CUARTA ACTUALIZACIÓN DEL MODELO HIDROGEOLÓGICO DEL SALAR DE ATACAMA Abril de 2017 Responsables del Proyecto: Enric Vázquez Suñé Doctor en Ciencias Geológicas y Máster en Hidrología Subterránea (UPC, Barcelona, España) Carlos Ayora Doctor en Ciencias Geológicas (U. Barcelona, Barcelona, España) Equipo redactor (orden alfabético): Isabel Ansón Master Geología (U. Zaragoza) y Master en Hidrogeología (UPC), Hidroquímica Alejandro García Gil Doctor en Geología (U. Zaragoza) y Master en Hidrogeología (UPC), modelador Miguel Angel Marazuela Master Geología (U. Zaragoza) y Master en Hidrogeología (UPC), modelador Teresa Palma Master Geología (U. Barcelona) y Master en Gestión Ambiental de recursos minerales (U. Huelva) CUARTA ACTUALIZACIÓN DEL MODELO HIDROGEOLÓGICO DEL SALAR DE ATACAMA ÍNDICE GENERAL I. RESUMEN............................................................................................................. 2 II. INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 3 III. OBJETIVOS....................................................................................................... 5 III.1 IV. OBJETIVO GENERAL .....................................................................................................5 MATERIALES Y MÉTODOS .............................................................................. 5 IV.1 DESCRIPCIÓN DEL ÁREA DE ESTUDIO .............................................................................6 IV.2 PARÁMETROS ..............................................................................................................8 IV.3 METODOLOGÍA.............................................................................................................8 IV.3.1 IV.3.2 IV.3.3 IV.3.4 IV.3.5 V. Actividad 1: Actividad 2: Actividad 3: Actividad 4: Actividad 5: Recopilación y análisis de información existente .............................9 Elaboración del Modelo Conceptual ................................................9 Construcción de modelo numérico...................................................9 Calibración y validación del modelo............................................... 10 Simulación escenario futuro .......................................................... 11 RESULTADOS ................................................................................................ 11 V.1 MODELO CONCEPTUAL ............................................................................................... 11 V.2 CONSTRUCCIÓN MODELO NUMÉRICO ........................................................................... 14 V.3 CALIBRACIÓN Y VALIDACIÓN DEL MODELO .................................................................... 15 V.4 SIMULACIÓN .............................................................................................................. 19 VI. DISCUSIONES ................................................................................................ 21 VII. CONCLUSIONES ............................................................................................ 23 VIII. REFERENCIAS................................................................................................ 25 IX. ANEXOS .......................................................................................................... 34 i CUARTA ACTUALIZACIÓN DEL MODELO HIDROGEOLÓGICO DEL SALAR DE ATACAMA ÍNDICE FIGURAS Figura 1 Área de estudio del Proyecto .......................................................................................7 Figura 2. Balance hidrogeológico promedio en régimen estacionario para la Cuenca del Salar de Atacama (Fuente: Elaboración propia)........................................................ 12 Figura 3. Esquema de funcionamiento del modelo conceptual de balance hidrogeológico pre-explotación (Fuente: Elaboración propia)............................................................ 13 Figura 4. Zonificación de la conductividad hidráulica para la unidad acuífera superior (UA). (Fuente: Elaboración propia). ................................................................................... 15 Figura 5. Nivel simulado/nivel observado (promedio por pozo). Letra A: período de calibración. Letra B período de validación................................................................. 17 Figura 6. Ejemplo de ajuste piezométrico y evolución futura calculada en el escenario considerado para el pozo 2036 ubicado en la zona productiva MOP. Las líneas verdes indican, de izquierda a derecha, el inicio del transitorio operacional, el inicio de la validación y el inicio de la simulación (CAL: datos calculados por el modelo, MED: datos medidos). .............................................................................................. 18 Figura 7. Descensos estimados al término del período de simulación. (Fuente: Elaboración propia) ..................................................................................................................... 20 ÍNDICE TABLAS Tabla 1 Antecedentes relevantes del reporte .............................................................................4 Tabla 2. Equipo de trabajo responsable ....................................................................................4 Tabla 3. Bondad de ajuste modelo calibración y validación...................................................... 16 Tabla 4. Comparación balance de masa modelo conceptual y numérico. ................................ 