II SEMINARIO-TALLER. PROTECCIÓN DE
ACUÍFEROS FRENTE A LA CONTAMINACIÓN: CARACTERIZACIÓN Y
EVALUACIÓN.
Ciudad de La Habana, Cuba. Abril 2002
APLICACION
DE LOS MODELOS DE ACUÍFEROS EN LOS ESTUDIOS DE VULNERABILIDAD.
Por: Armando O. Hernández Valdes, Doctor.
(Cuba)
RESUMEN
El trabajo muestra la importancia que
tiene la modelación matemática de los acuíferos a la hora
de determinar su vulnerabilidad, para ello se exponen algunas
experiencias cubanas, indicando las limitaciones propias de
la tecnología de acuerdo a las hipótesis realizadas en el
modelo conceptual del sistema y del software
utilizado.
Se recomienda el empleo de esta
técnica en todos los estudios de vulnerabilidad, ya que
permite integrar todas las acciones sobre el sistema,
simulando posibles situaciones que puedan ocurrir y no
solamente limitados por las bases de datos disponibles.
SUMMARY
The work shows the importance that
has the mathematical modeling of the aquifers when
determining its vulnerability, for they are exposed it some
Cuban experiences, indicating the limitations characteristic
of the technology according to the hypotheses carried out in
the conceptual pattern of the system and of the applied
software.
The employment of this technique is
recommended in all the vulnerability studies, since it allows
to integrate all the actions on the system, simulating
possible situations that can happen and not solely limited
for the available databases.
APLICACION DE LOS
MODELOS A LOS ESTUDIOS DE VULNERABILIDAD
En el concepto de vulnerabilidad según (Sauquillo
A. 1999), se incluye la accesibilidad hidráulica de la
zona saturada a la penetración de los contaminantes y a la
capacidad de atenuación de las distintas capas de terreno
por encima de la zona saturada como resultado de la capacidad
de retención o reacción de los contaminantes. En este
concepto están presentes los factores geométricos,
propiedades hidrofísicas de la cobertura y el tipo de
contaminantes en cuanto a persistencia, movilidad y
toxicidad.
En la creación de los mapas de vulnerabilidad (por
la escala de trabajo), es muy difícil contemplar estos
elementos y en los perímetros de protección sanitaria de
pozos y campo de pozos por métodos analíticos tampoco se
logra.
Una herramienta que permite integrar las acciones
sobre el sistema acuífero con sus propiedades
hidrogeológicas, geométricas y de estado es la modelación
numérica del mismo (Hernández A.O. et al 2001).
Un modelo matemático de un acuífero es una
ecuación o serie de ecuaciones que simulan y pronostican
respuestas físico-químicas de dicho sistema, sometido a
perturbaciones tales como recarga o extracción mediante
pozos o la inyección de un agente contaminante. En la
actualidad, en hidrogeología los modelos matemáticos son
ampliamente utilizados, siendo una herramienta muy útil para
lograr establecer el pronóstico del comportamiento del
sistema acuífero tanto en el establecimiento de estrategias
de explotación como para evaluar su comportamiento por la
influencia de obras de ingeniería con las cuales tengan
interacción.
La aplicación de la tecnología de la modelación
matemática de acuíferos contribuye a mejorar el
conocimiento de las disponibilidades de estos recursos y a
desarrollar políticas racionales de administración que
garanticen su desarrollo sustentable.
Los acuíferos constituyen uno de los sistemas más
complejos sobre los que el hombre tiene que actuar
sistemáticamente con el objetivo de obtener el principal
recurso natural para la vida, que es el agua. La complejidad
de este sistema ha obligado a desarrollar técnicas que
permitan su operación global, constituyendo la modelación
en la actualidad, la técnica capaz de lograrlo de una forma
eficiente.
Si se analizan las características que definen al
acuífero como el ente físico que es objeto de estudio y el
cual se quiere representar mediante un modelo, se le pueden
señalar las siguientes particularidades:
- Es una formación geológica con
una geometría bien definida pero en su mayor
parte desconocida.
- En esta formación se almacena y
circula el agua, por lo que en ella se desarrolla
parte del ciclo hidrológico de la región a la
que pertenece.
