Uno de los elementos básicos del diseño de un emisario submarino es el conocimiento de los perfiles de temperatura y salinidad en el punto de vertido. A partir del conocimiento de estos dos parámetros se determina el perfil de densidades, la estratificación de las aguas y el posible atrapamiento del penacho antes de llegar a la superficie.

La determinación de estos perfiles puede realizarse mediante el empleo de medidores portátiles, algunos de los cuales permiten la medida simultánea de ambos parámetros.

La precisión con que se obtengan los datos deberá ser como mínimo una décima de grado para la temperatura y la centena de microsiemes/cm para la salinidad (expresada como conductividad eléctrica). Con ello se asegura una correcta determinación de la estratificación y el atrapamiento.

Si con el fin de disminuir el número de medidas se opta por modelizar la estratificación de las aguas receptoras, es necesario contar con datos de las temperaturas medias mensuales del aire en la zona, que pueden, en general, ser obtenidas de organismos oficiales.

Las medidas de perfiles de temperatura y salinidad deberán realizarse bajo distintas condiciones meteorológicas e hidráulicas con el fin de disponer de una estadística representativa.

A2.- Corrientes.

Se realizará un estudio de corrientes con un doble fin:

- Determinar las acciones mecánicas sobre el emisario producidas por las corrientes debidas a causas distintas del oleaje.

- Evaluar la dilución, transporte, dispersión y autodepuración del efluente en la zona afectada por éste.

Se hará previamente una estimación de la posición y características del difusor (longitud y orientación de la conducción son suficientes en esta fase) con el fin de concentrar las medidas en la zona de interés. Para dicha estimación pueden utilizarse los métodos de cálculo del apéndice B.

Respeto al primero de los fines mencionados se utilizarán las Recomendaciones Generales del programa ROM (Recomendaciones para Obras Marítimas) a medida que se vayan publicando por el Ministerio de Obras Públicas y Transportes. Mientras tanto, se considera´ran las siguientes acciones debidas a las corrientes (emisarios no enterrados):

- Fuerza de arrastre: F_a = C_a P_a U_a² D/2

- Fuerza de elevación: F_e = C_e P_a U_a² D/2

Se tomarán como velocidad de cálculo "U_a" la que corresponde al 95 por 100 de no excedencia. Como valores de los coeficientes, se tomarán C_a = 0,9 y C_e = 0,5 aunque este último disminuye casi hasta 0, cuando el emisario está enterrado hasta la mitad o separado del fondo más de un diámetro. D es el diámetro del emisario y P_a la densidad del agua del mar.

El resto del presente apartado se refiere a los cálculos de comprobación de los objetivos de calidad.

Para vertidos urbanos de localidades de menos de 10.000 habitantes, se podrá suponer la existencia de una corriente superficial de 0,20 m/s, cuya dirección sea la que va desde el punto de vertido hasta el punto más cercano a éste de cada una de las zonas de impacto (baños, cultivos marinos, etc.).

En aquellos casos en que sea posible el atrapamiento del efluente por debajo de la termoclina, el estudio de corrientes ha de incluir la descripción del campo por debajo de la misma.

En los vertidos importantes será necesario emplear modelos de simulación, que requieren de campañas de medidas continuas y puntuales para su calibración. En la mayor parte de los casos será, no obstante, suficiente con el desarrollo de medidas puntuales mediante el empleo intensivo de flotadores con vela de arrastre sumergida.

En el caso de emplear medidores continuos resultará conveniente el empleo simultáneo de flotadores o trazadores coloreados que permiten completar las medidas en el espacio, necesariamente reducidas a escasos puntos por el coste del instrumental, que aportan aquéllos.

Para la determinación de las corrientes, a diferentes profundidades, se emplean flotadores cuya vela de arrastre se encuentre a la profundidad de interés; medidores continuos, situados a diferentes alturas de una misma vertical y medidas puntuales con correntímetros manuales que permitan la medición casi simultánea de la corriente a lo largo del perfil. Para el empleo de estos últimos, la embarcación debe estar anclada.

A.3.- Coeficientes de dispersión.

