modelación de la calidad de la escorrentía usando epa swmm 5.0 rodrigo concha, manuel gómez grupo...

Modelación de la Calidad de la escorrentía usando EPA SWMM

5.0

Rodrigo Concha, Manuel GómezGrupo de Investigación FLUMEN UPC

Introducción

Efectos de la lluvia caída en medio urbano

Problemas de cantidad

Problemas de calidad del agua en la red y del medio receptor

Problemas de cantidad

El primer objeto de atención, evitar los problemas de inundación

Problemas de calidad

Vertido en tiempo de lluvia, desde redes unitarias y redes separativas

Presencia de una carga contaminante no despreciable

Contaminación, aceptable o no, sobre el medio receptor

ParámetroAgua residual

Urbana (mg/l)

Escorrentia superficial urbana (mg/l)

SS 220 190

DBO5 220 11

DQO 500 85

N amoniacal 25 1,45

N total 40 3,2

P total 8 0,34

Plomo 0,11 0,21

Zinc 0,43 0,30

Aceites 100 0,4

CF (Nº/100 ml) 106-107 6430

Comparación de las concentraciones de agua residual y escorrentía superficial según Suárez , 1994.

Red Separativa

Red separativa tradicional: - envía la escorrentía y la carga contaminante asociada, de forma directa al medio receptor

35%EVAPOTRANSP.

Red Unitaria

Red unitaria tradicional:

- se producen reboses, alivios o descargas de sistemas unitarios (DSU) al medio receptor, en tiempo de lluvia

- aportación de una carga contaminante del agua residual y de la contaminación arrastrada por la escorrentía, al medio receptor

Determinación de la carga contaminante

de las aguas residuales

Caracterización local, con datos de la EDAR en tiempo seco

Datos de caudal y carga contaminante (DQO, DBO5, SS, etc) de entrada en la EDAR

Definir valores medios de concentración de contaminantes en tiempo seco

Introducción de la carga contaminante de

aguas residuales en EPA SWMM 5.0 Procedimiento similar

al ingreso del flujo de residuales en SWMM 5.0 (External Inflows)

Definir contaminantes (Pollutant editor)

Agregar contaminante al flujo residual (valor medio obtenido)

Patrón de variación del contaminante (horario, diario, mensual)

Carga contaminante asociada a las aguas pluviales

Procesos asociados a la aportación de cargacontaminante en la escorrentía: Acumulación de contaminantes sobre la

superficie de la cuenca en tiempo seco Lavado y arrastre de los contaminantes

desde la cuenca durante eventos de precipitación

Transporte de los contaminantes en la red de alcantarillado

Acumulación de carga contaminante

en tiempo seco (build up) Fuente de la carga

contaminante de la escorrentía superficial

En general, se llega a un valor máximo en el tiempo, para un tipo de uso de suelo en particular

Tasa de eliminación se aproxima a la tasa de deposición con el transcurso del tiempo seco

condición estática Diferentes formulaciones

para representar este proceso

Formulaciones para la acumulación

de carga contaminante (build up)

Ecuaciones tipo: Lineal

Potencial

Exponencial

Michaelis – Menton

Lavado y arrastre de los contaminantes (washoff)

Arrastre por la precipitación

Diversas formulaciones para representar este proceso

Cálculo de W (carga remanente de contaminante en la cuenca)

Por diferencia entre M y W, evalúa el material arrastrado

Formulaciones para el lavado y arrastre

de carga contaminante (washoff)

Ecuaciones tipo:

Exponencial

Curva de flujo

Concentración media de suceso (Event Mean Concentration EMC)

·B·qCW 2C1

2C1·QCW

·QCW 1

FUNCIÓ POTENCIAL

W=C1qC2B ; B=10 kg; q=2 mm/h

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

35.0

40.0

45.0

50.0

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Temps (h)

Co

nta

min

ant

rem

anen

t (k

g)

C1=0.1;C2=0.1 C1=0.2;C2=0.1 C1=0.1;C2=0.2 C1=0.2;C2=0.2

FUNCIÓ FLUX ARRASTRAMENT

W=C1QC2 ; Q=2 l/h

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

12.0

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Temps (h)

