Hidrogeología. Tema 8 T8. CONTAMINACIÓN N DE LAS AGUAS SUBTERÁNEAS. Luis F. Rebollo. Luis F. Rebollo

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1 Hidrogeología Tema 8 CONTAMINACIÓN N DE LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS 1 T8. CONTAMINACIÓN N DE LAS AGUAS SUBTERÁNEAS 1. Mecanismos de introducción n de la contaminación n en el acuífero. 2. Fuentes potenciales de contaminación n de las aguas subterráneas. 3. Principales contaminantes. 4. Procesos de transporte y atenuación n de los contaminantes en las aguas subterráneas. 5. Lucha contra la contaminación n de las aguas subterráneas. 6. Contaminación n por el vertido de residuos sólidos. 2 1

2 1. Mecanismos de introducción n de la contaminación n en el acuífero. Contaminación del agua es la alteración (negativa) de su calidad natural, debido a la acción humana, que la inutiliza total o parcialmente para el uso a que se destinaba. La calidad natural de las aguas subterráneas constituye el nivel de referencia inicial, pudiendo ser inadecuada para ciertos usos (aguas salobres, aguas termales, ). Por tanto, las denominadas "normas de calidad" definen sus posibilidades de utilización Mecanismos de introducción n de la contaminación n en el acuífero. En general las aguas subterráneas están mejor protegidas que las aguas superficiales, por la existencia de la zona de aireación, que supone una "dificultad" para la penetración de las sustancias contaminantes en el medio saturado. Sin embargo, una vez incorporado el contaminante al flujo subterráneo, es muy difícil y costoso detectar su presencia, conocer su desplazamiento y evolución, y detenerlo antes de su llegada a pozos de explotación. Lo mejor es impedir la entrada de los elementos nocivos en el acuífero ("mejor prevenir que curar") 4 2

3 1. Mecanismos de introducción n de la contaminación n en el acuífero. Los mecanismos de introducción y propagación de contaminantes en el medio hidrogeológico son muchos y muy complejos. Fuente: López Vera (1991) 5 1. Mecanismos de introducción n de la contaminación n en el acuífero. 6 3

4 1. Mecanismos de introducción n de la contaminación n en el acuífero Mecanismos de introducción n de la contaminación n en el acuífero. En principio, se pueden considerar tres supuestos de introducción de agentes contaminantes: A partir de la superficie del terreno: por lixiviado de residuos depositados en superficie (voluntaria o accidentalmente), por lavado de fertilizantes y otros productos empleados en actividades agrícolas, por flujo inducido de aguas superficiales contaminadas hacia un pozo en explotación, por bombeo excesivo. 8 4

5 1. Mecanismos de introducción n de la contaminación n en el acuífero. Fuente: IGME (1985) 9 1. Mecanismos de introducción n de la contaminación n en el acuífero. Fuente: López Vera (1991) 10 5

6 1. Mecanismos de introducción n de la contaminación n en el acuífero. Fuente: López Vera (1991) Mecanismos de introducción n de la contaminación n en el acuífero. Fuente: López Vera (1991) 12 6

7 1. Mecanismos de introducción n de la contaminación n en el acuífero. Desde la zona no saturada del subsuelo: por infiltración de aguas residuales domésticas (fosas sépticas, fugas en la red de alcantarillado, etc.), por embalsamiento (sub)superficial de sustancias líquidas contaminantes (balsas de evaporación, balsas de infiltración, "filtros verdes" y otros) en excavaciones naturales o artificiales tales como graveras abandonadas, dolinas, etc Mecanismos de introducción n de la contaminación n en el acuífero. 14 Fuente: IGME (1985) 7

8 1. Mecanismos de introducción n de la contaminación n en el acuífero. Fuente: López Vera (1991) Mecanismos de introducción n de la contaminación n en el acuífero. En la zona saturada del subsuelo: por medio de pozos de inyección de contaminantes líquidos en el acuífero o acuitardo (aguas residuales industriales, salmueras, aguas contaminadas térmicamente, ), por progresión de la intrusión salina mediante la alteración de las condiciones hidrodinámicas iniciales (intrusión marina en acuíferos costeros y "cuña salina" en áreas aledañas a acuíferos evaporíticos), por medio de pozos abandonados o mal construidos, que permiten la entrada de sustancias contaminantes por descuido al acuífero o que comunican a éste con aguas de mala calidad. 16 8

