234771576 Modelo Qual2k Traducido (1)

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QUAL2K:A Modeling Framework for Simulating River and StreamWater 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 Frameworkfor Simulating River and Stream Water Quality, Version 2.11: Documentation andUsers Manual. Civil and Environmental Engineering Dept., Tufts University,Medford, MA., [email protected]


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renuncia

La información contenida en este documento han sido parcialmente financiado porla Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos. Actualmente estásiendo 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 denombres comerciales o productos comerciales no constituye un endoso orecomendación para su uso por la Agencia de Protección Ambiental de losEE.UU..

El modelo QUAL2K (Q2K) descritos en este manual debe ser utilizado bajo elpropio riesgo del usuario. Ni la Agencia de Protección Ambiental de EE.UU., laUniversidad de Tufts, el Departamento de Ecología de Washington, ni los autoresdel programa pueden asumir la responsabilidad por el funcionamiento delmodelo, la producción, interpretación o uso.

Los creadores de este programa han utilizado sus mejores esfuerzos en lapreparación de este código. No es absolutamente garantizado que esté libre deerrores. El autor / programador no tiene garantías, expresas o implícitas,incluyendo, sin limitación de Garantías de comerciabilidad o adecuación paraun propósito en particular. No se hace responsable en ningún caso por los daños yperjuicios, incluyendo daños accidentales o consecuentes, la pérdida debeneficios, los costos de pérdida de datos o materiales de programación, o de otrotipo en relación con o que surjan de la utilización de este programa.


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1 INTRODUCCIÓN

QUAL2K (o Q2K) es un río y el modelo de flujo de la calidad del agua que estádestinado a representar una versión modernizada dela 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 susafluentes ramificados.• Sistema hidráulico de estado estacionario. No uniforme, el flujo constante essimulado.• Diel balance de calor. El balance de calor y temperatura son simuladas enfunción de la meteorología en una escala de tiempodiel.• Diel la calidad del agua-cinética. Todas las variables de calidad del agua sesimulan en una escala de tiempo diel.• Las entradas de calor y masa. Cargas puntuales y difusas, y los retiros sonsimuladas.

El marco QUAL2K incluye los siguientes nuevos elementos:

• Software para el Medio Ambiente y la interfaz. Q2K se lleva a cabo en el entornode Microsoft Windows. Cálculos numéricos se programan en Fortran 90. Excel seutiliza como la interfaz gráfica de usuario. Todas las operaciones se programanen la interfaz de Microsoft Office macro lenguaje: Visual Basic para Aplicaciones(VBA).• El modelo de segmentación. Q2E segmentos del sistema entramos de ríos queconsta de elementos equidistantes. Q2Ktambién divide el sistema en el alcance ylos elementos. Sin embargo, en contraste con Q2E, el tamaño delelemento de Q2Kpuede variar de llegar a alcanzar. Además, la carga de múltiplesyretiros pueden ser de entrada a cualquier elemento.• especiación DBO carbonosa. Q2K utiliza dos formas de DBOcarbonosa pararepresentar a carbono orgánico. Estas formasson una forma deoxidación lenta (slow CBOD) y una forma rápidaoxidación (rápido CBOD).• Anoxia. Q2K acomoda anoxia mediante la reducción de las reacciones deoxidación de cero a niveles bajos de oxígeno.Además, la desnitrificación semodela como una reacción de primer orden que se hace pronunciada a bajasconcentraciones de oxígeno.• El agua de sedimentos y las interacciones. Agua-sedimentoflujos de oxígenodisuelto y nutrientes se puede simularinternamente en lugar de ser prescritas. Esdecir, el oxígeno(SOD) y los flujos de nutrientes son simuladas en función delasolución de partículas de materia orgánica, las reacciones dentro de lossedimentos, y las concentraciones de las formas solublesen las aguas que lacubren.• La parte inferior de algas. El modelo simula de forma explícitalasalgas abajo adjunto. Estas algas tienen una estequiometríavariable.


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• 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 delrío 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 permiteespecificar muchos de los parámetros cinéticos de maneraespecífica de llegar.• Presas y cascadas. El sistema hidráulico de vertederos, así como el efecto delas 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. Esdecir, toda la entrada y salida, así como la ejecución del modelo seimplementan dentro de Excel. Todas las funciones de la interfaz se hanprogramado en lenguaje de macros de Excel: Visual Basic para Aplicaciones(VBA). Todos los cálculos numéricos se aplican en Fortran 90 para la velocidad deejecución. El siguiente material se ofrece una descripción paso a paso de cómo elmodelo puede ser instalado en su computadora y se utiliza para realizar unasimulación.

