MEDVSA_Anexo 1_Introducción

ANEXO I
HERRAMIENTAS COMPLEMENTARIAS A LA GUÍA
METODOLÓGICA
FICHAS DESCRIPTIVAS DE
LOS MODELOS
COMERCIALES
Versión 1.0

Este documento se ha obtenido como resultado del proyecto de I+D+i: MEDVSA. “Desarrollo e
implementación de una metodología para la reducción del impacto ambiental de los
vertidos de salmuera procedentes de las plantas desaladoras” 045/RN08/03.3
MEDVSA es un proyecto de I+D+i, del Programa Nacional de Desarrollo Experimental (2008-2010),
Subsector: gestión y uso sostenible de los recursos naturales, concedido y financiado por el Ministerio
de Medio Ambiente, Medio Rural y Marino.
Los trabajos han sido coordinados por el Instituto de Hidráulica Ambiental de la UC y desarrollados
en colaboración con el Centro de Estudios de Puertos y Costas (CEDEX).
La Guía Metodológica desarrollada en el proyecto MEDVSA incluye la documentación:
- GUÍA METODOLÓGICA
- Anexo 1. Fichas descriptivas de los modelos comerciales
- Anexo 2. Modelos de simulación MEDVSA.
- Anexo 3. Formulación basada en los resultados experimentales
- Anexo 4. Caracterización de clima marino
- Anexo 5. Reglas básicas para la implementación de modelos CFDs en la simulación de campo
cercano
- Anexo 6. Reglas básicas para la implementación de modelos hidrodinámicos en la simulación de
campo lejano
- Anexo 7. Medidas preventivas y Programa de Vigilancia Ambiental
El presente documento constituye el Anexo 1: Fichas descriptivas de los modelos comerciales
AUTORES DEL DOCUMENTO:
INSTITUTO DE HIDRÁULICA AMBIENTAL:
Pilar Palomar (palomarmp@unican.es)
Javier L. Lara
Iñigo J. Losada (losadai@unican.es)
CENTRO DE ESTUDIOS DE PUERTOS Y
COSTAS (CEDEX):
Macarena Rodrigo (Ana.Alvarez@cedex.es)
Ana Alvarez
Antonio Ruiz Mateo

ANEXO I
INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………………………………….. 1
A) INTRODUCCIÓN……………………………………………………………………………………………………………………… 1
B). BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS SOFTWARE………………………………………………………………………………… 2
C). CONCLUSIONES DEL USO DE LOS SOFTWARE COMERCIALES PARA MODELAR VERTIDOS DE SALMUERA…..…3
FICHA 1. PRESENTACIÓN DE LAS FICHAS DESCRIPTIVAS DE LOS MODELOS
COMERCIALES.………………………………………………………………………………….…………... 7
FICHA 2. TEORÍA DE CHORROS Y PLUMAS_MEDVSA.……………………….…………………….. 13
FICHA 3. DESCRIPCIÓN GENERAL DE LOS MODELOS DEL SOFTWARE CORMIX………….… 34
FICHA 3.1. FICHA DESCRIPTIVA DEL SUBSISTEMA CORMIX 1…………………………..……. 50
FICHA 3.2. FICHA DESCRIPTIVA DEL SUBSISTEMA CORMIX 2 ………………………….…… 98
FICHA 3.3. FICHA DESCRIPTIVA DEL SUBSISTEMA D-CORMIX………………………………. 163
FICHA 3.4. FICHA DESCRIPTIVA DEL MÓDULO CORJET………………………………...…….. 209
FICHA 4. DESCRIPCIÓN GENERAL DE LOS MODELOS DEL SOFTWARE VISUAL PLUMES…. 253
FICHA 4.1. FICHA DESCRIPTIVA DEL MODELO UM3………………………..……………………. 263
FICHA 5. FICHAS DESCRIPTIVA DEL MODELO JETLAG DEL SOFTWARE VISJET.……………. 311