Co

nta

min

ant

rem

anen

t (k

g)

C1=0.1;C2=0.1 C1=0.2;C2=0.1 C1=0.1;C2=0.2 C1=0.2;C2=0.2

Transporte de contaminantes a través de la red

Traslado de carga contaminante en la red de alcantarillado

Concentraciones varían temporalmente C(t)

Obtención de los polutogramas (gráficos C(t) v/s t)

Formulación de tanque de mezcla completa (CSTR) para resolver ecuación de masas

Resolución utilizando valores promedios en cada paso de tiempo

KVCQCCQdt

dVCii

)1()(

.)( tK

V

Q

i

itK

V

Qttt

ii

eQ

meCC

donde V: volumen; C: concentración de salida; Ci: concentración de entrada; Qi: caudal de entrada; Q: caudal de salida; K: coeficiente de primer grado de decrecimiento; mi: flujo másico de entrada; ∆t: intervalo de tiempo

Modelo de calidad de la escorrentía en EPA SWMM 5.0

EPA SWMM 5.0 considera los procesos de Buildup, Washoff y transporte de contaminantes en la red

En primer lugar, definir contaminantes (Pollutant editor)

Definir Land Uses, para considerar la variación espacial de los procesos de acumulación y lavado/arrastre

Proceso de barrido de calles incorporado (Street sweeping)

Reducción de carga acumulada

Buildup:

- Power function

- Exponential function

- Saturation function (Michaelis-Menton)


Washoff:

- Exponential washoff

- Rating curve washoff

- Event Mean Concentration

Definir % de Land Uses en cada elemento de subcuenca

Alternativamente, seleccionar acumulación inicial o días previos sin lluvia

Verificar que se modelará la propagación de los contaminantes


Parámetros de las ecuaciones que describen los procesos de calidad de la escorrentía deben ser determinados CON DATOS DE CAMPO

Datos de campo: lluvias, caudales, y concentraciones de contaminantes

Medir en:

- Cuencas dentro de la red

- Entrada de EDAR Sin estos datos, es

imposible construir un modelo FIABLE, en términos de calidad, de nuestra cuenca

Proceso de calibración y validación

·B·qCW 2C1

¿Valores numéricos?


Modelación de otras cargas contaminantes asociadas a la carga sólida total en suspensión

Por ejemplo, fracción de DBO5 asignada a SST:

Concentraciones medidas de ambos (o más) contaminantes

5 / 14.5%DBO SST

Ejemplo: estudio de vertidos en Granollers

Vertidos en tiempo de lluvia al río Congost

Objetivo: evaluar el efecto de los vertidos sobre el medio receptor

Sistema de saneamiento de Granollers: Población total: 85.612

hab-equ./1.290 Industrias. Sistema unitario con 22 km de

longitud. Secciones: Desde 200 mm hasta

1.300 mm de diámetro. 406 pozos de la red de

saneamiento y 78 aliviaderos. 115 subcuencas, 1.737 Ha (31%

Impermeable). Qresidual: 165 l/hab/dia.

Construcción, calibración y validación del modelo de calidad Modelo de calidad

Tasa de acumulación Lavado y arrastre de superficie

Calibración y validación con datos de SS (datos horarios) a la entrada de la EDAR durante episodios de lluvia registrados


·B·qCW 2C1

Parámetros de ajuste

Acumulación: a=150 Kg/Ha; b=2.5 días

Lavado y arrastre: C1= 0.072; C2= 2.5

Resultados de la calibración

Pluja del 7 de novembre de 2002

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0:00:00 4:48:00 9:36:00 14:24:00 19:12:00 0:00:00

Hores

Co

nce

ntr

ació

SS

(m

g/l)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

cab

al (

l/s)

Sòlids suspesos calculats Solids suspesos mesurats Cabal

Pluja del 15 d'octubre de 2003

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0:00:00 4:48:00 9:36:00 14:24:00 19:12:00 0:00:00

Hores

Co

nce

ntr

ació

SS

(m

g/l)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

cab

al (

l/s)



