Trabjo Final

Filial – Juliaca

FACULTAD DE INGENIERIAS Y ARQUITECTURA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA AMBIENTAL

TRABAJO FINAL

ASIGNATURA: DOCENTE:

Modelamiento Ambiental

Blgo. David Nicolas Calla Flores

INTEGRANTES:

Calsina Guerra Yesi Chejje Torres Javier SEMESTRE:

VIII JULIACA – PERU

2017

TRABAJO FINAL

I.

INTRODUCCION: ............................................................ .................................................................................................................... ........................................................ 3

II.

OBJETIVOS: ..................................................................... ............................................................................................................................ ....................................................... 4 2.1.

OBJETIVO GENERAL: ......................................................... ...................................................................................................... ............................................. 4

2.2.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS: .............................................................. ............................................................................................... ................................. 4

III.

ANTECEDENTES: ........................................................ ................................................................................................................ ........................................................ 4

IV.

JUSTIFICACIÓN: ......................................................... ................................................................................................................. ........................................................ 5

V.

METODOLOGÍA:............................................................................................................. METODOLOGÍA:....................................... .............................................................................. ........ 5

VI.

RESULTADOS: ............................................................ .................................................................................................................... ........................................................ 6

6.1. Descripción de las características y aplicación de los software MODFLOW 2005 y MODELMUSE. ............................................................................................................................ ............................................................................................................................ 6 6.1.1.

MODFLOW 2005:............................................................................. 2005:................................................................................................... ...................... 6

6.1.2.

MODELMUSE: ........................................................... ........................................................................................................ ............................................. 7

6.2.

Describir la metodología de instalación del MODELMUSE y MODFLOW 2005. ........... 8

6.2.1.

Instalación del MODELMUSE:.......................................................... ................................................................................ ...................... 8

6.2.2.

Instalación del MODFLOW: ............................................................. ................................................................................... ...................... 8

6.3. Realización de un ejemplo de Modelamiento Regional de Aguas Subterráneas – Estático con el empleo del MODFLOW mediante el MODELMUSE. ....................................... ....................................... 10 6.3.1.

Archivos requeridos: ............................................................ ........................................................................................... ............................... 11

6.3.2. Pasos desarrollados para la aplicación del software en el Modelamiento Regional de Aguas Subterraneas en la Cuenca de Obrajillo – Bolivia: ................................ ................................ 11 6.3.3.

Ejecución del Modelo e Importación de los resultados: ..................................... 16

6.3.4.

Problemas presentados:................................. presentados:...................................................................................... ..................................................... 17

VII.

CONCLUSIÓN: ............................................................ .................................................................................................................. ...................................................... 19

VIII.

BIBLIOGRAFÍA: ........................................................... ................................................................................................................. ...................................................... 20

IX.

ANEXOS: ..................................................................... .......................................................................................................................... ..................................................... 20

MODELAMIENTO AMBIENTAL – E.P. INGENIERIA AMBIENTAL

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I.

INTRODUCCION:

