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CURSO: “Control y monitoreo de los efectos ambientales
generados por la aplicación de agroquímicos en los
recursos suelos y agua”
Tema 2: Hidrología y vulnerabilidad de acuíferos.
Dra. Karina Miglioranza – Dr. Daniel Martínez
UNMdP – Argentina
Organizado por Asocaña - CVC
17-20 de febrero de 2015
Santiago de Cali, Colombia
PRINCIPIOS DE HIDROGEOLOGIA
¿Cuánta agua dulce hay en el mundo?
El recurso mas abundante: el agua
subterránea
OCEANOS Y
MARES
GLACIARES
AGUAS
SUBTERRANEAS
DULCES
LAGOS DE AGUA
DULCE
LAGOS DE AGUA
SALADA
RIOS
AGUAS
SUBTERRANEAS
DULCES
GLACIARES
ATMOSFERA
LAGOS DE AGUA
DULCE
AGUAS
SUBTERRANEAS
DULCES
LAGOS DE AGUA
SALADA
LAGOS DE AGUA
DULCE
RIOS
LAGOS DE AGUA
SALADA
RIOS
ATMOSFERA
Aparece la geología: las rocas como
reservorio de agua
•Rocas ígneas
•Rocas sedimentarias
•Rocas metamórficas
Rocas ígneas
Rocas sedimentarias
Formaciones geológicas según el
comportamiento del agua subterránea
• Acuífero: son capaces de almacenar y transmitir
agua.
• Acuitardo: son capaces de almacenar agua y la
transmiten pero muy lentamente.
• Acuicludo: almacenan agua pero no la transmiten.
• Acuífugo: no pueden almacenar ni transmitir agua.
Tipos de agua en el suelo
• Retenida por fuerzas electrostáticas
• Retenida por fuerzas capilares
• Agua libre o gravífica
Zonas del suelo según su contenido de agua
PARAMETROS HIDRAULICOS DE UNA
FORMACION
• Porosidad: se define como la relación entre el volumen de huecos
y el volúmen total de una roca. Primaria, secundaria, efectiva.
• Permeabilidad o conductividad hidráulica: es una medidad de
la facilidad con que una formación transmite el agua (L.T-1).
• Transmisividad: es el producto de la permeabilidad horizontal por
el espesor del acuífero. Se defime como el volumen de agua que
atraviesa una banda de acuífero de ancho unitario en la unidad de
tiempo y bajo la carga hidráulica de un metro (L2.T-1). Representa
la potencialidad de un acuífero para ceder agua.
• Coeficiente de almacenamiento: representa el volúmen de agua
que puede ceder un cierto volúmen de acuífero. Es un término
casi equivalente al de porosidad efectiva.
POROSIDAD
• PRIMARIA
• SECUNDARIA
4a
240 
Litología
Clasificación
Rasgos predominantes
ura
Componentes:
•Tamaño
•Selección
•Forma
•Composición
•Cemento
Fino intersticial
Alteración
Porosidad
Arenita media escasos clastos tamaño grava
Arenita lítica
Textura abierta, escasos contactos interparticulares.
Promedio:600 
Rango:400-800 
Moderada
Subredondeada
Líticos>Cuarzo=feldespatos
Escaso
Disolución y autigénesis (argilización).
Muy escasas microfisuras en granos.
25%. Interparticular y disminuída por compactación
y autigénesis.
Alteración de líticos volcánicos.
Trazas de restos orgánicos.
Litología
240 
Clasificación
Rasgos predominantes
Textura
Componentes:
•Tamaño
•Selección
•Forma
•Composición
Cemento
Fino intersticial
Alteración
Porosidad
240 
Arenita fina-media con muy escasos clastos mayores
Arenita lítica
Textura abierta, escasos contactos interparticulares.
Promedio:400 
Rango:100-2800 
Moderada
Subredondeada (subangulosa)
líticos>cuarzo>feldespatos>>otros
Escaso, coberturas y alteración (relleno).
Autigénesis (argilización).
Muy escasa disolución y microfisuras en granos.
25%. Interparticular y disminuída por compactación
y autigénesis. La existencia de “puentes” arcillosos
desmejora la calidad poral original.
Rasgos especiales
Argilitización y oxidación de líticos .