9 1. Mecanismos de introducción n de la contaminación n en el acuífero. 17 Fuente: IGME (1985) 1. Mecanismos de introducción n de la contaminación n en el acuífero. Fuente: López Vera (1991) 18 9

10 1. Mecanismos de introducción n de la contaminación n en el acuífero. Fuente: López Vera (1991) Mecanismos de introducción n de la contaminación n en el acuífero. La introducción y propagación de la contaminación de las aguas subterráneas en el medio hidrogeológico puede ser a través de mecanismos de carácter puntual o difuso: Mecanismos de contaminación "puntual : El foco es muy localizado. Afecta con intensidad a una zona concreta y se extiende habitualmente en forma de "penacho", que se desplaza con el tiempo a favor del gradiente del acuífero. La actividad del contaminante disminuye con la distancia al foco. Mecanismos de contaminación "difusa : El foco de contaminación es amplio y disperso, afectando generalmente a una porción extensa del acuífero. Al cabo del tiempo pueden ser muy preocupantes

11 2. Fuentes potenciales de contaminación de las aguas subterráneas. La contaminación del agua subterránea está determinada sobre todo por el tipo de actividad humana que la produce. 21 Fuente: Canter (1981) 2. Fuentes potenciales de contaminación de las aguas subterráneas

12 2. Fuentes potenciales de contaminación de las aguas subterráneas. Contaminación urbana y doméstica Es la ocasionada por residuos sólidos y por aguas residuales urbanas (en ocasiones, también por residuos gaseosos, que pueden afectar a las aguas de lluvia que se infiltran): constituye un grave problema en las grandes ciudades, por los importantes volúmenes de residuos generados; en regiones húmedas presenta mayor gravedad que en las áridas, por ser mayor la tasa de infiltración; ocasiona en el agua subterránea una elevada demanda de oxígeno (DQO, DBO 5 ), una alta mineralización, elevación de su temperatura, presencia de metales, bacterias, problemas de gases (por descomposición de la MO); es una situación muy común, que requiere políticas de prevención (perímetros de protección, control y gestión de los residuos, etc.) Fuentes potenciales de contaminación de las aguas subterráneas

13 2. Fuentes potenciales de contaminación de las aguas subterráneas Fuentes potenciales de contaminación de las aguas subterráneas. Contaminación agrícola Deriva de la aplicación de abonos, fertilizantes, pesticidas, reciclado de riegos y otros: constituye la causa más generalizada del deterioro de la calidad del agua subterránea; presenta, por lo general, un carácter difuso; aporta elevadas concentraciones de NO 3- (a veces NO 2- y NH 4+ ) al agua, ya que los productos aplicados a los cultivos son generalmente compuestos nitrogenados; es frecuente su extensión, intensidad y persistencia; ocasionalmente aparecen productos fitosanitarios (organoclorados, DDT, organofosforados, ), muy tóxicos; produce una elevada mineralización (salinidad y alcalinidad) en el agua y en el suelo, por reutilización del agua de riego en áreas de explotación intensiva

14 2. Fuentes potenciales de contaminación de las aguas subterráneas Fuentes potenciales de contaminación de las aguas subterráneas

15 2. Fuentes potenciales de contaminación de las aguas subterráneas. Contaminación industrial Es la ocasionada a partir de residuos industriales eliminados a través de la atmósfera, el terreno y el agua (superficial o subterránea), o por pérdidas de sustancias contaminantes durante su almacenamiento y transporte : existe gran variedad de sustancias químicas, muchas de ellas tóxicas y peligrosas, lo que implica una multiplicidad de posibles agentes contaminantes y de situaciones; presenta un carácter esencialmente puntual, localizándose el máximo riesgo en inyecciones sin control a la zona saturada del subsuelo; aparece asociada a escombreras de mineral, residuos radiactivos, efluentes industriales, fugas de hidrocarburos, etc., que pueden ocasionar efectos persistentes Fuentes potenciales de contaminación de las aguas subterráneas