A). INTRODUCCIÓN
Los modelos comerciales más utilizados en la actualidad para simular y predecir el comportamiento de los vertidos de salmuera a medio
acuoso son los paquetes de software. CORMIX [1], VISUAL PLUMES [2] y VISJET [3], que incluyen varios modelos de simulación según
la configuración de la descarga. Todos estos modelos fueron inicialmente diseñados para la simulación de vertidos de efluentes de
flotabilidad positiva (como las aguas residuales urbanas en el mar), y posteriormente adaptados a efluentes de flotabilidad negativa,
como la salmuera en el mar.
En vista de los errores y dificultades observados en la aplicación de estos modelos para la simulación de vertidos de salmuera, se ha
realizado, en el marco del proyecto MEDVSA, un análisis en profundidad de estos modelos, a fin de ofrecer a los usuarios de la guía la
información necesaria para su aplicación. Como resultado de este análisis se han elaborado una serie de FICHAS DESCRIPTIVAS DE
LOS SOFTWARE COMERCIALES, particularizando para cada uno de sus modelos aplicable a la simulación de vertidos hiperdensos.
Así pues, los objetivos de las Fichas descriptivas son:
- Analizar de forma crítica los modelos comerciales para obtener conclusiones respectos a sus posibilidades y fiabilidad en la simulación
de vertidos al mar de salmuera.
- Ofrecer documentos guía a los usuarios (promotores, autoridades ambientales, etc.) con criterios específicos para la aplicación de
estos modelos
Con estos objetivos se han elaborado las Fichas indicadas en la Tabla A1-1:
Tabla A1-1. Modelos comerciales analizados y Fichas descriptivas elaboradas.
Las Fichas específicas de los modelos tienen un índice común, que incluye:
1. Introducción. Autores.
2. Base Teórica del modelo.
3. Hipótesis simplificativas.
4. Opciones del modelo. Posibilidades y limitaciones
5. Análisis de sensibilidad.
6. Validación del modelo por parte de sus autores, para efluentes de flotabilidad negativa.
7. Validación “MEDVSA” con datos experimentales publicados.
8. Recomendaciones.
9. Información práctica.
10. Referencias y bibliografía recomendada.
ANEXOS
Fichas de Teoría y generales Fichas del software CORMIX
- Ficha General de teoría de
chorros y plumas
- Ficha introducción a las Fichas
Descriptivas
- Ejemplo de aplicación del modelo a un caso real.
- Valores recomendados para los datos de entrada.
Cormix - Ficha general
Cormix 1
Cormix 2
D-Cormix
Corjet
Las Fichas Descriptivas, como ya se ha comentado, constituyen una herramienta muy útil para garantizar un correcto uso de los
software comerciales disponibles para simular un vertido de salmuera. Este aspecto es muy relevante, ya que un uso incorrecto de
estos modelos o una falta de conocimiento respecto a sus limitaciones e incertidumbres en la simulación de vertidos hiperdensos, puede
1
Fichas del software VISUAL
PLUMES
Visual Plumes - Ficha General
UM3,
Fichas del software
JetLag
VISJET

llevar a resultados con un alto porcentaje de error o bien a una incorrecta representación de los resultados del
modelado. Esto puede llevar a diseños no adecuados del dispositivo de vertido, lo que se traduce, en último término, en un mayor
riesgo de no cumplimiento de los objetivos de calidad en el medio marino para protección de las especies. La degradación de las
praderas de Posidonia oceanica en el Mar Mediterráneo, por vertidos de salmuera, supondría una pérdida muy
importante de la biodiversidad.
B). BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS SOFTWARE.
Software CORMIX
El software CORMIX (Cornell Mixing Zone Expert System) es un programa subvencionado inicialmente por la EPA (Environmental
protection Agency), que incluye distintos subsistemas, cuyas fórmulas de cálculo se han obtenido fundamentalmente del análisis
dimensional del fenómeno, del que derivan fórmulas semiempíricas de tipo escalas de longitud. Incluye también modelos, como el
CORJET, que se basan en la integración de las ecuaciones en la sección transversal del flujo. CORMIX es capaz de simular el
comportamiento de efluentes de flotabilidad positiva y negativa, que se vierten bajo diferentes configuraciones de descarga (chorro
individual sumergido o emergido, chorros múltiples en tramo difusor con distintos diseños, vertido directo superficial, etc.). Tiene en
cuenta las condiciones en el medio receptor (corrientes y densidad o temperatura-salinidad). El modelo predice, bajo hipótesis
simplificativas muy significativas, el comportamiento del efluente hiperdenso en las regiones de campo cercano y lejano, considerando
de forma aproximada los efectos de la interacción del flujo con los contornos y de la interacción de los chorros entre sí. El modelo
realiza simplifica la geometría del medio receptor, considera un estado estacionario y no permite realizar un análisis estadístico de los
resultados. Se trata de un modelo comercial y no es de carácter gratuito. (www.cormix.info/).
Se han elaborado las siguientes Fichas Descriptivas mostradas en la Tabla A1-2 para los modelos del software CORMIX:
General
Software
Tabla A1-2. Fichas descriptivas elaboradas para el software CORMIX.
Los susbsistemas CORMIX1, CORMIX2 y D-CORMIX utilizan el análisis dimensional como aproximación a la resolución de las ecuaciones
de gobierno, mientras que el módulo CORJET se basa en la integración de las ecuaciones diferenciales a lo largo del eje del chorro y
utiliza el método numérico de Runge-Kutta para la resolución del sistema.
Software VISUAL PLUMES
Vertido sumergido chorro
individual
Vertido sumergido chorros
múltiples
El software VISUAL PLUMES es un software gratuito desarrollado por la EPA e incluye distintos modelos para la simulación de vertidos
de efluentes de flotabilidad positiva y negativa. Para efluentes hiperdensos, la configuración de descarga que es posible simular se
limita a vertidos mediante chorro individual o chorros múltiples dispuestos en un tramo difusor. Los modelos que en este caso utiliza
están basados en la integración de las ecuaciones en la sección transversal del chorro, asumiendo medio receptor ilimitado y limitando
su ámbito de aplicación al campo cercano, antes del impacto del chorro con algún contorno. De todos sus modelos (DKHW, UM3,
NRFIELD, PSDW) solamente el modelo UM3 (Updated MErge 3D) puede ser aplicado a la simulación de vertidos hiperdensos. Los
modelos de Visual Plumes tienen en cuenta las condiciones en el medio receptor (corrientes y densidad o temperatura-salinidad), que
puede ser variable a lo largo de la columna de agua. El software permite cargar archivos externos con datos variables para las
condiciones de vertido o en el medio receptor.
Se han elaborado las siguientes Fichas descriptivas indicadas en la Tabla A1-3 para el software VISUAL PLUMES.
2
Vertido directo superficial,
chorro emergido
CORMIX CORMIX 1 [4] CORJET [5] CORMIX 2 [6] CORJET [7] D-CORMIX [8]

