TPOS DE MODELS QUE S'APLIQUEN A L'ESTUDI DE LA QUALITAT DE L'AIGUA - MEDI AMBIENT - 2025

Els models per qualitat de l'aigua són formulacions matemàtiques que simulen el comportament i efectes de contaminants en l'aigua. En aquest sentit, es presenten possibles escenaris d'impacte dels contaminants, utilitzant diverses fórmules que parteixen de certs paràmetres i variables.

Hi ha diferents models de qualitat d'aigua depenent de la font de contaminació i el cos d'aigua que es desitgi avaluar. Aquests models consisteixen en programes de computació basats en algoritmes matemàtics.

Avaluació de la qualitat de l'aigua. Font: CSIRO

Els models integren dades de camp de diverses variables i factors, més certes condicions d'entrada. A partir d'aquestes dades, els models generen els possibles escenaris, extrapolant dades en temps i espai amb base a probabilitats.

El paràmetre més informatiu per avaluar la contaminació d'un cos d'aigua és la demanda bioquímica d'oxigen (DBO). La majoria dels models inclouen l'estimació de la variació de la DBO com a criteri per generar els seus escenaris.

Els governs han establert normatives de qualitat de les aigües que s'han de complir per obtenir els permisos d'execució d'activitats potencialment contaminants. En aquest sentit, els models són una eina útil per comprendre el possible impacte en la qualitat de l'aigua d'una activitat determinada.

fonament matemàtic

Els models emprats per pronosticar el comportament de la qualitat de l'aigua es basen en equacions diferencials. Aquestes equacions relacionen la quantitat de canvi d'una determinada funció amb la magnitud de l'canvi en una altra.

En models de qualitat d'aigua s'empren equacions diferencials no lineals, pel fet que els processos de contaminació d'aigües són complexos (no responen a una relació de causa-efecte lineal).

paràmetres

A l'hora d'aplicar un determinat model cal tenir en compte una sèrie de paràmetres.

En general s'estimen paràmetres bàsics com la Demanda Biològica d'Oxigen (DBO), la Demanda Química d'Oxigen (DQO), nitrogen i fòsfor presents.

La DBO és un dels indicadors de contaminació més importants, ja que valors alts indiquen gran quantitat de microorganismes. Per la seva banda, la DQO indica la quantitat d'oxigen necessària per oxidar la matèria orgànica per mitjans químics.

Els paràmetres a avaluar depenen de l'tipus de cos d'aigua, bé sigui léntico (llacs, llacunes, pantans) o lótico (rius, rierols). També s'ha de prendre en compte el cabal, àrea que abasta, volum d'aigua, temperatura i clima.

Igualment cal considerar la font de contaminació a avaluar, ja que cada contaminant té un comportament i efecte diferent.

En el cas dels abocaments a el cos d'aigua, es considera el tipus de descàrrega, contaminants que conté i el seu volum.

classificació

Existeixen nombrosos models matemàtics per simular el comportament de contaminants en cossos d'aigua. Poden classificar-se depenent de el tipus de procés que consideren (físic, químic, biològic) o el tipus de mètode de solució (empírica, aproximada, simplificada).

Els factors que es tenen en compte per classificar aquests models són la dinàmica i la dimensionalitat.

dinàmica

Els models estacionaris consideren que n'hi ha prou establir la distribució de probabilitat de l'estat de l'contaminant en un instant o espai donats. Posteriorment, s'extrapola aquesta distribució de probabilitat considerant-la igual en tot temps i espai d'aquest cos d'aigua.

En els models dinàmics, s'assumeix que les probabilitats de comportament de l'contaminant poden canviar en el temps i l'espai. Els models quasi-dinàmics realitzen les anàlisis en parts i generen una aproximació parcial a la dinàmica de sistema.

Hi ha programes que poden funcionar tant en model dinàmic com quasi-dinàmic.

dimensionalitat

Depenent de les dimensions espacials que consideri el model, els hi adimensionals, unidimensionals (1D), bidimensionals (2D) i tridimensionals (3D).

Un model adimensional considera que el medi és homogeni en totes les direccions. Un model 1D pot descriure la variació espacial al llarg d'un riu, però no en la seva secció transversal o vertical. Un model 2D considerarà dues d'aquestes dimensions, mentre que un 3D les inclourà totes.

exemples

El tipus de model a emprar depèn de el cos d'aigua a estudiar i objectiu de l'estudi, i ha de ser calibrat per a cada condició particular. A més, s'ha de prendre en consideració la disponibilitat d'informació i els processos que es desitgi modelar.

