Ejercicios de Modelacion de La Calidada de Agua

INSTITUTO DE INGENIERÍA DEL AGUA Y MEDIO AMBIENTE UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA

EJERCICIOS DE MODELACIÓN DE LA CALIDAD DEL AGUA. DESARROLLO DE EJERCICIOS PRÁCTICOS DE MODELACIÓN DE LA CALIDAD DEL AGUA ELABORADOS CON EL PROGRAMA GESCAL DEL ENTORNO DE AYUDA A LA DECISIÓN AQUATOOL

Javier Paredes Arquiola Abel Solera Solera Miguel Martín Monerris.

Marzo 2011

Ejercicios de modelación de la calidad del agua.

PRÓLOGO Este texto tiene por finalidad introducir al lector en el uso del programa GESCAL perteneciente al Sistema Soporte de Decisión AQUATOOL. El programa GESCAL permite simular la calidad del agua en sistemas de recursos hídricos completos o en masas de agua específicas. Es especialmente útil en tramos de río con vertidos, embalses con problemas de eutrofización y sistemas en donde la gestión y la calidad del agua tengan relación. El texto recoge dos ejemplos centrados en la modelación de la calidad del agua en tramos de río y embalses. La interacción entre la gestión y la calidad del agua puede analizarse en el ejemplo desarrollado en el libro: “Ejercicios de recursos hídricos resueltos con AQUATOOL” de esta misma

editorial.

En el primer capítulo se desarrolla la modelación de la calidad del agua en un tramo de río sencillo el cuál se ve afectado por un vertido de aguas residuales. En el segundo capítulo se realiza el ejercicio de confeccionar el modelo de eutrofización de un embalse. Los modelos se crean utilizando la interface AQUATOOLDMA que permite tanto el desarrollo como la edición de modelos de simulación de la gestión, optimización, simulación de la calidad y otros aspectos relacionados con los recursos hídricos. Mediante este interface el usuario puede editar modelos conceptuales en entorno gráfico, puede manejar los diferentes módulos de cálculo de AQUATOOL y puede obtener informes y resultados gráficos de los programas para su estudio. El software software AQUATOOL puede puede obtenerse obtenerse en la web www.upv.es/aquatool . La versión disponible gratuitamente en esta web permite repetir todos los ejercicios que se describen en este texto. Mediante licencia se puede obtener versiones que permiten el trabajo con modelos de cualquier nivel de complejidad. De la misma web se puede descargar también copia de los esquemas de simulación utilizados utilizados en cada uno de los ejercicios de este documento. 1


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CAPÍTULO I. MODELACIÓN DE UN TRAMO DE RÍO CON VERTIDO.

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ENUNCIADO La parte baja del río Benawan tiene un problema ambiental debido a un vertido de una ciudad cercana. En la figura 1 se puede ver un esquema la zona en que se encuentra el vertido urbano. Se dispone de estaciones de control de calidad de agua en varios puntos de la cuenca (estaciones ICA, ver figura 1). Además, se han realizado ensayos de tiempo de viaje y se dispone de parámetros hidráulicos sobre los diferentes tramos de río. Con esta información se pide: - Realizar un modelo de calidad del tramo de río que incluya los siguientes constituyentes: sólidos suspendidos, DBO5 y Oxígeno Disuelto para todo el sistema. Calibrar los parámetros necesarios para su modelación. - Completar el modelo realizado incluyendo el ciclo del n itrógeno. - Analizar posibles soluciones al tramo de río.

Zona agrícola

ICA.AgAbAzud Grande

Azud Grande

ICA.AgAb _Vertido ICA.Final Año inicial: 1996 Número Años: 4 Datos de la demanda Oct Demanda Agraria (Hm3/mes)

Nov

2.53

Dic

0.00

Ene

0.00

Feb

0.00

0.55

Mar

Abr

May

Jun

Jul

Ago

3.64 5.00 10.33 13.98 21.51 19.95

Sep 8.72

Datos de las conducciones

AzudGrande_VertidoUrbano VeetidoUrbano_ICaAgAbVertido Tramo Final

Coeficientes Hidráulicos Longitud Alfa Beta Beta (m) veloc veloc AlfaProf Prof 32058 0.12 0.61 0.59 0.16 7656 0.12 0.61 0.59 0.16 8107

0.12

0.61

0.59

0.16

Datos de Temperatura Oct

Nov

Dic

Ene

Temperatura Aguas Arriba de Vertido (ºC)

Feb

Mar

Abr

May

Jun

Jul

Ago

Sep

13.50

10.20

8.01

5.00

6.30

7.30 10.23 14.32 17.34 19.44 18.50

17.34

Temperatura Aguas Abajo de Vertido (ºC)

15.71

11.23

8.42

6.21

7.48

9.61 11.68 16.61 19.59 20.83 20.86

19.18

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Tabla de comparación Caudales Estación

Modelo

A comparar

EA_AgAbAzGrande

AzudGrande_VertidoUrbano

Caudal

EA_Final

Tramo Final

Caudal

Estación

Modelo

A comparar

ICA1_AgAb_AzudGrande

AzudGrande_VertitoUrbano

Constituyentes

ICA2_AgAbVert

VertUrbano_IcaAgAbVert

Constituyentes

ICA3_Final

Tramo Final

Constituyentes

Calidad

Los datos de caudales y concentraciones, tanto del agua que procede del río como del vertido, se encuentran en el anejo I.1. Se pueden descargar en formato de archivo de la página web: www.upv.es/aquatool.

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1. Inicio del modelo. El primer paso a dar es iniciar Inicio/Programas/Aquatool/AquatolDMA

Ejercicios de modelación de la calidad del agua. la

aplicación,

para

ello

nos

vamos

a:

Una vez iniciado el programa la aplicación aparecerá vacía y tenemos que decidir entre crear un nuevo ejemplo o abrir uno existente. En este caso queremos crear uno nuevo para lo que hacemos Archivo/Nuevo como se indica en la Figura 1.

Figura 1. Creación de un nuevo ejemplo

Una vez indicado el directorio y el archivo de trabajo la interfaz nos pide los parámetros básicos para la creación del modelo de SIMGES. Aunque en realidad el modelo de SIMGES sirve para la simulación de cuencas y en este ejemplo no va a ser visto en profundidad es necesario realizar la simulación de los caudales ya que los resultados de este modelo son una entrada para el modelo de GESCAL. Los parámetros son los que se muestran en la Figura 2.

Figura 2. Parámetros básicos del modelo de SIMGES.

Entre estos datos figuran: dos títulos identificativos, elegidos por el usuario; el año de inicio de aportaciones y el número de años de simulación. Finalmente se indica el nombre de los archivos de topología y el de las aportaciones. El archivo de aportaciones contiene los datos de entrada en cuanto a cantidad de agua se refiere. Una vez presionamos el botón de “aceptar” la interfaz creará un tapiz en blanco para poder empezar a introducir la topología del modelo. Seguidamente, para indicar que se va a crear un modelo de simulación de la calidad se debe acceder al menú de Opciones del proyecto dentro del menú Modelo .

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Figura 3. Acceso a las opciones del proyecto.

Al acceder a la pantalla de opciones de proyecto se debe indicar que se quiere realizar un modelo de simulación de la calidad marcando la casilla “Modelar Gescal”, Figura 4.

Figura 4. Pantalla de opciones del proyecto.

Al realizar esta selección se accederá a la pantalla de “Opciones del modelo de Calidad”, Figura 5, en donde se deberá indicar los parámetros fundamentales del modelo.

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Figura 5. Opciones del modelo de calidad

Por defecto vienen seleccionadas todas las opciones de simulación. Para este ejemplo inicialmente sólo crearemos la opción básica en la que se modela la materia orgánica y el oxígeno disuelto. Para ello tendremos que deseleccionar las opciones de “¿Modela temperatura?”, “Modela Fitoplancton” y “¿Modelo Nitrógeno?”. Además modelaremos los sólidos suspendidos como un contaminante arbitrario. Para ello introduciremos el nombre del constituyente a modelar, en este caso “solidos”, en la tabla de la parte inferior de la ventana. Como se puede comprobar en la definición de los constituyentes no se han considerado las tildes ya que los resultados son exportados a bases de datos y hojas de cálculo y en estos procesos se las tildes pueden desvirtuar el nombre del constituyente. Adicionalmente a las opciones de constituyentes a simular se deben indicar dos títulos de la simulación a elegir por el usuario. Una vez realizados los cambios y presionar el botón aceptar la herramientas nos devuelve a la pantalla de opciones de proyecto, Figura 4, en donde le deberemos indicar si las aportaciones se van a introducir directamente en la aplicación o por archivo. En este caso se va a utilizar un archivo previamente realizado. Una vez escrito el nombre del archivo “Aportacal.apo” se presiona el botón de Aceptar y la herramienta nos devuelve al tapiz para que creemos la topología del modelo.

2. Creación de la topología. El siguiente proceso consiste en introducir todos los datos del modelo. Para ello se van pinchando elementos en la barra de herramientas, Figura 6, y colocándolos sobre el tapiz.

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Figura 6. Barra de Herramientas.

La creación del modelo no tiene porque seguir el orden que se explica a continuación. La única premisa que existe es que para crear los elementos de conexión, como las tomas y conducciones, los elementos inicio y final deben de haberse creado previamente.

2.1. Creación de los nudos. Debido a la sencillez de la topología primero vamos a crear todos los nudos del sistema. Para ello haciendo clic en el elemento de la barra de herramientas y volviendo hacer clic en el tapiz en el lugar deseado se van creando los nudos. El único dato a proporcionar para los nudos es e l nombre del mismo.

Figura 7. Creación de los nudos del modelo.

Seleccionando el elemento y con las opciones del botón derecho se puede acceder a diferentes opciones estéticas de los elementos como cambiar el color del mismo.

2.2. Creación de conducciones Una vez que se tienen los nudos creados procedemos a la creación de las conducciones o tramos de río que los unen. Todas las conducciones de este ejemplo son conducciones de tipo 1. Este tipos de elementos sirve para representar tramos de río o canales normales que no tienen relaciones con las aguas subterráneas (conducciones tipo2 y 3). Para crear la primera conducción se utiliza el siguiente botón y se parte del nudo inicial. Por cada clic que se haga se crea un punto de la curva hasta llegar al nudo final. Una vez que se llega al nudo final el programa nos muestra la siguiente ficha para que sea completada.

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Figura 8. Ficha de conducciones.

En este caso bastará con introducir el nombre identificativo de la conducción dejando el resto de datos los que viene por defecto. De forma similar se crean todas las conducciones del modelo.

2.3. Definición de demandas. Una demanda se representa mediante 3 elementos: el elemento “demanda” de consumo de agua; el elemento “toma”

que representa el área

que representa el o los canales por los que se suministra la

demanda (una demanda puede tener una o varias tomas); y el elemento “retorno” que representa la incorporación al río u otro cauce superficial del agua no consumida (el elemento de retorno no es necesario, y un retorno puede asignarse a varias demandas). Nudo de demanda Para crear las demandas utilizaremos el elemento de la barra de herramientas. Una vez creado los datos a introducir son los que aparecen en le la Figura 9.

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Figura 9. Ficha de datos de la demanda.

Entre los datos a introducir se encuentran: el nombre de la demanda, los valores demandados mensualmente. Arco de toma. Una vez creada la demanda debe crearse la toma por la que se realiza su suministro. Para ello se utiliza el elemento de la barra de herramientas. Se indica el nudo de donde se extrae el agua y posteriormente a que demanda se suministra. Los datos a introducir son: el nombre de la toma, la curva de punta de suministro mensual, la prioridad del suministro, la dotación anual, el coeficiente de consumo, el coeficiente de retorno y el elemento de retorno. Figura 10.

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Figura 10. Ficha de datos para una toma.

En este caso los únicos datos que debemos introducir son el nombre de la toma la punta mensual y la dotación anual. Estos valores deben ser superiores a los valores introducidos en la demanda para que no supongan un límite en el suministro. Un elemento de demanda puede tener varias tomas que la satisfagan. Por otro lado el programa comprueba si una demanda está limitada en su suministro debido a que los datos de la toma son inferiores a los de la demanda. Si no se ha creado el elemento de retorno se puede dejar en “por determinar” y luego volver a la ficha para asignarlo. También es importante que el usuario entienda el significado del coeficiente de consumo y de retorno. De esta forma crearemos las tres demandas de nuestro ejemplo y sus tres tomas.

2.4. Aportaciones Antes de crear las aportaciones conviene copiar en el directorio de trabajo los archivos de aportaciones de SIMGES y GESCAL, “Aporta.apo” y “AportaCal.apo” respectivamente. Esto se realiza de forma externa al programa, utilizando el explorador de archivos. El directorio de trabajo se encuentra dentro del directorio elegido por el usuario con el nombre “escenario001” (según se observa en la Figura 2). Una vez copiado estos archivos, para crear una aportación al sistema se utiliza el elemento de la barra de herramientas. Una vez presionado el elemento se debe indicar el nudo en el cual entra la aportación de recurso. Los datos que se dan en la ficha de aportaciones, Figura 11, son el nombre de la aportación y la columna en la que se encuentran los valores de la misma en el archivo de aportaciones.

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Figura 11. Ficha de aportaciones.

Aunque en este documento no se explica es posible introducir los valores de las aportaciones directamente en la interfaz almacenándose en la base de datos del modelo. En cuanto a los datos de concentraciones de entradas de las aportaciones, ubicados en el archivo de aportaciones de GESCAL, no es necesario realizar ninguna acción en la pantalla. Es importante indicar que el orden de los datos de aportación en el archivo debe ser el mismo que el del orden de creación de aportaciones en el modelo, sin tener que coincidir con el del archivo de SIMGES. Es muy recomendable comprobar la coherencia de las aportaciones de SIMGES y GESCAL mediante la herramienta de validación de datos: “Modelos/Gescal/Validar Diseño Esquema”.

2.5. Asignación del nudo final En este punto ya se han creado todos los elementos del modelo pero falta hacer una operación que es asignar el nudo final del esquema (o los nudos finales). Para ello seleccionamos el nudo final de la conducción “Tramo final” y en el menú “Editar” seleccionamos la opción Nudo Final/Asignar Nudo final. Figura 12.

Figura 12. Asignación del nudo final.

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Ejercicios de modelación de la calidad del agua. En este momento ya se tiene el modelo completo, Figura 13, con todos los datos y es posible comenzar a utilizarlo como una herramienta de análisis.

Figura 13. Esquema del modelo realizado

3. Simulación cuantitativa. En este momento ya se tiene creada la parte “cuantitativa” del modelo y se puede realizar una simulación para ver los resultados y para verificar que todos los datos han sido incluidos correctamente. Para ello en el menú “Modelos” seleccionamos la opción: Simges/Ejecutar Simges como se muestra en la Figura 14.

Figura 14. Llamada a la simulación del modelo.

El programa nos lleva a la ficha de parámetros, Figura 2, del modelo se simulación por si se quiere hacer alguna modificación en cuanto a los títulos o los años de simulación. Si hacemos clic sobre el botón Aceptar el programa hace la llamada al módulo SIMGES apareciendo la siguiente pantalla de ejecución.

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Figura 15. Pantalla de ejecución del modelo SIMGES.

Una vez aparece la etiqueta de “fin de proceso” se puede presionar el botón “Aceptar” para cerrar la pantalla de simulación y volver a la pantalla de trabajo. Si, por cualquier causa, apareciera un mensaje de error tendríamos que consultar el fichero de errores de Simges. Esto se puede hacer desde el menú Ver/Resultados Simges/Incidencias de la simulación como se indica en la Figura 16.

Figura 16. Acceso a el archivo de errores de la simulación.

Si la simulación ha terminado correctamente, es conveniente editar e imprimir el archivo de “Eco de datos” (Figura 16) para revisar y validar todos los datos que se han introducido al programa. Este archivo contiene una copia formateada y etiquetada de los datos que se ha dado al programa.

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4. Introducción de los datos de calidad.

En este momento se deben introducir los datos relativos a la modelación de la simulación de la calidad del agua.

4.1. Formulación del modelo básico. Si se han realizado estos pasos correctamente estaremos un modelo en que se van a simular los sólidos suspendidos la DBO5 y el oxígeno disuelto. 4.1.1. Formulación del modelo planteado. En este apartado se explican los procesos que se modelas en los diferentes constituyentes. Junto con estos procesos se producen una serie de procesos físicos, según si estamos en un tramo de río y embalse, como puede ser la advección en un tramo de río. Estos procesos se explican en el manual técnico del modelo GESCAL.

4.1.1.1. Sólidos suspendidos. Para un caso de contaminante arbitrario, como son los sólidos suspendidos, la formulación de degradación implica un parámetro de degradación según una cinética de primer orden y una velocidad de sedimentación. VS W i   K  T  20 C  C (1) h



Donde: Wi representa el conjunto de procesos que se dan en la masa de agua, K representa la constante de -1 descomposición a 20 ºC (día );  es el coeficiente por corrección de temperatura; la sedimentación se

considera mediante un parámetro VS que representa la velocidad de sedimentación del constituyente (m -1

-1

día ); h es el calado del río (m); C representa la concentración del contaminante en el río (mgl ). Los sólidos sólo sedimentan por lo que la constante de degradación se mantendrá nula ( K=0) y se utilizará la velocidad de sedimentación (VS) como parámetro del modelo.

4.1.1.2. DBO5 y oxígeno disuelto. Por otro lado la modelación del oxígeno disuelto en su modo “básico” significa que se tienen en cuenta la DBO5 y el oxígeno disuelto. La Figura 17 muestra los procesos considerados en la opción de modelación básica en cuanto a oxígeno disuelto (OD) y materia orgánica carbonosa (MOC) se refiere.

