Modelizacion de Calidad de Agua en Lagos y Embalces

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Determinación de la modelización mediante modelos matemáticos.

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Hoja Trabajo Nutricion

Arte y Ciencia de Preparar Abono

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MODELAMIENTO Y SIMULACION DE SISTEMAS AMBIENTALES

TEMA: “MODELIZACIÓN DE LA CALIDAD DE AGUA DE EMBALSES Y LAGOS”

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INTRODUCCION

En este trabajo se describen métodos más usuales para la determinación de modelo matemáticos que permitan viilar la calidad del aua en laos ! embalses" #e en$ati% la importancia del uso de la percepción remota como mecanismo para estimar l calidad del aua" &ara el modelaje de la calidad del aua en los laos ! embalses e'isten tre caracter(sticas de éstos que $acilitan su estudio) esto es* su orien* su $orma ! s tama+o" #e revisarán los conceptos ! ecuaciones $undamentales que les son propios a lo modelos de calidad del aua) la $inalidad ! tipos de los modelos ! las caracter(stica de las reacciones" Es necesario conocer el orien* $orma ! tama+o* mor$olo(a ! batimetr(a de los laos embalses) el estado* distribución ! sustancias que interan un cuerpo de aua* lo estados no estacionarios de laro ! corto pla%o* as( como la eutro$i%ación ! lo nutrientes de laos ! embalses" El análisis de la modeli%ación de la calidad de aua en laos ! embalses se muestr de tal manera que se puedan identi$icar la propiedades más relevantes" El dise+o s concep conceptua tuali% li%a a con la identi identi$ic $icaci ación ón de subsis subsistem temas as ! estrat estrate eias ias de resol resoluci uci conociendo variables en concentraciones reales en $orma cuantitativa ! cualitativa" , implementación de un dise+o tiene como $inalidad ver los resultados positivos neativos de la calidad del aua en un $uturo cercano o lejano ! con esto toma decisiones oportunas que aporten a su equilibrio sostenible"


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INTRODUCCION

En este trabajo se describen métodos más usuales para la determinación de modelo matemáticos que permitan viilar la calidad del aua en laos ! embalses" #e en$ati% la importancia del uso de la percepción remota como mecanismo para estimar l calidad del aua" &ara el modelaje de la calidad del aua en los laos ! embalses e'isten tre caracter(sticas de éstos que $acilitan su estudio) esto es* su orien* su $orma ! s tama+o" #e revisarán los conceptos ! ecuaciones $undamentales que les son propios a lo modelos de calidad del aua) la $inalidad ! tipos de los modelos ! las caracter(stica de las reacciones" Es necesario conocer el orien* $orma ! tama+o* mor$olo(a ! batimetr(a de los laos embalses) el estado* distribución ! sustancias que interan un cuerpo de aua* lo estados no estacionarios de laro ! corto pla%o* as( como la eutro$i%ación ! lo nutrientes de laos ! embalses" El análisis de la modeli%ación de la calidad de aua en laos ! embalses se muestr de tal manera que se puedan identi$icar la propiedades más relevantes" El dise+o s concep conceptua tuali% li%a a con la identi identi$ic $icaci ación ón de subsis subsistem temas as ! estrat estrate eias ias de resol resoluci uci conociendo variables en concentraciones reales en $orma cuantitativa ! cualitativa" , implementación de un dise+o tiene como $inalidad ver los resultados positivos neativos de la calidad del aua en un $uturo cercano o lejano ! con esto toma decisiones oportunas que aporten a su equilibrio sostenible"


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O-.ETI/O#

O-.ETI/O 0ENER1, •

Conocer el sistema de modeli%ación para la calidad de aua de laos ! embalses

O-.ETI/O# E#&EC23ICO# • • •

•

Describir las caracter(sticas enerales de laos ! embalses" Especi$icar el modelo de la calidad de aua en laos ! embalses" De$inir los conceptos ! ecuaciones $undamentales de modelos de calidad del aua" Observar los cambios positivos o neativos en el cuerpo de aua a través del tiempo"


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$iltraciones del aua subterránea* se 4a acumulado debido a una inclinación de terreno" Un embalse es un depósito de aua* mu! similar a un lao* aunque en realidad* es u lao 4ec4o por el ser 4umano que se $orma cuando se constru!e una represa en u r(o* es decir el aua del r(o al acumularse detrás de la represa* $orma un depósito embalse" 5"5"

C1R1CTER2#TIC1# DE ,10O# EUTRO3ICO# 6 O,I0OTRO3ICO#

CARÁCTER Forma de lago Sustrato de lago Orilla de lago Penetración de luz hasta valor de ! de la superficie &olor del agua Producción primaria neta )g*m#*a+o, &oncentración de clorofila )g*l, P total )ppb, N total )ppb,

Ox2geno "acrofitas Fitoplancton 6ooplancton "acroinvertebrados Peces

EUTRÓFICO Extenso y profundo Sal fina orgánica Herbáceas

OLIGOTRÓFICO Estrecho y profundo Piedras y sales orgánicas Pedregosas

"enores a #$m

Entre #$ % #$m

'marillo y verde

(erde o azul

-$ . -$$

- % -$

"enores de -

Entre $/0 % #/-

$ . 0$ 0$$ % 1-$ 'lto en la superficie y escaso en partes profundas You're Reading a Preview "uchas especies abundan en las zonas Unlock fullpoco accessprofundas/ with a free trial. Pocas especies3 n4mero elevado/ Download With Free Trial Pocas especies3 n4mero elevado/ "uchas especies3 n4mero elevado/ "uchas especies/

% % #$$ Elevado Pocas especies3 algunas en zonas profundas

Pocas especies3 numero ba5o "uchas especies3 numero ba5o/ 74mero de especies moderado3 n4mero ba5o/ Pocas especies/


5"7"

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ECO#I#TE81# EN ,10O# 6 E8-1,#E# ,U9 6 9ONI3IC1CION

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TI&O# C1R1CTER2#TICO# DE ,10O# •

