[ES] La alta cuenca del río Guadalquivir ubicada en el departamento de Tarija, Bolivia, alberga al municipio de la ciudad capital de Tarija; siendo la zona urbana más poblada del departamento. Durante las últimas décadas el departamento ha tenido grandes ingresos económicos, producto de la explotación hidrocarburífera, trayendo consigo un crecimiento poblacional e inmobiliario desproporcionado; originando un proceso de contaminación y degradación ambiental, producto de actividades antrópicas como la disposición de aguas residuales con poco o nulo proceso de tratamiento, desechos sólidos en las orillas del río, y sobreexplotación de áridos. En consecuencia, varias fuentes de abastecimiento de agua se encuentran paralizadas. Durante los últimos años, la problemática ambiental e hídrica ha sido objeto de un permanente debate, sin encontrar soluciones sostenibles en el corto plazo, ocasionando que la degradación ambiental permanezca activa con altos riesgos para la salud púbica. Siendo necesario conocer el estado actual de los recursos hídricos en la cuenca, se realizaron dos trabajos iniciales; se modeló el balance hídrico de la cuenca para establecer la disponibilidad de agua. Para este proceso se realizó una investigación de apoyo destinada a clasificar y determinar las propiedades de los suelos en la cuenca para lograr una menor incertidumbre en los resultados de la modelación hidrológica. Los resultados determinaron que existe un déficit de agua, principalmente en las épocas de estiaje. Un segundo estudio ha sido destinado a conocer la calidad del agua mediante un monitoreo de las principales fuentes de abastecimiento de agua potable. La investigación a las fuentes primarias de agua en la cuenca de estudio identificó la presencia de metales pesados tóxicos para la salud que exceden los límites permisibles para el agua potable. Se identificó plomo, manganeso y hierro presente en los embalses de San Jacinto y Huacata; mientras que el Pb excede en un 50% de lo establecido en la Normativa, el Mn y el Fe superan hasta 800% la norma actual. El trabajo estudia la ósmosis inversa (OI) para eliminar el Pb, Mn y Fe en distintas concentraciones. La principal contribución de esta investigación es el desarrollo y construcción de un modelo matemático novedoso basado en el modelo de concentración de polarización de Spiegler-Kedem. El modelo ha sido desarrollado utilizando diferentes concentraciones de Pb, Mn y Fe. La selección de las concentraciones se basa en construir un modelo que permita el diseño de instalaciones con alta conversión (>80%). Con ello será posible optimizar el proceso desde el punto de vista de eficiencia energética en futuros trabajos. El modelo incluye, además, un factor de ajuste de temperatura tipo Arrhenius que permite una predicción precisa del rendimiento del proceso. La experimentación se llevó a cabo en una planta piloto de OI utilizando una membrana compuesta de poliamida de configuración en espiral tipo ULP 2540 Marca Keensen de procedencia China. La validación del modelo se ajusta correctamente con un error relativo máximo entre los flujos experimental y teórico de 5,4%, 18% y 7.6% para el Pb, Mn y Fe respectivamente. Entre los principales beneficios del estudio, permite garantizar el rechazo de metales superior al 99%, incluso a bajas presiones, garantizando agua segura a la población de Tarija. Como un aporte final se propone un análisis de las partes interesadas en la cuenca, logrando identificar, clasificar y relacionar los diferentes actores con poder e interés en el proyecto. / [CA] L'alta conca del riu Guadalquivir ubicada en el departament de Tarija, Bolívia, alberga al municipi de la ciutat capital de Tarija; sent la zona urbana més poblada del departament. Durant les últimes dècades el departament ha tingut grans ingressos econòmics, producte de l'explotació hidrocarburífera, comportant un creixement poblacional i immobiliari desproporcionat; originant un procés de contaminació i degradació ambiental, producte d'activitats antròpiques com la disposició d'aigües residuals amb poc o nul procés de tractament, rebutjos sòlids a la vora del riu, i sobreexplotació d'àrids. En conseqüència, unes quantes fonts d'abastiment d'aigua es troben paralitzades. Durant els últims anys, la problemàtica ambiental i hídrica ha sigut objecte d'un permanent debat, sense trobar solucions sostenibles en el curt termini, ocasionant que la degradació ambiental