Agua subterránea: Estudio de su comportamiento e impactos ambientales

Se conoce como agua subterránea a toda agua presente debajo de la superficie terrestre.
Hidrogeología: estudio del comportamiento del agua subterránea.
Hidrogeología Ambiental: estudio del medio subterráneo para describir y predecir procesos de impacto ambiental
relacionados con el transporte y destino final de contaminantes.
Figura 1: esquema de las diversas posibilidades de presencia de agua en el medio subterráneo y su interaccion
con el ciclo hidrológico.
Ciclo hidrológico: Resulta inadecuado aislar los procesos del agua subterránea de los procesos del agua superficial
y el agua atmosferica
..
El agua subterránea se encuentra en condiciones saturadas en acuíferos libres o confinados
Condiciones subturadas franja substarurada del suelo por encima del nivel freático.
Cada estado tiene dinamicas y presenta condiciones distintas para interacturar con sustancias contaminantes.
La dinamica de flujo del agua en el medio subterráneo es más lenta que en el medio superficial
Mientras la velocidad media en un rio es en el orden de m/s, en el medio subterráneo puede estar en el orden de
m/año.
Cualquier sustancia contaminante que se incorpore al agua subterrenea solo podra ser evacuada a traves de
procesos naturales en escalas de tiempo considerable.

saturada, los principios de modelación de transporte de contaminantes en acuíferos, una descripción de las medidas de proteccion
del agua subterránea y una introducción a tecnologias de remediación de acuíferos contaminados.
Figura 1. Agua en el medio subterráneo y su relacion con el ciclo hidrológico.
2. FLUJO DE AGUA EN MEDIOS POROSOS. ACUÍFEROS. CARACTERÍSTICAS HIDROGEOLÓGICAS
Definición de Poro

Variabilidad de las formaciones geológicas

. Estrategia de control de la contaminación: en aguas superficiales la estrategia de control de contaminación se
orienta a controlar la fuente del contaminante, en aguas subterráneas se pone enfasis en la prevención de la
contaminación para lo cual es necesario poder predecir procesos y calificar potenciales impacto s
Medio Contaminado: la estrategia debe orientarse la remediación que consiste en diversas tecnologias que permitan
acelerar la recuperacion del impacto causado o aislar la region ya afectada.
Fenómenos de contaminación: algunos pocos son de origen natural, la mayoría son de causados por el hombre y
estan relacionados con procesos de sobreexplotación o de negligencia en la disposicision de residuos o material
contaminante.
Hidrogeología ambiental - presencia de incertidumbre: variabilidad Fm geogolicas e incertidumbre generada por el
hecho de que el medio subterráneo es solo parcialmente accesible a monitoreos y evaluacion in situ.
Descripción de propiedades: las caractersíticas del medio solo son conocidas en puntos especificos, mediante
experimentos de campo sujetas a considerables fuentes de error, y deben ser extrapoladas para caracterizar regiones
extensas.

2. FLUJO DE AGUA EN MEDIOS POROSOS. ACUÍFEROS. CARACTERÍSTICAS HIDROGEOLÓGICAS
Depositos no consólidados
Grava: 25-40 %
Arena: 25-50 %
Arena fina: 35-50 %
Arcilla: 40-70 %
Rocas :1) Basalto fracturado:5-50 % 2) Rocas karsticas: 5 – 50% 3) Rocas sedimentarios
5-30% 4)Dolomitas 0- 20 % 5) cristalinas fracturadas 0-10 % Cristalinas Densas : 0-5 %
Porosidad: Se define como porosidad de una matriz porosa al cociente entre el volumen
de poros y el volumen del medio poroso
n = volumen de poros / volumen del medio poroso

Para la mayoría de los problemás de relevancia practica se consideran que las
formaciones geológicas presentan propiedades anisotrópicas y homogéneas.
De tal manera que existen distintas permeabilidades en las dos direcciones
horizontales y en la direccion vertical, si bien estas diferencias se pueden
considerar constantes a lo largo de la formacion geológica de interés.
Propiedades de la matriz porosa
Isotropía: las propiedades son iguales en en las tres dimensiones espaciales.
Homogeneidad: cuando el medio tiene las mismás propiedades promedio en todos los
puntos del espacio.