•

•

• •

,auna de o'idación de auas residuales* launa de peces $ertili%ados* como alunos laos endorreicos ;sin cauce de salida<" ,aos en %onas de desarrollo que reciben cantidades importantes d aua residual o e$luentes de animales domésticos" You're Reading a Preview ,aos con cuencas cultivadas o de$orestadas ! con cara $recuente d aua residual" Unlock full access with a free trial. ,ao relativamente poco perturbados en cuencas bajas $értiles" Download With Free Trial ,aos no perturbados en cuencas altas* rocosas o remotas"


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2. MODELOS EN LAGOS Y EMBALSES ,os laos ! embalses tienen una ran importancia por su uso como abastecedores de aua* de ener(a eléctrica ;4idroener(a<* su in$luencia en la cuenca a la que están interados* su importancia para el bio=4ábitat ! porque a!udan a controlar las inundaciones* es por esto el interés de estudiarlos ! enerar modelos matemáticos a partir de sus distintas caracter(sticas ! estados" ,as escalas de espacio ! tiempo que se aplican a los modelos de laos ! embalses pueden variar* !a que sus e$ectos dependen de los re(menes 4idráulicos asociados con la morfología ! climatolo(a"

7"5" C1,ID1D DE 10U1 EN ,10O# 6 E8-1,#E# Usualmente los problemas de calidad de auas en laos ! embalses son debido a procesos de eutro$i%ación que son causados por> • • • •

•

Descara de auas residuales urbanas" Descara de auas residuales industriales" Escorrent(a urbana" Escorrent(a ar(cola con $ertili%antes naturales o arti$iciales que produce altas caras de nutrientes" -iocidas procedentes de acuicultura"

,os parámetros $(sicos claves que a$ectan la calidad de aua en laos son> You're Reading a Preview

8ovimiento de vientos" Unlock full access with a free trial. Cambios de temperatura" 1portes?descaras" ORI0EN* 3OR81 6 T181@O" -1TI8ETR21 Download8OR3O8ETR21* With Free Trial

• • •

7"7"

,os estudios limnolóicos están destinados a conocer los ambientes acuático de aua dulce ! para poder caracteri%ar cualquier lao o embalse es necesari conocer su $orma ! caracter(sticas $(sicas* es decir su mor$ometr(a" 7"7"5" Orien* $orma ! tama+o de laos ! embalses Sign up to vote on this title

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&ara la modelación de la calidad del aua los laos embalses e'iste Useful  en  Not! useful tres caracter(sticas de éstos que $acilitan su estudio> orien* $orma tama+o"

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1unque la ma!or(a de los laos se 4an $ormado por eventos catastró$ico muc4os se crean de una manera radual) por ejemplo* debido movimiento de sedimentos en un r(o* que poco a poco se estancan) $uer%a del aua en los r(os es lo su$icientemente $uerte para erosion áreas que con el tiempo $orman cuencas ,a custres" Otras $uer%as erosivas tienen la capacidad de $ormar otros tipo de laos" ,a acción de las olas a lo laro de la costa del océano pued conducir a la $ormación de un lao a través de erosión" ,a $uer%a del vient también es capa% de crear cuencas lacustres* erosionando el suelo) es tipo de laos suelen ser poco pro$undos ! endorreico) es decir* que n drenan 4acia ninAn lado* sino que sólo pierden aua por evaporación $iltración" 1lunos laos se $orman a causa de la erosión en rocas debid al escurrimiento de aua ácida* éstos pueden ser super$iciales o bajo tierra como los cenotes

You're Reading a Preview Unlock full access with a free trial.

Download Free un Trialr(o !a que se inter$iere el $lu ,os embalses son creados al With represar natural de éste* inundando el valle a su alrededor" Esto causa que su $orm tienda a ser alarada* dentr(tica ! rami$icada" En contraste* los lao naturales suelen tener una $orma menos alarada ! más circular" &ued 4aber laos naturales de $ormas alaradas ! dentr(ticas ! embalse circulares* aunque la situación contraria es la más comAn" El tama+o pro$undidad de los laos pueden cambiar con el tiempo* debido a  proceso Sign up to vote on this title naturales ! acelerarse por la in$luencia 4umana) los laos tiende  Useful  Not useful terminar a%olvándose con sedimentos o secándose"

,os dos aspectos del tama+o de un cuerpo de aua que tienen ma!o

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,a %ona litoral se encuentra a las orillas del lao junto con las aua someras) esta %ona cuenta con una buena penetración de as( como con una veetación enrai%ada a lo laro de la ori junto con una variedad de animales" ,a %ona limnética o $ótica se e'tiende 4asta donde penetra la lu aqu( se encuentran el plancton ;fitoplancton ! zooplancton< ! necton ,a %ona pro$unda* mejor conocida como bentónica o béntica* inicia e la %ona de compensación de lu%* donde la respiración equilibra $otos(ntesis* debido a que Anicamente se encuentran oranismo 4eterotró$icos por $alta de lu%"

&ara poder caracteri%ar un lao o embalse se debe determinar eometr(a* es decir su mor$ometr(a" &ara ello* la batimetr(a del lao deb estar tra%ada" Un mapa batimétrico muestra las curvas de nivel de iua You're Reading a Preview pro$undidad" Unlock full access with a free trial.

