APLICACIÓN DE TRAZADORES AL ESTUDIO DE CARACTERÍSTICAS DINÁMICAS Y DE TRANSPORTE

DISPERSIVO EN EL RIO BOGOTÁ (SEDE UMNG)

APPLICATION OF TRACER TO STUDY OF DYNAMIC FEATURES AND DISPERSIVE TRANSPORT IN BOGOTA

RIVER (VENUE UMNG)Fecha de recepción:

Fecha de aprobación:

RESUMEN

A través de los años, en el rio Bogotá se han adelantado tareas de monitoreo para conocer los datos específicos de la dinámica de su cauce y ponerlas en contexto con los principios teóricos en especial con factores como la velocidad media de flujo y los coeficientes de transporte (dispersión y difusión). El alto grado de contaminación del rio dificulta caracterizar sus propiedades tanto dinámicas como de transporte con medios convencionales convirtiendo las tareas de monitoreo en una tarea más sofisticada. Así es que por medio del equipo INIRIDA DEEP FLOW (IDF) y el trazador “Rodamina WT” se hizo la recopilación de información hidráulica, velocidades de flujo, cálculo de pendiente media además de la estimación del coeficiente de rugosidad de Manning mediante el cuadro de Cowan, con el fin de sentar una base para posteriores modelaciones en los distintos software que establezcan criterios acerca del manejo y mejoramiento del tramo del rio estudiado.

Palabras clave: trazador, calidad de agua, transporte dispersivo, hidráulica.ABSTRACT

Over the years, the Bogotá River have been subject of advanced monitoring tasks for specific data on the dynamics of its channel and put them in context with the theoretical principles, especially with factors such as the average velocity of flow and transport coefficients (dispersion and diffusion). The high degree of pollution of the river difficult to characterize both its dynamic properties and dispersive transport characteristics by conventional means, converting monitoring tasks in a more sophisticated task. Then using equipment INIRIDA DEEP FLOW (IDF) and the tracer "Rhodamine WT" collection hydraulic information, calculation of average outstanding addition to the estimation of roughness coefficient Manning was made by the Cowan table, in order to lay a basis for further modeling in various software to establish criteria for management and improvement of stretch of studied river.

Key words: Trace, water quality, dispersive transport, hydraulic

INTRODUCCIÓN

Durante la historia, la humanidad se ha asentado en las cercanías de los ríos en donde la comunidad no solo obtuvo alimento sino también aprendió maneras de usar estos cuerpos para poder transportarse, desarrollar sus cultivos agrícolas y hasta para disponer de este como un vertedero de todo tipo de residuos provenientes de diferentes actividades. Sin duda este impacto sobre el recurso hídrico termina afectando la composición de estas aguas, impactando a la fauna y flora alrededor de estos cuerpos de agua. En la actualidad el proceso de contaminación ha desbordado los límites al punto en que para algunos casos el agua se ha convertido en fuente principal para vectores de infección y problemas ambientales.

El rio Bogotá actualmente desde su nacimiento en el municipio de Villapinzón, en la provincia de Almeidas, recibe la contaminación proveniente tanto de aguas residuales domesticas como de varias curtiembres industriales que arrojan sus desechos al río, fenómeno que se repite a lo largo de su cauce por distintas industrias. Un porcentaje de estas aguas es conducido a sistemas de tratamiento que presentan deficiencias en cuanto a su capacidad o no cumplen con el proceso completo de tratamiento, estas falencias se evidencian en cierta proporción en el sector del rio adyacente al Campus de la Universidad Militar Nueva Granada.

Para ello es necesario realizar la caracterización dinámica y de transporte del cauce en este tramo

especifico, lo cual permite conocer factores como la velocidad de flujo y el caudal, para así sentar bases para posteriores estudios sobre la capacidad de auto depuración de las fuentes receptoras, así como también poder realizar futuras modelaciones en software especializados, que, junto con parámetros físico químicos y mediciones de tipo y proporción de contaminantes, servirán como herramienta primordial para dimensionar y seleccionar soluciones estructurales (diseño y mejoramiento de plantas de tratamiento) y no estructurales (tecnologías de producción más limpias) requeridas para alcanzar estándares de calidad de agua en la fuente receptora bajo diferentes niveles de contaminación o tratamiento.

