ESTRATEGIAS Y MÉTODOS DE MONITOREO DE AGUAS SUBTERRÁNEAS Carlos F. Quintana Sotomayor1 CURSO DE AGUAS SUBTERRÁNEAS FACULTAD DE INGENIERÍA AGRÍCOLA UNIVERSIDAD DE CONCEPCIÓN Diciembre, 2008 1 Ingeniero C. Agrícola UdeC. Estudiante Magíster Ing. Agrícola Mención Recursos Hídricos.
CONTENIDO 1. INTRODUCCIÓN 3 1.1 IMPORTANCIA DEL MONITOREO DE AGUAS SUBTERRÁNEAS 5 1.2 OBJETIVO DE ESTUDIO 6 2. DEFINICIÓN DE MONITOREO DE AGUAS SUBTERRÁNEAS 2.1 ESTRATEGIAS DE MONITOREO 2.2 PROGRAMA DE MONITOREO 2.2.1 Programas Nacionales de monitoreo 2.2.2 Programas Regionales de monitoreo 2.2.3 Programas Locales de monitoreo 2.3 MÉTODOS DE MONITOREO 2.3.1 Clasificación de pozos de monitoreo 2.3.2 Procedimientos de monitoreo 3. PRINCIPIOS PARA EL MONITOREO DE AGUAS SUBTERRÁNEAS 3.1 PRINCIPALES MÉTODOS DE PROSPECCIÓN GEOFÍSICA SUPERFICIAL 3.1.1 Prospección gravimétrica 3.1.2 Prospección Electromagnética 3.1.3 Prospección Sísmica 3.1.4 Prospección Geoeléctrica 3.1.5 Otros métodos de prospección utilizados en hidrogeología 3.2 MÉTODOS DE PROSPCCIÓN GEOFÍSICA DESDE SONDEOS: DIAGRAFÍA 3.2.1 Resistividad 3.2.2 Potencial espontáneo 3.2.3 Radiación gamma 3.2.4 Radiación gamma-gamma 3.2.5 Testificación con neutrones 3.2.6 Testificación sónica 3.2.7 Radiación gamma-gamma 3.2.8 Testificación con televisión 4. INSTRUMENTOS PARA MONITOREO DE AGUAS SUBTERRÁNEAS 4.1 EQUIPOS MÁS UTILIZADOS 4.1.1 Sondas de nivel 4.1.2 Sensores automáticos para nivel y calidad de agua 4.1.3 Sensores multiparámetros 4.1.4 Uso de bombas para el muestreo de agua subterránea 4.1.5 Muestreo de agua en pozos 4.1.5 Piezómetros 5. SITIOS WEB DE INTERÉS 6 7 9 10 10 11 11 11 13 13 14 14 15 17 18 21 21 22 22 22 22 23 23 23 23 24 24 24 25 26 28 29 30 31 5.1 EMPRESAS CON SENSORES PARA MONOTOREO 31 5.2 SERVICIOS DE ESTUDIO DE AGUAS SUBTERRÁNEAS EN CHILE 32 6. REFERENCIAS 33 2
1. INTRODUCCIÓN Chile se reconoce como un país privilegiado en cuanto a disponibilidad de recursos hídricos. Sin embargo entre sus regiones existen grandes contrastes en disponibilidad y distribución, debido a la diversidad de climas y geografías. Mientras en el norte se cuenta con menos de 500 m3/habitante/año, en la zona sur el agua es muy abundante, superando los 160.000 m3/habitante/año. Esto permite proyectar la diversidad de problemas de uso y acceso al agua en las diferentes regiones del país2. En tiempos en que el país utiliza cerca del 80% de sus derechos consuntivos de agua superficial en agricultura, tanto la CEPAL a nivel latinoamericano, como la Dirección General de Aguas en Chile (DGA), señalan que los principales problemas a enfrentar en relación al uso del recurso hídrico son, por un lado, mejorar aspectos legales, de organización para la gestión y prevención de contaminación, como también mejorar la cuantificación de los recursos hídricos disponibles. Por ello es necesario disponer de información de calidad para una toma de decisiones oportuna y consecuente con la realidad que afecta cada territorio, especialmente donde el agua subterránea es clave para el consumo de la población. En el caso del agua subterránea el Código de Aguas (Ley 20.017) establece que cualquier persona puede explorarla con el objeto de alumbrar este recurso, sujetándose a las normas que establece la DGA. (Art. 58). Una vez comprobada la existencia de aguas subterráneas, la persona u organización interesada podrá solicitar el otorgamiento del derecho de aprovechamiento (Art. 60). Desde su modificación el año 2005, el código de agua reconoce también la conformación de comunidades de aguas subterráneas cuyo principal objetivo es lograr, mediante una gestión colectiva, una explotación racional del acuífero, resguardando los recursos hídricos por una parte, como también, los derechos de 2 El AGUA en Chile: Entre las reglas del mercado y los derechos humanos. Programa Chile Sustentable. Noviembre 2005. 3
aprovechamiento de cada uno de sus miembros, como también optimizar económicamente la utilización comercialización), incrementando del la agua3 (energía, necesidad de uso plantear de fertilizantes, mecanismos de evaluación, control de la calidad y cantidad de las aguas subterráneas a escala regional o local. Al respecto se puede señalar que por ley el monitoreo de las aguas, tanto a escala nacional como regional, está a cargo de la DGA quien tiene la función de desarrollar la red de estaciones de control de calidad, cantidad y niveles de las aguas tanto superficiales como subterráneas en cada cuenca u hoya hidrográfica, donde la información obtenida debe ser pública y proporcionarse a quien la solicite. Esta información generada por los programas de monitoreo son la base de las políticas en materia de recursos hídricos en Chile, y en este sentido, la DGA en su carácter de organismo rector de las aguas del país, trabaja para desarrollar un enfoque integral de cuencas para mejorar el manejo de los recursos hídricos del país, con el fin de asegurar un desarrollo socioeconómico sustentable para todos los usuarios4, planteando importantes ventajas tales como: a) Permitir un aprovechamiento coordinado del agua, con el fin de maximizar el bienestar social y económico de manera equitativa y sin comprometer la sustentabilidad de los ecosistemas vitales. b) Mejorar la eficiencia y eficacia del accionar de todos los involucrados en el uso del recurso hídrico y las decisiones asociadas a este uso. De acuerdo al Código de Aguas vigente en Chile, una cuenca u hoya hidrográfica de un caudal de aguas la forman todos los afluentes, subafluentes, quebradas, esteros, lagos y lagunas que afluyen a ella, en forma continua o discontinua, superficial o 3 Sendas del Agua. Boletín electrónico DGA - MOP. Año 4 N 2. Julio 2007. Manual de Administradores de Organizaciones de Usuarios de Aguas. Comisión Nacional de Riego. Mayo 2008. 4 4
