Las ecuaciones acopladas de nitrógeno y oxígeno en un río arrojarán resultados similares a los obtenidos para la nitrificación en un lago. Es decir, se puede esperar un decaimiento del nitrógeno orgánico, un aumento y posterior decaimiento del nitrógeno amoniacal y el nitrito, y finalmente un aumento de la concentración de nitrato hasta alcanzar estado estable. Para ilustrar este caso, se ingresan los siguientes parámetros de entrada:
Periodo de tiempo 1h
Elevación 2.6km Hidrólisis (koa) 0.25d-1 Nitrificación (kai) 0.25d-1 Nitrificación (kin) 0.75d-1 Caudal 0.5m3/s Oxígeno disuelto 5mg/L
Los valores no especificados se establecen en cero. Los parámetros para los cinco tramos son los siguientes:
Longitud 4000m A 0.05 B 0.7 Fracción Dispersiva 0.4 Reaireación 1 (O’Connor-Dobbins) Profundidad 1m Cambio de elevación 0m
Adicionalmente, se agrega un incidente de nitrógeno orgánico, con una descarga de 0.3m3/s y una concentración de 200mg/L. El incidente ocurrirá en el tramo 1 durante 1 hora. Al correr la simulación, se obtienen los resultados de las figuras 7.10 – 7.14.
Figura 7.10 - Resultados para nitrificación en un río – Nitrógeno orgánico
Figura 7.12 - Resultados para nitrificación en un río – Nitrito
Figura 7.14 - Resultados para nitrificación en un río – Oxígeno disuelto
Las gráficas muestran claramente como se llevan a cabo las reacciones en cadena correspondientes a la nitrificación. A medida que el pulso va viajando a lo largo de los tramos, las diferentes especies de nitrógeno se van decayendo hasta llegar a la forma de nitrato, donde se acumulan. Este proceso implica un consumo de oxígeno, el cual se puede observar en la última gráfica. El oxígeno empieza en 5mg/L (condición inicial) y empieza a subir a medida que el proceso de reaireación trata de alcanzar el nivel de saturación. Sin embargo, luego del tiempo de retraso de aproximadamente 1 día, el pulso llega y los niveles empiezan a caer una vez se desencadena la nitrificación. Este proceso crea una “bolsa” de oxígeno similar al efecto producido por una descarga de DBO. En este proceso la reaireación trata de equilibrar el consumo por nitrificación, hasta que el pulso pasa, y los niveles alcanzan estado estable.
7.6 Río Teusacá
Los datos para el siguiente ejemplo son tomados de una campaña de medición real hecha sobre diferentes puntos a lo largo del Río Teusacá.
Tabla 7.1 - Parámetros de Entrada – Río Teusacá
Fracción Dispersiva 0.4 Kg 2.00 d-1 Temperatura 11.5 Kra 0.10 d-1 Elevacion 2.805 km Kgz 0.10 d-1 Caudal 1.1 m3/s Koa 0.43 d-1 Cini 0 mg/L Kai 0.10 d-1 Aini 0 mg/L Kin 0.10 d-1 NoIni 0.8524 mg/L Kdn 0.18 d-1 NaIni 1.6786 mg/L Kd 0.97 d-1 NiIni 0 mg/L Ks 1.79 d-1 NnIni 0.162 mg/L Ka 1.50 d-1 PsIni 0.455 mg/L Kbm 0.00 d-1 PnIni 1.302 mg/L Kbi 0.00 d-1 Eini 0 N/100mL Kbs 0.00 d-1 Lini 5.5 mg/L Kps 0.00 d-1 Oini 7.2 mg/L
Los datos para los tramos se indican en la tabla 7.2
En primera instancia, se corrió un pulso de contaminación de una sustancia conservativa para observar el comportamiento de los parámetros temporales de los tramos modelados. Los resultados se muestran en la figura 7.15. Como puede observarse, un tiempo de simulación de 2000 minutos (aproximadamente 1 día y medio) es suficiente para que el pulso alcance a recorrer todos los tramos. El tiempo de retraso advectivo es particularmente grande en el tramo 7 (“La Cabaña”), que es el más largo de todos. Por otra
parte, el tiempo que toma el pulso en llegar al primer punto de medición en el primer tramo es de tan solo 10 minutos, aproximadamente.
