Introducción al modelamiento hidrogeoquímico con PHAST

El presente texto busca una aproximación teórica que permita la comprensión global del funcionamiento de PHAST a partir de la revisión de los conceptos que lo fundamentan, permitiendo comprender las potencialidades y limitaciones que se asocian a la herramienta informática. Se busca, de igual modo, establecer relaciones entre dichas características con las herramientas de pre y post procesamiento que están incluidas dentro del programa, para finalmente evidenciar el posible uso de estas a través de algunos casos de aplicación.

PHAST es una herramienta informática creada sobre la línea de código que define al PHREEQC, por lo que el funcionamiento de ambos paquetes informáticos es similar, este se evidencia en el modo de interacción de PHAST, que se realiza mediante keywords [1], que al ser introducidas en la línea de código, indican la ejecución de funcionalidades específicas asociadas a módulos que ejecutan procedimientos especiales. Más allá de esta similitud, una condición importante derivada del origen de PHAST, es que todos aquellos módulos cuya función está orientada hacia la modelación de las reacciones en un sistema hidrogeológico, funcionan tal cual como los tipos de cálculos fundamentales de PHREEQC [2] , tanto que en el manual del PHAST se remite al usuario a la explicación de estos procesos en el manual del PHREEQC. (Parkhurst, Kipp, & Charlton, 2010).

 

Ventajas de PHAST frente a PHREEQC

Dado lo anterior, la cuestión esencial es entonces: ¿Cuáles son las ventajas de PHAST frente a PHREEQC? Para responder esta interrogante, es preciso remontarse a los aspectos a mejorar que tiene este último software, es decir, los módulos mediante los que se simula el transporte, especialmente el advectivo. Para tal propósito, PHAST se basa en la solución de un Sistema de Ecuaciones Diferenciales parciales mediante métodos de diferencias finitas. El modelo resuelve de manera separada tres fenómenos siendo estos: i) Flujo ii) Transporte y iii) Reacción cada uno por separado a partir de la definición de las cargas hidráulicas, la concentración de solutos, la concentración de especies y la carga másica reactiva; el programa, además, cuenta con un "segmentador" que permite que los dos últimos grupos de soluciones expuestos se desarrollen por separado, evitando que haya interacción entre los valores de las especies químicas representadas por la especies y la carga de solutos arrojados en cada iteración, que puedan conducir a distorsiones y aumentos en los tiempos de cálculo del modelo.

PHAST, además del PHREEQC, está basado en el código de HST3D, un software diseñado para la simulación del transporte de contaminantes, que ha servido de base para el desarrollo de múltiples softwares que tienden a mejorar sus limitantes; por ello algunas características por mejorar de PHAST se relacionan con que este no permite la modelación de flujos en zonas no saturadas y el flujo de fases gaseosas u otras no acuosas; por lo anterior, la herramienta se ve limitada a la hora de solucionar problemas que tengan que ver con el transporte de compuestos orgánicos volátiles en suelo, o el transporte de soluciones en las que las condiciones hidráulicas dependen de la densidad y esta última sea variable, como en el caso de los intercambios de calor que alteran las propiedades fisicoquímicas del flujo de transporte.

A diferencia entonces de PHREEQC, que maneja un enfoque de modelación inversa mediante el que define un flujo unidimensional, PHAST calcula de manera paralela las condiciones hidráulicas bajo las que se encuentra un acuífero, lo que hace más sencilla la inclusión de elementos como condiciones de borde, inyecciones a través de pozos, bombeos, interacciones entre distintas capas geológicas que generan acuíferos heterogéneos, entre otras, todas ellas con repercusiones sobre la dinámica de los solutos que transporta el sistema representado. Por su parte, una ventaja en cuanto a software de modelación de contaminantes como el MT3DS, radica en que la simulación de las interacciones químicas es mucho más precisa, debido a que PHAST carga desde una base de datos específica condiciones asociadas a cada sustancia, definiendo con más detalle el flujo de la fase reactiva.

