Support tools for groundwater management in the proximity of a mine site

Premi Extraordinari de Doctorat, promoció 2016-2017. Àmbit d’Enginyeria CivilThe natural environment in which we live, is subjected, to a greater or lesser extent, to the pressure of human activity, with water being one of the most sensitive elements. For this reason, aware of this situation, from all the forums (Administration, Companies and stakeholders) is imposing the practice new standards unthinkable during the decades of industrial development, aimed at making the environment and industry compatible. A new model of mining seeks to achieve a balance between good environmental practices and efficiency, so that production is linked to environmental respect. The Niebla-Posadas aquifer (NP) constitutes one of the water resources within the Guadalquivir Basin, which supports traditional agriculture in the area and is the source of drinking water for many populations. In recent decades, competition for this resource has increased due to the expansion of irrigated agriculture and in turn affected by the development of mining activity with the opening of the Cobre Las Cruces mine (CLC). The CLC is one of Europe's largest open pit copper mine which has implemented pioneering water management methodologies in the mining industry. One of the highlights of this methodology is the Drainage and Reinjection system (DRS) for groundwater near the mining activity. The DRS allows the drainage of the groundwater before it can appear in the open pit, through a set of wells surrounding it. Moreover, once treated to meet environmental requirements, this water is reinjected into the aquifer through another set of wells surrounding the extraction wells. In addition, groundwater in the vicinity of the CLC presents poor natural quality, so they are unsuitable for direct use without previous treatment. High natural concentrations of some components, initially alerted the public opinion. Nevertheless, today it has been demonstrated that this is not due to mining activity but to natural processes. The general goal of this thesis is to provide a series of tools to improve the methodology of groundwater management in a mining environment. Development of a methodological framework is of great interest and may constitute a support tool for sustainable management and protection of groundwater resources affected by mining activities. All these methodological issues are focused on and applied to the CLC, which has allowed validation of joint use to ascertain and quantify the hydrodynamic aspects of the groundwater at mine sites and definition of the bases for sustainable water resource management in the area.El entorno natural en el que vivimos, se ve sometido, en mayor o menor medida, a la presión de la actividad humana, siendo el agua uno de los elementos más sensibles. Por esta razón, conscientes de esta situación, desde todos los foros (Administración, Empresas y stakeholders) se está imponiendo la práctica nuevos estándares impensables durante las décadas del desarrollo industrial, encaminados a lograr compatibilizar el medio ambiente y la Industrial (en especial, en esta tesis, la actividad minera). Un nuevo modelo de minería pretende lograr un equilibrio entre buenas prácticas ambientales y eficiencia, de forma que la producción está ligada al respeto ambiental. El acuífero Niebla-Posadas (NP) constituye uno de los recursos hídricos, dentro de la cuenca del Guadalquivir, que da apoyo a la agricultura tradicional de la zona y es la fuente de agua potable para varias poblaciones. En las últimas décadas, la competencia por este recurso se ha incrementado debido a la expansión de la agricultura de regadío y afectado a su vez por el desarrollo de la actividad minera con la apertura de la mina Cobre Las Cruces (CLC). CLC es una de las minas de cobre a cielo abierto más moderna e importante de Europa, donde se ha implementado unas metodologías de gestión de aguas pioneras dentro de la industria minera. Uno de los puntos fuertes de esta metodología es el Sistema de Drenaje y Reinyección (SDR) de las aguas subterráneas en el entorno de la actividad minera. El SDR permite drenar las aguas subterráneas antes de que puedan aflorar en la corta minera, mediante una serie de pozos construidos formando un anillo a su alrededor. Asimismo, estas aguas, una vez tratadas para cumplir los requerimientos ambientales exigidos, son reinyectadas al acuífero mediante otro conjunto de pozos que rodean los pozos de extracción. Las aguas subterráneas en las inmediaciones del CLC presentan mala calidad natural, de forma que resultan inapropiadas para su uso directo sin previo tratamiento. Las elevadas concentraciones naturales que algunos componentes presentaban, alertaron inicialmente a la opinión pública. No obstante, hoy ha podido demostrarse que esta no se debe a la actividad minera sino a procesos naturales. El objetivo principal de esta tesis es proporcionar una serie de herramientas que permitan mejorar la metodología de gestión de las aguas subterráneas en un entorno minero. Desarrollar este marco metodológico es de gran interés y puede constituir una herramienta de apoyo para la gestión sostenible y protección de los recursos hídricos subterráneos, en zonas afectadas por actividades mineras. La combinación de todos estos aspectos metodológicos se ha centrado y aplicado al caso CLC, lo que ha permitido: validar su uso conjunto