Este documento describe las características hidrogeológicas de los acuíferos cársticos. Explica que estos sistemas consisten en una red de conductos subterráneos que transportan agua de forma rápida. También describe cómo se forman y conectan los manantiales, que son las salidas de descarga de la red de conductos. Finalmente, explica algunos métodos para caracterizar y modelar el flujo de agua en sistemas cársticos, incluyendo el uso de trazadores fluorescentes.

1. Caracterización
Hidrogeológica de Karst

2. Karst
Un acuífero cárstico puede ser conceptualizado como un sistema
hidrológico abierto que cuenta con una variedad de flujos de
entrada, salida y a través de la capa superficial y subsuperficial.
Las fronteras del sistema están definidas por los límites de
captación y la geometría de los conductos. (Ford, Williams,
1989).

3. Karst
La distribución espacial de los sistemas de flujo subterráneo de
las rocas carstificadas varía de un lugar a otro y viene
controlada por la variación constante de la evolución geológica y
morfológica.
El flujo subterráneo se da en forma de grandes ríos y
manantiales subterráneos.
Estos proporcionan, por un lado, excelentes condiciones para la
explotación de agua subterránea y por otro lado generan
cavidades con una permeabilidad elevada que constituyen una
zona con alto riesgo de contaminación desde la superficie.

4. Karst
En ingeniería hidráulica, los sistemas kársticos ocasionan a
menudo problemas de fugas.
El flujo subterráneo responde rápidamente a la precipitación.
La velocidad de flujo del componente a corto plazo es elevada
(dentro el rango de los cientos de metros por día), de manera
que el tiempo de residencia del agua subterránea del sistema
kárstico es normalmente pequeño.
No obstante, el flujo base puede presentar tiempos de residencia
del orden de años o incluso décadas.

5. Karst
En los sistemas de agua subterránea poco profundos, las
fluctuaciones de la recarga por la precipitación se propagan a
través del sistema; mientras que en los sistemas más grandes y
profundos éstas se igualan.
La evolución geológica y morfológica del ambiente rocoso en el
pasado determina el estadio y la profundidad de karstificación del
sistema de flujo presente. La karstificación de las rocas
carbonatadas comienza generalmente en la superficie y se
propaga hacia el interior. Una red de drenaje profunda puede
haberse desarrollado de forma similar a una red fluvial superficial.
En las estructuras del tipo cuenca que se dan debajo de flujos
volcánicos importantes o a lo largo de fallas de gran profundidad
se pueden confinar rocas carbonatadas karstificadas.

6. Karst
Karst es la única unidad hidrogeológica que presenta regímenes
de agua superficial y subterránea altamente interconectadas y
usualmente constituyen un sistema único y dinámico.
Las carácteristicas hidrológicas asociadas a la presencia de Karst
incluye:
• Drenaje interno de corrientes de aguas superficiales por
dolinas.
• Desviación de flujos subterráneos.
• Almacenamiento temporal de agua subterránea en la zona
epikarstica colgada, poco profunda.
• Flujo rápido, turbulento a través de aberturas subsuperficiales,
que son una especie de tuberías o canales , llamados
conductos.
• Descarga de agua subsuperficial de los conductos hacia uno o
más fuentes perennes.

7. Karst

8. Caracterización de un Karst
En terrenos kársticos se hace énfasis en la identificación
de los límites hidrológicos y los patrones de flujo
subsuperficial, la contribución de varias fuentes de
recarga y las propiedades estructurales e hidráulicas de
los conductos.
La adquisición de esta información requiere un estudio
multidisciplinario que incluye ensayos de trazadores y
análisis en la variación en la descarga de fuentes de
agua y la química del agua.

9. Caracterización de un Karst
Tipo de Acuífero
Características
Granular Roca Fracturada Karst
Mayormente terciaria (porosidad
Mayormente primaria, a secundaria modificada por
Mayormente secundaria, a
Porosidad Efectiva través de poros disolución) a través de poros,
través de juntas, fracturas.
intergranulares planos de estratificación, fracturas,
conductos y cuevas.
Isotropía Más isotrópico Probablemente anisotrópico Altamente anisotrópico
Homogeneidad Más homogéneo Menos homogéneo Heterogéneo
Posiblemente rápido y
Flujo Lento, laminar Probablemente rápido y turbulento
turbulento
Puede o no aplicar la ley de
Predicción del Flujo Aplica la ley de Darcy Raramente aplica la ley de Darcy
Darcy
En la zona saturada y en la zona
Almacenamiento En la zona saturada En la zona saturada
epikarst
Algunos tienen recarga casi
Principalmente dispersa con completamente dispersa y otros
Recarga Dispersa
algunos puntos de recarga tienen principalmente un punto de
recarga.
Variación Temporal de la
Variación mínima Variación moderada Variación moderada a extrema
Carga Hidráulica
Variación Temporal de la Variación mínima a
Variación mínima Variación moderada a extrema
Química del agua moderada
Fuente: ASTM (2002)

