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1. 3 Baumgartner D J Frick W E Roberts P J W 1994 Dilution Models for Effluent Discharges Third Edition Manual PLUMES United States Environmental Protection Agency EPA 4 Roberts P J W Snyder W H Baumgartner D J 1989 Ocean outfalls I Submerged Wastefield Formation Journal of Hydraulic Engineering volume 115 No 1 Roberts P J W Snyder W H Baumgartner D J 1989 Ocean outfalls Il Spatial Evolution of Submerged Wastefield Journal of Hydraulic Engineering volume 115 No 1 Roberts P J W Snyder W H Baumgartner D J Ocean outfalls IIl Effect of diffuser design on submerged wastefield 1989 Journal of Hydraulic Engineering volume 115 No 1 5 Muellenhoff W P A M Soldate Jr D J Baumgartner M D Schuldt L R Davis and W E Frick 1985 Initial mixing characteristics of municipal ocean outfall discharges Volume 1 Procedures Oregon and Applications EPA 600 3 85 073a 6 Davis L R 1999 Fundamentals of Environmental Discharge Modeling CRC Press Boca Raton FL 7 Ozretich R J and D J Baumgartner 1990 The utility of buoyant plume models in predicting the initial dilution of drilling fluids Ocean Processes in Marine Pollution volume 6 1 pp 51 168 8 Roberts P J W Tian X 2004 New experimental techniques for validation of marine discharges models Environmental Modelling amp Software volume 19 9 M
2. solo es aplicable UM3 gue restringe el modelado a campo cercano previamente al impacto del chorro con el fondo Al estar disenados para vertidos de flotabilidad positiva ninguno de los modelos de VISUAL Modelado PLUMES es capaz de detectar la presencia del fondo 7 Para efluentes de flotabilidad negativa solo es posible simular ciertas configuraciones de vertido chorro individual o chorro multiples mediante tramo difusor lineal unidireccional No simulan el efecto del oleaje sobre el vertido Visual Plumes asigna por defecto nombres a los proyectos que se crean Ejemplo plumes1 dbb que no pueden modificarse por el usuario desde la interfaz y los guarda en la carpeta C Plumes Para cambiar el nombre y ubicaci n del proyecto el usuario debe ir a esta carpeta y modificarlo manualmente Los gr ficos que genera Visual Plumes son bidimensionales y adem s no se escalan autom ticamente de forma correcta y es necesario escalarlos de modo manual por el usuario Resultados Los ficheros de resultados son ficheros legibles por CORMIX o bien por un editor de textos por lo que se hace inc modo exportar los datos a otros programas para su representaci n o tratamiento estad stico TABLA 3 Limitaciones del software VWSUAL PLUMES en la simulaci n de vertidos de efluentes de flotabilidad negativa Limitaciones respecto al modelado del proceso f sico al manejo o uso del programa y a la obtenci n de resultados Cuando se aplic
3. Cross section gt 2a 2 ee eee ee _ __ current current di horiz uso angle Ja Trap levels horizontal distance Figura 1 Esquema del vertido simulado por el paquete de programas VISUAL PLUMES Esquema en alzado izquierda y en planta derecha Para modelar los vertidos de efluentes con flotabilidad negativa Visual Plumes utiliza los codigos correspondientes a efluentes flotabilidad positiva considerando aquellos como una imagen especular de estos De este modo se considera que un vertido desde superficie de un efluente hiperdenso es equivalente al vertido desde el fondo de un efluente de flotabilidad positiva Para informacion adicional se puede consultar la pagina web de la USEPA Environmental Protection Agency http www epa gov ceampubl swater vplume desde donde es posible descargar el programa y actualizaciones y el Manual de usuario Dilution Models for Effluent Discharges 4th Edition Visual Plumes y el documento base te rico Dilution Models for Effluent Discharges 3th Edition Plumes 3 BASE TE RICA PRINCIPALES HIP TESIS SIGNIFICATIVAS Simplificaciones comunes en las ecuaciones de los modelos de VISUAL PLUMES Fluido incompresible e asume un radio de curvatura del eje del chorro mucho mayor que el radio del chorro invalidando los resultados en zonas de fuerte curvatura como la envolvente superior del chorro Se desprecian los efectos viscosos considerando a los c
