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"Distribución Estratificada de la Demanda Bioquímica de Oxígeno en la Laguna Alalay. Cochabamba, Bolivia". Autor: Christtofer J. Nieto Zúñiga. Magister en Ciencias de la Geoinformación y Observación de la Tierra, mención en Evaluación de Recurso Hídrico. Centro de Levantamientos Aeroespaciales y Aplicaciones SIG para el Desarrollo Sostenible de la Universidad Mayor de San Simón (CLAS-UMSS). Cochabamba Bolivia. Bachiller en Ciencias Geográficas con énfasis en Ordenamiento Territorial. Escuela de Ciencias Geográficas de la Universidad Nacional (ECG-UNA). Heredia, Costa Rica. RESUMEN El presente estudio, ha sido elaborado con la finalidad de determinar el comportamiento horizontal y vertical de la demanda bioquímica de oxígeno a los cinco días de reacción (de aquí en adelante DBO5), en un ecosistema lacustre urbano, somero, con vegetación interna emergente y un severo estado de eutrofización, mediante de la aplicación de un modelo de calidad de agua bidimensional que a)toma en cuenta las variables bio y fisiográficas del sistema léntico, b)simula la evolución espacial y temporal de la DBO5 a partir del punto de vertido y c), puede ser calibración a través de variables económicas y de fácil colecta en campo. La solución numérica integra valores de profundidad medidos en forma directa y, el cálculo los ingresos y pérdidas del sistema a través de un balance hidrológico. El modelo de transporte diferencia las velocidades registradas entre el borde, el espejo de agua libre y los espacios colonizados por la vegetación emergente. Para la calibración, se considera la ubicación exacta de los sitios de vertido activos, la selección de nueve lugares de muestreo estratificado dentro de la laguna y los valores de DBO5 reportados en cada uno de ellos. Se concluye, que el modelo propuesto logran simular el comportamiento de la DBO5 con un error inferior al 17%, una correlación entre los resultados de las muestras laboratorio y los calculados de 84%, y un 99% de correlación entre las variaciones de nivel de profundidad observadas y las estimadas por medio del balance hidrológico. Palabras clave: Laguna Alalay, Batimetría, DBO5, Modelos Matemáticos, Materia Orgánica (MO), Oxígeno Disuelto (OD), Contaminación, Cochabamba. INTRODUCCIÓN Ubicada al sureste de la ciudad de Cochabamba (provincia de Cercado, departamento de Cochabamba), la Laguna Alalay es considerada un ecosistema acuático relicto de alta biodiversidad casi extinto en los valles secos interandinos de Bolivia (HAMC, s.f.-a, p.1). Con una extensión superior a 2,000,000 m2, el 31% se encuentra colonizado por vegetación de Totora (Schoenoplectus californicus, en color verde oscuro Figura 1), lo que le ha permitido ser declarada como patrimonio natural intangible debido al valor genético de las especies de aves, anfibios y flora presentes (Gaceta, 2012).

FIGURA 1: Área de estudio.

Además del alto valor paisajístico que le otorga a la ciudad, este sistema semiartificial profundizado y expandido a partir del año 1935 por los prisioneros paraguayos de la Guerra del Chaco1, tiene características de vaso regulador de crecidas del río Rocha para el control de las inundaciones acaecidas en época de lluvias (de octubre a marzo), lo cual le confiere una importancia histórica e hidrológica considerable. Con 28 puntos de desfogue conectados al sistema de drenaje pluvial de la zona residencial circundante (en color amarillo, Figura 1), la acumulación exagerada de MO producto del arrastre por escorrentía, aguas residuales, residuos sólidos y escombros de las actividades agrícolas, industriales y residenciales (entre otros), a desencadenado un serio proceso de eutrofización de las aguas de la laguna (HAMC, s.f.-b, p.1). El crecimiento descontrolado de algas y macrófitas (Azolla sp. y Pistia stratiotes o repollito de agua, en color verde claro Figura 1), llegó a ocupar el 35% del área total (701.929 m2), redujo el volumen y área libre del espejo, empobreció su contenido de OD, generó malos olores y sometiendo a un alto riesgo a la población y las especies biológicas permanentes y migrantes (HAMC, s.f.-b, p.3-4).. Bajo estas condiciones, la laguna no puede recuperar el equilibrio por medios naturales, puesto que el rápido crecimiento de la vegetación macrófita la conduce a un secamiento permanente. La comprensión de este problema implica analizar la dinámica del cuerpo de agua a nivel biológico (especies en peligro), químico (tipos de contaminantes), y por supuesto desde el punto de vista hidrológico (de dónde viene la MO), e hidrodinámico (cómo se mueve). En la actualidad, existe una amplia gama de modelos de calidad de agua que simulación el comportamiento de un sistema ante una acción o vertido determinado (USEPA, 2012), empero, se vuelves inviables debido al alto valor económico de la licencia o muestras, el tiempo de aprendizaje, número de variables consideradas, robustez del modelo, etc. Es por ello que se escoge la DBO5, por ser un indicador altamente reconocido, económica y técnicamente viable a razón del número de 1