10. Red de Conductos
La característica más distintiva del Karst es su estructura
dendrítica o ramificada de los conductos, haciendo que el flujo
describa un curso serpenteante que incrementa en tamaño y
orden en dirección del flujo hacia abajo.
Esta red de conductos crece por un camino complejo de
alimentadores hidráulicos y químicos, la cual consta de los
siguientes pasos básicos:
1. Crecimiento y alargamiento del conducto
2. Incremento de la capacidad hidráulica
3. Incremento de la descarga
4. Aumento en la disolución y corrosión física
5. Ampliación adicional del conducto
6. Exceso en el agua disponible en los conductos pequeños
producto de los conductos grandes.
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11. Red de Conductos
Diagrama que muestra el crecimiento competitivo de los
conductos y la distorsión en el flujo hidráulico
Cambio en la carga Conductos primarios
hidráulica producto de descargan en los
Inicio de la recarga crecimiento rápido de bordes, inhibiendo el
conductos primarios y crecimiento de
crecimiento lento de los conductos secundarios.
secundarios.

12. Red de Conductos
Secuencia de desarrollo
de la red de drenaje
integrado debido al
crecimiento rápido de los
conductos primarios.

13. Red de Conductos
En este proceso de ocurrencia de Karst, los conductos
grandes dominan el drenaje subterráneo, alterando el
flujo hidráulico y la captura de agua subterránea de los
acuíferos circundantes, fracturas colindantes y los
conductos pequeños cercanos.
Dependiendo del tamaño (capacidad hidráulica),
organización (interconexión), las redes de conductos son
capaces de descargar grandes volúmenes de agua a
través del acuífero carstificado. Las velocidades de flujo,
en conductos bien desarrollados e integrados, pueden
llegar a cientos de metros por día.

14. Manantiales
Los manantiales son las
salidas de descarga de esta
red de conductos. Estos se
desarrollan típicamente en
los bordes locales o
regionales de descarga de
aguas subterráneas.
El sistema tributario de
conductos de drenaje
converge en un conducto
troncal que descarga a un
sólo manantial. Sin embargo,
existen acuíferos cársticos
que presentan un patrón de
flujo distribuido a través de
múltiples manantiales

15. Manantiales
Tradicionalmente, los manantiales
son clasificados en base a la
descarga utilizando la escala de
Meinzer, la cuál consiste en una
escala del 1 al 8, basada en la
descarga del manantial. El valor de 1
corresponde descargas de 3 m3/s, el
valor de 2 corresponde entre 0.3-3.0
m3/s y así sucesivamente.
También se pueden clasificar los
manantiales de acuerdo a su
apariencia física y si la descarga
ocurre bajo un flujo de gravedad o
condiciones artesianas.
Desde la perspectiva del sistema de
flujo de aguas subterráneas, es más
útil clasificar los manantiales karst
de acuerdo a la función hidrológica
como salidas de redes de conductos.

16. Manantiales
En la mayoría de acuíferos
kársticos uno o pocos manantiales
perennes, llamados manantiales
de flujo subterráneo aportan flujo
de descarga de los conductos de
karst.
La elevación de los manantiales
de flujo subterráneo ejercen
control en la elevación de la napa
freática en el borde del acuífero
kárstico, mientras que la
conductividad hidráulica y la
capacidad hidráulica de los
conductos determinan el
gradiente hidráulico del flujo
ascendente y su fluctuación bajo
diferentes condiciones hidráulicas.

17. Manantiales
Otros manantiales
intermitentes, llamados
manantiales de flujo
superficial funcionan como
afloramientos de excedentes
durante periodos de gran
descarga. Estos son
esencialmente una forma
temporal de descarga
distribuida.

