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Modelado hidrodinámico de la zona costera: herramientasavanzadas de modelado para la optimización de soluciones en lasestrategias de mitigación de proliferaciones de algas.
Pablo Carratalá, Carlos Peña, Raúl Martínez, Jose vilarroig, Sergio Chiva
Ricardo Torres
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Retos-Colaboración del programa Estatal de Investigación, Desarrollo eInnovación Orientada a los Retos de la Sociedad, en el marco del Plan Estatal deInvestigación Científica y Técnica y de Innovación 2013-2016
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Índice
1. Introducción2. Modelado Hidrodinámico de la zona costera3. Modelado del efecto de las algas4. Modelado de las soluciones actuales5. Conclusiones y planes futuros
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Introducción
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Introducción
Proliferación de algas:Proliferación y/o acumulación
de algas a concentraciones enlas que producen daños a losecosistemas acuáticos, losrecursos costeros o suponen unriesgo sanitario.
Fuente: Basterretxea G
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Introducción¿Porque ocurre ? Fenómenos Físicos
• Fenómeno costero de carácter local
• Favorecido en condiciones de veranoy poco viento
• Aguas someras con renovaciónrestringida
• Hidrodinámica (corrientes yturbulencia)
• Meteorología y clima
• Interacciones a nivel de ecosistema
Fuente: Basterretxea G
La hidrodinámica, la geografíay las condiciones marinastiene una gran influencia
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Introducción¿Porque ocurre ? Bioquímica
• Nutrientes desde el litoral:principalmente de N y P
• Temperatura, Salinidad
• Tipo de sedimento
• Variaciones diurnas debiomasa por migración vertical
• Eutrofización
Fuente: http://www.recercaenaccio.cat
La bioquímica asociada a las algas ha de tenerse en cuenta
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Introducción¿Se puede comprender la proliferación?
• ¿ Se puede modelar con detalle la hidrodinámica de la zona afecta ?▪ ¿Se puede utilizar los métodos tradicionales de modelado en zonas
costeras ?
• ¿ Se conoce bien el comportamiento de las algas, su ciclo de vida ?▪ ¿Existen modelos que permitan predecir el comportamiento de las
algas en función de los factores que les afecta?
• Las soluciones que se aporten. ¿ se pueden modelar para realizardiseños eficientes y adecuados para cada caso ?
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Modelado Hidrodinámico de la zona costera
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Caso de Estudio: playa de Palmira
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Estudio del viento
(Julio 2017) (Agosto 2017)
Condiciones de contornoCaso de Estudio: playa de Palmira
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Estudio de las corrientes
(Julio 2017) (Agosto 2017)
Caso de Estudio: playa de PalmiraCondiciones de contorno
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• Geográficos
• Meteorológico
datos disponibles
• DHI MIKE-21
• FVCOM
• SWAMSoftware
•Oleaje
•Corrientes
• trasporte de sedimentos
• transporte de contaminantes
• trasporte de partículas
•efecto de contaminantes disueltos
•DBO, oxígeno disuelto u otros químicos
Resultado
Aproximación ClásicaModelo de propagación del oleaje
* Fuente: SAMS, 2017 https://youtu.be/GI6F0MsQoQ8
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Modelado de la playa de PalmiraAproximación clásica: FVCOM
Resolución mínima : 3 mResolución máxima: 120 m
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Modelado de la playa de PalmiraAproximación clásica: FVCOM
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
1-3
6-3
11
-3
16
-3
21
-3
26
-3
31
-3
Marea ( marzo-2017)
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Modelado de la playa de PalmiraAproximación clásica: FVCOM
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Modelado de la playa de PalmiraAproximación clásica: FVCOM
• El modelado clásico ofrece muy buenos resultados: bien validados
• Puede contemplar grandes áreas de estudio
• Puede incorporar proceso bioquímicos, salinidad, temperatura,trasporte de contenientes.
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• La resolución espacial no es suficiente paracaptar la hidrodinámica en detalle cerca de lazona costera
• El modelo suele ser 2D, no se detalla ladimensión vertical
• No se sencillo añadir elementos como bombas,u otros equipos.
• No se sencillo incluir el movimiento de lasmicroalgas
Limites de la aproximación estándar
* Fuente: SAMS, 2017, https://youtu.be/I-MP7u_INy4
Modelado de la playa de PalmiraAproximación clásica: FVCOM
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• La nueva metodología comparteen gran parte la misma filosofíaque la aproximación clásica.
• Condiciones de contorno:mediante la aproximación clásica
• Se añade la simulación detalladamediante CFD de la zona costeraa estudiar.
