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  1. 1. UTN – REGIONAL CONCEPCIÓN DEL URUGUAYDISPERSIÓN DE CONTAMINANTES EN AGUAS SUBTERRÁNEAS DISPERSION DE CONTAMINANTES EN CUERPOS RECEPTORES (AGUAS SUBTERRÁNEAS) INDICE1 INTRODUCCIÓN2 CONCEPTOS DE GEOHIDROLOGÍA: AGUAS SUBTERRÁNEAS 2.1 PARÁMETROS HIDRÁULICOS FORMACIONALES: PROPIEDADES ELEMENTALES DE LOS SUELOS 2.2 PROPIEDADES DEL SUELO Y MOVIMIENTO DEL AGUA SUBTERRÁNEA 2.2.1 Horizontes del suelo 2.2.2 Distribución del agua en el perfil del terreno 2.2.3 Contenido en agua del suelo 2.2.4 Movimiento del agua en el terreno y conductividad hidráulica 2.2.5 Déficit de humedad del suelo. 2.2.6 Tipos de Acuíferos 2.2.7 Reservas de agua 2.2.8 Parámetros de Producción de agua de un acuífero 2.2.9 Flujo de agua subterránea 2.2.9.1 Generalidades 2.2.9.2 Flujo en un Medio Saturado 2.2.9.3 Flujo en Acuífero No Confinado 2.2.9.4 Características del Flujo en Acuíferos Confinados 2.3 HIDRÁULICA DE CAPTACIONES: FUNDAMENTOS 2.3.1 Tipos de captaciones 2.3.2 Cono de descensos de un acuífero por bombeo 2.3.3 Cono de descensos en acuíferos confinados 2.3.4 Régimen permanente y variable 2.3.5 Formas del cono según las características del acuífero 2.3.6 Fórmulas que expresan la forma del cono de descensos 2.3.6.1 Supuestos Básicos 2.3.6.2 Ecuaciones de un Pozo en Régimen permanente 2.3.6.3 Ensayos de bombeo 2.3.6.4 Determinación de Conductividad K con pozo en régimen estacionario3 CONTAMINACIÓN DEL AGUA SUBTERRANEA 3.1 INTRODUCCIÓN 3.2 TIPOS DE CONTAMINANTES Y SUS FUENTES DE EMISION 3.2.1 Problemas de calidad del agua subterránea natural 3.2.2 Actividades potencialmente contaminantes 3.2.3 Otras actividades urbanas e industriales contaminantes 3.2.4 Accidentes ambientales 3.2.5 Guías de calidad del agua potable en relación con las aguas subterráneas 3.3 CONTAMINACIÓN DE LA ZONA NO SATURADA 3.3.1 Química 3.3.2 Generalidades 3.3.3 Comportamiento de los contaminantes más comunes 3.4 CONTAMINACIÓN DE LA ZONA SATURADA 3.4.1 Introducción 3.4.2 Contaminación Puntual 3.4.3 Contaminación Difusa 3.4.4 Propagación 3.5 INFLUENCIA DE LA HIDRODINÁMICA DEL MEDIO4 VULNERABILIDAD DEL AGUA SUBTERRÁNEA A LA CONTAMINACIÓN: UN ELEMENTOHIDROGEOLÓGICO DE RIESGO 4.1 FACTORES HIDROGEOLÓGICOS 4.1.1 Influencia de los subsuelos. 4.1.2 Influencia del tipo de permeabilidad.DispersionEnAguasSubterráneas.doc – Lic. Julio Cardini Pág. 1
  2. 2. UTN – REGIONAL CONCEPCIÓN DEL URUGUAYDISPERSIÓN DE CONTAMINANTES EN AGUAS SUBTERRÁNEAS 4.1.3 Importancia de la zona no saturada. 4.1.4 Vulnerabilidad y trazado en mapas. 4.2 RIESGO DE CONTAMINACIÓN 4.2.1 Clasificación litológica simplificada de formaciones geológicas en términos de riesgo relativo de contaminación de aguas subterráneas 4.2.2 Clase de contaminante 4.2.3 Intensidad de la contaminación 4.2.4 Modo de disposición en el subsuelo 4.2.5 Tiempo de aplicación de la carga contaminante 4.3 METODOS PARA DETERMINAR INDICES DE VULNERABILIDAD 4.3.1 Método semicuantitativo (vulnerabilidad relativa) 4.3.2 Método DRASTIC 4.3.3 Método GOD 4.3.4 Otros Métodos 4.4 CLASIFICACIÓN REGIONAL DE VULNERABILIDAD A CONTAMINACIÓN5 IDENTIFICACIÓN DE LA CONTAMINACIÓN CON HIDROCARBUROS EN EL SUELO Y EL AGUASUBTERRÁNEA6 RESTAURACION DE ACUIFEROS 6.1 CONTENCIÓN DE LOS CONTAMINANTES EN EL LUGAR. 6.1.1 Pared de mezcla 6.1.2 Pared de cemento 6.1.3 Geomembranas 6.1.4 Sellado superficial 6.1.5 Control hidrodinámico 6.2 REMOCIÓN DE CONTAMINANTES. 6.2.1 Bombeo 6.2.2 Sistemas de intercepción 6.2.3 Venteo de suelos 6.2.4 Excavaciones 6.3 TRATAMIENTO DE CONTAMINANTES “IN SITU" 6.3.1 Degradación química 6.3.2 Biorremediación 6.4 ATENUACIÓN DEL RIESGO POR CONTROLES INSTITUCIONALES. 6.4.1 Monitoreo 6.4.2 Manejo del recurso7 MODELIZACIÓN DE LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS 7.1 MODELIZACIÓN DEL FLUJO EN AGUAS SUBTERRÁNEAS. 7.2 TRANSPORTE DE CONTAMINANTES EN ZONA SATURADA Y NO SATURADA 7.2.1 Advección 7.2.2 Dispersión hidrodinámica 7.2.3 Cálculo de tiempo de llegada de un contaminante a un pozo 7.2.4 Caso de contaminación por hidrocarburos 7.3 MODELACIÓN DEL TRANSPORTE DE CONTAMINANTES 7.3.1 Modelos Dispersivos 7.3.2 Procesos de retardo 7.3.3 Ejemplos de ModelaciónDispersionEnAguasSubterráneas.doc – Lic. Julio Cardini Pág. 2
  3. 3. UTN – REGIONAL CONCEPCIÓN DEL URUGUAYDISPERSIÓN DE CONTAMINANTES EN AGUAS SUBTERRÁNEAS1 INTRODUCCIÓNPara analizar el comportamiento de los contaminantes presentes en las aguas es necesariodisponer de conocimientos básicos sobre los recursos hídricos, para lo cual se deben conocer lassiguientes disciplinas:Hidrología: Ciencia que trata de las aguas de la tierra, su presencia, circulación y distribución, suspropiedades físico químicas y su relación con el medio, incluyendo la relación con los seres vivos.Geohidrología: Rama de la hidrología que trata del origen, ocurrencia, movimiento ycaracterísticas físicas, químicas y biológicas de las aguas subterráneas y del medio en el cualyacen, teniendo en cuanta las modificaciones introducidas por el hombre. Suelen incluirse estadosde aguas superficiales y de la zona intermedia no saturada, relacionados con el agua subterránea.Hidrogeología: Capítulo de la geohidrología que estudia las propiedades de las rocas osedimentos en el sentido de su capacidad de transmitir y alojar aguas.Hidráulica fluvial y marítima: Especialidad que trata del movimiento de las aguas superficiales.A continuación se presentarán algunos elementos fundamentales de las disciplinas relacionadascon el agua subterránea, y en otra parte del curso se tratarán las aguas superficiales.El ciclo hidrológico engloba los diversos procesos que sigue el agua desde que penetra a laatmósfera, debido a la evaporación, en su mayor parte de los océanos, pero también de los lagos,ríos, suelo mojado y la transpiración de las plantas, como se ilustra en la Figura N° 1.1. Figura N° 1.1 Componentes del ciclo hidrológicoUna vez que el agua ha penetrado la superficie, comienza su viaje hacia descendenteDispersionEnAguasSubterráneas.doc – Lic. Julio Cardini Pág. 3
  4. 4. UTN – REGIONAL CONCEPCIÓN DEL URUGUAYDISPERSIÓN DE CONTAMINANTES EN AGUAS SUBTERRÁNEASLas aguas infiltradas no evaporadas son conducidas hacia el medio subterráneo. Inicialmenteatraviesa la zona no saturada, donde los poros (espacios vacíos) existentes entre las partículasdel suelo contienen tierra, humedad y aire (3 fases diferentes). El agua puede abandonar estazona y alcanzar la zona saturada, o bien permanecer en forma de humedad del suelo para luegoser devuelta a la atmósfera por medio de la vegetación, o por acción animal, en un procesodenominado evapotranspiración.Cuando el agua alcanza la zona saturada, va fluyendo desde áreas de alta carga hidráulica aotras de baja carga. Los estratos o capas del subsuelo que facilitan el movimiento de las aguas sedenominan acuíferos. Una vez incorporada al acuífero, se desplaza a través de los poros de losmateriales subterráneos y puede reaparecer en superficie en aquellas zonas de niveles inferioresa los de recarga, descargando naturalmente en forma de manantiales o alimentando directamenteal cauce, manteniendo el caudal de estiaje de los ríos. De esta forma, las escorrentíassuperficiales y las descargas subterráneas completan el ciclo hidrológico en los océanos, yposteriormente lo recomienzan en la atmósfera.El tiempo que necesita una partícula para pasar a través de una o varias fases del ciclo cubre unamplio espectro: desde unas pocas horas a meses o, incluso, siglos.Los siguientes gráficos esquematizan los procesos principales de migración de contaminantes enel ciclo hidrológico.DispersionEnAguasSubterráneas.doc – Lic. Julio Cardini Pág. 4
  5. 5. UTN – REGIONAL CONCEPCIÓN DEL URUGUAYDISPERSIÓN DE CONTAMINANTES EN AGUAS SUBTERRÁNEAS Ciclo HidrogeoquímicoDispersionEnAguasSubterráneas.doc – Lic. Julio Cardini Pág. 5
  6. 6. UTN – REGIONAL CONCEPCIÓN DEL URUGUAYDISPERSIÓN DE CONTAMINANTES EN AGUAS SUBTERRÁNEAS2 CONCEPTOS DE GEOHIDROLOGÍA: AGUAS SUBTERRÁNEAS2.1 PARÁMETROS HIDRÁULICOS FORMACIONALES: PROPIEDADES ELEMENTALES DE LOS SUELOSPropiedades elementales de los suelos en relación con la infiltración son:• Densidad de la masa• Densidad de las partículas• Porosidad• Contenido de agua en volumen• Grado de saturaciónDensidad de la masa. La densidad de la masa o densidad seca (bulk dry density) del suelo es Md ρb = VtDóndeMd = masa seca de un volumen de suelo (secado a 105ºC durante > 16h)Vt = volumen total (original sin secar)Los valores típicos de ρb son 0,7 kg/m3 para turbas 1 hasta 1,7 kg/m3 para arenas o barros. Lasarcillas tienen típicamente alrededor de 1,1 kg/m3.Densidad de partículas. La densidad de partículas ρm es M ρm = d VdDónde:Vd = volumen seco (sin aire, sin agua)Los valores típicos para ρm son de 2,645 kg/m3 para la mayoría de los suelos.Porosidad. La porosidad Φ es la proporción en volumen de espacio de poros Va + V w ρ Φ= = 1− b Vs ρmDónde:Va = volumen de aireVw = volumen de aguaVs = volumen de sólidosLos valores de porosidad varían desde unos 35 a 45% para arenas finas hasta 50 a 55% paraarcillas, y para las turbas alcanza alrededor de 80%.La Figura N° 2.1.1. muestra la variación de la porosidad con el tipo de roca. La Tabla 2.1.1muestra los valores típicos de la porosidad, para diferentes tipos de materiales. La porosidadefectiva o eficaz se define como el porcentaje de espacio de poros interconectado, que permite lainter-circulación de agua entre los mismos.1 Acumulación de residuos vegetales en el suelo. Normalmente es un combustible fósil generado por la acumulación deestos residuos en sitios pantanosos, contiene un 60% de carbono, es de color pardo y tiene bajo poder calorífico.DispersionEnAguasSubterráneas.doc – Lic. Julio Cardini Pág. 6
