QUAL2K: A Modeling Framework for Simulating River and Stream Water Quality (Version 2.11) Documentation The Mystic River at Medford, MA Steve Chapra, Greg Pelletier and Hua Tao December 16, 2008 Chapra, S.C., Pelletier, G.J. and Tao, H. 2008. QUAL2K: A Modeling Framework for Simulating River and Stream Water Quality, Version 2.11: Documentation and Users Manual. Civil and Environmental Engineering Dept., Tufts University, Medford, MA.,
[email protected] renuncia La información contenida en este documento han sido parcialmente financiado por la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos. Actualmente está siendo sometido a revisión por pares y administrativos de la Agencia y aún no se ha aprobado para su publicación como un documento de la EPA. La mención de nombres comerciales o productos comerciales no constituye un endoso o recomendación para su uso por la Agencia de Protección Ambiental de los EE.UU.. El modelo QUAL2K (Q2K) descritos en este manual debe ser utilizado bajo el propio riesgo del usuario. Ni la Agencia de Protección Ambiental de EE.UU., la Universidad de Tufts, el Departamento de Ecología de Washington, ni los autores del programa pueden asumir la responsabilidad por el funcionamiento del modelo, la producción, interpretación o uso. Los creadores de este programa han utilizado sus mejores esfuerzos en la preparación de este código. No es absolutamente garantizado que esté libre de errores. El autor / programador no tiene garantías, expresas o implícitas, incluyendo, sin limitación de Garantías de comerciabilidad o adecuación para un propósito en particular. No se hace responsable en ningún caso por los daños y perjuicios, incluyendo daños accidentales o consecuentes, la pérdida de beneficios, los costos de pérdida de datos o materiales de programación, o de otro tipo en relación con o que surjan de la utilización de este programa. 1 INTRODUCCIÓN QUAL2K (o Q2K) es un río y el modelo de flujo de la calidad del agua que está destinado a representar una versión modernizada de la QUAL2E (o Q2E) modelo (Brown y Barnwell 1987). Q2K es similar a Q2E en los siguientes aspectos: • Una dimensión. El canal está bien mezclado vertical y lateralmente. • La ramificación. El sistema puede consistir en un cauce principal del río con sus afluentes ramificados. • Sistema hidráulico de estado estacionario. No uniforme, el flujo constante es simulado. • Diel balance de calor. El balance de calor y temperatura son simuladas en función de la meteorología en una escala de tiempodiel. • Diel la calidad del agua-cinética. Todas las variables de calidad del agua se simulan en una escala de tiempo diel. • Las entradas de calor y masa. Cargas puntuales y difusas, y los retiros son simuladas. El marco QUAL2K incluye los siguientes nuevos elementos: • Software para el Medio Ambiente y la interfaz. Q2K se lleva a cabo en el entorno de Microsoft Windows. Cálculos numéricos se programan en Fortran 90. Excel se utiliza como la interfaz gráfica de usuario. Todas las operaciones se programan en la interfaz de Microsoft Office macro lenguaje: Visual Basic para Aplicaciones (VBA). • El modelo de segmentación. Q2E segmentos del sistema entramos de ríos que consta de elementos equidistantes. Q2Ktambién divide el sistema en el alcance y los elementos. Sin embargo, en contraste con Q2E, el tamaño del elemento de Q2Kpuede variar de llegar a alcanzar. Además, la carga de múltiples yretiros pueden ser de entrada a cualquier elemento. • especiación DBO carbonosa. Q2K utiliza dos formas de DBOcarbonosa para representar a carbono orgánico. Estas formasson una forma de oxidación lenta (slow CBOD) y una forma rápidaoxidación (rápido CBOD). • Anoxia. Q2K acomoda anoxia mediante la reducción de las reacciones