En general, al dispersarse la pluma por efecto de las corrientes marinas, las concentraciones se dividen por un factor que es muy inferior al valor de la dilución inicial y, en el caso de los coliformes, también muy inferior al que se consigue por autodepuración. Por ello, la intensidad del estudio de los coeficientes de dispersión puede ser menor, en beneficio de la de otros estudios complementarios, por ejemplo las corrientes.

Salvo cuando se trate de un emplazamiento en el que las especiales condiciones topográficas e hidrográficas hagan prever una capacidad de dispersión excepcional o una gran variabilidad espacial de dicha capacidad, que pueda ser tenida en cuenta en los modelos de cálculo a utilizar, podrán emplearse las siguientes expresiones para estimar los valores de los coeficientes de dispersión.

a) Dispersión horizontal en dirección transversal a la pluma

K_y (m²/s) = 3 x 10^-5 B^-5 B^4/3

siendo B en ancho inicial de la pluma expresado en metros. Para tanteos puede tomarse K_y = 0,1 m²/s.

b) Dispersión vertical.

En ausencia de estratificación, puede usarse la expresión:

K_y (m²/s) = 4 x 10^-3 U_a e

siendo U_a la velocidad del medio receptor y e el espesor inicial de la capa de mezcla. Para tanteos puede tomarse K_z = 0,01 m²/s-

En medios estratificados, el coeficiente de dispersión disminuye al aumentar el gradiente de densidd por lo que el transporte a través de la picnoclina es muy escaso.

c) Dispersión horizontal en dirección longitudinal.

El transporte dispersivo en dirección longitudinal (K_x) es muy pequeño, en comparación con el transporte consecutivo, por lo que la mayoría de los modelos no lo tienen en cuenta (por ejemplo, en los métodos de cálculo del apéndice B). Si desea utilizarlo, puede tomarse como valor para tanteos K_x = 1 m²/s.

No obstante, resulta poco costoso hacer medidas experimentales de los coeficientes de dispersión horizontal si se hacen coincidir con las medidas de corrientes. El procedimiento que se recomienda se basa en el empleo de flotadores con vela sumergida a una profundidad igual a la del centro de la capa de mezcla esperada. Se colocan flotadores en el centro y en los vértices de un cuadrado (o mejor aún, de un hexágono) con el centro sobre el punto de surgencia y con una de cuyas diagonales paralela a la dirección del difusor. La longitud de la diagonal debe ser aproximadamente la mitad de la del difusor.

Llamando l_ik a la distancia inicial entre cada pareja de flotadores y l_fk a la distancia final entre éstos después de transcurrir un tiempo t, los coeficientes de dispersión se pueden estimar sabiendo que:

y suponiendo que K_x = 10 k_y. En la fórmula anterior N representa el número de parejas de flotadores consideradas y preferiblemente debe incluir los resultados de varias experiencias realizadas en condiciones similares.

También pueden emplearse trazadores químicos o radiactivos para la determinación de los coeficientes de dispersión, siendo los trazadores fluorescentes (fluorescencia o rodhamina B) los más utilizados.

A.4.- Coeficientes de autodepuración.

El cálculo de los coeficientes de autodepuración, especialmente si se determina el T90 de los "E.coli", debe tener en cuenta el carácter marcadamente estadístico de estos parámetros, así como los factores que influyen en ellos (insolación, temperatura, salinidad, etc.).

Uno de los métodos más comúnmente utilizados para la determinación de este coeficiente consiste en marcar un volumen de agua mediante un flotador, el cual se sigue con una embarcación desde la que se realizan muestreos en instantes sucesivos, que son posteriormente analizados en el laboratorio. Para el análisis estadístico de estas determinaciones micribiológicas, se deben replicar los muestreos al menos cinco veces para cada tiempo de toma, ajustando los resultados a una distribución logarítmica normal, que podrá usarse posteriormente para calcular el valor esperado de la reducción de concentraciones utilizando métodos estadísticos clásicos.

Para coliformes fecales en aguas con salinidad superior a 30 g/l pueden servir de orientación los valores obtenidos mediante la siguiente expresión, deducida a partir de los resultados de varias investigaciones recientes:

donde T₉₀ está expresado en horas y las restantes variables son:

sigma = Ángulo del sol sobre el horizonte en grados sexagesimales. (Valor mínimo: sigma = 0).