Sedimentación MOC

Reaireación

DOS OD

Descomposición

Figura 17. Procesos considerados en la hipótesis básica de modelación del oxígeno disuelto. Nota: DOS= Demanda de Oxígeno por parte del Sedimento.

Para la modelación de la MOC se tiene en cuenta la degradación por microorganismos aeróbicos heterótrofos y la sedimentación de la parte particulada.

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W i   K

T  20 d  d

O O  K d 1

L 

VS L h

L

(2)

2

Donde: L es la concentración de MOC o DBO en el río (M/V); K d es la constante de degradación (T

-

1

);  d es la constante por corrección de la temperatura de la constante K d; VSL es la velocidad de -1

sedimentación (mdía ); h es la altura de la masa de agua; T es la temperatura de la masa de agua y O es la -1

concentración de oxígeno disuelto en el río (mgl ); Kd1/2 es la constante de semisaturación para tener en cuenta el descenso de la degradación de la materia orgánica cuando se reduce las concentraciones de oxígeno disuelto. Para la modelación del oxígeno disuelto se consideran el consumo de oxígeno disuelto en el proceso de degradación de materia orgánica carbonosa.

W   K  i

T  20 a Ka

(O sat  O)  K d  d T 20 L  DOS

(3) -1

Donde: Osat es la concentración de saturación de oxígeno disuelto (mgl ); Ka es la constante de -1

reaireación (día );  ka es el factor de corrección por temperatura; DOS es la Demanda de Oxígeno disuelto 3

por parte del Sedimento (gr/d m ). La Saturación del oxígeno disuelto (O sat) se calcula en función de la temperatura. El factor de corrección se tiene un valor por defecto. Los parámetros que se manejan para calibrar este modelo son la K d; Vsd y la K a

4.2. Datos de Conducciones. Para introducir la información necesaria basta con acceder a la ficha de cada una de las conducciones haciendo doble-clic sobre el elemento. Al haber activado el modelo GESCAL aparece una solapa con el título “Calidad” que nos permite editar los datos d e calidad, Figura 18.

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Figura 18. Ficha de datos de generales para la simulación de la calidad de los elementos conducción.

Como se puede ver los datos a introducir se diferencian entre Datos generales, temperatura, oxígeno disuelto, contaminantes de primer orden y contaminación difusa. En nuestro ejemplo en un principio sólo vamos a utilizar las dos primeras solapas.

4.2.1 Datos generales De los datos generales basta introducir la longitud de la masa de agua y los coeficientes hidráulicos. Los coeficientes hidráulicos nos sirven para caracterizar la hidráulica de los tramos de río mediante relaciones potenciales. Lo que más nos interesa es el tiempo de recorrido. Estos coeficientes pueden obtenerse mediante ajustes obtenidos por mediciones simultáneas de ancho, profundo, velocidad y caudal. De los otros datos podemos remarcar lo siguiente: El coeficiente de dispersión se puede dejar con un valor de 10 o se puede hacer nulo ya que estamos haciendo la hipótesis de que nuestro río es muy advectivo y que la dispersión es despreciable. En cuanto al diferencial de cálculo un valor de 50 metros es un valor adecuado en la mayor parte de los casos. La opción de “Tipo de cálculo hidráulico” debe seleccionarse “Rel. Potenciales” para que el análisis hidráulico lo realice con relaciones potenciales. La salinidad a inicio y final de estuario se pueden dejar con valores nulos. En cuanto a las opciones de simulación la opción por defecto simula la conducción y saca resultados globales de la misma. Más adelante se profundizará más sobre estas opciones. 4.2.2. Temperatura En este ejemplo la temperatura no se modela sino que se introduce como input de cada masa de agua. Para la introducción de los datos se debe seleccionar la pestaña de “temperatura”.

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Ejercicios de modelación de la calidad del agua. La temperatura se introduce mediante un valor base y una curva temporal. Si los valores temporales de la curva son los valores definitivos es importante hacer la temperatura base igual a 1 ya que por defecto viene con el valor de 20.

Figura 19. Datos de temperatura de conducciones.

Para introducir la curva temporal (tanto para temperatura como para otros parámetros que se verán más adelante) se edita el gestor de curvas temporales mediant e el botón “Editar curva”. El gestor de curvas, Figura 20, permite crear, editar y visualizar diferentes curvas temporales para la temperatura y otras variables. Para una mayor comodidad se puede introducir todas las curvas a la vez y luego asignar a cada caso la curva correspondiente.

Figura 20. Gestor de curvas temporales

Para agregar una nueva curva basta con hacer clic sobre el botón “Nueva...”. La información a introducir es un nombre para la curva y los 12 valores mensuales que definen la variabilidad temporal.

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Figura 21. Creación de una nueva curva t emporal

Una vez introducidas todas las curvas se pueden consultar en el editor.

Figura 22. Almacenamiento de curvas temporales en el gestor de curvas.

Cuando se ha creado se debe volver a la ficha de la conducción en la que se estaba trabajando y asignar la curva que contiene la variabilidad temporal de la temperatura de esa masa de agua, Figura 23.

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Figura 23. Asignación de curva de temperatura en una conducción.

De la misma forma se puede introducir toda la información necesaria del resto de conducciones.

4.3. Datos de aportaciones Los datos de las aportaciones se introducen vía fichero. Este archivo contiene las concentraciones de los diferentes constituyentes que se están modelando para las aportaciones consideradas. En el manual técnico del módulo GESCAL se indica el formato de este fichero. Antes de realizar la simulación debe copiarse el fichero de aportaciones de calidad dentro de la carpeta de estudio. En este caso el fichero se ha llamado “AportaCal.apo” y se encuentra en la carpeta de datos. Es de destacar que, en general, se tiene pocos años de datos de calidad si se comparan con la longitud de las series de datos de aportaciones cuantitativas. Finalmente hay que remarcar que el orden de las columnas de aportaciones de GESCAL no tiene porque coincidir con el del archivo de aportaciones de SIMGES. El orden debe coincidir con la creación de aportaciones en el modelo. Adelantar también que está previsto para la próxima versión de Aquatooldma que estos datos sean requeridos a través de interface y queden almacenados en la base de datos. Los datos de las concentraciones de las aportaciones se han obtenido de algunas de las estaciones de calidad de la red ICA. Se debe hacer notar que algunas de las estaciones se utilizan como entrada al modelo mientras que el resto se utilizan para la calibración del mismo. La decisión sobre donde comienza el modelo y que datos son entradas debe realizarse en la fase de diseño del modelo. Como referencia general, los datos procedentes de cauces en régimen natural son útilies como aproximación de la calidad de las aportaciones en zonas similares. Mientras que las estaciones de medida afectadas por vertidos u otros procesos serán más útiles para calibrar el modelo. Se debe comentar que un vertido se puede modelar como un elemento de aportación o como un elemento de retorno. Ambas formas tienen ventajas e inconvenientes. La modelación como aportación permite dar variabilidad temporal tanto del volumen de vertido como de las concentraciones. Por otro lado los retornos representan una relación con el suministro que en el caso de las aportaciones no se produce.

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5. Simulación sin calibrar y análisis de resultados

5.1 Simulación. En este momento se tiene el modelo de simulación de la calidad montado a falta de simular para empezar a calibrar los parámetros. Antes de simular con GESCAL se debe simular con SIMGES como se ha realizado previamente. El período de simulación de ambos modelos debe coincidir. Para realizar la simulación de la calidad se debe acceder al menú de Modelos/GESCAL/Ejecutar GESCAL.

Figura 24. Acceso a la simulación de GESCAL.

En ese momento se escriben los archivos de entrada al modelo y se hace la llamada al módulo matemático. Si no se han cometido errores aparecerá la pantalla de la Figura 25 en la que se irán mostrando los años y meses de simulación y finalmente una etiqueta de “Fin de proceso”. Una vez aparece esta etiqueta se debe pulsar el botón aceptar para que la pantalla desaparezca y se pueden acceder a los resultados de las simulaciones.

Figura 25. Modelo GESCAL en funcionamiento.

En caso de que, por cualquier causa, la simulación diera un mensaje de error deberíamos comprobar el archivo de gestión de errores. Esto se puede ver en la interfaz mediante el menú Ver/Resultados de GESCAL/Incidencias del modelo.

Figura 26. Acceso al archivo de incidencias.

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Ejercicios de modelación de la calidad del agua. 5.2. Análisis de resultados. Una vez terminada la simulación se puede pasar a analizar los resultados. Para ello se dispone de varios recursos. Aunque los principales son dos. El primero son los diferentes archivos de resultados que se escriben tras la simulación tanto cuantitativa como cualitativa. El segundo es la herramienta de análisis gráfico de resultados por elementos. Para acceder a los resultados gráficos debemos cambiar el modo de edición de datos por el modo de acceso a resultados. Para ello basta con hacer Click donde pone “Ficha” en la barra de herramientas y cambiará a la palabra “Gráfico”.

Figura 27. Elección entre los modos de edición o visualización de resultados.

Una vez que aparece el modo “Gráfico” al acceder a cualquier elemento del esquema mediante un doble clic se mostrará sus resultados activándose el Gestor de gráficos. Los resultados que se muestran por defecto son resultados cuantitativos. Por ejemplo si seleccionamos el primer tramo de río podremos ver lo que aparece en la Figura 28.

Figura 28. Gestor de gráficos y gráfico de resultados del tramo de río inical.

Desde la pantalla de gestor de gráficos también se pueden obtener resultados numéricos mediante la opción “Ver tabla”. Para el caso mostrado nos llevará a la pantalla que aparece en la Figura 29.

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Ejercicios de modelación de la calidad del agua. Figura 29. Resultados numéricos de la conducción.

El gestor de gráficos tiene diferentes opciones en cuanto a exportación de gráficos o datos a diferentes formatos por lo que se anima al usuario a revisar el manual de AquatoolDMA para un mayor conocimiento sobre este aspecto. Para acceder a los resultados de la simulación de la calidad se debe seleccionar en el desplegable “tipo” si queremos visualizar los resultados de la calidad de un embalse o de un tramo de río.

Figura 30. Acceso a los resultados de calidad en tramo de río desde el gestor de gráficos.

Una vez realizado esto en el campo “Nombre” se debe seleccionar que constituyente se quiere visualizar. De este modo se accederá al gráfico y/o tabla de las concentraciones simuladas del constituyente y elemento elegidos.

Figura 31. Resultados del módulo de calidad.

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Ejercicios de modelación de la calidad del agua. 5.2.1. Resultados en gráfico dinámico. Antes de comenzar esta actividad se debe copiar el archivo “observados.csv” ubicada en la carpeta de los datos en la carpeta del escenario de trabajo. Esto se debe re alizar de forma manual. Debido a la gran cantidad de elementos que suelen haber en los modelos, y que los constituyentes modelados suelen ser varios, los resultados de modelación de la calidad suelen ser bastante numerosos. Esto, junto a la necesidad de realizar calibraciones ha llevado a dar la posibilidad de exportar los resultados a una aplicación de gráfico dinámico que permite el tratamiento de datos masivos de una forma cómoda y sencilla. Para ello, desde el gestor de gráficos en el menú Utilidades/Gráfico dinámico de GESCAL/Nuevo.

Figura 32. Creación de un gráfico dinámico con los resultados.

Figura 33. Definición del archivo de datos de observados.

Seguidamente el programa nos preguntará si disponemos de un archivo de datos observados para su comparación. El formato que debe contener este archivo se describe en el manual técnico de GESCAL. Si no se dispone de este archivo basta seleccionar la opción “Cancelar”. Si disponemos de este archivo, como es el caso, previamente a realizar esta operación debemos copiar el archivo a la carpeta de trabajo del modelo. El programa abrirá un archivo Excel con un gráfico dinámico en el que se tienen todos los resultados y datos observados, Figura 34.

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Figura 34. Gráfico dinámico con los resultados de la simulación y los datos observados.

A partir de ese momento se pueden ir haciendo filtros de contaminante, estaciones y fechas de los resultados que se quieres mostrar. Hay que mencionar que las figuras, sobre el gráfico dinámico, que se muestran en este documento están obtenidas del programa Office Vista. Las ventanas son diferentes, aunque el concepto es el mismo, si se utilizan versiones anteriores de Office. Por ejemplo se puede seleccionar como contaminante a visualizar el oxígeno disuelto.

Figura 35. Filtro del contaminante

Y como estaciones a visualizar la estación “Ica1_AgAb_Azud_Grande” (valor observado) versus el elemento “AzudGrande_VertUrbano”. Con lo que se obtiene el gráfico de la Figura 37.

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Figura 36. Filtro por elementos.

Figura 37. Gráfico de concentraciones de oxígeno disuelto. Simuladoy Observado.

5.2.2. Actualización de resultados. Para realizar el proceso de calibración es necesario hacer múltiples simulaciones variando los parámetros del modelo para ver los resultados. No es necesario iniciar en cada simulación el gráfico dinámico con los nuevos resultados, basta con actualizar los resultados cada vez que se cambia algún parámetro y se realiza un nueva simulación de la calidad. Para ello, una vez realizada la simulación, ir al menú del gestor de gráficos Utilidades/Gráfico dinámico de GESCAL/Actualizar .

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Figura 38. Actualización de los resultados del gráfico dinámico desde el programa de gráficos.

Una vez realizado este paso basta con pulsar el botón de actualizar del gráfico dinámico.

No es necesario cerrar y abrir el gestor de gráficos cada vez que se haga una simulación. Por otra parte hay que recordar que no hace falta simular el modelo SIMGES a no ser que se haya variado algún dato que modifique las variaciones de flujos en el sistema.

6. Calibración En este momento se dispone del modelo funcionando con las entradas y datos físicos introducidos. Sin embargo para que el modelo de calidad este completo se debe realizar un proceso de calibración de los parámetros del mismo. Este proceso se puede realizar mediante cualquier técnica matemática de ajuste de parámetros o simplemente mediante la visualización de los resultados medidos frente a los simulados. En cuanto a qué comparar, en el archivo de datos se adjunta la siguiente tabla para establecer que elementos deben de compararse con los resultados. Caudales Estación

Modelo

A comparar

EA_AgAbAzGrande

AzudGrande_Vertido

Caudal

EA_Final

Tramo Final

Caudal

Calidad Estación

Modelo

A comparar

ICA1_AgAb_AzudGrande

AzudGrande_VertidoUrbano

Constituyentes

ICA2_AgAbVertido

VeetUrbano_IcaAgAbVertido

Constituyentes

ICA3_Final

Tramo Final

Constituyentes

Tabla 1. Relación entre puntos de medición y resultados del modelo para comparación.

Para establecer los puntos de comparativa se ha de tener en cuenta que el modelo da como resultado las concentraciones a final del tramo.

29

Ejercicios de modelación de la calidad del agua. 6.1. Calibración de caudales. El primer aspecto que de debe comprobar es el cuantitativo. La comparación de los caudales en estaciones de aforo nos indica si el modelo responde a la realidad del sistema y a la gestión que se está realizando. Este proceso es una forma de comprobar el modelo de simulación y dar una mayor robustez. Al comparar la evolución de los caudales podemos ver que en la primera estación de aforos la similitud es total debido a que se han utilizado los datos como input del modelo. Comaración de caudales en el tramo final 200

180

160

140

120 s e m / 100 3 m H

Observado - EA_Final

80

Simulado - TramoFinal

60

40

20

0 6 9 9 1 / 0 1 / 1 0

7 9 9 1 / 1 0 / 1 0

7 9 9 1 / 4 0 / 1 0

7 9 9 1 / 7 0 / 1 0

7 9 9 1 / 0 1 / 1 0

8 9 9 1 / 1 0 / 1 0

8 9 9 1 / 4 0 / 1 0

8 9 9 1 / 7 0 / 1 0

8 9 9 1 / 0 1 / 1 0

9 9 9 1 / 1 0 / 1 0

9 9 9 1 / 4 0 / 1 0

9 9 9 1 / 7 0 / 1 0

9 9 9 1 / 0 1 / 1 0

0 0 0 2 / 1 0 / 1 0

0 0 0 2 / 4 0 / 1 0

0 0 0 2 / 7 0 / 1 0

Figura 39. Comparativa de caudales en el tramo final.

Del gráfico se deduce que existe una aportación de caudal no contemplada en el modelo. Esto se debe a que este ejemplo es una simplificación de un modelo real y, en aras de simplificar el ejemplo, se han eliminado ciertas entradas de aportación que suponían el incremento del caudal que se desprende de la figura.

6.2. Comparativa de concentraciones. El siguiente paso sería ir comparando las concentraciones de los sólidos suspendidos, DBO5 y Oxígeno disuelto entre las estaciones de calidad y los elementos correspondientes, según Tabla 1. Conviene ir realizando la comparativa de aguas arriba a aguas abajo. 6.2.1. Sólidos suspendidos. Para la calibración de los sólidos suspendidos se dispone de la velocidad de sedimentación, v s. Valores normales entre 0.01 y 1 m/d. Depende del tipo de sólidos ya que arcillas o limos pueden presentar valores mucho más altos de sedimentación. También depende de las condiciones hidrodinámicas del tramo de río. Un primer valor aproximado, si se nota un efecto de sedimentación en la masa de agua, puede ser 0.2 m/d. Este dato se asigna en la ficha de la conducción, en la pestaña “Contaminantes de 1er Orden”.

30


Figura 40. Definición de la velocidad de se dimentación en una conducción.