  7. 7. UTN – REGIONAL CONCEPCIÓN DEL URUGUAYDISPERSIÓN DE CONTAMINANTES EN AGUAS SUBTERRÁNEASFigura N° 2.1.1 Relación entre la textura y la porosidad de las rocas (adaptado de Meinzer, 1923; Domenico y Schwartz, 1990). Material Intervalo de Porosidad (%) Piedra machacada > 30 Grava gruesa 24-36 Grava fina 25-38 Arena gruesa 31-46 Arena fina 26-53 Lodo 34-61 Arcilla 36-60 Piedra arenisca 5-30 Caliza 5-50 Pizarra 0-10 Basalto 3-35 Depósito glacial ≈32 Turba ≈92 Tabla N° 2.1.1 Valores de porosidad para diferentes materiales. Adaptado de Johnson, 1962, 1967.Contenido de agua en volumen. El contenido de agua θ es Vw M húmedo − M sec o θ= = Vs ρ wVsEsta es una propiedad importante del suelo y varía de 0 (cuando está seco) a saturación(alrededor del 40% arenas) y como veremos varía en el espacio y el tiempo. Existen métodos paradeterminar la humedad de campo en suelos, como la sonda de neutrones, la sonda decapacitancia de humedad de suelos o la reflectometría en el dominio del tiempo (Shaw, 1944).Grado de saturación. El grado de saturación s es la proporción de agua contenida en los poros yes una medida de la “humedad” del suelo. Vw θ s= = Va + V w ΦDispersionEnAguasSubterráneas.doc – Lic. Julio Cardini Pág. 7
  8. 8. UTN – REGIONAL CONCEPCIÓN DEL URUGUAYDISPERSIÓN DE CONTAMINANTES EN AGUAS SUBTERRÁNEAS2.2 PROPIEDADES DEL SUELO Y MOVIMIENTO DEL AGUA SUBTERRÁNEA2.2.1 Horizontes del sueloEl agua subterránea, aunque es inmensa en volumen, también es casi estática con un movimientomuy lento en la dirección horizontal. El nivel de la capa freática; en cambio, sube y bajaverticalmente, dependiendo del clima y del tipo de suelo. Los suelos tienen un papel importante enlo que le sucede a la precipitación, ya que en la matriz del suelo se pueden acumular grandesvolúmenes de agua o nada en absoluto, dependiendo de la textura, porosidad, estructura,conductividad hidráulica del suelo, y humedad existente en el mismo. El agua dulce que semantiene como humedad en el suelo es casi diez veces mayor que el agua dulce existente en losríos (ver Tabla 1.1).La Figura N° 2.2.1 muestra un perfil vertical idealizado a través de una serie de capas de suelo. Lacapa superior normalmente es de vegetación de hierba, cosechas o árboles, pero puede ser sueloen bruto. Debajo de ésta, se encuentra la capa de residuos, más fácilmente identificable en zonasboscosas y compuesta de hojas muertas, cortezas y otros restos descompuestos. Debajo de éstaúltima aparece el suelo propiamente dicho que se describe en horizontes o capas. El superior uhorizonte A en suelos minerales normalmente es terroso y rico en humus. Esta capa correspondea suelo superficial (a veces llamado el suelo superior). Es la parte del suelo en que la materia vivaes más abundante y en que hay más cantidad de materia orgánica.Al estar próxima a la superficie, queda más lixiviada 2 por la lluvia que las capas inferiores. El nivelmedio u horizonte B a menudo llamado subsuelo, se compone principalmente del material originalsubyacente, aunque el mismo está bien entrelazado con raíces y microorganismos. Al estar entrelos horizontes A y C, tiene algo de las propiedades de ambos con menos organismos vivos que Apero más que C. En comparación con el horizonte A, el horizonte B tiene un contenido mayor deóxidos de hierro y aluminio, humus o arcilla que en parte han sido lixiviados desde el horizonte A.El horizonte C más abajo es material de roca no consolidado y compuesto de una amplia gama depiedras y partículas de diversos tamaños. Por debajo del horizonte C está la roca madreconsolidada. La profundidad de cada capa varía de milímetros a metros. Figura N° 2.2.1 Sección de suelo idealizada (adaptada de Hillei, 1980)2 Acción erosiva del agua de lluvia, que consiste en arrastrar las partículas sueltas de suelo o residuos orgánicos einorgánicos, a niveles más inferiores.DispersionEnAguasSubterráneas.doc – Lic. Julio Cardini Pág. 8
  9. 9. UTN – REGIONAL CONCEPCIÓN DEL URUGUAYDISPERSIÓN DE CONTAMINANTES EN AGUAS SUBTERRÁNEASEn hidrología subterránea, hay dos zonas distintas por encima del lecho de roca que puedencontener y transmitir agua. Estas son: la zona superior insaturada y la zona inferior saturada.Aparecen mostradas en la Figura Nº 2.2.2.El movimiento de agua en la zona insaturada es más complejo que el de la zona saturada. En esteúltimo, el parámetro clave es la conductividad hidráulica o la velocidad de movimiento del agua.Ésta se puede medir fácilmente y tiende a ser razonablemente constante. Sin embargo, en la zonainsaturada la conductividad hidráulica puede variar en órdenes de magnitud dentro de un campodependiendo fundamentalmente del grado de saturación y del estado actual de succión del suelo. Figura N° 2.2.2 Zona insaturada/saturada (adaptado de Bras,1990)2.2.2 Distribución del agua en el perfil del terrenoUna vez que el agua penetra la superficie del suelo, se distribuye dentro del perfil en función deciertos parámetros físicos como ser gravedad, capilaridad, tensión superficial, etc. Las diferenciasen dicha distribución dan origen a distintas zonas:1) Zona de aireación: a partir de la superficie se divide en:- Franja edáfica: en los poros del material se encuentra aire y lo que se denomina agua del suelo. Aquí el agua se mueve por gravedad y tensión superficial, teniendo gran importancia la evaporación y transpiración vegetal.- Franja intermedia: está parcialmente saturada ya que todavía hay aire en los poros, pero menos que en la franja edáfica. El agua solo se mueve por gravedad sin influencia de la superficie.- Franja capilar: el agua se mueve por capilaridad, alimentada por los niveles inferiores totalmente saturados.2) Zona de saturación: los poros del subsuelo están ocupados por agua, no hay aire. Elmovimiento del agua está regido por la gravedad y no solo se verifican movimientos verticales sinoque también se evidencia un flujo horizontal, casi inexistente en la zona de aireación.La profundidad a la que se encuentran las distintas zonas varía en los períodos secos y húmedos,en función de la recarga de agua.El límite entre la zona de aireación y la de saturación constituye el nivel freático.DispersionEnAguasSubterráneas.doc – Lic. Julio Cardini Pág. 9
  10. 10. UTN – REGIONAL CONCEPCIÓN DEL URUGUAYDISPERSIÓN DE CONTAMINANTES EN AGUAS SUBTERRÁNEAS2.2.3 Contenido en agua del sueloLa humedad del suelo es un fenómeno complejo bien descrito pero pobremente cuantificado.Todos los terrenos tendrán un máximo en la humedad del suelo cuando están saturados.Análogamente, si están en una situación extrema de déficit de humedad, su grado de humedadserá el más bajo (no cero). En cualquier momento, el estado de humedad del terreno variarádesde cerca de cero al máximo. Por tanto es una acción dinámica y responde a los antecedentesen las condiciones de humedad del suelo, a la lluvia caída y al efecto del calor solar. Es muy fácilcuantificar, en un perfil vertical de un terreno, los diferentes niveles de humedad del suelo (porejemplo, el porcentaje de contenido de humedad). Sin embargo, por razón de la continua actividadpor debajo y por encima de la superficie, los flujos de humedad de un horizonte a otro no sonconstantes. En épocas de lluvia, el movimiento de agua en la columna de suelo será hacia abajodebido a la gravedad o hacia arriba en dirección al nivel superior de agua por capilaridad.Después de las lluvias, el aire puede ser expulsado de los poros en la zona insaturada mediantepresión hidrostática para permitir que el agua de infiltración ocupe los poros. En tiempos desequía, la dirección del movimiento de agua será hacia arriba en dirección a la superficie delterreno por capilaridad desde el agua subterránea.Resumiendo, el destino del agua caída en la lluvia depende en gran medida de los siguientesfactores:• Zona climática• Características del suelo• Antecedentes en las condiciones de humedad del sueloCon respecto al agua del suelo, ocupa tres fases diferentes en una matriz de suelo:• Agua de poros• Agua higroscópica o adsorbida• Agua absorbidaLa figura Nº 2.2.3 presenta un esquema del agua en el suelo.DispersionEnAguasSubterráneas.doc – Lic. Julio Cardini Pág. 10
  11. 11. UTN – REGIONAL CONCEPCIÓN DEL URUGUAYDISPERSIÓN DE CONTAMINANTES EN AGUAS SUBTERRÁNEAS Figura N° 2.2.3 Agua en el suelo (adaptado de Weismer, 1970)El agua de poros es con mucho el mayor volumen de agua en el suelo, y el más fácil de expulsar.El agua higroscópica se adsorbe (adherida en la superficie de la partícula de cada grano) y semantiene allí por las fuerzas de tensión superficial.El agua absorbida (en el interior en cada grano) requiere la eliminación del agua de poro y delagua higroscópica antes de que se pueda secar. Los suelos arenosos tienen grandes poros y sepueden secar fácilmente. Sin embargo, las partículas de arcilla tienen poros pequeños (aunqueuna mayor porosidad que la arena) y pequeñas partículas con una intensa actividad higroscópicay se requieren grandes fuerzas de succión para romper las fuerzas higroscópicas de tensiónsuperficial.El fenómeno de la succión en el suelo se ilustra colocando una gota de agua sobre una partículade suelo seco. El agua es atraída rápidamente hacia el suelo hasta que se satura y entonces seadhiere una capa fina al perímetro de los granos de suelo. Esta película higroscópica se mantienecon intensas fuerzas de tensión superficial. Estas fuerzas se expresan en bares, es decir que 1bar es la presión equivalente a 10,23 m de altura de columna de agua.La capacidad de campo y el punto de sequedad (marchitamiento o agostamiento) son parámetrosadicionales de humedad de suelo muy utilizados en estudios de suelo agrícola. Después de que elsuelo se ha saturado y el exceso de agua se ha drenado, el suelo queda en capacidad de campo.La vegetación extrae humedad del terreno hasta que no puede más. En este punto se produce elagostamiento y el contenido de humedad se conoce como el punto de sequedad. La Figura Nº2.2.4 muestra una relación general entre la humedad y la textura del suelo.DispersionEnAguasSubterráneas.doc – Lic. Julio Cardini Pág. 11
