Section 3

3. ALTERNATIVAS DEL EMISOR
3.1 Estudios oceanográficos
3.1.1 Corrientes
Las mediciones de corrientes se efectuaron en un grupo de nueve puntos de amarre en aguas costeras vecinas a la bahía de Miraflores, durante un período de aproximadamente cuatro meses entre el verano y el otoño de 1996 (Febrero a Mayo). Estas mediciones, que complementan las realizadas en un grupo similar, pero más pequeño, durante el invierno de 1995 (Junio a Agosto), proveen la base para evaluar la factibilidad de cumplir con las restricciones de descarga mediante un emisor marino que descargue Aguas Residuales municipales tratadas.
3.1.1.1 Hallazgos Preliminares basados en el Estudio del Invierno de 1995
En el informe de las mediciones de invierno (Referencia 2), se presentó una descripción preliminar de la circulación en el mar costero frente a Lima, Perú. Las principales características de esta circulación, mostradas en la Figura 1, se resumen abajo:
· Una corriente costera que fluye hacia el norte, ocupa la región del litoral de Punta La Chira, Bahía de Miraflores, Isla San Lorenzo, y la Bahía del Callao.
· Durante los períodos de flujo hacia el mar, puede formarse un remolino circulando en sentido contrario al de las agujas del reloj, a sotavento de la Isla San Lorenzo y dentro de la Bahía de Miraflores.
· Un flujo neto a una profundidad de 3 a 10 m barre la Bahía de Miraflores, del sudeste al noroeste.
· Una circulación débil existe dentro de la Bahía del Callao, con un intercambio directo mínimo a los 10 m de profundidad con la Bahía de Miraflores vía el canal entre Punta La Punta y la Isla San Lorenzo. Las mediciones sugieren una circulación neta en la parte sur de la Bahía del Callao, que consiste en un remolino circulando en el sentido de las agujas del reloj al norte de la Isla San Lorenzo (impulsado probablemente por el flujo neto hacia tierra de la corriente costera que pasa por el litoral), y en un remolino circulando en sentido contrario al de las agujas del reloj en la región costera (tal vez impulsado por el remolino existente más afuera en el litoral).
3.1.1.2 Comprensión Modificada basada en el Estudio del Verano al Otoño de 1996
La comprensión del flujo costero se refinó sobre la base de la información adicional obtenida durante el estudio del verano al otoño de 1996. La principal corriente marina a lo largo de la costa occidental de Sudamérica, es la Corriente de Humboldt. Esta corriente fría, que fluye del sur hacia el ecuador, se hace inmediatamente evidente en las imágenes térmicas de la temperatura superficial del mar a lo largo de la costa frente a Lima. El flujo neto hacia tierra medido durante el verano y el invierno, era concordante con el flujo de la Corriente de Humboldt en el litoral, lo cual sugiere que las corrientes medidas durante esos dos estudios probablemente representan el borde costero de dicha corriente.
Con respecto a la circulación dentro de la Bahía de Miraflores, los resultados de las mediciones en invierno (ver Figura 2) llevan a la hipótesis de que el campo de flujo en la zona de estudio podría estar representado por dos patrones: (1) un flujo general hacia tierra desde el litoral y, (2) un flujo general hacia el mar desde tierra. Se predijo como hipótesis la existencia de un flujo neto hacia tierra dentro de la Bahía de Miraflores en presencia de cualquiera de los dos patrones. Esta hipótesis concordaba con las corrientes netas medidas en la mitad sur de la bahía durante el estudio de invierno.
Los flujos medidos en el interior de la Bahía de Miraflores, y mar adentro de la bahía y la isla San Lorenzo durante el estudio de verano, no concordaban con el flujo de hipótesis dentro de la bahía ni con el de la zona litoral. La corriente neta al interior de la mitad norte de la Bahía de Miraflores en el verano era hacia tierra, mientras que los dos flujos netos de la hipótesis previa en esta ubicación eran hacia el mar. Además, los flujos netos hipotéticos en el litoral (o sea, frente a Punta La Chira, la Isla San Lorenzo, y a lo largo del borde exterior de la Bahía de Miraflores) estaban en la misma dirección a todo lo largo del área de estudio (es decir, hacia tierra o hacia el mar). Sin embargo, durante el estudio de verano, el flujo neto hacia el mar en la parte norte del área de estudio se intensificaba a lo largo del borde exterior (60 m de agua), y había un flujo neto hacia el mar frente a la Isla San Lorenzo, mientras que los flujos netos al sur de Punta La Chira eran hacia tierra.