6.2.2. Materia orgánica y oxígeno disuelto Para la DBO5 se dispone de la velocidad de sedimentación, V sd, y la constante de degradación, K d, de la materia orgánica. Los valores de la bibliografía para la velocidad de sedimentación se centran entre 0.01-1 0.36 m/d. Para la constante de degradación se encuentran valores entre 0.02 y 3.4 dias . En cuanto al oxígeno disuelto la constante de reaireación, K a, con valores entre 0 y 100. Si damos un valor de “-1” el programa lo calcula internamente utilizando el método de Covar. Los parámetros de la materia orgánica y el oxígeno disuelto se fijan en la pestaña “Oxígeno Disuelto” de la conducción correspondiente, Figura 41.

Figura 41. Definición de parámetros para simulación del oxígeno disuelto.

Zona aguas arriba del vertido. Al comparar las concentraciones en el primer punto “ICA_AgAbAzud Grande” con la primera conducción “AzudGrande_VertidoUrbano” se puede ver que las concentraciones son igual es debido a que la estación que se he escogido para caracterizar las aportaciones de cabecera precisamente la estación ICA con la que se está comparando.

31

Ejercicios de modelación de la calidad del agua. Oxígeno disuelto 16

14

12

10

l / g 8 m

6

4

2

0 6 9 9 1 / 0 1 / 1 0

7 9 9 1 / 1 0 / 1 0

7 9 9 1 / 4 0 / 1 0

7 9 9 1 / 7 0 / 1 0

7 9 9 1 / 0 1 / 1 0

8 9 9 1 / 1 0 / 1 0

8 9 9 1 / 4 0 / 1 0

8 9 9 1 / 7 0 / 1 0

Observado - ICA1_AgAb_Azud_Grande

8 9 9 1 / 0 1 / 1 0

9 9 9 1 / 1 0 / 1 0

9 9 9 1 / 4 0 / 1 0

9 9 9 1 / 7 0 / 1 0

9 9 9 1 / 0 1 / 1 0

0 0 0 2 / 1 0 / 1 0

0 0 0 2 / 4 0 / 1 0

0 0 0 2 / 7 0 / 1 0

Simulado - AzudGrande_VertidoURbano

Figura 42. Comparativa de las concentraciones de oxígeno disuelto de entrada al modelo.

Debido a que no disponemos de una estación a final de este tramo de río no tenemos datos para poder calibrar las constantes en el mismo. Las concentraciones de entrada a nuestro modelo presentan un río algo afectado antrópicamente. Algunos meses presentan algo de materia orgánica y con cierta afección sobre el oxígeno disuelto. Para este caso se decide que la constante de reaireación sea calculada de forma automática por la aplicación. Por otro lado asumiremos un constante de degradación de materia orgánica muy baja del orden de 0.03 (d-1). Finalmente, en cuanto a los sólidos suspendidos se va a asumir que la velocidad de sedimentación en ese tramo es nula. Estos parámetros no se van a calibrar debido a, como se ha comentado previamente, la imposibilidad de contrastar con datos reales a final del tramo. Para incorporar estos parámetros se edita la ficha de la conducción y en la solapa de oxígeno disuelto se introduce un valor de “-1” para indicarle al programa que la constante de reaireaci ón debe estimarla de forma automática por el método de Covar. También se modifica la constante de degradación de materia orgánica con el valor seleccionado.

32


Zona aguas abajo del vertido. Aguas abajo de este punto se encuentra la zona más contaminada. Merece una mayor atención en cuanto a lo que a la calibración se refiere. Comparando las concentraciones de sólidos suspendidos entre la “ICA2AgAbVertido” con el tramo de río “Vertido_ICaAgAbVert” obtenemos el siguiente gráfico. Sólidos Suspendidos 140

120

100

80 l / g m

60

40

20

0 6 9 9 1 / 0 1 / 1 0

7 9 9 1 / 1 0 / 1 0

7 9 9 1 / 4 0 / 1 0

7 9 9 1 / 7 0 / 1 0

7 9 9 1 / 0 1 / 1 0

8 9 9 1 / 1 0 / 1 0

8 9 9 1 / 4 0 / 1 0

8 9 9 1 / 7 0 / 1 0

Observado - ICA2_AgAbVertido

8 9 9 1 / 0 1 / 1 0

9 9 9 1 / 1 0 / 1 0

9 9 9 1 / 4 0 / 1 0

9 9 9 1 / 7 0 / 1 0

9 9 9 1 / 0 1 / 1 0

0 0 0 2 / 1 0 / 1 0

0 0 0 2 / 4 0 / 1 0

0 0 0 2 / 7 0 / 1 0

Simulado - Vertido_IcaAgAbVert

Figura 43. Comparativa de las concentraciones de sólidos suspendidos aguas abajo del vertido de Villa Abajo.

Si analizamos, sin haber calibrado ningún parámetro, la estación aguas abajo del vertido vemos que los sólidos suspendidos se estiman inferiores en algunas puntas que presentan los datos observados y superiores en la mayor parte de los meses. En este caso convendría “jugar” un poco con el parámetro de la velocidad de sedimentación para ver su efecto.

33

Ejercicios de modelación de la calidad del agua. Después de realizar bastantes pruebas se puede obtener un ajusta bueno con una velocidad de sedimentación del orden de 0.3 m/d. La Figura 43 representa la comparativa con velocidad de sedimentación nula y la Figura 44 representa la calibración final. Sólidos Suspendidos . Vs=0.3 140

120

100

80 l / g m

60

40

20

0 6 9 9 1 / 0 1 / 1 0

7 9 9 1 / 1 0 / 1 0

7 9 9 1 / 7 0 / 1 0

7 9 9 1 / 4 0 / 1 0

7 9 9 1 / 0 1 / 1 0

8 9 9 1 / 1 0 / 1 0

8 9 9 1 / 4 0 / 1 0

8 9 9 1 / 7 0 / 1 0

8 9 9 1 / 0 1 / 1 0


9 9 9 1 / 1 0 / 1 0

9 9 9 1 / 4 0 / 1 0

9 9 9 1 / 7 0 / 1 0

9 9 9 1 / 0 1 / 1 0

0 0 0 2 / 1 0 / 1 0

0 0 0 2 / 4 0 / 1 0

0 0 0 2 / 7 0 / 1 0

Simulado - Vertid o_IcaAgAbVert

Figura 44. Comparativa de las concentraciones de sólidos suspendidos aguas abajo del vertido de Villa Abajo con una velocidad de sedimentación de 0.7 (m/d).

Analizando, en el mismo punto, la materia orgánica y el oxígeno disuelto se observan diferencias muy significativas. Se ha asumido que la constante de reaireación se estime por el método de Covar. Posteriormente se comprobarán los valores de reaireación que se están estimando. En la Figura 45 se compara en el punto aguas abajo del vertido antes y después de calibrar las constantes relacionadas con la DBO5 y el Oxígeno disuelto. Como se puede ver el ajuste, una vez calibrado, mejora mucho. Sin embargo las concentraciones de oxígeno disuelto quedan un poco por encima de los valores reales. DBO5 Kd=0; Vs=0

DBO5 Kd=1; Vs=0.2

25

25

20

20

15

15

l / g m

l / g m

10

10

5

5

0

0 6 9 9 1 / 0 1 / 1 0

7 9 9 1 / 1 0 / 1 0

7 9 9 1 / 4 0 / 1 0

7 9 9 1 / 7 0 / 1 0

7 9 9 1 / 0 1 / 1 0

8 9 9 1 / 1 0 / 1 0

8 9 9 1 / 4 0 / 1 0

8 9 9 1 / 7 0 / 1 0


8 9 9 1 / 0 1 / 1 0

9 9 9 1 / 1 0 / 1 0

9 9 9 1 / 4 0 / 1 0

9 9 9 1 / 7 0 / 1 0

9 9 9 1 / 0 1 / 1 0

0 0 0 2 / 1 0 / 1 0

0 0 0 2 / 4 0 / 1 0

0 0 0 2 / 7 0 / 1 0

6 9 9 1 / 0 1 / 1 0

7 9 9 1 / 1 0 / 1 0

7 9 9 1 / 4 0 / 1 0

7 9 9 1 / 7 0 / 1 0


7 9 9 1 / 0 1 / 1 0

8 9 9 1 / 1 0 / 1 0

8 9 9 1 / 4 0 / 1 0

8 9 9 1 / 7 0 / 1 0

8 9 9 1 / 0 1 / 1 0


Oxígeno Disuelto; Ka=0.01

9 9 9 1 / 1 0 / 1 0

9 9 9 1 / 4 0 / 1 0

9 9 9 1 / 7 0 / 1 0

9 9 9 1 / 0 1 / 1 0

0 0 0 2 / 1 0 / 1 0

0 0 0 2 / 4 0 / 1 0

0 0 0 2 / 7 0 / 1 0


Oxígeno Disuelto; Ka=Autom

16

14

14

12

12 10 10 8 l / g 8 m

l / g m

6 6

4 4

2

2

0

0 6 9 9 1 / 0 1 / 1 0

7 9 9 1 / 1 0 / 1 0

7 9 9 1 / 4 0 / 1 0

7 9 9 1 / 7 0 / 1 0

7 9 9 1 / 0 1 / 1 0

8 9 9 1 / 1 0 / 1 0

8 9 9 1 / 4 0 / 1 0

8 9 9 1 / 7 0 / 1 0

Observado- ICA2_AgAbVertido

8 9 9 1 / 0 1 / 1 0

9 9 9 1 / 1 0 / 1 0

9 9 9 1 / 4 0 / 1 0

9 9 9 1 / 7 0 / 1 0

Simula do - Vertido_IcaAgAbVert

9 9 9 1 / 0 1 / 1 0

0 0 0 2 / 1 0 / 1 0

0 0 0 2 / 4 0 / 1 0

0 0 0 2 / 7 0 / 1 0

6 9 9 1 / 0 1 / 1 0

7 9 9 1 / 1 0 / 1 0

7 9 9 1 / 4 0 / 1 0

7 9 9 1 / 7 0 / 1 0

7 9 9 1 / 0 1 / 1 0

8 9 9 1 / 1 0 / 1 0

8 9 9 1 / 4 0 / 1 0

8 9 9 1 / 7 0 / 1 0

Observado - ICA2_AgAbVertid o

8 9 9 1 / 0 1 / 1 0

9 9 9 1 / 1 0 / 1 0

9 9 9 1 / 4 0 / 1 0

9 9 9 1 / 7 0 / 1 0

9 9 9 1 / 0 1 / 1 0

0 0 0 2 / 1 0 / 1 0

0 0 0 2 / 4 0 / 1 0

0 0 0 2 / 7 0 / 1 0


Figura 45: Comparativa aguas abajo del vertido. Sin calibración y con ajuste de parámetros.

34

Ejercicios de modelación de la calidad del agua. Seguidamente también se grafican los ajustes obtenidos en el punto final de la cuenca. Se ha asumido que los parámetros ajustados para el primer tramo se mantienen en el segundo. El ajuste es bueno para la DBO5 aunque el oxígeno disuelto queda bastante por encima. Por otro lado, las velocidades de sedimentación se deberían disminuir porque, en general, inmediatamente aguas abajo del vertido es donde se produce una mayor sedimentación. Llegados a este punto hay que mencionar que el programa tiene la posibilidad de utilizar una “calibración forzada”. Esta calibración, en el caso de conducciones, consta de la posibilidad de que en una conducción definida los caudales y concentraciones de entrada se introduzcan por archivo en vez de ser obtenidos del nudo de origen. Este procedimiento tiene sentido en caso de que con el modelo no se consiga obtener unas condiciones de entrada a la conducción suficientemente razonables. Tramo Final. DBO5 Kd=1 Vs=0.2

Tramo Final.Oxígeno Disuelto. Ka=Automatica

14

14

12

12

10

10

8

8

l / g m

l / g m

6

6

4

4

2

2

0

0 6 9 9 1 / 0 1 / 1 0

7 9 9 1 / 1 0 / 1 0

7 9 9 1 / 4 0 / 1 0

7 9 9 1 / 7 0 / 1 0

7 9 9 1 / 0 1 / 1 0

8 9 9 1 / 1 0 / 1 0

8 9 9 1 / 4 0 / 1 0

8 9 9 1 / 7 0 / 1 0

Observado - ICA3_Final

8 9 9 1 / 0 1 / 1 0

9 9 9 1 / 1 0 / 1 0

9 9 9 1 / 4 0 / 1 0

Simula do - Tramo_Final

9 9 9 1 / 7 0 / 1 0

9 9 9 1 / 0 1 / 1 0

0 0 0 2 / 1 0 / 1 0

0 0 0 2 / 4 0 / 1 0

0 0 0 2 / 7 0 / 1 0

6 9 9 1 / 0 1 / 1 0

7 9 9 1 / 1 0 / 1 0

7 9 9 1 / 4 0 / 1 0

7 9 9 1 / 7 0 / 1 0

7 9 9 1 / 0 1 / 1 0

8 9 9 1 / 1 0 / 1 0

8 9 9 1 / 4 0 / 1 0

8 9 9 1 / 7 0 / 1 0

Observado - ICA3_Fin al

8 9 9 1 / 0 1 / 1 0

9 9 9 1 / 1 0 / 1 0

9 9 9 1 / 4 0 / 1 0

9 9 9 1 / 7 0 / 1 0

9 9 9 1 / 0 1 / 1 0

0 0 0 2 / 1 0 / 1 0

0 0 0 2 / 4 0 / 1 0

0 0 0 2 / 7 0 / 1 0


Figura 46: Comparativa en el punto final. Parámetros similares a los propuestos en el tramo de aguas arriba.

35


7. Simulación del ciclo de nitrógeno.

Una forma de dar mayor robustez al modelo es incluir el ciclo del nitrógeno. Los vertidos urbanos suelen incorporar nitrógeno orgánico, amonio y nitratos al medio natural. La nitrificación de amonio a nitratos consume oxígeno disuelto por lo que es interesante su consideración.

7.1. Formulación del modelo. En la siguiente figura se muestran los procesos y constituyentes que se incluyen en la segunda opción de modelación del oxígeno disuelto, MOC y ciclo del nitrógeno. Nor

Sedimentación

MOC

Reaireación

DOS Descom osició

OD

Mineralización

NH4+

Flu o Nitrificación

NO3-

Desnitrificación

Figura 47. Procesos considerados en la modelación del oxígeno disuelto junto con el ciclo del nitrógeno

Para el nitrógeno orgánico se consideran los procesos de mineralización y sedimentación:

W   K

T  20 Noa noa

i

N o 

VS No h

N o

(1) -1

Donde: Knoa representa la constante de mineralización (día );  noa representa el coeficiente de -1 corrección de la constante anterior por temperatura; N o es la concentración de nitrógeno orgánico (MT ); -1 VSNO velocidad de sedimentación del nitrógeno orgánico (mdía ); Los procesos considerados sobre el amonio han sido el incremento de concentración por la amonificación del nitrógeno orgánico y la disminución de la misma por la nitrificación. La nitrificación se ha considerado en su totalidad incluyendo el paso de amonio a nitritos y de e stos a nitratos.

W

i

  O T  20 T  20  N a   K Noa Knoa N o   K Nai nai    O K n1 2  

(2)

+

-1

Donde: Na representa la concentración de amonio (NH 4 ) en el río (mgl ); KNai es la constante de -1 nitrificación de paso a nitritos (día )  nai es la corrección por temperatura de la constante de nitrificación; -1 Kn1/2 es la constante de semisaturación del nitrógeno (mgl ); O es la concentración de oxígeno disuelto

36

Ejercicios de modelación de la calidad del agua. Los nitratos y nitritos se modelan de forma conjunta debido a la rapidez con que los primeros se oxidan a la forma más reducida. En el proceso de modelación de los nitratos se tiene en cuenta el efecto del incremento de concentración por la transformación de amonio y la disminución de los mismos por posibles procesos de desnitrificación. Esta desnitrificación sólo se produce en condiciones anaeróbicas. 

W   K i



T  20 Nai nai

 O  K no31 2   O T  20  N a   K no3 no  N o3 (6) 3   O  K nai1 2  O   -1

Donde: No3 es la concentración de nitratos (mgl –N); Kno3 representa la constante de desnitrificación (día 1 );  no3 es el factor de corrección de temperatura para la constante anterior;

-

7.2. Ampliación del modelo. Para aumentar el modelo creado incorporando el ciclo del nitrógeno en primer lugar se accede a los parámetros del modelo de calidad a partir del menú Modelos/Parámetros Modelo Calidad

Figura 48. Acceso a los parámetros del modelo de calidad.

Una vez se accede a la pantalla de las opciones se marca la opción “¿Modela Nitrógeno?

Figura 49. Activación de la modelación del ciclo del nitrógeno en el modelo.

37

Ejercicios de modelación de la calidad del agua. Una vez realizado esto se deben incorporar los datos de aportaciones, condiciones iniciales de embalse y las concentraciones en retornos. La modelación del ciclo del nitrógeno supone incluir datos para el nitrógeno orgánico, al amonio y los nitratos. En general la mayor parte de las estaciones de calidad miden amonio y nitratos. El nitrógeno orgánico no suele medirse aunque es fácil hacer una hipótesis debido a que en aguas poco contaminadas suelen medirse valores realmente bajos. La parte de nitrógeno orgánico de un vertido puede obtenerse si se dispone de medición de amonio y nitrógeno Kjeldahl (TKN).

