Modelado matemático y simulación de la calidad del agua en los ríos

Resumen

MODELADO MATEMÁTICO Y SIMULACIÓN DE LA CALIDAD DEL AGUA EN LOS RÍOS RESUMEN El principal objetivo de esta tesis consiste en el diseño, desarrollo y verificación de nuevas herramientas matemáticas para la simulación de la calidad del agua en los ríos. Con este fin, la presente tesis propone un modelo de calidad de agua en ríos basado en las transformaciones bioquímicas del River Water Quality Model 1 (RWQM1) y dos modelos hidrodinámicos de diferentes grados de complejidad. El primero, incorpora un modelo hidrodinámico complejo desarrollado a partir de las ecuaciones completas de Saint Venant y el segundo, un modelo hidrodinámico simplificado basado en tanques en serie que reproduce la hidrodinámica del río de forma rápida y sencilla disminuyendo la carga computacional. Asimismo, el modelo de calidad incorpora un método automático de calibración adaptado de un trabajo de investigación llevado a cabo en el CEIT y basado en el método Generalized Likelihood Uncertainty Estimation (GLUE) y en la inferencia bayesiana. El método además de aportar el valor óptimo de los parámetros de calibración, aporta un análisis de sensibilidad del modelo y cuantifica la incertidumbre alrededor de los resultados de simulación. Siguiendo estas pautas, se presenta la descripción completa de los modelos matemáticos propuestos. Igualmente, se detallan las características de los modelos hidrodinámicos complejos y simplificados y se describe el modelo de calidad. Este último incluye el submodelo de transporte de contaminantes y de transformaciones bioquímicas que tienen lugar en los medios receptores. Posteriormente se describen los métodos de resolución numérica utilizados en cada uno de los modelos y el procedimiento de calibración basado en el método GLUE. Las aplicaciones informáticas desarrolladas han sido verificadas y calibradas en diferentes escenarios de simulación. En esta línea, la plataforma de simulación CalHidra se ha aplicado a la cuenca del río Tajo, ajustando dos parámetros de transporte: el Factor de Transporte de Particulados y el coeficiente de transferencia de oxígeno de la atmósfera al cauce . Su capacidad predictiva ha sido analizada en un tramo de 233 km de los ríos Manzanares, Jarama y Tajo que recibe los vertidos de las principales depuradoras de Madrid. En esta misma plataforma, se ha incorporado el método automático de calibración basado en la metodología GLUE y en la inferencia bayesiana y aplicado a 10 km del río Urola. La plataforma de simulación WEST® ha sido utilizada para la implementación del modelo hidrodinámico simplificado y la versión reducida del modelo de calidad RWQM1. En dicha plataforma se lleva a cabo la simulación de un tramo del río Ebro, donde se muestra el comportamiento del modelo hidrodinámico y se constata su rapidez y eficacia computacional. Además se presenta una metodología que permite caracterizar los componentes del modelo de calidad en el influente, aplicado al mismo tramo del Ebro. Asimismo, se comparan las diferentes aproximaciones hidráulicas aplicadas al río Arros y al colector de Riera Blanca. La tesis finaliza con las principales conclusiones del trabajo de investigación, la bibliografía utilizada y los apéndices que proporcionan información adicional, facilitando la comprensión de los contenidos.