TEMA 7 AGUAS SUBTERRÁNEAS

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1 TEMA 7 AGUAS SUBTERRÁNEAS Página 1 Elaborado por: Ing. E. Díaz. Ing. O. Duarte. Ing. C. Ricciardi

2 INTRODUCCIÓN Luego que el agua ha entrado en el suelo se diferencian dos zonas: saturada (inferior) y no saturada (superior), en la parte superior existe un complejo de roca-aire y agua; en las fisuras y poros existe agua y aire, mientras que en la zona saturada solo tenemos agua. Se deben considerar los siguientes elementos: a) continente: roca que almacena agua, de la que nos interesa conocer: 1. posibilidad de almacenar agua. 2. posibilidad de transmitir el agua. para ello la roca deberá ser porosa y/o fisurada. La porosidad se mide indirectamente a través de la granulometría; a pesar de que no existe una relación directa dado que depende fundamentalmente de la disposición de los diferentes elementos, a mayor homogeneidad mayor posoridad. Debemos diferenciar dos tipos de porosidad: a.1.) porosidad total: Volumen hueco p = * 100 Volumen de roca surge además el concepto de agua gravífica; que es la que se puede extraer de la roca madre por los procesos de gravedad; ello da origen a la: a.2.) porosidad eficáz: Volumen de agua gravífica p = * 100 Volumen de roca por lo que en realidad existen diversas porosidades:.porosidad subcapilar: corresponde a diámetros < mm.porosidad capilar: corresponde a diámetros entre 0.5 a 1 mm y fisuras para anchos < 0.25 mm. porosidad no capilar: es la de los acuíferos, sus diámetros de poros y fisuras es mayor que la de los capilares. b) tipos de agua que pueden presentarse: b.1.)agua en estado sólido: en forma de los denominados hidrolacolitos (su importancia radica en que dificulta el proceso de infiltración de las aguas superficiales); otra forma es el agua de constitución: presente en forma iónica en los minerales (ejemplo la limolita como 2 Fe2 O3H2O, para poder eliminarla debe calcinarse el suelo a temperaturas > 400 C); otra forma es el agua de cristalización: retenida en la red cristalina en forma de moléculas de agua ( ejemplo el yeso y la anhidrita), se la elimina por calentamiento pero a temperaturas < 400 C. b.2.) agua en estado gaseoso: en forma de vapor de agua; su proporción es función de la temperatura, presión, humedad del terreno. Su importancia radica en el hecho de la condensación oculta (al enfriarse los suelos por la noche se condensa el vapor de agua). b.3) agua en estado líquido: engloba dos subgrupos: - agua higroscópica: retenida por fuerzas eléctricas y de adhesión molecular, no es utilizada por las plantas, se puede eliminar del terreno mediante calentamiento a temperaturas del orden de C. - agua pelicular: fijada por las fuerzas de atracción molecular, tiene espesores del orden de 0.1 µ; se puede desplazar de una partícula a otra para igualar los espesores de dos partículas diferentes, en condiciones excepcionales puede ser aprovechada por las plantas; se puede eliminar por centrifugación a rpm; su proporción aumenta con la inversa del Página 2

3 diámetro de los granos ( en las arcillas del 40 al 50 % de agua pelicular; en las arenas del 1.5 al 3 %). - agua capilar: ocupa los huecos capilares, retenida por fuerzas de tensión superficial, es eliminable por, oreado ( secado al aire), su presencia es inversamente proporcional a la textura de los suelos ( arcillas hasta 2 metros de altura, arenas de 10 a 15 cm). - agua gravífica: o agua libre o de percolación, se desplaza por la acción de la fuerza de la gravedad. II. CLASIFICACION DE LOS SUELOS O ROCAS EN LA ZONA SATURADA Acuícludo: capaz de almacenar agua pero no de transmitirla. Acuífugo: incapaz de almacenar agua, no puede trasmitirla Acuitardo: capaz de almacenar agua, de transmisión lenta. Acuífero: capaz de almacenar agua y de transmitirla. III. ZONA SATURADA Y NO SATURADA Se encuentran presentes todos los tipos de agua: gravífica, capilar, pelicular e higroscópica; su circulación es casi horizontal. La zona saturada se puede dividir en tres franjas: franja capilar: influenciada por el agua capilar + pelicular e higroscópica. franja de evapotranspiración: ( parte superior del suelo no saturado), es la que es explorada por las raíces de las plantas, sujeta a variaciones de su humedad en función del estado vegetativo y de crecimiento de las plantas. franja de percolación: intermedia entre las otras dos, es una zona de circulación de agua, con una componente básicamente vertical. IV. MEDICION DEL CONTENIDO DE HUMEDAD Una forma de medir el contenido de humedad en un suelo es tomar la muestra de suelo y someterla al oreado, centrifugado y posterior desecación. En función del peso de la muestra en estado natural (húmeda) y el peso de la muestra seca, se determina la humedad del suelo. Otra forma es mediante la testificación con la sonda de neutrones; la que consiste en un emisor de neutrones rápidos ( Americio-Berilo), un detector de neutrones lentos y un contador o totalizador. Luego a partir de una ecuación que relaciona la humedad en función del conteo de neutrones lentos se puede obtener la humedad. El radio de investigación del detector de neutrones, depende de la actividad de la pastilla radiactiva, y oscila entre 0.20 á 0.35 m. Las mediciones se pueden realizar en pozos barrenados entubados o no. V. EXPRESION DE LAS CARACTERISTICAS DEL AGUA EN UN ACUIFERO - Acuífero libre: aquel en el cual el techo está en equilibrio con la presión atmosférica. - Acuifero confinado ó cautivo o a presión: es aquel cuya agua está retenida en el techo por un acuicludo o por un acuífugo. Cuando el agua que está en el interior surge al exterior el acuífero se denomina artesiano. - Acuífero semiconfinado: es aquel que tiene al techo un acuitardo, del cual puede recibir por goteo agua para reponer la extracción de volúmenes por perforaciones. - Acuífero multicapa: es una sucesión de acuíferos en la vertical separados por acuitardos, acuífugos y/ó acuícludos. - Acuíferos colgados: corresponde a una estructura en la cual el nivel piezométrico está por encima del nivel piezométrico regional. Página 3

