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C7 modelacion de calidad del agua

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C7 modelacion de calidad del agua

  1. 1. VII – Fundamentos Modelación de Calidad de Agua Curso WaterCAD/GEMS Página 1 © 2008 Bentley Systems, Incorporated Modelación de Parámetros de Calidad del Agua Teoría de Modelación de la Calidad del Agua en Redes de Distribución 2 © 2008 Bentley Systems, Incorporated 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
  2. 2. VII – Fundamentos Modelación de Calidad de Agua Curso WaterCAD/GEMS Página 2 3 © 2008 Bentley Systems, Incorporated 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 4 © 2008 Bentley Systems, Incorporated 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
  3. 3. VII – Fundamentos Modelación de Calidad de Agua Curso WaterCAD/GEMS Página 3 5 © 2008 Bentley Systems, Incorporated 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 6 © 2008 Bentley Systems, Incorporated 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
  4. 4. VII – Fundamentos Modelación de Calidad de Agua Curso WaterCAD/GEMS Página 4 7 © 2008 Bentley Systems, Incorporated Modelación Hidráulica y de Calidad de Agua MODELO HIDRÁULICO CALIBRADO MODELO DE CALIDAD DE AGUA Flujos y velocidades Resultados de la Calidad de Agua 8 © 2008 Bentley Systems, Incorporated Tipos de Modelación de Calidad de Agua • Rastreo de fuente • Edad del Agua • Constituyentes
  5. 5. VII – Fundamentos Modelación de Calidad de Agua Curso WaterCAD/GEMS Página 5 9 © 2008 Bentley Systems, Incorporated Rastreo de Fuente %deagua delafuenteA %deagua delafuenteB tiempo 0 100 tiempo 0 100 10 © 2008 Bentley Systems, Incorporated 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
  6. 6. VII – Fundamentos Modelación de Calidad de Agua Curso WaterCAD/GEMS Página 6 11 © 2008 Bentley Systems, Incorporated 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 12 © 2008 Bentley Systems, Incorporated 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
  7. 7. VII – Fundamentos Modelación de Calidad de Agua Curso WaterCAD/GEMS Página 7 13 © 2008 Bentley Systems, Incorporated 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 14 © 2008 Bentley Systems, Incorporated 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/día Media vida = 1.4 días
  8. 8. VII – Fundamentos Modelación de Calidad de Agua Curso WaterCAD/GEMS Página 8 15 © 2008 Bentley Systems, Incorporated 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 16 © 2008 Bentley Systems, Incorporated 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
  9. 9. VII – Fundamentos Modelación de Calidad de Agua Curso WaterCAD/GEMS Página 9 17 © 2008 Bentley Systems, Incorporated 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 18 © 2008 Bentley Systems, Incorporated Conservación de Masa Nodal Mezcla 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
  10. 10. VII – Fundamentos Modelación de Calidad de Agua Curso WaterCAD/GEMS Página 10 19 © 2008 Bentley Systems, Incorporated 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 20 © 2008 Bentley Systems, Incorporated 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
  11. 11. VII – Fundamentos Modelación de Calidad de Agua Curso WaterCAD/GEMS Página 11 21 © 2008 Bentley Systems, Incorporated Perspectiva de Modelación  Euleriana Observador fijo, grilla dividida en partes iguales  Lagrangiana Observador se mueve con el flujo 22 © 2008 Bentley Systems, Incorporated 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
  12. 12. VII – Fundamentos Modelación de Calidad de Agua Curso WaterCAD/GEMS Página 12 23 © 2008 Bentley Systems, Incorporated 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). 24 © 2008 Bentley Systems, Incorporated 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 NO Resultados
  13. 13. VII – Fundamentos Modelación de Calidad de Agua Curso WaterCAD/GEMS Página 13 25 © 2008 Bentley Systems, Incorporated 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 26 © 2008 Bentley Systems, Incorporated 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
  14. 14. VII – Fundamentos Modelación de Calidad de Agua Curso WaterCAD/GEMS Página 14 27 © 2008 Bentley Systems, Incorporated 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 28 © 2008 Bentley Systems, Incorporated 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
  15. 15. VII – Fundamentos Modelación de Calidad de Agua Curso WaterCAD/GEMS Página 15 29 © 2008 Bentley Systems, Incorporated 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) 30 © 2008 Bentley Systems, Incorporated 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
  16. 16. VII – Fundamentos Modelación de Calidad de Agua Curso WaterCAD/GEMS Página 16 31 © 2008 Bentley Systems, Incorporated 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. 32 © 2008 Bentley Systems, Incorporated 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
  17. 17. VII – Fundamentos Modelación de Calidad de Agua Curso WaterCAD/GEMS Página 17 33 © 2008 Bentley Systems, Incorporated Mezcla Potencial / Problemas de Estratificación Entradas en Tangentes Tuberías Verticales Deflectores Palas Complejas Diferencias en Temperaturas Ttanque Tinflujo Entradas de Diámetros Grandes 34 © 2008 Bentley Systems, Incorporated - Mezcla completa - First In First Out (FIFO) - Last In First Out (LIFO) - 2 compartimientos Modelos de Mezcla en Tanques
  18. 18. VII – Fundamentos Modelación de Calidad de Agua Curso WaterCAD/GEMS Página 18 35 © 2008 Bentley Systems, Incorporated Calculated Concentration versus Tim e Tank: T-1 Time (hr) (mg/l) CalculatedConcentration 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 0.0 16.0 32.0 48.0 64.0 80.0 96.0 T -1C l-C M T -1C l-LIF O T -1C l-FIFO T -1C l-2C Modelos de Mezcla en Tanques 36 © 2008 Bentley Systems, Incorporated 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
  19. 19. VII – Fundamentos Modelación de Calidad de Agua Curso WaterCAD/GEMS Página 19 37 © 2008 Bentley Systems, Incorporated 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 38 © 2008 Bentley Systems, Incorporated 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
  20. 20. VII – Fundamentos Modelación de Calidad de Agua Curso WaterCAD/GEMS Página 20 39 © 2008 Bentley Systems, Incorporated 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 40 © 2008 Bentley Systems, Incorporated 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., Bacillus anthracis) • Sustancias virales (i.e., Rotaviruses, Ebola) • Protozoos (i.e., Cryptosporidium parvum) • Químicos Intoxicantes Industriales (i.e., Cyanide) • Materiales Radiactivos
  21. 21. VII – Fundamentos Modelación de Calidad de Agua Curso WaterCAD/GEMS Página 21 41 © 2008 Bentley Systems, Incorporated Puntos de Entrada para Contaminantes Fuentes - Planta - Pozos Tanque y Reservorios Estaciones de Bombeos Hidrantes Edificios 42 © 2008 Bentley Systems, Incorporated 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?
  22. 22. VII – Fundamentos Modelación de Calidad de Agua Curso WaterCAD/GEMS Página 22 43 © 2008 Bentley Systems, Incorporated 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 © 2008 Bentley Systems, Incorporated Taller 5 Análisis de Calidad del Agua usando WaterCAD/GEMS

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