Paso 1: Copie el archivo, Q2Kv2_11.zip, a un directorio (por ejemplo, C:\). Cuando este archivo se descomprime, se crearáunsubdirectorio, Q2Kv2_11 que incluye un archivo deExcel(Q2KMasterv2_11.xls), y un archivo ejecutable(Q2KFortran2_11.exe). Laprimera es la interfaz Q2K que le permite ejecutar Q2K y mostrar susresultados. El segundo es el ejecutable de Fortran que en realidad realiza loscálculos del modelo. Estos dos archivos deben estar siempre en el mismodirectorio para que el modelo funcione correctamente. Tenga en cuentaque después de ejecutar el modelo, algunos archivos de la asistencia se crearáautomáticamente el archivo ejecutableFortran para el intercambio de informacióncon Excel.

NOTA: No elimine el archivo zip.. Si por alguna razón, se modificaQ2K de unamanera que lo hace inservible, siempre puedes utilizar el archivo zip para volver ainstalar 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 macrosestá establecida en media (Figura 1). Esto se puede hacerutilizando los comandosde menú: Herramientas Macro de Seguridad. Asegúrese de que el botón deradio medio esseleccionado.


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Figura 1 El nivel de seguridad de macros de Excel cuadro de diálogo. Paraejecutar Q2K, el nivel medio de seguridad debe ser seleccionado.

Paso 4: Q2KMasterFortranv2_11.xls abierta. Al hacer esto, elcuadrode diálogo Seguridad de macros se muestra (Figura 2).

Figura 2 El cuadro de diálogo de macros de Excel de seguridad.Paraejecutar 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 directoriode archivos de datos: C: \ QUAL2K \ archivos de datos como se muestra en laFigura 3.


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Figura 3 La hoja de QUAL2K muestra la entrada de la ruta del archivo en la celdaB10.

Paso 6: Haga clic en el botón Ejecutar Fortran.

Si el programa no funciona correctamente ...

Hay dos razones principales por las que el programa nofuncionaríacorrectamente. En primer lugar, puede que esté utilizando una versión antiguade Microsoft Office. Aunque Exceles compatible con la baja de algunas versionesanteriores, Q2Kno funcionará con versiones muy antiguas.

En segundo lugar, puede haber cometido un error en la ejecución de los pasosanteriores. Un error común es que haya escrito correctamente la ruta delarchivo 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).


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Figura 4 Un mensaje de error que se produce si escribe la ruta deacceso 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 vueltaa 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 progresode los cálculos Fortran (Figura 5).

Figura 5 En esta ventana que muestra el progreso de los cálculosdel modelocomo ejecutados en Fortran. Que le permite seguir el progreso de la ejecución deun 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 dediálogo aparecerá cuando la carrera se ha completado:


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Pulse Aceptar y el siguiente cuadro de diálogo se mostrará:

Este cuadro le permite seleccionar las partes del sistema quedesea trazar. Comose muestra, por defecto cauce principal del río.Pulse OK para ver el tiempo deviaje para el cauce principal.Tenga en cuenta que todas las parcelas seactualizan cuando se pulsa en Aceptar.

Para pasar a ver las parcelas de uno de los afluentes, debe pulsarel botón en laparte superior izquierda de la pantalla

Esto hace que el cuadro de diálogo Opciones de diagrama que semuestra. 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 llegaral directorio: C: \ Q2KFortranv2_11 \archivos de datos. Usted debe ver que unnuevo archivo ha sido creado con el nombre que se especificó en la celda B9 (enelcaso del ejemplo de la Figura 3, BogusExample.q2k). Haga clicen elbotón Cancelar para volver a Q2K.

Tenga en cuenta que cada vez que Q2K se ejecuta, un archivo de datos se creacon el nombre de archivo especificado en la celdaB9 en la Hojade QUAL2K (Figura 3). El programa automáticamente pone la extensión. Q2K alnombre del archivo.Ya que este se sobreponen a las versiones anterioresdel archivo, asegúrese de cambiar el nombre de archivo al realizar una nuevasolicitud.


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Ahora que ha ejecutado satisfactoriamente Q2K en el equipo, las siguientespáginas están dedicadas a la documentación de la ciencia que subyace en elmodelo.

