hidrogeologia de acuiferos costeros
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TITULO: HIDROGEOLOGIA DE ACUIFEROS COSTEROS
2. Efectos de la densidad variable
3. Flujo de Densidad Variable
HIDROGEOLOGÍA DE ACUÍFEROS COSTEROS
1. INTRODUCCIÓN
Algunos de los acuíferos más intensamente aprovechados se encuentran en las
zonas costeras donde hay importantes asentamientos de población e intenso
aprovechamiento agrícola. Esto ha dado origen a los mayores problemas
causados por la explotación de estas acuíferas la intrusión de agua de mar, el
elevada contenido en nitratos y la contaminación por aguas residuales no o
deficientemente depuradas.
Así como el mar es un ecosistema más sensible que los terrestres, los acuíferos
costeros son mucho más delicados y vulnerables a la contaminación que los
continentales.
1.1Antecedentes
El cambio climático global afectará la renovación y la calidad del agua
subterránea, siendo los acuíferos someros más vulnerables que los profundos,
pues en la medida en que disminuya la disponibilidad de agua superficial
aumentará la presión sobre la subterránea y, a su vez, todo impacto negativo
sobre los acuíferos afectará a las fuentes superficiales y a los ecosistemas.
Después de los casquetes polares, el subsuelo contiene la mayor reserva de agua
dulce del planeta, misma que en gran parte no es renovable y que reviste gran
importancia para compensar las variaciones de la disponibilidad de agua
superficial y para dar flexibilidad al manejo integrado de los recursos hídricos.
Ante la inminencia de los efectos del cambio climático que producirán un aumento
de las temperatura, más eventos extremos (sequía, inundaciones), y aumentará el
nivel del mar con lo que aumentarán también las posibilidades de salinización de
aguas dulces. En el caso de las aguas subterráneas se reducirán las zonas de
recarga, reducción del recurso hídrico subterráneo, avance de la intrusión salina y
salinización de acuíferos; se hace necesario independientemente de los efectos
del cambio climático se vea como un beneficio o como un problema la magnitud
potencial de los cambios, tomar medidas pertinentes. Por eso es importante
evaluar la utilización de la gran capacidad de almacenamiento de los acuíferos
para aprovechar las aguas de las inundaciones y regular las actuaciones de la
recarga artificial.
En los últimos años viene siendo empleada como una herramienta de gestión
hídrica económica y de gran efectividad con respecto a las grandes obras
hidráulicas, resultando una actividad de primer orden en varios países del mundo,
como son Holanda, USA, Australia, España, México, etc. En cambio en el Perú
está poco desarrollada la utilización de la capacidad de almacenamiento
subterráneo y de las recargas en las masas de agua subterránea. Solo existen
experiencias puntuales como es el caso de la Empresa de Agua Potable y
Alcantarillado – SEDAPAL, desarrollado en los aluviales de los ríos Rímac y
Chillón de en los años 1980 y 2000.
El volumen anual máximo de recursos hídricos obtenerse resultantes de
operaciones de RA asciende a 300-350 hm3/año (IGME, 2000).
En la nueva legislación en materia de aguas del Perú, Ley de Recursos Hídricos
(Ley Nº 29338) promulgada en el año 2008, ha sido considerado como un bien
artificial (Título I Disposiciones Generales Art. 6). Por otro lado, en cumplimiento al
Art. Nº 15, ítem 3 y 8, que dice: “proponer normas legales en materia de su
competencia, así como dictar normas y establecer procedimientos para asegurar
la gestión integral y sostenible de los recursos hídricos” y “conducir, organizar y
administrar el Sistema Nacional de Información de Recursos…”, respectivamente;
de la Ley de Recursos Hídricos (Ley Nº 29338), que son funciones de la Autoridad
Nacional del Agua. Asimismo, a fin de cumplir con lo dispuesto en el Art. 75º “...
velar por la protección del agua,... coordinar con las instituciones públicas
competentes y los diferentes usuarios” y el Artículo 89º.- “Prevención ante efectos
de cambio climático. La Autoridad Nacional.., debe desarrollar estrategias y planes
para la prevención y adaptación a los efectos del cambio climático y sus
efectos…”.; ha considerado en su Plan Operativo 2009, realizar un Diagnóstico
Situacional de la Recarga de Acuíferos en el país a fin de regular su uso en
nuestro país.