subterráneamente. Es en este espacio donde se integran y relacionan los sistemas naturales, sociales y económicos. Para las organizaciones de usuarios de agua subterráneas, lograr materializar las ventajas y mantener un aprovechamiento sustentable del recurso, plantea el desafío de incrementar los conocimientos sobre caracterización hidrogeológica a escala local, así como monitorear la cantidad y calidad del recurso a través del tiempo. 1.1 IMPORTANCIA DEL MONITOREO DE AGUAS SUBTERRÁNEAS La perdida de conocimientos e información no difundida o no recolectada de manera adecuada repercute en decisiones inadecuadas con la consecuente ineficiencia en el uso de recursos hídricos y económicos. Una de las razones que puede influir en esta dispersión de conocimientos y esfuerzos es la ausencia de programas de monitoreo de las aguas subterráneas. Como se señaló antes, el monitoreo de las aguas subterráneas permite soportar estrategias y políticas de protección y conservación de este recurso. La implementación de programas de monitoreo tiene por objetivo ayudar a mejorar la planeación, desarrollo, protección y manejo de las aguas subterráneas, anticipando o controlando la contaminación y los problemas de sobreexplotación o degradación (Vargas N., 2004). Por lo tanto, se esperaría que el monitoreo refleje los esfuerzos técnicos y económicos requeridos para la obtención de información que permita desarrollar programas enfocados en propósitos nacionales, regionales o locales, según sea el caso, y centrarse en el estudio de puntos claramente definidos a partir de un proceso de interpretación de información hidrogeológica (Ibídem). 5
1.2 OBJETIVO DE ESTUDIO Este trabajo tiene por objetivo orientar el proceso de diseño, formulación, seguimiento e implementación de programas de monitoreo de las aguas subterráneas, centrándose en los siguientes tres puntos: 1. Revisar esquemas básicos de monitoreo de aguas subterráneas a escala nacional, regional y local. 2. Revisar diferentes principios geofísicos utilizados en la etapa de exploración del agua subterránea. 3. Revisar los principales equipos utilizados en el monitoreo de aguas subterráneas. 2. DEFINICIÓN DE MONITOREO DE AGUAS SUBTERRÁNEAS El monitoreo de las agua subterráneas puede entenderse como un programa de supervisión continua que incluye observaciones, mediciones, muestreos y análisis estandarizados, con metodologías y técnicas de variables físicas, químicas y/o biológicas seleccionadas con los siguientes objetivos (VRBA, SOBLSEK.1988, citado por Vargas, N., 2004): 1. Colectar, procesar y analizar los datos sobre la cantidad y calidad de las aguas subterráneas como línea base para reconocer el estado y las tendencias a nivel de pronóstico debido a procesos naturales e impacto por actividad antrópicas en el tiempo y espacio. 2. Proveer información para el mejoramiento en la planeación y diseño de políticas para la protección y conservación de las aguas subterráneas. De acuerdo a las recomendaciones hechas por Russell y Ginn (2004), el monitoreo de aguas superficiales y subterráneas requiere de al menos los siguientes elementos que interactúan iterativamente como parte de un proceso integral: (1) definición de 6
objetivos, (2) recopilación de datos existentes (incluyendo revisión de la literatura), (3) toma de muestras sobre el terreno definido para las investigaciones, (4) análisis de laboratorio, (5) la interpretación de los datos y conclusiones, y (6) la preparación de informes y recomendaciones. En Chile la DGA, a partir de los programas de monitoreo a escala nacional y regional, propone y desarrolla políticas sobre conservación y protección de los recursos hídricos y coordina las funciones que corresponden en esta materia a los distintos organismos y servicios públicos5. La integración y coordinación de las actividades de monitoreo de aguas subterráneas con las correspondientes al agua superficial, precipitación, evaporación y suelos, debe llevarse a cabo teniendo presente el ciclo hidrológico como base para la estrategia de manejo integrado del recurso hídrico. Vargas (2004) señala que el monitoreo de las aguas subterráneas integra las siguientes etapas: Estrategias de monitoreo, Programa de monitoreo y Definición del Métodos de monitoreo. 2.1 ESTRATEGIAS DE MONITOREO Cuando se establece una estrategia de monitoreo de aguas subterráneas debe tenerse en cuenta las formaciones geológicas que caracterizan la zona de estudio. A diferencia del agua superficial, la acción del hombre sobre el agua subterránea contenida en un acuífero suele verse retardada por las condiciones hidrodinámicas. Esta condición debe reflejarse en la estrategia de protección del sistema hídrico subterráneo. Para VRBA (2000), citado por Vargas (2004), los principales objetivos de una estrategia de monitoreo de aguas subterráneas incluyen: 5 Manual de Normas y Procedimientos del Departamento de Conservación y Protección de Recursos Hídricos. DGA, junio 2007. 7