Impresión de pantalla de PHAST for Windows® en la que se muestra el modelamiento del ejemplo 5 presentado en el manual de PHAST. Fuente: Charlton & Parkhurst (2012).

Impresión de pantalla de PHAST for Windows® en la que se muestra el modelamiento del ejemplo 5 presentado en el manual de PHAST. Fuente: Charlton & Parkhurst (2012).

Otra de las ventajas que representa el cambio del enfoque de la modelación inversa, viene de la mano con la implementación de un sistema de coordenadas de tres dimensiones, lo que crea condiciones de compatibilidad con información construida como un Sistema de Información Geográfica y aún más, crea la posibilidad de predecir cambios químicos en las tres dimensiones. No obstante este tipo de situaciones necesariamente amplía los tiempos y el consumo de recurso de procesamiento, mas el nivel de detalle que se obtiene es consecuente con estas situaciones. Cabe resaltar que para mejorar el tiempo de procesamiento, el código de PHAST incluye soluciones a través de métodos como el de Newton–Raphson que según autores como Bea, Carrera, Ayora, & Batlle (2010) presentan un mayor grado de convergencia a la hora de solucionar el modelo, lo que implica que si bien hay gastos adicionales de recursos estos están justificados con la calidad de los datos de salida lograda gracias a la eficiencia en la ejecución del modelo.

Frente a los datos de salida, las posibilidades de post-procesamiento del programa vienen asociadas con la capacidad de producir archivos con formatos específicos, que contienen la información correspondiente a cabezas potenciométricas, velocidades de componentes, concentración de especies en celdas activas, entre otros, de modo tal que los archivos pueden ser leídos por software suplementario como el PHASTHDF, que extrae información de archivos HDF, leyendo las coordenadas de origen de estos y procurando una organización espacial que permita la visualización de los datos en aplicaciones informáticas como Model Viewer, que se distribuye de manera conjunta con PHAST.

 

Literatura relacionada con PHAST

En la revisión hecha para la construcción del presente texto, se buscaron artículos de investigación en los que se empleara el modelamiento de flujos reactivos con transporte en agua subterránea con PHAST; los resultados de dicha búsqueda no muestran trabajos en los que se empleara directamente la aplicación informática, mas se encontraron iniciativas como las de Antoniou, Stuyfzand, & van Breukelen (2013) en la que se estableció el almacenamiento y posibilidades de recuperación de un acuífero con ayuda del modelamiento de reacciones geoquímicas hecho en PHREEQC. También, aparecen trabajos como el de Atteia & Höhener (2012) en el que se busca determinar el cambio en las condiciones de óxido-reducción en un flujo hidrogeológico para evaluar las posibilidades de degradación de bencenos, toluenos, etilbencenos y xilenos (BTEX), mediante la aplicación del método de Flujo en tubos (FT) asociado con el cálculo de Mixed Instantaneous and Kinetics Superposition Sequence (MIKSS) creando un enfoque FT-MIKSS, que fue calibrado a partir de la comparación de sus resultados con los arrojados por modelaciones hechas con distintos softwares, entre ellos PHAST.

También, es necesario recalcar que aunque en el manual del programa (Parkhurst, Kipp, & Charlton, 2010) se presentan varios ejemplos de aplicación, correspondientes al uso del software en diversas situaciones reales, estos se basan en la modelación de datos provistos por otros estudios con el código de PHAST calibrando así los resultados mediante comparación con situaciones entre las que se incluye el modelamiento de pulsos de fuentes, sorción y decaimiento, cadenas de decaimiento cinético de reactantes, Consumo aeróbico de un sustrato con crecimiento de biomasa, la ocurrencia natural de Arsénico en Oklahoma Central, situaciones de flujo estacionario en Cape Code, reacciones de transporte de nitrógeno en la misma zona tanto en versión serial como en versión calculada por procesadores paralelos [3].