Esto sugiere que la circulación en el área de estudio es más compleja que las circulaciones representadas por los patrones conceptuales de flujo previos. En particular, los flujos netos medidos durante el verano sugerían un tercer patrón, consistente en un flujo neto hacia el mar desde el norte y un flujo neto hacia tierra desde el sur, combinado con un flujo neto mar adentro a lo largo del borde exterior de la mitad inferior del área de estudio. Los patrones anteriores no incluían este flujo curzado del litoral. Es difícil evaluar la circulación al interior de la Bahía de Miraflores asociada con este nuevo patrón de flujo en el litoral, pues la información se obtuvo de una sola ubicación. Por ejemplo, las mediciones de corrientes en invierno se efectuaron en el extremo norte. Por tanto, no es posible establecer si la circulación general al interior de la bahía cambió, o si realmente existen dos remolinos en esa zona (es decir, una bahía dividida en dos secciones por la cresta atravesada asociada con los Islotes Horadados).
Con respecto a la circulación dentro de la Bahía del Callao, las imágenes térmicas a gran escala disponibles de los satélites, proporcionan una indicación aproximada de la extensión espacial de la Corriente de Humboldt, que fluye hacia el norte a lo largo de la costa peruana hacia el ecuador. Estas imágenes indican que este flujo del litoral está presente en la región de Lima. Los flujos netos medidos tanto en invierno como en verano en la región sur del área de estudio, concuerdan con este flujo que se extiende hacia la costa.
Por otra parte, los flujos netos dentro de la mayor parte de la Bahía del Callao eran hacia el mar durante ambos estudios de invierno y verano (con un posible flujo neto hacia tierra cerca de la costa). En combinación con el flujo neto hacia tierra asociado con la Corriente de Humboldt, esto sugiere que el flujo al interior de la Bahía del Callao está asociado con el brazo costero de un giro relativamente de gran escala circulando en el sentido de las agujas del reloj, presente en la región al norte de la Isla San Lorenzo y Punta La Punta. La extensión espacial de este giro no puede determinarse con la información actual de mediciones (aparentemente se extiende tanto mar adentro como hacia tierra de los límites del área de estudio).
En conjunto, las propiedades de los flujos medidos sugieren una circulación costera con las características siguientes:
· Existe un flujo neto mar adentro dirigido hacia el ecuador, asociado con la Corriente de Humboldt. El lado costero de esta corriente probablemente llegue hasta la costa al sur de Punta La Chira.
· Las fluctuaciones de frecuencia de submareas, de magnitud mayor que el flujo neto, se superponen a este flujo neto y se propagan por el área de estudio (por ejemplo, las olas de plataforma atrapadas costeramente).
· Al interior de la Bahía del Callao existe una contracorriente que fluye hacia el mar – quizás con un flujo de retorno hacia tierra en la costa. La fuerza de este flujo neto hacia el mar puede, a veces, ser semejante a las fluctuaciones de frecuencia de submareas en las corrientes.
· Existe un flujo complejo y más débil al interior y mar adentro de la Bahía de Miraflores.
· Hay períodos de flujo importante mar adentro al norte de Punta La Chira y al sur de la Isla San Lorenzo.
Estas características tienen consecuencias potencialmente importantes para la descarga de Aguas Residuales municipales mediante emisores marinos sumergidos. El flujo neto del litoral frente a la Bahía de Miraflores que se infiere de las mediciones de corrientes en el verano, es especialmente importante porque es en la estación del verano cuando las playas costeras se usan más intensamente. Muchas de estas características de circulación parecen extenderse fuera de los límites del Área de Estudio.
3.1.1.3 Velocidades de la Corriente
Las velocidades medias promedio de la corriente en el Área de Estudio, durante el verano y otoño de 1996, fueron aproximadamente 7.5 cm/s, siendo la velocidad del 90 percentil 14.8 cm/s en promedio, y la velocidad del 10 percentil 3.4 cm/s en promedio; estas velocidades fueron un 20% menores que las corrientes medidas en el estudio del invierno de 1995. En general, las velocidades de la corriente eran significativamente más fuertes en la dirección predominante del flujo (costero), de lo que eran en la dirección de corrientes menos frecuentes.
3.1.1.4 Estudios de Difusión y Dispersión
En Octubre de 1995, se determinó el coeficiente de difusión y dispersión en un punto al oeste de Playa Oquendo, donde se esperaba que termine el emisor propuesto. El método usado fue el rastreo de cuatro señalizadores flotantes, soltados simultáneamente en cuatro puntos distintos, en un patrón cuadrado, para luego registrar las posiciones de cada señalizador cada 15 minutos mientras eran transportados por las corrientes. El coeficiente de difusión y dispersión fue determinado de la separación en el tiempo, entre cada par posible de señalizadores. El valor recomendado del coeficiente para esta ubicación, basado en esta prueba, fue de 2 m2/s.
3.1.2 Modelos de Aguas Receptoras
3.1.2.1 Modelo de Dilución Inicial (RSB)
