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FACULTAD: INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL

ESCUELA: INGENIERIA AMBIENTAL DEPARTAMENTO ACADÉMICO: INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL

CURSO: 042TA902604 TEORÍA DE SISTEMAS Y MODELIZACIÓN AMBIENTAL

TEORÍA DE SISTEMAS

Y MODELIZACIÓN

AMBIENTAL

ING. GODOFREDO VIGIL SAAVEDRA

Bagua. Amazonas, Octubre 2015

RECONOCIMIENTOS

Mis reconocimientos a los alumnos del Curso de TEORÍA DE SISTEMAS Y

MODELIZACIÓN AMBIENTAL, quienes tienen que llevar adelante la laboriosa

actividad de desarrollar los temas que se plantean y buscar en todo momento superar las

expectativas que en ellos confía la formación universitaria que se les brinda y que el

desarrollo de nuestro país les exige. Se espera que estén a la altura de los retos

planteados.

Ellos son:

ALVA BENITES MERLY YULISSA

CIEZA ALCALDE JUAN JERALDO

DELGADO ROMERO SHEILA

HUAMÁN MUNDACA CÉSAR GUSTAVO

LOZADA CASTILLO IRIS JOHANA

MESTANZA INGA IRIS THALIA

MONTALVÁN CORONEL CRISTHIAM YERSON

MORENO NEIRA ALEXIS

MOSTACERO ZAGACETA JESSY HAYZEL

PERALTA DAVILA GIANNINA DEL PILAR

PÉREZ DÁVILA YERSON ANAXIMANDRO

RIVERA LEO ANGÉLICA FABIANA

ROGRÍGUEZ VÁSQUEZ CARLOS ENRIQUE

ROJAS POMA RONY

ROJAS ROJAS WILLY RICHAR

SÁNCHEZ CIEZA JHON ANTHONY

SANCHEZ PEREZ MILTON CESAR

TAFUR VÁSQUEZ EULER

VERASTEGUI HERNANDEZ CLAUDIA YULIZA

VILCHEZ GARCÍA YORK ANDER

La institución universitaria no les brinda todo, pero SÍ les da las herramientas para

convertirse en investigadores incansables, en instigadores de la problemática existente y

en tenaces proponentes de soluciones para el desarrollo y progreso que nuestro país

exige.

Tienen un mundo por conquistar, un país que espera de ellos como buenos

profesionales, sean capaces de alcanzar estos objetivos.

UNIVERSIDAD NACIONAL TORIBIO RODRIGUEZ DE MENDOZA DE AMAZONAS - SEDE BAGUA

FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL

ESCUELA DE INGENIERIA AMBIENTAL

DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL

CURSO: TEORÍA DE SISTEMAS Y MODELIZACIÓN AMBIENTAL

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INDICE

PRESENTACIÓN

1. SISTEMA AMBIENTAL

1.1. TIPOS DE SISTEMAS AMBIENTALES

1.1.1. Sistema natural

1.1.2. Sistema artificial

1.2. CARACTERÍSTICS DE LOS SISTEMAS AMBIENTALES

1.3. CARACTERÍSTICAS ESTÁNDARES DE CALIDAD AMBIENTAL

1.3.1. Estándares de calidad ambiental para aire Instrumentos y medidas

1.3.2. Estándares de calidad ambiental para suelo

1.3.3. Estándares primarios de calidad del agua

1.3.4. Estándares de calidad ambiental para ruido

2. CENTROS Y FUENTES DE INFORMACIÓN Y MONITOREO DEL SISTEMA MEDIO AMBIENTAL

2.1. Sistemas de determinación de posición por satélite (gps)

2.2. Teledetección: fotografías aéreas, satélites meteorológicos y de información medioambiental

2.3. Sistemas de Información Geográfica (SIG)

2.4. Radiometría

3. MECANISMOS DE DESTINO DE CONTAMINANTES EN EL MEDIO AMBIENTE

4. MODELOS MATEMÁTICOS DE TRANSPORTE DE MATERIA, CANTIDAD DE MOVIMIENTO Y DE ENERGÍA EN SISTEMAS MEDIOAMBIENTALES

4.1. Convección, Difusión y Advección

4.2. Subducción y obducción, conducción y radiación térmica.

4.3. Radiación y constante solar sobre el medio ambiente terrestre y su incidencia en los fenómenos meteorológicos

5. ECOLOGIA AMBIENTAL 5.1. Introducción a la ecología 5.2. Conceptos ecológicos y los niveles de organización biológica 5.3. La jerarquía ecológica






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5.4. Biomas de la Tierra 5.4.1. Tundra 5.4.2. Taiga o bosque boreal 5.4.3. Bosque deciduo templado 5.4.4. Bosque lluvioso templado 5.4.5. Sabanas 5.4.6. Desiertos 5.4.7. Tierras inundadas 5.4.8. Bosque lluvioso tropical 5.4.9. Ecosistemas de agua dulce 5.4.10. El bioma marino

Zona litoral Zona pelágica Zona béntica Zona abisal Aberturas hidrotérmicas

5.5. La Tierra

5.6. La atmósfera

5.7. La hidrósfera

5.8. La litosfera

5.9. La biósfera

6. MODELOS DE POBLACIÓN

6.1. Población 6.2. Crecimiento de poblaciones 6.3. Modelos de población y de sistemas físicos

6.3.1. MODELO DE REACTOR DE MEZCLA COMPLETA 6.3.2. MODELO DE RECTOR DE FLUJO EN PISTÓN

7. AVANCES Y DISPONIBILIDAD DE TECNOLOGÍA DE TELEDETECCIÓN, TRASMISIÓN Y PROCESAMIENTO DE DATA PARA LA MODELACIÓN, SIMULACIÓN Y MONITOREO DE SISTEMAS AMBIENTALES

7.1. TELEDETECCION 7.1.1. Características

7.2. SIMULACIÓN DE SISTEMAS AMBIENTALES 7.3. MONITOREO AMBIENTAL

7.3.1. Definiciones 7.3.2. Objetivos del monitoreo

8. SISTEMA GEOSAR-LIDAR Y SUS APLICACIONES

8.1. ¿Qué es un sistema geosar-lidar?

8.2. Principio De Funcionamiento

8.3. Comportamiento de LiDAR en zonas forestales

8.4. ¿Qué aporta la tecnología LiDAR?

8.5. Aplicaciones de lidar en el SIG

8.6. Aplicaciones de lidar en inteligencia geoespacial

9. TECNOLOGÍA RISCMASS PARA LA GESTIÓN DE LOS RIESGOS DE

MOVIMIENTOS DE SUELOS






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9.1. Análisis De Los Procesos De Subsidencia

10. MODELOS ETA-SENAMHI Y RAM-SENAMHI

10.1. LA PREDICCION NUMERICA HIDROMETEOROLOGICA EN EL SENAMHI

3.1.1 El Modelo ETA-SENAMHI 3.1.2. El Modelo RAMS 3.1.3. El Modelo Climático CCM3

11. MODELIZACIÓN DE UNA CUENCA HIDROGRÁFICA

11.1. Clasificación de los modelos de cuenca hidrográfica

11.1.1. Modelos de caso contra modelos continuos

11.1.2. Alcance del modelo: modelos completos frente a modelos parciales

11.1.3. Modelos de parámetro calibrado frente a modelos de parámetro medido

11.1.4. Modelos concentrados frente a modelos distribuidos

11.1.5. Modelos generales frente a modelos para fines específicos

11.2. Selección del Model

11.3. Generalidades de los modelos de cuenca hidrográfica

12. MODELIZACIÓN DE LA CALIDAD DEL AGUA EN LOS SISTEMAS FLUVIALES

12.1. La modelización de los componentes conservativos

12.2. Modelización de los componentes no conservatorios

12.2.1. Qual2: El Modelo Mejorado De Calidad De Epa De Ee Uu

12.3. Parámetros de medición de la calidad del agua

13. LA INTELIGENCIA ARTIFICIAL EN LA GESTIÓN DEL AGUA

13.1. Redes neuronales en los sistemas hídricos

13.1.1. Nivel de consumo y calidad de agua potable

13.1.2. Saneamiento de agua para el consumo humano

13.1.3. Aguas costeras

13.2. Lógica Difusa En Sistemas Hídricos

14. BIBLIOGRAFÍA

15. ANEXOS






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PRESENTACIÓN El presente trabajo se realiza a instancias del dictado de clases en el Ciclo 2015-2 en la Universidad Toribio Rodríguez de Mendoza de Amazonas con sede en la Ciudad de Bagua, para los alumnos del VI Ciclo de la especialidad de Ingeniería Ambiental. LA TEORÍA DE SISTEMAS, desde que en 1950 el biólogo austriaco Ludwig von Bertalanffy planteó la teoría general de los sistemas, ha corrido mucha agua bajo el puente de la sistemática, en el transcurso de los años, en los últimos 65 años que tiene de planteada este nuevo entramado científico-técnico en el mundo, se ha desarrollado el concepto de autopoiesis, la teoría matemática de la comunicación y control de sistemas a través de la regulación de la retroalimentación (cibernética), la teoría del control, la teoría de las catástrofes, bifurcaciones en sistemas dinámicos, la teoría del caos, el sistema adaptativo complejo, temas éstos que aún hoy en día son temas de análisis, discusión e investigación; ésta, LA TEORÍA DE SISTEMAS, debe ser uno de los pilares principales en el quehacer y la formación universitaria de los profesionales que llevarán a cabo la ejecución de las tareas pendientes de nuestra generación y la conducción de la sociedad en las siguientes décadas, por tanto, asumir una cultura y un comportamiento sistémico no es una simpleza, es una necesidad de urgente implementación en todo nivel de formación universitaria para nuestro país. LA MODELIZACIÓN, es un tema relativamente nuevo desde el punto de vista técnico – científico, es gracias al creciente uso de tecnología informática, software y algoritmos que se plantea el desarrollo de esta especialidad. Se habla del modelado en artes plásticas, del modelado del relieve en geomorfología, de la vegetación modelada en una comunidad vegetal que exhibe patrones distintivos y repetitivos, modelado numérico como técnica basada en el cálculo numérico, el modelado molecular que son técnicas para modelar y predecir el comportamiento de las moléculas, la modelización del transporte que busca predecir la demanda del transporte en las grandes urbes, el modela del software para visualizar los sistemas a construir o crear, el lenguaje de modelado de objetos que es un conjunto estandarizado de símbolos para modelar un diseño de software orientado a objetos, modelización de datos, técnicas de modelización de objetos, etc., etc. Por tanto la Teoría de Sistemas y Modelización Ambiental, se propone utilizar estos amplios y dinámicos conocimientos que operan en diferentes áreas del conocimiento humano para desarrollar un conjunto de herramientas útiles para el conocimiento, manejo, gestión y cuidado de nuestra casa grande (LA MAMAPACHA) y su entorno representado por el MEDIO AMBIENTE. Agradecer a la Universidad Toribio Rodríguez de Mendoza – Sede Bagua, la oportunidad de aportar La experiencia a las nuevas generaciones de Ingenieros Ambientales, que se espera que desarrollen junto con los conocimientos, las habilidades y la sapiencia necesaria para el logro de sus objetivos profesionales una base ética de compromiso con el País y la Solución de los principales problemas que nos aquejan. En estos momentos en que al pragmatismo sin principios está a la orden del día se hace más urgente cimentar las bases de la ética y el compromiso con el desarrollo nacional de nuevos profesionales que se forman en las aulas universitarias.

Bagua, Octubre del 2015.

Ing. Godofredo Vigil Saavedra Docente






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1. SISTEMA AMBIENTAL

1.1. TIPOS DE SISTEMAS AMBIENTALES

Es un sistema global constituido por elementos naturales y artificiales de naturaleza física, química, biológica, sociocultural y de sus interacciones, en permanente modificación por la acción humana o natural que rige o condiciona la existencia o desarrollo de la vida. Se divide en: sistemas naturales y sistemas artificiales.

1.1.1. Sistemas naturales:

Son aquellos sistemas formados por la naturaleza sin una alteración voluntaria del hombre. Son todos aquellos que forma la ecosfera que es la parte de la Tierra donde existe vida sin apoyo artificial, así tenemos a: La Atmosfera, La Hidrósfera, La Geosfera, la Biosfera.

1.1.2. Sistemas artificiales: Son todos aquellos que proceden de la historia de la humanidad, su desarrollo y diversidad cultural, así tenemos a: la Sociosfera, La Tecnosfera, La Noosfera. Figura 01.- En las imágenes se muestran los diferentes sistemas naturales

Fuente: https://www.google.com.pe/search?q=monografia+con+anexos.

1.2. CARACTERISTICAS DE LOS SISTEMAS AMBIENTALES

a) Formaciones terrestres únicas o inusuales. b) Área o ecosistema protegida (oficial o privado). c) Zona(s) de vida estratégica(s) para una región. d) Importante área para el mantenimiento de sistemas naturales más allá de

sus fronteras (áreas de desove, eclosión o parto, de apareamiento, zona de recolección de agua, sistemas de soporte vital).

e) Importancia del área para el mantenimiento de especies de utilidad agrícola, piscícola, para zoocriaderos, etc.






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f) Comunidades de plantas o animales, endémicas, de alta calidad o únicas. g) Comunidades de plantas o animales para repoblación y restauración

Ecológica. h) Hábitat raro, único en su género. i) Corredores biológicos. j) Comunidades biológicas con una alta diversidad. k) Hábitat muy productivo (bosque, humedal, estuario, arrecife, etc.). l) Hábitat para refugio de especies raras o amenazadas. m) Hábitat para especies que requieren territorios extensos. n) Áreas de importancia estacional para la alimentación o reproducción de

una o varias especies. o) Áreas que mantienen un banco silvestre de las especies domesticadas p) Hábitat con un gran valor científico o educacional. q) Hábitat de importancia por las tradiciones en materia de provisión de

combustible, telas, alimento, materiales de construcción o medicina tradicional.

r) Áreas de interés histórico, cultural, religioso o arqueológico; y s) Micro/meso/macro zonas con valor estético, paisajístico y recreacional.

1.3. ESTANDARES DE CALIDAD AMBIENTAL

Es la medida que establece el nivel de concentración o del grado de elementos, sustancias o parámetros físicos, químicos o biológicos, presentes en el aire, agua o suelo, en su condición de cuerpo receptor, que no representa significativo para la salud de las personas ni al ambiente. Según el parámetro en particular a que se refiera, la concentración o grado podrá ser expresada en máximos, mínimos o rangos. Un ECA es de observancia obligatoria para el diseño de normas legales, políticas públicas; y para el diseño y aplicación de instrumentos de gestión ambiental, así como para el otorgamiento de la certificación ambiental.

1.3.1. Estándares de calidad ambiental para aire Los estándares primarios de calidad del aire consideran los niveles de concentración máxima de los siguientes contaminantes del aire: a) Dióxido de Azufre (SO2) b) Material Particulado con diámetro menor o igual a 10 micrómetros (PM-10) c) Monóxido de Carbono (CO) d) Dióxido de Nitrógeno (N02) e) Ozono (03) f) Plomo (Pb) g) Sulfuro de Hidrógeno (H2S) Deberá realizarse el monitoreo periódico del Material Particulado con diámetro menor o igual a 2.5 micrómetros (PM-2.5) con el objeto de establecer su correlación con el PM10. Asimismo, deberán realizarse estudios semestrales de especiación del PM10 para determinar su composición química, enfocando el estudio en partículas de carbono, nitratos, sulfatos y metales pesados. Para tal efecto se considerarán las variaciones estacionales.

Tabla 01: ECA para aire






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Fuente: MINAM

Instrumentos y Medidas Sin perjuicio de los instrumentos de gestión ambiental establecidos por las autoridades con competencias ambientales para alcanzar los estándares primarios de calidad del aire, se aplicarán los siguientes instrumentos y medidas: a) Límites Máximos Permisibles de emisiones gaseosas y material

particulado b) Planes de acción de mejoramiento de la calidad del aire c) El uso del régimen tributario y otros instrumentos económicos,

para promocionar el desarrollo sostenible d) Monitoreo de la calidad del aire e) Evaluación de Impacto Ambiental. Estos instrumentos y medidas, una vez aprobados son legalmente exigibles.

