iii. estudio hidrogeologico en área piloto ii

III. ESTUDIO HIDROGEOLOGICO EN ÁREA PILOTO II- BUENOS
AIRES
Situación
La forma química predominante del arsénico en el agua es inorgánica,
el cuál puede presentarse como arseniato (As(V)) o arsenito (As(III)). La
toxicidad del arsénico depende de su estado de oxidación, y de hecho el As(III)
es su especie química más tóxica (e.g. Le et al., 2004). La presencia del
arsénico en las aguas naturales viene controlado por los procesos de
adsorción, intercambio catiónico, disolución/precipitación, y las reacciones
redox. Generalmente, el As(III) tiende a ser adsorbido en los suelos en
comparación con el As(V) que es más soluble y más difícil de remover de la
solución. Por esto, es fundamental entender los procesos de transporte,
adsorción y oxidación del arsénico en el suelo y en las aguas subterráneas
para reducir el riesgo a ser expuesto a una contaminación por el mismo.
Objetivos
Los objetivos principales son:
 Comprender la variabilidad en el contenido del ión arsénico en distintas
partes del acuífero.
 Determinar y/o desarrollar herramientas que sirvan para la exploración
del acuífero pampeano en zonas que son de alto riesgo por el contenido
del mismo.
 Predecir el transporte de las componentes químicas, como lo es el As,
desde sus términos fuentes en los diferentes materiales del acuífero y
suelo.
Zona de estudio
Para llevar a cabo la investigación se realizará la instrumentación de una
parcela en un área en proximidades de la ciudad de Tres Arroyos, provincia de
Buenos Aires. La zona se encuentra emplazada en la denominada cuenca
interserrana, ubicada entre los sistemas de Tandilia y Ventania,
En este sector ya se han realizado relevamientos preliminares
reconociendo la problemática de la presencia de arsénico en una zona de
posible abastecimiento a la ciudad mencionada (Weinzettel et al., 2005, Varni
et al., 2006). En dichos trabajos los análisis antecedentes de agua subterránea
indican valores elevados en arsénico y una errática variabilidad del mismo que
caracteriza la presencia de este ión tanto arealmente como en profundidad.
Otra característica de esta zona es que se ha observado en general, que la
concentración de arsénico es opuesta a la del ión nitrato, por lo cual las zonas
con baja concentración de arsénico presentan elevados tenores de nitrato y
viceversa. Una profundización en los procesos que conducen a esto es de
sumo interés para la investigación que se llevará a cabo.
Además de lo mencionado se han tenido en cuenta en la elección de esta
zona, otros importantes aspectos que diferencian a este sector del área elegida
para el Piloto I. En primer lugar como ocurre en numerosas localidades de la
provincia de Buenos Aires, los valores de arsénico no son extremadamente
altos como en otras zonas del país, pero sí se encuentran en algunos casos
muy por encima de 50 microg/l. Por lo cual resulta de sumo interés estudiar
este tipo de zona cuya problemática se repite en numerosas ciudades tanto de
la provincia de Buenos Aires como del resto del país.
Otra componente importante de la zona que se ha elegido es el tipo de
suelo presente, y la alta productividad agrícola de los mismos, esto amerita a
realizar una investigación de la zona no saturada y de los procesos que pueden
afectar la movilidad del ión bajo estudio. En este sentido cobra importancia la
intensa actividad agrícola a la cual son sometidos estos suelos con la
aplicación de diferentes productos químicos para una mayor producción.
También relacionado con esta actividad productiva debe tenerse en
cuenta que esta y otras áreas de la provincia de Buenos Aires se encuentran
con una importante densidad poblacional, tanto urbana como rural, lo que se
traduce en una mayor demanda de agua para abastecimiento.
No se debe dejar de mencionar que cada vez son mayores las áreas
sometidas a riego de tipo complementario con grandes volúmenes de agua
extraídos del acuífero, la influencia de la aplicación de agua con arsénico sobre
el suelo y posterior recarga también deben ser tenidos en cuenta al menos
como un factor que puede afectar a la concentración natural del ión.
Metodología.
