/L) Nitratos (NO-3) 10 Calcio (Ca+2) 60 Cloruros (Cl-) 250

Hierro total(Fe) 0.3 Magnesio (Mg+2) 36

Manganeso (Mn+2) 0.1 Sulfatos (SO-24) 250 Alcalinidad total

(CaCO3) 200

Dureza total (CaCO3) 300

Tabla 26. Captaciones que exceden valor admisible para características químicas

Característica Exceden valor admisible Nitratos (NO-3) A5, A20 Calcio (Ca+2) A4, A5, A20, A32, A38, A45, P6, P8. Cloruros (Cl-) Pozo 6, Pozo 7, Pozo 8, Pozo 17, Pozo 18

Hierro total(Fe) A4, A14, A20, A23, A25, A32, A38, A45, A61, P1, P5, P6, P7, P8, P17, P18, P19

Magnesio (Mg+2) A32, A38, A61, P6, P7, P8, P17, P18 Manganeso (Mn+2) A4, A14, A20, A23, A25, A32, A38, A45, A61,

P1, P5, P6, P7, P8 P17, P18, P19. Sulfatos (SO-24) Ninguno

Alcalinidad Total (CaCO3) A25, A32, A38, A45, A61, P1, P5, P6, P7, P8, P17, P18, P19.

Dureza Total (CaCO3) A25, A32, A38, A45, A61, P6, P7, P8, P17

Tabla 27. Captaciones que exceden valor admisible para características físicas

Característica Exceden valor admisible Color verdadero A38, P5, P7, P8, P17, P19

Turbiedad A4, A14, A23, A25, A32, A38, A61, P1, P5, P6, P7, P8, P17, P18, P19

3.8 Variación de la concentración de iones, dureza y alcalinidad

Las siguientes figuras (Figura 20 a la Figura 30), pretenden mostrar la variación de las concentraciones de los principales iones, la alcalinidad y la dureza, en los sitios con información de muestras de agua analizadas, con el fin de identificar zonas con características de composición química similares, detección por contaminación antrópica o intrusión salina en la unidad de depósitos cuaternarios Qt1.


47

Figura 20. Variación de la concentración de bicarbonatos


48

Figura 21. Variación de la concentración de cloruros


49

Figura 22. Variación de la concentración de nitratos


50

Figura 23. Variación de la concentración de sulfatos


51

Figura 24. Variación de la concentración de sodio


52

Figura 25. Variación de la concentración de calcio


53

Figura 26. Variación de la concentración de magnesio


54

Figura 27. Variación de la concentración de manganeso


55

Figura 28. Variación de la concentración de hierro


56

Figura 29. Variación de la dureza


57

Figura 30. Variación de la alcalinidad


58

3.9 Calidad de agua del pozo exploratorio

El análisis, consistió en determinar las concentraciones de cloruros, bicarbonatos, sulfatos, nitratos, nitritos, calcio, magnesio, sodio, potasio, magnesio, manganeso, hierro, dureza total, dureza cálcica, dureza magnésica, alcalinidad, y las propiedades físicas como la temperatura, la conductividad eléctrica, el color y la turbidez de las muestras de agua tomadas durante la prueba de bombeo.

3.9.1 Resultados del análisis fisicoquímico

En la Tabla 28 muestra los resultados de los parámetros físicos analizados; la Tabla 29, los resultados de sólidos totales, suspendidos y disueltos; la Tabla 30, los de durezas total, magnésica y cálcica, y la Tabla 31, los resultados de los concentraciones de los iones.

Tabla 28. Resultados de los parámetros físicos

Muestra Temperatura (°C)

pH Conductividad eléctrica (μs/cm)

Color (U.P.C)

Turbiedad (N.T.U)

Pozo Exploración 28.10 7.20 906.00 14.21 11.80

Tabla 29. Resultados de sólidos

Muestra Sólidos suspendidos (mg/L)

Sólidos disueltos (mg/L)

Sólidos totales (mg/L)

Pozo Exploración 25.50 546.00 574.00

Tabla 30. Resultados de durezas y alcalinidad

Muestra Dureza total (mg/L CaCO3)

Dureza cálcica (mg/L CaCO3)

Dureza magnésica (mg/L CaCO3)

Alcalinidad (mg/L

CaCO3) Pozo

Exploración 153.00 90.00 63.00 374.00

Tabla 31. Resultados químicos

Muestra HCO3- (mg/L)

SO4-2 (mg/L)

Cl- (mg/L)

NO3- (mg/L)

Na+ (mg/L)

Ca+2 (mg/L)

K+ (mg/L)

Mg+2 (mg/L)

Fe (mg/L)

Mn (mg/L)

Pozo Exploración 456.28 14.90 66.98 7.11 154.00 20.00 3.13 19.40 3.58 0.16

3.9.2 Evaluación de los resultados químicos

Para hacer las clasificaciones y determinar la calidad del agua, se debe hacer primero, una evaluación del análisis químico para verificar la consistencia de los análisis realizados en laboratorio.