1.3.2. Estándares de calidad ambiental para suelo

Tabla 02: ECA para suelo

Fuente: El Decreto Supremo N° 002-2013- MINAM






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1.3.3. Estándares primarios de calidad del agua

Tabla 03: ECA para agua

Fuente: MINAM

1.3.4. Estándares de calidad ambiental para ruido Son aquellos que consideran los niveles máximos de ruido en el ambiente exterior, los cuales no deben excederse a fin de proteger la salud humana. Dichos niveles corresponden a los valores de presión sonora continua equivalente con ponderación A. Los Estándares Primarios de Calidad Ambiental (ECA) para Ruido establecen los niveles máximos de ruido en el ambiente que no deben excederse para proteger la salud humana. Dichos ECA’s consideran como parámetro el Nivel de Presión Sonora Continuo Equivalente con ponderación A (LAeqT) y toman en cuenta las zonas de aplicación y horarios. Tabla 04.- D.S. No. 085-2003-PCM que aprueba el Reglamento de Estándares Nacionales de Calidad Ambiental para Ruido

Zona de aplicación

En LA eq T dB(A)

Horario diurno Horario nocturno

Zona de Protección Especial 50 40

Zona Residencial 60 50

Zona Comercial 70 60

Zona Industrial 80 70

Fuente: Decreto Supremo N° 085- 2003-PCM






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2. CENTROS Y FUENTES DE INFORMACIÓN Y MONITOREO DEL

SISTEMA MEDIO AMBIENTAL TERRESTRE Las nuevas tecnologías se pueden aplicar al medio ambiente para mejorar su estudio.

2.1. SISTEMAS DE DETERMINACIÓN DE POSICIÓN POR SATÉLITE (GPS).

El sistema de posicionamiento global (GPS) desarrollado por EEUU con fines militares es ahora ampliamente utilizado con fines civiles. Consiste en 24 satélites que se pueden comunicar con unos aparatos llamados receptores GPS que te permiten medir la posición (longitud, latitud y altitud) en cualquier instante.

Figura 02: imagen de una red de satélites

2.2. TELEDETECCIÓN: FOTOGRAFÍAS AÉREAS, SATÉLITES METEOROLÓGICOS Y DE INFORMACIÓN MEDIOAMBIENTAL La teledetección (tele=distancia; detectar a distancia) es la adquisición de información o la medida de ciertas propiedades de un objeto o fenómeno sin contacto físico con el objeto o fenómeno. Esto se consigue por la aparición de una perturbación (radiación electromagnética, ondas sísmicas, magnetismo, electricidad) en el objeto o fenómeno a estudiar; dicha perturbación es registrada para ser medida e interpretada. La teledetección más común es por radiometría (radio = radiación, metría = medida), que obtiene mediciones utilizando la radiación electromagnética. Principalmente usa la radiación visible (0,4 – 0,7 micras), infrarroja y microondas. En conclusión podemos definir la teledetección como un conjunto de mecanismos, técnicas y procesos para detectar a distancia objetos y sus características mediante el análisis de la radiación electromagnética que emiten o reflejan y que es recogida por sensores adecuados. La teledetección necesita 3 elementos: - Una fuente de radiación (ejemplo el Sol o un radar).






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- Sensor que detecta la radiación que emite el objeto de estudio (generalmente radiación visible reflejada al recibir la luz del Sol e infrarroja emitida al calentarse). El sensor está colocado en sitios como satélites, aviones, barcos, etc. Los sensores pueden ser pasivos o activos dependiendo de si solo reciben un flujo de energía externa a ellos (ellos no la producen sino que reciben el reflejo de la energía luminosa del Sol u otro tipo de energía emitida por los objetos como radiación infrarroja que emiten los cuerpos calientes al liberar calor) o si emiten ellos energía y captan el reflejo de la misma (por ejemplo un radar emite una onda y recibe el rebote de esa onda cuando choca contra un objeto). - Centro de recepción al que envían y en el que recogen la información. Figura 03: muestra imágenes satelitales del paneta

Fuente: fuente de información medioambiental.

Fotografías aéreas: Utiliza la reflexión natural de los rayos solares y se obtiene normalmente, desde un avión. Las fotografías aéreas convencionales aportan imágenes fácilmente interpretables, al corresponder con la visión ocular normal. La fotografía, además del espectro visible, puede recoger radiaciones ultravioletas e infrarrojas cercanas, si se emplean películas y filtros adecuados. Las fotografías más utilizadas son las verticales, pues permiten visión estereoscópica (se ven tridimensionales si se superponen dos fotografías adyacentes que tengan al menos un 60% de recubrimiento); por su parte, las fotografías oblicuas son bastante usadas para obtener imágenes de edificios y ciudades. Figura 04: Imágenes satelitales de los mares y edificios de una ciudad







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Satélites meteorológicos y de información medioambiental: No son fotografías aéreas, las imágenes de satélite representan una forma de captura indirecta (reciben las ondas electromagnéticas que se reflejan o que emiten los objetos, captando radiaciones recibidas fuera del espectro visible) y se almacenan como matrices numéricas. Mediante diversos programas informáticos, estos valores numéricos pueden visualizarse en forma de imágenes, ya sea en escala de grises, en color verdadero o en falso color. Los satélites meteorológicos recogen datos de la atmósfera, la superficie terrestre y el mar, con los que elaboran la información meteorológica y predicciones climáticas. Los principales satélites meteorológicos son las series TIROS y GOES estadounidenses y la serie METEOSAT europea. Los satélites medioambientales recogen observaciones de gran cantidad de variables físicas y químicas de la superficie terrestre y su atmósfera, incluyendo el estado de la vegetación, los recursos y la contaminación. Los principales son la serie LANDSAT y los satélites TERRA y EO–1 que vigilan aerosoles, temperatura, glaciares, contaminación, vegetación, incendios… y los satélites europeos ENVISAT y ERS en estudios oceánicos, meteorológicos, medioambientales (NOx, O3, O2…), exploraciones arqueológicas, análisis de desastres naturales, vigilancia de icebergs. Figura 05: imagen de un satélite captando determinados lugares del planeta.


2.3. SISTEMAS DE INFORMACIÓN GEOGRÁFICA (SIG):

Es un conjunto de programas y equipos informáticos que almacena y gestiona datos de una localidad (área geográfica). Puede analizar los datos para obtener nuevos datos, representaciones gráficas y mapas. Algunas de sus funciones son la gestión de áreas protegidas, catastro, seguir evolución de la vegetación, estudios de impacto ambiental, para gestionar los recursos.






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Figura 06: Datos de una localidad desconocida llevadas al programa SIG


2.4. RADIOMETRÍA:

Una disciplina complementaria de la teledetección es la radiometría, de radio (radiación) y metría (medición), que comprende un conjunto de métodos, basados en los fundamentos físicos de la radiación electromagnética, que permiten obtener información de los objetos o fenómenos estudiados. Sus usos son los vistos en teledetección: estudios de vegetación, contaminación, meteorología.






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3. MECANISMOS DE DESTINO DE CONTAMINANTES EN EL MEDIO

AMBIENTE: El destino de una masa de contaminante que se introduce en un sistema primario se define como la distribución y concentración de ese contaminante desde origen a destino. Por ejemplo, un vertido de aguas residuales de 30 ml/l de concentración DBO puede tener un destino de 1mg/l, 5 kilómetros aguas abajo (desde su salida), donde se ha diluido dentro de la concentración de DBO existente en el río. Puede ser de interés rastrear el cambio en la concentración de ese contaminante desde el punto de vertido hasta 5 kilómetros aguas abajo. De la misma forma, podría resultar interesante determinar la distribución lateral (a través del río) del contaminante para este tramo de 5 kilómetros, además de la distribución vertical a lo largo de la profundidad del río en diferentes secciones del tramo (longitud). En otras palabras, podemos estar interesados en la distribución tridimensional del contaminante en diferentes momentos a lo largo de su recorrido. Ésta es, sin duda, una enorme tarea. A continuación se exponen ejemplos de contaminantes, cuyos destinos se hace necesario conocer:

Contaminantes de chimeneas vertidos a la atmósfera

Contaminantes conservativos vertidos en un sistema ripario

Contaminantes no-conservativos vertidos en un sistema ripario

Agua residual bruta dentro de un reactor bilógico

Fuentes de ruido emitidas en un ambiente urbano

Contaminantes agrícolas dispersos en un acuífero

Aguas residuales industriales vertidas por medio de un emisario marino Los tres mecanismos físicos básicos responsables del transporte de los contaminantes en cuerpos fluidos son: 1. Advección: el transporte originado por el movimiento en masa del fluido (una

propiedad dinámica)

2. Difusión: el transporte no advectivo debido a: a. Movimiento molecular o browniano (a escala microscópica) y b. Movimiento turbulento (en todas las escalas)

3. Flotabilidad: el transporte debido a un gradiente vertical de temperatura.






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4. MODELOS MATEMÁTICOS DE TRANSPORTE DE MATERIA,

CANTIDAD DE MOVIMIENTO Y DE ENERGÍA EN SISTEMAS MEDIOAMBIENTALES. 4.1. CONVECCIÓN, DIFUSIÓN Y ADVECCIÓN.

a) La convección:

Es una de las tres formas de transferencia de calor y se caracteriza porque se produce por medio de un fluido (líquido o gas) que transporta el calor entre zonas con diferentes temperaturas. La convección se produce únicamente por medio de materiales, la evaporación del agua o fluidos. Lo que se llama convección en sí, es el transporte de calor por medio del movimiento del fluido, por ejemplo: al trasegar el fluido por medio de bombas o al calentar agua en una cacerola, la que está en contacto con la parte de abajo de la cacerola se mueve hacia arriba, mientras que el agua que está en la superficie, desciende, ocupando el lugar que dejó la caliente.

La convección en la atmósfera: La convección en la atmósfera terrestre involucra la transferencia de enormes cantidades del calor absorbido por el agua. Forma nubes de gran desarrollo vertical (por ejemplo, cúmulos congestus y, sobre todo, cumulonimbos, que son los tipos de nubes que alcanzan mayor desarrollo vertical). Estas nubes son las típicas portadoras de tormentas eléctricas y de grandes precipitaciones. Al alcanzar una altura muy grande (por ejemplo, unos 12 ó 14 km) y enfriarse violentamente, pueden producir tormentas de granizo, ya que las gotas de lluvia se van congelando al ascender violentamente y luego se precipitan al suelo ya en estado sólido. Pueden tener forma de un hongo asimétrico de gran tamaño; y a veces se forma en este tipo de nubes una estela que semeja una especie de yunque (anvil's head, como se conoce en inglés).

b) Las matemáticas del transporte de materia: difusión-advección El transporte de los componentes mediante advección (agua en movimiento) y difusión depende de las características hidrológicas e hidrodinámicas del medio en particular, por ejemplo, el agua superficial. El advectivo prevalece en el flujo del río que se forma a partir del caudal de la escorrentía superficial y de la entrada de aguas subterráneas. La difusión predomina en los estuarios o en los ríos que experimentan la acción de las mareas. Un contaminante o componente conservativo es aquel que no sufre reacciones biológicas, químicas o físicas, tales como la salinidad. Se asume que muchos componentes son conservativos con el objeto de simplificar los cálculos matemáticos.

https://es.wikipedia.org/wiki/Transferencia_de_calor

https://es.wikipedia.org/wiki/Fluido

https://es.wikipedia.org/wiki/Temperatura







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La simulación de sistemas hidrodinámicos unidimensionales o bidimensionales sobre un promedio de profundidad y una densidad de agua constante se lleva a cabo antes de cualquier simulación de transporte y difusión de masa. Los campos de velocidad producidos por la hidrodinámica se usan como valores de entrada para la simulación del transporte y difusión (calidad del agua). El transporte de masa es el flujo o movimiento de un componente extraño (por ejemplo, un contaminante vertido en el río) de un lugar a otro. La difusión es una función del gradiente de concentración y se da incluso en aguas estáticas. Algunas veces la palabra dispersión se usa como “comodín” para referirse a la difusión y a la dispersión molecular y de remolino debido a la advección (es decir aguas en movimiento). Como tal, cuando el transporte de materia de discute en relación con un fluido en movimiento, generalmente se usa el término dispersión.

4.2. SUBDUCCIÓN Y OBDUCCIÓN, CONDUCCIÓN Y RADIACIÓN TÉRMICAS

a) Subducción:

La subducción de placas es el proceso de hundimiento de una placa litosférica bajo otra en un límite convergente, según la teoría de tectónica de placas. La subducción ocurre a lo largo de amplias zonas de subducción que en el presente se concentran en las costas del océano Pacífico en el llamado cinturón de fuego del Pacífico pero también hay zonas de subducción en partes del mar Mediterráneo, las Antillas, las Antillas del Sur y la costa índica de Indonesia. La subducción es causada por dos fuerzas tectónicas, una que proviene del empuje de las dorsales meso-oceánicas y otra que deriva del jale de bloques. La subducción provoca muchos terremotos

1 de gran magnitud los

cuales se originan en la zona de Benioff. La subducción también causa la fusión parcial de parte del manto terrestre generando magma que asciende dando lugar a volcanes.

El ángulo de subducción, el ángulo que forma el plano de la zona de Benioff con la superficie terrestre, puede variar de cerca de 90° en las Marianas a tan sólo 10° en Perú. La corteza oceánica que está en camino de ser subducida en la fosa de las Marianas es la corteza oceánica más antigua de la Tierra sin contar ofiolitas. La subducción empinada está asociada a extensión de retroarco, provocando la migración de corteza de los arcos volcánicos y fragmentos de corteza continetal dejando atrás un mar marginal.

b) Obducción:

La Obducción hace alusión al "choque de los continentes", es decir, representa un conjunto de procesos que llevan a las "placas de corteza

https://es.wikipedia.org/wiki/Placa_tect%C3%B3nica

https://es.wikipedia.org/wiki/Placa_tect%C3%B3nica

https://es.wikipedia.org/wiki/L%C3%ADmite_convergente

https://es.wikipedia.org/wiki/Tect%C3%B3nica_de_placas

https://es.wikipedia.org/wiki/Oc%C3%A9ano_Pac%C3%ADfico

https://es.wikipedia.org/wiki/Cintur%C3%B3n_de_fuego_del_Pac%C3%ADfico

https://es.wikipedia.org/wiki/Mar_Mediterr%C3%A1neo

https://es.wikipedia.org/wiki/Antillas

https://es.wikipedia.org/wiki/Antillas_del_Sur

https://es.wikipedia.org/wiki/Indonesia

https://es.wikipedia.org/wiki/Dorsal_centro-oce%C3%A1nica

https://es.wikipedia.org/wiki/Dorsal_centro-oce%C3%A1nica

https://es.wikipedia.org/wiki/Subducci%C3%B3n#cite_note-earth-1

https://es.wikipedia.org/wiki/Zona_de_Benioff


https://es.wikipedia.org/wiki/Fusi%C3%B3n_parcial

https://es.wikipedia.org/wiki/Cu%C3%B1a_del_manto

https://es.wikipedia.org/wiki/Cu%C3%B1a_del_manto

https://es.wikipedia.org/wiki/Volcanes



https://es.wikipedia.org/wiki/Ofiolita

https://es.wikipedia.org/wiki/Retroarco

https://es.wikipedia.org/wiki/Mar_marginal






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exclusivamente continental" a colisionar, incrustándose una en otra y creciendo en extensión. La Obducción hace crecer a los continentes como un mosaico, al adherirse diferentes placas continentales a lo largo del tiempo.

c) Conducción de calor:

El segundo principio de la termodinámica determina que el calor sólo puede fluir de un cuerpo más caliente a uno más frío, la ley de Fourier fija cuantitativamente la relación entre el flujo y las variaciones espacial y temporal de la temperatura.

