c7 modelacion de calidad del agua

VII – Fundamentos Modelación de Calidad de Agua Curso WaterCAD/GEMS

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Modelación de Parámetros de Calidad del AguaTeoría de Modelación de la Calidad del Agua en Redes de Distribución

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Fundamentos de la Modelación de Calidad del Agua

Representación de

procesos físicos,

químicos y biológicos

para simular

movimiento y

transformación de

constituyentes en el

sistema de distribución


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Calidad del Agua en Sistemas de Distribución

• Calidad de agua depende de: – Fuente del agua

– Operación del sistema

– Transporte y transformaciones

– Almacenamiento

• Variaciones significativas en calidad de agua– Temporalmente

– Espacialmente


Dificultades para modelización de calidad de agua

• Complejidad del movimiento del agua

• Calidad variable de fuentes de agua

• Reacción Complejas

• Pruebas de campo proveen solo un pequeño ejemplo del sistema

• Garantizar potabilidad

• Optimizar precursores químicos

• Reducción de vulnerabilidad

Beneficios


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Aspectos relacionados con modelación de calidad de agua

• Tanques cerrados o abiertos

• Conexiones domiciliarias

• Decaimiento de desinfectantes

• Purgado

• Quejas de sabor y olor

• Flujos transitorios

• Alta turbidez

• Litigación

• Fuentes Contaminadas


Procesos Presentes

• Hidráulica

• Mezcla en depósitos

• Transporte

• Reacciones en el flujo

• Reacciones en la pared

• Hidrodinámica de tanques

Transformaciones en pared

Conexiones domiciliarias

Agua Potable Tratada

Reservorios

Transformaciones en la carga

Ruptura


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Modelación Hidráulica y de Calidad de Agua

MODELO HIDRÁULICO CALIBRADO

MODELO DE CALIDAD DE AGUA

Flujos y velocidades

Resultados de la Calidad de Agua


Tipos de Modelación de Calidad de Agua

• Rastreo de fuente

• Edad del Agua

• Constituyentes


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Rastreo de Fuente

% d

e a

gua

de la f

uente

A%

de a

gua

de la f

uente

B

tiempo0

100

tiempo0

100


Edad del Agua

• Calcular variación de edad del agua a través del tiempo

• Modelación Hidráulica aplicada al tiempo de permanencia del agua en la Red.

• Altamente influenciada por el tamaño y los tiempos de residencia en estructuras de almacenamiento


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Constituyentes

• Sustancias Conservativas

Su concentración cambia solo por procesos de dispersión y mezcal

• Sustancias No-Conservativas

Concentración crece o decae debido a…– Procesos químicos

– Procesos biológicos

– Procesos físicos


Constituyentes (Modelaciones mas Comunes)

• Salinidad (TDS)

• Nitrógenos

• Metales

• Orgánicos

• Cloro

• Cloraminas

• VOC’s

• THM’s

• pH/alcalinidad

• Dureza

• Plomo y cobre

• Floro

• Sólidos/turbidez

• Actividad Microbial

• Sabor y Olor


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Formas de Transformaciones Cinéticas

• Conservativo: dC/dt = 0

• Decaimiento de primer orden: dC/dt = kC

• Crecimiento de cero orden o decaimiento: dC/dt = k

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

– Orden n-th

– dC/dt = kCn


Decaimiento de Primer Orden

C0

Los constituyentes decaen proporcionalmente con la concentración

dC/dt = kC Decaimiento exponencial Ct = C0 e-kt

– Co - Concentración inicial

– T - Tiempo

– k - Coeficiente de decaimiento

Cloro usualmente tiene decaimiento de 1er orden

Media vida: Tiempo para un decaimiento de 50%

Media vida

Co/2

Ejemplo: k = 0.5/díaMedia vida = 1.4 días


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Crecimiento de Orden Cero o Decaimiento El constituyente crece (o decae) a una velocidad constante

absoluta

dC/dt = k

Ct = C0 + (rDt) – C0 es la concentración inicial

– Dt es el intervalo de tiempo

– r es la velocidad de crecimiento

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

Concentración o Edad

tiempo

C0


Crecimiento de Primer Orden a Equilibrio

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

dC/dt = k(Cmax - C) El constituyente exponencialmente se acerca a un valor

máximo,

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

Los Trihalometanos (THM’s) son un ejemplo

C0

Cmax


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Definición del Problema

• Dado:

