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