Calidad de Agua

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MODELACIÓN Y DISEÑO DE SISTEMAS DE DISTRIBUCION DE AGUA CON WATERCAD

Ing. Carlos Vidal ValenzuelaDISTANCIA – CLASE 09

INSTITUTO DE LA CONSTRUCCION Y GERENCIA

ModelaciModelacióón y Disen y Diseñño o de Sistemas de de Sistemas de

DistribuciDistribucióón de Aguan de Agua

EXPOSITOR : ING. CARLOS VIDAL VALENZUELA

CLASE 09

FUNDAMENTOS DE MODELACIÓN DE CALIDAD DE AGUA

Uso de representaciones de procesos físicos, químicos y biológicos para simular movimiento y transformación de constituyentes en el sistema de distribución.




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 de agua

• Calidad variable de fuentes de agua

• Pruebas de campo proveen sólo un pequeño ejemplo del sistema

• Probar diferentes opciones para mejorar la calidad de agua en el sistema

Beneficios• Garantizar potabilidad

• Optimizar precursores químicos

• Reducción de vulnerabilidad




Aspectos relacionados conmodelación de calidad de agua

• Tanques cerrados o abiertos• Conexiones domiciliarias• Decaimiento de desinfectantes• Purgado• Quejas de sabor y olor• Flujos transitorios• Alta turbidez• Fuentes contaminadas

Procesos que afectan lacalidad de agua

Reservorios

Rupturas

Agua Potable Tratada

Conexiones domiciliarias

Transformaciones en la carga

Transformaciones en o cerca de la pared

Llave




CASO: Rotura en el río Rímac

Procesos de calidad de agua

• Hidráulica

• Mezcla en depósitos

• Transporte

• Reacciones en el flujo

• Hidrodinámica de tanques




Modelación Hidráulica yde Calidad de Agua

MODELO HIDRÁULICO CALIBRADO

MODELO DE CALIDAD DE AGUA

Flujos y velocidades

Resultados de calidad de Agua

Tipos de Modelación de Calidad de Agua

• Rastreo de fuente

• Edad del agua

• Constituyente




Rastreo de Fuente

Edad del agua

• Calcular variación de edad del agua a través del tiempo

• Influenciada por los tiempos de residencia en estructuras de almacenamiento




Constituyentes

• Sustancias Conservativas

Su concentración cambia solo al mezclarse

• Sustancias No- Conservativas

Concentración crece o decae debido a ...

• Procesos químicos

• Procesos biológicos

• Procesos físicos

Constituyentes

• Salinidad (TDS)

• Nitrógenos

• Metales

• Orgánicos

• Cloro

• Cloraminas

• pH / alcalinidad

• Dureza

• Plomo y cobre

• Floro

• Sólidos / turbidez

• Actividad microbial




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)• dC/dt = kCn

Decaimiento de Primer Orden• Los constituyentes decaen proporcionalmente con la concentración

dC/dt = kC• Decaimiento exponencial: Ct = Co e-kt

• Co concentración inicial• t Tiempo• k Coeficiente decaimiento

• Cloro usualmente tiene decaimiento de 1er orden• Media vida: tiempo para un decaimiento de 50%

Co

Co /2

Media Vida




Decaimiento de Orden Cero o decaimiento

• El constituyente crece o decae a una velocidad constante o absoluta

dC/dt = kCt = Co + (rDt)

• Co 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)

Co

Concentración o Edad

tiempo

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 – Co e-kt)• Co = concentración inicial

• Cmax = concentración máxima

• Los trihalometanos son un ejemplo

Co

Cmax




Definición del Problema• Dado:

• Representación de la Red

• Flujos en todas las tuberías (del modelo hidráulico)

• Velocidad de reacciones

• Concentraciones en fuentes

• Concentraciones iniciales

• Determine

• Concentraciones en todos los nodos en todos los períodos de tiempo

Conservación de Masa Nodal Mezcla Completa

Masa Total que entra = Masa Total que Sale

NODO

Q1, C1

Q2, C2

Q3, Cout

Q4, Cout

Cout = [(Q1 C1) + (Q2 C2)] / (Q1 + Q2)

Q1 + Q2 = Q3 + Q4




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

• Transformaciones afectan la calidad de agua




Simulación de Calidad de Agua

Condiciones Hidráulicas InicialesDatos de Entrada

Calcule la hidráulica EPS

Ultimo intervalo de tiempo?

Condiciones iniciales de calidad de agua

Calcule las ecuaciones de calidad de agua

Ultimo intervalo de tiempo?Resultados

SI

SI

NO

NO

Datos adicionales para un modelode calidad de agua

• Concentraciones iniciales

• Velocidades de reacción

• Modelo de mezcla de tanque

• Velocidad de inyecciones químicas

• Tolerancia de calidad de agua

• Difusividad




Modelación de Cloro• Dosificación de cloro

• En la planta de tratamiento

• Re-cloración 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

• Prevenir el crecimiento de bacteria

Reacciones de Cloro en una tubería

Seno de fluido

PARED

Borde de Capa

Borde de Capa




Decaimiento de carga• Decaimiento de carga: decaimiento en el agua que fluye• Usualmente representado como una ecuación de decaimiento de primer orden

Ct = Co 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• Implicitito 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 de la vena 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




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 las tuberías)

• La Velocidad del agua que esta en contacto con la pared:

Aumenta en tuberías mas pequeñas

Camino mas 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 perdida de cloro

Valores de rango típico para k pared: 0 – 1 ftdía




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

más oportunidad para el crecimiento de la capa biológica

• Kwall = a / (Hazen Willians Factor – C)

• Datos de campo limitados sugieren un rango de valores para a de 0 a 100

Impactos de Almacenaje en la calidad de Agua

• Tanques y reservorios diseñados para las necesidades hidráulicas; la calidad del agua es usualmente secundaria.

