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Calidad del agua en un río afectado por vertidos de agua residual: el

modelo QUAL2K- (USEPA)

1. Objetivo general

En este laboratorio estudiaremos los cambios que sufre la concentración de

oxígeno disuelto aguas abajo de un punto de vertido de agua residual en un río, y

aprenderemos a cuantificarlos. Nuestro interés por estudiar el oxígeno disuelto se

justifica al ser éste es uno de los parámetros indicadores de contaminación más

comúnmente utilizados en sistemas naturales, por ser fácilmente determinable en

campo. Basta tener un sensor de oxígeno bien calibrado. La herramienta que

utilizaremos para cuantificar los cambios de oxígeno disuelto en el río es un modelo de

calidad de agua soportado por la Agencia Medio Ambiental de EEUU (USEPA).

2. Evolución del oxígeno disuelto en ríos: la comba del oxígeno

El agua residual se caracteriza por su alta concentración de sólidos en

suspensión y su alto contenido de materia orgánica. El vertido de agua residual sin tratar

en un río inducirá, por tanto, un aumento en la concentración de materia orgánica y

sólidos en suspensión. El aumento de los sólidos en suspensión inducirá, de un lado, un

incremento en la turbidez del agua. Como consecuencia de ello, el nivel de luz en el

agua y el crecimiento de las algas disminuyen. Parte de los sólidos en suspensión

sedimenta y crea un fondo con fangos que emite malos olores. La materia orgánica, por

otro lado, sirve de sustento para los organismos heterótrofos. En el proceso de

descomposición de la materia orgánica, estos organismos consumen oxígeno. El

consumo de oxígeno también se produce en el fango que se forma en las inmediaciones

del punto de vertido.

A medida que la concentración de oxígeno disminuye, el oxígeno que hay en la

atmósfera entra en el agua. Al principio, el ritmo al cual el oxígeno es consumido por

los organismos heterótrofos es mayor que el ritmo al cual el agua se reoxigena. Este

ritmo de re-oxigenación es proporcional al déficit de oxígeno en el agua, en relación a la

concentración de oxígeno disuelto a saturación (esta es la ley de Henry, que

seguramente habéis estudiado en Química). Más aguas abajo, a medida que la materia

orgánica es degradada, el ritmo de consumo de oxígeno se hace más pequeño. También

el déficit de oxígeno se hace mayor, y por tanto, crece el flujo de re-oxigenación. Llega

un punto en que los ritmos de consumo de oxígeno y re-oxigenación se hacen iguales.

Es el punto ‘crítico’, en que los niveles de oxígeno en agua son mínimos. Aguas abajo

de este punto, los procesos de re-oxigenación dominan a los procesos de

descomposición/consumo de oxígeno y la concentración de oxígeno disuelto vuelve a

aumentar. Esta última zona se conoce como zona de recuperación. La figura (1)

representa la evolución del oxígeno aguas abajo de un punto de vertido.

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Figura 1. Evolución del oxígeno disuelto aguas debajo de un punto de vertido.

3. - Caso resuelto –

El siguiente caso está resuelto en el fichero que os podéis bajar del tablón de

docencia de la asignatura de Ingeniería Ambiental. Se trata de un solo tramo de río

desde el punto de vertido a la desembocadura. A mitad de este tramo, un afluente vierte

agua de buena calidad.

4. Una breve introducción a QUAL2K utilizando el caso resuelto

La interfase entre el modelo QUAL2K y el usuario está escrita en EXCEL. Una

serie de pestañas/hojas (en celeste) están destinadas a introducir la información. El resto

incluye los resultados del modelo en forma gráfica (rosa) o en forma de tablas (pestañas

de color verde claro). Las pestañas de entrada de datos son

1. Qual2k

2. Headwater

3. Downstream

4. Reach

5. Reach rates

6. Air Temperature

7. Dew point temperatures

8. Wind speed

9. Cloud Cover

10. Shade

11. Rates

12. Light and heat

13. Diffuse Sources

14. Point Sources

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En la pestaña 1, identificamos el río y definimos el nombre del archivo de texto

(con la extensión .q2k) en el que se guarda toda la información. Este archivo guarda

todos los datos de entrada y los resultados de la ejecución, y nos permite cargar nuestro

problema y seguir trabajando en él, en caso de no acabar.

En la pestaña 2 ‘headwater’ proporcionamos al modelo los datos de caudal de

agua entrante, y definimos su calidad en función de una serie de parámetros indicadores.

Sólo nos interesan, en este caso, el contenido de materia orgánica (expresada como

D.B.O) oxígeno y temperatura. El modelo permite estudiar las variaciones de la calidad

del agua que se producen en distintos momentos del día, y por tanto, debemos dar

información de contenido de materia orgánica, oxígeno y temperatura, a distintas horas.

Si lo que buscamos es simular el comportamiento del oxígeno y la materia orgánica en

el río en estado estacionario, los valores de las variables de estado para las distintas

horas debe ser la misma. Además en esta pestaña definimos las condiciones hidráulicas

de flujo en la entrada del tramo de río. La pestaña 3, la ignoraremos en nuestro ejercicio.

