manual de referencia del modulo de calidad de aguas

7/25/2019 Manual de Referencia Del Modulo de Calidad de Aguas

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Modelizacin

bidimensional

del

flujoenlminalibreenaguaspocoprofundas

Manual

de

referencia

del

mdulo

decalidad

de

aguas

19.05.2015


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Modelizacinbidimensionaldelflujoenlminalibreenaguaspocoprofundas

MANUALDEREFERENCIADELMDULODECALIDADDEAGUAS

1.INTRODUCCIN............................................................................................. 2

2.ESQUEMADELMODULODECALIDADDEAGUAS........................................................ 3

2.1.Componentesdelmodelo.............................................................................. 3

2.2.Ecuacionesdetransporte.............................................................................. 4

2.3.Trminosdedispersinporoleaje..................................................................... 4

2.4.Trminosdereaccin................................................................................... 5

3.MODELODESALINIDAD.................................................................................... 6

4.MODELODETEMPERATURA............................................................................... 7

4.1.Radiacinnetaincidente............................................................................... 7

4.2.Radiacindeondalargaemitidaporelagua.......................................................... 7

4.3.Calortransferidoporconduccinentreelaireyelagua............................................. 8

4.4.Energaempleadaporevaporacindelagua.......................................................... 8

5.MATERIAORGNICACARBONOSA........................................................................ 9

6.NITRGENO................................................................................................ 10

6.1.Nitrgenoorgnico................................................................................... 10

6.2.Nitrgenoamoniacal................................................................................. 10

6.3.Nitratos................................................................................................ 11

7.OXGENODISUELTO....................................................................................... 12

7.1.Reaireacin............................................................................................ 12

7.2.Degradacindelamateriaorgnicacarbonosa..................................................... 14

7.3.Demandadeoxgenoporelsedimento.............................................................. 14

7.4.Consumodeoxgenoenelprocesodenitrificacin................................................. 14

8.ESCHERICHIACOLI......................................................................................... 16

9.CONSTANTESDELMODELO.............................................................................. 18

10.REFERENCIASBIBLIOGRFICAS......................................................................... 19


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Manualdereferenciadelmdulodecalidaddeaguas

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1.INTRODUCCIN

Iber es un modelo numrico de simulacin de flujo turbulento en lmina libre en rgimen no

permanente, y de procesos medioambientales en hidrulica fluvial. El modelo consta de distintos

mdulos entre los que se encuentran los siguientes: hidrodinmica, turbulencia, transporte de

sedimentosporcargadefondoyensuspensin,calidaddeaguas.Todoslosmdulosestnbasadosen

ecuacionesdetransportebidimensionalespromediadasenprofundidad.

Enestemanualserealizaunadescripcindelasecuacionesymodelosincluidosenelmdulodecalidad

deaguasdeIber,elcualpermitepredecirlaevolucintemporalyespacialdelasconcentracionesdelas

siguientes variables: temperatura, salinidad, demanda biolgica de oxgeno carbonosa, nitrgeno

(orgnico,amoniacal,nitritosynitratos),oxgenodisueltoyEscherichiaColi(E.Coli).


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2.ESQUEMADELMODULODECALIDADDEAGUAS

2.1.Componentesdelmodelo

Las componentes incluidas en la versin actual del mdulo de calidad de aguas de Iber son las

siguientes:

Temperatura

Salinidad

Oxgenodisuelto

Materiaorgnicacarbonosa

Nitrgenoorgnico

Nitrgenoamoniacal

Nitritosynitratos

EscherichiaColi(E.Coli)

Prximasversionesincluirnotrasespeciescomoelfsforoylasalgas.

Para plantear totalmente el problema de la evolucin de un contaminante se deben considerar

simultneamentetodaslasespeciesqueinteraccionanentresmediantefenmenosfsicos,qumicoso

biolgicos. No obstante, en ocasiones es posible despreciar ciertos procesos, bien por su escasa

influenciaenuncasoconcretoobienenunaprimeraaproximacinalproblema.LaFigura1muestrade

formaesquemticalainteraccinentrelasdistintascomponentesdelmdulodecalidaddeaguas.

Figura

1.

Esquema

completo

del

modelo

de

calidad

de

aguas.

