| AGUAS SUPERFICIALES-APLICACION DEL MODELO WASP5
Este modelo permite predecir respuestas en la calidad del agua ante fenómenos naturales o eventos de polución causados por actividades humanas. Para ello utiliza subrutinas predefinidas que representan distintos tipos de procesos de calidad del agua (cinéticas, estructuras de reactividad, etc.). El programa WASP5 incluye dos subrutinas: TOXI5, para productos tóxicos, y EUTRO5, para situaciones convencionales. Otros módulos pueden ser desarrollados por el usuario. Esta característica le otorga al modelo una gran flexibilidad para su aplicación.
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| Visión General del Modelo
El sistema WASP5 está conformado por 2 programas independientes y que pueden ejecutarse en conjunto o separadamente. El primer programa, DYNHYD5, modela el comportamiento hidrodinámico del agua, mientras que el segundo, el WASP5 propiamente tal, simula el movimiento e interacción de los contaminantes dentro del fluido.
Se debe destacar que es posible utilizar otros programas, distintos al DYNHYD5, en conjunto con el WASP5.
Como ya se mencionó, el programa WASP5 incluye dos subrutinas:
- TOXI5, para productos tóxicos (químicos orgánicos, metales y sedimentos); y
- EUTRO5, para situaciones convencionales de polución (OD, DBO, nutrientes y eutroficación).
Para el caso de sustancias que no presentan interacciones cinéticas, se utiliza el módulo TOXI5 especificando decaimiento nulo.
Las modelaciones realizadas por el sistema se basan en los principios de balance de masa y, en el caso del programa hidrodinámico, en la conservación de momentum o energía, a través del tiempo y del espacio.
Balance de Masa
El balance de masa aplicado a un volumen de control debe considerar todo material que ingresa y abandona al sistema, por carga directa o difusa, por dispersión, y por transformación física, química y biológica. Considerando un sistema de ejes cartesiano tridimensional, en el cual los ejes x e y se ubican sobre el plano horizontal y el eje z se ubica en el plano vertical, la siguiente ecuación representa el balance de masa para un volumen infinitesimal de fluido:
donde:
- C: Concentración del compuesto en el agua (mg/l o g/m³)
- t: Tiempo (días)
- Ux, Uy, Uz: Velocidades advectivas longitudinales, laterales y verticales, m/día
- Ex, Ey, Ez: Coeficientes de difusión longitudinales, laterales y verticales, m²/día
- SL: Tasa de carga directa y difusa, g/m³ día
- SB: Tasa de carga en la condición de borde (aguas arriba y abajo, atmosférica, bentónica, etc.), g/m³ día
- SK: Tasa de transformación cinética, positiva si es fuente, negativa si es sumidero, g/m³ día
Asumiendo homogeneidad vertical y lateral, al integrar la ecuación anterior en las variables z e y, se obtiene:
donde:
- A: Area de la sección transversal, m²
En esta ecuación se aprecian los tres principales tipos de procesos involucrados en la calidad del agua: transporte (1er y 2 do términos), carga (3er término) y transformación (4o término).
Utilizando volúmenes de control expandidos o segmentos, se representa la configuración del cuerpo de agua de interés. Este puede ser subdividido en sentido lateral, longitudinal y vertical. Dentro de cada segmento se calcula la concentración de las sustancias analizadas, y las tasas de transporte son determinadas en la interface de segmentos consecutivos. El modelo WASP5 requiere especificar el tipo de segmento de acuerdo a cuatro categorías:
- 1. epilimnion (agua superficial)
- 2. hipolimnion (agua subsuperficial)
- 3. capas bentónicas superiores
- 4. capas bentónicas inferiores
El tamaño (y por tanto el número) de los segmentos se determina en función de la escala espacial y temporal del problema a analizar, y no de acuerdo a las características del cuerpo de agua o del contaminante en sí. Al aumentar el número de segmentos aumenta también el tiempo necesario para completar la simulación.
El Modelo de Transporte
El modelo incluye advección y dispersión de los constituyentes de la calidad del agua. Ambos mecanismos están divididos en seis tipos, o campos de flujo. El primero incluye el flujo advectivo y la mezcla dispersiva en la columna de agua. Los componentes de calidad del agua son movilizados por el flujo advectivo "aguas abajo" con el agua, generando dilución dentro de la corriente. La dispersión aumenta la mezcla y dilución entre regiones con diferentes concentraciones.
El segundo campo contempla el movimiento de agua capilar en el lecho de sedimentos. Los componentes disueltos del agua son transportados a través del lecho e intercambiados entre el lecho y la columna de agua.
El tercer, cuarto y quinto campos corresponden al transporte de partículas por medio de la decantación, resuspensión y sedimentación de sólidos
El sexto campo representa la evaporación o precipitación desde o hacia los segmentos de agua superficial.
