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Modelacion ambiental
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Fuentes de contaminación de las aguas subterráneas y
superficiales
Modelos de simulación ambiental | Modelos
hidrogeológicos | Modelos hidrológicos | Modelos
atmosféricos | Modelos marinos | Modelos agrícolas | Técnicas
de modelación | Calibración de modelos | Enlaces | Bibliografía
recomendada
Introducción a las técnicas de modelaciónLos modelos de simulación ambiental son herramientas que
permiten simular el comportamiento de sistemas complejos a
partir de los datos de tipo físico, químico e hidrológico que
caracterizan al sistema y de las complejas interrelaciones
existentes entre los mismos, formuladas en forma de
algoritmos matemáticos.
Atendiendo a su tipología las herramientas de simulación se
clasifican en modelos analógicos, modelos a
escala,modelos matemáticos y modelos numéricos. Con
la evolución de la tecnología, los modelos de tipo analógico,
basados en las similitudes existentes entre dos sistemas
físicos para simular a partir de uno de ellos (por ejemplo, un
sistema eléctrico) el otro (por ejemplo, un sistema
hidrogeológico), están en desuso. Por otra parte, y a pesar de
sus ventajas en materia de precisión de resultados, los
modelos basados en la realización a escala, ampliada o
reducida, de escenarios naturales, tienen una utilización
limitada, condicionada por la complejidad que conlleva el
mantenimiento de las condiciones que regulan el
comportamiento del medio simulado al variar la escala de la
modelación, lo que se traduce en modelos de desarrollo
costoso y con excesivas rigideces a la hora de variar las
condiciones que regulan el comportamiento del sistema
modelado.
El desarrollo tecnológico ha propiciado la utilización y el auge
de los modelos matemáticos y entre ellos, los denominados
modelos numéricos de simulación por ordenador. Esta
tipología de modelos se caracteriza por:
1. La (relativa) economía de su desarrollo
2. La flexibilidad a la hora de conformar la red de
interrelaciones existentes entre los parámetros
ambientales
3. La facilidad a la hora de introducir modificaciones en
los valores de estos parámetros, en las acciones
exteriores a que se ve sometido el sistema modelado e
incluso en las propias interrelaciones entre ellos
4. La alta precisión en los resultados obtenidos
La premisa en la que se basan los modelos de simulación
radica en la asunción del hecho de que si un determinado
modelo es capaz de reproducir situaciones pretéritas de un
sistema físico cuyos parámetros de entrada, acciones
exteriores y evolución conocemos, es bastante presumible
que será capaz de predecir situaciones futuras,
permitiéndonos anticipar en el tiempo la evolución del
sistema y tomar las medidas precautorias, de control o
correctoras adecuadas para garantizar la evolución del
mencionado sistema dentro de unos límites ambientales
aceptables.
Para garantizar el cumplimiento de la mencionada premisa es
preciso que el desarrollo de un modelo siga una metodología,
ampliamente sancionada por la práctica, cuya asunción es
indispensable para alcanzar la calidad mínima que requiere la
utilización de estas herramientas.
El primero de los condicionantes consiste en la disponibilidad
de datos adecuados, en número y calidad, correspondientes al
sistema físico modelado. Estos datos se extienden a los
parámetros que caracterizan física, química e
hidrológicamente a nuestro sistema (geometría,
características hidrogeológicas, etc.) pero también a las
medidas de diversa índole correspondientes a las acciones
externas a que se ve sometido el sistema (explotaciones,
recarga de lluvia, etc) y a la propia evolución temporal de las
variables ambientales (piezometría, concentraciones
químicas, etc.)
Sección transversal de un acuífero mostrando los parámetros
que intervienen en un modelo de simulación
El desarrollo del modelo requiere la realización previa de un
modelo conceptual del sistema que permita abstraer del
mismo los elementos más significativos que den cuenta de la
mayor parte del comportamiento de nuestro interés. En este
sentido, es necesario recordar que los modelos son una
aproximación de la realidad, no la realidad misma, y que por
tanto llevan asociados un determinado error cuya magnitud
debemos conocer y asumir como aceptable en función del
objetivo perseguido en nuestro trabajo.
La fase más crítica del desarrollo del modelo consiste en
la calibración y el análisis de sensibilidad del sistema.
Durante su desarrollo se realizan decenas, centenas e incluso
miles de simulaciones para los sistemas más complejos
variando en cada una de ellas los datos de partida y
analizando los resultados producidos por el modelo. Las
calibración y el análisis de sensibilidad de un modelo son, con
diferencia, las etapas más costosas de su elaboración razón
por la cual surge la tentación de obviarlas para reducir costes.
