Modelación de la Calidad de la escorrentía usando EPA SWMM 5.0

1. Modelación de la Calidad de la escorrentía usando EPA SWMM 5.0 Rodrigo Concha, Manuel Gómez Grupo de Investigación FLUMEN UPC

2. Introducción • Efectos de la lluvia caída en medio urbano • Problemas de cantidad • Problemas de calidad del agua en la red y del medio receptor

3. Problemas de cantidad El primer objeto de atención, evitar los problemas de inundación

4. Problemas de calidad Comparación de las concentraciones de agua residual y escorrentía superficial según Suárez , 1994. • 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

5. Red Separativa • Red separativa tradicional: - envía la escorrentía y la carga contaminante asociada, de forma directa al medio receptor

6. 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

7. 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

8. 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)

9. Carga contaminante asociada a las aguas pluviales Procesos asociados a la aportación de carga contaminante 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

10. 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

11. Formulaciones para la acumulación de carga contaminante (build up) Ecuaciones tipo: • Lineal • Potencial • Exponencial • Michaelis – Menton

12. 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

13. Formulaciones para el lavado y arrastre de carga contaminante (washoff) Ecuaciones tipo: • Exponencial • Curva de flujo • Concentración media de suceso (Event Mean Concentration EMC)

14. 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 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

15. 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)

16. 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

17. Modelo de calidad de la escorrentía en EPA SWMM 5.0 ¿Valores numéricos? • 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

18. 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

19. 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.

20. Ejemplo: estudio de vertidos en Granollers • 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 Parámetros de ajuste Acumulación: a=150 Kg/Ha; b=2.5 días Lavado y arrastre: C1= 0.072; C2= 2.5

21. Ejemplo: estudio de vertidos en Granollers • Resultados de la calibración

22. Ejemplo: estudio de vertidos en Granollers • Resultados de la validación

23. Actuaciones ante el problema de los CSO • Posibilidad de almacenar volúmenes de escorrentía antes del vertido • Almacenamiento dentro de la red • Almacenamiento en depósitos

24. Almacenamiento en la red • Construcción de colectores específicos de almacenamiento • Almacenamiento en la misma red, aprovechando el volumen existente

25. Almacenamiento en la red

26. Almacenamiento en depósitos • Depósitos en línea o en paralelo, para recoger la primera escorrentía

27. Ejemplo: estudio de depósito antiDSU en la ciudad de Reus ANTECEDENTES • 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

28. Esquema Reus-barranco del Escorial-barranco de Barenys-Salou Problemática: vertidos al barranco del Escorial desde la red de alcantarillado de Reus en tiempo de lluvia Mezcla hacia el barranco de Mas Calvo Vertido desde la red de alcantarillado Flujo desde EDAR

29. 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

30. 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

31. 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

32. 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)

33. 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)