Modelado Medioambiental MSC Germn Fernndez Garca

Introduccin

Los sistemas ambientales y ecolgicos son fundamentales, complejos e interesantes. Son fundamentales porque nuestro modo mismo de vida depende de muchos de estos sistemas que entrelazados entre si hacen posible la vida en nuestro planeta.

Son complejos porque tienen muchos componentes, poseen dinmicas a largo plazo, tienen mltiples escalas, son difciles de controlar o recrear en un laboratorio, son de naturaleza no lineal y requieren tratamiento interdisciplinario para su comprensin.

La complejidad que caracteriza a los problemas ambientales hace de la capacidad de entender y analizar sistemas ecolgicos y ambientales una destreza de mucho valor para todos aquellos que se enfrentan con este tipo de problemas desde gerentes a cargo de manejo de recursos naturales hasta ingenieros encargados de control de la contaminacin o planificadores.

La simulacin y el modelado ambiental constituyen una herramienta fundamental para desarrollar estas capacidades.

En este curso aprenderemos como modelar, entender y analizar la naturaleza dinmica de algunos sistemas ambientales.

Objetivo

El objetivo general de este curso es aprender como entender, modelar y analizar la naturaleza dinmica de varios fenmenos ecolgicos y ambientales. Especficamente los objetivos de este curso son:

1. Conocer algunas de las herramientas y tcnicas ms usadas en simulacin ambiental

2. Consolidar los conocimientos dinmica de sistemas.

3. Obtener las destrezas necesarias para construir y simular modelos de mediana complejidad

Contenido

Revisaremos artculos, libros, problemas y modelos asociados a varios tpicos sobre ecologa, ambiente y simulacin de sistemas. Entre ellos tenemos:

Modelos Poblaciones

Modelos de Ciclos Biogeoqumicos

Modelos de Contaminacin del Agua

Modelos de Calentamiento Global

Modelos de Contaminacin Atmosfrica

Modelo del Mundo

Modelo de Gaia

Metodologa

Se espera que los estudiantes estudien y se ejerciten todas las semanas. En la clase terica se discutirn los conceptos principales del tema en varios formatos: clases presenciales, clases estilo seminario, discusiones y presentaciones. Se asignarn prcticas o tareas donde se implementarn modelos especficos en el computador. Todas las semanas habr una lista de ejercicios, material de lectura o tareas complementarias.

Un antiguo proverbio chino reza Lo que escucho olvido, lo que veo recuerdo, lo que hago comprendo. Por esta razn se hace nfasis en los ejercicios con el computador, el estudio individual y las tareas.

Evaluacin

La evaluacin ser repartida de la siguiente manera:

Evaluacin final: 30% de la calificacin.

Tareas, Prcticas, etc. (40%): A ser entregadas en la fecha correspondiente.

Asistencia y participacin en clase (30% )

Referencias

Libro de texto

Miller, Tyler G. Jr. 2010. Ecologa y Medio Ambiente. Grupo Editorial Iberoamrica

Bibliografa Complementaria (1)

Acevedo M. 2004. Simulation of Ecological and Environmental Models. XanEdu OriginalWorks, Second Edition, USA.

Deaton, M. and J. Winebrake. 1999. Dynamic Modeling of Environmental Systems. Springer Verlag

Ford, Andrew. 1999. Modeling the Environment. An Introduction to System Dynamics Modeling of Environmental Systems. Island Press, USA.

Haefner James W. 2005. Modeling Biological Systems: Principles and Applications. Springer.

Hannon, Bruce y Matthias Ruth. 1997. Modeling Dynamic Biological Systems

Jorgensen, S.E and F. Bendoricchio 2001 Fundamentals of Ecological Modelling, Third Edition, Elsevier.

Meadows, Donella 2004. Limits to Growth: the 30th year update. Chelsea Green.

Bibliografa Complementaria (2)

R Development Core Team. 2008. R: A Language and Environment for Statistical Computing. R Foundation for Statistical Computing, Vienna, Austria. ISBN 3-900051-07-0.

Swartzman G.L. and S. Kaluzny. 1987. Ecological Simulation Primer. MacMillan

Wainwright J. and Mulligan, M. 2004. Environmental Modelling: Finding Simplicity in Complexity. John Wiley & Sons, Ltd.

Recursos Web

Presentaciones Maestro Germn.

Sociedad Internacional de Dinmica de Sistemas

Proyecto de educacin en Dinmica de Sistemas, del MIT

Ecobas una base de metadatos acerca de modelos ambientales y ecolgicos. Puede usarse para buscar todos los modelos registrados para un tipo de ecosistema o organismo, por tipo de modelo o tcnica, entre otros.

Software

Simile: software para la simulacin de sistemas ambientales. Se encuentra disponible tanto para linux como para windows. Tiene una versin de evaluacin gratuita limitada en el nmero de variables que pueden incluirse en el modelo.

Vensim: software de simulacin de dinmica de sistemas. Disponible slo para plataformas windows. Tiene una versin gratuita (Vensim PLE) limitada en la funcionalidad de algunas capacidades del software.

