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Modelos de simulación ambiental


Fuentes de contaminación de las aguas subterráneas y superficiales

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Introducción a las técnicas de modelación

Los 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.

Agradecimientos

Este trabajo forma parte del proyecto de I+D+i "Identificación de fuentes de nitrato mediante la aplicación de sistemas de información geográfica y modelos matemáticos de simulación a los isótopos de nitrógeno y su tratamiento a través de Internet" desarrollado por  Miliarium.com y subvencionado por la Agencia del Desarrollo Económico de la Junta de Castilla y León.



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