C = Fracción del cielo cubierto por nubes.

SS = Concentración de sólidos en suspensión en mg/l. (Valor máximo: SS = 80).

T_a = Temperatura del agua en ºC.

Para vertidos correspondientes a localidades de menos de 10.000 habitantes para el parámetro E. coli, se podrá adoptar valores fijos del T₉₀ que no sean inferiores a dos horas en el Mediterráneo ni a tres horas en el Atlántico.

A.5.- Biocenosis y contaminación de fondo.

Para la caracterización del estado ambiental, se debe proceder a un reconocimiento de las comunidades bentónicas, principalmente mediante el estudio de las comunidades infaunales (moluscos y poliquetos) y de la cobertura de algas y otras plantas marinas. Los resultados de este reconocimiento se representarán gráficamente, mediante un mapa de las poblaciones bentónicas.

Este reconocimiento biológico deberá completarse con el muestreo y análisis de sedimentos superficiales y organismos acumuladores (por ejemplo, mejillones) en un número y distribución suficientemente representativo para el tipo y tamaño de emisario que se va a controlar. Sobres estas muestras se determinarán, prioritariamente, los microcontaminantes orgánicos e inorgánicos que figuran en los objetivos de calidad establecidos en la normativa vigente con el fin de que sirvan como referencia de la situación antes de la construcción del emisario.

Asimismo, se debe proceder a la determinación de las concentraciones de microorganismos indicadores de contaminación fecal en las áreas de impacto identificadas.

A.6.- Batimetría, Geofísica y Geotecnia.

Se realizará un reconocimiento y descripción de los fondos a lo largo del perfil longitudinal, analizando los materiales que lo forman y sus propiedades mecánicas hasta la profundidad necesaria para el estudio de una cimentación adecuada. Asimismo, se identificarán los elementos singulares, como barras, bajos o depresiones, que puedan influir en el funcionamiento y mantenimiento de la obra, para lo cual se recomienda el empleo de equipos de sonar de barrido lateral. Todos estos datos se reflejarán en una carta detallada del emplazamiento y alrededores del emisario.

A.7.- Clima marítimo.

Se llevará a cabo un estudio del clima marítimo de la zona, con objeto de determinar las solicitaciones mecánicas a que se verán sometidos los distintos tramos del emisario por efecto del oleaje y la influencia que éste puede tener sobre el comportamiento mecánico de los materiales del fondo, balasto, relleno o lastrado.

Para ello se podrán utilizar las Recomendaciones Generales del programa ROM ya mencionado. Con carácter supletorio, se dan a continuación unas expresiones para calcular las acciones debidas al oleaje sobre emisarios no enterrados:

donde "U_a" y "a" representan las componentes normales al emisario de la velocidad y aceleración máxima, calculadas de acuerdo con la teoría lineal de ondas para la altura de ola significante correspondiente al temporal de cálculo, entendiéndose por tal el de período de retorno de cien años para la fase de servicio y el de período de retorno de un año para la fase de construcción. Los significados de F_a y D se explican en el apéndice B.

Como valores de los coeficientes se tomarán C_a = 1,10- C_i = 3,3 y C_e = 1,25.

Debe tenerse en cuenta que las fuerzas de inercia y de arrastre están desfasadas 90º y que normalmente la situación más desfavorable para la estabilidad corresponde a velocidad máxima y aceleración nula.

A.8.- Dinámica litoral.

Se realizará un estudio básico de la dinámica litoral de la zona, con el fin de evaluar tanto el efecto que ésta pueda tener sobre el funcionamiento y mantenimiento del emisario como, a la inversa, el que la presencia del emisario pudiera tener sobre aquélla.

Se prestará especial atención a las variaciones del perfil de playa y a la posible inestabilidad de la línea de costa.

