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 TaoDecember 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., Steven.Chapra@tufts.edurenuncia

La informacin contenida eneste documento han sido parcialmente financiado por laAgencia deProteccin Ambiental de EstadosUnidos.Actualmente est siendosometido arevisin por pares yadministrativosde la Agencia yan no se ha aprobado para su publicacincomo undocumento de la EPA.La mencin de nombrescomerciales o productos comercialesno constituye un endosoo recomendacinpara su uso porla Agencia de ProteccinAmbiental de los EE.UU..

El modeloQUAL2K(Q2K) descritos en estemanual debe ser utilizadobajo el propio riesgodel usuario.Ni laAgencia de Proteccin Ambiental de EE.UU.,la Universidad de Tufts,el Departamentode Ecologa de Washington, nilos autores del programapuedenasumir la responsabilidad porel funcionamiento del modelo,la produccin,interpretacin ouso.

Los creadores de esteprograma han utilizadosus mejores esfuerzosen la preparacin deeste cdigo.No es absolutamente garantizado queest libre de errores.El autor/ programadorno tienegarantas,expresas o implcitas, incluyendo, sinlimitacin de Garantasde comerciabilidado adecuacin para unpropsito en particular.No se hace responsableen ningn caso porlos daos y perjuicios,incluyendo daosaccidentaleso consecuentes, la prdidade beneficios, los costosde prdida de datoso materialesde programacin,o de otro tipoen relacin cono que surjan dela utilizacin deeste programa.

1 INTRODUCCIN

QUAL2K(oQ2K) es un roy el modelo deflujo dela calidad del aguaqueest destinado a representaruna versin modernizada de laQUAL2E(oQ2E)modelo(BrownyBarnwell1987).Q2Kes similar aQ2Een los siguientes aspectos:

Unadimensin.El canalest bien mezcladovertical y lateralmente.La ramificacin.El sistemapuede consistir en uncauce principaldel rocon sus afluentesramificados. Sistema hidrulico deestado estacionario.No uniforme, el flujo constantees simulado.Dielbalance de calor.El balance de calory temperaturason simuladasen funcinde la meteorologaenuna escala de tiempodiel.Diella calidad del agua-cintica.Todas las variablesde calidad del aguase simulan enuna escala de tiempodiel. Las entradasde calory masa.Cargas puntualesy difusas,y los retirosson simuladas.

El marcoQUAL2Kincluyelos siguientes nuevos elementos:

Softwarepara el Medio Ambientey la interfaz.Q2Kse lleva a caboen el entorno deMicrosoftWindows.Clculos numricosse programan enFortran 90.Excelse utiliza comola interfazgrfica de usuario.Todas las operacionesse programan enla interfazde Microsoft Officemacrolenguaje:VisualBasic para Aplicaciones (VBA). El modelode segmentacin.Q2Esegmentosdel sistemaentramos de rosque consta de elementosequidistantes.Q2Ktambin divideel sistema en elalcancey los elementos.Sin embargo, en contraste conQ2E,el tamao del elementodeQ2Kpuede variar dellegar aalcanzar.Adems, la carga demltiples yretiros pueden serde entradaa cualquier elemento.especiacinDBOcarbonosa.Q2Kutiliza dosformas deDBOcarbonosapara representar acarbono orgnico.Estas formasson una formade oxidacinlenta(slowCBOD) y una formarpidaoxidacin(rpidoCBOD).Anoxia.Q2Kacomodaanoxiamediante la reduccin delas reacciones de oxidacindecero a nivelesbajos de oxgeno.Adems,la desnitrificacinse modela como unareaccin de primer ordenque se hacepronunciada abajas concentraciones de oxgeno. El agua desedimentos ylas interacciones.Agua-sedimentoflujosde oxgeno disueltoy nutrientesse puede simularinternamenteen lugar de serprescritas.Es decir,el oxgeno(SOD) ylos flujos de nutrientesson simuladasen funcin de lasolucin departculas de materia orgnica, las reaccionesdentro de los sedimentos,y las concentraciones delas formas solublesen lasaguas que la cubren. La parte inferiorde algas.El modelosimulade forma explcitalas algasabajoadjunto.Estas algas tienen unaestequiometravariable.Luz deextincin.Extincin de la luzse calculaen funcinde los slidosde algas, detrituse inorgnicos.pH.Tantola alcalinidady el carbonoinorgnico totalson simuladas.PHdel roluego secalcula en base aestas dos cantidades.Los agentes patgenos.Un patgenogenrico essimulado.La eliminacin de patgenosse determina enfuncin de la temperatura, la luz yla solucin. Llegar alos parmetros especficos decintica.Q2Kle permite especificarmuchos de losparmetros cinticosde maneraespecfica dellegar.Presasy cascadas.El sistema hidrulico devertederos, as comoel efecto de laspresasy saltos de aguaen la transferencia degasse incluyen explcitamente.