con el fin de conocer y cuantificar los aspectos básicos de la hidrodinámica subterránea en un entorno minero complejo y definir las bases para una gestión sostenible de los recursos hídricos de la zona.L'entorn natural en què vivim, es veu sotmès, en major o menor mesura, a la pressió de l’activitat humana, sent els recursos hídrics un dels elements més sensibles. Per aquesta raó, conscients d’aquesta situació, des de tots els fòrums (administració, empreses i stakeholders) s’està imposant la pràctica de nous estàndards impensables durant les dècades del desenvolupament industrial, encaminats a aconseguir compatibilitzar el medi ambient i la industria. Un nou model de mineria pretén aconseguir un equilibri entre les bones pràctiques ambientals i eficiència, de manera que la producció està lligada al respecte ambiental. L'aqüífer Niebla-Posadas (NP) constitueix un dels recursos hídrics, dins de la conca del Guadalquivir, que dóna suport a l'agricultura tradicional de la zona i és la font d'aigua potable per varies poblacions. En les últimes dècades, la competència per aquest recurs s'ha incrementat a causa de l'expansió de l'agricultura de regadiu i afectat alhora pel desenvolupament de l'activitat minera amb l'obertura de la mina Cobre Las Cruces (CLC). CLC és una de les mines de coure a cel obert més moderna i gran d'Europa que ha implementat unes metodologies de gestió d’aigües pioneres dins de la indústria minera. Un dels punts forts d’aquesta metodologia és el Sistema de Drenatge i Reinjecció (SDR) de les aigües subterrànies a l’entorn de l’activitat minera. El SDR permet drenar les aigües subterrànies abans que puguin aflorar en la “Corta minera”, mitjançant una sèrie de pous al seu voltant. Alhora, aquestes aigües, un cop tractades per acomplir els requeriments ambientals exigits, són reinjectades al aqüífer mitjançant un altre conjunt de pous que envolten els pous d’extracció. A més, les aigües subterrànies a l’entorn de CLC presenten mala qualitat natural, de manera que resulten inapropiades pel seu ús directe sense tractament previ. Les elevades concentracions naturals que alguns components presentaven, van alertar inicialment a la opinió pública. No obstant, avui s’ha pogut demostrar que aquesta no es deu a l’activitat minera sinó a processos naturals. L'objectiu general d'aquesta tesi és proporcionar una sèrie d’eines que permeten millorar la gestió de les aigües subterrànies en un entorn miner. Desenvolupar aquest marc metodològic és de gran interès i pot constituir una eina de suport per a la gestió sostenible i protecció dels recursos hídrics subterranis en zones afectades per activitats mineres. Aquest marc metodològic inclou estudis hidrogeoquímics, isotòpics, estadístics relacionats amb les aigües subterrànies i la interacció aigua-roca, i modelació de flux i transport reactiu. La combinació de tècniques hidrogeoquímiques i isotòpiques, tant estables com radioactius, en les aigües subterrànies han permès: 1) Identificar dues agües amb característiques molt diferenciades: 1) Aqüífer Niebla-Posadas (NP): aigua jove amb baix grau de mineralització i composició bicarbonatada càlcica. Aquesta aigua s'utilitza per a fins agrícoles i de consum, i el seu ús està regulat per l'activitat minera; 2) Massa d’aigua Paleozoic: aigua amb major temps de trànsit, amb alt grau de mineralització i composició clorurada sòdica. Degut a la qualitat que presenten aquestes aigües, no es destinen de forma directa a cap ús d’abastament. A més, s’ha observat una evolució en la hidroquímica de l'aqüífer degut a la mescla entre les dues aigües i de reaccions com ara intercanvi catiònic, dissolució de calcita i oxidació de la matèria orgànica, etc. 2) Conèixer la taxa de renovabilitat dels recursos hídrics subterranis. S'ha estimat el temps de residència de les aigües subterrànies de l'aqüífer utilitzant 3H, 14C i 36Cl. La datació d'aquestes aigües ha permès la zonificació de l'àrea d'estudi en: zona de recàrrega ( 30 ka). 3) Identificar l’origen de certs compostos presents en les aigües subterrànies (amoni, arsènic i bor) i definir el seu origen natural o antropogènic. L'increment de NH4 i B s'interpreta com el resultat de la degradació de la matèria orgànica pel sulfat dissolt en l'aigua de recàrrega. Les altes concentracions d'arsènic en l'aigua subterrània és el resultat de la dissolució reductiva de mineralitzacions d’òxids de ferro (gossan) paleozoics rics en As deguda a l'oxidació de la matèria orgànica dissolta en l’aigua. Per tant, aquestes elevades concentracions s'atribueixen originalment a processos geogènics. Per altra banda l’aigua que s’acumula al fons de la “corta minera” (que ha estat en contacte amb el jaciment) requereix un tractament molt diferent ja que no està autoritzada ni el seu abocament ni reinjecció a l’aqüífer, servint com abastament principal del procés hidrometalúrgic. No obstant, l’Administració obliga a compensar la part de l’aigua que aflora al fons de la “corta” y que procedeix de l’aqüífer NP. L'ús de mètodes estadístics multivariants ha permès calcular, mes a mes, les proporcions de mescla de cadascuna de les aigües que composen l’aigua bombejada des del fons de la “corta minera” (aqüífer NP, Paleozoic o escolament). D'aquesta manera s'ha determinat el volum d'aigua extret de l'aqüífer Cenozoic que ha de ser compensat anualment, d'acord amb les condicions establertes per l’Administració.Award-winningPostprint (published version