16 2. Fuentes potenciales de contaminación de las aguas subterráneas Fuentes potenciales de contaminación de las aguas subterráneas. Contaminación inducida por bombeo Consiste en la penetración de cuñas de agua salina o de mala calidad por una deficiente y sobredimensionada explotación de las aguas subterráneas: se genera por la entrada subterránea del agua del mar en acuíferos litorales; es un problema frecuente y grave, por la alta densidad de población, potencial turístico, industrial y agrícola y la baja pluviometría de muchas de estas áreas; supone la destrucción del principal recurso hídrico en muchos casos (la mezcla del agua dulce con un 2% de agua marina ocasiona serios problemas para su consumo; un 5% inutiliza el agua para la mayoría de los usos); la contaminación derivada de la sobreexplotación en áreas interiores añade mayor gravedad al agotamiento del recurso, al afectar seriamente a su calidad; a veces se debe a la penetración de aguas contaminadas o de alta salinidad de áreas próximas por sobrebombeo

20 2. Fuentes potenciales de contaminación de las aguas subterráneas. Otras fuentes potenciales de contaminación residuos ganaderos (purines, cadáveres y restos de animales en descomposición), que aportan altas concentraciones de nitrógeno, DBO 5 y de coliformes fecales al agua subterránea; pozos mal construidos o abandonados (pozos que comunican varios acuíferos, pozos con entubaciones corroídas en niveles con aguas de mala calidad, etc.); excepcionalmente, acciones químicas provocadas sobre el ciclo del agua (por ejemplo, sal para eliminar la nieve o cristales de AgI para producción de lluvia artificial) Fuentes potenciales de contaminación de las aguas subterráneas

21 2. Fuentes potenciales de contaminación de las aguas subterráneas Principales contaminantes. Existe gran diversidad en cuanto a la naturaleza y comportamiento de los contaminantes y a la importancia de sus efectos o riesgos derivados de su presencia en el agua. Contaminantes químicos (I) Iones normales (Cl -, SO 2-4, HCO 3-, Na +, K +, Ca 2+, Mg 2+ ) y sus "parámetros derivados" (residuo seco, conductividad eléctrica, dureza): un exceso moderado de los mismos no suele acarrear graves consecuencias (sólo mal sabor, efecto laxante o inconvenientes con el jabón o en la cocción); Iones nitrogenados (NH 4+, NO - 2 y NO 3- ): un exceso puede producir problemas serios, incluso letales, en los niños lactantes (metahemoglobinemia)

22 3. Principales contaminantes. Contaminantes químicos (II) Materia orgánica: proporciona al agua color, olor, sabor, posibilidad de existencia de microorganismos patógenos, así como presencia posible de ciertas sustancias orgánicas no biodegradables. Metales pesados (iones metálicos de Al, Cu, Zn, Pb, Se, As, Cr, Fe, Mn y otros): algunos son muy tóxicos, persistentes y/o acumulativos, causantes de diversas enfermedades, e incluso de la muerte, en dosis elevadas. Compuestos tóxicos y trazadores (cianuros, pesticidas, detergentes no biodegradables y otros): pueden ser letales o cancerígenos en algunos casos, por su elevada toxicidad Principales contaminantes

23 3. Principales contaminantes. Contaminantes biológicos Los virus y las bacterias son los principales agentes de contaminación microbiológica de las aguas subterráneas, introducidos en el acuífero por vertidos de productos fecales de origen humano o animal. Aunque son responsables de la alta morbilidad y mortalidad en países en desarrollo, presentan escasa peligrosidad por la eficaz labor de autodepuración del terreno (no suelen persistir en trayectos mayores de 1 a 3 m ó de 15 a 30 m en medio no saturado y saturado, respectivamente) Principales contaminantes

24 3. Principales contaminantes. Contaminantes radiactivos Se trata de residuos radiactivos depositados en el medio hidrogeológico como vertidos definitivos, o por accidentes o fugas, generados en su mayoría en el proceso de producción de energía nuclear. Los más frecuentes son 3 H, 90 Sr, 129 I, 137 Cs, 239 Pu, 226 Ra, de elevada toxicidad, movilidad y persistencia, que provocan serios riesgos sobre la salud Principales contaminantes