romanga activa amb alts riscos per a la salut púbica. Sent necessari conéixer l'estat actual dels recursos hídrics en la conca, es van realitzar dos treballs inicials; es va modelar el balanç hídric de la conca per a establir la disponibilitat d'aigua. Per a este procés es va realitzar una investigació de suport destinada a classificar i determinar les propietats dels sòls en la conca per a aconseguir una menor incertesa en els resultats de la modelació hidrològica. Els resultats van determinar que hi ha un dèficit d'aigua, principalment en les èpoques d'estiatge. Un segon estudi ha sigut destinat a conéixer la qualitat de l'aigua per mitjà d'un monitoreo de les principals fonts d'abastiment d'aigua potable. La investigació a les fonts primàries d'aigua en la conca d'estudi va identificar la presència de metalls pesants tòxics per a la salut que excedixen els límits permissibles per a l'aigua potable. Es va identificar plom, manganés i ferro present en els embassaments de Sant Jacinto i Huacata; mentres que el Pb excedix en un 50% del que establix la Normativa, el Mn i el Fe superen fins a 800% la norma actual. El treball estudia l'osmosi inversa (OI) per a eliminar el Pb, Mn i Fe en distintes concentracions. La principal contribució d'esta investigació és el desenrotllament i construcció d'un model matemàtic nou basat en el model de concentració de polarització de Spiegler-Kedem. El model ha sigut desenrotllat utilitzant diferents concentracions de Pb, Mn i Fe. La selecció de les concentracions es basa a construir un model que permeta el disseny d'instal·lacions amb alta conversió (>80%). Amb això serà possible optimitzar el procés des del punt de vista d'eficiència energètica en futurs treballs. El model inclou, a més, un factor d'ajust de temperatura tipus Arrhenius que permet una predicció precisa del rendiment del procés. L'experimentació es va dur a terme en una planta pilot de OI utilitzant una membrana composta de poliamida de configuració en espiral tipus ULP 2540 Marca Keensen de procedència Xina. La validació del model s'ajusta correctament amb un error relatiu màxim entre els fluxos experimental i teòric de 5,4%, 18% i 7.6% per al Pb, Mn i Fe respectivament. Entre els principals beneficis de l'estudi, permet garantir el rebuig de metalls superior al 99%, inclús a baixes pressions, garantint aigua segura a la població de Tarija. Com una aportació final es proposa una anàlisi de les parts interessades en la conca, aconseguint identificar, classificar i relacionar els diferents actors de poder i interés en el projecte. / [EN] The upper basin of the Guadalquivir River located in the department of Tarija, Bolivia, houses the municipality of the capital city of Tarija; being the most populated urban area of the department. During the last decades the department has had great economic income, as a result of hydrocarbon exploitation, bringing with it a disproportionate population and real estate growth, originating a process of contamination and environmental degradation, product of anthropic activities such as the disposal of wastewater with little or no treatment process, solid waste on the banks of the river, and overexploitation of aggregates. Consequently, various sources of water supply are paralyzed. In recent years, environmental and water problems have been the subject of permanent debate, without finding sustainable solutions in the short term, causing environmental degradation to remain active with high risks to public health. Being necessary to know the current state of the water resources in the basin, two initial works were carried out; the water balance of the basin was modeled to establish the availability of water. For this process, a support investigation was carried out to classify and determine the properties of the soils in the basin to achieve less uncertainty in the results of the hydrological modeling. The results determined that there is a water deficit, mainly in the dry season. A second study has been designed to determine the quality of the water by monitoring the main sources of drinking water supply. The investigation of the primary water sources in the study basin identified the presence of toxic heavy metals for health that exceed the permissible limits for drinking water. Lead, manganese, and iron present in the San Jacinto and Huacata reservoirs were identified; while Pb exceeds by 50% what is established in the Regulation, Mn