Characterization and modeling approach for planning restoration strategies in a complex basin affected by acid mine drainage

Abstract

The management of acid mine drainage (AMD) impacted catchments, such as the Odiel River basin, in southwestern Spain, prioritizes reclamation to meet water resources needs. Assessing water composition across its watercourses is needed to identify major AMD contributors and potentially guide remediation efforts. An equilibrium-based mixing model was developed to simulate AMD pollutant load reductions and estimate the impact of selective restorations on water quality in the Odiel River, particularly at the planned Alcolea Reservoir near its outlet. Sampling under varying flow conditions (average vs. high flow) showed a reduction in acidity transport (from 54.0 to 42.5 ton/day), attributed to greater neutralization effects during high flows. Over 90 % of metal-fluxes originate alone from the Riotinto (73.6 %), Tharsis (14.5 %), and San Telmo (5.00 %) mining districts, among many other mines. While geochemical model estimates fit well with observed data (R2 = 0.99), some deviations in non-conservative constituents (i.e. pH, Fe and Al) were observed (R2 = 0.73–0.99), likely due to uncertainties in solubility constants and redox/Fe speciation. After evaluating model reliability, two reduction scenarios (50 % and 100 %) were applied to the three primary sources. Full removal of contamination could subtantially improve impounded reservoir water quality, with pH values of 4.93 and 7.64, and a net acidity between 8.75 and 4.63 mg/L eq. CaCO3 in both average and high flows, respectively. Such differences may be related to flow regime effects on water quality. However, a 50 % reduction is insufficient to meet drinking or irrigation standards, highlighting the need for full and appropriate reclamation. The model offers a management tool for decision-making in the restoration of the Odiel River basin and could be transferable to similar AMD-affected basins worldwide.

La gestión de cuencas afectadas por drenaje ácido de mina (AMD), como la cuenca del río Odiel (SO, España), debe dar prioridad a planes de restauración para satisfacer las necesidades de recursos hídricos. Es necesario evaluar la calidad del agua en todos sus cursos fluviales para identificar los principales focos contaminantes de AMD y orientar potencialmente los esfuerzos de remediación. Se desarrolló un modelo de mezcla basado en equilibrio geoquímico para simular reducciones de carga contaminante AMD y estimar el impacto de las restauraciones selectivas en la calidad del agua del río Odiel, y particularmente en la presa de Alcolea. El muestreo en condiciones de caudal variable (caudal medio vs. alto) mostró una reducción del transporte de acidez (de 54,0 a 42,5 tn/día), atribuida a los mayores efectos de neutralización durante momentos de caudal alto. Se estima que más del 90 % de los flujos metálicos proceden únicamente de los distritos mineros de Riotinto (73,6%), Tharsis (14,5%) y San Telmo (5,00%), entre muchas otras minas. Si bien las estimaciones del modelo geoquímico se ajustan a los datos observados (R2 = 0,99), se observaron algunas desviaciones en los constituyentes no conservativos (i.e., pH, Fe y Al) (R2 = 0,73-0,99), probablemente debido a incertidumbres en las constantes de solubilidad y la especiación redox/Fe. Tras evaluar la fiabilidad del modelo, se aplicaron dos escenarios de reducción (50% y 100%) a las tres fuentes principales. La eliminación total de la contaminación podría mejorar sustancialmente la calidad del agua embalsada, con valores de pH de 4,93 y 7,64, y una acidez neta entre 8,75 y 4,63 mg/L eq. CaCO3 en caudal medio y alto, respectivamente. Estas diferencias pueden estar relacionadas con los efectos del régimen de caudal en la calidad del agua. Sin embargo, una reducción del 50 % es insuficiente para cumplir las normas de uso (riego y urbano), lo que pone en evidencia la necesidad de una recuperación completa y adecuada. El modelo ofrece una herramienta de gestión para la toma de decisiones en la restauración de la cuenca del río Odiel y podría ser transferible a cuencas similares afectadas por AMD en todo el mundo.