El modelo de dilución inicial (RSB) a utilizarse en el presente estudio es una versión modificada del modelo computarizado RSB, que es el principal modelo de dilución recomendado por la Agencia de los EE.UU. de N.A. para la Protección Ambiental (USEPA). EL modelo, desarrollado por el Dr. Philip Roberts de Estados Unidos, se basa en los resultados experimentales. Parsons ha adaptado los algoritmos del modelo RSB para simular series que dependen del tiempo (corrientes variables, parámetros de calidad de agua, etc.), y para converger con más eficiencia. El modelo modificado ha sido totalmente probado y verificado por contratistas independientes que trabajan para la USEPA.
3.1.2.2 Modelo Hidrodinámico (RMA2)
La simulación hidrodinámica de las descargas de Aguas Residuales se logra usando el modelo RMA2, que resuelve la forma de promedio de profundidad de las ecuaciones de flujo de aguas bajas. El movimiento del agua es impulsado por las condiciones del límite aplicado (elevación o flujo de la superficie del agua, o alguna combinación de los dos, en los límites abiertos). Las condiciones del límite pueden variar con el tiempo, lo cual lleva a una simulación dinámica. Para este proyecto, el flujo al otro lado de los límites norte y sur se determinará por extrapolación de las corrientes marinas medidas.
3.1.2.3 Modelo de Calidad de Agua (RMA4 y RMA11)
Durante agosto y setiembre de 1999, Parsons realizó el modelaje preliminar del emisor marino para determinar la longitud de emisor adecuada. Este trabajo incluyó el establecimiento de un modelo que considere la dilución inical del campo de desecho y siga el destino del campo de desecho para un rango de longitudes de emisor. Al planear este trabajo, Parsons llegó a la conclusión de que para distinguir los impactos de niveles diferentes de tratamiento de Aguas Residuales asociados con longitudes discretas de emisor, era necesario emplear un modelo computarizado más sofisticado que el que se había utilizado para el Estudio de Prefactibilidad.
El modelo de Calidad del Agua RMA4 utilizado para el Estudio de Prefactibilidad, es un modelo bi-dimensional de calidad de agua que no puede manejar la interacción de transporte, mezcla, química y biológica de los componentes del efluente. Fue apropiado usar este modelo en el Estudio de Prefactibilidad, porque se disponía de información limitada. Con la información adicional de las campañas de invierno y verano, un modelo más detallado de la calidad del agua receptora fue desarrollado. El modelo, RMA11, es capaz de manejar componentes no conservadores (nitrógeno y fósforo en diferentes formas, oxígeno disuelto, BOD, algas), así como dar concentraciones de algas y coliformes fecales en el agua receptora.
El modelo RMA11 fue calificado antes de la evaluación de las diferentes longitudes de emisor (3 a 8 km, como se explica en la sección 4).
3.1.3 Temperatura y Densidad
El océano es un ambiente dinámico, con cambios en sus características, incluyendo la estructura de densidad de la columna de agua, que ocurren en minutos (olas internas) y hasta años (variabilidad interanual). El grado de estratificación de densidades de la columna de agua es un parámetro importante en la determinación de la dilución inicial alcanzada por un sistema de emisor y la posición del campo de desecho resultante en la columna de agua. Por ejemplo, durante épocas de estratificación débil, la dilución inicial generalmente aumenta y el campo de desecho se forma más arriba en la columna de agua, algunas veces incluso emergiendo a la superficie del mar.
Análisis previos de la información (Estudio de 1995) del registrador de conductividad-temperatura-profundidad (CTP), mostraron que los gradientes de salinidad eran generalmente menores en el Área de Estudio, y los gradientes de densidad estaban principalmente asociados a gradientes de temperatura en la columna de agua. En los estudios de 1996, un total de 44 registradores de temperatura in situ fueron distribuidos en seis boyas, desplegadas en el Área de Estudio. Tres de estas posiciones habían sido seleccionadas anteriormente como sitios potenciales de término de una emisor. Los sensores midieron temperaturas de agua a intervalos de 2 m, a profundidades desde 9 hasta 25 m, y a intervalos de 5 m, a profundidades mayores (máxima profundidad = 55 m). Las temperaturas del agua fueron medidas y registradas a intervalos de 10 minutos en el período entre Enero y Mayo de 1996.
El análisis de la información de temperatura recogida de los conjuntos de boyas, mostró que existían gradientes de temperatura (y por tanto, gradientes de densidad) en la columna de agua a través del período de medición. El grado de esta estratificación varió substancialmente, en períodos de tiempo que fluctúan desde las horas hasta los meses. Las diferencias sinópticas de temperatura entre profundidades de 11 y 55 m fluctuaron entre 0.100 y 6.450 oC; entre 21 y 55 m de profundidad, las diferencias de temperatura fluctuaron entre los 2.650 y 0.025 oC.
La Tabla 6 resume las principales temperaturas medias a profundidades de 10 y 40 m en la Estación CM-2, situada cerca al punto probable de Término del emisor.
Tabla 6: Temperaturas Promedio del Agua en la Estación CM-2, 1995-1996