La conducción de calor o transmisión de calor por conducción es un proceso de transmisión de calor basado en el contacto directo entre los cuerpos, sin intercambio de materia, por el que el calor fluye desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura que está en contacto con el primero. La propiedad física de los materiales que determina su capacidad para conducir elcalor es la conductividad térmica. La propiedad inversa de la conductividad térmica es la resistividad térmica, que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor. La transmisión de calor por conducción, entre dos cuerpos o entre diferentes partes de un cuerpo, es el intercambio de energía interna, que es una combinación de la energía cinética y energía potencial de sus partículas microscópicas: moléculas, átomos y electrones. La conductividad térmica de la materia depende de su estructura microscópica: en un fluido se debe principalmente a colisiones aleatorias de las moléculas; en un sólido depende del intercambio de electrones libres (principalmente en metales) o de los modos de vibración de sus partículas microscópicas (dominante en los materiales no metálicos).

d) Radiación térmica

Se denomina radiación térmica o radiación calorífica a la emitida por un cuerpo debido a su temperatura. Todos los cuerpos emiten radiación electromagnética, siendo su intensidad dependiente de la temperatura y de la longitud de onda considerada. En lo que respecta a la transferencia de calor la radiación relevante es la comprendida en el rango de longitudes de onda de 0,1µm a 100µm, abarcando por tanto parte de la región ultravioleta, la visible y la infrarroja del espectro electromagnético. La materia en un estado condensado (sólido o líquido) emite un espectro de radiación continuo. La frecuencia de onda emitida por radiación térmica es una función de densidad de probabilidad que depende solo de la temperatura. Los cuerpos negros emiten radiación térmica con el mismo espectro correspondiente a su temperatura, independientemente de los detalles de su composición. Para el caso de un cuerpo negro, la función de densidad de probabilidad de la frecuencia de onda emitida está dada

https://es.wikipedia.org/wiki/Segundo_principio_de_la_termodin%C3%A1mica

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https://es.wikipedia.org/wiki/Fen%C3%B3menos_de_transporte#Ley_de_Fourier

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https://es.wikipedia.org/wiki/Transmisi%C3%B3n_de_calor

https://es.wikipedia.org/wiki/Objeto_f%C3%ADsico

https://es.wikipedia.org/wiki/Materia


https://es.wikipedia.org/wiki/Propiedad_f%C3%ADsica

https://es.wikipedia.org/wiki/Calor

https://es.wikipedia.org/wiki/Conductividad_t%C3%A9rmica

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https://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_interna

https://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_cin%C3%A9tica

https://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_potencial

https://es.wikipedia.org/wiki/Mol%C3%A9culas

https://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81tomo

https://es.wikipedia.org/wiki/Electr%C3%B3n


https://es.wikipedia.org/wiki/Choque_(f%C3%ADsica)

https://es.wikipedia.org/wiki/Metal

https://es.wikipedia.org/wiki/Fon%C3%B3n

https://es.wikipedia.org/wiki/Fon%C3%B3n

https://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_f%C3%ADsico


https://es.wikipedia.org/wiki/Radiaci%C3%B3n_electromagn%C3%A9tica

https://es.wikipedia.org/wiki/Radiaci%C3%B3n_electromagn%C3%A9tica

https://es.wikipedia.org/wiki/Frecuencia

https://es.wikipedia.org/wiki/Funci%C3%B3n_de_densidad_de_probabilidad

https://es.wikipedia.org/wiki/Cuerpo_negro






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por la ley de radiación térmica de Planck, la ley de Wien da la frecuencia de radiación emitida más probable y la ley de Stefan-Boltzmann da el total de energía emitida por unidad de tiempo y superficie emisora (esta energía depende de la cuarta potencia de la temperatura absoluta). A temperatura ambiente, vemos los cuerpos por la luz que reflejan, dado que por sí mismos no emiten luz. Si no se hace incidir luz sobre ellos, si no se los ilumina, no podemos verlos. A temperaturas más altas, vemos los cuerpos debido a la luz que emiten, pues en este caso son luminosos por sí mismos. Así, es posible determinar la temperatura de un cuerpo de acuerdo a su color, pues un cuerpo que es capaz de emitir luz se encuentra a altas temperaturas. La relación entre la temperatura de un cuerpo y el espectro de frecuencias de su radiación emitida se utiliza en los pirómetros. Finalmente, dejamos una imagen que resume perfectamente los tres métodos de transferencia de calor: conducción, convección y radiación. Figura 07: tipos de transporte de materia.

Fuente: libro de meteorología.

4.3. RADIACIÓN Y CONSTANTE SOLAR SOBRE EL MEDIO AMBIENTE TERRESTRE Y SU INCIDENCIA EN LOS FENÓMENOS METEOROLÓGICOS. a). Radiación solar:

La energía que emite el sol o radiación solar, recibida en la superficie terrestre, es la fuente de casi todos los fenómenos meteorológicos y de sus variaciones en el curso del día y del año. Se trata de un proceso físico, por medio del cual se transmite energía en forma de ondas electromagnéticas, en línea recta, sin intervención de una materia intermedia, a 300.000 km por segundo. Cuando esta radiación alcanza el límite superior de la atmósfera está formada por rayos de distinta longitud de onda:

Los rayos ultravioletas: no son visibles y tienen muy pequeña longitud de onda.

https://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Planck

https://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Wien

https://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Stefan-Boltzmann

https://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Stefan-Boltzmann

https://es.wikipedia.org/wiki/Color

https://es.wikipedia.org/wiki/Pir%C3%B3metro






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Los rayos luminosos: son los únicos visibles; su longitud de onda corresponde al violeta y al rojo, respectivamente, ya que varía entre 0,36 y 0,76 micrones.

Los rayos térmicos o caloríferos: tampoco son visibles y su longitud de onda es mayor de 0,76 micrones. Son los rayos infrarrojos.

La intensidad calorífica de la radiación solar, medida en el límite superior de la atmósfera, es por lo general constante en el tiempo. El valor de la radiación solar para un cm cuadrado, expuesto perpendicularmente a los rayos solares en el límite superior de la atmósfera, es de dos calorías por minuto, aproximadamente. Este valor se llama Constante Solar.

Radiación terrestre: Teóricamente, la tierra se encuentra en estado de equilibrio térmico; esto es, a lo largo del tiempo, su temperatura no aumenta ni disminuye. Esto en la práctica no es necesariamente cierto, y se puede notar claramente en el transcurso de varias decenas, cientos, miles o millones de años, como un cambio climático natural, o como se ha mencionado recientemente, que este equilibrio térmico, a corto plazo, puede estar variando por efecto de la contaminación del medio ambiente. El balance térmico significa que la cantidad de energía radiada al espacio exterior es igual a la energía que entra al sistema terrestre. En la sección anterior se analizó la cantidad de radiación emitida por el sol y la que es interceptada por la tierra; en esta sección se discutirá la emisión de radiación por la tierra, para lo cual se necesita conocer la temperatura de la superficie, y su efecto en el calentamiento de la atmósfera.

b) Constante solar

La constante solar, SO, es la cantidad total de radiación solar (incluidas todas las longitudes de onda del espectro solar) por unidad de área que incide en un plano normal a la dirección de los rayos solares en la parte externa de la atmósfera terrestre a la distancia media entre el sol y la tierra.






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5. ECOLOGÍA AMBIENTAL

5.1. Introducción a la ecología El término Ecología se deriva del griego oikos, casa y logos, tratado estudio. El significado literal sería el estudio de los organismos en su hogar, en el lugar en que viven. La ecología puede definirse como la ciencia que estudia las relaciones de los organismos entre si y con el medio que les rodea. El alemán Ernst Haeckel introdujo el término Ecología en 1869. El señaló a la ecología como la ciencia del mantenimiento de la naturaleza. Haeckel consideró dicho concepto adecuado para hacer efectiva la transacción entre el paradigma del evolucionismo darwinista, de la selección natural de los caracteres de los mejor dotados, como estrategia adaptativa, inscrita en el patrimonio genético de las especies, con su analogía metafórica del organismo social

5.2. CONCEPTOS ECOLÓGICOS Y LOS NIVELES DE ORGANIZACIÓN BIOLÓGICA La ecología es la ciencia ideal para responder a hechos curiosos: ¿Por qué las hojas cambian de color antes de caer del árbol? ¿Por qué los insectos son pequeños? ¿Por qué en los mamíferos sólo hay dos sexos? Ecología es la ciencia que estudia las relaciones de los organismos entre sí y su medio ambiente. El término medio ambiente incluye todos los factores inorgánicos (abióticos) y orgánicos (bióticos), de los cuales depende el desarrollo de un ser vivo. Los factores abióticos pueden ser materiales (suelo, agua) o energéticos (radiación solar) (Fig. 2). Los factores bióticos son otros organismos. Los ecólogos son científicos que estudian la distribución y abundancia de las especies y sus relaciones con el ambiente.






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Fig. 2: Factores abióticos y las interacciones entre sí.

Ecología es la ciencia que estudia las interacciones de los organismos vivos y su ambiente. La ecología humana es el estudio de los ecosistemas desde el punto de vista de la forma en que afectan a los seres humanos y en la que resultan afectados por ellos. La ecología humana incluye conocimientos de muchas ramas del saber: aspectos químicos, económicos, políticos, sociales, éticos, y también estrictamente biológicos. Los ecólogos tratan de organizar el conocimiento humano acerca de las interacciones que se presentan en la naturaleza y desarrollan modelos que simplifican la realidad determinando las variables que parecen ser claves en una situación dada. Una buena teoría o modelo, integra en forma consistente y ordenada varias referencias separadas. Esto permite a los científicos hacer predicciones sobre el futuro. Los modelos pueden ser gráficos, verbales y los más elaborados se basan en fórmulas matemáticas o estadísticas.






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Figura 3: Espectro de los niveles de organización (según Odum, 1971)

5.3. La jerarquía ecológica Los diferentes niveles de organización del espectro biológico (Fig. 3) han sido considerados por Odum (1971) como sistemas biológicos. Cuando los componentes bióticos (organismos) y los componentes abióticos interactúan entre sí, a través de un intercambio de materia y energía, se produce un sistema biológico funcional. Cada uno de los componentes bióticos representa un nivel de organización con características propias y funciones propias. Cada nivel es un sistema diferente con complejidades e interacciones que no se pueden predecir a través del conocimiento de otro nivel. Los ecólogos tratan especialmente los sistemas: individual, poblacional, comunidad, el ecosistemas y la biosfera como niveles de jerarquía. Los estudios ecológicos se realizan a diferentes niveles de jerarquía, los cuales incluyen: individuo, población, comunidad y ecosistema. Un individuo es un organismo que fisiológicamente es independiente de otro individuo. Ejemplo: un caracol, una colonia de corales. A nivel individual se trata de entender como un organismo sobrevive bajo condiciones físico-químicas cambiantes y como se comporta el individuo para reproducirse, evitar a los predadores y localizar alimento En un biotopo se encuentra por lo general un gran número de individuos de una misma especie y se conocen como población. Se puede hablar de la población de nícuros que viven en el río Magdalena, de los robles (Quercus humboldtii) en el Parque Chicaqué. Todas las plantas, los microorganismos y los animales de una comunidad interaccionan de diferentes formas (competencia por alimento, por lugares de reproducción, etc).






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Una población es un grupo de organismos de la misma especie, que responden a los mismos factores ambientales y se mezclan libremente unos con otros. A nivel de población se desea conocer como debe ser el tamaño de la población para garantizar que se produzcan suficientes descendientes para permitir que la población persista. También nos interesa saber si en la población hay suficiente variabilidad genética para permitir la adaptación evolutiva a cambios ambientales. Una especie es una población o un grupo de poblaciones que están aisladas genéticamente de otras especies. Aunque en ecología no se incluye el nivel de jerarquía de especie per se, es necesario estudiar las especies, para entender la evolución de los ecosistemas a largo plazo. La biogeografía es el estudio de la distribución y abundancia de especies a través de los continentes u océanos. Los biogeógrafos examinan primero los patrones de distribución de las poblaciones y luego tratan de explicar los mecanismos de los cambios geográficos y climáticos que han afectado la distribución de la especie. En los paisajes colombianos encontramos una variedad de bosques, praderas, sábanas, zonas secas, páramos, ríos etc. Esas áreas albergan diferentes organismos. Igualmente en otras regiones de la tierra encontramos otros paisajes (biotopos), que se distribuyen de manera diferente. Cada biotopo (topos- gr. Lugar) presenta determinadas características ambientales y permite el desarrollo de determinadas especies vegetales y animales. El hábitat de un organismo, es el lugar donde un organismo vive y se reproduce. Los organismos propios de un biotopo constituyen una comunidad o biocenosis. Una comunidad de páramo incluye todas las plantas, animales y microbios que viven en el páramo de Chisacá. La comunidad es un grupo de poblaciones de diferentes especies, que viven en un mismo lugar o biotopo. A nivel de la comunidad se trata de buscar las interacciones interespecíficas que podrían causar cambios en el tamaño de las poblaciones de las especies que conviven en un biotopo. Por ejemplo: una población de predadores podría sobre-explotar una especie presa y luego declinar abruptamente; una especie introducida podría ser más eficientes en usar un recurso limitado y reducir la oportunidad de las especies nativas, cuya población declinaría rápidamente.






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Cuando se considera la comunidad junto con el medio abiótico, se habla del ecosistema. La totalidad de los ecosistemas del planeta tierra forman la biosfera. Se denomina Ecosistema a la unidad básica de interacción organismo-ambiente que resulta de las complejas relaciones existentes entre los elementos vivos e inanimados de un área dada. A nivel de ecosistema estamos interesados en las corrientes marinas, el tiempo reproductivo de las especies y cualquier hecho o factor que explique la estructura total de un ecosistema. Aunque es conveniente dividir el mundo vivo en ecosistemas diferentes, cualquier investigación revela que raras veces hay límites definidos entre éstos y que nunca están del todo aislados. Muchas especies son parte de dos o más ecosistemas al mismo tiempo, o se trasladan de uno a otro como ocurre con las aves migratorias. Al pasar de un ecosistema a otro, se observa una gradual disminución de las de la comunidad del primer biotopo y un aumento de las poblaciones del siguiente biotopo. Los ecosistemas se superponen gradualmente en una región de transición conocida como ecotono (Fig. 4).

Figura 4: Representación esquemática de un ecotono (tomado de Nebel Wright, 1996)

Un ecotono es una zona de transición donde se presentan muchas especies características de dos ecosistemas adyacentes. Algunos ecotonos presentan condiciones peculiares, las cuales les permiten albergar especies vegetales y animales diferentes a la de los ecosistemas adyacentes. Así por ejemplo las áreas pantanosas adyacentes a un ecosistema terrestre y un lago, puede estudiarse como un ecosistema por sus características distintivas.






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La biosfera es el conjunto de seres vivos sobre la tierra y el ambiente en el cual ellos interactúa. El concepto biosfera puede ser muy abstracto, pero en las últimas décadas, se ha comprendido que las interacciones a nivel de la biosfera pueden ser cruciales para el bienestar humano. Por ejemplo la cantidad de carbono en la tierra depende de: las áreas de bosque, la combustión de materiales fósiles, la cantidad de fotosíntesis y la circulación en los océanos. A la atmósfera se le adicionó un exceso de Dióxido de carbono (CO2), el exceso de CO2 puede atrapar calor y causar un cambio global en el clima. Los diferentes niveles de jerarquía no siempre se pueden estudiar separadamente; puesto que ellos interactúan. Por ejemplo: cambios en el clima de la biosfera, pueden afectar la habilidad de un caracol para escapar a su predador; o la eficiencia de la fotosíntesis en el fitoplancton pueden contribuir a un cambio substancial en el ciclo de nutrientes de un ecosistema marino. Por lo tanto los cambios en ciertos niveles de jerarquía pueden afectar niveles superiores o inferiores.