18 i CUARTA ACTUALIZACIÓN DEL MODELO HIDROGEOLÓGICO DEL SALAR DE ATACAMA I. RESUMEN Es materia del presente informe exponer los resultados de la Cuarta Actualización del Modelo de Flujo de Agua Subterránea del “Proyecto Cambios y Mejoras de la Operación Minera en el Salar de Atacama”, contemplado en el Plan de Seguimiento Ambiental Hidrogeológico (PSAH) del Salar de Atacama, establecido en el numeral 10.2.1 de la Resolución Exenta N° 226 de la Comisión Regional del Medio Ambiente1 II Región (RCA N°226/2006), que aprueba ambientalmente el proyecto. - En base a los registros del Plan de Seguimiento Ambiental Hidrogeológico (PSAH) y de otras fuentes de información disponible, se ha actualizado el modelo hidrogeológico del acuífero del Salar de Atacama. - Se integró toda la información disponible en un modelo conceptual hidrogeológico en régimen estacionario correspondiente al estado pre-operacional. - El modelo numérico que se reporta a través del presente Informe, fue construido en plataforma FEFLOW versión v.7,0, que utiliza el método de elementos finitos para resolver las ecuaciones de flujo que describen el comportamiento hidrogeológico del sistema. Se trata de un modelo numérico de flujo en medio saturado, que permite representar el comportamiento del sistema tanto en régimen estacionario como en transitorio. - El modelo es de escala regional (3300 Km2) y queda limitado hacia el este y NE por los materiales coluviales de la falda de la Cordillera de los Andes, hacia el sur por el Cordón de Lila, hacia el oeste por la Cordillera de la Sal y hacia el norte por un segmento diagonal en dirección SSE-NNW, entre Toconao y el sur de San Pedro de Atacama. No obstante la escala regional del modelo, los resultados de la calibración son satisfactorios en todos los aspectos considerados; ajustes de niveles en período de calibración y validación, coherencia paramétrica dentro de los rangos previstos y coherencia con el modelo conceptual y balance previo (diferencias del orden del 1 Actualmente corresponde al Servicio de Evaluación Ambiental (SEA) 2 CUARTA ACTUALIZACIÓN DEL MODELO HIDROGEOLÓGICO DEL SALAR DE ATACAMA 11%). El modelo reproduce de buena manera las tendencias generales del conjunto del sistema hidrogeológico del Salar de Atacama y por tanto constituye una herramienta eficaz para la gestión hídrica del Salar. - La simulación de escenario futuro prevé un descenso de los niveles de salmueras de algunos metros, concentrándose principalmente en el entorno inmediato de las zonas productivas en la zona del núcleo del Salar, y de sólo unos centímetros o inapreciable en las zonas marginales, de acuerdo a lo esperado. II. INTRODUCCIÓN Es materia del presente informe exponer los resultados de la Cuarta Actualización del modelo de flujo de agua subterránea del Proyecto “Cambios y Mejoras de la Operación Minera en el Salar de Atacama”, contemplado en el Plan de Seguimiento Ambiental Hidrogeológico (PSAH) del Salar de Atacama, establecido en el considerando 10.2.1 de la Resolución Exenta N° 226 de la Comisión Regional del Medio Ambiente II Región. Cabe indicar que este documento corresponde al informe final del trabajo realizado, cuyo desarrollo se ajusta a lo establecido, tanto en la RCA N° 226/2006, así como en los Oficios Ordinarios N°1748-2016 y N°857-2017 de la Superintendencia de Medio Ambiente (SMA), donde se definió una pauta de trabajo que incluye informes de avances y un informe final que consolida el trabajo en desarrollo. Tanto el desarrollo de la actualización del modelo, como el informe técnico que lo respalda (Anexo 1), se basa en la “Guía del Servicio de Evaluación Ambiental para el Uso de Modelos de Aguas Subterráneas en el SEIA” (Servicio de Evaluación Ambiental, 2012). El presente documento ha sido elaborado en consideración a la Resolución Exenta N°223/2015 de la SMA, que “Dicta instrucciones generales sobre la elaboración del plan de seguimiento de variables ambientales, los informes de seguimiento ambiental y la remisión de información al sistema electrónico de seguimiento ambiental.” En la tabla N°1 se presentan los antecedentes relevantes para la realización y comprensión del informe aquí abordado. 3 CUARTA ACTUALIZACIÓN DEL MODELO HIDROGEOLÓGICO DEL SALAR DE ATACAMA Tabla 1 Antecedentes relevantes Ítem Descripción Directo Agua / Aguas Subterráneas Componente Aguas superficiales, Flora y Vegetación. El modelo numérico /sub no tiene por objeto evaluar en forma directa estas componente Indirecto componentes del medio ambiente, sin embargo proporciona ambiental información que puede ser utilizada para caracterizar su considerado comportamiento. Variable ambiental Directa Periodo considerado Cantidad de aguas subterráneas (mediante predicción de niveles acuíferos y flujos subterráneos) Dadas las características del reporte, asociado a la actualización de un modelo de simulación, se pueden indicar diferentes períodos: · Enero de 2013 a diciembre de 2015. La actualización del modelo incorpora la información de seguimiento ambiental levantada en marco del PSAH, es decir aquella información generada a contar de la última versión disponible del modelo. · Enero de 1986 a agosto de 2031. El modelo abarca una ventana temporal de 45 años, considerando distintos períodos (calibración, validación y simulación) Fuente: Elaboración propia Las actividades han sido desarrolladas por un equipo de trabajo conformado fundamentalmente por hidrogeólogos y modeladores del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) del Gobierno de España, con el apoyo de profesionales de la Gerencia de Hidrogeología Salar de SQM Salar S.A. El detalle de los profesionales involucrados en el desarrollo de esta labor se muestra en la Tabla 2. Tabla 2. Equipo de trabajo