Modelación de la calidad del agua

1. CONTENIDO

MODELACION DE LA CALIDAD DEL AGUA.

Un modelo es una representación el medio ambiente utilizada para simular las condiciones ambientales y su respuesta ante estímulos o impactos determinados. Una vez que el modelo ha sido seleccionado o construido pueden ser evaluados los efectos de la acción propuesta y sus alternativas. 

Los modelos más comúnmente utilizados son los modelos matemáticos de diferentes grados de complejidad. También se utilizan modelos físicos cuando las situaciones son demasiado complejas para ser analizadas matemáticamente. 

Los modelos matemáticos pueden ser uni, bi o tridimensionales dependiendo de las características físicas del medio a simular, tal como se describe a continuación: 

• Modelos unidimensionales: se utilizan generalmente para representar flujos de aguas en ríos, siendo la dirección considerada el sentido del escurrimiento. 

• Modelos bidimensionales: se utilizan para ríos de gran ancho, en los cuales las concentraciones de contaminantes varían de un lado de la ribera al otro. En estos casos se usa un sistema cartesiano de coordenadas, en el cual una de ellas corresponde al sentido del flujo y la otra a la dimensión lateral. 

• Modelos tridimensionales: encuentran aplicación en estudios de agua subterráneas y en sistemas más complejos de aguas superficiales. Requieren de mayor información que los modelos uni y bidimensionales y también mayor tiempo computacional, por lo que su uso se restringe a problemas de gran magnitud cuando se dispone de recursos suficientes para su aplicacion.

UTILIDAD DE LOS MODELOS DE CALIDAD DE AGUA

Los modelos matemáticos de calidad del agua tienen una gran cantidad de aplicaciones, siendo algunas de las más conocidas las que se indican a continuación.

a) Utilidad predictiva

• Evaluación del impacto de las decisiones de manejo en la cuenca. Cuando se debe seleccionar de entre varias alternativas de manejo de los recursos hídricos en una cuenca, es útil poder predecir el impacto que tendrán estas alternativas en la calidad del recurso, de manera de incorporar dicho efecto en la toma de decisiones. 

• Predicción de la evolución de la calidad del agua bajo diferentes escenarios de desarrollo y control. A medida que se produce un incremento en los niveles de desarrollo y, por lo tanto, en el uso de los recursos hídricos y la descarga de efluentes contaminantes, se puede ir produciendo un deterioro gradual de la calidad de las aguas naturales.

b) Utilidad como herramienta de planificación

• Establecimiento  de objetivos de calidad ambiental. La primera tarea antes de definir una política de manejo de la calidad de los recursos hídricos en una cuenca o región, es el establecimiento de objetivos de calidad, es decir, las metas de calidad dentro de las cuales la sociedad aspira a mantener los recursos. El problema se produce porque el establecimiento de estas metas no es independiente de los esfuerzos, en términos de costos y mecanismos de control, asociados a ellas.

• Establecimiento de objetivos de calidad de emisiones para alcanzar objetivos de utilidad ambiental. Una vez establecido objetivos para la calidad de las aguas naturales en una cuenca o región, se debe definir una política o norma de calidad de efluentes que garantice la obtención de los objetivos planteados, tomando en cuenta la existencia de procesos naturales de dilución y autopurificación. Los modelos matemáticos de calidad del agua son la única herramienta que permite relacionar a priori la calidad resultante en los cuerpos de agua receptores con la calidad de las emisiones

c) Caracterización/conceptualización de problemas complejos.

Los modelos matemáticos de calidad del agua, una vez construidos, calibrados y validados, permiten una completa comprensión de los mecanismos que producen las variaciones espaciales y temporales de la calidad de las aguas naturales, seleccionar las variables relevantes y los procesos de mayor importancia en el sistema. 

d) Otros usos

• Evaluación de riesgos. Cuando existe la posibilidad de que se produzcan descargas accidentales, por ejemplo por la existencia de obras que pueden sufrir un eventual colapso, efluentes mal controlados, rutas de transporte sistemático de sustancias contaminantes o líneas de transporte de combustibles, los modelos matemáticos de calidad del agua permiten evaluar la probabilidad de ocurrencia de eventos críticos de contaminación. 

• Validación y procesamiento de información de calidad de agua. En teoría de la información se distingue entre los datos y la información, estableciéndose que ésta última es la que permite reducir la incertidumbre. 

