CIENCIAS AMBIENTALES. Curso académico 2008/2009. Prácticum MODELOS DE SIMULACIÓN APLICACIÓN PRÁCTICA EN CONTAMINACIÓN DE AGUAS SUBTERRÁNEAS

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1 CIENCIAS AMBIENTALES Curso académico 2008/2009 Prácticum MODELOS DE SIMULACIÓN APLICACIÓN PRÁCTICA EN CONTAMINACIÓN DE AGUAS SUBTERRÁNEAS Autor: Jaime Acón Morlanes Tutor: D. Enrique Oromendia de la Fuente

2 Modelos de Simulación. Aplicación Práctica en Contaminación de Aguas Subterráneas ÍNDICE 1. Resumen Introducción: 2.1. Qué es un modelo de simulación? Evolución y aplicaciones Proceso de modelización Modelización de aguas subterráneas Organigrama Objetivos: 4.1. Generales Específicos Descripción del trabajo desarrollado: 5.1. Recopilación de información sobre software de simulación de aguas subterráneas: Métodos Resultados Discusión Modelo de simulación de flujo y transporte de aguas subterráneas: Métodos: Propósito del modelo Diseño del modelo Recogida de información Introducción de datos y ejecución del modelo Calibración del modelo y análisis de sensibilidad Resultados Discusión Conclusiones Experiencia personal Bibliografía y apéndices... 25

3 Universidad Rey Juan Carlos. Jaime Acón Morlanes 1. RESUMEN Como respuesta a la necesidad de prever las condiciones de un sistema para un determinado final, nace el proceso de simulación y los modelos, desarrollados de manera exponencial durante las últimas décadas. El presente texto se basa en las tareas realizadas durante el periodo de prácticas, unas 15 semanas útiles. Dichas tareas son principalmente dos y se relacionan directamente con este tema: recogida de información sobre software de simulación de aguas subterráneas, y colaboración en el proceso de trabajo de un modelo de simulación. Los modelos de simulación tienen una gran utilidad en multitud de campos, y por supuesto también en el del medio ambiente. Por ello es interesante dar a conocer en mayor profundidad los beneficios de estas herramientas informáticas, e Internet es el medio de comunicación idóneo para ello. El portal web de la empresa, Miliarium Aureum SL, será la ubicación de toda la información obtenida y trabajada en la primera tarea a realizar. Dicha tarea finalizó con un resultado de 44 fichas de programas analizados, así como una serie de introducciones sobre el tema. En cuanto a la segunda tarea, el modelo elaborado por nosotros mediante el software PMWin tiene por finalidad estudiar las consecuencias, en las aguas subterráneas, del vertido originado por dos centrales termosolares. Para determinados proyectos los organismos públicos pueden exigir un modelo de simulación, para así estudiar la autorización de obras y funcionamiento; en nuestro caso concreto, es el Instituto Geológico y Minero de España (IGME) el encargado de otorgarla. El proceso de elaboración de un modelo de simulación es arduo y conlleva un tiempo de trabajo relativamente extenso, sobre todo en dos de sus fases: recogida de información y calibrado. Sobre la primera es en la que he estado trabajando casi todo el periodo. Tras la calibración y validación del modelo, se procede a la interpretación de los resultados finales. Una vez hecho esto, en nuestro caso hubo que buscar la posibilidad de vertido que cumpliera los requisitos impuestos por el IGME, cosa que se logró con éxito. Finalizado el proceso, se elaboró un informe final en el que se exponía de manera resumida la labor realizada y los datos obtenidos, así como los resultados y la solución de vertido propuesta. Este informe se revertirá al cliente, el cuál lo entregará al IGME esperando que se le conceda la citada autorización

4 Modelos de Simulación. Aplicación Práctica en Contaminación de Aguas Subterráneas 2. INTRODUCCIÓN 2.1. QUÉ ES UN MODELO DE SIMULACIÓN? Los modelos de simulación son herramientas informáticas que permiten reproducir en condiciones controladas todo tipo de fenómenos naturales, sociales o económicos, habitualmente con el fin de prever comportamientos y situaciones futuras. Según Ríos et al. (1997), el proceso de simulación se basa en la construcción de modelos informáticos para poder describir la esencia del comportamiento de un sistema, y en el diseño de experimentos con dicho modelo así como en la posterior extracción de conclusiones. Estas conclusiones servirán para apoyar la toma de decisiones. Estos programas informáticos crean aproximaciones a la realidad, pero hay que tener en cuenta que no son la realidad misma, y por esta razón hay un margen de error en los resultados obtenidos que hay que valorar; una vez hecho esto, el modelo podrá validarse o no. En definitiva, una simulación es una imitación de un proceso del mundo real o de un sistema, variable con el tiempo (Banks, 1998) y así un modelo es cualquier herramienta que representa una aproximación de una situación real. Pero, por qué se usa la modelización? Cuando nos enfrentamos a un problema en un sistema, a veces no compensa (económicamente, moralmente ) experimentar con el propio sistema real, o directamente no es posible. Entonces podemos, según Ríos et al. (1997), aplicar la simulación construyendo un software (o utilizando uno existente) que nos describa el comportamiento detallado de dicho sistema. Tras esto, como hemos comentado, se experimentaría con el modelo para llegar a conclusiones validas para la toma de decisiones. No obstante, según Anderson & Woessner (1992), los modelos tienen también desventajas. Necesitan la introducción de muchísimos datos de entrada, y también para la calibración; esto conlleva elevados tiempos de trabajo y un coste asociado. Además la solución no tiene porque ser la única (cada vez que se ejecute el modelo, obtendremos una solución ligeramente diferente), y los resultados pueden verse influenciados por la incertidumbre. Pero dejan un margen de error en la mayoría de casos asumible, ya que esta es la mejor manera de aproximarse a la realidad. Según Anderson & Woessner (1992), la simulación en aguas subterráneas se realiza mediante modelos matemáticos, basados en ecuaciones. Los modelos matemáticos se pueden clasificar en determinísticos (el modelo se puede describir por medio de ecuaciones) y estocásticos (cuando se describe mediante leyes probabilísticas). Dentro de los determinísticos, si el modelo se describe - 2 -

