Implementación de un modelo matemático para representar variaciones de la calidad del agua del rio Chinchiná por potenciales descargas de sedimentos provenientes del embalse Cameguadua de la Central Hidroeléctrica de Caldas - CHEC

Abstract

La conservación de los cuerpos de agua ha sido uno de los temas de mayor relevancia para la sostenibilidad en el planeta dada su importancia para la regulación de los ecosistemas naturales y los servicios ecosistémicos de soporte, cultura y aprovisionamiento que presta a las diferentes comunidades. Entre otras actividades, el agua ha sido empleada para la generación eléctrica facilitando la prestación de este servicio a diversas poblaciones.

En Colombia, aproximadamente el 70% de la energía eléctrica es generada en centrales hidroeléctricas, las cuales, en su mayoría, operan mediante la acumulación del recurso hídrico en embalses para conducirlo hacia generadores y turbinas y allí transformar la energía cinética y potencial del agua en energía eléctrica. En estos embalses se acumulan sedimentos provenientes de sus afluentes, debido a procesos erosivos naturales, aumentados por intervenciones antrópicas en las fajas de protección de los cauces y por vertimientos de centros poblados. Los sedimentos representan inconvenientes para la generación de energía, resaltando la tendencia a la colmatación de los embalses.

Dichos sedimentos podrían ser evacuados mediante dragado y posterior disposición en cuerpos de agua naturales, sin embargo, si esta descarga se realiza de manera inadecuada pueden generarse graves impactos en la calidad del cuerpo de agua natural receptor y daños en los ecosistemas naturales, afectando los procesos biológicos que allí se desarrollan. Algunos de los impactos más comunes son el aumento en las concentraciones de sólidos, DBO, DQO y disminución del oxígeno disuelto, que pueden generar morbilidad en especies de flora y fauna, afectaciones a la salud de comunidades aledañas a los ríos receptores de sedimentos, generación de malos olores, entre otros.

Una alternativa para evaluar la magnitud de los impactos ambientales mencionados y con ello promover la toma de decisiones, consiste en realizar una representación matemática de las condiciones de calidad del agua del río utilizando softwares de modelación en los que se pueden plantear escenarios de la descarga de estos sedimentos sobre un río receptor. Como caso de estudio se seleccionó el río Chinchiná planteado como posible receptor de los sedimentos provenientes del embalse Cameguadua de la Central Hidroeléctrica de Caldas - CHEC.

Para evaluar los impactos que generarían las descargas mencionadas sobre la calidad del agua del río Chinchiná, fue necesario seleccionar un código de modelo apropiado, calibrarlo y validarlo con información secundaria proveniente de la Corporación Autónoma Regional de Caldas - Corpocaldas, para posteriormente plantear y evaluar diferentes escenarios de descarga de sedimentos.

El primer paso para realizar la evaluación mencionada consistió en seleccionar un código del modelo que se ajustara a los requerimientos y limitaciones del estudio, para lo cual se diseñó una matriz de evaluación con criterios de selección acotados al estudio. Con la matriz mencionada, se seleccionó el Qual2kw como el más indicado para representar las condiciones del río Chinchiná y para analizar los efectos en la calidad del agua bajo diferentes escenarios de descarga de sedimentos provenientes del embalse Cameguadua.

La modelación de la calidad del agua se realizó sobre el tramo V del río Chinchiná, entre las estaciones E22 y E28 establecidas por Corpocaldas para los diferentes monitoreos realizados y para la determinación de los objetivos de calidad expuestos en la Resolución 469 de 2014; estas estaciones fueron seleccionadas a partir del análisis de la influencia en los cambios de la dinámica del río que podrían generar los principales tributarios y bocatomas, lo cual afectaría los parámetros del modelo que fueron calibrados. La información utilizada fue obtenida de estudios realizados previamente en el área, resaltando los informes de monitoreo y modelaciones de la calidad del agua presentados por la Corporación, en los años 2013 y 2010; la información climatológica fue obtenida del IDEA de la Universidad Nacional de Colombia sede Manizales y de la página web del IDEAM, y los reportes de la calidad de las descargas de sedimentos fueron obtenidos de estudios realizados en el marco de contratos celebrados por la CHEC entre los años 2008 y 2010, que tuvieron como fin identificar las características fisicoquímicas de dichas descargas bajo pruebas controladas de dragado, cuyos datos se encuentran en el ANEXO VIII. Determinantes de la calidad del agua utilizados para seleccionar los escenarios de modelación y fueron obtenidos del Expediente 748 de Corpocaldas.