APÉNDICE B.- MÉTODOS DE CÁLCULO DE LAS DILUCIONES

B.1.- Notación utilizada.

a	Aceleración máxima debida al oleaje (m x m-2)
B	Ancho inicial de la pluma (m.)
c	Concentración de contaminantes en un punto de coordenadas (X, Y, Z).
c0	Idem en el efluente
C	Fracción de cielo cubierto por nubes
Ca	Coeficiente de fuerza de arrastre.
Cd	Coeficiente de descarga.
Ce	Coeficiente de fuerza de elevación.
Cj	Coeficiente de fuerza de inercia.
d	Diámetro interior de la boca de descarga (m.)
D	Diámetro exterior del emisario (m.)
e	Espesor de la capa de mezcla (m.)
erf(x)	Función de error definida como: Existen tablas de valores para cálculos manuales y aproximaciones polinómicas para cálculos por ordenador. Dos aproximaciones útiles son las siguientes: a) Para x < 0,3: erf(x) = 2 x raíz cuadrada de Pí (error 3 por 100) b) Para 0,5 < x <0,7: erf(x) = x (error 4 por 100)
F	Número de Froude: F = Ua3 (g´q)U-1
Fa	Fuerza de arrastre.
Fe	Fuerza de elevación.
Fj	Fuerza de inercia.
Fo	Función que tiene en cuenta la autodepuración de la pluma.
F1, F2 y F3	Funciones que tienen en cuenta la dispersión en la pluma.
g	Aceleración de la gravedad (m x s U-2)
g´	Aceleración reducida: g´= g (pa -po)/po (m x s-2)
h	Carga hidráulica en la boca de descarga (m.)
H	Profundidad de la boca de descarga (m.)
Hh	Profundidad en el punto donde el espesor de la pluma empieza a ocupar toda la capa de agua (m.)
K	Coeficiente de dispersión en general (m-2 x s-1)
Kx	Idem horizontal en dirección longitudinal de la pluma (m2 x s-1)
Ky	Idem horizontal en dirección transversal (m2 x s-1)
Kz	Iden vertical (m2 x s-1)
lfk	Distancia inicial entre la pareja de flotadores "k" (m.)
lfk	Distancia final (m.)
LT	Longitud total del difusor (m.)
N	Número de parejas de flotadores considerados para el cálculo de Kx y Ky.
q	Caudal unitario en el difusor q = Q x LT-1 (m2 x s-1)
Q	Caudal vertido por el emisario (m3 x s-1)
Qb	Caudal vertido por una boca de descarga (m3 x s-1)
S	Dilución inicial en la capa de mezcla.
SS	Concentración de sólidos en suspensión en el agua del mar (mg/l)
Sm	Dilución en el eje del chorro.
t	Tiempo que emplea una partícula de agua en recorrer la distancia X a lo largo del eje de la pluma (horas)
Ta	Temperatura del agua del mar (ºC)
T90	Tiempo necesario para que desaparezca el 90 por 100 de una cierta cantidad de contaminante por efecto de la autodepuración (horas)
uo	Velocidad del efluente en la boca de descarga ( m x s-1)
Ua	Velocidad horizontal del agua del mar (m x s-1)
W	Velocidad ascensional del chorro (m x s-1)
x	Variable de integración (m.)
X	Coordenada medida desde el punto de surgencia a lo largo del eje de la pluma (m.)
y	Elevación de un punto del chorro sobre la boca de descarga (m.)
ymax	Elevación máxima de la capa de mezcla cuando se produce el atrapamiento (m.)
y	Coordenada vertical que mide la distancia a la superficie libre (o a la picnoclina, en su caso) para su uso en F3.
Z	Coordenada vertical que mide la distancia a la superficie libre (o a la picnoclina, en su caso) para uso en F3.
	Ángulo del Sol sobre el horizonte (grados sexag.)
	Coeficiente de estratificación (s-2)
	Ángulo que forma la dirección de Ua con el difusor (grados sexag.)
	Número pí.
a	Densidad del agua del mar (Kg x m-3)
o	Densidad del efluente (Kg x m-3 )
y	"Desviación típica" de la distribución horizontal de concentraciones en dirección transversal a la pluma (m.)
r	Idem de la distribución vertical de concentraciones (m.)
	Variable de integración.

B.2.- Cálculo de la dilución inicial.