Condiciones de contornoproporcionado por la aproximaciónclásica
Aproximación con CFDModelo de propagación del oleaje
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Modelado de la playa de PalmiraAproximación CFD
Resolución: 10 cm
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Modelado de la playa de PalmiraAproximación CFD
Efecto de las olas ante cambios de pendiente
Velocidad
Velocidad
Velocidad
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Aproximación con CFDModelo de propagación del oleaje
• Representación Geométrica muyrealista
• Se le pueden añadir corrientes denutrientes aportadas desde la costa
• Movimiento vertical de lasmicroalgas.
• Se pueden incluir las solucionestecnológicas que sirvan para mitigarlas PAN , con el ánimo de estudiarsu efecto, y optimizarlas.
Ventajas frente a la aproximación estándar
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Modelado del efecto de las algas
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Inclusión de las microalgasModelo CFD: Consideraciones sobre el efecto de las algas
Mov. Longitudinal + Mov. Transversal = Mov. Orbital
• Estudio de la migración vertical delas microalgas
• Efecto de la hidrodinámica sobre elcomportamiento de la microalga
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•Movimiento longitudinal:
•Movimiento transversal:
El modelo en CFD reproduce correctamente el
fenómeno
Inclusión de las microalgasModelo CFD: Consideraciones sobre el efecto de las algas
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Inclusión de la bioquímica, la radiación solar y la estratificación térmica en la zona costera
Radiación Solar
Estratificación Térmica
• Estudio de la radiación solar , si esnecesario.
• Inclusión del estudio de laestratificación térmica
• Inclusión de modelos bioquímicos paramodelar el ciclo de vida
• Estudio de las corrientes con lavariable temperatura.
Modelo CFD: Consideraciones sobre el efecto de las algas
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• Cuando la radiación solardisminuye, las algasinicial le descenso
• El descenso se producelentamente.
• La presencia de luz solar haceque las algas suban a lasuperficie.
• Se puede reproducir en CFD el ciclo delas algas con los modelos adecuados.
Inclusión de la bioquímica, la radiación solar y la estratificación térmica en la zona costeraModelo CFD: Consideraciones sobre el efecto de las algas
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Modelado de las soluciones actuales
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Soluciones actuales
-Características:• Dimensiones: 60x60x4 metros• Caudal bombeo: 183 m3/h• Velocidad a la salida: 0,21 m/s• Profundidad bomba: 1,5 m • Tiempo de simulación: 3 horasc
Sistema de bombeo: mar abierto / zona de playaRojo: concentración de algasBomba
Comportamiento Idealizado Comportamiento Detallado
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Soluciones actualesSistema de bombeo: mar abierto / zona de playa
Efecto del bombeo sobre las algas
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-Características:• Dimensiones: 370x300x7 metros• Caudal bombeo: 183 m3/h• Velocidad a la salida: 0,21 m/s• Profundidad bomba: 1,5 m • Tiempo de simulación: 4 horas
Sistema de bombeo: múltiples bombas
Rojo: concentración de algasBomba
Bomba
Bomba
Soluciones actuales
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Soluciones actuales
-Características:• Dimensiones: 60x60x4 metros• Caudal bombeo: 183 m3/h• Velocidad a la salida: 0,21 m/s• Profundidad bomba: 0,5 /1,5 m • Tiempo de simulación: 3 horasc
Sistema de bombeo: Profundidad de bombeo
• Profundidad bomba: 1,5 m
• Profundidad bomba: 0,5 m
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Soluciones actualesSistema de bombeo: configuración conjunto bombeo
Configuración con 3 bombas, sentidos alternos:
2 h= 0,5 m + 1 h = 1,5 m
Configuración con 1 bomba : h=1,5 m
-Características:• Dimensiones: 60x60x4 metros• Caudal bombeo: 183 m3/h• Velocidad a la salida: 0,21 m/s• Tiempo de simulación: 3 horas
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Conclusiones y planes futuros• Se ha de mejorar los modelos para predecir el comportamiento
hidrodinámico, combinando la aproximación clásica y CFD, e incorporandola bioquímicas a estos modelos. Estas nuevas estrategias de modeladopodría ayudar a comprender la aparición de los blooms y sucomportamiento en la zona costera.
• Se han de diseñar las estrategias de mitigación con aplicación limitada parano dañar el ecosistema, y ni a la zona de actuación colindante. Los sistemaselegidos han de ser muy eficientes energéticamente.
• Un objetivo ha de ser acercarnos a la predicción y actuar lo antes posibleen su mitigación.
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Sergio Chiva VicentDirector del grupo de Fluidos MultifásicosEmail: [email protected]: +34 964 72 81 41
Universitat Jaume I CIF: Q-6250003-H Av. de Vicent Sos Baynat, s/n 12071 Castellón de la Plana, España
Contacto:
Raúl Martínez CuencaGrupo de Fluidos MultifásicosEmail: [email protected]: +34 964 72 81 41
Modelado hidrodinámico de la zona costera:herramientas avanzadas de modelado para la optimizaciónde soluciones en las estrategias de mitigación deproliferaciones de algas.