ALGUNAS APLICACIONES EN CHILE DE LOS ISOTOPOS RADIACTIVOS EN ESTUDIOS HIDROLOGICOS H. Behrens, J. Mairlw/er y colaboradores CONTENIDO 55 INTRODUCCION APLICACION DE LOS RADIOISOTOPOS AL ESTUDIO DE DIRECCION Y VELOCIDAD DE AGUAS SUBTERRANEAS PARTE • 54 55 EXPERIMENTAL Aparato 55 Resultados 56 Experiencias en Laguna Medida del caudal en pequefios Medidas de direcci6n de CONCLUSIONES _ de Invernada flujo . rios . 57 59 60 61 AGRADECIMIENTOS 61 BIBLIOGRAFIA 61 • ALGUNAS APLICACIONES EN CHILE DE LOS ISOTOPOS RADIACTIVOS EN ESTUDIOS HIDROLOGICOS· Dr. Sres. J. Mairbofer. Agencia Intemacional de Energia At6mica. Ing. A. Benitez, Ing. A. Arriagada y E. Schmidt, de Ia Sec­ cion Hidrologia de la ENDESA, que dirige el senor Ing. E.Basso. Sres. Sres. Sr. Dr. Ing. O. Castillo, A. Infante y R. Campillo, de la Secci6n Aguas Subtemineas de Ia CORFO. que dirige el senor lng. J. Donoso. Ing. E. Falc6n y M. Valenzuela, del Instituto de Investiga­ ciones Geol6gicas. W. Recke, de la Universidad de Concepci6n. H. Behrens, Dr. C. Andrade, senoritas T. Palma y A. L6pez Ing. F. Alamos, Y el senor C. Silva, del Centro Nacional de Radioisotopos, Laboratorio de Radioqulmica, Universidad de Chile. INnODUCCI6N. Desde hace algun tiempo trazadores se ha venido utilizando los el estudio de is6topos Estas substancias radiactivos en prin­ hidrologla. de Cloruro Sodio, etc.) (Fluorescelna, cipio, pero presentan algunas ventajas importantes sobre estos ultimos: a) Mayor sensibilidad de detecci6n por 10 que se pueden usar en cantidades relativamente pequefias, b) Se pueden medir "in situ". como ser en el interior de un pozo. ellecbo como en no son. diferentes de los trazadores clasicos de un rio. etc. e) Desaparici6n de Ia contaminaci6n despues de un tlempo, con 10 eual se puede repetir Ia experiencia sin interferencias de inyeeciones anteriores. EI numero de is6topos radiaetivos es muy grande. pero no todos se pueden ·Parte del desarrollado tes I. 2. Programa en el del periodo Proyecto de Aplicaciones diciembre de 1964 y marzo de las Tknlca. Isot6plcas trabajOi de 1965, c:onsult6 en en Hidrologfa, .iguien­ 101 aspectos: Detenninaci6n de la velocidad de escurrimiento de aguas IUbtemlneas valle de Santiago. Copiap6 y en el Btisqueda de las zonas de infiltraci6n en tenninaci6n de la velocidad de filtraci6n baja de Ia ubicados en en el valle de Laguna de Invemada, por medio de la de­ piewmetros ubicados alrededor de la parte laguna y por determinaci6n directa de el fonda de la laguna. la velocidad de filtraci6n en vcSrticet pequeftos riOi originados por vertientes. Oujo de aguas lubtemlneas en los lugares mencionadOl 5. Estudio del caudal de 4. Estudio de la direcci6n del teriormente. la en aJ&o 54- - dertos el estudio de las aguas, ya que estos deben cumplir Un trazador ideal debe trasladarse a la misma velocidad que trazadores usar como requisitos. en el agua sin perdidas debidas a adsorcion, precipitacion, intercambio, etc; sus caracterfsticas nucleares asl como su vida media y radiacion caracterfstica deben tales que permitan su deteccion "in situ". y que despues de cada experimento interfiera con experiencias de la misma clase y que el uso del agua marcada ser no constituya no des mencionadas . para Ia salud de la poblacion, Ademas de las propieda­ debe presentar toxicidad qulmica, debe tener un debil co­ riesgo un no eficiente .de difusion." y precipitaeion coloidal. Debido no debe modificar la permeabilidad del terreno por amplia varledad de condiciones experimentales, topos pueden cumpJir completamente todos estos requisitos, y Ia muy pocos is6vemos asl que los trazadores que son fuertemente absorbidos por el suelo, como los cationes, son ligeramente inconvenientes en el estudio de aguas subterraneas, pero algu­ nos a de ellos (NaH• AU18S) son utilizados satisfactoriamente Para el estudio de superficiales. 