Universidad de las Fuerzas Armadas - ESPE

Carrera de Ingeniería Geográfica y del Medio Ambiente

~ Control y Contaminación del Agua ~

Profesora: Ing. Oliva Atiaga

Tutorial sobre el software libre QUAL2Kw

Integrantes: Jácome, Gissela;Iza, Jacqueline;Velasco, David.

Nivel: 7mo

Semestre: Octubre 2014 - Febrero 2015

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QUAL2K/QUAL2Kw

INTRODUCCIÓNSegún (Vera, 2007), el modelo QUAL2K desarrollado por el profesor Steven Chapra y su equipo de trabajo, es un software libre, de modelación unidimensional de la calidad del agua sobre corrientes superficiales, que puede ser descargado de la página web de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos-EPA, este puede simular el comportamiento de 19 variables distintas de calidad del agua y representa el avance sobre el modelo anterior QUAL2E. Una variación del modelo QUAL2K ha sido la realización de una versión denominada QUAL2Kw, que se encuentra también disponible de forma libre pero en la página de la Universidad del Estado de Washington. Esta versión mejorada incluye un algoritmo genético denominado PIKAIA empleado para optimización matemática de las constantes cinéticas de los distintos procesos que modela el programa.

QUAL2K se descarga de la EPA siguiendo el url: http://epa.gov/athens/wwqtsc/html/qual2k.htmlhttp://augusta.uao.edu.co/moodle/mod/resource/view.php?id=176987

INSTALACIÓNPara instalar el programa se realizan los siguientes pasos a continuación descritos: Paso 1: Copiar el archivo Q2Kv2_11b8.zip a un directorio (por ejemplo, C:\

QUAL2K). Cuando se descomprime este archivo, aparecerán dos archivos: un archivo de Excel (Q2KMasterv2_11b8.xls) y un archivo ejecutable (q2kfortran2_11.exe) dentro de la carpeta creada (por ejemplo, C:\Q2Kv2_11b8). Estos dos archivos deben estar siempre en el mismo directorio para que el modelo se ejecute correctamente. Tenga en cuenta que después de ejecutar el modelo, algunos archivos serán creados automáticamente por el archivo ejecutable Fortran para intercambiar información con Excel.

Paso 2: Crear una carpeta fuera de C:\Q2Kv2_11b8 llamada DataFiles. Paso 3: Abra Excel y asegúrese de que el nivel de seguridad de macros se

establezca en Medium (Figura 1). Esto se puede hacer utilizando los comandos de menú: Tools→Macro→Security. Asegúrese de que se selecciona el botón Medium.

Figura 1

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Paso 4: Abrir Q2KMasterFortranv2_11.xls. Al hacer esto, el Cuadro de Diálogo de Seguridad de Macros se mostrará (Figura 2). Para que el programa corra se deberá habilitar los Macros.

Figura 2

Paso 5: En la pestaña QUAL2K, vaya a la celda B10 y escriba la ruta de acceso a la carpeta DataFiles: C:\QUAL2K\DataFiles (Figura 3).

Figura 3

Paso 6: Haga clic en el botón Run Fortran. Si el programa está trabajando correctamente…

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QUAL2K comenzará a ejecutarse (Figura 4). Se abrirá la siguiente ventana:

Figura 4

El programa está configurado para simular un río ficticio con un cauce principal junto con dos afluentes. Si el programa funciona correctamente, el siguiente cuadro de diálogo aparecerá (Figura 5):

Figura 5

Dar clic en Aceptar y el siguiente cuadro de diálogo aparecerá a continuación (Figura 6):

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Figura 6

Este cuadro le permite elegir las partes del sistema que desea trazar. Como se muestra, el valor predeterminado es Mainstem (curso principal del río). Pulse OK para ver el tiempo de viaje para el curso principal. Tenga en cuenta que todos los segmentos o subtramos se actualizan cuando se pulsa OK.

Para pasar a ver los segmentos o subtramos de uno de los afluentes, deberá pulsar el botón en la parte superior izquierda de la pantalla.