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| TRANSPORTE DE TRAZADORES QUIMICOS
Un trazador químico es una sustancia no reactiva que es transportada pasivamente a través de un cuerpo de agua (por ej. sales, cloruros). Este caso de análisis es el más simple por lo que permite introducir los aspectos básicos del programa y que se aplican a todos los casos específicos que serán analizados posteriormente.
Un trazador puede ser simulado utilizando el programa TOXI5. Este módulo puede simular el transporte y transformación de uno a tres químicos y de uno a tres tipos de sólidos.
| Opciones | Variable
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|---|
| 1 | Químico 1
| | 2 | Sólido 1
| | 3 | Sólido 2
| | 4 | Sólido 3
| | 5 | Químico 2
| | 6 | Químico 3
| Para simular un trazador se debe seleccionar la opción uno (químico 1) sin decaimiento. Los trazadores pueden verse afectados por procesos de transporte, carga y condiciones de borde solamente.
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| Advección en la Columna de Agua
El flujo advectivo en la columna de agua controla el transporte de contaminantes disueltos y particulados en muchos cuerpos de agua. Los patrones de circulación pueden ser incorporados considerando tres opciones. Las primeras dos (flow options 1 and 2) corresponden a una descripción de los flujos, mientras que la tercera opción consiste en la utilización de un modelo hidrodinámico (DYNHYD5).
Descripción de Flujos
En este caso el usuario debe proveer, para cada flujo de entrada, lo siguiente:
- una función de tiempo, que indica como varía el flujo en el tiempo; y
- un función de continuidad de flujo, que indica como varía el flujo a través de la red de segmentos.
En el caso de la opción 1, WASP5 suma todos los flujos en la interface, determina el flujo neto, y luego transporta masa en la dirección resultante. Para el caso de la opción 2, la masa es transportada independientemente de la dirección neta (situación propicia para describir grandes patrones de dispersión).
Simulación Hidrodinámica
La simulación es necesaria especialmente en casos de flujos no continuos. El programa de simulación genera un archivo (*.HYD) con los volúmenes de cada segmento, los flujos interfaciales promedio, profundidad de cada segmento y las velocidades, en cada paso de tiempo. WASP5 utiliza esta información para calcular el transporte de masa, las concentraciones en cada segmento, etc.
Para lograr esto, se debe definir una red de nodos hidrodinámicos que sea equivalente con la red de segmentos de WASP5 (cada nodo debe corresponder a un segmento, y cada arco, a una interface).
Geometría Hidráulica
Si se utiliza un programa hidrodinámico, la velocidad y la profundidad son calculadas por ese programa. Si los patrones de flujo son entregados por el usuario a WASP (opciones 1 y 2), entonces se deben incorporar los coeficientes de descarga hidráulicos, correspondientes a las siguientes relaciones empíricas:
V = a Qb
D = c Qd
B = e Qf
donde:
- Q: Caudal, m³/s
- V: Velocidad, m/s
- D: Profundidad, m
- B: Ancho promedio, m
Los factores a, b, c, d, e y f son coeficientes empíricos que cumplen con:
a * c * e = 1
b + d + f = 1
Estos parámetros sólo serán utilizados en la simulación de re-aireación o volatilización. Se sugieren los siguientes valores:
| Situación | a | b | c | d | e | f
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|---|
| Sección Transversal Rectangular | | 0,40 | | 0,60 | B | 0,00
| | Riveras Escarpadas (Suelos Cohesivos) | | 0,43 | | 0,45 | | 0,12
| | Riveras Llanas (Suelos No Cohesivos) | | 0,34 | | 0,36 | | 0,29
| | Lagos, Embalses | V | 0,00 | D | 0,00 | | 1,00
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Advección en el Agua Capilar
El flujo de agua desde y hacia las capas bentónicas del fondo puede ser una fuente o un sumidero de contaminantes para la columna de agua sobre ellas. El usuario debe ingresar las características de estos flujos (fracción disuelta de contaminante, funciones de tiempo y continuidad).
Dispersión en la Columna de Agua
Este fenómeno es importante en cuerpos de agua como lagos, embalses y estuarios. El usuario debe ingresar, para cada grupo de intercambio que sea definido, una función que entregue los valores de los coeficientes de dispersión a través del tiempo (en m²/s), el área interfacial, el largo característico de mezcla, y los segmentos entre los cuales ocurre el intercambio.
Difusión en el Agua Capilar
Este proceso puede ser significativo en las concentraciones bentónicas de contaminantes, especialmente para químicos relativamente solubles y cuerpos de agua con baja carga de sedimentos. Dependiendo de los gradientes de concentración, este mecanismo puede constituir una fuente o un sumidero de contaminantes para la columna de agua. El usuario debe ingresar, para cada grupo de intercambio que sea definido, una función que entregue los valores de los coeficientes de dispersión a través del tiempo (en m²/s), el área interfacial, el largo característico de mezcla, y los segmentos entre los cuales ocurre el intercambio.
