Modelos de simulacion de la contaminacion agricola y ganadera

La contaminacion de las aguas causada por una produccion agricola y ganadera intensiva es un fenomeno cada vez mas acusado que se manifiesta, especialmente en un aumento de la concentracion de nitratos en las aguas superficiales y subterraneas, asi como en la eutrofizacion de embalses, lagos, estuarios, etc. Sin lugar a dudas, son las aguas subterraneas las mas afectadas por este tipo de contaminacion.

Fuentes de contaminacion de las aguas subterraneas y superficiales

La sociedad actual se caracteriza por estar cada vez mas concienciada con la problematica ambiental, por lo que exige a sus tecnicos la adopcion de medidas tendentes a salvaguardar y proteger los recursos naturales, asi como a la adopcion de metodos y procedimientos de actuacion que permitan minimizar los impactos ambientales. Si ademas unimos a lo anterior la exigencia de acometer proyectos altamente condicionados por plazos de entrega cada vez mas reducidos, con presupuestos menguantes y con estrictas exigencias tecnicas en cuanto a la calidad de los resultados obtenemos un escenario que propicia la adopcion de herramientas de trabajo que permitan satisfacer la totalidad de estos requisitos. Y los modelos matematicos de simulacion se vienen manifestando como una de las herramientas mas eficaces a la hora de tratar la amplia cantidad de parametros que caracterizan a los procesos naturales asi como a los episodios de contaminacion. Desde el punto de vista de la actividad agraria, los modelos que han venido utilizandose hasta la fecha estan constituidos esencialmente por modelos de hidrologia superficial y modelos de hidrologia subterranea, en ambos casos cubriendo aspectos tanto referentes al flujo como a

la calidad del recurso agua.

La necesidad de considerar el ciclo hidrologico como una unidad y el muy distinto tratamiento que merecen por razones obvias los distintos procesos que lo conforman, especialmente en lo referente a las diferencias entre el ciclo hidrologico de superficie y el subterraneo, suele motivar que en estudios de sistemas medianamente complejos sea precisa la utilizacion de baterias de modelos, mas que el empleo de modelos unicos. Es asi frecuente la combinacion de modelos de hidrologia de superficie que determinan sobre los cauces del area de estudio los niveles hidraulicos y concentraciones quimicas alcanzados en cada tramo para distintas hipotesis con modelos de hidrologia subterranea que integran las conexiones rio-acuifero y sus implicaciones sobre la piezometria y la calidad del agua subterranea. Revisaremos brevemente algunas de las aplicaciones disponibles en la actualidad, poniendo de manifiesto sus posibilidades y limitaciones.

Modelos de flujo

Los modelos de flujo son los que cuentan con un desarrollo historico mayor. Las bases teoricas que los sustentan estan mas desarrolladas y contrastadas, lo que unido a la relativa sencillez del sistema que analizan en comparacion con los modelos de transporte, dan lugar a modelos de gran precision, con una calidad de resultados alta si se respetan escrupulosamente las distintas etapas de desarrollo del modelo enunciadas de forma simplificada en los epigrafes anterior.

Debido a la tradicion historica mas dilatada y, esencialmente, a la politica de precios publicos aplicada a los programas comercializados, las aplicaciones mas extendidas y utilizadas y, por ende, las mas contrastadas y fiables, son las desarrolladas por distintas instancias de la Administracion americana: Agencia de Proteccion Ambiental (EPA, Environmental Protection Agency), Centro de Ingenieria Hidraulica (HEC, Hydrologic Engineering Center), etc. Entre los modelos de hidrologia de superficie, los mas extendidos en relacion al flujo son precisamente los que constituyen la familia de programas HEC (HEC-1, HEC-2 y las revisiones mas actuales de estos mismos programas). El primero de ellos es un modelo que analiza el proceso precipitacion-escorrentia. En funcion de los datos climatologicos de la cuenca y de sus caracteristicas fisiograficas, entre otros parametros, el programa determinada los caudales que escurren en superficie y los que se infiltran, permitiendo identificar adecuadamente estas dos componentes del ciclo hidrologico que tanta trascendencia tienen desde el punto de vista agricola. El programa HEC-2, por su parte, utiliza los caudales calculados por el HEC-1 y procede a trasladar el mismo a

