Computacional Aplicada al Diseño Óptimo de Redes de Monitoreo del Agua Subterránea. Graciela Herrera Zamarrón Instituto de Geofísica, UNAM

Modelación Matemática y Computacional Aplicada al Diseño Óptimo de Redes de Monitoreo del Agua Subterránea Graciela Herrera Zamarrón Instituto de Geof

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Modelación Matemática y Computacional Aplicada al Diseño Óptimo de Redes de Monitoreo del Agua Subterránea Graciela Herrera Zamarrón Instituto de Geofísica, UNAM

25 de septiembre de 2009

Créditos ► George Pinder, University of Vermont ► Joe Guarnaccia, Ciba Geigy ► Yingqi Zhang, Lawrence Berkeley National

Laboratory ► Edgar Yuri Mendoza, Instituto Mexicano de tecnología del Agua ► Jessica Briseño Ruiz ► Hugo Júnez Ferreira ► Roel Simuta Champo ƒ Estudiantes de doctorado Facultad de Ingeniería, UNAM

Guía de la presentación ► ► ► ► ► ►

Redes de monitoreo del agua subterránea Diseño óptimo de redes de monitoreo Diseño de redes de monitoreo con modelos estocásticos Caso diseño de red de calidad del agua para el acuífero Toms River Redes de monitoreo basadas en geoestadística Desarrollos en proceso para diseño de redes de monitoreo basados en modelos estocásticos

Redes de monitoreo de prevención contra la sobreexplotación y contaminación del agua subterránea ► En trabajos de saneamiento de acuíferos sistema para verificar la efectividad de los métodos ► Monitoreo de ► Sistemas

ƒ los niveles del agua (cantidad del agua) ƒ la calidad del agua

Diseño de redes de monitoreo del agua subterránea ► Consiste

en la elección de sitios y frecuencia de monitoreo ► Métodos geohidrológicos

ƒ Sitios en los que se diseña una red por primera vez ƒ Sitios en los que aún no se han presentado problemas de contaminación

► Métodos geoestadísticos ƒ Sitios en los que se espera que las condiciones cambien en forma paulatina ► Modelos estocásticos de flujo y transporte ƒ Sitios en los que se espera que las condiciones cambien en forma paulatina o en los que las condiciones cambiarán abruptamente y es necesaria la predicción

Diseño óptimo de redes de monitoreo requiere optimizar algún criterio para elegir las posiciones de los pozos y/o las frecuencias de monitoreo ► Minimizar ► Se

ƒ incertidumbre de estimación ƒ costo

Pasos en el diseño de una red de monitoreo óptima ►

Estudio hidrogeológico del acuífero



Estudio hidrogeoquímico del acuífero

ƒ Modelo conceptual del acuífero

ƒ Entendimiento de la problemática de calidad del agua del acuífero

Revisión en campo de los pozos que pueden conformar la red de monitoreo ► Establecer objetivos de la red de monitoreo ► Optimización de la red de monitoreo ►

ƒ Traducir objetivos en términos matemáticos ƒ Diseño de la red de monitoreo



Evaluación de la red de monitoreo



Seguimiento, evaluación y modificación de la red de monitoreo

ƒ Criterios hidrogeológicos ƒ Criterios de calidad del agua ƒ Validación estadística

Método para la optimización de redes de monitoreo de la calidad del agua subterránea (1998) Programa de cómputo GWQ-Monitor

Método de Herrera y Pinder Desarrollado en mi tesis doctoral Propósito: Diseño óptimo espacio-temporal de redes de monitoreo de calidad del agua subterránea

Diseño óptimo de redes de monitoreo de calidad del agua subterránea Lenguaje Fortran Cuenta con una interfaz ArgusONE desde 2001

Métodos: Modelación – Modelo estocástico de flujo y transporte Estimación - Filtro de Kalman Optimización sucesivas

Implementa método propuesto en mi tesis doctoral

-

Método

de

adiciones

gráfica

en

Propósito de las redes de monitoreo ► Estimar

el valor de la variable de interés y su evolución en los pozos de monitoreo ► Con base en datos en estos pozos, estimar la variable en puntos y tiempos en dónde no se ha medido ► El monitoreo de las variables se requiere por un tiempo largo

