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Modelos de simulación de la contaminación agrícola y ganadera


Fuentes de contaminación de las aguas subterráneas y superficiales

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Introducción

La contaminación de las aguas causada por una producción agrícola y ganadera intensiva es un fenómeno cada vez más acusado que se manifiesta, especialmente en un aumento de la concentración de nitratos en las aguas superficiales y subterráneas, así como en la eutrofización de embalses, lagos, estuarios, etc. Sin lugar a dudas, son las aguas subterráneas las más afectadas por este tipo de contaminación. La sociedad actual se caracteriza por estar cada vez más concienciada con la problemática ambiental, por lo que exige a sus técnicos la adopción de medidas tendentes a salvaguardar y proteger los recursos naturales, así como a la adopción de métodos y procedimientos de actuación que permitan minimizar los impactos ambientales. Si además unimos a lo anterior la exigencia de acometer proyectos altamente condicionados por plazos de entrega cada vez más reducidos, con presupuestos menguantes y con estrictas exigencias técnicas en cuanto a la calidad de los resultados obtenemos un escenario que propicia la adopción de herramientas de trabajo que permitan satisfacer la totalidad de estos requisitos. Y los modelos matemáticos de simulación se vienen manifestando como una de las herramientas más eficaces a la hora de tratar la amplia cantidad de parámetros que caracterizan a los procesos naturales así como a los episodios de contaminación. Desde el punto de vista de la actividad agraria, los modelos que han venido utilizándose hasta la fecha están constituidos esencialmente por modelos de hidrología superficial y modelos de hidrología subterránea, en ambos casos cubriendo aspectos tanto referentes al flujo como a la calidad del recurso agua.

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 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 disponibles en la actualidad, poniendo de manifiesto sus posibilidades y limitaciones.

Modelos de flujo

Los modelos de flujo son los que cuentan con un desarrollo histórico mayor. Las bases teóricas que los sustentan están más desarrolladas y contrastadas, lo que unido a la relativa sencillez del sistema que analizan en comparación con los modelos de transporte, dan lugar a modelos de gran precisión, con una calidad de resultados alta si se respetan escrupulosamente las distintas etapas de desarrollo del modelo enunciadas de forma simplificada en los epígrafes anterior.

Debido 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

En 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 ríoacuífero, ...).

El programa MODFLOW permite modelizar el flujo de aguas subterráneas en medios porosos saturados. Contempla la posibilidad de definir el emplazamiento a estudiar discretizando el mismo mediante una malla rectangular irregular. El modelo es multicapa, lo que permite realizar una modelización tridimensional del emplazamiento llegado el caso. MODFLOW permite igualmente modelizar regímenes estacionarios y transitorios, debiendo en este último caso identificar para el sistema los diferentes períodos de explotación durante los que varíe alguna de las condiciones del sistema.

El área de estudio se define a partir de sus condiciones de contorno y posteriormente a cada una de las mallas que constituyen el modelo se le asignan sus características hidrogeológicas (transmisividad, coeficiente de almacenamiento, porosidad, etc...). Una vez definida la geometría del modelo y sus características hidrogeológicas, se incorporan las acciones externas que pueden estar constituidas tanto por acciones naturales (p.e., infiltración de agua de lluvia, evapotranspiración, conexiones río-acuífero, etc.) como por acciones antrópicas (explotación de campos de pozos, retorno de agua de riego, recarga artificial, ...). Tras introducir los datos al modelo y seleccionar el método de cálculo, basado en la tecnología de las diferencias finitas, el programa ofrece como resultados los valores de la piezometría en todas y cada una de las celdas del modelo, para cada una de las capas modelizadas y para cada uno de los períodos de explotación establecidos. El programa ofrece salidas alfanuméricas y gráficas (dibujo de isopiezas e isodescensos, evolución temporal de la piezometría en puntos señalados del modelo, etc).

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.

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.

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 calidad

Lo modelos de calidad, por su parte, están teniendo un amplio desarrollo en la actualidad, aunque es justo reconocer que las posibilidades que brindan en el presente aún están lejos de alcanzar las cotas de precisión y credibilidad asociadas a los modelos de flujo.

Aguas superficiales

En 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.

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 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, modeliza 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 modelizar 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, modelizar la formación y evolución de la lentícula contaminante que se forma sobre el nivel freático. El programa modeliza, 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 modelizar 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 calidad

En 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 modelizable con ciertas garantías de precisión, siendo en la práctica poco fiables para extensiones que superen unos pocos miles de metros



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