Humedad antecedente

En hidrología y en la recolección y disposición de aguas residuales , la humedad antecedente se refiere a la humedad relativa de una cuenca hidrográfica o de alcantarillado sanitario. Las condiciones de humedad antecedente varían continuamente y pueden tener un efecto muy significativo en la respuesta del flujo en estos sistemas durante la temporada de lluvias. Este efecto es evidente en la mayoría de los sistemas hidrológicos, incluyendo la escorrentía pluvial y el alcantarillado sanitario con afluencia e infiltración . Muchos de los desafíos de modelado y análisis que plantean las condiciones de humedad antecedente se hacen evidentes en los sistemas de alcantarillado combinado y en los sistemas de alcantarillado sanitario separados.

La palabra «antecedente» simplemente significa «condiciones previas». La combinación de los términos «antecedente» y «humedad» da como resultado «condiciones de humedad previas». La humedad antecedente es la humedad o sequedad relativa de una cuenca de alcantarillado, que cambia continuamente y puede tener un efecto muy significativo en las respuestas de flujo en estos sistemas durante la temporada de lluvias. Las condiciones de humedad antecedente son altas cuando ha habido mucha lluvia recientemente y el suelo está húmedo. Las condiciones de humedad antecedente son bajas cuando ha habido poca lluvia y el suelo se seca.

La relación entre precipitación y escorrentía está bien definida en el campo de la hidrología. La escorrentía superficial en los sistemas hidrológicos se conceptualiza generalmente como proveniente de áreas permeables e impermeables. Es la escorrentía permeable la que se ve afectada por las condiciones de humedad previas, ya que la escorrentía de superficies impermeables como carreteras, aceras y techos no se ve afectada significativamente por los niveles de humedad anteriores. Las superficies permeables (como campos, bosques, áreas verdes y espacios abiertos) se ven muy afectadas por las condiciones de humedad previas, ya que producen una mayor tasa de escorrentía cuando están húmedas que cuando están secas.

La infiltración y el flujo dependientes de la lluvia (RDII) en los sistemas de alcantarillado se ven altamente afectados por las condiciones de humedad previas, y estos efectos pueden ser más complejos que las relaciones de precipitación/escorrentía para el agua superficial. Las trayectorias de la RDII que ingresan al sistema de alcantarillado son más complejas que la escorrentía superficial, ya que los mecanismos de transporte incluyen tanto la escorrentía superficial como el transporte subsuperficial. Esto añade complejidades adicionales a los efectos hidrológicos y a los efectos de la humedad previa, como los niveles de saturación de los suelos en el subsuelo, los niveles de agua subterránea y la hidráulica del subsuelo.

Las condiciones de humedad previas se ven muy afectadas por los niveles de precipitación anteriores. Sin embargo, la precipitación previa no es el único factor que influye en la humedad previa, y muchas otras variables del proceso hidrológico pueden tener un impacto significativo. Por ejemplo, la temperatura del aire, la velocidad del viento y los niveles de humedad afectan las tasas de evaporación , lo que puede modificar considerablemente las condiciones de humedad previas. Otros factores que pueden influir son la evapotranspiración , la presencia o ausencia de cubierta arbórea y los efectos del deshielo.

Los enfoques tradicionales para analizar los efectos de la humedad antecedente se basan en modelos físicos derivados de principios fundamentales , como los de energía, momento y continuidad, que a su vez dependen de mediciones de numerosos parámetros para su entrada y simulación. Entre estos programas se incluyen el Modelo de Gestión de Aguas Pluviales , Mouse RDII u otros programas de simulación de lluvia/escorrentía. Estos modelos suelen calibrarse para una condición específica de humedad antecedente observada durante una sola tormenta. Ajustar los datos de varias tormentas ocurridas bajo diferentes condiciones de humedad antecedente requiere modificar los parámetros del modelo y recalibrarlo. Al final de este proceso, el modelador dispone de varios modelos, cada uno de los cuales puede ajustarse a una tormenta específica ocurrida bajo una condición específica de humedad antecedente, pero ninguno es capaz de ajustarse simultáneamente a todos los datos. Este es el desafío de utilizar modelos basados ​​en eventos con enfoques tradicionales: requiere que el usuario seleccione una condición particular de humedad antecedente para las simulaciones de diseño.

Algunos enfoques de modelado, como el Programa de Simulación Hidrológica - Fortran (HSPF) o el Modelo de Cuenca Hidrográfica de Stanford desarrollado por Crawford y Linsley (1966), intentan abordar las condiciones de humedad antecedente mediante una representación física compleja de las trayectorias de transporte del agua en la superficie y en el subsuelo. Estas herramientas son útiles para investigar y estudiar las diversas complejidades asociadas con los procesos de transporte hidrológico. Sin embargo, la gran cantidad de parámetros en estos modelos, la dificultad para medirlos y la sensibilidad de los resultados a pequeñas variaciones en los parámetros dificultan su uso para simular la humedad antecedente en sistemas de alcantarillado. La navaja de Occam evidencia estos desafíos desde una perspectiva sistémica.

Un enfoque alternativo para modelar la humedad antecedente consiste en partir de mediciones del comportamiento del sistema y las influencias externas (entradas al sistema) e intentar determinar una relación matemática entre ellas sin entrar en los detalles de lo que ocurre realmente dentro del sistema. Este enfoque se denomina identificación de sistemas . La identificación de sistemas se aplica en diversos campos más allá de la ingeniería, desde la economía hasta la astronomía , y también se conoce con otros nombres (como modelado inverso, análisis de series temporales y modelado físico empírico). La identificación de sistemas es un término general que describe herramientas y algoritmos matemáticos que construyen modelos dinámicos a partir de datos medidos. Un modelo dinámico, en este contexto, es una descripción matemática del comportamiento dinámico de un sistema o proceso. En muchos casos, un modelo de caja blanca basado en principios fundamentales (por ejemplo, un modelo para un proceso físico a partir de las leyes del movimiento de Newton ) resultará excesivamente complejo e incluso imposible de obtener en un tiempo razonable, debido a la naturaleza compleja de muchos sistemas y procesos.

Se han aplicado enfoques basados ​​en datos, como el modelo de humedad antecedente H2Ometrics , a la modelización hidrológica para simular los efectos de la humedad antecedente en eventos de lluvia en sistemas de alcantarillado sanitario. Este enfoque de modelización difiere de las técnicas tradicionales porque se basa en la identificación del sistema y se guía por observaciones del mismo (es decir, datos). Se utilizan rutinas matemáticas para generar la estructura correcta del modelo, en lugar de principios físicos fundamentales. Esto contrasta con la suposición de que el modelo correcto se conoce de antemano, como suele ocurrir en la modelización en ingeniería civil . Esta técnica permite que la información contenida en las observaciones guíe los algoritmos de modelización, de modo que solo la dinámica relevante y observada esté presente en la estructura del modelo. Los modelos resultantes no son de caja negra, sino de caja gris, cuyos parámetros y estructura se vinculan directamente con la comprensión e interpretación física.