M étodos de dise ño Métodos diseño ► Estimación ► Variables

Espacio Espacio

de decisión

Tiempo Tiempo

Espacio Espacio yy tiempo tiempo Tesis Tesis doctoral doctoral (1998) (1998)

Método de Herrera y Pinder Tres procedimientos 1) Predice la incertidumbre de la estimación de la variable cuando se muestrea en posiciones dadas

2) Utiliza esta predicción de la incertidumbre como criterio para escoger las posiciones y en su caso los tiempos de muestreo, los cuales definen la red de monitoreo y su programa de muestreo

3) Calcula una estimación de la variable a analizar y la actualiza con datos disponibles

Predicción de la incertidumbre cuando se muestrea en posiciones dadas (Método de estimación)

Métodos utilizados estocástico de flujo y transporte ► Análisis geoestadístico ► Filtro de Kalman ► Modelo

Ecuaciones para modelar el flujo del agua subterránea ►

Ecuación en 3D

∂h ⎞ ∂ ⎛ ∂h ∂ ⎛ ∂h ⎞ ∂ ⎛ ∂h ⎞ ⎟⎟ + ⎜ K z −R ⎟ + ⎜⎜ K y ⎟ = Ss ⎜Kx ∂y ⎠ ∂z ⎝ ∂z ⎠ ∂t ∂x ⎝ ∂x ⎠ ∂y ⎝ ►

h -carga hidráulica



K x -conductividad hidráulica (capacidad del medio para



Ss



conducir agua)

-almacenamiento específico (depende de la elasticidad del medio)

R -fuentes o sumideros (extracción de agua por pozos)

Ecuación de transporte de solutos con advección y dispersión ⎞ ∂ ⎛ ∂c ∂c ∂ ⎛ ∂c ⎞ ∂ ⎛ ⎞ ∂c ⎜ ⎟ − V y c ⎟ + ⎜ Dz − Vx c ⎟ + ⎜ D y − Vz c ⎟ = ⎜ Dx ∂x ⎝ ∂x ⎠ ∂y ⎝ ∂y ⎠ ∂t ⎠ ∂z ⎝ ∂z ∂h ∂h 1 ∂h V = − ( K x , Ky , K z ) θ ∂x ∂y ∂z - concentración del soluto



c



Vx - velocidad efectiva



Dx - dispersión hidrodinámica (depende características medio poroso)



θ

- porosidad

Resolución de las ecuaciones ► Solución

analítica para problemas simples ► Métodos numéricos ƒ Diferencias finitas ƒ Elemento finito

Modelo estocástico de flujo y transporte ► Parámetros

aleatorios

ƒ Conductividad hidráulica ƒ Concentración de la variable en la fuente del contaminante ► Resolución

de las ecuaciones

ƒ Simulación estocástica o Monte Carlo

Simulación estocástica realizaciones de los parámetros aleatorios ► Resolver el modelo de flujo y de transporte para cada realización ► Calcular la distribución probabilística o los estadígrafos relevantes de las concentraciones ► Obtener

Filtro de Kalman una estimación lineal sin sesgo y de varianza mínima del estado de un sistema utilizando datos con ruido

► Proporciona

un método secuencial para actualizar las estimaciones cuando se proporcionan datos nuevos, sin necesidad de hacer referencia a datos anteriores

► Establece

Fórmulas del filtro de Kalman ► Variable

a estimar C , datos z ► Ecuación de muestreo

z n = H n C + vn ► Ecuaciones

{(

(

Cˆ n +1 = Cˆ n + K n +1 z n +1 − H n +1Cˆ n

)

Pn +1 = Pn − K n +1 H n +1 Pn K n +1 = Pn H

(H

)(

Pk = E C − Cˆ k C − Cˆ k

para la actualización

T n +1

Cˆ k = E {C / z1 ,..., z k }

PH

n +1 n

T n +1

+ Rn +1

)

−1

{

Rk = E v k v k

T

)} T

}

Requiere de una estimación inicial para C y la matriz de covarianza del error de esta estimación

Cálculo de la matriz de covarianza inicial ► En

el método de Herrera y Pinder la matriz se calcula para todas las posiciones y tiempos de estimación o monitoreo

