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On the development of decision-making systems based on fuzzy models to assess water quality in rivers

by Ocampo Duque, William Andrés

Abstract (Summary)
Resumen :Existen diversas situaciones en las cuales la descripción en términos lingüísticos de fenómenos complejos permite mejores resultados. A pesar de los volúmenes de información cuantitativa que se manejan actualmente, es bien sabido que la gestión de la calidad del agua todavía obedece a juicios subjetivos y de interpretación de los expertos. Por tanto, el reto en este trabajo ha sido la introducción de operaciones lógicas que computen con palabras durante el análisis de los datos, para la elaboración de indicadores auto-interpretables de calidad del agua, que toleren la imprecisión e incertidumbre lingüística. Esta imprecisión típicamente refleja la ambigüedad del pensamiento humano para expresar percepciones. De allí que las variables lingüísticas se presenten como muy atractivas para el manejo de conceptos de la gestión medioambiental, como es el caso de la calidad del agua, el nivel de riesgo o el estado ecológico. Por tanto, en la presente Tesis, la flexibilidad de la lógica difusa para computar con palabras se ha adaptado a diversos tópicos en la gestión de la calidad del agua. Primero, se desarrolló un índice jerárquico multipropósito de calidad del agua que se obtuvo mediante razonamiento difuso. El índice integra un extenso grupo de indicadores que incluyen: contaminación orgánica, nutrientes, patógenos, variables macroscópicas, así como sustancias prioritarias micro-contaminantes. La importancia relativa de los indicadores al interior del sistema de inferencia se estimó con un método de análisis de decisiones, llamado proceso jerárquico analítico. En una segunda fase, se utilizó una metodología híbrida que combina los sistemas de inferencia difusos y las redes neuronales artificiales, conocida como neuro-fuzzy, para el estudio de la clasificación del estado ecológico de los ríos, de acuerdo con los lineamientos de la Directiva Marco de Aguas. Esta metodología permitió un manejo adecuado de la no-linealidad y naturaleza subjetiva de las variables involucradas en este problema clasificatorio. Con ella, se estudió la complejidad de los sistemas de inferencia, la selección apropiada de reglas lingüísticas y la influencia de las funciones que transforman las variables numéricas en lingüísticas. En una tercera fase, se desarrolló un modelo conceptual neuro-fuzzy concurrente basado en la metodología de evaluación de riesgo ecológico preliminar. Este modelo consideró la presencia de sustancias peligrosas en los ríos, e incorporó un mapa auto-organizativo para clasificar las sustancias químicas, en términos de su peligrosidad hacia los ecosistemas acuáticos. Con este modelo se estimaron potenciales de riesgo ecológico por combinación de factores de peligrosidad y de concentraciones de las sustancias químicas en el agua. Debido a la alta imprecisión e incertidumbre lingüística, estos potenciales se obtuvieron mediante sistemas de inferencia difusos, y se integraron por medio de distribuciones empíricas acumuladas, con las cuales se pueden analizar cambios espacio-temporales en la calidad del agua. Finalmente, se diseñó un sistema jerárquico de inferencia difuso para la evaluación del riesgo ecológico en sedimentos de ribera. Este sistema estima los grados de contaminación, toxicidad y riesgo en los sedimentos en términos lingüísticos, con sus respectivos niveles de certeza. El sistema se alimenta con información proveniente de análisis químicos, que detectan la presencia de sustancias micro-contaminantes, y de ensayos eco-toxicológicos tipo screening que usan la bacteria Vibrio fischeri. Como caso de estudio se seleccionó la cuenca del río Ebro, aunque las metodologías aquí desarrolladas pueden aplicarse fácilmente a otros ríos. En conclusión, este trabajo demuestra ampliamente que el diseño y aplicación de indicadores de calidad de las aguas, basados en la metodología de la lógica difusa, constituyen una herramienta sencilla y útil para los tomadores de decisiones encargados de la gestión sostenible de las cuencas hidrográficas.
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Bibliographical Information:

Advisor: Schuhmacher,Marta

School:Universitat Rovira i Virgili

School Location:Spain

Source Type:Master's Thesis

Keywords:departament d enginyeria química

ISBN:

Date of Publication:04/17/2008

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