Estudio y Modelización del Vertido Térmico de Hidro-Nitro Española sobre el Río Cinca en Monzón (Huesca, Spain) Study and Modeling of the Thermal Water Spillage of Hidro-Nitro Española on the River Cinca in Monzon (Huesca, Spain)

Granero Castro, J.1; Ferrando Sánchez, M.2; Sánchez Arango, M.3; Doz Ciria, F.4; Valero Casajus, B.5; Torp Larsen, P.6

1,2,3 Área de Medio Ambiente y Sostenibilidad Taxus Medio Ambiente Tel. - fax: 985 24 65 47; E-mail: jgranero@taxusmedioambiente.com

4 Hidro Nitro Española S.A. 5 Novotec

6 DHI Resumen. La necesidad de conocer los impactos ambientales derivados de diferentes actividades industriales ha propiciado el desarrollo de modelos matemáticos que permiten realizar modelizaciones para conocer los efectos sobre el medio ambiente en escenarios hipotéticos. El proyecto desarrollado por el área de medioambiente y sostenibilidad de Taxus Medio Ambiente junto con Novotec Consultores para Hidro-Nitro Española S.A. pretende analizar los efectos previsibles de su vertido térmico al río Cinca en diferentes escenarios, mediante una modelización hidrodinámica tridimensional. La primera etapa del estudio consistió en la selección de la zona de estudio y la recopilación bibliográfica. Posteriormente se procedió a la toma de datos batimétricos y de caudal, así como datos de temperatura a diferentes profundidades para la validación del modelo. Finalmente se procesaron los datos y se realizó la modelización 3-D mediante el software Mike 3 para la obtención de resultados. Palabras clave: Modelización hidrodinámica, vertido térmico, batimetría, botella hidrográfica, temperatura. Abstract. The necessity to foresee the impact that a certain industrial activity might have over the environment, has lead to the development of mathematical computer models. These models allows to test different scenarios and preview and minimize the consequences over the environment. The project developed by the environment and sustainability department at Taxus Medio Ambiente for Hidro-Nitro Española S.A. tries to analyze the predictable effects of its thermal-water spillage into the river Cinca in different conditions, by means of a hydrodynamic three-dimensional modeling. First, the area to study was determined and a collection of relevant literature was compiled. Then, different data sets needed for the validation of the method were obtained: deep, flow, and water temperature at different depths. Finally, all the information was put together and run using the Mike 3 software, resulting in a computerized, 3-D model. Key words: Hydrodynamic modeling, thermal-water spillage, deep, hydrographic bottle, temperature.

Introducción. Con motivo de la solicitud de modificación de la Autorización Ambiental Integrada de la factoría que Hidro Nitro Española S.A. tiene en Monzón, Huesca, la Confederación Hidrográfica del Ebro solicitó cierta documentación adicional que incluía lo siguiente: “Estudio completo sobre la afección térmica del vertido sobre el medio receptor, que deberá incluir una modelización de la pluma térmica en el medio receptor, cálculo del límite de la zona de mezcla, análisis que se estimen convenientes, estudio en situaciones de estiaje real, etc.” Objetivos. El presente proyecto tiene por objetivo cumplir con dicho requerimiento, mediante la toma de muestra de temperaturas en el río Cinca y su posterior modelización hidrodinámica tridimensional para comprobar el efecto térmico que el vertido provoca sobre el río. Material y métodos. Obtención de la batimetría Para la realización del presente estudio se llevó a cabo una campaña de muestreo el día 24 de Junio de 2008 donde se obtuvieron los datos correspondientes a batimetría. Una vez localizado el punto en vertido en el río Cinca, se procedió a analizar la zona para delimitar el tramo idóneo para su estudio. El río Cinca en este tramo presenta ciertas complicaciones para este tipo de estudios derivadas de la presencia de tres grandes brazos a la altura del vertido de Hidro-Nitro Española. Debido a esto, se decidió prestar especial atención al canal izquierdo del río (en sentido aguas abajo) por ser sobre el que se produce el vertido de la compañía. Para la obtención de los datos batimétricos se utilizó un profundímetro HONDEX PS-7 en varios puntos de interés del río así como cinta métrica y fotografía aérea para determinar las anchuras y segmentos adecuados en los que dividir el río. Se seleccionaron un total de 11 puntos en los que se obtuvieron las secciones transversales para posteriormente obtener un modelo digital del terreno mediante interpolaciones.