TIPOS DE MODELOS

a) Modelo de simulación

Los modelos de simulación son los más usados y simplemente permiten encontrar la respuesta del sistema (salida) frente a diversos estímulos o entradas, tal como una función entrega los valores asociados a diferentes valores que asume la variable.

b) Modelos de optimización

En los modelos de optimización generalmente el problema es encontrar el conjunto de valores de las variables de entrada que optimiza una determinada función de las variables de salida o de las propias variables de entrada, sujeto a de determinadas restricciones. Un ejemplo típico de modelo de optimización es la minimización de costos de tratamiento sujeto a mantener una determinada calidad objetivo.

c) Modelos estocásticos

Los modelos estocásticos se caracterizan por tener alguna componente desconocida, de la cual sólo se conoce su probabilidad de ocurrencia.

d) Modelos paramétricos

Cuando existe un total desconocimiento de alguna de las variables del sistema, una alternativa es parametrizarla, es decir, determinar los resultados que entrega el modelo para un rango de valores que puede tomar esta variable. De esta forma se obtiene al menos un rango factible de resultados, que muchas veces es suficiente para alcanzar el propósito del modelo. 

CALIBRACIÓN Y VALIDACIÓN DE LOS MODELOS

Calibración

En el proceso de calibración de un modelo se intenta evaluar las variables desconocidas mediante su parametrización y la comparación de los resultados que entrega el modelo con un conjunto de resultados medidos en el sistema real. Ejemplos típicos de calibración de modelos matemáticos de calidad del agua son la estimación de las constantes cinéticas asociadas a la descomposición de la materia orgánica, el decaimiento bacteriano, la reoxigenación, etc.

Validación

 Cuando en un modelo se calibran simultáneamente varias variables, se corre el riesgo de que el conjunto de valores que permite representar en mejor forma los resultados del sistema real carezca de sentido físico y, por lo tanto, no necesariamente represente bien una situación diferente. Para evitar esto, se acostumbra, una vez calibrado el modelo, comparar la realidad con los resultados que entrega el modelo para una situación completamente distinta e independiente a la utilizada en la calibración. Con esto se evita que la calibración sólo tenga sentido numérico y que los valores calibrados no representen individualmente las condiciones que se desea modelar.

2. RESUMEN

MODELACION DE LA CALIDAD DEL AGUA.

Un modelo es una representación el medio ambiente utilizada para simular las condiciones ambientales y su respuesta ante estímulos o impactos determinados. Una vez que el modelo ha sido seleccionado o construido pueden ser evaluados los efectos de la acción propuesta y sus alternativas. 

Los modelos matemáticos pueden ser uni, bi o tridimensionales dependiendo de las características físicas del medio a simular, tal como se describe a continuación: 

• Modelos unidimensionales.
• Modelos bidimensionales.
• Modelos tridimensionales.

UTILIDAD DE LOS MODELOS DE CALIDAD DE AGUA

Los modelos matemáticos de calidad del agua tienen una gran cantidad de aplicaciones, siendo algunas de las más conocidas las que se indican a continuación.

a) Utilidad predictiva

• Evaluación del impacto de las decisiones de manejo en la cuenca.
• Predicción de la evolución de la calidad del agua bajo diferentes escenarios de desarrollo y control.

b) Utilidad como herramienta de planificación

• Establecimiento  de objetivos de calidad ambiental.
• Establecimiento de objetivos de calidad de emisiones para alcanzar objetivos de utilidad ambiental. 

c) Caracterización/conceptualización de problemas complejos.

Los modelos matemáticos de calidad del agua, una vez construidos, calibrados y validados, permiten una completa comprensión de los mecanismos que producen las variaciones espaciales y temporales de la calidad de las aguas naturales.

d) Otros usos

• Evaluación de riesgos. 
• Validación y procesamiento de información de calidad de agua.

TIPOS DE MODELOS

a) Modelo de simulación
Los modelos de simulación son los más usados y simplemente permiten encontrar la respuesta del sistema.

b) Modelos de optimización

En los modelos de optimización generalmente el problema es encontrar el conjunto de valores de las variables de entrada que optimiza una determinada función de las variables de salida o de las propias variables de entrada.

c) Modelos estocásticos

Los modelos estocásticos se caracterizan por tener alguna componente desconocida.


d) Modelos paramétricos

Cuando existe un total desconocimiento de alguna de las variables del sistema, una alternativa es parametrizarla, es decir, determinar los resultados que entrega el modelo para un rango de valores que puede tomar esta variable.