5.4. BIOMAS DE LA TIERRA Ambientes semejantes permiten la evolución de organismos semejantes en forma y función, pero no necesariamente en la herencia genética. Por ejemplo hay desiertos en todos los continentes, menos en la Antártica, Las principales plantas del desierto de cada uno de los continentes tienen una apariencia externa semejante; pero tienen diferente material genético. Los desiertos corresponden a uno de los biomas terrestres y es una clase de ecosistema. Los principales biomas terrestres se muestran en la figura 22. Se presenta una relación estrecha entre los factores abióticos y las formas de vida en los biomas (Fig. 23). Figura 22: Distribución global de los principales biomas terrestres.






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Figura 23. Diagrama simplificado de las relaciones entre la precipitación, la latitud y los biomas terrestres. La figura muestra una correlación entre el clima y la vegetación. Los climas cálidos y húmedos favorecen la productividad y los biomas de esas zonas climáticas tienden a ser muy productivos, si los otros factores como la disponibilidad de nutrientes que las plantas requieren no son limitantes. Los climas fríos y secos no permiten una alta producción primaria; por lo tanto diferentes biomas se caracterizan por ratas diferentes de producción vegetal (Fig. 24). El conocimiento del clima se puede usar para predecir el tipo de vegetación será más probable de encontrar en una región. El conocimiento de las características básicas de los biomas mundiales y las formas de vida en cada uno de ellos, son importantes para planear objetivos ambientales e investigar efectos ambientales. Por ejemplo es posible hacer una correlación entre clima, vegetación y posibles efectos del cambio global en el planeta tierra.






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Figura 24. Geografía de la producción primaria. Los diferentes biomas se caracterizan por ratas promedios de producción diferentes. Los bosques tropicales, los bosques lluviosos templados y los bosques deciduos templados son altamente productivos. Los biomas se nombran de acuerdo a la vegetación que predomina (Ej. Bosque de confieras, sabana); Es decir por la fisonomía de las plantas. O por las condiciones climáticas (desierto frío, desierto cálido).

5.4.1. Tundra

El bioma de tundra se encuentra en el Ártico y en las montañas altas de todas las latitudes. Debido al clima es demasiado frío para los árboles, allí crecen plantas perennes de crecimiento bajo. En el ártico el suelo está permanentemente congelado -permafrost-. Sólo unos pocos cm de suelo se descongelan durante el verano, cuando la luz del sol brilla durante las 24 horas del día. Aunque hay poca precipitación, la tundra ártica baja es muy húmeda; como resultado del mal drenaje del suelo, a causa del permafrost. Las plantas crecen activamente en los suelos inundados durante unos pocos meses al año. La vegetación dominante incluye gramíneas, musgos, líquenes, plantas enanas arrosetadas y las que forman colchones. Cuando el ambiente se vuelve más hostil, la vegetación cambia de los arbustos enanos y gramíneas a musgos y líquenes y finalmente a superficies con rocas desnudas y líquenes dispersos. La mayor parte de animales regresan para el verano al ártico y se van para el invierno o hibernan, durante la mayor parte del año. La tundra alpina tiene días y noches de igual longitud todo el año. En esas altitudes la temperatura nunca es muy alta y la caída de la temperatura por debajo del punto de congelación se dá en las noches claras. Las plantas






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realizan fotosíntesis todo el año y la mayor parte de animales permanecen en el hábitat. La tundra extrema aparece en la Antártica, adonde los principales organismos (líquenes) aparecen esporádicamente en algunas áreas.

5.4.2. Taiga o bosque boreal El bioma de taiga incluye los bosques de clima frío de las altas latitudes y altas altitudes. El invierno en el bosque boreal es largo y muy frío; mientras que el verano es muy corto (Aunque a menudo cálido). El verano corto favorece los árboles siempre verdes, los cuales están listos para realizar fotosíntesis cuando la temperatura se vuelve más favorable en la primavera. La vegetación dominante es la conífera, especialmente abetos, alerces, abedules y pinos. Las especies son polinizadas por el viento. Las semillas se dispersan por viento. Los animales dominantes -insectos, renos y liebres- son herbívoros. Las semillas de las confieran alimentan a una fauna de roedores y aves. Figura. 25: El bioma taiga o bosque boreal.

5.4.3. Bosque deciduo templado El bioma de bosque deciduo templado se encuentra en el este de Norteamérica, este de Asia, Japón, y partes del este de Europa. Estos bosques son un poco más cálidos que el bosque boreal. La vegetación dominante incluye árboles altos deciduos; las especies más comunes son: arces, hayas, robles, nogales y castaños. Estos bosques son de importancia económica, debido a la madera dura de sus árboles, los cuales se usan en muebles. Son los ecosistemas más intervenidos por el hombre; debido a que






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estas regiones han sido las primeras ocupadas por la civilización. Los mamíferos grandes son raros, dentro de los herbívoros están los ciervos, Los animales dominantes son mamíferos pequeños, tales como ardillas y ratones. Las aves migran a este bioma durante el verano, cuando los insectos son abundantes. Los cambios en el color de las hojas son los más conspicuos signos de las estaciones. Los árboles pierden sus hojas durante el otoño y producen hojas durante la primavera. Hay mayor número de especies en este bioma, que en el bosque boreal y muchos árboles presentan dispersión de polen y semillas por animales.

5.4.4. Bosque lluvioso templado El bosque lluviosos templado se presenta bajo condiciones de temperatura moderada, donde la lluvia sobrepasa los 250 cm/año. Estos bosques son raros; ellos se presentan en el hemisferio norte y en el hemisferio sur, en Nueva Zelanda, los árboles dominantes son las confieras. Los árboles presentan alturas mayores de 70 m. Este bioma presenta una baja diversidad de plantas y animales, debido en parte a las condiciones climáticas; y e s de importancia económicas por la presencia de las maderas rojas importantes para estructuras y vigas.

5.4.5. Sabanas El bioma de sabana templada se encuentra en muchas partes del mundo, las cuales son relativamente secas la mayor parte del año. Este bioma es de los que mayor cobertura mundial presenta e incluyen las praderas de Norteamérica, las estepas de Eurasia, las sabanas del este y sur de África y las pampas de Sudamérica. La vegetación dominante son las gramíneas y otras hierbas con flores, muchas de las cuales son perennes y con raíces muy extensas. Gran parte de estos biomas han sido transformados por el hombre en zonas agrícolas. Las gramíneas son las únicas adaptadas a sobrevivir a las perturbaciones, debido a que ellas almacenan gran parte de su energía bajo el suelo y se recuperan rápidamente después de ser quemadas o sobrepastoreadas. Este ecosistema soporta poblaciones grandes de mamíferos herbívoros y las quemas son frecuentes.

5.4.6. Desiertos






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Los desiertos fríos se encuentran en regiones secas de latitud media a alta, especialmente en el interior de los continentes. Los desiertos fríos también se encuentran en zonas de latitud alta, en las zonas protegidas de las montañas. Los desiertos calientes se encuentran entre los 300 latitud norte y 300 latitud sur. En esas regiones, el aire desciende cálido y seco absorbiendo la humedad del ambiente. Los desiertos se encuentran en áreas donde la precipitación es menos de 50 cm/año. Aunque la mayor parte de desiertos, tales como el Sahara, en el norte de África, y los desiertos del suroeste de Estados Unidos, Méjico y Australia, se ubican en latitudes bajas, los desiertos fríos se distribuyen en el macizo de UTA y Nevada y en partes del oeste de Asía. Los desiertos tienen un tipo de vegetación especializada, al igual que los animales vertebrados e invertebrados. Los suelos generalmente tienen abundantes nutrientes, pero poca materia orgánica y requieren sólo agua para volverse productivos. Las perturbaciones son frecuentes en la forma de fuegos y períodos fríos ocasionales, lluvias esporádicas intensas que causan inundaciones. Hay relativamente pocos mamíferos grandes en los desiertos. Los animales dominantes de sangre caliente son las culebras y lagartos. Los mamíferos son pequeños.

5.4.7. Tierras inundadas Este bioma incluye los pantanos de agua dulce, ciénagas, y pantanos de agua salina. Todos permanecen inundados y el suelo está saturado de agua (Fig. 60). El agua crea un ambiente especial en el suelo con poco oxígeno, así que los procesos de descomposición tienen lugar muy lentamente y sólo plantas con raíces especializadas pueden sobrevivir. Las plantas dominantes son: manglares, abetos negros y alerces. Cambios pequeños en la altura del nivel de agua son significativos, ya que permiten que algunas raíces reciban oxígeno y crezcan árboles pequeños; en las áreas más bajas se encuentran musgos y algas. Aunque las zonas inundadas ocupan una porción pequeña de la superficie terrestre, ellas son importantes en la biosfera. En los suelos anóxicos las bacterias anaeróbicas producen metano y sulfuro de hidrógeno, los cuales tienen efectos importantes en la biosfera. Los pantanos de agua salina son áreas importantes para la reproducción de






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muchos animales marinos y contienen gran cantidad de invertebrados y son un recurso importante económicamente.

5.4.8. Bosque lluvioso tropical El bosque lluvioso tropical se encuentra en la región ecuatorial, donde la lluvia excede los 250 cm/año y la estación seca tienen menos de tres meses de duración. Es el más bioma con mayor diversidad de especies de plantas y animales, con más de 500 especies de plantas por km2 y la mayor productividad. Gran parte de las especies son raras, las cadenas alimenticias en esta comunidad es extremadamente compleja. En este ecosistema la mayor parte de los nutrientes se conservan en la vegetación; los suelos son altamente meteorizados y no están en capacidad de soportar la agricultura, sin la aplicación masiva de fertilizantes. En las zonas montañosas del trópico la temperatura disminuye 6 0C por cada 1000 m de elevación. Los árboles presentan una altura menor, sus hojas son más pequeñas, y se presenta mayor número de epífitas -plantas que absorben nutrientes y del aire, y del agua de lluvia. Las actividades antrópicas destruyen el bosque tropical a una rata muy alta; a pesar de que la mayor de organismos propios de este ecosistema no ha sido descrito por los especialistas. Muchos pasan a ser extintos, son que hayamos tenido conocimiento de que algún existieron.

5.4.9. Ecosistemas de agua dulce Aunque los lagos, lagunas, ríos y quebradas representan un porcentaje bajo sobre la superficie terrestre, son críticos para el abastecimiento de agua para la industria, domestico y agricultura y juegan un papel ecológico esencial. Este bioma constituye uno de los principales recursos recreacionales, pero son los que más fácil se contaminan. Las plantas dominantes son las algas, llamadas fitoplancton . A lo largo de las riveras y en zonas someras crecen plantas con flores, como el lirio de agua. La vida animal es generalmente abundante. Las aguas abiertas tienen muchos invertebrados pequeños, llamados colectivamente zooplancton, los cuales pueden ser herbívoros o carnívoros. Los ríos y quebradas son importantes en la biosfera, como los principales transportadores de materiales del continente






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al océano. El agua dulce es importante económicamente para el hombre para la producción de energía, de peces, de aves, para uso domestico y para recreación y deporte. Las zonas de estuario -áreas donde los ríos desembocan en el océano - son ricas en nutrientes y soportan una gran abundancia de peces; además son importantes sitios de reproducción para muchos peces comercialmente importantes.

5.4.10. El bioma marino Todos los océanos están conectados y el agua del océano se mueve de forma circular - en dirección de las agujas del reloj en el hemisferio norte y en contra de las manecillas del reloj en el hemisferio sur. Esos movimientos dispersan a los organismos con pocas habilidades para nadar. Sin embargo la mayor parte de organismos marinos tienen rangos restringidos de distribución, lo que indica se presentan límites ambientales importantes para su distribución en los océanos. Los gradientes verticales y horizontales dividen los océanos en zonas con condiciones físicas distintivas. La temperatura del agua, la presión hidrostática y el abastecimiento de alimento cambia con la profundidad e influencian las distribuciones bióticas (Fig. 26). Para vivir en las diferentes regiones del océano se requiere determinadas tolerancias fisiológicas y atributos morfológicos. Las temperaturas en el océano son barreras a la colonización debido a que muchos organismos son estenotérmicos - están adaptados a un rango estrecho de temperatura. Los cambios de temperatura en combinación con los cambios estacionales en la luz del día determinan las estaciones de máxima productividad primaria.






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Figura 26: Distribución de zonas en el océano.

Zona litoral. Está constituido de áreas expuestas

alternadamente al aire, durante la marea baja y al agua del océano, durante la marea alta. El movimiento constante de agua transporta nutrientes dentro y fuera de esas áreas, debido a lo cual son unos recursos económicos importantes, ya que sostienen muchos organismos. En esta zona se encuentran desde algas gigantes de aguas frías y templadas, hasta arrecifes de corales y esponjas en los trópicos. Cerca al litoral se encuentran centros de reproducción para muchas especies de peces, generalmente de importancia económica. La parte cercana a la playa es la más susceptible a la contaminación por desechos continentales y como principal área recreacional está sometida a una alteración antrópica considerable.

Zona pelágica. Está constituida por el mar abierto. Esas regiones tienden a ser bajas en nitrógeno y fósforo, por lo cual se consideran desiertos químicos con baja productividad y baja diversidad de algas. Se presentan muchas especies animales grandes, pero en baja densidad.

Zona béntica. El bentos es la porción de la base del océano. La entrada primaria de alimento está constituida por materia orgánica muerta que cae desde arriba, las aguas son demasiado oscuras para permitir la fotosíntesis, así que no existen organismos fotoautótrofos.

Zona abisal. Las aguas profundas del océano son frías, oscuras y la vida es escasa. Sin embargo sus aguas son ricas en nutrientes; debido a que numerosos organismos, que mueren en la superficie su hunden. La surgencia de las aguas profundas lleva nutrientes a la superficie, facilitando el incremento de algas y otros organismos. Las surgencias tienen lugar en la costa oeste de Norteamérica, Sudamérica, oeste de África y en la cercanía de los casquetes del Ártico y la Antártica. Las zonas de surgencia constituyen regiones importantes para la producción comercial de peces.

Aberturas hidrotérmicas. Este bioma se encuentra en el océano profundo, donde los procesos de las placas tectónicas crean aberturas de agua caliente con concentraciones altas de compuestos de azufre. Los compuestos de azufre suministran energía para las bacterias chemosintéticas, las cuales sustentan






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bivalvos gigantes, gusanos y otras formas de vida poco comunes. La presión del agua es alta y la temperatura oscila desde el punto de ebullición, cerca de la abertura a los 4 0C, en el océano profundo.

5.5. La tierra El calor de la tierra tiene su origen principalmente del calor del sol y en menor porcentaje de la energía interna de la tierra. La tierra consta de núcleo, manto y corteza terrestre. La corteza terrestre se conoce como litosfera. El centro de la tierra alcanza una temperatura de 5000 0C. El núcleo de la tierra consta en su mayor parte de hierro y níquel y es sólido. La temperatura se reduce desde el núcleo hacia la corteza significativamente. A 40-50 Km de profundidad se encuentra una temperatura de 1000 0C. En la parte superior del manto y la parte inferior de la corteza terrestre se encuentran, a diferentes profundidades masas de rocas líquidas, ricas en gases, las cuales provienen del interior de la tierra. Esas rocas líquidas se conocen como Magma (griego = Masa moldeada). Los sitios donde se acumula el magma se conoce como olla magmática y se encuentran generalmente en el manto superior a 60-100 Km de profundidad. La corteza terrestre tiene un espesor promedio de 30 Km. El manto terrestre 2870 Km y el núcleo (interno y externo) 3471 Km Cuando hay erupciones volcánicas se arroja magma, el cual presenta más de 1000 0 C. La corteza terrestre consta principalmente de SiO2. Gran parte de la energía del interior de la tierra se utiliza para el movimiento de las placas tectónicas.






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Para mayor información, diríjase a: http://hum.amu.edu.pl/~zbzw/glob/glob34e.htm La corteza terrestre se divide en diferentes placas, las cuales se desplazan. La tectónica de placas se puede observar en la figura de la derecha. En la figura se observa la placa de Norteamérica, de Sudamérica, del antártico, la Europea, la Africana, la Indo-australiana, la placa de Nazca y la placa del Pacífico.