3 SEGMENTACIÓN E HIDRÁULICA

El modelo representa un río como una serie de tramos. Estos representan lostramos de río que tienen constantescaracterísticas hidráulicas (por ejemplo, lapendiente, ancho de fondo, etc.) Como se muestra en la Figura 6, los tramos estánnumerados en orden ascendente a partir de la cabecera deltronco principal delrío. Tenga en cuenta que las fuentes puntuales y difusas y puntuales y no puntode retiros (abstracciones) se puede colocar en cualquier lugar a lo largo de lalongitud 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 ordenascendente a partir de llegar a una en la cabecera del tallo principal. Cuandoun cruce con un afluente que se alcance, la numeración continúaen cabecera que es afluente. Observar que tanto las cabeceras yafluentes también son numeradas consecutivamente siguiendo unesquema similar a la secuencia alcanza. Tenga en cuenta también que las

ramas principales del sistema (es decir, el tronco principal y cada uno delos afluentes)se conocen como segmentos. Esta distinción tiene importanciapráctica debido a que el software proporciona parcelas de salida del modelo enbase a segmentos. Es decir, el software genera parcelas individuales para eltronco 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


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Figura 7 QUAL2K esquema de segmentación para (a) un río consus afluentes. Larepresentación de llegar a Q2K en (b) ilustra el alcance, lascabeceras y afluentes los planes de numeración.

Finalmente, cualquier modelo puede llegar a ser dividida en una serie deelementos igualmente espaciados. Como en la figura 8,esto sehace simplemente especificando el número de elementos que se desean.

Figura 8 Si lo desea, llegar a cualquier modelo puede subdividirse en una seriede n elementos de igual longitud.

19

18

17

16

19

18

17

16

1

5

43

2

1

5

43

2

20

28

27

26

21

29

20

28

27

26

21

29

12

1514

13

12

1514

13

8

7

6

8

7

6

9

11

109

11

10

24

2322

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 = 4n = 4

ReachReach ElementsElements


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En resumen, la nomenclatura utilizada para describir la forma enque 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 delsistema. 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 elelemento. Un balance de flujo en estado estacionario que se apliquea 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 elelemento desde el punto de y las fuentes no puntuales [m3 / d], y Qout, i esla salida total del elemento, debido a las extracciones puntuales y nopuntuales [m3/ d]. Por lo tanto, la salida aguas abajo es simplemente ladiferencia entre las ganancias de fuente de entrada y menos las pérdidas de laretirada.

Figura 9 equilibrar el flujo de elementos.

El flujo total de las fuentes se calcula como

npsi

j

jinps

psi

j

ji psiin QQQ

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 puntode entrada de origen para el elemento i [m3 / d], y NPSI = el número totalde entradas de fuentes no puntuales al elemento i.

i i + 1i 1

Q i 1 Q i

Q in ,i Q out ,i


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La salida total de los retiros se calcula como

npai

j

jinpa

pai

j

ji paio QQQ1

,,

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 devertido no retirada del elemento i [m3 / d], y npai = el número total de los flujosde retirada no puntuales del elemento i.

Las fuentes no puntuales y los retiros se modelan como fuentes de línea. Al igualque en la Figura 10, la fuente no puntual o el retiro está demarcada por su inicial yfinal los puntos kilométricos.Su caudal se distribuye a partir de cada elemento o deuna 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 secalculan en una de tres maneras: vertederos,curvas de gasto, y las ecuacionesde Manning. El programadecide entre las opciones de la siguiente manera:

• Si la altura del vertedero y el ancho se introducen, la opciónvertedero se lleva acabo.• Si la altura del vertedero y la anchura son iguales a cero y los coeficientes de la

curva de calificación se ingresan (a y ), 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 cuentaque un vertedero sólo puede ocurrir al final de un alcance que consiste en un soloelemento. Los símbolos se muestra en la Figura 11 se definen como: Hi = la

Q npt

25% 25% 50%

start end

1 1 2


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profundidad del elemento aguas arriba de la presa [m], Hi +1 = la profundidad delas aguas abajo los elementos del nivel del mar vertedero [m],elev2i = por encimade la elevación de el final del elemento aguas arriba [m], elev1i +1 = la elevaciónsobre 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 elelemento i i 1 [m], Hh = la cabeza por encima de la presa [m], Bw= anchodel vertedero [m]. Tenga en cuenta que la anchura de la presa puede ser diferentedel 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


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El área de sección transversal, la velocidad, la superficie y el volumen delelemento i puede calcularse como

iiic H B A ,

ic

ii

AQU

,

iii s x B A ,

iiii x H BV

donde Bi = el ancho del elemento i, xi = la longitud del elementoi. Tenga encuenta que para llegar a los vertederos, la anchura alcance debe seringresado. Este valor se introduce en la columna de AA (con la etiqueta "Ancho delfondo") de la Hoja de Reach.

3.2.2 Curvas de ValoraciónEcuaciones de poder (a veces llamado Leopold-Maddoxrelaciones) puedeser usado para relacionar la velocidad media y la profundidad de flujo de loselementos en un tramo,

baQU Q H

donde a, b, y son coeficientes empíricos que se determina a partir de lavelocidad de descarga y nivel-caudal curvas de gasto, respectivamente. Los

valores de la velocidad y la profundidad puede ser empleado para determinarel área de sección transversal y el ancho de

U

Q Ac

H

A B c

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