CI5105 Hidráulica de Aguas Subterráneas y su Aprovechamiento

Universidad de Chile Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas Departamento de Ingeniería Civil CI5105 Hidráulica de Aguas Subterráneas y su Aprovechamiento Trabajo Semestral Flujo en Acuíferos Fracturados Grupo 8 Integrantes: Jorge Fuentes B. Sebastián Morán V. Jaime Vergara A. Fecha de Entrega: miércoles 4 de diciembre de 2013

Contenido Introducción... 3 Características de un acuífero fracturado... 4 Clasificación de acuíferos... 4 Caracterización de fracturas... 5 Modelamiento... 5 Medio poroso Equivalente... 5 Medio poroso Dual... 6 Red de fracturas discretas... 6 Flujo en Rocas fracturadas... 7 Transporte de solutos... 8 Transporte de contaminantes en medios fracturados... 9 Caracterización del estrato fracturado:... 9 Caracterización hidrogeológica:... 9 Modelo conceptual:... 9 - Condiciones de flujo:... 10 - Procesos de difusión y dispersión:... 10 - Adsorción y desorción:... 10 - Disminución de la Radioactividad:... 10 - Flujo multifásico:... 10 Conclusiones:... 11 Referencias:... 11

Introducción El estudio de las aguas subterráneas resulta fundamental para entender el ciclo hidrológico, y las implicancias de este para sostener la vida en el planeta. El punto de partida de cualquier análisis debe ser la caracterización del medio, el que para estos efectos queda definido por el acuífero. Un acuífero es una unidad geológica que puede almacenar y transmitir agua a tasas suficientes para satisfacer la extracción desde un pozo de bombeo. En la práctica no existen acuíferos perfectamente homogéneos, todos poseen algún grado de heterogeneidad y variabilidad espacial, así como anisotropía en sus propiedades. Algunos acuíferos presentan zonas de interrupción abrupta en su continuidad estructural, las que son llamadas fracturas. El estudio sistemático del flujo de aguas en medios porosos puede ser fechado a los años 1850, específicamente a los ensayos de laboratorio realizados por Henri Darcy. El primer estudio del flujo de fluido a través de la roca fracturada fue desarrollado por la industria petrolera, a partir de observaciones que indicaban que la producción de petróleo y gas podrían aumentar de manera significativa, debido a formación de fracturas cerca del pozo. Los principales factores que afectan el flujo de las aguas subterráneas a través de roca fracturada incluyen la densidad de la fractura, la orientación, ancho-apertura efectiva, y la naturaleza de la matriz de la roca. En las últimas décadas, la investigación sobre el flujo y transporte en medios porosos no consolidados supera con creces a la cantidad de investigación sobre medios fracturados, debido en parte a la complejidad de los sistemas de rocas fracturadas y a la falta de incentivos económicos. Por otro lado, el estudio de la dinámica de un acuífero fracturado resulta de especial interés para la toma de decisiones de remediación y atenuación ambiental, por su relevancia en el movimiento y transporte de contaminantes. Sobre la base de lo anteriormente expuesto, en el presente informe se hará una revisión acerca de las implicancias del flujo en acuíferos fracturados, con énfasis en las repercusiones medioambientales (transporte de contaminantes). El informe forma parte del curso Hidráulica de Aguas Subterráneas y su Aprovechamiento dictado por el Departamento de Ingeniería Civil de La Universidad De Chile durante el semestre primavera del año 2013, por lo que gran parte del marco teórico que involucra el flujo de aguas subterráneas no será abordado en este texto.

Características de un acuífero fracturado Clasificación de acuíferos Inicialmente, se debe dejar en claro que no existen acuíferos perfectamente homogéneos. Todos poseen algún grado de heterogeneidad y variabilidad espacial, así como anisotropía en sus propiedades. Sin embargo, para efectos prácticos, muchos de estos presentan características tales que realizar simplificaciones como considerarlos homogéneos, por ejemplo, no genera errores considerables. Dentro de las posibles clasificaciones de acuífero, se presentan 5 categorías: - Acuíferos con medios porosos homogéneos - Acuíferos con medios porosos heterogéneos - Acuíferos con medios porosos fracturados homogéneos - Acuíferos con medios porosos fracturados heterogéneos - Acuíferos netamente fracturados Figura 1. Categoría de acuíferos según su matriz: (a) medio poroso homogéneo, (b) medio poroso heterogéneo, (c) medio poroso fracturado homogéneo, (d) medio poroso fracturado heterogéneo, y (e) netamente fracturado. i Para efectos de modelación, usualmente se considera que los acuíferos caen en la primera o en la última categoría, a pesar que la mayoría de estos presentan características similares a la 3ra y 4ta categoría. En los primeros casos, el agua tiende a fluir a través de los poros entre partículas. Cuando existen fracturas, el flujo tiende a viajar por estas, debido a que generan una menor resistencia al escurrimiento, aun cuando todavía exista flujo en poros. En el último caso, el agua viaja netamente por las fracturas, considerándose el material prácticamente impermeable.