Download With Free Trial

Sign up to vote on this title 8apa batimétrico del ,ao Baller* #eattle" Useful

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  Not useful 1l contar con el mapa batimétrico del cuerpo de aua* se puede determina el área que abarca cada l(nea de pro$undidad con la a!uda de u

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&rocedimiento para obtener la mor$ometria de un lao o embalse"

7":"

E#T1DO E#T1CION1RIO* DI#TRI-UCIN BORI9ONT1, 6 /ERTIC1,* #U#T1NCI1# CON#ER/1TI/1# 6 NO CON#ER/1TI/1# You're Reading a Preview

El balance de aua para unUnlock laofull seaccess puede withe'presar a free trial. de la siuiente manera> Download With Free Trial

Donde: : =5 = almacenamiento m d * : V = volumen m * t = tiempo d* : =5 Q in = entradas m d * : =5 Q out = salidas m d * S

: =5 = $lujo de aua subterránea m d * =5 P = precipitación md * =5 E = evaporación md *  Sign up to vote on this title 7 As = área de la super$icie m " G

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8uc4as veces los laos ! embalses* especialmente los randes* n e'perimentan cambios drásticos de volumen* para los periodos determinados e

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Debido a este tipo de $lujo se crean di$erencias lonitudinales* latitudinale ! verticales en la columna de aua del embalse ! una distribución irreula de la temperatura* lo que determina la estrati$icación del embalse"

7":"7" Distribución vertical* sustancias conservativas ! no conservativas 1l cambiar de densidad las di$erentes capas 4ori%ontales del cuerpo aua* éstas se separan* su$riendo el $enómeno de estrati$icación" , estrati$icación de los embalses depende de la pro$undidad ! $orma de cubeta* as( como de la e'posición a los vientos" ,a estrati$icación de columna de aua determina una dinámica importante en la vida acuá como en la qu(mica de los embalses" En las reiones templadas* los lao suelen estar $uertemente estrati$icados en el verano o en los mese calurosos ! se de$ine la estrati$icación dependiendo de su pro$undidad" "




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,a termoclina se de$ine por una brusca disminución de temperatura* entre l %ona más cálida* el epilimnio* ! la %ona que actAa como barrera ante intercambio de materiales ! que se presenta en pocos metros* conoc como metalimnio) esta %ona representa la transición 4acia la más $r(a* 4ipolimnio" ,a %ona más pro$unda ! $r(a es el 4ipolimnio conocido com %ona oscura* donde no alcan%a a penetrar la lu% solar ! se producen lo procesos de me%cla vertical* de descomposición ! almacenamiento d elementos qu(micos" En esta %ona e'isten oranismos 4eterótro$os por $al de lu% para 4acer $otos(ntesis" ,a $alta de me%cla entre la %ona superior ! l in$erior 4ace que sea insu$iciente el suministro de O 7 en el 4ipolimnio ! d nutrientes en el epilimnio"

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Esquemas t(picos de sementación utili%ados para laos ! embalses estrati$icados Unlock full access with a free trial.

,as sustancias se pueden clasi$icar como conservativas ! no conservativa Download Trialsujetas a ninAn proceso ,as conservativas* son las queWith noFree están trans$ormación debido a reacciones qu(micas o a deradaciones bioqu(mica las no conservativas* son las que s( se encuentran sujetas a reaccione internas* como lo es el decaimiento* descomposición* deposición* captación etc" 7"F"

E#T1DO NO E#T1CION1RIO* ,1R0O 6 CORTO &,19O Sign up to vote on this title



 Useful  Not useful ,as variaciones en las condiciones de transporte de sustancias* en los aportes en la cinética de las reacciones conducen $recuentemente* en el caso d laos ! embalses* a estados no permanentes o estacionarios" &

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#i se cuenta con el volumen inicial ! con las entradas al lao* la solució a la Ecuación 2.3 depende Anicamente del asto de salida" #e debe determina la relación entre el asto de salida ! el volumen del lao o embalse* por medio d una $unción" &ara alunos vertedores* e'isten ecuaciones determinadas pa calcular esta relación" En $orma eneral* las ecuaciones se e'presan de siuiente manera>

Donde C ! a son coe$iciente dependientes del vertedor* L es la lonitud del vertedor ! H es la elevación del aua" En los casos en que noYou're se cuenta con la ecuación del vertedor* se Reading a Preview pueden establecer relaciones midiendo el $lujo ! la elevación" De iual manera Unlock full de access a free trial. la Ecuación se puede representar la with siuiente $orma Download With Free Trial

Un lao o embalse se encuentra en estado no estacionario cuando sus condiciones cambian en $unción del tiempo) es por ello que las escalas de tiempo ! espacio son de esencial importancia en la determinación del modelo adecuado para describir los procesos de cambio de las sustancias o  contaminantes" Sign up to vote on this title

7"F"5",aro pla%o

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1 $in de reali%ar un análisis a laro pla%o del cambio de concentración en

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seundo caso* la concentración inicial se deradará 4asta la concentración d equilibrio* dependiendo de su constante de reacción* k 1* ! se termina deradando completamente* dependiendo de iual manera de constante de reacción* k 2* como se muestra en las siuientes ecuaciones>

Un ejemplo de reacción del primer caso puede ser un caso e'tremo d

conversión de nutriente a $itoplancton ! del seundo caso puede ser al sujeta a deradación por depredación o por respiración"

7"F"7" Corto pla%o #e reali%an análisis a corto pla%o cuando se desea determinar concentración de parámetros que cambian en periodos transitorios" ejemplo de un análisis en estado no estacionario a corto pla%o es modelo de eutro$icación* donde se consideran como variables concentraciones de $itoplancton ! %ooplancton* los nutrientes principa ;nitróeno ! $ós$oro<* as( como otras sustancias usualmente consideradas" ,o elementos biolóicos en el modelo son espacial ! temporalmen dependientes de los nutrientes ! del consumo de los di$erentes niveles tró$ico en el lao" You're Reading a Preview! parámetros que proporciona Este tipo de modelos dependen de sustancias una estimación de las condiciones promedio anali%adas" Es necesario u Unlock full access with a free trial. análisis a corto pla%o debido a que ciertas condiciones pueden desviars considerablemente de los valores promedio tanto temporal com Download With Free Trial espacialmente"

7"G" EUTRO3IC1CIN 6 NUTRIENTE# El aporte de un ecosistema lacustre a un terrestre* es inevitable ! es debido aporte de sedimentos que terminan depositándose en los laos ! embalse Estos aportes son ricos en nutrientes* a base de $ós$oro* nitróeno  ! materi Sign up to vote on this title oránica" 1unque los nutrientes son buenos* !a que muc4os oranism $otosintéticos cuentan con materia prima para proli$erar) Useful ! Not useful en e'ces $uncionar se enera una abundancia de plantas ! otros oranismos* lo que aumenta reeneración de nutrientes ! materia oránica* incrementando aAn más