- Las propiedades hidráulicas de
este medio lo caracterizan como no homogéneo y
por lo general anisótropo.
- El agua se mueve en el acuífero
siguiendo leyes físicas bien conocidas, las
cuales definen su comportamiento hidrodinámico.
- Las entradas y salidas de agua del
acuífero van a depender de las características
de sus fronteras, del estado del acuífero, de
factores climáticos, de sus propiedades
hidrogeológicas y de las acciones que el hombre
realiza sobre él.
- Las condiciones de estado que
definen en un momento dado la calidad del agua
subterránea y sus niveles, van a depender de los
factores anteriores.
Si las características antes señaladas se definen
mediante bloques y se utilizan líneas para mostrar sus
interrelaciones, el acuífero se pudiera representar
esquemáticamente según la siguiente figura.
Figura
1 Esquema
representando al acuífero como un sistema
La construcción del modelo del acuífero permite integrar
todas las bases de datos y conocer su funcionamiento
hidrodinámico, lo que a su vez ayudará a construir los
mapas de vulnerabilidad del sistema. Estos modelos se pueden
hacer tan locales como se deseen y de esta forma ser
aplicados a la determinación de perímetros de protección
sanitaria de pozos y campos de pozos considerando las
variaciones espaciales de las propiedades y las acciones a la
escala de trabajo seleccionada, un ejemplo de esto se
realizó con los modelos Ruspoli y Ciro, en la provincia
Ciego de Ávila, (Hernández A. 1991).
Figura
2 Modelo
" RUSPOLI "
dentro de la discretización del modelo "
CiRCO "
Uno de los factores que se considera en la creación
de los mapas de vulnerabilidad es la profundidad a que se
encuentra el nivel de las aguas subterráneas, (Hirata R.
y Rebouças A., 1999), pero el comportamiento temporal de
este parámetro no se conoce con certeza y requiere ser
simulado bajo diferentes escenarios de acciones sobre el
sistema, ya sean naturales o artificiales. En ese caso el
uso del modelo para la simulación de estas acciones
permitiría conocer las respuestas del sistema y ser
consideradas en dichos mapas.
Las propiedades hidráulicas del acuífero se
pudieran conocer puntualmente y modelos estadísticos
pudieran ayudar a su regionalización, pero el comportamiento
hidrodinámico del sistema solo se lograría con la calibración
del modelo del acuífero.
Las relaciones río-acuífero como zonas de riesgo a
la contaminación, también pueden ser determinadas de forma
cuantitativa en las etapas de calibración y pronóstico,
incluyendo la vinculación a nivel de cuenca hidrográfica
con los modelos hidrológicos determinísticos. Ejemplo de
este caso es el modelo de la cuenca M1-Matanzas, (Hernández
A. O. y González J., 1992).
Figura
3
Discretización del acuífero M1 Matanzas
El caso de la interacción de un embalse sobre un
acuífero subyacente, como es el caso de la presa de recarga
Ejercito Rebelde y la Cuenca Vento, (Moussa M. 1997) o
la Laguna Ariguanabo con el acuífero de igual nombre (Dilla
F. et al 1998), también puede ser evaluado por esta
herramienta y conocer la posible vulnerabilidad del sistema
ante una contaminación superficial de dicho embalse.
Figura
4
Ubicación del acuífero ARIGUANABO.
En el trabajo de (Frick S. et. al. 2000)
se muestra un ejemplo donde se incluye el uso de la
modelación dentro del proceso de creación de los mapas de
vulnerabilidad. Al realizar este trabajo se utilizaron los
resultados del modelo de la Cuenca Sur de la Habana, (Llanusa
H. et al. 1990).
En el caso de acuíferos cársicos no siempre el
modelo de flujo regional puede ser utilizado con
confiabilidad para evaluar problemas locales, tal es el caso
del estudio realizado en esta propia cuenca para evaluar el
impacto del río San Antonio de los Baños al perderse en una
caverna del pueblo de igual nombre en la misma zona
anteriormente estudiada, (Schüfler S., 2001).