Desde el espacio exterior se presenta la siguiente visión del ecosistema terrestre.

http://hum.amu.edu.pl/~zbzw/glob/glob34e.htm






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El 71 % de la superficie terrestre está cubierto con agua. La capacidad de almacenar calor de los océanos es un factor importante para mantener constante la temperatura sobre la superficie terrestre.

5.6. La atmósfera La atmósfera es la cubierta gaseosa que rodea el planeta y se extiende 500 Km arriba de la superficie terrestre, es un sistema dinámico pero bien balanceado. La atmósfera es la máquina de calor que distribuye éste a través del globo y conduce el sistema climático del planeta. La atmósfera es una mezcla de gases que constituyen el aire y está compuesto de 78.1% de N2, 20.9% O2, 0.036% CO2 y numerosos gases traza (Tabla 1). El contenido de vapor de agua en la atmósfera varía de varios por cientos en ambientes húmedos calientes a 10 ppm en frío en condiciones secas. Los gases traza, aunque se presentan en concentración baja son de importancia en muchos de los fenómenos que afectan la ecosfera. Por ejemplo los gases de dióxido de carbono, metano, oxido nitroso y ozono contribuyen al efecto invernadero natural, el cual suministra un clima estable para la biota. El ozono estratosférico cubre la superficie del planeta y protege la vida de las radiaciones ultravioletas. Algunos gases de azufre emitidos a la atmósfera desde la tierra por procesos biológicos tienden a enfriar el planeta, ayudando a regular la temperatura de la superficie terrestre.

5.7. La hidrosfera

La hidrosfera es la parte de la tierra que contiene el agua líquida, vapor y hielo. Ella incluye el agua en los océanos y mares, hielo glacial, agua subterránea, lagos, suelos, atmósfera y ríos. El planeta tiene hidrosfera desde hace 4 billones de años. A través del tiempo geológico el tamaño y forma del océano y los patrones de circulación oceánica han cambiado debido a la distribución del piso oceánico y la deriva continental. Han sido continuos los






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cambios en la composición de la atmósfera, que incluyen el contenido en valor de agua y dióxido de carbono, y cambios en el tipo de nubes y de vegetación. Todos estos cambios afectan la temperatura y el clima terrestre e indirectamente afecta el volumen de la críosfera. Como resultado, el nivel del mar se levantado y caído durante la historia, debido a cambios en el volumen de hielo y por otras razones.

5.8. La litosfera La litosfera es la región más externa de la corteza terrestre sólida, la cual se extiende a una profundidad de casi 100 Km. La litosfera consiste de compuestos inorgánicos naturales, llamados minerales. La litosfera está en contacto con la atmósfera, la hidrosfera y la biosfera y está siempre en un estado de cambio continuo. Los suelos son un sistema biogeoquímico importante de la corteza y son un componente fundamental de la ecosfera. Dependiendo del clima y del material parental se requiere 200-1500 años para formar 2.5 cm de suelo a partir de las rocas.

5.9. La biosfera La biosfera es el principal componente que define la ecosfera. Marte y Venus no tienen una ecosfera; debido a que no hay vida en esos planetas. Sólo la tierra mantiene una ecosfera. En la banda angosta de la ecosfera, la biota secuestra carbón y nutrientes y en interacción con la atmósfera, hidrosfera y litosfera ayuda a mantener el balance del carbono y otros elementos biológicamente reactivos en el planeta. Debido a la importancia de la biota en biogeoquímica, es necesario considerar a los organismos y sus relaciones entre sí y con el componente abiótico






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6. MODELOS DE POBLACIÓN

La dinámica de poblaciones es uno de los temas de mayor importancia para entender el desarrollo temporal y espacial de los grupos de organismos de la misma especie que se desarrolla en distintos ambientes. En términos prácticos, interesa para el manejo de plagas agrícolas, para comprender la epidemiologia de numerosas enfermedades, para estimar densidades pesqueras, para manejar poblaciones silvestres, etc. Para realizar este estudio, en primer lugar definimos lo que es una población. 6.1 Población:

Conjunto de organismos de la misma especie viviendo en un espacio particular en el mismo lapso de tiempo. Están compuestas por individuos capaces de interaccionar entre sí.

6.2 CRECIMIENTO DE POBLACIONES

En esta sección veremos dos modelos de ED que sirven para representar la forma en que evoluciona el número P (t) de habitantes de una determinada población conforme pasa el tiempo t ≥ 0. Es evidente que dicho número P(t) varía con el tiempo, pues en todas las poblaciones se cumple el ciclo biológico nacimiento-crecimiento-reproducción-muerte, sin importar la especie que observemos (pueden ser bacterias, hongos, conejos, animales en peligro de extinción, poblaciones humanas de lugares de todo el mundo...). Lo que más afecta a P (t) son los nacimientos y las muertes, aunque otros fenómenos como la migración (que no consideraremos aquí) también lo afectan. Vale la pena aclarar que P (t) es un número entero, pues representa la cantidad de habitantes (que denominamos población), pero en los casos que estudiaremos a continuación se considera como una función real de variable real, ya que sólo así podemos hacer un modelo con ED.

6.3 MODELOS DE POBLACION Y DE MODELOS DE SISTEMAS FISICOS Con referencia al crecimiento de microorganismos en las aguas residuales podemos escribir:

Donde P es la población real en cualquier momento (t). Usamos X en lugar de P para representar la población microbiana, es decir:

Donde es la tasa de crecimiento o el factor de proporcionalidad. Las unidades

de son . La solución para el modelo de población anterior es:

Donde X0 es la población microbiana en un tiempo cero. La base de muchos sistemas naturales de fluidos, especialmente en procesos de tratamientos de aguas en general y de aguas residuales, pero también de sistemas riparios se puede formar a partir de dos tipos de modelos hidráulicos. Estos son: A. El modelo de reactor de tanque agitado en flujo continuo o reactor de

mezcla completa (RMC).






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B. El modelo de reactor de flujo en pistón (RFP) 6.3.1. MODELO DE REACTOR DE MEZCLA COMPLETA

Consideres un tramo de un rio o de un lago como un proceso de reactor de tanque agitado de flujo continuo. Permítase el vertido continuo de un trazador no reactivo ( o una solución de sal) en dicho tramo. La velocidad del flujo de entrada continuo es Q, mientras que la concentración del trazador afluente es C, el modelo RMC supone que el volumen del fluido en el tramo del río está bien mezclado. Esto significa que no hay gradiente de concentración en dicho tramo. La velocidad del flujo efluente es Q, y la concentración del efluente es C. se necesita conocer el estado de C en el tiempo (es decir, C = C(t) ). Al comienzo, la concentración del trazador en el río es cero. A medida que el tiempo avanza, la concentración del trazador en el río y en la salida va aumentando. Se supone que la concentración de efluente es igual a la concentración en el río (suponiendo que esté bien mezclada). Un balance de masa es: Entrada – Salida – Producción = Acumulación

Donde

Suponiendo que el afluente es un trazador no reactivo, entonces r = 0, para la concentración del afluente y de la cuba, se mantiene C como variable. Nuestro interés se centra en el cambio del valor de la concentración C con el tiempo:

( )

La aplicación del modelo RMC se puede utilizar al evaluar plantas de tratamiento de agua o de aguas residuales donde muchas de las cubas están completamente mezcladas y se pueden modelizar usando una serie de RMC. De forma similar, se puede obtener una análisis preliminar de los componentes vertidos en sistemas riparios si se asume que en el sistema está compuesto por un número discreto de tramos bien mezclados. De forma alternativa, si un efluente se vierte en un lago bien mezclado, también se puede hacer una estimación preliminar de las concentraciones del nivel de contaminación del lago, usando el análisis anterior. Cuando se produce una reacción y, si existen variaciones sobre el índice de dicha reacción, se requiere un análisis más complicado. La respuesta sobre lo que pasa en el tramo de rio se puede modelar de forma elemental mediante la consideración del rio como una serie de RMC bien mezcladas. Como se muestra en la figura 21.3






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FUENTE: Imagen extraída del libro de INGENIERIA AMBIENTAL – GERARD KIELY

6.3.2. MODELADO DE REACTOR DE FLUJO EN PISTÓN (RFP) Una característica del modelo de reactor de flujo en pistón es la existencia de un gradiente de concentración longitudinal. Se supone que no hay gradiente de concentración lateral a lo ancho del reactor. Tal y como se usa en el sistema de tratamiento biológico de lodos activados de las aguas residuales, en el extremo superior se introduce una entrada continua de un componente. A medida que el pistón de aguas residuales se mueve a través del reactor longitudinal, se diluye de tal forma que cuando abandona el extremo de la corriente abajo, se purifica. El sistema de flujo en pistón es la disposición más frecuente del modelo de lodos activados en aguas residuales, pero a igual que para el modelo RMC, puede usarse como una técnica de modelización de la calidad del agua de los ríos. Considere de nuevo el tramo de un rio donde se introduce un trazador agua arriba. Suponga un modelo de flujo tipo pistón y determine la concentración del trazador en la salida. Un balance de masa en el

volumen elemental ΔV = AΔrx, como se representa en la figura 21.13.

FUENTE: Imagen extraída del libro de INGENIERIA

AMBIENTAL – GERARD KIELY






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7. AVANCES Y DISPONIBILIDAD DE TECNOLOGÍA DE

TELEDETECCIÓN, TRASMISIÓN Y PROCESAMIENTO DE DATA PARA LA MODELACIÓN, SIMULACIÓN Y MONITOREO DE SISTEMAS AMBIENTALES.

7.1. TELEDETECCION: La teledetección o percepción remota (en inglés Remote Sensing) es una disciplina científica que integra un amplio conjunto de conocimientos y tecnologías utilizadas para la observación, el análisis, la interacción de fenómenos terrestres y planetarios. Sus principales fuentes de información son las medidas y las imágenes obtenidas con la ayuda de la plataforma aérea y espacial. La adquisición de información entre el objeto observado y el captador. El portador de esta información es la radiación electromagnética, esta puede ser emitida por el objeto o proceder de otro cuerpo y haber sido reflejada por este. Todos los cuerpos emiten radiación electromagnética; la cantidad y tipo de esta radiación emitida depende fundamentalmente de su temperatura. El objetivo fundamental de la teledetección es el de analizar las características de la radiación que abandona la superficie terrestre, y que es captada posteriormente por un sensor situado en un satélite. El análisis de esos datos, permite determinar qué elementos y factores ambientales las han producido.

7.1.1 Características de los datos de Teledetección

El conjunto de los datos adquiridos mediante procedimientos de Teledetección de aviones o naves espaciales comprenden siempre tres tipos de información (Goillot, 1976): 1. Una información espacial que representa la organización en el espacio

físico de los elementos que constituyen la imagen. 2. Una información espectral que caracteriza y puede conducir al

conocimiento de la naturaleza de la superficie terrestre. 3. Una información temporal que permite la detección de los cambios

operados en la superficie de la Tierra con el transcurso del tiempo. 7.2. SIMULACIÓN DE SISTEMAS AMBIENTALES

Los modelos de simulación ambiental son herramientas que permiten simular el comportamiento de sistemas complejos a partir de los datos de tipo físico, químico e hidrológico que caracterizan al sistema y de las complejas interrelaciones existentes entre los mismos, formuladas en forma de algoritmos matemáticos. Atendiendo a su tipología las herramientas de simulación se clasifican en modelos analógicos, modelos a escala, modelos matemáticos y modelos






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numéricos. Con la evolución de la tecnología, los modelos de tipo analógico, basados en las similitudes existentes entre dos sistemas físicos para simular a partir de uno de ellos (por ejemplo, un sistema eléctrico) el otro (por ejemplo, un sistema hidrogeológico), están en desuso. Por otra parte, y a pesar de sus ventajas en materia de precisión de resultados, los modelos basados en la realización a escala, ampliada o reducida, de escenarios naturales, tienen una utilización limitada, condicionada por la complejidad que conlleva el mantenimiento de las condiciones que regulan el comportamiento del medio simulado al variar la escala de la modelación, lo que se traduce en modelos de desarrollo costoso y con excesivas rigideces a la hora de variar las condiciones que regulan el comportamiento del sistema modelado.

7.3. MONITOREO AMBIENTAL

El monitoreo ambiental se refiere al grupo de actividades que proporcionan información sobre los factores/componentes y atributos ambientales requeridos por los especialistas en este campo. 7.3.1. Definiciones:

Existen varias definiciones que se han elaborado para indicar lo que se entiende por monitoreo ambiental. Una de las más ampliamente aceptadas corresponde a la reunión intergubernamental de 1971, preparatoria de la conferencia de Estocolmo de 1972. En esa reunión se definió el monitoreo como: un sistema continuo de observación, de mediciones y evaluaciones ara los propósitos definidos. Harvey (1981) llevó a cabo un análisis extenso de la terminología usada en relación a monitoreo. Ha demostrado que los términos monitoreo y vigilancia pueden significar cosas bastante distintas ara diferentes usuarios. El uso más común aparenta ser amplio, abarcando tanto monitoreo descriptivo, orientado a problemas, como el monitoreo reglamentario. Monitoreo es la medición repetitiva (Beanlands Y Dunker, 1983) o menos exactamente, las observaciones cualitativas repetitivas. El termino monitoreo de base o monitoreo pre-proyecto puede aplicarse a la medición de variables ambientales durante un periodo representativo de la fase pre-proyecto, antes de que aparezcan alteraciones, para determinar el rango normal de variación del sistema. El termino monitoreo de efectos, se usa para describir la medición periódica de variables ambientales y determinar los cambios atribuibles a la construcción y operación de los proyectos; puede subdividirse en monitoreo operacional o post-proyecto.

Fuente: OMS y OMM. Diseño de programas de vigilancia del aire para zonas urbanas e industriales. OPS, Publicación Científica N°371,1978






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Fuente: OMS y OMM. Diseño de programas de vigilancia del aire para zonas urbanas e industriales. OPS, Publicación Científica N°371,1978

7.3.2. Objetivos del monitoreo La definición del objetivo o de los objetivos en la elaboración de un programa de monitoreo ambiental incide sensiblemente en la selección de parámetros a medir e instrumentos más convenientes.






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8. Sistema GEOSAR-LIDAR y sus aplicaciones

8.1. ¿Qué es un sistema geosar-lidar? Es una tecnología que permite determinar la distancia desde un emisor láser a un objeto o superficie utilizando un haz láser pulsado. La distancia al objeto se determina midiendo el tiempo de retraso entre la emisión del pulso y su detección a través de la señal reflejada. En general, la tecnología lidar tiene aplicaciones en geología, sismología y física de la atmósfera. Esta tecnología aerotransportada, combinada con un sistema inercial y un GPS trabajando en tiempo real permite obtener una mayor densidad de medidas tridimensionales del terreno que cualquier otro sistema conocido LiDAR es el acrónimo de Light Detection And Ranging. También conocido como LaDAR (Laser Detection and Ranging). Ha tenido un rápido desarrollo desde mediados de los 90. Su “modus operandi” consiste en la medición de la distancia que existe entre el sensor y el objetivo. Es un sensor activo monocromático.

Figura N° 01.- Sensores remotos pasivos y activos






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8.2. Principio De Funcionamiento El tiempo que tarda el pulso láser en llegar al objeto con el que impacta y regresar al receptor es transformado en distancia. El resultado de un vuelo es una red irregular 3D de puntos (X, Y, Z) que describe la forma de la superficie en un momento determinado.