5 Universidad Rey Juan Carlos. Jaime Acón Morlanes mediante ecuaciones diferenciales, entonces se denomina modelo diferencial (Tarasiévich, 2004). En el caso de las aguas subterráneas, los modelos se describen mediante ecuaciones diferenciales EVOLUCIÓN Y APLICACIONES Desde hace algunos años, a partir del desarrollo de la tecnología informática en la década de 1980, los modelos de simulación se han convertido en una de las herramientas de previsión más útiles en multitud de campos (ciencias sociales, económicas, naturales, ingenieriles, etc). El origen del proceso de simulación lo encontramos en el trabajo que hizo Student para aproximar la distribución que lleva su nombre, y en los métodos que Von Neumann y Ulam introdujeron para resolver ecuaciones diferenciales (Ríos et al. 1997). A partir de ese momento, una vez descubierto su potencial, la simulación creció como una metodología de experimentación fundamental en campos muy diversos, y con enormes aplicaciones industriales y comerciales (entre las que encuentran la predicción bursátil y la predicción meteorológica). Como cita Ríos et al. (2008), esta evolución se ha visto todavía más acelerada en esta ultima década, debido a la disponibilidad de ordenadores cada vez más potentes (aceleración de ejecuciones de programa, visualización de resultados de simulación, paralelización de experimentos ), un mejor del software de simulación (consecuencia de lo anterior; mejores lenguajes de modelización, mejores interfaces ) y una mejora en la algoritmia de simulación. Por tanto, a lo largo de las décadas, los modelos de simulación se han ido mejorando y actualizando, a la par que el avance tecnológico, y por ello en la actualidad no han cesado de desarrollarse. Es importante señalar que debido a la gran utilidad que ofrecen y a su relativamente sencillo manejo, existen multitud de programas de simulación, y sería tarea imposible enumerar todos PROCESO DE MODELIZACIÓN En el proceso de modelización, básicamente el usuario tiene que aprender a describir el problema principal, seleccionar las condiciones límite, asignar parámetros del modelo, y calibrar dicho modelo. No todos los programas de simulación siguen todos los pasos, pero como aparece reflejado en la obra de Anderson & Woessner (1992), este proceso sería el óptimo: 1) Establecer el propósito del modelo 2) Desarrollar un modelo conceptual 3) Seleccionar el software que vamos a utilizar - 3 -

6 Modelos de Simulación. Aplicación Práctica en Contaminación de Aguas Subterráneas 4) Diseño del modelo: datos de entrada, malla que utilizaremos, tiempos, etc. Normalmente los modelos se realizan en base a una malla, una discretización en el espacio de la zona de interés. En cada celda de la malla se introducen los valores correspondientes de determinados parámetros. Tras esto, se procede a la ejecución del modelo. 5) Calibración del modelo: mediante un procedimiento iterativo de ensayo-error, modificando los datos de las variables hasta que se ajusten a las condiciones reales con la mayor proximidad. Hay varios métodos de calibración. 6) Análisis de sensibilidad: establece el efecto de la incertidumbre en el modelo ya calibrado. 7) Verificación \ validación del modelo: establece una mayor efectividad del modelo, ya que se crea una nueva base de datos de entrada con los resultados de la calibración. 8) Predicción: datos de predicción finales, calibrados y validados. 9) Presentación de resultados 10) Post-verificación: Años después, el modelo se revisa para ver si sus resultados se aproximan a la realidad. Mi tarea asignada para este trabajo se desarrolla sobre todo en el paso 4, en lo concerniente a la recogida de información y datos de entrada del modelo. En el resto de pasos no he colaborado activamente, ya que de esto se ha encargado mi tutor en la empresa MODELIZACIÓN DE AGUAS SUBTERRÁNEAS Los modelos de aguas subterráneas pueden dividirse en dos categorías: modelos de flujo y modelos de transporte de solutos, más comúnmente llamado transporte de contaminantes. Muchos programas y paquetes de software de simulación permiten realizar las dos simulaciones a la par (es el caso del software PMWin). Los modelos de flujo predicen la distribución de los niveles piezométricos, mientras que los de transporte predicen la concentración de solutos afectados por advección (movimiento del soluto por el propio flujo subterráneo), dispersión (difusión y mezcla de solutos) y por reacciones químicas (Anderson & Woessner, 1992). Al igual que en los demás campos de actuación de los modelos de simulación, su uso en la previsión de comportamientos en las aguas subterráneas sitúa a estos modelos como herramienta imprescindible para la elaboración de proyectos que puedan afectar mínimamente a este recurso. Esto es así debido principalmente a dos razones: - 4 -

