Los modelos para calidad del agua son formulaciones matemáticas que simulan el comportamiento y efectos de contaminantes en el agua. En este sentido, se presentan posibles escenarios de impacto de los contaminantes, utilizando diversas fórmulas que parten de ciertos parámetros y variables.
Existen diferentes modelos de calidad de agua, dependiendo de la fuente de contaminación y el cuerpo de agua que se desee evaluar. Estos modelos consisten en programas de computación basados en algoritmos matemáticos.
Los modelos integran datos de campo de diversas variables y factores, más ciertas condiciones de entrada. A partir de esos datos, los modelos generan los posibles escenarios, extrapolando datos en tiempo y espacio con base en probabilidades.
El parámetro más informativo para evaluar la contaminación de un cuerpo de agua es la demanda bioquímica de oxígeno (DBO). La mayoría de los modelos incluyen el cálculo de la variación de la DBO como criterio para generar sus escenarios.
Los gobiernos han establecido normativas de calidad de las aguas que deben cumplirse para obtener los permisos de ejecución de actividades potencialmente contaminantes. En este sentido, los modelos son una herramienta útil para comprender el posible impacto en la calidad del agua de una actividad determinada.
Fundamento matemático
Los modelos empleados para pronosticar el comportamiento de la calidad del agua se basan en ecuaciones diferenciales. Estas ecuaciones relacionan la cantidad de cambio de una determinada función con la magnitud del cambio en otra.
En modelos de calidad de agua se emplean ecuaciones diferenciales no lineales, debido a que los procesos de contaminación de aguas son complejos (no responden a una relación de causa-efecto lineal).
Parámetros
Al momento de aplicar un determinado modelo es necesario tomar en cuenta una serie de parámetros.
En general se calculan parámetros básicos como la Demanda Biológica de Oxígeno (DBO), la Demanda Química de Oxígeno (DQO), nitrógeno y fósforo presentes.
La DBO es uno de los indicadores de contaminación más importantes, ya que valores altos indican gran cantidad de microorganismos. Por su parte, la DQO indica la cantidad de oxígeno necesaria para oxidar la materia orgánica por medios químicos.
Los parámetros a evaluar dependen del tipo de cuerpo de agua, bien sea léntico (lagos, lagunas, pantanos) o lótico (ríos, arroyos). También se debe tomar en cuenta el caudal, área que abarca, volumen de agua, temperatura y clima.
Igualmente, es necesario considerar la fuente de contaminación a evaluar, ya que cada contaminante tiene un comportamiento y efecto distinto.
En el caso de los vertidos al cuerpo de agua, se considera el tipo de descarga, contaminantes que contiene y su volumen.
Clasificación
Existen numerosos modelos matemáticos para simular el comportamiento de contaminantes en cuerpos de agua. Pueden clasificarse dependiendo del tipo de proceso que consideran (físico, químico, biológico) o el tipo de método de solución (empírica, aproximada, simplificada).
Los factores que se toman en cuenta para clasificar estos modelos son la dinámica y la dimensionalidad.
Dinámica
Los modelos estacionarios consideran que basta establecer la distribución de probabilidad del estado del contaminante en un instante o espacio dados. Posteriormente, extrapola esa distribución de probabilidad, considerándola igual en todo tiempo y espacio de ese cuerpo de agua.
En los modelos dinámicos, se asume que las probabilidades de comportamiento del contaminante pueden cambiar en el tiempo y el espacio. Los modelos cuasi-dinámicos realizan los análisis en partes y generan una aproximación parcial a la dinámica del sistema.
Hay programas que pueden funcionar tanto en modelo dinámico como cuasi-dinámico.
Dimensionalidad
Dependiendo de las dimensiones espaciales que considere el modelo, los hay adimensionales, unidimensionales (1D), bidimensionales (2D) y tridimensionales (3D).
Un modelo adimensional considera que el medio es homogéneo en todas las direcciones. Un modelo 1D puede describir la variación espacial a lo largo de un río, pero no en su sección transversal o vertical. Un modelo 2D considerará dos de estas dimensiones, mientras que uno 3D las incluirá todas.
Ejemplos
El tipo de modelo a emplear depende del cuerpo de agua a estudiar y objetivo del estudio, y debe ser calibrado para cada condición particular. Además, se debe tomar en consideración la disponibilidad de información y los procesos que se desee modelar.
Algunos ejemplos de modelos para estudios de calidad de aguas en ríos, corrientes y lagos se describen a continuación:
Modelo QUAL2K y QUAL2Kw (Water Quality Model)
Simula todas las variables de calidad de agua bajo un flujo constante simulado. Simula dos niveles de DBO para desarrollar escenarios de la capacidad del río o corriente para degradar contaminantes orgánicos.
Este modelo también permite simular la cantidad resultante de carbono, fósforo, nitrógeno, sólidos inorgánicos, fitoplancton y detritus. De igual forma, simula la cantidad de oxígeno disuelto, lo cual pronostica posibles problemas de eutroficación.
Otras variables, como pH o la capacidad de eliminar agentes patógenos, también se proyectan de forma indirecta.
Modelo STREETER-PHELPS
Es un modelo muy útil para evaluar el comportamiento de la concentración de un contaminante específico en el área de influencia de un vertido hacia un río.
Uno de los contaminantes que produce un efecto más significativo es la materia orgánica, por lo que la variable más informativa en este modelo es la demanda de oxígeno disuelto. Por tanto, incluye una formulación matemática de los principales procesos asociados al oxígeno disuelto en un río.
Modelo MIKE11
Simula diversos procesos, como la degradación de la materia orgánica, fotosíntesis y respiración de las plantas acuáticas, nitrificación e intercambio de oxígeno. Se caracteriza por simular los procesos de transformación y dispersión de los contaminantes.
Modelo RIOS
Este modelo fue diseñado en el contexto de manejo de cuencas y combina datos biofísicos, sociales y económicos.
Genera información útil para planificar medidas de remediación e incluye parámetros como oxígeno disuelto, DBO, coliformes y análisis de sustancias tóxicas.
Modelo QUASAR (Quality Simulation Along River Systems)
Se modela el río separado en tramos, definidos por los afluentes, vertederos y tomas públicas que llegan o parten del mismo.
Considera entre otros parámetros el caudal, temperatura, pH, DBO y concentración de amoníaco nitratos, Escherichia coli, y oxígeno disuelto.
WASP (Water Quality Analysis Simulation Program)
Puede abordar el estudio del cuerpo de agua en distintas dimensiones (1D, 2D o 3D). Al utilizarlo, el usuario puede elegir ingresar procesos de transporte cinéticos constantes o variables en el tiempo.
Se pueden incluir descargas de desechos puntuales y no puntuales y sus aplicaciones incluyen varios marcos de modelados físicos, químicos y biológicos. Aquí se pueden incluir diferentes aspectos, como la eutrofización y sustancias tóxicas.
Modelo AQUASIM
Este modelo sirve para estudiar la calidad del agua tanto en ríos como en lagos. Funciona como un diagrama de flujos, permitiendo simular gran cantidad de parámetros.
Referencias
- Matovelle, C. Modelo matemático de calidad de agua aplicado en la microcuenca del río Tabacay. Revista Killkana Técnica.
- Ordoñez-Moncada, J. y M. Palacios-Quevedo. Modelo de calidad de agua. Concesionaria Vial Unión del Sur.