Con la información mencionada, se calibró y validó el modelo obteniendo un valor de R2 de 0.64, lo cual se considera adecuado en este tipo de modelaciones. Adicionalmente, se realizó un análisis de sensibilidad e incertidumbre paramétrica con el fin de generar bandas de confianza a los datos obtenidos y con ello se identificó cuáles son los parámetros que afectan en mayor medida los valores de R2, encontrando que la Velocidad de Sedimentación de los SSI (vi) y la tasa de Nitrificación del NH4 (kna) son los parámetros más sensibles.

Finalmente, empleando este modelo predictivo se evaluaron 15 escenarios de descarga de sedimentos, correspondientes a caracterizaciones de la calidad del agua de 5 campañas de monitoreo, seleccionadas a partir de análisis de frecuencias y verificación de valores máximos y mínimos de las concentraciones de determinantes de la calidad del agua que son de interés para este estudio (DBO5 y SST) tomados de una base de datos que contiene los resultados de 70 campañas de monitoreo ejecutadas en pruebas de dragado del embalse, que fueron desarrollados por el Consorcio González Aristizabal en el marco de contrato con la Central Hidroeléctrica de Caldas que fue reportado en el Expediente 748 de Corpocaldas. Las 5 campañas de monitoreo fueron ingresadas al modelo con 3 posibles caudales correspondientes a los valores máximo, mínimo y medio reportados en la base de datos mencionada.

Se realizó verificación del cumplimiento de los objetivos de calidad del agua reglamentados por Corpocaldas para el tramo V del río Chinchiná, que establecen límites máximos y/o mínimos requeridos para el Oxígeno Disuelto, pH, DBO5, Sólidos Suspendidos Totales y Coliformes. A partir de la comparación de los 15 escenarios planteados respecto a los objetivos mencionados, se preseleccionaron, mediante la implementación de una matriz de valoración de cumplimiento, 6 escenarios de descarga, para los cuales se realizó el cálculo del Índice de Calidad del Agua (ICA – IDEAM de 6 variables) en la estación de monitoreo localizada posterior al punto de descarga previsto, evaluando este resultado a partir de lo obtenido para el ICA en la estación previa a la descarga en donde se obtuvo una calidad regular del agua (0.6), esperando entonces que este valor no disminuyera en gran medida, una vez incluida la descarga en la modelación. A partir de lo anterior, se identificaron 3 escenarios bajo los cuales la variación del ICA es mínima, los cuales corresponden a modelaciones con el caudal mínimo de descarga (0.19 m3/s); de estos, dos presentan valores típicos de las características fisicoquímicas evaluadas y uno presenta concentraciones mínimas (o menos críticas), lo cual podría considerarse un dato atípico. Se infiere entonces, que el caudal de la descarga de sedimentos es la característica que más influye en los escenarios modelados, adicionalmente, se recomienda revisar la información aquí obtenida a la luz de la posibilidad de manejo de concentraciones y/o caudales que se puedan tener al momento de descargar los sedimentos, ya que este estudio representa datos únicos evaluados a partir de campañas realizadas en la descarga de interés, pero que no aseguran que las concentraciones se mantengan estables a lo largo del tiempo (Texto tomado de la fuente).

Water bodies conservation has been one of the major relevance items for planet sustainability because of its importance to regulate natural ecosystems and its ecosystems services of support, culture and provisioning which are given to communities. Between other activities, water has been utilized for electricity generation making easier the provision of this service to different populations.

In Colombia, approximately 70% of electrical energy is generated in hydroelectric power plants, which, for the most part, operate by accumulating water resources in reservoirs to conduct it towards generators and turbines and there transform the kinetic and potential energy of water into electric power. Sediments from their tributaries accumulate in these reservoirs, due to natural erosive processes, increased by anthropic interventions in the riverbed protection strips and by dumping from populated centers. The sediments represent inconveniences for the generation of energy, highlighting the tendency to clogging of the reservoirs.

