EXPERIENCIA CUBANA EN EMISARIOS SUBMARINOS, PROGRAMA “EMIS”

MIGUEL ENRIQUE ALFONSO FLEITES Aguas de La Habana, Fomento y Recreo, Reparto Palatino, Cerro, Ciudad de La Habana, Cuba. Tel.: (53 7) 642 49 16

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Graduado de ingeniero hidráulico en el Instituto Superior Politécnico – ISPJAE en La Habana, Cuba en 1985. Ha realizado diseños de sistemas de abastecimiento, saneamiento y tratamiento de aguas. Ingeniero consultor de ingeniería sanitaria y ambiental. Especialista en construcciones subacuaticas. MSc en hidroinformática. Ha realizado estudios de postgrado en el Instituto de Hidráulica de Delft, Holanda (1999 – 2001). Actualmente es Director de Ingeniería y Obras en la empresa mixta Aguas de La Habana.

RESUMEN Se expone la experiencia existente en el diseño, construcción y explotación de emisarios submarinos en Ciudad de La Habana, sus características generales, ventajas y el estado del arte. Al final se justifica su importancia como sistema de tratamiento y disposición, dada las particularidades de nuestro país. Se cuenta con suficiente experiencia en el diseño, construcción y monitoreo de estos sistemas de tratamiento y disposición final para aguas residuales. Ya se tiene el “know how” y personal entrenado en la metodología constructiva más empleada actualmente, es decir tuberías de PEAD, con uniones soldadas, lastres de hormigón y lanzamiento por remolque, flotación y hundido. Los casos de estudios son: 1. “El Chivo” (Ø1.5 m. L = 147 m.), 2. “Flores” (Ø0.3 m. L = 1200 m), 3. “La Puntilla” (Ø0.9 m. L = 1540 m. También se presenta el programa de computación “EMIS” confeccionado para ayudar en el diseño y planificación de los Emisarios Submarinos. Basado en la metodología de Brooks y Cederwalls, ofrece un ambiente de trabajo interactivo que permite la toma de decisiones por procesos de prueba y error o mediante la aplicación de algoritmos de optimización. El uso de este programa facilita el estudio de variantes de partida para el diseño de Emisarios Submarinos, apropiado para nivel de estudio de factibilidad. Una vez por esta vía definidas algunas variantes se puede proceder a estudios mas detallados, utilizando formulaciones que consideran la estratificación de densidades en la columna marina. PALABRAS CLAVES: Saneamiento, Emisario submarino, Programa de computación.

INTRODUCCION En las ciudades costeras, como son la mayoría de las ciudades de nuestro país, una de las soluciones mas acertadas para tratamiento y disposición final de las aguas servidas suele ser el empleo de Emisarios Submarinos. Esta tecnología por lo general supone una fuerte inversión de capital inicial pero en cambio se reduce la operación y mantenimiento posterior, otro aspecto importante a tener en cuenta cuando se les compara con los sistemas de tratamiento y disposición tradicionales es la noexistencia de lodos residuales que en el caso de los emisarios se disuelven en el inmenso volumen del medio marino. Aunque esta tecnología tiene defensores y detractores, el hecho es que ya existe una amplia experiencia monitoreada y con buenos resultados, los motivos que intervienen en el diseño son diversos, desde las corrientes marinas, temperaturas y estratificación de densidades hasta balances bióticos, normativas particulares y otros. A continuación se presenta la experiencia sobre emisarios submarinos en Ciudad de La Habana; El caso de “El Chivo” con casi 100 años de explotación, así como los recientemente construidos “Flores” y “La Puntilla”.

EMISARIO SUBMARINO DE LA PLAYA EL CHIVO Es el punto final de un conjunto integrado por redes, subcolectores y dos grandes colectores (Norte y Sur) que recogen las aguas residuales de una población equivalente de 875 000 habitantes y las conducen hasta el Muelle de Caballería, donde se encuentra una cámara de sedimentación y rejas, único tratamiento que reciben estas aguas antes de ser vertidas al mar. Después de cribadas las aguas residuales, entran en el sifón invertido de 2.13 m de diámetro y 375 m de longitud, pasan por debajo de la bahía de La Habana descargando en el pozo de succión de la estación de bombeo de Casablanca, desde donde son elevadas por medio de bombas centrífugas hasta un túnel que tiene una sección de 2.13 m de ancho por 2.0 m de altura y 1 447 m de longitud, el cual va por debajo de la loma de La Cabaña y conduce las aguas por gravedad hasta la playa El Chivo, donde comienza el emisario submarino que descarga a 147 m de la costa a una profundidad de 10,7 m bajo el nivel medio del mar. El emisario fue construido con tubos de bocina y espiga de 1.50 metros de diámetro y 2 pulgadas de espesor colocados en una zanja, recubiertos con hormigón y juntas de filamentos de plomo. Se extiende dentro del mar hasta una distancia de 147 m de la costa y su extremo descarga a una profundidad de 10.7 m protegido por aletones de hormigón. Debido a la magnitud del caudal que vierte este emisario, la poca longitud, profundidad y estado de deterioro en que se encuentra hace que no se logre la dilución adecuada de las aguas albañales en el mar, lo que provoca que las condiciones sanitarias en la costa sean desfavorables. En inspección realizada en el año 1990, se apreciaron salideros en las uniones, orificios y rajaduras, tanto en los tubos como en el hormigón de recubrimiento que se vertió en la reparación del año 1982, único realizada desde la puesta en marcha en 1913. En sentido general el estado técnico del emisario es malo, por lo que en Aguas de La Habana se están realizando estudios de variantes para la construcción de un nuevo emisario submarino.