responsable Responsable Institución Actividad realizada Enric Vázquez Suñé CSIC Dirección de proyecto Hidrogeología Carlos Ayora Ibáñez CSIC Dirección de proyecto. Hidrogeoquímica Isabel Ansón Osenade CSIC Hidrogeología, hidroquímica Alejandro García Gil CSIC (IGME) Modelación Miguel Angel Marazuela CSIC Piezometría y modelación Teresa Palma López CSIC Gestión de datos e información, Hidrogeología 4 CUARTA ACTUALIZACIÓN DEL MODELO HIDROGEOLÓGICO DEL SALAR DE ATACAMA Fuente: Elaboración propia III. OBJETIVOS III.1 Objetivo general El presente trabajo tiene como objetivo principal dar cumplimiento al compromiso establecido en el considerando 10.2.1 de la RCA N° 226/2006, que se refiere a la actualización del modelo de flujo de aguas subterránea del Proyecto “Cambios y Mejoras de la Operación Minera en el Salar de Atacama”, para lo cual se han establecido como objetivos específicos: (1) describir el modelo conceptual de funcionamiento hidrogeológico de la cuenca del Salar de Atacama. Dicho modelo ha de servir como base para la elaboración de un modelo numérico de flujo subterráneo, y (2) generar un modelo numérico hidrogeológico 3D regional actualizado que permita integrar la información disponible y establecer un marco cuantitativo de los efectos previstos por la operación que desarrolla y mantiene SQM Salar S.A. al amparo de los compromisos ambientales que se encuentran establecidos a través de la RCA N° 226/2006. IV. MATERIALES Y MÉTODOS Para cumplir con los objetivos generales, se actualizó el modelo de funcionamiento hidrogeológico integrando la nueva información geológica /estructural; evaluación de la recarga / evaporación; hidroquímica /isotópica; y, finalmente cuantificó el balance hidrogeológico, para poder explicar con mayor precisión el comportamiento y la dinámica observada en los puntos de monitoreo del Salar (salmuera y agua). Se debe indicar que la actualización del modelo hidrogeológico no se enmarca dentro de un seguimiento ambiental, más bien, utiliza los datos provenientes de los informes de monitoreo del seguimiento ambiental, para construir y actualizar una herramienta numérica, que permite simular el comportamiento de las aguas subterráneas y de los sistemas soportados por estas. En concordancia con lo anterior, la actualización del modelo hidrogeológico, no contempla actividades de muestreo o de recolección de datos, ni el uso de materiales específicos, puesto que éstos son abordados en los informes de monitoreo semestrales, comprometidos y reportados a la autoridad en el marco del Seguimiento 5 CUARTA ACTUALIZACIÓN DEL MODELO HIDROGEOLÓGICO DEL SALAR DE ATACAMA Ambiental Hidrogeológico que se realiza en el Salar de Atacama, según Resolución de Calificación Ambiental (RCA) Nº226/2006. IV.1 Descripción del Área de Estudio De acuerdo a las características del Proyecto, el área de estudio representada por el modelo numérico actualizado, corresponde a la cuenca de Salar de Atacama, en particular el núcleo del Salar de Atacama y las subcuencas que convergen hacia este. El Salar de Atacama se ubica en la cuenca endorreica del Salar de Atacama, en la región de Antofagasta, 55 km al sur de San Pedro de Atacama y 316 km al noreste de Antofagasta (capital regional). El Salar se encuentra a una altura aproximada de 2.300 msnm, posee 100 km de largo y 80 km de ancho aproximadamente, abarcando un área cercana a los 3.100 km2 (Figura 1). El núcleo del Salar, donde se ubican las faenas extractivas de salmuera, posee una superficie aproximada de 1.100 km2. El núcleo está rodeado por una zona marginal de limos salinos de unos 2.000 km2 de extensión aproximadamente, donde cabe destacar la presencia de acuíferos de agua salobre y sistemas lagunares que albergan flora y fauna silvestre (Reserva Nacional Los Flamencos). En este contexto, la ubicación del dominio contemplado en la actualización del modelo es concordante con la zona de estudio, es decir abarca el núcleo del Salar de Atacama y las subcuencas que convergen hacia este (Figura 1). Cabe señalar que el dominio del modelo corresponderá a la superficie sobre la cual se podrá simular y predecir el comportamiento del componente y variable ambiental que se busca representar, es decir las aguas subterráneas en base a su cantidad. 6 CUARTA ACTUALIZACIÓN DEL MODELO HIDROGEOLÓGICO DEL SALAR DE ATACAMA Figura 1 Área de estudio del Proyecto (P1, P2, P3 y P4 representan los puntos del encuadre geográfico del dominio del modelo) Fuente: Elaboración propia 7 CUARTA ACTUALIZACIÓN DEL MODELO HIDROGEOLÓGICO DEL SALAR DE ATACAMA IV.2 Parámetros Los parámetros representativos de la variable ambiental que pueden ser directamente evaluados mediante la implementación del modelo hidrogeológico corresponden al caudal de escurrimiento subterráneo y a los niveles del acuífero. Por su parte, el modelo numérico corresponde a un modelo de flujo en 3D de los acuíferos del Salar con el fin de incorporar en esta herramienta la información recopilada mediante el PSAH, esto es, las series actualizadas del nivel de los acuíferos, de las variables meteorológicas (precipitación y evaporación) y de los bombeos de salmuera y de agua dulce, de modo que se pueda comparar los valores predichos con los observados. Esto se complementó con información adicional recopilada y analizada en la conceptualización del sistema objeto de estudio, entre la que se encuentra: § Información geológica: formaciones geológicas, estratigrafía y estructuras (fallas u otros elementos singulares). § Información Geofísica: resistividad del suelo. § Información hidrogeológica: datos de parámetros a partir