Figura N° 02.- Principio de funcionamiento del sistema LiDAR

Fuente.- http://www.sbgmaps.com/lidar.htm

8.3. Comportamiento de LiDAR en zonas forestales En superficies sólidas LiDAR solo tiene un retorno por láser emitido. En el agua la señal del LiDAR topográfico se pierde. En cambio las cubiertas forestales son “semipermeables” para LiDAR. Son almacenados dos retornos por pulsado Figura N° 03.- Retorno (Sistema LIDAR)

Fuente.- http://www.cfr.msstate.edu/florestry/sitl/research/LiDAR






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Figura N° 04.- Retorno (Sistema LIDAR

Fuente.- http://www.dielmo.com • Primer retorno (muchas veces se produce sobre las Copas) • Segundo retorno (algunas veces se produce sobre el Suelo)

Figura N° 05.- Resultado de análisis del sistema LiDAR Estructura de un bosque húmedo analizado mediante LiDAR

Fuente.- Lefsky et al, 2002

8.4. ¿Qué aporta la tecnología LiDAR?? Rápida adquisición de datos y menor probabilidad de estar afectados por

fallos humanos. Procesado automático de los datos.

Facilidad de exportar los datos tratados a un SIG (Sistema de Información Geográfica).

Facilidad de elaborar mapas temáticos (tanto con información del terreno como de los atributos que caracterizan una masa forestal) a diferentes escalas.

Posibilidad de elaborar MDEs (Modelos Digitales de Elevación) y MDSs (Modelos Digitales de Superficie) y MDCs (Modelos Digitales de Copas) de alta resolución.

Extracción del MDE y del MDAM (Modelo Digital de Altura de Matorral) de calidad incluso bajo cubiertas arbóreas.

8.5. Aplicaciones de lidar en el SIG

Light Detection and Ranging (LIDAR), es una relativamente nueva tecnología que en sus inicios se utilizó para el estudio de la atmósfera terrestre, luego se empezó a utilizar en aplicaciones en SIG, dado que mediante la detección de los haces reflejados de las superficies de la tierra se pueden obtener datos digitales del terreno que permiten la creación de Modelos Digitales de Terreno (MDT o DTM en inglés)lo que hace de esta herramienta un elemento que presenta grandes oportunidades para su uso en Sistemas de Información






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Geográfica (SIG), planificación y desarrollo urbano, prevención de desastres, etc. otras aplicaciones del SIG como:

Demostrar el valor de todo el ecosistema de observación de la tierra, desde satélites, hasta antenas y UAV's de manera uniforme e integrada

Cómo la asociación de satélites, sensores y UAVs con otras tecnologías multidisciplinarias puede proporcionar una amplia gama de medidas e incrementar la calidad de los datos

Figura N° 06.- Modelos digitales para la gestión de cuencas hidrográficas a partir de datos LiDAR

Fuente.- Merrik & Co.

8.6. Aplicaciones de lidar en inteligencia geoespacial

La Inteligencia Geoespacial (GEOINT) integra imágenes y datos geoespaciales con otra información de inteligencia para crear productos críticos para la inteligencia, la seguridad y defensa nacional. La conjunción de lidar, SIG e inteligencia geoespacial es muy beneficiosa como para planificación de ordenamiento territorial, entre otros.

Figura N° 07.- La tecnología LiDAR aplicada en Seguridad Nacional

Fuente.-

http://www.esri.es/es/soluciones/defensa-e-inteligencia/inteligencia-geoespcial/

Hoy en día, los SIG fusionan datos geoespaciales con otras formas de inteligencia tales como: la humana (HUMINT), la de señales (SIGINT), de fuentes abiertas (OSINT) y técnica (TECHINT).

EL SIG sirve como plataforma potente y única para integrar y fusionar todos estos tipos de inteligencia en aplicaciones en todos los rincones de la organización






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9. TECNOLOGÍA RISCMASS PARA LA GESTIÓN DE LOS RIESGOS DE

MOVIMIENTOS DE SUELOS. El 2006 se finalizó el proyecto europeo RISCMASS. Sus objetivos eran el estudio de los movimientos del suelo mediante interferometría radar, el estudio geofísico, el establecimiento de una red de nivelación para definir los modelos de los movimientos del suelo, la elaboración de mapas de riesgos y el análisis sobre las políticas de seguros. Se definieron dos zonas de estudio en Italia (Calabria y Sicilia) y una zona de estudio en Cataluña (cuenca potásica). Este proyecto fue liderado por la Región de Calabria (Italia) y participaron el ICC, la Región de Sicilia, la Región de la Basilicata, el CNR-IRPI y la UNINA (de Italia), el NOA (de Grecia) y la Universidad de Alicante. Fue financiado por el FEDER (programa Interreg IIIB MEDOCC). El ICC trabajó sobre una zona piloto (cuenca potásica) analizando la problemática mediante interferometría radar, elaborando estudios geofísicos y estableciendo una red de nivelación. También diseñó e implementó una base de datos y un sistema de información geográfica sobre los riesgos de los movimientos del suelo en esta zona. El ICC y la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) pusieron en funcionamiento un nuevo sistema de radar terrestre para la detección de pequeños movimientos del terreno. Este radar, llamado GB-SAR (Ground Based Synthetic Aperture Radar), puede trabajar en varias bandas frecuenciales, en la banda X (9,65 GHz) y en las bandas C (5,3 GHz) y K (17,5 GHz) mediante acoplamiento. El sensor se mueve sobre un rail de 2 o 6 metros, según sean las necesidades, y va equipado con seis antenas piramidales, dos para una transmisión continua y cuatro para la recepción en configuración polarimétrica inter ferométrica.

Figura N° 08.- Fases del interferograma diferencial.2005

Cada ciclo de color corresponde a un gradiente de desplazamiento de 2.8 cm

Fuente: instituto cartográfico de catalina. 2007

Además tiene un programa continuo de adquisición de datos en diferentes fechas se pueden obtener mapas de subsidencias de gran precisión empleando técnicas de interferometría diferencial radar (DInSAR). “El Proyecto Riscmass Ha Aportado La Definición de Modelos Y Mapas De Riesgos De Movimientos del Suelo Para Dar Soporte A La Planificación Territorial Y Establecer Unas Políticas De Seguros Coherentes Con La Problemática”






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Este proyecto ha permitido analizar los movimientos del suelo en cuencas potásicas y desarrollar una herramienta práctica para la gestión del riesgo de los movimientos del suelo (subsidencias).

Figura N° 09.- Imagen Óptica Obtenida Por el Radar Terrestre

Fuente: Instituto Cartográfico De Catalina

9.1. Análisis De Los Procesos De Subsidencia Las subsidencias son hundimientos lentos del terreno debidos a diferentes causas. La tecnología clásica para registrarlos es la topografía, pero últimamente se han realizado experimentos basados en técnicas de interferometría diferencial radar con resultados suficientemente buenos como para estudiar este tipo de fenómeno por satélite. “Dinsar: Sistema operacional para el control permanente de los fenómenos de subsidencia a un coste reducido” El radar proporciona dos tipos de información: La intensidad del retorno de la señal y una fase relacionada con la distancia entre el sensor y el objeto observado. Esta fase es la información que la interferometría usa para derivar las elevaciones del terreno a partir de dos imágenes tomadas desde posiciones ligeramente diferentes.

Figura N° 10.- Efectos Del Terremoto En Al-

Hoceima Con Medidas Dinsar A Partir De Imágenes De Satélite

Fuente.- instituto cartográfico de cataluña

Cuando estas posiciones son prácticamente las mismas pero en dos momentos separados en el tiempo, se pueden medir las diferencias que se han producido en el terreno causa de corrimientos, terremotos o subsidencias.






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10. MODELOS ETA-SENAMHI Y RAM-SENAMHI.

10.1. LA PREDICCION NUMERICA HIDROMETEOROLOGICA EN EL SENAMHI: El SENAMHI cuenta desde fines del año 2000, con el Centro de Predicción Numérica - CPN, oficina encargada de desarrollar modelos numéricos para el pronóstico del tiempo, el clima y la hidrología de nuestro país, colocándose al nivel de los servicios meteorológicos más modernos del mundo. Este centro nace en el marco del proyecto “Mejoramiento de la Capacidad de pronóstico y Evaluación del Fenómeno El Niño y Mitigación de desastres en el Perú” financiado por el Banco Mundial. Con ello se pretende contar con herramientas objetivas y útiles al momento de realizar el análisis para el pronóstico y consecuentemente prevenirnos de eventos extremos tales como el fenómeno El Niño. El mejoramiento tecnológico brindado por dicho proyecto, ha permitido al SENAMHI incrementar su número de estaciones de trabajo con plataformas UNIX, en las cuales se ejecutan el procesamiento de datos y la generación de información realizada por los modelos numéricos usados en el CPN. Figura N° 11.- Equipos utilizados en el SENAMHI

Fuente.- SENAMHI El CPN agrupa los modelos en tres áreas básicas: Modelos de tiempo, modelos climáticos y modelos hidrológicos. Todos ellos con el objetivo común de detectar en corto, mediano y largo plazo condiciones atmosféricas que evidencien la presencia de un evento como el fenómeno El Niño en nuestro país, permitiendo pronosticar donde y con qué intensidad se presentarían las lluvias más fuertes, o detectando zonas potencialmente inundables ante el






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incremento de los caudales de los principales ríos peruanos, etc. Los productos de los modelos numéricos tienen además una amplia variedad de aplicación de gran confiabilidad y utilidad en la planificación en las áreas de agricultura, transporte comercio, etc.

10.1.1 El Modelo ETA-SENAMHI La implementación del modelo regional ETA en el SENAMHI, se da en marzo de 1999, actualmente este modelo está corriendo operacionalmente una vez al día desde julio del 2000 para dos resoluciones horizontales: 25 Km. en el dominio Perú y 48 Km. en el dominio Sudamérica, utilizando las salidas de los modelos americanos de aviación (AVN) y WAFS como condiciones iniciales y de frontera. La obtención y descarga de las condiciones iniciales vía FTP dura aproximadamente cinco horas y media, mientras que el tiempo de procesamiento es de una hora. Se tiene proyectado que a fines del año 2001, se podrá correr en cuatro procesadores en paralelo, permitiendo reducir este tiempo en una cuarta parte. Asimismo, la adaptación del modelo ETA a la elevada topografía de los Andes, representaba un problema significativo en el cálculo de la precipitación convectiva pronosticada, con la asesoría del Dr. Mesinger (NCEP) se mejoró el pronóstico de lluvias acumuladas con valores más cercanos a lo real y las salidas son generadas en GRADS y publicadas en la web del SENAMHI diariamente. Figura N° 12.- Imágenes del pronóstico de lluvia acumuladas

Fuente: SENAHI

a) El Modelo RAMS El Regional Atmospheric Modeling System (RAMS), es un modelo muy versátil, que permite bajar la resolución a menos de un kilómetro, pudiendo ser aplicado en la simulación de la dinámica de la atmósfera en áreas muy reducidas, desde ciudades hasta plantas industriales o estadios de fútbol. En la actualidad, el modelo está en prueba de operación, habiéndose ya hecho uso de él para estudios específicos a solicitud, en áreas pequeñas y con muy buenos resultados pues permite alcanzar altas resoluciones. Las condiciones iniciales y de frontera son tomadas del modelo AVN, asimismo el esquema de asimilación numérica que posee nos permite incorporar información de la nueva red de estaciones automáticas de radio y de sondaje con las que cuenta hoy en día el SENAMHI. Para






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las salidas generadas además del visualizador GRADS, hemos incorporado el uso del programa VIS5D, el cual nos permite generar campos en tres dimensiones, siendo esto de gran utilidad en las tareas de evaluación de la circulación atmosférica real. Figura N° 13.- Campos en tres dimensiones para la evaluación de la

circulación atmosférica real.

Fuente: SENAMHI

b) El Modelo Climático CCM3 El centro ha implementado el modelo CCM3, el cual es un modelo climático global acoplado océano-atmosférico-tierra, es decir, consta de dos modelos integrados en uno sólo, al cual se le inicializa con temperaturas de agua de mar. La importancia de este modelo es que permite pronosticar con meses y hasta años de anticipación la eventual presencia de un evento extremo de escala global como son el fenómeno El Niño o La Niña, eventos que van desde fuertes sequías a tormentas, permitiendo la planificación de las principales actividades económicas del país. Actualmente, se encuentra en fase de prueba, posee una resolución de 2.8 ° en latitud y longitud y es inicializado con temperatura de agua de mar pronosticada de REYNOLDS. Se han realizado pruebas de validez para años con eventos El Niño. Sin embargo aún queda mucho trabajo por realizar, aplicando técnicas necesarias para mejorar la resolución espacial de este modelo utilizando el “downscaling” con el modelo RAMS y reducir la incertidumbre con el uso de múltiples corridas ensambladas.






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11. MODELIZACIÓN DE UNA CUENCA HIDROGRÁFICA

Antes de discutir sucintamente alguno de los paquetes informáticos de software disponibles para la modelización de una cuenca hidrográfica, es instructivo presentar algunas definiciones de la modelización de este tipo de cuencas.

11.1. Clasificación de los modelos de cuenca hidrográfica Los modelos de simulación hidrológica utilizan ecuaciones matemáticas para calcular resultados como el volumen de escorrentía o el flujo máximo. Estos modelos se pueden clasificar bien como modelos teóricos o como modelos empíricos. Un modelo teórico incluye un grupo de leyes generales o principios teóricos. Si se conocieran bien todas las leyes físicas fundamentales y se pudieran describir por medio de ecuaciones de física matemática, el modelo tendría una base física. Sin embargo, todos los modelos teóricos existentes simplifican el sistema físico y con frecuencia incluyen componentes obviamente empíricos (por ejemplo, la conservación de la ecuación de la cantidad de movimiento usada para describir los flujos de superficie incluye un término empírico de resistencia hidráulica y la ecuación de Darcy empleada en los problemas de subsuelo es una ecuación empírica), por lo que se consideran modelos conceptuales. Un modelo empírico omite las leyes generales y es, en realidad, una representación de datos. Un espectro simplificado de los modelos matemáticos de cuenca hidrográfica se muestra en la figura 21.23. Dependiendo del carácter de los resultados obtenidos, los modelos se clasifican como estocásticos o deterministas. Si una o más de las variables de un modelo matemático se consideran como variables aleatorias que tienen distribuciones en la probabilidad, entonces el modelo es estocástico. Si todas las variables se consideran libres de variación aleatoria, el modelo es determinista (incluso aunque algunos modelos deterministas puedan incluir procesos estocásticos para incorporar la dimensión de la variabilidad espacial y temporal a algunos de los subprocesos, como el de la infiltración).

11.1.1. Modelos de caso contra modelos continuos. Un modelo de caso es aquel que representa un caso singular de escorrentía producido durante un periodo de tiempo que abarca desde aproximadamente una hora hasta algunos días. Las condiciones iniciales en la cuenca hidrográfica para cada caso se deben suponer o determinar por otros medios y ofrecerles como datos de entrada. La precisión del modelo confeccionado puede depender de la fiabilidad de estas condiciones iniciales.






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Aumentando la información física e incrementando la complejidad

Modelo empírico Ejemplo: Ecuaciones de regresión FSR(RU)

Funciones de transferencia de los sistemas lineales. Ejemplo: Hidrograma unitario Métodos SCS.

Modelo de registro de la humedad explícita. Ejemplo: HSPF SHE WATFLOOD

Modelos de procesos. Ejemplo: Ninguno

Figura 21.23 Modelos matemáticos de cuencas hidrográficas. (Adaptado de Linsley, 1976, con autorización.)

Un modelo continuo de cuenca es aquel que funciona durante un periodo de tiempo, determinando los índices de flujo y las condiciones tanto durante los periodos de escorrentía como durante los periodos de no escorrentía superficial. Así, el modelo mantiene un cómputo continuo de la situación de humedad de la cuenca, y consecuentemente, determina las condiciones iniciales aplicables a casos de escorrentía. Al principio del cálculo, se deben conocer o presuponer las condiciones iniciales. Sin embargo, el efecto de la selección de dichas condiciones iniciales disminuye rápidamente a medida que la simulación avanza. La mayoría de los modelos continuos de cuenca hidrográfica utilizan tres componentes de escorrentía: escorrentía directa o superficial, flujo en poca profundidad (inter-flujo) y flujo de aguas subterráneas, mientras que un modelo de caso puede omitir uno o dos de los componentes del subsuelo además de la evapotranspiración.