Tabla 7.2 - Información de tramos – Río Teusacá
Descripcion Tramo A B Longitud FD H ∆H Reaireacion Q. Salitre 0.815261 0.4 700 0.4 0.26 0 Owens-Gibbs Q. La Oscura 0.815261 0.4 600 0.4 0.26 0
Owens- Gibbs Parque 0.793838 0.4 2100 0.4 0.25 0 Owens-Gibbs Aguas N. La Calera 0.815261 0.4 3900 0.4 0.26 0
Owens- Gibbs Abajo La Calera 0.793838 0.4 2000 0.4 0.25 0 Owens-Gibbs Q. Simbaya 0.793838 0.4 900 0.4 0.25 0 Owens- Gibbs La Cabaña 0.243998 0.4 7200 0.4 1.36 0 O'Connor- Dobbins Aguas Claras 0.269886 0.4 2500 0.4 0.9 0 O'Connor-Dobbins La Pradera 0.267802 0.4 1300 0.4 0.99 0
O'Connor- Dobbins El Asilo 0.267574 0.4 1100 0.4 1 0 O'Connor-Dobbins
Una vez determinado el tiempo apropiado para la simulación, se procede a modelar las demás sustancias, sin incluir incidentes adicionales. Los resultados se muestran en las figuras 7.16 - 7.23.
Figura 7.15 - Resultados para sustancia conservativa – Río Teusacá
Figura 7.17 - Resultados para nitrógeno amoniacal – Río Teusacá
Figura 7.19 - Resultados para nitrito – Río Teusacá
Figura 7.21 - Resultados para fósforo no soluble – Río Teusacá
Figura 7.23 - Resultados para oxígeno disuelto – Río Teusacá
Las condiciones iniciales medidas tienen varios efectos importantes. Se puede observar que sin aportes adicionales, las diferentes sustancias alcanzan estado estable poco después del primer día para el último tramo. La degradación de la materia orgánica presente en el río y la nitrificación del nitrógeno orgánico producen demandas de oxígeno que adquieren importancia a partir del 7º tramo. Sin embargo, el nivel de oxígeno alcanza un mínimo de 6.9 mg/L aproximadamente, y luego vuelve a subir hasta estabilizarse en 7.1mg/L. En los primeros seis tramos, la reaireación es calculada con otra fórmula; esta supera la tasa de consumo de oxígeno, y por lo tanto estas pérdidas no se ven reflejadas en las gráficas. También puede observarse que el nitrógeno amoniacal y el nitrito no alcanzan a decaer a lo largo de los tramos medidos. Puede esperarse que en los tramos siguientes se observe el decaimiento de estas sustancias.
CONCLUSIONES
Se logró desarrollar un programa que permitirá a los estudiantes poder modelar el comportamiento de diversas sustancias en cuerpos de agua de manera rápida y sencilla. Un procedimiento que por su complejidad en cuanto al número de variables involucradas y número de cálculos necesarios antes era poco llamativo, ahora puede ser realizado fácilmente con una comprensión básica de la teoría fundamental detrás de la modelación de la calidad del agua.
La interfase gráfica se muestra totalmente amable al usuario, minimizando el tiempo de aprendizaje y permitiendo que este se haga casi sobre la marcha. Los resultados que se obtienen son claros, a pesar de que el modelo permite alcanzar cierto nivel de complejidad. Adicionalmente, es posible alejarse un poco de las situaciones típicas “de libro” y experimentar un poco más, permitiendo al estudiante descubrir que tipo de comportamiento puede esperar de un modelo, basándose en los parámetros de entrada y las ecuaciones de fondo.
La implementación de los casos hipotéticos demostró que el software será un refuerzo importante para la teoría vista en los cursos de Modelación de la Calidad del Agua, ya que el estudiante podrá modificar uno a uno los parámetros, desarrollar hipótesis, y luego corroborarlas con los resultados obtenidos con el programa.
A partir de las diferentes pruebas realizadas sobre el programa se concluyó que la coherencia de los parámetros de entrada es fundamental para la obtención de resultados dicientes. En particular, los parámetros temporales deben conocerse de manera que el tiempo de la simulación sea apropiado
reacción (k) también pueden alterar los resultados de manera que estos resulten incoherentes. Es importante tener unas aproximaciones adecuadas para poder lograr buenos resultados.
Varios ensayos con AquaMod permitirán concluir que alcanzar estados anaeróbicos en ríos requiere teóricamente de cargas bastante pesadas de nitrógeno y DBO. Sin embargo, esta condición es común en muchos sitios en Colombia, y es importante conocer como se deben ajustar los modelos a esta condición. Los valores para la tasa de reaireación pueden variar mucho según el tipo de fórmula que se utilice y según los parámetros del río, y esto en todos los casos producía diferencias sustanciales en los resultados obtenidos con el modelo.
