Modelación numérica del transporte de metales pesados y sedimentos finos en cursos fluviales. Caso de estudio: cromo en el río Salado (Santa Fe-Argentina)

Abstract

Se desarrolló un modelo numérico para simular el transporte de sedimentos finos y metales pesados (MP) asociados para: escurrimiento fluvial unidimensional en ramas; fuentes puntuales de MP; lecho contaminado, difusión de MP desde y hacia la columna de agua. La hipótesis principal fue el equilibrio instantáneo, esto es los procesos de transporte fueron relativamente lentos comparados con las cinéticas de sorción, luego los coeficientes de partición sedimento/agua (Kp) se defininieron como el cociente entre las tasas de adsorción y desorción. Los Kp, el espesor de la capa activa del lecho y el coeficiente de transferencia de masa del MP soluble, entre el lecho y la columna de agua, fueron los parámetros más importantes. Los Kp en columna de agua y en lecho se obtuvieron con muestras de campo y en laboratorio. Se empleó el esquema numérico en diferencias finitas Quickest, de tercer orden espacial y temporal. Los resultados del modelo para concentraciones de sedimentos suspendidos, de MP en agua y en lecho se contrastaron con los de soluciones analíticas. El modelo se implementó y calibró con información de campo obtenida en el tramo inferior del río Salado (Santa Fe, Argentina) para sendos eventos (nov 1999 y nov 2008). Las representaciones numéricas, tanto para el caso simplificado como para los escenarios reales se consideran aceptables. Se realizó el análisis de sensibilidad de los principales parámetros. Se logró una herramienta útil para comprender, pronosticar y/o mitigar la problemática originada por la presencia de cromo en recursos hídricos de la región.

A numerical model for simulate the transport of fine sediments and associated heavy metals (HM) was developed for: one-dimensional river runoff in branches, point sources of HM, bed contaminated with HM, and HM diffussion between the pore-water and the water-column. The main assumption was instantaneous equilibrium, therefore the transport processes were relatively slow compared to the sorption kinetics. Then, the partition coefficients sediment/water (Kp) can be defined as the ratio between the adsorption and desorption rates. The latter Kp, the thickness of the bed active layer and the mass transfer coefficient between the HM soluble phases of the bed and the water-column were the most important parameters. The Kp in the water-column and in the bed were obtained from field samples and laboratory determinations. A “Quickest” scheme (in finite differences), third spatial and temporal order, was used in the numerical model. The results of the model for concentrations of suspended sediment, concentrations of HM in the water and in the bed were contrasted with analytical solutions. The model was implemented and calibrated with field data obtained in a reach of the lower Salado River (Santa Fe, Argentina) for two events (Nov 1999 and Nov 2008). Sensitivity analyses of the main parameters were performed. The numerical representations obtained, both for simplified case and the actual scenarios, are considered acceptable. These numerical representations constitute a useful tool that can be used to help understand, predict and/or mitigate, the problems caused by the presence of chromium in the water resources of the region.