Alguns exemples de models per a estudis de qualitat d'aigües en rius, corrents i llacs es descriuen a continuació:

Model QUAL2K i QUAL2Kw (Water Quality Model)

Simula totes les variables de qualitat d'aigua sota un flux constant simulat. Simula dos nivells de DBO per desenvolupar escenaris de la capacitat del riu o corrent per degradar contaminants orgànics.

Aquest model també permet simular la quantitat resultant de carboni, fòsfor, nitrogen, sòlids inorgànics, fitoplàncton i detritus. De la mateixa manera, simula la quantitat d'oxigen dissolt, la qual cosa pronostica possibles problemes de eutroficación.

Altres variables com pH o la capacitat d'eliminar agents patògens també es projecten de forma indirecta.

Model STREETER-PHELPS

És un model molt útil per avaluar el comportament de la concentració d'un contaminant específic en l'àrea d'influència d'un abocament cap a un riu.

Un dels contaminants que produeix un efecte més significatiu és la matèria orgànica, de manera que la variable més informativa en aquest model és la demanda d'oxigen dissolt. Per tant, inclou una formulació matemàtica dels principals processos associats a l'oxigen dissolt en un riu.

model MIKE11

Simula diversos processos com la degradació de la matèria orgànica, fotosíntesi i respiració de les plantes aquàtiques, nitrificació i intercanvi d'oxigen. Es caracteritza per simular els processos de transformació i dispersió dels contaminants.

model RIUS

Aquest model va ser dissenyat en el context de maneig de conques i combina dades biofísics, socials i econòmics.

Genera informació útil per planificar mesures de remediació i inclou paràmetres com oxigen dissolt, DBO, coliformes i anàlisi de substàncies tòxiques.

Model QUASAR (Quality Simulation Along River Systems)

Es modela el riu separat en trams, definits pels afluents, abocadors i preses públiques que arriben o surten de la mateixa.

Considera entre altres paràmetres el cabal, temperatura, pH, DBO i concentració d'amoníac nitrats, Escherichia coli, i oxigen dissolt.

WASP (Water Quality Analysis Simulation Program)

Pot abordar l'estudi de el cos d'aigua en diferents dimensions (1D, 2D o 3D). A l'utilitzar-lo, l'usuari pot triar ingressar processos de transport cinètics constants o variables en el temps.

Es poden incloure descàrregues de deixalles puntuals i no puntuals i les seves aplicacions inclouen diversos marcs de modelats físics, químics i biològics. Aquí es poden incloure diferents aspectes com l'eutrofització i substàncies tòxiques.

model AQUASIM

Aquest model serveix per estudiar la qualitat de l'aigua tant en rius com en llacs. Funciona com un diagrama de fluxos, permetent simular gran quantitat de paràmetres.

referències

1. Castro-Huertas MA (2015) Aplicació de l'QUAL2KW en la modelació de la qualitat de l'aigua del riu Guacaica, departament de Caldas, Colòmbia. Treball de grau. Facultat d'Enginyeria i Arquitectura, Departament d'Enginyeria Química, Universitat Nacional de Colòmbia. Colòmbia. 100 pàg.
2. Vaig donar Toro DM, JJ Fitzpatrick yRV Thomann (1981) Water Quality Analysis Simulation Program (WASP) and Model Verification Program (MVP) - documentació lliure. Hydroscience, Inc., Westwood, NY, for US EPA, Duluth, MN, Contract No. 68-01-3872.
3. López-Vázquez CM, G Trist-Méndez, HA García i FJ Cervantes-Carrillo (Eds.) (2017). Tractament biològic d'aigües residuals. Principis, modelació i disseny. IWA Publishing. 580 pàg.
4. Matovelle C (2017) Model matemàtic de qualitat d'aigua aplicat a la microconca del riu Tabacay. Revista Killkana Tècnica 1: 39-48.
5. Ordoñez-Montcada J i M Palaus-Quevedo (2017) Model de qualitat d'aigua. Concessionària Vial Unió de Sud. Consorci SH. Doble Calçada. Rumichaca-Pastura. Departament de Nariño. HSE, Assessoria i Enginyeria Ambiental SAS 45 pàg.
6. Reichert P (1998) AQUASIM 2.0 - User Manual, computer program for the identification and simulation of aquatic systems, Swiss Federal Institute for Environmental Science and Technology (EAWAG), Switzerland.
7. Rendón-Velázquez CM (2013) Models matemàtics de qualitat de l'aigua en llacs i embassaments. Tesi. Facultat d'Enginyeria. Universitat Nacional Autònoma de Mèxic. Mèxic, DF 95 pàg.