– Representación de la Red

– Flujos en todas las tuberías (del modelo hidráulico)

– Velocidad de Reacciones

– Concentraciones en fuentes

– Condiciones Iniciales

• Determine:

Concentraciones en todos los nodos en todos los períodos de tiempo


Conservación de Masa NodalMezcla Completa

NODO

Q1, C1

Q2, C2

Q3, Cout

Masa Total que Entra = Masa Total que Sale

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

Q1 + Q2 = Q3 + Q4

Q4, Cout


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Calidad de agua en tanques

• Tanques almacenan volumen

• Su calidad de agua cambia por…

– Calidad de flujo entrante

– Transformaciones en el tanque

• Mayoría de modelos asumen mezcla instantánea


Conexiones de Tuberías

• Flujo y velocidad variables en el tiempo

• El agua envejece al moverse por las tuberías y durante su residencia en la Red.

• Transformaciones afectan la calidad de agua


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Perspectiva de Modelación

Euleriana

Observador fijo, grilla dividida en partes iguales

Lagrangiana

Observador se mueve con el flujo


Registro de la Parcela Lagrangiana

Parcelas de calidad de agua en tiempo T

1 2345

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

C=0.72 C=0.1 C=0.22 C=0.64

C=0.72 C=0.1 C=0.22C=0.725

1234

L1

V


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Agregando Parcelas

1 2345

C=0.72 C=0.1 C=0.22C=0.725

234 & 5

C=0.1 C=0.22C=0.722

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


Diagrama Simulación de Calidad de Agua

Datos de Entrada

Condiciones Hidráulicas Iniciales

Calcule la hidráulica EPS

Último intervalo de tiempo?

Condiciones iniciales de Calidad de Agua

Calcule las ecuaciones de calidad de agua

Último intervalo de tiempo?

SI

NO

SI

NOResultados


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Datos adicionales para un modelo de Calidad de Agua

• Concentraciones iniciales

• Velocidades de reacción

• Modelo de mezcla de tanque

• Velocidad de inyecciones químicas

• Tolerancia de calidad de agua

• Difusividad


Modelización de Cloro

• Dosificación de cloro – En la planta de tratamiento

– Recloración en el sistema de distribución

• Decaimiento de Cloro sobre el tiempo– Reacciones de carga

– Reacciones de la pared de tubería

– Pérdidas en los tanques debido a tiempos de residencias significantes

• Meta de cloro – Mantener el residuo de cloro

– Prevenir el crecimiento de bacteria


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Decaimiento en Seno del Fluido

• Decaimiento de Carga: decaimiento en el agua que fluye

• Usualmente representado como una ecuación de decaimiento de primer orden

Ct = C0 e-kt

• Velocidad de Decaimiento

− Depende de las características de calidad de agua

− Independiente del material de las tuberías

• Uso de un signo negativo cuando nos referimos a k

− Implícito cuando hablamos de decaimiento

− Explicito cuando hablamos de velocidad de reacciones

• Rango de coeficientes de decaimiento: 0.05 a 15 por día

• El rango mas típico es 0.2 a 1.0 por día


Decaimiento de Pared

• Decaimiento de Pared: Interacción del agua con la pared

• Debido a la corrosión, film biológico y otros procesos en la pared

• Velocidad de perdida de cloro en la pared depende de

− El coeficiente de decaimiento de la pared

− Velocidad que la carga de agua en contacto con la pared

• Generalmente no es un factor en tanques y reservorios

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


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Factores que Afectan la Perdida de Cloro en la Pared

• El coeficiente de decaimiento de la pared depende de las características de las tuberías (material y edad de tuberías)

• La velocidad de agua que está en contacto con la pared:– Aumenta en tuberías mas pequeñas

• Camino más cercano de carga a la pared

• Mayor proporción de pared/volumen

– Aumenta con mayor velocidad (turbulenta)


Determinando los Coeficientes de Pared

• Difícil de determinar el coeficiente de decaimiento para la pared – no hay una técnica de medida directa

• Se estiman valores en el campo basado en medidas de cloro debajo de condiciones controladas

• Experimento Ideal: – Tubería larga aislada sin conexiones

– El flujo puede ser controlado

– Mida la pérdida de cloro

• Valores de rangos típicos para kpared: 0 - 1 ft/dia


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Relación entre la velocidad de decaimiento de pared y la rugosidad de la tubería?