Las

lneas

discontnuas

indican

dependencia

de

un

proceso

en

una

variable.


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Como sepuedeobservarenelesquemade laFigura1, la temperaturadelagua influyeen todas las

cinticas.Esposiblecalcularlaenelmodeloapartirdedatosmeteorolgicosobien introducirlacomo

datodeentrada.Porsuparte,lasalinidadinfluyeenlaconcentracindesaturacindeoxgenodisuelto

yenlatasadedesaparicinbacteriana,ypuedeasimismocalcularseconelmodeloointroducirsecomo

datoporelusuario.

2.2.Ecuacionesdetransporte

Paracadaunadelascomponentesanterioresseresuelve,pormediodelmtododevolmenesfinitos,

unaecuacindeconservacindemasa2Dpromediadaenprofundidad,quesepuedeescribirenforma

diferencialcomo:

,, d yd xx y CFF

h C h U C h U C S ht x y x x

(1)

dondeCes laconcentracinde lavariableconsiderada (promediadaenprofundidad),heselcalado,(Uj,Uy)sonlasdoscomponentesdelavelocidaddelaguapromediadasenprofundidad,SCesuntrmino

fuente/sumidero que modela la generacin/degradacin de la sustancia considerada, y (Fdx,Fdy) son

flujos difusivos/dispersivos que modelan la mezcla debido a efectos como la difusin laminar,

turbulenciaodispersinporoleaje.

La difusin turbulenta se asume istropa y proporcional al coeficiente de viscosidad turbulenta

calculadoenelmdulohidrodinmico.Porelcontrario, ladispersinporaccindeloleajeseproduce

fundamentalmenteenladireccindepropagacindeloleajeyporlotantoelcoeficientededispersin

poroleajeesanistropo.Las2componentesdelflujopordifusin/dispersinsecalculancomo:

,,

,

,

2 2

cos cos sin sin

t

d x m xx xyc t

t

d y m yx yy

c t

xx l xy yx l yy l

C C C

F h h D h DS x x y

C C CF h h D h D

S y x y

D D D D D D D

(2)

donde mes el coeficientededifusinmolecular, tes la viscosidad turbulenta, Sc,teselnmerode

Schmidtturbulento,querelacionaelcoeficientededifusinturbulentademomentoconelcoeficiente

dedifusin turbulentade la sustancia considerada,Dleselcoeficiente longitudinaldedispersinpor

oleaje,eselnguloqueformaladireccindepropagacindeloleajeconelejex.

2.3.Trminosdedispersinporoleaje

Conelcoeficiente longitudinaldedispersinporoleajesemodeliza ladispersindesolutosgenerada

por laaccindeloleaje, lacual seproduce fundamentalmentedebidoa2 factores:1)elmovimiento

oscilatoriodelaspartculasbajolaolaconunperodoigualalperododeloleaje;2)elperfilverticalde

velocidadmediabajolaola.Engeneral,ladispersinintroducidaporelperfildevelocidadmediabajola

olaesmsimportantequeelmovimientooscilatoriodelaspartculas,debidoaqueelperododeloleaje

esporlogeneralmuchomenorqueeltiemponecesarioparaqueelsolutosedispersealolargodetoda

lacolumnadeagua(Fischer,1979;Law,2000).

En Iber se incorpora la formulacin propuesta por Law (2000) para el clculo del coeficiente de

dispersinlongitudinalDlcomo:


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4

2 tl v e m

e c

HD f

T S

(3)

dondeHeslaalturadeola,Telperododeloleaje, eelcoeficientededifusividadefectivo(moleculary

turbulento)endireccinvertical,y fvesuna funcinquedependede la relacinentreelcaladoy lalongituddeondadeloleaje(Figura2).

Figura2.Funcinfvutilizadaenelclculodelcoeficientelongitudinaldedispersinporoleaje.