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1lunas veces* los sedimentos van depositándose en el $ondo* reduciendo pro$undidad del lao* 4asta que se a%olva por completo convirtiéndose e pantano ! más tarde en un prado"

,os cuerpos de aua suelen clasi$icarse seAn la abundancia de nutrientes qu contienen* como se muestra en la Figura decir en cuanto a su estado tró$ico> •

•

•

•

Oligotrófio: lao pobremente nutrido* por lo que el aua es clara* penetr la lu% con $acilidad* 4a! o'(eno en abundancia* ! tiene una ba producción" 1unque la cantidad de oranismos que 4abitan en este estad es limitado* puede e'istir una ran diversidad de especies) Me!otrófio: lao moderadamente nutrido* el aua cuenta con má nutrientes ! menos o'(eno* con todo lo que esto implica) E"trófio: lao bien nutrido* lo que $acilita la proli$eración de la alas disminu!e el nivel de o'(eno disuelto en el aua) la lu% penetra con di$icultad* el au es turbia por lo que se encuentran seres vivos caracter(sticos de aua pobres en o'(eno" #i$ere"trófio: lao sobre nutrido* el $ondo del la va rellenando rápidamente de sedimentos* donde se produc putre$acciones anaerobias con malos olores* ! la lu% solar !a no penetra el lao" You're Reading a Preview Unlock full access with a free trial.





El nivel de eutro$icación se puede determinar al Usefulel contenido medir  Not usefulde cloro$ila d las alas en la columna de aua* junto con otros parámetros como el contenid de $ós$oro ! de nitróeno* as( como con el valor de penetración de la lu%* es dec

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,a eutro$icación es un proceso natural en los laos* el cual se produc lentamente al ir recibiendo nutrientes" #in embaro* este proceso sue acelerarse con el e'ceso de nutrientes que enera la actividad 4umana" ,a principales $uentes de eutro$icación son> * ,os vertidos urbanos> deterentes ! desec4os oránicos) * ,os vertidos anaderos ! ar(colas> $ertili%antes* desec4os oránicos ! otros residuos en $os$atos ! nitratos"

,os nutrientes inoránicos proporcionan componentes qu(micos básicos para vida en los sistemas acuáticos" 1lunos se requieren en randes cantidades par el desarrollo de las células) éstos se conocen como macronutrientes* los cuale son el carbono* o'(eno* nitróeno* $ós$oro* a%u$re* s(lice* ! 4ierro" Cantidade menores de otros nutrientes* micronutrientes* como lo son el mananeso* cobr ! %inc* también son necesarios"

El $ós$oro es esencial para la vida* debido a que tiene un papel $undamental e los sistemas enéticos ! en el almacenamiento ! la trans$erencia de ener(a d las células" Desde el punto de calidad del aua* el $ós$oro es mu! importante ! que suele ser el nutriente limitante debido a los siuientes $actores> * * *

No abunda en la corte%a terrestre ! los minerales de $os$atos que s( e'ist no son mu! solubles" No e'iste en $orma aseosa" El $os$ato tiende a sorber $uertemente las part(culas de ran $ino" El asentamiento de estas part(culas* junto con la sedimentación de la You're Reading $ós$oro* a Preview part(culas oránicas que contienen sirve para remover el $ós$oro d aua 4acia los sedimentos del $ondo* as( como por absorción del suelo" Unlock full access with a free trial.



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,a medición del $ós$oro total en el aua se utili%a para cuanti$icar el nivel de eutro$icación" El ciclo del nitróeno se puede ver en la Figura 1. * donde se presentan sus $ormas primarias> Nitróeno libre ;N7< 1monio ;N FB <* amoniaco ;N: B< Nitrito ;NO7<* nitrato ;NO:< Nitróeno oránico • • • •

El nitróeno oránico se puede descomponer en componentes particulados disueltos" 1lunos de los principales procesos que se presentan en la dinámic de estos rupos son>

* 1similación de amoniaco ! nitrato" Esto inclu!e la absorción de nitróeno inoránico por el $itoplancton" * 1moni$icación" Trans$ormación de nitróeno oránico en amoniaco* proceso que implica varios mecanismos* inclu!endo la descomposición bacteriana* :G e'creción de $itoplancton ! autolisis directa después de la muerte celular" * Nitri$icación" O'idación de amoniaco a nitrito ! de nitrito a nitrato a través d la acción de un rupo selecto de bacterias aerobias" * Desnitri$icación" * 3ijación de nitróeno" Un nAmero de oranismos pueden utili%ar el nitróeno en su $orma elemental* como lo 4acen las alas verde a%ules" You're Reading a Preview

Unlock full access with a free trial.



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,as $ormas inoránicas del nitróeno no absorben tan $uertemente materia particulada como el $ós$oro) ,a desnitri$icación representa un mecanismo de pura* el cual no e'iste para el $ós$oro"

El $ós$oro es usualmente identi$icado como el nutriente principal que rie e proceso de eutro$icación en las auas naturales" #in embaro* alunos estuarios tienden a estar limitados de nitróeno" Dió'ido de carbono




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El carbono puede desempe+ar tres $unciones en el modelado de la calidad del aua> * Como nutriente) * Debido a que eneralmente el carbono constitu!e un componente importante de compuestos oránicos* se utili%a como medida de la biomasa) * Como contaminante !a que la descomposición de carbón oránico puede a$ectar considerablemente la concentración de o'(eno en el sistema* ! el carbono oránico naturalmente producido se puede trans$ormar en un compuesto tó'ico

,os nutrientes provenientes de desaJes domésticos* industriales o aricultur 4an producido la eutro$icación de las auas* cambiando sustancialment ecosistema debido al crecimiento desmedido de alas ! plantas* deradando calidad del aua ! disminu!endo la e$iciencia del sistema"



+. CONCE,-OS Y ECACIONES FNDAMEN-ALES DE MODELOS DE  CALIDAD DEL AGA Sign up to vote on this title

Not useful 4umana  Useful 1ntes de ejecutar un prorama para satis$acer una  necesidad conveniente construir un modelo matemático a $in de representar simbólicamente lo elementos de la situación o problema que se tiene en la realidad"