18. Modelamiento de Karst
El modelamiento numérico se
ha vuelto una importante
herramienta aplicativa para
investigar y cuantificar muchas
relaciones hidrogeológicas
complejas. Sin embargo
muchas dificultades técnicas y
conceptuales se han presentado
para:
• Discretizar la geometría de
los conductos o los bordes de
la cuenca de karst,
• Discretizar los componentes
de flujo rápido y lento del
karst.
• Simular los cambios
temporales y espaciales en Gráfica de modelo de
condiciones de flujo y descarga del manantial
saturación. Maramec, Missouri

19. Modelamiento de Karst
Sin embargo, se han logrado buenos
resultados simulando los efectos del flujo
por conductos usando la aproximación de
doble porosidad modificada (Teutsch and
Sauter, 1991) y con los modelos de
diferencias finitas de zonas de alta
transmisividad. (Worthington 2003;
Kuniansky et al, 2001).
Otra aplicación satisfactoria de
modelamiento numérico en Karst ha sido
la simulación de descarga de manantiales
(Scanlon, 2003) que evaluaba las
aproximaciones de dos medios con
diferente porosidad .
El Modelo de Hammerstein funciona para
desarrollar un parámetro global para una
cuenca Karst. El modelo usa una Conductancia específica
aproximación de mínimos cuadrados para de la descarga
resolver por coeficientes en una
regresión y se puede simular la descarga
de manantiales.

20. Trazadores con Tintes Fluorescentes
Los tintes fluorescentes son
una herramienta útil para
investigar el flujo en Karst
porque estos test suelen
obtener información directa de
dirección, velocidad y otras
características hidráulicas de
los conductos, en puntos
específicos entre la recarga y
descarga.
Los tintes fluorescentes son
químicos orgánicos que
absorben la luz del espectro
ultravioleta, que están
molecularmente energizados y
emiten luz en onda larga. • Inyección de sodio
fluorescente en dolina
formada en una laguna

21. Trazadores con Tintes Fluorescentes
Los tintes fluorescentes ideales tienen
las siguientes características:
1. Fácil de introducir en el acuífero o
sistema de flujo.
2. Presenta la misma o próxima
velocidad del agua que discurrre.
3. Relativamente conservativa, es
decir, no se pierde fácilmente por
absorción.
4. Es estable con respecto a la
química del agua.
5. Fácil de detectar a bajas
concentraciones.
6. Tiene baja o ninguna toxicidad a
• Inyección de Rodamina WT
los humanos u organismos
acuáticos y no es una amenaza en un arroyo sumidero
para el ambiente.

22. Trazadores con Tintes Fluorescentes
Tipos de tintes fluorescentes comúnmente usados:
Los tintes de xanteno son una familia grande que exhiben fluorescencia
en la longitud de onda visible del verde al naranja. Este grupo incluye
los muy conocidos trazadores de sodio fluorescente (llamados uranina)
que fluoresce en la longitud de onda verde (500-570 nm) y los tintes
de Rodamina WT que fluorescen en el rango del amarillo-naranja (570-
590 nm).

23. Trazadores con Tintes Fluorescentes
Espectros de emisión y límites de detección
1 Valores aproximados
2 Valores típicos de detección para agua limpia
3 Para pH mayor o igual que 10
4 Para pH menor o igual que 4.5

24. Trazadores con Tintes Fluorescentes
Los test con tintes
fluorescentes requieren
estudios de las propiedades
físicas y químicas de los
mismos, y sus condiciones y
limitaciones de uso. Por
ejemplo, la fluorescencia es
sensible al pH y
temperatura, sin embargo,
cada tinte tiene diferentes
rangos de sensibilidad a
estas propiedades: el tinte
de sodio fluorescente es
fotosensible, mientras que la
Rodamina WT, no.
• Inyección de Rodamina WT en
pozo de observación

25. Trazadores con Tintes Fluorescentes
Adicionalmente, los tintes fluorescentes tienen algunos rangos de
reactividad con materiales geológicos como las arcillas y silicatos.
Estas y otras características físico-químicas tienen que ser
siempre consideradas previamente.
Trazadores Cuantitativos:
En la práctica estos trazadores requieren mediciones precisas de
la cantidad (masa) de trazador inyectado, la descarga del
manantial o acuífero durante el test, y la concentración del
trazador que surge del acuífero. Los trazadores cuantitativos
proveen información del tiempo de viaje y las características de
paso. Son útiles para investigar la estructura de conductos en
karst y las propiedades de flujo.
Como la descarga es medida simultáneamente con la
concentración del trazador en todos los puntos de surgimiento, la
masa de trazador presente en cada uno permite estimar
propiedades hidráulicas de los conductos incluyendo tiempo
promedio de residencia, velocidad promedio de flujo, dispersión
longitudinal y almacenamiento.
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26. Trazadores con Tintes Fluorescentes
Trazadores Cualitativos:
Estos test solo requieren determinar si existe
surgimiento del trazador inyectado en los puntos de
monitoreo.
Los trazadores cualitativos son usados para
identificar conexiones de flujo por ejemplo, entre
una dolina y un manantial o para delinear las
trayectorias del flujo subsuperficial.
El monitoreo de este tipo de trazadores se hace
mediante detectores pasivos hechos de material de
adsorción como carbón activado granular que
atrapa el tinte trazador.

27. Gracias por su interés en este
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