7 Universidad Rey Juan Carlos. Jaime Acón Morlanes - Los efectos negativos que pueda tener el proyecto sobre las aguas subterráneas, y que puedan revertirse sobre la propia obra o infraestructura. Es necesario confirmar (siempre en la etapa de planificación del proyecto) que no van a producirse subsidencias, cambios de dirección del flujo, o cualquier otro fenómeno que pueda perjudicar el proyecto. - El obligado cumplimiento de una legislación cada vez más restrictiva en cuanto a la afección a las aguas subterráneas. La sobreexplotación de este recurso, su escasez, y su innegable importancia para los ecosistemas ha obligado a los gobiernos, desde hace algunos años, a tomar medidas para evitar daños irreparables. Más concretamente, la empresa ha elaborado un modelo de simulación de aguas subterráneas, a petición de un cliente. Se comentara en detalle mas adelante, pero a modo introductorio decir que se trata de un modelo para el proyecto de construcción de dos centrales termosolares, y la incidencia de sus vertidos en las aguas subterráneas subyacentes. Este modelo es necesario (y con ello recalco la creciente importancia de estas herramientas para la aprobación de proyectos) puesto que el Instituto Geológico y Minero de España (IGME) lo exige para la concesión de determinados proyectos. Por otra parte, conviene comentar la importancia de las nuevas tecnologías (más concretamente Internet) en cuanto a la difusión de este tipo de programas informáticos, que facilita el conocimiento de los modelos de simulación y la comprensión de su funcionamiento. Y no solo eso, ya que en diversos casos Internet provee de estos programas a los usuarios mediante descargas directas previo pago, e incluso algunos de los modelos de simulación son gratuitos y de libre disposición. Esto tiene también una estrecha relación con las tareas que se me han asignado en este trabajo, y con los objetivos a cumplir. En definitiva, las tareas realizadas durante el periodo de prácticum son dos: Recopilación de información sobre software de simulación de flujo y transporte de contaminantes en aguas subterráneas. Elaboración de un modelo de simulación de flujo y transporte en aguas subterráneas

8 Modelos de Simulación. Aplicación Práctica en Contaminación de Aguas Subterráneas 3. ORGANIGRAMA Las prácticas se han realizado en la empresa Miliarium Aureum SL. Miliarium Aureum SL trabaja en los campos de ingeniería civil y medio ambiente, ofreciendo una gran variedad de servicios de utilidad para el desarrollo de la actividad en estos sectores. Su principal medio de trabajo es el portal Miliarium.com, mediante el cual ofrecen todos estos servicios. Una de las misiones principales de Miliarium.com es suministrar información y documentación técnica, así como diversos servicios de valor añadido a profesionales y empresas de los sectores de ingeniería, construcción y medio ambiente. Constituida en 1999, se ha convertido en uno de los portales de referencia de estos sectores, con visitas/mes (Mayo 2008) de un público altamente segmentado. El portal incluye: oferta de servicios, bibliografía y documentación, prontuario técnico, proyectos tipo, software técnico, software gratuito, normativa y legislación, noticias, formación y empleo, licitaciones y concursos, proyectos tipo, noticias sectoriales, un directorio comercial, cuadros de precios y una tienda virtual (de libros, software, y diversos servicios técnicos). Al tratarse de una micropyme, la estructura organizativa es plana, y por lo tanto el organigrama también es plano. Los actuales integrantes son: Enrique Oromendia de la Fuente: director gerente, funciones de representación y administrativas además de las puramente técnicas. Marta Martín Benedit: Auxiliar administrativa q da servicio a toda la empresa y que lleva la totalidad de las gestiones relacionadas con seguros sociales y contabilidad. Al no haber departamentos ni subsecciones, mi puesto en la empresa queda como personal de apoyo en tareas tuteladas por el director gerente. El periodo de prácticas se extendió desde octubre de 2008 hasta febrero de En total, excluyendo los correspondientes días no laborales y las vacaciones de navidad, unas 15 semanas de trabajo aproximadamente

