Gestionar litorales y zonas costeras requiere del uso de herramientas avanzadas de cálculo tanto del flujo como de la calidad del agua y sedimentos. Este artículo muestra las principales herramientas para el modelamiento oceánico.
OpenFOAM
OpenFOAM es un software diseñado para la simulación informática de dinámicas de flujo (CFD) que cuenta con diversas librerías para diversos análisis asociados al flujo de fluidos en canales y tuberías. Su versatilidad permite representar fenómenos como la mezcla de efluentes con agua de ríos y reservorios, las plumas de emisiones en aire, descarga de emisores submarinos, cálculos de erosión de ríos, entre otros.
El software cuenta con una gran comunidad detrás y diversos casos de aplicación en la mecánica de fluidos ambiental. OpenFOAM tiene gran reconocimiento a nivel científico y sus capacidades superan a varios softwares ambientales con licencia.
Url: www.openfoam.org
Figura 1: Simulación de olas en 3D con OpenFOAM
Fenics
El Proyecto FENICS es un proyecto colaborativo para el desarrollo de conceptos innovadores y herramientas para la computación científica, con un enfoque particular en solución automatizada de ecuaciones diferenciales por métodos de elementos finitos .
DOLFWAVE es una biblioteca basada FENICS para resolver problemas de ondas superficiales tales como la generación y propagación de tsunamis. El objetivo principal de DOLFWAVE es proporcionar un marco para el análisis, desarrollo y cálculo de modelos de tipo Boussinesq.
Figura 2: Simulación de la propagación de una onda con DoflWAVE. Fuente: Fenicsproject.org
Coupled Ocean–Atmosphere–Wave–Sediment Transport (COAWST) Modeling System
Entender los procesos responsables del cambio costero es importante para administrar los recursos naturales y económicos. El entendimiento científico actual del transporte de sedimentos costeros y geología sugiere que examinar los procesos costeros a escala regional puede llevar a importantes conocimientos acerca de cómo la zona costera evoluciona a lo largo del tiempo.
Para poder identificar los procesos significativos que afectan la línea costera y cómo esos procesos producen cambios, se ha desarrollado el Coupled Ocean–Atmosphere–Wave–Sediment Transport (COAWST) Modeling System. Este modelo está compuesto del Model Coupling Toolkit para intercambiar data entre el modelo oceánico (ROMS), el modelo atmosférico (WRF), el modelo de olas (SWAN) y las capacidades del Community Sediment Transport Model.
El modelo oceánico es el Regional Ocean Modeling System (ROMS), el cual resuelve las ecuaciones tridimensionales de Reynolds-averaged Navier–Stokes (RANS).
El componente atmosférico del modelo es el modelo WRF (Advanced Research Weather Research and Forecasting). Es un modelo atmosférico no-hidrostático, casi-compresible con una variedad de parametrizaciones físicas de procesos a escala de sub-grilla para predecir meso y micro escalas de movimiento. El modelo predice componentes tridimensionales de momentum del viento, presión superficial, punto de rocío, precipitación, flujos de calor superficial sensible y latente, flujos radioactivos de onda larga y corta, humedad relativa y temperatura del aire.
El modelo de olas es Simulating WAves Nearshore (SWAN). SWAN es un modelo espectral de olas, específicamente diseñado para agua superficial, que resuelve la ecuación de evolución de densidad espectral. SWAN simula la generación de olas de viento y su propagación en aguas costeras incluyendo los procesos de refacción, difracción, interacciones ola-ola, rompimiento de olas y fricción de fondo. SWAN permite la entrada de datos de tiempo y variación espacial de corrientes y niveles de agua.
El componente de modelamiento de sedimentos es del Community Sediment Transport Modeling System (CSTMS). Actualmente, estos componentes están integrados en el modelo ROMS. Sin embargo, son identificados como un set independiente de rutinas y pueden ser extraídos como una entidad separada. Las rutinas de sedimentos consisten de algoritmos para transporte de sedimentos suspendidos, de sedimentos del fondo del río, un modelo para monitorear estratigrafía, morfología y la habilidad de transportar múltiples clases de sedimentos.
El Coupling Toolkit (MCT) permite la transmisión y transformación de información de data distribuida entre los modelos.