25 4. Procesos de transporte y atenuación n de los contaminantes en las aguas subterráneas. En su movimiento a través de la zona no saturada que es preferentemente vertical descendente- y de la zona de saturación -preferentemente lateral-, el agua subterránea transporta las sustancias contaminantes y todas las que están en solución mediante el proceso denominado advección. Debido a este proceso los solutos "no reactivos" son transportados a la misma velocidad que el resto de la masa de agua subterránea. Junto a éste tienen lugar entre tanto otros procesos de distinta naturaleza que degradan, por lo general, la capacidad agresiva del contaminante. Estos mecanismos depuradores o, más exactamente, procesos de atenuación, pueden ser de tipo físico, geoquímico y bioquímico, y ocasionan, al menos, un retardo en la llegada del contaminante al punto de destino o, en ocasiones, una sensible reducción de su concentración Procesos de transporte y atenuación n de los contaminantes en las aguas subterráneas. Procesos físicos Dispersión provoca la dilución de los contaminantes; es inversamente proporcional a la porosidad eficaz. Filtración elimina los sólidos en suspensión; resulta especialmente efectiva en medios arcillosos. Circulación de gases favorece la descomposición de sustancias orgánicas presentes en la zona no saturada

26 4. Procesos de transporte y atenuación n de los contaminantes en las aguas subterráneas Procesos de transporte y atenuación n de los contaminantes en las aguas subterráneas

28 4. Procesos de transporte y atenuación n de los contaminantes en las aguas subterráneas. Procesos qeoquímicos Formación de complejos y pares iónicos aumentan la cantidad de especies disueltas en el agua. Neutralización/Reacciones ácido-base muy importante para residuos muy ácidos o muy básicos. Oxidación-reducción la movilidad de muchos elementos depende de su estado de oxidación (en ZNS dominan las condiciones oxidantes, y reductoras en ZS). Precipitación-disolución depende de factores como temperatura, ph y otros. Algunos microconstituyentes (As, B, Cd, Fe, Pb,...) poseen gran capacidad de precipitación. Adsorción-desorción/Absorción proceso de atenuación (por intercambio iónico que puede provocar la retención de algunos cationes y aniones en la superficie de las arcillas) más efectivo (salvo para Cl -, NO 3- y SO 4 2- ), más aún cuando sus efectos se combinan con los de la dispersión y otros Procesos de transporte y atenuación n de los contaminantes en las aguas subterráneas

29 4. Procesos de transporte y atenuación n de los contaminantes en las aguas subterráneas. Procesos bioquímicos Degradación biológica y asimilación muchas sustancias orgánicas pueden ser eliminadas por actividad biológica; también se produce frecuentemente la fijación de SO 4 2-, NO 3-, As, Hg, Mo. Síntesis celular N, C, S, P y otros constituyentes traza son necesarios para el crecimiento de la mayor parte de los organismos Procesos de transporte y atenuación n de los contaminantes en las aguas subterráneas

31 5. Lucha contra la contaminación n de las aguas subterráneas. El poder autodepurador de los acuíferos es limitado y sólo eficaz en un estrecho margen de condiciones fisicoquímicas y biológicas la prevención es el mejor método de protección de la calidad de las aguas subterráneas. La contaminación de las aguas subterráneas tiene una gran incidencia socioeconómica (altos costes sociales), derivada de sus propias características: lentitud en su desarrollo ("bomba de relojería"), permanencia en el medio una vez afectado éste, o dificultad para su eliminación, entre otras. Por ello, los medios de lucha suelen ser complejos, lentos, sofisticados y caros interés en la prevención Lucha contra la contaminación n de las aguas subterráneas. Métodos preventivos Se trata de poner los medios necesarios para que no llegue a producirse la contaminación o que, en el peor de los casos, suponga el mínimo deterioro para el agua subterránea. Su finalidad tiene una triple vertiente: evitar que el contaminante llegue al acuífero ordenación de las actividades potencialmente contaminantes, establecimiento de perímetros de protección y de normativas de construcción y clausura de pozos, impermeabilizaciones, drenajes, etc.; reducir su peligrosidad antes de que el contaminante alcance el acuífero tratamientos de depuración; limitar la cantidad de contaminante que alcanza el acuífero reciclados, optimización de la aplicación de fertilizantes, drenajes y otras medidas

32 5. Lucha contra la contaminación n de las aguas subterráneas Lucha contra la contaminación n de las aguas subterráneas

