Cálculo de Zona de Mezcla en Aguas Residuales

UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE BASADRE GROHMANN
FACULTAD DE INGENIERÍA AMBIENTAL
Asignatura: Elaboración de línea base
Docente: Blga. Mg. Ivon Gutierrez Flores
Integrantes: José Francisco Chambe Bahamondes
PRÁCTICA CALIFICADA N° 2. CÁLCULO DE LONGITUD DE LA ZONA DE MEZCLA
PARA ESTABLECER PUNTO DE MUESTREO EN UN CUERPO RECEPTOR DE
AGUAS RESIDUALES
1. Introducción:
Diversas actividades antrópicas generan aguas residuales que deben ser tratadas antes
de su evacuación en un cuerpo de agua natural. Actividades como los camales,
producción de vino, actividades domésticas, pesquerías, queserías, restaurantes, entre
otros, generan aguas residuales con diferentes características fisicoquímicas y
biológicas. Todas estas aguas residuales, ya sea de forma directa o de forma indirecta
son evacuadas a sistemas lóticos (ríos), lénticos (lagos, lagunas) o a los mares.
Con fines de plantear medidas de prevención y mitigación para evitar impactos
negativos significativos en los cuerpos de agua, se han desarrollado diversas
normativas, como son el establecimiento de Estándares de Calidad Ambiental (ECA) o
Límites Máximos Permisibles (LMP). Entonces, todas las actividades susceptibles de
ocasionar cambios importantes en la calidad del cuerpo receptor, deben cumplir con los
LMP de forma que los ECA del cuerpo receptor no sean alterados. Para ello, se deben
hacer monitoreos periódicos tanto del efluente como del cuerpo receptor.
Sin embargo, antes de iniciar los monitoreos se debe determinar la “longitud de mezcla”
que es la distancia a la cual se considera que la sustancia en estudio (efluente) se ha
disuelto de forma uniforme en la sección transversal del fluido, en este caso del cuerpo
receptor. Determinar la longitud de mezcla sirve para determinar el área o volumen en
el cuerpo natural del agua de exclusión de cumplimiento de los ECA - agua. Así mismo,
al determinar hasta que distancia ocurre la mezcla del efluente en el cuerpo receptor,
permite restringir actividades de aprovechamiento de agua (consumo humano,
recreativas, pesca, otros) ya que no cumple con los ECA.
En esta práctica, se desarrolla la metodología más ampliamente utilizada para el cálculo
de la longitud de mezcla, con el fin último de mejorar las destrezas y habilidades de los
estudiantes de la facultad de ingeniería ambiental.
2. Objetivos:
- Analizar y aplicar metodologías que existen para calcular la longitud de mezcla,
según la zona de evacuación del efluente.
- Analizar y discutir cómo afectan las diferentes características de los ríos en la
longitud de mezcla.
- Establecer puntos de muestreo en función de la longitud de la zona de mezcla
3. Metodología
Se presenta las fórmulas para cálculo de zona de mezcla en un río, a partir del cual cada
estudiante debe desarrollar los ejercicios propuestos.
3.1.
Método simplificado desarrollado por la Agencia de Protección
Ambiental de los Estados Unidos de América (USEPA) (para un
vertimiento en la orilla del río o quebrada).
𝐋𝐙𝐝𝐌
(𝐖𝐦𝐢𝐧)𝟐 𝐮
=
𝟐𝛑𝐃𝐲
Dónde: LZdM: Longitud de la zona de mezcla en metros, Wmin: Ancho (m) del río
aguas abajo del vertimiento en temporada de estiaje, u: Velocidad de flujo promedio
(m/s) del río aguas abajo del vertimiento en temporada de estiaje, Dy:Coeficiente de
dispersión lateral aguas abajo del vertimiento en temporada de estiaje.
𝐃𝐲 = 𝐜𝐝𝐮 ∗
Dónde: Dy=Coeficiente de dispersión lateral aguas abajo del vertimiento en temporada
de estiaje, c = Factor de irregularidad del cauce, d: Profundidad promedio (m) del río
aguas abajo del vertimiento en temporada de estiaje, u*: Velocidad de corte en metros
por segundo.
c = 0,1 para ríos rectos con cauce rectangular
c = 0,3 para ríos canalizados
c = 0,6 para cauces naturales con serpentear moderado
c = 1,0 para cauces naturales con serpentear significante
c > 1,0 para ríos con cambios de dirección bruscos de 90° o mayor
𝐮 ∗= √𝐠𝐝𝐬
Dónde: g=aceleración de la gravedad (9.80665m*s2), s=Pendiente del cauce aguas
abajo del vertimiento (m/m).