EMISARIO SUBMARINO “FLORES” Su objetivo es dar solución a la disposición final de los residuales del reparto Flores del municipio Playa. El reparto cuenta con un sistema de alcantarillado separativo para recolectar las aguas hasta una estación de bombeo que las impulsaba hacia dos tanques sépticos, desde donde se vertían al río Quibú. Este sistema resultaba insuficiente, provocando una consistente contaminación. Se decide por tanto la construcción de un emisario submarino a partir de la estación de bombeo, dejando por tanto inactivo los tanques sépticos. Las características de este emisario son las siguientes: Longitud: 1 200 m, Diámetro del emisario y del difusor: 315 mm, Caudal máximo: 98 L/s, Profundidad máxima: 50 m. Longitud del difusor: 45 m, Diámetro de orificios: 80 mm, Espaciamiento entre orificios: 5 m.

EMISARIO SUBMARINO “LA PUNTILLA” Se justifica la construcción de este emisario para dar respuesta de saneamiento ambiental al incremento en infraestructuras turísticas previstas en el Oeste de la Ciudad de La Habana, específicamente en el área comprendida entre los ríos Almendares y Quibú. Su objetivo es ra recibir los residuales que fluyen por el colector de 3 Ave. y también los provenientes de parte del Nuevo Vedado una vez que se complete su cubrimiento de alcantarillado. El punto de ta concentración de las aguas es la estación de bombeo de 5 y 0, en la margen occidental del río Almendares. El trazado del emisario cruza el río y después, partiendo del saliente conocido como “La Puntilla”, se profundiza en dirección norte Sus características son las siguientes: Longitud: 1 540 m, Diámetro del emisario: 900 mm, Caudal máximo: 620 L/s, Profundidad máxima: 40 m. Diámetro de orificios: 90 mm, Espaciamiento entre orificios: 4 m, Difusor telescopico (900 – 280) mm.

GENERALIDADES DE LOS EMISARIOS “FLORES” Y “LA PUNTILLA” Para ambos proyectos se contó con los estudios previos suficientes, esto es: diagnóstico ecológico, régimen hidrodinámico, parámetros hidrológicos (temperatura, salinidad, densidad), 90 mortalidad de coliformes (t ), corrientes marinas, régimen de oleaje, estratificación de densidades, batimetría y caracterización de los residuales. Los proyectos se realizaron partiendo de las formulaciones más modernas (Brook, Roberts, normativas de la CE), evaluándose diversas variantes de trazado y de funcionamiento. Se utilizaron las normas cubanas de protección ambiental, garantizándose la calidad de las aguas en las zonas de protección aún para las situaciones más adversas. En los dos casos la construcción fue realizada por ACSA (Auxiliar de Canalizaciones SA) y personal de Aguas de La Habana. Se utilizó el mismo emplazamiento en el reparto Flores para las labores de soldadura de los tubos y fundido de los lastres. En el caso de “La Puntilla” el emisario se remolcó flotando en tramos de 100 m hasta su lugar de destino. Los trazados finales fueron modificados ligeramente con respecto al proyecto original, aprovechándose la configuración del fondo marino para aumentar la protección, disminuir las voladuras y la excavación submarina. El hundimiento se realizó por tramos que posteriormente eran unidos por bridas en el fondo. La tubería utilizada (PEAD PN-10), es considerada actualmente la mas adecuada en la mayoría de los casos para los emisarios submarinos, debido a su poco peso, hermeticidad de las uniones soldadas, flexibilidad, resistencia mecánica, a las agresiones químicas y del medio marino.