33 5. Lucha contra la contaminación n de las aguas subterráneas. Métodos curativos Su finalidad consiste en proteger captaciones existentes, una vez que se ha producido la contaminación del acuífero, e intentar eliminar el contaminante desviando el flujo subterráneo, mediante: modificación del régimen de bombeos; formación de barreras hidráulicas, tanto de presión (mediante recarga) como de depresión (a través de extracciones); intercepción y extracción del contaminante por bombeo (en el caso de hidrocarburos) y limpieza y/o retirada del terreno contaminado; construcción de barreras subterráneas impermeables Lucha contra la contaminación n de las aguas subterráneas

34 5. Lucha contra la contaminación n de las aguas subterráneas. Vigilancia de la calidad del agua subterránea Se trata de establecer un programa, científicamente concebido, de reconocimiento continuo que incluye muestreos directos y medidas indirectas de calidad, inventario de las causas de cambio actuales o potenciales así como análisis de la causa de cambios acaecidos y predicción de la naturaleza de los futuros cambios de calidad (E.P.A.). Para ello, se debe obtener información mediante: determinación de la tendencia de la calidad del agua subterránea en la región; detección de las fuentes contaminantes; observación de los fenómenos de contaminación detectados; diseño de redes de control y seguimiento de la contaminación (densidad, distribución de pozos, número y tipo de parámetros a observar, métodos y frecuencia de muestreo, etc., en función del objeto específico de la red) Lucha contra la contaminación n de las aguas subterráneas

35 6. Contaminación n por el vertido de residuos sólidos. s Uno de los más frecuentes focos potenciales de contaminación de las aguas subterráneas -también del aire, del suelo y de las aguas superficiales- lo constituyen los vertederos de residuos sólidos urbanos (VRSU), por su abundancia en sustancias peligrosas, tanto minerales como orgánicas. El problema de la contaminación de las aguas subterráneas por el vertido de residuos sólidos se debe a la generación de lixiviados. La humedad retenida por los residuos almacenados en el VRSU y el agua que se infiltra y circula a su través, forman un fluido al que se van incorporando sustancias, tanto solubles como no reactivas, durante su movimiento por el interior del vertedero. Dicho fluido contaminante se denomina lixiviado Contaminación n por el vertido de residuos sólidos. s 70 35

36 6. Contaminación n por el vertido de residuos sólidos. s Contaminación n por el vertido de residuos sólidos. s 72 36

37 6. Contaminación n por el vertido de residuos sólidos. s El volumen de lixiviados generados en un VRSU es difícil de calcular con precisión. Habitualmente se estima mediante un balance hídrico efectuado en la superficie del vertedero, considerando que, tras un cierto tiempo de funcionamiento del vertedero, se cumple que: Entradas = Salidas Deben tenerse en cuenta todas las características específicas del VRSU. En general, los componentes del balance son: Entradas = agua de lluvia + escorrentía superficial incidente + agua subterránea que accede al vertedero + otras posibles entradas (reciclado de lixiviados, vertido de residuos líquidos, etc.). Salidas = evapotranspiración real + escorrentía superficial + infiltración (volumen de lixiviados) Contaminación n por el vertido de residuos sólidos. s La composición de los lixiviados varía de un VRSU a otro; y en un mismo vertedero se modifica con el tiempo. Como consecuencia, la gama de composición es muy amplia. Los principales factores que contribuyen a dicha variación son: la naturaleza y características del residuo, la edad del residuo almacenado, la humedad y temperatura del residuo, el sistema de explotación del VRSU

38 6. Contaminación n por el vertido de residuos sólidos. s El lixiviado se infiltra verticalmente, a través del terreno, hasta alcanzar la superficie freática; una vez allí se moverá con el agua subterránea a favor del flujo Contaminación n por el vertido de residuos sólidos. s 76 38

39 6. Contaminación n por el vertido de residuos sólidos. s En condiciones hidrogeológicas ideales el volumen de agua contaminada -llamado enclave de contaminación- adoptará la forma aproximada de un semielipsoide o penacho de contaminación (por su similitud al humo de una chimenea), que se alarga y se diluye en la dirección del flujo subterráneo en el seno de la zona saturada del acuífero Contaminación n por el vertido de residuos sólidos. s 78 39