traves de los cauces, determinando en cada tramo de ellos las cotas hidraulicas alcanzadas (curvas de remanso). Los resultados que brindan estos programas constituyen datos de entrada esenciales tanto para los modelos de calidad de aguas superficiales como para los mismos modelos de flujo y calidad de aguas subterraneas. Aun cuando las mas recientes versiones del modelo MODFLOW, que comentaremos mas adelante, incorporan la posibilidad de modelizar este tipo de comportamiento, en los casos en los que se requiere una mayor precision es conveniente recurrir al empleo de estas herramientas al contemplar de modo mas precisos el funcionamiento hidraulico

En materia de hidrologia subterranea, la modelizacion del flujo se complica sustancialmente por un doble motivo: en primer lugar, por la existencia de una zona no saturada y una zona saturada, en las que el movimiento del agua difiere sustancialmente; en segundo lugar, por la complejidad que introduce, a efectos de la modelizacion, la existencia de medios que no puedan considerarse porosos, p.e., areas karstificadas. Los modelos de flujo mas desarrollados contemplan sistemas monofasicos en medios porosos saturados y entre ellos el mas extendido y utilizado, con diferencia, es MODFLOW, con sus diferentes variantes atendiendo a los pre y postprocesadores utilizados (PMWIN, Visual Modflow, ). Desarrollado inicialmente por el Servicio Geologico de los Estados Unidos (USGS, United States Geological Survey), este programa tiene una concepcion modular que facilita la adicion de modulos complementarios desarrollados por terceras partes que den respuesta a situaciones progresivamente mas ambiciosas. El programa admite la definicion geometrica e hidrogeologica de un sistema tridimensional multicapa sometido a una serie de acciones exteriores de caracter natural o antropico (infiltracion de agua de lluvia, retorno de

agua de riego, recarga procedente de otras fuentes, bombeos e inyecciones de agua, conexiones rioacuifero, ).

El programa MODFLOW permite modelizar el flujo de aguas subterraneas en medios porosos saturados. Contempla la posibilidad de definir el emplazamiento a estudiar discretizando el mismo mediante una malla rectangular irregular. El modelo es multicapa, lo que permite realizar una modelizacion tridimensional del emplazamiento llegado el caso. MODFLOW permite igualmente modelizar regimenes estacionarios y transitorios, debiendo en este ultimo caso identificar para el sistema los diferentes periodos de explotacion durante los que varie alguna de las condiciones del sistema.

El area de estudio se define a partir de sus condiciones de contorno y posteriormente a cada una de las mallas que constituyen el modelo se le asignan sus caracteristicas hidrogeologicas (transmisividad, coeficiente de almacenamiento, porosidad, etc). Una vez definida la geometria del modelo y sus caracteristicas hidrogeologicas, se incorporan las acciones externas que pueden estar constituidas tanto por acciones naturales (p.e., infiltracion de agua de lluvia, evapotranspiracion, conexiones rio-acuifero, etc.) como por acciones antropicas (explotacion de campos de pozos, retorno de agua de riego, recarga artificial, ). Tras introducir los datos al modelo y seleccionar el metodo de calculo, basado en la tecnologia de las diferencias finitas, el programa ofrece como resultados los valores de la piezometria en todas y cada una de las celdas del modelo, para cada una de las capas modelizadas y para cada uno de los periodos de explotacion establecidos. El programa ofrece salidas alfanumericas y graficas (dibujo de isopiezas e isodescensos, evolucion temporal de la piezometria en puntos señalados del modelo, etc).

Habida cuenta de los resultados ofrecidos por el programa, es factible su utilizacion para dar respuesta a gran parte de las incognitas asociadas con la actividad agraria: respuesta del sistema frente a una politica de explotacion del acuifero dada, valoracion de alternativas de explotacion, valoracion de la mejora en la garantia de suministro al incorporar politicas de recarga del acuifero, y en definitiva todas aquellas cuestiones que encuentren respuesta en el analisis de la evolucion de la piezometria del acuifero.

