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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)
Modelo de calidad de la escorrentía en EPA SWMM 5.0
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
Modelo de calidad de la escorrentía en EPA SWMM 5.0
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?
Modelo de calidad de la escorrentía en EPA SWMM 5.0
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
Ejemplo: estudio de vertidos en Granollers
·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
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ntr
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SS
(m
g/l)
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cab
al (
l/s)
Sòlids suspesos calculats Solids suspesos mesurats Cabal
Ejemplo: estudio de vertidos en Granollers
Pluja del 22 d'abril de 2004
0
500
1000
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2000
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Hores
Co
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SS
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g/l)
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cab
al (
l/s)
Sòlids suspesos calculats Solids suspesos mesurats Cabal
Resultados de la validación
Pluja del 14 de novembre de 2002
0
500
1000
1500
2000
2500
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Hores
Co
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ntr
ació
SS
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g/l)
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l/s)
Sòlids suspesos calculats Solids suspesos mesurats Cabal
Pluja del 10 d'abril de 2002
0
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1000
1500
2000
2500
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Hores
Co
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SS
(m
g/l)
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cab
al (
l/s)
Sòlids suspesos calculats Solids suspesos mesurats Cabal
Ejemplo: estudio de vertidos en Granollers
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)