Planeación.
El protocolo de red inteligente de monitoreo y seguimiento de la calidad del agua del sistema de caños internos de la ciudad de Cartagena nace a partir de la visión de la Entidad Pública Ambiental (EPA) de contar con un sistema inteligente de monitoreo, operado por una entidad pública, que permita de manera real conocer y evaluar el estado de calidad en que se encuentra el sistema. Protocolo que cuente con estaciones de monitoreo de variables de calidad de agua in situ (automáticas), acompañadas de campañas de muestreo y laboratorio que de la mano con un centro de operaciones de manejo sistematizado presenten alertas, análisis y balances periódicos de la calidad del agua del sistema de caños y lagos.
Objetivos.
- Monitorear el sistema de caños y lagos de la ciudad de Cartagena en busca de la recuperación ambiental del mismo.
- Establecer línea base de la calidad del agua del sistema de caños y lagos internos de la ciudad de Cartagena.
- Realizar seguimiento periódico y/o continuo a la evolución multitemporal y espacial de la calidad de estos cuerpos de agua.
- Determinar si el cuerpo de agua cumple continuamente con los estándares de calidad de agua estipulados por la normatividad teniendo en cuenta el tipo de uso.
- Informar sobre eventuales procesos de contaminación.
Reconocimiento preliminar del sistema.
El reconocimiento del sistema de caños y lagos compuesto por un análisis multitemporal de la calidad, se realizó a partir de dos componentes: un primero componente en donde se realizaron dos (2) campañas de 26 horas de medición de parámetros in situ; un segundo componente en donde se realizaron dos (2) campañas de toma de muestras físico-químicas y microbiológica, adicional a ello se complemento con una descripción paisajística, hidrológica y climatológica del sistema, que puede encontrarse en el tomo II concerniente al Estudio Integral.
Selección de las variables y parámetros.
La selección de las variables y parámetros está orientada a cumplir cada uno de los objetivos del protocolo.
Variables de calidad de cuerpos de agua.
Se seleccionan buscando evaluar la calidad del agua en función del uso, a partir de indicadores, para poder determinar posibles procesos de contaminación.
Parámetros establecidos para los usos del agua según decreto 1584.
Variables seleccionadas
El decreto 1594 de 1984 define numerosos parámetros para la preservación de flora y fauna principalmente; sin embargo, el decreto 3930 de 2010 en su artículo 22 establece que en casos que se definan múltiples usos para un mismo cuerpo de agua, se debe escoger los rangos más restrictivos.
Variables seleccionadas para monitoreo de la calidad del agua.
Variables de seguimiento de factores externos de contaminación.
Para la selección de las variables de seguimiento de los factores externos de contaminación se definió en dos tipos las puntuales y las no puntuales; adicionalmente se seleccionó el seguimiento de factores antrópicos causantes de contaminación.
Fuentes contaminantes.
Estas se clasifican como fuentes puntales (cualquier fuente con una ubicación fija y puntual; por ejemplo: tuberías y canales) y fuentes no-puntuales (cualquier fuente distribuida en un área que no puede asignarse a un punto fijo en particular, principalmente escorrentía, y pueden provenir de: agricultura, minas abandonadas, bosques, hidromodificación y alteración de hábitats, marinas y muelles, carreteras, áreas urbanas, orillas de ríos, humedales). Es importante identificar las fuentes de contaminación del sistema. En la actualidad, la ciudad no cuenta con una base de datos completa y actualizada de la caracterización de todas las fuentes contaminantes, especialmente las no-puntuales.
Caracterización de fuentes no puntuales de contaminación Con respecto a las fuentes no-puntuales, se hace necesario realizar una caracterización de la escorrentía para cada una de las cuencas que drenan hacia el sistema de caños y lagos de Cartagena para conocer los tipos de contaminantes y la concentración de los mismos.