7.3. Calibración Una vez introducidos los datos se hace una primera simulación para comprobar su funcionamiento y visualizar los primeros resultados. Seguidamente se procede a la calibración de las constantes del ciclo del nitrógeno. Para el ajuste de las concentraciones de nitrógeno orgánico se dispone de la velocidad de sedimentación, VsNorg, y la constante de mineralización o de paso amonio, K Norg. Para la velocidad de sedimentación el rango bibliográfico marca valores entre 0.001 y 0.1 (m/d). En cuanto a la constante de degradación el rango usual se enmarca entre 0.02 y 0.4 (1/d). El proceso de nitrificación del amonio se rige mediante una única constante, K nitr, con valores entre 0.1 y 1 (1/d). Para realizar una calibración coherente se debe tener en mente el ciclo del nitrógeno y como la degradación del nitrógeno orgánico aumenta las concentraciones de amonio. La degradación de este produce un consumo de oxígeno disuelto y un aumento de concentraciones de nitratos. También es importante tener en cuenta que las unidades que se manejan son mg/l de amonio y nitratos y no de mg/l de nitrógeno como sucede en otros programas de modelación de la calidad del agua. Para cambiar esta configuración se anima al usuario a leer el manual de modelo GESCAL y la descripción del archivo de coeficientes. Para el primer tramo de río las constantes a introducir son bajas ya que, como se ha explicado previamente, la calidad del agua presenta un estado no altamente alterado. Para la parte aguas abajo del vertido, tras realizar múltiples iteraciones cambiando los parámetros descritos, se puede obtener un buen ajuste con una constante de mineralización del nitrógeno orgánico de 0.05; una velocidad de sedimentación de 0. 075 y una constante de nitrificación de 0.5. Hay que comprobar las concentraciones de DBO5 y oxígeno disuelto ya que podrían haberse desajustado. Si esto pasa se podrían realizar nuevas iteraciones afinado otra vez los parámetros. En las siguientes figuras se muestra el ajuste obtenido en el punto aguas abajo del vertido y en el punto final.

38

Ejercicios de modelación de la calidad del agua. Aguas Abajo Vertido. DBO5. Kd=1; Vs=0.2

Aguas Abajo Vertido. Oxígeno Disuelto. Ka=Autom

25

14

12 20 10

15 8 l / g m

l / g m

6 10

4 5 2

0

0 6 9 9 1 / 0 1 / 1 0

7 9 9 1 / 1 0 / 1 0

7 9 9 1 / 4 0 / 1 0

7 9 9 1 / 7 0 / 1 0

7 9 9 1 / 0 1 / 1 0

8 9 9 1 / 1 0 / 1 0

8 9 9 1 / 4 0 / 1 0

8 9 9 1 / 7 0 / 1 0


8 9 9 1 / 0 1 / 1 0

9 9 9 1 / 1 0 / 1 0

9 9 9 1 / 4 0 / 1 0

9 9 9 1 / 7 0 / 1 0

9 9 9 1 / 0 1 / 1 0

0 0 0 2 / 1 0 / 1 0

0 0 0 2 / 4 0 / 1 0

0 0 0 2 / 7 0 / 1 0

6 9 9 1 / 0 1 / 1 0

7 9 9 1 / 1 0 / 1 0

7 9 9 1 / 4 0 / 1 0

7 9 9 1 / 7 0 / 1 0


7 9 9 1 / 0 1 / 1 0

8 9 9 1 / 1 0 / 1 0

8 9 9 1 / 4 0 / 1 0

8 9 9 1 / 7 0 / 1 0


Aguas Abajo Vertido. Amonio. Kamon=0.5

8 9 9 1 / 0 1 / 1 0

9 9 9 1 / 1 0 / 1 0

9 9 9 1 / 4 0 / 1 0

9 9 9 1 / 7 0 / 1 0

9 9 9 1 / 0 1 / 1 0

0 0 0 2 / 1 0 / 1 0

0 0 0 2 / 4 0 / 1 0

0 0 0 2 / 7 0 / 1 0


Aguas Abajo Vertido. Nitratos

25

120

100 20

80 15 l / 3 O 60 N g m

l / 4 h N g m

10 40

5 20

0

0 6 9 9 1 / 0 1 / 1 0

7 9 9 1 / 1 0 / 1 0

7 9 9 1 / 4 0 / 1 0

7 9 9 1 / 7 0 / 1 0

7 9 9 1 / 0 1 / 1 0

8 9 9 1 / 1 0 / 1 0

8 9 9 1 / 4 0 / 1 0

8 9 9 1 / 7 0 / 1 0


8 9 9 1 / 0 1 / 1 0

9 9 9 1 / 1 0 / 1 0

9 9 9 1 / 4 0 / 1 0

9 9 9 1 / 7 0 / 1 0

9 9 9 1 / 0 1 / 1 0

0 0 0 2 / 1 0 / 1 0

0 0 0 2 / 4 0 / 1 0

0 0 0 2 / 7 0 / 1 0

6 9 9 1 / 0 1 / 1 0

7 9 9 1 / 1 0 / 1 0

7 9 9 1 / 4 0 / 1 0

7 9 9 1 / 7 0 / 1 0

7 9 9 1 / 0 1 / 1 0


8 9 9 1 / 1 0 / 1 0

8 9 9 1 / 4 0 / 1 0

8 9 9 1 / 7 0 / 1 0

8 9 9 1 / 0 1 / 1 0


9 9 9 1 / 1 0 / 1 0

9 9 9 1 / 4 0 / 1 0

9 9 9 1 / 7 0 / 1 0

9 9 9 1 / 0 1 / 1 0

0 0 0 2 / 1 0 / 1 0

0 0 0 2 / 4 0 / 1 0

0 0 0 2 / 7 0 / 1 0


Figura 50: Calibración SS+DBO5+OD+Norg+NH4+NO3. En el tramo desde el vertido a la ICA aguas abajo.

Tramo Final. Oxígeno Disuelto

Tramo Final. DBO5. Kd=1; Vs=0.2

14

14

12

12

10

10

8

8

l / g m

l / g m

6

6

4

4

2

2

0

0 6 9 9 1 / 0 1 / 1 0

7 9 9 1 / 1 0 / 1 0

7 9 9 1 / 4 0 / 1 0

7 9 9 1 / 7 0 / 1 0

7 9 9 1 / 0 1 / 1 0

8 9 9 1 / 1 0 / 1 0

8 9 9 1 / 4 0 / 1 0

8 9 9 1 / 7 0 / 1 0


8 9 9 1 / 0 1 / 1 0

9 9 9 1 / 1 0 / 1 0

9 9 9 1 / 4 0 / 1 0

9 9 9 1 / 7 0 / 1 0

9 9 9 1 / 0 1 / 1 0

0 0 0 2 / 1 0 / 1 0

0 0 0 2 / 4 0 / 1 0

0 0 0 2 / 7 0 / 1 0

6 9 9 1 / 0 1 / 1 0

7 9 9 1 / 1 0 / 1 0

7 9 9 1 / 4 0 / 1 0

7 9 9 1 / 7 0 / 1 0

7 9 9 1 / 0 1 / 1 0


8 9 9 1 / 1 0 / 1 0

8 9 9 1 / 4 0 / 1 0

8 9 9 1 / 7 0 / 1 0


Tramo Final.Amonio. Kamon=0.5

8 9 9 1 / 0 1 / 1 0

9 9 9 1 / 1 0 / 1 0

9 9 9 1 / 4 0 / 1 0

9 9 9 1 / 7 0 / 1 0

9 9 9 1 / 0 1 / 1 0

0 0 0 2 / 1 0 / 1 0

0 0 0 2 / 4 0 / 1 0

0 0 0 2 / 7 0 / 1 0


Tramo Final. Nitratos.

25

60

50 20

40 15 l / 4 h N g

l / 3 O 30 N g m

m

10 20

5 10

0

0 6 9 9 1 / 0 1 / 1 0

7 9 9 1 / 1 0 / 1 0

7 9 9 1 / 4 0 / 1 0

7 9 9 1 / 7 0 / 1 0

7 9 9 1 / 0 1 / 1 0

8 9 9 1 / 1 0 / 1 0

8 9 9 1 / 4 0 / 1 0

8 9 9 1 / 7 0 / 1 0


8 9 9 1 / 0 1 / 1 0

9 9 9 1 / 1 0 / 1 0

9 9 9 1 / 4 0 / 1 0

9 9 9 1 / 7 0 / 1 0

9 9 9 1 / 0 1 / 1 0

0 0 0 2 / 1 0 / 1 0

0 0 0 2 / 4 0 / 1 0

0 0 0 2 / 7 0 / 1 0

6 9 9 1 / 0 1 / 1 0

7 9 9 1 / 1 0 / 1 0

7 9 9 1 / 4 0 / 1 0

Simulado - Tramo_Final

7 9 9 1 / 7 0 / 1 0

7 9 9 1 / 0 1 / 1 0

8 9 9 1 / 1 0 / 1 0

8 9 9 1 / 4 0 / 1 0

8 9 9 1 / 7 0 / 1 0


8 9 9 1 / 0 1 / 1 0

9 9 9 1 / 1 0 / 1 0

9 9 9 1 / 4 0 / 1 0

9 9 9 1 / 7 0 / 1 0

9 9 9 1 / 0 1 / 1 0

0 0 0 2 / 1 0 / 1 0

0 0 0 2 / 4 0 / 1 0

0 0 0 2 / 7 0 / 1 0

Simulado - Tramo_Final

Figura 51: Calibración. SS+DBO5+OD+Norg+NH4+NO3. En el tramo final .

39


8. Análisis de los datos parciales. Los resultados que se han visto hasta el momento se corresponden con la concentración al final de la conducción. El modelo estima la concentración de cada conducción en cada tramo de río para cada diferencial de cálculo y para cada mes simulado. Por motivos de memoria sólo produce como resultado la del último punto. Si se quieren ver y analizar estas concentraciones parciales se puede acceder exigiendo que se creen los resultados parciales. En los tramos de río más contaminados puede ser interesante estudiar la evolución de la calidad dentro de la masa de agua. Para ello basta con acceder a la ficha de la conducción o conducciones deseadas y seleccionar la opción “Resultados parciales”. Nota: de las conducciones que no se modelan no se pueden obtener resultados parciales.

Figura 52: Salida de resultados detallados en conducciones.

El archivo que contiene los resultados parciales se denomina “Conducc.csv” y se puede abrir directamente en una hoja de cálculo. La descripción del archivo de resultados parciales se encuentra en el manual de GESCAL. Aparte de las concentraciones en cada diferencial de cálculo el archivo presenta una serie de variables que pueden ser de interés como son la velocidad, profundidad, la constante de reaireación o la concentración de saturación del oxígeno disuelto. Para nuestro caso sería interesante conocer la evolución de los diferentes constituyentes a lo largo del tramo río aguas abajo del vertido de Villa Abajo. Para ello se debe de requerir la obtención de resultados parciales en las dos últimas conducciones del modelo. Una vez realizada la simulación podemos acceder a los resultados editando el archivo “Conduc.csv” con una hoja de cálculo. En primer lugar se puede ver que la constante de reaireación determinada por el método de Covar se mueve entre 2.32 y 4.33 (1/d). Esto supone una reaireación medianamente alta para un tramo de río aunque bastante factible. El momento más crítico, en cuanto a concentraciones de oxígeno disuelto se refiere, es el mes de agosto de 1999. Analizando el perfil longitudinal de oxígeno disuelto y materia orgánica se puede ver un descenso muy acusado de concentración de oxígeno disuelto en los primeros cientos de metros del río. Incluso hace que el río se quede anóxico.

40

Ejercicios de modelación de la calidad del agua. Perfil concentraciones de DBO5 y OD Aguas Abajo del Vertido 35

30

25

l / g m

20 DBO5

15

Oxígeno Disuelto 10

5

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 6 2 8 4 0 6 2 8 4 0 6 2 8 4 0 6 2 1 1 2 3 3 4 4 5 6 6 7 7 8 9 9 0 1

0 5 8 0 1

0 0 0 5 5 5 4 0 6 1 2 2 1 1 1

0 5 2 3 1

0 5 8 3 1

0 0 0 5 5 5 4 0 6 4 5 5 1 1 1

Figura 53. Concentraciones de DBO 5 y Oxígeno disuelto a lo largo del tramo aguas abajo del vertido.

Es importante darse cuenta de que la concentración mínima no se da a final del tramo final sino en medio del mismo. Analizando los resultados parciales se puede obtener la concentración mínima en el punto más crítico de todo el río. Analizando los perfiles de nitrógeno se puede ver cómo el amonio mantiene una primera etapa donde las concentrajciones son bastante constantes o incluso crecientes. Esto se debe a que en la zona de oxígeno disuelto bajo no se produce la nitrificación. Posteriormente conforme el río va adquiriendo oxígeno se va produciendo esa nitrificación y en consecuencia una disminución de concentraciones de amonio y un aumento de la de los nitratos. Perfil de concentraciones de Amonio y Nitratos Aguas Abajo del Vertido 30

25

) 20 3 O N y 4 15 H N ( l / g m 10

Amonio Nitratos

5

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 6 1 7 2 8 3 9 4 0 5 1 6 2 7 3 8 4 9 5 0 6 1 7 2 8 3 9 4 1 1 2 2 3 3 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 0 1 1 2 2 3 3 4 4 5 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Figura 54. Concentraciones de Amonio y Nitratos a lo largo del tramo de río aguas abajo del vertido de Villa Abajo.

9. Simulación de alternativas. Una vez se tiene el modelo calibrado se dispone de una herramienta para evaluar alternativas y escenarios y sus efectos tanto en la parte cuantitativa como la cualitativa. Una de las primeras soluciones que se pueden proponer es la depuración del vertido de Villa Abajo.

41

Ejercicios de modelación de la calidad del agua. En primer lugar se asume que se mejora el tratamiento secundario y se consigue reducir la materia orgánica a una concentración de salida de 20 mg/l. Frente a este escenario se deberá estimar la constante de degradación de la materia orgánica ya que, lógicamente, tendrá una degradación mucho más difícil y lenta que la actual. Además la sedimentación se reducirá enormemente. Con un buen tratamiento la constante de degradación podría valer entre 0.2 y 0.05 (1/d). Para la velocidad de sedimentación se puede asumir que es nula. En este caso vamos a asumir una constante de degradación de 0.3 (1/d) ya que nos dejará del lado de la seguridad (para el oxígeno, ya que si la preocupación fuera las concentraciones de DBO5 nos dejaría del lado de la inseguridad). Previamente a simular debemos cambiar el archivo de aportaciones de calidad y fijar una concentración de 20mg/l en la DBO5. Además debemos modificar los parámetros de K d y Vsd. Una vez realizado esto simularemos de nuevo el modelo GESCAL. Analizando el perfil del modelo calibrado, denominado actual, frente a la opción depurada. Perfil de concentraciones de Oxígeno Disuelto. Situación Actual Versus Depuracion vertido 7

6

5

l / g m

4 OD-Actual

3

OD-Depurado 2

1

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 6 1 7 2 8 3 9 4 0 5 1 6 2 7 3 8 4 9 5 0 6 1 7 2 8 3 9 4 1 1 2 2 3 3 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 0 1 1 2 2 3 3 4 4 5 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Figura 55: Corrección del oxígeno disuelto mediante depuración.

Como se puede ver las concentraciones mejorarían aunqe se darían concentraciones de oxígeno inferiores a 3 mg/l que son pelirosas para la vida acuática. La normativa sobre calidad de agua piscícola establece un mínimo de 4mg/l para soportar la vida acuática. Se podría hacer un análisis de sensibilidad sobre la constante y la concentración de salida de DBO 5 de la depuradora para ver la robustez de esta simulación. Otro aspecto que nos puede preocupar medioambientalmente son las concentraciones de amonio ya que en función del pH y de la temperatura del agua puede ser altamente tóxico para los peces. Una reducción del amonio a 2 mgNH 4/l es factible con algún tratamiento que funcione bien. En este caso la constante de nitrificación podría verse altamente modificada. Una proyección adecuada serían valores entre 0.1 y 0.05. La simulación es directa cambiando las concentraciones en el archivo de aportaciones y las constantes de nitrificación de las dos últimas conducciones.

42

Ejercicios de modelación de la calidad del agua. Perfil de concentraciones de Oxígeno Disuelto. Situación Actual Versus Dierentes opciones de depuracion 8

7

6

5 l / g 4 m

OD-Actual OD-Depurado

3

OD-DepuAvanzada

2

1

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 0 0 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Figura 56. Perfil de concentraciones de oxígeno disuelto para diferentes opciones de simulación.