de ensayos hidráulicos que permiten determinar la distribución espacial de parámetros hidráulicos (conductividad hidráulica (K) y porosidad) § Información cantidad aguas subterráneas: bombeos, reinyecciones y niveles. § Información hidroquímica: características químicas e isotópicas de las aguas subterráneas y superficiales. § Información satelital: imágenes satelitales. § Información meteorológica: precipitaciones y evaporación desde superficie libre y desde el acuífero, entre otros. IV.3 Metodología Para la consecución de los objetivos comentados se han planteado y desarrollado una serie de trabajos los que pueden diferenciarse clasificarse en 5 actividades principales; 1) Recopilación y análisis de información existente; 2) Elaboración de modelo conceptual de funcionamiento del acuífero; 3) Construcción de modelo numérico actualizado; 4) calibración y validación del modelo; y 5) simulación de escenario futuro. A continuación, se describe brevemente la metodología empleada en cada una de 8 CUARTA ACTUALIZACIÓN DEL MODELO HIDROGEOLÓGICO DEL SALAR DE ATACAMA ellas. Un mayor detalle del procedimiento metodológico empleado para la actualización del modelo numérico se presenta en el Anexo 1. IV.3.1 Actividad 1: Recopilación y análisis de información existente Se dispone de un gran volumen de información relativa al funcionamiento hidrogeológico (cualitativo y cuantitativo) del Salar de Atacama y su entorno. En adición a la nueva información de niveles, extracciones, recarga y meteorología provista por el PSAH, existen numerosos documentos, informes, diversos modelos hidrogeológicos, geología, geofísica, ensayos hidráulicos, datos de precipitación y cálculo de la recarga, informes evaluación de la evaporación, datos de las diversas redes de control ambiental, estudios de previsión de cambio climático, etc., los cuales fueron recopilados, analizados e integrados, de tal forma de contar con una base de información única y disponer de la mejor información para la comprensión del funcionamiento del sistema y la posterior construcción del modelo. IV.3.2 Actividad 2: Elaboración del Modelo Conceptual En base a la información anterior, en especial de los ensayos hidráulicos, la geología y geofísica (estratigrafía y estructura), además de los antecedentes meteorológicos, se contextualiza numérica y gráficamente el comportamiento del acuífero, mediante la definición de unidades hidrogeológicas, estimación de recarga y evaporación, direcciones de flujo, entre otros. IV.3.3 Actividad 3: Construcción de modelo numérico Una vez generado el modelo conceptual del funcionamiento del acuífero, se construyó el modelo numérico, integrando toda la información procesada. Para la modelación numérica del funcionamiento del acuífero se consideró un modelo integrado 3D de flujo del Salar de Atacama mediante el código FEFLOW versión 7. Este código de simulación es una herramienta con gran capacidad de cálculo numérico, que permite la adaptación a geometrías complejas y la incorporación de estructuras geológicas mediante un mallado no estructurado, siendo apropiado para representar la geometría particular del Salar de Atacama. Igualmente, permite un refinamiento de la malla adaptándose a los elementos o zonas de interés (pozos, fallas, lagunas, interfaz salina, entre otros) optimizando el número de elementos en un 9 CUARTA ACTUALIZACIÓN DEL MODELO HIDROGEOLÓGICO DEL SALAR DE ATACAMA modelo regional de grandes dimensiones, pero sin prescindir de la precisión de cálculo en el entorno de dichas zonas. Para la construcción del modelo se desarrollan las siguientes etapas principales: · Definición de dominio de modelación · Definición de grilla espacial (horizontal y vertical) · Definición de escala temporal · Definición y asignación de zonas de conductividad hidráulica y almacenamiento · Definición y asignación de condiciones de borde · Definición y asignación de zonas y series de recarga · Definición y asignación de zonas y series de evaporación · Definición de puntos y asignación de series de extracción y reinyección Una vez ingresados los parámetros y series iniciales, se inicia el proceso de calibración IV.3.4 Actividad 4: Calibración y validación del modelo El proceso de calibración ha consistido en la resolución de un primer caso en estado estacionario, sin considerar extracciones debidas a acciones de carácter antrópico. A través de este primer escenario se ha procedido a realizar una primera calibración de los valores de la conductividad hidráulica para obtener la piezometría correspondiente a un estado natural del sistema y que sirve como condición inicial para el modelo en estado estacionario. Un segundo escenario de modelación lo ha constituido la simulación en régimen transitorio, considerando condiciones naturales sobre la variación (y oscilación) de niveles, como los efectos producidos por la recarga y la evaporación. Ese escenario ha permitido una calibración preliminar de los valores de almacenamiento. Finalmente, se ha procedido a realizar otro escenario en régimen transitorio, en esta ocasión considerando además los bombeos de salmuera y de agua para uso industrial (efecto antrópico). La calibración final se ha realizado sobre el modelo transitorio integrado (pre-operacional y operacional) teniendo en cuenta todos los datos disponibles, excepto los utilizados para la validación del modelo. Finalmente se ha llevado a cabo un proceso de validación de la calibración efectuada, mediante la evaluación del ajuste del modelo utilizando una serie de datos de niveles no utilizados en el proceso de calibración. 