La optimización hidrológica aplica técnicas de optimización matemática (como programación dinámica , programación lineal , programación entera o programación cuadrática ) a problemas relacionados con el agua. Estos problemas pueden ser de aguas superficiales , subterráneas o una combinación de ambas. El trabajo es interdisciplinario y puede ser realizado por hidrólogos , ingenieros civiles , ingenieros ambientales e investigadores de operaciones .
Simulación versus optimización
Los flujos de agua subterránea y superficial se pueden estudiar con simulación hidrológica . Un programa típico que se utiliza para este trabajo es MODFLOW . Sin embargo, los modelos de simulación no pueden ayudar fácilmente a tomar decisiones de gestión, ya que la simulación es descriptiva. La simulación muestra lo que sucedería dado un conjunto determinado de condiciones. La optimización, por el contrario, encuentra la mejor solución para un conjunto de condiciones. Los modelos de optimización constan de tres partes:
- Un objetivo, como por ejemplo “Minimizar costes”
- Variables de decisión, que corresponden a las opciones disponibles para la gerencia.
- Restricciones, que describen los requisitos técnicos o físicos impuestos a las opciones.
Para utilizar la optimización hidrológica, se ejecuta una simulación para encontrar los coeficientes de restricción para la optimización. Luego, un ingeniero o gerente puede agregar los costos o beneficios asociados con un conjunto de decisiones posibles y resolver el modelo de optimización para encontrar la mejor solución.
Ejemplos de problemas resueltos con optimización hidrológica
- Remediación de contaminantes en acuíferos. [1] El problema de decisión es dónde ubicar los pozos y elegir una tasa de bombeo para minimizar el costo de prevenir la propagación de un contaminante. Las restricciones están asociadas con los flujos hidrogeológicos.
- Asignación de agua para mejorar los humedales. Este modelo de optimización recomienda la asignación de agua y el control de la vegetación invasora para mejorar el hábitat de humedales de especies de aves prioritarias. Estas recomendaciones están sujetas a restricciones como la disponibilidad de agua, la conectividad espacial, las capacidades de la infraestructura hidráulica, las respuestas de la vegetación y los recursos financieros disponibles. [2]
- Maximizar la extracción de agua de los pozos sujetos a restricciones de caudal ambiental. [3] El objetivo es medir los efectos del uso de agua de cada usuario sobre otros usuarios y sobre el medio ambiente, con la mayor precisión posible, y luego optimizar las soluciones factibles disponibles.
- Mejorar la calidad del agua. Un modelo de optimización simple identifica la combinación de mejores prácticas de gestión que minimizan los costos para reducir el exceso de nutrientes en una cuenca hidrográfica. [4]
Optimización restringida por PDE
Las ecuaciones diferenciales parciales (EDP) se utilizan ampliamente para describir procesos hidrológicos, lo que sugiere que un alto grado de precisión en la optimización hidrológica debe esforzarse por incorporar restricciones de EDP en una optimización determinada . Algunos ejemplos comunes de EDP utilizadas en hidrología incluyen:
Otros procesos ambientales a considerar como insumos incluyen:
Véase también
Referencias
- ^ Ahlfeld, David P.; Mulvey, John M.; Pinder, George F.; Wood, Eric F. (1988). "Diseño de remediación de aguas subterráneas contaminadas mediante simulación, optimización y teoría de la sensibilidad: 1. Desarrollo de modelos". Investigación de recursos hídricos . 24 (3): 431–441. Bibcode :1988WRR....24..431A. doi :10.1029/WR024i003p00431. ISSN 1944-7973.
- ^ Alminagorta, Omar (2016). "Modelado de sistemas para mejorar el desempeño hidroecológico de humedales con diques". Investigación en Recursos Hídricos . 52 (9): 7070–7085. Bibcode :2016WRR....52.7070A. doi :10.1002/2015WR018105. S2CID 31097159.
- ^ Feyen, Luc; Gorelick, Steven M. (2005). "Marco para evaluar el valor de los datos de conductividad hidráulica para la gestión óptima de los recursos de agua subterránea en áreas ecológicamente sensibles". Water Resources Research . 41 (3): 03019. Bibcode :2005WRR....41.3019F. doi :10.1029/2003WR002901. S2CID 108490062.
- ^ Alminagorta, Omar; Tesfatsion, Bereket; Rosenberg, David E.; Neilson, Bethany (2013). "Método de optimización simple para determinar las mejores prácticas de gestión para reducir la carga de fósforo en el embalse Echo, Utah". Revista de planificación y gestión de recursos hídricos . 139 : 122–125. doi :10.1061/(ASCE)WR.1943-5452.0000224.
- ^ Santhosh, Apoorva; Farid, Amro M.; Youcef-Toumi, Kamal (2014). "Despacho económico en tiempo real para el lado de la oferta del nexo energía-agua" (PDF) . Applied Energy . 122 : 42–52. Bibcode :2014ApEn..122...42S. doi :10.1016/j.apenergy.2014.01.062. Archivado desde el original (PDF) el 2020-09-25 . Consultado el 2019-08-09 .
- ^ Dandy, Graeme C.; Simpson, Angus R.; Murphy, Laurence J. (1996). "Un algoritmo genético mejorado para la optimización de redes de tuberías" (PDF) . Water Resources Research . 32 (2): 449–458. Bibcode :1996WRR....32..449D. doi :10.1029/95WR02917. hdl : 2440/1073 . S2CID 16097463. Archivado desde el original (PDF) el 2019-08-10.
Lectura adicional
- Boyd, Stephen P. ; Vandenberghe, Lieven (2004). Optimización convexa (PDF). Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-83378-3 .
- Loucks, Daniel P.; van Beek, Eelco (2017) . Planificación y gestión de sistemas de recursos hídricos: Introducción a métodos, modelos y aplicaciones . Springer. ISBN 9783319442327 .
- Nocedal, Jorge ; Wright, Stephen (2006) . Optimización numérica . Springer Series en Investigación de Operaciones e Ingeniería Financiera, Springer. ISBN 9780387303031 .
- Qin, Youwei; Kavetski, Dmitri; Kuczera, George (2018). "Un algoritmo Gauss-Newton robusto para la optimización de modelos hidrológicos: evaluación comparativa con algoritmos estándar de la industria". Investigación de recursos hídricos . 54 (11): 9637-9654.
- Tayfur, Gokmen (2017). "Métodos de optimización modernos en la planificación, ingeniería y gestión de recursos hídricos". Water Resources Management . 31 : 3205-3233.
Enlaces externos
