Comisin Nacional del Agua

MANUAL DE AGUA POTABLE,

ALCANTARILLADO Y SANEAMIENTO

GUIA PARA EL DISEO DE EMISORES SUBMARINOS

Diciembre de 2007

www.cna.gob.mx

HadaLine

ADVERTENCIA Se autoriza la reproduccin sin alteraciones del material contenido en esta obra, sin fines de lucro y citando la fuente. Esta publicacin forma parte de los productos generados por la Subdireccin General de Agua Potable, Drenaje y Saneamiento, cuyo cuidado editorial estuvo a cargo de la Gerencia de Cuencas Transfronterizas de la Comisin Nacional del Agua. Manual de Agua Potable, Alcantarillado y Saneamiento. Edicin 2007 ISBN: 978-968-817-880-5 Autor: Comisin Nacional del Agua Insurgentes Sur No. 2416 Col. Copilco El Bajo C.P. 04340, Coyoacn, Mxico, D.F. Tel. (55) 5174-4000 www.cna.gob.mx Editor: Secretara de Medio Ambiente y Recursos Naturales Boulevard Adolfo Ruiz Cortines No. 4209 Col. Jardines de la Montaa, C.P 14210, Tlalpan, Mxico, D.F. Impreso en Mxico Distribucin gratuita. Prohibida su venta.

Comisin Nacional del Agua Ing. Jos Luis Luege Tamargo Director General Ing. Marco Antonio Velzquez Holgun Coordinador de Asesores de la Direccin General Ing. Ral Alberto Navarro Garza Subdirector General de Administracin Lic. Roberto Anaya Moreno Subdirector General de Administracin del Agua Ing. Jos Ramn Ardavn Ituarte Subdirector General de Agua Potable, Drenaje y Saneamiento Ing. Sergio Soto Priante Subdirector General de Infraestructura Hidroagrcola Lic. Jess Becerra Pedrote Subdirector General Jurdico Ing. Jos Antonio Rodrguez Tirado Subdirector General de Programacin Dr. Felipe Ignacio Arregun Corts Subdirector General Tcnico Lic. Ren Francisco Bolio Halloran Coordinador General de Atencin de Emergencias y Consejos de Cuenca M.C.C. Heidi Storsberg Montes Coordinadora General de Atencin Institucional, Comunicacin y Cultura del Agua Lic. Mario Alberto Rodrguez Prez Coordinador General de Revisin y Liquidacin Fiscal Dr. Michel Rosengaus Moshinsky Coordinador General del Servicio Meteorolgico Nacional C. Rafael Reyes Guerra Titular del rgano Interno de Control Responsable de la publicacin: Subdireccin General de Agua Potable, Drenaje y Saneamiento

Coordinador a cargo del proyecto: Ing. Eduardo Martnez Oliver Subgerente de Normalizacin La Comisin Nacional del Agua contrat la Edicin 2007 de los Manuales con el

INSTITUTO MEXICANO DE TECNOLOGA DEL AGUA segn convenio CNA-IMTA-SGT-GINT-001-2007 (Proyecto HC0758.3) del 2 de julio de 2007 Participaron:

Dr. Velitchko G. Tzatchkov M. I. Ignacio A. Caldio Villagmez

i

CONTENIDO 1. INTRODUCCIN ....................................................................................................2 2. CONCEPTOS BSICOS Y ASPECTOS TERICOS.............................................7 2.1 EL EMISOR SUBMARINO ....................................................................................7 2.1.1 El difusor submarino...........................................................................................8 2.2 CARACTERSTICAS FSICAS DE LAS DESCARGAS.........................................9 2.2.1 Descargas superficiales .....................................................................................9 2.2.2 Descargas sumergidas.....................................................................................11 2.3 PROCESOS DE DILUCIN................................................................................12 2.3.1 Dilucin inicial...................................................................................................12 2.3.2 Dilucin por inactivacin bacteriana .................................................................14 2.3.3 Dilucin por dispersin horizontal.....................................................................14 2.3.4 Dilucin total.....................................................................................................15 2.4 TIPOS DE AGUAS DESCARGADAS..................................................................16 2.4.1 Origen de las aguas residuales domsticas. ....................................................17 2.4.2 Origen de las aguas residuales industriales. ....................................................17 2.4.3 Infiltracin y aportaciones incontroladas...........................................................19 2.4.4 Aguas pluviales en alcantarillado. ....................................................................19 2.4.5 Origen de las aguas residuales termales. ........................................................20 2.4.6 Origen de las descargas salinas. .....................................................................21 2.5 LOS EMISORES SUBMARINOS EN MEXICO ...................................................21 2.5.1 El emisor submarino de la Planta de Bixido de Titanio de Du Pont, Mxico S.A. de C.V., Planta Altamira, Tamaulipas. ...............................................................21 2.5.2 El emisor de Mazatln......................................................................................24 2.5.3 El emisor de Puerto Vallarta.............................................................................27 3. MEDICIN, ANLISIS Y PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIN................31 3.1 INTRODUCCIN ................................................................................................31 3.1.1 Caractersticas de los estudios requeridos para la construccin del emisor submarino..................................................................................................................31 3.2 ESTUDIOS PRELIMINARES ..............................................................................32 3.2.1 Caractersticas de los estudios.........................................................................33 3.3 ESTUDIOS TOPOGRFICOS Y BATIMTRICOS .............................................35 3.3.1 Topografa de la zona.......................................................................................35 3.3.2 Batimetra .........................................................................................................35 3.3.3 Seleccin de los sitios de posibles descargas..................................................36 3.4 ESTUDIOS METEOROLGICOS.......................................................................36 3.4.1 Vientos locales y huracanados.........................................................................36 3.4.2 Vientos en zonas costera .................................................................................37 3.4.3 Caractersticas de los vientos cerca de la superficie........................................37 3.4.4 Vientos extremos (huracanes)..........................................................................38

ii

3.5 ESTUDIOS OCEANOGRFICOS.......................................................................40 3.5.1 Mareas .............................................................................................................40 3.5.2 Corrientes.........................................................................................................43 3.5.3 Oleaje ...............................................................................................................45 3.5.4 Difusin y dispersin ........................................................................................46 3.5.5 Procesos costeros............................................................................................48 3.5.6 Propiedades del agua del mar..........................................................................50 3.5.7 Estudios geolgicos .........................................................................................52 3.6 INSTRUMENTOS, TCNICAS DE MEDICION Y ANLISIS. .............................53 3.6.1 Informacin geolgica y topogrfica.................................................................53 3.6.2 Informacin meteorolgica ...............................................................................53 3.6.3 Informacin oceanogrfica y de calidad del agua ............................................54 3.6.4 Marea ...............................................................................................................54 3.6.5 Corrientes.........................................................................................................54 3.6.6 Oleaje ...............................................................................................................57 3.6.7 Calidad del agua ..............................................................................................58 3.6.8 Barcos oceanogrficos.....................................................................................58 4. CRITERIOS DE DISEO ......................................................................................60 4.1 INTRODUCCIN ................................................................................................60 4.2 CARACTERSTICAS DE LAS DESCARGAS......................................................62 4.2.1 Datos de la descarga........................................................................................62 4.3 ANLISIS HIDRULICO DE LA TUBERA PRINCIPAL DEL EMISOR ..............63 4.4 REVISIN HIDRULICA DEL DIFUSOR...........................................................67 4.5 ESTUDIO DE LA DISPERSIN DE LA PLUMA CONTAMINANTE....................68 4.6 PROCEDIMIENTO DE CLCULO ......................................................................71 4.6.1 Seccin de Datos Bsicos................................................................................71 4.6.2 Seccin de Clculos .........................................................................................71 4.6.3 Seccin de manejo de concentraciones (coliformes/ml)...................................72 4.7 REVISIN DE LAS NORMAS DE CALIDAD DE AGUA EN ZONAS COSTERAS..................................................................................................................................73 4.8 SOFTWARE DISPONIBLE EN LA LITERATURA ...............................................74 4.8.1 Revisin hidrulica de la conduccin ...............................................................74 4.8.2 Determinacin de la dinmica del mar .............................................................75 4.8.3 Estudio de dilucin y dispersin de la pluma....................................................80 4.9 ESTUDIOS DE IMPACTO AMBIENTAL..............................................................84 4.9.1 Ubicacin del emisor ........................................................................................84 4.9.2 Profundidad de la descarga..............................................................................84 4.9.3 Difusores y dilucin inicial ................................................................................84 4.9.4 Corrientes marinas ...........................................................................................84 4.9.5 Informacin bsica requerida para evaluar el impacto ambiental.....................84 5. ASPECTOS TCNICOS .......................................................................................89

iii

5.1 INTRODUCCIN ................................................................................................89 5.2 SELECCIN DEL MATERIAL.............................................................................90 5.2.1 Tuberas de hierro fundido ...............................................................................91 5.2.2 Tuberas de acero ............................................................................................92 5.2.3 Tuberas de concreto .......................................................................................93 5.2.4 Tuberas de plstico .........................................................................................94 5.3 LAS CAUSAS DE LAS FALLAS EN LOS EMISORES........................................97 5.4 AGENTES GENERADORES DE FUERZAS HIDRODINMICAS ......................97 5.4.1 Agentes debidos a la dinmica del mar............................................................97 5.4.2 Agentes debidos al fluido en movimiento .........................................................99 5.5 ANLISIS DE LA ESTABILIDAD DE LA TUBERA...........................................101 5.6 REVISIN POR SISMICIDAD...........................................................................102 5.6.1 Eleccin del Tipo de Anlisis..........................................................................102 5.6.2 Mtodo Simplificado .......................................................................................103 5.6.3 Mtodo Pseudoesttico ..................................................................................106 5.6.4 Anlisis Dinmico ...........................................................................................107 5.6.5 Cruce de Fallas Geolgicas Activas...............................................................107 5.7 ANCLAJES Y PILOTAJES ................................................................................109 5.8 PROCEDIMIENTOS CONSTRUCCIN E INSTALACIN ...............................111 5.8.1 Aspectos de la construccin de un emisor .....................................................111 5.8.2 Seleccin del dimetro de la tubera ..............................................................112 5.8.3 Seleccin de la razn de dimensin estndar de la tubera (SDR) ................113 5.8.4 Anclaje de los emisores submarinos de PEAD. .............................................115 5.8.5 Determinacin de la distancia entre las pesas del ancla ................................115 5.8.6 Determinacin del peso del collarn del ancla ................................................116 5.8.7 Diseo del ancla.............................................................................................118 5.8.8 Moldeado de las anclas de concreto en el lugar de trabajo............................119 5.8.9 Unin de los tramos y acoplamiento de los anclajes a la tubera ...................122 5.8.10 Flotacin, inmersin y colocacin del emisor submarino..............................125 5.8.11 Problema ejemplo. .......................................................................................127 6. EJEMPLOS.........................................................................................................132 6.1 EMISOR SUBMARINO DE COYUCA DE BENTEZ, GRO. MXICO. ..............132 6.1.1 Antecedentes .................................................................................................132 6.1.2 Recopilacin y anlisis de informacin...........................................................133 6.1.3 Seleccin de los posibles sitios de descarga .................................................134 6.1.4 Datos de la descarga......................................................................................134 6.1.5 Anlisis de alternativas. Estudio de las diluciones .........................................134 6.1.6 Ejemplo de diseo del emisor ........................................................................136 6.1.7 Conclusiones..................................................................................................153 6.2 EMISOR SUBMARINO DEL BESS, BARCELONA, ESPAA........................153 6.2.1 Antecedentes .................................................................................................153 6.2.2 La solucin elegida.........................................................................................154