'aguas subterraneas satisfactorios los trazadores salinos anionicos en medidas de aguas ha demostrado que son Bf8a-), los atomos CoSO y se (1181-. versenatos [de quelatos (EDTA)]. el complejo CoSO(CN)sS-, y el una forma anionica diflcil de obtener, Cabe hacer notar que la R�loe bajo investigacion en este campo esta orientada a la busqueda de moleculas marcadas que pueden usarse convenientemente como trazadores en los distintos aspectos CrG! en forma de , " de estudio de aguas. APLICACI6N AGUAS DE LOS RADIOIs6TOPOS AL ESTVDIO DE DlRECCI6N Y VELOCIDAD DE 9VB"fEIRRANEAS. Si colocamos un trazador en un pozo, ira desapareciendo el tiempo, desaparicion es con una bien homogeneizado en el agua original del pozo. Esta fun­ cion de la velocidad de escurrimiento de la napa. Si suponemos que no existen movimientos verticales y que el trazador esta bien mezclado horizontalmente, la vez concentraci6n del trazador ,aqul podemos disminuye exponencialmente calcular la velocidad de la napa de acuerdo Y, Y • =­ In" con a el OCILVI tiempo (1). y de C Co cp·F·t (Jonde Y, = velocidad de escurrimiento. Y = volumen de dilucion, F = seccion transversal del volumen Y. , = C = Co = cp = tiempo. concentracion del trazador para tiempo concentracion del trazador a t = O. t. coeficiente que toma en cuenta la deformaci6n del campo hidrodinamico debido a la presencia del pozo. Este coeficiente esta definido por: Q = cp • Qw - S5- donde Q = gasto que pasa Qw = gasto que pasa a a traves de la secci6n transversal del pOlO. traves de la misma secci6n del suelo. EI problema de la deformaci6n del campo hidrodinamico ha general por OCILVI, cuyos resultados los vemos en la figura I, sido resuelto en que muestra el valor de cP vs. la relaci6n del diametro exterior al interior del relleno de grava 0 limo. EI para metro de estas curvas es Ia relaci6n de los coeficientes de permeabilidad del filtro K" de los cuadrados de De la de grava sus y del suelo k. que puede expresarse por la razon diametros efectivos (1) de, K, de2 (filtro) K. de2 (suelo) =K figura I podemos estimar el coeficiente cP cuando 0 se incorpora arcilla a las paredes del pozo. se hace un relleno Otro factor que afecta la deformaci6n del campo hidrodinamico es aquel relacionado con el porcentaje de area perforada en el tubo piezometrico, Asi tenemos de acuerdo a MAIRHOFER cP = (2) CPt • . CJ'2 donde CPt= coeficiente para el relleno de grava. CP2 = coeficiente que toma en cuenta la correcci6n por el I % de area per­ forada del tuba plezometrico. (Fig. 2). si el trazador usado es un la radioactividad del volumen V, y suponemos que solamente medimos el cual se efecnia la dilucion, podemos escribir radiois6topo en V 1 In =- 10 o V,= donde d PARTE es d In - 1 10 el diametro interno del pozo. EXPERIMENTAL. Aparato. Se us6 que un muestra aparato desarrollado por el esquematicamente la figura B'V'FA Arsenal, Viena, Austria, como 3. Antes de colocar la punta de el prueba -56el piez6metro se lIena con una soluci6n del is6topo la camara 5 seiialada "f baja el aparato basta la napa a estudiar ligura !eA. Luego se sella la parte superior infiando la goma 4 y se abre la cimara con el is6topo, desinfIando la goma inferior 5, con 10 cual el is6topo queda en contacto con la corriente de agua. Fig. SoB. Inmediatamente despues que ha caldo la cubierta protectora 6, se sella la pane inferior por medio de Ia goma 5, quedando asi limitado el volumen 'que contiene el is6topo. El efecto es tegistrado por medio de lecturas en se tomada$ en un escallinetro cada 15 minutos. Para altas velocidades de filtraci6n, resulta mas coRveniente USaf un integrador y un registrador potenciometrlco. En general, podemos decir que las medidas constan de tres fases principales: I. Disminuci6n de la actividad debido al proceso de abertura de Ia camara y diluci6n del is6topo en del orden del 10 al 20%. 