URL: http://woodshole.er.usgs.gov/operations/modeling/COAWST/
Figura 3: Procesos considerados en el modelo Coupled Ocean–Atmosphere–Wave–Sediment Transport (COAWST). Fuente: Warner, J. (2010)
Delft 3D
Delft 3D es una plataforma de modelamiento para investigar hidrodinámica, transporte de sedimentos, morfología y calidad de agua para ambientes fluviales, de estuarios y costeros. Consiste de los módulos Flujo (FLOW), Morfología (MOR) y Olas (WAVE).
El software es usado y ha probado sus capacidades en muchos lugares alrededor del mundo como Holanda, Estados Unidos, Hong Kong, Singapur, Australia, Viena, etc. Se encuentra continuamente siendo mejorado y desarrollado con modernas técnicas de modelamiento como consecuencia del trabajo de investigación del instituto Deltares (Países Bajos), el cual se encuentra a cargo de su desarrollo.
El módulo FLOW es el corazón de Delft3D y es un programa multidimensional (2D o 3D) para simulación de hidrodinámica (y transporte) que calcula flujo no constante y el fenómeno de transporte resultante de las mareas y variables meteorológicas.
El módulo WAVE permite la generación del oleaje espectral por efecto de la acción del viento y la propagación del oleaje hacia la costa. El oleaje se describe a través del espectro de densidad de la acción de onda, el cual puede variar en el tiempo y en el espacio.
El módulo MOR calcula transporte de sedimentos (suspendidos y la carga total de fondo) así como los cambios morfológicos para un número arbitrario de fracciones cohesivas y no cohesivas. Las corrientes y olas funcionan como fuerzas condicionantes del sistema. Este módulo tiene incorporadas una amplia variedad de fórmulas de transporte.
Una característica esencial del módulo MOR es la dinámica y retroalimentación con los módulos FLOW y WAVE, que permite que los flujos y olas se ajusten a la batimetría local y permite la simulación en cualquier escala de tiempo (desde días a años). El software puede ayudar a realizar el monitoreo de la composición del lecho de sedimentos para construir un record estratigráfico. El módulo MOR puede ser extendido para incluir características de dragado y botaderos.
Figura 4: Representación de la sedimentación y erosión – Delft 3D. Fuente: Gyssels, P. (2013)
General NOAA Operational Modeling Environment (GNOME)
GNOME (General NOAA Operational Modeling Environment) es la herramienta de modelamiento que la División de Respuestas de Emergencia de la Oficina de Response and Restoration (OR&R) usa para predecir la posible ruta o trayectoria que un contaminante puede seguir en un cuerpo de agua como en el caso de los derrames de petróleo. Su última versión a la fecha es GNOME 1.3.9, publicada el 25 de setiembre del 2014.
GNOME soporta diferentes niveles de experiencia del usuario a través de modos de uso. Si se desea rápidamente establecer escenarios de derrame personalizados para cada incidente, los modeladores de OR&R usan GNOME en el modo ‘Diagnostic’ el cual les permite incorporar modelos de circulación atmosférica y oceánica. Sin embargo, cualquier persona puede usar GNOME en el modo ‘Estándar’ y con la ayuda de archivos regionalmente específicos configurar sus escenarios para:
Predecir cómo el viento, corrientes y otros procesos podrían mover y disipar el petróleo derramado.
Aprender cómo estas predicciones en relación a dónde y cómo el petróleo podría desplazarse son afectadas por la incertidumbre en las observaciones y predicciones de corrientes marinas y viento.
Ver cómo se espera que el petróleo derramado cambie química y físicamente (conocido como meteorización) durante el tiempo que permanece en la superficie del agua.
Para usar GNOME, se describe un escenario de derrame ingresando la información al programa. Luego, GNOME crea y muestra una “película” donde se puede observar la trayectoria esperada del petróleo en el escenario definido. Además, estima la cantidad de petróleo varado, aun flotando o evaporado en tiempos específicos.
URL: http://response.restoration.noaa.gov/oil-and-chemical-spills/oil-spills/response-tools/gnome.html
Figura 5: Esquematización de un derrame de petróleo - GNOME. Fuente: NOAA
