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Dr. LUIS MONCADA ALBITRESUNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLOlmoncada@unitru.edu.pe
MODELAMINTO Y SIMULACION DE PROCESOS AMBIENTALES
MotivaciónEn la historia de la civilización, pocas cosas han habido tan permanentes como el uso de técnicas matemáticas para describir los fenómenos de la naturaleza; así, si en el siglo XVI, Galieo afirmaba que "el universo está escrito en lenguaje matemático", cuatro siglos más tarde, Dirac sostiene que toda ley física se ha de poder expresar en términos matemáticos bellos.
Introducción La parte más difícil al usar las matemáticas para
estudiar una aplicación es la conversión de los fenómenos de la vida real al formalismo matemático. Por lo general esto es complicado porque implica la conversión de hipótesis imprecisas en fórmulas muy precisas.
No hay manera de evitarlo. La modelación no es fácil y la mejor manera de lograrla es: practicar, practicar y practicar.
Define el diccionario de la lengua española el término «modelo» como un esquema teórico, generalmente en forma matemática, de un sistema o de una realidad compleja, que se elabora para facilitar su comprensión y el estudio de su comportamiento.
El modelo es una imagen abstracta de un sistema real, construido en base a los conocimientos previos de que se dispone sobre éste.
El objetivo final del modelo es predecir el comportamiento del sistema cuando sobre él se da las condiciones observadas.
Si el modelo proporciona la situación del sistema cuando éste se encuentra en equilibrio tanto interno como con el entorno, hablamos de modelos de estado estacionario o modelos estáticos; por el contrario cuando el modelo proporciona la evolución del sistema con el tiempo cuando no se han alcanzado las condiciones de equilibrio, hablamos de modelos de estado no estacionario, variables en el tiempo o dinámicos.
Ciclo observación-representación-corrección en la representación abstracta de la
naturaleza
Aplicaciones en Ingeniería Ambiental
DiseñoContaminación AtmosféricaContaminacion del AguaEstudios de Impacto AmbientalProgramas de Adecuación Ambiental
DiseñoTratamiento de Aguas Residuales
• Municipales• Industriales
Diseño de ChimeneasDiseño de sistemas de recolección de polvoDistribución de redes de tuberiasOptimizar operación de plantas de tratamientoEtc.
Usado para el modelado matemático, simulación, optimización y gestión de plantas de tratamiento de aguas residuales. Pemite desarrollar y optimizar los sistemas de control avanzados, predecir la calidad del efluente en condiciones variables, planificar la capacidad y análisis de la conducta . Ofrece programas de capacitación y desarrollo sofisticados con un modelo dinámico de la planta o el proyecto. Sistemas de Instrumentación y Control para formación
de operadores y Análisis de Plantas
Simular Emisiones a la atmósfera y el Destino de ContaminantesDiseño preliminar de Plantas y determinación de costos
Modelamiento del tratamiento de agua
Gestor de desinfección en línea
Diseño
Diseño
Diseño: SuperPro Designer
Diseño: SuperPro Designer
Diseño: SuperPro Designer
2. Contaminación del Aire
ProblemaCuál es el nivel de mi exposición para estas emisiones? ¿Está mi familia segura? Dónde es seguro? Cómo es el impacto adverso sobre el ambiente (las plantas, los animales, los edificios)? Cómo predecir el impacto de emisiones resultado del crecimiento demográfico?