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se deben obtener respuestas sobre lo que puede suceder en el mundo $(sico para el conocimiento ! pronóstico del sistema"

Un modelo* al ser una representación matemática de la realidad $(sica de u sistema* promueve el proreso ! la comprensión conceptual del mism $acilitando la aplicación de di$erentes 4erramientas ! esquemas matemáticos qu permiten entender el comportamiento de dic4o sistema en estudio" &or lo tanto las predicciones o resultados del modelo se deben poder reinterpretar en realidad por medio de un modelo $(sico siuiendo el camino inverso modelado matemáticamente ;retroanálisis<" Esto se lleva a cabo siuiendo método cient($ico* siendo éste un conjunto de pasos necesarios para obtene conocimientos válidos mediante instrumentos con$iables* teniendo el criter abierto ! lo más objetivo &osible" Oriinalmente los modelos se desarrollaron como 4erramientas para resol problemas* pero más allá de esto* permiten visuali%ar di$erentes escenario desde varios puntos de vista para al $inal percibir todos los elementos qu in$lu!en en un sistema" En esencia* los modelos matemáticos o$rece e'presiones cuantitativas que permiten interar diversa in$ormación $(sic qu(mica* ! biolóica que es de lo que están constituidos los sistema ambientales complejos" De este modo* los modelos contribu!en a un mej entendimiento sobre el $uncionamiento del medio ambiente como unidad* a como del orien ! transporte de contaminantes al cuanti$icar sus reaccione especi$icaciones ! movimiento"

,a ma!or(a de los modelos matemáticos no son e'actos ! tienen un alto rad You're Reading a Preview de ideali%ación ! simpli$icación* !a que la creación de modelos mu! e'acto puede ser mu! compleja* cara ! di$(cil e trial. irreal de elaborar en tiempo Unlock full access with a free ra%onablemente aceptables) un modelo simpli$icado puede ser conveniente !a que con la retroalimentación obtenida de los 4ec Download With Free Trial observados en la realidad se va ajustando en tiempo ! $orma para result más Atil" ,os modelos son $inalmente una 4erramienta para la toma decisiones del ineniero

:"7" TI&O# DE 8ODE,O# 81TE8KTICO#"  Sign up to vote on this title Un modelo es una representación t(pica de una versión simpli$i cada de Not useful  Useful realidad que es utili%ada como prueba o testio" En estetrabajo el propósito d los modelos matemáticos es representar una realidad de la calidad aua en laos ! embalses"

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! L tasa de descara ;8T <*

,a relación entre causa ! e$ecto* cara ! concentración* dependerá de la caracter(sticas $(sicas* qu(micas ! biolóicas del aua recibida" De este modo* l representación matemática de la e"presión 1.1 puede e'presarse como siue> w c = … … … … … … …( 1.2 ) a

Donde : =5

a L un $actor de asimilación ;, T <*

Mque representa las caracter(sticas $(sicas* qu(micas ! biolóicas del au recibida" En otras palabras* el $actor de asimilación es el que brinda al model las caracter(sticas del medio en el que se trabaja" Esta ecuación denominada lineal porque la relación entre c ! ! es directamen proporcional" E'isten varias maneras de implantarla ecuación 1.2 > &. Modo de !i)"l&ión/ !a que el modelo tiene como objetivo simular la respuesta del sistema* en este caso la concentración como $unción de est(mulos ;di$erentes descaras<* ! de las caracter(sticas del sistema* que se representa por el $actor de asimilación" 0. Modo de di!eo* al calcular la capacidad de asimilación* reajustando la ecuación 1.2 de la siuiente manera> You're a Preview w =a c … … … … … … … (Reading 1.3 )


se propone una tasa de descara para obtener un valor d Download Withpermite Free Trial concentración deseado* lo cual obtener in$ormación que pued ser directamente utili%ada para dise+os inenieriles del sistema propone una tasa de descara para obtener un valor de concentració deseado* lo cual permite obtener in$ormación que puede se directamente utili%ada para dise+os inenieriles del sistema 

Sign up vote on this e"presión 1.2 . Modo de di!eo/ modi$icando el ambiente setoe'presa la title de la siuiente manera>  Useful  Not useful a

=

w

( 1.4 )

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,os modelos 4eur(sticos se basan en las causas o mecanismos naturale que oriinan al $enómeno en estudio* por lo que se trabaja con un en$oqu teórico o deductivo" #e inclu!e el uso de relaciones teóricas ! principio de orani%ación"

,os modelos emp(ricos utili%an observaciones directas o resultados e'perimentales* es decir* que se trabaja de manera inductiv ComAnmente se utili%an técnicas de reresión para obtener el $actor d asimilación* siendo éste la relación entre las descaras ! la concentración de $orma estad(stica"

6a que el en$oque emp(rico tiene alunas limitaciones* es más sencillo aborda el problema desde una perspectiva mecánica" Este tipo de modelos se basan e la le! de la conservación de la materia* que establece que dentro de un volume $inito de aua* la materia no se crea ni se destru!e" En términos cuantitativo este principio se e'presa en un balance de masa* donde se consideran todos lo intercambios a través de la barrera del sistema ! las trans$ormaciones dentro de mismo" Este proceso se puede e'presar como>

Acumulación = d!ca"#a! $ %"an!&'"% $ "acci'n!( ( ( ( ( ( ( ( ( ( )*(+, 1l movimiento de materia a través del volumen ! el $lujo del aua se le conoce como transporte" 1dicionalmente al $lujo* dentro del volumen de aua la materia se ana ! pierde por medio de reacciones o trans$ormaciones" Estas reacciones pueden incrementar la materia al cambiar otro constitu!ente en la sustancia modelada o remover materia al trans$ormar la sustancia en otro You're Reading a Preview constitu!ente" ,a sustancia puede a su ve% incrementar a causa de descaras e'ternas" Unlock full access with a free trial. ,os modelos también se pueden clasi$icar seAn su tipo de representación !a Download With Freedependiendo Trial que pueden tener di$erentes denominaciones si se desean resultados de tipo cualitativo o cuantitativo" •