9 Universidad Rey Juan Carlos. Jaime Acón Morlanes 4. OBJETIVOS 4.1. GENERALES: a) Ampliación de la información disponible en el portal Miliarium.com referente a modelos de simulación de aguas subterráneas. b) Elaboración de un modelo de simulación de aguas subterráneas para un caso concreto, el proyecto de construcción de una central termosolar en la provincia de Ciudad Real ESPECÍFICOS: a) Ampliación de la información disponible en el portal Miliarium.com referente a modelos de simulación de aguas subterráneas. Encontrar (fundamentalmente en Internet) información básica acerca de este tema, sobre todo referente a software disponible en el mercado, mejorando así mis habilidades en este campo. Elaborar una relación de páginas web concernientes a modelos de simulación, de las cuales se extraerá la información requerida. b) Elaboración de un modelo de simulación de aguas subterráneas para un caso concreto, el proyecto de construcción de una central termosolar en la provincia de Ciudad Real. Localizar la información necesaria para el estudio a realizar. Aprender a organizar y estructurar dichos datos, previa revisión de las fuentes más verosímiles y fiables a las que tenemos acceso. Elaborar el modelo como tal, mediante la introducción de datos en PMWin, y aprender de la experiencia. Saber interpretar los resultados, y toma de decisión del emplazamiento adecuado para el vertido

10 Modelos de Simulación. Aplicación Práctica en Contaminación de Aguas Subterráneas 5. DESCRIPCIÓN DEL TRABAJO DESARROLLADO El trabajo desarrollado en la empresa se divide en dos tareas principales, como se ha comentado anteriormente. Estas tareas se subdividen en otras que responden a los objetivos anteriormente presentados. Para una mejor comprensión y visualización de los tiempos empleados para cada una de ellas, se presenta un cronograma (Tabla 1), expresado en meses y semanas. En las dos últimas actividades mi colaboración ha sido mínima. Tabla 1: Cronograma de tareas Información sobre software de simulación Modelo de simulación Actividad Recopilación de información Elaboración de relación de fuentes Formato definitivo de las fichas Propósito del modelo Diseño del modelo Recogida y organización de información Trabajo con PMWin Resultados Periodo (Expresado en meses y semanas) RECOPILACIÓN DE INFORMACIÓN SOBRE SOFTWARE DE SIMULACIÓN DE AGUAS SUBTERRÁNEAS MÉTODOS Previamente a la recopilación de información, fui instruido acerca de la utilidad y el mecanismo de los modelos de simulación en general, ya que no tenía suficiente formación en este tema. Una vez superada esta toma de contacto, se procedió a comenzar la tarea en si. En primera instancia se decidió elaborar una introducción extensa acerca del tema, dirigida a potenciales clientes en la web, dando a conocer así las posibilidades de los modelos y su funcionamiento. De esta forma, tras una profusa búsqueda de fuentes fidedignas en Internet, elaboré dichos textos, haciendo especial hincapié en dos situaciones interesantes: modelización en medios fracturados, y modelización en zona no saturada. Son importantes también los paquetes de simulación basados en MODFLOW, ya que es de los programas más utilizados en su campo

11 Universidad Rey Juan Carlos. Jaime Acón Morlanes Una vez realizada esta tarea, abordé el tema del software de simulación. Fue interesante descubrir que en la red no hay información de este tema en nuestro idioma, con lo cual esta es una tarea pionera. Para darle un aspecto homogéneo a los datos que posteriormente iban a publicarse en la web de la empresa, establecí un diseño patrón para cada uno de los programas estudiados (Figura 1). Junto al nombre del programa, tres datos básicos: la función que desempeña, las dimensiones físicas sobre las que puede trabajar (si se dispone de ese dato), y si tiene algún coste o es de libre disposición. En la Descripción y Metodología de desarrollo se profundiza en esas funciones, y en el funcionamiento del programa y sus características. Los restantes apartados no aparecen en todas las fichas, ya que no en todos los casos se ha podido obtener esa información. En la gran mayoría de los casos se ha tenido que recurrir a la traducción de la información extraída, ya que el idioma de las fuentes era fundamentalmente el inglés. No obstante, los conceptos técnicos empleados han podido ser traducidos sin problemas. Nombre del programa: (función, 1D/2D/3D, gratuito/de pago) - Descripción y Metodología de desarrollo. - Proveedores. - Ejemplos/Artículos relacionados. - Manuales y ayudas adicionales: o Información adicional. o Descarga directa / Demo. o Manual, tutoriales. o Bibliografía. - Imágenes del programa. Figura 1: Esquema de ficha de programa RESULTADOS Finalmente, una vez terminado el periodo de trabajo, obtuve un total de 44 fichas de programas (Anexo II). De ellos, 39 están relacionados directamente con la simulación de aguas subterráneas. Los 5 restantes son dos estimadores de parámetros para la calibración del modelo, un programa de visualización 3D genérico para modelos, un sistema de gestión de datos ambientales, y un modelo de cuencas. La Tabla 2 presenta todos los programas estudiados

