MODELACIÓN DE LA CALIDAD DEL AGUA SUPERFICIAL A GRAN ESCALA. Programa R 2 EA

Transcripción

1 MODELACIÓN DE LA CALIDAD DEL AGUA SUPERFICIAL A GRAN ESCALA. Programa R 2 EA Prof. Javier Paredes Arquiola (jparedea@hma.upv.es) Universidad Politécnica de Valencia

2 FLUJO DE TRABAJO 0. INTRODUCCIÓN 1. CONTAMINANTES A MODELAR 2. CARACTERÍSTICAS FÍSICAS 3. APORTACIONES 4. PRESIONES 5. CONSTANTES 6. SIMULACIÓN 7. DATOS OPCIONALES 8. CALIBRACIÓN 9. ANÁLISIS DE RESULTADOS 10. ESCENARIOS 11. CONCLUSIONES Nota importante: para el desarrollo de este curso se han utilizado algunos datos de la cuenca del río Duero. Todos los resultados que se obtienen no se corresponden, de ningún modo, con la situación de la cuenca. Este ejercicio se debe considerar, meramente, como un ejemplo académico

3 0. INTRODUCCIÓN

4 0. FORMAS DE UTILIZAR EL PROGRAMA INTERFAZ GRÁFICA INTERFAZ EXCEL + AQT_RREA.EXE Nota: Aunque no es necesario su instalación también se adjunta en la misma

5 0. Estructura de la hoja PASOS: 1. Control: definición de la simulación 2. Masas: características masas + cargas + constantes de degradación 3. Aportaciones: aportaciones 4. Demandas: demandas y/o retornos 5. Q_eco: caudales ecológicos 6. Temp: temperatura del agua 7. Qobs: Caudales observados Modelo sencillo: Pasos 1, 2 y 3

6 1. CONTAMINANTES A MODELAR

7 1. CONTAMINANTES A MODELAR DBO FÓSFORO NITRÓGENO AMONIO NITRATOS OTROS CONTAMINANTES Ciclo simplificado OD NH 4 + OD NO - 3 Mat. Org. CONSIDERACIONES EN LA ELECCIÓN DE CONTAMINANTES Datos disponibles: medidas en la red, medidas vertidos Respuestas que queremos dar

8 1. CONTAMINANTES A MODELAR Para cada contaminante decidir: 1. Nombre del contaminante 2. Nombre del archivo de salida 3. Coeficiente corrector de constante por temperatura 4. Umbral de concentración para considerar fallo Nota: En caso de modelar Oxígeno disuelto - Cambiar las celdas B5 y B6 (poner un 1 en B6) - La matriz de contaminantes debe tener el siguiente orden: primero los contaminantes de primer orden, luego DBO, NH4, NO3 y OD Contaminante Umbrales máximos unidad DBO5 <6 mg O2/l P total <0.4 mg PO4/l Amonio <0.6 mg NH4/l Nitrato <25 mg NO3/l

9 2. CARACTERÍSTICAS FÍSICAS

10 2. CARACTERÍSTICAS FÍSICAS RED DE FLUJO Masa X vierte a masa Y Desarrollada de forma manual Permite definir, a qué masa de agua vierte cada una En algunos casos se hacen aproximaciones CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Masas de agua tipo río -> longitud de las masas Masas de agua tipo embalse-> estimación del tiempo de residencia (Anuario aforos CEH-CEDEX) B C A C vierte B B vierte A C vierte A

11 2. CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Código masa de agua número o texto (tantas filas como masas de agua incluyendo embalses A qué masa de agua vierte Orden de flujo Longitud del río (Km) o tiempo de residencia del embalse (días) Pestaña masas

12 3. APORTACIONES

13 3. APORTACIONES Series de caudales de aportación generada por cada masa de agua Período: El que se quiera utilizar como período de simulación (serie larga/corta) Pueden haber aportaciones negativas en ríos perdedores Una serie temporal por masa de agua Posibilidad de corregir caudales Caudales observados (o simulados) en masas de agua con fuerte alteración hidrológica Importante->El orden Conveniencia de incluir los vertidos como aportaciones

14 3. APORTACIONES Pestaña Aportaciones Cada columna una aportación: - Tantas columnas como masas de agua - En las series no pueden hablar blancos - El orden de las columnas debe ser el mismo que el de las filas de la matriz Masas - Unidades Hm3/mes - Admite negativos - No tiene límite en el número de meses - No tiene porque ser años completos Dato necesario

15 4. PRESIONES

16 4. PRESIONES Presiones debidas a vertidos puntuales Presiones debida a fuentes de contaminación difusas OBJETIVO CALCULAR CUANTA CARGA (KG/MES) DE CONTAMINANTE LLEGA A CADA MASA DE AGUA DE LAS DIVERSAS FUENTES

