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
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.
Transporte

Transporte
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.

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