12 Modelos de Simulación. Aplicación Práctica en Contaminación de Aguas Subterráneas DISCUSIÓN Obviamente no se ha podido recopilar información sobre todos los programas de este tipo disponibles en el mercado, ya que su elevado número haría esta tarea mucho más extensa en el tiempo. Sin embargo, dentro de este listado se encuentran los más utilizados actualmente, y por tanto los más dignos de mención. La tarea de publicarlo en la página web no me compete, ya que será el director gerente de la empresa el que lo haga. Por ello, y puesto que dicha publicación todavía no se ha realizado, aporto en el soporte informático (CD) anexo un documento de texto con la totalidad de las fichas. El formato en el que está escrito este documento no es el más adecuado para un documento técnico, puesto que no ha sido diseñado para ese fin, si no simplemente para copiar los datos y publicar dicha información en la web. Adicionalmente, en el Anexo 1 se presentan dos de las fichas técnicas elaboradas, a modo de ejemplo: MODFLOW y FEFLOW. La bibliografía utilizada en estas fichas, y sus correspondientes referenciaciones, se encuentran en el material del CD adjunto. Tabla 2: Listado de programas estudiados Simulación de aguas subterráneas MODFLOW FREEFEM Visual MODFLOW MODPATH OPENFEM Groundwater Modeling System (GMS) MT3DMS/99 COMSOL Groundwater Vistas RT3D BIOF&T PMWin (Processing MODFLOW Pro) MODFLOW-SURFACT MARS 2D/3D Argus ONE FEFLOW FRACMAN PMPATH Zone Budget POLLUTE FEMWATER MGO MIGRATE MOC3D Multi Node Well (MNW) NETFLO AquiferTest Pro PHT3D SWIFT VZCOMML SEAWAT 2000 / Version 4 UnSat Suite SVFlux VADOSE/W Otras funciones SVHeat Visual HELP SWAT FLOWPATH II BIOSLURP PEST WINFLOW SUTRA 3DMaster WINTRAN ChemFlux UCODE Aquifer Win32 MOVER HidroGeo Analyst

13 Universidad Rey Juan Carlos. Jaime Acón Morlanes 5.2. MODELO DE SIMULACIÓN DE FLUJO Y TRANSPORTE DE AGUAS SUBTERRÁNEAS MÉTODOS El trabajo que he desarrollado se centra sobre todo en uno de los primeros pasos de la elaboración de un modelo, la recogida de información, mientras que el resto del proceso ha sido realizado por mi tutor. No obstante, he sido informado de las generalidades del proceso y he estado presente en algunos de los pasos, por lo cual procederé a explicar el proceso completo. El estudio en su totalidad se compone de la elaboración del propio modelo, y en la interpretación de sus resultados, así como en la búsqueda de un emplazamiento idóneo para las obras si lo hubiere. Como resultado se obtendrá un informe final que se entregará al cliente Propósito del modelo Este estudio se ha elaborado a petición de un cliente, al cuál se lo exigía el Instituto Geológico y Minero de España (IGME) para poder otorgarle la autorización de obras y funcionamiento. Las obras en cuestión consisten en dos centrales termosolares situadas en la provincia de Ciudad Real (Castilla la Mancha), en el municipio de Alcázar de San Juan (Figura 2). El fin del estudio es simular el vertido por infiltración de dichas centrales para analizar la afección en las aguas subyacentes, y determinar si perjudica más allá de los límites permitidos. En caso de encontrarse dentro de los límites, habrá que buscar el emplazamiento más adecuado de las balsas de vertido. Las centrales solares termoeléctricas funcionan con tecnología de concentradores solares cilindroparabólicos; la radiación solar directa es captada y concentrada mediante espejos parabólicos para calentar el fluido térmico que discurre por tubos receptores; este calor se transmite a otro fluido (agua) que genera vapor, y este vapor mediante unas turbinas y un alternador genera energía eléctrica (Censolar, 2001). El vertido que produce la central, y que se infiltra en el acuífero, es el derivado del sistema de refrigeración: purgas de equipo y torres de refrigeración. Por tanto, la principal afección será el aumento de la concentración en sales, puesto que las aguas resultantes habrán perdido por evaporación, aumentando así su salinidad. En cuanto al software de simulación propuesto, se ha elegido el paquete de simulación PMWin por varias razones. La principal es su sencillez de uso, ya que los datos se introducen siguiendo un orden lógico desde la barra de herramientas. A su vez, se basa en MODFLOW96 (simulación de flujo) pero