Paso 7: En la pestaña QUAL2K, haga clic en el botón Open Old Field. Navegue hasta llegar al directorio: C:\QUAL2K\DataFiles. Se podrá observar que un nuevo archivo ha sido creado con el nombre que se especificó en la celda B9. Haga clic en el botón Cancelar para volver a Q2K (Figura 7).

Figura 7

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Tenga en cuenta que cada vez que se ejecuta Q2K, un archivo de datos se creará con el nombre de archivo especificado en la celda B9 de la pestaña QUAL2K. El programa añade automáticamente la extensión .q2k al nombre de archivo. Desde este sobrescribirá las versiones anteriores del archivo, asegúrese de cambiar el nombre del archivo al realizar un nuevo proyecto.

MANEJO DEL PROGRAMA

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Se desean conocer las concentraciones de oxígeno disuelto y DBO5 en el río Tupía en el tramo comprendido entre la Estación No. 0 y la Estación No. 3. Este río presenta problemas de calidad del agua debido al vertimiento de múltiples descargas de aguas residuales domésticas e industriales que lo afectan de manera directa o indirecta a través de sus ríos tributarios.

A través de una campaña batimétrica y de caracterización hidráulica se establecieron secciones transversales representativas en diferentes tramos en el Río. La información de cada sección se presenta en el Cuadro No. 1.

Cuadro No. 1. Resultados de la Campaña Batimétrica y de Caracterización Hidráulica

En los Cuadro Nos. 2 y 3 se presentan los datos de campo hidráulicos y de calidad del agua respectivamente medidos en las estaciones de monitoreo del Río Tupía durante un muestreo realizado con fines de calibración del modelo de calidad del agua.

Cuadro No. 2. Datos de Campo Hidráulicos en las Estaciones de Monitoreo

En el Cuadro No. 4 se presentan los datos hidráulicos y de calidad del agua respectivamente medidos en la desembocadura de los ríos tributarios y la descarga de la PTAR durante el muestreo realizado con fines de calibración del modelo de calidad del agua.

Cuadro No. 3. Datos de Calidad del agua en las Estaciones de Monitoreo

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Cuadro No. 4. Datos Hidráulicos y de calidad del agua en los vertimientos

DATOS GEOGRÁFICOS DEL ÁREA DE ESTUDIOEn el Cuadro No. 5 se presentan los datos geográficos correspondientes a los tramos en estudio en el río Tupía.

Cuadro No. 5. Características geográficas del tramo en estudio

DATOS CLIMATOLÓGICOS DEL ÁREA DE ESTUDIOEn el Cuadro No. 6 se presentan los datos climatológicos correspondientes a los tramos en estudio en el río Tupía.

Cuadro No. 6. Características geográficas del tramo en estudio

Aspectos Finalesa. Considerar las descargas de los tributarios y la PTAR como flujos laterales a lo largo del cauce principal.b. Considerar que el lecho del Río tiene una cobertura con algas del 5% y presenta una cobertura por sedimentos en un 50% del lecho del Río.c. Los parámetros de calibración que requiere el modelo para simular los fenómenos de transformación generalmente son tomados a través de mediciones de campo y posteriormente ajustados durante el proceso de calibración. En este caso debido a que no se dispone de dicha información se deberá partir de los rangos sugeridos en la literatura para cada uno de los parámetros de calibración.

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d. A partir de un análisis de sensibilidad del modelo QUAL2K y de las características específicas del río Tupia, se encontró que los parámetros de calibración más significativos en las respuestas del modelo y a los cuales se deben enfocar los mayores esfuerzos en la calibración son: tasa de degradación de la materia orgánica (DBO5,fast), tasa de hidrólisis del Nitrógeno Orgánico, la tasa de nitrificación del amonio, tasa de hidrólisis del Fósforo orgánico, tasa de disolución de la materia orgánica particulada (POM) y la velocidad de sedimentación de la POM.

RESOLUCIÓNEn esta parte se deberán ingresar los datos de la modelación. Se ingresa el nombre del río que se está trabajando, la fecha de la modelación, la zona horaria, etc. Es importante recordar que siempre deberán mantenerse los valores de 0.1 hours en Calculation step y 3 day en Final time.

