En sistemas acuáticos como los lagos, la evolución de los contaminantes está determinada por:
• las características de las fuentes de contaminación externas, según su tipo y clase. • el transporte de las sustancias por medio de los diferentes elementos del ciclo
hidrológico, en tierra, aire y agua.
• las transformaciones químicas, biológicas y bioquímicas de las sustancias no conservativas.
El cambio en la concentración C de una sustancia en función del tiempo puede establecerse a partir de la ecuación de continuidad como:
∑
∑
∇
−∇∇ ± ± ± = ∂ ∂ ) , , , ( ) ( ) ( 2C C C C S x y z t D t C ϕ ϕSiendo D el coeficiente difusivo dispersivo, φ el término fuente de sumidero y S el término químico.
Cuando la sustancia contaminante viaja por efecto del flujo de agua, existe un transporte por advección. Cuando el movimiento de la sustancia se produce por efecto de la difusión molecular (debida al movimiento browniano) y turbulenta (por la fluctuación de las velocidades respecto a sus valores promedio) dentro del fluido, se habla de un transporte por dispersión, que puede ser representado por la Ley de Fick, que establece que el transporte de masa se produce en la dirección del gradiente de concentración y es proporcional al mismo.
Las reacciones internas de transformación son todos los procesos físicos y bioquímicos que cambian la concentración de una sustancia, aumentándola o disminuyéndola, según requerimientos particulares del medio.
En lagos y embalses los procesos de transporte de constituyentes disueltos y partículas en el agua están relacionados con el movimiento del agua y las corrientes que son inducidas por una o más de las siguientes fuerzas y fenómenos:
– circulación causada por corrientes de entrada o salida del cuerpo de agua. – corrientes superficiales inducidas por los vientos, incluyendo el oleaje y el
movimiento oscilante y turbulento causado por las seiches.
– corrientes de densidad, producidas en el interior de lagos profundos estratificados térmicamente.
El transporte de contaminantes en lagos puede ser estudiado con la descripción del movimiento del fluido causado por los efectos anteriores. La ecuación de conservación del momentum expresa la aceleración del fluido en el espacio tridimensional y es de la forma:
F F V V V V bi si i j i i e x P V t ∂ −Ω =∇ ∇ + − ∂ + ∇ ∇ + ∂ ∂ ) ( 1 ρ
Donde Vi es la velocidad del fluido, P la presión, ρ la densidad y Fsi y Fbi son los flujos de salida y entrada respectivamente.
La ecuación de continuidad correspondiente para fluido incompresible es, a su vez: 0
= ∇V
El proceso de transporte puede describirse por medio de la ecuación de conservación de la masa:
F
F
V
i si bi e C V t C + ∇ =∇ ∇ + − ∂ ∂ ) (Donde C es la concentración, Vi es la velocidad del fluido y Fsi y Fbi son los flujos de salida y entrada respectivamente.
En la práctica, la selección del modelo de transporte y circulación del lago depende del tipo de problema a ser resuelto y de las características físicas, químicas y biológicas del
cuerpo de agua. El rango de modelos posibles se puede clasificar según Jolánkai (1992), de acuerdo con su representación espacial, en simplificados y de circulación, tal como se detalla en la Tabla 11.
Tipo de Modelos Dimensión
Espacial Descripción
Simplificados 0-D Reactor de mezcla, caja múltiple 1-D Vertical, longitudinal
De circulación 2-D Vertical, plano, horizontal (una capa) 3-D Multicapa en tres dimensiones, tipo Ekman
En los modelos de reactor de mezcla completa, el problema del transporte de contaminantes se trata con aproximaciones del tipo cajas múltiples, en las que se considera la interconexión de dos o más zonas o subcuencas dentro del lago y el transporte se entiende según las entradas y salidas de una de las subcuencas hacia otra. Entre los modelos unidimensionales, son comunes aquéllos que consideran el lago horizontalmente homogéneo y solo tienen en cuenta las variaciones en la vertical. Estos modelos trabajan el transporte a través de la termoclina entre el epilimnion y el hipolimnion. Un ejemplo reciente que describe las variaciones verticales en el movimiento del agua, en la temperatura y en la energía interna del lago es el modelo propuesto por Owens y Harleman (1991). Tassin y Vinçon-Leite (1998) presentaron un modelo similar de transporte de fósforo y cambios de temperatura en la vertical, utilizado en combinación con un modelo de crecimiento del fitoplancton, aplicado al lago Bourget (Savoir, Francia).
Los modelos longitudinales en una dimensión son menos comunes y se utilizan en lagos elongados y poco profundos. Un ejemplo de la necesidad de los modelos longitudinales de una dimensión en lagos es el caso de la formación de un represamiento en un río con corrientes inducidas de flujo secundario.
Cuando las corrientes dominantes causadas por el viento o por diferencias de temperatura o densidad toman la forma de una circulación en un plano vertical, como en el caso de lagos estratificados térmicamente, se utilizan modelos bidimensionales para describir los
procesos de transporte de lagos y embalses estrechos y profundos. Un ejemplo de simulación de este tipo de patrones de flujo, incluyendo variaciones en la temperatura y la salinidad, fue presentado por Sauvaget y Belleudy (1991). Sin embargo, el modelo más difundido en la práctica es el de una sola capa horizontal bidimensional, utilizado para simular las corrientes inducidas por el viento sobre lagos con amplias superficies.
Los modelos hidrodinámicos tridimensionales de lagos se aplican al tratamiento de problemas especiales de flujo localizado. Los modelos multicapa extienden la metodología de una sola capa para modelar cuerpos de agua estratificados. Las ecuaciones se aplican secuencialmente de una capa a otra permitiendo, así mismo, la variación de las propiedades del fluido entre capas.
