Modelo de transporte hidrológico

Un modelo de transporte hidrológico es un modelo matemático utilizado para simular el flujo de ríos, arroyos , el movimiento de aguas subterráneas o el desplazamiento del frente de drenaje , y para calcular parámetros de calidad del agua . Estos modelos comenzaron a usarse generalmente en las décadas de 1960 y 1970, cuando la demanda de pronósticos numéricos de la calidad del agua y el drenaje fue impulsada por la legislación ambiental , y en una época similar se hizo disponible un acceso generalizado a una importante capacidad informática. Gran parte del desarrollo del modelo original tuvo lugar en los Estados Unidos y el Reino Unido , pero hoy en día estos modelos se perfeccionan y se utilizan en todo el mundo.

Existen docenas de modelos de transporte diferentes que pueden agruparse en general por contaminantes abordados, complejidad de las fuentes contaminantes, si el modelo es de estado estable o dinámico y período de tiempo modelado. Otra designación importante es si el modelo es distribuido (es decir, capaz de predecir múltiples puntos dentro de un río) o agrupado. En un modelo básico, por ejemplo, solo se podría abordar un contaminante a partir de una descarga puntual simple en las aguas receptoras. En el más complejo de los modelos, se podrían agregar varias entradas de fuentes lineales de escorrentía superficial a múltiples fuentes puntuales , tratando una variedad de sustancias químicas más sedimentos en un entorno dinámico que incluye la estratificación vertical del río y las interacciones de los contaminantes con la biota en el curso del río . Además, también se pueden incluir las aguas subterráneas de la cuenca hidrográfica . El modelo se denomina "basado físicamente" si sus parámetros se pueden medir en el campo.

A menudo, los modelos tienen módulos separados para abordar pasos individuales en el proceso de simulación. El módulo más común es una subrutina para el cálculo de la escorrentía superficial, que permite la variación en el tipo de uso de la tierra , la topografía , el tipo de suelo , la cubierta vegetal , la precipitación y la práctica de gestión de la tierra (como la tasa de aplicación de un fertilizante ). El concepto de modelado hidrológico se puede extender a otros entornos como los océanos , pero lo más común (y en este artículo) es que se implique el tema de una cuenca hidrográfica.

En 1850, TJ Mulvany fue probablemente el primer investigador en utilizar modelos matemáticos en un contexto de hidrología fluvial, aunque no había química involucrada. ^[1] Para 1892, ME Imbeau había concebido un modelo de eventos para relacionar la escorrentía con la precipitación máxima, nuevamente sin química. ^[2] El trabajo seminal de Robert E. Horton ^[3] sobre la escorrentía superficial junto con su acoplamiento del tratamiento cuantitativo de la erosión ^[4] sentó las bases para la hidrología de transporte químico moderna.

Los modelos basados ​​en la física (a veces conocidos como modelos deterministas, integrales o basados ​​en procesos) intentan representar los procesos físicos observados en el mundo real. Por lo general, estos modelos contienen representaciones de escorrentía superficial, flujo subterráneo, evapotranspiración y flujo de canal, pero pueden ser mucho más complicados. "En 1953, el Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los EE. UU. comenzó a realizar experimentos de simulación a gran escala para la gestión de embalses en el cauce principal del río Misuri". Este ^[5] y otros trabajos tempranos que abordaron el río Nilo ^{[6] [7]} y el río Columbia ^[8] se analizan, en un contexto más amplio, en un libro publicado por el Seminario de Recursos Hídricos de Harvard, que contiene la frase que se acaba de citar. ^[9] Otro modelo temprano que integró muchos submodelos para la hidrología química de cuencas fue el Modelo de Cuencas Hidrográficas de Stanford (SWM). ^[10] El SWMM ( Modelo de Gestión de Aguas Pluviales ), el HSPF (Programa de Simulación Hidrológica – FORTRAN) y otros derivados estadounidenses modernos son sucesores de este trabajo temprano.