Gráfico 1. Localización de la zona de estudio, el vertido y las secciones seleccionadas.

Figura 2. Esquema para el cálculo de lavelocidad de la corriente

Figura 1. Esquema para el cálculo de la sección del río

De las 11 secciones obtenidas, un total de 9 (nº2-9) se sitúan en el canal izquierdo del río sobre el que se produce el vertido térmico, ya que a priori parece lo suficientemente extenso como para que se pueda disipar el calor en él. No obstante, se obtuvo otra sección aguas abajo (nº10) una vez que los brazos izquierdo y central se mezclan para verificar este hecho. La sección nº 1 se sitúa aguas arriba de la división que se produce en el río y sirve de referencia para obtener datos de temperatura y de caudal. La sección nº 2 se obtuvo en el lugar concreto en que se forma el brazo izquierdo proporcionando datos sobre el caudal real que se deriva hacia ese brazo. Para la obtención de los datos de caudales, se utilizó un correntímetro Flowatch 1 en las medidas de velocidad de la corriente. En referencia al brazo derecho del río, no se obtuvieron secciones ya que a parte de no resultar de interés para el estudio, la navegación por este tramo resultó imposible debido a la elevada velocidad de la corriente. Cálculo del caudal El caudal es el resultado del producto entre la sección del río (m2) y la velocidad media del agua (m/s). - Cálculo de la sección Inicialmente se colocó una cinta métrica tensada ocupando toda la anchura del cauce. A continuación, se tomaron las medidas de profundidad (Bi) mediante un profundímetro y un metro graduado a intervalos regulares (Ai), la longitud de los cuales fue proporcional a la anchura del tramo. Finalmente se obtuvo la sección del río sumando las subáreas. - Cálculo de la velocidad de la corriente Con el correntímetro se procedió a medir la velocidad en cada uno de los puntos donde se tomaron datos de profundidad (Vi), intentando realizar, como mínimo, una medida. - Cálculo del caudal del río El caudal aproximado se obtuvo multiplicando la sección por la velocidad y por un factor de 0,8, este último para corregir la diferencia de velocidad debida al rozamiento en fondo. Obtención de datos de temperatura En los puntos seleccionados para la obtención de las secciones transversales se procedió a tomar medias de temperatura en superficie y a diferentes profundidades en función de las características concretas de la sección. Para la obtención de datos de temperatura se utilizó un termómetro de precisión PCE DT-610 (Pt 100 = ± 0,1ºC de –100ºC ..+ 200ºC; 0,1 % del valor para el resto) con una sonda tipo K (Termo elementos K, 30 cm de longitud; ± 0,3ºC de 0ºC ... + 200ºC). Debido a la fuerza de la corriente, la toma de muestra de temperatura a diferentes profundidades de realizó mediante extracciones de agua a la profundidad requerida con una botella hidrográfica (niskins) de 5 litros de capacidad e isoterma, que incorporaba un peso de 10 kilos en su extremo inferior para mantener la estabilidad. Una vez sumergida la botella niskins a la profundidad adecuada ésta fue cerrada mediante un testigo lanzado desde la superficie. Una vez en superficie, se abría por uno de sus extremos y se procedía a introducir la sonda tipo K para hacer la lectura de la temperatura.

Para poder realizar los trabajos descritos anteriormente, se utilizó una embarcación neumática marca Zodiac, Modelo QS 310 con dimensiones 3.1m x 1, 52m y matrícula 7ª-GI-4-70-05, propulsada por un motor marca Mercury de 12CVR y 4 tiempos.

Fotografías 1 - 2. Izq – Inmersión de la botella hidrográfica a la profundidad requerida. Dcha – Medida de la temperatura con la sonda tipo K en el interior de la botella.