Los recursos hídricos subterráneos están bajo una amenaza creciente debido a las demandas crecientes, el desperdicio en su uso y la contaminación. Para enfrentar este desafío se debe implementar planes y prácticas de manejo integrado. Un factor clave en el manejo del agua subterránea es el modelamiento del régimen de flujo de agua subterránea en la sub-superficie. Los modelos numéricos son una gran plataforma para interpretar el flujo de agua subterránea y permite evaluar escenarios predictivos. Los modelos de agua subterránea son utilizados para representar las condiciones actuales del régimen de agua subterránea y simular el impacto en los recursos hídricos subterráneos de proyectos. Se construyen modelos numéricos que proveen la información requerida para tomar decisiones relacionadas con el manejo del agua subterránea y la remediación de acuíferos contaminados. Los modelos numéricos sirven tanto para la simulación del régimen de flujo como transporte advectivo de solutos. El trabajo de modelamiento numérico de agua subterránea requiere una atención especial para conceptualizar el dominio del modelo, seleccionar las condiciones de borde, asignar los parámetros del modelo y calibrar el modelo. Existen diversos modelos numéricos de flujo de agua subterránea que tienen la capacidad para la simulación del flujo saturado, de una sola fase como el flujo no saturado multifase y para el transporte de especies químicas únicas y múltiples. Los modelos numéricos actuales permiten la simulación de flujo de densidad variable como es caso de la intrusión salina en acuíferos costeros. Los principales códigos de modelamiento hidrogeológicos utilizados actualmente son MODFLOW y FEFLOW. MODFLOW es el software para modelamiento de agua subterránea desarrollado por la USGS (Servicio Geológico de los Estados Unidos). Este software es capaz de representar condiciones relacionadas con el flujo de agua subterránea como la evapotranspiración, recarga, drenaje, interacción del río, entre otros. Su enfoque de diferencias finitas provee la capacidad de calcular el régimen de flujo con excepcional control sobre la discrepancia del balance hídrico. El MODEL MUSE es una interfaz gráfica para MODFLOW-2005, que permite al usuario definir la entrada espacial para los modelos, dibujando puntos, líneas o polígonos en las vistas superior, frontal y lateral del dominio del modelo. Estos objetos pueden tener hasta dos fórmulas asociadas que definen su extensión perpendicular al plano de vista, permitiendo que los objetos sean tridimensionales. También se utilizan fórmulas para especificar los valores de datos espaciales (conjunto de datos) tanto a nivel global como para objetos individuales.


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II.

OBJETIVOS:

2.1.OBJETIVO GENERAL:

Aplicar el software MODFLOW mediante el uso del MODELMUSE como una interfaz gráfica, para el Modelamiento Regional de Aguas Subterráneas – Estático.

2.2.OBJETIVOS ESPECÍFICOS:

2.2.1. Describir las características y aplicación de los software MODFLOW 2005 y MODELMUSE. 2.2.2. Describir la metodología de instalación del MODELMUSE y MODFLOW 2005. 2.2.3. Realizar un ejemplo de Modelamiento regional de aguas subterráneas – Estático con el empleo del MODFLOW mediante el MODELMUSE.

III.

ANTECEDENTES:

DONATO (2002), empleo el programa MODFLOW para simular el flujo de aguas subterráneas en el Acuífero Morroa, ubicado en la Serranía de San Jacinto, en estribaciones de los departamentos de Sucre y Córdova, Colombia, con el objetivo de mostrar y evaluar el modelo hidrogeológico conceptual planteado, con un modelo numérico de flujo de tipo interpretativo; de tal manera que los resultados obtenidos fueron ajustados de manera que los niveles hidráulicos coincidieran con los niveles observados. Para lograr acoplar el modelo a los datos medidos, se tuvo en cuenta el nivel de certidumbre de los parámetros indexados. Dado que se conocía la transmisividad y por ende las conductividades, este era el dato con mayor grado de conocimiento, en segundo lugar se encontraba la recarga del balance hídrico y por último el coeficiente de almacenamiento, dado que se estimó por métodos empíricos. La simulación de flujo demostró tener éxito en aquellas áreas en las que se disponía de datos, en el modelo se utilizó la teoría de variable regional para estimar las condiciones iniciales en las ubicaciones en las que no se contaba con datos.

GOMÉZ (2013), Empleo el MODFLOW en la modelación del flujo de agua, tanto subsuperficial como profunda, utilizando el programa VISUAL MODFLOW 2010.1., Se MODELAMIENTO AMBIENTAL – E.P. INGENIERIA AMBIENTAL

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estableció la malla de modelación, conformada por 60 filas y 40 columnas de 25 x25m. Verticalmente, el modelo está conformado por 11 capas que coinciden con las unidades del acuífero identificadas mediante un perfil estratifigráfico de 27.6 m de profundidad. El agua subterránea se monitoreó a través de una red conformada por nueve piezométros, con profundidades entre 6 y 25 m. se utilizó el programa ArcGIS para el geoposicionamiento del vertedero. Los resultados obtenidos mostraron que el flujo se direcciona del poniente al oriente del tiradero, y en su trayectoria se desvía ligeramente hacia el pozo de extracción de agua potable de la población, constituyendo un riesgo por el transporte de contaminantes contenidos en los lixiviados generados en el tiradero de basura.