La obtención de los datos se realiza a través del uso los trazadores fluorescentes (Rodamina WT), los que se consideran más apropiados para este tipo de labores ya que por su alta “detectabilidad” requiere inyección de muy bajas masas, por lo que su impacto ambiental es mínimo. Adicionalmente en este proyecto se tomaron muestras físico-químicas de agua, para una caracterización completa del flujo, en este caso de la cuenca del rio Bogotá próxima al municipio de Cajicá más específicamente la sección que pasa en el Campus de la Universidad Militar Nueva Granada. Este trabajo inicial del grupo de tesis en Ingeniería Civil de la Universidad Militar “Nueva Granada” permitirá a los estudiantes una aproximación práctica con el

tema de trazadores y a la caracterización del flujo en campo.

1. MATERIALES Y METODOS

El proyecto inició a finales del año 2014 con la determinación de los ejes temáticos a estudiar y los posibles alcances que se podrían obtener con el desarrollo del trabajo, esta labor se extendió hasta los primeros meses del año 2016 con el procesamiento y análisis de la información recolectada durante el desarrollo de cuatro visitas de campo, que las identificaremos en el documento como campañas.

El proyecto se dividió principalmente en tres etapas en las cuales la primera concierne a la recolección de información y estudios sobre el rio Bogotá y sobre la utilización de la Rodamina WT como trazador en cuerpos de agua.

Posteriormente, la segunda etapa se centró en la recolección de datos directamente en el rio con la ayuda del instrumento de medición INIRIDA DEEP FLOW, y en la etapa final, se enfocó en el procesamiento de la información y realización de los cálculos correspondientes para obtener resultados aproximados, que sienten bases cuantitativas para próximas modelaciones de este cauce y así tener un estudio más profundo sobre las propiedades del rio Bogotá en este sector, que permitan plantear soluciones para su descontaminación y mejoramiento.

Una de las aplicaciones, por ejemplo, correspondería a la medición de los “tiempos de viaje” parámetro muy importante en los estudios de calidad de aguas. En esta práctica se observa cómo se

mueve una misma muestra de agua atraves de un determinado tramo. Figura 1.

Figura 1. Tiempo de viaje aplicado a muestreos “garantizados”

Fuente: Elaboración Propia.

En esta identificamos como la velocidad media nos brindara el tiempo de viaje (Tv) entre un muestreo en el punto Xo y el subsiguiente en el punto X1. Este conocimiento garantiza que los muestreos de los parámetros físico-químicos correspondan a la “misma” parcela de flujo.

1.1 Sitio de estudio

Se trabajó sobre el rio Bogotá, más precisamente el tramo contiguo al campus de la Universidad Militar Nueva Granada en el municipio de Cundinamarca, como se muestra en la Figura 2. El tramo de estudio fue escogido por la facilidad de hacer las mediciones, puesto que era un sitio de fácil acceso, en el que se podía hacer el vertimiento del trazador (Rodamina WT) sin ningún tipo de complicaciones y se podía seguir visualmente su trayectoria desde el punto en el que era aplicada al rio hasta la parte donde estaba ubicado el sensor de medición del instrumento INIRIDA DEEP FLOW. De esta forma, se pudo realizar la toma de datos por

parte del aparato y a la vez de una forma “manual” en la que se observaba con ayuda de un cronómetro el tiempo de primeras partículas (Tpp) y el tiempo del pico (Tp) de la pluma del trazador, de forma aproximada.