Procesos de Borde
Un segmento de borde se caracteriza por intercambios de agua con el exterior de la red, incluyendo afluentes tributarios, efluentes e intercambios por medio de dispersión con aguas abiertas. WASP reconoce segmentos de borde al revisar los pares de segmentos identificados por el usuario; un segmento de borde debe limitar con un segmento "0". Por ejemplo, el par (0,1) indica que el segmento 1 es de borde aguas arriba, mientras que el par (5,0) muestra que el segmento 5 es de borde aguas abajo.
El usuario debe especificar las concentraciones de borde. Para segmentos de borde aguas arriba se utiliza la expresión:
Vi SBik = Q0i(t) * CBik
donde:
- Vi: Volumen del segmento de borde "i"·, m³
- SBik: Tasa de carga de borde del químico "k" en el segmento "i", g/m³ día
- Q0i(t): >Afluente al segmento "i", m³/día
- CBik: Concentración de borde del químico "k" en el segmento "i", mg/l
Para el caso de segmentos aguas abajo, aplica la ecuación:
Vi SBik = - Qi0(t) * Cik
donde:
- Qi0(t): Afluente desde el segmento de borde "i", m³/día
- Cik: Concentración interna del químico "k" en el segmento de borde "i", mg/l
Si se trata de un segmento de borde de intercambio, entonces aplica la expresión:
Vi SBi = Ei0(t) * Ai0 / Lci0 * (CBk – Cik)
Procesos de Carga
Representan descargas de efluentes municipales o industriales, escorrentías urbanas o agrícolas, precipitaciones, y sedimentación atmosférica de contaminantes. El usuario puede especificar tasas de carga para cada variable. Dos tipos de carga son factibles de usar: fuentes puntuales o escorrentías. En el primer caso, las tasas son indicadas junto con los datos de inicialización de la simulación. En el segundo caso, las tasas son leídas por WASP5 desde un archivo externo, creado por otro modelo de simulación.
Condiciones Iniciales
Como WASP5 es un modelo dinámico, el usuario debe especificar condiciones iniciales para cada variable en cada segmento, antes de realizar la simulación.
Implementación del Modelo
Utilizando el pre-procesador provisto por el programa, se debe crear un archivo de inicio para TOXI5. También se puede usar un procesador de texto, pero el usuario debe asegurarse de escribir los parámetros en los campos adecuados.
Parámetros de Entrada
Los parámetros se agrupan en cuatro grupos principales: ambiente, transporte, bordes y transformaciones. A continuación se mencionan los principales.
Parámetros Ambientales
| Tipo de Simulación | TOXI5 o EUTRO5
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|---|
| Título de la Simulación | |
| Número de Segmentos | |
| Número de Sistemas | Variables de estado, en este caso, se debe elegir químico 1.
| | Opción de Soluciones Negativas | Normalmente no se permite a las concentraciones alcanzar valores negativos, pero a veces es deseable, para simular un déficit de oxígeno disuelto en las capas bentónicas, por ejemplo.
| | Opción de Pasos de Tiempo | Define si el usuario determinará el tamaño de los pasos de integración o si permitirá que el sistema lo calcule.
| | Factor de Advección | |
| Tiempo Inicial | Día, hora y minuto de inicio.
| | Tiempo Final | Día, hora y minuto de término de la simulación.
| | Despliegue de Segmentos | El usuario puede elegir hasta seis segmentos cuyas concentraciones sean desplegadas durante la simulación.
| | Volúmenes de los Segmentos | |
Parámetros de Transporte
| Número de Campos de Flujo | Bajo advección, para simular agua superficial se debe elegir el campo 1; si se va a simular flujo de agua capilar, entonces se requiere el campo 2.
| | Flujo Advectivo | Si los flujos son ingresados por el usuario, se debe revisar que se cumpla con la continuidad. Si se utiliza el programa DYNHYD5 (u otro) los flujos no requieren ser revisados.
| | Número de Campos de Intercambio | Bajo dispersión, para simular dispersión de tóxicos y sólidos en agua superficial se debe elegir el campo 1; si se va a simular el intercambio de tóxicos con el lecho, se debe elegir difusión de agua capilar, es decir, el campo 2.
| | Coeficientes de Dispersión | |
| Area de la Sección Transversal | Se debe especificar para cada coeficiente de dispersión.
| | Longitud Característica de Mezcla | Se debe especificar para cada coeficiente de dispersión, típicamente corresponde a la distancia entre los puntos centrales de segmentos contiguos.
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Parámetros de Borde
| Concentraciones de Borde | |
| Tasas de Carga | |
| Concentraciones Iniciales | Para cada constituyente en cada segmento.
| | Fracciones de Disolución | La fracción inicial de químicos disueltos en la porción de agua de cada segmento como fracción de la concentración total del químico.
| | Densidad de los Sólidos | |
| Concentraciones Máximas | Para cada constituyente; permite detectar errores en la simulación.
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Parámetros de Transformación
| Archivos Externos | Archivos del modelo hidrodinámico o de fuentes no puntuales de carga.
