Ánalisis de los procesos de flujo subterráneo y superficial en problemas mediambientales

Abstract

[Resumen] El objetivo de esta tesis es, por una parte, adaptar un código numérico para analizar los procesos del flujo subterráneo y superficial en problemas medioambientales, y por otra, predecir la evolución más probable de la rehabilitación por inundación de la mina de lignito a cielo abierto de Meirama considerando todo el dominio de la cuenca hidrográfica del río Barcés (~90 Km2). La Coruña, España. El proceso se inicia con la adaptación del código numérico MELEF a la cuenca del Barcés cuya hidrogeología incluye diversas características como riachuelos de poca entidad, una mina en proceso de inundación con calados de hasta 200 metros, el embalse de Cecebre en su punto de cierre y una geología compleja de tipo pull-appart en el valle terciario sedimentario de Meirama; la adaptación del código es crucial para su correcta aplicación en el análisis de la interacción de los flujos conjuntos subterráneo y superficial. El código MELEF evalúa de forma conjunta los flujos de agua subterránea y superficial por el método de los elementos finitos en dos dimensiones horizontales. Durante la aplicación del código se constató un comportamiento no adecuado frente a grandes calados de agua (~200 metros); además, la aplicabilidad del código se veía comprometida y limitada por una gestión en cierto modo manual. Al respecto, en el Proyecto CICYT (CGL2006- 01452/HID) se establecieron una serie de tareas encaminadas a diseñar y desarrollar un sistema de gestión del código numérico mediante los Sistemas de Información Geográfica (SIG), y así mejorar la aplicación y la explotación de los resultados durante la rehabilitación por inundación de la mina de Meirama. Los SIG facilitan, además, la posibilidad de almacenar, representar, gestionar y tomar decisiones con todas las condiciones de simulación del código numérico MELEF. Una vez implementado el sistema de gestión fue posible generar condiciones de simulación más exigentes, lo que en consecuencia, permitió detectar nuevas deficiencias numéricas del código en los mecanismos de interacción subterráneo-superficial y en el modelo conceptual de evapotranspiración. Por lo tanto, durante el desarrollo de esta investigación, las modificaciones del código numérico resultaron ser los principales retos, puesto que: El modelo superficial necesitaba una mejora que permitiese respetar la conservación de la masa durante la inundación de la mina, de lo cual resultó una ecuación basada en el modelo lineal de Muskingum que respeta la conservación de masa, incluso, frente a grandes calados superficiales. Por otra parte, el comportamiento del modelo de evapotranspiración necesitaba una mejora frente a intensidades diarias de la precipitación, ya que el modelo estaba pensado para intensidades mensuales. El problema se resolvió incluyendo en las curvas de evapotranspiración un nuevo parámetro “espesor de suelo” asociado a la profundidad de las raíces, así como una nueva curva denominada de transpiración bajo estrés hídrico. ? Por último, el código numérico se dotó de un modelo de escurrimiento evaluado de forma distribuida; los métodos implementados para evaluar el escurrimiento tienen las siguientes características: el primer método considera la variabilidad espacial de la capacidad media de infiltración en función de la pendiente del terreno y de la profundidad máxima de las raíces de la vegetación; el segundo método evalúa el escurrimiento como una función de distribución exponencial, la cual predice la infiltración aparente de un suelo en función de la precipitación y de su capacidad media máxima de infiltración. Una vez solventado el problema de las pérdidas de masa y realizadas las principales mejoras, fue posible modelizar la rehabilitación por inundación de la mina de Meirama considerando todo el dominio hidrológico de la cuenca del río Barcés; para ello, el código se calibró durante un periodo de tres años y medio (2006-2009). Posteriormente, se planteó modelizar la evolución más probable de los flujos subterráneos y superficiales durante un periodo futuro suficiente para alcanzar la cota de vertido al río Barcés (~177 msnm). Finalmente, el análisis de los resultados, durante el periodo de calibración, refleja cómo las decisiones que se tomaron en la gestión del flujo superficial de la cuenca de Meirama definen el régimen de caudales del río Barcés. Posteriormente, los resultados obtenidos durante el periodo de simulación 2009–2016, predicen que el proceso de inundación terminará muy probablemente en septiembre de 2014. Sin embargo, la evolución del llenado estará condicionada por diversos factores como el comportamiento aleatorioestocástico de la precipitación, así como posibles cambios en las estrategias de inundación de la mina de Meirama.

[Abstract] The aim of this research is, firstly, to adapt a numerical code to analyse the processes of surface - groundwater flows in environmental problems, and secondly, to predict the most likely development of the flood rehabilitation of the Meirama lignite mine considering the entire domain of the Barcés River catchment (~90 Km2). La Coruña, Spain The process begins with the adaptation of MELEF numerical code to the requirements of the Barcés river catchment, which include several hydrogeological characteristics as minor streams; the Meirama open pit mine, with depths up to 200 meters in process of flooding; the Cecebre reservoir at its point of discharge; and the complex geology of a pull-apart type sedimentary tertiary valley of the Meirama basin. The adaptation of the numerical code is crucial for the successful implementation in the analysis of groundwater-surfacewater flows, as well as in the analysis of the flooding evolution of an open pit mine. The code MELEF evaluates jointly the groundwater-surfacewater flows by the finite element method in two horizontal dimensions. During the implementation of the code we found that the behavior in surfacewater depths up to 200 meters was not appropriate, in addition, the applicability of MELEF code was compromised and limited when it was managed manually. With regard to this, a series of tasks were established in the Project CICYT (CGL2006-01452/HID) to design and develop a numerical code management system implementing Geographical Information Systems (GIS), as well as to improve the code to extend its application to the flood rehabilitation of the Meirama mine. The GIS also enables the ability to store, represent, manage and take decisions for all the simulated conditions of the numerical code MELEF. Once the management system was developed, it was possible to generate new and more demanding simulated conditions, and consequently to discover new numerical code deficiencies in the mechanisms of groundwater-surfacewater interaction and the conceptual model of evapotranspiration. Therefore, during the development of this research, improvements to the numerical code became a major challenge, because: The surface model needs to be improved to ensure the mass conservation during the flood of the open pit mine. The result was a new formulation based on the linear Muskingum model that keeps the mass conservation, even when dealing with quite deep free surface water. Moreover, the behavior of the evapotranspiration model needs an improvement compared to the daily precipitation intensity, because the model was initially designed for a monthly intensity. The solution includes evapotranspiration curves with a new parameter (soil thickness) associated with the depth of roots, as well as a new curve named transpiration under drought stress. Meanwhile, the numerical code was provided with an overland runoff model. This model considers the spatial variability of the average capacity of infiltration as a function of slope and the maximum depth of the roots of vegetation. Also, the runoff model is evaluated as an exponential distribution function, which evaluates the apparent infiltration of soil in terms of precipitation and average infiltration capacity. Once the problem of mass loss has been solved and the main improvements have been made, it was possible to model the present flooding of the Meirama open pit mine considering the whole hydrology domain of the Barcés River catchment. For this, the code was calibrated for a period of three and a half years (2006-2009). Subsequently, it was able to model the most probable evolution of groundwater-surfacewater flows for a long enough period so as to reach the level of discharge into the Barcés River (~177 m.a.s.l.). Finally, the analysis of the results during the calibration period reflects how the decisions taken in the management of surface flow during the period in the Meirama basin, defines the flow regime of the Barcés River. Subsequently, the application of the code during a future period predicts the flooding process that will most likely finish in september 2014. However, the evolution of the present flooding is influenced by various factors such as random-stochastic behaviour of precipitation and possible changes in the strategies of flooding of the Meirama open pit mine.