De las cuatro mediciones realizadas a lo largo del estudio, las tres

primeras fueron realizadas en el mismo punto del rio (punto A, en la Figura 2); para la última, se decidió hacer la medición rio arriba en donde se encontraba una bifurcación del rio, para así conocer el comportamiento del cuerpo de agua ante una división de su cauce (Punto B, en la Figura 2)

Figura 2. Localización del lugar de estudio en el campus Universidad Militar Nueva GranadaFuente: Google Maps

1.2 Procedimiento experimental

El muestreo se iniciaba con la ubicación del punto en el que se iba a hacer el vertimiento de la Rodamina WT al cuerpo de agua, partiendo de ese punto, se medía una distancia que durante todo el proyecto vario entre los 15 y los 50 metros; esta distancia dependía de las condiciones de la ribera del rio, puesto que en algunas ocasiones, esta era inestable en algunos puntos, lo cual podía generar accidentes al momento de realizar la medición, por lo tanto, siempre se tuvo un punto fijo de vertimiento y el

sitio donde se colocaba el instrumento de medición iba variando conforme cada medición.Luego de conocer la distancia entre el punto que se hace el vertimiento y el que estaba ubicado el instrumento de medición, se procedía a hacer la mezcla de la Rodamina WT en un recipiente con agua extraída del mismo rio, teniendo en cuenta que por cada 5 mL del trazador, existe 1 g de Rodamina; la cantidad de trazador a aplicar por medición iba en función al ancho aproximado del rio; como estándar se utilizó una masa de 5g de rodamina para las mediciones.

A

B

Posteriormente se procedía a hacer el vertimiento de la Rodamina sobre el rio y observar el comportamiento de la pluma del trazador durante todo el recorrido y así tomar las mediciones respectivas tanto manuales como con el aparto INIRIDA DEEP FLOW.

Figura 3. Diferencia entre los puntos de observación y medición.

Fuente: Propia

Cabe aclarar que existe un retraso en la medición del instrumento con respecto a la observación visual, es decir que, el tiempo medido por el equipo es mayor (y la velocidad menor) esto es debido a que dicha observación se hace en los puntos sobre el eje central de la pluma (eje A en la Figura 3), mientras la medición del sensor se hace lateralmente (Eje B en la Figura 3).

1.2.1 Primera campaña sector “A”

Este primer muestreo, se realizó el 24 de Noviembre de 2014, en el cual, se determinó por primer vez el lugar de estudio, además se conoció el instrumento de medición y su funcionamiento, también se estableció la cantidad de rodamina WT a utilizar.Se realizó el procedimiento experimental, de la forma en la que fue enunciado anteriormente en el

punto 1.2; se realizó el vertimiento y a una distancia de 15 metros se realizó la toma de información con el aparato, el cual, arrojo la medición de la rodamina en forma de una gráfica Gaussiana (como se evidencia en la Figura 4) en la cual se muestra la información obtenida así como el resultado de la velocidad de forma automática.

Figura 4: Grafica generada por el instrumento INIRIDA DEEP FLOW

Fuente: Elaboración Propia.

1.2.2 Segunda campaña sector “A”

Esta segunda salida se realizó en febrero del año 2016 en una época de estiaje como puede observarse en la Figura 5, y tuvo como objetivo principal estimar y analizar la velocidad media en los dos experimentos que se realizaron en el sitio de estudio.

Figura 5. Aspectos de la sede de la UMNG el día de la campaña en el Rio Bogotá.

Fuente: Elaboración Propia.

En ambos vertimientos se pudo observar nuevamente la evolución del comportamiento de la pluma del trazador, así como la velocidad del flujo del rio, la cual es apreciable con mayor facilidad a medida que avanza el trazador y se toman los datos pertinentes para su posterior calculo como se observa a continuación en la Figura 6.

Figura 6. Aspectos de la evolución de la pluma del trazador y definición de velocidad

media del flujoFuente: Elaboración Propia.

En esta salida se optó por registrar adicionalmente los datos de las inyecciones del trazador de forma manual como se ve en la Figura 7, de tal forma, que se obtuvieran los tiempos de viaje desde el momento que se realiza el vertimiento (To), así como el tiempo para las primeras partículas (Tpp) y de la misma forma el tiempo pico (Tv) o tiempo de viaje del trazador.

Figura 7. Datos del tiempo de viaje obtenidos de forma manualFuente: Elaboración Propia.

1.2.3 Tercera campaña sector “A”

Esta tercera campaña se realizó el 4 de Marzo de 2016, en esta se realizaron dos vertimientos como se hice habitualmente pero se varió la distancia del tramo escogido ubicando el aparato IDF a 30m ya que en el punto inicial (50m) por cuestiones de la ubicación y las condiciones del sensor no fue posible obtener datos con el instrumento. En el segundo experimento el instrumento detecto la señal de la RWT aunque con cierto ruido y un recorte del pico por

saturación del instrumento como se evidencia en la Figura 8.