•

,os modelos cualitativos o conceptuales suelen representar por medi de $iuras* rá$icas* s(mbolos ! descripciones cualidades no numérica casi siempre* !a que el objeto en estudio puede ser la dirección que tomar  el sistema o si aumentará o disminuiráSignaluna manitud* up to vote on this title sin importa la manitud concreta"  Useful  Not useful ,os modelos cuantitativos o numéricos representan de manera numéric el proceso $(sico o los cambios cuantitativos del sistema utili%and

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complejidad del modelo" Dic4a complejidad puede 4acer imposible idear aloritmo de solución* es por eso que el modelo podr(a no ser $actible e términos de cálculo" 1unque* sin importar la e'actitud ! re$inamiento del modelo éste puede ser poco práctico si los datos disponibles recolectados no so con$iables" 1 su ve% al distorsionar las estimaciones* la solución obtenida* po óptima que sea matemáticamente* será de una calidad insu$iciente !a que n representa al sistema real" :":"

CINHTIC1 DE RE1CCIONE#

El objetivo del estudio de las reacciones cinéticas* es e'plorar cómo lo datos obtenidos de un lao o de un embalse pueden ser utili%ados par caracteri%ar las reacciones que a$ectan los contaminantes del aua" Esto e investiar de manera cuantitativa las reacciones de los contaminantes del au en el modelo :"F"

TI&O# DE RE1CCIONE#

,as reacciones 4eteroéneas involucran más de una $ase* con reacciones ocurriendo usualmente en las super$icies entre $ases" ,as reaccione 4omoéneas involucran una sola $ase ;esto es* l(quida* sólida o aseosa<" Esta son los dos tipos $undamentales de reacciones utili%adas en la elaboración d modelos matemáticos sobre la calidad del aua"

Una acción reversible puede proceder en cualquier dirección* dependiendo de la concentraciones relativas de los reactivos ! los productos> You're Reading a Preview

aA + bB↔cC + d D … … … … … … … … … ( 1.6 )


Donde las letras minAsculas representan los coe$icientes este#uiom$trico With Free Trial siendo éstos el nAmero deDownload moles de cada sustancia ! las ma!Asculas desina los compuestos de reacción o sustancia" Tales reacciones tienden a alcan%ar u estado de equilibrio cuando las reacciones que van ! que vienen está balanceadas" :"G"

RE1CCIONE# -IO,0IC1# ;&ROCE#O# 3I#IO,0ICO#< Sign up to vote on this title



,os mecanismos ! cinética de reacciones discutidas los Not apartados anteriore useful  Usefulen  se aplican de iual manera para las reacciones biolóicas" ,as reaccione biolóicas están re$eridas a las trans$ormaciones microbianas de qu(mic

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conjunto de seres vivos del planeta Tierra* junto con el medio $(sic que los rodea ! que contribu!en a $ormar" ,os oranismos autotrófico como las plantas que no dependen de otros oranismos para nutrirse ! qu con la a!uda del sol* convierten a nutrientes inoránicos en materia oránic más compleja" Esta materia sirve como $uente de ener(a para que lo oranismos 4eterotró$icos* los cuales s( necesitan de materia oránica pa subsistir* realicen procesos como lo son la respiración ! descomposició ! reresen la materia oránica a su estado inoránico" Durante este proces se consume o'(eno ! libera dió'ido de carbono"




 Useful  Not useful Ciclo natural de la producción ! descomposición oránica

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En un reactor se puede medir la cantidad de o'(eno que consumen lo microoranismos durante la deradación de las sustancias oránica contenidas en el mismo* a esta manitud se le conoce como demand bioqu(mica de o'(eno o D-O"

:"G":" El nitróeno

You're Reading a Preview

Como se puede ver en el ciclo del nitróeno en auas naturales a$ecta nivel de o'(eno en el aua" E'isten Unlock full access withdiversos a free trial. problemas que pueden sur debido al nitróeno" En el problema de nitri$icación ! desnitri$icac as( como en la eutroficación* el nitróeno es el causante) en cambio e Download With Free Trial los problemas de contaminación por nitratos ! de to'icidad de amoniaco las especies de nitróeno son directamente el contaminante" En la nitri$icación ! desnitri$icación* el amoniaco* debido a descara directas ! a la descomposición del nitróeno oránico* se o'ida $ormand = = nitrito ;NO 7 < ! nitrato ;NO : <" Este proceso consume o'(eno por  que puede disminuir los niveles en el aua del mismo" Sign up to vote on this-ajo title condicione anaerobias el nitrato se puede reducir  a nitrito el Not nitrito Useful !  useful convertir nitróeno libre en el proceso de desnitri$icación" 6a que el nitróe se encuentra en $orma aseosa* en este mecanismo se puede perde

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Ciclo del nitróeno en auas naturales" ,as l(neas discontinuas indica que las reacciones de desnitri$icación se llevan a cabo bajo condicione anaerobias" You're Reading a Preview Unlock full access with a free trial.



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Uno de los objetivos primordiales al que se pretende llear con la modelación de l calidad del aua es adquirir la 4abilidad para predecir con cierto rado de certe%a l calidad del aua* en di$erentes sectores a lo laro de un tramo de lao" En la actualidad e'iste un sin nAmero de modelos matemáticos* desarrollados con l $inalidad de estudiar el comportamiento de un determinado contaminante o un rup de éstos a lo laro de una corriente natural" ComAnmente la selección del modelo implementar depende de la disponibilidad de in$ormación con que se cuenta* e propósito de la modelación ! los procesos a modelar) esta condición implica que n siempre un modelo puede aplicarse en el estudio de la calidad del aua en un corriente en particular"