1. Soportar la estrategia de protección de aguas subterráneas en los niveles locales, regionales y nacionales con el objetivo de preservar sus propiedades naturales especialmente para propósitos de abastecimiento de agua potable. 2. Proveer datos representativos sobre el estado natural y las tendencias del sistema hidrogeológico con fines de planeación, manejo y toma de decisiones sobre la protección y conservación de las aguas subterráneas. 3. Disponer de datos precisos y confiables para ayudar a identificar la existencia de fuentes puntuales y difusas de contaminación. 4. Producir datos para estudiar los cambios en el espacio y en el tiempo en la calidad de los sistemas hidrogeológicos debido a procesos naturales. El desarrollo de la estrategia debe tener en cuenta los siguientes factores (Ibídem): 1. Objetivos del monitoreo 2. Importancia y vulnerabilidad de los sistemas hidrogeológicos 3. Tipos y extensión de las fuentes potenciales de contaminación y problemas de degradación. 4. Beneficios de las actividades de monitoreo. 5. Prioridades, intereses y necesidades conectadas con el desarrollo de los recursos hídricos Los objetivos de monitoreo dependen del nivel (nacional, regional, local), de las prioridades, de los intereses y de las necesidades de los usuarios y por ello su determinación es complicada. En sentido amplio, son objetivos comunes: 1. Identificar las propiedades físicas, químicas y biológicas del sistema de aguas subterránea. 2. Definir el estado, en cantidad y calidad, de las aguas subterráneas (identificar formaciones geológicas, características hidroquímicas). 3. Identificar los efectos de los procesos naturales y los impactos humanos de los sistemas hidrogeológicos. 4. Pronosticar a largo plazo las tendencias en cantidad y calidad de las aguas subterráneas. 8
5. Definir el grado de vulnerabilidad de los sistemas hidrogeológicos. 6. Definir medidas a ser adoptadas para prevenir la degradación de las aguas subterráneas o restaurar los acuíferos que ya han sido afectados. 7. Determinar prioridades y conflictos entre los usuarios de los recursos hídricos subterráneos y otros recursos naturales (estudio socio-económico). 2.2 PROGRAMA DE MONITOREO Realizada la recopilación bibliográfica se pasa al desarrollar el programa de monitoreo, cuya etapa comprende el monitoreo en sí, la información generada y los sistemas de manejo. Definidos los objetivos debe identificarse los resultados esperados, donde el diseño de redes de monitoreo, la construcción de pozos y los métodos de muestreo se diferenciarán principalmente por su alcance. Evidentemente los programas nacionales y regionales tienen características que los diferencian de los programas locales, asociados frecuentemente a problemas de contaminación específica. El sistema de monitoreo incluye las siguientes actividades (Musikar, R. 2002, citado por Vargas, N. 2004): 1. Delimitación del área de monitoreo. 2. Análisis de la estructura geológica, el sistema de flujo de aguas subterráneas y la calidad de las aguas subterráneas. 3. Diseño de la red de monitoreo. 4. Designación e implementación de métodos de campo y procedimientos analíticos de laboratorio. 5. Determinación de la frecuencia de muestreo y selección de variables a ser analizadas incluyendo muestras de campo y blancos (blanks sample) como parte de los procesos de aseguramiento de la calidad (QA) y control de calidad (QC) 6. Manejo de la base de datos, especialmente en lo relacionado con manipulación, procesamiento y evaluación de los datos. 9
El análisis y transformación de los datos generados por el monitoreo debe traducirse en información útil para los usuarios, esto suele ser un punto critico ya que si no es transmitida realmente no será utilizada de manera efectiva. Al respecto, en Chile la Comisión Nacional de Riego (CNR) ha venido desarrollando y mejorando una plataforma electrónica que dispone para sus usuarios (agricultores, consultores, estudiantes, investigadores), información temática del país, a escala comunal, caracterizando zonas agroclimáticas, capacidad de riego de los suelos, redes hídricas superficiales, caracterización de acuíferos (a escala regional), identificación de zonas protegidas, entre otros datos, (www.e-siir.cnr.cl), integrando en ella información generada por estudios de CIREN y DGA. 2.2.1 Programas Nacionales de monitoreo Se llevan a cabo con el objeto de generar políticas de protección y conservación de aguas subterráneas, recolectan información de los estados naturales y tendencias de cantidad y calidad del recurso hídrico en el largo plazo. La frecuencia de monitoreo es usualmente bianual y la densidad de puntos de observación va en el orden de 100 a 10.000 km2 (VRBA, J. 2002, citado por Vargas, N. 2004). 2.2.2 Programas Regionales de monitoreo Los programas regionales son complementarios a los nacionales y buscan establecer planes de manejo del recurso, generar políticas y estrategias de protección ambiental, muchas veces ligadas al abastecimiento de agua potable. De acuerdo a estándares internacionales, la frecuenta de monitoreo es cuatro veces por año o más y la densidad de puntos de observación se recomienda en orden a 10 a 100 km 2 (Ibídem). Actualmente, el Depto. de Conservación y Protección de Recursos Hídricos de la DGA, lleva a cabo un calendario de monitoreo en cada región con una frecuencia de tres veces por año (febrero-abril, junio-julio y octubre-noviembre). Dada la alta demanda de éste recurso en la Región de Coquimbo, el monitoreo de aguas subterráneas se ha intensificado en las zonas de La Serena (6), Illapel (6) y Ovalle (3). 10
2.2.3 Programas Locales de monitoreo Los programas locales de monitoreo suelen operar independiente de los programas nacionales o regionales, siendo más bien llevados a cabo en sitios específicos. Estos programas se establecen usualmente alrededor de los siguientes objetivos: 1. Identificación de fuentes potenciales de contaminación, con el propósito de dar alerta temprana acerca del deterioro o degradación de las aguas subterráneas. 2. Observación y control del movimiento de plumas de contaminación o efectos de remediación en fuentes de contaminantes existentes. Por ello, los programas locales requieren un gran número de pozos de monitoreo (del orden de m2 a 1 km2), alta frecuencia de monitoreo y selección de variables específicas de acuerdo con el tipo y propiedades de los contaminantes identificados. En la Figura 1 se muestra las relaciones entre los componentes del programa de monitoreo de las aguas subterráneas. 2.3 MÉTODOS DE MONITOREO El monitoreo de las aguas subterráneas se realiza en pozos construidos o adecuados para ese fin, los que deben cumplir condiciones técnicas específicas: 2.3.1 Clasificación de pozos de monitoreo Pueden clasificarse en dos tipos: a. Pozos convencionales: Existen tres tipos de piezométricos sencillos, dobles y múltiples. Los dobles y múltiples se utilizan para medir dos o más niveles del acuífero, respectivamente. b. Pozos no convencionales: son aquellos construidos con otros fines y que se adecuan para monitoreo. Debe asegurarse que capte agua de un único acuífero (el 11
