C7 - Modelacion de Calidad del Agua.pdf

VII – Fundamentos Modelación de Calidad de Agua

Curso WaterCAD/GEMS

Modelación de Parámetros de Calidad del Agua

Teoría de Modelación de la Calidad del Agua en Redes de Distribución © 2008 Bentley Systems, Incorporated

Fundamentos de la Modelación de Calidad del Agua Representación de Representación procesos físicos, físicos, químicos y biológicos para simular simular movimiento y transformación transformac ión de constituyentes constituyent es en el sistema de distribución

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© 2008 Bentley Systems, Incorporated

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Calidad del Agua en Sistemas de Distribución • Calidad de agua depende de: – Fuente del agua – Operación del sistema – Transporte y transformacione transformacioness – Almacenamiento • Variaciones significativas en calidad de agua – Temporalmente – Espacialmente

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Dificultades para modelización de calidad de agua Complejidad del movimiento del agua • Calidad variable de fuentes de agua • Reacción Complejas • Pruebas de campo proveen solo un pequeño ejemplo del sistema •

Beneficios • • • 4

Garantizar potabilidad Optimizar precursores químicos Reducción de vulnerabilidad © 2008 Bentley Systems, Incorporated

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Aspectos relacionados con modelación de calidad de agua • Tanques cerrados o abiertos • Conexiones domiciliarias • Decaimiento de desinfectantes • Purgado • Quejas de sabor y olor • Flujos transitorios • Alta turbidez • Litigación • Fuentes Contaminadas 5


Procesos Presentes • Hidráulica • Mezcla en

Reservorios

depósitos

Ruptura

• Transporte • Reacciones en Agua

el flujo

• Reacciones en

la pared

• Hidrodinámica

Potable Tratada

Transformaciones en la carga Transformaciones en pared Conexiones domiciliarias

de tanques

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Modelación Hidráulica y de Calidad de Agua MODELO HIDRÁULICO CALIBRADO Flujos y velocidades MODELO DE CALIDAD DE AGUA Resultados de la Calidad de Agua

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Tipos de Modelación de Calidad de Agua

• Rastreo de fuente • Edad del Agua • Constituyentes

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Rastreo de Fuente A e a t u n g e u a f e a d l e % d B e a t u n g e u a f e a d l e % d

100 0

tiempo

100 0

tiempo

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Edad del Agua • Calcular variación de edad del agua a través del

tiempo

• Modelación Hidráulica aplicada al tiempo de

permanencia del agua en la Red.

• Altamente influenciada por el tamaño y los

tiempos de residencia en estructuras de almacenamiento

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Constituyentes • Sustancias Conservativas Su concentración cambia solo por procesos de dispersión y mezcal • Sustancias No-Conservativas Concentración crece o decae debido a… – Procesos químicos – Procesos biológicos – Procesos físicos

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Constituyentes (Modelaciones mas Comunes) • Salinidad (TDS)

• pH/alcalinidad

• Nitrógenos

• Dureza

• Metales

• Plomo y cobre

• Orgánicos

• Floro

• Cloro

• Sólidos/turbidez

• Cloraminas

• Actividad Microbial

• VOC’s

• Sabor y Olor

• THM’s 12


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Formas de Transformaciones Cinéticas • Conservativo: dC/dt = 0 • Decaimiento de primer orden: dC/dt = kC • Crecimiento de cero orden o decaimiento:

dC/dt = k • Crecimiento de primer orden a equilibrio – dC/dt = k(Cmax - C) – Orden n-th – dC/dt = kCn

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Decaimiento de Primer Orden 

Los constituyentes decaen proporcionalmente con la concentración

dC/dt = kC 

Decaimiento exponencial Ct = C0 e-kt – Co - Concentración inicial – T - Tiempo – k - Coeficiente de decaimiento





Cloro usualmente tiene decaimiento de 1er orden Media vida: Tiempo para un decaimiento de 50% C0 Co /2

Ejemplo: k = 0.5/día Media vida = 1.4 días Media vida

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Crecimiento de Orden Cero o Decaimiento 

El constituyente crece (o decae) a una velocidad constante absoluta

dC/dt = k Ct = C0 + (rDt) – C0 es la concentración inicial – Dt es el intervalo de tiempo – r es la velocidad de crecimiento 

La edad es un ejemplo de crecimiento de cero orden (r = 1) Concentración o Edad

C0

tiempo 15


Crecimiento de Primer Orden a Equilibrio 

El constituyente crece proporcionalmente con la concentración a un valor de equilibrio

dC/dt = k(Cmax - C) 

