IV Jornadas de Ingeniería del Agua La precipitación y los procesos erosivos Córdoba, 21 y 22 de Octubre 2015 Estudio de compatibilidad hidrodinámica e hidroquímica del uso del Lago de Meirama como embalse auxiliar en la cuenca del río Mero (La Coruña) R. Juncosa, J. Delgado, F. Padilla, P. Rdguez-Vellando Grupo de Ingeniería del Agua y Medio Ambiente. ETSI Caminos. Universidad de La Coruña. Campus de Elviña s/n. 15192 Coruña H. Hernández Universidad de Guanajuato. Mexico A. Ruiz Universidad de Loja. Ecuador 1. Introducción El agua es esencial para la vida. Al principio, el suministro de agua fue para garantizar principalmente el consumo humano. Conforme las sociedades se han ido desarrollando, se han ido creando más necesidades y, en consecuencia, diferentes usos del agua aumentando los requisitos y condiciones de obligado cumplimiento. Por estas razones, es necesario llevar a cabo una gestión eficiente de los recursos hídricos. La gestión de los recursos hídricos tiene como objetivo tratar de satisfacer un conjunto de necesidades, minimizando los conflictos entre los distintos usos y preservando el medio ambiente, de tal forma que suponga un mínimo coste para la sociedad. En este caso se trata de obtener un valor añadido a un proceso de rehabilitación de una antigua explotación minera a cielo abierto, tal y como se ha realizado en otros proyectos de restauración minera (Brinker at al, 2011; Castendyk and Eary, 2009), mediante la inundación del hueco, cumpliendo con las políticas regulatorias emitidas por la Comisión europea sobre preservación y restitución del medio ambiente (EC, 2009). Para ello, se ha estudiado la rehabilitación de dicho hueco desde un punto de vista cuantitativo (capacidad reguladora) y cualitativo (calidad hidroquímica) para mejorar el abastecimiento a la ciudad de La Coruña y alrededores. La cuenca objeto de estudio corresponde a la cuenca del río Barcés, rio tributario del río Mero, situado en la Demarcación de Galicia-Costa. La cuenca del río Mero tiene un área de
245.05 km 2, de los cuales 83.5 km 2 corresponden a la cuenca medio del río barcés, 119.67 km 2 y 41.87 km 2 a la cuenca alta de dicho río (Padilla et al., 2007). En la cuenca baja del río principal (Mero) se encuentra el embalse de Abegondo-Cecebre. Dicho embalse es el principal abastecimiento de agua a la ciudad de La Coruña y alrededores. A partir del embalse el agua fluye hacia la estación depuradora de La Telva (Hernández et. Al., 2012) (Figura 1). Próxima al embalse, en la cuenca del río Barcés, existe una estación de tratamiento de aguas para abastecer a la población de Carral. La capacidad del embalse es de 22 hm 3, con 20.61 hm 3 de capacidad útil. La máxima profundidad es de 15 m. La capacidad reguladora de avenidas del embalse es limitada, de tal forma que se mantiene un llenado del 72% de Noviembre a Marzo como medida de prevención de las mismas. A partir de marzo la gestión se centra en conseguir el mayor llenado posible. 54 2000 54 9000 55 6000 56 3000 479 5000 Océano Atlantico A CORUÑA LUGO Ria El Burgo Estacion Depuradora La Telva GRS80 UTM 29N Abegondo-Cecebre Embalse PONTEVEDRA OURENSE 47 9 0000 Tunel planificado (1.25 km) Brexa Estacion tratamiento Cañas Rio Mero 47 8 5000 Meirama Lago Barcés Gobia 478 0000 Embalse Beche Rion Mero Puntos de medida Embalse Vilagudín 47 7 5000 Figura 1. Mapa de situación y subcuencas En la época estival, la ciudad de La Coruña (6471 hab/km 2 ) y alrededores (200 hab/km 2 ) es un foco turístico importante pudiendo, incluso, duplicarse la población, lo que obliga a satisfacer una demanda adicional en una época del año que, sin duda es la menos pluviosa, lo que genera que, en algunos casos, el embalse de Abegondo-Cecebre sea insuficiente en el caso de que en los meses previos no haya llovido bastante para llenarlo. Por otra parte, se ha realizado un análisis de la evolución de la población hasta 2023, teniendo en cuenta las tasas de nacimiento, defunción, balance migratorio, fijándose un caudal medio de tratamiento en la estación de Carral de 53 L/s y en la estación de la Telva de 1323 L/s. Todo ello obliga a aumentar la capacidad del embalse de Cecebre o la necesidad de usar embalses alternativos como el antiguo hueco de la mina de Meirama.