Modelización hidrodinámica Tras la obtención de datos batimétricos y de temperatura, se procedió a su procesado para la elaboración de un modelo hidrodinámico en dos fases. Establecimiento del modelo matemático del cauce afectado por el vertido. Explotación del modelo para realizar las modelizaciones de la dispersión térmica.

Para ello se utilizó el software MIKE 3 Flow Model FM. Un sistema de modelización basado en el método de volúmenes finitos (Malla Flexible). El modelo calcula la solución numérica de las ecuaciones de Navier-Stockes en 3D para flujos no compresibles, asumiendo condiciones de Boussinesq y presión hidrostática, a través de las ecuaciones de continuidad, momento, temperatura, salinidad y densidad dentro de un esquema de flujo turbulento. La discretización espacial de las ecuaciones se lleva a cabo mediante un método en volúmenes finitos centrado en la celda de cálculo. El plano horizontal se discretiza utilizando celdas no estructuradas, mientras que en la vertical se aplica la aproximación sigma-layer. Los elementos son prismas cuyas caras horizontales son triangulares o cuadrangulares. Los flujos convectivos se tienen en cuenta haciendo uso de la solución aproximada de Riemann, que hace posible el manejo de soluciones discontinuas. La integración en el tiempo se realiza mediante una aproximación semi-implicita donde los términos horizontales se tratan explícitamente, mientras que los verticales se hacen implícitamente. El modelo permite el uso de sistemas de coordenadas cartesianas y esféricas. Para que la modelización matemática fuese lo más precisa posible, se utilizaron los datos obtenidos en la fase de obtención de la batimetría y medición de la temperatura del área de estudio para validar el modelo. Es necesario señalar en este punto, que debido a las variaciones en las condiciones de temperatura ambiental a lo largo de dicha jornada, se produjo un incremento de la temperatura del agua de 2,7 ºC desde las 9:00h en las que se iniciaron los muestreos hasta las 16:21h en que se tomó la última medida de la temperatura. Por ello, se procedió a la corrección de las medidas efectuadas en función de la temperatura del aire según los siguientes factores de corrección, comprobados mediante la repetición de mediciones a lo largo de la jornada en los puntos iniciales:

Tabla 1: Factores de corrección de temperaturas La medida de la temperatura en el propio vertido de Hidro-Nitro Española realizada a las 11:40h, indica que éste se produce a 20,5ºC. - Características del vertido térmico El vertido térmico de Hidro-Nitro Española está perfectamente monitorizado, por lo que resultó muy apropiado para realizar la modelización. Se poseen datos relativos a caudales diarios de vertido y temperatura del mismo en series temporales desde el año 2005. Además, para poder realizar una correcta modelización, se han tenido en cuenta los datos meteorológicos obtenidos en la Agencia Estatal de Meteorología AEMET: temperatura del aire, presión atmosférica, precipitación y humedad. Datos introducidos en el modelo Se han considerado 4 escenarios diferentes. Escenario 1. Reproduce las condiciones del día en que se realizaron las mediciones de

temperatura para poder validar el modelo con los datos reales. Escenario 2. Simula una hipotética situación en unas condiciones de caudal iguales al

escenario 1, pero en este caso suponiendo un vertido térmico por parte de Hidro-Nitro Española de unos 8.000.000 m3/anuales.

Escenario 3. Representa el vertido actual de Hidro-Nitro Española bajo las condiciones más desfavorables de estiaje que se producen históricamente durante los meses de agosto.

Escenario 4. Simula un escenario similar al nº3, pero suponiendo nuevamente un vertido térmico por parte de Hidro-Nitro Española de unos 8.000.000 m3/anuales.