Figura
5
Ubicación del modelo del Acuífero Costero Sur de La Habana
En todos los ejemplos anteriormente mencionados se
aplicaron modelos de flujo. En el caso de ser necesario
evaluar otros elementos que intervienen en la vulnerabilidad
relacionados con la geoquímica, para ser regionalizados
requieren la ayuda de los modelos de transporte de
contaminantes.
En la modelación de la calidad del agua
subterránea es necesario establecer un conjunto de
hipótesis en la definición del modelo conceptual que
incluyen: características del acuífero, regímenes de
flujo, así como los procesos físicos, químicos y
biológicos que pueden sufrir los elementos contaminantes
dentro del agua subterránea y que pueden provocar cambios en
las propiedades de esta.
La modelación del transporte de contaminante en los
medios porosos y fisurados puede tener varios objetivos,
siendo los principales los siguientes:
- Predecir el tiempo y nivel de
concentración con el que puede llegar un
determinado contaminante a un pozo de abasto,
pozo de observación o cuerpo de agua
superficial.
- Evaluar impactos ambientales
por la inyección de aguas residuales u otras
sustancias contaminantes.
- Diseñar sistema de pozos de
monitoreo.
- Estudiar costos y eficiencias
de sistemas de remediación en zonas
contaminadas.
Tradicionalmente, el estudio de la contaminación de
las aguas subterráneas se ha limitado a la zona saturada del
terreno. Sin embargo, la zona no saturada (ZNS) constituye
una barrera natural contra la degradación de la calidad de
las aguas subterráneas gracias a su potencial de atenuación
del avance e intensidad del proceso contaminante, (Candela
L.,1999).
Esta zona ha tenido una especial atención desde el
punto de vista agrícola, no habiendo sido estudiada lo
suficiente desde el punto de vista hidrogeológico, donde
tiene gran influencia su efecto sobre el movimiento de los
contaminantes desde la superficie del suelo hasta la zona
saturada. A través de esta zona, los compuestos líquidos o
en fase vapor se atenúan y transforman a medida que circulan
por su interior, y su circulación va a estar muy
condicionada por sus propiedades y comportamiento
hidráulico. Dentro de esta zona le corresponde un papel
principal a la zona intermedia, donde tienen lugar los
procesos más activos de modificación de la calidad del agua
que se infiltra y que se encuentra entre las subcapas de
suelo y capilar, la extensión de esta es muy variable
teniendo el flujo una componente fundamental vertical,
ascendente o descendente según las condiciones de humedad
imperantes en el suelo.
El medio no saturado se caracteriza por la presencia
de tres fases: aire, agua y sólido. El aire se encuentra en
los espacios porosos no ocupados por el agua que envuelve las
partículas sólidas del medio poroso. La cantidad de agua
retenida es variable y puede llegar desde la adhesiva ligada
a las partículas por las fuerzas de atracción molecular,
hasta un grado próximo a la saturación donde el agua puede
moverse por efecto gravitacional. El estado correspondiente
al contenido máximo de humedad una vez drenado el medio
poroso, se le denomina capacidad de campo.
La composición química del agua en la ZNS es muy
variable, siendo una disolución de especies químicas que
dependen de la naturaleza del agua de recarga y de las
propiedades físico-químicas de la matriz sólida que la
contiene.
El flujo en la ZNS está regido según muchos
autores por dos elementos principales: el primero obedece a
la ley de Darcy y el segundo al flujo a través de los
macroporos debido a la gravedad. El flujo en los macroporos
incide fundamentalmente en la infiltración y en la
aceleración del movimiento de las sustancias contaminantes
en esta zona.
El comportamiento de la mayoría de las sustancias
orgánicas poco solubles en el agua al ser vertidas sobre la
superficie del terreno, es en forma de fase líquida no
acuosa (FLNA), las cuales se moverán verticalmente hacia
abajo a través de la ZNS por efecto de la gravedad, también
se producirá un movimiento horizontal dispersivo producto de
la capilaridad y un penacho ascendente producto de los
elementos volátiles. Dependiendo de la intensidad y
duración del vertimiento es posible alcanzar la zona
saturada, siguiendo diferentes comportamiento en función de
la relación entre las densidades del agua del acuífero y la
de las sustancias orgánicas.