These sediments can be evacuated by dredging and subsequent disposal in natural bodies of water; however, if this discharge is carried out improperly, serious impacts on the quality of the receiving natural river can be generated, as well as natural ecosystems damages, affecting biological processes that there are developed. Some of the most common impacts are the increase in the concentrations of solids, BOD, COD and decreased dissolved oxygen, which could generate flora and fauna morbidity, health issues to communities living in the river side, bad smells, inter alia.

An alternative to evaluate the magnitude of the impacts and thereby promote decision-making, consists of making a mathematical representation of the river water quality conditions using modeling software in which scenarios of the discharge of these sediments can be considered. As a study case, the Chinchiná river was selected as a possible receptor of sediments from the Cameguadua reservoir of the Caldas Hydroelectric Power Plant (CHEC, by its spanish meaning).

To evaluate the impacts that the discharges would generate on the water quality of the Chinchiná river, it was necessary to select an appropriate model code, calibrate it and validate it with secondary information from the Regional Autonomous Corporation of Caldas - Corpocaldas, to later propose and evaluate different sediment discharge scenarios.

The first step to carry out the evaluation consisted of selecting a model code that adjusted to the requirements and limitations of the study, for which an evaluation matrix was designed with selection criteria limited to the study. With the matrix, the Qual2kw was selected as the most appropriate to represent the conditions of the Chinchiná river and to analyze different scenarios of sediment discharge from the Cameguadua reservoir.

The water quality modeling developed on section V of the Chinchiná river, between stations E22 and E28, established by Corpocaldas for the determination of the water quality objectives exposed in Resolution 469 of 2014; those stations were selected from influence analysis of river dynamics changes which could be generated by the main tributaries and water intakes that could affect calibrated parameters. The information used was obtained from studies developed in the area, highlighting the monitoring reports and modeling of water quality presented by the Corporation, in the years 2013 and 2010. Climatological information was obtained from the National University of Colombia (Manizales, Caldas), and from IDEAM’s page web, and the reports on the quality of the sediment discharges were obtained from studies carried out within the framework of contracts entered by CHEC, whose purpose was to identify the physicochemical characteristics of these discharges under controlled studies, which data is shown in Annex VIII and was obtained from 748 File at Corpocaldas.

With the aforementioned information, the model was calibrated and validated, obtaining an R2 value of 0.64, which is considered adequate in this type of modeling. Additionally, an analysis of sensitivity and parametric uncertainty was made to generate confidence bands for the results, and evaluate which parameters affect the R2 values, identifying that the Sedimentation Velocity of the ISS (vi) and the NH4 Nitrification rate (kna) are the most sensitive parameters.

Finally, using this predictive model, 15 sediment discharge scenarios were evaluated, corresponding to water quality characterizations of 5 monitoring campaigns, from a database that contains the results of 70 monitoring campaigns carried out in dredging tests of the reservoir, developed by Consorcio Gonzales Aristizabal within the agreement with CHEC reported in 748 file at Corpocaldas, selected from frequency analysis and verification of maximum and minimum concentrations values of determinants considered important for this study (BOD5 and TSS). The 5 monitoring campaigns were entered into the model with 3 possible flow rates corresponding to the maximum, minimum and average values reported in the database.

Verification of compliance with the water quality objectives regulated by Corpocaldas for section V of the Chinchiná River, which establish maximum and/or minimum limits required for Dissolved Oxygen, pH, BOD5, Total Suspended Solids and Coliforms, was carried out. Based on the comparison between the 15 scenarios proposed and the water quality objectives, 6 discharge scenarios were preselected through the implementation of a compliance assessment matrix, for which the calculation of the Water Quality Index (WQI – IDEAM, 6 variables) in the monitoring station located after the planned discharge point was made and compared with results obtained of WQI in the station prior to discharge where a regular water quality was obtained (0.6), hoping then, that this value would not decrease greatly once these scenarios were modeled. From the above, 3 scenarios were selected because the variation of the WQI is minimal. Those scenarios were evaluated under the minimum discharge flow (0.19 m3/s); Two of these selected scenarios corresponded to typical values of the evaluated physicochemical characteristics, and one presents minimum (or less critical) concentrations, which could be considered atypical data. It is then inferred that the sediment discharge flow rate is the characteristic that most influences the modeled scenarios. Additionally, a review of the information obtained here is recommended, considering the possibility of managing concentrations and/or flows that may be present at the time of discharging the sediments, since this study represents unique data evaluated from campaigns carried out in the discharge but does not ensure that concentrations remain stable over time.