11.1.2. Alcance del modelo: modelos completos frente a modelos parciales.

Esta clasificación hace referencia a qué partes del ciclo hidrológico están incluidas en el modelo. Los modelos de cuenca hidrográfica completos son modelos para los que la fuente primaria de datos es la precipitación y otros datos meteorológicos y la salida de datos es el hidrograma de la cuenca hidrográfica. El modelo representa con mayor o menor detalle todos los procesos hidrológicos que afectan significativamente a la escorrentía y mantiene el equilibrio del agua solucionando la ecuación de continuidad de la precipitación, la evapotranspiración y la escorrentía (es decir, el ciclo hidrológico):

El solucionar la ecuación del balance de agua aumenta la precisión del modelo y, por lo tanto, constituye una de las ventajas más importantes de los modelos completos con respecto a los modelos parciales.

PRECIPITACIÓN – EVAPOTRANSPIRACIÓN REAL

=

ESCORENTÍA + O - CAMBIO EN EL ALMACENAMIENTO.






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Un modelo parcial representa sólo una parte del proceso global de escorrentía. Por ejemplo, un modelo de retención de agua ofrece los volúmenes de escorrentía, pero no las descargas máximas.

11.1.3. Modelos de parámetro calibrado frente a modelos de parámetro medido. Un modelo de parámetro calibrado es el que tiene uno o más parámetros que sólo pueden evaluarse acomodando hidrogramas informatizados a los hidrogramas observados. Los parámetros calibrados suelen ser necesarios si el componente de la cuenca hidrográfica tiene algún modelo de componentes conceptuales, lo que es cierto para la mayoría de los modelos de cuenca hidrográfica actualmente usados. Por tanto, con un modelo de parámetro calibrado, se necesita un periodo de registro de flujo, generalmente de algunos años, para determinar los valores del parámetro para una cuenca hidrográfica concreta. Un modelo de parámetro medido, por otro lado, es aquel para el que todos los parámetros se pueden determinar satisfactoriamente a partir de las características conocidas de la cuenca hidrográfica, bien por medición o por estimación. Por ejemplo, el área de la cuenca hidrográfica y la longitud del canal se pueden determinar a partir de mapas existentes, las secciones transversales del canal se pueden medir en campo y las características del suelo se pueden determinar en el laboratorio (aunque no fácilmente). Se suelen calcular características como la rugosidad del canal. Un modelo de parámetro medido se puede aplicar a cuencas hidrográficas totalmente faltas de medición y es, por lo tanto, altamente deseable (por ejemplo, el modelo de característica de cuenca del Reino Unido. Sin embargo, el desarrollo de un modelo de este tipo que sea continuo, aceptablemente preciso, y aplicable en general, es una meta que aún no se ha alcanzado.

11.1.4. Modelos concentrados frente a modelos distribuidos. Los modelos concentrados no tienen explícitamente en cuenta la variabilidad espacial de las entradas y salidas de datos o de los parámetros. Están generalmente estructurados para utilizar los valores promediados de las características de la cuenca hidrográfica que afectan al volumen de escorrentía. Promediar un cierto parámetro implícitamente también promedia el proceso que se está representando. Debido a los valores umbral y de no-linealidad, esto puede ocasionar un error apreciable. Los modelos distribuidos incluyen variaciones espaciales en las entradas y salidas de datos y en los parámetros. En general, el área de una cuenca hidrográfica se divide en un número de segmentos y se calculan en primer lugar los volúmenes de escorrentía, por separado para cada segmento. Es necesario tener cuidado al clasificar un modelo de acuerdo con esta categoría. Hay modelos que se han clasificado erróneamente como “Concentrados”, incluso aunque puedan representar la variabilidad espacial subdividiendo la cuenca en segmentos con parámetros “concentrados” representativos para cada segmento (Por ejemplo, HSPF, en el Programa FORTRAN de Simulación Hidrológica de Hydrocomp Inc. California).






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11.1.4. Modelos generales frente a modelos para fines específicos. Un modelo general es aquel que es aceptable, sin modificaciones, para cuencas hidrográficas de varios tipos y tamaños. El modelo tiene parámetros, o medidas o calibrados, que representan adecuadamente los efectos de una gran variedad de características de la cuencas hidrográficas. Con el fin de conseguir esto, generalmente se necesita utilizar modelos conceptuales con parámetros que requieren calibración, Un modelo para fines específicos es aquel que es aplicable a un tipo concreto de cuenca hidrográfica en términos de topografía, geología o uso de la tierra, por ejemplo un modelo de escorrentía urbana, habitualmente, dichos modelos se pueden aplicar a cuencas hidrográficas de diferentes tamaños, siempre que las características de las cuencas sean idénticas. Éste es, con frecuencia, el caso de los modelos de estuario.

11.2. Selección del Model. Al tener una base física, los modelos continuos de registro de la humedad del suelo son los modelos más precisos actualmente disponibles y el HSPF es un modelo de este tipo de lo más amplio. Sin embargo, esto no significa que el HSPF sea el mejor modelo a usar en todas las circunstancias, la decisión de usar un modelo y qué modelo usar es una parte importante de la formulación de un plan de recursos hidráulicos. Si bien no hay reglas claras sobre cómo seleccionar el modelo correcto a utilizar, sí se pueden establecer algunas pautas sencillas. a. El primer paso consiste en definir el problema y determinar qué

información se necesita y qué pregunta se deben contestar. b. Use el método más simple que pueda ofrecer la respuesta a sus

preguntas. c. Use el modelo más simple que le ofrezca la precisión adecuada. d. No intente adecuar el problema al modelo, sino trate de seleccionar un

modelo que se adecue al problema. e. Pregúntese si incrementar la precisión compensa el incremento de

esfuerzo. (Con los avances en la tecnología informática, el coste de ordenador ya no es una cuestión importante.)

f. No olvide las suposiciones que subyacen al modelo empleado y no le conceda mayor relevancia a los resultados de la simulación que la que realmente tengan.

11.3. Generalidades de los modelos de cuenca hidrográfica. La modelización de cuencas hidrográficas se ha desarrollado hasta tal punto que no sólo hay actualmente paquetes de software disponibles al público en acceso no restringido (HSPF, WATFLOOD) sino también hay muchos disponibles comercialmente (SHE y MIKE-SHE). Muchos se desarrollaron para una cuenca hidrográfica concreta y luego se ampliaron para hacerlos “generales”. Los modelos de captación pueden incluir todas o parte de las siguientes capacidades:

Modelar la hidrodinámica y la calidad del agua de la escorrentía superficial del terreno.

Modelar las aguas subterráneas.

Modelar la hidrodinámica y calidad del agua dulce.






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Normalmente se establece un modelo de la superficie terrestre, cuadriculada, topográfica y en tres dimensiones. Dependiendo de los detalles del suelo en las zonas saturadas e insaturadas se puede establecer un modelo tridimensional similar del subsuelo. Se establecen las relaciones de la escorrentía de lluvia y para la verificación del modelo generalmente se necesitan los datos de series temporales de precipitación o escorrentía de arroyos. Además de la hidrodinámica, se puede incluir en el modelo la calidad del agua en las diferentes fases, por ejemplo, agua de lluvia que se transforma en escorrentía superficial o en flujo subterráneo y por ello en corrientes de flujo. Todas las fases tendrán diferente calidad de agua dependiendo de su historial de viaje. Por ejemplo, la lluvia que cae en una zona de cultivo, alta en fósforo, puede re-suspender el fósforo en la escorrentía superficial y llevarlo al arroyo. De forma similar, la lluvia que se infiltra a través de la zona insaturada puede transportar los nitratos con ella a las aguas subterráneas para, finalmente, ser descargados en un arroyo o en un lago. De ahí que se necesiten el estado químico del suelo y la cinética química de la lluvia además del exceso de fertilizantes en la tierra y la infiltración subterránea. Tan detallada modelización de la hidrodinámica y de la calidad del agua es análoga a los modelos fotoquímicos para la contaminación del aire. Mientras que la topografía/geo-metría de los modelos de cuenca de captación se puede establecer en tres dimensiones, el flujo de superficie, el transporte sedimentario/químico y el flujo de corriente suelen se bidimensionales, e incluso muchas veces unidimensionales. Por ejemplo, el HSPF es básicamente un programa unidimensional. Un atractivo de éste es su característica de simulación continua, es decir, es un modelo en régimen no estacionario. En el HSPF, los distintos procesos hidrológicos se representan matemáticamente como flujos y almacenamientos. En general, cada flujo es una salida desde un almacenamiento, normalmente expresada como una función de la cantidad almacenada actual y las características físicas del subsistema. Por lo tanto el modelo global tiene una base física, aunque muchos de los flujos y almacenamientos se representen de manera simplificada o conceptual. A pesar de que esto requiera el uso de parámetros calibrados, tiene la ventaja de evitar la necesidad de dar las dimensiones físicas y las características del sistema de flujo. Esto reduce los requisitos de entrada de datos y confiere al modelo su generalidad. Para la simulación con el HSPF, la cuenca se tiene que representar en términos de segmentos de terreno y tramos o sectores de caudal. Un segmento de terreno es una subdivisión de la cuenca hidrográfica simulada. Los límites se establecen de acuerdo con las necesidades del usuario, pero generalmente un segmento se define como un área con características hidrológicas similares. Para fines de modelado, el agua, los sedimentos y los componentes de calidad de lagua que dejan la cuenca hidrográfica se mueven lateralmente hacia un segmento descendiente o hacia un tramo/volumen de caudal. Un segmento de terreno que tiene la capacidad de permitir suficiente infiltración para influir en la provisión de agua se considera permeable. En caso contrario se considera impermeable. Los dos grupos de segmentos de terreno se simulan independientemente. En los segmentos de terreno permeables, el HSPF modela el movimiento del agua a lo largo de tres caminos: la escorrentía por tierra, las correntías y las aguas subterráneas. Cada uno de estos tres caminos experimenta diferencias en demoras temporales y diferencias en la interacción del agua y sus distintos componentes en disolución. Se emplean diversas zonas de almacenamiento para representar los procesos de almacenamiento que se producen en la superficie terrestre y en los horizontes del suelo. También se incluyen la






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acumulación de nieve y el deshielo, de forma que la gama completa de procesos físicos que afectan a la producción de agua y los componentes de la calidad del agua asociados se puedan aproximar. También se simulan los procesos que se producen en un segmento de terreno impermeable. Incluso aunque no hay infiltración, se produce precipitación, escorrentía por tierra y evaporación y los componentes de calidad del agua se acumulan y se eliminan. Los procesos hidráulicos y de calidad del agua que tienen lugar en la red de canales fluviales se simulan por tramos. La salida de un tramo o de un lago completamente mezclado se puede distribuir en varios objetivos para representar la salida normal, las desviaciones y puertas múltiples de un lago o embalse. La evaporación, precipitación y otros flujos que se producen en la superficie también se representan. El itinerario se hace usando una versión modificada de la ecuación de la onda cinemática. El HSPF es un modelo popular (en los Estados Unidos) que puede simular el caso dinámico continuo o el comportamiento en régimen estacionario de sendos procesos hidrológicos/hidráulicos y de calidad del agua de una cuenca hidrográfica. El modelo es inusual por su capacidad de representar los regímenes hidrológicos de una gran variedad de arroyos y de ríos con razonable precisión. Por ello, las aplicaciones potenciales y usos del modelo son comparativamente grandes e incluyen el trazado de la propagación de avenidas, estudios de drenaje urbano, planificación de cuencas fluviales, estudios de problemas de sedimentación y de erosión del agua y planificación de la calidad del agua de entrada. El modelo SHE del Instituto Hidráulico Danés es un sistema de modelización con una base física, distribuido y determinista para la simulación de todos los procesos hidrológicos principales de la fase terrestre del ciclo hidrológico. Es una modelización del transporte de componentes subterráneos, tridimensional, a través de toda la fase terrestre subterránea, que incluye reacciones químicas, efectos de irrigación y de erosión del suelo. SHE es aplicable a una amplia gama de problemas sobre recursos hidráulicos relacionados con la gestión de las aguas subterráneas y superficiales, la contaminación puntual y no puntual, y la erosión del suelo. Es un modelo capaz para estudios regionales a corto o a largo plazo. La variación espacial en la entrada de datos meteorológicos y las características de la cuenca de captación se representan en el plano horizontal por una red de cuadrículas. Dentro de cada cuadrícula, el perfil del suelo se subdivide en una serie de capas horizontales. La red fluvial se supone que corre a lo largo de los límites de las cuadrículas. El modelo describe los procesos de intercepción, deshielo, infiltración, correntías en las zonas saturadas e insaturadas, evapotranspiración y escorrentía superficial o canales terrestres y de corriente. HEC-1 puede simular los procesos hidrológicos durante los casos de riadas. Aunque en principio destinado para estudiar el flujo inconstante en sistemas riparios, los estudios hidrológicos anteriores también lo incluyen como un programa capaz de modelar una cuenca hidrográfica. Otros programas habitualmente utilizados para el mismo fin son: MITCAT, SWMM, ILLUDAD, STORM, USGS, DWOPER, etc., de los que se puede obtener información en NTIS o en EPA EE UU NTIS son los Servicios de Información Técnica Nacional de los EE UU, con oficinas en todo el mundo. La búsqueda en Internet le dará detalles de los programas disponibles de software para la modelización de cuencas hidrográficas que satisfagan las demandas de la mayoría de los estudiantes.






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12. Modelización de la calidad del agua en los sistemas fluviales

A la hora de analizar y predecir la calidad del agua, puede que se necesite examinar algunos componentes en concreto. Entre los componentes no-conservativos (aquellos que cambian o reaccionan) de interés para la calidad del agua del río están:

Oxígeno disuelto (OD) Demanda bioquímica de oxígeno (DBO) Temperatura Algas como la clorofila Nitrógeno orgánico (N) Nitrógeno amoniacal (NH3-N) Fósforo orgánico Fósforo disuelto Coliformes

Los componentes conservativos también pueden ser de interés y entre éstos se incluyen:

Sedimentos Sólidos disueltos o sales. Metales (Pb, Cu, Hg, Cr, Cd) Trazadores de tinte no-reactivos para fines experimentales.

12.1. La modelización de los componentes conservativos El siguiente ejemplo en el que se determina la concentración de los sólidos disueltos en sistemas riparios se ha adaptado de O”Connor (1976). Los sólidos disueltos conservativos se definen como aquellos que llegan a los ríos procedentes principalmente de fuentes geológicas naturales, por ejemplo, las sales cálcicas. Otros componentes derivados de los estratos incluyen el hierro, el magnesio, el sodio, el potasio, el aluminio, el plomo, el mercurio, et. “Conservativos” quiere decir que los compuestos no son químicamente reactivos. Estos componentes (dando por sentado que no existen fuentes antropogénicas) se introducen en el río a través de las aguas subterráneas. Si se da por supuesto que la contribución de las aguas subterráneas al flujo del río no cambia de forma considerable (incluso en épocas de riada), estas sales disueltas se mantendrán, por lo tanto, constantes a lo largo del año. Considere un volumen de control del río con un flujo a favor de la corriente Q con una concentración de un componente conservativo C. Además se da una entrada lateral procedente de la escorrentía superficial ∆ Qs con una concentración CS.

También existe una contribución de aguas subterráneas con un flujo ∆ Qg . Esto se observa en la Figura 21.19. Nuestro interés radica en determinar el impacto de la escorrentía superficial y de las aguas subterráneas en el flujo principal del río en la calidad del agua y en el flujo. Considere un balance de masa alrededor del volumen de control: Entrada – Salida + generación = acumulación Supóngase que no existe generación, es decir, componentes conservativos.






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Es decir, el producto del flujo por la concentración del total es la suma de las contribuciones de superficie y de las aguas subterráneas. Introduzca






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De esta manera, par aflujos menores que los flujos base, las concentraciones serían esencialmente las de las aguas subterráneas; es decir que en el estío esperamos que hay una alta concentración de sales (si las hay en dichas aguas). Generalmente, los flujos de las aguas superficiales contienen una concentración menor de sales que las aguas subterráneas. Reestructurando la Ecuación (21.87) queda la siguiente manera.