3.9.2.1 Balance iónico Tabla 32. Errores del balance iónico

Muestra Error balance iónico (%) Pozo

Exploración 2


59

3.9.3 Clasificación química del agua subterránea La gran variedad de componentes y características fisicoquímicas del agua natural, exige su clasificación en grupos, para tener una información breve y sencilla sobre la composición química.

3.9.3.1 Clasificación por dureza

Según los explicado en el aparte 3.6.1, y según la clasificación de Pérez, 1997, en términos de dureza el agua proveniente del pozo de exploración se puede considerar como medianamente dura.

3.9.3.2 Clasificación por iones dominantes

La clasificación por iones dominantes utiliza herramientas gráficas para su representación. Se nombra el agua por el anión o catión que sobrepasa el 50% de sus sumas respectivas. Si ninguno sobrepasa el 50%, se nombran los dos más abundantes. Si conviene, se puede añadir el nombre de algún ion menor de interés y que esté en concentración anormalmente alta. El manejo y estudio de análisis químicos puede simplificarse con el empleo de gráficos y diagramas, en especial cuando se trata de hacer comparaciones entre varios análisis de aguas de un mismo lugar en épocas diferentes o de lugares diferentes (Custodio y Llamas, 1976).

Son múltiples los diagramas desarrollados con este fin: diagramas columnares, triangulares, circulares, poligonales, columnares logarítmicos, etc. Para la clasificación del agua subterránea, se emplearon los diagramas de Stiff y Piper.

3.9.3.2.1 Diagramas de Stiff

Según lo indica en el aparte 3.6.2, se muestra en la Tabla 33, los resultados del diagrama de Stiff para la muestra evaluada, para

Tabla 33. Diagramas de Stiff

La Figura 31 muestra los diagramas de Stiff para cada sitio donde se analizaron las características químicas del agua, y da una idea, de la variación de la composición química da las aguas subterráneas superficiales en la zona de estudio.

Según Martínez, 2009, en 1995, Chebotarev planteo que, en general, a pesar de la gran variedad de procesos químicos que se pueden llevar a cabo en el medio subterráneo, se observa que las aguas más frescas tienen una composición bicarbonatada, después predominan los sulfatos y las aguas más mineralizadas son cloruradas.

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60

Figura 31. Diagramas de Stiff para clasificación química del agua subterránea con el agua del pozo de

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62

Figura 33. Ensayo de jarras

Figura 34. Clarificación del ensayo de jarras

3.9.5 Remoción de hierro y manganeso

El hierro se puede encontrar en el agua en forma de compuestos ferrosos o férricos. Los primeros son solubles e incoloros y su presencia no se puede detectar a simple vista. Los segundos son insolubles y dan una coloración rojiza al agua. Los compuestos ferrosos al oxidarse, se convierten en férricos insolubles y precipitan formando una dispersión coloidal que causa manchas rojizas y pardas en la ropa y aparatos sanitarios.

El hierro solo se mantiene en el agua en forma ferrosa en ausencia de oxigeno o si el pH es menor que 6.5, siempre y cuando exista un apreciable contenido de dióxido de carbono. Las aguas extraídas de pozos profundos, por ausencia de oxigeno disuelto, son típicamente ferruginosas. En las aguas superficiales por el contrario, el hierro se presenta en forma de suspensión coloidal, la cual puede desestabilizarse por coagulación; cuando el pH no es muy alto, lo que sucede por lo general, es que el hierro está, parte en solución y parte en suspensión.

La presencia de hierro en el agua es más frecuente que la de manganeso, pudiendo estar o nó en combinación con materia orgánica, Pérez, 2002.


63

En las aguas subterráneas, el hierro se debe a la presencia de suelos ferruginosos: la ausencia de oxigeno favorece la dilución de compuestos ferrosos que tienden a oxidarse al quedar el agua en contacto con la atmosfera; es por eso que aguas de pozos inicialmente cristalinas se tornan turbias y coloreadas al poco tiempo de haber sido extraídas.