2.4.Trminosfuente

La interaccin entre las distintas sustancias consideradas en el modelo mediante fenmenos fsicos,

qumicos y biolgicos se modela mediante el trmino fuente SC.. Las distintas transformaciones se

modelanmediantecinticasdeprimerorden:

CS k(T) C (4)

dondeSeseltrminofuente/sumidero,k(T)eslaconstantedereaccin(dependedelatemperatura)y

Ceslaconcentracindelavariableconsiderada.Elefectodelatemperaturaseintroduceenelvalorde

laconstantecinticakmedianteelmodelodeArrhenius,segn:

2020

(T )k(T) k( ) (5)

dondek(20)es laconstantecinticade reaccina20oC,Tes la temperaturadelaguaen

oCy esel

coeficientedecorreccinportemperatura.Losvaloresdelcoeficienteparacadareaccinutilizadosen

Ibersemuestranenlaseccin9.


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3.MODELODESALINIDAD

Elmodelodesalinidadresuelvelaecuacindetransportedesalpromediadaenprofundidadenrgimen

nopermanente,utilizandoparaelloelcampodevelocidadesyde turbulenciaproporcionadopor los

mdulos correspondientes. Como la sal es una sustancia conservativa (no reacciona con otras

sustancias),laecuacindetransportecorrespondientealasalinidadnoincluyetrminosfuente,porlo

quelaecuacindeconservacinresueltaeslaEcuacin(1)sinningntrminofuente,i.e:

0CS

(6)

Laecuacindetransportedesalasumeunamezclaperfectaenprofundidaddelasal(concentracinde

salconstanteen lavertical), locualnoesvlidoenestuariosestratificados,endondeseproduceun

flujo bicapa en el que el agua dulce del ro, ms ligera, fluye sobre el agua de mar ms pesada,

producindosegradientesdesalinidadyvelocidadimportantesenlavertical.


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4.MODELODETEMPERATURA

Adems del propio inters que puede tener predecir la temperatura del agua para evitar la

contaminacintrmica,todaslasreaccionesbioqumicasqueafectanalaconcentracindelosdistintos

componentesdelmodelodependendelatemperatura.

En elmodelo de temperatura el trmino fuente incluido en la ecuacin de conservacin del calor

promediadaenprofundidadeselsiguiente:

Tpw

QS

C (7)

dondeCpweselcalorespecficodelagua,esladensidaddelaguayqeselflujonetodecalorentreaire

y agua. El trmino ST representa las transferencias de calor a travs de la interface aireagua. Este

intercambiodecalorpuederealizarseporradiacin,evaporacinyconduccin,siendoelflujonetode

calorqlasumaalgebraicadelosdiversosflujosdeenerga:

rad br cond evapQ Q Q Q Q (8)

dondeqrades laradiacinneta incidente(W/m2),quecomprende laradiacinsolardeondacortay la

radiacinatmosfricadeonda larga,qbres la radiacindeonda largaemitidaporelagua,qcondesel

calor transferido por conduccin entre el aire y el agua y qevap es la transferencia de energa por

evaporacin/condensacindelagua.A continuacin sedetalla cmo se calculane introducendichos

trminosenIber.

Figura

3.

Trminos

fuente

considerados

en

el

modelo

de

temperatura.

4.1.Radiacinnetaincidente

Elvalordelaradiacinnetaincidenteatravsdelasuperficiedelaguadebeimponerlodirectamenteel

usuario comodatodeentradaenW/m2

.Dicha radiacin comprende la radiacin solarnetadeondacortay laradiacinatmosfricanetadeonda largayessiempreunflujodecalorpositivo(aumenta la

temperaturadelamasadeagua).

4.2.Radiacindeondalargaemitidaporelagua

Laradiacindeondalargaemitidaporelagua(qbr)secalculaconlaLeydeStefanBoltzmann:

4

brq T (9)

dondeTeslatemperaturadelaguaengradosKelvin, eselfactordeemisividaddelagua(=0.97)y es

laconstantedeStefanBoltzmann(=5.66910

8

W/m

2

K

4

)


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4.3.Calortransferidoporconduccinentreelaireyelagua

Elcalortransferidoporconduccinsecalculamediantelasiguienteexpresin:

1 cond viento aireq c f(v )(T T ) (10)

dondeqcondeselcalortransferidoporconduccinentreelaireyelaguaexpresadoencal/cm2/d,c1esel

coeficiente de Bowen (=0.47 mmHg/C) (Chapra, 1997), f(vviento) es una funcin que define la

dependenciadelatransferenciadecalorconlavelocidaddelviento,TeslatemperaturadelaguayTaire

latemperaturadelaire.Lafuncinf(vviento) secalculaconlaformulacindeBradyetal.(1969)apartir

delavelocidaddelvientoenm/sa7mdealturacomo:

2719 0 95 viento viento mf(v ) . v (11)

4.4.Transferenciadeenergaenlaevaporacin/condensacindelagua

Latransferenciadeenergaenlaevaporacin/condensacinsecalculamediantelaleydeDalton:

2719 0 95

evap viento agua aire

viento viento m

q f(v )(e e )

f(v ) . v

(12)

dondeqevapeslaenergaempleadaporevaporacindelaguaexpresadaencal/cm2/d,eaguaeslapresin

devapordesaturacina latemperaturadelaguaenmmHg,yeairees lapresindevapordelaireen

mmHg.AmbaspresionesdevaporsecalculansegnRaudkivi(1979)como:

17 27

237 34 596 . T

. Taguae . e

17 27

237 34 596

aire

aire

. T

. Tairee humedad . e (13)

dondehumedadeslahumedadrelativadelaireentantoporuno.


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5.MATERIAORGNICACARBONOSA

Unode los principales consumos deloxgenodisueltoen una masade agua es la degradacinde la

materiaorgnicacarbonosa,habitualmentecaracterizadamedianteelparmetroDemandaBioqumica

de Oxgeno Carbonosa (DBOC). La DBOC se define como la cantidad de oxgeno que necesitan los

microorganismosparadegradarlamateriaorgnicacarbonosaexistenteenunagua.

Enel trmino fuentede laecuacinde conservacinde lademandabiolgicadeoxgeno carbonosa

(SDBOC)seconsideranlossiguientesprocesos:

Degradacindelamateriaorgnicacarbonosa

Sedimentacindelamateriaorgnicacarbonosa

EltrminofuenteSDBOCsepuedeescribircomo:

202

(T ) sDBOCDBOC dboc oxc

degradacinsedimentacin

vS k F DBOC DBOC

h

(14)

donde kdboc es la constante de degradacin de materia orgnica carbonosa, Foxc es el factor de

atenuacin debido a bajos niveles de oxgeno (adimensional), 2 es el coeficiente de correccin por

temperatura(3=1.047),vsDBOeslavelocidaddesedimentacin(convaloreshabitualesentre0.01y0.36

m/d)yheselcalado.

Laconstantededegradacindemateriaorgnicacarbonosakdbocesundatoaintroducirporelusuario.

Generalmente,sedeterminaapartirdeensayosencampooenlaboratorio,aunquetambinesposible

utilizarfrmulasempricasquecuantificankdboccomounafuncindelosparmetroshidrulicos.Varias

formulacionesdeestetipopuedenencontrarseenBowieetal.(1985).

Lavelocidaddelprocesodedegradacindelamateriaorgnicadependedeloxgenodisponible,porloqueseempleaelsiguientefactorcorrectorofactordeatenuacinFoxc:

oxcsocf

ODF

K OD

(15)

dondeKsocfes laconstantedesemisaturacinpara lacorreccindekdbocporconcentracionesbajasde

OD.ParaestaconstanteenIbersetomaelvalorde0.5mg/l.

Lavelocidaddesedimentacindebeserintroducidaporelusuario.


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6.NITRGENO

Enelciclodelnitrgenoseconsiderantrescompuestos:

nitrgenoorgnico(Norg)

nitrgenoamoniacal(NNH3)

nitratos/nitritos(NNO3)

El nitrgeno amoniacal incluye nitrgeno en forma de amoniaco (NH3) y de in amonio (NH4+). Los

nitritos ynitratos se considerande forma conjuntadebido a la rapidez con laque generalmente los

primerosseoxidananitratos.Pararealizarelbalancedelostrescompuestosanteriores,seconsideran

lossiguientesprocesos:

Hidrlisisdelnitrgenoorgnico(amonificacin)

Nitrificacindelamonio

Desnitrificacindelosnitratos

Sedimentacindelnitrgenoorgnico

Dichosprocesossemodelanmediantelasformulacionesquesedescribenacontinuacin.