de oxidación de cero a niveles bajos de oxígeno.Además, la desnitrificación se modela como una reacción de primer orden que se hace pronunciada a bajas concentraciones de oxígeno. • El agua de sedimentos y las interacciones. Agua-sedimentoflujos de oxígeno disuelto y nutrientes se puede simularinternamente en lugar de ser prescritas. Es decir, el oxígeno(SOD) y los flujos de nutrientes son simuladas en función de lasolución de partículas de materia orgánica, las reacciones dentro de los sedimentos, y las concentraciones de las formas solublesen las aguas que la cubren. • La parte inferior de algas. El modelo simula de forma explícitalas algas abajo adjunto. Estas algas tienen una estequiometríavariable. • Luz de extinción. Extinción de la luz se calcula en función de los sólidos de algas, detritus e inorgánicos. • pH. Tanto la alcalinidad y el carbono inorgánico total son simuladas. PH del río luego se calcula en base a estas dos cantidades. • Los agentes patógenos. Un patógeno genérico es simulado. La eliminación de patógenos se determina en función de la temperatura, la luz y la solución. • Llegar a los parámetros específicos de cinética. Q2K le permite especificar muchos de los parámetros cinéticos de maneraespecífica de llegar. • Presas y cascadas. El sistema hidráulico de vertederos, así como el efecto de las presas y saltos de agua en la transferencia de gas se incluyen explícitamente. 2 PRIMEROS PASOS Tal como está configurado, un libro de Excel sirve como interfaz para QUAL2K. Es decir, toda la entrada y salida, así como la ejecución del modelo se implementan dentro de Excel. Todas las funciones de la interfaz se han programado en lenguaje de macros de Excel: Visual Basic para Aplicaciones (VBA). Todos los cálculos numéricos se aplican en Fortran 90 para la velocidad de ejecución. El siguiente material se ofrece una descripción paso a paso de cómo el modelo puede ser instalado en su computadora y se utiliza para realizar una simulación. Paso 1: Copie el archivo, Q2Kv2_11.zip, a un directorio (por ejemplo, C: \). Cuando este archivo se descomprime, se crearáun subdirectorio, Q2Kv2_11 que incluye un archivo de Excel(Q2KMasterv2_11.xls), y un archivo ejecutable(Q2KFortran2_11.exe). La primera es la interfaz Q2K que le permite ejecutar Q2K y mostrar sus resultados. El segundo es el ejecutable de Fortran que en realidad realiza los cálculos del modelo. Estos dos archivos deben estar siempre en el mismo directorio para que el modelo funcione correctamente. Tenga en cuenta que después de ejecutar el modelo, algunos archivos de la asistencia se creará automáticamente el archivo ejecutableFortran para el intercambio de información con Excel. NOTA: No elimine el archivo zip.. Si por alguna razón, se modificaQ2K de una manera que lo hace inservible, siempre puedes utilizar el archivo zip para volver a instalar el modelo. Paso 2: Crear un subdirectorio fuera de C: \ Archivos de DatosQ2Kv2_11 llamada. Paso 3: Abrir Excel y asegúrese de que su nivel de seguridad de macros está establecida en media (Figura 1). Esto se puede hacerutilizando los comandos de menú: Herramientas ÷ ÷ Macro de Seguridad. Asegúrese de que el botón de radio medio esseleccionado. Figura 1 El nivel de seguridad de macros de Excel cuadro de diálogo. Para ejecutar Q2K, el nivel medio de seguridad debe ser seleccionado. Paso 4: Q2KMasterFortranv2_11.xls abierta. Al hacer esto, elcuadro de diálogo Seguridad de macros se muestra (Figura 2). Figura 2 El cuadro de diálogo de macros de Excel de seguridad.Para ejecutar Q2K, el botón Habilitar macros debe estar seleccionada. Haga clic en el botón Habilitar macros. Paso 5: En la Hoja de QUAL2K, vaya a la celda B10 y escriba la ruta al directorio de archivos de datos: C: \ QUAL2K \ archivos de datos como se muestra en la Figura 3. Figura 3 La hoja de QUAL2K muestra la entrada de la ruta del archivo en la celda B10. Paso 6: Haga clic en el botón Ejecutar Fortran. Si el programa no funciona correctamente ... Hay dos razones principales por las que el programa nofuncionaría correctamente. En primer lugar, puede que esté utilizando una versión antigua de Microsoft Office. Aunque Exceles compatible con la baja de algunas versiones anteriores, Q2Kno funcionará con versiones muy antiguas. En segundo lugar, puede haber cometido un error en la ejecución de los pasos anteriores. Un error común es que haya escrito correctamente la ruta del archivo que ha introducido en la celda B10. Por ejemplo, supongamos que escribió incorrectamente la ruta como C: \ Q2KFortranv2_11 \ DataFles. Si este es el caso, usted recibirá un mensaje de error (Figura 4). Figura 4 Un mensaje de error que se produce si escribe la ruta de acceso incorrecta en la celda B10 en la hoja de QUAL2K. Si esto ocurre, haga clic en Aceptar. Esto pondrá fin a la carrera ytraer de vuelta a la hoja de QUAL2K donde se puede corregir la entrada de la ruta del archivo. Si el programa funciona correctamente ... QUAL2K comenzará a ejecutar. Se abrirá una ventana mostrando el progreso de los cálculos Fortran (Figura 5). Figura 5 En esta ventana que muestra el progreso de los cálculosdel modelo como ejecutados en Fortran. Que le permite seguir el progreso de la ejecución de un modelo. El programa está diseñado para simular un río ficticio con un caucea lo largo de dos afluentes. Si el programa funciona correctamente, el siguiente cuadro de diálogo aparecerá cuando la carrera se ha completado: Pulse Aceptar y el siguiente cuadro de diálogo se mostrará: Este cuadro le permite seleccionar las partes del sistema quedesea trazar. Como se muestra, por defecto cauce principal del río.Pulse OK para ver el tiempo de viaje para el cauce principal.Tenga en cuenta que todas las parcelas se actualizan cuando se pulsa en Aceptar. Para pasar a ver las parcelas de uno de los afluentes, debe pulsarel botón en la parte superior izquierda de la pantalla Esto hace que el cuadro de diálogo Opciones de diagrama que se muestra. El menú desplegable se puede utilizar para seleccionar otro afluente. Paso 7: En la Hoja de QUAL2K clic en el botón Abrir archivo antiguo. Vaya a llegar al directorio: C: \ Q2KFortranv2_11 \archivos de datos. Usted debe ver que un nuevo archivo ha sido creado con el nombre que se especificó en la celda B9 (en elcaso del ejemplo de la Figura 3, BogusExample.q2k). Haga clicen el botón Cancelar para volver a Q2K. Tenga en cuenta que cada vez que Q2K se ejecuta, un archivo de datos se crea con el nombre de archivo especificado en la celdaB9 en la Hoja de QUAL2K (Figura 3). El programa automáticamente pone la extensión. Q2K al nombre del archivo.Ya que este se sobreponen a las versiones anteriores del archivo, asegúrese de cambiar el nombre de archivo al realizar una nueva solicitud. Ahora que ha ejecutado satisfactoriamente Q2K en el equipo, las siguientes páginas están dedicadas a la documentación de la ciencia que subyace en el modelo. 3 SEGMENTACIÓN E HIDRÁULICA El modelo representa un río como una serie de tramos. Estos representan los tramos de río que tienen constantescaracterísticas hidráulicas (por ejemplo, la pendiente, ancho de fondo, etc.) Como se muestra en la Figura 6, los tramos están numerados en orden ascendente a partir de la cabecera deltronco principal del río. Tenga en cuenta que las fuentes puntuales y difusas y puntuales y no punto de retiros (abstracciones) se puede colocar en cualquier lugar a lo largo de la longitud del canal. Figura 6 QUAL2K esquema de segmentación de un río sin afluentes. Para los