2. Descripción del lago de Meirama En la mina a cielo abierto de Meirama se ha extraído durante aproximadamente 30 años (1980 2007) lignito generando un hueco de unos 146 hm 3 y 1.88 km 2 de superficie (Delgado et al., 2013). El hueco comenzó a llenarse en marzo de 2008 con aguas subterráneas, al cesar el bombeo perimetral, y superficiales, provenientes de algunos arroyos y la desviación de otros arroyos circundantes de las cuencas situadas en cabecera, principalmente los arroyos Pereira y Porta Antiga, las cuales cubren un área de 30 km 2. Cuando el lago alcance los 171.25 m.s.n.m. la profundidad máxima del lago será de 205 m. 2.1 Calidad hidroquímica del lago Desde el comienzo del llenado se ha estado monitorizando la calidad hidroquímica de las aguas de lago y de las aportaciones. Se ha comprobado, a lo largo de estos años, que existe una estratificación térmica (termoclina) durante los períodos de altas temperaturas (primavera y verano) y una homogeneización térmica en el período invernal (Delgado et al., 2011). Por otra parte, en la zona más profunda (40 m.s.n.m.), las aguas sufren un calentamiento producido por el gradiente geotérmico procedente del sustrato geológico, lo que origina que se presenten mayores temperaturas desde el fondo de Corta y la cota de 40 m.s.n.m. que en el tramo intermedio de profundidad (Figura 2). En la Figura 2 se muestra algunos parámetros y especies monitorizadas. Se puede apreciar que existe otro tipo de estratificación (química) localizada entre los 25 y 40 m.s.n.m., que da lugar a una quimioclina, la cual está asociada a procesos dinámicos del llenado obteniéndose concentraciones altas, ph bajos y acidez en las zonas más profundas del lago, y concentraciones más bajas y ph más altos en las secciones por encima. Dicha quimoclina permanece constante en cota a lo largo del año hidrológico. La tendencia del agua más superficial del lago es a igualarse con la del arroyo Pereira, que es el principal río contributivo al llenado, lo que la hace adecuada para su aprovechamiento. En la Figura 3 se muestra la evolución temporal medida en la superficie del lago de las tres especies (Fe, Mn y Ni) que más se aproximan a los valores límites impuestos por la Administración para dichas especies. 2.2 Capacidad aprovechable del lago Cuando el nivel del lago alcance la cota de 171.25 m.s.n.m., el hueco comenzará a verter sobre el río Barcés, estableciéndose un régimen estacionario, de tal forma que las aportaciones de los arroyos inderivables al lago originarán un sistema hidrodinámico de continua renovación. Por ello, se pretende usar el lago como un embalse regulador, mejorando, así la capacidad de abastecimiento urbana, para lo cual se está construyendo un túnel a 15 m de profundidad con respecto a la cota prevista de vertido (156.25 m.s.n.m.), lo que supone un volumen útil de agua de unos 24 hm 3, volumen superior al del embalse de Cecebre-Abegondo.
