Modelación de Acuíferos
Las aguas subterráneas representan una parte fundamental del ciclo hidrológico, cuyo aprovechamiento, gestión eficiente y buen entendimiento, representa una fuente segura, confiable y barata del recurso hídrico. Hoy en día, deficientes prácticas industriales, agrícolas y ambientales, han ocasionado que múltiples acuíferos y acuitardos estén siendo impactados antrópicamente por compuestos orgánicos e inorgánicos, cuya consecuencia inmediata, conlleva una degradación progresiva del agua subterránea y con ello del medio ambiente.
La caracterización y gestión 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 y de transporte, balance hídrico, grado de calidad y explotación, etc.). En la última década, parte fundamental de todo estudio hidrogeológico, debe estar sustentado por una modelación numérica de flujo de agua subterránea y transporte de contaminantes, cuyas aplicaciones son múltiples, pero por nombrar solo algunas, un modelo sirve para:
- Estimar el rendimiento de pozos de extracción
- Analizar las interferencias en un campo de pozos
- Diseñar sistemas de drenaje en minas, y de agotamiento del nivel freático en excavaciones
- Determinar de zonas de captura
- Delinear perímetros de protección de 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 la atenuación natural monitoreada de acuíferos contaminados
- Evaluar sistemas de remediación de acuíferos
- Modelar la gestión de recursos hídricos subterráneos
¿Qué es un modelo?
Un modelo se define como la representación parcial o total de un sistema natural. Existen diferentes tipos de modelos; específicamente los numéricos son aquellos, donde la representación de un acuífero (o parte de él), se lleva a cabo a través de ecuaciones diferenciales (ecuación general de flujo, ecuación general de transporte y Ley de Darcy), las cuales se resuelven por métodos numéricos (aproximados) para cada elemento del dominio.
CAM utiliza un método de solución denominado diferencias finitas, por medio del cual, el dominio se divide en rectángulos (modelo en 2-D), o paralelepípedos (modelo en 3-D), y el objetivo consiste en resolver las ecuaciones diferenciales, obteniendo la carga hidráulica (“h” en metros o bien msnm) y la concentración final (Cf en mg/L) para el centro de cada celda de la malla, en función del tiempo.
Para ello, se aplica el software Visual MODFLOW, desarrollado por Waterloo Hydrogeologic Inc (WHI), el cual es un código ampliamente aceptado por organismos nacionales (CNA, IMTA) e internacionales (USGS, EPA).
Metodología
Para la ejecución de un modelo numérico, CAM aplica la 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
Simulación de la migración de la pluma contaminante vs. Tiempo
CAM ha desarrollado diversos modelos numéricos de flujo y transporte para el mercado privado y gubernamental, 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 un cuerpo receptor. (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 areobia) y potencial atenuación natural del acuífero.
Ventajas
Una de las grandes ventajas de la modelación 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, trincheras, etc.), maximizando su rendimiento y obteniendo con ello un alto costo-beneficio que permite con una baja inversión, además de contar con elementos muy valiosos en la toma de decisiones, durante la implementación de la Gestión de proyectos hidrogeológicos y geoambientales.
Principio GI-GO (Garbage In-Garbage Out)
La principal limitación radica en que un modelo numérico, requiere un gran número de datos, por lo que es necesario, tener un extenso conocimiento del sitio. Por ende es necesario desarrollar un modelo conceptual previo, coherente con la realidad, que esté sustentado con datos de niveles piezométricos, concentraciones del soluto, determinaciones de los parámetros hidráulicos por medio de ensayos slug y/o de bombeo, parámetros físicos y mecánica de suelos, parámetros químicos del suelo, hidrogeoquímica y balance hídrico. Es muy importante destacar que un modelo numérico no es la panacea y si no se tiene un grado de conocimiento importante del sitio, se puede caer en el error establecido por el principio GI-GO:
Garbage In- Garbage Out, es decir: si se introducen datos incoherentes, se obtendrán resultados incoherentes.
Modelación de LNAPL’s
Pese a que el código MODFLOW es un software 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, CAM aplica un modelo 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, así como la tasa de recuperación del hidrocarburo tomando 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, CAM evalúa la aplicación de diversos modelos que no requieren el detalle de una modelación 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.