4 VI. ORIGEN DEL AGUA SUBTERRANEA - Aguas meteóricas: aquellas que se ha aportado a partir de las lluvias o por infiltración desde un río. - Aguas marinas: que proceden de la invasión en tiempos relativamente recientes de los acuíferos por parte del mar. - Aguas congénitas: es aquella que ha permanecido en el acuífero desde su formación geológica. - Aguas volcánicas: es aquella originada en el magma más o menos profunda ( de vapor se condensa a agua), que aparece en superficie. VII. ESTUDIO DE LA PIEZOMETRIA Superficie piezométrica: es el lugar geométrico del nivel del agua en los acuíferos libres o del nivel que alcanzaría el agua en formaciones de acuíferos confinados. En un plano dicha superficie se determina por lo que se conoce como Líneas de Isopiezas, que son curvas que unen puntos de igual nivel piezométrico (N.P.). Otras veces se las llama Isoipsas y a veces Mapas Isopotenciométricos y Curvas potenciométricas. La línea isopieza pone de manifiesto el volumen de agua almacenada. Para ello se establece la porosidad total o eficáz multiplicada por el volumen de roca o acuífero. Las líneas isopiezas analizdas en forma contínua en el tiempo ( ejemplos anualmente, mesualmente, etc.) indicará los volúmenes de agua almacenados. Sirven asimismo para determinar el flujo subterráneo, el que es determinado por una línea perpendicular a la curva isopieza ( línea de máximo gradiente o pendiente). En condiciones naturales del acuífero ( no sujeto a explotación por parte de perforaciones, ni a zonas de recargas) la separación de las líneas isopiezas es un indicativo de las variaciones de la conductividad hidráulica del acuífero. Líneas más separadas zonas más permeables, líneas mas juntas zonas de menor permeabilidad. En las zonas de depresión de las líneas isopiezas en un acuífero está indicando las zonas de explotación del mismo por bombeo, etc. Por el contrario las divisorias hidrogeológicas o zonas de recarga coinciden con los altos de las curvas isopiezas. En este sentido su interpretación es muy similar a la que se puede realizar a partir de los mapas de curvas de nivel. VIII. MEDICION DE LA PROFUNDIDAD DEL AGUA SUBTERRANEA Si se dispone de una perforación abierta, a través de la cual se puede introducir una sonda eléctrica (bipolar o unipolar es posible determinar la profundidad al agua. La misma se refiere a la boca del pozo o freatímetro (acuífero libres) ó piezómetros (acuíferos confinados), el que debidamente acotado y referido a un nivel topográfico (por ejemplo el cero del Instituto Geográfico Militar) me permite obtener la cota del nivel freático (o pizométrico). En los pozos surgentes para determinar el valor de la altura piezométrica se lo puede hacer midiendo con manómetros las presión a la que se encuentra el agua y expresándolo en kg/cm2 ó en equivalentes de metros de columna de agua ( 1 kg/cm2 = 10.0 metros de columna de agua ). Dependiendo de la forma de medición se denomina a la instalación freatímetro o piezómetro ( mediciones periódicas ) o freatígrafo o piezógrafo ( medición contínua mediante un registrador de nivel en papel o algún medio magnético ). El análisis de los registros de piezometría permite inferir la evolución del sistema acuífero y predecir niveles futuros en función de las recargas y extracciones a las que puede estar sometido. En áreas de baja pendiente y suelos permeables, la profundidad al agua subterránea está muy influenciada por las precipitaciones. Por lo que el monitoreo del nivel Página 4