Estudio de la movilidad del As en la zona no saturada y en los
acuíferos.
Los procesos de transporte que afectan la movilidad del As (también se
incluyen aquí las otras componentes químicas), tanto en los suelos (i.e. ZNS,
Zona No Saturada), como en los acuíferos (i.e. ZS, Zona Saturada) son en
líneas generales (1) procesos advectivos, principalmente controlados por la
intensidad y dirección del flujo de agua en el subsuelo (que tiene una fuerte
componente vertical en la ZNS y horizontal en la ZS), (2) procesos difusivodispersivos que responden al propio movimiento browniano de las partículas y
la dispersión inducida por el propio medio poroso.
El estudio de la movilidad del arsénico se hará bajo la siguiente
metodología:
1.- Relevamientos de campo e instrumentación de una parcela con la
perforación de pozos de extracción de muestras para ensayos a campo.
Instrumentación del suelo, ZNS y ZS.
2.- Ensayos de laboratorio para estudiar el comportamiento del As en
interacción con distintos tipos de sedimentos muestreados.
Debido a la importancia de estudiar la litología del acuífero, Foster (2003)
indica que la designación de un acuífero como netamente fuente o sumidero
respecto al arsénico depende sobre todo de la masa de arsénico transferida
desde la fase sólida a la fase disuelta (y viceversa) por medio de las reacciones
heterogéneas. Las más importantes reacciones heterogéneas que incluyen
arsénico dentro de su estequiometría son las reacciones de adsorción y de
disolución/precipitación (resultando en la liberación/retención del arsénico por
la fase sólida), y las reacciones de oxidación/reducción (resultantes en la
retención o liberación, dependiendo de la química de los reactivos y de los
productos, Welch et al., 1988; Welch et al., 2000).
Se procederá a la realización de pozos de muestreo de sedimentos y agua. Los
pozos se harán en una misma parcela, a profundidades crecientes, y en ellos
se muestrearán los sedimentos mediante extracción de testigos y cutting. La
extracción del agua de poro de los testigos se realizará por centrifugación.
Los pozos serán entubados en un diámetro que permita su bombeo para
muestreo del agua. Las muestras se extraerán de cada pozo con una
determinada frecuencia a lo largo del año para evaluar la variación temporal del
contenido de arsénico y poder relacionarlo con otras variables climáticas
especialmente precipitación, y la recarga al acuífero. Para esto se tendrá en
cuenta los mecanismos de infiltración del agua en el suelo y el tipo de manejo
de los mismos para la producción agropecuaria
La composición del agua de infiltración se obtendrá a partir de la
instalación de cápsulas de succión. La hidrodinámica de la zona no saturada se
realizará a partir de la instrumentación con tensiómetros y sondas de humedad
de registro continuo. Para la caracterización subsuperficial y subterránea se
realizarán tomografías eléctricas con dos tipos de espaciamiento. Un
espaciamiento pequeño para observar las variaciones de los horizontes del
suelo y de los posibles horizontes petrocálcicos, y un espaciamiento largo para
indagar acerca de las posibles heterogeneidades del acuífero (Weinzettel et al.,
2009). Estudiar los procesos hidrogeoquímicos en este medio es de gran
importancia ya que ellos definirán la calidad del agua del acuífero freático,
pudiendo actuar en la movilización de arsénico.
Con los sedimentos extraídos se realizarán distintas determinaciones y
ensayos en laboratorio. La mineralogía de los distintos niveles será estudiada
mediante microscopía y difracción de rayos x (DRX). También se prevé realizar
extracciones químicas secuenciales que permitirán cuantificar la distribución
del As en la fase sólida, además de permitir determinar la presencia de los
óxidos de hierro que juegan un importante papel en los procesos de
adsorción/desorción (e.g. ver técnicas similares utilizadas en residuos mineros
como la descripta en Dold, 2003).