El tiempo de ejecución máximo del modelo fue de 4 minutos en un procesador Pentium III, para un río con 15 tramos, y modelando 11 sustancias simultáneamente. Esto permite concluir que es posible aumentar mucho más el grado de complejidad del modelo, incluir más factores y realizar menos simplificaciones y más cálculos en tiempo real.
RECOMENDACIONES
El programa desarrollado permitirá al estudiante gastar menos tiempo entendiendo el funcionamiento del software y más tiempo entendiendo los conceptos y la teoría detrás de la modelación de la calidad del agua. Se recomienda a los estudiantes que cuenten con esta valiosa herramienta hacer una exploración dedicada de todas las posibilidades que brinda AquaMod. La “perturbación de parámetros” es una de las mejores formas de entender como interaccionan las diferentes sustancias en el medio ambiente. Con AquaMod esto se vuelve un experimento extremadamente sencillo.
A medida que la complejidad del modelo aumenta, los resultados dejan de parecer tan claros y de ajustarse a la teoría estrictamente. Es recomendable que el estudiante estudie estos casos y trate de descubrir porqué y cuales son los factores que desvían los resultados de lo que se esperaba.
Como se mencionó anteriormente, es muy viable incrementar el nivel de complejidad del modelo. El conocer estas posibilidades debe ser un incentivo para el posterior desarrollo de este tipo de modelos; unas cuantas modificaciones al código subyacente de AquaMod bastaría para adaptarlo a cualquier situación y entorno. Esto presenta la gran ventaja que al conocer en profundidad el modelo, no se cometen errores que podrían cometerse al utilizar modelos comerciales como QUAL2K o HERMES, ignorando las simplificaciones particulares a cada modelo. Por lo tanto, se recomienda a quien esté interesado en profundizar más en el tema estudiar el código anexo, e investigar qué modificaciones se pueden realizar para aumentar el grado de complejidad del modelo y las posibilidades de este.
desarrollo de software. Visual Basic, al igual que el programa desarrollado en el, AquaMod, permite aprender sobre la marcha. La realización de la interfase fue relativamente sencilla comparada con otras aplicaciones para desarrollar software, y los resultados obtenidos fueron los esperados. El lenguaje no presentó ninguna limitación para los objetivos que se querían alcanzar. El resultado final fue una aplicación sencilla, fácil de usar, y perfectamente compatible con Windows y sus aplicaciones.
A pesar de esto, el programa si presenta algunas desventajas en cuanto al manejo de la memoria. Sin tener conocimientos avanzados sobre el desarrollo en este lenguaje, las aplicaciones resultan pesadas y consumen una cantidad considerable de los recursos del sistema. Si se tiene en mente realizar un modelo de mucha mayor complejidad y exactitud, se recomienda considerar otros lenguajes que permitan el manejo de mayores cantidades de datos de manera más eficiente.
BIBLIOGRAFÍA
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AquaMod guarda toda la información pertinente a los proyectos que se realizan en un archivo de base de datos de Microsoft Access llamado “proyectos.mdb”. No es necesario tener Microsoft Access para que el programa funciones correctamente. Esta base de datos contiene tres tablas, y las relaciones entre estas son parte fundamental del diseño del software.
La tabla principal, denominada “Proyectos” contiene información específica de cada proyecto. La información específica a cada tramo se guarda en la tabla “Tramos”, y finalmente, la información particular a cada incidente se guarda en la tabla “Incidentes”. La información en las tablas se guarda en registros únicos; cada nuevo proyecto es un nuevo registro en la tabla “Proyectos”; cada nuevo tramo es un nuevo registro en la tabla “Tramos”, e igual para los incidentes. Estos registros a su vez, guardan la información en campos; estos campos pueden tener “reglas de validación” que aseguran que la información ingresada por el usuario cumpla con ciertas normas establecidas en el diseño. De lo contrario, la información ingresada por el usuario no será actualizada, y el campo mantendrá su valor anterior. Las tablas A.1-A.3 muestran estructura de las tablas que conforman la base de datos con sus campos respectivos.
Las tablas pueden estar relacionadas entre si por medio de llaves primarias y secundarias. En la base de datos de AquaMod, uno o varios registros en “Tramos” pueden estar relacionados a un único registro en “Proyectos”. Esto permitirá que el programa identifique los tramos que hacen parte del proyecto actual. De igual manera, uno o varios registros en “Incidentes” pueden estar relacionados a un único registro en “Tramos”, y estos serán los únicos tenidos en cuenta por el programa cuando está modelando un tramo de un proyecto específico. Cuando el proyecto se trata de un lago, AquaMod crea un registro en “Tramos” para este lago, y asigna todos los incidentes ingresados por el usuario a este tramo.