43


ANEJO I.1. DATOS DE CAUDALES Y CONCENTRACIONES. Caudal (Hm3/mes)

Año 1996

Sólidos Suspendidos (mg/l)

Materia orgánica (mg/l)

Oxígeno disuelto (mg/l)

Nitrógeno orgánico (mgN/l)

Amonio (mgNH4/l)

Nitratos (mgNO3/l)

Mes Río Vertido Río Vertido Río Vertido Río Vertido Río Vertido Río Vertido Río Vertido 10 7.93 0.735 22.14 65 1 60.4 9.76 4 0.01 20 0.04 25 0.76 10

1996

11

9

0.735

5.37

65

1

60.4 11.59

4 0.01

20 0.08

25

1.27

1996

12

69.6

0.735

9.84

65 2.01

60.4 11.71

4 0.01

20 0.03

25

7.21

10

1997

1

172.8

0.735 24.29

65

60.4 14.86

4 0.01

20 0.92

25

1.47

10

1997

2

46.95

0.735 17.91

65

1

60.4 14.45

4 0.01

20 0.17

25

3.24

10

1997

3

22.34

0.735

6.68

65

1

60.4 11.89

4 0.01

20 0.08

25

2.99

10

1997

4

14.1

0.735

5.05

65

1

60.4

11.5

4 0.01

20 0.04

25

2.37

10

1997

5

14.93

0.735 11.65

65

1

60.4 10.38

4 0.01

20

25

2.26

10

1997

6

36.38

0.735 16.17

65

2

60.4

7.49

4 0.01

20 0.09

25 49.42

10

1997

7

31.51

0.735 16.25

65 6.09

60.4

7.49

4 0.01

20 0.09

25 49.62

10

1997

8

24.25

0.735 20.56

65 5.14

60.4

6.29

4 0.01

20 0.12

25 12.19

10

1997

9

13.22

0.735

8.18

65 4.09

60.4

6.39

4 0.01

20 0.02

25

10

1997

10

11.23

0.735

6.21

65 3.05

60.4

8.45

4 0.01

20 0.15

25 17.69

10

1997

11

46.8

0.735 79.49

65

9.8

60.4

8.78

4 0.01

20

25 17.47

10

1997

12

50

0.735 11.93

65

1

60.4

9.03

4 0.01

20 0.01

25

4.43

10

1998

1

66.5

0.735 24.43

65

2

60.4

9.29

4 0.01

20 0.06

25 21.57

10

1998

2

49.35

0.735

5.54

65 2.13

60.4

9.29

4 0.01

20 0.11

25

14.4

10

1998

3

24.04

0.735

5.19

65

1

60.4

9.8

4 0.01

20 0.24

25 12.32

10

1998

4

17.5

0.735

3.12

65

2

60.4

9.69

4 0.01

20 0.02

25 15.67

10

1998

5

23.03

0.735

14.1

65

3

60.4

9.3

4 0.01

20 0.56

25

7.22

10

1998

6

33.08

0.735 28.18

65 2.04

60.4

8.4

4 0.01

20 0.04

25

6.3

10

1998

7

37.31

0.735 22.41

65 3.03

60.4

8.01

4 0.01

20 0.02

25

4.46

10

1998

8

31.15

0.735

65 2.04

60.4

7.96

4 0.01

20 0.02

25

4.48

10

1998

9

14.52

0.735 15.68

65 0.92

60.4

8.05

4 0.01

20 0.06

25

9.3

10

1998

10

11.93

0.735

9.55

65 0.78

60.4

9.98

4 0.01

20 0.14

25

8.77

10

1998

11

12.3

0.735

3.76

65

60.4 12.27

4 0.01

20 0.11

25 10.69

10

1998

12

6.2

0.735

3.72

65

2

60.4 11.71

4 0.01

20 0.17

25 10.89

10

1999

1

8

0.735

11.6

65

1

60.4 10.25

4 0.01

20 0.05

25 42.98

10

1999

2

8.85

0.735

2.46

65 2.18

60.4

7.66

4 0.01

20 0.07

25 15.14

10

1999

3

8.44

0.735

7.77

65

2

60.4

8.45

4 0.01

20 0.26

25 11.18

10

1999

4

8.3

0.735

7.9

65

1

60.4

9.26

4 0.01

20 0.02

25

3.43

10

1999

5

18.53

0.735 12.34

65

1

60.4

7.56

4 0.01

20 0.16

25

6.1

10

1999

6

19.18

0.735

65

1

60.4

7.89

4 0.01

20 0.16

25

3.29

10

1999

7

26.01

0.735 13.09

65 2.91

60.4

9.1

4 0.01

20 0.03

25

2.31

10

1999

8

20.75

0.735 12.89

65 3.11

60.4

8.12

4 0.01

20 0.07

25

2.34

10

1999

9

14.62

0.735

65 6.72

60.4

7.67

4 0.01

20

25

6.95

10

1999

10

11.23

0.735 37.59

65

60.4

9.01

4 0.01

20 0.02

25 12.97

10

11.7

6.37

3.42

1

1

1

0.2

0.2

0.1

9.03

10

44

Ejercicios de modelación de la calidad del agua. 1999

11

8.6

0.735

6.99

65

2.2

1999

12

7.2

0.735

1

65

1

2000

1

7

0.735

1.54

65 1.88

60.4 11.54

2000

2

7.05

0.735

2.18

65

2

60.4

9.82

2000

3

7.34

0.735 13.44

65

3

60.4

8.16

2000

4

20.2

0.735 16.46

65

2

60.4

7.72

2000

5

20.33

0.735 12.58

65

2

60.4

2000

6

15.58

0.735 34.67

65 7.87

2000

7

24.41

0.735 10.36

65

2000

8

20.15

0.735 31.59

2000

9

10.42

0.735 13.81

Fecha

Caudal EA AgAb Azud EA_Final Grande

60.4 10.64

4 0.01

20 0.05

25 11.78

10

60.4

4 0.01

20

0.1

25 10.19

10

4 0.01

20

0.2

25 13.11

10

4 0.01

20 0.08

25

8.99

10

4 0.01

20

25

9.39

10

4 0.01

20 0.19

25 11.32

10

8.26

4 0.01

20 0.15

25 11.89

10

60.4

7.11

4 0.01

20 0.26

25 10.01

10

2

60.4

7.11

4 0.01

20 0.11

25

4.39

10

65

2

60.4

8.07

4 0.01

20 0.29

25

5.04

10

65

2

60.4

8.52

4 0.01

20 0.03

25 11.71

10

Temperatura ICA1 AgAb ICA2 AgAb Azud Vertido Grande

oct-96

5.4

13.4

14

nov-96

9

11

8.1

6.5

0.1

Solidos ICA3 Final 15

ICA1 AgAb Azud Grande

DBO5

ICA2 AgAb Vertido

20.7

4.1

5.3

3.2

ICA3 Final 12.4

ICA1 AgAb Azud Grande 1

11.8

1

1.1

dic-96

69.6

66.2

9

9.8

2

ene-97

172.8

186.2

6

17

1

feb-97

46.4

54

8

12.2

1

mar-97

18.7

27.2

10

6.3

1

abr-97

9.1

19.1

12

5

1

15

may-97

4.6

16.6

22.4

19.3

10

14.7

ago-97

6.3

sep-97

4.5

jun-97 jul-97

11.4 18.9

18.9

16.7

18.7

18.2

16

16.5

18.6

20.4

20.4

15.2

18.1

18.4

18.6

ICA2 AgAb Vertido

1 14

72

20

6

6

5

10

8

20

8

12

5

2

4

8

132

16

4

21

10

8.7

18

17.7

18.5

6

12

3

8

nov-97

46.8

57.3

12.3

13.4

64

28

9

12

10

30

1

2

25

20

2

6

126

9

9.4

ene-98

66.5

66

7.3

7.5

feb-98

48.8

55.1

9.5

10.2

mar-98

20.4

32.2

12.4

13

abr-98

12.5

26.1

11.9

12.3

may-98

12.7

26.7

14

15.5

jun-98

19.1

25.1

16.6

18.6

jul-98

15.8

21.5

14.1

19.4

ago-98

13.2

20.2

16

20.3

sep-98

5.8

18.6

16.5

18.1

oct-98

9.4

19.7

12.6

13.3

nov-98

12.3

19.1

5.4

6.8

dic-98

6.2

18.2

5.2

5.8

ene-99

8

19.3

7.4

6.8

feb-99

8.3

16.9

6.7

6.9

mar-99

4.8

17.2

12

12.5

abr-99

3.3

16.6

10.2

12.5

may-99

8.2

25.3

18.6

18.4

5.2

19.1

17.9

19.2

jun-99

9.4

12

18.4

18.2

5.4

12.8

19.9

4.5

16

oct-97 dic-97

ICA3 Final

5

17

5

16

3

8

14

14

28

20

22

11

12

11

15

9

8.9

3.5

3.6

5.9

3.2

4

10

58

3

4

8

4

9

5

12

2

7

2

50

13

107

5

2

3

4

2

4

1

3

2

3

3

2

2

2

3

11

2

6

1

5

1

5

1

4

2

3

1

5

2

4

2

3

1

3

1

3

1

2

4

3

3

5

2

2

3

45

Ejercicios de modelación de la calidad del agua. jul-99

4.5

14.7

14

21.1

ago-99

2.8

12.8

18.3

20.3

sep-99

5.9

14.7

19

20

oct-99

8.7

18.2

12.1

13.7

nov-99

8.6

19

7.8

8.8

dic-99

7.2

17.5

4.8

5.9

ene-00

7

16.4

2.5

3.7

feb-00

6.5

13.6

9.1

8.6

mar-00

3.7

12.8

11.4

12

abr-00

15.2

23.6

10.6

11.5

may-00

10

26.2

jun-00

1.6

14.6

19.5

21.4

jul-00

2.9

12.9

15.9

19.9

ago-00

2.2

13.1

16.4

19.1

sep-00

1.7

11.2

15

17.1

Fecha

13

3

20.3

5.7

5

2

35

1.7

6

2

1

5.4

2

2.5

Oxígeno Disuelto ICA2 AgAb Vertido

ICA3 Final

8

12

11

12.3

3

4.8

17.3


Amonio ICA2 AgAb Vertido

30

7.4

9.6

5

30.8

6.4

14

2.9

14.4


ICA3 Final

9.61

7.85

11.4

6.85

dic-96

11.68

0.03

7.3

ene-97

12.36

0.6

1.3

feb-97

11.76

0.11

2.32

mar-97

11.33

0.07

2.71

0.04

2.31

may-97

10.3

jun-97

0.04

1.07

0.08

0.88

5.4

7.5

3.7

4.3

0.09

ago-97

6.3

2.9

3.8

sep-97

6.4

4.2

5.3

oct-97

8.4

nov-97

8.7 9

6.2

ene-98

9.4

8.6

feb-98

9.4

8.5

mar-98

9.8

9

abr-98

9.7

8

may-98

9.3

8.2

8.4

8.1

8

4.3

dic-97

jun-98 jul-98

0.68

0.19 3.6

jul-97

0.24

4.1

2.3

0.12

1.4

0.02

0.85

2.7

0.14

4.8

0.17 0.02

1.2

0.06

0.69

ago-98

7.9

4.4

sep-98

8

3.3

oct-98

9.9

5

nov-98

12.1

7

dic-98

11.5

5.5

ene-99

10.2

3.8

9.3

7.3

3.7

5.6

1

3

2

5

1

5

2

4

2

7

3

8

2

4

3

4

3

Nitratos ICA2 AgAb Vertido

2.29

2.48

2.24

2.67

6

5

2

4

2

4

2

3

13

2

ICA3 Final 2.44

2.22 4

7.1

2

5 5.9

nov-96

abr-97

6

6.5 21.2

oct-96

7.3

3 4

96

2.9 11.6

17.4


3

4

62

22

49

97

1.2

0.68

12

36

42

1.3

8.8

18

9.3

3.1

17

30

2.6

14

21

0.1

0.51

0.23

1.7

0.02

3.5

0.54

2.2

0.04

1.5

0.02

1.9

0.02

4.8

0.06

2.8

0.13

0.85

0.1

1

0.14

2.3

0.05

5.4

1.4

3.3

1.9

3

2.1

4.9

12

19

12

14

17

12

19

15

17

7.1

11

6.2

11

4.4

14

4.4

8.8

8.8

15

8

11

10

12

9.3

14

38

57

12

20

12

18

17

46

Ejercicios de modelación de la calidad del agua. feb-99

7.7

6.2

mar-99

8.4

7.7

abr-99

9.2

3

may-99

7.6

2.7

jun-99

7.9

1.4

jul-99

8.9

1.1

ago-99

8

1.6

sep-99

7.7

1.9

oct-99

8.9

1.1

nov-99

10.5

5.9

dic-99

6.5

3.6

ene-00

11.5

8.2

feb-00

9.9

8.4

mar-00

8.2

6.6

abr-00

7.8

6.8

may-00

8.2

2.8

0.06

4.4

0.24

6.9

0.02

9

0.15

2.4

0.15

6.8

0.03

5.1

7.2

6

jul-00

7.2

7.1

ago-00

8.1

5.3

sep-00

8.6

3

5.7

13

15

9.3

9.3

3.1

10

5.7

12

3.1

6.6

2.2

11

4.6 2.2

5.8

6.7

0.09

2.1

0.02

2.04

0.05

5.1

0.08

2.6

0.21

6.2

20

12

1.91 16

10

6.1

2.4

9.8

9.58

0.07

4.6

6.9

13

0.1

6.2

7.3

7.3

0.12

5.5

6.77

7.65

5.1

2.8 6.4

4.2

0.19

8.5

0.1

6.6

0.27

3.7

0.023

4.59

9.7

8

14 0.09

10

6.4

jun-00

3

18

20

8.79

7.88 5.2

3.66

7.3

1.29

3.8

5.34

4.75

17

10

10.58

2.88

10.02

47


48


CAPÍTULO II. MODELACIÓN DE UN EMBALSE EUTROFIZADO.

49


50

Ejercicios de modelación de la calidad del agua. ENUNCIADO

El esquema de la figura muestra el caso del embalse Gravobika que recoge las aguas de la cuenca natural del llamado río Paute. Aguas arriba del embalse realiza un vertido la ciudad de Villa Arriba y en las épocas de años secos la mayor parte del caudal de entrada al embalse procede de este vertido. Desafortunadamente la depuradora de la población no dispone de tratamiento de eliminación de fósforo ni de nitrógeno por lo que el embalse sufre continuos problemas de “bloom” de algas y se encuentra en un estado de eutrofia avanzada.

En este ejercicio se pretende realizar un modelo del embalse para poder responder a diferentes preguntas sobre cuáles son las posibilidades de mejora de la calidad en el mismo y aguas abajo. En cuanto a los datos disponibles se tiene los siguientes: - Salidas y volumen embalsado del embalse medidas mes a mes así como la curva batimétrica del embalse. - Concentraciones medidas por estaciones de calidad agua arriba del embalse. - Seguimiento de clorofila del embalse con mediciones en diferentes momentos temporales del año. - Datos meteorológicos de la zona de estudio. - Datos de seguimiento limnológico del embalse en donde se incluyen diferentes mediciones de diferentes variables físico químicas a diferentes profundidades y en varias épocas del año. - Datos de flujos de nutrientes desde el sedimento a la columna de agua fruto de campañas de muestreo. Rio Paute Embalse de Grabovika Ica A uas_Arriba Ica A uas_Aba o

Otros datos:

- Año inicial de simulación: 1999; Número de años de simulación: 6 Embalse:

Volumen inicial: 5.85; Capacidad: 20 hm 3; Datos de seguimiento de embalse: Ver hoja Excel adjunta. Parámetros: Se supone que el modelo ha sido calibrado previamente por un técnico y que los parámetros se aportan como datos. 51

Ejercicios de modelación de la calidad del agua. Curva batimétrica: Cota (m)

0 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 22.5 24.4

Sup (Has)

0.001 60.875 72.75 94.97 111.542 142.006 161.218 200.096 228.668 260.148

Vol (hm3)

0 2.285 3.93 5.99 8.545 11.662 15.426 19.86 25.17 29.83

Concentraciones Iniciales del embalse

Conductividad Solidos DBO5 OD Norg NH4 NO3 Chla Porg PO4

Concentración Unidades Inicial (mg/l) 1585 µs/cm 28 mg/l 6 mgO/l 5.3 mgO/l 0.01 mgN/l 0.12 mgNH4/l 9.8 mgNO3/l 100 µg/l 0.01 mgP/l 0.65 mgPO4/l

Flujos desde el sedimento

Flujo Sedimento (gr/(m2d)) OD NH4 NO3 PO4

-0.2 0.05 -0.07 0.002

Coeficientes calibrados:

NOMBRE

Valor NOMBRE

Constante de reaireación(d-1) Constante de degradación materia orgánica(d-1) Velocidad sedimentación materia orgánica(md-1) Constante degradación nitrógeno orgánico(d-1) Sedimentación nitrógeno orgánico(md-1) Constante nitrificación del amonio(d-1) Velocidad de desnitrificación (d-1) Muerte/respiración fitoplancton(d-1)

0.5 0.06 0.05 0.05 0.05 0.12 0.15 0.07

Valor

Velocidad sedimentación fitoplancton(md-1) Degradación del fósforo orgánico(d-1) Sedimentación del fósforo orgánico(md-1) Intensidad saturación lumínica (Lang d-1) Base de atenuación lumínica(md-1) Atenuación por sombre propia (md-1 (mgl)-1) Degradación fosfatos(d-1) Crecimiento del fitoplancton (d-1)

0.08 0.05 0.05 320 1 22 0 1.8

52


0. Introducción. Este ejercicio tiene como objetivo explicar la creación de un modelo de eutrofización de embalses con la herramienta GESCAL del Sistema Soporta a la Decisión AQUATOOL. Se supone que el usuario tiene los conceptos en materia de calidad de aguas suficientes para conocer que es un modelo mecanicista de calidad de aguas de eutrofización en un embalse.

1. Inicio del modelo. El primer paso a dar es iniciar la aplicación, para ello nos vamos a: Inicio/Programas/Aquatool/AquatolDMA Una vez iniciado el programa la aplicación aparecerá vacía y tenemos que decidir entre crear un nuevo ejemplo o abrir uno existente. En este caso queremos crear uno nuevo para lo que hacemos Archivo/Nuevo como se indica en la Figura 1.

Figura 57. Creación de un nuevo ejemplo Una vez indicado el directorio y el archivo de trabajo la interfaz nos pide los parámetros básicos para la creación del modelo de SIMGES. Aunque en realidad el modelo de SIMGES sirve para la simulación de cuencas y en este ejemplo no va a ser visto en profundidad es necesario realizar la simulación de los flujos ya que los resultados de este modelo son un input para el modelo de GESCAL. Los parámetros son los que se muestran en la Figura 2.