4. fica amigable e intuitiva Posibilidad de ejecutar consecutivamente distintos escenarios gracias a que admite series temporales de datos Manejo Posibilidad de guardar en ficheros independientes con extensi n dbb de los datos de dise o de vertido y de condiciones en el medio receptor para poder ser utilizados en otro caso Posibilidad de manipular manualmente las gr ficas resultado de la ejecuci n de Visual Plumes Las figuras pueden exportarse Permite seleccionar distintas variables para que aparezcan en los archivos anal ticos y gr ficos de resultados Posibilidad de comparar gr ficamente resultados del modelado de los modelos de Visual Resultados Plumes entre s y con los resultados de ensayos experimentales o de otras simulaciones num ricas gracias a la opci n de verify Los ficheros con los datos anal ticos pueden ser grabados por el usuario y le dos desde cualquier editor de textos TABLA 2 Posibilidades del software VISUAL PLUMES en la simulaci n de vertidos de efluentes de flotabilidad negativa Posibilidades respecto al modelado del proceso f sico al manejo o uso del programa y a la obtenci n de resultados 257 PROYECTO I D i MEDVSA MODELOS COMERCIALES SOFTWARE VISUAL PLUMES LIMITACIONES DEL PAGUETE DE PROGRAMAS VISUAL PLUMES No simula fenomenos complejos de interaccion del efluente con los contornos efecto COANDA reintrusiones etc Para vertidos de flotabilidad negativa
5. necesita personal experto para su manejo Descripci n detallada y ejemplos para practicar se incluyen en el manual Los archivos adicionales para la generaci n de series temporales de las variables de entrada se deben realizar en formato ASCII Entrada de datos y presentaci n de resultados Los datos se introducen desde la propia interfaz con la opci n de introducir archivos ASCII para definir las series temporales de los datos de entrada El programa incluye herramientas para tratamiento y presentaci n anal tica y gr fica de los resultados obtenidos Requerimientos del sistema_ y programas necesarios 1 Sistemas operativos Win 95 98 NT 2000 2 Programas Internet Explorer 7 0 Adobe Acrobat Reader 261 PROYECTO I D i MEDVSA MODELOS COMERCIALES SOFTWARE VISUAL PLUMES 8 REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFIA RECOMENDADA 1 Frick W E Roberts P J W Davis L R Keyes J Baumgartners D J George G P 2001 VISUAL PLUMES MANUAL Dilution Models for Effluent Discharges 4th Edition Visual Plumes Environmental Research Division NERL ORD U S Environmental Protection Agency Frick W E 2004 Visual Plumes mixing zone modelling software Environmental 8 Modelling Software volume 19 pp 645 654 ELSEVIER 2 Baumgartner D J Frick W E Roberts P J W 1994 Dilution Models for Effluent Discharges Third Edition Manual PLUMES United States Environmental Protection Agency EPA
6. SA A Ficha 4 DESCRIPCI N GENERAL DE LOS MODELOS DEL SOFTWARE VISUAL PLUMES v 1 1 Este documento se ha obtenido como resultado del proyecto de I D i MEDVSA Desarrollo e implementacion de una metodologia para la reduccion del impacto ambiental de los vertidos de salmuera procedentes de las plantas desaladoras 045 RNO8 03 3 La Gu a Metodol gica desarrollada en MEDVSA incluye los documentos GU A METODOLOGICA Anexo 1 Fichas descriptivas de los modelos comerciales Anexo 2 Modelos de simulaci n brlHne Anexo 3 Formulaci n basada en los resultados experimentales Anexo 4 Caracterizaci n de clima marino Anexo 5 Reglas b sicas para la implementaci n de modelos CFDs en la simulaci n de campo cercano Anexo 6 Reglas b sicas para la implementaci n de modelos hidrodin micos en la simulaci n de campo lejano Anexo 7 Medidas preventivas y Programa de Vigilancia Ambiental El presente documento es parte del Anexo 1 Fichas descriptivas de los modelos comerciales Autores INSTITUTO DE HI DRAULI CA AMBIENTAL 1H CANTABRIA CENTRO DE ESTUDIOS DE PUERTOS Y COSTAS CEDEX PROYECTO I D i MEDVSA MODELOS COMERCIALES SOFTWARE VISUAL PLUMES VISUAL PLUMES 1 INTRODUCCION AUTORES El paguete VISUAL PLUMES 1 2 es la version en Windows del original programa de DOS PLUMES 3 de la Agencia de Protecci n Ambiental Americana United States Environmental Protection Agency USEPA El programa inc