5 piezométrico a lo largo del tiempo permite estudiar las características del acuífero, la respuesta frente a las precipitaciones, etc. IX. HIDRODINAMICA Se ocupa de las características del agua en movimiento en el subsuelo. Se realiza a través de los parámetros: - k permeabilidad o conductividad hidráulica. - S Coeficiente de almacenamiento para poder deducir las siguientes variables: - Q caudales a extraer desde un sondeo o perforación - s niveles piezométricos para diferentes intervalos de tiempo. Leyes generales Al movimiento del agua se lo considerará como una deformación contínua (movimiento de partículas contínuo, existe una unión de partíuclas, no se producen espacios de aire intermedio) => se estudiará el movimiento del agua en la zona saturada. Se analiza el desplazamiento de la partícula o su trayectoria ( lugar geométrico de una partícula de fluido en movimiento; se la denomina también línea de traza o filete líquido). El estudio de esa trayectoria permitirá definir las leyes del régimen de circulación. Para un estudio se definen los siguientes regímenes: - Régimen Permanente: si en un punto dado la velocidad permanece constante a lo largo del tiempo se lo llama régimen permanente. Asociado al régimen permanente está implícito el esquema de que el caudal es constante. - Régimen variable o transitorio: surge por oposición al anterior, no existe una constancia de la velocidad para un punto dado en el tiempo. - Circulación uniforme: cuando la velocidad a lo largo de la trayectoria es constante ( no solo en el tiempo, sino también en el espacio), la característica es que no hay aceleración dv/dt=0. - Circulación uniforme: a partir de los estudios de Reynolds (1883) sobre la circulación de los filetes de corriente ( usando una cubeta de agua y un colorante para marcar el agua), definió los límites entre circulación laminar y turbulente ( difería el límite si se pasaba de uno a otro o viceversa, definiendo la velocidad crítica superior e inferior). El valor de esta velocidad crítica esta dado por el número de Reynolds (Re). Para acuíferos sedimentarios el valor de Re oscila entre 50 <= Re <= 60. Por lo que el movimiento del agua en un acuífero es básicamente laminar ( están exceptuados de estas condiciones el movimiento del agua en los alrededores de un pozo de explotación y en los acuíferos por fisuración). Experiencia y Ley de Darcy En 1856 Darcy publica una obra: "Las fuentes públicas de la villa de Dijon"; allí establece las leyes físicas de la circulación del agua en un medio poroso. La experiencia fue, Figura Nro.1 Página 5

6 Figura Nro 1: Experiencia de Darcy llego a que: Q = A * delta h / * k donde k = permeabilidad o conductividad hidraúlica, con unidades de velocidad La permeabilidad depende de la granulometría, existen distintos autores que han tratado de encontrar relaciones empíricas entre la granulometría y la conductividad hidraúlica o permeabilidad. La permeabilidad ha sido definida como: el caudal de agua que circula a través de una sección de área unidad con un gradiente hidráulico unitario y con agua a 20 C. La permeabilidad se puede determinar en laboratorio mediante "permeámetros" o en campo mediante ensayos de permeabilidad ( más precisos pues no disturban la muestra). Transmisividad Fue puesto en uso por Theis (1935), surge a partir del producto de la permeabilidad por el espesor del acuífero: T = k * e en los ensayos de bombeo el parámetro que se obtiene es la transmivididad. Las unidades en que se expresan son : [cm2/seg] ó [m2/día]. Se la define como el caudal que circual a través de una sección vertical del acuífero de ancho unidad y de una altura igual al espesor del acuífero, bajo un gradiente hidráulico unidad y con agua a 20 C de temperatura. En un acuífero libre no existe una constancia de la transmisividad, dado que si se somete a bombeo, se deprime el nivel peizométrico, produciendo una disminución de T, esto no pasa en los acuíferos confinados. Coeficiente de Almacenamiento Se lo suele representar con la letra S, y para acuíferos libres ha sido definido por Jacob (1944, USA) como el volumen de agua liberado por un prisma vertical de base unidad y altura la del acuífero, al disminuir la altura piezométrica en una unidad. Para acuíferos libres equivale a la porosidad eficaz ( 1 <= S <= 40 %). Para acuíferos confinados al descender el nivel piezométrico, el acuífero produce agua por dos razones: descompresión del agua y de la roca matriz, por ello los valores son mucho más pequeños para el acuífero confinado que el acuífero libre: 1 x 10-6 <= S <= 1 x 10-3 Si un acuífero confinado por sobrexplotación pasa a libre, desde el momento que deja de comportarse a presión el coeficiente de almacenamiento pasa a ser el de acuífero libre. Validez de la Ley de Darcy Las condiciones impuestas para el desarrollo del método son: * medio homogéno e isótropo: el movimiento del agua es uniforme en todas las direcciones del flujo. * el agua circula por diferencias de cargas hidráulica: las pérdidas de carga por velocidad no se tienen en cuenta, se considera un régimen laminar y no turbulento. * el quimismo del agua es normal: el contenido de sales no debe ser elevado, pues sino actuaría el efecto de la viscosidad, y además que no se producen mezclas de aguas ( ejemplo Página 6