Escenarios Parámetros del

Cinca a su paso por la Sección 1

Parámetros del Cinca a su paso por la Sección 2

(entrada al brazo izquierdo)

El vertido

Q (m3/s) T (ºC) Q (m3/s) T (ºC) Q T (ºC) 1 141 14.1 3 14.1 11.062 (m3/día)* 20.5 2 141 14.1 3 14.1 8.000.000 (m3/año) 20.5 3 30 20 0.65 20 1.395 (m3/día)** 27 4 30 20 0.65 20 8.000.000 (m3/año) 27

Tabla 2: Datos utilizados en las simulaciones de los 4 escenarios. *Dato histórico medido el día 23/06/2008; **Dato histórico del día 07/08/2007

Resultados y discusión. Los resultados obtenidos mediante las simulaciones permiten obtener información sobre la temperatura del río en cualquier punto y a cualquier profundidad. En este caso concreto se han propuesto tres capas diferentes por escenario, correspondientes a: superficie, medio y fondo según se muestra en el gráfico siguiente: Gráfico 2: Visualización en 3D de los resultados del modelo hidrodinámico. Se aprecian las capas superficial, central y profunda, todas ellas con información relativa a la temperatura.

Sección 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Hora 9:00h - 10:30h 11:40h 12:00h 12:10h 12:20h 12:35h 13:05h 16:21h 13:43hTº ambiental 20,5ºC - 23ºC 25,2ºC 26,6ºC 28,5ºC 28,5ºC 29,2ºC 30,2ºC 33,4ºC 30,3ºCFactor 0 - -0.3ºC -0.5ºC -0.5ºC -0.6ºC -0.7ºC -0.9ºC -1.1ºC -2.1ºC -1.4ºC

Escenario 1: A, IP puntos de control para el perfil vertical. B, Perfil vertical. C, Resultado horizontal de la simulación de la capa superficial. D, Resultado capa intermedia. E, Resultado capa del fondo.

Analizando los resultados obtenidos en el presente Estudio y Modelización del Vertido Térmico de Hidro-Nitro Española sobre el Río Cinca en Monzón (Huesca) y teniendo en cuenta el Reglamento de la Administración Pública del Agua y de la Planificación Hidrológica, en desarrollo de los títulos II y III de la Ley de Aguas y la Orden Ministerial 16/12/1988, que establecen que la temperatura media aguas abajo de un vertido térmico (en el límite de la zona de mezcla) no deberá superar la temperatura natural en más de 3ºC para aguas ciprinícolas, podemos asegurar que el vertido actual que Hidro-Nitro Española realiza sobre el río Cinca, está dentro de los parámetros establecidos por la legislación. Con el vertido actual de 4.900.000 m3/anuales, el peor escenario coincide con las condiciones de estiaje (durante el mes de agosto) y en dicho periodo, en menos de 7 metros el incremento de temperatura en el cauce es menor de tres grados. Por otro lado, y puesto que Hidro-Nitro Española tiene intención de ampliar su concesión para verter 8.000.000 m3/anuales, analizando el futuro escenario en condiciones de estiaje podemos comprobar como la capa de mezcla se amplía, pero a los 16 metros del vertido térmico, el incremento de temperatura en el cauce vuelve a ser menor de tres grados. En cualquiera de los escenarios simulados, el efecto del vertido térmico se disipa totalmente una vez que el brazo izquierdo se une con el brazo central del Cinca (tras una pequeña zona de mezcla), desapareciendo por completo cualquier efecto térmico aguas abajo de la unión.

Escenario 2: A, IP puntos de control para el perfil vertical. B, Perfil vertical. C, Resultado horizontal de la simulación de la capa superficial. D, Resultado capa intermedia. E, Resultado capa del fondo.

Escenario 3: A, IP puntos de control para el perfil vertical. B, Perfil vertical. C, Resultado horizontal de la simulación de la capa superficial. D, Resultado capa intermedia. E, Resultado capa del fondo.

Escenario 4: A, IP puntos de control para el perfil vertical. B, Perfil vertical. C, Resultado horizontal de la simulación de la capa superficial. D, Resultado capa intermedia. E, Resultado capa del fondo.

Referencias bibliográficas. (1) Jawahar P. and H. Kamath. (2000). A high-resolution procedure for Euler and Navier-

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(5) Zhao, D.H., Shen, H.W., Tabios, G.Q., Tan, W.Y. and Lai, J.S. (1994), Finite-volume two-dimensional unsteady-flow model for river basins, Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 1994, 120, No. 7, 863-833.