► Modelo

estocástico de flujo y transporte

ƒ Parámetros aleatorios: conductividad hidráulica y contaminación en la fuente de contaminante ƒ Caracterizados con un análisis geoestadístico ► Resolución

de las ecuaciones

ƒ Simulación estocástica o Monte Carlo

Puntos de estimación y de monitoreo T1

X4

X4

Posibles pozos de monitoreo Puntos de estimación

T2

T3

Matriz de covarianza espacio-temporal Matriz de covarianza espacial

5X5 5X5

C1

C1-C2

C1-C3

X1

σ12

X2

C2-C1

C2

C2-C3

σ22

X3

σ32

X4

σ42 σ52

X5

C3-C1

C3-C2

C3

X1

X2

X3

X4

X5

Selección de las posiciones y los tiempos de muestreo

Métodos utilizados ► Método

de estimación del paso 1 ► Optimización con método de adiciones sucesivas

Función objetivo ►

Varianza en los puntos de estimación sumada sobre todas las posiciones y tiempos de estimación

X4

X4

Posibles pozos de monitoreo Puntos de estimación

Matriz de covarianza del filtro de Kalman

Método de optimización de adiciones sucesivas ► La

estrategia de monitoreo se construye secuencialmente ► Se elige un sitio espacio-temporal de monitoreo a la vez, el sitio seleccionado en cada paso es aquél que minimiza la variancia total ► La búsqueda se realiza por inspección completa de todos los posibles pozos ► Hay que definir un criterio para determinar el número total de pozos

Cálculo de la estimación de la variable

Métodos estocástico ► Filtro de Kalman ► Modelo

Estimación toma la media espacio-temporal de la variable calculada con la simulación estocástica ► Se actualiza con datos usando el Filtro de Kalman ► Se

Resultados

Análisis Geoestadístico

Protocolo 1.1.1.- Aná Análisis geoestadí geoestadístico para obtener mediante simulació simulación secuencial gaussiana realizaciones de conductividad hidrá hidráulica

Configuración en ARGUS-ONE del modelo determinista

Simulación Secuencial Gaussiana SGSIM

2.2.2.- En la interfaz grá gráfica del Princeton Transport Code (PTC), se configura el modelo determinista de flujo y/o transporte

Configuración de la red de monitoreo en ARGUSONE

3.3.- En la interfaz grá gráfica del GWQMonitor se configura el diseñ diseño de la red de monitoreo, monitoreo, se corre el modelo estocá estocástico con las realizaciones de conductividad, se genera la matriz de covarianza en espacio y tiempo, y se se ponderan las posiciones de monitoreo propuestas

+

3.-

4.-

Postprocesamiento y validación

Redes de Monitoreo Piezométricas y/o de Calidad del Agua

4.4.- Se realiza el postpost-procesamiento, procesamiento, se propone el número total de pozos a incluir en la red de monitoreo y se valida la red propuesta

POZOS DE MONITOREO

5.-

CONTAMINANTE SUBSUELO

5.5.- Diseñ Diseño de la red óptima de monitoreo

AGUA SUBTERRANEA

PLUMA

Aplicación para probar el método ► Sitio

del superfondo de la EPA de los EUA

ƒ Localizado en el estado de Nueva Jersey

► Contaminante

ƒ Clorobenceno (CB)

► Un

sistema de saneamiento funciona en el sitio desde 1985 ► Propósito optimizar la red para un periodo de once meses ƒ Seleccionar posiciones y tiempos de monitoreo ƒ Minimizar la incertidumbre en dos zonas de riesgo en octubre de 1986

Área de estudio Parque ecuestre Parque Pine Lake

N

Parque Winding River

Parque Industrial

Límite de la Propiedad

Parque Winding River Comunidades de Retirados Ruta 37 Residencial Manchester Residencial Manchester propiedad de Ciba Residencial/Conservation

Area Oak Ridge

Residencial/Conservation propiedad de Ciba Residencial R-90 y R-150 Comercios de la Carretera Rural Industrial 1” =2000 ft.