Estudio caso: El camal “EL Gordito” durante su funcionamiento generará aguas
residuales con determinadas características. Por ello, deberá instalar su planta de
tratamiento a fin de recudir sus contaminantes. Al término de su tratamiento, las aguas
residuales tratadas serán evacuadas a un río. Para tal efecto, tiene varias alternativas
(varios ríos al cual evacuar). Entonces, se deberá calcular la longitud de mezcla de cada
río, a fin de establecer el punto de muestreo y monitoreo del agua una vez que funcione
el camal. A continuación se presentan los datos de los ríos:
Cuadro 1. Características de los ríos en los cuáles se evacuará el agua residual
tratada
Cuerpo receptor
Ancho
del
cuerpo
de
agua (W) m
Velocidad de
flujo promedio
(u) m/s
Factor
de
irregularidad
de cauce (c)
Profundidad
promedio en
estiaje (d) m
Pendiente del
cauce (s) m/m
Río A
Río B
Río C
Río D
Río E
Río F
Río G
Río H
Río I
9.6
1.8
11.5
13
18.5
12.5
1.8
11.5
13
0.55
0.4
0.6
0.45
0.25
0.45
0.4
0.6
0.45
0.6
0.6
0.6
0.6
0.6
0.6
0.3
0.3
0.6
0.68
0.3
0.62
0.3
0.34
0.35
0.3
0.62
1.5
0.0563
0.025
0.008
0.0302
0.0403
0.023
0.025
0.008
0.0302
Río J
18.5
0.25
0.6
2.34
0.0403
Datos modificados el EIA hecho por Walsh Perú S.A. 2014
3.2.
Método simplificado desarrollado por la Agencia de Protección
Ambiental de los Estados Unidos de América (USEPA) (para un
vertimiento en el centro del río o quebrada)
𝐋𝐙𝐝𝐌
(𝐖𝐦𝐢𝐧)𝟐 𝐮
=
𝟖𝛑𝐃𝐲
Estudio caso: Con los datos del Cuadro 1, calcular la longitud de mezcla,
considerando que la evacuación será en la parte central del río.
Responder a las siguientes preguntas:
Luego de calcular la zona de mezcla según métodos 3.1 y 3.2, responder a las
siguientes preguntas:
a. ¿Cambia la longitud de mezcla cuando el efluente se evacúa en la parte
central o a orillas del río? ¿Cómo?
b. ¿cómo afecta el ancho del río en la longitud de mezcla? Observar ríos B y C,
G y H.
c. ¿cómo afecta el factor de irregularidad del cauce? Observar ríos I y J.
d. ¿A qué distancia en relación a la zona de vertimiento, debe ser establecido
el punto de muestreo de agua?
e. ¿Cuáles son los parámetros que deberían ser monitoreados?
f. Si 200 m aguas debajo de cada río otra actividad que también evacúa sus
aguas residuales ¿A qué distancia tendría que realizarse el monitoreo?
3.3.
Resultados
Método simplificado desarrollado por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos de América
(USEPA) (para un vertimiento en la orilla del río o quebrada).
Cuerpo
receptor
Ancho del
cuerpo de
agua (W) m
Velocidad de
Factor de
Profundidad
Pendiente
flujo
irregularidad promedio en del cauce (s)
promedio (u)
de cauce (c) estiaje (d) m
m/m
m/s
Río A
9.6
0.55
0.6
0.68
0.0563
Río B
1.8
0.4
0.6
0.3
0.025
Río C
11.5
0.6
0.6
0.62
0.008
Río D
13
0.45
0.6
0.3
0.0302
Río E
18.5
0.25
0.6
0.34
0.0403
Río F
12.5
0.45
0.6
0.35
0.023
Río G
1.8
0.4
0.3
0.3
0.025
Río H
11.5
0.6
0.3
0.62
0.008
Río I
13
0.45
0.6
1.5
0.0302
Río J
18.5
0.25
0.6
2.34
0.0403
Coeficiente Longitud
Velocidad
de
de de
de Corte (u) dispersión zona de
m/s
lateral (Dy) mezcla
m2/s
(Ldzm) m
0.61283
0.27125
0.22058
0.29813
0.36663
0.28102
0.27125
0.22058
0.66663
0.96182
0.25004
0.04882
0.08206
0.05366
0.07479
0.05901
0.02441
0.04103
0.59997
1.3504
32.26
4.22
153.90
225.55
182.07
189.63
8.45
307.81
20.17
10.08
Método simplificado desarrollado por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos de América
(USEPA) (para un vertimiento en la zona central del río).
