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MODELOS DE FLUJO Y TRANSPORTE SUBTERRANEO

Modelización numérica de flujo de agua subterránea y flujo de contaminantes, y plumas de vertido

Las aguas subterráneas son una parte fundamental del ciclo hidrológico, cuyo aprovechamiento, gestión eficiente y buen entendimiento, garantizan la permanencia del recurso hídrico a lo largo del tiempo.

Hoy en día, algunas actividades industriales, agrícolas y ambientales, han ocasionado que algunos acuíferos estén siendo contaminados por compuestos orgánicos e inorgánicos. Por otro lado, la correcta gestión de los recursos hídricos subterráneos, limitados en muchos casos, exige antes de otorgar una concesión de aguas subterráneas, elaborar un estudio y realizar un análisis previo de la capacidad del acuífero para poder seguir aportando los recursos solicitados a lo largo del tiempo.

La caracterización, gestión y explotación de los recursos hídricos subterráneos, involucra un análisis integral de un conjunto de herramientas para determinar las características de un acuífero (tipo y geometría; piezometría, cuantificación de parámetros hidráulicos, hidrogeológicos, de flujo y de transporte, balance hídrico, grado de calidad y explotación, etc.). En los últimos años parte fundamental de todo estudio hidrogeológico, debe estar sustentado por una modelizacion numérica de flujo de agua subterránea y transporte de compuestos, contaminantes o no, cuyas aplicaciones son múltiples. Por nombra sólo algunas, un modelo de flujo y transporte permite:

• Estimar el rendimiento de los pozos y sondeos de extracción.
• Analizar las interferencias con otros pozos y en un campo de pozos, así como las posibles afecciones.
• Analizar la viabilidad de solicitudes de concesiones de agua subterránea en el tiempo, en función de la demanda, la recarga, y las posibles limitaciones por usos, dotaciones, calidad, afecciones a otros aprovechamientos, etc.
• Determinar las zonas de captura.
• Establecer los  perímetros de protección de pozos y acuíferos.
• Simular el impacto de contaminantes en la zona saturada y su relación con la zona no saturada.
• Simular el estado transitorio de una pluma contaminante en fase disuelta, y su relación con el medio natural y con otros contaminantes.
• Evaluar sistemas de reedición de acuíferos.
• Modelar la gestión de recursos hídricos subterráneos.

¿
Qué es un Modelo de flujo y transporte subterráneo?

Un modelo se define como la representación parcial o total de un sistema natural. Existen diferentes tipos de modelos; específicamente los modelos numéricos de flujo y transporte subterráneos son aquellos, donde la representación de un acuífero (o parte de él), se lleva a cabo a través de ecuaciones diferenciales (ecuación de flujo, ecuación de transporte y Ley de Darcy), las cuales se resuelven por métodos numéricos (aproximados) para cada elemento del dominio.

En general se usan métodos de solución por diferencias finitas, por medio del cual, el dominio se divide en rectángulos (modelo en 2D), o paralelepípedos (modelo en 3D), y el objetivo consiste en resolver las ecuaciones diferenciales, obteniendo la carga hidráulica ("h" en metros) y velocidades en los modelos de flujo, y la concentración final (Cf en mg/L) para el centro de cada celda de la malla, en función del tiempo en los modelos de transporte.

Para ello, se suelen utilizar modelos tipo MODFLOW, que  es un código ampliamente aceptado por organismos nacionales e internacionales (USGS, EPA), o modelos similares, en funcion de cada caso específico.

Metodología

Para la ejecución de un modelo numérico, Tecsing aplica el siguiente esquema de análisis:

1.- Planteamiento del problema.
2.- Obtención de datos.
3.- Construcción del Modelo Conceptual.
4.- Diseño de la malla del modelo (discretización).
5.- Asignación de parámetros hidráulicos y de transporte.
6.- Calibración y Validación.
7.- Análisis de Sensibilidad.
8.- Simulaciones predictivas en el tiempo.

Simulación de la pluma de contaminación en el  tiempo.