and Fe exceed up to 800% the current standard. The work studies reverse osmosis (RO) to eliminate Pb, Mn and Fe in different concentrations. The main contribution of this research is the development and construction of a novel mathematical model based on the Spiegler-Kedem concentration polarization model. The model has been developed using different concentrations of Pb, Mn and Fe. The selection of the concentrations is based on building a model that allows the design of installations with high conversion (>80%). With this it will be possible to optimize the process from the point of view of energy efficiency in future works. The model also includes an Arrhenius-type temperature adjustment factor that allows accurate prediction of process performance. The experimentation was carried out in a RO pilot plant using a ULP 2540 Keensen brand spiral configuration polyamide composite membrane from China. The model validation fits correctly with a maximum relative error between the experimental and theoretical fluxes of 5.4%, 18% and 7.6% for Pb, Mn and Fe respectively. Among the main benefits of the study, it allows to guarantee the rejection of metals higher than 99%, even at low pressures, guaranteeing safe water to the population of Tarija. As a final contribution, an analysis of the interested parties in the basin is proposed, managing to identify, classify and relate the different actors with power and interest in the project. / Villena Martínez, EM. (2022). Elaboración de un modelo matemático que permita el análisis de la eficacia de la ósmosis Inversa en el proceso de eliminación de plomo, hierro y manganeso en fuentes de abastecimiento de agua para consumo humano en la cuenca alta del río Guadalquivir en Bolivia y su aporte al crecimiento de la oferta de agua y la disponibilidad sostenible de agua potable a largo plazo [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/191412

[EN] The general goal of this thesis is the development of a basic tool for the analysis of passive microwave and millimetre-wave devices used in the new generation of communication systems. In particular, the work is focused on the development of a tool for an efficient and accurate modal characterization of passive devices composed of waveguides with arbitrary cross section. In order to achieve this goal, a method recently arisen and called BI-RME (Boundary Integral - Resonant Mode Expansion) is extended. This method has been revealed as one of the most appropriate, for its high computational efficiency, to characterize waveguides with arbitrary cross section. Regarding the original BI-RME method, this one will improve the precision and the efficiency of the modal solution in presence of circular and elliptic perturbations in the arbitrary waveguide contour. Then, the first work consists on extending the original BI-RME method theory to circular and elliptic geometries including the possibility to connect these two new types of segments (circular and elliptic) with the straight segments used until now in the practical implementation of the method. In order to validate the new developed theory, a set of parameters as the cut-off frequencies, the cut-off wavelengths or the electromagnetic fields of canonical waveguides and arbitrarily shaped waveguides of great practical interest, are calculated. These results are compared with analytical well-known solutions or results published in the literature. Once the electromagnetic modal chart of different arbitrarily shaped waveguides is obtained, the following step is the computation of the coupling integrals between these modes and the ones of the rectangular waveguide that completely surrounds the arbitrary contour. Such integrals are essential for the modal analysis of microwave passive structures involving waveguides with arbitrary cross section. For this purpose, the new extended BI-RME method is included into a software package tool based on the integral equation method, which allows to characterize efficiently waveguide discontinuities by means of inmitance matrices (admittance or impedance). This efficient full-wave analysis method requires the knowledge of the modal chart related to all the waveguides included in the devices under consideration, as well as the coupling integrals between the modes of the two waveguides composing the discontinuity. In the rectangular waveguides case this modal information can be easily obtained