Tipos os de acuíferos
Un Acuífero es una formación geológica, o un estrato geológico, que contiene agua y
que permite que haya un flujo neto de agua considerable bajo gradientes hidrualicos
ordinarios.
Acuífero libre: es un acuífero que tiene por limite superior una superficie libre o nivel
freático. Por encima del nivel freático existen una franja de capilar. Los acuíferos libres
son recargados naturalmente por infiltración desde la superficie del suelo y constituye
un medio de acceso de contaminantes.
Acuífero confinado: también se lo conoce como acuíferos a presión, es un acuífero que
esta limitado por arriba y por abajo por formaciones (relativamente) impermeables.
Acuífero artesiano es un acuífero confinado en el que la superficie de la piezométrica es
superior al nivel del suelo.
Acuitardo: es una formación geológica o estrato geológico que permite el flujo de agua
pero solo a tasa muy lentas comparadas con un acuífero. En general los acuitardos no
presentan una disponibilidad de agua que permita sustentar una explotacion economica.

.
Conservación de la mása: Ecuación de Continuidad
La ecuación de balance de mása en un medio poroso es,
Para el caso en que se puede asumir que la densidad del agua ρ y la porosidad
n constantes la ecuación se resume a la divergencia del campo de velocidades
Div u= 0
0
)
(
)
( 






 i
i
u
x
n
t
t
h
S
n
t
n
dp
d
g
S
t
h
n
dp
d
g
n
t
p
f
n
c
T
p
c
T
p
n
n
s
s























)
(
)
(
)
(
)
(
,..)
(
)
,
,
(
)
,
,
(

.
• Ley de Darcy
• El flujo en los medios porosos se puede modelar mediante la Ley de Darcy que es una relacion
experimental entre el gradiente hidraulico y la velocidad macroscópica del flujo.
•
z
h
K
u
y
h
K
u
x
h
K
u
x
h
K
u
z
z
i
y
y
x
x
i
i
i
















K
se
conoce
como/s
K=

• Formacion K(cm/s)
• Grava limpia 103 hasta 1
• Arena o arena con grava 1 hasta 10-3
• Arena fina y sedimentos 10-2 hasta 10-6
• Sedimentos arcillosos y arcilla 10-5 hasta 10-9

Hidrodinámica del medio subterráneo – Ley de Darcy

Acuífero Libre
–
0
2
2
2
2
2
2









z
h
y
h
x
h
0
)
(
)
(
)
( 














z
h
K
z
y
h
K
y
x
h
K
x
z
y
x

Acuifero Libre reemplazando la ecuación de la Ley de Darcy
0
)
(
)
(
)
( 














z
h
K
z
y
h
K
y
x
h
K
x
z
y
x
Kx = Ky = Kz = K
n

dz
K
T
h
z
x
i
b


t
h
n
y
h
T
y
x
h
T
x
e
y
x












)
(
)
(

• La transmisibilidad o transmisividad hidráulica de un
acuífero es la tasa de flujo bajo un determinado
gradiente hidráulico a través de una unidad de unidad de
anchura de acuífero de espesor dado, y saturado. Es el
producto del espesor saturado de dicho acuífero y
la conductividad hidráulica (K). Se mide en una unidad
de superficie dividido en una unidad de tiempo. Tiene
dimensiones: [m2]/[día] o L2*T-1

Auifero Confinado
Se permiten cambios en la matrí porosa - S s capacidad del acuífero de acomodarse a los cambios;
t
h
S
z
h
K
z
y
h
K
y
x
h
K
x
s
z
y
x

















)
(
)
(
)
(
Acuíferos isotrópicos y homogéneos Tx = Ty = T
t
h
K
S
z
h
y
h
x
h s











2
2
2
2
2
2

1. CONTAMINACIÓN DE ACUÍFEROS
• La contaminación se manifiesta mediante la alteracion de las propiedades físicas,
químicas y/o biologicas del medio subterráneo por la accion de procesos naturales o
artificiales que producen resultados indeseables. Los principales parámetros de
interés son,
•
• · Caracterisiticas físicas: temperatura, sólidos disueltos totales (SDT), turbidez,
olor
• · Caractersíticas químicas: concentración aniónica, tipo y concentración
cationica, presencia de otros compuestos solubles
• · Caractersíticas biologicas: modificación de las comunidades de organismos
vivos existentes en el medio