de interés de estudio), además de cumplir con las disposiciones sanitarias adecuadas (cercamiento, tapa de seguridad y sello sanitario). PROGRAMA DE MONITOREO DEL ESTADO DE LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS OBJETIVO Definición de requerimientos de información ESTRATEGIA DELIMITACIÓN DE ÁREA DE MONITOREO SISTEMA DE MONITOREO Determinación de modelo hidrogeológico y selección de parámetros de evaluación Identificación de inventario de fuentes potenciales y existentes de contaminación DISEÑO Y ESTABLECIMIENTOS DE REDES Y MÉTODOS DE MONITOREO Adquisición y manipulación de datos. Procedimientos analíticos laboratorio. Procesamiento y almacenamiento de datos SISTEMA DE INFORMACIÓN SISTEMA DE MANEJO Análisis de datos Producción de información Divulgación Utilización de la información Implementación legislativa e institucional de medidas de protección y conservación Figura 1. Diagrama de flujo para la implementación de un Programa de Monitoreo de aguas subterráneas (Vargas, N. 2004) 12
2.3.2 Procedimientos de monitoreo Los procedimientos de toma de muestras representativas es la etapa más compleja del monitoreo, ella debe estar diseñada por expertos competentes y ejecutada de acuerdo a procedimientos estándar validados científicamente. Debido a que sólo este tema da para el desarrollo de un documento en detalle, se sugiere la revisión del Manual de Normas y Procedimientos del Departamento de Conservación y Protección de Recursos Hídricos de la DGA, donde se describen métodos de muestreo in situ de parámetros físico-químicos tanto para aguas superficiales como aguas subterráneas, las formas de muestreo, las recomendaciones para el envío de muestras a laboratorios, procedimientos en caso de emergencias ambientales, desarrollo de estudios de impacto ambiental, procedimientos para evaluar la vulnerabilidad de acuíferos en conformidad con el DS 46/2002 Norma de Emisión de Residuos Líquidos a Aguas Subterráneas, entre otros temas, 3. PRINCIPIOS PARA EL MONITOREO DE AGUAS SUBTERRÁNEAS En esta sección se describen las distintas herramientas de trabajo que se puede contar para alcanzar los objetivos de evaluación y monitoreo de aguas subterráneas. En zonas con escasa información sobre las características del subsuelo, la ubicación de puntos de sondeo y la estimación de los recursos hídricos puede encontrar un importante apoyo en técnicas geofísicas. Entenderemos por geofísica como la ciencia y técnica que, a partir de fenómenos físicos, naturales o provocados, trata de conocer la distribución de los materiales en el subsuelo y sus propiedades (García A., 1983). La geofísica como aplicación de la geología, normalmente realiza medidas desde la superficie en áreas relativamente pequeñas y profundidades que no sobrepasen unos pocos kilómetros, a través de la aplicación de un conjunto de métodos de prospección geofísica. Es una disciplina experimental que usa métodos cuantitativos físicos como la reflexión y refracción de ondas mecánicas la medida de la gravedad, campos electromagnéticos, magnéticos o eléctricos y fenómenos radiactivos. En algunos casos 13
los métodos aprovechan campos o fenómenos naturales (gravedad, magnetismo terrestre) y en otros son inducidos por el hombre (campos eléctricos y fenómenos sísmicos) (Wikipedia). Aunque mantiene la limitante de no puede interpolar los resultados directamente, permite obtener información rápida, detallada y confiable acerca de las condiciones del suelo y rocas del subsuelo en una zona específica sin perturbar el sitio. Para poder aplicar un método geofísico en una prospección, es necesario que se presenten dos condiciones importantes: 1. que existan contrastes significativos, fallas que se pueden detectar y medir. 2. que estos contrastes se puedan correlacionar con la geología del subsuelo. 3.1 PRINCIPALES MÉTODOS DE PROSPECCIÓN GEOFÍSICA SUPERFICIAL 3.1.1 Prospección gravimétrica La gravimetría es la medida y el estudio de la intensidad del campo gravitatorio, está basada en la medida de la aceleración g debida a la atracción gravitatoria de la Tierra (Martínez, J. y Ruano, P., 1998). Las variaciones locales en la medida del campo gravitatorio tienen su causa esencialmente en la presencia de formaciones geológicas de distinta densidad y/o espesor, debida a su composición, estructura y degradación. Para la toma de datos, existen dispositivos de tipo péndulo, gravímetro y balanza de torsión, siendo uno de los más utilizados la balanza de torsión de Eötvös que detecta sensibilidades de hasta 10-9 g; la unidad de medida utilizada es el gal (Galileo), que corresponde a una aceleración de 1 cm/s2. Figura 2. Representación de perfil de subsuelo a través de prospección gravimétrica (Imagen de Northwest Geophysical Associates, Inc.) 14