in an analytical way. However, when a waveguide or both have arbitrary cross section, the accurate and efficient modal analysis can be obtained by means of the BI-RME method. The use of the integral equation method based on admittance or impedance matrices to characterize devices composed of cascading waveguides is specially advantageous because it leads to a linear system of equations. The coefficients matrix of this linear system presents a banded structure that can be appropriately exploited to increase the computational efficiency associated to the resolution of the aforementioned system, and to reduce considerably the computational cost associated to the analysis of complex devices. Next step is the demonstration that in waveguides with arbitrary cross section and with one or two symmetry axes you can generate, also by means of the BI-RME method, the whole family of waveguide modes, so that they verify a certain fictitious boundary condition of electric or magnetic walls in the symmetry plane, and the advantages regarding the computation of the modes are discussed. Furthermore, those different symmetry families of waveguide modes propagate in an independent way along the structures constituted by a connection of uniform waveguides. This situation can also be exploited to increase in a remarkable way the efficiency of the Computer-Aided-Design (CAD) electromagnetic software packages. Once verified with success the efficiency and precision of the new CAD tool developed by means of the analysis of transitions published in the related technical bibliography, the analysis of really complex passive waveguide devices is performed. Some passive waveguide devices analyzed are for instance a filter with inductive coupling windows and tuning screws, a filter with rounded corners, dual mode filters in circular waveguide with elliptic irises or in elliptic waveguides, an evanescent filter, a low bandpass filter in coaxial waveguide, and finally a new 90º twist component for space applications. The simulated results are totally validated by means of comparison with other data published in the related technical bibliography, or by means of measurements of manufactured prototypes. Finally, the conclusions of this work are extracted and future research lines are outlined. Publications in journal and congress presentations in the framework of this thesis are also indicated. / [ES] El objetivo general de esta tesis es el desarrollo de una herramienta b´asica general para el an´alisis de dispositivos pasivos de microondas y ondas milim´etricas usados en la nueva generaci´on de sistemas de comunicaciones. En particular, el trabajo se centra en desarrollar una herramienta para una eficiente y precisa caracterizaci´on modal de dispositivos pasivos constituidos por gu´ıas de onda de secci´on transversal arbitraria. Para cumplir con este objetivo se propone extender un m´etodo surgido recientemente y llamado BI-RME (Boundary Integral - Resonant Mode Expansion, que en espa˜nol significa Integral de Contorno - Expansi´on Modal Resonante). Este m´etodo se ha revelado como uno de los m´as adecuados, por su tremenda eficiencia computacional, para caracterizar modalmente las gu´ıas de secci´on transversal arbitraria. Respecto al m´etodo BI-RME original se pretende mejorar la precisi´on y la eficiencia en presencia de perturbaciones circulares y el´ıpticas en el contorno de las gu´ıas a estudiar. El primer trabajo de la tesis consiste entonces en extender la teor´ıa del m´etodo BI-RME a geometr´ıas circulares y el´ıpticas incluyendo la posibilidad de conectar estos dos nuevos tipos de arcos (circulares y el´ıpticos) con los tramos rectos usados hasta ahora en la implementaci´on pr´actica del m´etodo. Con el objeto de validar la nueva teor´ıa desarrollada se calcula un conjunto de par´ametros, como las frecuencias de corte, la longitud de onda de corte o el campo electromagn´etico, que caracterizan gu´ıas can´onicas y gu´ıas arbitrarias de inter´es pr´actico, y se comparan los resultados obtenidos con las soluciones anal´ıticas conocidas o resultados publicados en la literatura. Una vez obtenida la carta modal de las diferentes gu´ıas de secci´on transversal arbitraria, el paso siguiente es calcular las integrales de acoplo entre estos modos y los modos de la gu´ıa rectangular que encierra completamente el contorno arbitrario. Tales integrales son fundamentales para el an´alisis modal de