7. a el modelo UM3 para simular vertidos de flotabilidad negativa el modelo no es capaz de detectar la presencia del fondo y contin a ejecut ndose sin simular el efecto del impacto aplicando para estimar la diluci n en campo lejano la ecuaci n de Brooks El usuario debe detectar este impacto y desechar todos los resultados posteriores que son err neos La Figura 2 muestra este error que comete VISUAL PLUMES en el vertido mediante chorro individual de un efluente hiperdenso con una profundidad media de la columna de agua en la zona de vertido de 0 4m Como se observa el modelo sigue ejecut ndose sin detectar el fondo Centerline Centerline Centerline Plume Andry s Plume Bndry Plume Brdr Verification 03 04 05 06 OF Horiz Distance from Source mi Figura 2 Ejemplo de error de no detecci n del fondo en modelado de chorro hiperdenso con UMS 258 PROYECTO I D i MEDVSA MODELOS COMERCIALES SOFTWARE VISUAL PLUMES 5 CALIBRACION Y VALIDACION DEL MODELO DATOS EXPERIMENTALES VALIDACION DE LOS AUTORES PARA FLUJOS DE FLOTABILIDAD NEGATIVA La calibracion de los modelos incluidos en el programa Visual Plumes se ha realizado principalmente para vertidos de flotabilidad positiva adaptando posteriormente algunos modelos a vertidos hiperdensos Para vertidos de efluentes de flotabilidad negativa no se han localizado en la bibliografia disponible estudios de validacion de los modelos de Visual Plume
8. as por elevador chorros bilaterales formando 180 entre si basados en Efluentes de flotabilidad positiva an lisis dimensional Modelo 3D basado en an lisis dimensional Par metros experimentales derivados de los ensayos de laboratorio de Roberts 1989 4 Vertido sumergido mediante chorro individual o tramo multidifusor DKHW Efluentes de de flotabilidad positiva 5 Modelo euleriano tridimensional Campo Basado en la integraci n de las ecuaciones en la secci n transversal CErCANG Vertido mediante chorro individual o con tramo multidifusor Modelos de UM3 Efluentes de flotabilidad positiva y negativa ECHACIONES 2 Modelo lagrangiano tridimensional integradas i Pang Basado en la integraci n de las ecuaciones en la secci n transversal Vertidos directos superficiales desde canales en un medio receptor en movimiento Efluentes de flotabilidad positiva Modelo euleriano tridimensional Campo cd de ERFIELD Estimaci n de la diluci n en campo lejano mediante la ecuaci n de Brooks lejano Efluentes de flotabilidad positiva Permite aprovechar los casos y resultados obtenidos con la version DOS PLUMES Aaicionales Adicionales DOSPLUMES anterior del programa PLUMES Tabla 1 Principales modelos del paquete VISUAL PLUMES La figura 1 muestra el esquema de vertido utilizado por los modelos de Visual Plumes 255 PROYECTO I D i MEDVSA MODELOS COMERCIALES SOFTWARE VISUAL PLUMES
9. comienda introducir un calado en el medio receptor al menos diez veces mayor que el di metro de la boquilla 9 TABLA 4 Recomendaciones respecto al modelado con el programa VISUAL PLUMES En el caso de que el programa se instale en un sistema operativo posterior a las versiones de Windows XP pueden producirse errores en la instalaci n y ejecuci n En este caso se recomienda ejecutar el programa como administrador con el bot n derecho del rat n 259 PROYECTO I D i MEDVSA MODELOS COMERCIALES SOFTWARE VISUAL PLUMES Cuando se guarda un proyecto generado con algun modelo de VISUAL PLUMES el proyecto se nombra por defecto Visual Plumes dbb y se guarda en la carpeta C Plumes Si se quieren ubicar en otra carpeta hay que tener en cuenta que si la ruta es demasiado larga VISUAL PLUMES generara error cuando se quiera volver a abrir el proyecto Para que el modelo ejecute es necesario incluir en la tabla de condiciones ambientales al menos dos filas En la primera de ellas la coordenada vertical profundidad sera cero origen en la superficie mientras que la ultima correspondera a los datos en el fondo Hay que tener en cuenta que en los modelos de Visual Plumes el origen de la coordenada vertical se situa en la superficie del mar aumentando la coordenada positiva con la profundidad El modelo no admite valores negativos de profundidad La altura del difusor Port elevation no puede ser exactamente cero porq