iv

6.2.3 Proceso de construccin del emisor...............................................................157 6.2.4 Fabricacin de la tubera ................................................................................158 6.2.5 Patio de almacenamiento ...............................................................................161 6.2.6 Dragado..........................................................................................................162 6.2.7 Sitios importantes de cruce ............................................................................163 6.2.8 Maniobra de tiro y lanzamiento ......................................................................164 6.2.9 Operaciones finales........................................................................................165 6.2.10 Estacin de bombeo.....................................................................................166 6.3 EMISOR DEL BAIX LLOBREGAT, BARCELONA, ESPAA ............................167 6.3.1 Datos generales .............................................................................................167 6.3.2 Descripcin de las obras ................................................................................167 6.3.3 Principales caractersticas del emisor ............................................................168 6.4 EMISOR DE SAN DIEGO, CALIFORNIA..........................................................172 6.4.1 Datos generales .............................................................................................172 6.5 EMISOR DE NIZA .............................................................................................175

1

Manual de agua potable, alcantarillado y saneamiento Gua para el diseo de emisores submarinos

Resumen El objetivo del libro Gua para el diseo de emisores submarinos es de disponer de la metodologa para el diseo y construccin de los emisores submarinos, que forma parte del Manual de Agua Potable, Alcantarillado y Saneamiento, de la Gerencia de Ingeniera Bsica y Normas Tcnicas perteneciente a la Subdireccin General Tcnica de la CNA. El libro se centrar en los criterios establecidos para las descargas de aguas residuales provenientes de las plantas de tratamiento. El libro agrupa el procedimiento para el diseo de emisores submarinos, desde este punto de vista se hace una descripcin de los elementos tericos necesarios para el entendimiento del proceso fsico y matemtico de las variables. Se presenta una revisin rpida de los emisores submarinos en Mxico; se mencionan los emisores de Altamira, Mazatln y Puerto Vallarta. Enseguida se manejan los aspectos concernientes a la recopilacin, manejo y tratamiento de los estudios de base necesarios; estos estudios incluyen datos concernientes a las condiciones de la calidad del agua y el volumen a verter, la informacin topogrfica, geolgica, oceanogrfica y meteorolgica necesaria. Se describen los criterios de diseo de los emisores los cuales abarcan fundamentos prcticos, hidrulicos y ambientales, recopilados de un sin numero de fuentes bibliogrficas. Se presenta una revisin de las normas de calidad de aguas en Mxico, se sugieren tambin algunos elementos de carcter econmico y social que deben de considerase en el proceso de diseo. Se describen algunos aspectos tcnicos como son los tipos de materiales que se utilizan o recomiendan, los procedimientos constructivos y los mtodos de colocado in situ. Finalmente se mencionan algunos ejemplos a nivel mundial de los emisores del Bess y del Baix Llobregat de Barcelona, Espaa; el emisor de San Diego California; el emisor de la Station de depuration de la Ville de Nice, en Francia. Se menciona tambin el anteproyecto realizado para el diseo del emisor de Coyuca de Bentez en el estado de Guerrero.

2

1. INTRODUCCIN El problema de la contaminacin de los diferentes cuerpos de agua, es un fenmeno que responde al creciente grado de actividad contaminante que se viene dando en las ltimas dcadas. El desarrollo de los procesos industriales y el incremento de transporte martimo aunado al crecimiento poblacional han incidido en un brusco y extraordinario aumento en la recepcin de los cuerpos de agua de sustancias externas contaminantes. El trmino contaminante ha sido definido en la legislacin mexicana como toda materia o energa, en cualesquiera de sus estados fsicos y formas, que al incorporarse o actuar en la atmsfera, agua, suelo, flora, fauna o cualquier elemento natural, altere o modifique su composicin y condicin natural. Por el trmino contaminacin, se entiende la presencia en el ambiente de uno o ms contaminantes o de cualquier combinacin de ellos que cause desequilibrio ecolgico. Las fuentes de generacin las podemos clasificar en actividades industriales, agrcolas, y domsticas, plantas nucleares, fuentes ocasionales y naturales. A pesar de la presencia de la contaminacin en el medio ambiente durante varios siglos, es nicamente hasta los aos treinta, cuando el desarrollo tecnolgico industrial se incrementa, las ciudades comienzan a crecer en forma desproporcionada, se acelera el deterioro del medio ambiente, llegando en estas dos ltimas dcadas a alcanzar niveles tan grandes que no slo afecta la naturaleza, sino la misma existencia de la vida. La explosin demogrfica, el desarrollo tecnolgico, la sobre explotacin de los recursos naturales, estn ligados en un ciclo vicioso cada vez ms intenso y la consecuencia es el deterioro del medio ambiente. Adems, en ciertos pases, las principales ciudades tienen un ndice alto de sobrepoblacin, lo cual impide una correcta planeacin de los servicios bsicos, lo que a su vez tambin contribuye al deterioro del medio ambiente. La circulacin de contaminantes es global, por ende, tambin lo son sus efectos; por muy alejada que se encuentre una comunidad de los grandes conglomerados urbano-industriales, mantiene una cierta relacin comercial y utiliza tcnicas de produccin dainas para su medio ambiente, sus productos qumicamente tratados, lesionan la salud a largo plazo (aunque el consumo mayor de estos productos se lleve a cabo en las ciudades). Por otra parte, el rgimen de vientos y aguas transporta los residuos de la ciudad a cientos de kilmetros de ella, con lo que se generaliza la circulacin de contaminantes, de aqu el trmino de global. Algunas actividades del hombre y los animales migratorios tambin contribuyen como mecanismos conductores de contaminacin. Prcticamente no hay ecosistema acutico que no se encuentre contaminado por aguas negras municipales, pesticidas, aceites, detergentes y en general por una gran cantidad de desechos que afectan la pureza de sus aguas y la vida acutica en las mismas. De particular importancia es el mar que es el ecosistema considerado por muchos como el que da inicio al ciclo hidrolgico y que adems recibe las consecuencias cuando las aguas regresan a l; efectivamente, las aguas, en sus distintas fases

3

recorren diversos ecosistemas y que al estar contaminados se impregna de impurezas, como se describi anteriormente. El incremento de las actividades en las zonas costeras como consecuencia del creciente desarrollo tecnolgico ha deteriorado los sistemas marinos en los ltimos aos a tal grado que las necesidades de restauracin de estos ecosistemas son urgentes. Escurrimientos naturales, sistemas de drenaje de aguas municipales y pluviales, descargas de plantas de tratamiento y descargas de plantas industriales toman al mar como fuente receptora de sus descargas, lo que origina que sus parmetros fsicos, qumicos y biolgicos se vean alterados. Consecuentemente la toma de conciencia de las autoridades sobre el problema de la contaminacin de los diferentes cuerpos de agua ha ido en aumento y las restricciones son cada vez ms estrictas. Desde el inicio de la humanidad, los ocanos del mundo, que cubren 70 % de la superficie de la tierra, han sido utilizados como un receptculo de desechos humanos sin embargo, en trminos generales no han sufrido mayores cambios, pues la composicin qumica del mar se ha mantenido esencialmente por ms de un milln de aos, aun mas cuando se compara la enorme cantidad de materia orgnica y sedimentos llevados al mar por los ros del mundo como resultado de procesos naturales, la contribucin de aguas cloacales producidas por el hombre es pequea. Una observacin interesante sobre la poca importancia relativa de la materia orgnica fue hecha por el Dr. John D. Isaacs1 quien hizo notar que slo la descarga fecal de las anchoas a las aguas costeras del sur de California era equivalente en contenido orgnico (demanda bioqumica de oxgeno y slidos suspendidos) a las aguas cloacales de alrededor de 90 millones de personas, y sta es slo una de los cientos de especies de vida marina. Esto parecera refutar un punto de vista prominente, apoyado por algunos ambientalistas que eliminaran todas las formas de evacuacin hacia los ocanos. Sin embargo ocurren problemas cuando el hombre concentra los desperdicios en reas restringidas en vez de dispersarlos en reas ms amplias donde el proceso natural de purificacin puede actuar con mayor facilidad. Normalmente se desarrollan grandes centros poblados a lo largo de los litorales, en vista de la magnitud del ocano, es lgico as como econmico, que la descarga de las aguas residuales de las ciudades costeras se haga a las aguas marinas adyacentes. 1 Tomada de Salas H. J. (1994)