estructuras pasivas de microondas constituidas por transiciones planares entre gu´ıas de secci´on transversal distinta. Para estudiar estas estructuras pasivas, se integra la nueva y extendida t´ecnica BI-RME propuesta en una herramienta inform´atica basada en el m´etodo de la ecuaci´on integral, el cual permite caracterizar eficientemente transiciones planares mediante matrices de inmitancia (admitancia o impedancia). Este m´etodo de an´alisis electromagn´etico full-wave necesita el espectro modal de cada una de las gu´ıas que forman las transiciones, as´ı como las integrales de acoplo entre los modos de las dos gu´ıas adyacentes que constituyen la discontinuidad. En el caso de gu´ıas rectangulares, dicha informaci´on modal se puede obtener f´acilmente de forma anal´ıtica. Sin embargo cuando una gu´ıa o las dos tienen una secci´on transversal arbitraria, esta informaci´on se puede obtener de forma eficiente y precisa mediante el m´etodo BI-RME. El empleo del m´etodo de la ecuaci´on integral basado en matrices de admitancias o de impedancias para caracterizar dispositivos integrados por gu´ıas conectadas en cascada resulta especialmente ventajoso, pues conduce a un sistema de ecuaciones lineales a resolver cuya matriz de coeficientes presenta una estructura en banda, caracter´ıstica que puede explotarse adecuadamente para incrementar la eficiencia computacional asociada a la resoluci´on del citado sistema, y reducir considerablemente el coste asociado al an´alisis de dispositivos complejos. A continuaci´on se demuestra como en gu´ıas de secci´on transversal arbitraria con uno o dos ejes de simetr´ıa se puede generar, tambi´en mediante el m´etodo BI-RME, toda la familia de modos de dicha gu´ıa de manera que verifiquen una cierta condici´on de contorno ficticia de pared el´ectrica o pared magn´etica en el plano de simetr´ıa, y se discuten las ventajas computacionales respecto a calcular todos los modos simult´aneamente. Adem´as, las distintas familias de simetr´ıa se propagan de forma independiente a lo largo de estructuras constituidas por una conexi´on en cascada de gu´ıas uniformes que presentan la misma simetr´ıa. Dicha situaci´on se puede explotar para aumentar de forma notable la eficiencia del simulador electromagn´etico. Verificada con ´exito la eficiencia y precisi´on de la nueva herramienta inform´atica desarrollada mediante el an´alisis de transiciones publicadas en la bibliograf´ıa t´ecnica relacionada, se analizan dispositivos pasivos realmente complejos, tales como un filtro con ventanas de acoplo inductivas y tornillos de sinton´ıa, un filtro con esquinas redondeadas, filtros de modo dual en gu´ıa circular con iris el´ıpticos o en gu´ıa el´ıptica, un filtro de modo evanescente, un filtro paso bajo en gu´ıa coaxial, y finalmente un nuevo girador de polarizaci´on de 90o para aplicaciones espaciales. Los resultados son completamente validados mediante comparaci´on con otros publicados en la bibliograf´ıa t´ecnica relacionada, o bien mediante las medidas de las respuestas asociadas a unas implementaciones pr´acticas de las estructuras analizadas. Finalmente se extraen las conclusiones de la tesis y se indican posibles l´ıneas de investigaci´on futuras. Se indican tambi´en las publicaciones en revistas y las comunicaciones en congresos a que ha dado lugar el trabajo desarrollado en el marco de esta tesis. / [CA] L’objectiu general d’esta tesi ´es el desenrotllament d’una ferramenta b`asica general per a l’an`alisi de dispositius passius de microones i ones mil·lim`etriques usats en la nova generaci´o de sistemes de comunicacions. En particular, el treball se centra en desenrotllar una ferramenta per a una eficient i precisa caracteritzaci´o modal de dispositius passius constitu¨ıts per guies d’ona de secci´o transversal arbitr`aria. Per a complir amb este objectiu es proposa estendre un m`etode sorgit recentment i anomenat BI-RME (Boundary Integral - Resonant Mode Expansion, que en valenci`a significa Integral de Contorn - Expansi´o Modal Ressonant). Este m`etode s’ha revelat com un dels mes adequats, per la seua tremenda efici`encia computacional, per a caracteritzar modalment les guies de secci´o transversal arbitr`aria. Respecte al m`etode BI-RME original es pret´en millorar la precisi´o i l’efici`encia en pres`encia de pertorbacions circulars i el·l´ıptiques en el contorn de les guies a estudiar. El primer treball de la tesi consistix aleshores a