Software VISJET
Ficha general del Software Vertido sumergido mediante chorro individual o
chorros múltiples
Visual Plumes UM3
Tabla A1-3. Fichas descriptivas elaboradas para el software VISUAL PLUMES
El software VISJET (Innovative Modeling and Visualization Technology for Environmental Impact Assesment) ha sido desarrollado por
la Universidad de Honk Kong, e incluye diferentes modelos para la simulación de vertidos. En el caso de efluentes de flotabilidad
negativo, el software únicamente incluye el modelo JetLag.
JetLag es un modelo lagrangiano, de ecuaciones diferenciales integradas en la sección transversal, aplicable al vertido mediante
chorros, individuales ó múltiples, con distintos diseños de tramo difusor pero sin considerar la posible interacción entre chorros. Asume
un medio receptor ilimitado y su modelado se limita a la región del campo cercano, antes del impacto del chorro con los contornos.
JetLag considera las condiciones en el medio receptor (corrientes y densidad o temperatura-salinidad). No permite introducir series
temporales de los datos de entrada, ni realiza un tratamiento estadístico de los resultados. Se trata de un modelo comercial y no es de
carácter gratuito. (http://www.aoe-water.hku.hk/visjet/visjet.htm) . La Ficha descriptiva elaborada es l indicada en la Tabla A1-4
Vertido sumergido mediante chorro individual o chorros múltiples
JetLag
Tabla A1-4. Fichas descriptivas elaboradas para el software VISJET
C). CONCLUSIONES DEL USO DE LOS SOFTWARE COMERCIALES PARA MODELADO DE
VERTIDOS DE SALMUERA
A continuación se numeran algunas de las principales conclusiones derivadas del análisis [9] de los modelos comerciales para la
simulación de vertidos de salmuera, realizado en el marco del proyecto MEDVSA [10].
- Los modelos numéricos son una herramienta muy útil para predecir el comportamiento de los vertidos de salmuera y
optimizar el diseño para minimizar el impacto ambiental.
- Los modelos comerciales existentes se basan en el análisis dimensional o en la integración de las ecuaciones para resolver las
ecuaciones de gobierno.
- La totalidad de los modelos comerciales (a excepción de D-CORMIX) es únicamente aplicable a los vertidos mediante chorros.
Para simular esta configuración, se recomiendan como más adecuados los modelos basados en ecuaciones integradas, como
el CORJET, Um3 y JetLag, que los modelos basados en el análisis dimensional, como CORMIX1 y CORMIX2, dado que se ha
comprobado que algunas de las hipótesis simplificativas que estos aplican son erróneas.
- Los modelos analizados se limitan a la región de campo cercano, a excepción de CORMIX1 y CORMIX2. Sin embargo, estos
modelos no son fiables para simular el campo lejano y no han sido validados.
Respecto a los modelos basados en ecuaciones integradas (CORJET, UM3, JETLAG):
- Asumen un medio receptor ilimitado, sin interacción del chorro con los contornos, por lo que solamente pueden simular el
comportamiento del chorro hasta la zona previa al impacto con el fondo.
3