,a implementación de modelos matemáticos se constitu!e una 4erramie $undamental para poder estimar el comportamiento de un contaminante que es vertid en un cuerpo de aua" Toda modelación debe estar enmarcada en un nAmero $inito d pasos ordenados* los cuales permiten dic4a modelación mediante una serie lóica secuencial* de acciones encaminadas 4acia la bAsqueda de un resultado con l calidad esperada" 0eneralmente la modelación de la calidad del aua es precedida d una modelación 4idrodinámica* que permite la estimación de caracter(sticas parámetros 4idráulicos* tales como> ,a velocidad* pro$undidad de $lujo* velocidad d corte* coe$icientes de dispersión etc"* los cuales son básicos para la modelación de l calidad* dado que ésta depende de la 4idrodinámica del $lujo ! por lo tanto la ecuaciones de di$usión ! transporte de materia están asociadas a las de 4idrodinámica" Entre las variables no conservativas que representan ma!or interés para la calidad d You're Reading a Preview aua en un r(o se pueden mencionar> • • • • • • • • • • •

Unlock full access with a free trial. O-.#n' Di!ul%' Dmanda /i'0u.mica d O-.#n' Ln%a With12&ida Free Trial Dmanda /i'0u.micaDownload d O-.#n' 3ó!4'"' In'"#2nic' 3ó!4'"' O"#2nic' Ni%"ó#n' Am'niacal Ni%"ó#n' Ni%"a%' Ni%"ó#n' O"#2nic' Sign up to vote on this title D%"i%'!  Useful  Not useful 3i%'&lanc%'n Al#a! d 3'nd' 5a%ó#n'!

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1" 8ODE,O 1#&

El modelo 1#& $acilita al usuario la interpretación ! predicción de la calida del aua ! su respuesta ante un $enómeno natural o ante una condición d orien antrópico" El 1#& es un modelo que permite simular comportamiento dinámico de un sistema acuático* inclu!endo la columna d aua ! los 5bentos" Este modelo permite anali%ar sistemas en 5* 7 dimensiones ! para un variado nAmero de contaminantes" En el modelo se considera la variabilidad temporal de los di$ere $enómenos o procesos anali%ados ; 7advección* dispersión* caras puntuales di$usas<* condiciones presentes en las $ronteras del modelo" El 1#& tambié considera los aspectos 4idrodinámicos ! el transporte de sedimentos pueden ser aportados por a$luentes al cuerpo de aua anali%ado* consider parámetros como las pro$undidades* velocidades* temperatura* salinidad ! lo $lujos de los sedimentos" El 1#& es comAnmente usado para e'aminar eutro$i%ación de los cuerpos de aua" -" 8ODE,O E&D=RI/5

E&D=RI/5 es un conjunto de proramas para la simulación unidimensional d las caracter(sticas 4idrodinámicas ! de calidad del aua) el mo computacional está basado en el CE=MU1,=RI/5* modelo desarrollado por e cuerpo de inenieros de los Estados Unidos de 1mérica* este sistema d modelación $ue desarrollado por la E&1* en el departamento de recurs naturales de 0eoria" El E&D=RI/5 está constituido por dos componentes básicos* uno se encara d Readingela cual Preview resolver la 4idrodinámicaYou're del sistema* se resuelve primero ! un seund componente que permite reali%ar la modelación de la calidad" Unlock full access with a free con trial. la aplicación del mo ,a in$ormación 4idrodinámica obtenida 4idrodinámico es uardada en un arc4ivo que posteriormente será usado en l modelación de la calidad"Download With Free Trial El modelo de calidad permite simular la interacción entre 5 variables d estado* entre las cuales se inclu!en> temperatura del aua* especies nitróeno ! $ós$oro* o'(eno disuelto* Demanda -ioqu(mica de O'(eno ;D-O alas* etc" 1dicionalmente el modelo permite simular los impactos que sobre o'(eno disuelto ! los ciclos de los nutrientes tienen las macró$itas" El model $ue dise+ado para la simulación de las caracter(sticas de las corrientes e  Sign up to vote on this title condiciones dinámicas* con el propósito de anali%ar las condiciones e'istente useful  Notsector" ! determinar la má'ima cara total diaria en  un Useful determinado C" 8ODE,O 8IPE 55

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dispersión ! transporte de sedimentos co4esivos* calidad del aua ! transport de sedimentos no co4esivos" El modelo de calidad permite la modelación de di$erentes indicadores de l calidad del aua como son> alas* detritos* sedimentos co4esivos ! co4esivos* o'(eno disuelto* temperatura* nitróeno entre otros) este modelo s aplica lueo de reali%ada la modelación de la 4idrodinámica del sistema e estudio" D" 8ODE,O COBEREN#

Es un modelo 4idrodinámico tridimensional desarrollado por el &rorama d Ciencia ! Tecnolo(a 8arina 81#T de la Unión Europea durante el per(od 5QQ S 5QQ para entender ! anali%ar los procesos $(sicos ! biolóic relevantes ! la in$luencia de las actividades del 4ombre en los mares ! as predecir el e$ecto de condiciones cambiantes en la biota ! simula comportamiento de contaminantes" 1 pesar de que su orien $undamentalmente costero* dada su estructura modular ! su transparencia* e posible seleccionar los procesos $(sicos ! biolóicos más relevantes* al iu que esquemas numéricos espec($icos ! di$erentes tipos de procesos e'terno para una aplicación particular"

El modelo COBEREN# puede ser considerado como una 4erramienta para un mejor comprensión de los procesos $(sicos ! ecolóicos ! para la predicción* e el control de residuos en los mares de plata$orma ! las %onas costeras" Es $ác de aplicar en una amplia ama de plata$ormas in$ormáticas* lo que sini$ica qu puede ser atractivo para los rupos con una e'periencia su$iciente en You're Reading a Preview elaboración de modelos" 1lunas ventajas importantes del modelo son transparencia debido aUnlock su estructura full access withmodular a free trial. ! su $le'ibilidad debido a l posibilidad de seleccionar di$erentes procesos* sistemas o tipos di$erentes d $or%ar condiciones de $rontera en una aplicación particular como la de un lao Download With Free Trial embalse" Esto permite su uso para estudios de procesos* as( como para $ine de predicción operativa o sin previo conocimiento de su estructura detallada" , evolución $utura se puede implementar sin a$ectar el nAcleo del prorama"

