Modelo de evaluación de la contaminación descargada en humedales producto de la escorrentía urbana: metales pesados en sedimentos viales

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Resumen

This study presents the results of an assessment model for heavy metal pollution in the Capellanía Wetland, focusing on its correlation with total solids. Through principal component analysis, it was identified that total solids were a significant variable in relation to heavy metals, leading to the development of five linear regression models for each specific metal (chromium, copper, nickel, lead, and zinc). Subsequently, a dynamic modeling software was used to establish the connection between the wetland's hydrological behavior and the results of the linear regression models. This enables the quantification of heavy metal concentrations within the wetland, as this variable is not commonly measured in routine water quality assessments. Integrating hydrological dynamics and regression models allows for a comprehensive understanding of heavy metal pollution in the wetland. Using results from granulometric tests conducted in various locations, linear regressions were developed using R® software, obtaining coefficient of determination values ranging from 0.48% to 0.99% of explained percentage. These findings highlight the models' capacity to explain the relationship between total solids and heavy metals in the wetland. In addition to considering these relationships, the model also incorporates other relevant variables, such as the area of the wetland's contributing basin, its area, volume, depth, inflow and outflow rates, average annual precipitation, resuspension rate, sedimentation rate, and hydraulic retention time, all crucial for dynamic modeling carried out with Vensim® software, where an estimated 25.4 tons of heavy metals enter the wetland each year. To validate the model, two methods were employed. The first method involved using Vensim® software, applying the Monte Carlo method to assess sensitivity. The second method consisted of a direct comparison between real data obtained from secondary documentation and the modeled data. This comparison yielded the following statistical metrics: mean squared errors (MSE) and mean absolute errors (MAE), ranging from 0.0001 to 0.003 and from 0.6% to 3.9%, respectively. These values indicate the model's precision in predicting pollution and its variability. The combination of these validation approaches allowed for a comprehensive evaluation of the model's performance and its ability to accurately represent the dynamics of heavy metal pollution in the wetland.

Descripción

Este estudio presenta los resultados de un modelo de evaluación de la contaminación por metales pesados en el Humedal Capellanía, enfocándose en su correlación con los sólidos totales. A través del análisis de componentes principales, se identificó que los sólidos totales eran una variable significativa en relación con los metales pesados, lo que llevó al desarrollo de cinco modelos de regresión lineal para cada metal específico (cromo, cobre, níquel, plomo y zinc). Posteriormente, se utiliza un software de modelado dinámico para establecer la conexión entre el comportamiento hidrológico del humedal y los resultados de los modelos de regresión lineal. Esto permite la cuantificación de las concentraciones de metales pesados dentro del humedal, ya que esta variable no suele medirse en las evaluaciones de rutina de la calidad del agua. Al integrar la dinámica hidrológica y los modelos de regresión, se puede lograr una comprensión integral de la contaminación por metales pesados en el humedal. Utilizando resultados de pruebas granulométricas realizadas en diversas localidades, se desarrollan regresiones lineales mediante el software R®, obteniendo valores de coeficiente de determinación que oscilan entre el 0,48% y el 0,99% de porcentaje explicado. Estos resultados resaltan la capacidad de los modelos para explicar la relación existente entre los sólidos totales y los metales pesados en el humedal. Además de considerar estas relaciones, el modelo también incorporó otras variables relevantes, como el área de la cuenca aferente del humedal, su área, volumen, profundidad, caudal de ingreso y salida, precipitación media anual, tasa de resuspensión, tasa de sedimentación y tiempo hidráulico de retención, todos ellos cruciales para el modelado dinámico realizado mediante el software Vensim®, donde se calculó que ingresan 25,4 toneladas anuales de metales pesados al humedal. Para validar el modelo, se emplearon dos métodos. El primer método involucró el uso del software Vensim®, donde se aplicó el método de Monte Carlo para evaluar la sensibilidad. El segundo método consistió en una comparación directa entre los datos reales obtenidos de la documentación secundaria y los datos modelados. Esta comparación arrojó las siguientes métricas estadísticas: errores cuadráticos medios (MSE) y errores absolutos medios (MAE), que oscilaron entre 0,0001 y 0,003, y entre 0,6 % y 3,9 %, respectivamente. Estos valores indican la precisión del modelo en la predicción de la contaminación y su variabilidad. La combinación de estos enfoques de validación permitió una evaluación integral del rendimiento del modelo y su capacidad para representar con precisión la dinámica de la contaminación por metales pesados en el humedal.

Palabras clave

Metales pesados, Humedal, Modelación dinámica, Sedimentos viales, Calidad del agua

Materias

Maestría en Desarrollo Sustentable y Gestión Ambiental -- Tesis y disertaciones académicas , Contaminación por metales pesados , Escorrentía urbana y sedimentos viales , Humedales urbanos , Modelación hidrológica , Evaluación de la calidad del agua

Citación