- Dado que estos modelos no son capaces de simular efectos de “re-entrainment” ni efecto COANDA, se
recomienda evitar su uso para simular chorros con inclinaciones superiores a 80º e inferiores a 15º.
- Al aplicar estos modelos el usuario debe comprobar (mirando los resultados de altura del chorro, es decir altura del eje más
semiancho del chorro) que el chorro no impacta con la superficie, dado que esto invalida la hipótesis de medio receptor
ilimitado.
- El análisis de sensibilidad realizado para cada modelo revela que estos modelos cometen importantes errores en la modelado
del comportamiento del chorro en presencia de una corriente ambiental. En muchos casos no siguen la tendencia obtenida
experimentalmente [11] y sus resultados son prácticamente insensibles a la dirección de las corrientes.
Respecto al modelado de vertidos por chorros múltiples, es importante destacar:
- El modelo JetLag no simula la interacción entre chorros, de modo que realiza siempre los cálculos como chorros individuales,
interaccionen estos ó no. CORJET y UM3 aplican hipótesis simplificativas para modelar la interacción entre chorros, sin
embargo, los autores no han presentado datos de validación para efluentes de flotabilidad negativa.
- A pesar de que CORMIX2 teóricamente simula una gran variedad de diseños de tramo difusor, en realidad asume hipótesis
erróneas que invalidan sus resultados, simulando de forma correcta únicamente el caso de tramo difusor unidireccional con
chorros inclinados.
En el marco del proyecto MEDVSA se ha realizado además una exhaustiva validación [12] de los resultados obtenidos con estos
modelos, comparándolo con los resultados obtenidos de ensayos experimentales, realizados con técnicas ópticas avanzadas y
publicados en revistas científicas. Las conclusiones derivadas de esta validación se sintetizan en.
- Se han detectados importantes errores en la clasificación que CORMIX1 y CORMIX2 hace de los tipos de flujos, especialmente
para números de Froude densimétrico altos, por lo que no se consideran modelos fiables para similar vertidos de salmuera.
Frente a estos,
- Respecto a CORJET, UM3 y JetLag, la validación llevada a cabo para el caso de un medio receptor en reposo revela que estos
modelos infravaloran las dimensiones del chorro para todos los casos. La altura máxima del borde superior se infravalora
entre un 10% y un 30%, con mayores errores a mayor ángulo del chorro. La dilución en el punto de impacto es infravalorada
de forma muy significativa, con errores entre el 50% y el 65%.
- Para un medio receptor en movimiento, la validación muestra que estos modelos siguen en general la tendencia de
aumentar la dilución con la intensidad de la corriente. Sin embargo, existe discrepancia en relación con la influencia de la
dirección de las corrientes; los resultados experimentales muestran [11], para un chorro inclinado 60º, mayores diluciones
para corrientes perpendiculares y de la misma dirección y sentido que el chorro, y menor dilución para corrientes de sentido
opuesto. Los modelos comerciales, sin embargo, son prácticamente insensibles a la dirección de la corriente. Particularizando
para cada modelo:
o CORJET y JETLAG obtienen los mismos resultados de dilución independiente de la dirección de la corriente, con
valores ligeramente superiores en caso de corrientes perpendiculares, caso que sobreestiman significativamente
con respecto a los resultados experimentales.
o UM3 sigue la tendencia experimental, con diluciones mayores en el caso de corrientes perpendiculares, pero con
valores muy simulares en el caso de corrientes de la misma dirección y en oposición al chorro.
Es importante, por tanto, señalar que en el diseño del vertido, en caso de presencia de corrientes, CORJET y JetLag sobreestiman
significativamente la dilución para los casos de corrientes paralelas y perpendiculares al chorro.
La Tabla A1-5 [12] indica el error cometido por los modelos comerciales respecto a los resultados experimentales considerados:
4

