Modelado de Contaminantes en Aire, Agua y Suelo: Fundamentos y Aplicaciones

Modelo de caja de la calidad del aire

Se trata de un modelo simple mediante el cual obtenemos una estimación inicial de la concentración de contaminantes. Su base fundamental es el principio de conservación de la masa de un contaminante dentro de un volumen de control definido como una caja. Para este cálculo, tomamos como referencia un marco fijo bajo un enfoque euleriano.

En este escenario específico, la caja representa el barrido efectuado por un sistema LIDAR con una profundidad de 100 metros (ver Fig. 1). Como se observa en el esquema, existen tres focos contaminantes correspondientes a tres carreteras. El modelo asume las siguientes condiciones:

• El viento entra en el volumen de control a una velocidad U y con una concentración inicial C1.
• El aire sale del volumen a la misma velocidad U, pero con una concentración final C2.
• Las dimensiones de la caja están definidas por L x H x y.

Modelos de dispersión gaussiana

En este modelo, la columna de humo emitida por una chimenea se eleva hasta alcanzar una altura efectiva (H). Esta altura es el resultado de la suma de:

1. La altura física de la chimenea (h).
2. El ascenso térmico y dinámico (Δh), provocado por el momento inicial del humo y la diferencia de temperatura entre los gases de salida y el aire circundante.

A partir de la altura efectiva (H_ef), la pluma de contaminantes se desplaza horizontalmente siguiendo la dirección del viento (eje x) con una velocidad u. Simultáneamente, el contaminante se dispersa en los ejes perpendiculares (y para la horizontal y z para la vertical). Esta dispersión en el plano yz es producto de la turbulencia atmosférica y se modela matemáticamente mediante una distribución gaussiana.

Modelos de diagnóstico Tscreen y ScreenView

El software Screen View 3 implementa el modelo gaussiano de dispersión. Esta herramienta fue desarrollada por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) con el objetivo de ofrecer un método simplificado para estimar las concentraciones máximas de contaminantes a nivel del suelo, basándose en la distancia desde la fuente emisora.

Características principales de Screen View:

• Recomendación oficial: Es el software estándar recomendado por la EPA para realizar evaluaciones iniciales de emisiones (EPA, 1995).
• Requerimientos: Necesita parámetros específicos de la fuente de emisión y datos meteorológicos locales (Bustillos, 2011).
• Versatilidad: Permite modelar escenarios en terrenos simples o complejos, proporcionando resultados en distancias discretas o automatizadas.
• Relación con ISC3: Screen View funciona como una versión de prueba o preliminar del modelo ISC3. Su uso puede optimizar recursos al evitar modelados más complejos si los resultados iniciales son concluyentes (Lakes, 2016).

Modelo del tanque reactor para sistemas bien mezclados

Un reactor de mezcla completa (CSTR) consiste en un tanque equipado con un sistema de agitación que asegura que la masa reaccionante sea totalmente uniforme en sus propiedades físico-químicas. Este sistema opera de forma continua, manteniendo flujos permanentes de entrada (reactivos) y salida (productos).

Bajo este modelo, se asume que la corriente de entrada se mezcla de forma perfecta e instantánea con el contenido del reactor. Por lo tanto, la concentración de la corriente de salida es idéntica a la concentración de la mezcla dentro del tanque.

Modelo de flujo pistón (PFR)

El reactor tubular o de flujo pistón (PFR) se utiliza para modelar la transformación química de compuestos que se transportan a través de sistemas lineales similares a tuberías. En el ámbito ambiental y geológico, un PFR puede representar:

• El cauce de un río.
• La región atmosférica entre dos cadenas montañosas.
• Conductos naturales o de ingeniería por donde fluyen líquidos o gases.

Modelo de DBO para lagunas y corrientes

Se emplean modelos matemáticos de calidad del agua en estado permanente y unidimensional. Estos permiten analizar el oxígeno disuelto (OD), la Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO) tanto carbonácea como nitrogenada, la presencia de coliformes y el comportamiento de sustancias tóxicas (conservativas y no conservativas) en ríos.

Herramientas destacadas:

• Software del CEPIS (1995): Capaz de analizar situaciones anaeróbicas con interfaz gráfica, reemplazando a los antiguos modelos RIOS II, RIOS III y SIMOX.
• MULTI-SMP: Desarrollado por Limno-Tech, Inc. (1992) para la EPA. Es un modelo fácil de usar para evaluar el oxígeno disuelto y la toxicidad amoniacal en corrientes hídricas.

Modelo de Streeter-Phelps para el déficit de oxígeno

El modelo de Streeter-Phelps es una ecuación fundamental que relaciona los dos mecanismos principales que determinan la concentración de oxígeno disuelto en un cuerpo de agua superficial tras recibir descargas de aguas residuales:

1. Descomposición de la materia orgánica: Proceso que consume oxígeno.
2. Aireación: Proceso de transferencia de oxígeno desde la atmósfera al agua.

Este modelo es aplicable tanto para fuentes puntuales como para fuentes difusas.

Descripción del ambiente subsuperficial

Desde una perspectiva geológica, el medio poroso está integrado por formaciones consolidadas (rocas) e inconsolidadas (sedimentos). La capa más externa es el suelo, cuya formación comienza con el intemperismo o meteorización de la roca madre.

La evolución del suelo depende de factores como:

• Acciones climáticas y procesos geoquímicos.
• Dinámica del agua y actividad biológica.
• Topografía y material de origen.

El suelo es una mezcla compleja de materiales orgánicos e inorgánicos. La fracción inorgánica se clasifica según su textura (arcilla, limo, arena). En términos mineralógicos, las arcillas predominantes suelen ser silicatos.

Transporte de soluto por advección

Transporte de soluto por difusión