7 agua dulce-salada), no debe haber un contenido importante de gases ( pues variaría la permeabilidad, peso específico, etc.) Los factores realmente limitativos son: * homogeneidad del medio: la fórmula de darcy fue deducida para un medio granular; si en lugar de ello tenemos un medio fisurado deja de ser válido la aplicación de la ley. En la naturaleza nos encontramos normalmente con medios estratificados, lo que supone distintas permeabilidad en las diferentes direcciones, se pude decir en general que: kh > kv donde: kh = permeabildiad horizontal kv = permeabilidad vertical esto sucede por razones de tipo sedimentológico, por la deposición de los diferentes sedimentos. Esto sucede a nivel de una misma capa o estrato, pero si analizamos a escala de acuífero, estas discrepancias aumenta, debido a las diferentes deposiciones que dieron origen al acuífero. Si determinamos la permeabilidad en laboratorio, el valor obtenido será muy variable, dependerá de la muestra, de la dirección en que circula el agua, etc. Se obtendrá una gran dipersión de puntos alrededor de un valor medio. Si la permeabilidad se obtiene a travez de ensayos de bombeo, será una permeabilidad media ponderada de la sección del acuífero utilizado; su valor será de mayor aplicación práctica que la del ensayo de laboratorio. X. MEDICION DE LA CALIDAD DEL AGUA SUBTERRANEA La ciencia que estudia la calidad química del agua subterránea se denomina HIDROQUIMICA y tiene como objetivos conocer los siguientes aspectos:. comparar distintas aguas. establecer relaciones entre composición del agua y su recorrido en el sustrato o acuífero.. interconexión o mezcla de acuíferos.. posibilidad de contaminación de aguas, intrusión marina, y la calidad del agua para distintos usos. Las sustancias presentes se pueden clasificar en dos grandes grupos: - sustancias en disolución: en ella podemos encontrar gases u otras sustancias ( orgánicas e inorgánicas ), la presencia de las inorgánicas implican contaminación. - sustancias en suspensión: propio de las aguas superficiales, fundamentalmente en temas de colmatación, sedimentología, etc. a) Gases La solubilidad de los gases disminuye con el aumento de la temperatura, por lo que los mismos juegan un papel importante en las aguas termales. En las aguas subterráneas son importantes o frecuentes la presencia de CO2, SH2, H2, O y en menor cantidad: Helio, Argón, Nitrógeno, etc. Un ejemplo de la importancia de la presencia de los gases se dá en las guas bicarbonatadas cálcicas, la composición química de las mismas es: (CO3H)2 + H2) se transforma en CO3Ca + 2 H2O + CO2 (gas) al eliminarse el CO2 como gas, se deposita el carbonato cálcico que tiene menor solubilidad en el agua. Por otra parte los gases en el agua potencian su capacidad de disolución, fundamentalmente en los carbonatos, transformándolas en aguas agresivas. Asimismo la presión a la que está sometida el agua aumenta la solubilidad de los gases. b) Materiales en disolución: depende de la solubilidad de la roca matriz del acuífero, a mayor solubilidad mayor contenido salino tendrá el agua. Página 7

8 Un parámetro condicionante es la superficie de contacto entre la roca y el agua; la misma roca si es porosa aportará mayor cantidad de sales que una de similares características fracturada, por lo que a mayor superficie de contacto mayor contenido salino. Las rocas que mas sales aportan son las arcillas y limos ( mayor superficie de contacto) El aumento de salinidad implica un aumento de solubilidad del agua ( Ejemplo: un agua con sulfatos puede disolver mayor cantidad de carbonatos que un agua sin sulfatos ). El aumento de temperatura implica un aumento del poder de disolución del agua; existe una limitación que son los carbonatos debido a que a mayor temperatura se elimina el CO2 presente, con lo que disminuye la agresividad del agua. La solubilidad está condicionada por la disponibilidad iónica dentro del agua (a mayor disponibilidad => mayor poder de disolución). Se pueden diferenciar tres grupos de minerales; Figura Nro. 2: Grupo I: gran radio iónico; poca carga iónica ( sodio, potasio, magnesio, calcio) estos elementos permanecen en disolución en el agua aún para valores elevados de ph ( => no se precipita) Grupo II: elementos que tiene radio iónico y carga iónica media; se pueden incluir entre ellas el hierro, aluminio, sílices. Estos elementos precipitan para ph alcalinos ( => ph < 7) Grupo III: se caracterizan por una carga iónica grande y un radio iónico pequeño; entre ellos se incluye el azufre, nitrógeno, carbono y el fósforo. Estos elementos se encuentran en el agua formando complejo con el oxígeno ( Ej: (CO3H)2; etc) ). Figura Nro. 2 Relación entre carga iónica y radio iónico. A partir de esto surge que los elementos químicos mayoritarios en el agua son: a) Cationes: Sodio (Na+); Potasio (K+); Calcio (Ca++) y Magnesio (Mg++). b) Aniones: Bicarbonatos (CO3H-); Carbonatos (CO3=); Sulfatos (SO4+) y Cloruros (Cl- el resto de los elementos son minoritarios u oligoelementos. Pueden llegar a ser importantes en aguas minero-medicinales ( Ej: presencia de hierro, fluor), en caso de contaminación de aguas algunos de ellos se pueden encontrar con valores elevados ( Ej: residuos de industrias química; de industrias del cuero, etc.) Página 8