Con el material sedimentario de ciertos niveles se realizarán ensayos
batch para estudiar la adsorción y desorción del ión de interés así como
también ensayos de columna, en los que se tiene en cuenta el flujo a través de
los sedimentos. Las determinaciones se realizarán en el laboratorio del IHLLA
mediante espectrofotómetro de adsorción atómica con horno de grafito.Se
procederá a la obtención de los parámetros de las isotermas de adsorción, para
luego aplicar modelos hidrogeoquímicos. La modelación, por ejemplo, dentro
de las columnas, se llevará a cabo por medio de la modelación del transporte
reactivo.
Uno de los objetivos más importantes será el de comprender la
variabilidad en el contenido del ión arsénico en distintas partes del acuífero
pampeano y en lo posible, determinar herramientas útiles a la exploración del
mismo en zonas riesgosas debido a la presencia de este ion. Estas
herramientas buscarán ubicar captaciones de las porciones acuíferas con
menos posibilidades de encontrar este ión, aún en detrimento de la calidad del
agua por presencia de otros iones menos nocivos. Se sabe que esto último es
sumamente complejo y difícil de obtener pero es un objetivo primordial del
proyecto, para lo que se deberá desarrollar toda la investigación propuestade
modo de lograr un mejor entendimiento de los procesos que afectan la
concentración deliónen cuestión. Para ello será fundamental contar con un
modelo conceptual del comportamiento del arsénico (y en lo posible validado
por un modelo numérico como se propone en el presente proyecto) en por lo
menos una región del acuífero pampeano en la provincia de Buenos Aires y
que sirva de plataforma para posibles extrapolaciones a otros escenarios
hidrogeológicos de Argentina.
En este sentido, la modelación del transporte reactivo se convierte en una
herramienta que permite interpretar y modelar numéricamente los procesos de
transporte del As.Uno de los modelos de transporte reactivo propuesto en el
presente proyecto (MIN3P), puede encontrarse en Mayer et al., (2002) y en
Henderson et al. (2009). Como fue expuesto anteriormente, para añadir más
complejidad a la movilidad del As en el subsuelo, éste es afectado por los
procesos geoquímicos tales como la adsorción en la superficie de algunos
minerales, la complejación acuosa o la co-precipitación con otras especies
minerales que dificultan aún más su caracterización y predicción.
Afortunadamente, los modelos de transporte reactivo como el MIN3P tienen en
cuenta el acoplamiento que tiene lugar entre los procesos de flujo, transporte y
geoquímicos.
Plan detallado de tareas
Caracterización hidrogeológica del área piloto
En la zona se realizarán estudios hidrogeológicos de detalle para
conocer el funcionamiento del acuífero.Se aplicarán técnicas geofísicas
especialmente sondeos eléctricos verticales y tomografías eléctricas. Los
primeros permitirán obtener la disposición de los materiales del subsuelo y
también relacionar las resistividades que se obtengan con la concentración de
sales en el agua. Las tomografías eléctricas se realizarán en dos y tres
dimensiones y permitirán caracterizar con mayor grado de detalle el subsuelo y
las posibles variaciones tanto de la costra calcárea que se presenta en la zona,
como de los demás sedimentos que componen el acuífero. Se utilizarán
básicamente dos configuraciones electródicas, ya que las mismas han
demostrado ser las más apropiadas para el tipo de sedimentos a estudiar
(Weinzettel et al., 2009).
Por otra parte se relevarán las perforaciones existentes con el respectivo
muestreo del agua. También se utilizarán metodologías que ayuden a la
determinación de la recarga, parámetros hidráulicos, composición química
entre otros. Con dichas determinaciones se propondrá un modelo conceptual
del área en cuestión.
Instrumentación y ensayos de campo
En el área seleccionada se realizarán las siguientes tareas:
Perforaciones de pozos de muestreo a distintas profundidades.
Se realizarán cinco pozos a distintas profundidades con una profundidad
máxima de 100 m. El objetivo de dichos pozos será evaluar la calidad química
del agua en cada nivel. Los pozos serán entubados con camisa plástica de 115
mm de diámetro con cinco metros de filtros. Serán engravados y cementados.
En todos los pozos se realizará el muestreo litológico cada metro de avance y
con mayor detalle en la zona filtrante. El pozo de mayor profundidad será
perfilado según se explica más adelante. En cada uno se bajará una bomba
para la limpieza del mismo y efectuar un ensayo de bombeo.