Figura 2. Perfiles verticales de algunos parámetros (Temperatura, ph, Conductividad eléctrica) y concentraciones de algunas especies (Fedis, Mn y Oxígeno disuelto). La banda de color gris ilustra la localización de la quimioclina Figura 3. Evoluciones temporales monitorizadas de concentraciones de algunas especies (Fedis, Mn y Ni). La banda de color azul ilustra el límite de vertido impuesto por la Administración (Aguas de Galicia) 3. Modelo hidroquimico de la cuenca del río Barcés 3.1 Descripción del modelo Con el fin de conocer la calidad química del agua que alcanzará la estación de tratamiento de Cañás y el embalse de Cecebre, se ha desarrollado un modelo de transporte de solutos. Por ello, se ha construido un modelo previo hidrodinámico de aguas superficiales y subterráneas en la cuenca del río Barcés con el código MELEF (Padilla et al., 2007) para estimar las contribuciones de las subcuencas situadas en los tramos medios del mismo. MELEF es un código de elementos finitos que resuelve el flujo y la interfaz aguas superficial/subterránea teniendo en cuenta factores climatológicos como la evapotranspiración, lluvia, etc. El modelo hidrodinámico ha sido calibrado con los datos de la evolución temporal de llenado del hueco minero a partir de una serie termopluviométrica de 38 años. El módulo 2 pluviométrico anual medio de la cuenca es, aproximadamente, 1450 L/m. Se estimó un 22% sobre la lluvia de evapotranspiración en la cuenca y de evaporación de la lámina libre. Con respecto a los tramos medios de la cuenca el modelo hidrodinámico se calibró con 141 medidas de aforos en el período 2006 2012, resultando que la escorrentía directa supone
un 85% de la lluvia total y la descarga subterránea al río Barcés entre un 15 y un 20% de la lluvia total (García-Rábade et al., 2014). Una vez calibrado el modelo hidrodinámico y estimadas las distintas contribuciones de los arroyos de las subcuencas que conforman la cuenca del río Barcés, se construyeron tres escenarios diferentes de año hidrológico: año seco, correspondiente al percentil 10 (876 L/m 2 de módulo pluviométrico), año medio, correspondiente al percentil 50, y año húmedo, correspondiente al percentil 90 (1817 L/m 2 ), cuyo período de retorno es de 8 años. Con dichos escenarios se desarrollaron tres modelos de transporte de solutos con el código FREECORE2D (Juncosa et al., 2010) para determinar la calidad del agua a lo largo de la cuenca del río Barcés, una vez que comience el vertido del hueco minero y se mezclen las distintas contribuciones. Se ha modelizado, con una malla de elementos finitos representativa de los 16 km del río Barcés, el transporte difusivo, advectivo y dispersivo de las tres especies que se han considerado que pueden sobrepasar los límites de concentración estipulados por la Administración, y que son el Fe, el Mn y el Ni. El modelo se ha ejecutado para los distintos años hidrológicos anteriores, en condiciones estacionarias ya que el tiempo de concentración de la cuenca del Barcés es menor a 6 horas, lo que indica el rápido transporte que se produce desde la zona alta a la baja. En el modelo se han tenido en cuenta las fluctuaciones armónicas de las concentraciones de dichas especies a lo largo del año en la zona de lámina libre del lago, ya que dichas concentraciones van a ser condiciones de contorno de concentraciones de vertido del lago (Figura 3). 3.2 Análisis de resultados del modelo En la Figura 4 se muestran las evoluciones temporales de las concentraciones del Fe, Mn y Ni en la estación de Cañas obtenidas con el modelo. De los resultados, se puede deducir que las evoluciones temporales de los distintos compuestos (Ni y Mn) siguen tendencias similares variando proporcionalmente a la evolución de las concentraciones en el vertido del lago, e inversamente proporcional al caudal de vertido del mismo. El caso del Fe es distinto ya que la concentración del flujo vertido del hueco minero es menor que la que porta de forma natural el cauce principal del río y sus subcuencas. Así, para el Ni y el Mn, con concentraciones en el agua de los ríos menores a las concentraciones de vertido, la distribución de las concentraciones a lo largo del río Barcés disminuye cuando el caudal aumenta; es decir, se nota el efecto de dilución de los aportes de la cuenca sobre el vertido del lago. Sin embargo, la evolución temporal de las concentraciones de dichos elementos es muy similar cualitativamente, ambos aumentan la concentración de vertido en la época invernal y primaveral, lo que hace disminuir el efecto diluyente de los mayores caudales registrados en dichas estaciones. Se puede apreciar que los intervalos de dilución de las distintas especies son independientes del tipo de año que sea (seco, medio o húmedo); es decir, los valores siguen las mismas