Figura 8. Señal de la pluma trazada por el IDF.

Fuente: Elaboración Propia.

Cada una de las observaciones realizadas hasta esa fecha permitió evidenciar que la pluma que genera la RWT da unos valores ligeramente diferentes en cada uno de los experimentos; para la tercera campaña la pluma ocupo aproximadamente el semi-ancho del flujo, esto puede verificarse con las fotografías de este experimento. Figura 9. Por tanto debe tenerse en cuenta tanto los errores subjetivos de observación como los errores accidentales del propio fenómeno.

Figura 9. Ancho de la pluma y semi ancho del flujo.

Fuente: Elaboración Propia.

1.2.4 Cuarta campaña sector “B”

A diferencia de los experimentos anteriores, la cuarta campaña fue realizada en una bifurcación del rio aguas arriba del sitio en el que usualmente se realizaban los vertimientos, por tal motivo este último muestreo será estudiado de manera independiente a los anteriores puesto que las condiciones pueden fluctuar debido a que son registradas en un lugar diferente al pre establecido inicialmente para nuestro muestreo

El experimento se realizó sobre el brazo inferior Figura 10. en el que hay un puente pequeño sobre el que se realizan las mediciones con el instrumento. La inyección del trazador se hace en la cabecera del canal y el sensor se ubica aguas abajo en el pontón a 20m.

Figura 10. Esquema de la bifurcación del rio.

Fuente: Elaboración Propia.

En las fotografías siguientes de la Figura 11 y Figura 12 se muestran aspectos del canal propiamente dicho, ancho promedio de 4.5 metros y el aspecto de la pluma al

12m6.0m

momento del vertimiento, respectivamente.

Figura 11. Ancho de la pluma con respecto al ancho del canal.

Fuente: Elaboración Propia.

Figura 12. Aspecto de la pluma al momento del vertimiento

Fuente: Elaboración Propia.

En esta salida se realizó una sola inyección del trazador con una masa de RWT de 8 gramos, debido a la distancia tan corta entre el punto de inyección y la ubicación del instrumento, este recorta la señal de saturación; esto ocurre por la gran amplificación del equipo. Figura 13.

Figura 13. Pantalla de la medición realizada en la bifurcación del Rio Bogotá.

Fuente: Elaboración Propia.

2. RESULTADOS Y ANÁLISIS

Durante el proyecto, como se enunció anteriormente, se

realizaron cuatro mediciones sobre el cauce del rio Bogotá. Las tres primeras se realizaron sobre el tramo A y la última sobre el Tramo

W=4.50 m

B, los cuales se muestran en la Figura 2.

2.1 Calculo de caudal para el tramo A.

Como se observa en la Tabla 1, por cada medición se recopilaron los datos de distancia, entre el punto de vertimiento del trazador y el punto de medición (X), el ancho del rio (W) estimado para cada visita, el tiempo de primeras partículas (Tpp) y tiempo del pico (Tp) de la pluma del trazador; para el tramo de estudio A, demarcado en la Figura 2, se utilizó una masa de rodamina constante de 5g; la última medición, al ser en una bifurcación del rio no se tuvo en cuenta en esta tabla, puesto que las mediciones no se hicieron sobre el cuerpo principal del rio, sino sobre un brazo como se observó anteriormente en la Figura 10 lo cual afectaría notablemente los promedios de cada una de las variables. Un primer dato es la velocidad calculada a partir de los datos de trazador (por el instrumento y por observación directa). Ecuación (1).

Cabe resaltar que para el primer muestreo no se obtuvieron datos de tiempo de primeras partículas ni tiempo del pico, puesto que, en ese entonces se procesó la información directamente en el instrumento de medición y se obtuvo instantáneamente el dato de velocidad.Luego de calcular estas velocidades, se realizó el promedio de cada uno de los ítems anteriormente mencionados. Se parte en general de la ecuación de Chezy-Manning (para flujo uniforme), al tener previamente la

velocidad del flujo gracias a la Ecuación (1), Se parte también de un dato aproximado de la pendiente teniendo en cuenta que el Rio Bogotá en el punto de experimentación es un cauce de planicie. Aquí Rh es el Radio Hidráulico, n es el Número de Manning (Rugosidad) y S es la pendiente de la línea de energía.