14 Modelos de Simulación. Aplicación Práctica en Contaminación de Aguas Subterráneas también incluye herramientas de simulación de transporte de contaminantes (MT3D96). Por otra parte, ha influido el hecho de que es de disposición libre, no hay que pagar derechos de uso y puede usarlo cualquier persona gratuitamente Diseño del modelo Antes de empezar con la elaboración del estudio, tenemos que asegurarnos de que el IGME no va a rechazarlo debido a su formato, falta de información, o carencia de resultados. Para ello, utilizamos una metodología para estudio de vertidos establecida por ellos. Esta metodología dictamina la peligrosidad del vertido (alta, media o baja), y propone un tipo de informe para cada nivel. En nuestro caso, como disponíamos de un estudio de la calidad química del vertido, pudimos realizar fácilmente el test que define la peligrosidad; el resultado fue peligrosidad del vertido alta. Una vez concretado esto, pasamos a diseñar el modelo. Se ha realizado un modelo a escala regional, que cubre la Unidad Hidrogeológica (U.H) (antiguamente llamado Sistema nº 23 ), denominada Mancha Occidental, a la cual afecta el vertido. U.H. Mancha Occidental Emplazamiento del vertido Figura 2: Localización geográfica del vertido (modificado de Ocaña & Carreras, 2005)

15 Universidad Rey Juan Carlos. Jaime Acón Morlanes El ámbito geográfico de interés es de 10km alrededor del punto de vertido, pero se ha decidido ampliarlo ya que es complicado encontrar condiciones de contorno locales fiables. De esta forma, a partir del modelo regional, se puede extraer un modelo local más exacto. Como puede verse en la Figura 3, se ha diseñado una malla rectangular con celdas de superficie creciente del punto de vertido (50x50) a los límites del acuífero (1000x1000); de esta forma en las proximidades del vertido la malla es muy tupida. En cada una de las celdas se introducirán los datos correspondientes a la misma, pudiendo insertar los mismos valores a un conjunto poligonal de celdas, lo que acelera bastante el proceso. En la figura, el punto central denominado ASTE es la parcela donde se sitúan las centrales; obsérvese la tupidez de la malla en esa zona. Figura 3: Malla utilizada en el modelo Recogida de información Esta es una de las tareas principales que he realizado en el trabajo de prácticum, aparte de ser la fase de elaboración de un modelo que más se extiende en el tiempo. Se ha tenido que recoger toda la información a nuestro alcance sobre la zona afectada, y sus antecedentes. Esta fase es determinante en los resultados del modelo, ya que a partir de esta búsqueda se recopilaran los datos de entrada necesarios. Por tanto, la fiabilidad de las fuentes es muy importante, no podemos permitirnos tener una base de datos errónea o poco segura. De este modo, las fuentes a las que se ha recurrido han sido

16 Modelos de Simulación. Aplicación Práctica en Contaminación de Aguas Subterráneas fundamentalmente documentos publicados por el IGME, la Cuenca Hidrográfica del Guadiana, y datos obtenidos del Mº de Medio Ambiente (actualmente el Mº de Medio Ambiente y Medio Rural y Marino). Hay que mencionar también la consulta que hemos hecho de un estudio anterior que nos facilitó el propio cliente; un estudio del año anterior con el mismo fin, pero que fue rechazado. La zona de estudio se halla en una planicie, bajo la cual se pueden distinguir tres unidades hidroestratigráficas en el acuífero, como puede verse en las Figuras 4 y 5: Superior (acuífero libre), Intermedio (acuitardo) e Inferior (confinado/semiconfinado). En un principio se redujeron estas tres capas a dos (superior e inferior), para facilitar la simulación; pero en la modelización esto también se ha modificado, puesto que la información de la capa inferior era tan pobre que daría lugar a más incertidumbre, quedando así únicamente la capa superior (el acuífero libre). Figura 4: Esquema de funcionamiento de la U.H (extraído de López et al, 1989) Además de esto, se ha tenido que recopilar gran cantidad de datos históricos y tendencias sobre el balance hídrico del sistema (interacción con acuíferos adyacentes, precipitaciones, surgencia y evaporación, hidrología superficial, inventario de pozos y extracciones), la piezometría, la hidroquímica, y los parámetros hidráulicos de cada una de las unidades hidroestratigráficas (transmisividad, permeabilidad, coeficiente de almacenamiento, porosidad eficaz, velocidad de flujo). Estos últimos parámetros ha sido la información más complicada de encontrar, debido al detalle del estudio; en bibliografía se encontraron valores medios para el acuífero, pero fue imposible encontrar datos a nivel local. La solución a este problema fue contratar un sondeo personalizado en la parcela de