De junio de 1932 a 1938, cuando se firmó el tratado de paz (Mesa, s.f.).

muestras necesario para determinar la salud del ecosistema, la información y ejemplos desarrollados con anterioridad, y disponibilidad de modelos matemáticos ajustables al presenta caso de estudio (sistema léntico, somero y con vegetación interna). METODOLOGÍA Propuesto por Menéndez (2012, p. 25), el modelo más simple permite estimar la contaminación de una laguna por fuentes puntuales y distribuidas, mediante un análisis del balance de contaminantes (ingreso y saludas), sobre una escala de tiempo y distancia. (1) Donde: C: concentración media del contaminante en el cuerpo léntico. V: volumen del cuerpo léntico. H: profundidad del cuerpo léntico. Qe: caudal ingresante. Qs: caudal saliente. Ce: concentración del contaminante en el flujo ingresante. w: velocidad de caída del sedimento. fp: fracción de contaminante en fase particulada. Teniendo en cuenta que sobre la escala temporal puede considerarse que Qs=Qe, la solución de la ecuación anterior es: (2) Donde: Co: concentración inicial del contaminante en el cuerpo léntico. Le=Qe*Ce/V: masa del contaminante ingresante por unidad de volumen del lago y por unidad de tiempo. q=Qs/V: tasa de barrido. K=fp*w/H: tasa de sedimentación o tasa de remoción. Medida en cm, utilizando una varilla numerada y un bote con motor fuera de borda como medio de transporte, se obtienen la profundidad de la columna de agua (denominada Z1). Aplicando un poco más de fuerza se obtiene el ancho de la columna de agua y el ancho de los bentos (Z2). La resta de estos dos valores permite determinar el espesor de los bentos sin necesidad de considerar algún tipo de factor de corrección.

Se calculan los siguientes factores meteorológicos e hidrológicos, a fin de determinar el valor y grado de influencia sobre los niveles de profundidad del espejo de la Laguna. Precipitaciones y Evaporación.

valores de N estimados tomando en cuenta las lluvias caídas en los cinco días anteriores, ya que las condiciones previas en el suelo influyen en el tiempo de saturación del medio y la formación de escorrentía.

Con una capa impermeabilizante de arcilla de 12 m de grosor, se asume que la variable de infiltración es despreciable.

Obtenida la corrección del valor característico de toda el área de aporte, se determina el umbral de escorrentía o mínima cantidad de agua que tiene que llover par que se produzca escorrentía superficial (P0). (4) Donde: P0: Umbral de escorrentía [mm]. N: Valor número de curva característico corregido [adimensional].

Desfogue Aguas Pluviales y Residuales.

Evapotranspiración.

Representando apenas el 0.3% de los caudales que ingresan al sistema, estás no son tomadas en cuenta en razón de su poca representatividad y, como se constató en trabajo de campo, casi la totalidad se encuentran inactivas o cerradas (incluyendo la única salida o efluente del sistema).

Estimados los valores de evapotranspiración de referencia mediante el método de Hargreaves (ETO en mm/día), se procedió a calcular la evapotranspiración generada por la vegetación circunscrita a la laguna (ETC).

Escorrentía.

Donde: ETC: Evapotranspiración del cultivo o vegetación en análisis [mm/día]. ETO: Evapotranspiración de referencia [mm/día]. Kc: Coeficiente de cultivo [adimensional], 1.2 para ciperáceas en humedales o sistemas hidromórficos según recomendaciones de García y Lleellish (2011, p. 73).

Los valores precipitación diaria fueron tomados de la estación meteorológica AASANA, ubicada a 3 Km al suroeste del área de estudio y facilitados por el Servicio Nacional de Meteorología e Historia (SENAMHI). Infiltración.