PROGRAMA DE COMPUTACION “EMIS” FORMULACION EMPLEADA El tipo de tratamiento que reciben las aguas residuales vertida al mar mediante emisarios submarinos es la dilución, cuyas tres fases son la dilución inicial (D1), la dispersión en el transporte hacia la costa (D2) y la muerte o decrecimiento de bacterias coliformes (D3). La dilución total resultante (Dt) será el producto de D1 x D2 x D3. DECRECIMIENTO BACTERIANO (D3)

El agua de mar constituye un medio hostil para los microorganismos presentes en las aguas albañales. La tasa de decaimiento de coliformes se expresa usualmente como el valor del T90 y define el tiempo requerido para el decaimiento del 90% de los coliformes remanentes por encima de la reducción debida a dilución y difusión. El calculo de la reducción por decaimiento bacteriano (D3) se determina por la expresión : D3 = 10

(Tr / T90)

Donde Tr es el tiempo de recorrido de la trayectoria contaminante, función del vector de velocidad de la corriente en la dirección de la zona a proteger y la distancia hasta esa zona. DISPERSIÓN HORIZONTAL (D2)

El calculo de la dispersión horizontal (D2) se realiza mediante las formulaciones de Brooks :

D2 = { [ (1 + 13 Tr / b Donde :

2/3 3

) -1 ] / 1,5 }

1/2

Tr : Tiempo de recorrido b : Longitud del difusor proyectada normal a la dirección de la corriente

DILUCIÓN INICIAL (D1)

La dilución inicial se produce inmediatamente después de vertido el liquido residual a través de los orificios del difusor. Este proceso es generado por el carácter turbulento de la descarga a través de los orificios y por la tendencia ascensional del cono de residuales en razón de la diferencia de densidad con el medio receptor. Esa pluma ascendente puede alcanzar o no la superficie, según exista o no estratificación en la densidad de la columna de agua de mar. CALCULO DE LA DILUCIÓN INICIAL SEGÚN LAS NORMAS ESPAÑOLAS. Estas formulaciones no consideran la velocidad de la corriente ni la sumergencia de la pluma por concepto de la estratificación de densidades. Sin embargo, resultan muy practicas y sencillas, cuando no se dispone de suficiente información hidrográfica y oceanográfica. Para asumir la ausencia de estas consideraciones se enmarcan los diseños dentro de los siguientes criterios: •

Velocidad en el emisario > 0,8 m/s.

•

Profundidad mínima de vertido = 15 m.

•

La longitud de los difusores no será inferior al 3% de la longitud del emisario y dispuesta para conseguir la mayor longitud normal a la dirección de la corriente.

•

Diámetro de las bocas difusoras >= 7,5 cm.

•

La distancia mínima entre los difusores será La profundidad de vertido / 3.

•

Velocidad en los difusores < 5 m/s.

•

Se dispone un difusor final de diámetro máximo doble del de los restantes difusores.

•

La suma de las áreas de las secciones de todos los difusores no debe ser superior a 0,75 veces la sección inicial del tubo.

Se aplica la formula de Cederwall: D1 = 0,54 x F x (0,38 x Y/ (d x F) + 0,68)

5/3

Y : profundidad de vertido d : diámetro de los orificios del difusor u : velocidad de salida del efluente por los orificios en m/s. 2

u = (Q / no) / (π x d / 4) Q: caudal de diseño no: numero de orificios propuesto 1/2 F: numero de Froude : u / (0,27 x d) Dilución total resultante: Dt = D1 x D2 x D3 Concentración final de coliformes: Co / Dt , donde Co es la concentración inicial.

DESCRIPCION DEL PROGRAMA: El programa está compuesto por 4 pantallas principales: DATOS GENERALES Aquí se importan desde archivo o se entran los datos relativos a las concentraciones del efluente, velocidad de la corriente marina, características de la tubería y el valor del T90. Opcionalmente se pueden entrar los valores del diámetro del Emisario, diámetro del difusor y

de las bocas de salidas. De no entrarse estos valores el programa asigna parámetros adecuados de acuerdo a criterios de diseño. BATIMETRÍA Para conformar la batimetría del área de trazado y descarga, se deben suministrar las coordenadas (x, y, z) de puntos aleatorios dentro de esta área. El programa realiza una interpolación y dibuja la batimetría del fondo marino. Para esto se emplea un algoritmo basado en el método “Kriging”. Se puede jugar con los coeficientes de interpolación y las equidistancias para obtener una distribución de isolineas y patrón de colores lo mas cercano a la realidad. DISEÑO El diseño del emisario se puede hacer de dos formas: Manual: Se marca con el cursor el punto de inicio y final del emisario y la zona a proteger y el programa calcula las soluciones resultantes y la concentración final de afluente. Una gama de colores que va del rojo al azul indica la dispersión de la contaminación Automática: Se selecciona un método de optimización: • • •

Búsqueda mallada global, Búsqueda aleatoria global, Algoritmo evolutivo.