El principal problema asociado a la escorrentía es el transporte de sedimentos y contaminantes a los cuerpos de aguas. El transporte por escorrentía en las calles, techos y aceras, disuelve y mueve contaminantes que pueden variar desde sustancias químicas que se aplican a jardines, desechos orgánicos de animales, y residuos metálicos. Algunas situaciones asociadas a la contaminación por esta fuente son la contaminación atmosférica, producto de combustiones incompletas originadas por el tráfico vehicular y la actividad industrial, contaminantes que luego se precipitan y llegan a los cuerpos de agua por escorrentía. Por otro lado están los contaminantes por lavado de superficies como los tejados que en tiempo seco acumulan sedimentos y corrosión de los materiales propios tales como metales: el cobre (Cu), zinc (Zn) y níquel (Ni). (Romero Rojas, Andrade Santana, & Mora Rusinque, 2013).
Caracterización típica aguas lluvias.
Fuente: (Romero Rojas, Andrade Santana, & Mora Rusinque, 2013).
Cuencas hidrográficas en la zona de estudio.
Caracterización de fuentes puntuales de contaminación
Las fuentes puntuales de contaminación del sistema de caños y lagos son las descargas de aguas residuales. (Tuchkovenko & Lonin, 2003) Identificaron cinco (5) puntos de vertimientos de aguas residuales domésticas, dentro del sistema de caños y lagos en el año 2001. En 2010, se identificaron tres puntos de vertimientos de aguas residuales en el sistema, ubicados en el perímetro sur del caño Juan Angola, en Puerto duro (laguna Chambacú) y en las ciénagas de las Quintas (Universidad de Cartagena, 2011).
De igual manera como se propuso para las fuentes no-puntuales, debe realizarse caracterización, con el fin de establecer variaciones en los contaminantes que hacen parte de los vertimientos de aguas residuales domésticas (ARD) para el sistema. Romero Rojas (1999) estableció la composición típica de las ARD.
Descargas de líquidos a sistema acuático de Cartagena
Caracterización de aguas residuales.
Fuente: (Romero Rojas J. , 1999)
Variables seleccionadas.
Para el monitoreo de los factores de contaminación tanto puntuales como no puntuales se seleccionan las mismas variables, buscando como primera medida establecer la línea base de estas fuentes contaminantes. A partir de los resultados de las campañas se debe depurar las variables seleccionadas acorde a los resultados que se obtuvieron en las mediciones. Factores antrópicos de contaminación.
Además de monitorear con las variables anteriores las fuentes de contaminación también se hace necesario hacer un seguimiento a las zonas del sistema donde se encuentren factores que afecten la calidad del agua como: botaderos satélites, invasiones de bosques de manglar y de los cauces, lugares de comercio informal; en general toda situación que pueda ser un factor deteriorante de la calidad.
Variables bióticas.
A pesar de no encontrarse definido en el decreto 1594 de 1984, el monitoreo de variables bióticas o el componente biólogico es importante para evaluar desde otra perspectiva la calidad del agua del sistema interno de caños y lagos. Se recomienda evaluar periódicamente (época seca, época de lluvia y época de transición) el componente fitoplanctonico y zooplanctonico, considerando que estos son los principales controladores de la biomasa y de las consecuentes alteraciones de oxígeno, nutrientes, pH, entre otros.
Se debe realizar un análisis de los componentes fitoplancton y zooplancton pués no se expresan como una medida simplemente, sino que la presencia de los diferentes tipos de organismos indican factores como matería orgánica, acidez, ambientes hipóxicos, etc.
Variables hidrometeorológicas.
Para que los datos obtenidos de la medición de las variables de calidad de agua puedan ser analizadas desde una perspectiva más completa, se hace necesario el monitoreo de variables hidrometeorológicas. Ya que estas afectan de manera importante la calidad del agua del sistema, esto es observable en los monitoreos que realizan REDCAM, REDRIO, RCHB, etc. Los cuales son realizados en las diferentes épocas climáticas del año.
En las variables hidrológicas se hace necesario conocer los niveles absolutos de agua en cada uno de los cuerpos que hacen parte del sistema, la velocidad del agua en una sección transversal conocida para determinar caudales, y la dirección del flujo. Estas variables se hacen importantes a la hora de analizar hacía donde se mueve la carga de contaminantes, hacer afirmaciones respecto a la hidrodinámica del sistema y también en la determinación de índice hidrológico de bajo flujo (7Q2), que se define a continuación:
Variables hidrometeorológicas seleccionadas.