Para efectos del presente trabajo, serán objeto de análisis las 3 últimas categorías. Caracterización de fracturas Para efectuar un correcto análisis de los acuíferos fracturados, se debe realizar un análisis de los tipos de fracturas que pueden presentar, pues presentan características que, eventualmente, pueden afectar propiedades del acuífero, como conductividad hidráulica o almacenamiento. Las fracturas se pueden caracterizar mediante las siguientes propiedades: - Número de sets, considerando que un set de fracturas corresponde a un grupo de fracturas o discontinuidades con una orientación preferida - Orientación - Espaciamiento entre fracturas - Largo de la fractura - Conectividad entre fracturas, que grosso modo pueden ser subclasificadas entre fracturas ciegas (sin conexión con otras), fracturas que cruzan a otras y fracturas que son tangentes a otras - Apertura - Rugosidad de la superficie La caracterización de las fracturas es particularmente compleja. Puede realizarse tanto a través de mediciones geofísicas, como netamente geológicas, aunque lo que se usa más es simplemente tratar el acuífero fracturado como un acuífero cualquiera y proceder a realizar pruebas de bombeo para determinar las características que sean relevantes. Modelamiento Como se ha comentado en secciones anteriores, describir el flujo en medio fracturado es un problema debido al alto grado de heterogeneidad que pueda llegar a tener. En este sentido, existen varias aproximaciones que dependiendo del nivel de detalle, objetivo perseguido, geología de la roca fracturada y escala de interés, serán más ventajosas que otras. Estos enfoques son los siguientes Medio poroso Equivalente Medio poroso Dual Red de fracturas discretas Medio poroso Equivalente Este enfoque de simulación explica el comportamiento hidráulico de un cuerpo rocoso fracturado como un medio continuo de porosidad y permeabilidad definas de forma tal que reproduzcan, en promedio, el comportamiento hidráulico de las fracturas. Como se puede observar en la imagen 2 a), b) y c) este enfoque transforma el bloque real, que es heterogéneo en todo sentido, en otro homogéneo con propiedades hidráulicas definidas

simplificando el problema permitiendo su modelación. La imagen b), no se hace diferencia entre una fractura u otra, mientras que la imagen c) intenta representar una zona de fractura significativamente más grande que el resto mediante una alta conductividad hidráulica. Medio poroso Dual Este enfoque es parecido al anterior salvo que se le asigna una porosidad y permeabilidad promedio por separado a la matriz y a la red de fracturas. Este enfoque es más apropiado que el anterior cuando la matriz tiene alta porosidad y permeabilidad. Esto permite incorporar en la modelación una trasferencia de masa desde la matriz a la red de fracturas o viceversa mediante ecuaciones distintas. Red de fracturas discretas Este enfoque es el más específico y se contrapone al primero en el sentido que modela e forma específica la red de fracturas considerando los detalles mencionados en la sección anterior como orientación largo, espesor etc. Algunos modelos consideran modelan en el flujo en fracturas considerando una apertura de cierto espesor rodeada por bloques impermeables, otros le añaden porosidad al mismo e incorporan flujos adicionales y formas complejas según los recursos computacionales existentes. Debido a lo específico del enfoque, usualmente corresponde a escalas pequeñas en contraste con el primer enfoque que requiere de grandes escalas Figura 2. Enfoque de distintos modelos: (a) real red fracturas, (b) medio poroso homogéneo, (c) medio poroso homogéneo con zonas de alta permeabilidad, (d) medio poroso dual y (e) enfoque red de fracturas discretas.