Las aguas residuales que se vierten al mar a través de emisarios submarinos, debido a su menor densidad, experimentan una fuerza convectiva que hace que se formen chorros ascendentes. Durante la ascensión, los chorros se alimentan de agua limpia del medio receptor que va diluyendo el fluente. En la superficie se crea una capa de mezcla con concentraciones bastante homogéneas donde los chorros, aunque siguen alimentándose, lo hacen ya con agua contaminada y, por lo tanto, no aumenta su dilución.

Es muy frecuente que, para diferencia de temperaturas (en verano sobre todo) y/o salinidades (proximidad de una desembocadura), el medio receptor esté estratificado, pudiéndose distinguir casi siempre la presencia de dos capas relativamente homogéneas separadas por una superficie denominada picnoclina, donde el gradiente de densidad es muy acusado. En estos casos suelo suceder que, al mezclarse el efluente con grandes proporciones del agua más densa del fondo, loa mezcla tenga una densidad mayor que la de la capa superficial, quedando entonces atrapada sin llegar a la superficie.

Por otra parte, si el medio receptor está en movimiento (lo que ocurre casi siempre) influirá en el espesor de la capa de mezcla y el ancho inicial de la pluma que se forma en planta. A velocidades bajas, la dilución inicial no se ve afectada, pero cuando ésta sobrepasa un cierto valor, la dilución aumento, si bien a costa de que el punto donde el chorro alcanza la superficie (o, en su caso, la picnoclina) se desplace de forma importante en el sentido de la corriente, disminuyendo así la distancia disponible hasta las zonas a proteger, para que actúen los fenómenos de dispersión (horizontal y vertical) y de autodepuración.

En el resto del presente apartado se dan métodos para calcular la dilución inicial, el espesor y el ancho de la pluma para diferentes hipótesis de dispositivos de vertido y de características del medio receptor. Aunque dichos métodos son suficientemente aproximados, si se cumplen las hipótesis expuestas, pueden utilizarse otros métodos más exactos o que tengan en cuenta más aspetos de los fenómenos de hipótesis, se exige expresamente el empleo de métodos de cálculo más sofisticados, que pueden incluir expresiones semiempíricas suficientemente contrastadas, procedimientos de integración numérica e incluso modelos físicos a escala reducida, dependiendo de la complejidad e importancia del problema.

En general, las condiciones pésimas respecto a la dilución inicial mínima se dan cuando la velocidad del medio receptor es muy pequeña. Sin embargo, para la comprobación de los objetivos de calidad (apartado B.3) las condiciones pésimas se dan con velocidades altas. Por ello, en lo que sigue se exponen métodos de cálculo que son válidos par un abanico razonablemente amplio de velocidades.

B.2.1.- Comprobación de la estabilidad de la capa de mezcla.- Si la profundidad en el punto de vertido es escasa y el caudal vertido es importante, puede alcanzarse la inestabilidad de la capa de mezcla, produciéndose una recirculación desde ésta hacia los chorros en toda la profundidad. En este caso, no son utilizables los métodos que se exponen más adelante, debiéndose emplear, por tanto, otros métodos más sofisticados.

Esta situación es típica en los vertidos de agua de refrigeración de las centrales térmicas y nucleares, pero no suele darse en vertidos de aguas residuales urbanas.

El criterio para asegurar que no se produce dicha situación es:

B.2.2.- Medio receptor no estratificado.

B.2.2.1.- Difusor con bocas de descarga muy próximas.- Se consideran incluidos en este grupo lo difusores cuyas bocas distan entre sí menos de un 3 por 100 de la profundidad en el punto de vertido.

En este caso, los chorros se mezclan formando una "pared" ascendente que llamaremos chorro lineal. Para pequeñas velocidades del medio receptor la dilución mínima en cualquier sección horizontal por debajo de la capa de mezcla puede calcularse mediante:

S_m = 0,38 g´^1/3 yq^2/3

Para calcular los parámetros de interés se distinguen los siguientes casos:

Caso I

La dilución inicial, el espesor de la capa de mezcla y el ancho inicial de la pluma se calculan mediante las expresiones:

Caso II

Caso III

Caso IV

Caso V

En los casos II a V si resulta e>H se toma e=H y S=U_aBH/Q.