Métodos de medición y monitoreo de variables.
La medición de parámetros y variables de calidad de agua e hidrometeorológicas avanza de la mano con la tecnología, cada vez se pueden medir con mayor precisión y variedad. Sin embargo, en la actualidad no es posible medirlas todas con métodos in situ, algunas por la metodología intrínseca en su definición (DBO5) y otras porque aún no existen métodos precisos y prácticamente económicos para su medición. A partir de esto y considerando la recomendación de la WMO “debe haber un balance entre las necesidades ecológicas y las posibilidades económicas” algunas variables se seleccionar para monitoreo in situ automático, y otras para monitoreo con muestreo y laboratorio.
Variables de calidad de cuerpos de agua.
Las variables seleccionadas anteriormente se dividen en dos (2) métodos de monitoreo, in situ (automático), con muestreo y laboratorio.
In situ (automáticas)
Estas variables son las monitoreadas desde las estaciones automáticas. En la siguiente tabla se encuentra una descripción de los parámetros que se utilizan para escoger equipos (resolución y precisión), los valores en la tabla son acordes a un equipo que se considera en el estado del arte en cuestión de medidores de calidad de agua. La resolución se refiere al mínimo valor que debe cambiar el parámetro para que el equipo cambie de medición y la precisión se refiere a la cercanía del valor medido con el valor real. La frecuencia de medición de 15 minutos definida a partir de las capacidades de los equipos actuales y las experiencias del (U.S EPA, 2002) con el proyecto MYSOUND monitoreando calidad de agua en estuarios con la misma frecuencia.
Métodos de medición de las variables de calidad de agua in situ.
Es importante resaltar que todo equipo sumergido continuamente sufre de bioincrustación, que no es más que la acumulación de microorganismos, plantas, algas, etc. Esto causa que sea necesario y casi obligatorio revisar los equipos cada quince (15) días y calibrarse cada un (1) mes, para mantener la precisión de los datos.
A partir del tipo de monitoreo in situ automático se hace necesario definir una parte fundamental del protocolo, que es el Centro de Operaciones.
Centro de Operaciones: El centro de operaciones, monitoreo y control es el lugar donde de manera automatizada y manual se realizan las operaciones que otorgan sentido a los datos recopilados. El centro es el encargado de articular los siguientes elementos:
- La red de sensores.
- La infraestructura de conectividad.
- La infraestructura de la Central de Monitoreo y Control.
La red de sensores se integran equipos que cuenten con conectividad móvil y que midan condiciones in situ de parámetros de calidad de los cuerpos de agua, además a través de redes utilizando el protocolo TCP/IP deben aceptar llamados para conocer el estado general de su funcionamiento, y envío de datos.
La Infraestructura de conectividad es aquella mediante la cual se transmiten los datos, generalmente estás utilizan las tecnologías GPRS, 3G o LTE. Tecnologías que se diferencian en las velocidades de transferencia de los datos, para el montaje de la red de monitoreo calidad de agua cualquiera de las tres tecnologías es adecuada.
Esquema de interacción de sensores con red móvil con centro de operaciones.
La infraestructura del centro de operaciones está conformada por los servidores web y de bases de datos para despliegue de las aplicaciones y el almacenamiento de los datos respectivamente. También por equipos de cómputo y monitores para visualización permanente y continua de los parámetros medidos en tiempo real. La infraestructura cuenta con la posibilidad de acceso remoto para personal encargado de la supervisión.
Infraestructura de centro de operaciones
Más allá de la infraestructura del centro de operaciones están el análisis, procesamiento e interpretación que se realizan a los datos del protocolo; estos son:
- Análisis preliminar y publicación automática sin depuración de datos.
- Sistema de alerta de comportamiento extraordinario.
- Análisis detallado integral del sistema a partir de los tres tipos de variables monitoreadas.