9 Mineralización del agua El agua subterránea procede mayoritariamente de las lluvias; en proporciones menores desde un río; otro acuífero, etc. El agua de lluvia como aporte primario tiene una cantidad de gases ( nitrógeno, argón, anhidrido carbónico, oxígeno y en zonas industriales puede haber otros gases), ello hace, debido a la presencia de CO2; que sea agresiva; y también contiene gran cantidad de cloruros en función de la distancia al mar. Los valores medidos oscilan entre 13 toneladas por kilómetro cuadrado y por año. En áreas costeras el agua de lluvia tiene de 50 a 200 miligramos de cloruros por litro, una lluvia en zona urbana aporta del orden de 20 a 50 miligramos/litro; y en zonas continentales su aporte es del orden de 5 á 20 miligramos/lt. Proceso de adquisición de sales por parte del agua subterránea En un período corto de tiempo ( uno a dos días) el agua del acuífero adquiere su quimismo; se produce por la serie de procesos de disolución, hidratación e hidrólisis. El ataque químico por parte de las aguas es un conjunto de procesos a partir de los cuales el agua adquiere una determinada salinidad en función del tiempo transcurrido en el contacto agua-acuífero. Los mecanismos más importantes son: * hidratación: suele ser un proceso previo al ataque químico propiamente dicho; se entiende por ella a la penetración del agua en el sistema reticular de los cristales. * hidrólisis: (lisis=destrucción), equivale a una destrucción por el efecto del agua. Se trata de una verdadera reacción química entre el mineral y el agua, el agua destruye la estructura química entre el mineral. Un ejemplo común es la hidrólisis de los silicatos. Se ve favorecido por la presencia de iones hidrogenión (H+), o sea en medios de ph básico. * óxido-reducción: ( proceso REDOX), es claro que su incidencia se presenta donde existe Oxígeno => zona no saturada del acuífero. Viene dada en función del Eh del medio ( potencial REDOX) y del ph. * Disolución de sales solubles * procesos biológicos: pueden favorecer cualquiera de los mecanismos antes expuestos. Se deben destacar fundamentalmente los acidos húmicos y la reducción de sulfatos. Factores de la Mineralización Se lo pueden clasificar en: a) litólógicos: superficie de contacto roca-agua * granulometría * fase sólida soluble * existencia de agua intersticial b) del agua en sí misma * acidez del agua (ph) * potencial redox (Eh) * déficit de saturación * presión de los gases en disolución. c) del sistema roca-agua * permeabilidad: condiciona la velocidad del agua y el tiempo de contacto. * longitud recorrida * régimen de circulación * cambios iónicos por difusión salina, adsorción. d) factores externos * temperatura del agua Página 9