sistemas con afluentes (Figura 7), el alcance se numeran en orden ascendente a partir de llegar a una en la cabecera del tallo principal. Cuando un cruce con un afluente que se alcance, la numeración continúa en cabecera que es afluente. Observar que tanto las cabeceras y afluentes también son numeradas consecutivamente siguiendo un esquema similar a la secuencia alcanza. Tenga en cuenta también que las ramas principales del sistema (es decir, el tronco principal y cada uno de los afluentes)se conocen como segmentos. Esta distinción tiene importancia práctica debido a que el software proporciona parcelas de salida del modelo en base a segmentos. Es decir, el software genera parcelas individuales para el tronco principal, así como cada uno de los afluentes. 1 2 3 4 5 6 8 7 Non-point withdrawal Non-point source Point source Point source Point withdrawal Point withdrawal Headwater boundary Downstream boundary Point source Figura 7 QUAL2K esquema de segmentación para (a) un río consus afluentes. La representación de llegar a Q2K en (b) ilustra el alcance, las cabeceras y afluentes los planes de numeración. Finalmente, cualquier modelo puede llegar a ser dividida en una serie de elementos igualmente espaciados. Como en la figura 8,esto se hace simplemente especificando el número de elementos que se desean. Figura 8 Si lo desea, llegar a cualquier modelo puede subdividirse en una serie de n elementos de igual longitud. 19 18 17 16 19 18 17 16 1 5 4 3 2 1 5 4 3 2 20 28 27 26 21 29 20 28 27 26 21 29 12 15 14 13 12 15 14 13 8 7 6 8 7 6 9 11 10 9 11 10 24 23 22 25 HW#1 HW#2 HW#3 HW#4 (a) A river with tributaries (b) Q2K reach representation M a i n s t e m T r i b 1 T r i b 2 T r i b 3 n = 4 n = 4 Reach Reach Elements Elements En resumen, la nomenclatura utilizada para describir la forma en que organiza Q2K río topología es la siguiente: • Alcance. Un trozo de río con características hidráulicasconstantes. • Elemento. El modelo de la unidad fundamental de cálculo que consiste en una subdivisión de la misma longitud de un tramo. • Segmento. Una colección de alcance que representa una rama del sistema. Estos consisten en el tallo principal, así como cadaafluente. • Cabeceras. El límite superior de un modelo del segmento. 3.1 Flujo de Balance Como se describe en la sección anterior, la unidad más fundamental Q2K es el elemento. Un balance de flujo en estado estacionario que se aplique a cada elemento del modelo como(Figura 9) (1) donde Qi = escape del elemento i en el elemento de abajo i + 1[m3 / d], Qi- 1 = entrada del elemento ascendente i - 1 [m3 / d],Qin, i es el flujo total en el elemento desde el punto de y las fuentes no puntuales [m3 / d], y Qout, i es la salida total del elemento, debido a las extracciones puntuales y no puntuales [m3/ d]. Por lo tanto, la salida aguas abajo es simplemente la diferencia entre las ganancias de fuente de entrada y menos las pérdidas de la retirada. Figura 9 equilibrar el flujo de elementos. El flujo total de las fuentes se calcula como ¿ ¿ = = + = npsi j j i nps psi j j i ps i in Q Q Q 1 , , 1 , , , donde CPE, i, j es el flujo de entrada de punto de origen al elemento j i [m3 / d], psi = el número total de fuentes puntuales parael elemento i, Qnps, i, j es el j-no punto de entrada de origen para el elemento i [m3 / d], y NPSI = el número total de entradas de fuentes no puntuales al elemento i. i i + 1 i ÷ 1 Q i÷1 Q i Q in,i Q out,i La salida total de los retiros se calcula como ¿ ¿ = = + = npai j j i npa pai j j i pa i o Q Q Q 1 , , 1 , , ut, donde QPA, i, j es el flujo punto de retiro del elemento j i [m3 / d], pai = el número total de retiros punto del elemento i, Qnpa, i, j es el j-punto de vertido no retirada del elemento i [m3 / d], y npai = el número total de los flujos de retirada no puntuales del elemento i. Las fuentes no puntuales y los retiros se modelan como fuentes de línea. Al igual que en la Figura 10, la fuente no puntual o el retiro está demarcada por su inicial y final los puntos kilométricos.Su caudal se distribuye a partir de cada elemento o de una manera longitud-peso. Figura 10 La forma en que se distribuye no dirigir el flujo de fuente para un elemento. 