En esta ventana se ingresan todos las variables del flujo principal. En Headwater Flow se ingresa el caudal principal. Se ingresan los valores de los parámetros a distintas horas.

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En la pestaña Reach se ingresan los datos de los tributarios y los datos de las estaciones de acuerdo al orden en que estén establecidas a lo largo del río. Se ingresan los parámetros geográficos como elevación, latitud, longitud y distancia existente entre tributarios.

Se ingresan los datos necesarios para calcular la fórmula de Manning y también se ingresan los porcentajes de cobertura con algas del 5% y cobertura por sedimentos en un 50% del lecho del Río.

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En la pestaña Air Temperature se ingresan los datos referentes a la temperatura del aire. Ingresamos el mismo datos para todas las horas que se nos pide y para todos los tributarios que se establecieron. La temperatura se ingresa en grados centígrados.

Se ingresa los datos sobre la temperatura del punto de rocío, en este caso, el proceso es similar al paso anterior. Cabe mencionar que los datos en las celdas verdes no se deben modificar por ninguna razón, solo se trabajará con las celdas azules.

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La temperatura del viento también se debe ingresar. En la pestaña Wind Speed se realiza el ingreso de este dato para todas las horas y para cada uno de los tributarios modelados.

El porcentaje de nunbosidad que cubre la zona se ingresa como se ha realizado anterioremente para todos los tributarios a para las diferentes horas.

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El porcentaje de sombra se realiza de igual manera que los pasos anteriores para todas las horas y para todos los tributarios simulados.

En la pestaña rates se pueden modificar las diversas constantes de acuerdo a las necesidades del usuario. En el presente ejercicio se modificaron las constantes existentes por nuevas. En las siguientes capturas, al lado derecho, se pueden observar los valores anteriormente usados.

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En la pestaña Point Sources o fuentes puntuales en español se ingresan todos los datos de todos los parámetros que se esten modelando. Es suficiente ingresar el dato promedio si no se dispone de más información.

Es fundamental recordar lo siguiente para realizar correctamente el ejercicio:

Río Molinos es el Tributario No. 1 Río El Silencio es el Tributario No. 2 Río San Pedro es el Tributario No. 3 Descarga PTAR La Planada es la Descarga PTAR

En las capturas de pantalla mostradas a continuación se puede observar el ingreso de los datos para cada una de las variables que QUAL2K va a modelar. Se recomienda ser muy cuidadoso en el ingreso de datos en las celdas.

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En las pestañas de color amarillo se ingresan datos adicionales para realizar la modelación. En el presente caso se están ingresando los datos de las estaciónes y así calcular la fórmula de Manning. Se deberán tener en cuenta las distancias respectivas entre cada una de las estaciones. La pestaña que aquí se trabaja es la Hydraulics Data.

Adicionalmente ingresamos en la pestaña Temperature Data la temperatura de cada una de las estaciones.

Después de realizados todos los pasos previos se da un clic en Run y se obtienen los resultados después de unos minutos. Se pueden revisar las varias pestañas que QUAL2K dispone.

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REFERENCIAS

Chapra, S., Pelletier, G., & Tao, H. (2008). Q2KDocv2_11b8.

Fuentes, I. (2012). Evaluación de la norma secundaria de calidad ambiental para la protección de las aguas continentales superficiales de la cuenca del río Biobío. Universidad de Chile. Retrieved from http://www.tesis.uchile.cl/handle/2250/113003

Holguín, J. (2012). Estudio de actualización del modelo de calidad del agua del río Palo 2011 tramo puente de Guachené – Bocas del Palo (p. 76). Retrieved from http://www.crc.gov.co/files/GestionAmbiental/RHidrico/INFORME_MODELACION_RIO_PALO_ULTIMA.pdf

Vera, I. (2007). Aplicación de técnica de optimización mediante algoritmos genéticos para calibración de modelo qual2k como una aproximación a la modelación de la calidad del agua de los principales ríos de la zona urbana de Bogotá D. C. Pontificia Universidad Javeriana. Retrieved from http://repository.javeriana.edu.co/handle/10554/3805

CURSO DE QUAL2K: http://augusta.uao.edu.co/moodle/course/view.php?id=4623

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