4

Un emisor submarino diseado apropiadamente provee de un mecanismo eficaz para mitigar la contaminacin contenida en las aguas servidas. Se pueden alcanzar diluciones inmediatas iniciales del orden de 100 a 1 en forma consistente durante los primeros minutos de descarga, lo que reduce la concentracin de materia orgnica y nutrientes, caractersticas de aguas negras, niveles que no tendran efectos ecolgicos adversos en el mar abierto. Muy por el contrario la introduccin de tales sustancias a un ambiente ocenico usualmente deficiente en nutrientes podra probablemente ser beneficioso en muchas situaciones. Despus de la descarga, la reduccin de organismos patgenos para cumplir con criterios establecidos para playas de recreo se obtienen a travs de dilucin fsica y mortandad en el medio marino hostil. Como ha sido demostrado por numerosos investigadores, los emisores submarinos apropiadamente diseados para la descarga de aguas negras tpicas, no han producido impactos ecolgicos significativamente adversos. Para la descarga de sustancias txicas tales como PCBs (bifenilos policlorados), pesticidas, mercurio y otros, se necesitan anlisis mas profundos con nfasis en el control de las fuentes. Surge el dilema sobre cul es la manera ms apropiada de disposicin final: la adopcin de tratamiento convencional de aguas servidas versus emisores submarinos. A menos que haya una clara justificacin, en Amrica Latina no se debe adoptar, a priori, prcticas de algunos pases desarrollados, que obedeciendo a razones polticas en vez de tcnicas, exigen el tratamiento secundario de aguas residuales. Ms bien, en una situacin de mar abierto, no compleja, los emisores submarinos en combinacin con el pretratamiento o tratamiento primario slo para la remocin de material flotante, grasa y aceite posee muchas ventajas sobre las soluciones convencionales que utilizan tratamiento secundario de aguas residuales con descargas ms cercanas al litoral Por ejemplo, una dilucin inicial de 100 a 1 alcanzada por la aplicacin de emisores submarinos est muy lejos de lo que se puede lograr con tratamiento secundario convencional en lo que se refiere a remocin de materia orgnica y nutrientes. Asimismo, la posterior mortalidad de bacterias puede reducir an mas los patgenos a niveles comparables, o menores a aquellos alcanzados por cloracin de los efluentes secundarios. Un argumento natural que favorece a los emisores es que los procesos de tratamiento biolgicos estn sujetos frecuentemente a trastornos que podra resultan en la descarga de aguas residuales crudas en o cerca del litoral. Descontando la falla estructural lo que raramente se encuentra en diseos modernos, tales descargas no pueden ocurrir con el uso de emisores submarinos que descargan fuera del litoral; adems, los emisores pueden ser diseados para manejar adecuadamente variaciones estacinales significantes del flujo de las aguas negras, debido a la poblacin transitoria tpica de reas tursticas. Esta flexibilidad no sera tan factible con sistemas biolgicos de tratamiento secundario.

5

El tratamiento secundario convencional tambin separa el efluente a un costo elevado, en dos corrientes de aguas servidas: efluente tratado que es casi siempre clorado, y lodo - ambos usualmente encuentran su camino hacia el ambiente marino por emisarios separados, lo cual puede considerarse suprfluo. Finalmente, en plantas convencionales no hay redaccin significativa de la mayora de las sustancias txicas. Un anlisis econmico de Ludwig (1998) demuestra que para las aguas residuales urbanas tpicas, la diferencia de costo de construccin y mantenimiento y operaciones entre el tratamiento secundario convencional, por una parte, y los emisores submarinos largos con solo tratamiento primario convencional, por la otra, claramente favorece a la ltima. Esta conclusin se basa en que los emisores submarinos largos (3 a 5 km), diseados apropiadamente, y que descargan en aguas de profundidades mayores a 20 metros, casi siempre cumplen con estndares tanto de coliformes totales como fecales, para playas de recreo. Limitando el tratamiento slo para la remocin de flotantes, grasas y aceites, la comparacin sera aun ms favorable a los emisores, aunque para tales descargas se debe evaluar la posible acumulacin de sedimentos en el fondo y su posterior movimiento hacia el litoral debido a corrientes marinas cerca del fondo. Asimismo, el uso reciente de plsticos ms econmicos en la construccin de emisores alimenta la viabilidad de esta alternativa para disposicin de aguas residuales, especialmente para comunidades pequeas e intermedias. En Mxico, particularmente las zonas del golfo se ven afectadas por la intensidad de las actividades petroleras, las cuales vierten al mar gran cantidad de desechos, producto de los procesos de exploracin y explotacin del crudo. Del lado del Pacfico se tienen actualmente problemas de contaminacin a lo largo del sistema lagunar de Acapulco, integrado por la laguna de Coyuca, la baha de Acapulco, la Laguna Negra y la Laguna de Tres Palos. La explosin demogrfica ha trado como consecuencia una degradacin de la zona o cuencas que confluyen al sistema lagunar, provocando que grandes cantidades de desechos sean arrastrados por los ros, sobre todo en temporada de lluvias, hasta su desembocadura en las lagunas o el mar. La opcin de construir planes integrales de saneamiento debe ser urgentemente promovido por las instancias gubernamentales para remediar los ecosistemas costeros a nivel nacional y evitar en lo posible las descargas en forma directa al mar y reducir al mximo el impacto al medio ambiente. La combinacin del diseo y mejoramiento de plantas de tratamiento de aguas residuales en zonas estratgicas y complementados con emisores submarinos es una alternativa viable que se ha desarrollado en pases como Estados Unidos, Espaa, Francia, entre otros. La forma ms recomendable de disposicin de aguas residuales es descargarlas a travs de tuberas dentro de cuerpos de agua cercanos. Las tuberas para descargas son ms comnmente diseadas con el fin de alcanzar o lograr fines de calidad del agua, es decir, el principal objetivo de la disposicin de aguas residuales en el mar es diluir los contaminantes tan rpida y completamente como sea posible para evitar efectos txicos y minimizar tambin el impacto en el ambiente marino de las

6

inmediaciones del sitio de descarga. Por ejemplo el uso de tuberas muy largas, en combinacin con caractersticas de diseo tales como grandes difusores con multipuertos, puede resultar en descargas de efluentes que son altamente diluidos y ms lejos de la lnea de costa. Una vez ocurrida la dilucin inicial, las corrientes ocenicas actan para seguir diluyendo y purificando dicha descarga. La cantidad de agua transportada en las corrientes martimas es inmensa en comparacin con las cantidades evacuadas por las ms grandes obras de descarga. La alternativa de emisores submarinos tambin debe evaluarse en trminos de necesidades locales del rea. Por ejemplo, en zonas costeras ridas, como en el Per, el rehso de aguas residuales tratadas pueden ser una alternativa viable. Tambin, las prioridades socioeconmicas tomaran una mayor importancia en algunos pases en desarrollo donde la distribucin de los escasos recursos se tiene que hacer dentro del marco de la carencia de hospitales, colegios, abastecimientos seguros de agua o an el alimento necesario para sobrevivir. Se debe evitar la ubicacin de emisarios submarinos para disposicin de aguas residuales cerca de reas ambientales sensibles tales como arrecifes, corales y lugares de cosecha de mariscos etc. En este texto se presentan los elementos necesarios de soporte para el diseo de los emisores submarinos organizados en cinco partes como se describe a continuacin:

Conceptos bsicos y aspectos tericos Medicin, anlisis y procesamiento de la informacin Criterios de diseo Aspectos tcnicos de diseo Ejemplos de diseo

Cada una de estas partes proporciona algunos elementos tiles para el diseo de los emisores submarinos.

7

2. CONCEPTOS BSICOS Y ASPECTOS TERICOS 2.1. EL EMISOR SUBMARINO Un emisor submarino es una tubera sumergida que conduce aguas residuales desde la tierra hacia el mar. La localizacin del punto de descarga de ese emisor es de gran importancia ya que afecta la relacin en la cual la dispersin tomar lugar y el tiempo requerido para que cualquier efluente alcance la lnea costera. Los emisores modernos no solo terminan con una tubera abierta descargando los desechos, sino que adems, el sistema emisor consiste de la tubera principal, accesorios, y sistema de difusores como se indica en la Figura 2.1. El emisor es generalmente cubierto al final, con las aguas residuales saliendo a travs de puertos a lo largo de la longitud de la tubera conocida como difusor. Los difusores son generalmente estructuras de algunas decenas de metros de longitud. El agua residual pasando a travs de los puertos es por lo general menos densa que el agua de mar circundante, y tiende a elevarse hacia la superficie libre. A medida que la pluma de desechos sube, se mezcla con el agua circundante diluyndose en mayor grado en las orillas de la pluma y en menor grado en el centro. Si las aguas receptoras estn en movimiento, la pluma tender a moverse con ellas, formando un campo con aguas residuales mezcladas y la dilucin se incrementar. Con el tiempo, los contaminantes de las aguas residuales empezaran a difundirse dentro del agua del ambiente. Si hay gradientes de densidad en las aguas receptoras, es posible que la pluma pueda ser atrapada bajo la superficie del agua. El grado de mezclado o dilucin que ocurre antes de la difusin de los desechos o que inicie la adveccin es llamado dilucin inicial. La dilucin mnima del efluente en la superficie del agua es de gran inters, ya que esta determina la mxima concentracin de contaminante en la superficie.