El constituyente exponencialmente se acerca a un valor máximo,

Ct=Cmax- (Cmax-C0e-kt) – C0 = concentración inicial, Cmax = concentración máxima 

Los Trihalometanos (THM’s) son un ejemplo Cmax C0

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Definición del Problema • Dado: – Representación de la Red – Flujos en todas las tuberías (del modelo

hidráulico) – Velocidad de Reacciones – Concentraciones en fuentes – Condiciones Iniciales

• Determine:

Concentraciones en todos los nodos en todos los períodos de tiempo 17


Conservación de Masa Nodal Mezcla Completa Masa Total que Entra = Masa Total que Sale Q3, Cout

Q1, C1

NODO Q2, C2

Q4, Cout

Cout = [(Q1 C1) + (Q2 C2)] / (Q1 + Q2)

Q1 + Q2 = Q3 + Q4 18


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Calidad de agua en tanques • Tanques almacenan volumen • Su calidad de agua cambia por… – Calidad de flujo entrante – Transformaciones en el tanque

• Mayoría de modelos asumen mezcla instantánea

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Conexiones de Tuberías • Flujo y velocidad variables en el tiempo • El agua envejece al moverse por las tuberías

y durante su residencia en la Red.

• Transformaciones afectan la calidad de agua

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Perspectiva de Modelación Euleriana Observador fijo, grilla dividida en partes iguales 

Lagrangiana Observador se mueve con el flujo 

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Registro de la Parcela Lagrangiana Parcelas de calidad de agua en tiempo T C=0.72 4

C=0.1 C=0.22 3

2

C=0.64 1

V

L1 En el tiempo (T + L1/V) la parcela 1 se mueve fuera de la tubería y la nueva parcela 5 entra C=0.725 C=0.72 15

22

4

C=0.1 C=0.22 3

2


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Agregando Parcelas C=0.725 C=0.72 15

4

C=0.1 C=0.22 3

2

Estas parcelas se agregan a parcelas combinadas basado en el peso del volumen. Porque la diferencia en concentración entre las parcelas 4 y 5 es menor que la tolerancia de calidad de agua (0.01). C=0.722

C=0.1 C=0.22 4&5

3

2

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Diagrama Simulación de Calidad de Agua Datos de Entrada

Condiciones Hidráulicas Iniciales Calcule la hidráulica EPS Último intervalo de tiempo?

NO

SI

Condiciones iniciales de Calidad de Agua Calcule las ecuaciones de calidad de agua Último intervalo de tiempo?

Resultados

NO

SI

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Datos adicionales para un modelo de Calidad de Agua • Concentraciones iniciales • Velocidades de reacción • Modelo de mezcla de tanque • Velocidad de inyecciones químicas • Tolerancia de calidad de agua • Difusividad

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Modelización de Cloro • Dosificación de cloro – En la planta de tratamiento – Recloración en el sistema de distribución • Decaimiento de Cloro sobre el tiempo – Reacciones de carga – Reacciones de la pared de tubería – Pérdidas en los tanques debido a tiempos de residencias significantes • Meta de cloro – Mantener el residuo de cloro – Prevenir el crecimiento de bacteria

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Decaimiento en Seno del Fluido • Decaimiento de Carga: decaimiento en el agua que

fluye • Usualmente representado como una ecuación de decaimiento de primer orden Ct = C0 e-kt

• Velocidad de Decaimiento Depende de las características de calidad de agua Independiente del material de las tuberías • Uso de un signo negativo cuando nos referimos a k Implícito cuando hablamos de decaimiento Explicito cuando hablamos de velocidad de reacciones • Rango de coeficientes de decaimiento: 0.05 a 15 por −

−

−

−

día • El rango mas típico es 0.2 a 1.0 por día 27


Decaimiento de Pared • Decaimiento de Pared: Interacción del agua con la

pared • Debido a la corrosión, film biológico y otros procesos en la pared • Velocidad de perdida de cloro en la pared depende de −

−

El coeficiente de decaimiento de la pared Velocidad que la carga de agua en contacto con la pared

• Generalmente no es un factor en tanques y

reservorios −

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La proporción de reacción de pared vs. volumen es generalmente muy pequeña


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Factores que Afectan la Perdida de Cloro en la Pared • El coeficiente de decaimiento de la pared

depende de las características de las tuberías (material y edad de tuberías) • La velocidad de agua que está en contacto con la pared: – Aumenta en tuberías mas pequeñas • Camino más cercano de carga a la pared • Mayor proporción de pared/volumen

– Aumenta con mayor velocidad (turbulenta)

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Determinando los Coeficientes de Pared • Difícil de determinar el coeficiente de

decaimiento para la pared

– no hay una técnica de medida directa

• Se estiman valores en el campo basado en

medidas de cloro debajo de condiciones controladas • Experimento Ideal: – Tubería larga aislada sin conexiones – El flujo puede ser controlado – Mida la pérdida de cloro

• Valores de rangos típicos para kpared: 0 - 1

ft/dia

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Relación entre la velocidad de decaimiento de pared y la rugosidad de la tubería? • La relación parece lógica: Tuberías con mas

rugosidad tienen:

– Mayor área de superficie en la pared – Mas oportunidad para el crecimiento de la capa

biológica

• Kwall = a / (Hazen Williams Factor - C) • Datos de campos limitados sugieren un rango de

valores para a de 0 a 100.