El análisis preliminar y publicación automática sin depuración de datos se refiere a que la parte lógica del sistema de operaciones recibe los datos automáticos y remotos de las estaciones los organiza en formatos de archivo común de forma comprensible para el público, realiza gráficas de los parámetros y lo pública en una página web para visualización de cualquier ente interesado. Se considera preliminar porque no se revisan los datos por el personal y pueden existir errores debido a la transmisión o medición.
El sistema de alerta de comportamiento extraordinario consiste en que a partir de una recopilación de datos por las estaciones automáticas y remotas se cree una distribución Gaussiana multitemporal de los valores en intervalos de por lo menos cada tres (3) horas de manera que el sistema pueda reportar cambios de tendencia en los parámetros. El sistema también acompañado de unos rangos de parámetros aceptables, de manera que al estar una de las mediciones consecutivamente fuera del rango se generen mensajes de alerta al personal encargado del protocolo.
El análisis detallado integral del sistema consiste en el análisis del estado actual en el que se encuentra el sistema de caños y lagos por parte del personal, de una forma integral que contemple los tres (3) tipos de variables medidas.
Este debe ser presentado en un informe publicado para la ciudadanía y cualquier entidad interesada. El informe debe contar con la evaluación de los indicadores ICAM (INVEMAR 2014), ICA (IDEAM, 2014) y WQI-NSF de la Fundación nacional de saneamiento de los Estados Unidos; en cada una de las estaciones monitoreadas. Dicho informe se recomienda presentarlo tres (3) veces al año.
Contando con esta estructura para las mediciones de los parámetros in situ que son reportadas al centro de operaciones con la misma frecuencia en que son medidas, la infraestructura de manera automática presenta un análisis preliminar de los parámetros, graficando y publicando los datos. En el centro de operaciones se comparan los valores medidos con la tendencia que han presentado bajo condiciones temporales, hidrológicas y climatológicas que permitan registrar cambios de tendencia o alertar en caso de los valores se encuentren dentro de un rango predefinido.
Campañas: Las variables seleccionadas para medición en campañas de muestreo y laboratorio se seleccionan igualmente contrastando la necesidad ecológica con la viabilidad económica. Reconociendo que a pesar de que existen equipos automáticos con costos muy elevados capaces de medir algunos de los parámetros, se prefiere mediciones completas de todos los parámetros tres veces al año dos veces al día. Refiriéndose tres veces al año a una campaña en época seca, una campaña en época de lluvia y una campaña en el periodo de transición; y dos veces al día en las horas de la mañana (6 AM) y de la tarde (6 PM).
Métodos y frecuencia de medición de las variables para campañas de muestreo.
Laboratorios: Las muestras deben ser remitidas a un laboratorio acreditados por el Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales, IDEAM, bajo los lineamientos de la norma NTC-ISO/IEC 17025 “Requisitos Generales de Competencia de Laboratorios de Ensayo y Calibración”, y según lo estipulado en el Decreto 1600 de 1994 y la Resolución No. 0176 del 31 de octubre de 2003 que derogó las resoluciones No. 0059 de 2000 y 0079 de 2002. Además, el laboratorio debe encontrarse en la Lista de laboratorios ambientales acreditados por el IDEAM, actualizada en la fecha más reciente.
Variables de seguimiento de factores externos de contaminación.
Los métodos de las variables seleccionadas para el seguimiento de los factores de contaminación solo se diferencian con las de calidad de agua en su forma de muestreo; por otro lado, el seguimiento de las variables antrópicas se hace por medio de recorridos del sistema en los cuales se realizan observaciones respecto a la presencia de botaderos satélites, comercio informal, lugares donde existan ocupación del cauce, etc. En general toda actividad o situación que pueda contaminar el sistema.
Los parámetros a medir con su método y frecuencia de monitoreo se encuentran en la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.. De la misma manera se escoge para la caracterización de las fuentes de contaminación tres (3) campañas anuales época seca, de lluvia y de transición.
Métodos de medición y frecuencias de las variables de monitoreo de vertimientos por canales pluviales.
Muestreo: La muestra se debe tomar espacialmente en un punto cercano pero anterior de que llegue al sistema, de tal forma que en el punto donde se tome la muestra no exista una mezcla entre lo procedente de los drenajes pluviales y el cuerpo de agua.