IV.

JUSTIFICACIÓN:

El programa MODFLOW es un código libre escrito mediante el lenguaje de programación FORTRAN y utilizado para la modelación 3-D de flujo en medios porosos saturados para régimen transiente y estacionario por medio del método de diferencias finitas. Es uno de los modelos más ampliamente difundidos a nivel mundial para la modelación del flujo de aguas subterráneas, el que en una de sus versiones comerciales (Visual Modflow) incorpora otros programas, MT3D y RT3D, los cuales resuelven problemas de transporte de contaminantes no reactivos y reactivos respectivamente.

El programa MODFLOW, desarrollado por la USGS (U.S. Geological Service), es un modelo de flujo de agua subterránea en diferencias finitas que realiza simulaciones en tres dimensiones, constituyéndose como una valiosa herramienta que ha sido utilizada en estudios de modelación de acuíferos contaminados. En una investigación realizada en Nottinghamshire, Inglaterra, los autores aplicaron el programa MODFLOW para establecer tanto las direcciones de flujo como una base para el transporte de solutos y los procesos de atenuación natural de contaminantes, obteniendo mapas de flujo para diferentes unidades estratificadas.

V.

METODOLOGÍA:


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Para la realización del presente trabajo, se realizó la búsqueda de antecedentes sobre estudios e investigaciones realizadas sobre la aplicación del Software MODFLOW para el modelamiento de acuíferos subterráneos, con la finalidad de conseguir los instaladores del software, así como su aplicación y utilidad.

Así mismo se buscó la posibilidad de encontrar tutoriales y/o cursos online r eferentes a la aplicación del software MODELMUSE cono visualizador del MODFLOW en el modelamiento de aguas subterráneas, así como conseguir datos que permitan desarrollar un ejemplo en la aplicación del mismo.

VI.

RESULTADOS:

6.1.Descripción de las características y aplicación de los software MODFLOW 2005 y MODELMUSE.

6.1.1. MODFLOW 2005:

Fue desarrollado por la USGS (Servicio Geológico de los Estados Unidos), liberando su primera versión el año 1984. Nace de la necesidad de unir en un solo programa las cerca de 500 versiones de códigos libres que se utilizaban en la modelación de aguas subterráneas dentro de la oficina de la USGS (McDonald y Harbaugh, 2003). Una de las consideraciones importantes en su desarrollo fue facilitar la adición de nuevas características necesarias para acomodar los distintos usos y capacidades tecnológicas de cada usuario. Esto se logró mediante la implementación, dentro del código MODFLOW, de una estructura modular en base a “paquetes”. Cada paquete se especializa en solucionar un aspecto del

modelo como puede ser la evapotranspiración o recarga del acuífero, entre otros, permitiendo que el usuario se pueda concentrar en un aspecto específico a la vez. Además, dependiendo de la capacidad del procesador del usuario, se pueden agregar nuevos paquetes en la conformación del modelo sin afectar al resto. A esto se suma que el manual del programa se subdividió en capítulos correspondientes a los paquetes disponibles del programa y así simplificar la búsqueda de información. MODELAMIENTO AMBIENTAL – E.P. INGENIERIA AMBIENTAL

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El programa MODFLOW es un código libre escrito mediante el lenguaje de programación FORTRAN y utilizado para la modelación 3-D de flujo en medios porosos saturados para régimen transiente y estacionario por medio del método de diferencias finitas. En el caso de modelación 3-D el programa se considera de modelación cuasi tridimensional, es decir sobrepone soluciones 2-D para generar un modelo 3-D. Es uno de los modelos más ampliamente difundidos a nivel mundial para la modelación del flujo de aguas subterráneas, el que en una de sus versiones comerciales (Visual Modflow) incorpora otros programas, MT3D y RT3D, los cuales resuelven problemas de transporte de contaminantes no reactivos y reactivos respectivamente.