6.1.Nitrgenoorgnico

Eltrminofuenteconsideradoenlaecuacindeconservacindemasadelnitrgenoorgnicosepuede

escribircomo:

204

(T ) sNNorg hn org org

hidrolisissedimentacin

(amonificacin)

vS k N Nh (16)

dondekhnes laconstantedehidrlisisdelnitrgenoorgnicoenamonioa20C,T latemperaturadel

agua enoC, Norg la concentracin de nitrgeno orgnico, VsN la velocidad de sedimentacin del

nitrgenoorgnico(convaloreshabitualesentre0.001y0.1m/d),heselcaladoy4eselcoeficientede

correccinportemperatura(4=1.047).

Lavelocidaddesedimentacindebeserintroducidaporelusuario.

6.2.NitrgenoamoniacalLosprocesosqueafectanalnitrgenoamoniacalsonelincrementodeconcentracinporlahidrlisisdel

nitrgenoorgnicoyladisminucindelamismaporlanitrificacin.Lanitrificacinsehaconsideradoen

sutotalidadincluyendoelpasodeamonioanitritosydeestosanitratos.

Eltrminofuenteconsideradoenlaecuacindeconservacindemasadelamonioresultaas:

20 204 4 3 4

(T ) (T )NH hn org nit n

nitrificacinhidrolisis(amonificacin)

S k N k F NH (17)

donde knit es la constante de nitrificacin a 20C, NH4 la concentracin de nitrgeno en forma

amoniacal,Fneselfactordeatenuacindebidoabajosnivelesdeoxgeno(adimensional)y3,4sonloscoeficientesdecorreccinportemperatura(3=1.083,4=1.047).


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La velocidad del proceso de nitrificacin depende del oxgeno disponible, por lo que se emplea el

siguientefactorcorrectorofactordeatenuacindebidoabajosnivelesdeoxgenoFn(adimensional):

1 2

n

n /

ODF

K OD

(18)

dondeKn1/2es laconstantede semisaturacinpara lacorreccindeknitporconcentracionesbajasde

OD.Paraestaconstantesetomaelvalorde0.5mg/l(OConnoretal.,1981).

6.3.Nitratos

Eltrminofuenteconsideradoenlaecuacindeconservacindemasadelosnitratossepuedeescribir

como:

20 203 3 53 3

(T ) (T )NO nit n denit dn

nitrificacin desnitrificacin

S k F NH k F NO (19)

dondekdenites laconstantededesnitrificacina20C,NO3 laconcentracindenitrgenoenformade

nitratos, 3y 5son loscoeficientesdecorreccinportemperatura(3=1.083, 5=1.045)yFdnelfactor

corrector para tener en cuenta que la desnitrificacin slo se produce en momentos de anoxia

(adimensional).LaformulacinempleadaparacalcularelfactorcorrectorporoxgenoFdneslasiguiente:

1 2

1 2

dn /dn

dn /

KF

K OD

(20)

dondeKdn1/2 es laconstantedesemisaturacinpara lacorreccindekdesnitrifporconcentracionesaltas

deOD.Paraestaconstantesetomaelvalorde0.1mg/l(OConnoretal.,1981).


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7.OXGENODISUELTO

Todos losorganismosvivosdependendeloxgenoen losprocesosmetablicosqueproducenenerga

para el crecimiento y reproduccin. Las bajas concentraciones del oxgeno disuelto producen

desequilibriosenelecosistemaacutico, loquesetraduceenunaumentode lamortalidadentre los

pecesylaaparicindeolores,deteriorosestticos,etc.Porello,estecomponentehasidoconsiderado

tradicionalmentecomoelprincipalindicadordelasaluddeunsistemanatural.