En Europa, un modelo integral preferido es el Système Hydrologique Européen (SHE), ^{[11] [12]} que ha sido reemplazado por MIKE SHE y SHETRAN . MIKE SHE es un modelo de distribución espacial y de base física a escala de cuenca hidrográfica para el flujo de agua y el transporte de sedimentos . Los procesos de flujo y transporte se representan mediante representaciones de diferencias finitas de ecuaciones diferenciales parciales o mediante ecuaciones empíricas derivadas. Están involucrados los siguientes submodelos principales:

• Evapotranspiración : formalismo de Penman-Monteith
• Erosión: ecuaciones de desprendimiento para gotas de lluvia y flujo superficial
• Flujo terrestre y en canal : ecuaciones de Saint-Venant de continuidad y momento
• Transporte de sedimentos por flujo superficial : ecuación de conservación de la carga total de sedimentos en 2D
• Flujo no saturado: ecuación de Richards
• Flujo saturado: Ley de Darcy y conservación de la masa del flujo laminar 2D
• Ecuación de conservación de masa 1D del transporte de sedimentos en canales.

Este modelo puede analizar los efectos del uso de la tierra y los cambios climáticos sobre la calidad del agua en los cursos de agua, teniendo en cuenta las interacciones con las aguas subterráneas .

En todo el mundo se han desarrollado varios modelos de cuenca, entre ellos RORB ( Australia ), Xinanjiang ( China ), Tank model ( Japón ), ARNO ( Italia ), TOPMODEL ( Europa ), UBC ( Canadá ) y HBV ( Escandinavia ), MOHID Land ( Portugal ). Sin embargo, no todos estos modelos tienen un componente químico. En términos generales, SWM, SHE y TOPMODEL tienen el tratamiento químico de corrientes más completo y han evolucionado para dar cabida a las últimas fuentes de datos, incluidos los datos de teledetección y del sistema de información geográfica .

En los Estados Unidos, el Centro de Investigación y Desarrollo de Ingenieros del Cuerpo de Ingenieros, en colaboración con investigadores de varias universidades, ha desarrollado el modelo de análisis hidrológico de superficie/subsuelo en cuadrícula GSSHA . ^{[13] [14] [15]} El GSSHA se utiliza ampliamente en los EE. UU. para la investigación y el análisis por parte de los distritos del Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los EE. UU. y las empresas de consultoría más grandes para calcular el caudal, los niveles de agua, la erosión distribuida y la entrega de sedimentos en diseños de ingeniería complejos . Se está probando un componente de transporte y destino de contaminantes y nutrientes distribuidos. El procesamiento de entrada/salida del GSSHA y la interfaz con el SIG se facilitan mediante el Sistema de Modelado de Cuencas Hidrográficas (WMS). ^[16]

Otro modelo utilizado en los Estados Unidos y en todo el mundo es V flo , un modelo hidrológico distribuido basado en la física desarrollado por Vieux & Associates, Inc. ^[17] V flo emplea datos de radar de lluvia y SIG para calcular el flujo superficial distribuido espacialmente y el flujo del canal. Se incluyen capacidades de modelado de evapotranspiración, inundación, infiltración y deshielo. Las aplicaciones incluyen operaciones y mantenimiento de infraestructura civil, predicción de aguas pluviales y gestión de emergencias, monitoreo de la humedad del suelo, planificación del uso de la tierra, monitoreo de la calidad del agua y otros.

Estos modelos basados ​​en datos son sistemas de caja negra , que utilizan conceptos matemáticos y estadísticos para vincular una determinada entrada (por ejemplo, la lluvia ) con la salida del modelo (por ejemplo, la escorrentía ). Las técnicas más utilizadas son la regresión , las funciones de transferencia , las redes neuronales y la identificación de sistemas . Estos modelos se conocen como modelos de hidrología estocástica. Los modelos basados ​​en datos se han utilizado en hidrología para simular la relación entre la lluvia y la escorrentía, representar los impactos de la humedad antecedente y realizar un control en tiempo real de los sistemas.

Un componente clave de un modelo de transporte hidrológico es el elemento de escorrentía superficial , que permite la evaluación de sedimentos, fertilizantes , pesticidas y otros contaminantes químicos. Basándose en el trabajo de Horton, la teoría del hidrograma unitario fue desarrollada por Dooge en 1959. ^[18] Requirió la presencia de la Ley Nacional de Política Ambiental y otra legislación nacional similar para proporcionar el impulso para integrar la química del agua a los protocolos del modelo hidrológico. A principios de la década de 1970, la Agencia de Protección Ambiental de los EE. UU. (EPA) comenzó a patrocinar una serie de modelos de calidad del agua en respuesta a la Ley de Agua Limpia . Un ejemplo de estos esfuerzos se desarrolló en el Laboratorio de Agua del Sureste, ^[19] uno de los primeros intentos de calibrar un modelo de escorrentía superficial con datos de campo para una variedad de contaminantes químicos.