Entre las aplicaciones en las que el uso de modelos dista aun de ofrecer resultados totalmente satisfactorios se encuentra la modelizacion de sistemas fracturados. La amplia casuistica que rodea a este tipo de sistemas hace que los modelos disponibles no tengan aun el alto grado de precision asociado a los modelos en medios porosos, salvo en los casos en los que por el tamaño de la fracturacion y su distribucion mas o menos uniforme se puede asimilar el medio fracturado a un medio poroso con conductividad hidraulica equivalente. Se ha avanzado, por el contrario, en la modelizacion de sistemas con porosidad dual, en los que en el seno de material coexisten una matriz mas o menos masiva caracterizada por una porosidad relativamente pequeña con un relleno de porosidad significativamente mayor.

En cuanto a la modelizacion del flujo en la zona no saturada, que tanta trascendencia tiene desde el punto de vista agricola, se ha avanzado notablemente en los ultimos años. La aproximacion mas frecuente a este problema suele consistir en la determinacion de lo que podriamos llamar conductividad hidraulica equivalente de la zona no saturada, que permite hacer una generalizacion de la Ley de Darcy a este medio. Habitualmente, este procedimiento se basa en la incorporacion al modelo de la metodologia de estudio de la zona no saturada desarrollada por autores como Brooks y Corey o Van Genuchten, que permiten relacionar el flujo con el contenido de humedad del medio en un instante dado. El flujo en la zona no saturada tiene una importancia grande desde el punto de vista agricola, al desarrollarse en ella procesos fisicos, quimicos y biologicos de gran trascendencia en relacion con fuentes de contaminacion de origen agrario. En esta zona las posibilidades de modelizacion se complican al ser habitual la presencia de un flujo multifasico: junto con el propio agua coexisten otros fluidos como el aire, gases disueltos de distinta procedencia, etc. Las aproximaciones actuales a este problema suelen pasar por

simplificar el sistema considerandolo bifasico, constituido por agua y aire, esencialmente.

Modelos de transporte o de calidad

Lo modelos de calidad, por su parte, estan teniendo un amplio desarrollo en la actualidad, aunque es justo reconocer que las posibilidades que brindan en el presente aun estan lejos de alcanzar las cotas de precision y credibilidad asociadas a los modelos de flujo.

Aguas superficiales

En materia de calidad de aguas superficiales, el referente es el programa QUAL2 de la EPA, con las variaciones que sobre la misma base han realizado con posterioridad otros organismos y empresas. El modelo QUAL2EU permite simular la evolucion de la calidad del agua en sistemas hidraulicos dendriticos. El modelo fue inicialmente desarrollado en 1970 por la EPA y desde entonces se han realizado diversas versiones, de las cuales la ultima y mas destacable se caracteriza por haber adoptado determinadas funciones especificamente diseñadas para contemplar la casuistica hidraulica de la Comunidad de Madrid, y en particular la abrupta variacion de cotas altimetricas que es frecuente observar en los cauces de los rios de la region en distancias relativamente cortas. El modelo permite la simulacion conjunta de la calidad de hasta 15 parametros fisicoquimicos distintos, entre los cuales se encuentran los siguientes:

* Oxigeno disuelto

* Demanda Bioquimica de Oxigeo (DBO)

* Temperatura

* Algas como clorofila A

* Nitrogeno como nitrogeno organico

* Nitrogeno como amonio

* Nitrogeno como nitritos

* Nitrogeno como nitratos

* Fosforo como fosforo organico

* Fosforo como fosforo disuelto

* Coliformes

* Un constituyente arbitrario no conservativo

* Hasta tres constituyentes arbitrarios conservativos

Para la modelizacion del sistema hidraulico, este se divide en tramos de identicas caracteristicas hidraulicas y cada uno de dichos tramos se divide a su vez en elementos de calculo. Como datos de entrada se debe suministrar al programa informacion de los caudales que circulan por cada tramo, las eventuales aportaciones y detracciones que tengan lugar con inclusion de su calidad fisico-quimica (bien sean puntuales o distribuidas de manera uniforme a lo largo del cauce) asi como una serie de parametros variables dependientes de los comportamientos y/o situaciones hidroquimicas que se desee simular. El modelo tiene en cuenta las interrelaciones que pueden existir entre cada uno de los componentes o comportamientos simulados y considera igualmente los fenomenos de aireacion derivados de la actividad fotosintetica y los que se producen eventualmente tras el vertido a traves de una presa El programa integra toda esta informacion y permite obtener como resultado, para cada uno de los elementos de calculo de cada tramo, los datos hidraulicos y de calidad de los parametros simulados, con indicacion de su evolucion espacial y temporal. Esta informacion se puede obtener de forma grafica e incluso es posible