SWAT: La pgina web de uno de los modelos ms usados para la simulacin de cuencas hidrogrficas.

Modelos

Modelos de simulacin ambiental

Son herramientas que permiten simular el comportamiento de sistemas complejos a partir de los datos de tipo fsico, qumico e hidrolgico que caracterizan al sistema y de las complejas interrelaciones existentes entre los mismos, formuladas en forma de algoritmos matemticos.

Clasificacin por su tipologa

Modelos analgicos,

Modelos a escala,

Modelos matemticos y

Modelos numricos

Modelos Analgicos

Con la evolucin de la tecnologa, los modelos de tipo analgico, basados en las similitudes existentes entre dos sistemas fsicos para simular a partir de uno de ellos (por ejemplo, un sistema elctrico) el otro (por ejemplo, un sistema hidrogeolgico), estn en desuso.

Modelos a escala

Los modelos basados en la realizacin a escala, ampliada o reducida, de escenarios naturales, a pesar de sus ventajas en materia de precisin de resultados, tienen una utilizacin limitada, condicionada por la complejidad que conlleva el mantenimiento de las condiciones que regulan el comportamiento del medio simulado al variar la escala de la modelacin, lo que se traduce en modelos de desarrollo costoso y con excesivas rigideces a la hora de variar las condiciones que regulan el comportamiento del sistema modelado.

El desarrollo tecnolgico ha propiciado la utilizacin y el auge de los modelos matemticos y entre ellos, los denominados modelos numricos de simulacin por ordenador. Esta tipologa de modelos se caracteriza por:

1. La (relativa) economa de su desarrollo

2. La flexibilidad a la hora de conformar la red de interrelaciones existentes entre los parmetros ambientales

3. La facilidad a la hora de introducir modificaciones en los valores de estos parmetros, en las acciones exteriores a que se ve sometido el sistema modelado e incluso en las propias interrelaciones entre ellos

4. La alta precisin en los resultados obtenidos

La premisa en la que se basan los modelos de simulacin radica en la asuncin del hecho de que si un determinado modelo es capaz de reproducir situaciones pretritas de un sistema fsico cuyos parmetros de entrada, acciones exteriores y evolucin conocemos, es bastante presumible que ser capaz de predecir situaciones futuras, permitindonos anticipar en el tiempo la evolucin del sistema y tomar las medidas precautorias, de control o correctoras adecuadas para garantizar la evolucin del mencionado sistema dentro de unos lmites ambientales aceptables.

Para garantizar el cumplimiento de la mencionada premisa es preciso que el desarrollo de un modelo siga una metodologa, ampliamente sancionada por la prctica, cuya asuncin es indispensable para alcanzar la calidad mnima que requiere la utilizacin de estas herramientas.

El primero de los condicionantes consiste en la disponibilidad de datos adecuados, en nmero y calidad, correspondientes al sistema fsico modelado. Estos datos se extienden a los parmetros que caracterizan fsica, qumica e hidrolgicamente a nuestro sistema (geometra, caractersticas hidrogeolgicas, etc.) pero tambin a las medidas de diversa ndole correspondientes a las acciones externas a que se ve sometido el sistema (explotaciones, recarga de lluvia, etc) y a la propia evolucin temporal de las variables ambientales (piezometra, concentraciones qumicas, etc.)

Seccin transversal de un acufero mostrando los parmetros que intervienen en un modelo de simulacin

El desarrollo del modelo requiere la realizacin previa de un modelo conceptual del sistema que permita abstraer del mismo los elementos ms significativos que den cuenta de la mayor parte del comportamiento de nuestro inters.

En este sentido, es necesario recordar que los modelos son una aproximacin de la realidad, no la realidad misma, y que por tanto llevan asociados un determinado error cuya magnitud debemos conocer y asumir como aceptable en funcin del objetivo perseguido en nuestro trabajo.

La fase ms crtica del desarrollo del modelo consiste en la calibracin y el anlisis de sensibilidad del sistema.

Durante su desarrollo se realizan decenas, centenas e incluso miles de simulaciones para los sistemas ms complejos variando en cada una de ellas los datos de partida y analizando los resultados producidos por el modelo.

Las calibracin y el anlisis de sensibilidad de un modelo son, con diferencia, las etapas ms costosas de su elaboracin razn por la cual surge la tentacin de obviarlas para reducir costes.

Cuando se finalizan las etapas anteriores, el modelo est en condiciones de simular situaciones hipotticas, pasando a la fase de explotacin.

En esta etapa se hacen generalmente predicciones anticipadas en el tiempo, aunque la utilidad del modelo no se limita a este nico aspecto predictivo, pudiendo ser realizadas simulaciones sobre situaciones pretritas para identificar, por ejemplo, el origen histrico de un determinado problema ambiental observado en el presente.

Igualmente, puede ser utilizado el modelo para caracterizar el sistema, es decir, para cuantificar mediante su uso la magnitud de determinados parmetros del sistema estudiado.

Evaluacin del curso

Fechas

Bibliografa