6.1.2. MODELMUSE:

El MODEL MUSE es una interfaz gráfica de usuario (GUI) para MODFLOW2005 y PHAST, por lo entendemos que MODFLOW es una diferencia tridimensional finita de un modelo de agua subterránea, por lo que simula el flujo constante y no estacionario en un sistema de flujo de forma irregular, cuyas capas de acuífero pueden ser confinadas, no confinadas o una combinación de ambas.

MODEL MUSE está basado en GoPhast (Winston, 2006). MODEL MUSE permite al usuario definir la entrada espacial para los modelos, dibujando puntos, líneas o polígonos en las vistas superior, frontal y lateral del dominio del modelo. Estos objetos pueden tener hasta dos fórmulas asociadas que definen su extensión perpendicular al plano de vista, permitiendo que los objetos sean tridimensionales. También se utilizan fórmulas para especificar los valores de datos espaciales (conjunto de datos) tanto a nivel global como para objetos individuales. Se puede utilizar objetos para especificar valores de conjuntos de datos independientes de la discretización espacial y temporal del modelo. Por lo tanto, la cuadrícula y los períodos de simulación para el modelo pueden cambiar sin volver a especificar los datos espaciales pertenecientes al marco hidrogeológico y a las condiciones fronterizas. MODELAMIENTO AMBIENTAL – E.P. INGENIERIA AMBIENTAL

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Los puntos, líneas y polígonos puede asignar propiedades de conjunto de datos en ubicaciones que están encerradas o intersectadas por ellas o por interpolación entre objetos que utilizan varios algoritmos de interpolación.

Los datos del modelo se pueden importar de una variedad de fuentes de datos y los resultados del modelo se pueden ver en MODEL MUSE. En este informe se describen la operación de MODEL MUSE junto con un modelo de ejemplo.

6.2.Describir la metodología de instalación del MODELMUSE y MODFLOW 2005.

6.2.1. Instalación del MODELMUSE:



Dirigirse a la página web de la USGS (Servicio Geológico de los Estados Unidos): www.usgs.gov



En la parte de BUSQUEDA colocamos “GROUNDWATER SOFTWARE”, nos dirigiremos a la página de “Water Resources Groundwater Software”.



Buscaremos al MODELMUSE que está en la categoría “Graphical User Interfaces and Post Processors”.



Nos dirigiremos a la página de la “USGS Ground Software”, donde

descargaremos el instalador del MODELMUSE Versión 2.19.1 para 64 bits y/o 32 bits, de acuerdo a las características de nuestra computadora. 

EJM: Installer: ModelMuseSetup64_2_19_1.exe.

Una vez descargado el instalador, debemos ejecutarlo, y procedemos a instalar el software de manera normal.



Una vez finalizada la instalación no aparecerá la venta del MODELMUSE, donde debemos activar la opción “Create new MODFLOW model”.

6.2.2. Instalación del MODFLOW:


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Por defecto sabemos que MODELMUSE no tiene los software instalados, por lo que deberemos instalar todos los programas que requerimos como son: MODFLOW, MODFLOW-LGR, WRDAA/MODFLOW-NWT, MODPATH, ZONEBUDGET, MT3DMS y ModelMate.



Ingresaremos al MODELMUSE, en la barra de Menú, nos dirigiremos a “Model” y la opción “MODFLOW Program Locations”.



En la ventana que nos aparece, estarán las direcciones de las páginas web donde se encuentras los archivos ejecutables para cada programa, por lo que debemos dirigirnos a cada página y descargar los archivos que están compilados para windows.



Una vez descargados los archivos, primero ejecutaremos el “mflgr1_2.exe”, nos aparecerá y/o creara en la unidad C el archivo y/o carpeta “WRDAPP” a la cual debemos seleccionar la opción “Unzip”, esto nos permitirá extraer los archivos que contiene el

software. 