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| TRANSPORTE DE SEDIMENTOS
La simulación del transporte de sedimentos se realiza utilizando el programa TOXI5. La simulación puede incorporar sólidos totales en una sola variable o, alternativamente, representar hasta tres tipos de sólidos diferentes.
El programa WASP incluye la modelación matemática de los siguientes procesos:
- Los sedimentos y las partículas pueden decantar a segmentos de agua más bajos y depositarse sobre los segmentos superficiales del fondo.
- También puede verificarse un intercambio de sedimentos y partículas químicas entre el fondo y el agua.
- Carga de sedimentos como producto de la erosión del fondo y de las riberas.
- El movimiento de sedimentos en el fondo es representado en base a dos opciones:
- El volumen de los segmentos de sedimento permanece constante y las concentraciones varían en respuesta a la sedimentación y al roce.
- El volumen de los segmentos de sedimento es compactado o erosionado de acuerdo a la sedimentación y al roce, mientras que la concentración permanece constante.
Implementación del Modelo
La implementación de esta simulación es similar a la descrita para trazadores químicos, debiendo agregarse los siguientes parámetros de entrada.
Los parámetros se agrupan en cuatro grupos principales: ambiente, transporte, bordes y transformaciones. A continuación se mencionan los principales.
Parámetros Ambientales
| Número de Sistemas | Variables de estado, en este caso, se debe elegir sólidos 1 (si se va a modelar sólidos totales) o sólidos 1, 2 ó 3 si se pretende simular 2 o tres sólidos diferentes.
| | Volumen del Lecho | El usuario debe determinar si optará por permitir o no la variación del volumen de los segmentos con sedimentos.
| | Pasos de Tiempo Bentónicos | Los cálculos de transporte de masa son realizados en cada paso del modelo, pero ciertos cálculos, como porosidades de sedimentos o volúmenes de segmentos con sedimentos, son efectuados en cada paso de tiempo definido aquí.
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Parámetros de Transporte
| Número de Campos de Flujo | Bajo advección (opción 1), se debe elegir los campo 3,4 y 5; para cada tipo de sólido.
| | Velocidades de Transporte de Sedimentos | |
| Area de la Sección Transversal | Se debe especificar para todos los segmentos contiguos en que se verifique intercambio de sedimentos.
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Parámetros de Borde
| Concentraciones de Borde | |
| Tasas de Carga | |
| Concentraciones Iniciales | Para cada constituyente en cada segmento.
| | Densidad de los Sólidos | |
Parámetros de Transformación
No son necesarios en este caso.
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| OXIGENO DISUELTO (OD)
Esta es una de las variables más importantes en el análisis de calidad del agua. Bajas concentraciones afectan directamente la vida acuática y el balance ecológico. Para realizar esta simulación se utiliza el módulo EUTRO5 del sistema.
Existen numerosos procesos fisicoquímicos que afectan el transporte e interacción del OD en el ambiente acuático. EUTRO5 puede ser operado por el usuario en cuatro niveles de distinta complejidad para simular algunas o todas las variables e interacciones disponibles:
- Streeter-Phelps.
- Streeter-Phelps modificado.
- Balance lineal completo de OD.
- Balance no linear de OD.
Cinco variables pueden participar en el balance de OD:
- carbono de fitoplancton
- amoníaco
- nitrato
- demanda bioquímica de oxígeno
- oxígeno disuelto
Implementación del Modelo
La implementación de esta simulación es similar a la descrita para trazadores químicos, debiendo agregarse los siguientes parámetros de entrada.
Los parámetros se agrupan en cuatro grupos principales: ambiente, transporte, bordes y transformaciones. Para cada uno de los niveles de complejidad disponibles, difieren los parámetros necesarios, pero los principales se mencionan a continuación.
Parámetros Ambientales
| Número de Sistemas | Seleccionar "simular" para DBO, OD y/o NH3, NO3. Además, dependiendo del nivel elegido, se puede elegir "constante" para PHYT (carbono de fitoplancton).
| | Volumen del Lecho | El usuario debe determinar si optará por permitir o no la variación del volumen de los segmentos con sedimentos.
| | Segmentos | Los segmentos de agua deben ser definidos en la forma estándar. Si se va a simular sedimentación de DBO, se debe agregar un segmento bentónico adicional bajo la columna de agua.
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Parámetros de Transporte
| Número de Campos de Flujo | Bajo advección (opción 1), se debe elegir el campo 3 para simular sedimentación.
| | Velocidades de Sedimentación | |
| Area de la Sección Transversal | Se debe especificar para todos los segmentos contiguos en que se verifique intercambio de sedimentos.