Acuífero libre o freático
Acuífero confinado
Acuífero semi-libre
Acuífero semi-confinado
LINEAS DE FLUJO EN PERFIL:
POTENCIAL HIDRAULICO
Potencial hidráulico: una cantidad física que puede
ser medida en cualquier unto de un sistema de
flujo cuyas propiedades son tales que el flujo
siempre ocurre de regiones donde esta cantidad
tiene valores mayores hacia regiones donde tiene
menores valores.
En el agua subterránea el potencial hidráulico está
dado por la elevación y la presión en del fluido.
Superficie del terreno
Nivel freático
Ψ
Punto de medición
h
z
h=z+Ψ
Nivel de referencia
(usualmente el
nivel del mar)
El concepto de edad del agua: la ley de Darcy
Henry Darcy
Velocidad = distancia / tiempo
Tiempo de tránsito del agua subterránea
Desarrollo de Redes de Flujo
1 – Datos de Campo
94.0
97.5
92.8
Desarrollo de Redes de Flujo
2 – Líneas de Referencia
94.0
97.5
92.8
Desarrollo de Redes de Flujo
3 –Subdivisión en intervalos de las Líneas de
Referencia
94.0
97.5
97.0
96.0
95.0
97.0
96.0
95.0
94.0
93.0
93.0
92.8
Desarrollo de Redes de Flujo
4 – Trazar Líneas de Cabeza Constante
94.0
97.5
97.0
96.0
95.0
97.0
96.0
95.0
94.0
93.0
93.0
92.8
Lineas del flujo
Red de Flujo
200
190
180
170
160
150
140
ISOPIEZAS
Líneas de igual altitud (m s.n.m.) del nivel freático
Muestra direcciones de flujo
Isoprofundidad: líneas de igual profundidad desde la superficie
Zona de manantiales
intermitentes
Zona de recarga
Zona principal
de descarga
permanente
Zona de descarga
con artesianismo
Zona no saturada
Manantial
ARCILLA
ARCILLA
ARCILLA
Agua subterránea salina
Poco mineralizada,
composición algo variable en
el tiempo, probablemente con
impacto humano
Mineralización media,
composición bastante estable
aunque no invariable, quizás
con impacto humano
Muy mineralizada, de
composición muy estable,
sin impacto humano
BOMBEO DE POZOS
Se genera un cono de
depresión en torno al
pozo
El nivel se estabiliza
para un caudal dado
Abatimiento
Q
PRUEBAS DE BOMBEO
Solución General
Q 

s
F(T, S, S y , r, t, B, L, etc
4T 

donde:
s = abatimiento en cualquier lugar y cualquier tiempo
Q = caudal de la formación (normalmente se usa un
caudal de pozo)
t = tiempo
Solución de Theis
Q
W(u)
s
4T
donde:
W(u) = una función de Theis
u = variable de Boltzman
r 2S

4tT
EFECTOS SOBRE RIOS,
LAGOS ETC.
Sobre-explotación de
aguas subterránea puede
tener efectos adversos en
el equilibrio del sistema
hídrico completo
Perdidas en los caudales
de ríos
Disminución de niveles en
cuerpos de agua como
lagos y humedales
ZONAS DE PROTECCION PARA AGUA POTABLE
Dirección de flujo
Velocidad de transporte de
contaminantes
Gradiente hidráulico
Permeabilidad
Area del cono de depresión
producido por el bombeo de
pozos
Áreas de captación,
definición
El área de captación o zona de captura se define como la zona
alrededor de un pozo de bombeo que suministra el agua que
recarga al pozo.
50
Esquema conceptual
Tipos de zonas de captura (1)

Zonas de captura en estado estacionario: la
superficie o área subsuperficial alrededor de
un pozo de bombeo que aportará agua de
recarga al pozo durante un período infinito de
tiempo. El área delimita es abierta, lo cual
significa que si se da el tiempo suficiente
cualquier partícula agua arriba dentro del
área de captura alcanzará el pozo.
Tipos de zonas de captura (2)

Zonas de captura relacionadas con
el tiempo: es el área superficial o
subsuperficial alrededor de un pozo
de bombeo que aportará agua de
recarga al pozo dentro de un
período de tiempo especificado.
Tipos de zonas de captura (3)

Zonas de captura híbridas: es una
combinación de las dos anteriores.
Es idéntica a una zona estacionaria
con la excepción de que está
“decapitada” aguas arriba. Este corte
está relacionado con un tiempo
específico.