En el trmino fuente de la ecuacin de conservacin del oxgeno disuelto (SOD) se consideran los

siguientesprocesosdegeneracin/prdidadeoxgenodisuelto:

Reaireacinsuperficial

Consumodeoxgenodisueltoenelprocesodedegradacinbioqumicade lamateriaorgnica

carbonosa

Consumodeoxgenodisueltoenelprocesodenitrificacin

Demandadeoxgenodelsedimento

Eltrminoreactivoenlaecuacindetransportecorrespondientesecalculacomo:

20 201 2

203 4

(T ) (T ) dosOD aire sat dboc oxc

reaireacin degradacion DBOC

(T )a nit n

nitrificacin

kS k (OD OD) k F DBOC

h

r k F NH

(21)

dondeODes laconcentracindeoxgenodisuelto,kairees laconstantede reaireacina20C,T es la

temperaturadelaguaenoC,ODsatlaconcentracindesaturacindeoxgenodisuelto,kdboclaconstante

dedegradacindemateriaorgnicacarbonosa,Foxceselfactordeatenuacindebidoabajosnivelesde

oxgeno,kdoseslatasadedemandadeoxgenodelsedimento,rarepresentaelconsumodeoxgenopor

oxidacindelamonioenelprocesodenitrificacion,knites laconstantedenitrificacina20C,Fnesel

factordeatenuacindebidoabajosnivelesdeoxgenoy elcoeficientedecorreccinportemperatura

(1=1.0238,2=1.047,3=1.083).

7.1.Reaireacin

Laprdidaoincrementodeoxgenodisueltoporreaireacinsuperficialsedescribeconunacinticade

primerorden.Seconsideraque lavariacinde laconcentracinesproporcionalaldficitdeoxgeno

disuelto, es decir, a la diferencia entre el nivel de saturacin de oxgeno disuelto ODsat y su estadoactual.

Laconcentracindeoxgenodisueltoensaturacindependefundamentalmentedelatemperaturadel

agua,de lasalinidadyde lapresinatmosfrica,considerndoseestastresvariablesenelmodelo.La

saturacindeoxgenodisueltoseestimaapartirdelatemperaturadelaguaysusalinidadutilizandola

siguienteecuacin(APHA1995):

5 7

2

10 112

3 4 2

1 575701 10 6 642308 100 139 34411

1 243800 10 8 621949 10 10 754 2140 71 764 10

sat

. .ln OD (T,S, ) .

T T

. . . .S .

TT T T

(22)


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dondeODsat(T,S,0)eslaconcentracindesaturacindeoxgenodisueltoenmg/lalatemperaturaTen

Kelvin,conunasalinidaddelaguaSenkg/m3yalniveldelmar.

Elefectodelaaltitudsobreelniveldelmarsetieneencuentaconlasiguienteecuacin:

0 1 0 0001148 sat satOD (T,S,z) OD (T,S, ) ( . z) (23)siendozlaaltitudsobreelniveldelmarenmetros.

La constante de reaireacin kaire se calcula en funcin del calado (h), la velocidad del agua (U) y la

velocidaddelviento(Vviento)segnlasiguienteecuacin:

airewaire aireh

kk k

h (24)

siendokairehlaconstantedereaireacina20Cbasadaenlascaractersticashidrulicasdelro(velocidad

yprofundidad)ykairewelcoeficientedereaireacinenfuncindelavelocidaddelviento.

La influencia del calado (h) y de la velocidad del agua (U) se incorpora mediante la constante kaireh

siguiendoelmtododeCovar(1976):

Silaprofundidadh0,61mseutilizalafrmuladeOwensGibbs(Owensetal.,1964):

0 67

1 8520 5 32

.

aireh .

Uk ( ) .

h (25)

Sih>0,61yh>3,45*U2.5

seutilizalafrmuladeOConnorDobbins(OConnoryDobbins,1958):

0 5

1 520 3 93

.

aireh .

Uk ( ) .

h (26)

EnotrocasoseemplealafrmuladeChurchill(Churchiletal.,1962):

1 6720 5 026aireh .

Uk ( ) .

h (27)

Figura4.Tasadereaireacinkaireh(d1)versusprofundidadyvelocidad(Covar,1976).

Para incorporar losefectosdelvientoa latasade reaireacinseemplea la frmuladeBanksHerrera

(Banks1975,BanksandHerrera1977):

0.1

1

10

Depth(m)

0.1 1

Velocity (mps)

Owens

Gibbs

10

100

OConnor

Dobbins

0.1

1

0.2

0.5

C

hurchill

0.05

2

20

50

5


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Pg.14de21

0 5 210 10 100 728 0 317 0 0372

.airew viento viento vientok . v . v . v (28)

dondeVviento10eslavelocidaddelvientomedidaa10metrossobreelniveldelagua.