Figura 2.1. Composicin del sistema de emisin submarino

8

Tubera del emisor: Actualmente el tipo ms comn de tuberas para emisores submarinos son tuberas de concreto reforzado sobre todo para cuando los dimetros son considerables, aunque en el pasado fueron utilizadas tuberas de hierro fundido y hierro forjado, acero y plstico. Las tuberas de concreto son las ms frecuentemente usadas porque adems de construirse de grandes tamaos, son muy resistentes a ataques del agua de mar y de organismos marinos, y pueden ser reforzadas con cilindros de acero para dar una excelente resistencia a la tensin y a la compresin. Existen emisores de tubera de concreto instalados con dimetros que varan desde 0.305 m a 3.658 m; en profundidades que alcanzan los 100 m y longitudes de hasta 11 Km. Los diversos parmetros que caracterizan la obra para abordar un proyecto consistente de un emisor submarino dependen de datos concernientes a la naturaleza del efluente; nmero de habitantes de acuerdo con el sistema de la red de alcantarillado o en su caso, caudal vertido; tipo de tratamiento que recibe el efluente; vientos; oleaje; corrientes; uso de la zona de descarga. En base a esto se disea el sistema emisor, tomando en cuenta otro tipo de datos como la forma de la costa; flora y fauna; naturaleza del fondo y perfil batimtrico; corrientes marinas; oleaje y mareas; hidrometeorologia local, etc. Con estos grupos de datos se procede al diseo de los parmetros propios del sistema como son: longitud y dimetro del emisor; velocidad del efluente en el emisor; nmero de tubos, longitud y dimetro del difusor; materiales y sus caractersticas fsicas y qumicas; cimentacin y anclaje de los tubos, y otros. El punto de descarga final debe ser localizado en una rea lo suficientemente profunda para asegurar en todo lo posible un campo de desechos sumergido. La experiencia en el diseo de emisores submarinos a nivel mundial establece profundidades de 30 a 60 m, aunque es comn encontrar diseos con profundidades que van desde los 20 m; para descargas pequeas suelen utilizarse profundidades todava menores. No existe una regla para este diseo y mas bien resulta del anlisis de muchos factores y los objetivos de la obra. La zona de descarga debe ser tambin lo suficientemente lejos de la costa e impedir que las corrientes transporten las descargas directamente a la lnea de playa. Existen otros factores que puedan ser importantes, por ejemplo, el sistema debe ubicarse, en la medida de lo posible, lejos de reas de rastreo de pesca o anclas de dragado de barcos que puedan daarlos. Este problema se puede superar enterrando el emisor aunque esto puede resultar una operacin costosa y habra que revisar el balance costo-operacin-beneficio. Finalmente, el sistema del emisor y el difusor debe ser localizado en fondo de material relativamente estable lejos de afloramientos de rocas y reas de grandes corrientes u ondas que puedan causar algn tipo de movimiento del sistema y provocar fracturas o hasta la ruptura del emisor. 2.1.1. El difusor submarino La localizacin del sistema difusor es un factor que muchas veces resulta crtico ya que es la estructura con mayor impacto en la dilucin de las aguas de descarga. Se

9

recomienda colocar esta estructura de forma horizontal y enterrada para facilitar operaciones de instalacin y disminuir los efectos de los asentamientos de los slidos. Las boquillas de los difusores se instalan de tal forma que garanticen que no se azolvaran en el movimiento natural del material del fondo. Un tipo efectivo y simple de difusor es el que distribuye el efluente a travs de muchas bocas sobre un rea grande, con una mnima prdida de carga. La distribucin del flujo debe producirse de modo que la descarga por cada boca sea aproximadamente uniforme; la velocidad del flujo en todas las partes del difusor debe de ser lo suficientemente alta como para impedir que se le depositen partculas residuales restantes despus de la sedimentacin primaria, adems, el diseo debe de permitir limpiezas ocasionales y las bocas deben de descargar llenas en todo momento para evitar la entrada de agua de mar. La prdida de carga total en el sistema debe mantenerse razonablemente baja. Los difusores pueden instalarse en una variedad de configuraciones como se indica el la Figura 2.2.

Figura 2.2 Diferentes formas de estructuras difusoras 2.2. CARACTERSTICAS FSICAS DE LAS DESCARGAS 2.2.1. Descargas superficiales Los efluentes vertidos tienen generalmente menor densidad que las aguas marinas, por lo que tienden a elevarse dentro de estas, o bien, cuando son descargadas en la superficie, a flotar horizontalmente a lo largo de la superficie, desde el cauce, canal o tubera de entrada o descarga (Figura 2.3); este fenmeno conserva alguna similaridad con la mayora de los chorros de descargas sumergidas. Para una distancia relativamente corta, el efluente se comporta como chorro regido por la cantidad de movimiento inicial y dispersndose en sentidos lateral y vertical debido al mezclado turbulento. En este tipo de descargas son importantes la seccin transversal y orientacin del flujo entrando en el curso de la corriente.

10

a) Chorro superficial flotante en ambiente estancado.

b) Chorro superficial flotante en ambiente con flujo transversal.

c) Chorro superficial pegado a la frontera aguas abajo en ambiente con flujo transversal.

d) Pluma introducindose hacia aguas arriba en ambiente con flujo transversal dbil.

Figura 2.3 Patrones tpicos de flujo en chorros flotantes bajo condiciones de

corrientes y aguas estancadas. Despus de esta etapa, las entradas verticales llegan a ser inhibidas debido al frenado de la masa flotante de los movimientos turbulentos, y el chorro experimenta una fuerte dispersin lateral. Durante las condiciones de ambiente estancado, se puede formar una capa razonablemente delgada en la superficie de las aguas receptoras; esta capa puede experimentar movimientos de dispersin flotando como se muestra en la Figura 2.3. En la presencia de flujo transversal en el ambiente, los chorros en la superficie flotante pueden mostrar cualquiera de los tres tipos de caractersticas siguientes de flujo: un chorro desviado dbilmente que no interacta con las lneas de corriente (Figura 2.3b); cuando el flujo transversal es fuerte, puede juntarse aguas abajo a la frontera formando una pluma pegada a la lnea de frontera (Figura 2.3c). Cuando una

11

descarga alta que fluye flotando se combina con una corriente transversal dbil, los efectos de difusin de la masa flotante pueden ser tan fuertes que forma una pluma entrando aguas arriba que tambin permanece cerrada o pegada a la lnea de frontera (Figura 2.3d). 2.2.2. Descargas sumergidas En la mayora de los casos, las aguas receptoras no estn homogneamente mezcladas en la profundidad; es decir, son ms densas en el fondo que cerca de la superficie, lo que produce una estratificacin. Debido a su densidad, que es aproximadamente igual a la de las aguas dulces, las aguas residuales tienden a subir al ser descargadas en el fondo del mar y por consiguiente, incrementa su peso, ms que el agua superficial. Este cambio en la densidad con la profundidad tiene un efecto significante en la dilucin inicial y puede evitar que la pluma alcance totalmente a la superficie provocando que los desechos queden atrapados bajo la superficie, lo cual es deseable usualmente por razones tanto higinicas como estticas, formando un campo de contaminantes sumergido (Figura 2.4). Las capas superficiales con aguas residuales pueden moverse a grandes distancias por la influencia de vientos y olas, frecuentemente hacia la lnea costera. Adems, las corrientes subsuperficiales son usualmente menores que las superficiales, as que el tiempo de viaje hacia la lnea costera se incrementa y se alcanza un mayor tiempo para la degradacin del agua residual.

Figura 2.4 Atrapamiento de aguas residuales en aguas de densidad homognea (a) y estratificada (b)

La variacin de la densidad con respecto a la profundidad puede calcularse con la relacin da/dz y ser negativa movindose hacia la superficie. La variable z representa la dimensin vertical; a(Zo) es utilizado para referir la densidad del mar al nivel de la descarga del difusor (Z0). La profundidad a la cual la pluma se elevar y la dilucin mnima que ocurrir dentro de la pluma puede calcularse relativamente fcil si se asume un cambio lineal en la densidad del agua de mar.

12

2.3. PROCESOS DE DILUCIN Es comn que en zonas costeras las aguas municipales provenientes de los sistemas de alcantarillado se viertan al mar; las normas de calidad generalmente sugieren que esas aguas sean previamente tratadas y depositadas en zonas profundas y alejadas de la lnea de playa. El diseo apropiado de un sistema emisor puede lograr diluciones suficientes de la descarga de aguas residuales para reducir las concentraciones de contaminantes a niveles establecidos por las normas de calidad de agua. Una dilucin mnima de 100:1 es comn y permite que los efectos del emisor supere los tratamientos de las plantas de tratamiento convencionales. Hay varios mecanismos que controlan las caractersticas de dilucin de un emisor los cuales usualmente se consideran en tres fases y son conocidas como dilucin inicial, dilucin bacteriana y dilucin por transporte y dispersin horizontal. 2.3.1. Dilucin inicial La dilucin inicial ocurre durante los primeros minutos al salir las aguas residuales del emisor y est sujeta a tres etapas principales: en primer lugar, la mezcla causada por el impulso de las aguas servidas al salir del emisor provoca una fuerza ascendente causada por la diferencia de densidad entre las aguas residuales y las aguas de mar (diferencia en temperatura y salinidad que hace que el campo de aguas residuales ascienda en la columna de aguas extendindose en el proceso y, por lo tanto, mezclndose con agua de mar, y finalmente, el efecto de la corriente que causa una mezcla lateral de agua de mar renovadora en el campo de las aguas residuales. En segundo lugar, se crea un campo homogneo de aguas residuales por difusin y es una transicin desde el chorro ascendente, o lnea de origen, a una pluma difundida acarreada por la corriente martima. En la ltima o tercera etapa la pluma es acarreada desde las inmediaciones del difusor y diluida an ms por efecto de difusin marina. En esta misma etapa, la sedimentacin y la desaparicin gradual de bacterias o contaminantes no conservativos contribuyen igualmente a diluir la concentracin. La dilucin media de la pluma que se obtiene al descargar verticalmente a travs de un solo puerto u orificio est dada por:

2Dm H)Q/U(29.0S = (2.1)

donde QD es el gasto de descarga (m3/s) H Profundidad de descarga, en m U velocidad media de las aguas receptoras

El valor dado por la ec (2.1), representa 1.8 veces la dilucin mnima en la lnea central de la pluma. Adems se considera que en las descargas con puertos descargando horizontalmente la dilucin se incrementa de un 30 a un 50% (Figura 2.5).