Concentracion Ni (mg/l) Concentracion Fe (mg/l) Concentracion Mn (mg/l) tendencias temporales, independientemente del tipo de año, y, cuantitativamente, se encuadran dentro de unos márgenes muy definidos. 0.060 0.055 0.050 0.045 0.040 0.035 0.030 Cañas seco medio humedo 0.025-50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Oct Ene Abr Jun Sep tiempo (dias) 0.24 0.22 0.20 0.18 0.16 0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 Cañas seco medio humedo -50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Oct Ene Abr Jun Sep tiempo (dias) 0.05 Cañas 0.04 0.03 0.02 0.01 seco medio humedo 0.00-50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Oct Ene Abr Jun Sep tiempo (dias) Figura 4. Evoluciones temporales de concentraciones de algunas especies (Fe dis, Mn y Ni) en Cañas, en la cuenca del río Barcés. Resultados del modelo de transporte de solutos para los distintos escenarios: años húmedo, medio y seco. En la Figura 5, como ejemplo, se representa la relación adimensional de los caudales vertidos del lago con respecto al caudal total y las concentraciones obtenidas de Ni a lo largo del río con respecto a la concentración de vertido para un año medio. Las líneas rectas con diferentes pendientes corroboran la distinta capacidad de dilución de los aportes dependiendo del transporte advectivo-dispersivo. Cuando la pendiente es del 67% implica que la dilución media es del 50 % y el transporte advectivo-dispersivo es menor. Para valores distintos implicaría diluciones mayores o menores por el efecto advectivo-dispersivo mencionado anteriormente, variando la transferencia de masa hacia el embalse. Hay que hacer constar que la relación entre el caudal de aportación del lago minero al caudal total que llega a Cecebre en el modelo es de 1/3, lo que implica que cuando la pendiente de la relación adimensional de caudales y concentraciones es próxima al 67% el flujo másico es constante, es decir el modelo se comporta, aproximadamente, como un modelo de mezclas de celda. Así, para el Ni, con valores de vertido que oscilan entre 0.05 y 0.072 mg/l, las diluciones obtenidas en Cañas están comprendidas entre 0.025 y 0.046 mg/l, lo que representa, aproximadamente un 50 % de dilución como media, independientemente de si el año es seco, medio o húmedo. Los valores obtenidos para los tres años son muy similares.
Qlago/Q Qlago/Q Qlago/Q Qlago/Q 0.80 0.75 0.70 0.65 0.60 0.55 0.50 0.45 Año medio. T = 90 dias. Pendiente: 0.8 0.80 0.75 0.70 0.65 0.60 0.55 0.50 0.45 0.40 Año medio. T = 180 dias. Pendiente: 0.78 0.40 0.35 0.35 0.30 0.30 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 C/Clago 0.25 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 C/Clago 0.70 0.65 Año medio. T = 275 dias. Pendiente: 0.77 0.70 0.65 Año medio. T = 360 dias. Pendiente: 0.74 0.60 0.55 0.50 0.45 0.40 0.60 0.55 0.50 0.45 0.35 0.40 0.30 0.35 0.25 0.20 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 C/Clago 0.30 0.25 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 C/Clago Figura 5. Relación adimensional del caudal de vertido con respecto al caudal en cada sección y la concentración con respecto a la concentración de vertido en el año medio. Tiempo: 90, 180, 275 y 360 días. Sin embargo, la relación entre los caudales aportados por el lago minero y los aportados por las subcuencas de los tramos medios y bajos del Barcés proporcionan una relación media de dilución del Ni del 45, 57 y 38%, para los años seco, medio y húmedo, respectivamente, valores muy próximos al 50% de concentración minorada como media. Las diferencias existentes en los aportes del año húmedo, con una relación entre el caudal de aportación del lago minero y el que llega al embalse del 38% y la capacidad media de dilución del 50% estriba en que existe, a parte de la componente advectiva del transporte, la componente dispersiva, que origina un mayor transporte para flujos mayores (como en el año húmedo). En este caso, el transporte advectivo-dispersivo ocasiona que llegue más masa de soluto a los tramos bajos de la cuenca; es decir, se minore la diferencia de concentraciones, y el efecto de dilución sea algo menor. Pare el Mn, que oscila entre 0.1 y 0.35 mg/l, la dilución obtenida está comprendida entre 0.065 y 0.22 mg/l. El caso del Fe es distinto, puesto que el contenido de Fe en los tramos medios y bajos del río Barcés son mayores que las concentraciones de vertido.