3.2 Características hidráulicas Una vez que la salida de cada elemento se calcula, la profundidady la velocidad se calculan en una de tres maneras: vertederos,curvas de gasto, y las ecuaciones de Manning. El programadecide entre las opciones de la siguiente manera: • Si la altura del vertedero y el ancho se introducen, la opciónvertedero se lleva a cabo. • Si la altura del vertedero y la anchura son iguales a cero y los coeficientes de la curva de calificación se ingresan (a y o), la opción curva de se lleva a cabo. • Si ninguna de las condiciones anteriores, Q2K utiliza la ecuación de Manning. 3.2.1 vertederos La figura 11 muestra cómo se representan en vertederos Q2K.Tenga en cuenta que un vertedero sólo puede ocurrir al final de un alcance que consiste en un solo elemento. Los símbolos se muestra en la Figura 11 se definen como: Hi = la Q npt 25% 25% 50% start end 1 1 2 profundidad del elemento aguas arriba de la presa [m], Hi +1 = la profundidad de las aguas abajo los elementos del nivel del mar vertedero [m],elev2i = por encima de la elevación de el final del elemento aguas arriba [m], elev1i +1 = la elevación sobre el nivel del mar de la cabecera del elemento aguas abajo [m], Hw = altura de la presapor encima de elev2i [m], Hd = la distancia vertical entre la elevación sobre el nivel del mar de la superficie del elemento y el elemento i i 1 [m], Hh = la cabeza por encima de la presa [m], Bw= ancho del vertedero [m]. Tenga en cuenta que la anchura de la presa puede ser diferente del ancho del elemento, Bi. Figura 11 Un vertedero de cresta aguda que ocurre en el límite entre dos tramos. Para un vertedero de cresta afilada donde HH / HW <0,4, el flujo se relaciona con la cabeza por (Finnemore y Franzini 2002) 2 / 3 83 . 1 h w i H B Q = donde Qi es la salida del elemento aguas arriba de la presa en m3 / s, y el peso corporal y Hh en m. La ecuación (4) pueden ser resueltos por 3 / 2 83 . 1 | | . | \ | = w i h B Q H Este resultado se puede utilizar para calcular la profundidad delelemento i, h w i H H H + = y la caída sobre el vertedero 1 1 1 2 + + ÷ ÷ + = i i i i d H elev H elev H Tenga en cuenta que esta caída se utiliza para calcular el oxígeno yel dióxido de carbono debido a la transferencia de gas del vertedero (ver páginas 57 y 63). H i+1 H w H i B w H d (a) Side (b) Cross-section H w H i H h elev2 i elev1 i+1 elev2 i elev1 i+1 El área de sección transversal, la velocidad, la superficie y el volumen del elemento i puede calcularse como i i i c H B A = , i c i i A Q U , = i i i s x B A A = , i i i i x H B V A = donde Bi = el ancho del elemento i, xi = A la longitud del elementoi. Tenga en cuenta que para llegar a los vertederos, la anchura alcance debe ser ingresado. Este valor se introduce en la columna de AA (con la etiqueta "Ancho del fondo") de la Hoja de Reach. 3.2.2 Curvas de Valoración Ecuaciones de poder (a veces llamado Leopold-Maddoxrelaciones) puede ser usado para relacionar la velocidad media y la profundidad de flujo de los elementos en un tramo, b aQ U = | oQ H = donde a, b, o y | son coeficientes empíricos que se determina a partir de la velocidad de descarga y nivel-caudal curvas de gasto, respectivamente. Los valores de la velocidad y la profundidad puede ser empleado para determinar el área de sección transversal y el ancho de U Q A c = H A B c =