13

b

H

d

Tubo de descarga

(z0)

Ud

Sm

(z)

Figura 2.5 Esquema de un chorro ascendente de agua residual descargada horizontalmente por un difusor dentro del mar

Para una determinada descarga en el mar, la dispersin es mejorada si se logra mediante el uso de un difusor de bocas mltiples colocado en la salida; las bocas pueden ser huecos circulares laterales sin salientes. Si la descarga se hace mediante una sola boca, o sea masivamente, la dispersin y dilucin ser ms lenta que la que ocurrira si se realizar por un rea mayor a travs de mltiples bocas. En efecto, sin el uso de difusores de bocas mltiples, permaneciendo invariables las otras condiciones, se requieren salidas mucho mas largas en aguas profundas para proporcionar el mismo grado de dispersin y la consecuente proteccin costera. La dilucin inicial para difusores de puertos mltiples esta dada por:

35

m )64.0dFH38.0(F54.0S +=

(2.2)

donde Sm es la dilucin inicial d es el dimetro de las bocas de salida del difusor (m) H es la profundidad de vertido (m) F es el nmero de Froude representado por

d27.0U

F d=(2.3)

Donde Ud es la velocidad del agua vertida a travs de los orificios del difusor. Las variables se encuentran definidas en la Figura 2.5. Como puede verse, la dilucin inicial es una funcin de la altura ascendente y del Froude: De las ecuaciones (2.1) y (2.2) se puede ver que si se requiere un incremento en la dilucin inicial, el difusor se puede localizar mas lejos de la lnea costera en aguas mas profundas, ya que el valor de H se incrementa, o bien, un difusor mas largo que

14

pueda ser usado en aguas someras ya que el valor del gasto decrece al aumentar el nmero de orificios de descarga. Se puede disear un sistema de descargas al ocano aceptable una vez que sea conocida la dilucin inicial mnima requerida para la dispersin adecuada de los desechos. La discusin previa ha sido en relacin slo con la dilucin inicial de las aguas residuales, sin embargo, actan tambin otros procesos en la pluma, incluyendo dispersin superficial, difusin y dispersin debido a corrientes. La revisin de estos efectos sobre la descarga se ver mas adelante. A reserva de ver los otros dos procesos de dilucin, podemos mencionar que la dilucin inicial es el principal factor para el diseo del sistema; en al literatura mundial suelen encontrarse diseos con diluciones iniciales que van de 50-200:1. 2.3.2. Dilucin por inactivacin bacteriana Otro de los procesos que acta despus de la dilucin inicial es denominado inactivacin bacteriana. Para la descarga de aguas residuales, el mecanismo de mayor importancia para el diseo es la desaparicin de organismos indicadores tales como coliformes. As el clculo de concentracin de coliformes despus del recorrido de la trayectoria del contaminante est dado por el modelo simple logartmico de mortalidad bacterial propuesto por Brooks (1960)

90TT

b 10S = (2.6)donde

Sb es la dilucin o muerte de coliformes T es el tiempo de traslado de la zona de vertido de las aguas residuales a

la zona a proteger T90 es el tiempo requerido para que se produzca la muerte del 90% de las

bacterias presentes inicialmente. 2.3.3. Dilucin por dispersin horizontal La dispersin horizontal y el transporte son funcin del rgimen de corrientes locales y dispersin turbulenta (mezcla lateral causada por corrientes turbulentas). Brooks (1960) ha desarrollado un modelo que caracteriza adecuadamente estos procesos. La dispersin horizontal despus de que la pluma emerge a superficie se calcula segn Brooks( 1960) por:

15

5.1

1b

t131

S

3

32

h

+

=(2.7)

donde

t es el tiempo de recorrido de la mancha deducido a partir de la longitud de la trayectoria del contaminante

b es el ancho de la descarga emergiendo a la superficie, el cual para una descarga por un puerto nico se puede calcular con la siguiente frmula:

+=

31

dUU4.03.0Hb (2.8)

donde H es la profundidad de vertido Ud es la velocidad de la descarga U es la velocidad media de las aguas receptoras.

Para el caso de puertos mltiples (n) se puede aplicar la siguiente frmula

( )

= 60cos3H

2845.0nb

( )3H845.0nLd =

(2.9)

(2.10)

En donde n es el nmero de orificios Ld es la longitud del difusor, en m es el ngulo que forma el punto de la unin del emisor con el

difusor y la lnea de playa (ver Figura 4.3) Para cuando no se dispone de mediciones reales, Verbestel y Leonard-Etienne (1981) recomiendan utilizar un valor de 0.15 m/s que considera las corrientes de marea y oleaje 2.3.4. Dilucin total La dilucin total es obtenida como resultado de los tres procesos descritos anteriormente, y se calcula simplemente como el producto de tales diluciones:

SSSS hbmT = (2.11)En donde:

16

ST es la dilucin total Sm es la dilucin inicial Sh es la dilucin horizontal Sb la desaparicin o muerte de coliformes

La dilucin total se obtiene por la multiplicacin de las tres diluciones dependiendo del diseo de vertido por un solo puerto o bien por sistema difusor, y los factores Sb y Sh . La concentracin mxima permitida al final de los procesos debe cumplir con las normas de calidad del agua establecidas para las zonas costeras. 2.4. TIPOS DE AGUAS DESCARGADAS La composicin de los caudales de aguas residuales de una comunidad depende del tipo de sistema de captacin de aguas residuales que se emplee, y puede incluir los siguientes componentes.

Agua residual domstica. Procedente de zonas residenciales, instalaciones deportivas, comerciales, pblicas y similares.

Agua residual industrial. Aquella en la que predominan los vertidos

provenientes de industrias.

Infiltracin y aportaciones incontroladas. Agua que entra tanto de manera directa como indirecta en la red de alcantarillado. La infiltracin hace referencia al agua que penetra en el sistema a travs de juntas defectuosas, fracturas y grietas, o paredes porosas. Las aportaciones incontroladas corresponden a aguas pluviales que se descargan a la red por medio de alcantarillas pluviales, drenes de cimentaciones, bajantes de edificios y tapas de pozos de registro.

Aguas pluviales. Agua resultante de los escurrimientos superficiales .

Aguas residuales termales. Una descarga de agua trmica se define como

aquella en la que la disposicin de calor es el propsito primario; el calor proviene de un intercambiador antropognico y los contaminantes adicionales presentes se originan a partir de aditivos, tratamientos y anticorrosivos adicionados en el sistema mas que en el proceso de manufactura.

Descargas salinas. El incremento en la salinidad del agua puede deberse a

diversas actividades humanas. Por ejemplo en las refineras de petrleo se generan aguas con altos contenidos de sal ( 120,000 ppm) como resultados del proceso de lavado y separacin de las aguas del aceite. Estos aguas de desecho se vierten sea al subsuelo o se dispone de ellas en el

17

mar a travs de un emisor submarino. Por otro lado, al pasar el agua por un sistema municipal, incorpora inevitablemente, sales de diversos procesos, como por ejemplo: la recarga de suavizantes con cloruro de sodio.

2.4.1. Origen de las aguas residuales domsticas

Zonas residenciales. En zonas residenciales, generalmente la determinacin de los caudales de aguas residuales se realiza en base a la densidad de poblacin y a la contribucin a las aguas residuales por habitante, empleando valores tpicos.

Zonas comerciales. La obtencin de los caudales de agua residual generados

en zonas comerciales se basa en la comparacin con datos de zonas existentes o de futura implantacin, expresndose usualmente en (m3/ha d). Los valores tpicos oscilan entre 7.5-14 (m3/ha d).

Centros institucionales. Los caudales de agua residual domstica que se

generan en instituciones pblicas, varan considerablemente en funcin de la regin, el clima, y el tipo de institucin.

Espacios y centros de recreo. Los caudales que se generan en este tipo de

instalaciones varan de manera muy marcada en funcin de la poca del ao, dado que su actividad es fundamentalmente de temporada.

2.4.2. Origen de las aguas residuales industriales Los caudales de aguas residuales generadas en las diferentes industrias dependen de diversos factores como: tipo y tamao del centro industrial, el grado de reutilizacin del agua y el pretratamiento que se d al agua utilizada, en caso de que exista alguno. En zonas industriales donde no se empleen procesos hmedos, los valores tpicos de proyecto de los caudales se sitan en el intervalo de 9 a 14 (m3/ha d) para zonas de escaso desarrollo industrial y, para zonas con un desarrollo industrial medio, valores de 14 a 28 (m3/ha d). Las aguas residuales descargadas por operaciones industriales son, en algunos casos la mayor causa de contaminacin del agua. Aunque la naturaleza de los contaminantes asociados con este tipo de aguas residuales vara entre industrias, en la mayora de los casos los problemas que se originan son causados por una o la combinacin de varias de las siguientes condiciones:

Alta demanda bioqumica de oxgeno (DBO). Alta concentracin de slidos suspendidos (SS). Presencia de sustancias txicas.

18

El agua residual industrial proveniente de molinos de pulpa, refineras de azcar, plantas procesadoras de alimentos fcilmente puede tener una DBO de miles de partes por milln (ppm). La DBO y los SS pueden ser mayores 10 o ms veces en efluentes industriales que en descargas municipales crudas. Los problemas generados por abatimiento de oxgeno y/o turbidez y sedimentacin conllevan consecuencias severas. En la Tabla 2.2, se comparan valores de agua residual de una industria alimenticia con valores tpicos de una descarga domstica. Para tener una idea de la magnitud del problema, si se compara un proceso de produccin usando sulfitos de 500 ton/da en una planta procesadora de pulpa, se esperara una descarga de agua residual de 100 millones de litros por da con una DBO de cerca de 1000 mg/L. Esto equivaldra al volumen de drenaje sanitario producido por una ciudad de 250,000 personas y una carga de DBO producida por una ciudad de 1.3 millones de habitantes.

Tabla 2.1 Composicin tpica del agua residual domstica bruta. (Metcalf &

Eddy, 1996) Concentracin Contaminantes Unidades

Dbil Media Fuerte Slidos Totales mg/L 350 720 1200

Disueltos totales mg/L 250 500 850 Fijos mg/L 145 300 525

Voltiles mg/L 105 200 325 Slidos en suspensin mg/L 100 220 350

Fijos mg/L 20 55 75 Voltiles mg/L 80 165 275

Slidos sedimentables ml/L 5 10 20 Demanda Bioqumica de Oxgeno (DBO5,

20C) mg/L 110 220 400

Carbono Orgnico Total (COT) mg/L 80 160 290 Demanda qumica de oxgeno (DQO) mg/L 250 500 1000

Nitrgeno (total en la forma N) mg/L 20 40 85 Orgnico mg/L 8 15 35

Amonaco libre mg/L 12 25 50 Nitritos mg/L 0 0 0 Nitratos mg/L 0 0 0

Fsforo (total en la forma P) mg/L 4 8 15 Orgnico mg/L 1 3 5

Inorgnico mg/L 3 5 10 Cloruros mg/L 30 50 100 Sulfato mg/L 20 30 50

Alcalinidad (como CaCO3) mg/L 50 100 200 Grasa mg/L 50 100 150

Coliformes totales n./100 ml 106-107 107-108 107-109 Compuestos orgnicos voltiles (COVs) g/L < 100 100-400 > 400

19

Tabla 2.2 Concentracin media de los parmetros seleccionados en la descarga residual de un molino de caa de azcar y los valores tpicos de agua

residual cruda domstica Parmetro Agua residual industrial Agua residual domstica

Coliformes fecales 53000/100 ml 106/100 ml Slidos suspendidos 6900 mg/L 200 mg/L

Slidos sedimentables 6600 mg/L - DBO 755 mg/L 200 mg/L DQO 2033 mg/L 350 mg/L

Nitrgeno total 39 mg/L 40 mg/L Fsforo total 15 mg/L 10 mg/L

2.4.3. Infiltracin y aportaciones incontroladas

Infiltracin. Agua que entra en la red de alcantarillado a travs de tuberas defectuosas, juntas, conexiones entre elementos de la red y paredes de los pozos de registro.