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Parámetros de Borde
| Concentraciones de Borde | |
| Tasas de Carga | |
| Concentraciones Iniciales | Para cada constituyente en cada segmento.
| | Fracción Disuelta | |
| Densidad de los Sólidos | |
Parámetros de Transformación
| Temperatura del Agua | |
| Demanda de Oxígeno de los Sedimentos | |
| Tasa de Mineralización del Nitrógeno | |
| Tasa de Nitrificación | |
| Tasa de Denitrificación | |
| Tasa de Desoxigenación de CDBO | |
| Tasa de Desoxigenación de NDBO | |
| Tasa de Fotosíntesis | |
| Tasa de Respiración | Tasa promedio de respiración del fitoplancton.
| | Tasa de Reaireación | Hay tres opciones en EUTRO5. La primera es una tasa constante, la segunda es una tasa variable en el tiempo, y la tercera alternativa consiste en que el modelo la calcule en base la velocidad del agua, profundidad, temperatura, etc.
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| EUTROFICACION
El Enriquecimiento de nutrientes y la eutroficación son preocupaciones constantes en muchos cuerpos de agua. Altas concentraciones de nitrógeno y fósforo pueden generar aumentos periódicos en la población de fitoplancton y alterar del balance trófico natural. El OD puede variar ampliamente y disminuir fuertemente en aguas profundas.
La simulación de este fenómeno se realiza usando el programa EUTRO5. Al igual que en el caso anterior, la simulación se puede llevar a cabo en varios niveles de complejidad:
- Cinética simple de eutroficación.
- Cinética intermedia de eutroficación.
- Cinética intermedia de eutroficación con sedimentos.
La modelación incluye cuatro sistemas interactuando:
- cinética del fitoplancton
- ciclo del fósforo
- ciclo del nitrógeno
- balance de OD
Las variables de estado son ocho: NH3, NO3, PO4 (fósforo inorgánico), PHYT (carbono de fitoplancton), CDBO, OD, ON (nitrógeno orgánico) y OP (fósforo orgánico).
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| Implementación del Modelo
La implementación de esta simulación es similar a la descrita para trazadores químicos, debiendo agregarse los siguientes parámetros de entrada.
Los parámetros se agrupan en cuatro grupos principales: ambiente, transporte, bordes y transformaciones. Para cada uno de los niveles de complejidad disponibles, difieren los parámetros necesarios, pero los principales se mencionan a continuación.
Parámetros Ambientales
| Número de Sistemas | Seleccionar "simular" para PHYT y para ON, NH3, NO3 o OP y PO4 Además, elegir "constante" para los nutrientes no simulados y dejar "bypass" a CDBO y OD. Dependiendo del nivel de complejidad, se puede elegir "simular " para todas las variables.
| | Segmentos | Los segmentos de agua deben ser definidos en la forma estándar. Si se va a simular sedimentación, se debe agregar un segmento bentónico adicional para recibir la materia orgánica. Cálculos en este segmento pueden ser ignorados.
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Parámetros de Transporte
| Número de Campos de Flujo | Para simular sedimentación de ON y OP se debe elegir sólidos 1 bajo advección. Para sedimentación de PHYT, elegir sólidos 2, y para PO4, sólidos 3.
| | Velocidades de Sedimentación | Para sólidos 1, 2 y 3.
| | Area de la Sección Transversal | Se debe especificar para todos los segmentos contiguos en que se verifique intercambio de sedimentos.
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Parámetros de Borde
| Concentraciones de Borde | |
| Tasas de Carga | |
| Concentraciones Iniciales | Para cada constituyente en cada segmento.
| | Fracción Disuelta | |
| Densidad de los Sólidos | |
Parámetros de Transformación
| Temperatura del Agua | Puede ser variable en el tiempo, de acuerdo a funciones predefinidas.
| | Tasa de Respiración | Tasa promedio de respiración del fitoplancton.
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Además se requiere una serie de otros parámetros, como coeficiente de extinción de la luz, tasa máxima de crecimiento del PHYT, proporción de carbono a clorofila, de fósforo a carbón, nitrógeno a carbón, tasa de muerte no predatoria del PHYT, etc., dependiendo del nivel de complejidad seleccionado para realizar la simulación.
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| TOXICOS SIMPLES
Algunos químicos orgánicos e inorgánicos pueden causar toxicidad en organismos acuáticos, o bioconcentrarse a través de la cadena alimenticia.
Este fenómeno es simulado por medio del programa TOXI5. Puede simular el transporte y transformación de hasta tres químicos y uno a tres tipos de material particulado. Los tres químicos pueden ser independientes o estar relacionados por reacciones.
En ambientes acuáticos los químicos pueden ser transferidos entre fases y pueden ser degradados por distintos procesos químicos y biológicos. En el modelo se incluyen procesos simplificados de transferencia como sorción y volatilización. Entre los procesos de transformación se incluyen la biodegradación, hidrólisis, fotólisis y oxidación. La sorción es tratada como una reacción de equilibrio. Los procesos simplificados son descritos por ecuaciones con tasas de primer orden.
La aplicabilidad del modelo se limita a concentraciones cercanas a niveles de trazas, es decir cerca de 10-5 molar. A concentraciones mayores dejen de ser válidos supuestos como la transformación lineal, y además la densidad del químico comienza ser importante. A altas concentraciones se alteran características ambientales como el pH, lo que hace variar las tasas de transformación.