Cuando se finalizan las etapas anteriores, el modelo está en
condiciones de simular situaciones hipotéticas, pasando a la
fase de explotación. En esta etapa se hacen generalmente
predicciones anticipadas en el tiempo, aunque la utilidad del
modelo no se limita a este único aspecto predictivo, pudiendo
ser realizadas simulaciones sobre situaciones pretéritas para
identificar, por ejemplo, el origen histórico de un determinado
problema ambiental observado en el presente. Igualmente,
puede ser utilizado el modelo para caracterizar el sistema, es
decir, para cuantificar mediante su uso la magnitud de
determinados parámetros del sistema estudiado.
Aplicación de modelos de simulación a problemas de contaminación de aguas subterráneas
En materia de calidad de aguas subterráneas, el tratamiento
histórico fundamental ha atendido a la modelización de los
compuestos mayoritarios, dando lugar a modelos
generalmente monofásicos que tratan compuestos solubles
en condiciones, generalmente, de densidad constante. En los
últimos dos años, sin embargo, han empezado a tratarse en
profundidad los problemas de contaminación. Por el tipo de
problemática asociada a estos problemas, es necesario tratar
la contaminación en las zonas no saturadas y en la saturada,
con lo que el tratamiento se complica de manera notable
debido a que los desarrollos de modelos en la zona no
saturada están aún en estado incipiente.
El comportamiento de los distintos tipos de contaminantes en
aguas y suelos es muy dispar e incluso el mismo
contaminante puede exhibir comportamientos muy diferentes
según en el medio en que se encuentre, (por ejemplo, zona
saturada y no saturada). Esta disparidad hace que no exista
en la actualidad un único tipo de modelo que poder aplicar
con total generalidad con independencia del contaminante
que estemos analizando y el medio en que se encuentre. Sí es
posible, sin embargo, utilizar aplicaciones informáticas aptas
para familias más o menos amplias de compuestos químicos
sirviendo cada una de ellas para un tipo de entorno concreto.
Con el fin de aclarar el empleo de los modelos de simulación
ambiental, en particular los que son aplicables en relación con
la Ley 26/2007 de Responsabilidad
Ambiental, la Dirección General de Calidad y Evaluación
Ambiental del Ministerio de Medio Ambiente y Medio
Rural y Marino (en la actualidad, Ministerio de
Agricultura, Alimentación y Medio Ambiente) elaboró en
abril de 2011 un documento que contiene un listado
de Modelos de Simulación Recomendados a tal fin
Bibliografía
Amberger, A. y Schmidt, H.L. (1987). Naturliche
isotopengerhalte von nitrat als indikatoren fur dessen herkunt.
Geochim. Cosmoch., 51: 2699-2705.
Kendall, C y McDonnell, J.J. (1998). Isotope Tracers in
Catchment Hydrology. Ed. Elsevier Science. Amsterdam .
Holanda.
Oromendia, E. y Abella Gavela, G. (2002). Propuesta de
metodología para la interpretación de fuentes de nitratos
mediante la aplicación de sistemas de información geográfica,
modelos matemáticos de simulación e isótopos de nitrógeno y
su tratamiento a través de Internet. La Gestión y el Control del
Agua frente a la Directiva Marco (Herraez, I. et. Al., Eds). Pp.
313-319.
Revesz, K.; Bohlke, J.K. y Yoshinari, T. (1997). Anal.
Chem, 69: 4375-4380.
Modelos de simulación de la contaminación atmosférica
Fuentes de contaminación atmosférica
Modelos de simulación ambiental | Modelos
hidrogeológicos | Modelos hidrológicos | Modelos
atmosféricos | Modelos marinos | Modelos agrícolas | Técnicas
de modelación | Calibración de modelos | Enlaces | Bibliografía
recomendada
Introducción a los modelos de simulación de la contaminación atmosférica
La atmósfera está sometida a cambios en su composición que
afectan tanto a la contaminación atmosférica local como a
efectos sobre el cambio climático de carácter más global. Con
el objeto de conocer mejor la distribución y el impacto que
tienen los distintos constituyentes químicos sobre la
atmósfera es necesario realizar mediciones precisas y
modelar los procesos naturales que tienen lugar en el medio.