Flujo en Rocas fracturadas Para el análisis hidráulico de medios fracturados, el acuífero debe ser modelado como se señaló anteriormente. Cuando se tienen modelos de medios porosos, el procedimiento para determinar flujo es el mismo que se ha realizado durante el curso, por lo que no se entrará en mayor detalle. En caso que el modelo sea de rocas fracturadas, se deben establecer criterios distintos, debido a que las fracturas pueden presentarse en órdenes prácticamente aleatorios, y a que no siempre se dan condiciones para escurrimiento laminar. Existen 2 principales aproximaciones para analizar flujo en rocas fracturadas: análisis de flujo en fracturas discretas y análisis de flujo asumiendo la red de fracturas como un continuo. En ambas se asume flujo laminar en las fracturas ii. El flujo laminar en una fractura hidrodinámicamente lisa, de apertura uniforme b y largo w normal al flujo fue propuesto por Romm en 1966, de la forma Donde: ρ w : Densidad del agua g: Aceleración de gravedad μ: Viscosidad dinámica del agua : Gradiente hidráulico Figura 3. Esquematización de flujo laminar en fracturas hidrodinámicamente lisas Esta aproximación de fractura discreta puede ser usada en casos en los cuales la escala del problema no es significativamente mayor a la escala del espaciamiento de la fractura. De todas formas, es necesario caracterizar la distribución, orientación y apretura de las fracturas. Para la aproximación de fracturas continuas, la localización de fracturas particulares no es necesaria, y la masa rocosa se considera como si fuera un material semiporoso con conductividad homogénea. Para utilizar esta aproximación, la escala del problema debe ser mayor al elemento representativo de volumen. El efecto de sets de fracturas paralelas puede ser incorporado asignando conductividad con algún grado de anisotropía (según Snow, en 1968). Snow, en 1969, a partir de la ecuación anteriormente mostrada, derivó una ecuación para determinar la conductividad hidráulica de un set de fracturas uniformes orientadas paralelamente a un eje X arbitrario:

Con N, el número de fracturas del set. Evidentemente, las fracturas reales no poseen estas características, pero esta ecuación permite una primera estimación. Transporte de solutos Si la matriz de la roca que conforma el acuífero es impermeable, el transporte de solutos se realizará por advección a través de las fracturas, con difusión en el agua inmóvil en la matriz. La relación entre la velocidad del agua y la velocidad aparente del soluto se puede obtener considerando dos escenarios contrapuestos. En el primero no hay difusión en la matriz, entonces la velocidad aparente de un trazador será igual a la velocidad del agua a través de la fractura. En caso contrario, si la difusión es muy rápida y el espaciamiento entre fracturas es pequeño; después de un período de tiempo la concentración de soluto en la matriz será idéntica a la concentración dentro de la fractura (concentraciones en equilibrio). En este caso, a pesar de que el agua se mueve sólo a través de la fractura, en equilibrio, el soluto se mueve de manera uniforme a través de la fractura y la matriz. La Figura 4 esquematiza los distintos escenarios de trasporte de solutos en acuíferos fracturados; en el ejemplo (a) el movimiento es sólo por advección, en el ejemplo (b) existe intercambio parcial entre la fractura y las concentraciones de la matriz; en el ejemplo (c) también existe intercambio parcial entre la fractura y la matriz, pero la difusión alcanza a más de la mitad de la distancia existente entre fracturas. En el ejemplo (d) existe equilibrio completo entre la concentración de la matriz y la fractura, escenario equivalente a un medio poroso. Figura 4. Representación esquemática del movimiento de solutos en un acuífero fracturado. (Cook Peter, 2003).

Transporte de contaminantes en medios fracturados Hasta ahora se han abordado las implicancias del flujo en acuíferos fracturados desde un punto de vista descriptivo. En este apartado se enfocará el tema hacia las repercusiones ambientales que trae consigo este tipo de acuíferos, principalmente dirigido al transporte de contaminante. La capacidad de predecir de forma confiable la tasa y dirección del flujo de agua y el transporte de solutos en acuíferos fracturados, resulta fundamental para la planificación e implementación de medidas de remediación de acuíferos contaminados. En este sentido, el Foro del Agua de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (U.S.EPA) identifica a esta problemática como el principal punto de interés para la toma de decisiones en una gran cantidad de sitios acogidos a sus programas de remediación prioritarios (Superfund). La U.S.EPA entrega directrices para la toma de decisiones referentes a los programas de remediación que involucran acuíferos fracturados, las cuales tienen por objetivo sistematizar los procedimientos a seguir a la hora de enfrentar la problemática. La sistematización de procedimientos se presenta a continuación: Caracterización del estrato fracturado: La caracterización de la fractura se realiza conforme a los criterios indicados anteriormente en este informe, además de incluir datos sobre las dimensiones del sistema, longitud, ancho de abertura, ubicación y orientación de cada fractura, carga hidráulica, porosidad y permeabilidad de la roca, fuentes de agua y contaminantes, naturaleza y concentraciones de los contaminantes, y las interacciones químicas entre los contaminantes y la roca. La naturaleza de la roca juega un papel importante en el movimiento del agua y de los contaminantes a través de la fractura. Las rocas metamórficas e ígneas generalmente tienen muy baja porosidad y permeabilidad, siendo las fracturas responsables casi en su totalidad de la permeabilidad del sistema, siendo mínimo el movimiento de agua y del contaminante a través de la roca. Las rocas sedimentarias tienen generalmente más alta porosidad. En general las fracturas pueden mejorar la permeabilidad de todos los tipos de materiales, permitiendo liberación del agua y los contaminantes desde el almacenamiento. Caracterización hidrogeológica: La caracterización hidrogeológica del sitio es por lo general más exitosa cuando se realiza por más de un método. Los métodos pueden incluir extracción de muestras, pruebas de bombeo, utilización de trazadores, técnicas geofísicas de pozos, medidores de flujo, entre otras. Información adicional puede ser obtenida antes, durante y después de las operaciones de perforación. Modelo conceptual: Luego de realizada una acuciosa caracterización del sitio, los modelos disponibles, descritos anteriormente en este informe, pueden ser útiles para el desarrollo de una comprensión

