El modelamiento geoquímico de transporte y reacción es una herramienta poderosa para la caracterización ambiental de la contaminación sobre un sitio y de la predicción sobre sus impactos ambientales debido a que simula los procesos físicos y químicos que afectan la distribución de las especies químicas en las fases líquida, sólida y gaseosa. Este modelamiento se aplica a una gran diversidad de ambientes sub-superficiales, desde la zona vadosa cerca de la superficie terrestre, hasta mucho más abajo en reservorios geotermales profundos.
El modelamiento geoquímico requiere del manejo de las leyes químicas que dominan las reacciones homogéneas y heterogéneas, su cinemática y el transporte de solutos reactivos. Estas leyes están representadas por ecuaciones diferenciales o algebraicas. Los principales métodos numéricos permiten una solución aproximada a estas ecuaciones y proveen soluciones útiles para modelar diferentes procesos geoquímicos.
Figura 1. Simulación de distintos componentes en un modelo numérico con PHAST.
Necesidad del Modelamiento de Transporte y Reacción
Al analizar un caso es necesario definir las amenazas ambientales relacionadas para analizar cómo el modelamiento geoquímico puede ayudar a resolverlo. Asimismo, se debe tomar en cuenta la cantidad de datos disponibles para el modelamiento. Los datos resultantes del modelamiento se analizarán para comprender la extensión del problema ambiental y las medidas de remediación más adecuadas.
Los modelos geoquímicos son aplicados a una serie de estudios ambientales para analizar problemas relacionados al drenaje ácido de mina, química del lago de tajo, disposición de residuos nucleares y filtraciones de botaderos. Es importante mencionar que la aplicación del modelamiento geoquímico no está restringido a los estudios medioambientales, sino a una serie de estudios en las áreas de hidrología superficial y subterránea, manejo de recursos hídricos, geología minera, recursos geotermales y áreas relacionadas a la exploración y extracción de recursos naturales.
Las instituciones que requieren de modelamiento geoquímico generalmente están relacionadas con la gestión de recursos hídricos, minería, gestión ambiental y extracción de recursos geotermales y petroleros.
PHAST
El programa de computadora PHAST (PHREEQC y HST3D) fue desarrollado por el Servicio Geológico de Estados Unidos (USGS) y simula el transporte de solutos múltiple y reactivo en un régimen de agua subterránea saturado y tridimensional.
PHAST es un simulador versátil de flujo de agua subterránea y transporte de solutos con capacidades de modelamiento de una gran variedad de reacciones geoquímicas en equilibrio y cinéticas. El cálculo de flujo y transporte están basados en una versión modificada de HST3D que trabaja con fluidos de densidad constante a temperatura constante. Las reacciones geoquímicas son simuladas con el modelo geoquímico PHREEQC que está insertado en PHAST.
Las recientes versiones de PHAST (v. 2) permiten que las propiedades del acuífero sean interpoladas de los datos espaciales a la grilla del modelo. El refinamiento de la grilla requiere sólo una redefinición sin modificación de los datos espaciales.
Aplicaciones
El programa de computadora PHAST es aplicable para el estudio de los regímenes de agua subterránea naturales y contaminados en una variedad de escala que van de los ensayos de laboratorio a escalas locales y regionales. Se puede utilizar PHAST en estudios de migración de nutrientes, contaminantes inorgánicos y orgánicos, así como radionúclidos. También, es utilizado en proyectos de almacenamiento y recuperación de acuíferos, en proyectos de remediación controlada, y en proyectos de investigación de las interacciones naturales roca/agua en acuíferos. Las capacidades de PHAST no son apropiadas para el flujo en la zona saturada, en flujo multifase, o para flujos dependientes de la densidad.
Características del Modelo
Existe una variedad de condiciones de borde en PHAST para simular el flujo y transporte, estas condiciones incluyen:
- Condiciones de carga constante.
- Condiciones de flujo específico.
- Condiciones de flujo dependiente de carga hidráulica.
- Condiciones de ríos, drenes y pozo.
Las reacciones químicas en PHAST incluyen:
- Equilibrio homogéneo usando un modelo de asociación iónica.
- Equilibrio homogéneo usando modelos termodinámicos de interacción específica de Pitzer.
- Equilibrio heterogéneo entre soluciones acuosas y minerales, sitios de intercambio iónico, sitios de acomplejamiento superficial, soluciones sólidas y gases.
- Reacciones cinéticas cuyas tasas sean funciones de la composición de una solución.
Para la construcción de modelo acuoso se requiere definir los elementos, las reacciones químicas y las constantes de equilibrio. En el modelamiento de transporte de solutos, también se necesita definir los minerales, intercambiadores, superficies, gases, reactantes cinéticos y tasas de expresión.
Cálculo
El programa PHAST separa las ecuaciones de flujo, transporte y ecuaciones geoquímicas en tres procesos dentro de tres cálculos secuenciales. No se han implementado cálculos de interacción entre transporte y reacción.
Se utiliza un sistema de coordenadas tri-dimensional y técnicas de diferencias finitas para la discretización espacial y temporal de las ecuaciones flujo y transporte. Las ecuaciones de equilibrio químico no lineal son solucionadas por el método de Newton-Raphson y las ecuaciones cinéticas son solucionadas por el método de Runge-Kutta o un método implícito para integrar ecuaciones diferenciales ordinarias.
Datos de Salida
Desde las últimas versiones de PHAST las propiedades hidrológicas y químicas pueden ser definidas con polígonos irregulares dentro de la extensión del modelo. La data espacial puede ser importada desde archivos ESRI Shapefiles, imágenes raster y formatos simple X, Y, Z. Para acomodar la grilla que no está alineada a un sistema de coordenadas es posible definir los elementos en sistemas de coordenadas de la grilla y del mapa en el mismo archivo de ingreso.
El programa de computadora PHAST dispone de una serie de opciones para guardar los resultados de las simulaciones. Los datos pueden ser almacenados en tres formatos:
- Formato para editor de texto.
- Formato para ser exportados a tablas de cálculo y programas de postprocesamiento.
- Formato Jerárquico de Datos (HDF en sus siglas en Inglés) que es un formato binario distribuido.
Los datos de salida pueden ser visualizados y extraídos utilizando los programas Model Viewer y PHASTDHF, o con la interfase MODELMUSE.
Requimientos informáticos
El simulador PHAST puede requerir de grandes cantidades de memoria y tiempo de procesamiento. Para reducir el tiempo de procesamiento existe una versión paralela de PHAST que funciona en computadoras multiprocesadores o en una colección de computadoras en red. Esta versión paralela es efectiva para reducir los tiempos de simulación.
Referencias
Parkhurst, D.L., Kipp, K.L., and Charlton, S.R., 2010, PHAST Version 2—A program for simulating groundwater flow, solute transport, and multicomponent geochemical reactions: U.S. Geological Survey Techniques and Methods 6–A35, 235 p.
