Acoplamiento de modelos de transporte de solutos y de modelos de reacciones químicas

Abstract

[ES] La distribución espacial de un soluto reactivo y su movimiento a través del medio subterráneo están controlados por procesos hidrodinámicos de transporte de masa (advección, difusión y dispersión) y procesos químicos asociados a reacciones de diversa naturaleza. La mayoría de los modelos de transporte de solutos tienen en cuenta de forma rigurosa los procesos hidrodinámicos, pero sólo consideran las interacciones de tipo químico de forma muy simplificada. Por otro lado, los modelos de especiación química contemplan una gran variedad de procesos químicos en condiciones de equilibrio químico, aunque sólo son aplicables a sistemas acuáticos estáticos sin flujo. En la última década se han desarrollado un número considerable de modelos acoplados que contemplan, con grados muy variables de sofisticación, tanto los procesos hidrodinámicos como los químicos. Estos modelos contienen por un lado las ecuaciones diferenciales en derivadas parciales (EDP) correspondientes al transporte de solutos y las correspondientes a los. procesos químicos, que en la hipótesis de equilibrio químico, son ecuaciones algebraicas no lineales. Un aspecto importante en la solución del problema es la adecuada selección de las variables primarias dependientes, las cuales satisfacen las ecuaciones de transporte. La inadecuada elección de las variables primarias limita la aplicabilidad del método de solución a sistemas químicos mixtos que contienen reacciones lentas (cinética) y rápidas (equilibrio). Una característica común de la mayoría de los modelos existentes es la extraordinaria exigencia de tiempos de cálculo que motiva que con determinados enfoques sólo sea viable la solución de problemas unidimensionales.

[EN] During subsurface transport, reactive solutes are subject to a variety of hydrodynamic and chemical processes. The major hydrodynamic processes include advection and convection, dispersion and diffusion. The key chemical processes are complexation including hydrolysis and acid-base reactions, dissolution-precipitation, reduction-oxidation, adsorption and ion exchange. The combined effects of all these processes on solute transport must satisfy the principie of conservation of mass. The statement of conservation of mass for N mobile species leads to N partial differential equations. Traditional solute transport models often incorporate the effects of hydrodynamic processes rigorously but oversimplify chemical interactions among aqueous species. Sophisticated chemical equilibrium models, on the other hand, incorporate a variety of chemical processes but generally assume no-flow systems. In the past decade, coupled models accounting for complex hydrological and chemical processes, with varying degrees of sophistication, have been developed. The existing models of reactive transport employ two basic sets of equations. The transport of solutes is described by a set of partial differential equations, and the chemical processes, under the assumption of equilibrium, are described by a set of nonlinear algebraic equations. An important consideration in any approach is the choice of primary dependent variables. Most existing models cannot account for the complete set of chemical processes, cannot be easily extended to include mixed chemical equilibria and kinetics, and cannot handle practical two and three dimensional problems. The difficulties arise mainly from improper selection of the primary variables in the transport equations.