Aportaciones permanentes. Agua proveniente del drenaje de stanos y cimentaciones, circuitos de refrigeracin y drenaje de zonas pantanosas y manantiales. Este tipo de aportaciones permanentes pueden ser medidas e incluidas como parte de la infiltracin.

Aportaciones directas. Incluyen las aportaciones del escurrimiento superficial a la red de alcantarillado, circunstancia que provoca el aumento instantneo de los caudales de agua residual. Los posibles orgenes son las aportaciones de edificios, drenajes de terrazas y patios, tapas de pozos de registro y alcantarillas.

Total de aportaciones incontroladas. La suma de las conexiones directas en cualquier punto de la red y la suma de todos los caudales aportados en la red aguas arriba de ese punto, ya sea debidos a desbordamientos, bypass de estaciones de bombeo o similares.

Aportaciones retardadas. Aguas pluviales cuyo drenaje e incorporacin a la red de alcantarillado se produce al cabo de algunos das despus de las precipitaciones. Aqu se pueden incluir las descargas de los sistemas de bombeo para el drenaje de stanos y la filtracin de agua en los pozos de registro de zonas anegadas.

2.4.4. Aguas pluviales en alcantarillado En ocasiones, parte de las aguas pluviales escurre rpidamente por las alcantarillas pluviales y otros tipos de conducciones de desage, parte se evapora y el resto se infiltra en el terreno convirtindose en agua subterrnea. La proporcin de agua que se infiltra depende de la naturaleza de la superficie, las caractersticas del suelo y de la cantidad y distribucin de las precipitaciones segn las estaciones. Toda reduccin en la permeabilidad del terreno, ya sea por la presencia de edificios y calzadas o por heladas, se traduce en un aumento de la escorrenta superficial y una reduccin en las posibilidades de infiltracin de las aguas pluviales.

20

2.4.5. Origen de las aguas residuales termales Las plantas generadoras de energa elctrica, principalmente termoelctricas, producen del 75-80 % de la contaminacin trmica segn datos para E.U. Operaciones industriales realizadas en refineras, plantas petroqumicas, productoras de coque y fundidoras producen el porcentaje restante. Debido a sus caractersticas particulares, las nucleoelctricas descargan aproximadamente 45% ms calor de desecho por unidad de electricidad generada al agua de enfriamiento que las plantas que utilizan combustibles fsiles. La diferencia se debe tanto a la menor eficiencia de las centrales nucleoelctricas (35% vs. 40%) como al hecho de que las termoelctricas descargan cerca del 15% de su calor de desecho al aire. Las nucleoelctricas descargan a la atmsfera alrededor de un 3%. La mayora de las plantas en E.U. operan de forma tal que el efluente generado mantenga una temperatura entre 5-15 C superior a la ambiente. La tasa a la que el agua de enfriamiento debe bombearse a travs de los intercambiadores de calor para lograr cierto incremento de temperatura vara de una planta a otra, no obstante, un valor aproximado de la cantidad de agua requerida sugiere cerca de 2.6-5.2 x 103 m3 d-1 por megawatt (MW) de electricidad para limitar el incremento de temperatura en 10 C. Para E.U., en 1968 el Comit Asesor Nacional Tcnico recomend elevaciones mximas de 0.8-2.8 C, dependientes de la naturaleza del cuerpo de agua y, en el caso de estuarios, de la estacin del ao. En la Tabla 2.3, se especifican dichas recomendaciones.

Tabla 2.3 Elevaciones mximas de promedios mensuales de temperaturas diarias mximas del agua fuera de las zonas designadas para mezclado

rea Elevacin de temperatura

Lagos 1.7 C Ros 2.8 C

Estuarios En verano 0.8 C

Resto de las estaciones 2.2 C Los criterios presentes de la EPA con respecto a la temperatura se promulgaron en 1976. En aguas marinas, el criterio especifica como incremento mximo aceptable en el promedio de temperatura semanal como consecuencia de fuentes artificiales 1.0 C para todas las temporadas del ao. Los criterios para aguas dulces son ms complicados y especficos. Consideran la tolerancia trmica de las especies importantes ms sensibles y los requerimientos para una migracin exitosa, desove, incubacin y otras funciones reproductivas. En Mxico, el criterio de calidad del agua para este parmetro se encuentra en la Tabla 2.1, dentro de la Norma Oficial Mexicana NOM-001-ECOL-1996 donde se establecen los lmites mximos permisibles para contaminantes bsicos, permitiendo

21

descargar aguas a 40 C (tanto como promedio mensual como promedio diario), independientemente de que el cuerpo receptor de la descarga sea un ro, embalse natural o artificial, aguas costeras o humedales naturales. 2.4.6. Origen de las descargas salinas Uno de las mayores restricciones ambientales en la produccin de aceite derivado del petrleo es el alto porcentaje de sulfato de sodio lixiviable a partir de las pilas del aceite (esquisto) gastado. La irrigacin agrega una gran cantidad de sal al agua, un fenmeno que ha sido fuente de conflicto entre Mxico y Estados Unidos por las descargas salinas al Ro Bravo y Ro Colorado. La irrigacin aunada a intensa actividad agrcola provoca formacin de fosas salinas. Esto ocurre cuando el agua con altas concentraciones de sal (principalmente sulfatos de sodio, magnesio y calcio) llega a una pequea depresin o laguna, se deposita, azolva y con el tiempo el agua se evapora dejando un rea con cantidades significativas de sales incapaz de soportar crecimiento vegetal. En Mxico se ha identificado otro problema asociado a altas salinidades. Durante la extraccin de petrleo, particularmente en las plataformas marinas del Golfo de Mxico, para mantener presurizado el pozo y facilitar la extraccin se inyectan grandes cantidades de agua marina en el yacimiento. Una vez extrado el petrleo, el agua de acompaamiento con la que sale se separa y al hacerlo se tiene un efluente hipersalino de difcil tratamiento y disposicin. Normalmente esta agua se regresa al mar sin tratarla para remover las sales, formando un gradiente de densidades y como consecuencia problemas ecolgicos de cierta magnitud. 2.5. LOS EMISORES SUBMARINOS EN MEXICO 2.5.1. El emisor submarino de la Planta de Bixido de Titanio de Du Pont, Mxico S.A. de C.V., Planta Altamira, Tamaulipas. Antecedentes: En las ltimas dcadas, la regin sur del estado de Tamaulipas ha registrado un crecimiento acelerado al instalarse una serie de plantas industriales en el Municipio de Altamira, como parte de un programa nacional de desarrollo industrial para incrementar la capacidad productiva del pas. Esto ha contribuido paulatinamente al deterioro ambiental de los ecosistemas, en particular las zonas martimas aledaas, las cuales reciben las aguas provenientes de las plantas industriales. Las planta de Pigmentos y Productos Qumicos de Altamira (PPQ), perteneciente a Du Pont, ha venido operando desde 1960 y, actualmente, utiliza como materia prima principal Ilmenita -que es un mineral con alto contenido de titanio y fierro, cloro y coque de petrleo. El proceso consiste en la reaccin del mineral con el cloro; con la formacin subsecuente de tetracloruros de titanio y fierro, entre otros compuestos. Las aguas residuales que descarga la planta de PPQ, como resultado de su proceso de produccin, son vertidas en el Golfo de Mxico a travs de una lnea de

22

aproximadamente 7.5 km de longitud, que incluye un emisor y difusor submarino de 3.5 km. (Figura 2.7) En 1995 se inicia con el programa de mejoramiento de la descarga que contempla 5 proyectos insertos en el Titulo de Concesin que la Comisin Nacional del Agua les extendi con condiciones particulares de descarga que paulatinamente se vieron mejoradas por las obras como segregacin de drenajes, planta de tratamiento de aguas sanitarias e industrial, as como el proyecto de Neutralizacin que utilizando la tecnologa de Hardtac es posible neutralizar las corrientes de cloruro frrico (FeCl3), cloruro ferroso (FeCl2) y cido clorhdrico (HCl). Ya en forma de Hidrxidos son filtrados y dispuestos en una celda de transferencia de coproducto y el resto bombeado hacia el Mar en forma de salmuera, al entrar en contacto con el agua marina, se hidrolizan y el fierro en estado ferroso es oxidado por el oxgeno disuelto en el agua, a fierro trivalente como oxido frrico. Este emisor entro en funciones a partir de marzo del 2001. Las concentraciones actuales del Fe estn en el orden de las 3000 mg/L, y los SST alrededor de 150 mg/L con un pH de entre 6 y 9.

Figura 2.7 Lnea de conduccin de las descargas de la planta Caractersticas fsicas del emisor: El emisor submarino consta de una longitud de 3.5 km teniendo como dimetro interior 46 cm; esta tubera de polietileno de alta densidad consta de un recubrimiento exterior segn se especifica en la Figura 2.8, la lnea fue colocada en el lecho marino dentro de una zanja recubierta como se ilustra en la misma Figura.

Figura 2.8 Seccin transversal de la lnea principal del emisor y la zanja protectora

23

En la parte terminal se tiene el difusor, como se indica en la Figura 2.9, en donde pueden verse los 10 orificios o puertos de salida. El dimetro interno del difusor es de 46 cm, siguiendo con la lnea principal, y tiene una longitud total de 44 m. En la Figura 2.9 pueden verse tambin los anclajes que fueron instalados debido a que este tramo sale del lecho marino. La seccin tpica del difusor con un puerto se muestra en la Figura 2.10.