Pluja del 22 d'abril de 2004

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0:00:00 4:48:00 9:36:00 14:24:00 19:12:00 0:00:00

Hores

Co

nce

ntr

ació

SS

(m

g/l)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

cab

al (

l/s)


Resultados de la validación

Pluja del 14 de novembre de 2002

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0:00:00 4:48:00 9:36:00 14:24:00 19:12:00 0:00:00

Hores

Co

nce

ntr

ació

SS

(m

g/l)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

cab

al (

l/s)


Pluja del 10 d'abril de 2002

0

500

1000

1500

2000

2500

0:00:00 4:48:00 9:36:00 14:24:00 19:12:00 0:00:00

Hores

Co

nce

ntr

ació

SS

(m

g/l)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

cab

al (

l/s)



Actuaciones ante el problema de los CSO

Posibilidad de almacenar volúmenes de escorrentía antes del vertido

Almacenamiento dentro de la redAlmacenamiento dentro de la red

Almacenamiento en depósitosAlmacenamiento en depósitos

Almacenamiento en la red

Construcción de colectores específicos de almacenamiento

Almacenamiento en la misma red, aprovechando el volumen existente

Almacenamiento en la red

Almacenamiento en depósitos

Depósitos en línea o en paralelo, para recoger la primera escorrentía

Ejemplo: estudio de depósito antiDSU en la

ciudad de ReusANTECEDENTES Problemas de contaminación en cauces naturales y en la

costa asociados a vertidos desde la red de alcantarillado en tiempo de lluvia

Problemas derivados de aportaciones de los barrancos de cabecera en el caso de Reus

Esquema Reus-barranco del Escorial-

barranco de Barenys-SalouProblemática: vertidos al barranco del Escorial desde la red de alcantarillado de Reus en tiempo de lluvia

Vertido desde la red de

alcantarilladoFlujo desde EDAR

Mezcla hacia el barranco de Mas

Calvo

Modelo numérico de la red de drenaje de Reus

Construido en EPA SWMM 5.0

Modelo de la red en términos de cantidad (caudales, volúmenes) y calidad del flujo (carga contaminante)

Incorporación datos antiguos y futuras obras

Diagnostico de la red para periodos de retorno de 2, 5 y 10 años

Modelo de calidad de Reus

Sobre el modelo de la red, se modelan los procesos acumulación de carga

contaminante lavado / arrastre por la lluvia

(washoff)

Parámetros extraídos de cuencas urbanas similares (Granollers)

Componente de agua residual caracterizada con datos de la EDAR de Reus (año 2008)

Permite obtener polutogramas en cualquier punto de la red, en particular de los puntos de vertido

Propuesta de depósito

Características básicas Área en planta: 5800 m2 Vertedero de salida, cota labio: 70.5 m Profundidad: 7.0 m (solera a 64.5 m) Obras auxiliares:

Conexiones de entrada Bombeo a EDAR

Comportamiento del depósito: simulación continuada en

SWMM 5.0

Serie anual de lluvias Considerar evaporación en

subcuencas Uso de herramienta

estadística de EPA SWMM 5.0

Proceso de mezcla y sedimentación en el depósito (como en tanques de decantación, penalizados con un factor de seguridad)

Sin depósito Con depósito

Nº de eventos de precipitación

71 71

Nº de eventos de vertido

41 17

Total anual de volumen vertido

2.022.637 m3

1.469.977 m3

Total anual de masa vertida (SS)

633.635 Kg 25.730 Kg

Resumen y conclusiones

EPA SWMM 5.0 modela los procesos de acumulación, lavado y arrastre de carga contaminante en la cuenca

Propagación de la carga contaminante en la red de alcantarillado (polutogramas)

Se necesitan datos de campo (precipitaciones, concentraciones, caudales) para calibrar y validar un modelo de calidad

Evaluación del sistema de drenaje en términos de simulaciones continuadas (uso de series anuales de precipitación)

modelación de la calidad de la escorrentía usando epa swmm 5.0 rodrigo concha, manuel gómez grupo...

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