Algunos de estos contaminantes están en el origen de la
formación de lluvias ácidas, otros tienen una influencia
poderosa sobre el cambio climático (fundamentalmente
aquellos gases con efecto invernadero) y todos ellos afectan a
la salud de las poblaciones, especialmente las localizadas en
las grandes áreas urbanas. Las fuentes de contaminación son
muy diversas, aunque las más frecuentes están constituidas
por las emisiones del tráfico urbano, de las planas industriales
o las originadas como consecuencia de vertidos químicos
accidentales.
Como todos los procesos de contaminación ambiental, son
muchas las variables que influyen en la difusión de los
contaminantes en la atmósfera y todas ellas están
estrechamente relacionadas razón por la cual se hace
prácticamente imposible analizar en profundidad estos
fenómenos si no es con la asistencia de modelos de
simulación.
La simulación de la contaminación atmosférica comprende
varias etapas, la primera de las cuales consiste en la
adquisición de datos de campo entre los que se incluyen los
siguientes:
Condiciones meteorológicas
Velocidad y dirección del viento
Turbulencia atmosférica
Temperatura del aire
Nubosidad
Radiación solar
Altura a la que se encuentran eventuales
fenómenos de inversión térmica
Características de la fuente emisora
Tipología de la fuente
Localización y altura de la fuente emisora
Temperatura de emisión
Velocidad de emisión
Caudal de emisión
Tipología de los contaminantes emitidos
Concentración y toxicidad de los contaminantes
Topografía en las inmediaciones de la fuente de emisión
y de los receptores o puntos de control
Localización, altura y anchura de cualquier tipo de
obstáculo que se interponga entre la fuente emisora y el
receptor
Recopilados los datos de campo, se introducen en el modelo
de dispersión atmosférica y se rueda el programa para
obtener las concentraciones predichas en distintos puntos y
en diferentes instantes de tiempo. Con estos resultados es
posible realizar posteriormente el estudio de impacto
ambiental que permitirá bien evitar la producción de efectos
indeseados o, en caso de que estos ya se hayan producido,
orientar las actuaciones para la reparación del daño
ocasionado.
Modelos de simulación hidrológicos
Fuentes de contaminación de las aguas subterráneas y
superficiales
Modelos de simulación ambiental | Modelos
hidrogeológicos | Modelos hidrológicos | Modelos
atmosféricos | Modelos marinos | Modelos agrícolas | Técnicas
de modelación | Calibración de modelos | Enlaces | Bibliografia
recomendada
Introducción a los modelos de simulación de hidrología superficial
La necesidad de considerar el ciclo hidrológico como una
unidad y el muy distinto tratamiento que merecen por razones
obvias los distintos procesos que lo conforman, especialmente
en lo referente a las diferencias entre el ciclo hidrológico de
superficie y el ciclo hidrológico subterráneo, suele motivar que
en estudios de sistemas medianamente complejos sea precisa
la utilización de baterías de modelos, más que el empleo de
modelos únicos. Es así frecuente la combinación de modelos
de hidrología de superficie que determinan sobre los cauces
del área de estudio los niveles hidráulicos y concentraciones
químicas alcanzados en cada tramo para distintas hipótesis
con modelos de hidrología subterránea que integran las
conexiones río-acuífero y sus implicaciones sobre la
piezometría y la calidad del agua subterránea. Revisaremos
brevemente algunas de las aplicaciones de hidrología
superficial disponibles en la actualidad, poniendo de
manifiesto sus posibilidades y limitaciones.
Modelos de flujoDebido a la tradición histórica más dilatada y, esencialmente,
a la política de precios públicos aplicada a los programas
comercializados, las aplicaciones más extendidas y utilizadas
y, por ende, las más contrastadas y fiables, son las
desarrolladas por distintas instancias de la Administración
americana: Agencia de Protección Ambiental (EPA,
Environmental Protection Agency), Centro de Ingeniería
Hidráulica (HEC, Hydrologic Engineering Center), etc. Entre los
modelos de hidrología de superficie, los más extendidos en
relación al flujo son precisamente los que constituyen la
familia de programas HEC (HEC-1, HEC-2 y las revisiones más
actuales de estos mismos programas). El primero de ellos es
un modelo que analiza el proceso precipitación-escorrentía.