10 CUARTA ACTUALIZACIÓN DEL MODELO HIDROGEOLÓGICO DEL SALAR DE ATACAMA IV.3.5 Actividad 5: Simulación escenario futuro Se ha optado por simular un escenario conservador en el que se consideren todas las extracciones de salmuera previstas a futuro por parte las empresas que actualmente operan en el Salar (SQM y RWL). En cuanto a la evolución climática se ha propuesto considerar la repetición de la serie histórica, como mejor y más realista a la opción de generar una serie climática sintética, dado que a su vez existen antecedentes no concluyentes en cuanto al comportamiento tendencial de la precipitación en el Norte de Chile (Conama, 2006; Sproles et al., 2016). V. RESULTADOS Como se mencionó anteriormente, el presente proceso de actualización no conlleva la realización de muestreos, mediciones, análisis o medidas de control que deban ser reportadas para un período determinado. En base a lo anterior, en la presente sección se resumen los resultados obtenidos del proceso de construcción del modelo hidrogeológico, incluyendo la formulación del modelo conceptual además de las actividades de calibración y validación del mismo. Finalmente se presenta el comportamiento esperado del acuífero obtenido de la simulación futura. En el Anexo 1 se detallan los resultados obtenidos a partir de la actualización del modelo numérico de aguas subterráneas implementada. V.1 Modelo conceptual La integración de la información disponible tanto en los antecedentes consultados y en los datos de la red del PSAH han permitido actualizar el modelo conceptual del Salar de Atacama. Esta actualización no implica un cambio en la conceptualización del funcionamiento hidrogeológico del Salar, sino que ajustes en las tasas y valores que definen el balance hidrogeológico de la cuenca del Salar. En la Figura 2 se presenta el balance hídrico en régimen de equilibrio obtenido para la cuenca en base al desarrollo metodológico descrito detalladamente en el Anexo 1 (Sección 3). Se presenta el balance para cada una de las áreas delimitadas como subcuencas aportantes (Cuencas Alto Andinas y Cuencas Occidentales) al área del Salar, que incluye las zonas Aluvial, Marginal y Núcleo. El modelo de cajas muestra que las zonas preferenciales de recarga por precipitación directa se localizan en el 11 CUARTA ACTUALIZACIÓN DEL MODELO HIDROGEOLÓGICO DEL SALAR DE ATACAMA borde nororiental y suroriental de la CSA y son las que transfieren mayor flujo al Salar por vía de recarga lateral. La principal zona de descarga es la Zona Marginal, donde se producen importantes flujos por evaporación, calculándose una salida desde la napa del orden de 14.616 L/s y desde la superficie de agua libre (lagunas) del orden de 382 L/s. Desde la zona del núcleo también se produce evaporación, la que sería del orden de 926 L/s, bastante menor en comparación con la Zona Marginal. En ambas zonas, Núcleo y Marginal, se observa un desbalance entre las entradas y las salidas dado que la recarga directa es menor que la evaporación, por lo que esta diferencia debe ser compensada por aporte de flujo subterráneo, que según los antecedentes de piezometría revisados, proceden principalmente de las subcuencas del borde nororiental. Figura 2. Balance hidrogeológico promedio en régimen estacionario para la Cuenca del Salar de Atacama (Fuente: Elaboración propia) La transferencia de este aporte de flujo subterráneo se explica en la figura esquemática de funcionamiento del modelo hidrogeológico (Figura 3). Las zonas de recarga principales se localizan en el borde norte y NE de la Cuenca del Salar de Atacama. Estas áreas tienen gran extensión en cotas altas del Altiplano Andino (4.5006.000 msnm). El borde E se caracteriza por tener mayor precipitación en comparación con el borde occidental, donde los frentes de lluvia procedentes de la Cuenca 12 CUARTA ACTUALIZACIÓN DEL MODELO HIDROGEOLÓGICO DEL SALAR DE ATACAMA Amazónica llegan debilitados. La interfaz salina (cuña) localizada en la Zona Marginal provoca que, por diferencia de densidad, los flujos subterráneos laterales del NE y este, poco profundos, asciendan y desborden por sobre la zona de interfaz, contribuyendo a la formación de los sistemas lagunares. Esta cuña salina define el límite de la zona de transferencia de flujo subterráneo y sub-superficial desde la zona marginal al núcleo del Salar. El modelo propuesto no descarta la posibilidad que a mayor profundidad existan otro tipo de transferencias, en los que las estructuras geológicas presentes y los gradientes hidráulicos verticales pueden tener una influencia sobre el sistema hidrogeológico. Figura 3. Esquema de funcionamiento del modelo conceptual de balance hidrogeológico preexplotación (Fuente: Elaboración propia) 13 CUARTA ACTUALIZACIÓN DEL MODELO HIDROGEOLÓGICO DEL SALAR DE ATACAMA V.2 Construcción Modelo Numérico En base al modelo conceptual, se construyó un modelo numérico 3D en la plataforma Feeflow versión v.7.0 con el fin de reproducir y cuantificar la hidrodinámica del área de estudio, y en particular, los sectores que cuentan con información del PSAH (zona marginal y aluvial). El modelo es de escala regional (3.300 Km2) y su geometría 3D reproduce las unidades hidrogeológicas descritas en los apartados del modelo conceptual. El modelo queda limitado hacia el E y NE por los materiales coluviales de la falda de la Cordillera de los Andes, hacia el S por el Cordón de Lila, hacia el W por la Cordillera de la Sal y hacia el N por un segmento diagonal en dirección SSE-NNW, entre Toconao y el sur de San Pedro de Atacama. El modelo se estructura en cuatro capas que simulan las