  12. 12. UTN – REGIONAL CONCEPCIÓN DEL URUGUAYDISPERSIÓN DE CONTAMINANTES EN AGUAS SUBTERRÁNEAS Figura N° 2.2.4 Relación general entre las características de humedad del suelo y su textura.2.2.4 Movimiento del agua en el terreno y conductividad hidráulicaEl movimiento del agua tiene lugar en el terreno bajo tres condiciones distintas:- Flujo saturado- Flujo no saturado- Flujo en fase vaporTodo el movimiento de agua bajo la capa freática es del tipo de flujo saturado. Desde unaperspectiva bidimensional, el movimiento de agua puede ser en vertical hacia abajo o lateralmentecomo interflujo. La velocidad de movimiento depende de la conductividad hidráulica del terreno. Elflujo no saturado tiene lugar en respuesta a la gravedad o gradiente de humedad. Una vez queexiste capacidad de campo, la acción capilar extrae el agua hacia arriba en dirección a las raíces yla vegetación.Después del humedecimiento de los suelos, el agua fluye hacia abajo debido a la gravedad. Elmecanismo del movimiento del agua en flujo insaturado es de poro a poro. Puede existir agua enfase vapor en los poros de un terreno y ser extraída hacia arriba al evaporarse. La velocidad demovimiento depende del gradiente de temperatura, la humedad relativa, el tamaño de poro y sucontinuidad, así como la cantidad de agua disponible. Por eso es tan importante hacerse a la ideade la evaporación también desde las profundidades de una columna de suelo.El agua se mueve en los ríos debido a la pendiente o gradiente en su superficie libre. Mientrasmás pronunciada sea la pendiente más rápido fluye el agua. Como las superficies de los lagostienen poca pendiente, el agua fluye lentamente. En los suelos y acuíferos, el agua también fluyesi tiene un gradiente, aunque varios ordenes de magnitud más lentamente que en el flujo de unrío. Este gradiente se llama gradiente hidráulico. En los ríos, el agua siempre fluye de formaprácticamente horizontal (supuesto flujo unidimensional). Sin embargo, bajo la superficie delterreno, el agua puede fluir en dirección x, y o z (vertical). La forma en que el agua fluye en elterreno depende del tipo de suelo y de su estado actual de humedad. Por ejemplo, en verano, unamatriz de suelo arenoso se puede secar, y si cae lluvia, ésta se moverá en vertical hacia abajo através del suelo para ayudar a llenar los poros del terreno con agua. En cambio, si el estado dehumedad está próximo al de capacidad de campo, entonces la principal dirección de movimientodel agua puede ser la horizontal. Esta dirección es habitualmente a lo largo del gradiente de lalínea de superficie de agua, que puede seguir la pendiente topográfica. La velocidad a la que semueve el agua se llama conductividad hidráulica. Es fácil evaluar el comportamiento del flujo enun medio poroso saturado. Éste es el caso habitual en los acuíferos. Sin embargo, hay veces enque el estado del terreno también es insaturado. Puede haber aún movimiento de agua en elterreno, pero puede estar restringido debido a la excesiva succión del suelo.DispersionEnAguasSubterráneas.doc – Lic. Julio Cardini Pág. 12
  13. 13. UTN – REGIONAL CONCEPCIÓN DEL URUGUAYDISPERSIÓN DE CONTAMINANTES EN AGUAS SUBTERRÁNEAS dhLa ley de Darcy establece que: q = − Ki = K dzDónde:q = el flujo de Darcy, m3/m2.si = el gradiente hidráulico, dh/dz, m/mK = la conductividad hidráulica, m/sNormalmente h es la altura en relación a un nivel de referencia, pero para flujo no saturado laaltura total es h = ψ+zDónde:ψ = la altura de succión.La altura de succión, responsable de mantener el agua sobre la superficie de las partículas sólidasen flujo no saturado, llega a ser significativa en medida que la humedad del suelo disminuye. Lavariación de la conductividad hidráulica a lo largo de la columna de suelo aparecen en el ejemplode la figura Nº 2.2.5 en función del contenido de humedad. La succión del suelo o la tensión delsuelo se mide mediante tensiómetros en campo.Figura N° 2.2.5 Ejemplo de variación de la altura de succión de suelo ψ y la conductividad hidráulica K con el contenido de humedad θ para una arcilla (adaptado de Raudkivi, 1979)2.2.5 Déficit de humedad del suelo.El déficit de humedad del suelo (Soil Moisture Déficit: SMD) es un término utilizado habitualmenteen ingeniería agrícola. Cuando la humedad del terreno está por debajo de la capacidad de campo,se dice que tiene déficit de humedad de suelo. Cuando está saturado no hay déficit de humedadde suelo. El SMD es un parámetro cuantificable y está relacionado con la magnitud de la lluvia,grado de humedad en el suelo y evapotranspiración. Una cuenca pierde agua a tasas mayores omenores que la evapotranspiración potencial (PE), dependiendo de si la humedad del sueloestá por encima o por debajo de la capacidad de campo. La evapotranspiración real (ET) esmenor que PE cuando la vegetación no puede extraer agua desde el terreno. Después de la lluvia(si el suelo está saturado), no podrá absorber más agua, así que se producirá la escorrentía. Elterreno en este caso continuará «cediendo» agua a la vegetación hasta que se llegue a un estadotemporal de equilibrio, cuando ET=PE, es decir, que quede en la capacidad de campo. En estepunto SMD = 0. A medida que el suelo se seca SMD aumenta y ET disminuye. La magnitud deSMD y ET varía. Si SMD aumenta más aún, ET se hace menor y en el punto de sequedad SMDes el máximo y ET despreciable. Es importante notar que SMD es un número acumulativo,dependiendo del SMD de los meses previos.DispersionEnAguasSubterráneas.doc – Lic. Julio Cardini Pág. 13
  14. 14. UTN – REGIONAL CONCEPCIÓN DEL URUGUAYDISPERSIÓN DE CONTAMINANTES EN AGUAS SUBTERRÁNEASLa Figura N° 2.2.6 es un esquema idealizado y simplificado de la secuencia de tiempos de lahumedad del suelo relacionada con la lluvia y PE para un ciclo en una zona de temperaturaseptentrional (en el hemisferio norte). Se detallan tres tipos de vegetación hierba, arbustos yárboles. Cada uno tiene una profundidad de raíz diferente, señaladas como tres capashorizontales distintas.En primavera cuando PE > P (precipitación), el suelo entra en un SMD primero en las capassuperficiales. A medida que la primavera avanza hacía el verano el SMD penetra más enprofundidad hasta que todas las zonas de raíces (árboles incluidos) están en SMD. En el otoño, P> PE y las capas superiores del terreno llegan a recargarse de agua, mientras que las capasinferiores están aún en SMD. En este punto, el movimiento de agua es vertical hacia abajo en lacolumna de suelo. A medida que el otoño avanza hacia el invierno, la profundidad de la recarga deagua se hace mayor hasta que todas las capas están llenas de agua y no hay SMD a ningunaprofundidad. El conocimiento del déficit de humedad del suelo es importante en agricultura y enhidrología. En las épocas de alto déficit de humedad las cuencas tienden a ser menossusceptibles a producir inundaciones. Figura N° 2.2.6 Ciclo idealizado de humedad anual para tres tipos de vegetación. (Bedient y Huber, 1988.)2.2.6 Tipos de AcuíferosUn «acuífero» se define como una formación de suelo o roca portadora de agua que contienecantidades suficientes de ésta para ser explotada y traída a la superficie mediante pozos. Unacuífero puede ser «confinado» o «libre (no confinado)». La Figura N° 2.2.7 presenta un esquemade los diferentes tipos de acuíferos. El acuífero superior es libre, es decir que tiene una línea denivel freático natural con libertad para subir o bajar. Un acuífero confinado esta restringido por unestrato superior impermeable llamado «capa acuiclusa», que inhibe el movimiento del agua haciaarriba. Cuando se perforan una serie de pozos en el acuífero confinado, el agua se elevará yllegará a su propia línea de nivel freático. Esta línea es la línea piezométrica o sea la debida a lapresión hidrostática del acuífero confinado.En el área de la Provincia de Entre Ríos existe un acuífero confinado denominado AcuíferoGuaraní, el cual se encuentra a profundidades del orden de 1.000 m, abarcando un área muyextensa de Bolivia, Uruguay, Argentina y Paraguay. Sus principales características se presentanen http://www.sg-guarani.org/index/site/index.php?language=es, que trata del Proyecto de Gestiónde dicho Acuífero actualmente en curso, el cual es coordinado por la Organización de EstadosAmericanos (OEA) y financiado parcialmente con donaciones del Fondo para el Medio AmbienteMundial (FMAM o GEF).DispersionEnAguasSubterráneas.doc – Lic. Julio Cardini Pág. 14
  15. 15. UTN – REGIONAL CONCEPCIÓN DEL URUGUAYDISPERSIÓN DE CONTAMINANTES EN AGUAS SUBTERRÁNEAS Figura N° 2.2.7 Esquema de los tipos de acuíferos.2.2.7 Reservas de aguaPara no deteriorar el recurso es importante conocer las reservas de aguas subterráneas yprogramar su explotación. Existen dos tipos de reservas:1) Reservas permanentes: es la cantidad de agua que siempre permanece en un acuíferoindependientemente de las variaciones estacionales. Está representada por el menor nivelpiezométrico dentro de un año hidrológico.2) Reservas renovables: es el agua comprendida entre las variaciones de nivel piezométricodentro de un año hidrológico. Teóricamente solo debieran explotarse las reservas renovables.DispersionEnAguasSubterráneas.doc – Lic. Julio Cardini Pág. 15