Modelamiento de la Calidad del Aire (AQ)
Los Modelos de Calidad del Aire son formulaciones matemáticas que incluyen parámetros que afectan las concentraciones de los contaminantes. Estos son usados para
Evaluar conformidad con NAAQS (National Ambient Air Quality Standards ) y otros requisitos reguladores
Determinar la extensión de reducción de emisiones requerida
Evaluar fuentes en aplicaciones permitidas
Tipos de Modelos AQ
Modelo deDispersión
de la fuente
Modelo delReceptor
Modelo deEmisión
ModeloMeteorológico
ModeloQuímico
Tasa temporal y espacial de emisión Topografía
Transformación químicaTransporte del contaminanteEquilibrio entre Partículas y
gasesMezclado Vertical
Modelos USEPA AQModelos disponibles en: http://www.epa.gov/scram001/dispersion_screening.htm Modelos preferibles disponibles en: http://www.epa.gov/scram001/dispersion_prefrec.htm Un modelo simple es mejor que otros
Seleccionado sobre la base de otros factores como empleo pasado, familiaridad pública, coste o exigencias de recurso y disponibilidad
No requiere evaluación posterior de un modelo preferidoModelos alternativos disponibles en: http://www.epa.gov/scram001/dispersion_alt.htm
Necesitan ser evaluados desde una perspectiva teórica y de funcionamiento antes de su empleo
Comparado a datos de calidad del aire moderados, los resultados indican que el modelo alternativo funciona mejor para el uso dado que un modelo preferido
Modelos Recomendados por USEPALa Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos de Norteamérica (EPA) muestra preferencia y recomienda el uso de los siguientes Modelos de Dispersión para Calidad del Aire:AERMODISC3 (Industrial Source Complex Model)CALPUFFBLP (Bouyant Line and Point Source Model)CALINE3CTDMPLUS (Complex Terrain Dispersion Model Plus Algorithms for Unstable Situations)OCD (Offshore and Coastal Dispersion Model)Si bien es cierto que todos tienen la aprobación y recomendación de la EPA para modelar la dispersión de emisiones, cada uno de los modelos mencionados tiene un uso preferente ante situaciones específicas debido a sus características.
Modelos de DispersiónNormativa Ambiental : Norma de Calidad del Aire Ambiente, establece límites máximos permisibles de calidad del aire.
La utilización de modelos de dispersión hace posible estimar el impacto a la calidad del aire de una fuente, y por tanto predecir si se van a sobrepasar los límites permisibles de calidad del aire.
Uso de Modelos de Dispersión
Un modelo de dispersión, estima la distribución espacial y temporal de contaminantes atmosféricos mediante representaciones matemáticas en donde se incluyen los diferentes factores que influyen en este proceso.
De esta manera un modelo de dispersión permite evaluar la Calidad del Aire en una zona dada.
Uso del Simulador UNTSIM
UNTSIM y AERMOD
UNTSIM y AERMOD
Software de Licencia
Software con Licencia
Inventario de Emisiones
MOVES Motor Vehicle Emission Simulator
NMIM National Mobile Inventory Model
Disper
Dispersion
TANKS: es un programa de software basado en Windows que estima compuestos orgánicos volátiles (VOC) y contaminantes atmosféricos peligrosos (HAP) las emisiones de los tanques fijos y almacenamiento de techo flotante.
Shell Fred
RECURSO AGUA:
MODELIZACION DE LA CONTAMINACION DEL AGUA
La contaminación del agua ha sido un problema crucial en muchos países y ha traído la atención de investigadores de todo el mundo.En un río con poca corriente, desde el principio de entrada de material, la mezcla y reacción, hasta el fin de salida de material, el sistema considerado debería ser dinámico y estocástico.La SDE (stochastic differential equation) es una teoría que estudia los procesos estocásticos. Esta puede describir las relaciones físicas de diferentes factores, y puede predecir los efectos de futuras cargas y políticas de control sobre el medio ambiente. Tiene la ventaja de control de contaminación de aguas. Esto podría entonces permitir formular un modelo general de autopurificación en ríos con poca corriente.
Recurso Agua: Modelamiento de la Contaminación del Agua
La mayoría de modelos de contaminación del agua tienen una estructura de sistema de entrada/salida. Sin embargo, estos modelos no asumen conocimiento explicito de la reacción bioquímica, tal como de la reacción de concentración. Un modelo internamente descriptivo saca provecho de la información disponible sobre los fenómenos que determinan el comportamiento del sistema, por ejemplo los mecanismos físicos y bioquímicos que controlan las descripciones internas. Aprovechar la información de reacciones bioquímicas es una tarea esencial en modelamiento.
Fundamentos de los Modelos de WQUn buen modelo de contaminación del agua en un río deberá tener las siguientes propiedades.