unidades hidrogeológicas definidas. Los elementos son de tipo prismático triangular con seis nodos. Finalmente, el dominio ha quedado dividido en más de 250.000 elementos. Se han asignado condiciones de contorno y una zonificación de parámetros coherentes con la zonificación y geometrías mencionadas (50 zonas de conductividad hidráulica y 16 zonas de almacenamiento). En la Figura 4 se muestra un ejemplo de la zonificación de la conductividad hidráulica adoptada para la unidad acuífera superior (UA). Para que el modelo numérico represente adecuadamente la hidrodinámica global del sistema, se ha procedido a corregir todas las aguas y salmueras a una sola densidad de referencia. En este caso, la densidad de referencia ha sido la salmuera del núcleo (1,23 g/cm3). Los resultados de la corrección se han aplicado a cada punto considerado y se ha hecho extensible a todos los datos referentes a ese valor. En total, se han corregido 304 puntos. Una vez hechas todas las correcciones se ha preparado una base de datos piezométricos, con más de 50.000 datos de nivel en un total de 549 puntos de medida. Todos estos datos se han introducido finalmente en el modelo numérico. 14 CUARTA ACTUALIZACIÓN DEL MODELO HIDROGEOLÓGICO DEL SALAR DE ATACAMA Figura 4. Zonificación de la conductividad hidráulica para la unidad acuífera superior (UA). (Fuente: Elaboración propia). V.3 Calibración y Validación del Modelo El primer paso consistió en realizar la calibración en régimen estacionario (Modelo estacionario). De esta forma se han ajustado los valores de los parámetros de conductividad hidráulica, tasa de evaporación y recarga lateral. 15 CUARTA ACTUALIZACIÓN DEL MODELO HIDROGEOLÓGICO DEL SALAR DE ATACAMA Se utilizaron los resultados del modelo en régimen estacionario como niveles iniciales para la simulación del flujo en régimen transitorio. Se procedió a la calibración de los niveles, ajustando de mejor forma los parámetros asignados durante la definición y construcción del modelo. El segundo paso del procedimiento de calibración consistió en calibrar de forma acoplada el periodo 1986 - 1994 (considerado como periodo transitorio natural) y el periodo 1995 – 2005 (considerado como periodo transitorio operacional). El resultado de la calibración de la conductividad hidráulica (K) es el resultado de un proceso iterativo de calibración entre el modelo en estacionario y los transitorios. Finalmente, tal como se expone en el documento SEIA (2012), se ha seguido la recomendación de utilizar un 70% del tiempo del periodo modelado para la calibración y un 30% para la validación del modelo. Se considera que los resultados de los ajustes son satisfactorios para los resultados obtenidos después de añadir todos los puntos y medidas de nivel entre el 01-01-86 y el 31-12-2015. Los parámetros estadísticos para cuantificar la bondad del ajuste del modelo, considerando todos los datos disponibles (01-01-1986 a 31-12-2015), en comparación con el período utilizado para la calibración, se resumen a continuación en la Tabla 3 y se muestran en la Figura 5. Tabla 3. Bondad de ajuste modelo calibración y validación. Parámetro Calibración Validación 117 549 Nº medidas 12.671 54.290 Promedio errores residuales (m) 0,037 0,56 Error medio absoluto MAE (m) 0,54 0,93 Raíz del error cuadrático medio (RMS) 0,61 0,98 Desviación estándar (m) 0,78 1,16 Error medio absoluto normalizado (MAE_N) 0,10% 1,30% Raíz del error cuadrático medio normalizado (RMS_N) 1,57% 2,30% Nº pozos Por su parte, en la Figura 6 se presenta un ejemplo de los resultados de la calibración y validación del modelo, contrastando los niveles observados con los simulados. 16 CUARTA ACTUALIZACIÓN DEL MODELO HIDROGEOLÓGICO DEL SALAR DE ATACAMA A B Figura 5. Nivel simulado/nivel observado (promedio por pozo). Letra A: período de calibración del modelo transitorio integrado. Letra B período de validación. (Fuente: Elaboración propia) 17 CUARTA ACTUALIZACIÓN DEL MODELO HIDROGEOLÓGICO DEL SALAR DE ATACAMA 2036_CAL 2.301 2036_MED 2.299 Inicio transitorio operacional Inicio validación Nivel [msnm] 2.297 Inicio simulación 2.295 2.293 2.291 2.289 2.287 1986 1996 2006 2016 2026 Figura 6. Ejemplo de ajuste piezométrico y evolución futura calculada en el escenario considerado para el pozo 2036 ubicado en la zona productiva MOP. Las líneas verdes indican, de izquierda a derecha, el inicio del transitorio operacional, el inicio de la validación y el inicio de la simulación (CAL: datos calculados por el modelo, MED: datos medidos). (Fuente: Elaboración propia) Como resultado del balance hídrico se observa que en el modelo conceptual (condición natural) las entradas / salidas son mayores que las obtenidos por los resultados del modelo numérico en régimen estacionario. Esto es debido a que se han ajustado los valores de evaporación y de recarga lateral durante el proceso de calibración, y en ambos casos se ha tendido a rebajarlos. La diferencia entre el balance conceptual y el modelado es de un 11% (Tabla 4). Tabla 4. Comparación balance de masa modelo conceptual y numérico. Balance Variación Entradas (L/s) Salidas (L/s) Conceptual 16.247 15.936 311 Modelo estacionario 14.353 14.353 0 1986-1994 14.503 14.885 -382 1986-2015 14692 15.223 -531 almacenamiento (L/s) 18 CUARTA ACTUALIZACIÓN DEL MODELO HIDROGEOLÓGICO DEL SALAR DE ATACAMA V.4 Simulación A través de la simulación a futuro, se realiza una predicción de la evolución de la superficie piezométrica teniendo en cuenta escenarios climáticos similares a los actuales y de explotación coincidentes con las explotaciones de agua y salmuera previstas. Se