El tratamiento del movimiento de los contaminantes
en la ZNS desde el punto de vista de su modelación
matemática ha sido objeto de estudio de muchos
investigadores, empleándose modelos analíticos en los casos
más simples y técnicas estocásticas y numéricas en los de
mayor complejidad. Por lo general, según señalan (Carrera
J. y Galarza G., 1993) , han predominado los
modelos numéricos considerando el flujo unidimensional y
empleando los mismos factores que determinan el
comportamiento de los contaminantes en la zona saturada,
estos son: transporte por advección, difusión molecular y
dispersión.
El transporte de masa por el medio no saturado
requiere la resolución simultánea de la ecuación del flujo
no saturado y la de transporte de solutos. Existen varios
programas para resolver el caso unidimensional, no así del
multidimensional, donde la complejidad de los sistemas es
mucho mayor y se requiere de hipótesis como las de
considerar condiciones de equilibrio y la utilización de
parámetros de difícil determinación práctica, lo que
obliga a utilizar relaciones empíricas que limitan la
confiabilidad de los resultados. La mayoría de estos
programas contemplan reacciones de adsorción e intercambio
suponiendo equilibrio y trabajan con curvas isotermas de tipo
lineal.
Los pasos a seguir en los modelos en la ZNS son los
mismos que los de la zona saturada, desde la definición del
modelo conceptual hasta la etapa de verificación y
pronóstico.
Para simular el transporte de un contaminante en un
medio poroso saturado es necesario resolver las ecuaciones
diferenciales que intervienen en el fenómeno, en primer
término se resuelve la ecuación de flujo, la cual permite
obtener las cargas en todo el sistema acuífero y de la cual
se obtienen las velocidades que serán utilizadas en la
ecuación de transporte para predecir la distribución y
comportamiento de las concentraciones con el tiempo en dicho
sistema. Es bueno aclarar que las ecuaciones diferenciales
comúnmente empleadas no permiten simular la dispersión
causada por la canalización de la contaminación siguiendo
las trayectorias de las altas conductividades hidráulicas o
flujo preferencial frecuentes en los medios cársicos y
fisurados.
El conocimiento exacto de todos los parámetros que
intervienen en la solución de las ecuaciones diferenciales
que intervienen en el fenómeno estudiado, es prácticamente
imposible, pero como señalan (Hofman B. and Kobus H. 1996),
son necesarias tenerlas en cuenta para realizar una
estimación realista del comportamiento de la pluma de
contaminación y por tanto la determinación de la
vulnerabilidad del sistema.
CONCLUSIONES
Se puede concluir que en los estudios de
vulnerabilidad de los acuíferos la utilización de la
modelación matemática es una tecnología de gran apoyo y
que es recomendable su uso. Los resultados obtenidos se
corresponderán con la calidad y amplitud de las bases de
datos empleadas, con las hipótesis realizadas en el modelo
conceptual del sistema y con el software usado.
Se recomienda el empleo de esta técnica en todos
los estudios de vulnerabilidad, ya que permite integrar todas
las acciones sobre el sistema, simulando situaciones posibles
que puedan ocurrir y no solamente limitándose a las bases de
datos disponibles.
REFERENCIAS
Dilla F., Batista J.C. y Valdés L.
"Modelación matemática del acuífero Ariguanabo. Etapa
Final". Informe Técnico. INRH. 1998
Candela L. "El transporte de
contaminantes en la zona no saturada". Profesora del
Dep. de Ingeniería del Terreno-UPC. Barcelona (España),
invitada como Conferencista al Cuarto Curso Internacional de
Aguas Subterráneas y Medio Ambiente. ISPJAE. Ciudad de la
Habana. Junio 1999
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solutos: Métodos de solución". ( La zona no saturada y
la contaminación de las aguas subterráneas. Editores:
Candela L. y Varela M.- CIMNE. Barcelona. 1993)
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de la Maestría de Ingeniería Hidráulica. CIH. Facultad de
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Sahuquillo A. "La calidad y la
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Schüfler S. "Análisis del impacto del
río San Antonio de los Baños a la zona de abasto Acueducto
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Universität Darmstadt. Alemania. 2001.
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