En función de los datos climatológicos de la cuenca y de sus
características fisiográficas, entre otros parámetros, el
programa determinada los caudales que escurren en
superficie y los que se infiltran, permitiendo identificar
adecuadamente estas dos componentes del ciclo hidrológico
que tanta trascendencia tienen desde el punto de vista
agrícola. El programa HEC-2, por su parte, utiliza los caudales
calculados por el HEC-1 y procede a trasladar el mismo a
través de los cauces, determinando en cada tramo de ellos las
cotas hidráulicas alcanzadas (curvas de remanso). Los
resultados que brindan estos programas constituyen datos de
entrada esenciales tanto para los modelos de calidad de
aguas superficiales como para los mismos modelos de flujo y
calidad de aguas subterráneas. Aún cuando las más recientes
versiones del modelo MODFLOW, que comentaremos más
adelante, incorporan la posibilidad de modelizar este tipo de
comportamiento, en los casos en los que se requiere una
mayor precisión es conveniente recurrir al empleo de estas
herramientas al contemplar de modo más precisos el
funcionamiento hidráulico
Modelos de transporte o de calidadEn materia de calidad de aguas superficiales, el referente es
el programa QUAL2 de la EPA, con las variaciones que sobre la
misma base han realizado con posterioridad otros organismos
y empresas. El modelo QUAL2EU permite simular la evolución
de la calidad del agua en sistemas hidráulicos dendríticos. El
modelo fue inicialmente desarrollado en 1970 por la EPA y
desde entonces se han realizado diversas versiones, de las
cuales la última y más destacable se caracteriza por haber
adoptado determinadas funciones específicamente diseñadas
para contemplar la casuística hidráulica de la Comunidad de
Madrid, y en particular la abrupta variación de cotas
altimétricas que es frecuente observar en los cauces de los
ríos de la región en distancias relativamente cortas. El modelo
permite la simulación conjunta de la calidad de hasta 15
parámetros físicoquímicos distintos, entre los cuales se
encuentran los siguientes:
Oxígeno disuelto
Demanda Bioquímica de Oxígeo (DBO)
Temperatura
Algas como clorofila A
Nitrógeno como nitrógeno orgánico
Nitrógeno como amonio
Nitrógeno como nitritos
Nitrógeno como nitratos
Fósforo como fósforo orgánico
Fósforo como fósforo disuelto
Coliformes
Un constituyente arbitrario no conservativo
Hasta tres constituyentes arbitrarios conservativos
Para la modelización del sistema hidráulico, éste se divide en
tramos de idénticas características hidráulicas y cada uno de
dichos tramos se divide a su vez en elementos de cálculo.
Como datos de entrada se debe suministrar al programa
información de los caudales que circulan por cada tramo, las
eventuales aportaciones y detracciones que tengan lugar con
inclusión de su calidad físico-química (bien sean puntuales o
distribuidas de manera uniforme a lo largo del cauce) así
como una serie de parámetros variables dependientes de los
comportamientos y/o situaciones hidroquímicas que se desee
simular. El modelo tiene en cuenta las interrelaciones que
pueden existir entre cada uno de los componentes o
comportamientos simulados y considera igualmente los
fenómenos de aireación derivados de la actividad fotosintética
y los que se producen eventualmente tras el vertido a través
de una presa El programa integra toda esta información y
permite obtener como resultado, para cada uno de los
elementos de cálculo de cada tramo, los datos hidráulicos y
de calidad de los parámetros simulados, con indicación de su
evolución espacial y temporal. Esta información se puede
obtener de forma gráfica e incluso es posible modelizar su
evolución a lo largo del día en función de las variaciones de
soleamiento que se producen y que afectan a su vez a la
capacidad de autodepuración del río como consecuencia de la
actividad fotosintética de las algas. Desde el punto de vista
agrícola, a la ventaja obvia que representa el hecho de poder
conocer en cada tramo de río la calidad físico-química
asociada se une el hecho de poder establecer conexiones
entre este programa y programas de modelización de flujo y
calidad de aguas subterráneas, con lo que eventualmente
podrían estudiarse fenómenos de contaminación, puntual o
difusa, que afecten a ambos medios.