han tenido en cuenta las previsiones de explotación de salmuera por parte de SQM y RWL hasta el año 2031, fecha establecida actualmente para el final del proyecto actual de SQM, considerando las autorizaciones otorgadas a la fecha. Las simulaciones realizadas con el modelo numérico previamente calibrado consideran los siguientes supuestos: • Previsión de la Explotación de salmueras y agua industrial por parte de SQM desde 01-01-2016 hasta 13-08-2031. • Previsión de la Explotación de salmueras y agua industrial por parte de RWL desde 01-01-2016 hasta 13-08-2031. • Previsión evolución climática a futuro en el período 01-01-2016 a 13-8-2031: repetición de la serie climática desde 01-01-1988 a 01-01-2002. De la simulación a futuro se observa una profundización de los conos de bombeo producidos por las explotaciones de salmuera, respecto a la situación observada el año 2015, especialmente en el sector suroccidental del dominio. Sin embargo, la zona central y especialmente, la zona oriental del núcleo, mantienen unos niveles relativamente estables durante todo el periodo simulado, siendo esperables descensos del orden decimétrico en la zona central, y del orden centimétrico o inapreciables en la zona oriental y marginal (Figura 7). 19 CUARTA ACTUALIZACIÓN DEL MODELO HIDROGEOLÓGICO DEL SALAR DE ATACAMA Figura 7. Descensos estimados al término del período de simulación. (Fuente: Elaboración propia) 20 CUARTA ACTUALIZACIÓN DEL MODELO HIDROGEOLÓGICO DEL SALAR DE ATACAMA VI. DISCUSIONES A continuación, se plantea una evaluación respecto a la capacidad del modelo numérico actualizado para predecir el comportamiento futuro del acuífero y se analizan los resultados obtenidos para la simulación futura. Mayores detalles se presentan en el Anexo 1. El resultado del modelo estacionario muestra una piezometría poco compleja aunque con las características particulares que le atribuye su carácter de sistema hidrogeológico con efectos de densidad variable. En general, se observan gradientes hidráulicos poco acusados, típico de sistemas detríticos no consolidados, de gran extensión. Desde el punto de vista hidráulico, la unidad A (UA) es la que presenta los valores de permeabilidad más elevados, siendo coherente con constituir el acuífero superficial principal. Los valores de evaporación iniciales calibrados muestran coherencia en la zona aluvial y en el núcleo del Salar, así como en las lagunas; la diferencia de estos valores con respecto a lo establecido en el modelo conceptual es prácticamente nula. Donde se observan las mayores diferencias es en la zona marginal, sin embargo, el balance de la evaporación logra justificar el 89% del balance conceptual y, por lo tanto, se puede afirmar que la calibración es coherente con las condiciones de contorno iniciales. En este contexto, la diferencia entre el balance conceptual y el modelado es de un 11%, lo cual se considera un resultado satisfactorio al coincidir los cálculos analíticos previos con los resultados numéricos del modelo, los que reproducen la integración del conocimiento: geología, geometría, recarga, evaporación, parámetros hidráulicos, etc. La calibración de los modelos transitorios natural y operacional ha finalizado con valores de almacenamiento específico (Ss) coherentes con los espesores medios de cada zona, así como con los datos de porosidad tradicionalmente aceptados para la unidad estratigráfica más superficial del Salar de Atacama. Para calibrar este parámetro se ha tenido en cuenta el comportamiento de la UA como acuífero libre, por lo que el valor de Ss representa el valor de Sy equivalente (propio de acuíferos libres). El modelo calibrado se considera correcto toda vez que las variables simuladas se ajustan de buena forma a las observadas, situación que se repite al extender el 21 CUARTA ACTUALIZACIÓN DEL MODELO HIDROGEOLÓGICO DEL SALAR DE ATACAMA análisis a la serie de datos utilizada para el período de validación (Tabla 3). Estos resultados cumplen ampliamente lo indicado en la guía de modelación del SEIA, utilizada como referencia. A la luz de los resultados obtenidos del proceso de validación, se concluye que el ajuste de la piezometría calculada en el modelo ha logrado reproducir de manera adecuada la morfología de la superficie piezométrica. El análisis de los ajustes demuestra que también la evolución temporal ha podido ser bien reproducida en todos los sectores, tal como se presenta en la Figura 6, que muestra un buen nivel de ajuste tanto en el período de calibración, como en el de validación. El análisis de los parámetros estadísticos representativos de la bondad de ajuste del modelo presenta buenos resultados, con indicadores para el error medio absoluto y para la raíz del error cuadrático medio menores a un metro, lo que se considera adecuado de acuerdo a los criterios definidos en la guía para el uso de modelos de aguas subterráneas en el SEIA (SEA, 2012). Como síntesis, la evaluación de los resultados obtenidos permite afirmar que este modelo (en sus diversos periodos representados) reproduce adecuadamente las variaciones en los niveles piezométricos (buen ajuste entre niveles medidos y calculados); muestra una buena coherencia paramétrica (coherencia entre los parámetros conocidos o evaluados previamente con los finalmente calibrados), y coherencia conceptual al reproducir adecuadamente (presentando diferencias del orden del 11%) el balance de masas previamente calculado de forma analítica. Respecto a los descensos proyectados en el escenario de explotación futura, se observa, como se había previsto, una profundización de los conos de bombeo producto de las explotaciones de salmuera, especialmente en el sector suroccidental del dominio (Figura 6 y Figura 7). Sin embargo, la zona central y especialmente, la zona oriental del núcleo, se mantienen unos niveles relativamente estables durante todo el periodo simulado, siendo esperables descensos del orden decimétrico en la zona central, y del orden centimétrico o inapreciables en la zona oriental y marginal, por lo que no se espera la generación de descensos significativos en dichos sistemas. La escasa afectación esperada en la zona marginal producto de las labores de explotación de la salmuera se justifica en gran medida por el efecto amortiguador que ejerce la evaporación en el núcleo. 