En el modelo el río se divide en sub-tramos, y éstos a su vez se dividen en

segmentos o elementos de cálculo. En nuestro caso los subtramos son de 20 kilómetros

y los segmentos de 2 km de longitud. La geometría de cada uno de los sub-tramos de río

la definimos en la pestaña 4. Allí también definimos las condiciones hidráulicas del

cauce.

El modelo permite estimar las variaciones de temperatura del agua que se

producen entre el día y la noche, ya que estas pudieran afectar a la calidad del agua. Las

pestañas 6-10 son importantes cuando queremos simular variaciones horarias de calidad

del agua. Si lo que buscamos es simular el comportamiento del oxígeno y la materia

orgánica en el río, en estado estacionario, en estas pestañas no introduciremos nada o

bien introduciremos valores constantes para todas las variables.

Las constantes de reacción, velocidad de reoxigenación, los parámetros que

permiten cuantificar el efecto de la temperatura en las reacciones, etc. se definen bien

sub-tramo a sub-tramo en la pestaña ‘Reach rates’, o se les da un valor único al tramo de

río en la pestaña ‘rates’. Nosotros utilizaremos esta última opción.

En la pestaña ‘Point Sources’ definiremos las características del vertido de agua

residual, su localización, caudal y la calidad de este (su contenido en materia orgánica,

oxígeno disuelto y temperatura), así como las características del afluente.

Una vez introducida toda esta información, pinchamos en el botón ‘Run Fortran’

en cualquiera de las pestañas, y el código se ejecuta. Al ejecutarse veréis abrirse una

pantalla en negro en la que aparecen una serie de números. Al acabar de ejecutarse,

aparece una pantalla diciendo que todo ha ido bien, y preguntando el tramo cuyos

resultados quieres visualizar. En nuestro caso, sólo hay un tramo, que es el que

cargamos. Visita las pestañas en rosa y mira los resultados de caudal, velocidad,

oxígeno disuelto y materia orgánica. Prueba a cambiar las características del vertido y /

o afluente, y observa cómo cambian los resultados.

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Figura 2. Caso ilustrativo.

Caso propuesto para ser resuelto por el alumno

La Consejería de Medio Ambiente de la Junta de Andalucía contrata a la

empresa para la que trabajáis, para estudiar el grado de contaminación que producen dos

vertidos de agua residual, en un tramo de 90 km en el río TEJAS (el nombre es

inventado). Vosotros sois los jefes de la sección de MEDIO AMBIENTE de la empresa.

Vais en una campaña de campo al tramo del río que os han pedido analizar y tomáis la

siguiente información sobre distancias al primer vertido, velocidades U, calado H,

caudales Q, temperatura T, DBO L y oxígeno disuelto O. Al primer vertido lo

identificáis con el subíndice w y el segundo con el subíndice t.

x = 100 km

x = 60 km

x = 0 km

S0 = 0.00022 SL= 2 B = 10 n = 0.035

Qr = 5.787 m3/s Tr = 20 oC Or = 7.5 mg/L Lr = 2 mg/L

Qr = 1.157 m3/s Tr = 15 oC Or = 9 mg/L Lr = 5 mg/L

Qw = 0.463 m3/s Tw = 28 oC Ow = 2 mg/L Lw = 200 mg/L

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Figura 3. Caso propuesto

En los experimentos de laboratorio con las muestras tomadas en campo,

encuentras que la constante de reacción de primer orden es k (20oC) = 0.1 d

-1, y θ =

1.047. La velocidad de sedimentación en las muestras tomadas es de 0.5 m/día.

Además, estimas que el valor del factor de rugosidad de Manning es 0.04. El cauce tiene

una pendiente longitudinal de 0.001, una anchura de 10 m y pendientes laterales de 2:1.

Encuentra la evolución del oxígeno disuelto en el tramo de río, utilizando el modelo

QUAL2K. Los datos tomados en campo sólo son representativos del día y la hora en

que tomasteis las medidas y muestras. Debéis, pues, jugar con distintos escenarios. En

particular, (1) duplicad el caudal o divididlo por la mitad; (2) aumentad la carga

orgánica L al doble o divididla por la mitad; (3) aumentad la constante de reacción de

0.1 d-1

(que es propia de la materia orgánica refractaria) hasta 0.35 d-1

(para la materia

orgánica lábil). Analiza dos escenarios distintos, además del que aparece representado

en este enunciado. Debéis describir los escenarios que elijáis. Además de esos tres

escenarios (el que aparece en el esquema y otros dos más de vuestra elección),

determinad cuánto podría aumentar la carga orgánica del vertido w sin que desaparezca

el oxígeno del río, aguas abajo del vertido.

30 km 60 km

Qr = 4 m3/s

Tr = 15 oC

Lr = 5 mg/l

Or = 7 mg/l

Qw = 1 m3/s

Tw = 25 oC

Lw = 200 mg/l

Ow = 2 mg/l

0

Qt = 1 m3/s

Tt = 20 oC

Lt = 50 mg/l

Ot = 5 mg/l