• Tiempos de larga residencias:

Desprecian residuales de desinfectantes

Promueven el crecimiento de bacterias

• Las mezclas pobres pueden amplificar los problemas de calidad de agua




Mezcla Potencial / Problemas de Estratificación

Entradas en tangente Palas

Complejas

Entradas de Diámetro Grandes

Deflectores Tuberías Verticales

Diferencias en Temperaturas

T tanque

T influjo

MODELOS DE MEZCLA EN TANQUES

Mezcla completa

First In First Out (FIFO)

Last In First Out (LIFO)

2 compartimientos




SEGURIDAD DE SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA

• ObjetivosMantener un abastecimiento sano y suficiente

Desarrollar confianza en el cliente

Prepararse para cosas que naturalmente pueden ocurrir, accidentes, y actividades terroristas

• La conciencia ha aumentado después de 11/09/01

Puntos de vulnerabilidad




¿Cuáles son las amenazas?

• Interrupción física

• Contaminación biológica o Química

• Pérdida de confianza del cliente

Interrupción Física

• Acciones que resultan en la pérdida de flujo y presión

• Daños a equipos vitalesTubería principal

Fuente de electricidad

Tratamiento

SCADA

Estación de bombeo




Eventos de contaminación

• Contaminación accidentalDesbordes y escurrimiento de agua superficial

Contaminación de Pozos

Conexiones de cruceros en sistemas de Distribución

Contaminación de Reservorios

• Contaminación a propósito

Actos terroristas (agua cruda, Planta, distribución)

Descarga criminal a una fuente de agua cruda

Vista Esquemática del Río

PLANTA DE TRATAMIENTO

DE AGUA

Descargador

Entrada

Puente

DESBORDES DE AGUA

DESBORDES DE TERRENO

Tanques Químicos

Calle / Tubería

Estación de Monitoreo




Sistema de Detección Primaria

Combinación de monitores, arreglos institucionales, herramientas de análisis,

mecanismos de respuesta diseñados para proveer en detección avanzada de

contaminantes en el agua potable.

Monitores

• Monitoreo Convencional

• Biomonitores

• Tecnología de Monitoreo Emergente




Monitores Convencionales• pH, D.O., turbidez, conductividad, temperatura

• Electrodo de selección de Iones (iones)

• Cromatografía de gas (orgánicos)

• Cromatografía de líquidos (orgánicos)

• Espectroscopía de absorción atómica (metales)

• Espectroscopía de masa (metales)

• Flurometría (aceite)

• Casi todos los monitores pueden ser automatizados

Concepto del Biomotor• Los organismos sienten y reaccionan con la presencia de un contaminante

• Peces, mejillones, algas, bacterias

• Se monitorea la reacción de un organismo y la alarma “suena”

• Conoce que hay un problema – pero no exactamente cual es




Contaminación Terrorista• Objetivos:

• Maximizar el daño a 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 (p. Ej. Aceite, carbón)

• Sustancias químicas de guerra (p. Ej. Sarín)

• Toxinas (p. Ej. Botulinux toxina)

• Sustancias Bacteriológicas (p.e. Bacillus anthracis)

• Sustancias virales (p. Ej. Rotaviruses, ebola)

• Protozoos (p. Ej. Cryptosporidium parvum)

• Químicos Intoxicantes Industriales (Cyanide)

• Materiales Radioactivos




Puntos de Entrada para Contaminantes

Contaminación del Sistema de Distribución

• Residuo de Cloro

• Desinfectante – mata a varios contaminantes

• Decaimiento de Cloro: indicación de una intrusión

• Vías de Introducción de Contaminantes

• En un Pozo o en la Planta de Tratamiento

• En la Estación de Bombeo

• En el Tanque

• Directamente en las tuberías




Uso de la Red del Modelo para Estudios de Vulnerabilidad

• ¿Hay suficiente residual de cloro?

• ¿Qué pasa si un tanque es contaminado?

• ¿Qué pasa si un pozo es contaminado?

• ¿El sistema de distribución puede ser contaminado si se inyecta por una conexión local?

¿Qué 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 mas a menudo y en mas estaciones




CASO: Hundimiento causado por filtración

CASO: Roturas catastróficas




Taller 06Análisis de calidad de agua

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CONSULTA de AUDITORIO

Siempre debe comenzar de cero la concentración o es que el dato que usted le ponga es el que vaDe cualquier parámetro; pero ahí comienza de cero, ¿si no fuese que comience de cero?El valor con ángulo cero punto cero; o sea, la concentración cero en el tiempo ceroPero si le saco una concentración menos que uno, podría cambiar la concentración







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