40 6. Contaminación n por el vertido de residuos sólidos. s Debe tenerse en cuenta que, si la generación de lixiviados no es continua, el penacho se extenderá en forma de sucesivos enclaves, respondiendo a las pulsaciones que registre su incorporación al medio hidrogeológico Contaminación n por el vertido de residuos sólidos. s El grado de afección de los lixiviados a la calidad del agua subterránea depende, fundamentalmente, de cuatro aspectos: La composición del lixiviado. Es muy variable, aunque en general altamente contaminante. Presenta características anaerobias y reductoras. Sus parámetros físico-químicos y microbiológicos suelen tener concentraciones muy elevadas, que tienden a reducirse lentamente al cesar el vertido. El caudal de lixiviado infiltrado. Corresponde a la parte de lixiviado que no drena superficialmente desde el vaso del vertedero. Por lo general, el caudal infiltrado es mayor en vertederos incontrolados asentados sobre un substrato permeable en regiones húmedas que en vertederos controlados de regiones secas ubicados sobre materiales de baja permeabilidad. Por otra parte, siempre conviene no confiar en la eficacia, a medio y largo plazo, de las impermeabilizaciones artificiales del vaso de los VRSU

41 6. Contaminación n por el vertido de residuos sólidos. s La atenuación de la contaminación en la zona no saturada. Puede ser muy intensa debido a los procesos de filtración mecánica, biodegradación, reducción de la demanda de oxígeno, las reacciones redox y la adsorción/absorción e intercambio iónico que se producen en esta zona. Dichos mecanismos de atenuación mejoran su eficacia al dilatarse el tiempo de permanencia del lixiviado en ZNS, así como al aumentar el porcentaje de partículas finas en el terreno. La atenuación de la contaminación en la zona saturada. Es, generalmente, menos intensa que en la zona de aireación. Los procesos más eficaces en ZS suelen ser: la dispersión a lo largo del flujo, las reacciones químicas de precipitación al interaccionar el lixiviado con el agua subterránea y la adsorción e intercambio iónico. El grado de atenuación crece con la distancia recorrida por el contaminante, y también al incrementarse el porcentaje de partículas finas en el terreno Contaminación n por el vertido de residuos sólidos. s Algunos de estos procesos (filtración, biodegradación, ) eliminan de manera irreversible una parte de la contaminación. Otros mecanismos (dispersión, adsorción e intercambio iónico, ciertas reacciones de precipitación) sólo provocan la dilución de las altas concentraciones del contaminante y un retardo en su movimiento respecto a la velocidad del flujo subterráneo

42 6. Contaminación n por el vertido de residuos sólidos. s Cada elemento disuelto migra a menor velocidad cuanto mayor es su capacidad de interacción con las partículas finas del terreno y de reacción con el agua subterránea. El grado de dispersión aumenta al hacerlo la velocidad con la que se mueve cada compuesto en el seno del agua subterránea. El resultado es la generación, para cada elemento que no se haya eliminado, de un enclave de contaminación diferente, en el que las concentraciones se reducen progresivamente al distanciarse del vertedero Contaminación n por el vertido de residuos sólidos. s La extensión de los enclaves de contaminación varía lentamente, pero de forma continua, como respuesta a los cambios permanentes en la composición y el caudal del lixiviado generado por el vertedero. Además, la lenta velocidad del agua subterránea, unida a las interacciones hidrogeoquímicas provocadas, difumina y retrasa mucho dichos efectos

43 6. Contaminación n por el vertido de residuos sólidos. s La forma y extensión de los enclaves también está muy condicionada por las características hidrogeológicas en el entorno del vertedero (litología, heterogeneidad y anisotropía del sustrato, oscilaciones del nivel freático, posición del VRSU en relación a las áreas de recarga y descarga de agua subterránea, etc.) y por las alteraciones antrópicas del flujo hidrodinámico (bombeos, zonas de recarga artificial, etc.), además de las características propias del lixiviado (especialmente su densidad) Contaminación n por el vertido de residuos sólidos. s 86 43

46 6. Contaminación n por el vertido de residuos sólidos. s Contaminación n por el vertido de residuos sólidos. s Algunos métodos de tratamiento y extracción del agua subterránea contaminada: 92 46

48 6. Contaminación n por el vertido de residuos sólidos. s 95 48