CONTAMINACIÓN DE ACUÍFEROS
• Las causas de la contaminación se pueden clasificar como: naturales, artificiales
directas o inducidas. A diferencia de la natural, la contaminación artificial es debida
a actividades antrópicas.
• Natural: por ejemplo la salinizacion por contacto con sedimentos marinos y salinos,
o yaimientos metaliferos (Pb, Hg, Zn, Cu), no metaliferos o radiativos y la
incorporacion de oligoelementos como F y As a partir de sedimentos volcanicos.
•
• Artificial directa: es la más frecuente y se puede clasificar de acuerdo a la actividad
que la genera,
• · Urbana: vertidos urbanos, residuos de escapes de los motores, perdidas en las
redes cloacales, lixiviados de basuras o rellenos sanitarios, humos y desechos
líquidos, sólidos y semisólidos de la industria.

 Domestica: vertido de jabones, detergentes, lavandina, materia organica
(alimentos, fecal, basura en general). Cuando el vertido es directo al medio
subterráneo se genera un ambiente propicio a la reproduccion bacteriana y la
formacion de NH#, NO2- y NO3-.
· Industrial: genera contaminación de la atmosfera mediante la eliminacion de
compuestos gaseosos, que precipitan solos o mediante lluvias para infiltrase en los
suelos, y directamente al medio subterráneo por vertido de líquidos, sólidos y
semisólidos.
La industria genera la mayor variedad y cantidad de contaminantes. Entre los que se
cuentan compuestos orgánicos, metales pesados, hidrocarburos, plaguicidas, etc.
· Agropecuaria: principalmente debido al uso de plaguicidas y fertilizantes para
mejorar la productividad de la actividad. Los plaguicidas (organoclorados –
organofosfados, tales como DDT, Aldrin, Dieldrin, Paration, Malation, Folidol, etc.).
Entre los fertilizantes, la materia nitrogenada se oxida a NO3- que es muy soluble,
estable y movil, mientras que el fosforo (P) y sus derivados, son fijados con facilidad
a las peliculas arcillosas del suelo.
Artificial inducida: es la que se genera por la sobreexplotación de acuíferos. La más
comun es la salinizacion de acuíferos costeros o por ascenso de agua salada del
fondo de acuíferos continentales.

  Domestica: vertido de jabones, detergentes, lavandina, materia
organica (alimentos, fecal, basura en general). Cuando el vertido es directo
al medio subterráneo se genera un ambiente propicio a la reproduccion
bacteriana y la formacion de NH#, NO2- y NO3-.
• · Industrial: genera contaminación de la atmosfera mediante la
eliminacion de compuestos gaseosos, que precipitan solos o mediante
lluvias para infiltrase en los suelos, y directamente al medio subterráneo por
vertido de líquidos, sólidos y semisólidos.
• La industria genera la mayor variedad y cantidad de contaminantes. Entre
los que se cuentan compuestos orgánicos, metales pesados, hidrocarburos,
plaguicidas, etc.
• · Agropecuaria: principalmente debido al uso de plaguicidas y
fertilizantes para mejorar la productividad de la actividad. Los plaguicidas
(organoclorados – organofosfados, tales como DDT, Aldrin, Dieldrin,
Paration, Malation, Folidol, etc.). Entre los fertilizantes, la materia
nitrogenada se oxida a NO3- que es muy soluble, estable y movil, mientras
que el fosforo (P) y sus derivados, son fijados con facilidad a las peliculas
arcillosas del suelo.
•
• Artificial inducida: es la que se genera por la sobreexplotación de
acuíferos. La más comun es la salinizacion de acuíferos costeros o por
ascenso de agua salada del fondo de acuíferos continentales.

• zona substaruada - tres fases: sólida (matriz porosa), líquida ( agua y
contaminantes solubles), y gaseosa( gases ocluidos y libre en la formación
geológica).
• Procesos en zona subsaturada: fijacion en microporos, interaccion entre
fases sólida, líquida y gaseosas, intercambio ionico, actividad biológica,
adsorción sobre particulars finas, formación de complejos de baja
solubilidad, esta zona actúa como filtro a los contaminantes. En la zona
edafica en particular, hay alto contenido de materia organica y altos niveles
de actividad biológica y bacteriana
• Comportamiento de los principales contaminantes en la zona
subsaturada.
• Nitratos
• Los nitratos NO3
- son el contaminante más comun de las aguas
subterráneas. Su presencia se debe a que es soluble en agua, movil y
estable quimicamente. El limite aconsejado para uso humano y del ganado
es de concentraciónes menores a 45 mg/l de NO3 o 10 mg/l de N.