Industrial Propiedad de Ciba 0

500 1000 1500 2000

Modelo conceptual ► Nueve

miembros geológicos ƒ Arenas no consolidadas, limos, y arcillas

► Contaminantes

detectados en las primeras cinco unidades geológicas

redirección Grosor aproximado [pies]

fuente de agua de precipitación escurrimiento

zona vadosa

Pozo de bombeo

fuente de agua de la zona vadosa agua colgada 50

infiltración

arcilla fuente de agua de la zona colgada capas del modelo 1 Cohansey Primario

30

2 3

30

4

10

5

Cohansey Inferior

30

6

Kirkwood Superior

10

7

Kirkwood No. 1

zona saturada (Acuífero de Arena Superior)

Transición Cohansey/Kirkwood

Río Toms

Dominio y malla del modelo

Posibles pozos de monitoreo

62 pozos

Red de monitoreo y número de muestras Red óptima 23 pozos 40 muestras 1

Red original 322 muestras de 62 pozos

Reducción en costo del 87%

2

1

2

1

1

1

2 3

1 1

11 7 11 2 1

2 3

1 3 1

Número de muestras por tiempo 7

6

Número de muestras

5

4

3

2

1

0 1 2 3

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 Tiempo de muestreo

Necesidades tiempo de cómputo ► Método de estimación de parámetros para el modelo estocástico ► Incluir costo en la función objetivo ► Reducir

Desarrollos Posteriores

Método geoestadístico ► Tesis

maestría Hugo Júnez

ƒ Adaptación del método a problemas sin modelo ►Matriz

de covarianza de error de la estimación espacial obtenida por análisis geoestadístico

ƒ Diseño de redes de monitoreo para varios parámetros ► Aplicaciones

ƒ Acuíferos: Irapuato Valle (2004), Querétaro (2004), Pátzcuaro (2006, 2007), Chalco-Amacameca, Zona Metropolitana de la Ciudad de México y Texcoco (2008), Acuíferos somero y profundo de San Luis Potosí (2006-2009) ƒ Otros autores 5 acuíferos de Chihuahua

Desarrollos actuales método geoestadístico ► Tesis

doctoral Edgar Yuri Mendoza (terminada) ƒ Método geoestadístico espacio-temporal

► Tesis

doctoral Hugo Júnez

ƒ Diseño óptimo redes de monitoreo espacio temporales

Desarrollos modelación estocástica ► Tesis

Yingqi Zhang (dirigida por el Dr. Pinder) ƒ Método Latin Hypercube Sampling en 3D (para reducir tiempo de cómputo) ƒ Optimización algoritmo genético con posibilidades de incluir costo ƒ Función objetivo para estimar las tendencias de concentraciones en algunos pozos

Desarrollos actuales modelación estocástica ► Tesis

doctoral Jessica Briseño

ƒ Modificación para diseño de redes de la cantidad del agua ƒ Método de estimación de parámetros para el modelo estocástico

Método de estimación de parámetros para el modelo estocástico ► Filtro

de Kalman ► Aplicado a la matriz de covarianza de la concentración aumentada con la conductividad hidráulica y la carga hidráulica Matriz Matriz de de covarianza covarianza H-lnK-C H-lnK-C H

H-ln K

H-C

ln K-H

ln K

ln K-C

C-H

C-ln K

C

Matriz de covarianza de H-lnK-C

Método propuesto para la estimación de parámetros

Con datos de K

Análisis geoestadístico

ln K, H, C, matriz de covarianza de H-lnK-C como parámetros a priori

Datos de ln K, H y C

ln K y su semivariograma

Realizaciones de ln K

Modelo estocástico de flujo y transporte

Filtro de Kalman

Realizaciones de H y C

Cálculo de H, ln K, C, y matriz de covarianza de H-lnK-C en espacio y tiempo

ln K actualizada

Caso de estudio Estimación de parámetros de un modelo estocástico de flujo y transporte. Este Este caso caso de de estudio estudio se se basa basa en en una una representación representación simplificada simplificada del del acuífero acuífero de de Querétaro. Querétaro.

Se considera un derrame en la zona centro del Valle de Querétaro. Suponemos que el derrame se tiene una fuente constante de emanación de 1 y se dispersa durante 50 años en los cuales no tenemos datos. Modelo completo

Posteriormente, consideramos que el segundo periodo se cuenta con datos de ln K, H, y C en algunos puntos cada 6 meses.