17 Universidad Rey Juan Carlos. Jaime Acón Morlanes estudio, y con esos datos y los datos regionales elaborar unos valores medios que se pudieran introducir en las celdas del modelo. Con toda la información recopilada y las conclusiones alcanzadas (exceptuando los resultados del sondeo contratado, que se introdujeron más adelante), se me asignó como tarea elaborar un informe de situación, que debido a su extensión no se incluye en este texto y se adjunta en el Anexo II (CD). Para llegar a las conclusiones que aparecen en el informe, se han tenido que revisar intensamente y comparar numerosos documentos técnicos, obtenidos de las fuentes anteriormente citadas, así como organizar la gran cantidad de información acumulada. Dicho informe fue presentado ante el IGME por mi tutor como primera instancia de la situación en la zona, y como base para rediscutir el diseño concreto que debería tener el modelo. CUATERNARIO TERCIARIO Unidad Acuífera Superior Materiales pliocuaternarios + Focos de emisión de rocas volcánicas, coladas basálticas Depósitos tipo raña, glacis, encostramientos, coluviones, aluviones Fangos limosos - arcillosos con paleocanales (más o menos desarrollados), margas, calizas lacustres, yesos Acuitardo Conglomerados Materiales detríticos gruesos y finos. Areniscas, arenas, margas, calizas, dolomías SECUNDARIO Unidad Acuífera Inferior Dolomías, calizas dolomíticas, calizas, margas Carniolas Arcillas margosas abigarradas, yesos, calizas dolomíticas, areniscas, conglomerados PRIMARIO Zócalo Cuarcitas, pizarras Figura 5: estructuración geológica de la U.H (a partir de datos extraídos de López et al, 1989)

18 Modelos de Simulación. Aplicación Práctica en Contaminación de Aguas Subterráneas Introducción de datos y ejecución del modelo Como ya he comentado anteriormente, la introducción de datos no me ha sido encargada, pero sí he sido informado del procedimiento. Esta inserción de datos se comenzó antes de terminar la etapa de recogida de información, puesto que una vez que se empieza a manejar el programa y a ejecutar el modelo, la situación simulada no se aproxima lo suficiente a la realidad; entonces hay que ir reintroduciendo datos, lo que implica una nueva búsqueda, o como mínimo una revisión de la información ya obtenida. A partir de esto, solo queda probar con diferentes datos y posibilidades de simulación hasta obtener un modelo ajustado y lo más realista posible. Esta tarea también lleva bastante tiempo de trabajo. El procedimiento de introducción de datos en PMWin fue el siguiente: 1. Creación del fichero del modelo 2. Geometría del modelo: el primer paso es establecer la geometría de la malla, en nuestro caso como se ha explicado anteriormente. 3. Información de las capas del modelo: se pueden introducir hasta un máximo de 4 capas, en nuestro caso se comenzó simulando 2 capas, pero se dejó en un sistema monocapa por la limitación de información disponible para la capa inferior. 4. Condiciones de contorno: para cada una de las celdas. Pueden ser de piezometría variable, de piezometría constante o celdas inactivas. Hemos considerado la piezometría variable en el tiempo, y los límites del modelo impermeables. 5. Espesores de las celdas: cotas de base y techo 6. Datos hidrogeológicos: para cada grupo de celdas o Régimen de simulación (estacionario/transitorio): se ha propuesto transitorio, a 35 años (25 años de vida útil de la central, más 10 años posteriores). o Piezometría inicial: la correspondiente al año o Conductividad hidráulica: no se han introducido datos, ya que no eran fiables o Transmisividad: entorno al vertido, de a m 2 /d o Almacenamiento específico: % o Porosidad efectiva: 2 5 % o Dispersividad: en torno al 10% de la extensión de la pluma de dispersión 7. Condiciones de explotación: estos son los datos de balance hídrico. Se unificaron estos datos como una tasa por unidad de superficie. o Extracción: abastecimiento y regadío. La U.H. Mancha Occidental ha estado sometida a una fuerte sobreexplotación, pero actualmente esto se está regulando. Aun así, el número de pozos es muy elevado, tanto que es imposible un tratamiento

19 Universidad Rey Juan Carlos. Jaime Acón Morlanes individualizado. Por ello hubo que hacerlo por zonas. Esta sobreexplotación es la causante de la actual tendencia al descenso piezométrico en todo el acuífero. o Interacción con ríos y conexiones con otras U.H.: actualmente los ríos son perdedores de forma que recargan el acuífero de manera ínfima, y solo se ha tenido en cuenta una U.H. adyacente que recarga ligeramente el acuífero. o Recarga por precipitación: entre Hm 3 /año 8. Modelo de calidad: es aquí donde se introducen los datos de concentración en sales del vertido. Para ello PMWin dispone del módulo MT3D. Posteriormente a esto, se llevó a cabo la ejecución del modelo. Tras ejecutarlo por primera vez, se observaron los resultados obtenidos, y a partir de este punto se empezó con la calibración del modelo Calibración del modelo y Análisis de sensibilidad Tras la introducción de los datos en el modelo se procedió a la calibración del modelo. La calibración se basa en la modificación de las variables del modelo y sus posteriores ejecuciones, hasta que se ajusten a las condiciones reales con la mayor proximidad. Según Anderson & Woessner (1992), en primer lugar se escogen las variables que tienen una mayor repercusión sobre el resultado final del modelo (estas son fáciles de identificar, ya que una pequeña modificación en las mismas provocan un gran cambio en el modelo), y se van ajustando. Después haremos lo mismo con otras variables que son menos significativas (un cambio en la variable modifica muy levemente el modelo). Hay varios métodos de calibración. El proceso de calibración se realizó manualmente (hay programas informáticos que lo hacen automáticamente; PEST es uno de ellos). Los parámetros objeto de la calibración han sido fundamentalmente la transmisividad y la distribución espacial de infiltraciones y explotaciones. El coeficiente de almacenamiento también fue tanteado, pero al ver que provocaba más incertidumbre se descartó La piezometría se calibró partiendo de los datos de 1988 (fecha en la que el acuífero se declaró sobreexplotado), con el objetivo de reproducir la situación piezométrica del año 2008, utilizado como fecha de inicio del modelo. Se partieron de valores de transmisividad calculados en 1989 por el ITGE, y se han calibrado con los valores obtenidos en los ensayos de bombeo contratados y con otros datos obtenidos en 2005 por el IGME. Para las recargas de lluvia y explotaciones se dividió el modelo en 11 zonas, y se fueron calibrando de manera conjunta (tasa por unidad de superficie)