17 4. PRESIONES PUNTUALES FORMAS DE CÁLCULO: Analíticas de depuradoras-> dato directo Base de datos de vertidos: Habitantes equivalentes Volumen autorizado (250 l/hab d) Cargas nominales(gr/hab d): DBO=60; P=1.5; N=10 Tratamientos + Tablas de rendimiento Otras consideraciones Trat_2009 Rendimiento DBO5 Rendimien to Ptotal Rendimient o Nitrógeno Otros Sin tratamiento Pretratamiento - Desbaste Tratamiento primario - Decantación primaria Tratamiento primario - Físico-Químico Tratamiento primario - Otros Tratamiento primario - Sin definir Tratamiento secundario - Fangos activados Tratamiento secundario - Lagunaje Tratamiento secundario - Lechos bacterianos o biofiltros Tratamiento secundario - Otros Tratamiento más riguroso - Desinfección (cloración) Tratamiento más riguroso - Eliminación de fósforo Tratamiento más riguroso - Nitrificación- Desnitrificación Tratamiento más riguroso - Ultrafiltración/Ósmosis inversa Tratamiento más riguroso - Desinfección (cloración)

18 4. PRESIONES PUNTUALES CONSIDERACIONES - Cauce receptor, sistemas de evacuación, - Volúmenes autorizados extremadamente grandes - Vertidos especiales: minas, piscifactorías, refrigeración - Puede haber grandes diferencias de cargas en función del método Conveniencia de incluir los vertidos como aportaciones

19 4. PRESIONES PUNTUALES PASO DE VERTIDO A MASA En base de datos de vertidos Herramientas de Sistemas de Información Geográfica (SIG) Se puede realizar por cercanía a la masa o por subcuenca a la que pertenece Se puede estimar la distancia a la masa de agua y reducir la carga Cuidado cuando las capas de río y la de embalses (o lagos) están en diferentes capas Unidades Finales: Kg/mes

20 4. PRESIÓN DIFUSA CONSIDERACIONES - Balances de nutrientes - Excedente que va por escorrentía superficial - Asignar a masa de agua

21 4. PRESIONES SOBRE LAS MASAS Pestaña masas Cargas: - Tantas columnas como contaminantes modelados - Carga en Kg/mes por masa de agua - El orden importa

22 5. CONSTANTES

23 5. CONSTANTES Constantes de degradación: - Tantas columnas como contaminantes - Ríos en Km -1 ; Embalses en d -1 - El orden importa

24 6. SIMULACIÓN

25 6. SIMULACIÓN 1. Definir las opciones a modelar 2. Comprobar el modelo 3. Simular Pestaña Control

26 6. SIMULACIÓN. Problemas Pasos a dar: 1.Revisar el archivo rrea.err 2.Revisar el modelo 3.Volver a revisar el modelo 4.jparedea@hma.upv.es

27 6. SIMULACIÓN. Archivos de resultados ARCHIVOS DE CONCENTRACIONES - Uno archivo por contaminante modelado - En columnas las masas de agua - En filas los meses simulados - Unidades mg/l - Nombre del archivo: según pestaña control ARCHIVO DE PORCENTAJE DE FALLOS - Por_Fallos.csv - Cada columna un contaminante - Cada fila una masa de agua - Contiene el porcentaje de fallos según el umbral definido en control ARCHIVO DE CAUDALES - Caudales.csv - Una columna por masa de agua - En filas los meses simulados - Contiene caudales circulantes (Hm3/mes) Todos los archivos de resultados son del tipo csv se pueden abrir directamente con Excel

28 6. SIMULACIÓN. Paso de resultados a SIG

29 7. DATOS OPCIONALES

30 7. DATOS OPCIONALES. Caudales observados CAUDALES OBSERVADOS Solo para masas de agua que se deseen (NO todas las masas) Masas aguas abajo de embalses o afectadas por una gran demanda No abusar: supone cierta perdida de balance del modelo

31 7. DATOS OPCIONALES. Caudales observados Caudales observados: - Columnas: al menos una - Filas: las mismas que las series de aportaciones - Sin blancos - Orden cualquiera - Unidades Hm3/mes Pestaña Qobs

32 7. DATOS OPCIONALES DEMANDAS Hay que aportar dato para todas las masas (puede ser nulo) Positivo se refiere a demanda negativo a retorno Importante->El orden CAUDALES ECOLÓGICOS Para todas las masas Solo a efectos de comprobación TEMPERATURA DEL AGUA Para todas las masas Corrección de las constantes de degradación por temperatura del agua