Para aquellos flujos mayores que los flujos base, entonces Para Q˃Q0 indroduzca Q

n

Durante los periodos secos a lo largo del año, cuando no se produce contribución de aguas superficiales, la concentración en el río se debe a las aguas subterráneas y es independiente de la magnitud del flujo, Ecuación (21.88). En otras épocas, la concentración se debe a una combinación de contribuciones tanto de las aguas subterráneas como de las superficiales. La ecuación (21.89) sugiere que, en dichas épocas, la concentración depende de la magnitud del flujo del río. O”Connor (1976) demuestra que la Ecuación (21.89) funciona con un cierto número de ríos en los Estados Unidos sobre una variada gama de magnitudes de flujo. Se remite al lector a este artículo clásico, para más detalles. La Figura 21.20(a), adaptada de O”Connor (1976), muestra la relación del flujo del río con las aguas subterráneas. Se observa que para que Q˂Q0, todo el flujo procede de Qg. Además de Q0, puede haber diferentes contribuciones de Qs, al flujo total. La Figura 21. 20 (b) muestra la relación de la proporción de las aguas subterráneas y el flujo del río con el flujo del río, y la Figura 21.20 (c), la relación de las concentraciones.

12.2. Modelización de los componentes no conservatorios

Los componentes no conservativos son aquellos química o bioquímicamente reactivos. El oxígeno en los ríos o su ausencia se modeló por primera vez por Streeter y Phelps (1925). La concentración de oxígeno en un sistema ripario cambia en el tiempo y en el espacio y depende de una multitud de otros parámetros y componentes. La concentración de saturación del oxígeno disuelto es 14,5 mg/l a 0 °C, 9,0 mg/l a 20°C y 6,0 mg/l a 40 °C. Si el






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agua descansa en reposo en un lago poco profundo, las superficies superiores subirán de temperatura (durante las estaciones cálidas) y por ello el valor de saturación OD dismminuirá. Si se produjera un excesivo suministro de nutriente de fósforo, entonces podrían crecer las algas y generar una demanda del oxígeno, reduciendo así aún más el nivel de oxígeno. Un posterior crecimiento conlleva una mayor reducción de oxígeno, dando finalmente lugar a un lago eutrófico. La DBO de los residuos vertidos en los sistemas riparios genera demandas en los niveles de oxígeno y pueden llevar al oxígeno a niveles demasiado bajos como para soportar la vida acuática (aproximadamente ˂ 3 mg/l). La concentración de OD se representa como el resultado de dos procesos competitivos principales:

Desoxigenación y Aireación

Figura 21.20. Relación entre el caudal del río y (a) agua subterránea. (b) relación de caudal del río subterráneo, y (c) concentraciones de sólidos disueltos.

Fuente: adaptado de O” Connor, 1976. Copyright de la Unión Geofísica Americana.






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- Desoxigenación. Se produce cuando la tasa de fijación de oxígeno

depende de sus concentraciones de DBO remanente:

- Reoxigenación o reaireación. Se produce cuando la tasa de suministro de oxígeno depende del déficit de OD y de un coeficiente de la tasa de reaireación K.






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Esta ecuación diferencial ordinaria de primer orden, lineal y no homogénea (véase Waite, 1977, p. 86) se puede solucionar fácilmente como:






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La Ecuación (21.99) es la ecuación del déficit de oxígeno de streeter-Phelps, y se representa en la Figura 21.22. Normalmente se necesita saber el OD mínimo en el río y ver si éste se hace anóxico o peor. También, a veces, es importante saber la distancia agua abajo estimada antes de que se produzca esta condición fatal. El déficit máximo de oxígeno Dc que tiene lugar a una distancia Xc aguas abajo del punto de descarga se puede calcular estableciendo que Dd/dt=0, es decir.






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Para determinar el tiempo, t, en el que esto se produce, la Ecuación (21.99) se despeja con respecto a t y se resuelve para t:

En la forma presentada anteriormente, el modelo del déficit del oxígeno está incompleto, si bien sirve para conseguir valores iniciales sobre el comportamiento. Otros parámetros que afectan a la relación DBO/OD incluyen los de:

Sedimentación. Fotosíntesis. Resuspensión. Advección. Dispersión.

Una versión más sofisticada de la Ecuación (21.99) a fin de icluir algunos de los parámetros anteriores es:

Donde L es el DBO, C es la concentración OD y La es la tasa de incorporación de DBO a lo largo del tramo del rio. La ecuación de segundo orden, (21.102) se puede resolver analíticamente (una variable dependiente L) para el caso en régimen estacionario simplificado, pero para el caso en régimen no estacionario es habitual usar un esquema numérico bien de diferencias finitas o de elementos finitos. Sin embargo, puesto que la Ecuación (21.103) tiene dos variables dependientes, C y L, no se puede resolver analíticamente, ni siquiera para el caso estacionario. La Ecuación (21.103) se considera acoplable a la Ecuación (21.103) se resuelve para C.

12.2.1. QUAL2: EL MODELO MEJORADO DE CALIDAD DE EPA DE EE UU Este modelo se describe brevemente en las páginas siguientes ya que es de amplia utilización, estando disponible al público en acceso no restringido en EPA de EE UU, en Atenas, Georgia. La ecuación básica resuelta por QUEAL2 es la ecuación unidimensional del transporte por advección-dispersión, que está integrada numéricamente sobre el espacio y el tiempo para cada componente de la calidad del agua. Esta ecuación incluye los efectos de advección, dispersión, disolución, reacciones e interacciones de los componentes, y fuentes y sumideros. Para cualquier componente, esta ecuación es:






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Resolver la Ecuación (21.104) implica en primer lugar escribirla en forma de diferencia finita, en dos pasos. Primero se diferencian los términos advección y difusión con respecto a x, obteniendo.

Los nodos se identifican como i-1, i, i+1, con i como nodo central. En segundo lugar, las derivadas espaciales de los términos de difusión y, a continuación, las derivadas de tiempo de C se expresan en términos de diferencia finita:

La ecuación (21.106) se agrupa de la siguiente forma.

Donde los Coeficientes ai, bi, ci, y zi se definen todos en el manual de QUAL2.La ecuación principal (21.107) representa un grupo de ecuaciones simultáneas cuya solución ofrece el valor de Ci

n+1 (las

concentraciones del componente) para todos los i. Éstos se obtienen en el QUAL2 donde las condiciones de contorno para establecerlos son:

Aguas arriba y Aguas abajo.

La condición de contorno agua arriba es típicamente la concentración en un punto al principio del tramo del río o estuario. La condición de contorno aguas abajo se especifica como:






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Un gradiente de concentración cero, o Una concentración fija del componente aguas abajo (generalmente para cada constituyente) de, digamos, un 10 por 100 de la concentración de descarga aguas arriba. Esto no es diferente de las condiciones de contorno para el reactor de flujo en pistón de la Sección 21.42. En el caso de QUAL2, régimen hidráulico se supone constante y así:

En QUAL2 se usan muchas ecuaciones empíricas como la ecuación de dispersión y se debería consultar el manual QUAL2 (EPA EE UU, 1987). Sin embargo, es interesante hacer notar que se incluyen abundantes detalles sobre las ecuaciones empíricas para entidades concretas. Por ejemplo, la ecuación diferencial del oxígeno disuelto incluida es:

Todos los términos se explican detalladamente en el manual para el QUAL2. Se recomienda que se estudie los pormenores de este programa y su uso, si es posible. Hay muchos programas disponibles para estudios de la calidad del agua dulce. Por ejemplo, el Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los EE UU, 1986) que puede examinar la calidad del agua en embalses y lagos. Sus capacidades para la calidad del agua incluyen dos opciones: Opción A:

1. Temperatura del agua.






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2. Hasta tres componentes conservativos. 3. Hasta tres componentes no conservativos. 4. Oxígeno disuelto.

Opción B.

5. Temperatura del agua. 6. Total de sólidos disueltos. 7. Nitrógeno en nitratos. 8. Fósforo en fosfatos. 9. Fitoplancton. 10. DBO carbonosa. 11. Nitrógeno amoniaco. 12. Oxígeno disuelto.

12.3. Parámetros De Medición De Calidad De Agua

Los parámetros de modelación de la calidad del agua sirven para delimitar los rangos permisibles de múltiples contaminantes en cuerpos de agua. Algunos parámetros acerca de la calidad del agua Tabla N° 01.- Parámetros evaluados






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13. La inteligencia artificial en la Gestión del agua

Recientemente, se han propuesto nuevas técnicas de inteligencia artificial para la resolución de problemas relacionados con el modelado y gestión de sistemas hídricos. Dada la participación e interdependencia de diversos sectores en el agua, como recurso natural, se define una serie de tareas derivada de la aplicación de redes neuronales y lógica difusa.

13.1. Redes neuronales en los sistemas hídricos Una red neuronal es un sistema de procesado de información que pretende replicar el funcionamiento del cerebro humano en cuanto a las operaciones y conexiones existentes entre neuronas. Es una función con parámetros que se ajustan de manera que la salida se similar a la salida medida en una secuencia de datos ya conocida.

13.1.1. Nivel de consumo y calidad de agua potable

a) Predicción del consumo de agua.

Predecir el consumo de agua en una comunidad es complicado, dada la cantidad de factores que influyen. Aafjes (1997) investigo una predicción a corto plazo del consumo de agua comunitario de varias formas: usando un sistema experto tradicional, una red neuronal y por último la combinación de ambos. En su experiencia, Aafjes relaciona datos de consumo de diferentes días dela semana y otros factores como por ejemplo la presión del aire, la radiación global, la temperatura y la precipitación. La exactitud de la predicción del consumo de agua basado en una red neuronal fue satisfactoria. Para la predicción a corto plazo, la comparación del resultado del modelo de redes neuronales (NN) con el resultado del modelo basado en análisis estadístico convencional (ARIMA) demuestra una mejora en los modelos de redes neuronales (NN).

b) Calidad de agua. La valoración de la evolución dela calidad de agua desde el tratamiento en plata hasta su llegada al consumidor es muy importante. Durante el transporte del agua a través de la red de distribución, la concentración de clorina residual garantiza la calidad del agua, microbiológicamente. Zhang y Stanley (1997) investigaron el problema del pronóstico de la calidad del agua cruda que llega a la planta de tratamiento utilizando un modelo de red neuronal. Para satisfacer los cambios en la calidad del agua entrante y proveer agua de alta calidad a los consumidores, ajustando los procesos del tratamiento de una manera óptima, es deseable saber la calidad del agua entrante






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por adelantado. Gracias a investigaciones anteriores se obtuvo como resultado que el color del agua cruda y la turbiedad son los parámetros más importantes que afectan en los procesos del tratamiento.

13.1.2. Saneamiento de agua para el consumo humano a) Control de los procesos de tratamiento del agua.

Se debe determinar numéricamente todas las diferentes reacciones físico-químicas que se producen a pequeña escala, dado que son procesos no lineales. Las descripciones matemáticas no son suficientes para controlar los procesos en tiempo real, de modo que es un experto quien determina la dosis química de diversas fases del tratamiento. Las redes neuronales se utilizan para controlar los procesos de coagulación-floculación-sedimentación y determinar a dosis optima en base a los parámetros de calidad del agua entrante al sistema (Zhang and Stanley, 1999).

b) Identificación de fuentes de contaminación. Gotz (1998) realizo un estudio comparativo para la identificación de posibles fuentes de contaminación de dioxinas en ríos y sedimentos utilizado en red neuronal de kohoen y técnicas estadísticas con muchas variables. Los datos empleados en las clasificaciones eran muestras de fuentes de contaminación posibles a lo largo del rio como pesticidas, fábricas, etc. Que se recogían en forma de muestran del aire, sedimentos, partículas en suspensión, agua superficial, etc.

c) Depuración de aguas subterráneas. La limpieza de un acuífero contaminado es un problema muy complejo y costoso. El método utilizado es el de bombeo y tratamiento. Luego es necesario un sistema que extraiga y devuelva el agua al acuífero una vez haya sido tratada esta. Por lo que las técnicas de optimización se utilizan para determinar las tarifas de bombeo óptimas. Para conseguir estas técnicas de optimización es necesario un modelo de simulación. Maskey (2000) ha investigado la posibilidad de aplicar redes neuronales para replicar el modelo de simulación. El modelo de redes neuronales ha sido entrenado a base de datos de simulación (tarifas de bombeo) para producir el tiempo óptimo de limpieza o coste de limpieza. El resultado obtenido por las redes neuronales demuestra una exactitud razonable. La red neuronal debe ser entrenada en intervalos más finos que con las variables e decisión para producir un resultado exacto.

13.1.3. Aguas costeras

La predicción del nivel de subida de los mares en los puertos es una tarea importante no solo en situaciones de tormenta sino también en tareas de gestión diaria. El sistema de predicción con programas de modelado altamente complejos incluye enorme cantidad de datos y requiere experiencia personal (BREITSHEIDEl, 1998). Entonces, una forma de incorporar estos conocimientos a técnicas de modelado numérico es usar redes neuronales y otras técnicas de inteligencia artificial. la red neuronal ha sido aplicada para predecir el nivel del mar






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y las componentes del viento en determinadas localizaciones, obteniéndose resultados satisfactorios.

13.2. Lógica Difusa En Sistemas Hídricos La lógica difusa es una técnica de inteligencia computacional que permite trabajar con información con alto grado de imprecisión aportando conclusiones de manera simple. En general, la lógica difusa imita como una persona toma decisiones basadas en información con las características mencionadas. A continuación se muestran algunas aplicaciones: 13.2.3. Análisis de calidad de agua.

El problema de calidad del agua tiene muchas incertidumbres inherentes, que lo hacen convenientes para la aplicación de técnicas de lógica difusa. Los estándares de la calidad del agua pueden ser definidos por transiciones suaves desde calidad deseable a nivel inadecuado. Iwanaga (1997) realizo un estudio comparativo entre el uso de lógica difusa y del análisis de la regresión múltiple para analizar la calidad del agua. Este estudio se realizó en Japón. Tras comparar ambos resultados y concluyo que el funcionamiento de la lógica difusa era mejor que el modelo profético convencional.

13.2.2. Clasificación de la calidad del agua. Clasificar la calidad del agua es exactamente una de las tareas principales para el problema de las gestiones de la calidad del agua, particularmente cuando hay un aumento de preocupación por el impacto ecológico de la contaminación del agua. Lee (1997) ha investigado una clasificación de la calidad del agua, su toxicidad y rareza usando el sistema difuso basado en reglas (FRBS: Fuzzy Rule-Based System). El uso del FRBS se compara con el uso de la clasificación normal del sistema experto, ya que se basa en la misma base de reglas. El resultado de la comparación demuestra claramente que el uso de FRBS puede ocuparse del problema absolutamente más cercano a la realidad y puede proporcionar una salida curvada en vez de un gráfico e barras obtenido por el convencional sistema experto, reduciendo así la inexactitud.

13.2.3. Pronostico de sequía. Pongracz (1999) realizo un estudio un sistema FRBM (Fuzzy Rule-Based System) para pronosticar sequias en los EEUU. Este sistema se basa en los datos atmosféricos del patrón de circulación del fenómeno de El niño/southern oscillation (ENSO). En este estudio, se evalúa de forma mensual el sourthern oscillation index (SOI), que es el mejor indicador de los acontecimientos calientes y fríos del ENSO. El índice de indicación de sequía es el palmer modified drought index (PMDI), el cual se basa en el principio de equilibrio entre la fuente de la humedad y la demanda sin la implicación de cambios artificiales. El sistema fue utilizado para 8 divisiones del clima de Nebraska y del resultado obtenido parece ser razonable. La correlación media entre las observaciones y los valores estimados son del 75-80 %. Esto confirma que en la sequía influye una gran cantidad de fenómenos atmosféricos, hidrológicos, agrícolas, que no fueron considerados en el estudio






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