ALIBRACIÓN Y VALIDACIÓN DE LOS MODELOS

Calibración

En el proceso de calibración de un modelo se intenta evaluar las variables desconocidas mediante su parametrización.

Validación

 Cuando en un modelo se calibran simultáneamente varias variables, se corre el riesgo de que el conjunto de valores que permite representar en mejor forma los resultados del sistema real carezca de sentido físico.

3. SUMMARY

MODELING OF WATER QUALITY.

A model is a representation of the environment used to simulate environmental conditions and their response to specific stimuli or impacts. Once the model has been selected or constructed the effects of the proposed action and its alternatives can be evaluated.

Mathematical models can be uni, bi or three-dimensional depending on the physical characteristics of the medium to be simulated, as described below:

One-dimensional models.

Two-dimensional models.

Three-dimensional models.

UTILITY OF WATER QUALITY MODELS

Mathematical models of water quality have a large number of applications, some of the best known being those listed below.

A) Predictive utility

Evaluation of the impact of management decisions in the basin.

Prediction of the evolution of water quality under different development and control scenarios.

B) Utility as a planning tool

Establishment of environmental quality objectives.

Establishment of emission quality objectives to achieve environmental objectives.

C) Characterization / conceptualization of complex problems.

The mathematical models of water quality, once constructed, calibrated and validated, allow a complete understanding of the mechanisms that produce the spatial and temporal variations of the quality of the natural waters.

D) Other uses

Risks evaluation.

Validation and processing of water quality information.

TYPES OF MODELS

A) Simulation model

The simulation models are the most used and simply allow to find the answer of the system.

B) Optimization models

In optimization models generally the problem is to find the set of values ​​of the input variables that optimizes a certain function of the output variables or of the input variables themselves.

C) Stochastic models

Stochastic models are characterized by having some unknown component.

D) Parametric models

When there is a total lack of knowledge of any of the system variables, an alternative is to parameterize it, that is, to determine the results that the model delivers for a range of values ​​that this variable can take.

ALIBRATION AND VALIDATION OF MODELS

Calibration

In the calibration process of a model, the unknown variables are evaluated by parameterization.

Validation

 When several variables are calibrated simultaneously in a model, there is a risk that the set of values ​​that allows better representation of the results of the real system has no physical meaning.

4. RECOMENDACIONES

• La modelación de la calidad del agua es una herramienta que nos permite predecir como las sustancias vertidas en el agua se comportarán, mediante modelos matemáticos. Lo que ayuda a preservar la calidad del agua en el medio ambiente.

• Con los resultados de la medición y modelación de la calidad del agua es posible determinar si se cumplirá o no con la normativa para mantener la calidad del agua en el medio natural.

• Los modelos pueden ser físicos si representan a escala la geometría y las propiedades de los materiales de un sistema, como son las maquetas y los modelos hidráulicos a escala.  

5. CONCLUSIONES 

• Los modelos de calidad del agua son representaciones matemáticas de los proceso que afectan a los constituyentes del agua

• En el mundo hay necesidad de proteger los recursos hídricos de los posibles impactos que genera el desarrollo urbano, industrial y agrícola. Los modelos de calidad del agua son herramientas importantes para contribuir en el proceso de toma de decisiones y por lo tanto fortalecer el desarrollo sostenible.

• Estos modelos son útiles para entender las variaciones en la calidad del agua asociada por ejemplo a la descarga de un contaminante, a cambios en el uso de la tierra o a los efectos de cambios en el clima.

6. APRECIACIÓN DEL EQUIPO 

Muy buena

7. GLOSARIO DE TÉRMINOS

IMPACTO: La noción de impacto ambiental, por otra parte, hace referencia el efecto que genera la actividad humana sobre el medio ambiente.

MODELO FÍSICO: Es una representación que se hace del prototipo con el propósito de estudiar detalladamente el comportamiento de la estructura, o parte de ella, bajo ciertas circunstancias pre-establecidas de flujo.

8. BIBLIOGRÁFICA O LINKOGRAFIA

http://www.tecnoceano.com/simulacion-calidad-agua.php

http://www.flownet.eu/servicios/desarrollo-de-modelos-matematicos-para-la-gestion-del-agua/modelos-de-calidad-del-agua

http://galeon.com/gisellbolon/librop4.pdf