DE#CRI&CION DE, 8ODE,O El prorama es escrito en :3ORTR1N  ! tiene F componentes principales  Sign up to vote on this title para resolver las ecuaciones d - Una parte $(sica con un módulo eneral  Useful  Not useful advección=di$usión" - Un módulo microbiolóico que se ocupa de la dinámica

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8alla vertical con coordenadas sima &osibilidad de modelación unidimensional en la vertical Un solo Xt para actuali%ar todas las cantidades tridimensionales Di$erentes esquemas para advección* momentum ! di$usión 4ori%ontal /arias $ormas de entrada de datos* pudiéndose usar di$erentes intervalos de tiempo en las series de entrada ,as ecuaciones de continuidad ! momentum bi o tridimensionales se resuelven con la técnica de separación* similar al modelo de -lumber 8ellor 5Q de la Universidad de &rinceton #imulación de temperatura* salinidad o ambas simultáneamente 8odelación de la absorción de radiación solar en la capa superior de columna de aua Inclusión de e$ectos de densidad en las ecuaciones de momentum ! turbulencia &osibilidad de varios esquemas de turbulencia Inclusión del e$ecto de olas ! corrientes en el es$uer%o cortante de $ond /arias posibilidades de $ormulación de es$uer%os del viento ! $lujos de calor Representación de la biolo(a de la columna de aua ! del ciclo de nutrientes carbono ! nitróeno inclu!endo la atenuación de lu% por material oránico e inoránico 8odelación de la depositación ! resuspensión de part(culas ! de la concentración de part(culas inoránicas en suspensión Dos modelos de transporte de contaminantes están disponibles> el Readingeuleriana a Preview! resuelve ecuaciones del tipo primero usa una You're apro'imación advección=di$usión para sustancias disueltas) el seundo es una Unlock full access with a free trial. apro'imación laraniana"

With Free Trial 1, E8-1,#E DE 8U@1 E.E8&,O DE 1&,IC1CINDownload DE, 8ODE,O COBERE#

DE#CRI&CION DE ,1 9ON1 DE E#TUDIO El embalse 8u+a está ubicado al $inal de la cuenca media del r(o -ootá ;FY 5 GQZZ lonitud Oeste ! FY :7Z 7ZZ latitud Norte<* apro'imadamente 7F Pm al sur d la ciudad de -ootá" Sign up to vote on this title

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,a batimetr(a del embalse del 8u+a levantada en campo por E80E#1 e el a+o 77* se utili%ó para enerar las mallas correspondientes para lo modelos 4idrodinámicos" &ara esto* los puntos batimétricos  "% '% z procesaron con Eale &oint para enerar la super$icie del vaso embalse ! a partir de ésta se eneraron las curvas de n correspondientes con #ur$er" &ara la malla utili%ada en COBEREN# 8OBID se tuvo en cuenta la capacidad de los modelos ! la estabilida numérica seAn el criterio Courant el cual de$ine que el paso de tiemp Xt no puede ser tan rande que el aua pueda moverse más de l lonitud X " del semento para una velocidad dada ( " En otras palabra el criterio de estabilidad especi$ica que si el cálculo \se adelanta a s mismo\ este \estallará\"

Con el $in de tener una alta resolución en la %ona del embalse de entrad del bombeo ! de salida en Torre 0ranada* se adoptó una cuadricula d 7m ' 7m cada elemento" El menor valor de X t es de 5 seundo pa los dos modelos usados* !a que si se utili%a un X t ma!or los prorama computacionales se vuelven inestables al no aranti%ar la estabilida numérica del criterio de Courant ! muestran mensajes de erro correrlos" #e eneró una malla que tiene en planta 5G: ' 7F celdas* de las cuale 5*5G5 son 4Amedas" 1dicionalmente se dividió la columna del cuerpo d You're Reading a En Preview aua en G capas en pro$undidad" de$initiva el mallado batimétrico e los modelos contiene G*GG elementos" Unlock full access with a free trial.



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En eneral* la dirección predominante del viento es sureste* You're a Preview velocidades promedio deReading 7 m?s* con valor má'imo diario reistrado de F m?s ! m(nimo de "Q m?s" Esta dirección predominante del sureste e Unlock full access with a free trial. evidente en los meses de junio* julio* aosto ! septiembre donde s $recuencia es ma!or al ]" En los meses de $ebrero* mar%o* abril Download With Free Trial ma!o la dirección predominante también es del sureste pero $recuencias ma!ores del :]* ! con el oeste como seunda direcció predominante" ,os meses de octubre* noviembre ! diciembre* seundas direcciones predominantes son suroeste ! noreste" El mes d enero la rosa de vientos es la más variable en dirección* siendo l dirección oeste la predominante* seuida de la sureste ! la suroeste" E  mes de ma!or velocidad promedio es julio con 7": m?s* seuido d Sign up to vote on this title aosto con 7"7 m?s ! de junio con 7"5 m?s" El mes de menor velocida promedio es noviembre con 5" m?s"  Useful  Not useful c< C1UD1,E# DE -O8-EO 6 TUR-IN1CION

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Los Biopreparados

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De acue con los reistros 4orarios de turbinación en &aua para el per(odo d análisis* el caudal turbinado osciló entre  ! G:"G m :?s* con un val promedio de 5"G m :?s ! una desviación estándar de 5F"5 m :?s"

d< C1,ID1D DE 10U1 ,os datos de calidad de aua utili%ados en este estudio corresponden concentraciones de demanda bioqu(mica de o'(eno* nitróe amoniacal* nitróeno oránico* nitratos* $ós$oro oránico* $ós$o inoránico* coli$ormes totales* sólidos suspendidos totales ! o'( disuelto" ,os valores de los determinantes de calidad se tomaron de pro!ecto denominado V8odelación dinámica de la calidad del aua de R(o -ootáW para di$erentes escenarios de simulación" concentraciones iniciales en el aembalse You're Reading Preview $ueron estimadas a partir d mediciones del &lan de seuimiento ! monitoreo" Unlock full access with a free trial.



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e< TIE8&O DE #I8U,1CION

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