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Impactos de Almacenamiento en la Calidad de Agua • Tanques y reservorios diseñados para las

necesidades hidráulicas; la calidad del agua es usualmente secundaria. • Tiempos de largas residencias: – Desprecian residuales de desinfectantes – Promueven el crecimiento de bacteria

• Las mezclas pobres pueden amplificar los

problemas de calidad de agua

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Mezcla Potencial / Problemas de Estratificación

Entradas en Tangentes

Entradas de Diámetros Grandes Palas Complejas

Ttanque

Tinflujo Deflectores

Tuberías Verticales

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Diferencias en Temperaturas


Modelos de Mezcla en Tanques - Mezcla completa - First In First Out (FIFO) - Last In First Out (LIFO) - 2 compartimientos 34


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Modelos de Mezcla en Tanques Tank: T-1 Calculated Concentration versus Time 2 .0

T -1 \C l-C M T -1 \C l-L IF O

n 1 .8 o i t a 1 .6 r t n 1 .4 e c ) n l /1 .2 o g C 1 .0 m d ( e t 0 .8 a l u 0 .6 c l a C 0 .4

0 .2 0 .0

T -1\C l-FIFO T -1\C l-2 C

1 6.0

3 2.0

4 8.0 Time (hr)

6 4.0

8 0.0

9 6.0

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Seguridad de Sistemas de Distribución de Aguas • Objetivos – Mantener un abastecimiento sano y suficiente – Desarrollar confianza en el cliente – Prepararse para cosas que naturalmente pueden ocurrir, accidentes, y actividades de terroristas • Amenazas – Interrupción Física – Contaminación Biológica o Química (Accidental o Intencional) – Perdida de Confiabilidad del Usuario

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Interrupción Física • Acciones que resultan en la pérdida de flujo

y presión = Influencia Negativa en Calidad • Daños a equipos vitales – – – – –

Tubería principal Fuente de electricidad Tratamiento SCADA Estación de bombeo

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Eventos de Contaminación • Contaminación accidental – Desbordes y escurrimiento al agua superficial – Contaminación de Pozos – Conexiones de Cruceros en Sistemas de Distribución – Contaminación de Reservorios • Contaminación Intencional – Actos terroristas (Fuente, Planta, Distribución) – Descargo criminal a una fuente de agua cruda

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Contaminación Terrorista • Objetivos: Maximizar el daño de la población Interrumpir el servicio Disminuir la confianza del consumidor • Implicaciones: Contaminantes altamente intoxicantes son probables Contaminación es más probable en el sistema de distribución Detección por monitoreo y vigilancia Minimizar el tiempo de comunicación y otros retrasos −

−

−

−

−

−

−

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Sustancias de Contaminación •

•

•

•

•

•

•

•

40

Químicos Tradicionales (i.e., Aceite, Carbón) Substancias químicas de guerra (i.e., Sarin) Toxinas (i.e., Botulinus toxina) Sustancias Bacteriológicas (i.e., Bacillus anthracis) Sustancias virales (i.e., Rotaviruses, Ebola) Protozoos (i.e., Cryptosporidium parvum) Químicos Intoxicantes Industriales (i.e., Cyanide) Materiales Radiactivos


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Puntos de Entrada para Contaminantes Hidrantes

Estaciones de Bombeos

Fuentes - Planta - Pozos

Tanque y Reservorios Edificios

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Uso del Modelo para Estudios de Vulnerabilidad • Hay suficiente cloro residual? • Que pasa si un tanque es contaminado? • Que pasa si un pozo es contaminado? • El sistema de distribución puede ser

contaminado si se inyecta por una conexión local?

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Que puede hacer el Municipio? • Establecer buenos contactos con la policía local • Repasar redundancias en su sistema • Identificar puntos críticos y vulnerables • Modelar el movimiento de contaminantes en el

sistema • Aumentar la seguridad de reservorios y otras facilidades • Monitorear el desinfectante más a menudo y en más estaciones 43


Taller 5 Análisis de Calidad del Agua usando WaterCAD/GEMS © 2008 Bentley Systems, Incorporated

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