Tipos de zonas de captura
Isocronas en zonas de captura
Isocronas en zonas de captura
Elementos geométricos en la definición de
áreas de captura
• Divisoria de aguas bajo (x)
• Ancho máximo (2y)
Elementos que inciden en la delimitación de
zonas de captura
• Propiedades del acuífero
• Relacionados con la explotación
En relación con las propiedades del acuífero
• Tipo de acuífero: libre, semiconfinado o confinado
• Forma de las superficies con otras formaciones
• Porosidad del acuífero
• Espesor
• Transmisividad
• Gradiente
En relación con la explotación
• Caudales de explotación
• Interferencia con otros pozos
• Régimen de la explotación (duración en el tiempo, interrupciones,
etc.)
Obtención de parámetros para un caso
simple:
acuífero cautivo en régimen permanente
x = - Q / 2T.i
2ymax = Q/ T. i
Utilización de métodos gráficos: curvas de
Javandel y Tsang (1986)
Utilización de programas de cálculo
La cuenca hídrica
Relaciones con el agua superficial
Variación de caudales:
superficie
Nivel del río antes y
después de la lluvia
b’
a’
a
c’
d
b
c
Nivel antes lluvia
Nivel después de la lluvia
b’d: inversión de gradiente
hidráulico subterráneo
Almacenamiento de banco en crecidas de río.
(Wisler y Brater, 1959.)
BALANCE DE AGUAS SUBTERRÁNEAS
- BAS 1
Se pretende determinar en
conjunto el comportamiento del
sistema hidrogeológico y su
relación con sistemas contiguos.
2
4
3
6
5
9
8
7
¿DE DÓNDE
SE
RECARGA
EL
SISTEMA?
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Agua de casquetes glaciares
Infiltración cuenca media y alta
De lagunas (evaporada)
Río influente
Infiltración agua lluvia cuenca baja
De otros sistemas hidrogeológicos
Invasión cuña marina
De acuífero libre a acuífero confinado
De acuífero confinado a acuífero libre
BALANCE DE AGUAS SUBTERRÁNEAS
- BAS Se pretende determinar en
conjunto el
comportamiento del
sistema hidrogeológico y su
relación con sistemas
contiguos.
1
2
5
3
4
6
¿A DÓNDE
SE
DESCARGA
EL
SISTEMA?
1.
2.
3.
4.
5.
A un lago o humedal
Río efluente
Al mar
A un acuífero subyacente
A un acuífero
suprayacente
6. A un sistema contiguo
Cálculos de la recarga
Balance hídrico a nivel edáfico:
Método de Thronthwaite
Método de Penman-Montheit
Método de Turc
Balance de cloruros
Método de variación del nivel freático
Modelación matemática del flujo
Estudios isotópicos y de datación de aguas
Método de Thronthwaite
Método de Thronthwaite: cálculo de EVP y
balance hidrológico
Balance Hídrico Balcarce
140.0
mm
120.0
100.0
P
80.0
R
60.0
ETR
40.0
EXC
20.0
0.0
meses
Balance de cloruros
Inf: coeficiente de Infiltración
P: precipitación
I: infiltración
CP: concentración de cloruros en la precipitación
CI: concentración de cloruros en el agua subterránea somera
Método de variación del nivel freático
Fecha
09/03/2007
0
25/09/2007
12/04/2008
29/10/2008
17/05/2009
03/12/2009
21/06/2010
92
91.5
20
91
Rainfall (mm)
90.5
60
90
89.5
Phreatic level (m asl)
40
80
89
100
88.5
Lluvia
Nivel
120
88
Registros de la variación del nivel
freático cada cuatro horas en MalaTuel Chico y Esc. Agropecuaria de
Lobería.
Date
28/04/2007
78.50
14/11/2007
01/06/2008
18/12/2008
06/07/2009
22/01/2010
10/08/2010
0
20
78.00
40
Rainfall (mm)
77.50
60
77.00
80
76.50
100
76.00
120
Rainfall (mm)
G201
75.50
Phreatic level (m)
140
Phreatic level (m asl)
G204
Importancia de la estructura geológica
Sigamos……tampoco es para tanto!
1. ASPECTOS GENERALES. ORIGEN DE LA COMPOSICIÓN DEL AGUA SUBTERRÁNEA
• La composición química del agua subterránea es el resultado neto de
un conjunto de reacciones químicas entre el agua y el terreno por el
que circula, incluyendo la fase sólida (minerales), los gases y la
materia orgánica presentes en éste.
Los solutos presentes en
el agua subterránea se
incorporan durante todas
las fases del ciclo hidrológico, empezando por la
fase atmosférica (lluvia).