20 Modelos de Simulación. Aplicación Práctica en Contaminación de Aguas Subterráneas Tras la calibración, se realizó un análisis de sensibilidad para tener en cuenta la influencia del coeficiente de dispersividad, y la alternancia de años secos y húmedos, sobre los resultados correspondientes a la solución definitiva propuesta RESULTADOS Una vez realizados los pasos anteriores, el modelo se volvió a ejecutar varias veces, con posibilidades de localización del vertido diferentes, con el fin de obtener la ubicación preferente de las balsas en base a los límites impuestos por la legislación. Este límite establece que fuera de la parcela de las centrales, la conductividad eléctrica de las aguas subterráneas (que es la contaminación que la termosolar origina) no debe exceder de 1100 ms. El vertido provoca una conductividad de 1500 ms, que hay que sumar a la conductividad natural influenciada por el resto de extracciones y vertidos en la zona (unos 650 ms). Mientras no sobrepase los 1100 ms fuera de la parcela, dentro de los límites de la parcela no hay imposición. El objetivo es, pues, encontrar una ubicación y un sistema de vertido que permita esto. Tras la simulación de 6 posibles situaciones (Figura 6), en las que se modificó y combinó el tipo de eliminación (por balsas o por zanjas), la cantidad de puntos de vertido y su ubicación, se llegó a la solución definitiva con el séptimo modelo. Una balsa de 150x150 m (Caso 1) Una balsa de 400x400 m (Caso 2) Dos balsas de 150x150 m cada una (Caso 3) Dos pozos de inyección (Caso 4) Dos balsas de 150x150 m cada una (Caso 5) Cuatro balsas de 150x150 m cada una (Caso 6) Dicha solución propuesta consiste en cuatro zanjas de 100x50 m, una de ellas descompuesta a su vez en dos zanjas de 150x50 m y 50x50 m. Esto permite el vertido ante la legislación puesto que en el periodo simulado no se llega, en ningún punto de los límites de la parcela, al nivel de conductividad eléctrica de 1500 ms. Para afianzar esto, se procedió posteriormente a simular otras 8 variaciones de esta misma situación, pero con modificaciones en los periodos de simulación, dispersividades, y alternancias de años secos y húmedos (Figura 7). La línea azul es el límite de la parcela, mientras que las líneas granates son las centrales termosolares. Las acumulaciones azules y rojas serían la gradación de salinidad en las aguas subterráneas (rojo mayor salinidad; azul menor hasta llegar a los 1100 ms) provocada por las zanjas. Obsérvese que en

21 Universidad Rey Juan Carlos. Jaime Acón Morlanes ningún punto, en ninguno de los modelos, la concentración fuera de la parcela sobrepasa los 1100 ms. También se puede observar que la conductividad se concentra alrededor de cada balsa, ya que es una zona donde la piezometría converge, y se estanca. Únicamente la conductividad se expande concéntricamente hacia afuera alrededor de ambas balsas porque este vertido aumenta la piezometría local (crea un montículo ), y por tanto el agua tiende a salir afuera. Caso 1, 25 años, Dispersividad = 100 m Caso 2, 25 años, Dispersividad = 100 m Caso 3, 25 años, Dispersividad = 100 m Caso 4, 25 años, Dispersividad = 100 m Caso 5, 25 años, Dispersividad = 100 m Caso 6, 25 años, Dispersividad = 100 m Figura 6: Resultados obtenidos de la simulación de las posibilidades de vertido inválidas

22 Modelos de Simulación. Aplicación Práctica en Contaminación de Aguas Subterráneas Solución definitiva, 25 años, Dispersividad = 1 m Solución definitiva, 35 años, Dispersividad = 1 m Solución definitiva, 25 años, Dispersividad = 40 m Solución definitiva, 35 años, Dispersividad = 40 m Solución definitiva, 25 años, Dispersividad = 100 m Solución definitiva, 35 años, Dispersividad = 100 m Solución definitiva, 25 años, Dispersividad = 40 m. Alternancia años secos, medios y humedos Solución definitiva, 25 años, Dispersividad = 40 m Alternancia años secos, medios y humedos Figura 7: Resultados obtenidos de las distintas modelizaciones de la solución final

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