2 PRIMEROS PASOS

Tal como estconfigurado,un libro de Excelsirvecomo interfaz paraQUAL2K.Es decir,toda la entradaysalida, as comola ejecucin del modelose implementandentro de Excel.Todas las funciones de la interfazse han programadoenlenguaje de macrosde Excel:VisualBasic para Aplicaciones (VBA).Todos losclculos numricosse aplican enFortran 90para la velocidad de ejecucin.El siguiente materialse ofrece una descripcin paso apaso de cmoel modelo puede serinstalado ensu computadoray se utiliza pararealizar una simulacin.

Paso 1:Copie el archivo,Q2Kv2_11.zip,a un directorio(por ejemplo,C: \).Cuando este archivose descomprime, secrearun subdirectorio,Q2Kv2_11que incluyeun archivo de Excel(Q2KMasterv2_11.xls),yun archivo ejecutable(Q2KFortran2_11.exe).La primera esla interfazQ2Kquele permite ejecutarQ2Ky mostrarsus resultados.El segundo esel ejecutable deFortranqueen realidad realizalos clculosdel modelo.Estos dos archivosdeben estar siempreen el mismo directoriopara que el modelofuncione correctamente.Tenga en cuenta quedespus de ejecutarel modelo, algunos archivos dela asistenciase crear automticamenteel archivo ejecutableFortranpara el intercambio deinformacin conExcel.

NOTA:No elimine elarchivo zip..Si por alguna razn, se modificaQ2Kde una maneraque lo haceinservible, siempre puedesutilizar el archivozippara volver a instalarel modelo.

Paso 2: Crearun subdirectorio fueradeC: \Archivos de DatosQ2Kv2_11llamada.

Paso 3:AbrirExcely asegrese de quesu nivel deseguridad de macros estestablecida en media(Figura 1).Esto se puede hacerutilizandolos comandos de men:HerramientasMacrode Seguridad.Asegrese de queel botn de radiomedio esseleccionado.

Figura 1 Elnivel de seguridadde macros de Excelcuadro de dilogo.Para ejecutarQ2K, elnivel medio de seguridaddebe ser seleccionado.

Paso 4:Q2KMasterFortranv2_11.xlsabierta.Al hacer esto, elcuadro dedilogoSeguridad de macrosse muestra(Figura 2).

Figura 2 Elcuadro de dilogode macros de Excelde seguridad.Para ejecutarQ2K,el botnHabilitar macrosdebe estar seleccionada.

Haga clic en elbotn Habilitar macros.

Paso 5:En la Hoja deQUAL2K, vaya ala celda B10y escriba la rutaal directorio dearchivos de datos: C: \QUAL2K\archivos de datoscomo se muestraen la Figura 3.

Figura 3La hoja deQUAL2Kmuestra la entrada dela ruta del archivoenla celda B10.

Paso 6:Haga clic en elbotn EjecutarFortran.

Si el programano funciona correctamente...

Hay dosrazones principales por lasque el programa nofuncionara correctamente.En primer lugar,puede que est utilizandouna versin antigua deMicrosoft Office.AunqueExcelescompatible conla baja dealgunas versiones anteriores,Q2Kno funcionar conversiones muy antiguas.

En segundo lugar, puedehaber cometido un erroren la ejecucin delos pasos anteriores.Un error comn esquehaya escrito correctamentela ruta del archivoque ha introducidoen la celda B10.Por ejemplo, supongamos queescribi incorrectamentela ruta comoC: \Q2KFortranv2_11\DataFles.Sieste es el caso, usted recibirun mensaje de error(Figura 4).