Las perforaciones serán muestreadas periódicamente para conocer las
posibles variaciones temporales en el contenido de arsénico y otros iones.
Perforación para la obtención de testigos del terreno atravesado.
Durante la perforación del pozo de 100 m de profundidad se extraerán
testigos inalterados del terreno para el análisis mineralógico del sedimento y
químico del agua de poro.
Instrumentación de la zona no saturada.
Para estudiar la infiltración y la evolución geoquímica del agua de lluvia
en el suelo y la zona no saturada se procederá a la instrumentación de un
sector aledaño a los pozos perforados. Se instalarán tensiómetros a distintas
profundidades y sondas de humedad con registro continuo de datos para
conocer in situla hidrodinámica de la zona no saturada. Mediante la instalación
de cápsulas de succión a distintas profundidades se tomarán muestras de agua
de poro yel análisis de dichas muestras aportará información acerca de los
cambios químicos y de la calidad del agua a medida que se produce la
infiltración y posterior recarga al acuífero. El muestreo se realizará
periódicamente de forma de contemplar distintos momentos de la
hidrodinámica del medio no saturado. Para completar dicha instrumentación se
perforará un pozo somero que capte dos metros del nivel acuífero freático, el
muestreo del agua del mismo podrá ser relacionado con los análisis de las
cápsulas de succión para observar como se ve afectada la composición
química del agua del nivel saturado a partir de los procesos hidrogeoquímicos
de la zona no saturada.
Perfilajes de resistividad y NGS en pozos
Los pozos descriptos anteriormente y otros existentes en el área serán
perfilados. El objetivo de esta tarea será conocer la respuesta en cuanto a
resistividad, gamma natural y potencial espontáneo de los niveles del acuífero
portadores de agua de distinta concentración de arsénico según los datos de
muestreos de agua previos. De todos los registros mencionados resultan de
mayor interés los registros de gamma natural y potencial espontáneo, ya que
ellos están directamente relacionados con la presencia de arcilla y contenido
salino del agua.
Para obtener una mayor definición de las características de las arcillas
presentes en el perfil se efectuarán mediciones con sonda de perfilaje que
discrimina las litologías arcillosas con contenido de Torio, Uranio y Potasio
(Natural Gamma Spectroscopy, NGS). La finalidad de este tipo de perfilaje es
obtener una detallada definición de las zonas arcillosas del perfil o de posibles
zonas con niveles de cenizas volcánicas. Se buscará una relación entre el tipo
de arcilla presente y la calidad del agua en distintos niveles acuíferos de un
mismo pozo. Esta herramienta se basa en que ciertos minerales tienen
concentraciones características de torio, uranio y potasio por lo que el perfilaje
NGS puede ser usado para definir minerales o tipos de minerales. Según
Schlumberger (1989) la mayor ocurrencia de estas tres familias radioactivas
son:
Potasio: micas, feldespatos, arcillas micáceas (illita), evaporitas radioactivas
Torio: lutitas y minerales pesados
Uranio: fosfatos y materia orgánica
El significado del tipo de radiación depende de la formación estudiada.
En carbonatos, el uranio usualmente indica materia orgánica y fosfatos. Los
niveles de torio y de potasio son representativos del contenido de arcilla. En
areniscas, el nivel de torio es determinado por los minerales pesados y el
contenido de arcilla, y el potasio es usualmente contenido en micas y
feldespatos. En arcilitas el contenido de potasio indica el tipo de arcilla y mica,
y el nivel de thorio depende de la cantidad de material detrítico.
Conocer o tener indicios del tipo de arcilla presente en el perfil es
importante ya que numerosos estudios hacen referencia a la adsorción de
arseniato y arsenito sobre minerales arcillosos tales como montmorillonita,
caolinita e illita (Chakraborty et al., 2007). Frost and Griffin (1977) observaron
que la adsorción de arseniato sobre caolinita y montmorillonita varía de
acuerdo al pH. Estos investigadores encontraron también que la
montmorillonita adsorbe tanto As(V) como As(III) más fuertemente que la
caolinita y que el As(III) es adsorbido mucho menos que el As(V) por ambos
minerales. También se cita como importante el efecto que producen las micas
sobre la adsorción de arsénico. Por otra parte Chakraborty et al. (2007)
concluyen que la adsorción de arseniato y arsenito sobre las micas muscovita y
biotita es fuertemente dependiente del pH.