En la aproximación tipo Ekman las ecuaciones de momento horizontal se linealizan para omitir los términos convectivos, y la fricción del fondo se describe también con ecuaciones lineales. Estas simplificaciones permiten determinar analíticamente la distribución vertical de la componente horizontal de la velocidad. Por lo tanto, la aproximación de Ekman permite simular sólo la variación vertical de las corrientes horizontales. Debido a su simplicidad, el modelo ha sido ampliamente usado con propósitos prácticos.
Con excepción de algunos modelos simples unidimensionales, las ecuaciones de flujo y transporte en lagos se resuelven numéricamente con aproximaciones de diferencias y elementos finitos para mallas configuradas uniforme o no uniformemente sobre el cuerpo de agua. En la actualidad, las técnicas más avanzadas se basan en mallas no estructuradas y autoadaptables que se hacen más finas en los sitios de mayor concentración de contaminantes, mientras que se hacen menos densas en otros puntos, reduciendo así los tiempos de cálculo.
5.
REFLEXIONES
En este capítulo se han revisado las técnicas actuales de modelación de ambientes lacustres que permiten, desde un enfoque sistémico, describir apropiadamente estos complejos sistemas de interrelación y predecir su comportamiento futuro. Se pone en evidencia así, la existencia de herramientas que se deben de utilizar en la planificación del proyecto minero para la definición del hueco final de explotación que garantice un funcionamiento ecológico adecuado de la futura masa de agua.
La obtención de información precisa de la cuenca con anterioridad a la actividad extractiva y la prognosis de las características físicas, químicas y biológicas que cabe esperar del futuro lago, determinada mediante modelos hidrológicos, hidroquímicos, de transporte y circulación y de transformación de nutrientes se consideran imprescindibles para demostrar la sostenibilidad medioambiental a largo plazo de esta alternativa de restauración.
El paso preliminar para valorar la viabilidad de la creación de un lago minero como alternativa de restauración pasa por la determinación de las fuentes de agua disponibles para el llenado. Esta determinación se realiza empleando modelos hidrológicos en base al balance hidrológico sobre datos conocidos de la zona referidos a un amplio periodo de tiempo. Dicho modelo permitirá conocer los flujos de entrada al lago. Los flujos de salida del lago (evaporación e infiltración) se pueden estimar mediante métodos hidrometeorológios, como el método Penman (evaporación a partir de la superficie libre del futuro lago), en combinación con modelos hidrogeológicos (infiltración) que, a su vez, empleando las salidas del modelo hidrológico y datos de campo, permitirán conocer el impacto hidrogeológico del lago, el tiempo de llenado y la calidad de las aguas, aspectos fundamentales a tener en cuenta en el diseño del hueco final minero.
Los aspectos ecológicos de la futura masa de agua se predeterminarán empleando modelos de transporte y circulación y de transformación de nutrientes en base al conocimiento de los diferentes aspectos descritos en el capítulo anterior.
LAGOS FINALES MINEROS
Los denominados lagos mineros se forman en los huecos originados por la excavación en las minas a cielo abierto cuando finalizan las operaciones de extracción del mineral y cesa el bombeo. A partir de ese momento, los sistemas de agua subterránea tienden a recuperar su nivel de base natural y esta elevación del nivel piezométrico provoca que las aguas, hasta entonces bombeadas, inunden el hueco producido como consecuencia de las labores mineras.
Además del agua subterránea, contribuyen también a la inundación de los huecos mineros las aguas de escorrentía de las cuencas adyacentes y las aguas de la precipitación directa sobre la superficie del lago.
Durante el proceso de formación de estos lagos, a medida que el nivel de agua tiende a recuperarse, se va poniendo en contacto con las rocas que constituyen los taludes. Hasta ese momento, estas rocas se encontraban expuestas a las condiciones ambientales (condiciones oxidantes) sufriendo sus minerales constituyentes (fundamentalmente los sulfuros) meteorización y procesos de alteración por ser inestables en esas condiciones. El contacto agua-roca, dependiendo de la geología, puede provocar todo un conjunto de reacciones químicas que tienden a aumentar la acidez y las concentraciones de elementos
disueltos, en rocas ígneas. En otros casos, con rocas carbonatadas se tendería a aumentar la basicidad, como en el caso del lago minero de Reocín.
Los lagos mineros, una vez formados, se convierten en complicados sistemas que interaccionan con el entorno (Bros, 2006). Muchas de sus propiedades físicas y químicas y muchos procesos y reacciones que suceden en su interior, como por ejemplo, la estratificación por temperatura y salinidad, son similares a los de los lagos naturales. Pero esa serie de procesos y reacciones, que se van a seguir produciendo una vez formados debido a diversos factores relacionados con la mineralogía, hidrogeología y la limnología de la corta, pueden afectar a la evolución de la calidad química, aspecto fundamental desde el punto de vista ambiental. Cada lago presentará unas determinadas condiciones, así como sus propios y numerosos procesos que hacen que evolucionen unos respecto a otros de maneras muy dispares.
En los apartados que se ofrecen a continuación se describen las características y problemática de los lagos mineros en relación a los lagos naturales, se presenta una síntesis del estado del arte de los aspectos hidrodinámicos y biogeoquímicos de los mismos, se exponen los posibles usos y destinos que se puede dar a la solución ambiental que ofrecen y se detallan las medidas técnicas y tecnologías disponibles en el estado actual del conocimiento para gestionar y controlar los problemas ambientales que puedan suponer. Se pretende poner de manifiesto la necesidad de determinar las medidas adecuadas a aplicar desde una fase temprana de la planificación en la formación de los lagos mineros, para evitar que se conviertan en posibles focos de contaminación de las áreas subyacentes y se aproveche todo su potencial como reservorio de agua dulce y ecosistema saludable.