En cada uno de estos casos, salvando las diferencias propias de los algoritmos se logra un diseño que minimiza la longitud de emisario aplicando condiciones de fronteras impuestas por los parámetros de descarga en la zona a proteger y por los criterios de diseño. Perfil :Traza el perfil batimétrico del trazado seleccionado. Resultados : Expone los siguientes resultados: • • • • • • • • • • • • • • • • • •

Longitud del emisario, Diámetro del difusor, Velocidad en el emisario, Longitud del difusor, Diámetro del difusor, Profundidad del difusor, Descarga por metro lineal del difusor, Diámetro de los puertos de salida, Número de puertos, Distancia entre los puertos, Descarga por puerto, Velocidad de descarga, Tiempo de recorrido, Dilución inicial, Dispersión horizontal, Decaimiento bacteriano, Dilución total, Concentración final de coliforme.

CONCLUSIONES Se cuenta con suficiente experiencia en el diseño, construcción y monitoreo de estos sistemas de tratamiento y disposición final para aguas residuales. Ya se tiene el “know how” y personal entrenado en la metodología constructiva más empleada actualmente, es decir Tuberías de PEAD, con uniones soldadas, lastres de hormigón y lanzamiento por remolque, flotación y hundido.

Sus principales ventajas radican en la sencillez de su proceso, que aprovecha al máximo la capacidad autodepuradora de la naturaleza, específicamente la inmensidad del océano. Estudios de impacto y monitoreo realizados por entidades competentes consideran que el resultado final de los dos nuevos emisarios al cabo de un año de explotación ha resultado beneficioso para el medio marino, donde se aprecia una saludable recuperación de la fauna y el bento. Esto es muy importante en una plataforma costera como la nuestra, donde el arrastre de los ríos ha sido interrumpido por la masiva construcción de presas, resultando en detrimento de la cadena ecológica. Económicamente el emisario supone una fuerte inversión inicial, que se recupera durante su vida útil cuando se le compara con sistemas tradicionales de tratamiento de residuales, pues estos últimos conllevan continuos gastos de mantenimiento, de operación y en la disposición final de sólidos. En fin, para las características de nuestro país, donde contamos con costas cercanas a la mayoría de las ciudades importantes, donde el medio marino está ávido de nutrientes, resulta elemental que se considere siempre la variante del emisario submarino. El uso del programa EMIS facilita el estudio de variantes de partida para el diseño de Emisarios Submarinos, apropiado para nivel de estudio de factibilidad. Una vez por esta vía definidas algunas variantes se puede proceder a estudios mas detallados, utilizando por ejemplo las formulaciones de Roberts que consideran la estratificación de densidades en la columna marina. También se deberán considerar variantes de pretratamiento, materiales, energía, método de lanzamiento y plan de monitoreo.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ALFONSO FLEITES, MIGUEL E., “Seminario – Taller, disposición de aguas costeras, Barranquilla Colombia”, 1996. ALFONSO FLEITES, MIGUEL E., “Proyecto técnico Emisario Submarino de Santa Marta”, Colombia, 1996 EVALUACIÓN DE IMPACTO AMBIENTAL. Ubicación y diseño de emisarios submarinos. Informe No 43 de MARC, Centro de Investigación de Monitoreo y Evaluación King’s College, Universidad de Londres. INSTRUCCIÓN PARA VERTIDO AL MAR DESDE TIERRA DE AGUAS RESIDUALES A TRAVÉS DE EMISARIOS SUBMARINOS. M.O.P. Dirección general de puertos, Subdirección general de costas y señales marítimas, España. RUSSELL G. LUDWIG. Marine outfall planning and design. ENCIBRA S.A. CARLOS MENÉNDEZ GÓMEZ. Empleo de emisarios submarinos para la disposición final de las aguas albañales en ciudades costeras. Revista voluntad Hidráulica, pp 19-102, Cuba. 1985. HENRY J. SALAS. Seminario sobre emisarios submarinos, La Habana, Cuba, 8-12 de diciembre de 1986. HENRY SALAS. Informe técnico 310, CEPIS. Transferencia de tecnología sobre el diseño conceptual de emisarios submarinos a EMPOMARTA. julio de 1983. FRED M. REIFF. PAHO/HPE. Programa de salud ambiental. Small diameter (HDPE) submarine outfall, CEPIS. PROYECTO MARINA HEMINGWAY. Informe científico técnico integral de los trabajos. Instituto Cubano de Hidrografía. Destacamento de Estudios Hidrográficos. La Habana, 1992. CIMAB. Centro de Ingeniería y Manejo Ambiental de Bahías y Costas. Investigaciones para la proyección de un emisario submarino en la zona costera de “Playa del chivo”, La Habana, nov. 1995.

IMÁGENES PROGRAMA EMIS

LANZAMIENTO

HUNDIMIENTO

BRIDADO