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| Implementación del Modelo
La implementación de esta simulación es similar a la descrita para sedimentación de sólidos, debiendo considerarse además los siguientes parámetros de entrada.
Los parámetros se agrupan en cuatro grupos principales: ambiente, transporte, bordes y transformaciones.
Parámetros Ambientales
| Número de Sistemas | Seleccionar "simular" para químico 1. Para simular sólidos totales con el tóxico, elegir "simular" para sólidos 1.
| | Volumen del Lecho | El usuario debe determinar si optará por permitir o no la variación del volumen de los segmentos con sedimentos.
| | Pasos de Tiempo Bentónicos | Los cálculos de transporte de masa son realizados en cada paso del modelo, pero ciertos cálculos, como porosidades de sedimentos o volúmenes de segmentos con sedimentos, son efectuados en cada paso de tiempo definido aquí.
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Parámetros de Transporte
| Número de Campos de Flujo | Bajo advección (opción 1), se debe elegir los campo 3,4 y 5; para cada tipo de sólido.
| | Velocidades de Transporte de Sedimentos | Para sólidos 1, 2 y 3
| | Area de la Sección Transversal | Se debe especificar para todos los segmentos contiguos en que se verifique intercambio de sedimentos.
| | Número de Campos de Intercambio | Bajo dispersión, para simular dispersión de tóxicos y sólidos en agua superficial se debe elegir el campo 1; si se va a simular el intercambio de tóxicos con el lecho, se debe elegir difusión de agua capilar, es decir, el campo 2.
| | Coeficientes de Dispersión | |
| Area de la Sección Transversal | Se debe especificar para cada coeficiente de dispersión.
| | Longitud Característica de Mezcla | Se debe especificar para cada coeficiente de dispersión, típicamente corresponde a la distancia entre los puntos centrales de segmentos contiguos.
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Parámetros de Borde
| Concentraciones de Borde | |
| Tasas de Carga | |
| Concentraciones Iniciales | Para cada constituyente en cada segmento.
| | Fracción Disuelta | |
| Densidad de los Sólidos | |
Parámetros de Transformación
| Degradación de Primer Orden | Hay dos opciones:
- Decaimiento agregado de primer orden; el usuario debe ingresar un tasa de decaimiento constante.
- - Transformación individual de primer orden; el usuario debe ingresar una tasa de transformación global de primer orden para cada químico.
| | Constantes de Equilibrio | Se pueden ingresar constantes de equilibrio a sólidos globales o variables espacialmente.
| | Rendimientos por Reacciones | Rendimientos de cada químico por cada tipo de reacción pueden ser especificados.
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| QUIMICOS ORGANICOS
La gran variedad y número de compuestos orgánicos incluyen pesticidas, bifenilos policlorados, hidrocarburos halogenados alifáticos, éteres halogenados, ésteres ftálicos, hidrocarburos policíclicos aromáticos, y nitroaminas. Estos químicos pueden ingresar a los sistemas acuáticos por varias vías, incluyendo descargas puntuales de desechos.
Varios procesos ambientales pueden afectar el transporte y destino de los químicos orgánicos en el ambiente acuático. Los más importantes incluyen procesos físicos como la sorción hidrofóbica, volatilización y sedimentación; procesos químicos como ionización, precipitación, disolución, hidrólisis, fotólisis, oxidación y reducción; y procesos biológicos como biodegradación y bioconcentración. WASP5 incluye explícitamente la mayoría de estos, exceptuando sólo la reducción y precipitación-disolución. Si las cinéticas de estas reacciones son entregadas por el usuario, pueden ser incluidas como reacciones extras.
WASP5 está diseñado para proveer un marco general aplicable a un gran número de problemas ambientales de modo de permitir al usuario ajustar la complejidad del modelo a los requerimientos del problema específico a abordar.
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| Implementación del Modelo
La implementación de esta simulación es similar a la descrita para sedimentación e sólidos, debiendo considerarse además los siguientes parámetros de entrada.
Los parámetros se agrupan en cuatro grupos principales: ambiente, transporte, bordes y transformaciones. Los parámetros correspondientes a las categorías de ambiente, transporte y de borde son los mismos descritos en la sección de tóxicos simples.
Parámetros de Transformación
| Temperatura del Agua | Puede ser o no variable en el tiempo.
| Además, y dependiendo del tipo de reacción a considerar, se requiere de parámetros como, constantes de ionización, entalpías de reacción, constantes de equilibrio, etc.