Los minerales radiactivos encontrados en una formación son en alguna
medida dependientes del modo de sedimentación. También son factores
importantes el grado de retrabajo y alteración. Por ejemplo el torio tiene muy
baja solubilidad y limitada movilidad por lo que tiende a acumularse en
minerales pesados. Por otro lado el uranio tiene gran movilidad y solubilidad
por lo que puede encontrarse en fracturas y zonas en donde se produce flujo
de agua.
Otra particularidad interesante es que la proporción relativa de las tres
familias radioactivas son una guía del tipo de roca ígnea, siendo muy
significativas las relaciones Th/K y Th/U.Esto puede ser importante para la
detección de niveles de cenizas volcánicas en el sedimento estudiado no
descartándose la posibilidad de su ayuda para tipificar mineralógicamente a
dichos niveles.
Por último una gran ventaja de esta herramienta es que permite el
perfilaje indistintamente de pozos desnudos o entubados, lo cual es muy
importante ya que se pueden realizar perfilajes en pozos de abastecimiento
que generalmente cuentan con una descripción del perfil litológico, y en los
cuales también se conoce las zonas donde se ubican los filtros o sea, las
entradas de agua al pozo.
Flujo de agua en el pozo
Las zonas acuíferas con mayor capacidad de transmisión de agua serán
determinadas mediante la combinación del perfilaje eléctrico, el perfil de
potencial espontáneo y la bajada en el pozo de un medidor de flujo
(impellerflow meter).
Al ser el acuífero pampeano de tipo multicapa, con distintos niveles
productivos, es importante determinar fehacientemente las zonas del pozo que
suministrarán mayor cantidad de agua y que, por lo tanto,contribuirán en mayor
medida a la calidad del agua extraída. Los perfilajes de flujo son utilizados
especialmente en este tipo de casos donde es necesario cuantificar las
características hidráulicas de cada nivel (Kobr et al., 2005). Entonces, mediante
esta herramienta, será posible determinar las zonas más permeables de las
que se obtendrán las muestras de agua haciendo uso de la bomba de bajo
caudal de extracción.
Para observar la calidad del agua se utilizará una sonda con medición de
conductividad eléctrica, y temperatura. En los sectores del pozo que resulten
con mayor interés para determinar otros iones se procederá a la extracción de
una muestra de agua. Esto permitirá una mejor definición química del agua
mediante análisis químico de la misma.
La herramienta propuesta puede ser utilizada tanto en pozos desnudos
como en pozos entubados, en estos últimos tiene aplicación en la zona de
filtros, pudiendo detectar también flujos a través de roturas en la camisa del
pozo.
Muestreo de agua
Para la extracción de muestras de agua se procederá a utilizar una
bomba especial de muestreo. Como se mencionó en el punto anterior las
muestras se extraerán de distintos niveles del pozo para la realización de
análisis químicos completos que permitan relacionar la litología con los distintos
iones analizados. Este tipo de muestreo no será de tipo puntual solamente en
los pozos del sector experimental, sino que abarcará un área mayor donde se
tendrá en cuenta la dirección de flujo, profundidades de los pozos, litología (si
está disponible) y posición topográfica, entre otros. Cabe destacar que algunas
de las herramientas de perfilaje mencionadas pueden ser utilizadas en pozos
entubados ya existentes, con lo cual obteniendo una serie de perfilajes del área
y los respectivos análisis químicos se avanzará en la definición de un modelo
conceptual respecto a la calidad del agua, capacidad del acuífero para
transmitir el agua y composición de algunas litologías presentes en el perfil de
los pozos.
Los análisis químicos se dividirán en análisis básicos de iones
mayoritarios, arsénico, nitrato, flúor, vanadio y selenio, y los más completos
incluyendo varios iones trazas.