Temperatura Promedio del Agua (oC) a la Profundidad Indicada
Período de Estudio
10 m
40 m
1995


Mayo 27
15.0
14.7
Julio 25
15.3
14.6
Agosto 2
14.9
14.5
Octubre 6
14.2
14.0
1996


Febrero
14.1
13.8
Marzo
14.7
14.2
Abril
15.4
14.8
Mayo
14.9
14.4

Como podría esperarse, hubo una reducción general en la estratificación total entre las profundidades de 9 hasta 55 m, con la progresión desde mediados del Verano hasta fines del Otoño. Parte de esta reducción estaba asociada con el enfriamiento de los 10 a 15 m superiores de la columna de agua. Sin embargo, la mayoría de la reducción estaba asociada con un incremento general en la temperatura en la porción inferior de la columna de agua. Estos cambios estacionales fueron disimulados con frecuencia por variaciones de corto plazo (de horas a unos pocos días) en la estructura de temperatura de la columna de agua.
Las fluctuaciones observadas en los gradientes de temperatura, sugieren que pueden ocurrir variaciones significativas en la dilución inicial alcanzada por un sistema de emisor y en la profundidad incial del campo de desecho. Adicionalmente, los movimientos verticales de las isotermas asociados con estas fluctuaciones, indican que una vez formado, el campo de desecho puede moverse arriba y abajo en la columna de agua, siguiendo superficies de densidad constante, a medida que las aguas residuales son alejadas del emisor por las corrientes oceánicas. Estas excursiones verticales pueden exceder en ocaciones los 10 m.
3.1.4 Investigaciones de la Calidad del Agua
En la Primavera de 1996 y Verano de 1997, se efectuó un extenso estudio de calidad del agua en el mar frente Lima. Se recogieron muestras en 58 estaciones, donde las profundidades del agua variaban hasta los 65 m. En total, cerca de 8000 muestras de agua de mar fueron recogidas y analizadas (Referencia 6). Los siguientes parámetros fueron analizados:
Parámetros Físicos:
· Temperatura
· Salinidad
· Transparencia
· pH
Parámetros Químicos:
· Oxígeno disuelto (en la columna de agua)
· Fosfatos (en la columna de agua)
· Sulfatos (en la columna de agua)
· Hidrocarburos (en los sedimentos)
· Metales pesados (en los sedimentos)
Parámetros Biológicos:
· Coliformes totales
· Coliformes fecales
· Salmonelas
· Vibrio Cólera
· Fitoplancton
· Zooplancton
El estudio reveló las siguientes condiciones:
· Las temperaturas del agua superficial variaban desde 16.6 hasta 22.5 oC. La salinidad superficial fluctuaba entre 34.75 y 34.90 partes por millar.
· Los sólidos suspendidos en la mitad de la Bahía de Miraflores mostraron valores de hasta 34 mg/l. En comparación, el agua de mar típica tiene un nivel de sólidos suspendidos de cerca de 20 mg/l. La transparencia del agua estuvo por debajo de lo normal en todas las áreas costeras, con la transparencia más baja de 0.3 m (según medición obtenida usando un disco Secchi) cerca de puntos de descarga principales de La Chira y Comas. Esta condición afecta seriamente la producción primaria de fitoplancton y puede tener consecuencias adversas para la vida marina en general.
· Las concentraciones de Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO), fluctuaron entre 1.7 y 1.9 mg/l, lo cual es más alto que lo encontrado típicamente en agua de mar no contaminada, y es indicativo de ingresos externos de materia orgánica del desagüe.
· Las concentraciones de oxígeno disuelto superficial fluctuaron entre 1.4 y 8.3 mg/l.
· Cerca de las desembocaduras de los ríos, se registraron valores de pH tan altos como 10.27, lo cual es hostil para la vida marina.
· Las concentraciones superficiales de fosfato fluctuaron entre 0.53 y 11.8 µg-at/l, mientras que el nitrato alcanzó 6.55 µg-at/l. El azufre fluctuó entre 0.27 y 22.8 µg-at/l.
· La materia orgánica en los sedimentos fluctuó entre 1.38 y 14.4%.
· Fueron encontrados altos niveles de cobre, plomo y mercurio a través de toda la porción norte del Área de Estudio, particularmente en los sedimentos. El cobre fue medido en niveles de hasta 230 mg/kg, y los hidrocarburos alcanzaron hasta 26.2 mg/kg de peso seco.
De particular interés son los resultados de análisis de coliformes totales y coliformes fecales en las aguas superficiales frente a Lima. La información, resumida en las Tablas 7 y 8, e ilustrada en las Figuras 3 y 4, revela que se encontraron niveles particularmente altos de coliformes junto a las desembocaduras del Río Rímac y en Punta La Chira.
3.2 Metas Ambientales
Las normas propuestas para el diseño de la PTAR (Planta de Tratamiento de Aguas Residuales) y Emisor de Lima Norte, son recomendadas en el Estudio de Prefactibilidad (referencias 5 y 15). Las recomendaciones, hechas después de detallados análisis de las normas existentes (incluidas las de Perú, entre otros países Latinoamericanos, los Estados Unidos, la Unión Europea, y la Organización Mundial de la Salud), fueron revisadas y aceptadas por SEDAPAL, el Banco Mundial, y una junta de evaluación de expertos internacionales reunidos por el Banco Mundial en Washington D.C. en Mayo de 1996. Los informes anotados arriba, proveen la justificación y bases para las normas recomendadas, las cuales cumplirán o superarán las Normas Peruanas actuales.
3.2.1 Sólidos Sedimentables (Precipitables)
La norma recomendada para deposición de sólidos sobre el lecho marino es como sigue:
Los sólidos sedimentables no deben acumularse sobre el lecho marino a una tasa que exceda los 0.5 kg/cm2 * año fuera de la zona de dilución inicial.
La zona de dilución inicial se define como el área centrada en el difusor, que tiene la misma longitud que el difusor y un ancho igual al doble de la profundidad del agua. Asumiendo que los sólidos sedimentables del desagüe están compuestos en un 75% por material orgánico y en un 25% por sólidos inertes (arena gruesa), la tasa de acumulación de 0.5 kg/cm2 * año corresponde a 1 cm por 30 años, asumiendo que no hay descomposición de la materia orgánica. En realidad, la porción orgánica sí se descompone, dejando esencialmente sólo la porción inerte. La tasa de deposición de 0.5 kg/cm2 * año es comparable al fenómeno de sedimentación natural que ocurre en el lecho marino.
3.2.2 Bacterias de Coliformes Fecales
En el estudio de prefactibilidad, el estándar recomendado de coliformes fecales fue como sigue:
La concentración de bacterias de coliformes fecales resultante de la descarga de aguas servidas, no debería ser mayor a 1000 MPN/100 en más de un 10 por ciento de las muestras tomadas en puntos alejados 500 m de la costa.
Esta norma es más restrictiva que la actual norma peruana para aguas de clase IV, la cual permite concentraciones de bacterias de coliformes fecales por encima de los 1000 MPN/100 ml en menos del 20 por ciento de las muestras tomadas en la playa. En áreas de recolección de mariscos, la Organización Mundial de la Salud recomienda que las concentraciones de coliformes fecales deberían limitarse a 10 MPN/100 ml en por lo menos 80 por ciento de las muestras, con una concentración máxima de 1000 MPN/100 ml en cualquier muestra.
La Tabla 9 resume las normas de coliformes fecales, incluyendo las normas peruanas existentes, las normas recomendadas en el Estudio de Factibilidad y las normas que podrían ser adoptadas en un futuro en el Perú. La Tabla 9 además identifica las normas utilizadas en la Sección 6 de este enforme.