2. DEFINICIONES
2.1Definición de hidrogeología
La hidrogeología es una rama de las ciencias geológicas, que estudia las aguas
subterráneas en lo relacionado con su circulación, sus condicionamientos
geológicos y su captación, así su definición dice «La hidrogeología es la ciencia
que estudia el origen y la formación de las aguas subterráneas, las formas de
yacimiento, su difusión, movimiento, régimen y reservas, su interacción con los
suelos y rocas, su estado (líquido, sólido y gaseoso) y propiedades (físicas,
químicas, bacteriológicas y radiactivas); así como las condiciones que determinan
las medidas de su aprovechamiento, regulación y evacuación»
Actualmente los estudios hidrogeológicos son de especial interés no solo para la
provisión de agua a la población sino también para entender el ciclo vital de ciertos
elementos químicos, como así también para evaluar el ciclo de las sustancias
contaminantes, su movilidad, dispersión y la manera en que afectan al medio
ambiente, por lo que esta especialidad se ha convertido en una ciencia básica
para la evaluación de sistemas ambientales complejos. El abordaje de las
cuestiones hidrogeológicas abarcan: la evaluación de las condiciones climáticas
de una región, su régimen pluviométrico, la composición química del agua, las
características de las rocas como permeabilidad, porosidad, fisuración, su
composición química, los rasgos geológicos y geotectónicos, es así que la
investigación hidrogeológica implica, entre otras, tres temáticas principales:
I. El estudio de las relaciones entre la geología y las aguas
subterráneas.
II. El estudio de los procesos que rigen los movimientos de las aguas
subterráneas en el interior de las rocas y de los sedimentos.
III. El estudio de la química de las aguas subterráneas (hidroquímica e
hidrogeoquímica).
2.2Definición de acuíferos costeros
Los acuíferos costeros constituyen embalses subterráneos, del más variado
volumen, donde el agua circula muy lentamente, en cm/día en los más
superficiales a cm/año en los profundos.
Podemos agrupar los acuíferos costeros en dos grandes tipos:
Acuíferos no consolidados detríticos: están constituidos por gravas y
arenas de cauces de arroyada y fluviales meandriformes o trenzados.
Limos y arcillas ocupan las llanuras de inundación procedentes de la
erosión y transporte de los relieves circundantes. A pesar de su extensión
reducida son acuíferos de gran interés ecológico y económico por su
particular situación. Tienen porosidades y permeabilidades altas que les
permite almacenar y transmitir el agua con gran facilidad.
Acuíferos consolidados carbonatados: En ellos el agua además de los
intersticios entre granos, ocupa los huecos creados por lo fracturación de la
roca y los originados por procesos de disolución de la caliza y diagénesis
ACUÍFERO COSTERO
en la dolomitización. Los carbonatos suelen poseer esta porosidad dual y la
red de fisuras y conductas en las zonas costeras suele estar tan
desarrollada que puede haber flujos muy importantes y la descarga se
realiza por conductos preferentes en grandes manantiales. En los acuíferos
carbonatados costeros se produce una clasificación según el modelo
Bahamas que suele incrementar la permeabilidad de una manera
espectacular. En el aprovechamiento económico ésta tiene ventajas y
desventajas que se consideraran posteriormente.
4. Cálculos en régimen laminar
El flujo laminar ocurre en flujos de altas viscosidades cinemáticas,
viscosidades los que tienen cierta resistencia a moverse -alta μ y baja ρ- y
por tanto no alcanzan altas velocidades; pero si velocidad aumenta pueden
ser turbulentos:
Flujos de hielo.
De agua cargada con detritos y flujos de detritos.
De agua baja velocidad y en parte superficial.
Flujos de lava [basáltica y en la parte inferior, donde la °T es mayor].
Flujos de bajas viscosidades cinemáticas, los que se mueven fácilmente
μ igual o más baja que ρ y por tanto pueden alcanzar altas velocidades,
tienden a ser turbulentos (aun a más bajas velocidades que los de alta
V):
Flujos de agua a “gran” velocidad y en zonas profundas.