MEDIO
RECEPTOR EN
REPOSO
MEDIO
RECEPTOR EN
MOVIMIENTO
Chorro inclinado
60º
GLOSARIO
: ángulo horizontal entre la dirección del chorro y la de la corriente en el medio receptor.
: máxima altura del borde superior del chorro.
: mínima dilución del chorro (en el eje) en el punto de impacto del chorro con el fondo.
: alcance horizontal del eje del chorro en el punto de impacto del chorro con el fondo.
: cociente entre la velocidad de la corriente en el medio receptor y la velocidad del chorro en la descarga.
REFERENCIAS
ERROR ESTIMADOS DE LOS MODELOS COMERCIALES AL SIMULAR VERTIDOS EN CHORRO DE SALMUERA
(: infraestimación; : sobreestimación)
Variable
30 , inclinación del
chorro
45 , inclinación del chorro 60 , inclinación del chorro
Corjet UM3 JetLag Corjet UM3 JetLag Corjet UM3 JetLag
: 10% 25% 0% 10% 20% 20% 15% 30% 25%
: 60% 60% 60% 50% 60% 60% 50%
15% 25% 15% 10% 25% 10% 15% 25% 10%
Los modelos infraestiman todas las variables, especialmente la dilución, en aproximadamente un 60% respecto
a los datos experimentales.
Variable
Corriente paralela al chorro
y mismo sentido
60 , 0 Corriente paralela y de sentido
opuesto al chorro
60 , 180
[1] R.L. Doneker, G. H. Jirka. (2001). “CORMIX-GI systems for mixing zone analysis of brine wastewater disposal”. Desalination,
ELSEVIER, vol. 139, pp. 263–274.
[2] W. E. Frick. (2004). “Visual Plumes mixing zone modelling software”. Environmental & Modelling Software, ELSEVIER, vol. 19, pp
645-654. http://www.epa.gov/ceampubl/swater/vplume/
[3] S. K. B. Cheung, D. Y. L. Leung, W. Wang, J. H. W. Lee, V. Cheung. ( 2000): VISJET – A computer ocean outfall modelling system.
Proceeding CGI '00. Proceedings of the International Conference on Computer Graphics, IEEE Computer Society Washington, DC, USA.
[4] R.L. Doneker, G. H. Jirka, (1990). "Expert Systems for Hydrodynamic Mixing Zone Analysis of Conventional and Toxic Single Port
Discharges (CORMIX1)". Technical Report EPA/600/3-90/012, U.S. EPA Environmental Research Laboratory, Athens, GA.
[5] G. H. Jirka. (2004). Integral model for turbulent buoyant jets in unbounded stratified flows. Part I: The single round jet.
Environmental Fluid Mechanics (ASCE), vol 4, pp.1–56.
5
Corriente perpendicular al chorro
60 , 90
Corjet UM3 JetLag Corjet UM3 JetLag Corjet UM3 JetLag
: 25% 30% 30%
:
15%
a
1%
30%
30%
a
15%
10%
a
5%
2%
a
60%
5%
a
15%
10%
a
10%
5%
a
20%
5%
a
70%
30% 40% 40%
25%
a
25%
15%
a
2%
Para valores 0.75, los modelos comerciales tienden a sobreestimar las variables principalmente la
dilución del chorro en el punto de impacto para el caso de corrientes opuestas al chorro.
20%
a
45%

[6] P. J. Akar, G. H. Jirka, (1991). "CORMIX2: An Expert System for Hydrodynamic Mixing Zone Analysis of
Conventional and Toxic Submerged Multiport Diffuser Discharges". Technical Report EPA/600/3-91/073, U.S. Environmental Research
Laboratory, Athens, Georgia.
[7] G. H. Jirka. (2006). Integral model for turbulent buoyant jets in unbounded stratified flows. Part II: Plane jet dynamics resulting
from multiport diffuser jets. Environmental Fluid Mechanics, vol. 6, pp. 43–100.
[8] R. L. Doneker, G.H. Jirka, (1998) "D-CORMIX: A Decision Support System for Hydrodynamic Mixing zone Analysis of Continuous
Dredge Disposal Sediment Plumes". Proc. Of the 25th Annual Conference on Water Resources Planning and Management, ASCE.
[9] P. Palomar; J.L. Lara; I.J. Losada; M. Rodrigo; A. Alvarez (2012). “Near Field brine discharge modeling. Part 1: Analysis of
commercial tools”. Desalination, vol. 290, pp. 14-27.
[10] P. Palomar, A. Ruiz-Mateo,I. J. Losada, J. L. Lara, A. Lloret, A; S. Castanedo; A. Alvarez, F. Méndez, M. Rodrigo, P. Camus, F.
Vila, P. Lomónaco, M. Antequera (2010) “MEDVSA: a methodology for design of brine discharges into seawater” Desalination and Water
Reuse Vol. 20/1.
[11] P. J. W. Roberts, G. Toms, G. (1987). Inclined dense jets in a flowing current. Journal of Hydraulic Engineering, vol 113, nº 3.
[12] P. Palomar; J.L. Lara; I.J. Losada (2012). “Near field brine discharge modelling Part 2: Validation of commercial tools”.
Desalination, vol. 290, pp. 28-42.
6