53


Figura 58. Parámetros básicos del modelo de SIMGES. Entre estos datos figuran: dos títulos identificativos, elegidos por el usuario; el año de inicio de aportaciones y el número de años de simulación. Finalmente se indica el nombre de los archivos de topología y el de las aportaciones. El archivo de aportaciones contiene los datos de entrada en cuanto a cantidad de agua se refiere. Una vez presionamos el botón de “aceptar” la interfaz creará un tapiz en blanco para poder empezar a introducir la topología del modelo.

2. Creación de la topología y el modelo cuantitativo. El objetivo es modelar la calidad del agua del embalse para ello vamos a crear un modelo que represente una entrada de agua al embalse, la evolución del volumen embalsado y la salida del mismo. Las entradas se introducen con un elemento de aportación. El volumen embalsado lo debe calcular el programa mediante una balance de entradas y salidas. Las salidas del embalse se introducen mediante un elemento de demanda de agua. Por ello deberemos utilizar un elemento aportación, uno de embalse, una toma, una demanda. Además deberemos crear un tramo de río que finaliza en el nudo final del modelo.

2.1. Creación del embalse. El siguiente proceso consiste en introducir todos los datos del modelo cuantitativo. Se empieza creando el embalse. Para ello se pincha el elemento herramientas (figura 7) y se coloca en un punto del tapiz.

de la barra de

Figura 59. Barra de Herramientas. Al crear el elemento embalse se nos muestra una ficha que tenemos que rellenar con los siguientes datos:

54

Ejercicios de modelación de la calidad del agua. -

-

-

3

Volumen inicial de la simulación. Es este caso 5.85 Hm . Capacidad máxima del embalse. Se introduce en el campo máximo de la pestaña 3 volúmenes. En este caso es de 20 Hm . Los volúmenes objetivos y mínimos se pueden mantener en valores nulos. Curva batimétrica del embalse. Se introduce en la pestaña de “cotas” y consta de 10 conjuntos de valores cota-superficie-volumen (unidades metros-hectáreas3 Hm ). El modelo nos requiere especificar el nudo de vertidos. Elegiremos el mismo embalse. Esto quiere decir que si se producen vertidos porque el embalse está lleno se realizan a pie de embalse.

Figura 60. Ficha del embalse. Parte cuantitativa.

55


Figura 61. Datos de volúmenes máximos y curvas batimétricas del embalse.

2.2. Creación de las salidas del embalse. Para crear las salidas del embalse utilizaremos un elemento de demanda que extrae agua del embalse mediante un elemento toma. Primero crearemos el elemento demanda mediante el icono . La información que debemos proporcionar es el nombre de la demanda, en este caso se le ha llamado “salidas”, y los 12 valores de demanda mensual.

56


Figura 62. Ficha de la demanda. 3 La demanda mensual se ha fijado en 1 Hm /mes ya que las salidas reales son variables año tras año por lo que vamos a utilizar una opción avanzada de SIMGES consistente en definir la demanda variable mes a mes y año a año mediante un fichero auxiliar. Esto quiere decir que independientemente del valor que pongamos en la ficha de la interfaz el programa cogerá los valores establecidos en el fichero. Seguidamente creamos una toma, icono de la barra de herramientas que parta del embalse y finaliza en la demanda. En la toma se debe proporcionar los valores de la punta mensual y la dotación anual

57


Figura 63. Ficha de la Toma. 3 En este caso se va a introducir un valor constante de punta mensual de 100 Hm /mes 3 y una dotación anual de 1200 Hm /año. Estos valores son suficientemente altos para que no supongan una limitación a la demanda (salidas del embalse).

2.3. Entradas al embalse. Las entradas al embalse se consideran mediante un elemento aportación de la barra de herramientas. Previamente a crear el elemento se debe copiar el archivo “aporta.apo”, suministrado con los datos del ejemplo, en la carpeta “escenario001” que se crea cuando se inicializa el modelo. Este archivo es de tipo “ascii” y con el formato que se muestra en la figura.

58


Figura 64. Formato archivo de aportaciones de SIMGES. 3 Representa las entradas al embalse en Hm /mes. Una vez copiado este archivo se crea un elemento aportación que llegue al embalse y en la ficha se escoge la columna aportación que contiene los datos de entrada.

Figura 65. Ficha de aportaciones.

2.4. Finalización del modelo cuantitativo. Finalmente se crea un nudo y una conducción que parte del embalse y con destino el nudo creado. Esto es necesario porque todo modelo necesita un nudo final.

59

Ejercicios de modelación de la calidad del agua. Una vez creada la conducción seleccionamos el nudo y lo asignamos como nudo final. Esto se hace seleccionando el nudo y accediendo al menú “Editar/Nudo Final/ Asignar nudo final”. El modelo creado tiene el aspecto de la figura siguiente.

Figura 66. Esquema del modelo. Antes de realizar la simulación cuantitativa debemos copar los archivos que nos van a permitir hacer de demanda variable a la carpeta de trabajo. Estos archivos se proporcionan con los datos del ejemplo y se llaman: “simges.avz” y “Demanda.fic”

Figura 67. Ejemplo del archivo simges.avz La descripción de estos archivos se encuentra en el manual técnico de SIMGES aunque para otros casos se puede utilizar los archivos proporcionados como patrón y realizar modificaciones sobre ellos.

60


Figura 68. Ejemplo del archivo de demanda variable de SIMGES. Para la simulación del modelo cuantitativo se accede al menú “Modelos/SIMGES/Ejecutar SIMGES”.

Figura 69. Simulación del modelo SIMGES. El año de inicio de la simulación es 1999 y el número de años que simulamos es de 6. Si la simulación funciona correctamente veremos una pantalla como la de la siguiente figura.

61


Figura 70. Pantalla de simulación del modelo SIMGES. En caso de que finalice en con algún error deberemos consultar el archivo de incidencias en el menú “Ver/resultados de SIMGES/Incidencias de la simulación”. Una vez realizada la simulación cuantitativa podremos ver los resultados del modelo en cuanto a volúmenes de embalse, entradas y salidas. Aunque sea una tarea redundante conviene confirmar que todos estos datos son correctos. Para ver resultados marcaremos el modo “gráfico” en la barra de herram ientas.

Figura 71. Opción de gráficos. Seguidamente seleccionamos el embalse mediante un doble clic y la interfaz nos mostrará los resultados de los volúmenes de embalse. Se debe destacar que es común cometer errores en la estimación de las entradas, debido a su incertidumbre, y que estos hagan que el balance en el embalse no cuadre. El usuario debe asegurarse que el balance entre entradas y salidas que se aporta como dato produce los volúmenes de embalse almacenados que se quie ren simular.

3. Creación del modelo de calidad de aguas. Seguidamente, para indicar que se va a crear un modelo de simulación de la calidad accederemos al menú de “Modelos/ Opciones del proyecto”.

62


Figura 72. Acceso a las opciones del proyecto.

3.1. Opciones iniciales del proyecto. Al acceder a la pantalla de opciones de proyecto indicaremos que se quiere realizar un modelo de simulación de la calidad marcando la casilla “Modelar GESCAL”, Figura 4.

Figura 73. Pantalla de opciones del proyecto. Al realizar esta selección se accederá a la pantalla de “Opciones del modelo de Calidad”, en donde deberemos indicar los parámetros fundamentales del modelo. En primer lugar vamos a crear un modelo básico en donde el embalse se va a simular como un tanque completamente mezclado y donde se van a simular dos contaminantes arbitrarios: la conductividad y los sólidos suspendidos. Para ello la pantalla de de opciones del modelo de calidad debe tener el siguiente aspecto.

63


Figura 74. Opciones del modelo GESCAL.

Al presionar el botón de Aceptar de esta pantalla el programa nos devuelve a las Opciones de proyecto en donde indicaremos que las aportaciones de calidad las vamos a pasar por archivo y que este se llama “AportaCal.apo”. Para un caso de contaminante arbitrario, la formulación de degradación implica un parámetro de degradación según una cinética de primer orden y una velocidad de sedimentación.

W   K 

T  20

C  VS C

(3) h Donde: Wi representa el conjunto de procesos que se dan en la masa de agua, K i

-1 representa la constante de descomposición a 20 ºC (día );  es el coeficiente por

corrección de temperatura; la sedimentación se considera mediante un parámetro VS -1

que representa la velocidad de sedimentación del constituyente (m día ); h es la profundidad de la masa de agua (m); C representa la concentración del contaminante en -1

la masa de agua (mgl ). Para modelar la conductividad supondremos ambas constantes (K y VS) nulas considerándolo como conservativo. Los sólidos sólo sedimentan por lo que la constante de degradación se mantendrá nula (K=0) y se utilizará la velocidad de sedimentación (VS) como parámetro del modelo.

64

Ejercicios de modelación de la calidad del agua. 3.2. Datos generales del embalse. Una vez activado el módulo de calidad editamos el elemento embalse donde podemos comprobar que aparece una nueva pestaña llamada “calidad”. Bajo esta pestaña h ay un conjunto de subpestañas que nos van permitir ir definido el modelo poco a poco. En la pestaña de datos generales se define el diferencial de cálculo y un conjunto de variables necesarias para cuando se desarrolla un modelo de dos capas. En principio vamos a dejar todas las variables como están.

Figura 75. Ficha de datos generales de calidad del embalse. La siguiente pestaña nos sirve para definir la variación de la temperatura del embalse. Para ello accedemos al gestor de curvas mediante el botón “Editar Curva”.

65


Figura 76. Solapa de temperatura en el embalse. Una vez en el gestor de curvas crearemos una curva que represente la temperatura del epilimnión con la opción de nueva.

Figura 77. Gestor de curvas. De vuelta a la ficha del embalse asignaremos la curva que hemos creado y cambiaremos la temperatura Base de 20 a 1.

66

Ejercicios de modelación de la calidad del agua. En caso de querer variar la velocidad de sedimentación de los sólidos suspendidos del embalse en la pestaña “Contaminantes de 1er Orden” encontramos la constante de degradación y la velocidad de sedimentación.

Figura 78. Solapa de parámetros de contaminantes de primer orden.

3.3. Datos generales del embalse. Una vez definido las características básicas del embalse editamos la ficha de la conducción para definir las características de la simulación de la calidad. En este caso no nos interesa la calidad del agua del río aguas abajo del embalse por lo que se escoge la opción de no simular la conducción.

Figura 79. Ficha de calidad de la conducción. De esta forma además se ahorra tiempo computacional.

67

Ejercicios de modelación de la calidad del agua. 3.4. Primera simulación. El modelo creado hasta el momento se corresponde a un tanque completamente agitado (CSTR) de dos contaminantes arbitrarios. La ecuación diferencial que se resuelve es la siguiente. V 1

dC 1 dt

 C 1

dV 1 dt

 Q1eC e  Q1 s C 1  W i

(4)

Donde V es el volumen del embalse, t es la variable tiempo, Q e representa el caudal de entrada, Qs el caudal de salida, Ce la concentración de entrada y C 1 la concentración en el embalse. Wi es el conjunto de reacciones que se producen en el embalse que para el caso de contaminantes arbitrarios se ha definido en la ecuación 3. Antes de realizar la simulación vamos a copiar los archivos de aportaciones y archivos de observados dentro de la carpeta de trabajo. El archivo de aportaciones de calidad presenta para cada momento temporal que se simula las concentraciones de entrada al embalse de cada uno de los constituyentes que se va a simular.

Figura 80. Archivo de aportaciones de calidad. El orden de los constituyentes es importante. En primer lugar se ubicaran los contaminantes de primer orden (también llamados arbitrarios), seguidamente y por este orden DBO5, OD, Norg, NH4, NO3, Chl-a, Porg y PO4 en caso de que se modele un

68

Ejercicios de modelación de la calidad del agua. caso completo de eutrofización. Conviene revisar las unidades de entrada según viene en el manual. Por defecto DBO 5 en mgO/l; Norg mgN/l; NH4 en mgNH4/l; NO3 en mgNO3/l; Chl-a en mgChl-a/l; Porg en mgP/l; PO4 en mgPO4/l. El archivo de datos observados contiene los valores observados y q ue nos permitirán calibrar los parámetros del modelo. Los valores deben tener las mismas unidades que las variables de entrada. El formato es un archivo de tipo ascii separado por “;” y en el manual de GESCAl se especifica su formato.

Figura 81. Archivo de datos observados. Una vez copiados estos archivos podemos realizar la primera simulación. Para ello nos vamos al menú “Modelos/GESCAL/Ejecutar modelo GESCAL”.

69


Figura 82. Ejecución del modelo GESCAL. De esta forma se lanza el modelo en donde se puede ver la siguiente pantalla.

Figura 83. Pantalla de ejecución del programa GESCAL. En caso de acabar en error se deberá consultar el archivo de incidencias en el menú “Ver/resultados de GESCAL/Incidencias de la simulación”. Para consultar los resultados pasamos al modo gráfico al igual que se realiza con la simulación cuantitativa. Los resultados se pueden ver a partir del gestor de gráficos directamente o mediante la exportación de los mismos a un gráfico dinámico de la hoja de cálculo Microsoft Excel. Para ello a partir del gestor de gráficos nos vamos al menú “Utilidades/Gráfico Dinámico de GESCAL/Nuevo”. El programa nos pregunta la etiqueta que le queremos poner a los resultados y si tenemos un archivo de observados.

70


Figura 84. Exportación de resultados a la aplicación de gráfico dinámico. El gráfico dinámico sirve para hacer filtros entre diferentes para ver diferentes los resultados del modelo y los datos medidos de forma rápida y cómoda. Las siguientes gráficas muestran el volumen de embalse y la conductividad. 25

Volumen almacenado

20

15 3 m H

10

5

0 9 9 9 1 / 0 1 / 1 0

0 0 0 2 / 1 0 / 1 0

0 0 0 2 / 4 0 / 1 0

0 0 0 2 / 7 0 / 1 0

0 0 0 2 / 0 1 / 1 0

1 0 0 2 / 1 0 / 1 0

1 0 0 2 / 4 0 / 1 0

1 0 0 2 / 7 0 / 1 0

1 0 0 2 / 0 1 / 1 0

2 0 0 2 / 1 0 / 1 0

2 0 0 2 / 4 0 / 1 0

2 0 0 2 / 7 0 / 1 0

O bs er va do - E m b al se

1800

2 0 0 2 / 0 1 / 1 0

3 0 0 2 / 1 0 / 1 0

3 0 0 2 / 4 0 / 1 0

3 0 0 2 / 7 0 / 1 0

3 0 0 2 / 0 1 / 1 0

4 0 0 2 / 1 0 / 1 0

4 0 0 2 / 4 0 / 1 0

4 0 0 2 / 7 0 / 1 0

4 0 0 2 / 0 1 / 1 0

5 0 0 2 / 1 0 / 1 0

5 0 0 2 / 4 0 / 1 0

5 0 0 2 / 7 0 / 1 0

S im u la d o - Em b al se G r ab o vi ka

Conductividad

1600

1400

1200

1000 m c / s u

800

600

400

200

0 9 9 9 1 / 0 1 / 1 0

0 0 0 2 / 1 0 / 1 0

0 0 0 2 / 4 0 / 1 0

0 0 0 2 / 7 0 / 1 0

0 0 0 2 / 0 1 / 1 0

1 0 0 2 / 1 0 / 1 0

1 0 0 2 / 4 0 / 1 0

1 0 0 2 / 7 0 / 1 0

1 0 0 2 / 0 1 / 1 0

2 0 0 2 / 1 0 / 1 0

2 0 0 2 / 4 0 / 1 0

2 0 0 2 / 7 0 / 1 0

Observado -Ica__SalidaEmbalse

2 0 0 2 / 0 1 / 1 0

3 0 0 2 / 1 0 / 1 0

3 0 0 2 / 4 0 / 1 0

3 0 0 2 / 7 0 / 1 0

3 0 0 2 / 0 1 / 1 0

4 0 0 2 / 1 0 / 1 0

4 0 0 2 / 4 0 / 1 0

4 0 0 2 / 7 0 / 1 0

4 0 0 2 / 0 1 / 1 0

5 0 0 2 / 1 0 / 1 0

5 0 0 2 / 4 0 / 1 0

5 0 0 2 / 7 0 / 1 0

Simula do -EmbalseGrabovika

Figura 85. Volumen almacenado y conductividad en el modelo.

71


3.5. Creación de un modelo de dos capas. El ciclo de estratificación térmica es uno de los factores más influyentes en la calidad del agua de un embalse. En los embalses localizados en zonas templadas la estratificación suele comenzar en primavera y finalizar en otoño. El modelo GESCAL permite crear un modulo dinámico de dos capas y que estas capas evolucionen con el tiempo. La siguiente figura representa el esquema del modelo que se propone

V 1

V 2

dC 1 dt

dC 2 dt

 C 1

dV 1

 C 2

dt

 C 1 / 2

dV 2 dt

dV

 C 1 / 2

dt

 Q1e C e  Q1 s C 1  E '12 C 2  C 1   W i

dV dt

(5)

 Q2e C e  Q2 s C 2  E '12 C 1  C 2   Sed  W i 2

(6)

Donde: El subíndice “1” representa el epilimnion o capa superior; el subíndice 3

“2” el hipolimnion o capa inferior; V 1 y V2 son los volúmenes de las capas (m ); V es la ganancia o perdida (si es negativo) de volumen del epilimnion sobre el hipolimnion 3

debido al calentamiento o enfriamiento a lo largo del mes (m ); C1 y C2 son las concentraciones de cada capa (M/V); C 1/2 es la concentración del hipolimnion si el -1

incremento de volumen es negativo y del epilimnion si es positivo (mgl ); Ce es la -1

concentración del agua de entrada (mgl ); t representa la variable tiempo; Q 1e y Q 2e 3 -1

son las entradas de caudal en el intervalo de tiempo (m t ); Q 1s y Q 2s son las salidas en 3 -1

el intervalo de tiempo (m t ); Sed es el flujo de constituyente desde el sedimento (M/T); Wi1 y Wi2 son el conjunto de procesos de degradación o aporte de constituyente

72

Ejercicios de modelación de la calidad del agua. ’

en la masa de agua. E 12 representa el coeficiente de dispersión entre ambas capas 3 -1

(m t ). El cual se estima de la siguiente forma: E 12  '

E 12 A12 Z 12

(7) 2 -1

Donde: E12 representa la difusión vertical (m t ); A12 es el área entre las dos 2

capas (m ); Z12 es la cota de la termoclina (m).