La mayoría de los flujos de densidad (con carga de partículas) ya sean de aire o
agua (tienen alta ρ y relativamente baja μ).
Flujo de aire a baja velocidad recarga de acuíferos
Las ecuaciones que rigen el régimen laminar de flujo son las mismas que en el
flujo turbulento, las denominadas ecuaciones de Navier-Stokes que para un flujo
de un fluido newtoniano e incompresible son:
(1)
Las incógnitas de estas ecuaciones son el campo de velocidades y el de
presiones.
El régimen laminar se caracteriza por un movimiento ordenado de las partículas de
fluido, existiendo unas líneas de corriente y trayectorias bien definidas. En el
régimen turbulento las partículas presentan un movimiento caótico sin que existan
unas líneas de corriente ni trayectorias definidas.
En cuanto al campo de velocidades de uno u otro régimen, si en un punto de un
campo de flujo se hiciera una medida del valor de una variable de campo (por
ejemplo de la componente de la velocidad en dirección X) se obtendría que en
régimen laminar ésta presenta un valor bien definido que es constante en el
tiempo si las condiciones de contorno del flujo son estacionarias o presenta una
ordenada variación temporal si las condiciones de contorno varían en el tiempo.
En el régimen turbulento en cambio las variables de flujo presentan una variación
temporal, aún cuando las condiciones de contorno del flujo sean estacionarias,
muy rápida y aleatoria en un amplio rango de frecuencias (se han medido rangos
entre 0 y 10000 Hz).
5. Variación de la recarga del acuífero
La recarga del agua subterránea proviene de la precipitación y de los
cuerpos de agua superficial, pero la tasa de extracción (depresión del nivel
por acción del hombre) podría exceder la tasa de recarga natural,
conduciendo a la reducción del recurso. Algunos acuíferos, especial-mente
en regiones áridas y semiáridas, contienen paleo-aguas (agua subterránea
fósil) alma-cenadas en los periodos tempranos correspondientes a climas
más húmedos: la reducción de estas reservas es comparable a la “minería”.
En llanuras aluviales, la falta de agua en los cursos superficiales reduce la
tasa de recarga natural de los acuíferos: en Bangladesh se ha estimado
que los niveles locales del agua subterránea han descendido casi 3 m
debido a la construcción de represas aguas arriba y desviaciones en el río
Ganges. Las mediciones regulares de los niveles de agua (“la capa
freática”) en pozos y perforaciones, o de la descarga de manantiales,
suministran el indicador más simple de las variaciones de nivel producidas
en los recursos hídricos subterráneos. Sin embargo, los manantiales
pueden ser perennes, intermitentes o periódicos, y su descarga puede
depender de los cambios climáticos, las mareas, y las condiciones locales
del subsuelo, tales como cambios en los esfuerzos actuantes sobre la roca.
El agua subterránea es la fuente principal de agua en muchas regiones,
suministrando una gran proporción del total de agua. En los Estados Unidos
de América más de la mitad del agua potable proviene del subsuelo: en
regiones áridas es generalmente la única fuente de agua. La disponibilidad
de agua pura es de fundamental importancia para la sustentabilidad de la
vida. En muchas regiones las capas freáticas están bajando, reduciendo
seriamente la producción de alimentos donde esto depende de la irrigación
por agua subterránea. Resulta esencial conocer cuánto tiempo durará el
recurso y determinar la recarga actual de los acuíferos: la “minería del agua
subterránea” es una condición extrema o terminal.
Recarga de acuíferos: La recarga natural es el volumen de agua que entra
en un acuífero (o zona saturada), durante un periodo de tiempo,
constituyendo una adición al reservorio de agua subterránea, a causa de la
infiltración vertical de las precipitaciones o también escurrimiento lateral en
las fronteras del sistema. El proceso puede ser conceptuado como el
movimiento de agua que llega a la zona saturada por fuerzas
gravitacionales, o en una dirección especifica por condicionamiento
hidráulico.
6. EXPLOTACIÓN DE ACUÍFEROS COSTEROS
Para determinar la posición exacta de la interfase, necesariamente se tienen
que realizar análisis químicos de muestras a diferentes profundidades, lo que
implica la perforación de una serie de piezómetros. Para ello se emplean toma
muestras que descienden cerrados y se abren a la profundidad deseada.