Figura 4Distribución espacial de coliformes fecales en las aguas superficiales del Océano Pacífico durante la Primavera de 1996, expresada en MPN/100 ml.
Nota: Valores en MPN/100 ml

Tabla 9: Normas de Calidad del Agua para Coliformes Fecales
Norma
Recreación por Contacto
Cultivo de Mariscos
Perú (actual)
1000 NMP/100 ml (80%)
200 NMP/100 ml (80%)


1000 NMP/100 ml (máximo)
Perú (propuesta del Estudio de Prefactibilidad)
1000 NMP/100 ml (90%) (medidas a 500 m de la orilla)
-
Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos, Japón y algunos Países de Sudamérica
200 NMP/100 ml (medio)
400 NMP/100 ml (medio en 7-días)
14 NMP/100 ml (medio)
43 NMP/100 ml (90%)
Organización Mundial de la Salud
-
10 NMP/100 ml (80%)100 NMP/100 ml (máximo)
Clave:

Usado para evaluar el cumplimiento de las alternativas con las normas actuales

Usado para evaluar el cumplimiento de las alternativas con las futuras normas
3.2.3 Oxígeno Disuelto y Demanda Bioquímica de Oxígeno
La norma recomendada para oxígeno disuelto y demanda bioquímica de oxígeno es:
La concentración de oxígeno disuelto debe mantenerse dentro de 1 mg/l del nivel ambiente.
Si, por ejemplo, la concentración de oxígeno disuelto en el agua cercana (pero no afectada por el emisor), es de 10 mg/l, entonces el nivel de oxígeno disuelto en la zona inicial de mezcla (en o cerca de la superficie) no debe ser menor de 9 mg/l. Con un emisor marino debidamente diseñado, esta norma puede cumplirse fácilmente.
No existe una norma recomendada explícita para demanda bioquímica de oxígeno, porque no debe haber problema con un sistema de emisor y difusor debidamente diseñados. Por ejemplo, consideremos una descarga de desagüe con una concentración de demanda bioquímica de oxígeno de 300 mg/l. Si la mínima dilución inicial del sistema de emisor/difusor es 150, la concentración de demanda bioquímica de oxígeno resultante al borde de la zona de dilución inicial, será 2 mg/l. Ésta no es suficiente para reducir significativamente la concentración de oxígeno disuelto.
3.2.4 Materiales Flotantes
La norma recomendada para materiales flotantes es como sigue:
No debe descargarse materiales flotantes visibles.
Existen varias razones para esta norma. La principal es que tales materiales permanecen en la superficie del agua después de la descarga y pueden ser rápidamente llevados por el viento hacia la playa. Esto ocasiona un severo problema de estética. Además, las bacterias tienden a acumularse en las superficies de los sólidos, incluyendo materiales flotantes (aceites y grasa).
3.2.5 Materiales Tóxicos
Los objetivos de calidad del agua están definidos en las normas peruanas para protección recreacional y ambiental (aguas Clase VI) y para recolección de mariscos (aguas Clase V). Dada la calidad anticipada de las Aguas Residuales peruanas sin tratar y la calidad esperada del efluente para un rango de alternativas de tratamiento, es posible estimar la tasa de dilución inicial requerida para alcanzar los objetivos prescritos de calidad de agua para materiales tóxicos. La siguiente ecuación puede ser usada para estimar la dilución inicial requerida:
Dm = (Ce - Co ) / (Co - Cs)
Donde:
Dm = mínima dilución inicial requerida
Ce = concentración de los componentes del efluente
Co = objetivo de calidad de agua para el componente, a alcanzarse al término de la
dilución inicial
Cs = concentración del componente en el agua marina circundante
Basados en esta relación, se desarrollaron las Tablas 10, 11 y 12 para mostrar la dilución inicial estimada para el efluente peruano, requerida para cumplir las normas Peruana y Californiana de agua receptora. Las tres tablas están basadas en las características de Aguas Residuales crudas y tratadas resumidas en la Tabla 13. En cada caso, un sistema convencional de emisor y difusor sería capaz de cumplir las normas Peruana y Californiana para metales pesados en el agua receptora.
3.3 Emisores Submarinos Alternativos
3.3.1 Criterios de Diseño y Desempeño
3.3.1.1 Vida Útil
Aunque muchos emisores existentes fueron originalmente destinados para una vida de 50 años de servicio, sobre la base de la experiencia consideramos que una vida de 75 años de servicio es una expectativa razonable para un emisor moderno, bien diseñado y construido. Por lo tanto, el sistema de emisor se diseñará para proporcionar una vida económica útil de 75 años.
3.3.1.2 Características de las Aguas Residuales
Las concentraciones de diseño para las Aguas Residuales sin tratar y para las tratadas se presentan en las Tablas 4 y 13.
3.3.1.3 Difusores
Para maximizar la mezcla del efluente con grandes volúmenes de agua ambiente, un terminal de tubería especial, comúnmente conocido como “difusor”, se instala típicamente al extremo de un emisor. La finalidad de los difusores es dispersar el efluente y facilitar el mezclado posterior. El difusor es un múltiple, cerrado en un extremo, y con agujeros especialmente diseñados en toda su longitud. La dimensión de los agujeros varía típicamente para compensar los cambios de presión, y proporcionar una descarga uniforme a lo largo del difusor. Con una presión casi uniforme a lo largo del difusor, se logran flujos casi iguales por los agujeros. Los chorros que salen de los agujeros crean un penacho turbulento, que se eleva hacia la superficie del agua bajo el efecto combinado de la flotación y la energía cinética del chorro. A medida que el penacho sube, se mezcla con el agua de mar circundante que es atraída hacia el penacho y diluye el efluente.