Luego ejecutamos el archivo “zonbud3_01.exe”, que se extraerá automáticamente en la carpeta “WRDAPP”, a la cual debemos seleccionar “Unzip”.



Los archivos zippeados: “MF2005.1_11.zip, modpath.6_0_01.zip,

MODFLOW-NWT_1.0.7.zip” los copiaremos a la carpeta “WRDAPP”, luego extraeremos cada archivo en la misma carpeta “WRDAPP”. 

Para el caso del MTSDMS, ejecutaremos el archivo y lo colocaremos en la carpeta “WRDAPP” donde crearemos una carpeta “MT3DMS” y seleccionaremos “Unzip”.



El ModelMate, al ejecutarlo se instalará en automáticamente en la carpeta “WRDAPP” por lo que seleccionaremos “Unzip.



Una vez instalador todos los software, nos dirigiremos al MODELMUSE, en la ventana MODFLOW Program Locations, activaremos y/o enlazaremos para cada programa la ubicación que le corresponde:


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-

Para MODFLOW, haremos click en Browse y nos dirigiremos a la carpeta “WRDAPP” del disco C, la carpeta MODFLOW2005, bin, y seleccionamos el archivo “mf2005.exe”.

-

Se enlazaran automáticamente los archivos para “MODF LOW-

LGR y MODFLOW-NWT”, en este último debemos asegurarnos que se haya enlazado el archivo correspondiente a 64 o 32 bits de acuerdo a nuestra computadora. De no haberse enlazado automáticamente

los

archivos

deberemos

realizarlo

manualmente de la misma manera que para el MODFLOW. Los

demás

software

que

no

se

hayan

enlazado

automáticamente, deberemos enlazarlos manualmente de la misma manera que en el primer caso.

6.3.Realización de un ejemplo de Modelamiento Regional de Aguas Subterráneas – Estático con el empleo del MODFLOW mediante el MODELMUSE.

En el presente ejemplo, se realizará un modelamiento número de régimen de flujo de agua subterránea para una cuenca andina, y desarrollará las siguientes actividades:

-

Definir la extensión del modelo en base de un shapefile.

-

Definir zona activa y zona inactiva.

-

Activar las condiciones de borde y solucionador.

-

Importar un DEM (raster).

-

Asignar 4 capas: a Aluvial y 3 roca fracturada.

-

Definir el tipo y la discretización vertical del acuífero.

-

Establecer los parámetros hidráulicos.

-

Comprobación del MODFLOW TIME, comprobación Steady/Transient.

-

Asignar condiciones de borde RCH, EVT, DRN.

-

Ejecutar el modelo.

-

Comprobar el balance hídrico global.

-

Importar resultados.

-

Representación de la napa freática en sección de corte.


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6.3.1. Archivos requeridos:

-

Shapefile: Rios_Cuenca_Obrajillo Extensión_Modelo_Obrajillo Cuenca_Obrajillo

-

RST: Aster_150m.grd

Obtenidos de la siguiente pagina web: http://gidahatari.com/ihes/tutorial-de-modelamiento-regional-de-agua-subterranea-conmodflow-y-model-muse

6.3.2. Pasos desarrollados para la aplicación del software en el Modelamiento Regional de Aguas Subterraneas en la Cuenca de Obrajillo – Bolivia:

a) Capas a ser desarrolladas:

4 Capas (Model_Top = 5000): - Aluvial, Roca Meteorizada (Bottom = 4500) - Acuifero Superior (Bottom = 4000) - Acuifero Medio (Bottom = 3500) - Acuifero Inferior (Bottom = -500)

Vertical exageration = 3

b) Generación de un modelo:

Para ello importamos la extensión del modelo. Import - Shapefile: Extension_Modelo_Obrajillo.shp Use to set grid size: Check, Grid cell size: 200m, Formulas Z: 0 Generate Grid


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c) Importamos topografia: File/Import/Surfer Grid File - Demora un poco