Se calcula la proporcionalidad entre la lluvia retenida real y la máxima capacidad de retención, y la escorrentía superficial o directa generada a partir de precipitación registrada en el periodo de tiempo analizado, mediante el Método Número de Curva desarrollado por el Soil Conservatión Service del Departamento de Agricultura de los EUA. Utilizando curvas de nivel cada 5 m extraídas de un ASTER GDEM, se delimitan las áreas de aporte y la cobertura actual, haciendo hincapié en la pendiente y el grado de impermeabilización como factor determinante de infiltración. Posteriormente, se estima el valor característico de todo el sistema, en función de la superficie que ocupa cada segmento y su tipo de cobertura (valores N). (3) Donde: N: Valor número de curva del segmento [adimensional]. Si: Superficie del área de aporte [m2]. S: Superficie total de los espacios tributarios [m2]. Generalmente, los números de curva han sido supuestos para condiciones inicial de humedad del suelo promedio, sin embargo, para escenarios de sequía o lluvias intensas hay que corregir los

ETC= ETO* K c

(5)

Como factor de corrección, se procede a deducir las variaciones por día en las cotas de profundidad medidas en campo (positivas o negativas), mediante la siguiente ecuación.

C2=C1+P1-Evp2-Kc2

(6)

Donde: C2: Variación en la medición del segundo día con respecto al primero primer [cm]. C1: Profundidad medida en el primer día [cm]. P1: Precipitación registrada en el primer día [cm]. Evp2: Evaporación registrada en el segundo día de medición [cm]. Kc2: Evapotranspiración calculada en base a la Evp del segundo día de medición [cm]. Se cotejan las variaciones del nivel de agua calculadas, con los aumentos o disminuciones registrados en el trabajo de campo mediante una varilla numerada colocada dentro de la laguna.

Para la selección del método de interpolación de los valores de profundidad y espesor de lodo: a)se realiza una prueba de normalidad de Lilliefor, b) se intentan normalizar los valores y c), posterior a la aplicación del método de interpolación seleccionado, se calcula la correlación existente entre los valores interpolados y los datos originales mediante la prueba de bondad de ajuste (Gooness of Fit).

mm hasta 2.51 mm como máximo, este último el día 09 de noviembre. Para la escorrentía, se identificaron 39 áreas de aporte agrupadas en 3 zonas: a)espacios urbanos con alta impermeabilización de los suelos y densidad de construcción (54.26% del área total), b)pastos en alta o muy alta pendiente (32.06%), y c)plazas o parques en pendientes casi planas a moderadas (13.69%).

Esta secuencia de análisis, se aplica también a los resultados del cálculo de velocidades y el modelo de transporte de DBO5.

Obteniendo un número de curva de 77.11 (3), se aplicó una corrección de tipo "A" debido a que la suma de las precipitaciones acaecidas en los cinco días previos a las mediciones, no superan los 2.5 mm. Ahora con un valor de 60.25, se estima que el área de aporte requería como mínimo 33.51 mm de precipitación para generar un efecto de escorrentía directa hacia el vaso (Ec. 4). El total de lluvias aculado durante el trabajo de campo fue de 29 mm, por lo que se pudo desestimar la escorrentía superficial como una posible fuente de caudal ingresante a la Laguna.

RESULTADOS

Valores en cm por día

Teniendo claro los valores reales de profundidad de la laguna, se escogieron los espacios idóneos para el muestreo de DBO5 a los 200 cm de profundidad. La selección de estos lugares obedece específicamente, a la presencia de valores mayores o iguales a 2 m y un espesor de bentos superior a los 5 cm. En el caso de este último, se utiliza una trampa que captura materiales -de preferenciacopiosos. La ausencia de estas dos condiciones puede llevar a la perdida de la muestra, cuando se Entorno a la corrección de los niveles de agua, la cota extrae del medio. inicial de profundidad varió entre 0.6 y 5.7 cm en el El muestreo a los 150 cm prioriza espacios con último día, debido a una mayor evaporación y profundidades no menores a 160 cm. Finalmente, evapotranspiración (pérdidas del sistema), con los muestreos a 30 cm de profundidad fueron respecto a los ingresos de caudal (en este caso solo la distribuidos de la forma más homogénea posible, precipitación). tratando de abarcar la zona libre y lejos del borde 2.0 de la laguna. Los resultados de DBO5 obtenidos en 1.0 laboratorio se utilizan para calibrar el modelo de 0.0 transporte, mediante la creación gráficas y líneas 28-Oct-12 30-Oct-12 1-Nov-12 3-Nov-12 5-Nov-12 7-Nov-12 9-Nov-12 -1.0 correlación (R2). y = -0.4421x + 18218 -2.0

R² = 0.9492

-3.0 -4.0

Se inicia el proceso de batimetría el 29 de octubre, hasta culminar el 11 de noviembre del 2012. Como resultado se obtienen 906 puntos GPS, más 454 puntos de control tomados de otros estudios y en el borde de la Laguna (caminando). Utilizando imágenes aéreas y los puntos anteriores, se constata que de los 2,081,952.17 m2 que componen el sistema léntico en ese momento, 49.701,44 m2 se encuentran ocupados por macrófitas y 630.610,66 m2 por totoras (-92.9% y +126.4% con respecto al año 2010). Referente a las pérdidas del sistema, se determinó que la evapotranspiración ejercida únicamente por las plantas de totora significó valores de entre 1.50

-5.0 -6.0

PRECIPITACIÓN

FACTOR DE CORRECCION

Día

EVAPOTRANSPIRACIÓN

EVAPORACIÓN

Lineal (FACTOR DE CORRECCION)

FIGURA 2: Factor de corrección nivel de agua.