10 * presión a la que se encuentra el agua * actividad biológica. Origen del contenido salino de las aguas Ión sulfato (SO4=): las aguas subterráneas adquieren el sulfato del lavado de ciertas sales, del tipo provenientes de rocas sedimentarias ( principalmente de las rocas evaporíticas: yeso, anhidrita). Existe también una cantidad no muy alta en las aguas de lluvias, en algunos casos adquiere valores elevados en zonas industriales ( incorpora SO2 (anhidrido sulfuroso) que por oxidación pasa a sulfatos); pueden producirse incorporaciones de SO2 a partir de emanaciones naturales de origen volcánico. Como aguas residuales de industrias, aguas de escurrimiento superficial de las ciudades y a partir del origen de actividades agrícolas ( por el añadido de yeso para enmiendas de suelos). El sulfato una vez que se incorpora al agua subterránea es muy difícil que alcance su precipitación. Carbonatos y bicarbonatos: proceden de la disolución de rocas carbonatadas y en función siempre de la presencia de anhidrido carbónico. También proceden del ataque de los silicatos por medio de la hidrólisis del agua. Estos aniones son fácilmente precipitables. Cloruros (Cl-) son un componente minoritario en la corteza terrestre, pero si lo es importante en las aguas subterráneas, puede proceder de varias fuentes: aguas del mar, salmueras ( aguas de salinidad mayor a las aguas del mar), procedentes del lavado de rocas evaporíticas cloruradas ( sal común o cloruro de sodio), lluvias y el vertido urbano e industrial. El ión cloruro es el más difícil de precipitar, está muy afectado debido a su solubilidad por fenómenos de concentración. Nitratos (NO3-) sigue en orden de importancia a los tres aniones anteriores, procede de origen artificial ( abonos nitrificados ) es un indicador de contaminación reciente y cercana de los acuíferos. En cuanto a los cationes: Sodio (Na+) tiene procedencia asociada a los cloruros pues generalmente vienen del mismo origen: aguas del mar, salmuera, lluvias y vertidos urbanos e industriales. El sodio no puede ser utilizado como trazador pues se producen cambios de base (intercambio iónico), generalmente cuando se encuentran atravesando formaciones de arcillas, que los intercambia al sodio por el calcio. En algunos casos se utiliza este fenómeno para poder ablandar las aguas duras para evitar posteriores durezas de las mismas. Potasio (K+): tiene un origen similar al sodio, pero producto de lavados de rocas cloruradas potásicas o sulfatadas potásicas. El potasio suele ser el componente minoritario de los iones mayoritarios. El potasio es retenido indefectiblemente por las arcillas y no es posteriormente intercambiado. Calcio (Ca++): procede de la disolución de los carbonatos, así como la anhidrita y el yeso; también el ataque de los silicatos produce calcio, es el componente catiónico más importante de las aguas subterráneas. Magnesio (Mg++) proceden de rocas evaporíticas y dolomitas, están afectadas de fenómeno de intercambio iónico. Dado que proceden de rocas difícilmente solubles => son fácilmente precipitables. Otros componentes minoritarios son: Hierro (Fe++; Fe+++, Fe(OH)2-; Fe(OH)- ) puede llegar a alcanzar valores importantes. Silice (Si)2) es el componente mayoritario de la corteza terrestre pero debido a su baja solubilidad es la que se encuentra en menores concentraciones; debido a que la solubilidad de la sílice es función de la temperatura se lo utiliza como geotermómetro. Página 10

11 Evolución hidroquímica regional del agua subterránea Es el computo de la modificación hidroquímica que sufren las aguas subterráneas a lo largo de un cierto tiempo en contacto con el acuífero. A un tiempo de circulación en el acuífero mayor contenido en sales. Esta idea se alcanza al tener en cuenta el factor de solubilidad. No obstante hay unos fenómenos modificatorios del quimismo no relacionados a ese tiempo de circulación (solubilidad) en el acuífero que modificaran en alguna medida, bastante sus características hidroquímicas. De las sales que existen en la naturaleza la más soluble es el ClNa ( cloruro de sodio) => yeso (CO4Ca) => Carbonatos (CO3H+). Si se considera un tiempo largo de contacto del agua en el acuífero, se da el término de FACIE HIDROQUIMICA. Se parte de un agua de infiltración proveniente de la lluvia ( pocas sales); al caer al suelo y en función de su desarrollo se cargará rápidamente en CO2, dándose la relación: H2O + CO2 (gas) <=> H2) + CO2 (disuelto) <=> CO3H- + H+ es decir el agua comienza a tener carácter ácido pudiendo comenzar a producir la hidrólisis de feldespatos o la disolución de carbonatos. Los ácidos húmicos contribuyen a este fenómeno. El agua primeramente se va a saturar en CO3Ca, Figura Nro. 3 Figura Nro. 3 Evolución del quimismo en un acuífero. Un agua poco mineralizada es primeramente bicarbonatada, más tarde pasa a ser sulfatada y por último clorurada. La precipitación seguirá un camino inverso: primero precipitará CO3=, luego SO4+ y por último Cl-, que nunca precipita en condiciones normales ( solo en áreas donde la evaporación es muy grande). * en aguas con menos de 40 meq/lt o menos de 1000 mg/lt, dominan las CO3H- > SO4+ > Cl- * aguas entre 40 a 60 meq/lt ( entre 1000 a 1500 mg/lt) CO3H_ > SO4= ó Cl- * aguas entre 60 a 180 meq/lt Cl- ó SO4- > CO3H- * aguas entre 180 a 390 meq/lt Cl- >> SO4- > CO3H- * aguas con más de 390 meq/lt Cl- >>> SO4H- >> CO3H- Esto ocurre normalmente, pero esta regla no se puede seguir siempre de forma clara al depender del contenido de agua en un determinado medio de contenido aniónico y del contenido y tipo de cationes, y a factores como la fuerza iónica. De forma general en los cationes no se pueden aplicar reglas o leyes parecidas a la de los aniones. Página 11