Figura 4Unmensaje de error quese producesi escribela ruta de accesoincorrectaenla celda B10en la hoja deQUAL2K.

Si esto ocurre,haga clic en Aceptar.Estopondr fin a lacarrera ytraer de vuelta ala hoja deQUAL2Kdonde se puedecorregir la entrada dela ruta del archivo.

Siel programa funciona correctamente...

QUAL2Kcomenzar a ejecutar.Se abrir una ventanamostrando el progreso delos clculosFortran(Figura 5).

Figura 5En esta ventanaque muestra elprogreso delos clculosdel modelo comoejecutados enFortran.Quele permite seguirel progreso de laejecucin de un modelo.

Elprograma est diseadopara simularun roficticio conuncaucea lo largode dosafluentes.Si el programa funcionacorrectamente, elsiguiente cuadro de dilogoaparecer cuandola carrerase ha completado:

Pulse Aceptar y elsiguiente cuadro de dilogose mostrar:

Este cuadrole permite seleccionarlas partes delsistema quedesea trazar.Como se muestra, por defectocauce principaldel ro.Pulse OKpara ver eltiempo de viaje parael cauce principal.Tenga en cuenta quetodas las parcelasse actualizancuando se pulsaen Aceptar.

Para pasar averlas parcelasdeuno de los afluentes, debe pulsarel botn enla parte superior izquierdade la pantalla

Esto hace que elcuadro dedilogoOpciones dediagramaque se muestra.Elmen desplegablese puede utilizarpara seleccionarotro afluente.

Paso 7:En la Hoja deQUAL2Kclic en el botnAbrirarchivo antiguo.Vaya allegar al directorio: C: \Q2KFortranv2_11\archivos de datos.Usted debe ver queun nuevo archivoha sido creado conel nombreque se especific enla celda B9(en elcaso del ejemplode la Figura 3,BogusExample.q2k).Haga clicen el botnCancelar para volver aQ2K.

Tenga en cuenta quecada vez queQ2Kse ejecuta,un archivo de datossecrea con elnombre de archivo especificadoen la celdaB9en la Hoja deQUAL2K(Figura 3).El programa automticamentepone laextensin.Q2Kal nombre del archivo.Ya que estese sobreponen alas versiones anteriores delarchivo, asegrese decambiar elnombre de archivoal realizaruna nueva solicitud.

Ahora que haejecutado satisfactoriamenteQ2Ken el equipo,las siguientes pginasestn dedicadasa la documentacin dela ciencia quesubyace enel modelo.

3SEGMENTACINE HIDRULICA

El modelo representaun rocomouna serie de tramos.Estos representanlos tramos dero quetienenconstantescaractersticas hidrulicas(por ejemplo, la pendiente,ancho de fondo, etc.)Como se muestraen la Figura 6,los tramosestn numeradosen orden ascendentea partir de lacabecera deltronco principaldel ro.Tenga en cuenta quelas fuentespuntuales ydifusasypuntuales y nopunto deretiros (abstracciones)se puede colocaren cualquier lugara lo largo dela longituddel canal.

Figura 6QUAL2Kesquema de segmentacindeun rosin afluentes.

Para los sistemas conafluentes(Figura 7), elalcancese numeran en orden ascendentea partir dellegar aunaen la cabeceradel tallo principal.Cuando uncruce conun afluenteque se alcance, la numeracincontina encabeceraqueesafluente.Observar que tantolas cabecerasy afluentestambin sonnumeradas consecutivamentesiguiendo un esquemasimilar a lasecuencia alcanza.Tenga en cuenta tambinque las ramasprincipales del sistema(es decir,el tronco principalycada uno de losafluentes)se conocen comosegmentos.Esta distincin tieneimportancia prcticadebido a que elsoftware proporcionaparcelas desalida del modeloen base a segmentos.Es decir,el software genera parcelas individuales parael tronco principal, as comocada uno de losafluentes.

Figura 7QUAL2Kesquema de segmentacinpara(a)un ro consus afluentes.La representacin dellegar aQ2Ken(b)ilustrael alcance,las cabecerasyafluenteslos planes de numeracin.

Finalmente, cualquiermodelo puedellegar aser dividida enuna serie de elementosigualmente espaciados.Como en la figura8,esto se hacesimplementeespecificando el nmero deelementos quese desean.