Para crear un modelo que represente el ciclo de estratificación mediante dos capas epilimnion (superior) e hipolimnion (inferior) se deben rellenar los datos de la solapa “Datos Generales” de la ficha de embalse. Estos datos son: Dispersión entre las capas , proporción del volumen inicial epilimnion, D iferencial de cálculo, proporción de entradas al epilimnion, proporción de salidas del epilimnion y altura de termoclina. Gran parte de estas variables se consideran con un valor base que multiplica a una curva de variación temporal. Por ello previamente se van a crear las siguientes curvas: CURVAS

Jun

Jul

Ago

Sep

Temp Epilimnion

21.75

Oct

Nov 16

Dic 10

Ene 7.5

Feb 10

Mar 12

Abr 14

May 18.9

23.33

27.304

26.82

25.18

Temperatura Hipolimnion Temperatura Aguas Arriba Embalse Entradas al epilimnion

21.75

16

10

7.5

8.5

9.5

11

12.53

14.05

14.7

17.97

25.18

15.88

13.55

12.12

10.38

12.36

13.44

14.42

16.33

20.82

20.72

20.9

19.33

0

0

1

1

1

1

1

0.5

0.5

0.5

0.5

0.5

Salidas del Epilimnion

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

Dispersion del embalse Espesor Epilimnion

4

4

4

4

4

4

4

0.1

0.1

0.1

0.1

4

4

4

4

4

4

4

4

4

4.33

5.25

6.67

4

Tabla 2. Curvas para la modelación en dos capas del embalse. Al gestor de curvas se puede acceder a partir de cualquier botón de editar curva.

73


Figura 86. Gestor de curvas con la información necesaria para el modelo de 2 capas. Una vez creadas las curvas se deben asignar en la ficha del embalse. Y poner el valor patrón.

Figura 87. Solapa de datos generales del embalse con los datos para la modelación en dos capas. La variable que indica al modelo que se van a modelar dos capas es la altura de la termoclina. El ciclo de estratificación térmica basado en una masa de agua completamente mezclada desde finales de otoño hasta principio de primavera puede modelarse de dos formas. La primera es hacer cero la altura de la termoclina en los meses de mezcla completa mediante la curva de variación de la termoclina. La segunda es mantener dos capas en todo momento y aumentar la dispersión de las capas entre los embalses en los meses de mezcla completa. Esta segunda opción es la escogida en este ejemplo.

74

Ejercicios de modelación de la calidad del agua. Las curvas de entrada y salida del epilimnion representan la proporción del agua que sale y entra del epilimnion siendo la restante del hipolimnion. Como se puede ver en la figura de la ficha se ha ampliado el diferencial de cálculo de 30 a 90. Esto es conveniente cuando se van a desarrollar modelos de eutrofización por las fuertes oscilaciones de algunos componentes. Por otro lado se han marcado todas las opciones de generación de resultados para así obtener resultados del epilimnion, hipolimnion y parciales que se comentarán posteriormente. Seguidamente en la solapa de temperatura se incluye la temperatura del hipolimnion como valor base y curva. Si se vuelve a ejecutar el modelo y se actualiza el gráfico dinámico se puede v er que en este caso se dispone de dos resultados uno para epilimnion y otro para hipolimnion. 1800

Conductividad

1600

1400

1200

1000 m c / s u

800

600

400

200

0 9 9 9 1 / 0 1 / 1 0

0 0 0 2 / 1 0 / 1 0

0 0 0 2 / 4 0 / 1 0

0 0 0 2 / 7 0 / 1 0

0 0 0 2 / 0 1 / 1 0

1 0 0 2 / 1 0 / 1 0

1 0 0 2 / 4 0 / 1 0

1 0 0 2 / 7 0 / 1 0

Ob se rv ad o - I ca __ Sa li da Em ba ls e

1 0 0 2 / 0 1 / 1 0

2 0 0 2 / 1 0 / 1 0

2 0 0 2 / 4 0 / 1 0

2 0 0 2 / 7 0 / 1 0

2 0 0 2 / 0 1 / 1 0

3 0 0 2 / 1 0 / 1 0

S im ul ad o - E mb al se G r ab ov ik a

3 0 0 2 / 4 0 / 1 0

3 0 0 2 / 7 0 / 1 0

3 0 0 2 / 0 1 / 1 0

4 0 0 2 / 1 0 / 1 0

4 0 0 2 / 4 0 / 1 0

4 0 0 2 / 7 0 / 1 0

4 0 0 2 / 0 1 / 1 0

5 0 0 2 / 1 0 / 1 0

5 0 0 2 / 4 0 / 1 0

5 0 0 2 / 7 0 / 1 0

S im ul ad o - H ip Em ba ls e G ra bo vi ka

Figura 88. Resultados de la conductividad en el embalse con la modelación en dos capas. Cada vez que se realiza una simulación no es n ecesario crear de nuevo el gráfico dinámico. Para actualizarlo desde el gestor de gráficos desde el menú “Utilidades/Gráfico dinámico de GESCAL/Actualizar”.

75


Figura 89. Actualización de resultados en el gráfico dinámico. Una vez exportados los nuevos resultados se debe actualizar el gráfico dinámico de la Excel para poder ver los nuevos resultados. Nota: si al exportar los resultados cambiamos la etiqueta de “simulados” por otra etiqueta la herramienta creará una nueva serie de resultados. Esta característica es muy útil en el proceso de evaluación de alternativas.

3.6. Creación de la parte físico química y biológica. Una vez creado el modelo de dos capas para los constituyentes arbitrarios se va a introducir todos los datos necesarios para una modelación completa de un proceso de eutrofización. En primer lugar desde el menú de “Modelos ” se accede a las opciones de parámetros del modelo de calidad.

Figura 90. Acceso a los parámetros de calidad. Una vez en la pantalla de las opciones de simulación se activan las opciones de modelar oxígeno disuelto, ciclo del nitrógeno y fitoplanton como se muestra en la figura.

76


Figura 91. Aumento de las opciones de simulación del modelo de calidad. Un modelo de estas características simula los siguientes constituyentes: DBO 5, Oxígeno Disuelto, nitrógeno orgánico, amonio, nitratos, fitoplancton (en forma de clorofila- a), fósforo orgánico y fósforo inorgánico. El archivo de aportaciones debe contener las concentraciones para todos estos constituyentes. Condiciones iniciales

El siguiente paso es introducir las concentraciones iniciales de todos los constituyentes tanto para el epilimnion como para el hipolimnion. Esto se hace desde la ficha de l embalse, pestaña calidad, sub pestaña Cond. Iniciales.

Figura 92. Solapa de condiciones iniciales del embalse.

77

Ejercicios de modelación de la calidad del agua. Como se puede ver en la figura en este ejemplo se ha supuesto que las concentraciones de ambas capas son iguales en todos los constituyentes Flujos desde sedimentos

En la pestaña de al lado “Flujo de sedimentos” introduciremos los valores de los flujos de los diferentes nutrientes así como el requerimiento de oxígeno disuelto por parte del sedimento. Las unidades son gr/m2d.

Figura 93. Pestaña de definición de flujos de sedimento del embalse a l a columna de agua. Parámetros y datos meteorológicos

Finalmente en la sub pestaña de oxígeno disuelto se encuentran diferentes datos y parámetros relacionados con la componente físico – química y la biológica del modelo. En la parte de la derecha de la ficha se encuentran las curvas de radiación y del fotoperiodo. El fotoperiodo se introduce en tanto por uno y la radiación en layer/d. Con el botón “Editar curva” se accede al gestor de curvas y se crean ambas curvas con los siguientes valores: CURVAS

Oct

Nov

Dic

Ene

Feb

Mar

Abr

May

Jun

Jul

Ago

Sep

Fotoperiodo en embalse

0.45

0.41

0.39

0.41

0.44

0.5

0.56

0.6

0.62

0.61

0.56

0.51

301

157

165

206

287

354

477

541

664

642

556

422

Radiación en embalse

Tabla 3. Curvas de datos meteorológicos. Una vez creadas las curvas y asignadas se varía el valor patrón de ambas variables. En la lista de parámetros que se encuentra en el lado izquierdo de la ficha. Seguidamente se introducen los valores de los parámetros del modelo. En genera l estos parámetros se obtienen por un proceso de calibración que en el caso de eutrofización suele ser bastante costoso.

78


Figura 94. Pestaña del embalse donde se introducen los parámetros calibrados. Con todos estos valores introducidos ya se puede realizar una simulación de todas las variables. Algunos resultados de la misma se recogen en los siguientes gráficos. Previamente se debe exportar los resultados al gráfico dinámico y actualizar el mismo.

79


Clorofila-a 250

200

3 m / 150 g m

100

50

0 9 9 9 1 / 9 0 / 1 0

9 9 9 1 / 2 1 / 1 0

0 0 0 2 / 3 0 / 1 0

0 0 0 2 / 6 0 / 1 0

0 0 0 2 / 9 0 / 1 0

0 0 0 2 / 2 1 / 1 0

1 0 0 2 / 3 0 / 1 0

1 0 0 2 / 6 0 / 1 0

1 0 0 2 / 9 0 / 1 0

1 0 0 2 / 2 1 / 1 0

2 0 0 2 / 3 0 / 1 0

2 0 0 2 / 6 0 / 1 0

O bs er va d o- E m ba l se

2 0 0 2 / 9 0 / 1 0

2 0 0 2 / 2 1 / 1 0

3 0 0 2 / 3 0 / 1 0

3 0 0 2 / 6 0 / 1 0

3 0 0 2 / 9 0 / 1 0

3 0 0 2 / 2 1 / 1 0

4 0 0 2 / 3 0 / 1 0

4 0 0 2 / 6 0 / 1 0

4 0 0 2 / 9 0 / 1 0

4 0 0 2 / 2 1 / 1 0

5 0 0 2 / 3 0 / 1 0

5 0 0 2 / 6 0 / 1 0

5 0 0 2 / 9 0 / 1 0

S im ul a do - E mb a ls e Gr ab o vi ka

14

Oxígeno disuelto 12

10

8 l / g m 6

4

2

0 9 9 9 1 / 0 1 / 1 0

0 0 0 2 / 1 0 / 1 0

0 0 0 2 / 4 0 / 1 0

0 0 0 2 / 7 0 / 1 0

0 0 0 2 / 0 1 / 1 0

1 0 0 2 / 1 0 / 1 0

1 0 0 2 / 4 0 / 1 0

1 0 0 2 / 7 0 / 1 0

1 0 0 2 / 0 1 / 1 0

2 0 0 2 / 1 0 / 1 0

2 0 0 2 / 4 0 / 1 0

2 0 0 2 / 7 0 / 1 0

2 0 0 2 / 0 1 / 1 0

Simulado -Embalse Grabovika

3 0 0 2 / 1 0 / 1 0

3 0 0 2 / 4 0 / 1 0

3 0 0 2 / 7 0 / 1 0

3 0 0 2 / 0 1 / 1 0

4 0 0 2 / 1 0 / 1 0

4 0 0 2 / 4 0 / 1 0

4 0 0 2 / 7 0 / 1 0

4 0 0 2 / 0 1 / 1 0

5 0 0 2 / 1 0 / 1 0

5 0 0 2 / 4 0 / 1 0

4 0 0 2 / 7 0 / 1 0

4 0 0 2 / 0 1 / 1 0

5 0 0 2 / 1 0 / 1 0

5 0 0 2 / 4 0 / 1 0

5 0 0 2 / 7 0 / 1 0

4 0 0 2 / 7 0 / 1 0

4 0 0 2 / 0 1 / 1 0

5 0 0 2 / 1 0 / 1 0

5 0 0 2 / 4 0 / 1 0

5 0 0 2 / 7 0 / 1 0

5 0 0 2 / 7 0 / 1 0

Simulado -HipEmbalse Grabovika

2.5

Amonio 2

1.5

l / g m 1

0.5

0 9 9 9 1 / 0 1 / 1 0

0 0 0 2 / 1 0 / 1 0

0 0 0 2 / 4 0 / 1 0

0 0 0 2 / 7 0 / 1 0

0 0 0 2 / 0 1 / 1 0

1 0 0 2 / 1 0 / 1 0

1 0 0 2 / 4 0 / 1 0

1 0 0 2 / 7 0 / 1 0

1 0 0 2 / 0 1 / 1 0

2 0 0 2 / 1 0 / 1 0

2 0 0 2 / 4 0 / 1 0

2 0 0 2 / 7 0 / 1 0

S im u la d o - E mb a ls e G ra b ov ik a

2 0 0 2 / 0 1 / 1 0

3 0 0 2 / 1 0 / 1 0

3 0 0 2 / 4 0 / 1 0

3 0 0 2 / 7 0 / 1 0

3 0 0 2 / 0 1 / 1 0

4 0 0 2 / 1 0 / 1 0

4 0 0 2 / 4 0 / 1 0

S im u la d o - H ip E mb a ls e G ra b ov ik a

30

Nitratos 25

20

l / g 15 m

10

5

0 9 9 9 1 / 0 1 / 1 0

0 0 0 2 / 1 0 / 1 0

0 0 0 2 / 4 0 / 1 0

0 0 0 2 / 7 0 / 1 0

0 0 0 2 / 0 1 / 1 0

1 0 0 2 / 1 0 / 1 0

1 0 0 2 / 4 0 / 1 0

1 0 0 2 / 7 0 / 1 0

1 0 0 2 / 0 1 / 1 0

2 0 0 2 / 1 0 / 1 0

2 0 0 2 / 4 0 / 1 0

S im u la d o - E mb a ls e G ra b ov i ka

2 0 0 2 / 7 0 / 1 0

2 0 0 2 / 0 1 / 1 0

3 0 0 2 / 1 0 / 1 0

3 0 0 2 / 4 0 / 1 0

3 0 0 2 / 7 0 / 1 0

3 0 0 2 / 0 1 / 1 0

4 0 0 2 / 1 0 / 1 0

4 0 0 2 / 4 0 / 1 0

S im u la d o - H ip E mb a ls e G ra b ov ik a

Figura 95. Resultados del epilimnion e hipolimnion del embalse para varios constituyentes: Clorofila-a. oxígeno disuelto, amonio y nitratos.

80

Ejercicios de modelación de la calidad del agua. En este ejemplo se ha incluido un archivo de observados simplemente con el fin de saber cómo manejar el mismo. El objetivo de esta práctica no es un ejercicio de calibración de este tipo de modelos sino del uso de la herramienta.

3.6. Aspectos avanzados. Los resultados del gráfico dinámico representan la concentración del constituyente a final de mes. El modelo GESCAL permite generar resultados para cada momento temporal estimado por el diferencial de cálculo. Para ello en la ficha del embalse, pestaña Calidad, sub pestaña de datos generales debe estar marcada la opción de resultados parciales. Si ese es el caso al realizar la simulación el programa genera una archivo en la carpeta de trabajo llamado emb.csv. Este es un archivo que contiene para cada diferencial de cálculo un conjunto de variables como el volumen del ep ilimnion, volumen del hipolimnion, altura de la termoclina, concentraciones de los diferentes constituyentes, etc. Por ejemplo un gráfico de la clorofila en el epilimnion pasa a tener el siguiente aspecto.

Clorofila-a 300 250 200

3 m / 150 g m

100 50 0

Unidad temporal

Figura 96. Resultados de detalle de la simulación de la Clorofila-a. El diferencial de cálculo me define el número de veces en que se fragmenta el mes para la resolución numérica. Por ejemplo un diferencial de cálculo de 30 se está trabajando con una escala temporal diaria y un diferencial de 60 con una escala de medio día. Entre otras opciones avanzadas se pueden encontrar el uso de curvas temporales variables de año a año, parámetros variables de forma temporalmente y resultados de balance de masas. La primera opción permite al usuario que las curvas temporales de las diferentes variables no sean fijan entre los años sino que puedan variar de uno a otro. La segunda permite que las variables tengan una variabilidad temporal. No se

81

Ejercicios de modelación de la calidad del agua. debe utilizar esta opción para realizar la corrección por temperatura de los parámetros ya que esta se realiza de forma interna en el programa. Si que puede ser conveniente utilizar esta opción en caso de un cambio de tratamiento en las depuradoras de aguas arriba o en los focos de contaminación. Finalmente la opción de balances de masas permite al usuario establecer cuáles son los procesos que son más influyentes en las diferentes variables simuladas. La forma de activación de estas opciones avanzadas se encuentra en el manual del programa.