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| EJEMPLO DE APLICACION DEL MODELO WASP5
El modelo computacional WASP5 (EUTRO5, DYNHYD5 y TOXI5), fue aplicado a la cuenca del Río Mendoza con el objeto de mostrar sus potenciales aplicaciones en la evaluación del efecto de descargas puntuales en la calidad del agua. La aplicación que se entrega a continuación tiene fines demostrativos; considera una descripción de los modelos TOXI5 y DYNHYD5 y muestra la manera en que se ingresan los datos a los modelos. El modelo EUTRO5 no fue utilizado en esta ocasión ya que requiere una gran cantidad de datos sobre concentraciones de nutrientes, niveles de oxígeno disuelto, niveles de clorofila y radiación solar, entre otros, los que no están disponibles. Este modelo EUTRO permite modelar instancias de eutroficación en cuerpos de agua e interrelaciones complejas entre contaminantes orgánicos, oxígeno disuelto y crecimiento algal.
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| DYNHYD5
Con el objeto de modelar la calidad del agua del Río Mendoza, fue necesario simular el movimiento hidrodinámico del agua en el río. Esto se logra utilizando el modelo DYNHYD. El Programa Hidrodinámico del Modelo Dinámico de Estuario (Dynamic Estuary Model Hydrodinamic Program) fue desarrollado por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos y resuelve las ecuaciones unidimensionales de continuidad y momento para una ramificación o unión de cursos de agua formulando una red computacional.
El modelo utiliza en la simulación flujos tributarios variables aguas arriba y flujos de salida aguas abajo o algún escenario en particular aguas abajo. En esta aplicación específica de DYNHYD, caudales tributarios variables fueron utilizados en todos los segmentos considerados y escenarios mareales se emplearon como condiciones de borde aguas abajo. La segmentación usada para la aplicación del modelo DYNHYD se ilustra en la Figura 1.
La información adicional requerida por el modelo DYNHYD incluye datos en las uniones (elevación superficial inicial, área superficial y elevación de fondo) y datos de los canales o cursos (largo, ancho, profundidad, orientación, coeficiente n de Manning y caudal inicial). Las unidades dimensionales utilizadas por DYNHYD corresponden al sistema métrico (Sistema Internacional de Unidades) y por convención, los flujos de ingreso son de signo negativo y los de salida positivos.
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| | Ingreso de Datos
Los datos son ingresados al modelo DYNHYD en formato fijo. El orden y la posición de los datos se especifican en el manual del usuario del modelo WASP. El ingreso de datos se logra empleando 12 grupos de datos, los que se ilustran en el archivo de entrada adjunto en el Anexo I y que corresponden a:
- Grupo de Datos A
Consiste en información preliminar tal como parámetros de la red de flujo (número de canales o cursos; número de uniones); incremento de tiempo para la simulación, y comienzo y fin del día de simulación. En este caso se modelaron 9 uniones y 8 canales. El esquema de segmentación empleado se muestra en la Figura 1. El incremento de tiempo fue de 10 segundos para un período de simulación de 12 días.
- Grupo de Datos B
Permite especificar las opciones de impresión. Se utilizó en esta simulación impresión de resultados para períodos de tiempo equivalentes a 1 día.
- Grupo de Datos C
Especifica los caudales y volúmenes. El archivo creado con esta información se utiliza una vez guardado, como archivo de datos de entrada para el modelo de calidad del agua TOXI.
- Grupo de Datos D
Describe cada unión (segmento) incluyendo elevación superficial inicial, elevación del fondo y canales de conexión. Se recurrió a una serie de supuestos para la información requerida para este grupo de datos.
- Grupo de Datos E
Incluye una descripción de cada canal con información acerca de longitud, ancho, dirección y coeficiente de rugosidad de Manning. Para cada canal se considera una longitud de 16.667 metros.
- Grupo de Datos F
Contiene una lista de todos los flujos o caudales de entrada. Los caudales fueron supuestos constantes con los flujos tributarios (ingresos) considerados como negativos y los flujos salientes como positivos. Los caudales para cada segmento en m³/s, se entregan a continuación:
| DYNHYD unión 9 | - 15.31 m³/s
| | DYNHYD unión 7 | - 3.83 m³/s
| | DYNHYD unión 6 | - 2.13 m³/s
| | DYNHYD unión 3 | - 0.83 m³/s
| | DYNHYD unión 2 | - 1.22 m³/s
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Los datos de la tabla anterior corresponden a información sobre el Río Mendoza y sus tributarios para condiciones de caudal mínimo.
- Grupo de Datos G
Describe la altura de presión como condición de borde. Este supuesto de condición de borde entrega estabilidad al modelo.
- Grupo de Datos H
Incluye direcciones y velocidades del viento; las que no fueron utilizadas en este ejemplo particular.
- Grupo de Datos I
Incorpora datos pluviométricos y de evaporación para las uniones designadas. No se utilizaron en este caso.
- Grupo de Datos J
Entrega la variación en el área superficial al cambiar la altura de presión para las diferentes uniones. El valor 0 – valor predefinido – y utilizado en esta ocasión corresponde a superficie constante en esta modelación.
- Grupo de Datos K
Entrega las variaciones del ancho del canal con los cambios en la altura de presión en los canales. Se utilizó el valor 0 – valor predefinido –, que corresponde a canal de características constantes.