Figura 2.9 Vista de planta y perfil del difusor. Detalle de la unin con el emisor y seccin tpica del difusor con un puerto

En la Figura 2.10 se muestra esquemticamente la dispersin de la pluma de contaminantes segn las condiciones del oleaje predominante.

24

Figura 2.10 representacin esquemtica de la dispersin de la pluma

2.5.2. El emisor de Mazatln Antecedentes En Mazatln la planta de tratamiento, de aguas residuales, y el emisor submarino estn a cargo de la Junta Municipal de Agua Potable y Alcantarillado de Mazatln (JUMAPAN). La planta de tratamiento esta localizada en el Cerro del Crespn, punto en donde inicia el emisor submarino el cual consta de un tramo de 216 m en tierra y 800 m en la parte marina. El tubo del emisor es de acero ASTM-120 de 0.914 m dimetro. Cuenta con un revestimiento anticorrosivo de alquitrn de hulla y recubrimiento de concreto. La parte final del emisor, los ltimos 180 m, tiene 45 difusores los cuales estn separados cada 4 m aproximadamente. El emisor esta en proceso de rehabilitacin por lo que actualmente se esta cambiando parte de la tubera y de los difusores, utilizando polietileno de alta densidad. En la Figura 2.11 se presenta la ubicacin del emisor en la zona costera de Mazatln.

25

Figura. 2.11 Mapa de localizacin de la planta de tratamiento de Mazatln. La planta de tratamiento y el emisor se encuentran en el circulo inferior del mapa a

un costado del Cerro el Crespn Caractersticas generales del emisor de Mazatln

Longitud total del emisor tramo terrestre Tramo marino

1011 m 216 m 795 m

Dimetro interior 0.914 m Profundidad 24 m No. de difusores 45

En las Fotografas 2.1 a 2.3 se muestran algunas imgenes del estado actual de la reparacin del emisor

26

Fotografa 2.1 Colector de la planta de tratamiento e inicio de la tubera del emisor submarino. El tubo de acero ha sido remplazado por polietileno de alta densidad. Al costado izquierdo se observa parte de la planta de tratamiento de

JUMAPAM

Fotografa 2.2 Colocacin del tubo original de acero del emisor y conexin de

los tubos nuevos de polietileno de alta densidad

27

Fotografa 2.3 Rehabilitacin de la parte terrestre del tubo del emisor. Al fondo,

la planta de tratamiento de JUMAPAM

2.5.3. El emisor de Puerto Vallarta Antecedentes Puerto Vallarta cuenta con un emisor submarino el cual actualmente funciona espordicamente para descargar aguas pluviales de la ciudad. Con base a informacin proporcionada por el Sistema de los Servicios de Agua Potable y Alcantarillado (SEAPAL) de Puerto Vallarta, el emisor oper normalmente hasta 1995. El emisor inicia en de la Planta de Tratamiento Centro (en donde actualmente se encuentra en las oficinas de la SEAPAL) y se extiende 300 m hasta llegar a la costa. A partir de ah se estima que el emisor es de aproximadamente 0.914 m (36) de dimetro y de 800 m de longitud, cuenta con una serie de difusores ubicados en la parte final de la tubera; las caractersticas generales se resumen en la Tabla 2.4. La capacidad del emisor es de 300 L/s y el tratamiento que se le daba a las aguas antes de descargarlas era primario. Con el crecimiento de la ciudad el emisor result insuficiente adems de que se opt por tratar las aguas residuales. Actualmente, Puerto Vallarta cuenta con dos plantas las cuales se encargan de tratar todas las aguas de la ciudad. Una ella es administrada por la SEAPAL (P.T. Norte I) y la otra por la compaa Biwater (P.T. Norte II). La planta Biwater tiene capacidad de tratar hasta 1000 L/s mientras que la de la SEAPAL de 100 L/s. Por la eficiencia en el tratamiento de las aguas gran parte del flujo se dirige a la Planta Biwater la cual procesa en promedio 700 L/s. Las aguas tratadas son descargadas al Ro Ameca, asimismo una parte de las aguas que se descargan (200 L/s) son reutilizadas en riego de cultivos y campos de golf. Anlisis de laboratorio de la calidad del agua de la planta muestran que la planta cumple de acuerdo a la norma NOM-001-ECOL-1996, que establece los limites mximos permisibles de contaminantes en las descargas de aguas residuales en aguas y bienes nacionales.

28

Caractersticas generales del emisor de Puerto Vallarta

Longitud total del emisario tramo terrestre tramo marino

1100 m 300 m 800 m

Dimetro interior 0.914 m Profundidad 40 m Capacidad 300 l/s

No. de difusores (perforaciones) 12 Finalmente, a pesar de que el emisor submarino de Puerto Vallarta ya no opera continuamente, a ste se le ha dado mantenimiento y funciona principalmente para descargar el exceso de aguas pluviales durante la poca de lluvias y forma parte del sistema para cualquier contingencia que pudiera ocurrir en las plantas de tratamiento. En las Fotografas 2.4 a 2.7 se muestran imgenes del emisor y las plantas de tratamiento

Fotografa 2.4 Vista del colector del emisor submarino de Puerto Vallarta

29

Fotografa 2.5 Colector e inicio del emisor submarino de Puerto Vallarta

Fotografa 2.6 Colector de la planta Biwater recibiendo las aguas para su

tratamiento

30

Fotografa 2.7 Descarga de las aguas residuales posterior a su tratamiento en

la Planta Biwater

31

3. MEDICIN, ANLISIS Y PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIN 3.1. INTRODUCCIN Uno de los aspectos fundamentales que se requiere para el diseo de emisores submarinos es el de contar con un conocimiento amplio de las condiciones marinas que prevalecen en el rea. Es evidente que un estudio completo del medio ambiente costero puede resultar en un ahorro significativo en la construccin del emisor. Por lo tanto, los aspectos que se deben cubrir en los estudios ambientales son los siguientes:

1. Recopilar suficiente informacin para que el diseo del emisor cumpla con los requerimientos de calidad del agua correspondientes al medio ambiente marino que lo rodea. 2. Proveer de informacin ingenieril para su diseo funcional y estructural. 3. Proveer de la informacin necesaria para evaluar la viabilidad de varios diseos de construccin.

El disponer de esta informacin requiere del estudio multidisciplinario del medio ambiente marino. En estos casos los estudios oceanogrficos son necesarios para evaluar la circulacin y capacidad de dilucin, del medio receptor de las aguas residuales, bajo diferentes regmenes de marea y condiciones meteorolgicas. As mismo, es necesario llevar a cabo estudios ecolgicos y de calidad del agua para evaluar el impacto ambiental del emisor, sobre la flora y fauna de las diferentes especies endmicas de la zona, y verificar que el diseo cumple con los estndares ambientales de calidad. Mientras que para el diseo estructural es necesario investigar las fuerzas que actuarn sobre el emisor, batimetra, geologa, geotecnia y sedimentologa del fondo marino en donde se har el tendido de la estructura del emisor. En las siguientes secciones se describen los estudios bsicos mas importantes que se deben considerar para el diseo de emisores submarinos. Asimismo, se pretende que estos estudios sirvan de gua para evaluar la viabilidad de la obra. Por lo tanto, para que se tenga un mayor xito en el diseo, construccin y operacin del emisor se deben de considerar los estudios oceanogrficos, meteorolgicos, topogrficos, batimtricos, geofsicos, ecolgicos y de calidad del agua. 3.1.1. Caractersticas de los estudios requeridos para la construccin del emisor submarino Las actividades requeridas para el diseo y construccin del emisor submarino se pueden dividir en 3 fases:

32

1. Estudios preliminares. Consisten en una evaluacin de las opciones de descarga, establecer la calidad del agua del medio receptor y, asimismo, permitir una o varias opciones de sitios para la descarga del emisor. Estos estudios se pueden llevar a cabo a travs de informacin ya existente del rea de estudio, sin embargo, en la mayora de los casos es necesario complementar los estudios de gabinete con mediciones preliminares del rea de estudio.

2. Estudios especficos. Se deben llevar a cabo investigaciones especficas del

rea de estudio suficientes para establecer los posibles sitios de ubicacin del emisor y proveer informacin suficiente para su diseo final.

3. Monitoreo. Posterior a su construccin se deben llevar a cabo mediciones de

monitoreo para evaluar si el emisor esta cumpliendo con los estndares de diseo y establecer el impacto real al medio ambiente.

Los alcances y tipo de estudios depender de varios aspectos como son la cantidad y calidad de datos existentes sobre el rea, los recursos disponibles y del criterio de calidad de agua que se tenga que cumplir. Por ejemplo, los estndares de calidad del agua son mas estrictos en playas tursticas mientras este estndar puede ser menos estricto en reas en donde no se pone en riesgo la salud humana ni a las comunidades marinas. La magnitud de los estudios depender del volumen de aguas residuales a descargar. Generalmente, un emisor cuyo volumen de descarga es pequeo requiere de estudios a escala mas local que aquellos emisores cuyo volumen de descarga sea mucho mayor. 3.2. ESTUDIOS PRELIMINARES Uno de los aspectos importantes del diseo de un emisor son los estudios preliminares los cuales estn enfocados a:

Considerar las diferentes opciones, recursos y posibles restricciones.

Recopilar y evaluar la informacin existente.

Establecer los criterios ambientales para el diseo del emisor.

Definir costos aproximados de la obra y evaluar el proyecto ejecutivo. Con toda esta informacin es posible establecer una estrategia sobre los costos y evaluar la factibilidad de uno o un numero limitado de sitios de ubicacin del emisor. De esta forma el planteamiento traer consigo un ahorro significativo de tiempo y de dinero, ya que no se recopilar y analizar informacin de campo innecesaria e irrelevante o se examinen detalles de opciones que no son tangibles.

33

3.2.1. Caractersticas de los estudios Estudios de gabinete Antes de iniciar cualquier medicin de campo es fundamental llevar a cabo una revisin exhaustiva de la informacin existente del rea y aspectos tales como:

Definir el rea de influencia del emisor submarino y establecer el criterio de calidad del agua

Recopilar informacin sobre las descargas existentes, estaciones de bombeo

y descargas submarinas. Establecer la descarga actual y futura del emisor, as como, considerar cambios estacionales y otras variaciones que pudieran existir. Asimismo, considerar las posibles limitaciones hidrulicas del emisor.