  16. 16. UTN – REGIONAL CONCEPCIÓN DEL URUGUAYDISPERSIÓN DE CONTAMINANTES EN AGUAS SUBTERRÁNEAS2.2.8 Parámetros de Producción de agua de un acuíferoLa capacidad de producción de agua de un acuífero es un parámetro físico significativo enhidrogeología que es función de varios parámetros, incluyendo:1. Producción específica: la cantidad de agua del acuífero que drena libremente bajo la influencia de la gravedad (expresada como porcentaje). Por definición es menor que la porosidad ya que parte del agua no es libre de drenar debido a las fuerzas atractivas y de enlace tales como la tensión superficial. Algunos valores típicos aparecen en la Tabla N° 2.2.1.2. Coeficiente de almacenamiento, S: en cierto modo similar a la producción específica, este parámetro expresa el volumen de agua que un acuífero libera (o acumula) por unidad de superficie y por unidad de variación en longitud en la altura piezométrica. Para acuíferos confinados 10-5 < S < 10-3. Para acuíferos libres 10-2 < S < 0,35 (Davis y Cornwell, 1991). Las unidades son m3 de agua/m3 de acuífero.3. Gradiente hidráulico, dh/dx: la pendiente de la línea de la superficie piezométrica en m/m. La magnitud de la «altura» determina la presión sobre el agua subterránea para moverse y a qué velocidad.4. Conductividad hidráulica, K: en la zona no saturada, la conductividad hidráulica se definía como una medida de la capacidad de un medio (suelo) para permitir el paso del agua en unidades de m/s. Con respecto a acuíferos, el medio no es el suelo sino normalmente roca (aunque puede ser arena). K es una propiedad tanto del medio como del flujo y es dinámica, variando con el contenido de humedad. En este apunte, usamos los términos conductividad hidráulica y permeabilidad indistintamente. Los valores pueden oscilar sobre 12 órdenes de magnitud con los valores más altos para gravas y calizas (entre 10-12 y 10-4) y los más bajos para rocas ígneas 3 y metamórficas 4 unifraccionales así como arcillas (10-8 a 10-14). Algunos valores típicos aparecen en la Tabla N° 2.2.1. Tabla 2.2.1 Parámetros del suelo según el tipo de material. Adaptado de Johnson, 1962, 1967.5. Transmisividad, T: la velocidad de flujo por unidad de ancho del acuífero bajo un gradiente hidráulico dh/dz unitario (valores típicos 10-4 < T< 10-1). Según la Ley de Darcy: T = Kb m2/sdonde b = espesor (altura) del acuífero3 Roca volcánica procedente de la masa en fusión del interior terrestre.4 Roca que ha sufrido cambios en su forma y estructura, debido a la acción de los agentes externos e internos(atmosféricos, presión, calor, etc.)DispersionEnAguasSubterráneas.doc – Lic. Julio Cardini Pág. 16
  17. 17. UTN – REGIONAL CONCEPCIÓN DEL URUGUAYDISPERSIÓN DE CONTAMINANTES EN AGUAS SUBTERRÁNEAS2.2.9 Flujo de agua subterránea2.2.9.1 GeneralidadesAl igual que en el flujo de la zona no saturada, el flujo en acuíferos es hasta cierto puntotridimensional. Sin embargo, si el gradiente hidráulico es predominantemente unidireccional, elflujo será casi unidimensional. Si la conductividad K = Kx = Ky = Kz entonces el acuífero seconsidera isótropo 5 y éste es el caso del flujo más sencillo de analizar. Si K es independiente de lalocalización dentro del acuífero, se dice que es homogéneo. Normalmente en el análisis, el flujo sesupone isótropo y homogéneo. Como vimos anteriormente, la ley de Darcy para el flujo de aguasubterránea es: dh h2 − h1 Q = − KA = KA dx l 2 − l1donde Q = flujo (horizontal) a través del acuífero, m3/s K = conductividad hidráulica, m/s A = área de la sección transversal, m2 h2 - h1 = caída de presión, m l2 – l1= diferencia de longitud (a lo largo de la dirección horizontal x entre h2 y h1), mtambién Q dhq= =K A dl ∂h ∂h ∂hqx = K x ; qy = K y ; qz = K z ∂x ∂y ∂zdondeq = descarga específica o flujo por unidad de superficieEjemplo: Determinar la capacidad de flujo diario y la transmisividad de un acuífero de piedra si:• La profundidad del acuífero es de 15 m• El ancho es de 800 m• La longitud es de 2 km• La variación de altura de presión en los 2 km es de 3 m.Solución: Supóngase la conductividad hidráulicaK = 6 x 10-7 m/s = 5,2 x 10-2 m/día dh Q = KA dlQ = 5,2 x 10-2 x 800 x 15 x 3/2000 = 0,94 m3/díaTransmisividad, T = Kb = 5,2 x 10-2 x 15 = 0,78 m2/díaLas ecuaciones generales de flujo para agua subterránea son desarrolladas en varios textosgenerales de hidrología e hidrogeología (Bras, 1990; Domenico y Schwartz, 1990). Aquí sepresentan brevemente a los efectos de comprender su capacidad para transportar contaminantes.5 Sus propiedades no dependen de la dirección espacial.DispersionEnAguasSubterráneas.doc – Lic. Julio Cardini Pág. 17
  18. 18. UTN – REGIONAL CONCEPCIÓN DEL URUGUAYDISPERSIÓN DE CONTAMINANTES EN AGUAS SUBTERRÁNEAS2.2.9.2 Flujo en un Medio SaturadoLa Figura N° 2.2.8 representa un volumen de control unitario de un medio saturado. Se aplica elconcepto de balance de materia en una unidad de suelo para determinar la ecuación de flujo. Figura N° 2.2.8 Elemento de roca saturada sin superficie libreEl balance de materia neto en la dirección x es: ⎛Variación en el ⎞ ⎛ Caudal en masa ⎞ ⎛ Caudal en masa ⎞ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎜ hacia la unidad ⎟ − ⎜ desde la unidad ⎟ = ⎜ almacenamiento de ⎟ ⎟ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎜ masa con el tiempo ⎟ ⎝ ⎠ ⎡ ∂ ( ρq x )Δx ⎤ ∂ ( ρn ) ρq x Δy Δz − ⎢ ρq x + ⎥ ΔyΔz = ∂t Δx Δy Δz ⎣ ∂x ⎦donde n es una porosidad efectiva (unidades de longitud), también denotada como ne ρn es la masa de agua por unidad de volumen qx= flujo por unidad de área perpendicular a la superficie Δy-Δzla ecuación anterior entonces se reduce a ∂q x ∂n x − = ∂x ∂tEn tres dimensiones ⎛ ∂q ∂q y ∂q z ⎞ ∂n −⎜ x + ⎜ ∂x + ⎟= ⎟ ∂t ⎝ ∂y ∂z ⎠Introduzcamos el término “almacenamiento específico”, S0, como el volumen de agua liberada delalmacenamiento por unidad de volumen de acuífero y por unidad de cambio en la altura depresión (Bras, 1990), es decir, dimensiones de inversa de la longitud.De la fórmula de presión hidrostática: P = ρg ( h − Z 0 )donde h = altura piezométrica (Z0 = referencia) ⎛ ∂q ∂q y ∂q z ⎞ ∂h −⎜ x + ⎜ ∂x + ⎟ = −S 0 ⎟ ⎝ ∂y ∂z ⎠ ∂tPara condiciones de estado estacionario ⎛ ∂q ∂q y ∂q z ⎞ −⎜ x + ⎜ ∂x + ⎟=0 ⎟ ⎝ ∂y ∂z ⎠DispersionEnAguasSubterráneas.doc – Lic. Julio Cardini Pág. 18
  19. 19. UTN – REGIONAL CONCEPCIÓN DEL URUGUAYDISPERSIÓN DE CONTAMINANTES EN AGUAS SUBTERRÁNEASAl introducir la Ley de Darcy, es decir q x = K x (∂h / ∂x) . Luego ∂ ⎛ ∂h ⎞ ∂ ⎛ ∂h ⎞ ∂ ⎛ ∂h ⎞ ⎜Kx ⎟ + ⎜Ky ⎜ ⎟ + ⎜Kz ⎟ ∂z ⎟=0 ∂x ⎝ ∂x ⎠ ∂y ⎝ ∂y ⎠ ⎝ ∂z ⎠Si la roca se puede considerar isótropa, es decir, K = Kx = Ky = Kz, entonces puede extraerse fuerade los paréntesis, resultando: ∂2h ∂2 ∂2h + + =0 ∂x 2 ∂y 2 ∂z 2es decir (la ecuación de Laplace) ∇2h = 0Las diversas técnicas para la solución de la Ecuación de Laplace incluyen métodos gráficos,analogías eléctricas y métodos numéricos que se discuten en Shaw (1994), Bras (1990) y Wang yAnderson (1982). Existen soluciones analíticas basadas en los supuestos de simplificación deDupuit y Forcheimer para flujo no confinado. Estos supuestos son:1. El gradiente hidráulico dh/dx se aproxima a la pendiente del nivel freático y la pendiente de la superficie libre.2. El nivel freático y la superficie libre son «prácticamente» horizontales.3. La descarga es constante en toda la profundidad de flujo evaluada.La ecuación de Laplace es la base para resolver problemas numéricos de flujo en mediosporosos. Esto se puede extender más allá de la hidrodinámica para incluir la química del agua yresolver problemas de flujo de contaminantes en casos de agua subterránea.2.2.9.3 Flujo en Acuífero No ConfinadoLa Figura N° 2.2.9 muestra el patrón de flujo de agua subterránea entre dos ríos cuyos niveles deagua son diferentes. Figura N° 2.2.9 Flujo en un acuífero libre entre dos masas de agua sin recargaSi el flujo se supone unidimensional y estacionario (una vez que se descarga todo el exceso deagua en el lado con nivel más bajo), con una conductividad hidráulica K, entonces la ecuación deLaplace es: d 2h =0 dx 2Integrando h2 = ax + bDispersionEnAguasSubterráneas.doc – Lic. Julio Cardini Pág. 19
  20. 20. UTN – REGIONAL CONCEPCIÓN DEL URUGUAYDISPERSIÓN DE CONTAMINANTES EN AGUAS SUBTERRÁNEASCondición de contorno 1: h = hL en x = 0Por tanto b = hL 2Diferenciando la ecuación de Laplace dh 2h =a dxDe la ecuación de Darcy dh q = − Kh dxLa ecuación de Laplace se convierte en dh 2q h 2 = 2h x + hL = hL − 2 2 x dx KCondición de contorno 2: h = hR al x = L 2q hR = hL − 2 2 L KPor tanto q= K 2 2L ( hL − h R 2 ) (Ecuación de Dupuit)La ecuación de Laplace se convierte en hR = hL − 2 2 x 2 L ( ) hL − hR (Parábola de Dupuit) 2Esta última ecuación da la variación lineal de la altura del nivel freático una vez estabilizado, elcual atraviesa la “isla” desde el río izquierdo hasta el río derecho de la Figura N° 2.2.9.Las ecuaciones anteriores se verifican solo en el caso de no existir recarga. Recarga es laproporción de lluvia que (eventualmente) se hace camino hacia el acuífero y eleva el nivel freático.Si la recarga es R, entonces: dq =R dxDe la Ley de Darcy dh q = − Kh dxPor tanto: dq Kd 2 h 2 =− =R dx 2dx 2Integrando la ecuación anterior dos veces Rx 2 h =− 2 + ax + b KIgual que en el caso de no recarga, las condiciones de contorno son las mismas, resultando: b = hL 2 hR − hL RL 2 2y a= + L KDispersionEnAguasSubterráneas.doc – Lic. Julio Cardini Pág. 20
  21. 21. UTN – REGIONAL CONCEPCIÓN DEL URUGUAYDISPERSIÓN DE CONTAMINANTES EN AGUAS SUBTERRÁNEASSustituyendo y ordenando, llegamos a x 2 Rx h 2 = hL − 2 (hL − hR ) + 2 ( L − x) L KEsta ecuación parabólica determina la forma de la línea de nivel freático. Con ella puededeterminarse el caudal a través del acuífero. Diferenciando la ecuación anterior resulta: dh hR − hL R 2 2 2h = + ( L − 2 x) dx L KUtilizando la Ley de Darcy esta última ecuación se convierte en − 2q hR − hL R 2 2 = + ( L − 2 x) K L Kentonces: K 2 R q= ( hL − hR ) − ( L − 2 x ) 2 2L 2Esta última es la ecuación de Dupuit para flujo con efecto de recarga.Ejemplo De la Figura N° 2.2.10, determinar la altura y posición del nivel freático en la divisoria deaguas si la recarga se estima en 0.05 mm/día, a un acuífero de arena gruesa. Recarga Figura N° 2.2.10 Acuífero aislado libre con recarga.Solución: Para un acuífero de arena gruesa suponemos K ≅ 1,16x 10-4 m/s (tabla N° 2.2.1), esdecir K ≅ 10 m/día. En la divisoria de aguas, el flujo se divide y el de la izquierda va a la izquierday el de la derecha va a la derecha. Por tanto no hay flujo donde h = hmáx y así, de la ecuación deDupuit para flujo con efecto de recarga queda como: K 2 R q=0= ( hL − hR ) − ( L − 2 x ) 2 2L 2Despejando x y sustituyendo los valores de hL, hR, L, K, y R, resulta: x= 1⎡ 2⎣ K 2 ( 2 ⎤ ) ⎢ L − LR h L − h R ⎥ = 3,2 km ⎦ x 2 RxSustituyendo en la ecuación h 2 = hL − 2 ( hL − h R ) + 2 ( L − x) resulta: h = 19,4 m L KNótese que la altura sobre la divisoria de aguas es mayor que la del más alto de los dos ríos olados de la “isla”, por efecto de la recarga.DispersionEnAguasSubterráneas.doc – Lic. Julio Cardini Pág. 21