B.2.2.2.- Difusor con bocas de descarga muy separadas.- Se consideran incluidos aquí los difusores cuyas bocas distan entre sí más de un 20 por 100 de la profundidad.

A esta distancia los chorros no interaccionan hasta llegar a la capa de mezcla, por lo que la dilución puede calcularse para cada chorro aislado. No obstante, al llegar a la superficie se formará también una capa de mezcla, dentro de la cual no disminuyen las concentraciones.

Para pequeñas velocidades, la dilución mínima en cualquier sección horizontal de un chorro por debajo de la capa de mezcla puede calcularse mediante:

S_m= 0,089 g´ y^5/3 Q _b^-2/3

Los parámetros de interés para el caso I, que es el que corresponde a condiciones pésimas respecto a la dilución inicial mínima, se calculan por las expresiones:

donde las dos últimas hay que resolverlas por iteraciones.

Para los demás casos (velocidades altas) son necesarios métodos más avanzados. No obstante, dado que el aumento de dilución inicial se compensa con una menor distancia disponible para la dispersión y que las concentraciones en puntos alejados se hacen cada vez más independientes de la forma como se produce la descarga, se pueden utilizar los métodos del apartado B.3 para velocidades elevadas, partiendo de unas condiciones iniciales de la pluma (posición, ancho, espesor y concentración) correspondientes a velocidades bajas, sin que por ello se cometan errores importantes.

B.2.2.3.- Otros difusores.- Para difusores con separación entre bocas entre el 3 y el 20 o con formas en planta distintas de la línea recta (por ejemplo, difusores en Y, en T, etc.) no son aplicables directamente los métodos anteriores y deberán, por tanto, ser calculados utilizando métodos más sofisticados.

B.2.2.4.- Descarga por boca única.- En general, se tomará:

Si la velocidad es tan alta que resulta B< 0,3H, no valen las expresiones anteriores y tienen que utilizarse modelos que tengan en cuenta la curvatura del chorro.

B.2.3.- Medio receptor estratificado.- Si el tipo de estratificación consiste en la existencia de dos capas homogéneas consiste en la existencia de dos capas homogéneas, bien diferenciadas y separadas por una picnoclina clara, un procedimiento adecuado puede ser presuponer el atrapamiento de la mezcla y, por tanto, utilizar los métodos descritos en el apartado B.2.2, considerando la picnoclina como superficie libre ficticia. En este caso, debe comprobarse "a posteriori" que la densidad de la mezcla, calculable a partir de las densidades del efluente y del agua del mar y de la dilución alcanzada, es superior a la densidad de la capa superficial.

Naturalmente, la velocidad U_a a utilizar en los cálculos será la que corresponda a la capa profunda, y suele ser bastante inferior que la de la capa superficial.

Si el tipo de estratificación permite aproximar el perfil de densidades en toda la profundidad (o, al menos, en todo el espesor de la capa profunda) mediante una recta, se pueden utilizar las siguientes expresiones para calcular la máxima elevación (sobre la boca de descarga) que alcanza la capa de mezcla atrapada y los demás parámetros de interés, siempre que las velocidades no sean muy altas.

B.2.3.1.- Difusor con bocas de descarga muy próximas.

B.2.3.2.- Difusor con bocas de descarga muy separadas.

B.2.3.3.- Descarga por boca única.

Si el tipo de estratificación se traduce en un perfil de velocidades distinto de los anteriores, se requiere el empleo de métodos de integración numérica para calcular todos estos parámetros.

B.2.4.- Posición en el punto de surgencia.- Para aplicar los modelos del apartado siguiente es necesario situar el origen de la pluma que, como es lógico, coincidirá con el punto donde el chorro alcanza la superficie o la picnoclina, según los casos.

Para calcular la posición de este punto, se compondrá vectorialmente la velocidad horizontal U_a del medio receptor con una velocidad vertical de ascensión del efluente, que se calculará por las siguientes expresiones:

B.2.4.1.- Difusor con bocas de descarga muy próximas.

W = 1,66 (g´q)^1/3

B.2.4.2.- Difusor con bocas de descarga muy separadas.

W = 6,3 (g´Q_b/H)^1/3

B.2.4.3.- Descarga por boca única.

