C7 modelacion de calidad del agua

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

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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
%deagua
delafuenteA
%deagua
delafuenteB
tiempo
0
100
tiempo
0
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/día
Media 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 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

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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
NO
Resultados

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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 Verticales
Deflectores
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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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
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., Bacillus
anthracis)
• 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 5
Análisis de Calidad del Agua
usando WaterCAD/GEMS

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