U ≈ Rh16

n ∗√R∗S (2)

Para una primera aproximación del radio hidráulico (Rh), se puede estimar despejándolo tal como se muestra en la Ecuación (3); para este caso, al ser el rio de estudio un rio de planicie, se asume una pendiente teórica aproximada de 1 x10−4 y la rugosidad será calculada por el método de Cowan.

Se tiene entonces que el número de Manning aproximado para el tramo estudiado es de n≈0.08, este valor depende de diversos factores propios de cada zona de estudio. Dado esto y utilizando la Ecuación (3) el radio hidráulico tendrá un valor de 2,1m.

El número de Manning (n) se define como el grado de resistencia que encuentra el flujo en función de diversos factores, teniendo en cuenta esto, se debe hacer una estimación de su valor. Para ello, existe un método muy útil conocido como el Cuadro de Cowan, el cual a partir de diversas condiciones propias del canal como lo son: material del lecho (n0), grado de irregularidad (n1), variación de la sección transversal (n2), obstrucciones (n3),vegetación (n4) y

U= XTp (1)

Rh=¿ (3)

factor de efecto meandros o cambio de dirección del flujo (m5) y teniendo como base la Ecuación (4), se procede a operar estos factores y

con esto, encontrar el número de Manning más acorde al cuerpo de agua estudiado; tal como se explica en la Tabla 2.

n=(n0+n1+n2+n3+n4 )m5 (4)

Tabla 1. Recopilación de datos tomados en campo

Muestra X (m) m (g) W (m) Tpp (s) Tp (s) U (v/s) S

115 5 15 - - 0,29 0,00038915 5 15 - - 0,29 0,000400

250 5 12 190 219 0,23 0,00024830 5 12 88 106 0,28 0,000381

330 5 18 132 147 0,20 0,00019830 5 18 274 327 0,09 0,000040

Promedio 28,33 - 15,00 171,00 199,75 0,23 0,000286

Fuente: Elaboración Propia.

Tabla 2. Valores para el cálculo del coeficiente de rugosidad

Factor de resistencia

Tipo de resistencia en el cauce específico Rango de ni

Valor de ni para el tramo

Estudiado.

 n0Tipo de material: tierra, corte en roca,

grava fina, grava gruesa0.020 a 0.028 0.02

 n1Suave, menor, moderado y severo

(flujo de planicie sin rocas)0.000 a 0.020 0

 n2 Gradual, alternante, muy alternante 0.000 a 0.015 0.005

 n3Insignificante, menor, apreciable y

severo0.0     a 0.060

0

 n4 Baja, media, alta y muy alta 0.005 a 0.100 0.05

Σni - Σni 0.075

 m5 Menor, apreciable y severo 1,00 a 1,30 1.05Rugosidad

total - N=m*Σni 0.080

Fuente: Elaboración Propia.

Al tener el valor de radio hidráulico, el siguiente paso a realizar es el cálculo de la profundidad del canal (h), para ello, se utiliza a Ecuación (5) enunciada a continuación, la cual es un despeje de la ecuación teórica de radio hidráulico para canales rectangulares.

Se debe tener en cuenta, que la variable W es el ancho promedio del canal, tal como se enuncia en la Tabla 1. Por lo tanto, la profundidad del canal es de 3,0m.

Después de obtener el valor de profundidad, se procede a calcular el caudal en el Tramo A, para ello,

h=Rh∗W

(W−2Rh)(5)

se tiene en cuenta la Ecuación (6), en la cual se define el caudal como el producto entre el área y la velocidad de flujo.

Por lo tanto el valor de caudal para

el Tramo A es de 11,7 m3

s.