Laboratorio y Centro de Operaciones: Al igual que en los monitoreos de calidad del agua, las muestras tomadas en los puntos de vertimiento de los canales deben ser remitidas a un laboratorio certificado por el IDEAM que cumpla con los mismos requisitos. Aquellos registros que se realicen de factores antrópicos se realizan con aplicaciones del centro de operaciones donde se realiza un reporte con la ubicación, el tipo de actividad, y registros fotográficos.
Variables bióticas: Las variables bióticas (plancton) se recomiendan medir al igual que las de calidad de agua en tres campañas anuales en cada época cilmática, y su método de medición es como lo describe la guía técnica colombiana GTC 25 (ICONTEC, 95). Aplicando un arrastre de 100 metros circunferenciales o lineales, dependiendo el sector en que se realice, equivalente a una velocidad de 1 nudos durante 3 minutos.
Laboratorio: El laboratorio donde se realiza el análisis de las muestras debe de estar acreditado por el IDEAM, al igual que con las demás variables de calidad de agua.
Variables hidrometeorológicas.
Las variables hidrometeorológicas actualmente son fácilmente medibles por muchos equipos de diferentes valores y precisiones.
Variables hidrológicas y climatológicas seleccionadas.
Velocidad: En la actualidad los equipos que miden constantemente velocidad de un flujo de agua en ríos, caños, lagunas o cualquier cuerpo de agua en la intemperie tienen grandes costos y se hace necesario en ocasiones estructuras especiales para la acomodación de los componentes y el despliegue del equipo. Por lo cual se propone realizar alternativamente campañas con correntómetros. Con los resultados de estas campañas se puede estimar el 7Q2.
Mediciones: Deben realizarse tres (3) campañas anuales en cada una de las épocas climáticas (seca, de lluvia y de transición) cada campaña con una duración de 7 días, con tres (3) jornadas de medición por día en cada uno de los puntos seleccionados. Lo cual quiere decir quiere decir veintiún (21) mediciones por punto por campaña. Por lo menos una vez al año debe realizarse un levantamiento topográfico de las secciones donde se mide la velocidad, para poder hacer validar que los cálculos de caudal son confiables.
Centro de Operaciones: Las mediciones de los parámetros hidrometeorológicos pueden realizarse con métodos automáticos remotos, o solamente automáticos con descarga periódica de los datos en campo. En el caso que sea remoto la central de monitoreo realiza un análisis preliminar de los datos y los pública. De ser con descarga periódica se realiza el análisis preliminar y se publican luego de que los datos sean llevados y descargados a la central de operaciones.
Selección de estaciones de monitoreo.
Selecciones de las estaciones de monitoreo de las variables de calidad agua.
La selección de las estaciones toma como línea base los puntos donde se ubicaron las estaciones de monitoreo durante las campañas de calidad de agua.
A partir de estas alternativas se realizó una evaluación con análisis cualitativo con la metodología de puntos para proyectos de Sagap (2007) que como resultado presenta una matriz con la puntuación de cada estación después de ser evaluados unos criterios definidos a continuación.
Coordenadas y nombre de las Estaciones de Monitoreo implementadas en el trabajo de campo.
Ubicación de Estaciones de Monitoreo E15, E14, E13, E12, E11, E10, E9 y E8.
Ubicación de Estaciones de Monitoreo E8, E7, E6, E5, E4, E3, E2 y E1.
Preliminarmente, antes de definir los criterios de selección se realizó un análisis respecto a las ventajas y desventajas que cada punto presenta a partir de la experiencia y observaciones de las campañas realizadas.
Ventajas y Desventajas de las estaciones de monitoreo propuestas.
Criterios de selección: Para la evaluación se tuvo en cuenta aspectos como la seguridad de la zona, accesibilidad, procesos de oxigenación, presencia de actividades que generen posible contaminación, cercanía a estaciones de monitoreo de Redcam, cercanía a aguas abajo de Estaciones de Elevación de Agua Residual (EEAR) y/o Estaciones de Bombeo de Agua Residual (EBAR), procesos legales que incluyan medidas de reubicación y corrección que han tenido estos cuerpos de agua y por último conexiones con cuerpos de agua principales (Ciénaga de la Virgen y Bahía de Cartagena).