Aluv_Bottom = ModelTop - 15 Acuif_Sup_Bottom = ModelTop - 65 (Espesor = 50) Acuif_Med_Bottom = ModelTop - 215 (Espesor = 150)

Aluv_RocMet - Convertible Acuifero_Superior - Convertible - 2 capas Acuifero_Medio - Convertible - 3 capas Acuifero_Inferior - Confined - 5 capas - Increase downward Multiplier 1.5

Definimos Extension Cuenca_obrajillo.shp como zona activa

d) Activamos: MODFLOW NWT Paquetes: Recarga, Evapotranspiracion, Dren

Importamos los rios (Rios_Cuenca_Obrajillo.shp) como Dren (Opcion Single Multipart Object) Drain_Elevation = Model_Top, Conductancia = 0.1

Aplicamos recarga de 0 (0m) a 150 mm (4000m) Ecuacion (m/s) Recarga = 1.19E-12 x Model_Top (m)


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e) Luego: If(1.19E-12 * Model_Top > 4.75E-9, 4.75E-9,1.19E-12 * Model_Top)

Evapotranspiracion = 1200 mm/yr = 3.8 E-8 EvapotraspirationSurface = Model_Top, Depth = 0 Aplicado al mismo objeto de recarga

Conductividad Hidraulica = Kx=Ky=Kz Aluv_RocMet = 1E-4 m/s Acuifero_Superior = 8E-7 m/s Acuifero_Medio = 1E-7 m/s Acuifero_Inferior = 1E-8 m/s

Initial Heads = Model_Top

f)

Se realizó la comprobación Steady/Transient, y las condiciones de borde RCH, EVT, DRN. Verificando que todos los datos se introdujeron de manera correcta.


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6.3.3. Ejecución del Modelo e Importación de los resultados:


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6.3.4. Problemas presentados:

Bueno al momento de ejecutar el modelo de prueba que obtuvimos de la página que dictaba el curso de MODFLOW se veía que el modelamiento corria sin mayores problemas, sin embargo al ejecutar el programa que realice, se muestra un error que no se ha podido cor regir, por lo que suponemos que alguno de los datos no se están colocando de manera correcta, ya que se muestra el siguiente mensaje de error:


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VII.

CONCLUSIÓN:

MODFLOW es el software para modelamiento de agua subterránea desarrollado por la USGS (Servicio Geológico de los Estados Unidos). Es capaz de representar condiciones relacionadas con el flujo de agua subterránea como la evapotranspiración, recarga, drenaje, interacción del río, entre otros.

La instalación del MODELMUSE y MODFLOW, es sumamente sencillo, asi mismo en la página web de la USGS, se pueden descargar manuales de uso y videos tutoriales, lo que hace más sencilla su compresión y manejo. La dificultad radica básicamente en la disponibilidad de datos para realizar el modelamiento de cuencas subterráneas.


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VIII.

BIBLIOGRAFÍA:

DONADO L., 2002. Aplicación de Visual MODFLOW para el modelamiento numérico del flujo de agua subterránea en el Acuífero Morroa (Sucre - Córdova). Tesis para Optar el Grado de Magister en Recursos Hidráulicos en la Universidad Nacional de Colombia. Bogotá – Colombia.

GOMÉZ G., MORALES G., MACEDO G., & T. PAVON. 2013. Aplicación del modelo visual modflow para la evaluación de la hidrodinámica del acuífero subyacente a un vertedero de residuos sólidos urbanos. Revista Internacional de Contaminación Ambiental. Vol. 29. (Sup. 3). México. 119 – 126 pp.

WEBGRAFÍA:

http://gidahatari.com/ih-es/tutorial-de-modelamiento-regional-de-aguasubterranea-con-modflow-y-model-muse https://www.usgs.gov/

IX.

ANEXOS:

Manual de MODELMUSE y MODFLOW. Videos Tutoriales de la aplicación de los software. Archivos requeridos para el desarrollo del ejemplo. Archivo del Ejemplo del modelamiento realizado. Archivo de modelamiento del tutorial.


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