Notas:
1. Las eficiencias de remoción para BOD y coliformes fecales son de acuerdo a la Referencia 9.
2. Los Porcentajes de remoción para otros componentes mediante el tratamiento primario y secundario, han sido tomados de la Referencia 10.
3. Las eficiencias de remoción para el cribado se basan en estimados desarrollados específicamente para este proyecto basándose en literatura no publicada.
4. La concentración promedio de TSS en el afluente es el valor estimado para el año 2024, que considera los incrementos más grandes de flujo proyectados de las cuencas con las concentraciones más bajas de TSS.
Para este proyecto, se ha propuesto un sistema difusor en “Y” que consiste en dos brazos separados dispuestos en un arreglo de “Y”. Este arreglo permite una eficiente dilución inicial, y una operación y mantenimiento más flexibles que otras configuraciones de descarga, así como menores pérdidas de presión en el difusor.
Desde el punto de vista hidráulico, el difusor debe diseñarse para evitar pérdidas de presión excesivas en los períodos de alto flujo. Para evitar la sedimentación de sólidos en el difusor, debe reducirse el diámetro de tubería a lo largo de su longitud para compensar la reducción del flujo. Esto asegurará que no se llegue al umbral de sedimentación.
3.3.1.4 Dilución Inicial
Como el efluente que sale del agujero es menos denso que el agua de mar, sube a la superficie y se mezcla con el agua circundante. En muchos emisores, el efluente en realidad nunca llega a la superficie, al haberse mezclado eficazmente con aguas receptoras densas y profundas, y haber alcanzado un equilibrio de densidad a una profundidad intermedia.
Los parámetros que afectan la dilución inicial incluyen los siguientes, de los cuales los siete primeros están bajo el control del diseñador:
· Número de agujeros del difusor y tasa de flujo de la unidad difusora
· Diámetro de agujeros
· Separación de agujeros
· Profundidad del difusor
· Orientación de los choros del difusor
· Velocidad de chorros
· Geometría del difusor, y su orientación respecto a las corrientes marinas predominantes
· Densidad de la masa de agua con relación a las Aguas Residuales
· Variaciones en la densidad del agua receptora por la profundidad y la estación
Por regla general, los difusores bien diseñados pueden lograr una dilución mínima inicial de 100:1. Sobre la base de la evaluación preliminar realizada para el Estudio de Prefactibilidad, la dilución inicial promedio para descargas de Aguas Residuales al ambiente marino mediante un emisor de 8 km, sería por lo menos de 250:1.
3.3.1.5 Desempeño Hidráulico
Los emisores deben diseñarse para funcionar adecuadamente con la mínima presión hidráulica disponible a la entrada del emisor, la máxima marea prevista, y la presión de densidad asociada a la descarga de desagüe tratado – el cual tiene una densidad similar a la del agua dulce – en la profundidad del mar.
Con frecuencia hay preocupación respecto al desempeño hidráulico de un emisor en condiciones de flujos bajos extremos, momento en el cual – a menos que se tomen medidas apropiadas – algunos agujeros del difusor pueden estar descargando efluente mientras que otros están dejando entrar agua de mar al difusor. Esta situación, que es indeseable porque el agua de mar puede contener apreciables cantidades de sedimentos y vida acuática, puede evitarse. Si se esperan aumentos de flujo sustanciales durante la vida de un emisor, generalmente es posible cerrar algunos agujeros al comienzo de la operación, para asegurar el funcionamiento adecuado durante los flujos bajos.
3.3.1.6 Otras Consideraciones del Diseño
El emisor debe ser diseñado para ajustarse a lo siguiente:
· Movimientos sísmicos previstos durante la vida útil, incluyendo el movimiento relacionado con el desplazamiento de fallas, con la licuefacción y el asentamiento diferencial asociado, con la distribución lateral (movimiento cuesta abajo), asentamiento de consolidación.
· Variaciones hidráulicas transitorias
· Requisitos de presión interna y externa
· Sustentación y resistencia inducidas por las olas, incluyendo la licuefacción inducida por las olas
· Fuerzas de empuje en los cambios de dirección y diámetro
· Corrosión en el ambiente marino
3.3.2 Ubicación del Emisor
El emisor estará ubicado en la Playa Oquendo, al norte del Callao (véase la Figura 1).
3.3.3 Alternativas de modelamiento
Las alternativas para el emisor varían desde un emisor pequeño, de 3 kilómetros de longitud, que descargue a una profundidad de agua de unos 10 metros, hasta un gran emisor, de 8 kilómetros de longitud, que descargue a una profundidad de agua de aproximadamente 50 metros.
3.4 Consideraciones geotécnicas del emisor
3.4.1 Estudio geotécnico marino de 1999
Se realizaron investigaciones de reconocimiento del sitio tanto en la zona sublitoral externa como tierra adentro para apoyar la evaluación de las alternativas de emisores submarinos. Las investigaciones tierra adentro consistieron en una perforación avanzada hasta una profundidad de 210 metros por debajo del nivel del mar; se extrajeron materiales subsuperficiales en núcleos de este barreno y se llevaron a cabo pruebas de permeabilidad en el sitio. En las investigaciones en la zona sublitoral externa, se realizaron estudios marinos usando sondeos ultrasónicos, perfiles del fondo submarino, reflexión sísmica, sonar de barrido lateral, magnetómetros marinos y navegación de precisión, todos los cuales estuvieron enlazados a un sistema de posicionamiento geográfico diferencial. Asimismo, se recolectaron muestras de la superficie del fondo marino.
3.4.2 Evaluación geotécnica de los emisores convencionales y tipo túnel