Sobre este método, se puede decir que se emplea principalmente como un método de reconocimiento general en hidrogeología, permitiendo definir limites de los acuíferos: profundidad de las formaciones impermeables, extensión de la formación acuífera, naturaleza y estructura de las formaciones del subsuelo. 3.1.2 Prospección Electromagnética Este método se basa en medir la perturbación producida en una señal electromagnética (EM) en su paso por el subsuelo, sirve para dar información sobre el basamento y su profundidad particularmente para entornos cristalinos y metamórficos, generalmente utilizado para delimitar zonas a escala regional. La capacidad de penetración de las ondas EM depende de su frecuencia y de las formaciones del subsuelo. Las altas frecuencias utilizadas (> 100 MHz) alcanzan decenas de metros, mientras las frecuencias bajas alcanzan cientos de metros. Figura 3. Mapa de contorno de resistividad del subsuelo generado a través de prospección electromagnética (Imagen de Northwest Geophysical Associates, Inc.) Dentro de los métodos electromagnéticos existen dos clasificaciones: 1. Sondeos Electromagnéticos en el dominio temporal (SEDT o en ingles TDEM): este dispositivo consta de un bucle de cable conductor, por donde circula una corriente eléctrica. Al interrumpirse de forma brusca provoca una difusión de corrientes en el subsuelo hasta varios cientos de metros y la medición de los campos magnéticos 15
secundarios asociados a dicha corriente permite detectar diferentes materiales a distintas profundidades (Figura 4, izquierda). 2. Sondeos Electromagnéticos en el dominio de las frecuencias: desarrollados principalmente para la prospección de minerales metálicos. Su desventaja respecto al método anterior es su limitado alcance en profundidad de investigación (Figura 4, derecha). Figura 4. (Izquierda) Esquema de prospección electromagnética del subsuelo en el dominio temporal y (derecha) en el domino de las frecuencias (Imagen de Northwest Geophysical Associates, Inc.) 3. Geo-Radar o GRP (Ground Penetrating Radar): estos equipos emiten ondas EM de muy alta frecuencia (80 a 500 MHz) y reciben las señales reflejadas permitiendo detectar la heterogeneidad del subsuelo a partir de las diferentes resistividades y constantes dialécticas entre zonas. Este método es utilizado en ingeniería civil, en localización de aguas subterráneas y estudios de contaminación asociados a fugas de hidrocarburos. Permite de manera versátil y rápida la investigación a poca profundidad del subsuelo. Figura 5. Prospección del subsuelo con Geo-Radar (Imagen de Northwest Geophysical Associates, Inc.) 16
4. Very Low Frequency (EM-VLF): utiliza ondas electromagnéticas de bajas frecuencias (15 a 30 khz) y gran potencia emitida por estaciones lejanas. Este método permite delimitar fracturas o fallas de un acuífero con profundidades de varias decenas de metros. Los receptores de VLF toman datos de terreno en estaciones a lo largo de perfiles, y es más eficaz cuanto mayor es la resistividad del medio rocoso. Figura 6. Representación del subsuelo a través de prospección electromagnética VLF (Imagen de Northwest Geophysical Associates, Inc.) 3.1.3 Prospección Sísmica Se basan en la medida de la propagación de ondas mecánicas de tipo longitudinal a través del subsuelo, generadas artificialmente a través de percusiones o pequeñas explosiones. Este método registra los tiempos de llegada de las ondas producidas, una vez reflejadas o refractadas en las distintas formaciones geológicas presentes en la zona de estudio. De ese modo se obtiene una imagen de las discontinuidades sísmicas, muy cercana a las discontinuidades estratigráficas. Dentro de los métodos sísmicos podemos encontrar dos clasificaciones: 1. El método sísmico de reflexión es empleado principalmente en prospección de hidrocarburos ya que permite obtener información de capas muy profundas. Con un cuidadoso procesado de la información disponible para los primeros cientos de metros, puede ayudar a definir los límites de acuíferos, su saturación (contenido de 17
agua) y su porosidad, sin embargo los costos son muy elevados en relación a otros métodos. 2. El método sísmico de refracción es un método de reconocimiento general especialmente adaptados para trabajos de ingeniería civil, prospección petrolera, y estudio hidrogeológicos. Permite la localización de los acuíferos (profundidad del sustrato) y la posición y potencia del acuífero bajo ciertas condiciones. Este método utiliza desde percusiones sobre planchas metálicas hasta explosivos, siendo las ondas de choque captadas por uno o varios geópono conectados al emisor, pudiendo controlar con precisión de milisegundos, los tiempos de transmisión de las ondas sísmicas. Figura 7. (Izq.) Perfil de refracción sísmica; (Der.) método de prospección sísmica (Imagen de Northwest Geophysical Associates, Inc.) 3.1.4 Prospección Geoeléctrica Estos métodos registran la resistividad eléctrica (ohmnios-metro) en las rocas y minerales, es decir la resistencia que opone un material al paso de corriente por unidad de longitud, propiedad que varía con la porosidad, el contenido y la conductividad del agua presente en los poros. Para ello utiliza un campo eléctrico creado en la superficie por el paso de una corriente a través del subsuelo. Este método se reconoce como el más utilizado para el reconocimiento y detalle de aguas 18
subterráneas, ya que los mapas de isoresistividad permiten definir los límites de acuíferos, el nivel de agua, detectar intrusión salina y generar o precisar cartografía de las unidades litológicas. Los métodos geoeléctricos pueden clasificarse en dos grandes grupos: 1. Métodos inductivos: se trabajan con corrientes inducidas en el subsuelo a partir de frecuencias relativamente altas (entre 100 Hz y 1 MHz). 2. Métodos conductivos: se introduce en el subsuelo una corriente continua o de baja frecuencia (hasta unos 15 Hz), mediante electrodos. Los métodos eléctricos de prospección geofísica comprenden variedad de técnicas que emplean tanto fuentes naturales como artificiales, de las cuales son de aplicación más amplia. Resistividades Este método permite suministrar una información cuantitativa de las propiedades conductoras del subsuelo y se puede determinar aproximadamente la distribución vertical de su resistividad. El método de resistividades permite no sólo el estudio de formaciones subhorizontales, sino también la determinación de formaciones subverticales (fallas, filones, zonas de contacto). Sondaje Eléctrico Vertical (S.E.V.) Es el método con corriente continua producida por generadores artificiales más utilizado. Su principal aplicación se da en zonas cuya estructura geológica puede considerarse formada por estratos horizontales. La finalidad del S.E.V. es la determinación de las profundidades de las capas del subsuelo y las resistividades o conductividades eléctricas de éstas, mediante mediciones efectuadas en la superficie (ver Figura 8). 19