• Las fuentes habituales de nitrógeno son las descargas cloacales con
altos contenidos de NO3
- y la agricultura mediante el uso de
fertilizantes a base de NO3-. Debido a los distintos fuentes y
procesos de transporte el nitrógeno también esta en la naturaleza
como amonio NH4+, amoniaco NH3, nitrito NO2-, nitrógeno N2,
oxido de nitrógeno N2O y nitrógeno organico.
• Pesticidas y plaguicidas
• Se agrupan mediante esta denominación, los herbicidas, insecticidas
y funguicidas. Se trata de sustancias químicas de composición
química muy diversa, en general de carácter organico y de alta
toxicidad aun en muy bajas concentraciónes (μg/l).
• Se pueden clasificar en tres: organoclorados, organofosforados y
carbamatos, que tienen un comportamiento en el suelo similar a los
organofosforados.
•

• Organoclorados. Se caracterizan por su alta persistencia (en el orden de
años) y por su baja solubilidad y movilidad. Estas características, su alta
toxicidad y su efecto bioacumulativo ha llevado a que algunos, como el DDT,
sean prohibidos.
• Estan compuestos por moleculas grandes y por tanto son fijados con facilidad
en el suelo, especialemente en material arcilloso. Esto inhibe su movilidad y
hace difícil que puedan atravesar la zona subsaturada y alcanzar el agua
subterránea. En sitios donde el espesor de la zona subsaturada es pequeño
(< 2m) y esta compuesta por material aluvional mediano y grueso (arena,
grava) los organoclorados pueden llegar hasta el nivel freático.
•
• Organofosforados. Son más solubles y moviles que los organoclorados,
pero mucho menos persistentes (de semandas a meses). Los más utilizados
son: Malation, Paration, Fention, Fdimetoato.
•

Metales pesados
Se trata de compuestos poco solubles y altamente tóxicos en bajas
concentraciónes. Los principales son Ag, Cd, Cr, Cu, Hg, Fe,
Mn, Zn y derivan principalmente de la contaminación de
origen industrial, aunque algunos pueden tener origen natural
por ejemplo en sedimentos de yacimiento metalíferos. La
concentración habitual en aguas subterráneas es menor de 1
μg/l. Las normás más severas se aplican al Hg, y al Cd.
Su transporte se potencia debido a su tendencia a crear
compuestos hidrolizados (SO4
2- , Cl-). Los procesos de
formación de complejos aniónicos asociados con compuestos
orgánicos, adsorción y precipitación por su parte contribuyen a
volver lento el proceso de transporte. Por tanto la prediccion
del transporte de metales pesado en el medio subterráneo
implica la capacidad de modelizar un conjunto importante y
variado de procesos fisico-quimicos.

• En la zona saturada se presentan dos estados de la materia: el
liquido y el sólido. El estado liquido esta representado por el
agua en el acuífero y posiblemente por sustancias (contaminantes)
en solución. El estado sólido lo representan la matriz porosa del
acuífero.
• Los contaminantes, usualmente, deben pasar la zona subsaturada
antes de alcanzar la napa freática e ingresar a la zona saturada.
Esto significa que desde la optica del transporte y transformacion de
los contaminantes en el medio subterráneos debe realizarce un
analisis conjunto desde de la fuente de emision hacia el destino
final.

• De manera análoga a lo expresado para la zona subsaturada, la
movilidad del contaminante en el medio saturado esta asociada a la
presencia de un flujo que lo transporte pero puede estar limitada
por la accion de una serie de procesos fisico quimicos tales como:
la solubilidad, la reactividad con el agua y con el suelo, el tamaño
molecular, la relacion disolución-precipitacion, la permeabilidad y
porosidad del medio, la persistencia, la difusion molecular y la
dispersividad mecánica entre otros.
• La velocidad de propagación no puede ser superior a la
velocidad del flujo. Algunos compuestos son solubles, moviles y
no reacciónan con el medio, y por tanto se los utiliza como
elementos traza (Cl-). Las reacciónes de los principales
contaminantes es la basicamente la misma a la presentada en la
seccion correspondiente a la zona subsaturada.