Estos muestreos deben realizarse a intervalos regulares de tiempo con el fin de
controlar permanentemente la posición del frente salado. En Colombia se
presentan graves problemas de intrusión salina en varios sitios del país, como
San Andrés y el Urabá Antioqueño.
Hay varios indicadores de contaminación con agua salada, aunque por si solos
no son suficientes. Por ejemplo el contenido de cloruros es un indicador. La
resistividad eléctrica es otro. Sin embargo, este indicador por si solo no es
evidencia contundente de intrusión marina, pues podría tratarse de aguas
connatas, con contenidos de cloruros muy altos.
Hay varios métodos para prevenir la intrusión, los cuales se enumerarán con
sus respectivas ventajas y desventajas.
6.1Disminución del bombeo: Parece la herramienta más lógica para
luchar contra la intrusión salina, sin embargo tiene los siguientes
inconvenientes:
Se pierde agua dulce.
Dificultad para encontrar fuentes alternas de agua potable.
No hay herramientas legales suficientes, ni la estructura logística
necesaria que impida a los propietarios de terrenos adyacentes a la
costa un sobrebombeo.
6.2Reubicación de los centros de bombeo: Se relocalizan los pozos
cercanos a la costa. Este método presenta los siguientes
inconvenientes:
Marco legal.
Costos.
6.3Recarga artificial: Como ya se vio anteriormente, la posición de la
interfase está determinada por los niveles piezómetricos del cuerpo
de agua dulce. Una elevación artificial de estos niveles por efecto de
una recarga, reduciría la intrusión. Esta podría efectuarse por pozos
de inyección o por lagunas de infiltración. Se presentan los siguientes
problemas:
Disponibilidad de agua dulce para recarga a bajos costos.
Es una metodología costosa.
Se reduce la capacidad de almacenamiento con respecto a tormentas o
avenidas. Es más barato, si se dispone de recarga, distribuir
directamente y reducir el bombeo. Sólo cuando esta recarga exige
tratamiento o cuando hay excesiva evaporación se justifica este método.
6.4Establecimiento de barreras físicas: Sólo pueden establecerse en
acuíferos poco profundos. Estas barreras pueden ser tablestacas,
zanjas rellenas de arcilla, bentonita o cemento. El gran inconveniente
de este método son los grandes costos que implica y la resistencia de
las estructuras contra terremotos o erosión química.
Contaminación de las aguas subterráneas
CONTAMINACIÓN DEL AGUA SUBTERRÁNEA.
Las fuentes de contaminación de acuíferos y el tipo de contaminantes son muy
numerosos. Tres importantes atributos son característicos de las fuentes de
contaminación:
Localización: puede ser puntual o difusa. Una fuente puntual se presenta
por el escape de un tanque, un relleno sanitario o una laguna. Cuando se
produce una contaminación proveniente de puntos de difícil localización,
como es el caso de contaminación por pesticidas, fertilizantes, etc, se dice
que se tiene una fuente difusa.
Inyección del contaminante: puede ser continua o en forma de pulsos.
Tipo de contaminante: puede ser sustancias radioactivas, metales
trazas, nutrientes, sustancias orgánicas o inorgánicas, contaminación de
tipo biológica.
Todos los contaminantes son potencialmente dañinos para la salud humana y
muchas veces los niveles de tolerancia son muy pequeños.
Las plantas nucleares para generar energía son las principales fuentes de
sustancias radiactivas. Los metales trazas son componentes naturales de las
aguas subterráneas y representan gran parte de elementos de la tabla periódica.
Pueden provenir también de efluentes de los procesos de minería, desechos
industriales, fertilizantes, escorrentía urbana, combustibles fósiles. Según la E.P.A
(U.S Enviromental Protection Agency) los trece metales traza más contaminantes
son: Ag, As, Be, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, Sb, Se, TI, Zn.
Bibliografía
http://aguas.igme.es/igme/publica/libro34/pdf/lib34/14.pdf
http://www.bdigital.unal.edu.co/4993/5/Capitulos_10-15.pdf