modelizar su evolucion a lo largo del dia en funcion de las variaciones de soleamiento que se producen y que afectan a su vez a la capacidad de autodepuracion del rio como consecuencia de la actividad fotosintetica de las algas. Desde el punto de vista agricola, a la ventaja obvia que representa el hecho de poder conocer en cada tramo de rio la calidad fisico-quimica asociada se une el hecho de poder establecer conexiones entre este programa y programas de modelizacion de flujo y calidad de aguas subterraneas, con lo que eventualmente podrian estudiarse fenomenos de contaminacion, puntual o difusa, que afecten a ambos medios.

Aguas subterraneas

En materia de calidad de aguas subterraneas, el tratamiento historico fundamental ha atendido a la modelizacion de los compuestos mayoritarios, dando lugar a modelos generalmente monofasicos que tratan compuestos solubles en condiciones, generalmente, de densidad constante. En los ultimos dos años, sin embargo, han empezado a tratarse en profundidad los problemas de contaminacion debidos a compuestos organicos en general e hidrocarburos en particular. Este tipo de contaminacion, desgraciadamente cada dia mas frecuente y presente en la mayor parte de espacios contaminados, da lugar en el caso de las aguas subterraneas a procesos de contaminacion multifasicos (agua, hidrocarburos, gases, ) con fases no miscibles entre si, constituyentes parcialmente solubles aun con solubilidades bajas y en los que la consideracion de condiciones de densidad y viscosidad variables tienen una importante significancia. Por el tipo de problematica asociada a estos procesos, es igualmente necesario tratar la contaminacion en las zonas no saturadas y en la saturada, con lo que el tratamiento se complica de manera notable debido a que los desarrollos de modelos en la zona no saturada estan aun en estado incipiente. Algunas de las

herramientas desarrolladas para este tipo de aplicaciones son los programas HSSM, Biochlor, Bioscreen y Bioplume. Todas ellas estan en la actualidad en proceso de revision constante, habiendo progresado en los ultimos meses de manera notable el conocimiento que tenemos de los fenomenos fisicos implicados y en consecuencia, sus posibilidades de modelizacion.

El comportamiento de los distintos tipos de contaminantes en aguas y suelos es muy dispar e incluso el mismo contaminante puede exhibir comportamientos muy diferentes segun en el medio en que se encuentre, p.e., zona saturada y no saturada. Esta disparidad hace que no exista en la actualidad un unico tipo de modelo que poder aplicar con total generalidad con independencia del contaminante que estemos analizando y el medio en que se encuentre. Si es posible, sin embargo, utilizar aplicaciones informaticas aptas para familiar mas o menos amplias de compuestos quimicos discerniendo cada una de ellas para un tipo de entorno concreto. En el caso que nos ocupa, los dos tipos de entornos mas significativos con los que nos vamos a encontrar estan constituidos por la zona no saturada y por la zona saturada. En cuanto a las grandes familias de compuestos quimicos objeto de estudio en este ambito, atendiendo a su diferente comportamiento en cada uno de estos medios, estan constituidas por:

* Compuestos mayoritarios.

* Compuestos organicos, distinguiendo en ellos entre los plaguicidas por un lado y los hidrocarburos por otro, debiendo analizar en este ultimo caso por separado aquellos con una densidad relativa menor que la del agua de los que poseen una densidad relativa mayor que esta.

* Metales pesados.

A) Compuestos mayoritarios

En el caso de los compuestos mayoritarios, es habitual considerar que la contaminacion que produce en aguas subterraneas es tal que la misma no afecta sustancialmente a la densidad y viscosidad del fluido y que se caracteriza por una perfecta dilucion en el agua del contaminante tratado. En estas circunstancias, es posible simular de forma independiente el flujo del agua subterranea del fenomeno de transporte, de tal manera que una vez resuelto el problema del flujo se superpone a el el efecto producido por la incorporacion del contaminante, cuyo movimiento es estudiado a partir de dicho instante.