W = 6,3 (g´Q/H)^1/3

En los dos últimos casos, se sustituirá H por Y_max cuando se trata de medio receptor estratificado.

La línea que, pasando por el centro del difusor o por la boca única de descarga, sea paralela a esta velocidad compuesta, determinada el punto de surgencia en la superficie o en la picnoclina.

En dicho punto, la sección transversal de la pluma está representada por un rectángulo de anchura B y espesor e, atravesado por un rectángulo de anchura B y espesor e, atravesado por una mezcla de concentración casi homogénea C_o/S y con velocidad U F_a.

B.3.- Comprobación de los objetivos de calidad.

Los objetivos de calidad suele venir expresados como concentraciones de contaminantes que no deben ser sobrepesadas en determinadas áreas, según sus usos, situadas generalmente a bastante distancia de la zona de vertido (entre uno y varios kilómetros).

Para comprobar si se cumplen dichos objetivos es necesario calcular las distribuciones de concentración de los contaminantes significativos que se producirán en las condiciones pésimas. Estas consistirán, asi siempre, en unas situaciones de corriente que, acercan la mezcla desde la zona de vertido hasta las áreas a proteger, siguiendo unas trayectorias retas o con curvatura poco pronunciada.

Alrededor de dichas trayectorias, el contaminante "dibuja" una pluma con conentraciones más elevadas en el eje y en superficie (o la picnoclina, si la mezcla quedó atrapada), y más reducidas en los bordes laterales e inferior, donde se está produciendo un intercambio turbulento con agua limpia del medio receptor. Además, a medida que nos alejamos de la zona de descarga, las concentraciones en el eje van disminuyendo a costa de un ensanchamiento de la pluma como consecuencia del transporte dispersivo. A ello hay que añadir una disminución del contenido total de cada sección transversal, a causa de los fenómenos de autodepuración del agua del mar.

El cálculo preciso de la distribución de concentraciones es bastante difícil, por las siguientes razones:

Los coeficientes de dispersión (K) y de autodepuración (T₉₀) son muy variables. Además, éste último influye mucho en los resultados.

El medio receptor presenta muchas veces una acusada estratificación, lo cual se traduce en un cierto impedimento para la transferencia vertical de contaminantes y de corrientes. Además, el perfil de densidades puede variar al acercarse a la costa.

La intensidad y dirección de las corrientes varían mucho en el tiempo y en el espacio. Resulta especialmente difícil estudiar el efecto de la variabilidad vertical de las corrientes horizontales, que suele ser muy acusada, sobre todo en la capa situada por encima de la pinoclina. Sin embargo, dicho efecto es muy importante porque aumenta considerablemente la dispersión horizontal.

Los límites del sistema (batimetría, línea de costa, etcétera) pueden ser muy complicados.

Como consecuencia, cuanto mayor sea la importancia del emisario, más sofisticados deberán ser los métodos de cálculo utilizados y, consecuentemente, más completos deberán ser los estudios complementarios para la determinación de los parámetros oceanográficos, que deben orientarse a la obtención de los datos que necesite el método de cálculo elegido.

Existen diversas formas de enfocar el cálculo de dichas concentraciones: Soluciones analíticas de la ecuación de difusión para vertido continuo, superposición numérica de soluciones analíticas para vertidos instantáneos, celdas de mezcla, integración numérica de las ecuaciones, modelos físicos a escala reducida, etc.

Para elegir el método de cálculo debe tenerse presente que puede ser preferible uno poco preciso, que tenga en cuenta todos los fenómenos implicados, que uno de mayor precisión, que ignore ciertos aspectos importantes. Además, dada la variabilidad de los parámetros, puede ser necesario aplicarlo a un gran número de situaciones.

En cualquier caso, cuanto más escasos sean los datos de campo y más simple los procedimientos de cálculo, más del lado de la seguridad habrá que quedarse al seleccionar las situaciones pésimas.

A continuación se dan unas expresiones que pueden servir para comprobar los objetivos de calidad en el caso de emisarios poco importantes. No obstante, también pueden valer como elementos de otros procedimientos de cálculo más completos.