Se preparó un informe (Referencia 7) que presentaba los resultados objetivos e interpretativos de las investigaciones geotécnicas sobre el emisor. El informe presentaba un resumen del entorno geológico y una revisión de los peligros sísmicos del lugar. Entre los principales hallazgos consignados en el informe relacionados con la tubería del fondo marino se incluyen los siguientes:
· Los sedimentos marinos sueltos encontrados entre 2.5 y 4 kilómetros de la zona sublitoral externa pueden ser susceptibles al asentamiento inducido por la licuefacción y necesitar pilotes de apoyo o juntas limitadas para permitir una tubería que corra por el fondo marino. El asentamiento debido a la consolidación puede ser del orden de 0.5 a 3 por ciento del espesor de la zona licueficada, dependiendo de la densidad inicial del suelo y la duración de la sacudida.
· Las excavaciones temporales en arcillas orgánicas pueden presentar dificultades para las construcciones que necesiten pendientes de corte relativamente planas (10° a 15° o más planas).
· A pesar del efecto protector de la Isla San Lorenzo, la construcción de una tubería en el fondo marino en la zona de rompientes requerirá estructuras y equipos provisionales especiales, incluyendo un armazón sobre pilotes, un tablestacado, barcazas autoelevables, grúas y equipos de dragado.
Con respecto a un túnel submarino, el informe geotécnico presentó los siguientes alcances:
· Un eje de caída vertical implicaría importantes retos para la construcción con respecto a la deshidratación y excavación.
· Se espera que las condiciones geológicas profundas en la zona sublitoral externa sean complejas. La superficie de la roca madre de la zona sublitoral externa puede estar cubierta por una secuencia gruesa de formación de Cascajo, un depósito aluvial local compuesto por arena, grava, guijarros y canto rodado. El contacto geológico entre la formación de Cascajo y la roca madre subyacente puede presentar profundas incisiones, o estar cortado por numerosas fallas, e incluir fallas volcánicas y una zona climática irregular. Puede haber una importante irregularidad en la parte superior de la masa de roca que está en contacto con la formación de Cascajo.
· El túnel puede encontrar zonas con fracturas o rocas débiles asociadas con diversas fallas de gran buzamiento que están cartografiadas a través del Cerro Chillón, que podrían proporcionar avenidas para los flujos entrantes de agua freática.
· Sería necesario un programa de sondeo en la zona sublitoral externa para planificar y diseñar un emisor tipo túnel en la zona sublitoral externa.
Basándose en estos hallazgos, la factibilidad de un emisor tipo túnel está en duda a falta de un programa integral de investigación geotécnica y geofísica. Para los fines de este informe, se hace énfasis en una tubería submarina convencional, que no presenta tales limitaciones graves.
3.5 Costos del emisor submarino
3.5.1 Base para el cálculo del costo
Los cálculos de los costos del emisor oceánico se desarrollaron para emisores con una longitud entre 2 y 8 kilómetros. Se desarrollaron estimaciones de costos sobre la base de los costos prevalecientes en 1999 para las construcciones en la zona sublitoral externa por parte de contratistas especializados expatriados. Para cada alternativa se desarrollaron estimaciones de costos para las siguientes zonas de construcción:
· Zona de rompientes. En la zona de rompientes (desde la línea litoral hasta 0.3 kilómetros de la orilla), se levantaría una estructura de soporte provisional para alojar la construcción del emisor. La estructura de soporte estaría montada sobre una tablestaca doble que ingrese hasta el lecho marino. La tablestaca se retiraría luego de la instalación de la tubería y la colocación de la protección de blindaje sobre la parte superior de la tubería. El emisor estaría totalmente enterrado en este tramo para protegerlo contra el rompimiento de las olas.
· Zona próxima a la orilla. En la zona cercana a la orilla (desde el final de la estructura de soporte hasta una distancia de aproximadamente 2.6 kilómetros de la línea de la orilla), se excavaría una zanja de modo que luego de colocar la solera de fondo, la tubería, la piedra machacada y de recubrimiento, la parte superior de la piedra de recubrimiento esté al ras con el lecho marino.
· Zona Sublitoral Externa. En la zona sublitoral externa (desde una distancia de 2.6 kilómetros de la orilla hasta la estructura en forma de horquilla de los difusores), la tubería se colocaría en una zanja excavada. La sección transversal de la piedra machacada y de recubrimiento encima de la parte superior de la tubería no estaría a más de 2 metros por encima del lecho marino. La longitud del tambor principal en la zona sublitoral externa variaría según las alternativas conforme se indica en la Tabla 14. Se proporcionaría protección contra la sedimentación relacionada con la licuefacción, usando conectores de doble campana y tuberías de acero especial, entre 2.8 y 3.8 kilómetros de la orilla.
· Difusores. Los difusores estarían parcialmente enterrados en una zanja excavada y protegidos con piedra machacada y de recubrimiento. Para emisores submarinos de 3 a 5 kilómetros de longitud, los difusores tendrán 3.1 kilómetros de largo, con diámetros que varían entre 1.2 y 2.7 metros. Para los emisores submarinos cuya longitud es entre 6 y 8 kilómetros, los difusores tendrán 2.3 kilómetros de longitud, con diámetros que varían entre 1.2 a 2.7 metros. Los difusores para los emisores submarinos de 3 kilómetros, debido a su ubicación dentro de una zona de sedimentación potencial, recibirían juntas especiales para permitir la sedimentación.


