Un modelo de transporte hidrológico es un modelo matemático utilizado para simular el flujo de ríos, arroyos , movimiento de aguas subterráneas o desplazamiento del frente de drenaje , y calcular parámetros de calidad del agua . Estos modelos generalmente comenzaron a utilizarse en las décadas de 1960 y 1970, cuando la legislación ambiental impulsó la demanda de pronósticos numéricos de la calidad del agua y el drenaje , y en un momento 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.
Hay docenas de modelos de transporte diferentes que generalmente pueden agruparse según los contaminantes abordados, la complejidad de las fuentes de contaminantes, si el modelo es de estado estacionario o dinámico y el 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, sólo se podría abordar un contaminante a partir de una simple descarga puntual en las aguas receptoras. En los modelos más complejos, se podrían agregar varias fuentes lineales de escorrentía superficial a múltiples fuentes puntuales , tratando una variedad de sustancias químicas más sedimentos en un ambiente dinámico que incluye la estratificación vertical de los ríos y las interacciones de los contaminantes con la biota en la corriente . Además, también se pueden incluir las aguas subterráneas de las cuencas hidrográficas . El modelo se denomina "de base física" si sus parámetros pueden medirse 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 variar el tipo de uso de la tierra , la topografía , el tipo de suelo , la cubierta vegetal , las precipitaciones y las prácticas de manejo 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 generalmente se implique el tema de la cuenca de un río.
En 1850, TJ Mulvany fue probablemente el primer investigador en utilizar modelos matemáticos en un contexto de hidrología de corrientes, aunque no implicaba ninguna química. [1] En 1892, ME Imbeau había concebido un modelo de evento para relacionar la escorrentía con el pico de lluvia, nuevamente todavía sin química. [2] El trabajo fundamental de Robert E. Horton [3] sobre la escorrentía superficial junto con su combinación de tratamiento cuantitativo de la erosión [4] sentaron 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. Normalmente, estos modelos contienen representaciones de escorrentía superficial, flujo subterráneo, evapotranspiración y flujo de canales, pero pueden ser mucho más complicados. "El Cuerpo de Ingenieros del Ejército de EE. UU. inició experimentos de simulación a gran escala en 1953 para la gestión de embalses en el cauce principal del río Missouri". Este [5] y otros trabajos iniciales 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 Harvard Water Resources Seminar, que contiene la frase que acabamos 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 americanos modernos son sucesores de estos primeros trabajos.
En Europa, un modelo integral favorecido es el Système Hydrologique Européen (SHE), [11] [12] al que han sucedido MIKE SHE y SHETRAN . MIKE SHE es un modelo distribuido espacialmente y basado físicamente a escala de cuenca para el flujo de agua y el transporte de sedimentos . Los procesos de flujo y transporte se representan mediante representaciones en diferencias finitas de ecuaciones diferenciales parciales o mediante ecuaciones empíricas derivadas. Están involucrados los siguientes submodelos principales:
Este modelo puede analizar los efectos del uso de la tierra y los cambios climáticos sobre la calidad del agua corriente, teniendo en cuenta las interacciones del agua subterránea .
A nivel mundial se han desarrollado varios modelos de cuencas, 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 flujo más completo y han evolucionado para adaptarse a las últimas fuentes de datos, incluidos datos de sistemas de información geográfica y sensores remotos .
En los Estados Unidos, el Cuerpo de Ingenieros, el Centro de Investigación y Desarrollo de Ingenieros, junto con investigadores de varias universidades, han desarrollado el modelo GSSHA de análisis hidrológico de superficie/subsuelo cuadriculado . [13] [14] [15] GSSHA se utiliza ampliamente en los EE. UU. para investigación y análisis por parte de los distritos del Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los EE. UU. y empresas consultoras más grandes para calcular el flujo, los niveles de agua, la erosión distribuida y la entrega de sedimentos en diseños de ingeniería complejos . Se están realizando pruebas sobre un componente distribuido de destino y transporte de nutrientes y contaminantes. El procesamiento de entrada/salida de GSSHA y la interfaz con SIG son facilitados por el Sistema de Modelado de Cuencas Hidrográficas (WMS). [dieciséis]
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 lluvia de radar y datos SIG para calcular el flujo terrestre 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, lluvia ) con la salida del modelo (por ejemplo, escorrentía ). Las técnicas más utilizadas son la regresión , funciones de transferencia , redes neuronales e identificación de sistemas . Estos modelos se conocen como modelos de hidrología estocástica. Se han utilizado modelos basados en datos dentro de la hidrología para simular la relación lluvia-escorrentía, representar los impactos de la humedad anterior y realizar control en tiempo real de los sistemas.
Un componente clave de un modelo de transporte hidrológico es el elemento de escorrentía superficial , que permite evaluar sedimentos, fertilizantes , pesticidas y otros contaminantes químicos. Basándose en el trabajo de Horton, Dooge desarrolló la teoría del hidrograma unitario en 1959. [18] Requería la presencia de la Ley de Política Ambiental Nacional y otras leyes nacionales similares para brindar el impulso para integrar la química del agua a los protocolos de los modelos hidrológicos. A principios de la década de 1970, la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (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 contaminantes de escorrentía superficial no ha coincidido con el énfasis en los modelos de hidrología pura, a pesar de su papel en la generación de datos de contaminantes de carga de corrientes. En los Estados Unidos, la EPA ha tenido dificultades para interpretar [20] diversos modelos patentados de contaminantes y tiene que desarrollar sus propios modelos con más frecuencia que las agencias de recursos convencionales, quienes, centradas en el pronóstico de inundaciones , han tenido más 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 sedimentos suspendidos [22] en cuatro países diferentes: Suecia , Estonia , Bolivia y Zimbabwe . Se evaluó la relación entre las variables del modelo hidrológico interno y el transporte de nutrientes . Se desarrolló y analizó un modelo para fuentes de nitrógeno en comparación con un método estadístico. Se desarrolló y probó un modelo para el transporte de sedimentos en suspensión en regiones tropicales y semiáridas . Se demostró que el nitrógeno total fluvial podía simularse bien en el clima nórdico y la carga de sedimentos suspendidos fluviales podía estimarse bastante bien en climas tropicales y semiáridos. El modelo HBV para el transporte de materiales en general estimó bien las cargas de transporte de materiales. La principal conclusión del estudio fue que el modelo HBV se puede utilizar para predecir el transporte de materiales 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. aplicó un algoritmo evolutivo a la calibración automatizada del modelo de cuencas hidrográficas. [23]
La EPA de Estados Unidos desarrolló el modelo DSSAM para analizar los impactos en la calidad del agua derivados del uso de la tierra y las decisiones de gestión de 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 de contaminantes denominada "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 el nitrógeno y el fósforo totales en cada paso de tiempo, y las comunidades de algas reciben 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 analizó la eficacia de los elementos específicos dentro de una nueva ordenanza de xeriscape utilizando el modelo. Para los diversos usos agrícolas en la cuenca, el modelo se ejecutó 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 asesina de Lahontan (amenazada en 1970).
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