Calcular la dilucin requerida para descargar en el medio ambiente receptor.

As como, la factibilidad de la construccin del emisor en base a estudios batimtricos, geofsicos y geotcnicos.

Fuentes de informacin Actualmente existen bases de datos meteorolgica y costera que puede ser utilizada como base para la planeacin, ubicacin y diseo del emisor (Tabla 3.1). Gran parte de esta informacin es muy general y por lo tanto resulta insuficiente para los propsitos requeridos en el diseo, sin embargo, esta informacin es de gran utilidad ya que nos da una primera aproximacin de los caractersticas y procesos que ocurren en el rea de emplazamiento del emisor.

Tabla 3.1. Informacin requerida para el diseo de emisores submarinos.

Informacin preliminar puede ser obtenida a travs de diferentes instituciones y consultada como parte de los estudios de gabinete para el diseo del emisor

submarino Tipo de datos Fuentes

Corrientes Secretara de Marina, Universidades e instituciones de investigacin

Mareas Instituto de Geofsica de la UNAM, Secretara de Marina y CICESE

Oleaje universidades e instituciones de investigacin Vientos SMN e IMTA

Batimetra Secretara de Marina, INEGI Perfiles de temperatura y salinidad Bancos de datos internacionales

Geologa (sedimentos) INEGI

34

Estudios preliminares para el diseo del emisor En reas en donde se carece de informacin sobre las corrientes ser necesario llevar a cabo mediciones para obtener la primera evaluacin sobre los posibles sitios de emplazamiento del emisor. La informacin recopilada deber ser suficiente para establecer el patrn de flujo regional y determinar el alcance de los estudios subsecuentes que tengan que llevarse a cabo en el rea de estudio. Aspectos en la circulacin que pueden ser crticos, en la ubicacin del emisor, son la ocurrencia de remolinos, que al separarse de la corriente costera, generen un patrn de circulacin hacia la costa que transporte las aguas residuales hacia la zona costera o reas de estancamiento debido a los rasgos topogrficos o batimtricos. Adicionalmente, se puede utilizar un modelo numrico con baja resolucin para sintetizar y ayudar en la interpretacin de los datos de corrientes. Los modelos, sin embargo, deben ser utilizados con cuidado debido a las limitaciones que imponen los diferentes esquemas numricos y a la verificacin en base a los escasos datos de campo obtenidos de las mediciones preliminares. Estudios especficos del sitio para el diseo del emisor Los resultados del estudio preliminar permitirn establecer el proyecto y la factibilidad del emplazamiento del emisor. Con base a esto se podrn evaluar las diferentes opciones de descarga del emisor y descartar aquellas que no se apeguen a ciertas caractersticas y, asimismo, las reas que se consideren mas viables sean estudiadas mas profundamente. Finalmente, los principales objetivos de los estudios especficos del sitio son:

Satisfacer las normas de calidad de agua.

Proveer de informacin bsica para el diseo hidrulico del emisor.

Establecer la factibilidad de la obra y costos de construccin El alineamiento optimo, longitud y configuracin del difusor estar en funcin del costo y de la capacidad de descarga, la dilucin inicial de la pluma (cuando sale del difusor y se mueve a la superficie), de la dilucin secundaria de la pluma (conforme es transportada lejos del punto de descarga) y de las normas de calidad del agua establecidas para el sitio. Es necesario el clima de oleaje para evaluar las cargas sobre la estructura. La batimetra y perfiles de las capas del lecho marino son necesarias como parte del estudio de diseo para conocer las caractersticas del fondo marino y anticipar cualquier problema durante la construccin. Asimismo, asegurar que los procesos advectivos y difusivos del rea sean capaces de diluir las aguas descargadas y mantener los estndares de calidad del agua. Esto se puede llevar a cabo mediante la combinacin de experimentos en el sitio y modelacin numrica. El grado de

35

sofisticacin del modelo depender de la naturaleza del sitio de descarga. En algunos casos un modelo simple de dispersin de plumas ser suficiente mientras que modelos mas sofisticados sern requeridos en casos en que la batimetra y corrientes sean mas complejas. Por lo tanto, dependiendo de las dimensiones y resolucin espacial utilizadas ser la demanda de tiempo de computo. Finalmente, es evidente que una componente esencial para establecer la factibilidad del emplazamiento de un emisor son las mediciones que se lleven a cabo en el sitio. Las mediciones en el sitio son requerida para verificar empricamente la ubicacin de descarga y los difusores y la calibracin del modelo numrico que simula las condiciones ambientales del rea alrededor del emisor. Solo cuando el modelo sea totalmente validado con los datos de campo podr ser utilizado para evaluar, con certidumbre, la factibilidad del emisor. 3.3. ESTUDIOS TOPOGRFICOS Y BATIMTRICOS 3.3.1. Topografa de la zona Los estudios topogrficos forman parte fundamental del diseo y a su vez estn ntimamente relacionados con la morfologa costera. El Instituto Nacional de Estadstica, Geografa e Informtica (INEGI) cuenta con cartas topogrficas con escala 1:50000 que proporcionan informacin sobre el relieve del terreno de la margen costera. Un anlisis prospectivo de las elevaciones nos dar una primera aproximacin de donde se podra ubicar la planta de tratamiento y la distancia y pendiente del tubo del emisor. Sin embargo mediciones mas precisas sern requeridas para llevar a cabo el diseo de la planta e inicio del emisor. Ciertos aspectos tienen que ser considerados de acuerdo a cada caso y que estarn determinados de acuerdo al tipo de margen continental tales como:

zona de dunas o acantilados playa arenosa o rocosa caractersticas del suelo

Las dunas juegan un papel muy dinmico en lo que es la zona de transicin de la margen continental y zona costera por lo que deber de evitarse el perturbar este ambiente y evitar problemas posteriores. Asimismo, pudiera haber otros factores que por las caractersticas del relieve debern ser considerados y son los: tectnicos y climticos 3.3.2. Batimetra Para el diseo del emisor es fundamental conocer la profundidad del lecho marino o plataforma continental. La descripcin de las profundidades se conoce como batimetra del rea. Para la zona costera y marina existen cartas batimtricas las cuales dan una idea de las caractersticas del fondo marino, sin embargo, no proveen de los detalles suficientes para el diseo del emisor submarino. El INEGI cuenta con

36

la carta batimtrica de la Zona Econmica Exclusiva de Mxico a escala de 1:1,000000. Asimismo la Secretaria de Marina publica cartas batimtricas a una escala mas detallada de las principales rutas de navegacin, sin embargo, datos cercanos a la costa son escasos. Para el diseo del emisor se requiere informacin reciente y detallada de la profundidad de la zona costera por lo que ser necesario llevar a cabo mediciones alrededor del sitio. La cantidad de datos requeridos depender de las caractersticas del proyecto. Asimismo, estas pueden complementarse con otras fuentes disponibles de datos. Las batimetras son referidas al nivel medio del mar (NMM) y este se establece a partir de los datos mareogrficos. A partir del NMM se establece tambin la lnea de costa. Finalmente, con la batimetra del sitio seleccionado se podr establecer algunas caractersticas de diseo del emisor tal como su longitud y forma del difusor. 3.3.3. Seleccin de los sitios de posibles descargas Basado en el anlisis la informacin, de los dos puntos anteriores, se pueden ubicar en forma preliminar la ubicacin de los sitios mas factibles en los cuales se puede ubicar el emisor. Sin el resultado final de la ubicacin del sitio estar tambin determinado por la capacidad del medio en transportar y diluir la descarga del emisor. 3.4. ESTUDIOS METEOROLGICOS El estudio de la meteorologa costera y marina es otro aspecto importantes que debe de considerarse para el diseo del emisor submarino. Las principales variables meteorolgicas que pueden incidir en el diseo son: el viento, la precipitacin, evaporacin, temperatura y la radiacin solar. Estas variables y su interaccin incidirn, directa o indirectamente, en establecer las condiciones ambientales tanto de la zona marina como de la zona costera. El viento, por ejemplo, incidir en la generacin del oleaje, las corrientes (inducidas por el viento) y posibles sobre elevaciones del nivel del mar debido a vientos huracanados. 3.4.1. Vientos locales y huracanados La circulacin atmosfrica es determinada principalmente por la radiacin solar y la rotacin de la Tierra. En las zonas costeras el movimiento horizontal de los vientos esta determinado por el gradiente horizontal de la densidad del aire inducido por el calentamiento diferencial del ocano y las reas continentales. Mientras que los movimientos verticales de las masas de aire son tpicamente generados por la inestabilidad inducida por la radiacin solar, por adveccin de una masa de aire a una regin de diferente densidad y por efectos topogrficos.

37

3.4.2. Vientos en zonas costera Los vientos en cualquier regin corresponden a la superposicin de varios procesos atmosfricos de diferentes escala espacial y temporal. Por lo tanto, debido a la combinacin de los diferentes procesos los vientos son raramente constantes durante largos intervalos de tiempo. En zonas costeras la presencia de la margen continental juega un papel importante en el efecto del viento ya que lo puede desviar o bloquear. Asimismo, el viento cambia peridicamente debido a las diferencias de temperatura y flujos de calor entre la superficie del agua y de la tierra lo que produce el efecto de brisa. La brisa tiene un periodo diario y su efecto llega de 10 a 20 km dentro y fuera de la costa con velocidades menores a los 10 m/s. El efecto mas visible del esfuerzo del viento sobre la superficie del agua es la generacin de olas las cuales inducen un movimiento oscilatorio de las partculas de agua que decrece con la profundidad. De igual forma el esfuerzo del viento produce un movimiento uniforme de la capa superficial en direccin del viento. Asimismo, la capa superficial transfiere movimiento a las capas mas profundas produciendo un perfil de velocidades que decrece con la profundidad. Una descripcin mas detallada del efecto del viento en la circulacin se da en la seccin 2.5.2 de corrientes. Otro de los efectos que causa el viento en zonas costeras es la sobre elevacin del nivel del mar cuando este se dirige ha