  22. 22. UTN – REGIONAL CONCEPCIÓN DEL URUGUAYDISPERSIÓN DE CONTAMINANTES EN AGUAS SUBTERRÁNEASComo vimos, el acuífero freático se alimenta del agua de lluvia que se infiltra y percola desde losniveles superiores del suelo, para luego descargar en ríos, lagunas y mares. Pero también puederecibir aportes desde esos cuerpos superficiales de agua. La napa se recarga de una u otrafuente, dependiendo de las disponibilidades de agua según se produzcan períodos lluviosos osecos. Cuando hay gran disponibilidad de agua en la napa, ésta alimenta a los cuerpossuperficiales pudiendo elevar el nivel freático hasta que supera la superficie del terreno, formandouna laguna.Existe una total intercomunicación entre la napa freática y las aguas superficiales, generando unsistema de flujos que tiende a lograr el equilibrio de las presiones hidráulicas. La estrechaconexión entre la superficie del terreno y la napa freática, hace que las actividades antrópicasperturben fácilmente el comportamiento y las características del agua freática, por lo cual en elcaso de que se utilice para provisión de agua (Figura 2.2.11), su calidad suele ser deficiente. Figura N° 2.2.11 Obtención de agua mediante un pozo en el Acuífero FreáticoEl agua se mueve a distintas velocidades en el terreno, generalmente más rápido en las zonascercanas a la superficie, donde los gradientes de presión son mayores. En las tres siguientesfiguras se muestra el comportamiento de la napa subterránea según sea el nivel de agua libre. Figura N° 2.2.12 a) Situación normal Figura N° 2.2.12 b) Napa que aporta (aguas bajas en el río o laguna) Figura N° 2.2.12 c) Napa que recibe (aguas altas o crecida en el río o laguna)DispersionEnAguasSubterráneas.doc – Lic. Julio Cardini Pág. 22
  23. 23. UTN – REGIONAL CONCEPCIÓN DEL URUGUAYDISPERSIÓN DE CONTAMINANTES EN AGUAS SUBTERRÁNEAS2.2.9.4 Características del Flujo en Acuíferos ConfinadosConstituyen acuíferos sepultados, que no tienen comunicación directa con la superficie y estánsometidos a la presión litoestática correspondiente a la columna de sedimentos superiores. Esteestado de aislamiento es consecuencia de la interposición de capas impermeables entre elacuífero y la superficie. Se denominan acuífugos a los estratos que no admiten ni transmiten agua,acuícludos son los que admiten pero no transmiten, mientras que acuítardos son aquellos quesolo transmiten agua muy lentamente. (Figura N° 2.2.13) Figura N° 2.2.13 Esquema de un Acuífero ConfinadoLos acuíferos suelen estar constituidos por arenas o gravas. Las rocas graníticas y volcánicasforman acuífugos, las arcillas acuícludos y los limos se comportan como acuitardos. Cuando unacuífero está limitado por un acuitardo, suele llamárselo acuífero semiconfinado ya que elacuitardo le permite cierta recarga (Figura Nº 2.2.14.) Figura N° 2.2.14 Esquema de Acuíferos Semiconfinado y ConfinadoAsí como el acuífero freático posee un nivel freático que lo caracteriza, para los acuíferosconfinados se define el nivel piezométrico. El nivel piezométrico es una superficie virtual en lacual la presión hidráulica del acuífero iguala a la presión atmosférica. Gráficamente se definemediante las alturas que alcanza el agua dentro de los pozos perforados hasta el acuífero encuestión (Figura N° 2.2.13). Sí la presión hidráulica es muy elevada, el nivel piezométrico puedesuperar la superficie del terreno y al perforar, el agua surge naturalmente para formar un pozosurgente o artesiano.DispersionEnAguasSubterráneas.doc – Lic. Julio Cardini Pág. 23
  24. 24. UTN – REGIONAL CONCEPCIÓN DEL URUGUAYDISPERSIÓN DE CONTAMINANTES EN AGUAS SUBTERRÁNEASLos acuíferos confinados poseen distinta calidad de agua según los suelos y sedimentos queatraviesan. Es habitual que los acuíferos profundos estén localizados en arenas marinasresultando, aguas salobres.El estado de confinamiento ayuda a la preservación de la calidad de agua del acuífero, por ello esmás difícil que se produzca la contaminación del mismo. Pero el confinamiento dificulta la recarga,siendo comunes los problemas de depresión del acuífero por sobre-explotación (Figura N° 2.2.15).Los acuíferos confinados constituyen una de las principales fuentes de agua de consumo a nivelmundial. Figura N° 2.2.15 Sobreexplotación de acuíferosEn la Figura N° 2.2.16 se ilustran las características típicas de acuíferos en la llanura pampeana. Figura N° 2.2.16 Acuíferos típicos en la llanura de Buenos AiresEn síntesis, el flujo en el acuífero es función de la permeabilidad, que es la propiedad de losmateriales de permitir el pasaje del agua. Depende no solo de la cantidad de poros que posee elmaterial (Porosidad n), sino también de la forma e interconexión de los mismos (Porosidadefectiva o eficaz ne). El gradiente hidráulico que representa la variación de las presiones deconfinamiento por unidad de distancia, es el que define el sentido del escurrimiento. Se denominaalmacenamiento al volumen de agua que puede extraerse de un acuífero variando su cargahidráulica.DispersionEnAguasSubterráneas.doc – Lic. Julio Cardini Pág. 24
  25. 25. UTN – REGIONAL CONCEPCIÓN DEL URUGUAYDISPERSIÓN DE CONTAMINANTES EN AGUAS SUBTERRÁNEAS2.3 HIDRÁULICA DE CAPTACIONES: FUNDAMENTOS2.3.1 Tipos de captacionesPara extraer agua del terreno se utilizan diversos tipos de captaciones, por ejemplo1- Pozos excavadosEs probablemente el tipo de captación más antiguo. En la actualidad se excava con máquinas yen rocas duras con explosivos. Sigue siendo la elección más adecuada para explotar acuíferossuperficiales, pues su rendimiento es superior al de un sondeo de la misma profundidad. Otraventaja en los acuíferos pobres es el volumen de agua almacenado en el propio pozo. Diámetro,de 1 a 6 metros o más. Profundidad, generalmente de 5 a 20 metros.2- SondeosSon las captaciones más utilizadas en la actualidad. Los diámetros oscilan entre 20 y 60 cm. y laprofundidad en la mayoría de los casos entre 30 - 40 m. y 300 o más. Si la construcción escorrecta, se instala tubería ranurada sólo frente a los niveles acuíferos, el resto, tubería ciega. VerFigura N° 2.3.1 Figura N° 2.3.1 Ejemplo de un Sondeo para extracción de aguaSe denomina “desarrollo” a los trabajos posteriores a la perforación para aumentar el rendimientode la captación, extrayendo la fracción más fina en materiales detríticos o disolviendo con ácido encalizas.DispersionEnAguasSubterráneas.doc – Lic. Julio Cardini Pág. 25
  26. 26. UTN – REGIONAL CONCEPCIÓN DEL URUGUAYDISPERSIÓN DE CONTAMINANTES EN AGUAS SUBTERRÁNEAS3- GaleríasYa existían galerías para agua en la Mesopotamia en el siglo IV a.C. Con una ligera pendiente, elagua sale al exterior por gravedad, sin bombeo. Se excavan igual que en minería. En las islasCanarias es la captación más frecuente, generalmente con varios km. de longitud. Ver Figura Nº2.3.2. Figura N° 2.3.2 Ejemplo de una Galería para extracción de agua4- DrenesSimilares a las galerías, pero son tubos de pequeño diámetro, perforados con máquina,normalmente hasta unas decenas de metros. Son más utilizados para estabilidad de laderas quepara la utilización del agua. Ver Figura Nº 2.3.3. Figura N° 2.3.3 Ejemplo de Drenes5- Zanjas de drenajeSe utilizan en acuíferos freáticos de muy poco espesor. Profundidad de 2 a 4 metros y longitudesde unas decenas a varios centenares de metros. Se excavan una o varias zanjas, que, siguiendola pendiente topográfica, vierten a un pozo colector desde el que se bombea. Se utilizan tantopara explotación del agua subterránea poco profunda como para el drenaje necesario para laestabilidad de obras.DispersionEnAguasSubterráneas.doc – Lic. Julio Cardini Pág. 26
  27. 27. UTN – REGIONAL CONCEPCIÓN DEL URUGUAYDISPERSIÓN DE CONTAMINANTES EN AGUAS SUBTERRÁNEAS2.3.2 Cono de descensos de un acuífero por bombeoVamos a analizar el comportamiento del agua subterránea cuando se bombea en un sondeovertical. Supongamos que empezamos a bombear en un acuífero libre cuya superficie freáticainicial fuera horizontal. El agua comienza a fluir radialmente hacia el sondeo, y, transcurrido untiempo, por ejemplo unas horas, la superficie freática habría adquirido la forma que se presenta enla Figura N° 2.3.4, denominada cono de descensos. Esto puede apreciarse realmente si en losalrededores del sondeo que bombea existen otros sondeos para observación de los niveles (verFigura N° 2.3.5).La forma convexa del cono se explica así: El agua que fluye radialmente hacia el sondeo tiene queatravesar cada vez secciones menores (las paredes de imaginarios cilindros concéntricos con elsondeo), de modo que, según Darcy, si disminuye la sección, tendrá que aumentar el gradientepara que el producto permanezca constante. Figura N° 2.3.4 Cono de descenso alrededor de un sondeo bombeando (Margat 1962) Figura N° 2.3.5. Corte del cono de descensos. La generatriz del cono corresponde a la ecuación s=f(r)DispersionEnAguasSubterráneas.doc – Lic. Julio Cardini Pág. 27