10. horros completamente turbulentos Descomposici n de Reynols para el tratamiento de los t rminos turbulentos Hip tesis de Boussinesa la diferencia de densidad entre el efluente y el medio receptor es peque a y s lo se tiene en cuenta en el t rmino de gravedad En la Tabla1 se han indicado las aproximaciones num ricas en que se basan cada uno de los modelos de VISUAL PLUMES siendo el UM3 el nico aplicable a la simulaci n de efluentes de flotabilidad negativa como la salmuera Respecto a la simulaci n del campo lejano todos los m dulos que incluye VISUAL PLUMES estiman la diluci n la pluma mediante la ecuaci n de Brooks m Ub y Ecuaci n de Brooks Ca Cerf Ex siendo C concentraci n en el centro de la E pluma eje en el punto deseado del campo lejano Cmz concentraci n del contaminante al final de la zona de mezcla campo cercano obtenida de modelado UM3 RSB etc Ua velocidad de corriente en el medio receptor b ancho de la pluma correspondiente a todos los orificios e coeficiente de viscosidad eddy diffusivity X distancia recorrida por la pluma desde el final de la zona de mezcla hasta el punto de inter s en campo lejano 256 PROYECTO I D i MEDVSA MODELOS COMERCIALES SOFTWARE VISUAL PLUMES 4 POSIBILIDADES Y LIMITACIONES DEL PROGRAMA Las tablas 2 y 3 indican las principales posibilidades y limitaciones del software VISUAL PLUMES en la simulaci n de vertidos de efluente
11. luye distintos modulos para la simulacion de vertidos mediante chorros sumergidos individuales o multiples considerando las condiciones ambientales del medio receptor El programa simula fundamentalmente el comportamiento de campo cercano modelo de mezcla inicial si bien incluye alguna formula semiempirica para estimar el campo lejano El modelo est enfocado a la simulaci n de transporte de sustancias contaminantes especialmente de contaminantes biol gicos pat genos derivados del vertido de aguas residuales urbanas en zonas costeras Sin embargo algunos de sus m dulos han extendido su mbito de aplicaci n al vertido de efluentes de flotabilidad negativa como la salmuera Visual Plumes es por tanto el paquete que contiene la interfaz desde donde se accede a las distintas herramientas de simulaci n 2 DESCRIPCI N DEL PROGRAMA VISUAL PLUMES HERRAMIENTAS El programa VISUAL PLUMES incluye diferentes modelos para la simulaci n del comportamiento de vertidos algunos de los cuales coinciden en su mbito de aplicaci n y funciones lo que permite al usuario comparar los resultados de los distintos modelos La tabla 1 muestra un esquema de los modelos incluidos en VISUAL PLUMES En la actualidad el nico modelo preparado para la simulaci n de vertidos de flotabilidad negativa es UM3 HERRAMIENTAS SUBM DULOS DEL PROGRAMA VISUAL PLUMES Vertido sumergido mediante tramo difusor de chorros m ltiples Dos Modelos NRFIELD boquill
12. os los escenarios ambientales definidos sequential parse ambient o todas las combinaciones posibles entre configuraciones y escenarios ambientales definidos sequential all ambient list Dado que para el caso de vertidos hiperdensos los resultados de simulaci n del campo lejano con Visual Plumes no son correctos no tiene importancia el valor que se establezca en las opciones Far field difusi n coefficient AMBIENT y en Far field increment SPECIAL SETTINGS El coeficiente de Pollutant Decay Rate AMBIENT debe tener un valor igual a cero para simular salmuera mm 8 we we we we ewe we we ewe we ewe eee ee eee ce ee le le ce le ce he le he he he he ce he ew el ee le le he re le he le ce ce ee hc ec ec ec ee me le ce ce le ee le ce he le he he ce ee ce le ee he le ce ee eer eh ele ce le ee he ce he ce le ee ee ee ee ee En el Anexo 2 de esta ficha se presenta una tabla de valores recomendados para los distintos parametros de entrada al modelo condiciones en el medio receptor parametros de descarga caracteristicas del efluente y otras opciones de modelado para el diseno del vertido al mar de salmuera particularizando par el Mar Mediterraneo TABLA 5 Recomendaciones respecto al uso y manejo del programa VISUAL PLUMES Para comparar los resultados de UM3 de Visual Plumes con los resultados de otros modelos an logos comerciales como el CORJET o el JetLag se recomienda seleccionar entre las variables a