Modelos de simulación hidrogeológicos
Sección transversal de un acuífero mostrando los parámetros
que intervienen en un modelo de simulación
Modelos de simulación ambiental | Modelos
hidrogeológicos | Modelos hidrológicos | Modelos
atmosféricos | Modelos marinos | Modelos agrícolas | Técnicas
de modelación | Calibración de modelos | Enlaces | Bibliografía
recomendada
Modelos de flujo de aguas subterráneasEn materia de hidrología subterránea, la modelización del flujo
se complica sustancialmente por un doble motivo: en primer
lugar, por la existencia de una zona no saturada y una zona
saturada, en las que el movimiento del agua difiere
sustancialmente; en segundo lugar, por la complejidad que
introduce, a efectos de la modelización, la existencia de
medios que no puedan considerarse porosos, p.e., áreas
karstificadas. Los modelos de flujo más desarrollados
contemplan sistemas monofásicos en medios porosos
saturados y entre ellos el más extendido y utilizado, con
diferencia, es MODFLOW, con sus diferentes variantes
atendiendo a los pre y postprocesadores utilizados
(PMWIN,Visual Modflow, ...). Desarrollado inicialmente por el
Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS, United States
Geological Survey), este programa tiene una concepción
modular que facilita la adición de módulos complementarios
desarrollados por terceras partes que den respuesta a
situaciones progresivamente más ambiciosas. El programa
admite la definición geométrica e hidrogeológica de un
sistema tridimensional multicapa sometido a una serie de
acciones exteriores de carácter natural o antrópico
(infiltración de agua de lluvia, retorno de agua de riego,
recarga procedente de otras fuentes, bombeos e inyecciones
de agua, conexiones río-acuífero, ...).
Habida cuenta de los resultados ofrecidos por el programa, es
factible su utilización para dar respuesta a gran parte de las
incógnitas asociadas con la actividad agraria: respuesta del
sistema frente a una política de explotación del acuífero dada,
valoración de alternativas de explotación, valoración de la
mejora en la garantía de suministro al incorporar políticas de
recarga del acuífero, ... y en definitiva todas aquellas
cuestiones que encuentren respuesta en el análisis de la
evolución de la piezometría del acuífero.
Modelación de acuíferos fracturados
Entre las aplicaciones en las que el uso de modelos dista aún
de ofrecer resultados totalmente satisfactorios se encuentra
la modelización de sistemas fracturados. La amplia casuística
que rodea a este tipo de sistemas hace que los modelos
disponibles no tengan aún el alto grado de precisión asociado
a los modelos en medios porosos, salvo en los casos en los
que por el tamaño de la fracturación y su distribución más o
menos uniforme se puede asimilar el medio fracturado a un
medio poroso con conductividad hidráulica equivalente. Se ha
avanzado, por el contrario, en la modelización de sistemas
con porosidad dual, en los que en el seno de material
coexisten una matriz más o menos masiva caracterizada por
una porosidad relativamente pequeña con un relleno de
porosidad significativamente mayor.
Modelación de la Zona No Saturada (ZNS)
En cuanto a la modelización del flujo en la zona no saturada,
que tanta trascendencia tiene desde el punto de vista
agrícola, se ha avanzado notablemente en los últimos años.
La aproximación más frecuente a este problema suele
consistir en la determinación de lo que podríamos llamar
conductividad hidráulica equivalente de la zona no saturada,
que permite hacer una generalización de la Ley de Darcy a
este medio. Habitualmente, este procedimiento se basa en la
incorporación al modelo de la metodología de estudio de la
zona no saturada desarrollada por autores como Brooks y
Corey o Van Genuchten, que permiten relacionar el flujo con
el contenido de humedad del medio en un instante dado. El
flujo en la zona no saturada tiene una importancia grande
desde el punto de vista agrícola, al desarrollarse en ella
procesos físicos, químicos y biológicos de gran trascendencia
en relación con fuentes de contaminación de origen agrario.
En esta zona las posibilidades de modelización se complican
al ser habitual la presencia de un flujo multifásico: junto con el
propio agua coexisten otros fluidos como el aire, gases
disueltos de distinta procedencia, etc. Las aproximaciones
actuales a este problema suelen pasar por simplificar el
sistema considerándolo bifásico, constituido por agua y aire,
esencialmente.
Modelos de transporte o de calidadEn materia de calidad de aguas subterráneas, el tratamiento
histórico fundamental ha atendido a la modelización de los
compuestos mayoritarios, dando lugar a modelos
generalmente monofásicos que tratan compuestos solubles
en condiciones, generalmente, de densidad constante. En los
últimos dos años, sin embargo, han empezado a tratarse en
profundidad los problemas de contaminación debidos a
compuestos orgánicos en general e hidrocarburos en
particular. Este tipo de contaminación, desgraciadamente
cada día más frecuente y presente en la mayor parte de
espacios contaminados, da lugar en el caso de las aguas
subterráneas a procesos de contaminación multifásicos (agua,
hidrocarburos, gases, ...) con fases no miscibles entre sí,
constituyentes parcialmente solubles aún con solubilidades
bajas y en los que la consideración de condiciones de
densidad y viscosidad variables tienen una importante
significancia. Por el tipo de problemática asociada a estos
procesos, es igualmente necesario tratar la contaminación en
las zonas no saturadas y en la saturada, con lo que el
tratamiento se complica de manera notable debido a que los
desarrollos de modelos en la zona no saturada están aún en
estado incipiente. Algunas de las herramientas desarrolladas
para este tipo de aplicaciones son los programas HSSM,
Biochlor, Bioscreen y Bioplume. Todas ellas están en la
actualidad en proceso de revisión constante, habiendo
progresado en los últimos meses de manera notable el
conocimiento que tenemos de los fenómenos físicos
implicados y en consecuencia, sus posibilidades de
modelización.