Este procedimiento se aplica cuando el vertido alcanza a superficie y se ve sometido a una corriente rectilínea de velocidad constante. No obstante, bajo ciertas limitaciones también puede aplicarse en los siguientes caso:

Cuando el vertido queda atrapado por la picnoclina, si se supone que ésta actúa como superficie libre ficticia y que sólo se produce dispersión en la capa inferior.

Cuando la trayectoria no sea rectilínea, siempre que su radio de curvatura sea bastante mayor que el semiancho de la pluma. Entonces X representa la distancia al origen (punto de surgencia) medida a lo largo del eje, e Y la mínima distancia de un punto cualquiera a la superficie proyectante vertical de dicho eje.

Cuando la velocidad varíe a lo largo de la trayectoria, siempre que lo haga lentamente. Basta sustituir la variable auxiliar t por la expresión:

que, en caso necesario, puede calcularse numéricamente.

En cambio, no es aplicable cuando existen variaciones importantes de profundidad, en sentido transversal a la pluma o en las proximidades de los contornos cerrados. Desgraciadamente, ambas circunstancias se dan cuando la pluma se acerca a la costa que suele ser, además, un elemento del conjunto de situaciones pésimas de cálculo. No obstante, para emisarios poco importantes se podrán calcular las concentraciones utilizando las expresiones siguientes, aplicadas sin tener en cuenta la presencia de la línea de costa. Esto se justifica por el hecho de que el aumento de concentraciones que se produce al estar impedida la dispersión hacia tierra, se compensa por la escasa probabilidad de que una trayectoria real termine impactando directamente sobre la costa, ya que tienden a hacerse paralela a ésta a una cierta distancia de ella.

La concentración en cualquier punto de la pluma determinado por sus coordenadas (X, Y, Z) viene dada por la expresión:

C (X, Y, Z) = (C_o/S) F_o (t) F₂ (Y, t) F₃ (Z, t)

siendo t una variable auxiliar que se calcula mediante:

t = X/U_a

La función F_o (t) tiene en cuenta los fenómenos de autodepuración de los parámetros no consecutivos, y tiene la siguiente expresión:

F_o (t) = 10^-t/T₉₀

Las otras funciones tienen forma diferente, según la zona a la que se apliquen:

a) Zona próxima al punto de surgencia.

En esta zona, el espesor de la capa de mezcla es inferior a la profundidad y, por tanto, existe dispersión vertical. Además, el perfil de concentraciones tiene forma de "meseta" por la homogeneización que se produce en el punto de surgencia.

siendo:

Si se supone mezcla en toda la profundidad desde la zona de vertido (e = H) se toma F₃ (Z, t) = 1.

b) Zona alejada del punto de surgencia.

Aquí se supone que la pluma se homogeneizó en vertical cuando la profundidad era H_h (que se puede estimar mediante las expresiones anteriores). Además, a esta distancia se pueden utilizar aproximaciones de la función de error, con lo cual:

siendo ahora:

Nótese que en eje de la pluma se tiene y = 0 por tanto F₂ =1, con lo que la concentración en el eje viene dada por la expresión:

B.4.- Cálculo hidráulico del emisario.

Una vez definidas las condiciones de dilución se debe proceder al cálculo hidráulico de la tubería y del difusor.

El cálculo hidráulico del difusor se realiza comenzando por la boca de descarga más alejada. En ésta se cumple que:

donde:

para orificios de bordes redondeados y

para orificios de bordes agudos. Si se utiliza otro tipo de bocas de descarga se deberá determinar mediante ensayos la expresión de C_d similar a las anteriores, que resulte más adecuada.

Conocido el caudal descargado por la boca, se calcula el caudal y la velocidad en el tramo de difusor anterior a ésta. Seguidamente se calcula la carga hidráulica en los siguientes tramos de tubería, añadiendo las pérdidas por fricción y las de salida por las bocas de descarga, llegando en último término a determinar la carga hidráulica al inicio del tramo difusor y el caudal vertido por cada una de ellas. Dado que el proceso de cálculo y, en consecuencia, el caudal total dependen del caudal asumido inicialmente de la descarga por la última boca, en un primer tanteo, éste se puede tomar igual a Q/n para, mediante sucesivas iteraciones, determinar posteriormente la distribución definitiva.

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