Para este tipo de contaminantes, el programa mas utilizado es el modelo de transporte MT3D, debido a su estrecha relacion con el programa MODFLOW con el que guarda analogia en cuanto a su configuracion modular. Al igual que el MODFLOW, MT3D es un programa basado en el metodo de las diferencias finitas. Utiliza el mismo sistema discretizado por MODFLOW (aunque puede utilizar el modelo de flujo obtenido mediante cualquier otro programa al efecto) y a partir de la red de flujo calculada por este, modeliza el movimiento de los contaminantes en medios porosos saturados monofasicos. El programa es mono constituyente y supone que la contaminacion inducida es tal que no afecta a las condiciones de flujo previamente calculadas, lo cual suele ser habitual en la mayor parte de los casos practicos. Para simular el fenomeno del transporte de los contaminantes tiene en cuenta los efectos convectivos, el efecto de la dispersion mecanica y el de difusion molecular. Ademas, el programa considera distintos tipos de reacciones fisico-quimicas que pueden tener lugar entre el medio y los contaminantes, como puede ser el caso de la adsorcion, fenomenos de intercambio ionico, hidrolisis, procesos de biodegradacion y otros

fenomenos de degradacion fisica que puedan ser simulados mediante reacciones de primer orden. Los resultados del programa estan constituidos por los valores de la concentracion en todas y cada una de las celdas del modelo, para cada capa y para cada periodo de explotacion considerado. Al igual que en el caso de MODFLOW, el programa permite la obtencion de resultados graficos que facilitan la interpretacion de los procesos que estan teniendo lugar en el medio.

Dentro de los compuestos mayoritarios, tiene una especial significacion en la actualidad la contaminacion inducida por nitratos. Objeto de una Directiva especifica, el problema de los nitratos, que afecta esencialmente a las aguas subterraneas, es de tal envergadura que en paises como Estados Unidos y la Union Europea se configuran como una de las principales causas de contaminacion de aguas. El problema de los nitratos viene tambien asociado a la diversidad de fuentes de las que trae su origen, lo que complica la aplicacion de determinadas medidas ambientales de prevencion, al ser varias y dificiles de identificar las posibles fuentes de contaminacion de un emplazamiento dado. La utilizacion de modelos de transporte aplicados en conjuncion con otras tecnologias como las tecnicas isotopicas puede permitir dar una paso adelante en la resolucion de esta problematica. En particular, diversos trabajos actualmente en desarrollo permiten anticipar un futura identificacion de fuentes productoras de nitratos a partir de la modelizacion de los isotopos del nitrogeno

B) Compuestos organicos

Para la modelizacion de este tipo de compuestos, el comportamiento en la zona no saturada es esencial, motivo por el cual no pueden ser utilizados los programas MODFLOW y MT3D que han sido concebidos exclusivamente para su uso en zona saturada. El transporte en la zona no saturada para compuestos organicos esta fuertemente influenciado por el fenomeno de adsorcion, que viene mediado, entre otros parametros, por la composicion quimica del suelo y esencialmente por su fraccion de carbono organico, lo que motiva la necesidad de caracterizar adecuadamente esta zona. El comportamiento de plaguicidas e hidrocarburos tambien puede variar debido, por un lado, a sus diferentes coeficientes de distribucion entre las fases solidas (adsorbida) y liquida (disuelta) pero tambien, en gran medida, por el caracter de insmiscibles de gran parte de los hidrocarburos, lo que da lugar a flujos multifasicos. Este hecho motiva que para poder estudiar el comportamiento de estos compuestos sea adecuado analizar por separado los plaguicidas de los hidrocarburos y que para estos sea preciso, ademas, tener en cuenta su densidad relativa pues los mas ligeros, al llegar a las inmediaciones del nivel freatico, tienden a formar un lentejon

contaminante que se extiende sobre este en forma de mancha de aceite, mientras que los mas pesados continuan su migracion a traves del acuifero por el efecto de la gravedad, dando lugar a complejos fenomenos de contaminacion para los que hasta la fecha no existen herramientas de modelizacion fiables.