12 Datación del agua Se entiende por edad de un agua, al tiempo transcurrido desde que se produjo la lluvia hasta la recolección de la muestra. Es función de una serie de características del acuífero y de su cuenca superficial. El único método para medir la edad es la utilización de los isótopos radiactivos presentes en el agua. En el agua existen unos isótopos radiactivos, que están en la propia molécula del agua. Tritio ó H2, de manera que puede haber agua: H2O; THO y T2O. Puede haber isótopos radiactivos en las sales solubles del agua, y este isótopo es básicamente el Carbono 14 que aparece en HCVO3-, otro isótopo que aparece es la Sílice 32. El fundamento de la datación es sencillo: un agua que llega al acuífero lleva un contenido isotópico que no se modifica desde el momento que llega al acuífero. Pero dado que el Tritio y el Carbono 14 a medida que pasa el tiempo se van desintegrando, lo que hace disminuir su concentración. Si llamamos: C = concentración de la muestra ( número de átomos/ volumen de la muestra) lambda= constante de desintegración ( número de átomos que desintegran / tiempo) por lo que C * lambda= - delta C / delta t y delta C / C = - lambda* delta t si se transforma de diferenciales a derivadas: dc/c = lambda* dt si integramos: ln C = - 1 * t + Cte. para t=0 => C = Co t=t => C = C ln Co = Cte. y Ln (c/co) = - lambda* t lo que dá la ecuación: C = Co * e -lambda*t si denomino t medio al período de semidesintegración: para t = t medio C = 1/2 * Co entonces: Co/C = 2 = e(-*t medio ) => _ = ( ln2 ) / t medio por lo que la edad del agua será: t = ln ( Co / C ) * ( t medio /ln 2 ) t medio es un valor conocido y corresponde a cada isótopo, C es el valor de concentración que se mide del isótopo. Por lo que el valor más complicado de conocer es Co (concentración original del isótopo). Tritio El período de semidesintegración del tritio es tmedio= 12,262 años. El agua de la atmósfera toma el tritio por las emisiones directa del sol ( 0.12 átomos/seg * cm2 de superficie del sol ), debido a las reacciones de fusión en su superficie; la segunda fuente son las reacciones nucleares de los rayos cósmicos con los gases de la atmósfera que producen tritio casi constantemente. Estos valores se vieron alterados sustancialmente por las explosiones nucleares de pruebas realizados en las décadas del 5o y 60, que liberaron a la atmósfera una cantidad muy importante de tritio ( el contenido de tritio de toda la atmósfera pasó de 3.6 kg a 300 kg). El contenido de tritio en la atmósfera se mide en unidades de tritio ( UT) referidas a SMOW ( Standar Median Ocean Water). Página 12

13 Los contenidos de antes de las explosiones y después han sido: aguas de lluvias : de 10 a 500 UT llegaron a tener UT dado que los volúmenes de tritio eran tan bajo, las aguas antes de 1952 ( primera bomba de hidrógeno) solo se pueden saber si eran anteriores o no a ese año, debido al bajo nivel de concentraciones. Desde 1952 si se puede conocer debido a los elevados niveles de concentración. Se han realizado gráficos para cada uno de los años, de las concentraciones de las aguas de lluvias en todo el mundo. Surge como inconveniente que se producen dualidades de aguas por corresponder a dos años diferentes, si se han mezclado en el acuífero. De no producirse nuevas explosiones nucleares se calcula que dentro de 80 años se volverá a alcanzar los niveles de 1952 del contenido de tritio en la atmósfera. Carbono 14 Su vida media es de 5568 años, se pueden datar aguas de hasta 30 a años. Si las muestras son menores de 20 años puede haber problemas para su datación. El origen del carbono 14 es similar al del tritio: explosiones nucleares y el bombardeo de los rayos cósmicos. Puede presentarse el inconveniente de que el agua disuelva bicarbonatos del acuífero, de edades muy antiguas, por lo que se obtendrían una edad máxima del agua ( equivalente a la edad del acuífero). La medida patrón o estándar de medición es el CONTENIDO MODERNO DE CARBONO 14, que equivale a un átomo de carbón que produzca 1.15 desintegraciones por minuto. XI. AMBIENTES HIDROGEOLOGICOS 1. Materiales sedimentarios: Desde un punto de vista hidrogeológico son los más importantes desde los primeros tiempos, dado la facilidad de su excavación, por lo que desde los primeros tiempos se han realizado pozos en estos ambientes. Dado que rellenan valles, producen en general niveles piezométricos pocos profundos, implicando poca altura de succión para su extracción por parte de bombeos. Otra característica generada por el tipo de su origen es que tiene una posibilidad muy alta de recarga, asociado con valores de porosidad eficas elevado y a su vez con altas permeabilidades. a) Depósitos eólicos: ( dunas y loess ) Son poco importante a nivel mundial en relación a su superficie. Se caracterizan por su gran selección de granos, lo que los lleva a parámetros hidráulicos muy uniformes: - porosidad total: 35 al 40 % (dunas) 40 al 55 % (loess) - porosidad eficaz: 30 al 38 % - permeabilidad: 5 a 50 m/día (dunas) 0.1 a 1 m/día (loess) La calidad original de las aguas es buena, debido a que los materiales que forman el acuífero son inertes, no reaccionan con el agua. b) Depósitos fluviales. Existe una gran relación estrecha entre las aguas superficiales y las subterráneas. La distribución granulométrica es muy variable debido a la sucesión de eventos geológicos, Página 13