 

Conclusiones finales

Finalmente, se hace necesario reconocer la amplia gama de posibilidades que abre el PHAST, pues este supera la limitante más grande que hasta ahora ha tenido el código del PHREEQC, que es el modelado de flujos y transporte de solutos en fase no reactiva. No obstante, todavía hace falta explorar las posibilidades de esta relación en aplicaciones como la corrección de reacciones con cambio isotópico, que viene incluida en la última versión del PHREEQC y también la posibilidad de modelar transportes en zonas no saturadas [4], pues si bien el transporte de solutos en dicho campo es bastante complejo, resulta de mayor interés desarrollar software que permite establecer el movimiento de celdas de reacciones químicas en estas áreas para evaluar el riesgo por movimiento de agentes contaminantes y consecuentemente sus posibilidades de remediación.

 

Bibliografía

  • Bea, S. A., Carrera, J., Ayora, C., & Batlle, F. (2010). Modeling of concentrated aqueous solutions: Efficient implementation of Pitzer equations in geochemical and reactive transport models. Computers & Geosciences, 526-538.
  • Charlton, S. R., & Parkhurst, D. L. (2012). Phast4Windows: A 3D Graphical User Interface for the Reactive-Transport Simulator PHAST. Lakewood MS: U.S. Geological Survey.
  • Parkhurst, D. L., & Appelo, C. (2013). Description of input and examples for PHREEQC version 3—A computer program for speciation, batch-reaction, one-dimensional transport, and inverse geochemical calculations: U.S. Geological Survey Techniques and Methods. Book 6. Chapter A43. Denver: U.S. Geological Survey.
  • Antoniou, E. A., Stuyfzand, P. J., & van Breukelen, B. M. (2013). Reactive transport modeling of an aquifer storage and recovery (ASR) pilot to assess long-term water quality improvements and potential solutions. Applied Geochemistry, 173-186.
  • Parkhurst, L. D., Kipp, K. L., & Charlton, S. R. (2010). PHAST Version 2—A Program for Simulating Groundwater Flow, Solute Transport, and Multicomponent Geochemical Reactions. Denver: U.S. Geological Survey.

 

Notas: 

  1. Para la versión de PHAST for Windows®, el programa requiere que le sean cargados tres archivos para ejecutar conjuntamente las tres funcionalidades básicas, es decir Flujo, Transporte y Reacción. El archivo de flujo y transporte (.trans.dat) que es creado por la aplicación PHAST 4 Windows. El archivo de la reacción química (.chem.dat) que se crea modelando la solución en PHREEQC, para lo que se puede emplear la aplicación PHREEQC for Windows® que trabaja con PHREEQC2 y puede ser consultada en http://pfw.antipodes.nl/index.html; la versión de PHREEQC3 con Notepad que puede ser consultada en http://www.hydrochemistry.eu/downl.html o los módulos para trabajar con distintas aplicaciones de Windows®  que están disponibles en http://dx.doi.org/10.1016/j.cageo.2011.02.005. Por último, se requiere del archivo de la base de datos termodinámica que por defecto corresponde a phast.dat y se distribuye con las distintas versiones de PHAST.
  2. Vale aclarar que PHREEQC es un software diseñado inicialmente para la simulación de interacciones químicas en soluciones acuosas y que la implementación de módulos que den cuenta de la difusión y el trasporte advectivo, fueron desarrollándose posteriormente, por lo que PHREEQC presenta limitaciones importantes en este tema. Por ello, los primeros tipos de cálculos a los que se hace referencia tienen que ver con aquellos que permiten calcular interacciones químicas, y guardan correspondencia con el tipo de cálculos de 1-5 que son referidos por Parkhurst & Appelo (2013). 
  3. Esta situación es de interés debido a que la aplicación para Windows, y la misma versión de PHAST, traen acoplado software paralelo que permite la división de los cálculos para que sean ejecutados tanto por un procesador único como por una red de procesadores, lo que implica que existen ejemplos de aplicación de dicha utilidad. 
  4. Es necesario aclarar que si bien el PHREEQC puede ser empleado para la modelación de reacciones químicas en zonas no saturadas, PHAST presenta limitaciones en cuanto al modelo de flujo y transporte en estas, siendo de allí de donde se deriva la no aplicabilidad del código.

 

 

 

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