(1) Deberá ser un modelo dinámico y estocástico. Desde la entrada de material, mezcla y reacción, hasta la salida de material, el sistema es dinámico y estocastico en los componentes internos.
(2) Deberá caracterizar adecuadamente la importancia de los aspectos estocástico, dinámica y estado estacionario del comportamiento del sistema, tal como una estructura adecuada del modelo para representar los procesos en el sistema.
(3) Si es posible, deberá proporcionar una aproximación matemática razonable de los cambios físicos y bioquímicos ocurriendo en el sistema del rio.
Fundamentos de los Modelos de WQ
La investigación en el modelado de la interacción BOD-DO en un río con poca corriente ha sido dominada por el modelo clásico de Streeter y Phelps (1925), el cual primero apareció en1925, y ha sido perfeccionado en formas diversas por otros investigadores como Dobbins y Camp, Peter Young and Bruce Beck, C.J.Harris, etc.
Dispersion de Contaminantes liquidosMODFLOW: Programa desarrollado por el Servicio Geológico USA para modelar sistemas de aguas superficiales y subterraneas
Modelo Streeter-Phelps:Graficar deficit de oxígeno [D(t)] para t entre 0 y 3 días.Suponer que un determinado tipo de pez no puede sobrevivir en la corriente si el déficit de oxígeno D > 2 mg L -1 . También suponga que la corriente fluye e una velocidad de 1.5 ft s-1
HSPF: Hydrologic Simulation Program Fortran
El Modelo (Hydrologic Simulation Program Fortran) es un programa de la Agencia De Protección Ambiental U.S. para la simulación de la calidad de agua para contaminantes convencionales y tóxicos orgánicos. El modelo HSPF usa información como la cronología de lluvia, temperatura y radiación solar; Las características territoriales de la superficie; y las practicas de manejo de tierras para simular los procesos que ocurren en una línea divisoria de las aguas.
HSPF: Hydrologic Simulation Program Fortran
El resultado de esta simulación es una cronología de la cantidad y la calidad de las aguas urbana o agrícola. La tasa de flujo, la carga del sedimento, el nutriente y las concentraciones de pesticida son predichos. HSPF incluye un sistema de gestión de base de datos interno para simular las cantidades grandes de entrada y salida. HSPF es usado frecuentemente para generar modelos para los estudios TMDL (Total Maximum Daily Load).Carga máxima total diaria
HSPF: Resultados
Recursos Hídricos y Modelación Hidrológica. Balance de Hídrico en Minería, modelización de la
calidad del agua y manejo de residuos. Gestión de desechos radiactivos y peligrosos Modelación Ecológica y Biológica. Evaluación de Riesgos para la Salud Humana. Análisis Probabilístico de Riesgo en la Industria del
Petróleo y Gas.
Permite modelar sistemas complejos del mundo real, medios ambientales múltiples y evaluar el riesgo de los sistemas ambientales. Usando la simulación de Monte Carlo.
Ejemplo: GUÍA PARA LA EVALUACIÓN DE IMPACTOS EN LA CALIDAD DE LAS AGUAS SUPERFICIALES POR ACTIVIDADES MINERO METALÚRGICAS - PERU
Conga
Visual MODFLOW Flex Basic es el estándar del sector en software de modelado tridimensional de transporte de contaminantes y flujo de aguas subterráneas. Las funciones de modelado de flujo de aguas subterráneas y transporte de contaminantes en tres dimensiones de Visual MODFLOW Flex merecen la confianza y uso de muchos más profesionales de las aguas subterráneas que cualquier otro software de modelado del mundo, gracias a sus motores numéricos perfectamente integrados con una interfaz gráfica de fácil uso.
Optimización de Procesos
WWTP1
P1
W1
1
13
WWTP2
P2 W2
232
3
4
34
45WWTP3
WWTP4
W4W3
P3
P4
Cuatro plantas de tratamiento de aguas de desecho que descargan contaminantes a un sistema de ríos. El problema es determinar el nivel de tratamiento que satisfaga los estándares de calidad del agua a un costo mínimo.
Usar la Programación Lineal: LINDO, LINGO, MATLAB
GRACIAS