El comportamiento de los distintos tipos de contaminantes en
aguas y suelos es muy dispar e incluso el mismo
contaminante puede exhibir comportamientos muy diferentes
según en el medio en que se encuentre, p.e., zona saturada y
no saturada. Esta disparidad hace que no exista en la
actualidad un único tipo de modelo que poder aplicar con total
generalidad con independencia del contaminante que
estemos analizando y el medio en que se encuentre. Sí es
posible, sin embargo, utilizar aplicaciones informáticas aptas
para familiar más o menos amplias de compuestos químicos
discerniendo cada una de ellas para un tipo de entorno
concreto. En el caso que nos ocupa, los dos tipos de entornos
más significativos con los que nos vamos a encontrar están
constituidos por la zona no saturada y por la zona saturada.
En cuanto a las grandes familias de compuestos químicos
objeto de estudio en este ámbito, atendiendo a su diferente
comportamiento en cada uno de estos medios, están
constituidas por:
Compuestos mayoritarios.
Compuestos orgánicos, distinguiendo en ellos entre los
plaguicidas por un lado y los hidrocarburos por otro, debiendo
analizar en este último caso por separado aquellos con una
densidad relativa menor que la del agua de los que poseen
una densidad relativa mayor que ésta.
Metales pesados.
A) Compuestos mayoritarios.
En el caso de los compuestos mayoritarios, es habitual
considerar que la contaminación que produce en aguas
subterráneas es tal que la misma no afecta sustancialmente a
la densidad y viscosidad del fluido y que se caracteriza por
una perfecta dilución en el agua del contaminante tratado. En
estas circunstancias, es posible simular de forma
independiente el flujo del agua subterránea del fenómeno de
transporte, de tal manera que una vez resuelto el problema
del flujo se superpone a él el efecto producido por la
incorporación del contaminante, cuyo movimiento es
estudiado a partir de dicho instante.
Para este tipo de contaminantes, el programa más utilizado es
el modelo de transporte MT3D, debido a su estrecha relación
con el programa MODFLOW con el que guarda analogía en
cuanto a su configuración modular. Al igual que el MODFLOW,
MT3D es un programa basado en el método de las diferencias
finitas. Utiliza el mismo sistema discretizado por MODFLOW
(aunque puede utilizar el modelo de flujo obtenido mediante
cualquier otro programa al efecto) y a partir de la red de flujo
calculada por éste, modela el movimiento de los
contaminantes en medios porosos saturados monofásicos. El
programa es mono constituyente y supone que la
contaminación inducida es tal que no afecta a las condiciones
de flujo previamente calculadas, lo cual suele ser habitual en
la mayor parte de los casos prácticos. Para simular el
fenómeno del transporte de los contaminantes tiene en
cuenta los efectos convectivos, el efecto de la dispersión
mecánica y el de difusión molecular. Además, el programa
considera distintos tipos de reacciones físico-químicas que
pueden tener lugar entre el medio y los contaminantes, como
puede ser el caso de la adsorción, fenómenos de intercambio
iónico, hidrólisis, procesos de biodegradación y otros
fenómenos de degradación física que puedan ser simulados
mediante reacciones de primer orden. Los resultados del
programa están constituidos por los valores de la
concentración en todas y cada una de las celdas del modelo,
para cada capa y para cada periodo de explotación
considerado. Al igual que en el caso de MODFLOW, el
programa permite la obtención de resultados gráficos que
facilitan la interpretación de los procesos que están teniendo
lugar en el medio.