33 7. DATOS OPCIONALES. Demandas Cada columna es la demanda de una masa: - Columnas: 1 + número de masas de agua - 12 filas: una por mes - Sin blancos - Orden similar al de matriz Masas - Unidades Hm3/mes - Admite negativos (retornos) Pestaña demandas

34 7. DATOS OPCIONALES. Caudales ecológicos Cada columna es el caudal ecológico de una masa: - Columnas: 1 + número de masas de agua - Filas: 12, una por mes - Sin blancos - Orden similar al de matriz Masas - Unidades Hm3/mes Pestaña caudales ecológicos

35 7. DATOS OPCIONALES. Temperatura del agua Cada columna es la temperatura del agua de una masa: - Columnas: 1 + número de masas de agua - Filas: 12, una por mes - Sin blancos - Orden similar al de matriz Masas - Unidades ºC Pestaña Temperatura del agua Parámetro Abreviatura Coeficiente Corrector Temperatura Descomposición de la materia orgánica carbonosa Kd Degradación del fósforo Kp Nitrificación del amonio Kn Reaireación Ka 1.024

36 8. CALIBRACIÓN

37 8. CALIBRACIÓN DATOS OBSERVADOS: Datos de la red de monitoreo de calidad Clasificamos las masas de agua según categorías Parámetro DBO5 Fósforo total Amonio Nitratos Valor umbral 6mg/l 0.4 mg/l 1 mg/l 25 mg/l PROCESO CALIBRACIÓN: Calibración general (según lo contaminada que esté el agua, ) Foco sobre las masas contaminadas y con discordancias con los observados (revisión de datos y constantes) NVEU: Número de Valores por Encima del Umbral ND Sin dato A <10% B 10-20% C 20-40% D >40%

38 8. CALIBRACIÓN CONSTANTES Parámetro Abrevia tura Rango (1/d) Coeficiente Corrector Temperatur a Descomposición de la materia orgánica carbonosa Kd Degradación del fósforo Kp Nitrificación del amonio Kn Reaireación Ka Velocidad del agua 0.3m/s 25.92Km/d (1/d) (1/Km)

39 8. CALIBRACIÓN

40 8. CALIBRACIÓN Porcentaje de masas de agua en cada estado DBO5 Fósforo Nitróg. Categoría OBS SIM OBS SIM OBS SIM A B C D ANÁLISIS DE ESCENARIOS DE REPRESENTACIÓN DE LA REALIDAD BASE AÑO MEDIO BASE + QOBS SIN DEMANDAS

41 8. CALIBRACIÓN CONSIDERACIONES FALTA DE REPRESENTATIVIDAD EN EL MODELO Revisar primero los datos y luego las constantes de calibración Revisar las unidades de medida de las redes de calidad Caudales desajustados Cargas excesivamente altas: Hab eq o Vol muy altos Vertidos mal asignados a masas de agua Pocas medidas Mediciones de la red en verano o en invierno El período de estudio puede ser crítico

42 9. ANÁLISIS DE RESULTADOS

43 9. ANÁLISIS DE RESULTADOS Modelo calibrado Masas de agua a medir Masas de agua con discordancias: - Revisar la carga/asignación de algunos vertidos - Revisar los caudales de algunas masas de agua: EA, métodos hidrológicos, cualitativos Estadísticas de los resultados de modelación: - Tablas de resultados - Masas de agua por categorías - Mapas de resultados - Listados de zonas problemáticas - Diferencias entre escenarios de representación

44 9. ANÁLISIS DE RESULTADOS Info masa Caudal medio Resultados concentración media y Cat. Vertidos Asociados y carga

45 10. ESCENARIOS

46 10. ESCENARIOS PRINCIPALES UTILIDADES Eficacia de las medidas Escenarios que afecten a caudales Cumplimiento de caudales ecológicos OTROS Porcentaje de caudal circulante provenientes de depuradoras Análisis de riesgo Estimación de Huella Gris

47 10. ESCENARIOS

48 11. CONCLUSIONES

49 11. CONCLUSIONES HERRAMIENTA DE SENCILLO MANEJO PARA EL DESARROLLO DE MODELOS A GRAN ESCALA ADAPTAR LA METODOLOGÍA A CADA CASO CONCRETO PERMITE VALIDAR DATOS: Vertidos, aportaciones, etc. SIMULACIONES DE ESCENARIOS Y MEDIDAS

50 MODELACIÓN DE LA CALIDAD DEL AGUA SUPERFICIAL A GRAN ESCALA. Programa R 2 EA Prof. Javier Paredes Arquiola (jparedea@hma.upv.es) Universidad Politécnica de Valencia