  28. 28. UTN – REGIONAL CONCEPCIÓN DEL URUGUAYDISPERSIÓN DE CONTAMINANTES EN AGUAS SUBTERRÁNEAS2.3.3 Cono de descensos en acuíferos confinadosEn un acuífero libre, es la superficie freática la que toma la forma del cono de descensos. Encambio, si lo que se bombea es un acuífero confinado o semiconfinado, y suponemos que lasuperficie piezométrica inicial es horizontal, al iniciar el bombeo es dicha superficie la que forma elcono de descensos, y son igualmente válidas las consideraciones anteriores.(ver Figura 2.3.6)En ambos casos, libre y confinado, el agua circula radialmente hacia el sondeo, pero la diferenciaes que en el acuífero libre el agua circula por toda la sección transversal, desde el cono haciaabajo, mientras que en el confinado solamente circula por el propio acuífero. < CAPA IMPERMEABLE < ACUÍFERO < CAPA IMPERMEABLE Figura N° 2.3.6 Cono de descensos en un acuífero confinado. Los cilindros concéntricos representan las superficies equipotenciales, cuya pérdida progresiva de energía queda reflejada en el cono formado por la superficie piezométrica2.3.4 Régimen permanente y variableA medida que pasa el tiempo, el cono de descensos va aumentando tanto en profundidad comoen extensión. Estamos en régimen variable. Si en el sondeo de observación de la Figura N° 2.3.5hemos medido los descensos en varios tiempos sucesivos, observamos que la variación en esepunto (Figura N° 2.3.7.a) es más rápida en los primeros momentos, y progresivamente lavelocidad del descenso se va ralentizando. Esto es debido a que cuando el cono es mayor, paraliberar el mismo volumen de agua necesita un descenso menor: en la Figura N° 2.3.7.b, entre t1 yt2 ha transcurrido el mismo tiempo que entre t3 y t4; si el caudal de bombeo es constante, elvolumen de agua liberado en ambos incrementos de tiempo es el mismo, pero el descenso entret3 y t4 es menor. Figura N° 2.3.7. (a) Descenso en un sondeo de observación en función del tiempo.(b) Las franjas entre t1 - t2 y t3 –t4 han sido producidas en idénticos incrementos de tiempo y presentan en el dibujo la misma superficie (en realidad, el mismo volumen). Por eso los descensos son cada vez menores.DispersionEnAguasSubterráneas.doc – Lic. Julio Cardini Pág. 28
  29. 29. UTN – REGIONAL CONCEPCIÓN DEL URUGUAYDISPERSIÓN DE CONTAMINANTES EN AGUAS SUBTERRÁNEASLas franjas marcadas en la Figura 2.3.7.b) en un acuífero libre se han vaciado de agua, mientrasque si se trata del cono de un confinado reflejan una disminución del potencial hidráulico, quemultiplicado por el coeficiente de almacenamiento indica el volumen de agua liberado. Si elacuífero no recibe alimentación, el descenso continuaría y el diámetro del cono aumentaría sindetenerse. En condiciones naturales, el cono de descensos puede tomar agua de un río, un lago ode otro acuífero. Si esto sucede, los descensos se estabilizan, alcanzándose el régimenpermanente o de equilibrio (Figura N° 2.3.8). En estas condiciones, la forma y tamaño del cono semantienen aunque el sondeo siga bombeando ininterrumpidamente.En la realidad, en muchas ocasiones se produce un régimen quasi-permanente, en el queaparentemente no hay variación con el tiempo, pero en un intervalo de tiempo largo, de variosdías, puede llegar a apreciarse un descenso de unos pocos centímetros. Figura N° 2.3.8 Estabilización de los descensos después de un cierto tiempo de bombeo.2.3.5 Formas del cono según las características del acuíferoSi el acuífero tiene un mayor coeficiente de almacenamiento (S) o porosidad eficaz (ne), losdescensos serían menores, ya que el acuífero proporciona más agua, y por tanto el tamaño delcono sería menor (Figura N° 2.3.9.a)Si el acuífero tiene una mayor transmisividad (T), la pendiente necesaria para que el agua circuleserá menor.(Figura N° 2.3.9.b) Figura N° 2.3.9 (a) A igual transmisividad, el cono es mayor cuánto más bajo es el Coeficiente de Almacenamiento. (b) A igual Coeficiente de Almacenamiento la pendiente del cono aumenta cuánto más baja es la transmisividad.DispersionEnAguasSubterráneas.doc – Lic. Julio Cardini Pág. 29
  30. 30. UTN – REGIONAL CONCEPCIÓN DEL URUGUAYDISPERSIÓN DE CONTAMINANTES EN AGUAS SUBTERRÁNEAS2.3.6 Fórmulas que expresan la forma del cono de descensosDesde mediados del siglo XIX se intentó encontrar expresiones matemáticas que reflejaran laforma y evolución del cono de descensos. Es evidente la utilidad de estas expresiones en lapráctica: podremos evaluar la influencia que tendrá un bombeo en puntos vecinos; si el radio denuestro bombeo podría llegar a una zona determinada en la que se infiltra agua contaminada, ocalcular si será preferible extraer el caudal necesario mediante un solo sondeo de mayor caudal ocon varios de menor caudal, etc.Observamos en la Figura N° 2.3.5 que la ecuación del cono ha de ser s=f(1/r) [s=descenso,r=distancia], es decir, a más distancia, menor descenso. Será función del caudal (Q): sibombeamos un mayor caudal generaremos un cono mayor. En régimen variable, será ademásfunción del tiempo: s=f(1/r, t).En ambos casos, variable o permanente, será función del acuífero: mejor acuífero, menoresdescensos. Pero existe una diferencia fundamental: en régimen permanente, el acuífero ya noaporta agua por vaciado de poros (libre) o por descompresión (confinado), sino que solamentetransmite el agua radialmente hacia el sondeo que bombea. Por tanto, si se trata o no de un “buenacuífero” en régimen permanente dependerá de la transmisividad (T), mientras que en régimenvariable dependerá de la transmisividad y del Coeficiente de Almacenamiento (S), que en unacuífero libre corresponde a la porosidad eficaz (ne).En resumen, las fórmulas que reflejen la forma del cono han de ser así:Régimen permanente: s = f (1/r, Q, 1/T)Régimen variable: s = f (1/r, t, Q, 1/T, 1/S)2.3.6.1 Supuestos BásicosLas fórmulas más sencillas que nos expresan la forma del cono de descensos se refieren al casomás simple posible que reúne las siguientes características:- Acuífero confinado perfecto- Acuífero de espesor constante, isótropo y homogéneo- Acuífero infinito- Superficie piezométrica inicial horizontal (=sin flujo natural)- Caudal de bombeo constante- Sondeo vertical, con diámetro infinitamente pequeño (=agua almacenada en su interior despreciable)- Captación “completa” (= que atraviese el acuífero en todo su espesor)Posteriormente, las formulaciones básicas, válidas para esas condiciones ideales, se vancomplicando para adaptarse al incumplimiento de una u otra de las condiciones referidas: acuíferosemiconfinado o libre, acuífero que se termina lateralmente por un plano impermeable, bombeovariable, etc..2.3.6.2 Ecuaciones de un Pozo en Régimen permanenteAl estar en régimen permanente, el caudal (Q) que estamos extrayendo es el mismo que, fluyendoradialmente hacia el sondeo, está atravesando cualquier cilindro concéntrico con el sondeo(Figura N° 2.3.10).DispersionEnAguasSubterráneas.doc – Lic. Julio Cardini Pág. 30
  31. 31. UTN – REGIONAL CONCEPCIÓN DEL URUGUAYDISPERSIÓN DE CONTAMINANTES EN AGUAS SUBTERRÁNEAS < CAPA IMPERMEABLE < ACUÍFERO < CAPA IMPERMEABLE Figura N° 2.3.10. Acuífero confinado en régimen permanenteAplicamos la ley de Darcy al flujo del agua subterránea a través de una de esas seccionescilíndricas, de radio r medido desde el eje del sondeo: Q=K.A.idonde:Q = caudal que atraviesa la sección de área A (caudal constante que está siendo bombeado)A = sección por la que circula el agua = 2. π . r . b [ b = espesor del acuífero]K = permeabilidad del acuíferoi = gradiente hidráulico = dh/drIntegrando entre r1 y r2 (Figura N° 2.3.9)Como h2 – h1 = s1 – s2 (Figura N° 2.3.11 Figura N° 2.3.11. Niveles y Descensos en dos puntos de observación.DispersionEnAguasSubterráneas.doc – Lic. Julio Cardini Pág. 31
  32. 32. UTN – REGIONAL CONCEPCIÓN DEL URUGUAYDISPERSIÓN DE CONTAMINANTES EN AGUAS SUBTERRÁNEASLa fórmula no es válida para acuíferos libres, ya que a medida que el agua se acerca radialmenteal sondeo no sólo disminuye la sección al disminuir el radio del cilindro imaginario que atraviesa elagua, sino también disminuye la altura de dicho cilindro. Además, el flujo ya no es horizontal comoen el caso expuesto del confinado. No obstante, el error es aceptable si los descensos producidosson despreciables frente al espesor saturado del acuífero; habitualmente se acepta si losdescensos no superan el 10% de dicho espesor, aunque esto en acuíferos libres de poco espesor(por ejemplo, aluviales) no se cumple.Aplicación de la fórmula si conocemos la Transmisividad del acuífero: Necesitamos también un puntode observación (en otro sondeo, a una distancia r1 del que bombea, el descenso estabilizado es des1 metros). Con esos datos y el caudal de bombeo Q, podremos calcular el descenso a cualquierdistancia. Un caso especial sería el cálculo del radio del cono o radio de influencia, R ; bastacalcular la distancia a la que el descenso es 0.2.3.6.3 Ensayos de bombeoLos ensayos de bombeo se realizan in situ con objetivos que incluyen:• Determinación de los parámetros hidrogeológicos de conductividad hidráulica, coeficiente de almacenamiento• Determinación de la cantidad/calidad del suministro de agua• Determinación de la sostenibilidad de la producción máxima• Evaluar el impacto del descenso de nivel en los pozos vecinos 6• Proporcionar datos de base sobre las características y comportamiento del pozo (Daly, 1994).La gama de ensayos a pequeña escala que dan lugar a una pequeña descarga del pozo y que seusan para determinar K incluyen:• Ensayos a presión ascendente y descendente.• Ensayos de varilla y gancho• Ensayos a presión constante• Ensayos de obturador• Ensayos de trazadoresLos ensayos a mayor escala que implican una mayor descarga del pozo, y que se utilizan paradeterminar cantidad, calidad y comportamiento incluyen:• Ensayos de descenso de nivel por etapas • Ensayos de descarga constanteLos ensayos se describen con mayor detalle en la mayoría de los textos de hidrogeología. En elensayo a presión ascendente descendente se introduce rápidamente en el pozo un volumen fijode agua, suficiente para producir un aumento instantáneo del nivel de agua. Se registra el nivel deagua del pozo a medida que va descendiendo con el agua deslizándose hacia el acuífero. En elensayo de altura ascendente, se saca una cantidad fija. Cuando se representan los cambios enaltura frente al tiempo, se puede determinar la conductividad hidráulica (Daly, 1992). Los demásensayos a pequeña escala son variaciones de éste. En los ensayos a gran escala, se puedendeterminar la producción del pozo en cantidad y calidad así como los parámetros que definen elcomportamiento del mismo. Se registran los niveles del pozo y de pozos testigos de observaciónasí como en los cauces cercanos antes del ensayo de bombeo. El ensayo típicamente sobrepasalas 24 horas y normalmente es de 72 horas, durante las cuales o bien se mantiene una tasa debombeo o bien se establecen una serie de tasas de bombeo constantes, por ejemplo comenzandoa 40 m3/h durante 6 horas seguidos de 35 m3/h durante 6 h, etc. Las medidas de descenso denivel se representan a intervalos de tan sólo 30 s durante los primeros 30 minutos hasta unas 2 a3 hs al segundo y tercer día.6 Lo que se denomina afección (o afectación)DispersionEnAguasSubterráneas.doc – Lic. Julio Cardini Pág. 32