estendre la teoria del m`etode BI-RME a geometries circulars i el·l´ıptiques incloent la possibilitat de connectar estos dos nous tipus d’arcs (circulars i el·l´ıptics) amb els trams rectes usats fins ara en la implementaci´o pr`actica del m`etode. Amb l’objecte de validar la nova teoria desenrotllada es calcula un conjunt de par`ametres, com les freq¨ u`encies de tall, la longitud d’ona de tall o el camp electromagn`etic, que caracteritzen guies can`oniques i guies arbitr`aries d’inter´es pr`actic, i es comparen els resultats obtinguts amb les solucions anal´ıtiques conegudes o resultats publicats en la literatura. Una vegada obtinguda la carta modal de les diferents guies de secci´o transversal arbitr`aria, el pas seg¨uent ´es calcular les integrals d’acoblament entre estos modes i els modes de la guia rectangular que tanca completament el contorn arbitrari. Tals integrals s´on fonamentals per a l’an`alisi modal d’estructures passives de microones constitu¨ıdes per transicions planars entre guies de secci´o transversal distinta. Amb eixa finalitat, s’integra la nova i estesa t`ecnica BI-RME proposta en una ferramenta inform`atica basada en el m`etode de l’equaci´o integral, el qual permet caracteritzar eficientment transicions planars per mitj`a de matrius d’inmit`ancia (admit`ancia o imped`ancia). Este m`etode d’an`alisi electromagn`etica full-wave necessita l’espectre modal de cadascuna de les guies que formen les transicions, aix´ı com les integrals d’acoblament entre els modes de les dos guies adjacents que constitu¨ıxen la discontinu¨ıtat. En el cas de guies rectangulars, dita informaci´o modal es pot obtindre f`acilment de forma anal´ıtica. No obstant quan una guia o les dos tenen una secci´o transversal arbitr`aria, esta informaci´o es pot obtindre de forma eficient i precisa per mitj` a del m`etode BI-RME. L’us del m`etode de l’equaci´o integral basat en matrius d’admit`ancies o d’imped`ancias per a caracteritzar dispositius integrats per guies connectades en cascada resulta especialment avantatj´os, perqu`e condu¨ıx a un sistema d’equacions lineals a resoldre la matriu de coeficients del qual presenta una estructura en banda, caracter´ıstica que pot explotar-se adequadament per a incrementar l’efici`encia computacional associada a la resoluci´o del citat sistema, i reduir considerablement el cost associat a l’an`alisi de dispositius complexos. A continuaci´o es demostra com en guies de secci´o transversal arbitr`aria amb un o dos eixos de simetria es pot generar, tamb´e per mitj`a del m`etode BI-RME, tota la fam´ılia de modes de dita guia de manera que verifiquen una certa condici´o de contorn fict´ıcia de paret el`ectrica o paret magn`etica en el pla de simetria, i es discutix els avantatges computacionals respecte a calcular tots els modes simult`aniament. A m´es, les distintes fam´ılies de simetria es propaguen de forma independent al llarg d’estructures constitu¨ıdes per una connexi´o en trencada de guies uniformes que tenen les meteixes propietats de simetria. La dita situaci´o es pot explotar per a augmentar de forma notable l’efici`encia del simulador electromagn`etic. Verificada amb `exit l’efici`encia i precisi´o de la nova ferramenta inform`atica desenrotllada per mitj`a de l’an`alisi de transicions publicades en la bibliografia t`ecnica relacionada, s’analitzen dispositius passius realment complexos, tals com un filtre amb finestres d’acoblament inductives i tornels de sintonia, un filtre amb cantons arredonits, filtres de modo dual en guia circular amb iris el·l´ıptics o en guia el·l´ıptica, un filtre de modo evanescent, un filtre pas baix en guia coaxial, i finalment un nou girador de polaritzaci´o de 90o per a aplicacions espacials. Els resultats s´ on completament validats per mitjanc¸ant la comparaci´o amb altres publicats en la bibliografia t` ecnica relacionada, o b´e per mitj`a de les mesures de les respostes associades a unes implementacions pr`actiques de les estructures analitzades. Finalment s’extrauen les conclusions de la tesi i s’indiquen possibles l´ınies d’investigaci´o futures. S’indiquen tamb´e les publicacions en revistes i les comunicacions en congressos a qu`e ha donat lloc el treball desenrotllat en el marc d’esta tesi. / Marini, S. (2005). Análisis modal eficiente de dispositivos pasivos de microondas implementados con guías de sección transversal arbitraria [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/131737