Para conocer el origen de
la composición química de
un agua subterránea hay
que conocer cuáles son las
reacciones químicas más
significativas que aportan
solutos al agua, qué
solutos aportan y dónde
tienen lugar.
LOS SUELOS
Formación del suelo
Actividad
biológica
Clima
SUELO
Tiempo
Geomorfología
Roca
madre
Componentes de la matriz sólida
Tipos de suelo
Composición
textural
Materia orgánica del suelo
Síntesis
La palabra suelo se deriva del latín solum, que significa suelo, tierra o parcela.
Los suelos se forman por la combinación de cinco factores interactivos:
material parental, clima, topografía. Organismos vivos y tiempo.
Los suelos constan de cuatro grandes componentes: materia mineral, materia
orgánica, agua y aire; la composición volumétrica aproximada es de 45, 5, 25 y
25%, respectivamente.
Los constituyentes minerales (inorgánicos) de los suelos normalmente están
compuestos de pequeños fragmentos de roca y minerales de varias clases.
Las cuatro clases más importantes de partículas inorgánicas son: grava,
arena, limo y arcilla.
La materia orgánica del suelo representa la acumulación de las plantas
destruidas y resintetizadas parcialmente y de los residuos animales. La
materia orgánica del suelo se divide en dos grandes grupos:
Los tejidos originales y sus equivalentes más o menos descompuestos.
El humus, que es considerado como el producto final de descomposición de la
materia orgánica.
Llegada de agroquímicos a los acuíferos
VULNERABILIDAD DE ACUIFEROS
100
Definiciones
• Vrba y Zaporozec (1994): “una propiedad intrínseca del
sistema de agua subterránea que depende de la
sensibilidad del mismo a los impactos humanos y/o
naturales”
• Foster (1987): “la vulnerabilidad del acuífero a la
contaminación, representa las características
intrínsecas que determinan su suceptibilidad a ser
adversamente afectado por una carga contaminante
impuesta”.
• Custodio (1995): “la vulnerabilidad a la polución
expresa la incapacidad del sistema para absorber las
alteraciones, tanto naturales como artificiales”.
Definiciones
Vulnerabilidad intrínseca es función de:
• La inaccesibilidad de la zona saturada en un sentido
hidráulico
• La capacidad de atenuación de los estratos por encima de la
zona saturada
Vulnerabilidad específica: se refiere al peligro de
deterioro en relación a sustancias contaminantes específicas.
Conceptos relacionados
Índices de peligrosidad de
contaminantes específicos
Vulnerabilidad de acuíferos
Medición de la vulnerabilidad
La vulnerabilidad es una propiedad relativa, adimensional
y no mensurable. La precisión en la asignación de la
vulnerabilidad depende del conjunto y calidad de los
datos representativos disponibles (Vrba y Zaporozec,
1994).
Métodos de asignación de
vulnerabilidad
 Comparación del sistema hidrogeológico (Hydrogeological
Complex and Setting Methods)
Métodos paramétricos:
a) Sistemas de matriz (MS)
b) Sistemas de rating (ejemplo GOD, Foster, 1987)
c) Modelos de sistemas de conteo por puntos (PCSM)
(ejemplo DRASTIC, Aller et al, 1987)

Ejemplo: matriz de vulnerabilidad
METODOLOGIAS PARA VULNERABILIDAD
Metodología GOD (Foster, 1987)
G: Groundwater Ocurrance (Tipo de acuífero)
O: Overlying Lithology (Litología zona no saturada)
D: Depth (Profundidad de la zona no saturada)
P = G·O·D
Metodología BGR - SGRFA (1993)
• Permeabilidad del suelo agrícola u orgánico
• Recarga natural al acuífero
• Litología, es decir el tipo de sedimentos o rocas presentes en la zona
no saturada
• Espesor de la zona no saturada (profundidad nivel estático)
0.4
Libre
Libre Cubierto
Confinado
0.2
Semiconfinado
Ninguno
0
G (Groundwater Ocurrence)
0.6
Régimen hidráulico del agua subterránea
1.0
limos
aluviales
suelo
residual