7.2.Degradacindelamateriaorgnicacarbonosa

Esteprocesoyahasidocomentadoenlaseccin5.

7.3.Demandadeoxgenoporelsedimento

Elvertidoenelmedioacuticodeaguasresidualesconcomponentesorgnicossedimentables,puede

provocareldepsitodestosenelfondo,formandobancosdesedimentosdeespesorvariablesegn

las cantidades vertidas y las condiciones hidrodinmicas locales. En las capas superficiales de dichos

sedimentostienelugarunadescomposicinaerbica,consumiendoeloxgenodisueltodelasaguascon

lasque

tienen

contacto.

Los sedimentosdeorigenorgnicoen los fondos sepuedenproducir tambinpor laacumulacinde

restosdeorganismosacuticos,odedetritostransportadospor laescorrentasuperficialy losros.De

estamanera,segn lascondiciones locales, losfondospuedentenerzonasconespesores importantes

de materia orgnica sedimentada, en sitios donde las aguas estn casi estancadas y las cargas de

vertidos de aguas residuales son considerables, con el consiguiente incremento de la demanda de

oxgeno por sedimentos, mientras que, en otras zonas de buena renovacin y sin vertidos, los

sedimentosdeorigenorgnicopuedenestarausentes.En laTabla1 sepresentan los rangosdeDOS

sugeridosporThomann(1972)enfuncindeltipodeambiente.

Tabla1.Valoresdelademandadeoxgenoporelsedimentosegneltipodefondo(Thomann,1972).

Tipodefondokdos(gO2/m

2/d)

Rango Media

Fangosdeorigenurbano(recientes) 2.010.0 4.0

Fangosdeorigenurbano(antiguos) 1.02.0 1.5

Fangosenestuarios 1.02.0 1.5

Suelosarenosos 0.21.0 0.5

Suelosminerales 0.050.1 0.07

Lademandadeoxgenoporelsedimentosecalculamediantelasiguienteecuacin:

dosk

DOSh

(29)

dondekdoseslatasadedemandadeoxgenoporelsedimentoyheselcalado.

7.4.Consumodeoxgenoenelprocesodenitrificacin

Lanitrificacinesunprocesoendosfasesmedianteelcualloscompuestosamoniacalessetransforman

enprimerlugarennitritosyposteriormenteennitratos.Laprimerafasedeoxidacinesrealizadopor

bacteriasnitrosomonassegnlareaccinqumica:

4 2+

2 2NH + 1.5O NO + H O + 2H (30)


16/21


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Enesteprocesodeoxidacinseconsumen3.43gdeoxgenoporcadagramodenitrgenoamoniacal.

Durantelasegundafase,lasbacteriasdenominadasnitrobacteroxidanlosnitritosanitratos:

2 3

1

2

2NO + O NO (31)

Enestesegundafaseseconsumen1.14gdeoxgenoporcadagramodenitrgenoenformadenitritos.

Sisecombinanlasdosreacciones,laoxidacincompletadelamonioanitratospuederepresentarsepor:

4 3+

2 2NH + 2O NO + H O + 2H (32)

siendonecesariosuntotalde4.57gdeoxgenoparalacompletaoxidacindecadagramodenitrgeno

amoniacal.

EnIberlanitrificacinseconsideraensutotalidadincluyendoelpasodeamonioanitritosydestosa

nitratos.Elconsumodeoxgenodebidoalprocesodenitrificacinse incorporamedianteelsiguiente

trminoreactivoenlaecuacindeoxgenodisuelto:

203 4

(T )OD a nit nS r k F NH (33)

donderaeselconsumodeoxgenoporoxidacindelamonio(4.57mgO/mgN),kniteslaconstantede

nitrificacina20C,Fneselfactordeatenuacindebidoabajosnivelesdeoxgeno(adimensional)y 3

eselcoeficientedecorreccinportemperatura(3=1.083).