4. Modelo de regulación de la cuenca 4.1 Descripción del modelo Una vez analizado la capacidad diluyente de la cuenca se ha procedido a estudiar la capacidad reguladora y de laminación del hueco minero, en los escenarios contemplados, sobre el embalse de Cecebre. Para ello, ha sido necesario tener en cuenta ciertos requisitos técnicos y ambientales con el fin de hacer el uso más razonable y mejor posible del lago minero: El caudal que se vierte del hueco junto con las aportaciones provenientes de Vaguada Pereira y Porta Antiga no superará los 2.61 m 3 /s de flujo, de los cuales 1.34 m 3 /s corresponden al vertido desde el hueco minero, con el fin de no erosionar el cauce del río. Se tendrá que aportar el caudal suficiente para respetar el caudal ecológico y el caudal que se extrae en la toma de la ETAP de Cañas. La demanda estacional ha de ser satisfecha. Se ha de tener en cuenta la capacidad diluyente de la cuenca en el proceso de vertido procedente del lago. Por lo tanto, tanto el Pereira y los ríos Porta Pereira Antiga, en determinados momentos, han de ser desviados para llenar el hueco minero con el fin de mantener la calidad del agua y prevenir los vertidos de agua en el embalse de Abegondo-Cecebre. La gestión del lago no prevalecerá sobre la del embalse de Abegondo-Cecebre, maximizando la capacidad de suministro de agua de dicho embalse. Ha de mantenerse el resguardo que ha de tener el embalse de Cecebre de noviembre a marzo del año hidrológico. 4.2 Resultados del modelo En la Figura 6 se muestran los resultados del modelo de regulación interanual para los tres escenarios climatológicos contemplados: 1) Año seco seguido de años medios, 2) serie de años medios y 3) año húmedo seguido de años medios. En el modelo interanual 1), y durante los años hidrológicos siguientes al año seco, los arroyos Pereira y Porta Antiga se desvían hacia el hueco minero hasta la penúltima semana de diciembre para rellenar el mismo. Posteriormente, y luego durante dos semanas, se vuelven a desviar hacia el Barcés con el fin de rellenar el embalse de Abegondo-Cecebre. Con ello se asegura que durante este período las demandas puedan ser satisfechas sin tener que vaciar el embalse de Abegondo-Cecebre. A partir de enero, los ríos Pereira y Porta Antiga se vuelven a desviar hacia el hueco durante dos semanas más y, alternativamente, se vuelven a redirigir hacia el Barcés. Con ello se persigue evitar vertidos innecesarios del embalse de Abegondo-Cecebre.
