Trabajo merecedor del PRIMER LUGAR del premio
Rómulo Garza por Investigación y Desarrollo Tecnológico 1998
Predicción del comportamiento
de coliformes fecales en
la Bahía de Acapulco
Enrique Cázares y Blanca Lucía Prado Pano
El tema del agua será siempre un tema sobre la vida. Al menos nuestro planeta y nuestro cuerpo así parecen decirlo. El 90% de la superficie de nuestro mundo está cubierta por agua, y el 85% de nuestro cuerpo está constituido por H2O, por estas moléculas de tres átomos que han estado reciclándose una y otra vez por un tiempo indefinido. La misma agua del diluvio es la que inunda nuestras calles; la misma que sació la sed en el pozo bíblico de Jacob se sigue extrayendo de nuestros pozos profundos para mitigar la nuestra.
Por mucho tiempo creímos que el agua era infinita y que podíamos utilizarla no sólo para beber y regar, para mover molinos y turbinas, para navegar y divertirnos sino también para recibir nuestros desechos y residuos. Pero todo tiene un límite y el agua, también. Hoy el agua protesta con sus olores, se ausenta por años como con temor y después vuelve con toda su fuerza a recordarnos quién manda. Y más por sufrimiento que por convencimiento la reconocemos como indispensable, como recurso no renovable, como algo que tenemos que cuidar.
La experiencia de los países desarrollados nos habla del gran esfuerzo económico y cultural que se requiere para lograr preservar la calidad y cantidad del agua que utilizamos. El reto es mayor para nosotros, enfrentados al dilema del desarrollo y de la preservación del medio ambiente con escasos recursos. La situación no es difícil de entender; las soluciones, sí. Nos enfrentamos a una situación con recursos económicos limitados y con restricciones técnicas, sociales y políticas. Es una situación muy conocida y estudiada por la investigación de operaciones y sabemos que la solución consiste en optimizar. Es decir, analizar las variables que intervienen y su interrelación para saber en qué grado deben participar en la solución para lograr la optimalidad.
Los actores (variables) más relevantes que intervienen en el problema de contaminación de nuestras aguas superficiales son: los cuerpos receptores, las descargas de contaminantes, los recursos económicos, las soluciones técnicas de control y las regulaciones o normas. En la solución, nuestro primer actor (el cuerpo receptor) tiene que intervenir. El cuerpo receptor nos debe decir cuál es su aportación a la solución; es decir, qué tanto de nuestras descargas podrían ser recibidas por él y aun así, conservar un mínimo de calidad para que su agua pueda seguir siendo utilizada. Así aseguraremos que los recursos que tengamos que invertir en el control serán los mínimos necesarios.
Es precisamente aquí en donde los modelos de calidad del agua tienen su mayor justificación y aplicación. Los modelos nos permiten idealizar los cuerpos receptores para determinar su capacidad de respuesta a una cierta descarga de contaminantes y no sólo eso: nos permiten, además, prever lo que sucedería bajo diferentes escenarios de flujos, descargas, grados de tratamiento, etcétera.
Enfrentados al ya citado dilema de desarrollo y preservación del medio ambiente, nuestros puertos y bahías lo viven en agua propia. Las regiones costeras en donde convergen desarrollos urbanos con importancia en actividades turísticas, pesqueras y/o industriales han sufrido en los últimos años un acelerado crecimiento que no ha tenido aparejado al mismo tiempo la construcción de la infraestructura requerida para la protección de las aguas costeras. La falta de construcción de sistemas colectores tanto de aguas residuales como pluviales y la falta de sistemas de tratamiento de aguas han impactado ya en forma severa en la calidad del agua de estas regiones.
El objetivo del presente trabajo fue desarrollar un modelo computacional que permita predecir el comportamiento de coliformes fecales en la Bahía de Acapulco. Este modelo permitirá el análisis de diferentes escenarios con la finalidad de hacer un uso más eficiente de los recursos requeridos para las obras de control necesarias. Pero su contribución no será sólo en la optimización de los recursos económicos sino también en la minimización de los impactos en la salud.