En las aguas superficiales la presencia de hierro se debe a la reducción del hierro férrico por la descomposición de la materia orgánica, la cual consume oxigeno y dióxido de carbono. Los compuestos insolubles de hierro se convierten de esta manera en ferrosos solubles y son transportados por el agua. Esta es la razón por la cual aguas que transitan por zonas pantanosas suelen contener hierro y manganeso.

El tratamiento más indicado en cada caso dependiendo del origen y tipo de agua esta descrito en la Tabla 34, la cual incluye desde aireación simple hasta intercambio iónico. No todas las aguas responden al mismo tratamiento debido, entre otras cosas, a la presencia de compuestos tales como ácidos orgánicos, dióxido de carbono y otros que dificultan la remoción.

Tabla 34. Procesos de tratamiento de hierro y manganeso (Pérez, 2002)

Tratamiento Oxidación Carácter del agua Equipo necesario Rango de pH

Observaciones

Aireación, sedimentación

filtración en arena Si

Hierro solo en ausencia de cantidades apreciables de

materia orgánica

Aireador, sedimentador y

filtro. 6.50

Operación fácil, ningún control de

dosificación Aireación,

oxidación por contacto,

sedimentación, filtración

Si

Hierro y manganeso ligeramente combinado con

materia orgánica. No excesivo contenido de CO2 o ácidos

orgánicos

Aireador de contacto con coque, grava o pirolusita,

sedimentador y filtro.

7.65

Se requiere buena aireación, control

fácil.

Aireación, filtración por

contacto Si

Hierro y manganeso combinado con materia

orgánica, pero no contenido excesivo de ácidos orgánicos.

Aireador y filtro cubierto de manganeso precipitado,

pirolusita granular, zeolitas manganicas

6.5

Se requiere buena aireación, si no se inyecta aire con compresor. Fácil

control.

Filtración por contacto

Si


orgánica, pero no excesivo CO2 o ácidos orgánicos.

Filtro de arena recubierto de

manganeso, de pirolusita granular o

de zeolitas mangánicas

7.65

No requiere aireación

Aireación cloración,

sedimentación, filtración en arena

Si

Hierro y manganeso ligeramente combinado con

materia orgánica.

Aireador y dosificador o clorador solo,

sedimentador y filtro de arena

7.0 8.0

La cantidad de cloro se reduce por

aireación

Aireación, tratamiento con

cal, sedimentación,

filtración en arenas

Si


orgánica y ácidos orgánicos

Aireador efectivo, dosificador de cal,

sedimentador y filtro de arena

8.5 9.6

Se requiere control de pH.


64

Aireación, coagulación,

tratamiento con cal,

sedimentación, filtración

Si

Agua superficial coloreada y sucia en combinación con

materia orgánica.

Tipo convencional de planta de

filtración 8.9 9.6

Se requiere completo control de

laboratorio

Intercambio iónico

No

Agua de pozo desprovista de oxigeno que contiene menos de 1.5 mg/l de hierro y manganeso

Zeolitas o resinas

6.5

Solo hierro soluble y compuestos

mangánicos pueden removerse por

intercambio iónico. Tratamiento con

cal, sedimentación,

filtración en arena

Si Agua blanda desprovista de oxigeno y que contiene hierro

como bicarbonato ferroso

Dosificador de cal, mezclador y sedimentador

cerrados, filtros a presión.

8 8.50

Precipitación de hierro en ausencia

de oxigeno, disminuye la

corrosión.

En general estos tratamientos pueden agruparse en dos clases: tratamientos por precipitación y tratamientos por intercambio iónico.

Los tratamientos por precipitación se llevan a cabo introduciendo oxigeno al agua por aireación libre o por inyección a presión; pueden también realizarse utilizando un oxidante fuerte como el cloro, o subiendo el pH por medio de cal o soda. El objeto de la oxidación del agua ferruginosa es cambiar los compuestos ferrosos solubles en férricos insolubles, los cuales se separan en el agua por decantación.

Los tratamientos por intercambio iónico son similares a los utilizados para remoción de dureza.

Para determinar el tratamiento más adecuado es conveniente realizar estudios experimentales en plantas piloto ya que no existe un proceso o una combinación de procesos que puedan recomendarse para todos los casos.

3.9.5.1 Aireadores por contacto

Dadas las características del tipo de agua encontrada en el pozo de exploración se recomienda la remoción con un proceso de oxidación a través de aireación con absorción con carbón coke. A continuación se indica una breve descripción del tipo de sistema recomendado.