2.2 Calculo de caudal para el tramo B.

Teniendo como base el procedimiento anteriormente realizado para el Tramo A, se procede del mismo modo a calcular el caudal de la parte de la bifurcación estudiada. Como se observa en la Tabla 3, se recopiló la información de ancho del canal, distancia entre el punto de vertimiento del trazador y punto de medición y tiempo del pico de la pluma del trazador. Con estos datos y utilizando la Ecuación (1), se calculó la velocidad experimental de flujo; la cual es de 0,34 m/s.

Tabla 3. Recopilación de datos tomados en la bifurcación.

X (m) 20W (m) 4,5Tp (s) 58,4

U (m/s) 0,34

Fuente: Elaboración Propia.

Posteriormente, se procede mediante la Ecuación (3) a calcular el radio hidráulico (Rh), teniendo como referencia el ancho del rio como 4,5m tal como se muestra en la Tabla 3, además para este tramo se debe volver a estimar el número de Manning de la misma forma como se hizo con el Tramo A, tal

como se muestra en la Tabla 4. Además para la pendiente se utilizará el mismo valor teórico de ríos de planicie enunciado anteriormente.

Tabla 4. Valores para el cálculo del coeficiente de rugosidad en el tramo B

Factor de resistencia

Valor de ni para el tramo

Bn0 0,020n1 0n2 0n3 0n4 0,010m5 1,10

n=m5∑n i 0,033

Fuente: Elaboración Propia.

Por último, después de tener el valor del número de Manning, se procede a realizar el cálculo del radio hidráulico, el cual tiene un valor de 1,19m/s.

En seguida se procede a calcular la profundidad del canal a partir de la Ecuación (5), la cual arroja un valor de 2,53m.

Por lo tanto el valor de caudal, teniendo en cuenta la Ecuación (6),

es de Q2=3,87 m3

s para el Tramo B.

2.3 Análisis de caudales para los tramos A y B.

Partiendo del hecho que el tramo B está aguas arriba del Tramo A, se tiende a decir que el caudal, al ser una variable que se mantiene a lo largo de todo el cauce del rio, por lo tanto el caudal Q que lleva el rio al momento de la bifurcación se verá

Q= (W∗h )∗U (6)

dividido en dos partes Q1 y Q2, tal como se muestra en la Figura 10.

Posterior a este suceso y antes del Tramo A, el brazo del rio por el cual pasa Q1 se vuelve a unir a su cauce original, por tal motivo se infiere que el caudal original se mantendrá constante desde la parte anterior a la bifurcación hasta después del Tramo A en estudio.Para conocer el caudal Q1 se utiliza la Ecuación (7).

Por lo tanto el valor de caudal en la otra parte de la bifurcación será de

Q1=7,83 m3

s

CONCLUSIONES

Para el tramo A, del rio estudiado, se observó que el valor de la pendiente calculada es bastante cercano al valor utilizado en forma teórica aproximada para los ríos de planicie, el cual es ~0,0001.

La velocidad que se calcula mediante la implementación del trazador es representativa al flujo puesto que, la Rodamina WT se dispersó transversalmente a pesar de ser medida en distancias cortas.

Los datos obtenidos de la aplicación de los experimentos de trazador y las observaciones de campo son concordantes con lo9s valores esperados para este tipo de cauce.

El estado actual de los recursos hídricos del país nos exige crear o implementar novedosas alternativas que permitan la determinación de factores como la velocidad media de flujo y los coeficientes de transporte (dispersión y difusión), en tiempo real y de forma confiable; ya que los métodos de aforo como lo es por ejemplo el molinete resulta ser más engorroso al momento de efectuarlo puesto que requiere de una sección transversal bien definida, de fácil acceso y sin ningún tipo de obstrucciones

Elementos como el IDF representan una alternativa novedosa que busca reducir los problemas que se puedan presentar en los aforos, ya que a través de su interfaz es posible visualizar e interpretar los datos de forma confiable y en tiempo real de un punto específico del cauce; y gracias a la implementación de trazadores como lo es la Rodamina WT que establece una longitud de mezcla que cubre una parte significativa del ancho del flujo, se hace factible establecer la representatividad de la velocidad integral del flujo.

AGRADECIMIENTOS

REFERENCIAS

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Q1=Q−Q2 (7)

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