La interpolación de Z1 por el método Moving Surface, presentó valores de entre 0 y -269.06 cm (114.95 cm promedio). Al noroeste y centro de la Laguna, las profundidades se acrecientan entre 180 hasta -200 cm debido obras de limpieza realizadas la HAMC en 1997 (Figura 3). Hacia el sector sureste, la pendiente y profundidad son menores, variando entre -50 y -80 cm. Para estos espacios y los ubicados hacia el este, se debe de considerar la densidad de la cobertura actual de totoras y macrófitas flotantes.

FIGURA 3: Interpolación valores Z1.

FIGURA 5: Interpolación espesor de lodos.

Los valores de Z2 (columna de agua más el espesor de los lodos), se estiman de entre 0 y -334.21 cm como máxima profundidad (-101.74 cm promedio). La parte central, presenta valores desde -160 a -180 cm y, otros lugares de menor extensión con valores de -210 cm y poco más.

Se escogen cuatro lugares para un muestreo estratificado a 200 cm, 150 cm y 30 cm, tres espacios para una colecta de muestras a 150 cm y 30 cm, y finalmente, un lugar para un muestreo a nivel superficial (30 cm). Las diecinueve muestras de agua son colectadas el 15 de noviembre de 2012, y se agrega el resultado obtenido por la empresa AMBIENBO SRL, contratados para el análisis del único punto de vertido activo. La interpolación de la velocidad y dirección de la lancha con el motor apagado ofrece una noción general de los tiempos de tránsito. Con respecto a las zonas ocupadas por totora y macrófitas, la bibliografía consultada recomienda utilizar valores de 0.01 m/s para el primero, y 0.02 m/s para el segundo grupo.

FIGURA 4: Interpolación valores Z2.

Las demás zonas presentan las mismas características de la primera interpolación, debido al poco espesor de los bentos y la dureza del sustrato en el fondo del lodo. La coloración, textura, compactación, cantidad de algas y olor de los lodos difiere espacialmente. En los pequeños espacios libres de vegetación la textura es poco compacta, de color negro y con grandes acumulaciones de algas. Hacia el sector este del espejo de agua, el espesor varía de entre 50 y 100 cm (Figura 5), hacia el noroeste entre 1 y 15 cm, el sureste entre 10 y 40 cm, y finalmente, el sector oeste con 10 cm y menos.

FIGURA 6: Interpolación tiempos de tránsito estimados.

Los valores más altos se encuentran en el centro de la laguna, cerca y dentro de las plantas de totora, donde las velocidades disminuyen por la fricción del líquido con la vegetación emergente. Como valor

mínimo se encuentran valores de 12.48 segundos, máximos 0.43 días y una media de 0.21 días. Los restantes valores requeridos para la solución numérica se presentan a continuación. Tabla 1: Constantes y parámetros hidrológicos. Volumen total Profundidad de la Laguna Caudal entrante Caudal saliente Concentración flujo ingresante Velocidad caída del sedimento Fracción de contaminante fase particulada Tiempo Masa contaminante ingresante por unidad de volumen y tiempo Tasa de barrido Tasa de sedimentación o remoción

V= 2,362,664.65 m3 Figura 3, m H= 3 0.0001 m /s QE= 3 0.1300 m /s QS = 17.00 mg/L CINICIAL= 0.65 m/d w= fp=

0.175

t=

Figura 6, días

LE= QECE/V q= Q/V K= fpw/H

7.20E-10 5.50E-08 Diferente para cada celda

Kc= 4,124.42 m3/d Evp= 7,111.57 m3/d Fuente: Elaboración propia con base a estimaciones realizadas, 2015.

Evapotranspiración por día Evaporación por día

Compuesto por 10,070 celdas de 20 por 20 m, se presenta a continuación los resultados obtenidos por el modelo propuesto.

espacios con mayor o menor demanda bioquímica de oxígeno y b), un reactor de mezcla sin estratificación térmica que no registra diferencias verticales superiores a 1 mgO2/L en la DBO5, 1.15 °C en la temperatura y 1.13 mg/L en el OD. Los espacios libres de vegetación y cercanos al borde norte y oeste presentan valores de 2 y