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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 4T 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 4T 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 / 2T.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