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8.ESCHERICHIACOLI

La bacteria Escherichia Coli (E. Coli) es un contaminante tpico de los vertidos de aguas residuales

urbanas. La evolucin de estas poblaciones bacterianas depende de factores fsicos, ecolgicos y

biolgicos.Lainactivacindedichaspoblacionesbacterianasseproducecomoconsecuenciadelefecto

combinadodefactoresnaturales,talescomolaradiacinsolar,lasalinidadolatemperatura.

El trmino fuente de la ecuacin de conservacin de E. Coli (SC) modela el proceso de desaparicin

bacterianamedianteunareaccincinticadeprimerordendefinidacomo:

C decS k C (34)

dondekdeceslaconstantededesaparicinbacterianayCeslaconcentracindeE.Coli.

Esmuy

habitual

emplear

elconcepto

de

T90

en

lugar

de

laconstante

kdec.

Elvalor

de

T90

representa

el

tiemponecesarioparaqueseproduzcaunareduccindel90%enelnmerodebacterias,porloquela

relacinentrelosvaloresdeT90ykdecpuedeestablecersecomo:

90

10 2 303

dec dec

ln .T

k k (35)

ElvalordelT90puedeintroducirsedirectamenteporelusuarioocalcularsepormediodealgunodelos2

modelossiguiente:

modelodeMancini(1978)

modelodeCanteras(1995)

LaformulacindeManicnitieneencuenta la influenciade laradiacinsolar, lasalinidaddelaguay la

temperaturadelaguaenladesaparicindeE.Coli,segnlasiguienteecuacin:

20 00 8 0 02 1 07 0 086 1 e c( k H )(T )dece c

Ik . . S . . ( e )

k H (36)

dondekdeceslatasadedesaparicinendas1

,Seslasalinidadenkg/m3,Teslatemperaturaen

oC,I0es

laradiacinsolarensuperficieenW/m2,keeselcoeficientedeextincindelaluzenelaguaenm

1yHc

eslaprofundidaddelacapaverticalenlaqueseextiendenloscoliformesenm.Apesardetratarsede

un modelo 2D de aguas someras, la introduccin del parmetro Hc permite considerar una posible

estratificacindelacapaenlaqueseextiendenloscoliformesmedianteelparmetroHc,max:

c c,maxH min(h,H ) (37)

dondeHc,maxes laprofundidadmximade lacapaen laqueseextienden loscoliformes,quedebeser

introducidaporelusuario,yheselcalado.Enunestuarioconmezclacompletaenlavertical,elvalorde

Hc,maxesmsgrandequeelcaladoy,por tanto,Hc=h.EnestuariosestratificadoselvalordeHcpuede

estarlimitadobienporelcaladoobienporlaprofundidaddeestratificacin.

ElmodelodeCanterashasidocalibradocondatosobtenidosenelMarCantbrico.Laecuacinquese

formulaparalaconstantededesaparicinbacterianaeslasiguiente:

20 02 533 1 040 1 012 0 113 1 e c( k H )(T ) Sdec

e c

Ik . . . . ( e )

k H (38)


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donde T es la temperatura del aguaoC, S es la salinidad en kg/m

3, I0 es la intensidad de la luz en

superficie (W/m2),keeselcoeficientedeextincinde la luzenm

1yHces laprofundidadde lacapa

verticalenlaqueseextiendenloscoliformesenm.


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9.CONSTANTESDELMODELO

Tabla2.Constantesqueintervienenenlosmdulosdecalidaddeaguas,referenciadasenlasformulacionespresentadasenestemanual.Losvaloresmnimosymximosindicadosson

simplementerecomendaciones.Lavariable representalacorreccinportemperaturadelasconstantescinticas.

Constante Proceso Unidades Mnimo Mximo

knit Nitrificacin 1/day 0.01 1 1.083

khn Amonificacin 1/day 0.02 0.4 1.047

kdenit Desnitrificacin 1/day 0.001 0.1 1.045

kdboc DegradacinMOC 1/day 0.02 3.4 1.047

kaire Reaireacin 1/day Covar(1976) 1.024

VsDBOC Sediment.MOC m/day 0.01 0.36

kdos DemandaODsedimento kg/m2/day 0 0.01

VsN Sediment.Norgnico m/day 0.001 0.1

kdec Desaparicinbacteriana 1/day Mancini/Canteras


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10.REFERENCIASBIBLIOGRFICAS

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