• La relación parece lógica: Tuberías con mas rugosidad tienen:

– Mayor área de superficie en la pared

– Mas oportunidad para el crecimiento de la capa biológica

• Kwall = a / (Hazen Williams Factor - C)

• Datos de campos limitados sugieren un rango de valores para a de 0 a 100.


Impactos de Almacenamiento en la Calidad de Agua

• Tanques y reservorios diseñados para las necesidades hidráulicas; la calidad del agua es usualmente secundaria.

• Tiempos de largas residencias: – Desprecian residuales de desinfectantes

– Promueven el crecimiento de bacteria

• Las mezclas pobres pueden amplificar los problemas de calidad de agua


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Mezcla Potencial / Problemas de Estratificación

Entradas en

Tangentes

Tuberías VerticalesDeflectores

Palas Complejas

Diferencias en

Temperaturas

Ttanque

Tinflujo

Entradas

de Diámetros

Grandes


- Mezcla completa

- First In First Out (FIFO)

- Last In First Out (LIFO)

- 2 compartimientos

Modelos de Mezcla en Tanques


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Calculate d Co ncen tra tio n versu s Tim e

Ta n k: T-1

Time

(h r)

(m

g/l)

Ca

lcu

late

d C

on

ce

ntra

tio

n

0 .2

0 .4

0 .6

0 .8

1 .0

1 .2

1 .4

1 .6

1 .8

2 .0

0 .0 1 6.0 3 2.0 4 8.0 6 4.0 8 0.0 9 6.0

T -1 \C l-C M

T -1 \C l-L IF O

T -1 \C l-F IF O

T -1 \C l-2 C

Modelos de Mezcla en Tanques


Seguridad de Sistemas de Distribución de Aguas

• Objetivos– Mantener un abastecimiento sano y suficiente

– Desarrollar confianza en el cliente

– Prepararse para cosas que naturalmente pueden ocurrir, accidentes, y actividades de terroristas

• Amenazas– Interrupción Física

– Contaminación Biológica o Química (Accidental o Intencional)

– Perdida de Confiabilidad del Usuario


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Interrupción Física

• Acciones que resultan en la pérdida de flujo y presión = Influencia Negativa en Calidad

• Daños a equipos vitales– Tubería principal

– Fuente de electricidad

– Tratamiento

– SCADA

– Estación de bombeo


Eventos de Contaminación

• Contaminación accidental– Desbordes y escurrimiento al agua superficial

– Contaminación de Pozos

– Conexiones de Cruceros en Sistemas de Distribución

– Contaminación de Reservorios

• Contaminación Intencional – Actos terroristas (Fuente, Planta, Distribución)

– Descargo criminal a una fuente de agua cruda


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Contaminación Terrorista

• Objetivos:

− Maximizar el daño de la población

− Interrumpir el servicio

− Disminuir la confianza del consumidor

• Implicaciones:

− Contaminantes altamente intoxicantes son probables

− Contaminación es más probable en el sistema de distribución

− Detección por monitoreo y vigilancia

− Minimizar el tiempo de comunicación y otros retrasos


Sustancias de Contaminación

• Químicos Tradicionales (i.e., Aceite, Carbón)

• Substancias químicas de guerra (i.e., Sarin)

• Toxinas (i.e., Botulinus toxina)

• Sustancias Bacteriológicas (i.e., Bacillusanthracis)

• Sustancias virales (i.e., Rotaviruses, Ebola)

• Protozoos (i.e., Cryptosporidium parvum)

• Químicos Intoxicantes Industriales (i.e., Cyanide)

• Materiales Radiactivos


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Puntos de Entrada para Contaminantes

Fuentes - Planta - Pozos Tanque y

Reservorios

Estaciones de Bombeos

Hidrantes

Edificios


Uso del Modelo para Estudios de Vulnerabilidad

• Hay suficiente cloro residual?

• Que pasa si un tanque es contaminado?

• Que pasa si un pozo es contaminado?

• El sistema de distribución puede ser contaminado si se inyecta por una conexión local?


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Que puede hacer el Municipio?

• Establecer buenos contactos con la policía local

• Repasar redundancias en su sistema

• Identificar puntos críticos y vulnerables

• Modelar el movimiento de contaminantes en el

sistema

• Aumentar la seguridad de reservorios y otras

facilidades

• Monitorear el desinfectante más a menudo y en

más estaciones

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Taller 5Análisis de Calidad del Agua

usando WaterCAD/GEMS

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