Dentro de los compuestos mayoritarios, tiene una especial
significación en la actualidad la contaminación inducida
por nitratos. Objeto de una Directiva específica, el problema
de los nitratos, que afecta esencialmente a las aguas
subterráneas, es de tal envergadura que en países como
Estados Unidos y la Unión Europea se configuran como una de
las principales causas de contaminación de aguas. El
problema de los nitratos viene también asociado a la
diversidad de fuentes de las que trae su origen, lo que
complica la aplicación de determinadas medidas ambientales
de prevención, al ser varias y difíciles de identificar las
posibles fuentes de contaminación de un emplazamiento
dado. La utilización de modelos de transporte aplicados en
conjunción con otras tecnologías como las técnicas isotópicas
puede permitir dar una paso adelante en la resolución de esta
problemática. En particular, diversos trabajos actualmente en
desarrollo permiten anticipar un futura identificación de
fuentes productoras de nitratos a partir de la modelización
de los isótopos del nitrógeno.
B) Compuestos orgánicos.
Para la modelización de este tipo de compuestos, el
comportamiento en la zona no saturada es esencial, motivo
por el cual no pueden ser utilizados los programas MODFLOW
y MT3D que han sido concebidos exclusivamente para su uso
en zona saturada. El transporte en la zona no saturada para
compuestos orgánicos está fuertemente influenciado por el
fenómeno de adsorción, que viene mediado, entre otros
parámetros, por la composición química del suelo y
esencialmente por su fracción de carbono orgánico, lo que
motiva la necesidad de caracterizar adecuadamente esta
zona. El comportamiento de plaguicidas e hidrocarburos
también puede variar debido, por un lado, a sus diferentes
coeficientes de distribución entre las fases sólidas (adsorbida)
y líquida (disuelta) pero también, en gran medida, por el
carácter de insmiscibles de gran parte de los hidrocarburos, lo
que da lugar a flujos multifásicos. Este hecho motiva que para
poder estudiar el comportamiento de estos compuestos sea
adecuado analizar por separado los plaguicidas de los
hidrocarburos y que para estos sea preciso, además, tener en
cuenta su densidad relativa pues los más ligeros, al llegar a
las inmediaciones del nivel freático, tienden a formar un
lentejón contaminante que se extiende sobre éste en forma
de mancha de aceite, mientras que los más pesados
continúan su migración a través del acuífero por el efecto de
la gravedad, dando lugar a complejos fenómenos de
contaminación para los que hasta la fecha no existen
herramientas de modelización fiables.
Para la modelización de los plaguicidas en la zona no saturada
existen diversas alternativas, de las cuales la más simple es el
programa PESTAN mientras que una vez alcanzada la zona
saturada su posterior migración podría realizarse mediante la
combinación de programas MODFLOW y MT3D.
Para la modelización de los hidrocarburos en la zona no
saturada una de las posibilidades la constituye el programa
HSSM (Hydrocarbon Spill Screening Model). Este programa
permite modelar el tránsito de los hidrocarburos ligeros y
pesados a través de la zona no saturada teniendo en cuenta
características específicas de estos como son su grado de
adsorción al medio y su humectabilidad, que condicionan la
fracción de contaminante que queda retenida en esta zona en
forma de saturación residual. HSSM permite además, para el
caso de hidrocarburos de densidad relativa menor que la del
agua, modelar la formación y evolución de la lentícula
contaminante que se forma sobre el nivel freático. El
programa modela, igualmente, la disolución a partir de dicha
lentícula de determinadas fracciones solubles de los
hidrocarburos, fundamentalmente la fracción BTEX, y su
evolución a través de la zona saturada en forma de un
penacho contaminante, sometido eventualmente a procesos
de biodegradación o degradación física.
Como complemento del programa HSSM y para el estudio de
la evolución de contaminantes en la zona saturada se propone
igualmente el empleo de los programas BIOSCREEN y
BIOCHLOR. BIOSCREEN está fundamentalmente orientado a la
modelización de los procesos de contaminación en la zona
saturada producida a partir de la disolución de la fracción
BTEX de los hidrocarburos. El programa, basado igual que
BIOCHLOR en una hoja de cálculo tipo excel, analiza los
procesos de degradación que sufre esta fracción en el medio
natural y permite realizar una primera estimación de los
tiempos precisos para la recuperación del emplazamiento,
bien mediante la simple acción de procesos naturales
(atenuación natural) o tras la intervención antrópica.
