Modelamiento Transporte Contaminantes MODFLOW MT3DMS

Modelamiento de Transporte de

Contaminantes desde Botaderos

con MODFLOW y MT3DMS

Por: Saul Montoya M.Sc.

Karen Martinez B.Sc.

gidahatari

Introducción

Modelamiento de Transporte de Contaminantes desde Botaderos con MODFLOW y MT3DMS

Referentes

La actividad minera ha dejado históricamente pasivos ambientales que tienen un impacto directo sobre los recursos hídricos.

Un medio especialmente vulnerable a esta contaminación son los acuíferos andinos debido a su ubicación cercana a los puntos de filtración: Botaderos y Presas de Relave.

Transporte de Contaminantes con MODFLOW y MT3DMS

Referentes

La contaminación desde un botadero minero es un problema sensible para el país por la cantidad de pasivos ambientales mineros (PAM) que tiene el Perú.

Al tratarse de aguas subterráneas este problema no se hace visible al corto plazo, retrasando la toma de decisión para la ejecución de medidas de prevención, contención y remediación.


Remediación


Pozos de Bombeo

Punto de tratamiento

Fuente contaminante

Pluma


Remediación

Se busca contener la pluma contaminante para lo cual se bombea permanentemente el caudal mínimo necesario que evite la migración de contaminantes sin sobreexplotar al acuífero. Este método se llama Bombeo – Tratamiento.

Factores

Características hidrogeológicas

Heterogeneidad del acuífero

Presencia de roca fracturada

Tipo de contaminante


Éxito del Bombeo y Tratamiento

El éxito de la técnica depende principalmente de dos factores:

- Las características hidrogeológicas del acuífero

- El tipo de contaminantes presentes.

Las propiedades hidrogeológicas del sistema que disminuyen el éxito son dos:

- Heterogeneidad del acuífero

- La presencia de roca fracturada.


Modelamiento de Transporte de Contaminantes

Antes de empezar cualquier modelo se debe tener en claro cuáles son los objetivos y cuál el propósito del modelamiento de transporte de contaminantes.

La mayoría de decisiones requeridas durante el proceso de aplicación del modelo dependen de este punto.

[Si no se tiene un propósito claro y bien definido, es

inevitable la ineficiencia y el cometer errores]

Caso de Estudio



Objetivo del Caso de Estudio

Este estudio aplicativo servirá para tener una mejor conceptualización sobre los acuíferos andinos y el movimiento de contaminantes dentro de estos.

Además brindará nuevas herramientas para la evaluación de alternativas de remediación de acuíferos.


Propósito del Modelo

En este caso de estudio se presenta un modelo construido sobre un acuífero típico de la zona andina.

Actualmente constituye una zona no perturbada por la actividad minera.

Se ha simulado el impacto al acuífero debido a una filtración de arsénico desde un botadero en un tiempo de 850 años.


Propósito del Modelo

El modelo evalúa el desarrollo temporal y espacial de la pluma hasta su máxima extensión.

Se analizaron dos simulaciones predictivas:

- Desarrollo de la pluma contaminante en estado transitorio por 850 años.

- Aislamiento de la pluma utilizando pozos de bombeo hacia una planta de remediación.

Fig. 1 Esquemas de remediación

Botadero Pluma

Botadero

Pozo

Botadero

Botadero

Pozo de

contención

Pozos

Acuífero restaurado

Se debe contener el avance de la pluma contaminante en un acuífero andino. El esquema de remediación considerado consiste en: Instalación de campo de pozos distribuidos de manera que se logre restaurar el acuífero y contener el avance.

Fig. 1 Esquemas de remediación

Botadero Pluma

Botadero

Pozo

Botadero

Botadero

Pozo de

contención

Pozos

Acuífero restaurado


Objetivo y Método de la Remediación


Modelo Conceptual

La figura muestra el sentido de los flujos desde el botadero hacia los cuerpos de agua. Entre mayor es la profundidad de infiltración, mayor tiempo tarda en llegar a un curso de agua

Parámetro Valor

Elevación media 4475 msnm

Conductividad hidráulica acuífero superior 0.3456 m/día

Conductividad hidráulica acuífero medio 1 0.0432 m/día

Conductividad hidráulica acuífero medio 2 0.001728 m/día

Conductividad hidráulica acuífero inferior 0.000864 m/día

Ratio de conductividad hidráulica vertical y

horizontal

0.1

Taza de recarga 45.6 a 103.1 mm/año

Taza de evapotranspiración potencial 846.4 a 886.2 mm/año

Ancho de las celdas 30 m

Dispersividad longitudinal 5m

Porosidad 0.025

Conductancia de los ríos 860 m/día

Concentración inicial del contaminante 100%


Parámetros considerados

Se construyó un modelo de flujo local con MODFLOW y Model Muse.

El modelo tiene una extensión de 3200m por 4700m. Con un ancho de grilla de 30m.

El modelo abarca los principales cursos de agua y mantiene las condiciones de carga y borde del modelo regional de flujo.


Modelo Numérico

Botadero

Río Río


Perfil del Modelo Numérico

La figura muestra el sentido de los flujos desde el botadero hacia los cuerpos de agua.