Volumen Cecebre (hm 3 ) Volumen lago minero (hm 3 ) En el caso 2) al final de cada año medio (verano) el hueco minero se vacia unos 9.3 hm 3 para elevar el nivel del embalse de Abegondo-Cecebre al nivel en el que puede satisfacer la demanda. Durante el año siguiente en la serie, el nivel del agua en el lago se recupera asegurando que el embalse de Abegondo-Cecebre mantenga el 72% de su capacidad, y una cierta capacidad laminadora. En el modelo 3) el lago minero vierte de forma continua manteniéndose lleno. 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 A. seco A. medio A. humedo 0 200 400 600 800 1000 1200 tiempo (dias) a) b) Figura 6. a) Evolución temporal de los volúmenes de agua en a) el embalse de Abegondo-Cecebre y b) hueco minero en las series generadas a partir de los años hidrológicos seco, medio y húmedo. Regulación interanual. 24 22 20 18 16 14 12 10 8 0 200 400 600 800 1000 1200 tiempo (dias) A. seco A. medio A. humedo 5. Conclusiones La antigua mina de lignito de Meirama se está llenando para la creación de un lago dentro del programa de rehabilitación del espacio natural del entorno. La calidad del agua en las zonas superiores del lago cumple con los requisitos exigidos por la Administración, por lo que el lago va a poder ser utilizado como una fuente de agua suplementaria para el abastecimiento de la ciudad de La Coruña y alrededores, aumentando así las capacidades reguladoras del embalse de Abegondo-Cecebre. Con ello, se pretende cumplir con las crecientes demandas estacionales de agua en La Coruña y las áreas circundantes en periodos de escasez de la misma. Para utilizar el lago como un embalse regulador, se está construyendo un túnel a 15 m de profundidad con respecto a la lámina de agua que se alcanzará cuando esté lleno completamente el hueco, lo que supondrían 24 hm 3, volumen mayor que el que presenta el embalse de Abegondo-Cecebre. El volumen de agua en el lago podrá ser regulada mediante la desviación de los ríos de entrada y salida del hueco de forma estacional, cumpliendo con los requisitos de calidad, de demanda, de caudal ecológico y de control de inundaciones. Agradecimientos Este trabajo se integra dentor de distintos proyectos financiados por Limeisa y Gas Natural Fenosa.
Referencias Brinker, CJ., MD. Symbaluk y JG. Boorman. 2011. Constructing habitat for a sustainable native fishery in the Sphinx Lake end pit lake system. In: Fourie AB, Tibbett M and Beersing B, eds., Proceedings of the 6th International Conference on Mine Closure. Australian Centre for Geomechanics, Perth, p. 525-534. ISBN: 0987093711 Castendyk, DN. y LE. Eary. 2009. The nature and global distribution of pit lakes. In: Castendyk DN and Eary LE (eds.) Mine Pit Lakes: Characteristics, Predictive Modeling and Sustainability. Management Technologies for Metal Mining Influenced Waters. Vol. 3. Society for Mining, Metallurgy, and Exploration, pp. 1-8 Delgado, J., R. Juncosa, H. Hernández, I. Falcón y A. Vázquez. 2011. Comparative Hydrochemistry of five nested catchments located in the upper part of the Barces river watershed (A coruña, NW Spain). Applied Geochemistry. Vol. 26, 179-182 Delgado, J., R. Juncosa, I. Falcón y J. Canal. 2013. Four years of continuous monitoring of the Meirama end-pit lake and its impacts in the definition of future uses. Environmental Science and pollution research. Vol. 20(11), 7520-7533. EC. Reference Document on Best Available Techniques for Management of Tailings and Waste- Rock in Mining Activities. January 2009. 2009. García-Rádade, H., P. Vellando, F. Padilla y R. Juncosa. 2014. A coupled FE model for the joint resolution of the shallow water and the groundwater flow equations. International Journal of numerical methods for heat and fluid flow. Vol. 24(7), 1553-1569. Hernández, H., F. Padilla, R. Juncosa, P. Vellando y A. Fernández. 2012. A numerical solution to integrated water flows: Application to the flooding of an open pit mine at the Barcés river catchment La Coruña, Spain. Journal of Hydrology. Vol. 422-473, 328-339. Juncosa. R., V. Navarro, J. Delgado y A. Vázquez. 2010. Modelling of the thermo-hydrodynamic and reactive behavior of compacted clay for High-level radionuclide waste management systems. Clays and Clay Minerals. 58(4), 486-500. Padilla, F., P. Vellando, JL. Delgado, R. Juncosa, J. Delgado y J. Fernández. 2007. Surface and groundwater flow modeling in the restoration of the Meirama open pit mine. Water in Mining Environments. Simposium of International Mine Water Association (IMWA), 343-348. ISBN: 978 88 902955 0 8 330.