Están constituidos por una serie de compartimientos o bandejas colocadas horizontalmente unas debajo de otras. Las bandejas tienen el fondo perforado y pueden ser construidas en lámina metálica, fibra de vidrio o madera. Sobre ellas se coloca un material de contacto que no sea soluble, tal como carbón coke, piedra o ladrillo triturado. El agua se esparce por medio de un múltiple perforado sobre el compartimiento más alto y cae por percolación a través de las demás bandejas hasta llegar al tanque inferior de recolección, la Figura 35, se muestra un esquema del aireador.

Las principales especificaciones de diseño son:

Carga superficial: 300 a 900 m3/m2*d.

Número de bandejas: 3 a 6 unidades.

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66

Figura 36. Localización de puntos de muestreo sobre la boca Matuntugo

Figura 37. Localización de puntos de muestreo sobre la boca de coquitos

En la recolección se llevaron a cabo las medidas que el RAS/2000 y los manuales de toma de muestras, que los laboratorios recomiendan. A continuación se presenta la Tabla 35 en las cual se condensan los valores de los parámetros evaluados.


67

Tabla 35. Resultados del Análisis Físico - Químico y Bacteriológico Agua Cruda del Canal de Entrada en la PTAP

ANALISIS EFECTUADOS UNIDADES

Bocas de Coquito, punto 1. 87880


Boca Matuntugo,

punto 2. 87882


Boca Matuntugo,

punto 5. 87884

MÉTODO** LIMITE DE DETECCION

Datos reportados por el cliente

Hora - 8:40 8:50 9:50 9:05 9:55 - - pH - 6.8 6.8 6.5 6.7 6.5 Potenciométrico -

Conductividad µmhos/cm 21.6 22.1 25.8 328 24.2 De campo - Temperatura °C 27.4 27.3 27.5 27.3 27.5 - -

Oxígeno disuelto mg/l 4.69 4.29 5.63 4.22 5.62 Potenciométrico -

Fisicoquimicos Alcalinidad, como

CaCO3 mg/l 28.3 28.1 28.3 29.4 26.4 Titulométrico 0.3 Cloruros mg/l 1.2 1.4 1.2 160.0 1.6 Potenciométrico 0.3

Color Pt-Co 310 287 296 277 310 Comparación

visual adaptado 4 DBO5 mg/l O2 <2 <2 <2 <2 <2 DBO 5 días 2 DQO mg/l O2 <11.0 <11.0 <11.0 <11.0 <11.0 MicroDQO 11

Dureza total, como CaCO3 mg/l CaCO3 27.2 25.7 25.9 68.5 28.7 Titulométrico 2

Fosforo total, P-PO4 mg/l 0.04 0.05 - 0.04 - Colorimétrico. 0.011 Nitratos, NO3 mg/l 5.2 4.5 4.8 21.0 4.4 Potenciométrico 0.2

Sólidos suspendidos mg/l 78 67 85 45 74 Gravimétrico 2 Sólidos totales mg/l 140 133 151 368 140 Gravimétrico 14

Turbiedad UNT 55 50 49 45 55 Nefelométrico 0 Metales

Fe total, Fe mg/l 5.46 4.20 5.20 2.97 4.90 ICP 0.008 Manganeso, Mn mg/l 0.077 0.061 0.071 0.039 0.069 ICP 0.0001 Bacteriológicos

Coliformes totales MC NMP/100

ml 24192 6867 4884 4106 3876 Multicelda No definido

Escherichia coli MC NMP/100

ml 84 160 86 253 96 Multicelda No definido

3.10.1 Análisis de los resultados de la caracterización

En resumen, la calidad del agua que presenta la fuente del río Atrato es buena y permite unos niveles de tratamiento convencionales adecuados.

Los criterios organolépticos y físicos, como son Color, Turbiedad, Sólidos Totales y


68

Conductividad están cumpliendo lo estipulado en la resolución 2115 de 2007 de calidad de agua.

Los criterios químicos de la calidad del agua potable tienen valores aceptables a los establecidos y por lo tanto están cumpliendo la norma.

Los criterios de calidad química con implicaciones indirectas en la salud como la Alcalinidad Total, Cloruros y Dureza Total están también por debajo del nivel permisible.

Desde el punto de vista microbiológico no se cumple con todos los criterios, coliformes totales y coliformes fecales, esto se da porque son aguas superficiales que están susceptibles de contaminación de materia fecal humana, proveniente de asentamiento en la orilla del río.

1. introducción general - universidad nacional de … · estudio de uso combinado de fuentes de...

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