Entre mayor es la profundidad de infiltración, mayor tiempo tarda en llegar a un curso de agua


Modelo Numérico Regional

El modelo regional de flujo considera todas las fuentes de entrada y salidas del sistema. La imagen muestra las recargas al sistema siendo el botadero una fuente de mayor recarga.

Del modelo de flujo regional se delimita el modelo de transporte.

Mayor complejidad al modelo para mejorar la representación, sin embargo aumentar la complejidad:

• Incrementa la incertidumbre

• Incrementa el tiempo computacional de proceso

• Aumenta el costo del proyecto

Una mayor complejidad demanda tener más datos que lo sustenten, requiriendo más pruebas en campo y/o experimentales que pueden no ser fundamentales para lograr los objetivos planteados.


Complejidad del Modelo Numérico


Modelo Numérico de Flujo y Transporte

En base del régimen de flujo del modelo regional se han delimitado las condiciones de borde para el modelo local de flujo y transporte.

La zona de impacto a las aguas subterráneas está bien descrita por las líneas de flujo, es decir la ruta que siguen partículas de agua desde un punto de origen hasta su salida del sistema.





La máxima extensión del flujo hasta llegar a los cursos de agua se produce en el año 850 desde el inicio del botadero.

La extensión de impacto abarca un área aproximada de 3.2 km2


Pluma Contaminante

La imagen muestra la pluma en 3D que se forma desde el botadero.

Las concentraciones máximas aparecen en rojo y representan aproximadamente el 90% de la concentración inicial.

Concentraciones mínimas aparecen en azul cuando son cercanas a cero.

La extensión de la pluma permite el diseño del sistema de pozos de bombeo para contener el avance temporal y espacial.

Se simuló el modelo por un tiempo de mil años sin lograr indicios de reducción de contaminación por dilución natural debido al carácter continuo de la infiltración.


Pluma Contaminante

Botadero


Consideraciones para la instalación de pozos

• Profundidad de instalación

• Distribución espacial

• Tasa de bombeo sostenible para no sobre explotar el acuífero y a la vez evitar la migración de contaminantes

• Tasa de contaminante extraído

• Número de pozos


Diseño de pozos de remediación

Los pozos de remediación se instalan en dos niveles, a 60m y a 150 m de profundidad.

La distribución espacial de los pozos depende del caudal de bombeo y se ha priorizado lugar de la pluma con mayor concentración.

Manteniendo la estabilidad del modelo se ha logrado instalar nueve pozos de bombeo cuyo funcionamiento empieza al inicio de la actividad del botadero.



Los caudales de diseño van 1.5 L/s hasta un máximo de 3 L/s durante todo el tiempo explotación. En caudal máximo de bombeo es de 13.5 L/s.



Al final del tiempo simulado sale más flujo másico del sistema de lo que ingresa por la recarga del botadero.

Sin embargo la remoción por los pozos solo llega a 47.58% del flujo másico de ingreso.

Modelo con Pozos Modelo sin Pozos

Comparación de los primeros 30 m (capa 1):


Simulaciones predictivas

Conclusiones


• El código MT3DMS agrega una serie de opciones a la trayectoria de partículas MODPATH para simular la advección, dispersión/difusión y las reacciones químicas de adsorción/absorción de los contaminantes en las aguas subterráneas.

• El modelamiento de transporte de contaminantes puede estimar la concentración en cualquier punto, llamado “punto de observación del modelo” durante el tiempo simulado y pueden ser contrastados con los valores observados.

• El modelamiento de transporte de contaminante permite mejorar el diseño de medidas de remediación y evaluar las concentraciones esperadas en el tiempo.


Conclusiones

• El método de bombeo y tratamiento tiene que ser complementario a otros métodos como reinyección del agua tratada, barreras de contención, coberturas, barreras reactivas u otras prácticas.

• Se recomiendan prácticas de optimización de caudal y ubicación de pozos de bombeo para reducir el costo capital del esquema de remediación y asegurar el éxito.


Conclusiones

Referencias


• Chunmiao Zheng, A Modular Three-Dimensional Multispecies Transport Model for Simulation of Advection, Dispersion, and Chemical Reactions of Contaminants in Groundwater Systems; Documentation and User’s Guide.

• David W. Pollock (2012), A Particle-Tracking Model for MODFLOW

• József Tóth (2009), Gravitational systems of groundwater flow.

• René Gommes, Jürguen Grieser & Michele Bernardi, FAO agroclimatic database and mapping tools. European Society for Agronony N°26, (2004). pp 14

• Chunmiao Zheng & Gordon Bennett (2002), Applied Contaminant Transport Modeling.

• Alfredo Dammert & Fiorella Molinelli (Osinergmin, 2007), Panorama de la minería en el Perú. pp 13, 137.

• Sofía Mordojovich Ruiz (2009), Bombeo y tratamiento como alternativas para la limpieza de acuíferos.

• Cohen R.M., Mercer J.W., Greenwald R.M. & Beljin M.S. (USEPA, 1997). Design Guidelines for Conventional Pump-and-Treat Systems.

• USEPA, Basis of Pump-and-Treat Ground-Water Remediation Technology, (1990).

• Arlen W. Harbaugh (2005), Modular Ground-Water Model – the ground water flow process.


Modelamiento de Transporte de

Contaminantes desde Botaderos

con MODFLOW y MT3DMS

Por: Saul Montoya M.Sc.

Karen Martinez B.Sc.

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