Tabla 14: Longitud de la Zona Sublitoral Externa para las Alternativas de Emisor Submarino
Longitud total del emisor submarino
(km.)
Longitud de la Zona Sublitoral Externa
(km.)
3
0.4
4
1.4
5
2.4
6
3.4
7
4.4
8
5.4

3.5.2 Costo de los Emisores Submarinos
La Tabla 15 resume los costos de construcción para emisores submarinos cuya longitud varía de 3 a 8 kilómetros. En cada alternativa, el costo para la construcción de la estructura de soporte a través de la zona de rompientes y el costo de la sección próxima a la orilla del tambor principal son idénticos. Los costos de construcción para la porción del tambor principal situada en la zona sublitoral externa varían en proporción a la longitud de esta sección. En forma similar, los costos del difusor varían en proporción a su longitud.
Tabla 15: Resumen de Costos del Emisor Submarino


Costos (millones de $US) para la longitud indicada del Emisor
Componentes de Costo
3 km.
4 km.
5 km.
6 km.
7 km.
8 km.
Movilización / Desmovilización en el Mar
3.6
4.4
4.4
4.4
4.4
4.4
Movilización / Desmovilización en Tierra
0.6
0.6
0.6
0.6
0.6
0.6
Construcción de la Estructura de Soporte:







Soporte temporal y apuntalamiento
5.7
5.7
5.7
5.7
5.7
5.7

Excavación desde la estructura de soporte
0.3
0.3
0.3
0.3
0.3
0.3

Colocación de la tubería desde la estructura de soporte
2.8
2.8
2.8
2.8
2.8
2.8

Llenado con piedras desde la estructura de soporte
1.1
1.1
1.1
1.1
1.1
1.1
Construcción del Tambor Principal Próximo a la Orilla:







Excavación de la zanja
4.3
4.3
4.3
4.3
4.3
4.3

Colocación de la tubería
18.1
18.1
18.1
18.1
18.1
18.1

Solera de fondo, piedra machacada y de recubrimiento
17.4
17.4
17.4
17.4
17.4
17.4
Construcción del Tambor Principal en la Zona Sublitoral Externa:







Excavación de la zanja
0.2
0.9
1.5
2.2
2.8
3.5

Colocación de la tubería
4.4
17.7
25.6
33.4
41.3
49.0

Solera de fondo, piedra machacada y de recubrimiento
2.9
10.5
18.0
25.6
33.1
40.7
Difusores:







Excavación de la zanja
1.2
1.2
1.2
0.9
0.9
0.9

Colocación de la tubería
23.8
13.2
13.2
9.7
9.7
9.7

Solera de fondo, piedra machacada y de recubrimiento
9.5
9.5
9.5
7.0
7.0
7.0

Estructuras especiales
1.1
1.1
1.1
1.1
1.1
1.1
Total de Costos Directos
97.0
108.8
124.8
134.6
150.6
166.6
Gastos Generales del Contratista y Margen de Utilidad @ 30%
29.1
32.6
37.4
40.4
45.2
50.0
Costo Total antes de Contingencias
126.1
141.4
162.2
175.0
195.8
216.6
Contingencia al 10%
Costo Total Estimado de la Construcción
12.6
138.7
14.1
144.6
16.2
178.4
17.5
192.5
18.6
215.4
21.6
238.3
Ingeniería @ 8%
11.1
12.5
14.3
15.4
17.2
19.1
Interés durante la Construcción @ 6%
8.3
9.3
10.7
11.5
12.9
14.3
Costo Total del Proyecto
158.1
177.4
203.4
219.4
245.5
271.7








3.5.3 Análisis del Valor Actual de la Alternativa de Emisor Submarino
El análisis económico de las alternativas de emisor submarino se basa en los siguientes parámetros:
· Todos los costos están expresados en términos de precios constantes de 1999 y en Dólares de los Estados Unidos de América.
· El año base para el análisis es 1999 (es decir el año 0).
· El primer año de operación del emisor submarino será el año 2004.
· Se supone que el costo anual de operación y mantenimiento del emisor es igual al 0.5 por ciento del costo de la construcción. Los costos de operación y mantenimiento se calculan para un período de operación de 20 años (desde el año 2004 hasta el año 2023).
· El diseño de ingeniería se realizará en los años 2000 y 2001.
· La construcción del emisor submarino se efectuará en el año 2003.
· El método de amortización anual uniforme (depreciación de línea recta) se usa para determinar el valor de rescate del emisor al final del período de operación de 20 años. Se supone que el emisor submarino tendrá una vida de servicio de 75 años.
La Tabla 16 muestra los valores actuales de las alternativas de emisor submarino.