IdProyecto Llave principal Entero Único Auto Incr. Nombre Título del proyecto Texto Nuevo Proyecto
Autor Nombre del autor Texto
Fecha Fecha de la simulación Fecha
Temperatura Temperatura del agua Simple >=0;<=100 20 Elevación Elevación del sitio Simple >=0;<=10 0 Caudal Caudal inicial del río / lago Simple >=0 0,5
Cini Conservativo Inicial Simple >=0 0
Aini Algas Inicial Simple >=0 0
NoIni Nitrógeno orgánico inicial Simple >=0 0
NaIni Nitrógeno amonical inicial Simple >=0 0
NiIni Nitrito inicial Simple >=0 0
NnIni Nitrato inicial Simple >=0 0
PsIni Fósforo soluble inicial Simple >=0 0
PnIni Fósforo no soluble inicial Simple >=0 0
Eini Bacterias inicial Simple >=0 0
Lini DBO inicial Simple >=0 0
Oini Oxígeno disuelto inicial Simple >=0 7
Kg Crecimiento de algas Simple >=0 2
Kra Respiración de algas Simple >=0 2
Kgz Predación de algas Simple >=0 0
Koa Hidrólisis de nitrógeno orgánico Simple >=0 0,25 Kai Nitrificación - amonio a nitrito Simple >=0 0,25 Kin Nitrificación - nitrito a nitrato Simple >=0 0,75
Kdn Denitrificación Simple >=0 0,15
Kd Degradación de DBO Simple >=0 0,3
Ks Sedimentación de DBO Simple >=0 0,2
Ka Reaireación Simple >=0 0,5
Kbm Mortalidad de bacterias Simple >=0 1,12 Kbi Pérdidas por radiación de bacterias Simple >=0 0,05 Kbs Sedimentación de bacterias Simple >=0 0,08 Kps Sedimentación de fósforo no soluble Simple >=0 0
Periodo Período de tiempo Entero >0 10
Duración Duración de la simulación Entero >0 1000 Tipo Tipo de proyecto (Río / Lago) Entero >0;<4
Volumen Volumen del lago Simple >0 100
Kam Preferencia de las algas por amonio Simple >=0 0,05 Knitr Inhibición de la nitrificación Simple >=0 0,6
Tabla A.2 – Estructura de la tabla “Tramos”
Campo Descripción Tipo de dato Validación Predetermin. Valor
IdTramo Llave primaria Entero Único Auto Incr. IdProyecto Llave secundaria Entero Existe
A Coef. Relación caudal - velocidad Simple >0 0,05 B Coef. Relación caudal - velocidad Simple >=0 0,7 Longitud Longitud del tramo Simple >0 500 Posición Posición del tramo en el río Entero >0 1 Descripción Nombre o descripción del tramo Texto
FD Fracción Dispersiva Simple >=0;<=1.0 0,4 Profundidad Profundidad del tramo Simple >=0 1
DeltaH Cambio de altitud en el tramo Simple >=0 0 Reaireación Fórmula de reaireación para el tramo Entero >0;<5 1
IdIncidente Llave primaria Entero Único Auto Incr. IdTramo Llave secundaria Entero Existe
Sustancia Sustancia contaminante Entero >=0;<=10 0 Descarga Caudal de aporte Simple >0 0,1 Concentración Concentración de contaminante Simple >0 100 Tini Tiempo de inicio del incidente Entero >0 0 Tfin Tiempo final del incidente Entero >0 1
La figura A.1 muestra como se utilizan las llaves primarias y secundarias para establecer las relaciones entre las tablas.
Proyectos Tramos Incidentes
IdProyecto IdTramo IdIncidente
Nombre IdProyecto IdTramo
Autor A Sustancia
Fecha B Descarga
Temperatura Longitud Concentración
Elevación Posición Tini
Caudal Descripción Tfin
… … …
AquaMod no soporta la operación de exportar registros. Si se desea transportar la información sobre los proyectos, será necesario copiar el archivo
“proyectos.mdb” (ubicado en la carpeta donde se instaló el programa) a un medio removible, y reemplazarlo por el mismo archivo en otro computador. Se perderán todos los registros del archivo que fue reemplazado.