14 sucesión de paleocauces, etc. El espesor de los acuíferos aumenta hacia su desembocadura, una de las características es la existencia de terrazas. Las permeabilidades son muy variables. Los límites de las capas son dificiles de delimitar, son frecuentes la colmatación de los pozos debido a la fracción fina del acuífero. Los caudales que se obtienen son muy variados. La calidad del agua suele ser buena, pero suele estar más cargado de sales que el río que lo alimenta. La contaminación química puede llegar a ser graves debido a su alta permeabilidad. c) Depósitos limosos: Tienen una porosidad elevada pero una permeabilidad muy baja, desde el punto de vista de la hidrogeología general se lo consideran impermeables. Suelen presentarse lentejones de materiales más gruesos desde gravas a arenas, dándoles condiciones de confinamiento, los que puede llevar a que se transforme en zonas de extracción debido a la gran superficie de agua que aporta a esos lentejones, denominado "efecto de goteo". d) Depresiones sedimentarias: De origen tectónico, se caracterizan por presentar espesores muy grandes en la vertical, en la horizontal están caracterizados por presentar cambios de faces ( ambientes marinos, fluviales, lacustres, etc). Los volúmenes de agua embalsados son muy elevados. Es frecuente que se presenten niveles piezométricos confinados, pueden darse casos de asentamientos del terreno ( caso de la ciudad de México) por la sobreexplotación de los acuíferos confinados. e) Depósitos de conos de deyección: Se caracterizan por su forma de abanico, suelen llegar a ocupar extensiones de decenas hasta centenares de km2( un ejemplo son los de Mendoza y San Juan). Las características de la roca que lo compone está ligado a la roca madre que la forma. A lo largo del cono existe una gradación de partículas en el sentido vertical, produciéndose grandes constantes de permeabilidades, de allí la aparición de los manantiales; a su vez existe una angulosidad de los granos que va de mayor a menor en el sentido del cono, produciendo variaciones importantes de la porosidad. 2. Rocas igneas y metamórficas El interés del estudio de este tipo de formaciones hidrogeológicas es que alrededor del 20 % de la superficie del planeta está caracterizada por este tipo de formaciones. En nuestro país es de destacar en las Provincias de Corrientes en el Borde Oriental, toda la superficie de Misiones y el extremo NOrEste de de Entre Ríos y el borde occidental de la Rca. Oriental del Uruguay y una gran parte del territorio de la República del Brasil. En general tienen pocos recursos acuíferos, lo normal no es encontrar grandes caudales. Sus características hidrogelógicas fundamentales son: - porosidad instersticial muy reducida, menos del 3 %, muy mal interconcectada, lo que implica que la permeabilidad primaria es muy pequeña. No obstante existe una permeabilidad secundaria debida a la fracturación fisuración y alteración o meteorización. Con respecto a ambos procesos, se puede decir que esta permeabilidad secundaria disminuye con la profundidad ( están más cerradas por la compresión y además la meteorización tiene un límite). Se podría caracterizar de la siguiente manera: * primera capa: la permeabilidad secundaria está muy reducida por la presencia de suelos arcillosos. * la segunda capa es la de mayor permeabilidad, pues la meteorización ha dejado granos. Página 14

15 * la tercera capa las fracturas son bastantes cerradas y la meteorización es poco intensa. El límite entre la 2da. y la 3era. capa suele oscilar entre los 40 y los 150 metros, por debajo de ella no es rentable realizar captaciones de agua subterránea. La presencia o no de fracturas hace que la meteorización sea más intensa. La alteración está condicionada por la climatología y la intensidad de las precipitaciones. Asimismo es favorable las grandes variaciones de temperaturas diurnas y nocturnas. Otro factor importante son las características del agua, fundamentalmente el ph. Será asimismo fundamental las condiciones de circulación y de drenaje. Las fluctuaciones elevadas del nivel piezométrico producen una mayor meteorización. La presencia de cobertura vegetal favorece la fracturación de las rocas, la acidez del agua por el humus. Donde simultáneamente se producen fenómenos de alteración y fisuración la probabilidad de mayores caudales aumenta. Las captaciones oscilan en 0.5 á 1.5 lt/seg. El porcentaje de éxitos en los bajos es mayor que en los intefluvios ó altos locales. XII. BIBLIOGRAFIA - E. Custodio y M.R. Llamas. Hidrología Subterránea. Editorial Omega Tomos I y II. Página 15