Criterio 1 – Seguridad de la zona: Este criterio se define como la cercanía a Estaciones y/o comandos de Policía (s) o CAI (s), que permitan una reacción rápida frente a la susceptibilidad de los equipos a un posible robo o daño.
Criterio 2 – Accesibilidad a la Estación: Se refiere al acceso por medio de un vehículo al sector donde se encuentra ubicado, ya sea que requiera tomar una embarcación de bajo calado para acceder a la misma.
Criterio 3 – Procesos de oxigenación: Hace alusión al promedio multidiario del oxígeno disuelto en cada punto monitoreado, a partir de los valores obtenidos durante las dos (2) campañas de mediciones parámetros in situ (Oxígeno disuelto, Temperatura, pH, Conductividad y Salinidad) desarrolladas los días 14 – 15 de Octubre y 03 – 04 de Noviembre de 2015, en donde se midieron en cada punto cada tres (3) horas durante veinte y seis horas (26 horas), para un total de nueve (9) mediciones por punto.
Criterio 4 – Presencia de actividades que generen posible contaminación: Hace referencia a sectores que históricamente en sus rondas y espejo (s) de agua (s) han presentado todo tipo de problemáticas desde asentamiento urbanos en sus rondas, descargas de agua residual, disposición de canales de drenajes pluviales y disposición inadecuada de residuos sólidos. Todo esto se pudo evidenciar durante los trabajos de campo del 14-15 de octubre y 03-04 de noviembre de 2015, a partir de un registro fotográfico.
Criterio 5 – Cercanía o coincidencia con Puntos REDCAM: Hace referencia a los estudios adelantados por el INVEMAR a través de Redcam que desde el año 2011 ha realizado mediciones en diferentes cuerpos de agua del sistema de caños, en vista que podrá seguir realizando dichas mediciones, están permitirán validar la calidad de la información que pueda presentar los equipos de monitoreo.
Criterio 6 – Cercanía aguas abajo a Estaciones de Elevación de Agua Residual (EEAR) y Estaciones de Bombeo de Agua Residual (EBAR) de ACUACAR: Debido a que toda Estación sea de Elevación (EEAR) y/o Bombeo de Agua residual (EBAR), demanda un constante flujo eléctrico, cuando hay ausencia del mismo, pueden realizar descargas de emergencias a estos cuerpos de agua, los cuales afectaran directamente a los mismos o aguas abajo de él.
Criterio 7 – Procesos legales: Son aquellos procesos que se hayan llevado a cabo o se estén desarrollando, que traen como consecuencia medidas de reubicación puntos, sectores o zonas que amenazan y han amenazado la integralidad del cuerpo de agua, es decir, aquellos que han tenido más de un proceso o sentencia que exija la reubicación por presencia de actividades que generen posible contaminación.
Criterio 8 – Conexión con cuerpos de agua principales (Bahía de Cartagena y Ciénaga de la Virgen): Aquellos cuerpos de agua que tienen conexión directa con un cuerpo de agua principal sea la Bahía de Cartagena o la Ciénaga de la Virgen, en vista que en dado caso se presente un derrame en algunos de estos cuerpos de agua, ellos sean determinantes a la hora de poder prevenir y alertar posibles contaminantes nocivos para los ecosistemas y el ser humano.
Estos ocho (8) criterios se dividieron cada uno en tres (3) categorías; alta, media y baja probabilidad de selección, y a estos se les asigno un valor de tres (3), dos (2) y uno (1) respectivamente.
Criterios de selección y evaluación de alternativas.
Fuente: DISEÑO DEL SISTEMA INTELIGENTE DE MONITOREO DE LA CALIDAD AMBIENTAL DEL DISTRITO DE CARTAGENA. Convenio Interadministrativo 0133-2015 entre el Establecimiento Público Ambiental de Cartagena – EPA y la Universidad de Cartagena.