Figura 8. (izq.) Equipo en operación para medir resistencia del suelo al flujo de DC; (der.) esquema de medición de la resistividad eléctrica (Imagen de Northwest Geophysical Associates, Inc.) Calicata Eléctrica Las calicatas o perfiles eléctricos es menos importante comparado con los otros métodos geoeléctricos. Consiste en desplazar el dispositivo cuatripolo completo, con separación constante entre electrodos, a lo largo de perfiles longitudinales y transversales obeniéndose así un mapa de isoresistividades que refleja los cambios laterales en la resistividad del subsuelo. Tomografía eléctrica Este método consiste en realizar una serie de mediciones de la resistividad eléctrica del subsuelo, mediante secciones continuas verticales u horizontales, integrando un gran número de datos para generar una visualización en detalle en dos o tres dimensiones. En el caso de la Tomografía de Resistividad Eléctrica (ERT, electrical resistivity tomography), el subsuelo se considera compuesto por una serie de elementos finitos de la misma forma, aun cuando no del mismo tamaño, cada uno de ellos con la posibilidad de tener diferente resistividad. Algunas aplicaciones comunes para estos instrumentos son: 1. Detectar cambios en la estructura somera del subsuelo. 2. Detectar Plumas Contaminantes y Vertidos Subterráneos. 3. Inspeccionar Fugas y Filtraciones en Cámaras, Cañerías, Presas y otros. 4. Evaluar la Contaminación de Acuíferos Someros. 5. Diagnosticar el estado de piletas con GeoMembrana. 20
6. Monitorear la Inyección de Agua de Purga en el Subsuelo. 7. Diagnosticar el estado de Pasivos Ambientales Subterráneos. Figura 9. Perfil geoeléctrico obtenido mediante la técnica de tomografía. Se muestra un terreno calcáreo con grandes bloques fracturados que descansan sobre margas (en azul, terrenos más conductivos) 3.1.5 Otros métodos de prospección utilizados en hidrogeología 1. Resonancia Magnética Protónica (Magnetic Resonance Sounding - MRS) mide directamente la presencia de agua en zonas saturadas y/o no saturadas de los acuíferos, estimando cantidad de agua, porosidad o permeabilidad hidráulica. 2. Métodos magnetotelúrico permiten definir límites de acuíferos, zonas de alta transmisividad, variaciones de permeabilidad y localización de fracturas. 3. Polarización Inducida está basado en el estudio de la cargabilidad del subsuelo. Permite la localización de contaminación por hidrocarburos. 3.2 MÉTODOS DE PROSPCCIÓN GEOFÍSICA DESDE SONDEOS: DIAGRAFÍA Durante la perforación de un pozo se efectúa el control del lodo (peso específico, viscosidad y contenido de arena), así como también se registra el tiempo de penetración y las muestras de suelo para el análisis macroscópico por cada metro de avance. En general una diagrafía geofísica incluye mediciones nucleares, de potencial propio y sísmico, cuyos datos son integrados a los sondeos realizados durante la fase de exploración, donde se aplicó métodos geofísicos para el levantamiento geológico. La 21
diagrafía geofísica comúnmente entrega datos múltiples sacados mediante un único proceso de medición. Estos datos incluyen informaciones litológicas, estratigráficas y estructurales, indicadores de la mineralogía y de su concentración e indicadores para la exploración geofísica a partir de la superficie. Los parámetros medidos permiten la determinación de parámetros hidrogeológicos como la porosidad, la permeabilidad, la velocidad y dirección de flujos. Los métodos geofísicos más utilizados en hidrogeología son (Martínez, J. y Ruano, P., 1998) 3.2.1 Resistividad Entrega la conductividad del agua en un medio y los limites de las capas. La resistividad en una roca es inversamente proporcional a la cantidad de agua contenida por unidad de volumen, y a la conductividad de esta agua (Lauga, 1990, citado por Martínez, J. y Ruano, P., 1998). 3.2.2 Potencial espontáneo Se utiliza para resolver los problemas de límites del acuífero o movimiento del agua a partir de la interpretación de conductividad de las formaciones del subsuelo (técnica electro-osmosis) y permite definir la velocidad y dirección del flujo (técnica electrofiltración). 3.2.3 Radiación gamma A través de una sonda en el pozo puede captarse los isótopos radiactivos naturales emitidos por formaciones arcillosas, feldespatos, micas o esquistos, contrastando con las arenas y gravas más estables. 3.2.4 Radiación gamma-gamma Cuentan con dispositivos que emiten radiación (generalmente 137 Ce o 60 Co) y un detector en su otro extremo, asociando valores máximos a zonas de baja densidad (alta porosidad). 22