BIOCHLOR, por su parte, está fundamentalmente orientado al
estudio de compuestos clorados, que por su composición y
características físico-químicas, son menos susceptibles de
verse afectados por procesos de biodegradación
convencionales. Ambos programas contemplan mejoras
sustanciales sobre la forma de modelar el comportamiento de
este tipo de compuestos en el medio respecto a otros
programas más antiguos, fundamentalmente al considerar el
efecto limitador que sobre los procesos de degradación ejerce
la desaparición progresiva de los aceptores de electrones que
median dichos procesos de degradación. Estos programas
permiten tener en cuenta también la sustitución del oxígeno
como aceptor de electrones por otros compuestos (nitratos,
sulfatos, ión hierro, CO2) que cumplen la misma función,
permitiendo el análisis más detallado de los procesos que
tienen lugar en el medio natural.
C) Metales pesados.
Al igual que en el caso anterior, los procesos que tienen lugar
en la zona no saturada son esenciales para conocer la
evolución de este tipo de contaminantes, hasta tal punto que
en la mayoría de los casos la afección al medio natural queda
limitada a esta zona. Este tipo de compuestos está
fuertemente influenciado por el pH del medio, entre otros
factores, y no existe en la actualidad una herramienta
ampliamente aceptada para analizar su movilidad. Se propone
en todo caso el empleo de modelos de especiación, en el
supuesto de que a la vista del desarrollo del trabajo se
considere oportuna su utilización
Limitaciones de los modelos de calidadEn los modelos de calidad utilizados en hidrogeología, la
principal limitación proviene del desconocimiento del campo
de velocidades en el interior del medio poroso que constituye
los acuíferos. Este desconocimiento se traduce en una
indeterminación en la posición real de las partículas
contaminantes cuyo tratamiento histórico viene siendo
realizado en base al concepto de dispersión mecánica. La
existencia del fenómeno de dispersión hace que la bondad de
los resultados ofrecidos por este tipo de modelos sea
dependiente de la escala del propio modelo, entendiendo por
tal la distancia que media entre el foco de contaminación y el
punto más alejado del sistema en el que se aprecia la
contaminación. Esta dependencia de la escala condiciona el
tamaño máximo del área modelable con ciertas garantías de
precisión, siendo en la práctica poco fiables para extensiones
que superen unos pocos miles de metros
Calibración de modelos de simulación
Fuentes de contaminación de las aguas subterráneas y
superficiales
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recomendada
Introducción a las técnicas de calibración de modelos
La premisa en la que se basan los modelos de simulación
radica en la asunción del hecho de que si un determinado
modelo es capaz de reproducir situaciones pretéritas de un
sistema físico cuyos parámetros de entrada, acciones
exteriores y evolución conocemos, es bastante presumible
que será capaz de predecir situaciones futuras,
permitiéndonos anticipar en el tiempo la evolución del
sistema y tomar las medidas precautorias, de control o
correctoras adecuadas para garantizar la evolución del
mencionado sistema dentro de unos límites ambientales
aceptables.
La fase más crítica del desarrollo del modelo consiste en
la calibración y el análisis de sensibilidad del sistema.
Durante su desarrollo se realizan decenas, centenas e incluso
miles de simulaciones para los sistemas más complejos
variando en cada una de ellas los datos de partida y
analizando los resultados producidos por el modelo. De los
parámetros disponibles en el modelo, algunos poseen una
credibilidad alta (por su procedencia o forma de
determinación), mientras que otros poseen una credibilidad o
bondad menor, estando incluso algunos de ellos meramente
estimados a partir de fuentes diversas (bibliografía, estudios
previos o similares, etc.). La fase de calibración tiene por
objeto mejorar la bondad o credibilidad de estos parámetros y
consiste en la iteración de un procedimiento mediante el cual
se introducen los datos al sistema, se ejecuta el modelo y se
comparan los resultados obtenidos con la información
histórica disponible para la zona modelada. Si existe una
discrepancia alta entre los resultados modelados y los
observados en la realidad, se modifican los datos de partida y
se itera el proceso. La calibración finaliza cuando la diferencia
entre los resultados modelados y los datos observados está
por debajo de una valor de cierre (error asumido).
La solución obtenida no tiene por qué ser única, de tal manera
que dos conjuntos de parámetros diferentes pueden dar lugar
al mismo resultado. Para discernir cual de ellos es el que con
mayor probabilidad defina el sistema modelado se procede
al análisis de sensibilidad, que pretende descartar las
soluciones espúreas normalmente caracterizadas por una
mayor inestabilidad: se modifican ligeramente los datos de
partida y se analizan los resultados obtenidos. La soluciones
más inestables se caracterizan porque pequeñas variaciones
en los datos de partida dan lugar a variaciones más que
proporcionales en los resultados, correspondiendo a
situaciones más inestables, menos frecuentes en los sistemas
naturales, y firmes candidatas para el descarte