• El principal limitante para la modelación del transporte de
contaminantes en acuíferos es la heterogeneidad del medio. Esto
hace que sea difícil detectar los problemás, predecir su evolución y
diseñar e implementar medidas de remediación.
• Los procesos subterráneos naturales se desarrollan en una escala
de tiempo suficientemente lenta como para que, una vez
identificado un problema de contaminación es habitualmente
demásiado tarde para poder soluciónarlo. Por esta razon la
estrategia de control de contaminación en aguas subterráneas esta
orientada a detectar las fuentes y predecir su transporte previo
al desarrollo de un potencial problema, a diferencia del caso de
aguas superficiales donde el esfuerzo suele dirigirse principalmente
a controlar los vertidos.

• Se considera un medio poroso en el que flujo medio de un fluído se
describe mediante un campo de velocidades v. Se considera que
la deformación del medio poros es despreciable y por tanto la
porosidad n es constante. Un contaminante es transportado por el
fluído a una concentración C. La concentración se define como
mása de contaminante por unidad de volumen del fluído. El
contaminante puede sufrir reacción químicas (ej. decaimiento) y
también parte del mismo puede ser adsorbido al medio poroso.
Bajo estas condiciones la ecuación que describe la dinamica del
contaminante en el medio poroso surge de expresar un balance
dinámico de masa en el volumen de control y se expresa como,

ng.cmmontenegro@gmail.com

Ec. Dinámica del Contaminante
c
D
cv
w
G
Q
w
t
c
f









.
)
.( 



• w : vector velocidad para el contaminante debido a los
procesos de advección (primer término) y
dispersión (segundo término, donde D es el tensor
de coeficientes de dispersión).
• Q : transferencia de mása del contaminante hacia el
medio poroso por adsorción,
• Gf: representa la reacción de la sustancia contaminante
en el fluído.
•

• Dispersión en medios porosos
• El proceso de dispersión en un medio poroso es el resultado de dos
fenómenos.
• Difusión molecular: propia de la sustancia especifica, que debido
a la lentitud característica del flujo en los medios porosos puede ser
significativa en algunos casos.
• Dispersión: originada en la irregularidad de los pasajes del flujo en
la matriz porosa que se conoce como dispersividad mecánica. Por
tanto la dispersión en una dimension se puede expresar como,
•
•

Transporte Contaminantes
*
D
v
D l 

Primer término: dispersividad mecánica
Segundo término: difusión molecular.

Relación entre n° de Peclet y
Dl/D*

• Los procesos de adsorción de contaminantes a la fase
sólida del medio poroso se consideran habitualmente
rapidos comparados con la velocidad del flujo. La
cantidad de contaminante adsorbida por el sólido se
puede expresar usualmente como un función de la
concentración del contaminante en el flujo S=f(C).
t
C
C
S
t
S







.

Partición del Contaminante
•
• Particion del contaminate entre la fase sólida de la matriz porosa y
la solución.
• Se obtiene de experimentos en el laboratorio que se realizan a
temperatura constante, es decir condiciones isotermicas. Para la
mayoría de los contaminantes de interés los resultados de
laboratorio indican una relacion lineal en coordinadas doble
logarítmica,
•

Adsorción en matriz porosa
S : mása de soluto adsorbido o precipitado en el sólido por unidad de mása
seca total del medio poroso,
C : concentración del soluto, y Kd y b son constantes que dependen del
contaminante y la naturaleza del medio poroso.
Kd : coeficiente de distribución. Para una cantidad de casos de interés práctico
el coeficiente b es igual a 1, y a la relacion se la conoce como isoterma lineal
b
d
d
C
K
S
K
C
b
S


 log
log
log

• Q : resultado de la transferencia del
contaminante hacia la matriz porosa,
mediante una isoterma lineal y el
decaimiento del contaminante ya existente
en la misma matriz porosa.
• Coeficiente R: que se denomina
coeficiente de retardación del frente del
contaminante.
•

Ec. Advección- diapersión-
reacción
f
j
ij
i
i
x G
x
c
D
x
x
c
v
t
c
R 











)
(

• Esto significa que el frente de avance del contaminante sera más
lento que el frente de avance del flujo en el medio poroso, y una
estimación de la demora para el caso de flujo unidemensional y un
contaminante conservativo se obtiene mediante las siguientes
ecuaciónes.
nR
U
Uc 
n
K
R
d
p


1 AW
d
As C
K
C 

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