Numerical resolution of water quality modelsapplication to the closure of open pit mines

Abstract

Durante más de 25 años LIMEISA ha venido extrayendo lignito en una explotación a cielo abierto ubicada en la localidad coruñesa de Meirama, Unos meses después del cierre definitivo a finales de 2007, se comienza a llenar con agua el hoyo de la mina con el propósito de generar un lago artificial que permita la recuperación ambiental y paisajística de la zona. La posibilidad de que este lago no permanezca aislado, sino que pueda ser conectado a través del río Barcés al embalse de Cecebre, que abastece de agua a la ciudad de A Coruña, hace que sus aguas deban cumplir la normativa vigente de vertidos a medios acuáticos naturales en el momento final de su llenado. El principal problema medioambiental relacionado con la mina de Meirama es la presencia de sulfuros en las paredes de la corta. Estos materiales, al oxidarse, liberan acidez y metales pesados al medio, lo cual puede traer como consecuencia que la calidad final de las aguas del lago sea inaceptable. Por otra parte, la oxidación de sulfuros es solo el primer eslabón de una cadena de reacciones químicas complejas que, en conjunto, determinaran la concentración de las distintas especies químicas en el lago. Al mismo tiempo, la entrada de aguas de diversa naturaleza y los patrones de circulación vertical del lago jugaran un papel importante en la calidad final de las aguas. La simulación numérica se convierte en una herramienta indispensable a la hora de poder cuantificar de forma acoplada todos los procesos implicados para así poder predecir la calidad final de las aguas del lago de Meirama. Este ha sido el principal objetivo de esta tesis, que se compone de siete capítulos cuyo contenido se resume en los siguientes puntos: ¿ Capítulo 1: En este capítulo se ha hecho una revisión bibliográfica exhaustiva de todos los procesos que intervienen en la calidad de las aguas de un lago que se genera en el hoyo de una mina a cielo abierto. ¿ Capítulo 2: Las reacciones químicas que determinaran la calidad de las aguas del futuro lago de Meirama se pueden clasificar a grosso modo en lentas o rápidas. En este capítulo se ha introducido de forma rigurosa, desde un punto de vista matemático, la teoría que rige este tipo de reacciones por separado siguiendo la notación de Bermúdez, 2005. El acoplamiento entre ambas escalas de reacción se llevara a cabo mediante una nueva teoría matemática que implica el uso de multiplicadores de Lagrange. Esta nueva formulación matemática supone un enfoque teórico diferente con respecto a la Teoría de perturbaciones singulares para sistemas dinámicos (cf. Tikhonov, 1985), ya que el problema resultante se puede resolver por sí mismo para todas las especies químicas y no requiere de un tratamiento posterior. Se proponen dos técnicas de reducción del problema completo formulado en términos de multiplicadores de Lagrange. ¿ Capitulo 3: Se propone un algoritmo para la resolución numérica del problema químico formulado en términos de los multiplicadores de Lagrange y se comparan los resultados del problema completo con los de los problemas reducidos. Los resultados son los mismos, pero el problema completo requiere un mayor esfuerzo computacional. ¿ Capitulo 4: Se plantea el problema geoquímico concreto para el caso de la mina de Meirama considerando la teoría y la notación introducidas en el Capitulo 2. ¿ Capítulo 5: Se proponen dos modelos para predecir la calidad final de las aguas de un lago generado en el hoyo de una mina a cielo abierto: un modelo de tanque agitado, para el que la concentración de todas las especies químicas es la misma en cada punto y en el que se tienen en cuenta las reacciones químicas descritas en el Capitulo 2 y la entrada de agua de diversas fuentes, pero no los patrones de circulación vertical, y un modelo en tres capas, en el que además de las reacciones químicas y las entradas de agua de distinta naturaleza, se cuantifica la influencia de la limnología del futuro lago. ¿ Capítulo 6: Los resultados de la aplicación de los modelos descritos en el capítulo anterior al caso particular del lago de LIMEISA se muestran en este capítulo. Para el modelo de tanque agitado se hacen análisis de sensibilidad con respecto a la presencia o no de reacciones químicas lentas y/o precipitación de minerales secundarios, al efecto de la presencia de fracturas en las paredes de la corta y a la existencia de microorganismos acidófilos. En el caso del modelo de tres capas, se investiga la influencia de distintos coeficientes de convección que causaran una mayor o menor mezcla de la columna de agua si se produce una inversión de densidad. De los resultados obtenidos con respecto al tanque agitado se concluye que las reacciones de pared tienen influencia en la calidad final de las aguas, y que esta es mayor cuanto mayor sea la superficie reactiva, que la precipitación es un proceso fundamental que debe ser cuantificado en simulaciones realistas y que la presencia de microorganismos acidófilos puede ser importante en términos de calidad de aguas si se dan las condiciones idóneas para su supervivencia. La adsorción parece no ser un mecanismo importante en el caso del lago de Meirama. En cuanto al modelo de capas, se observa que los resultados son más realistas y detallados que en el caso del modelo de tanque agitado, y podemos comprobar cuál es la diferencia entre considerar o no mezcla vertical. Todos los resultados apuntan a una calidad de aguas aceptable para el futuro lago de la mina de Meirama, a excepción de la concentración de manganeso que excede ligeramente el límite legal permitido en ciertos casos. ¿ Capitulo 7: Las conclusiones de la tesis se recogen en este capítulo así como ciertas recomendaciones para futuros estudios continuadores de este.