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

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 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