Cuerpo
receptor
Ancho del
cuerpo de
agua (W) m
Velocidad de
Factor de
Profundidad
Pendiente
flujo
irregularidad promedio en del cauce (s)
promedio (u)
de cauce (c) estiaje (d) m
m/m
m/s
Río A
9.6
0.55
0.6
0.68
0.0563
Río B
1.8
0.4
0.6
0.3
0.025
Río C
11.5
0.6
0.6
0.62
0.008
Río D
13
0.45
0.6
0.3
0.0302
Río E
18.5
0.25
0.6
0.34
0.0403
Río F
12.5
0.45
0.6
0.35
0.023
Río G
1.8
0.4
0.3
0.3
0.025
Río H
11.5
0.6
0.3
0.62
0.008
Río I
13
0.45
0.6
1.5
0.0302
Río J
18.5
0.25
0.6
2.34
0.0403
Coeficiente Longitud
Velocidad
de
de de
de Corte (u) dispersión zona de
m/s
lateral (Dy) mezcla
m2/s
(Ldzm) m
0.61283
0.27125
0.22058
0.29813
0.36663
0.28102
0.27125
0.22058
0.66663
0.96182
0.25004
0.04882
0.08206
0.05366
0.07479
0.05901
0.02441
0.04103
0.59997
1.3504
a. ¿Cambia la longitud de mezcla cuando el efluente se evacúa en la parte
central o a orillas del río? ¿Cómo?
La Ldzm cuando el vertimiento es en la parte central del río es menor a la
Ldzm de la orilla. , debido a que las condiciones hidrodinámicas (turbulencia,
etc.) de esta parte central son mucho más favorables para la disolución de
las aguas residuales del camal “El Gordito” además infiero que la vegetación
en las orillas del rio donde se hace el vertimiento es impedimento para la
disolución de las aguas residuales. También se infiere que mientras mayor
sea el ancho del río será más notoria la diferencia.
b. ¿cómo afecta el ancho del río en la longitud de mezcla? Observar ríos B y C,
G y H.
Se observa que el ancho del rio es una factor considerable para la longitud
de mezcla mientras el ancho del rio sea menor la Longitud de zona de mezcla
será menor y mientras el ancho del rio sea mayor la Ldzm será mayor por lo
tanto es directamente proporcional.
c. ¿Cómo afecta el factor de irregularidad del cauce? Observar ríos I y J.
Comparando el RÍO C y el RIO H se observa que la única diferencia de estos
es su factor de irregularidad del cauce, donde se concluye que mientras este
factor sea menor la Ldzm será mayor y viceversa.
8.07
1.06
38.48
56.39
45.52
47.41
2.11
76.95
5.04
2.52
d. ¿A qué distancia en relación a la zona de vertimiento, debe ser establecido
el punto de muestreo de agua?
Los puntos de control de cumplimiento de los ECA Agua estarán ubicados
en el límite de la zona de mezcla en el cuerpo receptor en este caso
dependerá del Río que se elija para el vertimiento además si el vertimiento
se realizó en la orilla del río el muestreo deberá hacerse en la orilla de igual
forma si el vertimiento fue en la zona central.
e. ¿Cuáles son los parámetros que deberían ser monitoreados?
El camal “El Gordito” pertenece a la “Ganadería intensiva e instalaciones de
sacrificio” y al ser el cuerpo receptor de sus agua un RÍO los parámetros a
monitorear serían : pH, Temperatura, Ácidos y Grasas, Coliformes Termo
tolerantes, DBO5, Solidos Suspendidos Totales , Fosforo (L), Nitrógeno
total(L).
f.
Si 200 m aguas debajo de cada río otra actividad que también evacúa sus
aguas residuales ¿A qué distancia tendría que realizarse el monitoreo?
Solo ocurriría problema en los ríos D y H en la zona de vertimiento en la orilla
en este caso deberá monitorear antes de los 200 m y además establecer un
punto de monitoreo adicional en cada tributario antes de la confluencia con
el cuerpo receptor, con la finalidad de cuantificar su aporte.