cualitativa del comportamiento del acuífero fracturado y las interacciones de este con los contaminantes. La imagen conceptual más común de flujo y transporte de contaminante en un medio poroso fracturado es que el flujo se realiza por advección (principalmente) a través de las fracturas. El agua y los contaminantes pueden además ser transportados por difusión dentro y fuera del acuífero (ver transporte de solutos). Esta difusión puede actuar para extender la pluma de contaminación en el espacio y en el tiempo. El agua también se puede almacenar y drenar de la matriz de la roca. Existen modelos que incluyen advección y dispersión. Los modelos existentes que describen el flujo y transporte en sistemas fracturados son por lo general menos completos, en cuanto a procesos involucrados, que los modelos para medios porosos no consolidados. Los procesos y condiciones que usualmente se incluyen son: - Condiciones de flujo: Prácticamente todos los modelos asumen que el flujo de agua y el transporte de contaminantes es sólo a través de las fracturas. Sin embargo, existen modelos que asumen difusión de agua y contaminante dentro y fuera del acuífero en dirección perpendicular al flujo en la fractura, sin transporte advectivo de contaminantes a través de la matriz. - Procesos de difusión y dispersión: Los modelos asumen que la concentración del contaminante es constante a través de la fractura. La dispersión mecánica se considera sólo en sentido longitudinal. Los procesos de difusión molecular se consideran con menor relevancia que los de dispersión dentro de la fractura, sin embargo, la difusión es el proceso principal mediante el cual los contaminantes se mueven dentro de la matriz de la roca. - Adsorción y desorción: Los modelos para el transporte de solutos en general representan adsorción y desorción de los contaminantes en la superficie de las fracturas y dentro de la matriz de la roca, sin embargo ningún modelo da cuenta de forma explícita de los procesos de intercambio iónico. - Disminución de la Radioactividad: La gran motivación de la mayoría de los trabajos que incluyen modelación de flujo y transporte en medios fracturados ha sido la eliminación de residuos radiactivos. - Flujo multifásico: Los modelos de flujo y transporte en sistemas fracturados se limitan sólo a una fase, es decir se puede simular el flujo sólo de agua, o el transporte de los contaminantes que se disuelven en el agua y no pueden simular el flujo de un sistema de agua y una fase inmiscible en agua, por ejemplo, un residuo aceitoso. El desarrollo de modelos para mejorar la comprensión que permita predecir el transporte de contaminantes en acuíferos fracturados continúa siendo un área activa de investigación, y se encuentra aún en desarrollo.

Conclusiones Existen una gran cantidad de modelos que permiten simular de manera satisfactoria una red de fracturas. Traducir esta red y su comportamiento a un tipo de modelo conceptual o enfoque determinado requiere tener definido la escala de interés, objetivo de modelación y nivel de detalle que se quiere simular. En este sentido, no hay un modelo mejor que otro, sino más ventajosos que otros en base a los aspectos mencionados anteriormente. Modelar y entender el flujo en medios fracturados es relevante para estudiar diversos aspectos. Uno importante, es la capacidad de predecir la tasa y dirección del flujo de agua y el transporte de solutos en acuíferos fracturados con el objetivo de planificar e implementar medidas de remediación de acuíferos contaminados. El desarrollo de modelos relacionados con el transporte de contaminantes en acuíferos fracturados que permitan reproducir de manera satisfactoria el comportamiento del mismo, continúa siendo un área activa de investigación, y se encuentra aún en desarrollo. Entre más específico es el modelo, la escala de modelación disminuye. En este sentido, el enfoque continuo, dual y red de fracturas discretas, responde a escalas mayores, medias y menores respectivamente.

Referencias - Charles R. Fitts, Ed. 2013. i Groundwater science. - Peter Cock, 2003. i A guide to regional groundwater flow in fractured rock aquifers. - Schmelling, S. 1989. Contaminant Transport in Fractured Media: Models for Decision Makers. Superfund Ground Water Issue. EPA, U.S.