22 CUARTA ACTUALIZACIÓN DEL MODELO HIDROGEOLÓGICO DEL SALAR DE ATACAMA Es importante constatar, sin embargo, que las predicciones van siempre ligadas a incertidumbres. Por un lado, el modelo conceptual y el proceso de calibración llevan asociados un cierto grado de incertidumbre; por otra parte, es sabido que todo modelo matemático se comporta mucho mejor como herramienta interpoladora que para hacer extrapolaciones. En este contexto algunos de los principales factores de incertidumbre del modelo corresponden a: · Estimación de series históricas de recarga y evaporación desde el acuífero. · Proyección de series de recarga y evaporación hacia el futuro. · Definición de condiciones de borde del modelo. · Zonificación de zonas de conductividad y almacenamiento y valores adoptados en el proceso de calibración. VII. CONCLUSIONES A continuación, se plantean las principales conclusiones obtenidas del proceso de actualización del modelo hidrogeológico del Salar de Atacama, incluyendo aspectos relativos a la calibración y a la simulación futura del comportamiento del acuífero. Se ha realizado la cuarta actualización del modelo de flujo de agua subterránea del “Proyecto Cambios y Mejoras de la Operación Minera en el Salar de Atacama”, contemplado en el Plan de Seguimiento Ambiental (PSA) del Salar de Atacama, establecido en el numeral 10.2.1 de la Resolución Exenta N° 226 de la Comisión Regional del Medio Ambiente II Región (RCA N°226/2006), que aprueba ambientalmente el proyecto. Para esta actualización se ha recopilado y analizado la información generada mediante el PSAH del Proyecto hasta diciembre de 2015 y un gran número de antecedentes adicionales respecto a la hidrogeología, hidrología, hidroquímica y modelación en estudios realizados en el Salar de Atacama por parte de consultores, tesis de postgrados y publicaciones en revistas científicas. Se han tenido también en consideración los registros geofísicos existentes en la cuenca (i.e. sísmica, TEM, etc.). El modelo se ha construido mediante el código de elementos finitos FEFLOW versión v.7,0. Se trata de un modelo numérico de flujo en medio saturado y régimen estacionario y transitorio. Este código de simulación es una herramienta con gran 23 CUARTA ACTUALIZACIÓN DEL MODELO HIDROGEOLÓGICO DEL SALAR DE ATACAMA capacidad de cálculo numérico, que permite la adaptación a geometrías complejas y la incorporación de estructuras geológicas mediante un mallado no estructurado, siendo apropiado para representar la geometría particular del Salar de Atacama. Igualmente, permite un refinamiento de la malla adaptándose a los elementos o zonas de interés optimizando el número de elementos en un modelo regional de grandes dimensiones, pero sin prescindir de la precisión de cálculo en el entorno de dichas zonas. El modelo es de escala regional (3.300 Km2) y su geometría 3D reproduce las unidades hidrogeológicas descritas en los apartados del modelo conceptual. Pese a esta escala regional, los resultados del modelo son satisfactorios en todos los aspectos considerados en la calibración: ajustes de niveles, coherencia paramétrica dentro de los rangos previstos y coherencia con el modelo conceptual y balance previos (diferencias de un 11% en el balance respecto al modelo conceptual), por lo que se considera una buena herramienta para predecir el comportamiento futuro del acuifero. Más aún, se considera que las predicciones realizadas mediante el modelo desarrollado constituyen la mejor herramienta predictiva de la posible evolución de los niveles piezométricos del Salar de Atacama, a nivel regional, con la que se cuenta a la fecha. La simulación de un escenario futuro de extracciones permite evidenciar una profundización de los conos de bombeo producidos por las explotaciones de salmuera, respecto a la situación observada el año 2015, especialmente en el sector suroccidental del dominio. Sin embargo, la zona central, y especialmente, la zona oriental del núcleo, mantienen unos niveles relativamente estables durante todo el periodo simulado, siendo esperables descensos del orden decimétrico en la zona central, y del orden centimétrico o inapreciables en la zona oriental y marginal, por lo que no se espera la generación de descensos significativos en dichos sectores. 24 CUARTA ACTUALIZACIÓN DEL MODELO HIDROGEOLÓGICO DEL SALAR DE ATACAMA VIII. REFERENCIAS Para la elaboración del modelo conceptual y numérico, se utilizaron los siguientes antecedentes: - AC Ingenieros Consultores. (1995). Radio de protección zanja sector Tucúcaro. San Pedro de Atacama, II Región, Chile. - Álvarez, E. (1984). Exploración del Salar de Pedernales (Atacama) mediante imágenes Landsat procesadas por computador. Revista Geológica de Chile, N21, 77-97. - Amilibia, A., Sàbat, F., McClay, K. R., Muñoz, J. A., Roca, E., & Chong, G. (2008). 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