La atención prestada a los modelos de contaminación por escorrentía superficial no ha sido equiparable al énfasis en los modelos hidrológicos puros, a pesar de su papel en la generación de datos de contaminación por carga fluvial. En los Estados Unidos, la EPA ha tenido dificultades para interpretar ^[20] diversos modelos patentados de contaminación y tiene que desarrollar sus propios modelos con más frecuencia que las agencias de recursos convencionales, que, centradas en la previsión de inundaciones , han tenido más bien un centroide de modelos de cuenca comunes. ^[21]

Liden aplicó el modelo HBV para estimar el transporte fluvial de tres sustancias diferentes, nitrógeno , fósforo y sedimento suspendido ^[22] en cuatro países diferentes: Suecia , Estonia , Bolivia y Zimbabwe . Se evaluó la relación entre las variables internas del modelo hidrológico y el transporte de nutrientes . Se desarrolló y analizó un modelo para las fuentes de nitrógeno en comparación con un método estadístico. Se desarrolló y probó un modelo para el transporte de sedimentos suspendidos en regiones tropicales y semiáridas . Se demostró que el nitrógeno total fluvial se podía simular bien en el clima nórdico y la carga de sedimentos suspendidos fluviales se podía estimar bastante bien en climas tropicales y semiáridos. El modelo HBV para el transporte de material generalmente estimó bien las cargas de transporte de material. La principal conclusión del estudio fue que el modelo HBV se puede utilizar para predecir el transporte de material a escala de la cuenca de drenaje durante condiciones estacionarias, pero no se puede generalizar fácilmente a áreas no calibradas específicamente. En un trabajo diferente, Castanedo et al. aplicaron un algoritmo evolutivo para la calibración automatizada del modelo de cuenca hidrográfica. ^[23]

La EPA de los Estados Unidos desarrolló el modelo DSSAM para analizar los impactos en la calidad del agua a partir de las decisiones sobre el uso de la tierra y la gestión de las aguas residuales en la cuenca del río Truckee , un área que incluye las ciudades de Reno y Sparks, Nevada , así como la cuenca del lago Tahoe . El modelo ^[24] predijo satisfactoriamente los parámetros de nutrientes, sedimentos y oxígeno disuelto en el río. Se basa en una métrica de carga contaminante llamada "Carga diaria máxima total" (TMDL). El éxito de este modelo contribuyó al compromiso de la EPA con el uso del protocolo TMDL subyacente en la política nacional de la EPA para la gestión de muchos sistemas fluviales en los Estados Unidos . ^[25]

El modelo DSSAM está construido para permitir la descomposición dinámica de la mayoría de los contaminantes; por ejemplo, se permite que las algas bentónicas consuman nitrógeno y fósforo totales en cada paso de tiempo, y a las comunidades de algas se les da una dinámica de población separada en cada tramo del río (por ejemplo, basada en la temperatura del río). Con respecto a la escorrentía de aguas pluviales en el condado de Washoe , se analizaron los elementos específicos dentro de una nueva ordenanza de xeriscape para determinar su eficacia utilizando el modelo. Para los diversos usos agrícolas en la cuenca hidrográfica, se ejecutó el modelo para comprender las principales fuentes de impacto y se desarrollaron prácticas de gestión para reducir la contaminación en el río. El uso del modelo se ha realizado específicamente para analizar la supervivencia de dos especies en peligro de extinción que se encuentran en el río Truckee y el lago Pyramid : el pez chupador Cui-ui (en peligro de extinción en 1967) y la trucha degollada Lahontan (amenazada en 1970).

• Acuífero
• Ecuación diferencial
• Modelo VHB
• Hidrometría
• Infiltración
• Modelo de escorrentía (embalse)
• Modelo de gestión de aguas pluviales
• Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los Estados Unidos
• Modelo WAFLEX
• Modelo SWAT

• Modelo HBV aplicado al cambio climático en la cuenca del Rin ^{[ enlace inactivo ‍ ]}
• Características y parámetros de TOPMODEL
• El modelo de Xinanjiang y su aplicación en el norte de China
• Técnica de computación evolutiva aplicada a la calibración del modelo HSPF de una cuenca hidrográfica española