13. representar en los resultados anal ticos Selected variables de la pesta a special settings la correspondiente a diluci n en el eje CL diln diluci n en el eje dado que la variable dilution corresponde a una diluci n media en la secci n transversal considerando una distribuci n de variables homog nea Se recomienda escalar los gr ficos uno a uno y aplicar los l mites de coordenadas deseables en cada caso dado que los que establece Visual Plumes en autoscale resultan en la mayor a de los casos probados de flujo hiperdensos poco adecuados TABLA 6 Recomendaciones respecto a la salida de resultados del programa VISUAL PLUMES 260 PROYECTO I D i MEDVSA MODELOS COMERCIALES SOFTWARE VISUAL PLUMES 7 ACCESO AL MODELO Y A LA INFORMACION PRECIO INSTALACION MANEJO TIEMPO DE COMPUTACI N ENTRADA DE DATOS Y PRESENTACION DE RESULTADOS Acceso al modelo y a la informacion Documentos y tramite de solicitud de licencia en la p gina web hitp www epa gov ceampubl swater vplume Idioma La informaci n disponible manuales art culos etc asi como la interfaz del modelo con el usuario est disponible nicamente en lengua inglesa Coste econ mico El programa manual y acceso a las actualizaciones es gratuito Instalaci n Instalaci n inmediata sin necesidad de personal experto Tiempo computacional C lculos pr cticamente instant neos Manejo Sencillo e intuitivo No
14. s La unica referencia es la incluida en el documento tecnico de la EPA EPA 600 r 94 086 Dilution models for effluent discharges 2 Para simular el comportamiento de vertidos de flotabilidad negativa se utilizan modelos en los gue la trayectoria y dilucion se predicen por analogia al vertido de efluentes de flotabilidad positiva En este sentido se justifica que muchos de los datos experimentales utilizados en la calibraci n de los modelos de vertidos desde el fondo de efluentes con flotabilidad positiva derivan en realidad de ensayos con efluentes hiperdensos vertidos desde la superficie Esta analog a se basa en el hecho de que si se respeta la diferencia de densidades entre efluentes se puede considerar que las fuerzas que act an sobre los elementos de la pluma son las mismas independientemente de la direcci n o el movimiento Partiendo de este hecho se considera que las ecuaciones f sicas y los coeficientes experimentales son los mismos y que pueden utilizarse los mismos c digos para la simulaci n de ambos tipos de efluentes Un ejemplo del planteamiento anterior es la simulaci n de los factores de diluci n obtenidos por Ozretich et al 1990 7 mediante modelado f sico de un vertido hiperdenso vertido desde la superficie Para comparar las medidas experimentales con los resultados de modelo num rico se asumi el efluente como de flotabilidad positiva vertido desde la superficie y se simul el caso con los modelos matem
15. s de flotabilidad negativa POSIBILIDADES DEL PAQUETE DE PROGRAMAS VISUAL PLUMES Permite introducir como datos de entrada archivos de series temporales para considerar distintos escenarios de vertido y de medio receptor Posibilidad de modelar la acumulaci n de contaminaci n en canales unidimensionales sometidos a ciclos de marea Considera la contaminaci n de fondo en el medio receptor gracias a la incorporaci n del concepto de diluci n efectiva como la raz n entre la concentraci n del contaminante en el efluente vertido y la concentraci n en el punto de inter s Modelado Posibilidad de simular el denominado efecto de nacimiento de densidad