Estrategias de optimización para el control de la calidad de agua en estuarios y otros problemas relacionados

Abstract

Los estuarios son espacios naturales de gran importancia para los seres humanos, concentrando a más de un tercio de la población mundial. Debido a las características que presentan, en ellos se desarrollan diversas actividades tales como la pesca, el turismo y/o la explotación industrial, entre otras. Toda esta situación conlleva a que sean zonas proclives a soportar cambios, que impactan negativamente en su dinámica natural. En particular, una situación muy importante de contaminación ambiental en estuarios, corresponde al vertido no controlado de desechos cloacales e industriales provenientes de localidades aledañas. Muchas veces el nivel contaminante de tales descargas supera las posibilidades de autodepuración de los sistemas acuáticos, generando efectos nocivos. La contaminación provocada por tales efluentes, alcanza niveles que pueden medirse utilizando diversos indicadores ambientales. Por esta razón, resulta imprescindible considerarlos y establecer las correspondientes concentraciones máximas (o mínimas) admisibles para garantizar un nivel de contaminación tolerable en determinadas zonas de resguardo ambiental. A los efectos de no superar las restricciones ambientales en las zonas aludidas, las aguas residuales deben ser purificadas previamente a su vertido mediante la instalación de plantas de tratamiento adecuadamente diseñadas. Sin embargo, la construcción y operación de tales plantas implica costos elevados que dependen de las variables de diseño de mayor importancia. Entre estas pueden considerarse a las funciones de descarga, entendiéndose como la distribución temporal del vertido, y también a la longitud de la tubería submarina, que depende de las coordenadas de la zona de descarga. Por tal motivo es conveniente adoptar una solución que relacione de forma apropiada aspectos económicos, técnicos y/o ambientales en su diseño. En general se busca un diseño cuyo objetivo sea el mejor desempeño en alguno de estos aspectos, manteniendo los otros dentro de determinados límites. Para ello, se debe evaluar un gran número de combinaciones de diferentes valores de las variables de diseño que intervienen, verificando en cada caso el cumplimiento de las restricciones impuestas, hasta encontrar aquel conjunto de variables que mejor cumplan con el objetivo propuesto. Esta metodología de selección se denomina Diseño Óptimo. Se proponen en este trabajo diferentes alternativas de plantas de tratamiento de efluentes. A los efectos de establecer el mejor diseño se formulan para cada una, expresiones matemáticas que relacionan a los costos de construcción y de operación con las variables de diseño seleccionadas. Como tales expresiones están sujetas al cumplimiento de las restricciones ambientales, se debe plantear un método adecuado para estimar los niveles de concentración temporal y espacial de los indicadores de calidad de agua. Tal estimación se logra resolviendo, mediante el método de elementos finitos, las ecuaciones bidimensionales hidrodinámicas para aguas poco profundas y de difusión-advección, con el programa de simulación numérica FlexPDE. Luego, se establece un procedimiento de búsqueda de la mejor alternativa de diseño en función de los objetivos propuestos. Tal procedimiento se realiza con una técnica de optimización conocida como “Recocido Simulado”, que controla de forma automática, y con un número menor de simulaciones, un proceso que asegura la convergencia (o al menos se acerca lo suficiente). Aun así, el tiempo computacional de cálculo que demanda tal procedimiento es elevado, debido al costo computacional asociado a la simulación numérica de cada escenario. Consecuentemente, se desarrollan en esta tesis diversas estrategias matemáticas basadas en simplificaciones, reformulaciones y combinaciones de los enfoques teóricos-numéricos del modelo de transporte. La aplicación de estas metodologías en el proceso de diseño, permiten reducir la cantidad de simulaciones y también el tiempo de cálculo computacional que insume cada una de éstas. Finalmente este enfoque de Optimización-Simulación propuesto, es también aplicado a otros tipos de problemas que pueden ocurrir dentro de un estuario, tales como en el diseño de puertos anti-resonantes y en sistemas de extracción de agua dulce en acuíferos costeros. Tales modelos computacionales de optimización (calidad de agua, resonancia en puertos y extracción de agua dulce), se programan en un ambiente que permite controlar todo el proceso. Particularmente, se utiliza el programa de algebra computacional MATLAB.