- Grupo de Datos L
Establece un vínculo referencial entre los modelos DYNHYD y EUTRO/TOXI.
El archivo de datos de entrada del modelo DYNHYD se muestra en el Anexo A.
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| TOXI5
El modelo TOXI permite simular el transporte y la transformación de una a tres especies químicas y de uno a tres tipos de material particulado. Las especies químicas pueden ser independientes o pueden estar enlazadas entre sí mediante reacciones químicas.
El modelo TOXI se empleó para simular la demanda bioquímica de oxígeno DBO, cuya degradación sigue una cinética de primer orden, y una sustancia conservativa, es decir que no sufre cambios en su composición/estado físico en el tiempo.
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| | Ingreso de Datos
A continuación se describe el archivo de datos de entrada del modelo TOXI, un ejemplo del cual se entrega en Anexo I.
- Grupo de Datos A
Este grupo de datos tiene como objetivo el ingreso de información que permite la descripción del modelo y de datos que controlan el proceso de simulación. El número de segmentos, el número de sistemas, el incremento de tiempo para la simulación y los intervalos de impresión son todos especificados en este archivo. Se modelaron 8 segmentos (Figura 1). El incremento de tiempo ingresado a este archivo fue anulado por el valor asignado a este parámetro en el archivo DYNHYD correspondiente a través de un archivo de comunicación.
- Grupo de Datos B
Este grupo de datos contiene la información sobre dispersión. Esta ocurre entre segmentos y en función de un largo característico. Los coeficientes de dispersión varían en el tiempo a través de una función lineal.
- Grupo de Datos C
Este grupo de datos se utilizó para suministrar la información inicial de los segmentos tales como volumen, tipo y número. La información de este archivo del modelo TOXI, mostrada en el Anexo A, fue anulada por aquella equivalente correspondiente al Modelo DYNHYD.
- Grupo de Datos D
Este grupo de datos se utiliza para suministrar información acerca de caudales y transporte de sedimentos entre segmentos. Los caudales en este caso fueron importados de un archivo hidrodinámico externo creado por el modelo DYNHYD.
- Grupo de Datos E
Se utiliza para suministrar datos de concentración para cada sistema en el borde. Se deben suministrar todas las concentraciones para cada borde.
- Grupo de Datos F
Este grupo de datos se utiliza para definir las cargas contaminantes y los segmentos que reciben dichas cargas tanto para fuentes puntuales como difusas. Las cargas de fuentes puntuales cambian con el tiempo de manera lineal utilizando una función tiempo dependiente y se ingresan directamente al archivo de entrada de datos. En esta aplicación del modelo TOXI, las cargas de fuentes puntuales fueron simuladas de modo de representar los aportes de los tributarios. Las fuentes difusas no fueron simuladas en esta aplicación.
Basándose en los flujos o caudales de los tributarios, la carga de DBO fue estimada de modo que represente una concentración de fondo de 2 mg/l. Estas cargas fueron asignadas a los segmentos número 9, 7, 6, 3 y 2 en el modelo TOXI tal como se indica a continuación:
| TOXI | Unión 8 | 2.650 kg/día
| | TOXI | Unión 6 | 663 kg/día
| | TOXI | Unión 5 | 368 kg/día
| | TOXI | Unión 2 | 144 kg/día
| | TOXI | Unión 1 | 212 kg/día
| Luego de correr el modelo para asegurar que se obtenga la concentración de 2 mg/l, se incorporó una carga adicional de 2.000 kg/día en el segmento 7 para evaluar el impacto. La especie conservativa fue tratada en forma similar excepto que el segmento 4 recibió una carga de 5.000 kg/día.
- Grupo de Datos G
Se puede utilizar para ingresar características químicas y ambientales representativas del cuerpo de agua. Para la simulación del decaimiento del orden 1, esta información no es requerida.
- Grupo de Datos H
Se ingresan constantes químicas y sus variaciones temporales y espaciales en caso de ser necesario. En este caso tales parámetros permanecieron constantes tanto en el tiempo como en el espacio. Los constituyentes fueron simulados en el modelo TOXI como sustancia química 1 (primer sistema) y sustancia química 2 (quinto sistema). Una constante de primer orden fue identificada para cada sistema.
- Grupo de Datos I
Este grupo contiene variables ambientales y cinéticas, no se utilizó en este caso.
- Grupo de Datos J
Este grupo describe las condiciones iniciales para cada segmento y cada sistema conjuntamente con fracciones disueltas y densidades de los sistemas sólidos. Se supusieron las condiciones iniciales de cada sistema.
En el Anexo A se entrega un ejemplo de un archivo de entrada del modelo TOXI.
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| Resultados
Se corrió el modelo TOXI para un período de 8 días de modo de asegurar que todos los contaminantes tuviesen tiempo suficiente para desplazarse y que se alcanzara un estado estacionario. Los resultados de esta modelación hipotética – que no representan la situación real del Río Mendoza – se muestran en la Figura 2 para DBO y para una sustancia conservativa.
Figura 2
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