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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:

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

Carrera J. y Galarza G. "Transporte de solutos: Métodos de solución". ( La zona no saturada y la contaminación de las aguas subterráneas. Editores: Candela L. y Varela M.- CIMNE. Barcelona. 1993)

Frick S. et. al. "Modelling groundwater vulnerability of the Cuenca Sur de la Habana Cuba". Chalmers Tekniski Högskola, Goteborg 200 Sweden. 2000.

Hernández A.O. "La explotación de acuíferos a escala regional y la modelación matemática como su base tecnológica". Tesis en opción del grado científico de Doctor en Ciencias Ténicas. ISPJAE. Diciembre. 1991

Hernández A.O. y González J. "Modelo matemático de la cuenca M1-Matanzas". Informe Técnico. Centro de Investigaciones Hidráulicas. ISPJAE. 1992.

Hernández A.O., Martínez J.B., Llanusa H. y Dilla F. "Modelos de Acuíferos". Texto de la Maestría de Ingeniería Hidráulica. CIH. Facultad de Ingeniería Civil. ISPJAE. 2001.

Hiralta R. y Rebouças A. "La protección de los recursos hídricos subterráneos: Una visión integrada, basada en perímetros de protección de pozos y vulnerabilidad de acuíferos". ". Boletín Geológico y Minero. Vol. 110-4. pp( 423-436). Año 1999.

Hofman B. and Kobus H. "Coupling GIS and geohydrological models to assess poit-source groundwater contamination risk – a planning tool for public water supply companies". HydroGIS96: Application of Geographic Information Systems in Hydrology and Water Resources Management. Proceedings of the Vienna Conference, April 1996. IAHS Publ N.235 pp313-324.

Llanusa Ruiz Haydee et al. "Modelo matemático del acuífero costero del sur de la Habana". Informe Técnico. Centro de Investigaciones Hidráulicas. ISPJAE. 1990

Maikaka M. Moussa "Modelación de la interacción entre la presa Ejercito Rebelde y la Cuenca Vento". Trabajo de Diploma. ISPJAE. 1997.

Sahuquillo A. "La calidad y la contaminación de las aguas subterráneas". Boletín Geológico y Minero. Vol. 110-4. pp( 437-450). Año 1999.

Schüfler S. "Análisis del impacto del río San Antonio de los Baños a la zona de abasto Acueducto Cuenca Sur, Provincia de la Habana". Trabajo de Diploma. Geologisch-Paläontologisches Institut. Technische Universität Darmstadt. Alemania. 2001.



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Ultima actualización: 18 Febrero de 2003.©
Pagina actualizada y corregida por A. Pelayo Martínez