O (Overlying Litology)
loess
Litología de los materiales
en zona no saturada
arenas y gravas
aluviales y
Sedimentos
fluvioglaciales
No
arenas
gravas Consolidados
eólicas
coluviales
tobas
lutitas
calizas
limolitas areniscas
calcarenitas
Rocas
Consolidadas
(porosas)
F
F: Grado de Fracturamiento
: Capacidad de atenuación relativa
- (contenido de arcilla)
0.4
0.5
0.1
Muy
Baja
0.2
Baja
0.3
FF
<2m
1.0
2–5m
0.9
5 - 10 m
0.8
10 - 20 m
0.7
20 - 50 m
Profundidad del nivel estático
en acuífero libre o techo
de acuífero confinado
0.6
50 - 100 m
D (Depth)
0
Rocas
Consolidadas
(fracturas)
antiguas
> 100 m
+
rocas igneas o
lavas
metamorficas recientes calizas no
karsticas
rocas volcánicas
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
0.4
Moderada
0.5
0.6
Alta
0.7
0.8
0.9
Extrema
1.0
DRASTIC
Letra
Significado
Peso
D Depth - Profundidad del agua
5
R Net Recharge - recarga neta
4
A Aquifer media – litología acuífero
3
S Soil media - tipo de suelo
2
T Topography – Topografía
1
I
5
Impact of NSZ - ZNS
C Hydraulic condcutivity
(a cada parámetro se asigna un índice de 1 a 10)
3
SINTACS: PCSM
DRAST
IC (Aller et
GOD
(Foster, 1987)
al, 1987)
SINTA
CS
BRGM
(Albinet y
Margat, 1970)
(Civita, 1990)
Topografía
x
x
Espesor, textura y mineralogía del
suelo
Humedad efectiva
x
x
Zapore
zec
(1985)
x
x
Permeabilidad
x
Propiedades físicas y químicas del
suelo
Conexiones acuífero-agua
superficial
Recarga neta
x
x
x
x
x
x
Características de la zona no
saturada
Profundidad hasta el agua
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
Características hidrogeológicas
Conductividad hidráulica del
acuífero
x
x
x
x
Mapa de vulnerabilidad de acuíferos por 4 metodologías.
Importancia de considerar los sistemas de flujo
Vulnerabilidad de acuíferos
Miguel Auge
Revista Latinoamericana de Hidrogeología Nº 4: 85-103. 2004
El transporte de los contaminantes
Ecuación de flujo y transporte en medio saturado
C/t= -v (C/X)t + DL (2C/X2)t – (q/t)x
Dispersividad
Modflow
Modelos de transporte
Transporte de agua y solutos en la zona no saturada
Flujo de agua en la zona no saturada: Ecuación de Richards
Transporte de contaminantes en la zona no saturada
Fin del tema, gracias
Pero seguimos con una práctica
ACTIVIDAD PRACTICA
Según las planillas de datos y mapas provistos para una zona
teórica.
Conceptos generales de hidrología.
1. Dibuje el mapa de isopiezas del sector y según ello estables
las direcciones de flujo subterráneo y cuál es la relación entre
el río y el acuífero libre.
2. Dibuje un mapa de vulnerabilidad del acuífero según el índice
GOD.
3. Calcule la recarga de agua en cada sector expresada en mm
por el método que encuentre disponible, teniendo en cuanta
que la precipitación media anual del sector es de 985 mm.
0.4
Libre
Libre Cubierto
Confinado
0.2
Semiconfinado
Ninguno
0
G (Groundwater Ocurrence)
0.6
Régimen hidráulico del agua subterránea
1.0
limos
aluviales
suelo
residual
O (Overlying Litology)
loess
Litología de los materiales
en zona no saturada
arenas y gravas
aluviales y
Sedimentos
fluvioglaciales
No
arenas
gravas Consolidados
eólicas
coluviales
tobas
lutitas
calizas
limolitas areniscas
calcarenitas
Rocas
Consolidadas
(porosas)
F
F: Grado de Fracturamiento
: Capacidad de atenuación relativa
- (contenido de arcilla)
0.4
0.5
0.1
Muy
Baja
0.2
Baja
0.3
FF
<2m
1.0
2–5m
0.9
5 - 10 m
0.8
10 - 20 m
0.7
20 - 50 m
Profundidad del nivel estático
en acuífero libre o techo
de acuífero confinado
0.6
50 - 100 m
D (Depth)
0
Rocas
Consolidadas
(fracturas)
antiguas
> 100 m
+
rocas igneas o
lavas
metamorficas recientes calizas no
karsticas
rocas volcánicas
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
0.4
Moderada
0.5
0.6
Alta
0.7
0.8
0.9
Extrema
1.0