en el que un fluido inicialmente de flotabilidad positiva pasa a tener flotabilidad negativa respecto del medio receptor con estratificaci n de densidad en la columna de agua Visual Plumes incorpora la no linealidad en la ecuaci n de estado lo que permite simular correctamente este fen meno Posibilidad de utilizar distintos modelos de Visual Plumes para la simulaci n de un mismo caso y de comparar resultados Chequeo de os datos de entrada contrastando que se encuentran dentro del rango de valores v lidos establecidos y comprueban que no existe inconsistencia en los datos de entrada Los modelos de Visual Plumes pueden te ricamente considerar estratificaci n arbitraria en la columna de agua as como variaciones en intensidad o direcci n de la corriente Interfaz gr
16. ticos PLUME OUTPLM y DKHPLM aplicables nicamente a vertidos de flotabilidad positiva Se manipularon los datos de entrada de modo que se manten a la diferencia de densidades entre efluentes Los resultados obtenidos presentaban un buen ajuste con las medidas de laboratorio No obstante el modelo UM3 ya acepta la introducci n de los par metros que definen todo tipo de vertidos tanto con flotabilidad positiva como negativa En la ficha de UM3 nico modelo de VISUAL PLUMES aplicable a la simulaci n de vertidos de salmuera se realiza un modelado independiente en el marco de proyecto MEDVSA 6 RECOMENDACIONES DE APLICACI N Y MANEJO DEL PROGRAMA Las tablas 4 5 y 6 indican algunas recomendaciones en el uso del paquete de programas VISUAL PLUMES en la simulaci n de vertidos de efluentes de flotabilidad negativa Los modelos de VISUAL PLUMES aplicables a efluentes de flotabilidad negativa UM3 directamente y DKHW como imagen especular de un efluente de flotabilidad positiva son modelo de ecuaciones integradas que asumen medio receptor ilimitado y que por tanto son solamente v lidos hasta el punto de impacto del chorro con el fondo Aunque estos modelos ignoren el fondo y ofrezcan resultados tras este punto el usuario debe considerarlos err neos Se recomienda especificar siempre los valores de temperatura y salinidad de modo que el modelo pueda aplicar la ecuaci n de estado teniendo en cuenta su no linealidad Se re
17. ue VP genera error Si el elevador se situa directamente sobre el fondo se puede poner una altura de 0 01 Se recomienda introducir nicamente valores en las filas de los par metros que correspondan a medidas de campo reales Se recomienda no superar las 20 capas de discretizaci n vertical dado los errores en la ejecuci n del modelo as como el incremento en el tiempo computacional Para todas las tablas de la interfaz condiciones de descarga ambientales efluente etc la primera fila ha de tener todas las celdas completas con alg n valor En el resto de filas no es necesario rellenar aquellas que mantienen el valor de la fila precedente Si una celda aparece vac a y no se selecciona el programa toma por defecto el valor de la celda de la misma columna pero en la fila anterior En el caso de querer ejecutarse distintos casos bajo diferentes escenarios ambientales o de vertido se recomienda seleccionar la variable Casecount para el eje x y la variables de inter s concentraci n diluci n etc en el eje y De este modo se obtendr para los distintos casos el valor de la variable de inter s en el punto de m xima altura del chorro y se podr n comparar resultados Se recomienda utilizar la opci n Case selection en la pesta a de DIFFUSER que permite ejecutar nicamente la configuraci n de vertido y escenario ambiental seleccionados based or selected case la configuraci n de vertido seleccionada con tod
18. uellenhoff W P Soldate A M Baumgartner D J Schuldt M D David L R y Frick W E 1985 Initial Mixing Characteristics of Municipal Discharges vol EPA 60 3 85 073a U S Environmental Protection Agency Newport Oregon 1 42 Lorin R Davis 1999 Fundamentals of Environmental Discharge Modeling CRC Mechanical Engineering Series Series Editor University of Colorado 262

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