3.2.5 Testificación con neutrones Estos equipos cuentan con una fuente emisora de neutrones (plutonio/berilio, berilio/americio o radio/berilio) y un detector correspondiente. Los neutrones son absorbidos por iones hidrógeno presentes en la formación y por tanto se asocia al contenido de agua. La cantidad de energía perdida es proporcional al contenido de hidrógeno de la formación, obteniéndose una porosidad neutrónica. Por incluir una fuente radioactiva, requieren personal especializado y precauciones máximas. 3.2.6 Testificación sónica Se basa en el mismo principio del método sísmico por refracción, es decir, mide la velocidad de ondas longitudinales o de compresión emitida y recibida por una sonda introducida en el pozo. Los resultados señalan zonas fracturadas y litología del subsuelo, especialmente en acuíferos carbonatados, rocas ígneas o metamórficas. 3.2.7 Radiación gamma-gamma Registra las variaciones de temperatura del agua a lo largo del sondeo, identificando los distintos acuíferos captados. La interpretación de estos estudios es muy compleja al influir factores como la conductividad térmica de las formaciones geológicas, el gradiente geotérmico (o temperatura exterior), demandando un amplio conocimiento previo del contexto hidrogeológico. 3.2.8 Testificación con televisión Utilizados para la inspección visual del revestimiento de pozos de sondeo para confirmar la correcta construcción, controlar problemas de deterioro, accidentes mecánicos o presencia de relleno. En pozos sin revestir se utiliza también para obtener información sobre la litología y estructura de formaciones geológicas perforadas. 23
4. INSTRUMENTOS PARA MONITOREO DE AGUAS SUBTERRÁNEAS Esta parte del estudio pretende presentar una muestra de algunos de los instrumentos utilizados en el monitoreo de aguas subterráneas, teniendo en consideración la gran disponibilidad de equipos existentes en el mercado. Dentro de los medidores de nivel, están los de tipo manual (cintas, sensores ultrasónicos y neumáticos) y automáticos, Para el muestreo de aguas subterráneas es común el uso de bombas, entre las que se destacan las de tipo neumáticas, peristáltico y sumergibles. Para monitoreo in-situ se utilizan celdas de flujo y sensores con registro periódico de parámetros como ph, presión y temperatura, entre otros. 4.1 EQUIPOS MÁS UTILIZADOS 4.1.1 Sondas de nivel Estas sondas son equipos transportables que proveen de mediciones exactas de niveles estáticos en pozos y barrenos. Cuentan con una cinta que está disponible en el mercado en largos de hasta 900 metros, marcada en incrementos de 1 mm. Básicamente están compuestas por un cable de acero inoxidable, carrete, manija y freno. Actualmente existen diseños de cintas que impide que éstas se adhieran a superficies mojadas al interior de los pozos. Dispone de una batería de 9 voltios que alimenta una alarma visual y sonora que se activan al contacto con agua. Los modelos se diferencias por la longitud del cable, el diámetro del sensor, disponibilidad de carretes motorizados. Algunos equipos incorporan sensores de conductividad eléctrica y temperatura, lo que incrementa su costo. 24
Precio de referencia / Característica US$ 439.00 (sonda 20 a 65 metros) (Modelo mini, marca SOLINST) US$ 432.00 (sonda 50 metros) US$ 2968.00 (sonda 600 metros) Incluyen sensores de Conductividad y temperatura: US$ 1142.00 (sonda 30 metros) US$ 1402.00 (sonda 300 metros) (marca SOLINST) US$ 1520.00 (sonda 1500 metros) US$ 3202.00 (sonda 2000 metros) (marca Keck) US$ 460 (sonda 50 metros) US$ 580 (sonda 200 metros) (marca Heron) 4.1.2 Sensores automáticos para nivel y calidad de agua Estos equipos se caracterizan por ser registradores automáticos diseñados para ser usados en monitoreo permanente de aguas subterráneas y superficiales; son unidades selladas que disponen de batería para 5 a 10 años (varía el precio). De tamaño pequeño (modelos de referencia en imagen: diámetro 22 milímetros y largo 154 milímetros), cuentan con una alta precisión (exactitud 0.05% de la escala total). 25
Poseen una capacidad para registrar 40.000 mediciones en cada canal (nivel y temperatura en muestreo lineal). El muestreo se puede hacer periódicamente cada 0,5 segundos hasta 99 horas, programar un muestreo por evento. Se presentan a continuación un modelo marca Solinst y sus complementos. Precio de referencia / Característica US$ 595.00 (conexión USB, óptica, cable PC) US$ 487.00 (conexión cable PC) (marca Solinst, modelo Gold) Paquete de comunicación directa, incluye lectura óptica, cable interfase PC y software con guía de usuario US$286.00 (conexión USB) US$432.00 (full) US$643.00 Levantador de datos portátil con cable conexión USB US$116.00 (cable 15 metros para lectura directa sin extraer el sensor) US$190.00 cable 200 metros 4.1.3 Sensores multiparámetros Estos equipos permiten el registro de niveles y calidad de agua, ideales para su uso en campo por cualquier persona que necesite monitorear agua en forma automatizada. Los sistemas modulares permiten operar hasta con ocho sondas de diferente diámetro que se pueden conectar en línea o con un manifold. 26
En el mercado están disponibles variedades de rangos para medir presión, temperatura, conductividad, ph. Cuentan con un visualizador digital de datos (LCD) que permiten ver las lecturas al instante. Usualmente son de operación sencilla, dependiendo la marca y modelo pueden programarse y obtener datos con un PC o laptop a través de una interfase infrarroja digital. Varía también la capacidad de memoria y operatividad del software. Precio de referencia / Característica US$ 868.00 (lector de datos) (marca YSI) Cable de sondaje mide temperatura, conductividad, oxígeno disuelto, más dos parámetros programables. US$ 1153.00 (sonda 1 a 4 metros) US$ 1202.00 (sonda 10 metros) US$ 1291.00 (sonda 20 metros) US$ 1402.00 (sonda 30 metros) US$ 134.00 (sensor ph) US$ 245 (sensor potencial óxido reducción) US$ 290 (sensor multiparámetro: ph, T, NO 3 Estos equipos han sido diseñados para el trabajo en campo permitiendo monitorear rápidamente en forma automatizada presión, temperatura, conductividad y ph. Usualmente incorporan un barómetro que se utiliza para hacer compensación barométrica exacta y evitar así el uso de cables venteados. Sensor multiparámetro marca Solinst modelo Reelogger 27