Se contará también con una sonda multiparamétrica, con capacidad de
almacenamiento de datos. La sonda permitirá conocer el pH, conductividad
eléctrica, turbidez, concentración de óxigeno disuelto, cloruros y nitratos en
pozos seleccionados.
Ensayos de laboratorio
Cualquier herramienta de gestión que se lleve a cabo en nuestro país en
lo que respecta al arsénico debe ir de la mano de actividades de investigación
que identifiquen los potenciales sistemas naturales afectados, conjuntamente
con aquellos procesos que controlan su movilidad y retención.
Focalizado en la problemática del arsénico los ensayos de laboratorio
más habituales, y que se proponen llevar a cabo en el presente proyecto son
los del tipo batch (i.e. sin flujo de agua), o de columna, (i.e. intentando
reproducir las condiciones dinámicas de flujo de agua como lo serían en un
acuífero o en la zona no saturada del suelo).
Ensayos batch (adsorción / desorción) para el arsénico
Dentro del presente proyecto se prevé la ejecución de ensayos del tipo batch
con el objetivo de:
1. Estudiar la absorción/desorción (isotermas de absorción) del arsénico
con diferentes tipos y contenidos mineralógicos y bajo diferentes
condiciones geoquímicas (i.e., pH, pE). Es sabido que los procesos de
absorción controlan principalmente la migración del arsénico
conjuntamente con las condiciones redox y el tipo de minerales
presentes.
2. Evaluar diferentes materiales (i.e. naturales y sintéticos) para una
potencial aplicación como metodología extractiva del arsénico en aguas
que presentan importantes contenidos del mismo.
En este tipo de ensayos batch se determinan los coeficientes de partición
entre lo que se encuentra absorbido y lo que está en disolución, y la
especiación del arsénico. En este sentido, se prevé realizar varios de estos
tipos de ensayos con materiales principalmente retentivos para el arsénico en
las diferentes áreas pilotos propuestas para el presente proyecto. Cabe
destacar que una estimación económica sobre los costes de este tipo de
ensayos recae sobre las técnicas analíticas necesarias:
1- Difracción de Rayos X (DRX) para caracterizar la mineralogía presente y
su abundancia en las diferentes muestras sólidas.
2- Mediciones BET para determinar la superficie específica de adsorción
para cada una de las fracciones minerales que potencialmente podrían
retener el arsénico.
3- Técnica analítica para la determinación de los contenidos en disolución
de los diferentes iones mayoritarios y elementos trazas (algunas son
descritas aquí y en Litter et al., 2009).
4- Aplicación de técnicas destructivas para la determinación de la
distribución del arsénico en los diferentes materiales del suelo análogos
a aquellos aplicados en el ámbito de los residuos mineros (i.e.
extracciones secuenciales, Dold, 2003).
Ensayos en columna sobre la adsorción / desorción del arsénico en
los materiales del suelo y acuífero
Los ensayos en columna se realizan con el objetivo de aproximar las
condiciones experimentales con aquellas que habría bajo condiciones naturales
en el acuífero y en la zona no saturada del suelo. En este sentido, la
distribución del arsénico no sólo es afectada por su retención en los materiales
del subsuelo sino por los procesos de transporte inducidos principalmente por
el flujo de agua (i.e. transporte advectivo-dispersivo).
Cabe destacar que este tipo de experimentos en columna podrían ser
utilizados para estudiar la efectividad de una potencial barrera reactiva que
favorezca la retención del arsénico in situ con una potencial aplicación en
algunos de los acuíferos dentro de las áreas piloto que se describen en el
presente proyecto.
Con respecto a la analítica necesaria para este tipo de experimentos en
columna, toda aquella descrita para los del tipo batch son válidos en este caso,
sólo que el número de muestras incrementa en este caso ya que el objetivo es
estudiar la evolución temporal del sistema. Otro aspecto atractivo de los
ensayos en columna radica en que es posible cambiar las condiciones
geoquímicas en el experimento al cambiar la composición o estado redox del
agua provista en la entrada de la columna, y estudiar su impacto en la
movilidad del arsénico.