Figura8 Si lo desea,llegar acualquiermodelo puedesubdividirse enuna serie denelementosde igual longitud.En resumen, lanomenclatura utilizada para describirla forma en queorganizaQ2Krotopologaes la siguiente:

Alcance.Un trozo dero concaractersticas hidrulicasconstantes. Elemento.El modelo dela unidadfundamentalde clculoque consiste en unasubdivisin dela misma longituddeun tramo.Segmento.Una coleccin dealcanceque representa unarama del sistema.Estos consisten enel tallo principal, as comocadaafluente.Cabeceras.El lmite superiorde unmodelo del segmento.

3.1Flujode Balance

Como se describe enla seccin anterior,la unidadms fundamentalQ2Kes el elemento.Unbalancede flujoen estado estacionarioque se aplique acadaelemento del modelocomo(Figura 9)

(1)

dondeQi= escapedel elementoien el elemento deabajoi+ 1[m3/ d],Qi-1=entradadelelemento ascendentei- 1[m3/ d],Qin,ies elflujo totalen el elementodesde el punto dey las fuentesno puntuales[m3/ d],yQout,ies lasalida totaldel elemento, debidoa las extraccionespuntuales y no puntuales[m3/ d].Por lo tanto, la salidaaguas abajoes simplemente la diferenciaentre las ganancias defuentede entrada ymenos las prdidas dela retirada.

Figura 9equilibrar el flujode elementos.

Elflujo totalde las fuentesse calcula como

dondeCPE,i,jes elflujo de entradade punto de origenal elementoji[m3/ d],psi =el nmero total defuentes puntualesparael elemento i,Qnps,i,jes elj-nopunto de entradade origen parael elemento i[m3 /d],yNPSI=el nmero total deentradasde fuentes no puntualesal elementoi.

Lasalida totalde los retirosse calcula como

dondeQPA,i,jesel flujopunto de retirodel elementoji[m3/ d], pai=el nmerototal de retirospuntodel elementoi,Qnpa,i,jes elj-punto de vertidonoretiradadel elementoi[m3 /d],ynpai=el nmero totalde los flujos deretiradano puntualesdel elementoi.

Las fuentesno puntualesy los retirosse modelan comofuentes de lnea.Al igual que enla Figura 10,la fuenteno puntualo el retiroest demarcada porsuinicial y finallos puntos kilomtricos.Su caudalse distribuye apartir decada elementoode una maneralongitud-peso.

Figura 10La forma en quese distribuyenodirigir el flujo defuente paraun elemento.

3.2 Caractersticashidrulicas

Una vez quela salidade cada elementose calcula,la profundidady la velocidadse calculan enuna de tres maneras:vertederos,curvas de gasto,y las ecuaciones deManning.El programadecideentrelas opcionesde la siguiente manera:

Si la altura delvertederoy el anchose introducen,la opcinvertederose lleva a cabo.Si la altura delvertederoy la anchurason iguales a ceroy los coeficientes dela curva decalificacinse ingresan(ay),la opcincurva dese lleva a cabo.Si ninguna de lascondiciones anteriores,Q2Kutilizala ecuacin deManning.

3.2.1vertederos

La figura 11 muestracmose representan envertederosQ2K.Tenga en cuenta queun vertederoslo puede ocurriral final deun alcanceque consiste enun solo elemento.Los smbolosse muestra en laFigura 11se definen como:Hi =la profundidaddel elementoaguas arriba dela presa[m], Hi+1 =la profundidad de lasaguas abajolos elementos delnivel del marvertedero[m],elev2i=por encima de laelevacin deel finaldel elementoaguas arriba[m],elev1i+1 =la elevacin sobre elnivel del mar dela cabeceradel elementoaguas abajo[m],Hw= alturadela presapor encima deelev2i[m],Hd=la distancia vertical entrela elevacin sobre elnivel del mar dela superficie del elementoy el elementoii1[m],Hh=la cabezapor encima dela presa[m],Bw=ancho delvertedero[m].Tenga en cuenta quela anchura dela presapuede ser diferente delancho del elemento,Bi.

Figura 11Un vertederode crestaagudaque ocurreen el lmite entredos tramos.

Paraun vertederode crestaafiladadonde HH/ HW