8073 nodos 15860 elementos

Modelo reducido

Condiciones Condiciones de de frontera frontera Se establecieron como condiciones de frontera de carga asignada a la media de las 4000 realizaciones de H

Matriz Matriz de de covarianza covarianza

Convergencia de las realizaciones de H, ln K y C Datos de convergencia de las matrices de covarianza de H, ln K y C

Modelo completo Gráficas de convergencia de las matrices de covarianza de H, C y ln K

Datos de convergencia de las matrices de covarianza de H, ln K y C

Modelo reducido Gráficas de convergencia de las matrices de covarianza de H, C y ln K

Comparación de los modelos (completo vs reducido) Comparación de la media de H del modelo Completo vs. Reducido Caso

EM

ECM

Min Err

Max Err

Modelos C vs R

0.00144

0.00015

-0.02420

0.02130

Comparación de la estimación de H del modelo completo vs. reducido en las estimaciones con el filtro de Kalman en los casos de estudio.

Estimación de H

EM

ECM

Min Err

Max Err

Caso A

0.11355

0.05459

-0.33000

0.49300

Caso B

0.12600

0.02464

-0.05900

0.29400

Caso C

-0.09742

0.01511

-0.20700

0.08900

Avances

Si ln K y Cov ln K no son correctas

LOCALIZACIÓN GENERAL 112 °

104 °

9 6°

88°

E S T A D O S U N I D OS D E A M É R I C A

32°

B A JA C A L I FO R N I A NTE

32 °

No rte

S O N OR A CH IH UA H U A

C O A H U I LA B AJA C A L I FO R N I A S UR 2 4°

S I NA LO A

N U E V O LE Ó N G O L FO D E M É X I C O

D U RA N GO

24°

TA M A U L I P A S

ZA C A T E C A S

S LP NAY A RIT

A GS Y U C A TA N

N ort e

Estimación Estimación de de parámetros parámetros de de un un modelo modelo estocástico estocástico de de flujo. flujo.

Si Si ln ln K K yy Cov Cov ln ln K K son son correctas, correctas, empleando empleando el el filtro filtro de de Kalman, Kalman, se se estimó estimó el el ln ln K, K, con con datos datos de de ln ln K K yy H. H. El El campo campo distribuido distribuido de de ln ln K K estimado estimado tiene tiene poco poco error error aunque aunque el el efecto efecto de de los los datos datos de de H H en en la la estimación estimación es es reducido. reducido.

J A LI S C O

CO LI MA

GT O

QRO H GO

Q U I N TA N A R O O

MÉ X D . F. M OR P UE B LA GU ER R E RO

CA MP E C H E

MI C H

TA B A S C O B E L I ZE

1 6°

OA X A C A

C H IA P A S

1 6 °

G U A TE M A L A HON D UR A S

San Luis Potosi

E L S A LV A D O R

112°

1 04 °

96°

88°

Area de Estudio

Guanajuato

Queretaro Qto.

Hidalgo

Michoacan

Edo. de México

Se requiere estimar K y Cov K, con las cuales al realizar la estimación de parámetros se logré menor error, y que hagan que el FK de resultados apropiados.

Desarrollos actuales modelación estocástica ► Tesis

doctoral Roel Simuta

ƒ Método Latin Hypercube Sampling en 3D ƒ Optimización algoritmo genético y comparaciones con método secuencial ƒ Extensión al muestreo en 3D

Error en la covarianza del ln K (2D) 0.12

0.1

LHS_axy=2500 LHS_axy=672 SGS_axy=2500 SGS_axy=672

0.06

0.04

0.02

Número de realizaciones

1600

1500

1400

1300

1200

1100

1000

900

800

700

600

500

400

300

200

100

0 0

RECM

0.08

Error en la covarianza del ln K (3D) 0.12

0.1

RECM

0.08

LHS_axyz=2500 LHS_axyz=672 SGS_axyz_2500 SGS_axyz=672

0.06

0.04

0.02

0 0

200

400

600

800

1000

1200

Número de realizaciones

1400

1600

1800

2000

Desarrollos futuros ► Paralelización

del programa de cómputo ► Unificar los métodos geoestadístico y de modelación

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