Metodología
La metodología general consistió en las siguientes etapas:
1. Reconocimiento, primera etapa de muestreo y segmentación de la bahía.
Se definieron 13 estaciones de muestreo y se localizaron siete descargas de aguas residuales. En cada estación de muestreo se midieron: pH, temperatura, coliformes fecales, demanda bioquímica de oxígeno y oxígeno disuelto a tres diferentes profundidades. En cada descarga de agua residual se midieron: pH, oxígeno disuelto, coliformes fecales, demanda bioquímica de oxígeno y oxígeno disuelto. La bahía se dividió en 14 segmentos a lo largo, ancho y profundo de la misma. Los factores que se consideraron para esta segmentación fueron: estratificación térmica vertical, profundidad de la bahía, características del agua en cuanto a coliformes fecales, y ubicación de las descargas de aguas residuales. La figura 2.1A muestra los segmentos superficiales del 1 al 11 y la figura 2.1B muestra los segmentos profundos del 12 al 14. El segmento 12 se encuentra por debajo del segmento 9, el 13 por debajo del segmento 10 y el 14 por debajo del 11.
2. Segunda etapa de monitoreo y balance de masa.
El objetivo de esta etapa fue obtener información de la calidad del agua de la bahía para realizar la calibración del modelo computacional. En total, se realizaron ocho viajes de muestreo a las 13 estaciones de muestreo en la bahía (168 muestras en total) y se colectaron 48 muestras de las descargas de aguas residuales. Se estableció la ecuación de balance de masa para cada uno de los segmentos en que se dividió la bahía. Los mecanismos a considerar fueron: advección, dispersión, decaimiento (sedimentación y mortalidad) y descargas (entradas externas a la bahía).
3. Elaboración, calibración y evaluación del modelo computacional.
Se elaboró el modelo computacional en Visual Basic versión 3.0. El modelo resuelve las 14 ecuaciones diferenciales que se plantearon utilizando la ecuación 2.1 y empleando el método de Runge-Kutta de 4† orden. El tamaño del paso utilizado fue de 0.5 horas. Algunos de los parámetros del modelo fueron medidos en campo, otros se estimaron mediante relaciones empíricas reportadas en otros trabajos y, finalmente, los flujos advectivos se definieron mediante la calibración del modelo a las mediciones realizadas en la segunda etapa del monitoreo. La evaluación estadística se realizó mediante la evaluación de datos de cinco días consecutivos de muestreo. Se utilizó la distribución t-student como prueba de hipótesis estadística para evaluar la media del valor absoluto de las diferencias entre los datos de campo y los datos producidos por el modelo.
Resultados y discusión
La figura 3.1A muestra los resultados de la calibración del modelo a las mediciones realizadas en la primera etapa de muestreo y la figura 3.1B muestra la verificación del modelo a las mediciones realizadas durante la segunda etapa de muestreo. Ambas figuras muestran que el modelo reproduce la tendencia general de las mediciones realizadas. Una vez calibrado y verificado el modelo se analizaron nueve escenarios diferentes.
Debido a restricciones de espacio, sólo se presentarán los resultados del escenario en el que se cumplen con las normas de calidad en cuanto a coliformes fecales en todos los segmentos de la bahía y que además significó el menor grado de tratamiento de las descargas de aguas residuales. En este escenario se debe dar tratamiento en dos de las siete descargas para lograr niveles de reducción de coliformes fecales en un 80% en ambas. Con ello se cumplirá con los valores máximos permitidos de coliformes fecales establecidos por las normas en todos los segmentos de la bahía. La figura 3.2 muestra los porcentajes de reducción de CF que se tendrían en cada uno de los segmentos bajo este escenario.
Conclusiones
El modelo elaborado cumple con las expectativas de utilizarlo como herramienta en la toma de decisiones sobre la estrategia a seguir en el tratamiento de las descargas de aguas residuales a la Bahía de Acapulco. El análisis de diferentes escenarios permite tener fundamentos más sólidos para la selección de la mejor estrategia a seguir y que involucra a las diferentes variables que intervienen, y sobre todo, al cuerpo receptor.
Agradecimientos
Los autores desean agradecer el apoyo prestado a este proyecto por la Administradora de Instalaciones Públicas y de Playas, a la Gerencia Estatal de la Comisión Nacional del Agua en Guerrero y al Centro de Calidad Ambiental del Campus Monterrey del Tecnológico.
Enrique Cázares Rivera obtuvo el Doctorado en Ingeniería Civil con especialidad en Ingeniería Ambiental de New Mexico State University, Estados Unidos, en 1992. Es director del Departamento de Ingeniería Civil e investigador adscrito al Centro de Calidad Ambiental.
Blanca Lucía Prado Pano obtuvo la Maestría en Ingeniería Ambiental del Campus Monterrey del Tecnológico. Actualmente labora en la Comisión Nacional del Agua.
Transferencia Posgrado, Investigación y Extensión en el Campus Monterrey
es la
publicación del Campus Monterrey del Tecnológico de Monterrey que divulga las actividades
de investigación, extensión y posgrado.