4.1.4 Uso de bombas para el muestreo de agua subterránea Bombas sumergibles de membrana: permiten tomar muestras de alta calidad en todo tipo de aplicaciones, ajustándose a las características de las aguas subterráneas. Utilizan una membrana de teflón, PVC o acero inoxidable que impide que la muestra entre en contacto con el aire, de tal modo que evita la contaminación o desgacificación de la misma. Son resistentes y duraderas. Tanto membranas como válvulas pueden reemplazarse con facilidad en el campo. Dependiendo la marca y modelo, varían sus diámetros y profundidad de succión. Bombas sumergibles plásticas: en general las bombas de plástico están diseñadas para operar incluso bajo condiciones de turbidez, bombeando continuamente sin la necesidad de enfriamiento. Poseen un motor eléctrico alimentado con una batería de 12 V, tienen una vida útil estimada en 400 horas, lo que permite realizar muestreos y vaciado de pozos de manera económica. Bombas peristálticas: Diseñado para uso en terreno, operan por succión permitiendo bombeo al vacío o recuperación de líquidos o gases por presión. Ideal para remoción de muestras de pozos poco profundos o aguas superficiales (4 a 10 metros). Su operación mecánica utiliza rodillos de rotación, creando un vacío que desplaza la columna de agua en la dirección deseada (velocidad variable y reversible). Precio de referencia / Característica US$ 584.00 - US$ 627.00 (bomba de membrana) US$ 98.00 - US$ 158.00 (bomba plástica mini) 28
Precio de referencia / Característica US$ 158.00 - US$ 269.00 (bomba plástica mini) US$ 1155.00 (70 metros, 3000 horas de operación) US$ 124.00 (longitud 160 metros) US$ 1000.00 (marca Solinst) 4.1.5 Muestreo de agua en pozos Estas unidades de muestreo varían en configuración y especificaciones para cada tipo de requisito de toma de muestras de agua. Su precio varía según el material con el que fueron fabricados, siendo éstos desechables o reutilizables. Precio de referencia / Característica US$ 154.00 (12 unidades, Teflón) US$ 155.00 (24 unidades, PVC) US$ 166.00 (24 unidades, Poliéster) 29
4.1.5 Piezómetros Los Piezómetros para hincado permiten efectuar investigaciones iniciales y deliner plumas en sitios o zonas de aguas subterráneas. Se utilizan para tomar muestras de agua subterránea o gases, monitoreo de tanques subterráneos, puntos esparcidos y medición de niveles estáticos. Los equipos tienen en el extremo anterior una punta de acero inoxidable y en el extremo posterior una rosca para uso con extensiones de acero inoxidable o acero galvanizado. Estas últimas permiten la instalación permanente del piezometro a un costo inferior. Para obtención de muestras de mayor calidad, el piezometro se puede suministrar con lengúeta para conectar tubería de polietileno o de teflón. Algunos modelos, como el 615 de Solinst, pueden traer con funda de acero que evita la obstrucción de la malla del piezómetro cuando se hincan en terrenos arcillosos. Se pueden hincar con martillo manual para hincado en terrenos arenosos blandos, o con martillos vibradores o con plataforma para perforación para profundidades mayores o terrenos más firmes. 30
5. SITIOS WEB DE INTERÉS 5.1 EMPRESAS CON SENSORES PARA MONOTOREO Empresa / Link Precios publicados YSI: Enviromental Monitoring and Testing 1 https://www.ysi.com/ysi/products No SOLINST 2 http://www.solinst.com/prod/prod.html No Global Water, Instrumentation Inc. 3 http://www.globalw.com/catalog.html Si Stevens 4 http://www.stevenswater.com/products.aspx No Horiba, Instrumental Inc. 5 http://www.wq.hii.horiba.com/viewall.htm No Hach 6 http://www.hydrolab.com/ No FONDRIEST: Enviromental Monitoring Products Distribuidor: Características generales y precios de referencia 7 de múltiples sensores Si http://www.fondriest.com/groundwater.htm 31
5.2 SERVICIOS DE ESTUDIO DE AGUAS SUBTERRÁNEAS EN CHILE Empresa / Link ZONGE INGENIERÍA Y GEOFÍSICA S.A. 1 http://zonge.cl/zonge_chile_s.htm Oficina central Antofagasta GEODATOS 2 http://www.geodatos.cl/web/espanol/services.html Providencia, Santiago CHILEAN WATER 3 4 http://www.chileanwater.cl/ass.htm Montevideo Uruguay GPCONSULTORES Providencia, Santiago http://www.gpconsultores.cl/ GEOEXPLORACIONES S.A. 5 http://www.geoexploraciones.cl/servicios.htm Providencia, Santiago SEGMI 6 http://www.segmi.cl/ WELLFIELD 7 http://www.wellfield.cl/ Las Condes - Santiago Antofagasta (Sucursal Santiago) 32
6. REFERENCIAS 1. Custodio E., Ramón M. 1983. Hidrología Subterránea. Tomo II. Ediciones Omega, Barcelona. 2. El AGUA en Chile: Entre las reglas del mercado y los derechos humanos. Programa Chile Sustentable. Noviembre 2005. 3. Ley 20.017 que fija texto del Código de Aguas. Fecha de Promulgación: 13/08/1981. Ultima Modificación: 16/06/200 4. Martínez R. Juan, Ruano M. Pedro. 1998. Aguas Subterráneas Captación y Aprovechamiento. Progensa, España. 5. Manejo Integrado y Sostenible de los Recursos Hídricos Subterráneos en América Latina. Proyecto Regional del OIEA RLA/8/031. Documento en línea: Pautas para el estudio de acuíferos. Universidad de Piura, Perú. [http://www.udep.edu.pe/recursoshidricos/pau1.htm] 6. Manual de Normas y Procedimientos del Departamento de Conservación y Protección de Recursos Hídricos. Departamento de Conservación y protección de Recursos Hídricos. Dirección General de Aguas. Junio 2007. 7. Manual de Administradores de Organizaciones de Usuarios de Aguas. Comisión Nacional de Riego. Mayo 2008. 8. Russell J., Ginn J. 2004. Practical Handbook of Soil, Vadose zone and Groundwater Contamination; Practical Handbook of Assessment, Prevention, and Remediation. 2da edition. Lewis Publishers. Washington, D.C. 9. Sendas del Agua. Boletín electrónico DGA - MOP. Año 4 N 2. Julio 2007. 10. Vargas M. Nelson. 2004. Monitoreo de Aguas Subterráneas. Subdirección de Hidrología IDEAM. Colombia. 33