  33. 33. UTN – REGIONAL CONCEPCIÓN DEL URUGUAYDISPERSIÓN DE CONTAMINANTES EN AGUAS SUBTERRÁNEAS2.3.6.4 Determinación de Conductividad K con pozo en régimen estacionarioEn este punto vamos a re-escribir las ecuaciones de forma de determinar los parámetros delsuelo. La Figura N° 2.3.12 representa el flujo radial a un pozo en un acuífero confinado. Figura N° 2.3.12 Flujo en régimen estacionario en un acuífero confinadoEs de interés determinar los parámetros de conductividad hidráulica K y transmisividad T.Para ello el pozo de bombeo se rodea de dos pozos de observación no para bombeo, como semuestra en la Figura N° 2.3.13 (en este caso, para un acuífero libre). Figura N° 2.3.13 Flujo de régimen estacionario de un acuífero libre, con pozos de observaciónEl flujo se considera bidimensional y el acuífero se supone homogéneo e isótropo. De la ley deDarcy, dh dh Q = KA = K × 2πrb dx drdonder = distancia radial hasta un punto arbitrario en la curva de extracciónb = altura (espesor del acuífero, en el caso confinado)es decir el volumen πr 2 b es el volumen del acuífero disponible para producir agua. La integracióndespués de la separación de variables resulta en: h − hw Q = 2πKb ln(r / rw )DispersionEnAguasSubterráneas.doc – Lic. Julio Cardini Pág. 33
  34. 34. UTN – REGIONAL CONCEPCIÓN DEL URUGUAYDISPERSIÓN DE CONTAMINANTES EN AGUAS SUBTERRÁNEASPara la deducción de la ecuación véase Bras (1990): Q ⎛r ⎞ T = Kb = ln⎜ 2 ⎟ 2π (h2 − h1 ) ⎜ r1 ⎝ ⎟ ⎠donde T es la transmisividad del acuífero.Donde los pozos de observación, h1, y h2, están adyacentes uno al otro a una distancia radial r1 yr2 de la línea central del pozo y r2 >r1.La Figura N° 2.3.13 es un esquema del flujo radial a un pozo en un acuífero libre.La ecuación de Darcy es dh Q = 2π rKh drIntegrando h2 − h12 2 Q = πK ln(r2 / r1 ) Q ⎛r ⎞ K= ln⎜ 2 ⎟ π (h − h1 ) ⎜ r1 2 2 2 ⎝ ⎟ ⎠Dónde h1 = altura del nivel freático en el pozo de observación 1 a una distancia radial r1 y h2 es la altura del nivel freático en el pozo de observación 2 a una distancia radial r2 (r2 > r1).Gráficamente, se puede calcular representando los descensos del nivel de agua en función delog(r) (Figura N° 2.3.14). Si disponemos de más de dos puntos de observación, como en la figura,el trazado de la recta será más fiable. Se obtiene una recta, ya que en la fórmulas anteriores losdescensos son una función lineal de los logaritmos de las distancias. El radio del cono se leedirectamente, y de la pendiente de la recta se calcula la transmisividad T. A mayor T, menorpendiente: pensemos que ese gráfico es una imagen deformada del cono de descensos, yhabíamos visto que al aumentar la transmisividad, disminuía la pendiente del cono. Figura N° 2.3.14 . Datos para un bombeo de ensayo en régimen permanente con varios pozosDispersionEnAguasSubterráneas.doc – Lic. Julio Cardini Pág. 34
  35. 35. UTN – REGIONAL CONCEPCIÓN DEL URUGUAYDISPERSIÓN DE CONTAMINANTES EN AGUAS SUBTERRÁNEAS3 CONTAMINACIÓN DEL AGUA SUBTERRANEA3.1 INTRODUCCIÓNEl agua subterránea por su ubicación en el subsuelo, está más protegida de la contaminación queel agua atmosférica y el agua superficial, del aire y el suelo.Pese a ello puede ser vulnerada por diferentes tipos de contaminantes. Estos pueden ser deorigen orgánico, inorgánico y también de acciones resultantes que modifican sus característicasfísicas (temperatura). Los contaminantes orgánicos vivos (bacterias o virus) se encuentran ensuspensión, los orgánicos inertes (derivados de compuestos químicos e hidrocarburos) puedenestar en solución o suspensión en función de su solubilidad y los inorgánicos, predominantementeen solución.La contaminación es la alteración de las propiedades físicas, químicas y/o biológicas del agua porla acción de procesos naturales o artificiales que producen resultados indeseables. Lascaracterísticas físicas más comunes son: temperatura, pH, turbidez, olor, color y las químicas:SDT, tipo y concentración aniónica, tipo y concentración catiónica, otros compuestos solubles, etc.Las características biológicas: modificación de la composición biológica natural, ya seaintroduciendo nuevos organismos o eliminando los existentes.Además la contaminación puede ser natural y artificial y esta última, directa o inducida.Natural. Es común, la salinización por contacto con sedimentos marinos y salinos, o yacimientosmetalíferos (Pb, Hg, Zn, Cu, Ag), no metalíferos o radiactivos y la incorporación de oligoelementoscomo F y As, a partir de sedimentos de origen volcánicos.Artificial directa. Es la más frecuente y se la puede clasificar de acuerdo al sitio donde seproduce o a la actividad que la genera (urbana y rural) o (doméstica, industrial, agropecuaria).Urbana: vertidos domésticos; residuos de los escapes de los motores; pérdidas en las redescloacales; lixiviados de basuras o rellenos sanitarios (Figura Nº 3.1.1); humos y desechos líquidos,sólidos y semisólidos de la industria (Figura Nº 3.1.2).Rural: el origen de los contaminantes y las fuentes de polución, son actividades agrícolas yganaderas.Doméstica: vertido de jabones, detergentes, lavandina, materia orgánica (alimentos, fecal, basuraen general). Cuando no se dispone de desagües cloacales, el resultado es la generación deambientes propicios para la reproducción bacteriana y la formación de NH3, NO2- y NO3-(nitratos).Industrial: Contaminación de la atmósfera por la eliminación de humos y otros compuestosgaseosos y del suelo y el agua por vertidos líquidos, sólidos y semisólidos. Además por lainfiltración de los contaminantes atmosféricos, que caen solos o arrastrados por la lluvia.DispersionEnAguasSubterráneas.doc – Lic. Julio Cardini Pág. 35
  36. 36. UTN – REGIONAL CONCEPCIÓN DEL URUGUAYDISPERSIÓN DE CONTAMINANTES EN AGUAS SUBTERRÁNEAS Figura Nº 3.1.1 Fuentes de contaminación originadas en rellenos o depósitos de residuos Figura Nº 3.1.2 Fuentes de contaminación originadas en residuos enterradosDispersionEnAguasSubterráneas.doc – Lic. Julio Cardini Pág. 36
  37. 37. UTN – REGIONAL CONCEPCIÓN DEL URUGUAYDISPERSIÓN DE CONTAMINANTES EN AGUAS SUBTERRÁNEASAgropecuaria: Empleo de plaguicidas y fertilizantes para mejorar la productividad. Los primeros(organoclorados u organofosforados), son altamente tóxicos (DDT, Aldrín, Dieldrín, Paratión,Malatión, Folidol, etc.). Fertilizantes (materia nitrogenada, fósforo y potasio). La materianitrogenada se oxida a NO3- que es muy soluble, estable y móvil, mientras que el P, el K y susderivados son fijados con facilidad por las partículas arcillosas del suelo.Otra fuente de contaminación en el ámbito rural, es la producida por las heces del ganado encorrales, tambos y bebederos, y especialmente en los feed lots, que concentran altas cargas demateria orgánica. En estos casos al deterioro en la calidad bacteriológica, hay que agregarle unfuerte incremento en el tenor de NO3-.La solubilidad, movilidad y degradabilidad, condicionan el comportamiento del contaminante enrelación a su permanencia y perdurabilidad en el medio. Así, las bacterias provenientes de losvertidos fecales, rara vez subsisten mas de 50 días en el agua si esta no posee una adecuadaconcentración de materia orgánica.Los NO3- por su parte pueden mantenerse en solución en forma casi indefinida, salvo que seanreducidos a NO2-, N2, NH3 o NH4+(amonio), por el potencial redox del medio o por actividadbacteriana.Artificial inducida. Es la que deriva de la sobreexplotación; la más común es la salinización enacuíferos costeros, o por ascenso de agua salada de fondo en acuíferos continentales (Figura Nº3.1.3). agua dulce alta K baja K agua salada alta K Figura N° 3.1.3. Contaminación artificial inducida.DispersionEnAguasSubterráneas.doc – Lic. Julio Cardini Pág. 37