4. Simulaciones. Una vez hemos creado el modelo con los parámetros calibrados se dispone de una poderosa herramienta para predecir posibles situaciones futuras. Frente al problema de un embalse eutrofizado se puede pensar en variar las condiciones de entrada, salida o procesos en el embalse. Una opción es la variación de las concentraciones de entrada porque se vaya a aplicar algún tratamiento de reducción nutrientes en las depuradoras de aguas arriba o algunas actividades de reducción de carga difusa. También puede considerarse posible variación de la hidrología de entrada o del régimen de salidas. Finalmente se puede analizar la posible variación, mediante técnicas químicas o mecánicas, de algún proceso de los que se producen en la masa de agua: rotura de la termoclina, oxigenación, eliminación de nutrientes, etc. Para ilustrar un ejemplo de simulación se van a reducir las concentraciones de entrada de fósforo a 0.5 mg/l de forma continua. Para ello modificamos el archivo de aportaciones de entrada de concentraciones Gescal.apo en la parte de fosfatos. Una vez hemos realizado el cambio volvemos a simular el modelo GESCAL. Nota 1: si modificamos algo relacionado con los volúmenes de agua, como el régimen de salidas o las entradas, debemos simular tanto el modelo SIMGES como el GESCAL para que los cambios tengan efecto. Si sólo realizamos cambios en la parte de calidad simularemos el modelo GESCAL. Nota 2: para gestionar los archivos de aportaciones se puede u tilizar una utilidad disponible en la página web denominada “gestor de aportaciones.xls”. Esta herramienta ayuda a manejar los datos de los archivos de aportaciones tanto de SIMGES como de GESCAL. Una vez realizada la simulación desde el gestor de g ráficos le decimos que queremos actualizar los resultados. En la etiqueta de simulación le pondremos una etiqueta representativa de la simulación actual, en este caso “Con tratamiento”.

82


Figura 97. Actualización del gráfico de resultados para comparativa de simulaciones. De esta forma podemos comparar los resultados de la situación actual y la situación con tratamiento. 300

Clorofila-a. Comparación de simulaciones

250

200

3 m / 150 g m

100

50

0 9 9 9 1 / 0 1 / 1 0

0 0 0 2 / 1 0 / 1 0

0 0 0 2 / 4 0 / 1 0

0 0 0 2 / 7 0 / 1 0

0 0 0 2 / 0 1 / 1 0

1 0 0 2 / 1 0 / 1 0

1 0 0 2 / 4 0 / 1 0

1 0 0 2 / 7 0 / 1 0

1 0 0 2 / 0 1 / 1 0

2 0 0 2 / 1 0 / 1 0

S im ul ad o - E mb al se G ra bo vi ka

2 0 0 2 / 4 0 / 1 0

2 0 0 2 / 7 0 / 1 0

2 0 0 2 / 0 1 / 1 0

3 0 0 2 / 1 0 / 1 0

3 0 0 2 / 4 0 / 1 0

3 0 0 2 / 7 0 / 1 0

3 0 0 2 / 0 1 / 1 0

4 0 0 2 / 1 0 / 1 0

4 0 0 2 / 4 0 / 1 0

4 0 0 2 / 7 0 / 1 0

4 0 0 2 / 0 1 / 1 0

5 0 0 2 / 1 0 / 1 0

5 0 0 2 / 4 0 / 1 0

5 0 0 2 / 7 0 / 1 0

C on T ra ta mi en to - E m ba ls e Gr ab ov ik a

Figura 98. Comparativa de la situación actual y con eliminación de fósforo. En la figura se puede ver como mejora significativamente él grado trófico del embalse, representado por la concentración de clorofila, debido a una reducción del fósforo de entrada al embalse.

83


ANEJO II.1. DATOS DE VOLÚMENES Y CONCENTRACIONES. Datos seguimiento de embalse. FECHA

Entrada(hm3)

Salida(hm3)

Embalsado(hm3)

01-oct-99

0.61

0.63

5.86

01-nov-99

1.23

0.26

6.87

01-dic-99

1.05

0.27

7.64

01-ene-00

1.78

0.27

9.15

01-feb-00

1.02

0.25

9.92

01-mar-00

1.47

0.27

11.1

01-abr-00

0.85

0.26

11.68

01-may-00

0.5

0.49

11.66

01-jun-00

0.12

0.57

11.14

01-jul-00

0.05

1.97

9.17

01-ago-00

0.13

2.01

7.17

01-sep-00

0.31

1.05

6.47 7.26

01-oct-00

1.54

0.78

01-nov-00

0.96

0.15

8.07

01-dic-00

0.99

0.27

8.79

01-ene-01

1.07

0.27

9.6

01-feb-01

3.09

0.24

12.5

01-mar-01

0.98

0.27

13.15

01-abr-01

1.2

0.26

14.08

01-may-01

0.87

0.78

14.11

01-jun-01

0.1

1.72

12.39

01-jul-01

0.1

2.41

10.02

01-ago-01

0.68

2.41

8.28

01-sep-01

1.1

0.71

8.76

01-oct-01

0.79

0.27

9.28

01-nov-01

1.23

0.26

10.25

01-dic-01

2.08

0.27

12.1

01-ene-02

1.87

0.27

13.66

01-feb-02

0.85

0.24

14.27

01-mar-02

1.06

0.27

15.08

01-abr-02

2.29

0.26

17.07

01-may-02

3.85

1.76

19.14

01-jun-02

0.16

1.16

17.98

01-jul-02

0.24

3.62

14.58

01-ago-02

1.56

2.98

13.32

01-sep-02

0.76

1.45

12.47

01-oct-02

0.39

0.89

11.84

01-nov-02

0.61

1.3

11.23

84

Ejercicios de modelación de la calidad del agua. 01-dic-02

0.58

0.65

11.13

01-ene-03

1.32

0.27

12.18 13.48

01-feb-03

1.48

0.24

01-mar-03

1.14

0.27

14.3

01-abr-03

5.32

0.33

19.27

01-may-03

1.79

1.77

19.25

01-jun-03

0.97

3.37

16.62

01-jul-03

0.46

4.53

12.6

01-ago-03

0.35

3.64

9.17

01-sep-03

0.75

0.82

9.14

01-oct-03

1.08

0.75

9.54

01-nov-03

6.97

0.56

15.97

01-dic-03

1.55

0.31

17.17

01-ene-04

0.37

0.27

17.25

01-feb-04

0.43

0.25

17.35

01-mar-04

1.31

0.27

18.43

01-abr-04

4.04

3.07

19.27

01-may-04

3.74

3.89

19.17

01-jun-04

0.85

2.15

17.71

01-jul-04

0.22

3.21

14.53

01-ago-04

0.21

3.43

11.14

01-sep-04

0.59

2.89

8.84

01-oct-04

0.61

2.07

7.4

01-nov-04

2.3

0.49

9.28

01-dic-04

33.53

24.06

18.78

01-ene-05

4.7

4.15

19.23

01-feb-05

5.19

5.57

18.97

01-mar-05

5.07

5.16

18.83

01-abr-05

3.02

2.85

18.93

01-may-05

1.11

1.02

19.04

01-jun-05

0.48

2.25

17.13

01-jul-05

0.08

2.66

14.47

01-ago-05

0.1

3.05

11.42

01-sep-05

0.74

1.43

10.77

01-oct-05

0.38

0.5

10.61

01-nov-05

1.05

0.63

11.07

01-dic-05

0.8

0.27

11.6

Datos de concentraciones de las aportaciones Conductividad Año

Mes

Cabecera

Sólidos

Mosu

DBO5

Cabecera

Mosu

Cabecera

Oxígeno Disuelto Mosu

Cabecera

Nitrógeno Orgánico

Mosu

Cabecera

Mosu

1996

10

1599.0

600

48.6

5

17.6

2

4.1

8

1.6

0.1

1996

11

1285.5

600

32.9

5

12.4

2

6.7

8

1.2

0.1

1996

12

1503.1

600

41.3

5

15.7

2

6.1

8

1.5

0.1

85


1

1105.8

600

24.9

5

9.7

2

9.0

8

1.0

0.1

1997

2

1370.5

600

36.1

5

13.7

2

6.6

8

1.3

0.1

1997

3

1348.3

600

36.0

5

13.6

2

6.5

8

1.3

0.1

1997

4

1480.2

600

43.2

5

15.8

2

5.2

8

1.4

0.1

1997

5

1589.6

600

51.1

5

18.1

2

4.0

8

1.6

0.1

1997

6

1577.2

600

64.1

5

21.0

2

3.1

8

1.9

0.1

1997

7

2242.4

600

104.4

5

34.7

2

0.5

8

3.1

0.1

1997

8

2066.0

600

70.3

5

25.1

2

0.9

8

2.2

0.1

1997

9

1718.8

600

47.3

5

18.0

2

2.6

8

1.7

0.1

1997

10

1173.5

600

29.1

5

10.9

2

6.7

8

1.1

0.1

1997

11

1421.7

600

40.4

5

14.9

2

5.9

8

1.4

0.1

1997

12

1558.6

600

45.8

5

17.0

2

5.6

8

1.6

0.1

1998

1

1610.0

600

47.9

5

17.9

2

5.9

8

1.6

0.1

1998

2

911.3

600

17.2

5

6.7

2

9.1

8

0.6

0.1

1998

3

1328.1

600

35.7

5

13.4

2

6.5

8

1.3

0.1

1998

4

1359.0

600

37.6

5

13.9

2

6.0

8

1.3

0.1

1998

5

1477.0

600

44.5

5

16.0

2

4.6

8

1.5

0.1

1998

6

1522.0

600

60.8

5

19.9

2

3.4

8

1.8

0.1

1998

7

1576.3

600

64.1

5

21.0

2

3.1

8

1.9

0.1

1998

8

1602.9

600

65.6

5

21.4

2

2.9

8

2.0

0.1

1998

9

1575.6

600

53.3

5

18.4

2

3.4

8

1.6

0.1

1998

10

1616.3

600

56.4

5

19.4

2

4.0

8

1.7

0.1

1998

11

1266.6

600

33.0

5

12.4

2

7.0

8

1.2

0.1

1998

12

1073.5

600

23.9

5

9.3

2

8.4

8

0.9

0.1

1999

1

1261.5

600

31.9

5

12.2

2

8.0

8

1.2

0.1

1999

2

1347.5

600

35.9

5

13.5

2

6.6

8

1.3

0.1

1999

3

1314.4

600

35.1

5

13.2

2

6.6

8

1.3

0.1

1999

4

1116.5

600

26.2

5

9.9

2

7.5

8

1.0

0.1

1999

5

919.5

600

17.6

5

6.8

2

7.9

8

0.6

0.1

1999

6

1218.5

600

36.9

5

12.6

2

5.0

8

1.1

0.1

1999

7

1372.3

600

51.3

5

16.8

2

4.3

8

1.5

0.1

1999

8

1297.8

600

41.9

5

14.2

2

4.6

8

1.2

0.1

1999

9

1428.4

600

42.2

5

15.1

2

4.0

8

1.4

0.1

1999

10

1481.0

600

47.1

5

16.6

2

4.6

8

1.5

0.1

1999

11

1501.6

600

45.2

5

16.4

2

5.3

8

1.5

0.1

1999

12

1567.4

600

46.7

5

17.3

2

5.4

8

1.6

0.1

2000

1

1241.0

600

30.9

5

11.9

2

8.2

8

1.2

0.1

2000

2

1112.0

600

25.5

5

9.8

2

8.1

8

1.0

0.1

2000

3

1376.0

600

38.2

5

14.2

2

6.2

8

1.3

0.1

2000

4

923.4

600

17.9

5

6.9

2

8.5

8

0.7

0.1

2000

5

1178.5

600

28.8

5

10.8

2

6.5

8

1.1

0.1

2000

6

1334.7

600

46.6

5

15.5

2

4.4

8

1.4

0.1

2000

7

1442.6

600

56.0

5

18.4

2

3.9

8

1.7

0.1

2000

8

1493.1

600

59.1

5

19.3

2

3.5

8

1.8

0.1

2000

9

1498.5

600

47.4

5

16.6

2

3.7

8

1.5

0.1

2000

10

1073.0

600

24.6

5

9.3

2

7.2

8

0.9

0.1

86


11

811.0

600

13.4

5

5.2

2

9.2

8

0.5

0.1

2000

12

1091.2

600

24.6

5

9.5

2

8.3

8

1.0

0.1

2001

1

1227.6

600

30.5

5

11.7

2

8.1

8

1.2

0.1

2001

2

1285.0

600

33.2

5

12.6

2

6.9

8

1.2

0.1

2001

3

1088.3

600

25.0

5

9.5

2

7.8

8

0.9

0.1

2001

4

1055.0

600

23.5

5

9.0

2

7.7

8

0.9

0.1

2001

5

1072.8

600

24.0

5

9.2

2

7.1

8

0.9

0.1

2001

6

1222.1

600

37.9

5

12.8

2

5.0

8

1.1

0.1

2001

7

1346.1

600

50.2

5

16.5

2

4.4

8

1.5

0.1

2001

8

1395.9

600

53.2

5

17.4

2

4.1

8

1.6

0.1

2001

9

1471.0

600

46.8

5

16.3

2

3.9

8

1.4

0.1

2001

10

1489.9

600

48.6

5

17.0

2

4.6

8

1.5

0.1

2001

11

975.0

600

20.1

5

7.8

2

8.6

8

0.8

0.1

2001

12

664.1

600

7.5

5

2.9

2

9.3

8

0.2

0.1

2002

1

1012.5

600

21.4

5

8.4

2

9.1

8

0.8

0.1

2002

2

867.9

600

15.4

5

6.0

2

9.1

8

0.6

0.1

2002

3

1114.8

600

26.1

5

9.9

2

7.7

8

1.0

0.1

2002

4

1216.3

600

31.0

5

11.6

2

6.7

8

1.1

0.1

2002

5

1334.9

600

37.2

5

13.6

2

5.3

8

1.3

0.1

2002

6

1365.0

600

51.3

5

16.8

2

4.2

8

1.5

0.1

2002

7

1410.9

600

54.1

5

17.7

2

4.0

8

1.6

0.1

2002

8

1445.4

600

56.2

5

18.4

2

3.8

8

1.7

0.1

2002

9

1471.7

600

47.2

5

16.4

2

3.9

8

1.4

0.1

Amonio Año

Mes

Cabecera

Nitratos Mosu

Cabecera

Chla Mosu

Cabecera

Fósforo Orgánico Mosu

Cabecera

Mosu

Fósforo Inorgánico Cabecera

Mosu

1996

10

9.9

0.1

21.4

2

1.159

0.5

0.01

0.001

5.069

0.001

1996

11

7.2

0.1

15.4

2

0.825

0.5

0.009

0.001

3.618

0.001

1996

12

9.6

0.1

18.7

2

0.975

0.5

0.011

0.001

4.755

0.001

1997

1

5.7

0.1

11.1

2

0.428

0.5

0.008

0.001

2.691

0.001

1997

2

8.2

0.1

16.4

2

0.746

0.5

0.009

0.001

4.036

0.001

1997

3

7.9

0.1

15.9

2

0.66

0.5

0.01

0.001

3.898

0.001

1997

4

9.0

0.1

18.5

2

0.585

0.5

0.01

0.001

4.499

0.001

1997

5

9.8

0.1

20.3

2

0.551

0.5

0.01

0.001

4.856

0.001

1997

6

9.9

0.1

14.3

2

0.364

0.5

0.01

0.001

4.117

0.001

1997

7

16.7

0.1

20.4

2

0.612

0.5

0.015

0.001

6.918

0.001

1997

8

13.7

0.1

32.3

2

0.884

0.5

0.014

0.001

7.464

0.001

1997

9

10.8

0.1

27.2

2

1.129

0.5

0.012

0.001

5.899

0.001

1997

10

6.0

0.1

13.3

2

0.54

0.5

0.008

0.001

2.958

0.001

1997

11

8.5

0.1

17.1

2

0.952

0.5

0.01

0.001

4.229

0.001

1997

12

10.1

0.1

19.1

2

0.999

0.5

0.011

0.001

4.93

0.001

1998

1

10.8

0.1

19.4

2

1.009

0.5

0.011

0.001

5.204

0.001

1998

2

3.5

0.1

8.1

2

0.235

0.5

0.005

0.001

1.651

0.001

1998

3

7.7

0.1

15.4

2

0.63

0.5

0.009

0.001

3.764

0.001

1998

4

7.9

0.1

16.2

2

0.499

0.5

0.009

0.001

3.899

0.001

87

Ejercicios de modelaci 1998

5

8.8

0.1

18.6

2

0.50

1998

6

9.4

0.1

13.7

2

0.34

1998

7

9.9

0.1

14.2

2

0.36

1998

8

10.2

0.1

14.6

2

0.38

1998

9

9.4

0.1

19.9

2

0.73

1998

10

10.1

0.1

19.0

2

0.94

1998

11

7.1

0.1

14.4

2

0.70

1998

12

5.2

0.1

10.9

2

0.41

1999

1

7.3

0.1

13.6

2

0.59

1999

2

7.9

0.1

15.8

2

0.69

1999

3

7.6

0.1

15.2

2

0.61

1999

4

5.6

0.1

12.0

2

0.33

1999

5

3.5

0.1

9.0

2

1999

6

6.0

0.1

13.6

2

0.26

1999

7

7.8

0.1

12.6

2

0.28

1999

8

6.8

0.1

14.6

2

0.33

1999

9

8.0

0.1

18.9

2

0.68

1999

10

8.8

0.1

17.8

2

0.86

1999

11

9.3

0.1

18.4

2

1999

12

10.1

0.1

19.3

2

1.00

2000

1

7.1

0.1

13.3

2

0.56

2000

2

5.6

0.1

11.7

2

0.43

2000

3

8.1

0.1

16.2

2

0.67

2000

4

3.6

0.1

8.5

2

0.20

2000

5

6.0

0.1

13.6

2

0.34

2000

6

7.3

0.1

13.7

2

0.28

2000

7

8.6

0.1

12.9

2

0.31

2000

8

9.1

0.1

13.4

2

0.34

Ejercicios de Modelacion de La Calidada de Agua

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