Para la modelizacion de los plaguicidas en la zona no saturada existen diversas alternativas, de las cuales la mas simple es el programa PESTAN mientras que una vez alcanzada la zona saturada su posterior migracion podria realizarse mediante la combinacion de programas MODFLOW y MT3D.

Para la modelizacion de los hidrocarburos en la zona no saturada una de las posibilidades la constituye el programa HSSM (Hydrocarbon Spill Screening Model). Este programa permite modelizar el transito de los hidrocarburos ligeros y pesados a traves de la zona no saturada teniendo en cuenta caracteristicas especificas de estos como son su grado de adsorcion al medio y su humectabilidad, que condicionan la fraccion de contaminante que queda retenida en esta zona en forma de saturacion residual. HSSM permite ademas, para el caso de hidrocarburos de densidad relativa menor que la del agua, modelizar la formacion y evolucion de la lenticula contaminante que se forma sobre el nivel freatico. El programa modeliza, igualmente, la disolucion a partir de dicha lenticula de determinadas fracciones solubles de los hidrocarburos, fundamentalmente la fraccion BTEX, y su evolucion a traves de la zona saturada en forma de un penacho contaminante, sometido eventualmente a procesos de biodegradacion o degradacion fisica.

Como complemento del programa HSSM y para el estudio de la evolucion de contaminantes en la zona saturada se propone igualmente el empleo de los programas BIOSCREEN y BIOCHLOR. BIOSCREEN esta fundamentalmente orientado a la modelizacion de los procesos de contaminacion en la zona saturada producida a partir de la disolucion de la fraccion BTEX de los hidrocarburos. El programa, basado igual que BIOCHLOR en una hoja de calculo tipo excel, analiza los procesos de degradacion que sufre esta fraccion en el medio natural y permite realizar una primera estimacion de los tiempos precisos para la recuperacion del emplazamiento, bien mediante la simple accion de procesos naturales (atenuacion natural) o tras la intervencion antropica. BIOCHLOR, por su parte, esta fundamentalmente orientado al estudio de compuestos clorados, que por su composicion y caracteristicas fisico-quimicas, son menos susceptibles de verse afectados por procesos de biodegradacion convencionales. Ambos programas contemplan mejoras sustanciales sobre la forma de modelizar el comportamiento de este tipo de compuestos en el medio respecto a otros programas mas antiguos, fundamentalmente al considerar el efecto limitador que sobre los procesos de

degradacion ejerce la desaparicion progresiva de los aceptores de electrones que median dichos procesos de degradacion. Estos programas permiten tener en cuenta tambien la sustitucion del oxigeno como aceptor de electrones por otros compuestos (nitratos, sulfatos, ion hierro, CO2) que cumplen la misma funcion, permitiendo el analisis mas detallado de los procesos que tienen lugar en el medio natural.

C) Metales pesados

Al igual que en el caso anterior, los procesos que tienen lugar en la zona no saturada son esenciales para conocer la evolucion de este tipo de contaminantes, hasta tal punto que en la mayoria de los casos la afeccion al medio natural queda limitada a esta zona. Este tipo de compuestos esta fuertemente influenciado por el pH del medio, entre otros factores, y no existe en la actualidad una herramienta ampliamente aceptada para analizar su movilidad. Se propone en todo caso el empleo de modelos de especiacion, en el supuesto de que a la vista del desarrollo del trabajo se considere oportuna su utilizacion.

Limitaciones de los modelos de calidad

En los modelos de calidad utilizados en hidrogeologia, la principal limitacion proviene del desconocimiento del campo de velocidades en el interior del medio poroso que constituye los acuiferos. Este desconocimiento se traduce en una indeterminacion en la posicion real de las particulas contaminantes cuyo tratamiento historico viene siendo realizado en base al concepto de dispersion mecanica. La existencia del fenomeno de dispersion hace que la bondad de los resultados ofrecidos por este tipo de modelos sea dependiente de la escala del propio modelo, entendiendo por tal la distancia que media entre el foco de contaminacion y el punto mas alejado del sistema en el que se aprecia la contaminacion. Esta dependencia de la escala condiciona el tamaño maximo del area modelizable con ciertas garantias de precision, siendo en la practica poco fiables para extensiones que superen unos pocos miles de metros.

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