  38. 38. UTN – REGIONAL CONCEPCIÓN DEL URUGUAYDISPERSIÓN DE CONTAMINANTES EN AGUAS SUBTERRÁNEAS3.2 TIPOS DE CONTAMINANTES Y SUS FUENTES DE EMISION3.2.1 Problemas de calidad del agua subterránea naturalLos principales problemas de calidad del agua subterránea natural vienen causados la dureza,hierro, manganeso, sulfuro de hidrógeno, sulfato y cloruro sódico. Con la excepción de la dureza ydel cloruro sódico, plantean problemas ocasionales en los acuíferos pequeños y pobres más queen los acuíferos importantes. (Kiely, 1998), en base a una adaptación de Daly (1991b).Dureza. El agua subterránea que pasa a través de la caliza disuelve los compuestos de calcio ymagnesio que provocan la dureza. En consecuencia, las aguas duras son comunes en las zonascalizas, con concentraciones de dureza totales que varían de 200 a 400 mg/l. Esto puede serbeneficioso para la salud y dar un gusto agradable. Por el contrario, niveles muy altos pueden seruna molestia, debido a la formación de incrustaciones en cacerolas, tuberías y calderas.Hierro y manganeso. La concentraciones en exceso de hierro no suelen causar problemas desalud pero son preocupantes por razones estéticas y de gusto. Cuando se extrae de un pozo o delgrifo, el agua puede ser incolora pero, al entrar en contacto con aire, el hierro precipita para formarun depósito rojizo-marrón que recuerda al herrumbre. Esto da un gusto metálico al agua y manchalas tuberías y la ropa. El manganeso produce una coloración negra del agua.El origen del hierro pueden ser minerales ferrosos en las rocas y suelos, la contaminación porresiduos orgánicos u ocasionalmente la corrosión de los accesorios de hierro en el sistema dedistribución de agua. El agua subterránea de ciertos tipos de roca tales como calizas fangosasoscuras, pizarras y arenisca y de zonas de turba puede contener concentraciones muy altas dehierro. La ruptura de residuos orgánicos de fosas sépticas, granjas y otras fuentes puede producirla formación de dióxido de carbono y condiciones deficitarias en oxígeno y puede disolver el hierroen el agua subterránea. El manganeso se suele asociar frecuentemente con el hierro aunque esmenos predominante. También es un buen indicador de contaminación por residuos con alta DBO,como el efluente de silos agrícolas.Sulfuro de hidrógeno. El sulfuro de hidrógeno es un gas reconocible por su olor a «huevospodridos». Sólo está presente en agua desoxigenada, de rocas como arcilla negra, como calizas 7o pizarras 8 que contienen pirita 9, o de lechos de evaporita 10. Suele asociarse con el de hierro.Sulfato. Pueden darse concentraciones significativas de sulfato, donde lentes de evaporita encalizas han producido niveles de sulfato de hasta 800 mg/l Los problemas causados por estosconstituyentes pueden resolverse mediante sistemas de tratamiento de agua y, donde sea posible,eliminando las fuentes de contaminación.Cloruro sódico. La intrusión salina en los acuíferos puede dar lugar a altos niveles de NaCI en elagua subterránea. Los problemas se presentan en zonas donde las rocas son muy permeables ydonde hay un bajo gradiente hidráulico. El problema puede exacerbarse por pozos de extracciónde aguas subterráneas cercanos a la costa.7 Roca sedimentaria que contiene carbonato de cal o de magnesio.8 Rocas que se dividen fácilmente en lajas o láminas según planos paralelos entre sí, pero que son muy resistentes a larotura en sentido perpendicular. Procede de sedimentos arcillosos que han sufrido metamorfosis.9 Mineral de fórmula S Fe que cristaliza en forma característica. Con frecuencia el Fe se encuentra sustituido por Ni oCo. La pirita es el Sulfuro más abundante de todos; se puede encontrar en cualquier medio geológico10 Tipo de sedimento que se produce al evaporarse el agua de mares y lagos de baja profundidad, y que es indicativo decondiciones de aridez.DispersionEnAguasSubterráneas.doc – Lic. Julio Cardini Pág. 38
  39. 39. UTN – REGIONAL CONCEPCIÓN DEL URUGUAYDISPERSIÓN DE CONTAMINANTES EN AGUAS SUBTERRÁNEAS3.2.2 Actividades potencialmente contaminantesSe presenta una lista general de actividades potencialmente contaminantes (Tabla 3.2.1), con suscaracterísticas clasificadas. Algunas de las actividades que generan riesgo serio de contaminaciónen países en desarrollo son comparables a aquellas que ocurren en países altamenteindustrializados, pero las que presentan la amenaza más seria en las naciones en desarrollodifieren significativamente, de sus similares en otros lugares.La diferencia entre contaminación de fuentes puntuales a identificables y contaminación difusa esde importancia fundamental, especialmente en la consideración de las medidas de control.Los compuestos de nitrógeno en las excretas no representan un peligro tan inmediato para lasaguas subterráneas, pero pueden causar problemas mucho mas amplios y persistentes. Unaindicación de la contaminación potencial de aguas subterráneas por nitratos proveniente de lasunidades de disposición de excretas in-situ proviene de las siguientes consideraciones: unapoblación de 20 personas/ha representa una descarga de hasta 100 kg/ha/año al suelo, la que, sifuera oxidada y lixiviada con 100 mm/año de infiltración, podría resultar en una recarga local deaguas subterráneas con una concentración de 100 mg N03-N/litro (nitrato). En la práctica sedesconoce la proporción de nitrógeno depositado que será lixiviado, y, como consecuencia devarios procesos, se producirá dilución y reducción. Sin embargo, se puede esperar que lossistemas de saneamiento sin alcantarillado causen frecuentemente incrementos en laconcentración de nitratos de las aguas subterráneas, incluso en climas relativamente húmedos. Esprobable que provoquen mayores problemas en zonas áridas que no tienen un significativo flujoregional en el acuífero. En los sistemas anaeróbicos de aguas subterráneas con nivel freáticopoco profundo, la migración de amonio NH4+ (en vez de nitratos) puede causar problemas locales.Figura N° 3.2.1 Incrementos en la concentración de nitrato en aguas subterráneas de pozos municipales del gran Buenos Aires. (Algunas fuentes debieron ser abandonadas dada la alta contaminación por nitrato)DispersionEnAguasSubterráneas.doc – Lic. Julio Cardini Pág. 39
  40. 40. UTN – REGIONAL CONCEPCIÓN DEL URUGUAYDISPERSIÓN DE CONTAMINANTES EN AGUAS SUBTERRÁNEAS Tabla 3.2.1 Actividades potencialmente generadoras de cargas contaminantes Características de la Carga Contaminante Actividad Categoría de Princ. Tipos de Sobrecarga Hid. Descarga bajo Distribución Contaminante Relativa nivel del SueloUrbanizaciónSaneamiento sin alcantarillado u/r P-D nfo (+) *Fugas de alcantarillado (a) u P-L ofn (+) *Lagunas de oxidación de aguas servidas sin u/r P ofn (++) *revestimiento (a)Descarga de aguas servidas sobre el terreno (a) u/r P-D nsof (+)Descarga de aguas servidas a rios (a) u/r P-L nof (++) *Lixiviación de rellenos sanitarios a vertederos de u/r P osm *basura (a)Tanques de combustibles. u/r P-D o *Drenaje de carreteras. u/r P-D no (+) *Desarrollo Industrial.Fugas de tanques y tuberías (b) u P-D on *Derramamiento de productos químicos u P-D om (+)Lagunas de agua de procesamiento y efluentes sin u P oms (++) *revestimiento.Descarga de efluentes sobre el terreno u P-D oms (+)Descarga de efluentes a rios u P-L oms (++) *Lixiviado de relleno de residuos sólidos u/r P oms *Drenaje de patios u/r P on (++) *Deposición aereal. u/r D soPrácticas Agrícolas (c)a. CULTIVOS - Con productos agroquimicos r D no - y con irrigacion r D nos (+) - y con estiércol, lodo, desperdicios r D nos - y con irrigacion de aguas residuales r D nosf (+)b. CRÍA DE GANADO/PROCESAMIENTO DE COSECHAS - lagunas de efluentes sin revestimiento. r P fon (++) * - descarga de efluentes sobre el terreno. r P-D nsof - descarga de efluentes a ríos. r P-L onf (++) *Extracción mineralCambio de régimen hidráulico. r/u P-D sn *Descarga de aguas de drenaje r/u P-D mn (++) *Lagunas de agua de procesamiento o lodo (barros) r/u P ms (+) *sin revestimientoLixiviado de rellenos de residuos solidos r/u P nm *(a) Puede incluir componentes industriales.(b) También puede ocurrir en áreas no industriales.(c) La intensificación de cultivo presenta mayores riesgos de contaminación.u/r urbano/rural o compuestos microorgánicos sintéticos y/o carga orgánicaP/L/D puntual/línea/difusa s salinidadn nutrientes m metales pesadosf patógenos fecalesDispersionEnAguasSubterráneas.doc – Lic. Julio Cardini Pág. 40
  41. 41. UTN – REGIONAL CONCEPCIÓN DEL URUGUAYDISPERSIÓN DE CONTAMINANTES EN AGUAS SUBTERRÁNEASSi las aguas grises también se descargan a los sistemas de saneamiento in-situ, esto conducirá, alargo plazo, a exponer las aguas subterráneas a riesgo de una seria contaminación adicionalcomo consecuencia de la diseminación progresiva de productos químicos domiciliarios quecontienen un rango y una concentración creciente de compuestos orgánicos sintéticos. No seconoce lo suficiente sobre el comportamiento de estos compuestos en las aguas subterráneas,pero los desinfectantes con diclorobenceno son un ejemplo del problema potencial que existe.En los lugares donde se justifican técnica y económicamente, se pueden considerar numerosasmedidas para reducir el riesgo o la escala de contaminación de las aguas subterráneas porsistemas de saneamiento in-situ. Estas medidas incluyen modificaciones en los diseños parareducir la profundidad de descarga y la carga hidráulica, la incorporación de un medio filtranteartificial, la eliminación de residuos sólidos nitrogenados y la estimulación de una desnitrificaciónin-situ. Las medidas para atenuar contaminación también podrían incluir recomendacionesmínimas de separación entre las unidades de disposición de excretas y las fuentes de aguassubterráneas para abastecimientos de agua potable. Sin embargo, bajo condicioneshidrogeológicas desfavorables, ambas tecnologías de bajo costo, el abastecimiento por pozossomeros de agua potable y los sistemas de saneamiento in-situ, pueden resultar incompatibles. Figura N° 3.2.2 Distribución de Nitrato en las aguas subterráneas de los distritos General San Martín, Tres de Febrero y Lomas de Zamora del gran Buenos Aires en relación con el Desarrollo Urbano e Industrial.3.2.3 Otras actividades urbanas e industriales contaminantesEn muchos países aún continúan sin alcantarillado extensos sectores de áreas urbanas ymarginales. Un creciente número de industrias y actividades (tales como textilerías, talleres demetales y de vehículos, imprentas, curtiembres, estaciones de combustible, etc.) con frecuenciatiende a localizarse en forma dispersa en estas áreas. La mayoría de estas industrias generaefluentes líquidos, tales como aceites y solventes.DispersionEnAguasSubterráneas.doc – Lic. Julio Cardini Pág. 41

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