Tecsing ha desarrollado muchos modelos numéricos de flujo y transporte, cuyo principal enfoque, radica en predecir y simular el comportamiento de la contaminación de un acuífero en fase disuelta en estado transitorio. Para ello, se reproducen las condiciones actuales de flujo y concentraciones del (los) soluto(s), y posterior al proceso de calibración, es factible realizar un modelo de simulación, con objeto de evaluar:

(A) Rutas potenciales de migración del (los) contaminante(s).
(B) Tiempos de tránsito del contaminante hasta una zona  receptora, y Plumas de concentración de vertidos a lo largo del tiempo.
(C) Curvas de llegada "Tiempo vs Concentración" para diferentes receptores externos.
(D) Diseño y optimización del Sistema de Remediación.
(E) Simulación de la biodegradación (anaerobia o aerobia) y potencial atenuación natural del acuífero.
(F) Analsis de posibles afecciones en el tiempo a posibles puntos de extracción y/o consumo.

Ventajas

Una de las grandes ventajas de la modelizacion numérica, es que se pueden evaluar diferentes escenarios de predicción, cambiando las condiciones que actúan sobre el sistema, como recarga y extracciones.

Adicionalmente, pueden plantearse múltiples escenarios de remediación, para optimizar el Sistema de Restauración, y minimizar el número de elementos a utilizar (pozos de inyección, pozos de extracción, drenajes, etc.), maximizando su rendimiento, además de contar con elementos muy valiosos en la toma de decisiones, durante la implementación de la gestión de proyectos hidrogeológicos y geoambientales.

Modelizacion de LNAPL's

Pese a que el código MODFLOW es un modelo con múltiples aplicaciones, tiene algunas limitaciones, ya que no puede simular todos los aspectos de un sistema acuífero y su utilización (de carácter avanzado) se acota en función de los alcances de cada proyecto en particular. En acuíferos porosos que han sido impactados por derrames de hidrocarburos menos densos que el agua, es muy común que el acuífero se vea contaminado por una pluma en fase libre, denominado LNAPL.

Los compuestos menos densos que el agua, no miscibles en ella (LNAPL's por sus siglas en inglés Light Non-Aqueous Phase Liquids), tienden a formar una capa que se sitúa en la parte superior de la superficie freática, fluyendo a una velocidad menor que la velocidad real de flujo. Los LNAPL's significan un gran reto en el ámbito ambiental, debido a que representan la fracción de mayor riesgo en un acuífero contaminado.

Para evaluar y gestionar sitios contaminados por LNAPL's, se suelen aplicar modelos desarrollado por el American Petroleum Institute (API) basado en las ecuaciones de Van Genuchten, Richards y Ley de Darcy, llamado LNAPL's Calculation Tools, por medio del cual se complementa la caracterización de fases libres, determinando la velocidad real del LNAPL, el volumen y grado de saturación del hidrocarburo en suelo, concentraciones finales a distancias y receptores específicos de la fase disuelta, el cambio de composición de la zona fuente vs tiempo, teniendo en cuenta diversas técnicas de remediación, principalmente por trincheras, pozos con skimmers y sistemas Dual Phase Extraction.

Aplicación de modelos de la EPA

En función del alcance y complejidad del tipo de proyecto, evaluamos la aplicación de diversos modelos que no requieren el detalle de una modelizacion avanzada, sin embargo, requieren la simulación del compuesto tóxico para determinar tiempos de llegada y concentraciones esperadas para receptores potenciales externos, en diferentes intervalos de tiempo. Para ello CAM aplica dos modelos elaborados por la Environmental Protection Agency (EPA) con diversas aplicaciones:

(1) Optimal Well Locutor (OWL), desarrollado por el National Risk Management Research Laboratory, el cual es un programa que permite predecir la movilidad de la pluma contaminante en estado transitorio, y además permite analizar y optimizar la localización de una red de pozos de monitoreo, para aprovechar al máximo la información obtenida en cada pozo, a partir de la dirección de flujo, parámetros de transporte y movimiento de la pluma en fase disuelta.
       
(2) Hydrocarbon Spill Screening Model (HSSM), desarrollado por el Environmental Research Laboratory, que simula el derrame de hidrocarburo (HC) y proporciona mediante el ingreso de datos en módulos (hidrología, hidrogeología, zona vadosa, características del hidrocarburo) una serie de gráficas útiles que cuantifican el volumen, perfiles de saturación del suelo a profundidad, flujos másicos del HC y curvas de llegada del HC vs tiempo, hasta para 6 cuerpos receptores en distancia real.

 

 

 

 

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(pluma de concentracion de vertido en un acuifero al cabo de T=5 años)

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(pluma de concentracion de vertido en un acuifero al cabo de T=25 años)

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