2. Fase en un volumen mayor. Este efecto esta calculado que la cual el cambio de actividad 3. Variaci61i de ac:tividad causada - inicialmente absorbido 4. La fase a1rededor de mas trei en cambia 10/30 es rige por la ecuaci6n 1. principalmente por -elucion � del Isotope se el material que rodea el pozo. la llamada fase de '''Background'' a para velocidades de filtraci6n altas, "f o- fondo, de-,lo/IO que es para las bajas gravas. background debe restarse al hacer la interpretaci6n de los datos. En ]a ligura 4 se da un ejemplo de la interpretaci6n de los datos. en Este RDULTADOS. En 'principio Se pretendfa que existen tanto en muchos de los cuales la se hacer mediciones zona norte del en un gran numero de pozos el valle de Santiago, en pals, como en algun tiempo, habla hecho, hace la prueba de bombeo, una comparaci6n entre elmetodo de Thais con io cual se 'esperaba hacer estes resuitados y los de Ia tecnica de' diluci6n puntual, pero las condiciones de por estaban lejos de ser ideales debido a que dichos pozos fueron hechos para bombeo de -agua 'y no. como pozos de estudio. En primer lugar los diametros de los sellos 'de la punta de prueba no coincidlan con el diametro de los pozos. Debido a esto la mayorla de las experiencias debieron realizarse sin sellar, por 10 que los fIujos verticales infIulan notablemente en los resulta­ dos. Experiencias realizadas con sello y sin sello, en donde fue posible, demos­ trabajo traron un tanto que las velocidades medidas sin sellar el pOlO mas altas que cuando se hada la medici6n encontrada fue que las perforaciones en la eran alrededor de tres veces el pozo sellado. Otra dificultad pared del tubo del pozo eran muy con groseras y romplan las gomas de los sellos. Ademas, no se conodan las condi­ ciones exactas de perforaci6n del pozo "f por ende el valor correcto del coefi­ ciente cpo Se tom6 un valor promedio de 0,8, pero es probable que sea un poco mayor y.las velocidades Los resultados por tanto, algo se muestran en' Ia menores. tabla I.' FIGURAS u � 5. 2: 10 �� "roill �� 3 �� 2 �� �� � ..... \\ � ... ...... 1.- RElAClON .... .... ... I � SEGUH IT 1- � r-- R = � .... ........ radio d. 0 COEFICIENTE Y 'f OGllVI del relleno esterior gra�. 0 limo . _ 'i'.. .... r 0 = radio Int.rior del relleno ...... , ........ ........ o 1 . - � ENTRE..! r 1 l';, .... \' �:: s � 1.1 12 131.41.51.617 2.& l as toeficienle �ID (parAm.lro 4.5 5 R " r lubo plezomfi'r'co T loR 1 ----------------�\------------ \ fell.no FIGURA d. lIerme.biijdad �ra �s c ur va s ) EXPERIENCIAS MAIRHOFER DE VI O/F 1.0 FIGURA 10 20 PERFOAACION ES � A 30 EN PO AC ENTAJ E r------------------------ QF to 0.1 3.4' 0.6 136 10-3 FIGURA 10-2 20 10 B JO PERFOR.ACIONE�EN PORCENTAJE mod.lo mo II. no con d.lo lI.no gr�ya con .r.n� N0' S06RE LAS CUR VAS SON LAS VELOCIDADES DE FILTRACION EN CM/SE;; FI GURA 2 PUNTA DE PRUEBA PARA MEDIDA DE LA VELOCIDAD DE FILTRACION 8 CUBIERTA Punta de Prueba cerrada colocada ta profundidad C B A a re­ querida. Sello sup intlado Sello inf.sin dire Cubier la protec­ Sello into inflado (10 mas rapido posible) tora cae didas Sello de goma info Inflado. . FIGURA 3 Comienzode . las me­ PROTECTORA 10 AlA. • ,- • "-...\ b.. I 7 ... \.-, , '-" 5 "'- • " --"'- � "". - - A " .� 2 -, �"" • 1 i -. " <, � • " , I I <, <, I <, " �� - ": • ' -, -, -, . "C "" 4 " -, - I I I - !I � I"" 2 , I I 1 o 5 10 15 MINUTOS FIGURA N° I. 20 i I ""e , I i ! I j I 25 30 35 ESQUEMA DE LAS INSTALACIONES PARA LAS PRIMERAS MEDIDAS DE VF" EN LAG.INVERNADA medidor (SeAL ER) tubo PlalOlieo 0( 0( 0<. 04. o 0 0 o o 0 0 d....oi... 0 o 0 �--v-. __ .; . nl_.:. ;v.: . ;_I,=cde:_;I __ illu. Irllalie. - 0( 0( 0( 0( 0( 0(_ C>( ex 0( 01.. - 0( o( d.0<.. - 0(. 0( conlador 0( 0( 0( FIGURA 5 IOluCion d. I'li I , i I I I �:�'-�I+!-+-+4-�I�I--��� / : ilf 1 1 ' I I ! ! I I Hrr+4-r/I-+�I_��-/�(�"�/��-+:�I������41---I�N I-t--i--+__"'_ I / ..IV I "" �"./. J I, I I ��������--�����������--__jO .... 8 LAG.INVERNADA Pi ezometro N·24 01 AGRAMA DE LA VELOCI DAD DE FILTRACION Profundidad o 50 100 22 23 29 345 44 46 47 49 50 52 55 FIGURA 7 em/seg X 1(5 2 Busgueda e de pm infiltracion �expprimentacion cprn 10' 1. 6 1-_----11--_--1-_ -1-----1 2000 1. 2 L----'L-l.-L-I.U--J_-�--+-......t.---+__-� 1 500 Background Q�L--���--"---�---4----+---�1000 1. experimento V vertical= 0.5 cm/seg 2. expprimento Vvertical= O.6cm/seg FIGURA 8 FILTRACIONES 1'H VERTIENTE punta do modida flGU RA 9 1-A MEDIDA DEL GASTO EN VERTIENTE1-A GRAFICO CONCENTRACION EN FUNCION DEL TlEMPO I I � cprr 15 I I I I I , 10 ; I I I I 1 I I I I 5 1\ I i 7 FIGURA 10 min - 57- TABLA I Yelocidad de escurrimiento == 0.8 en cm/seg. If)"· (promedio) Observaciones Pozo Profundidad Copiap6 IJ m 25 4.7 28 4.0 14 15 17 16 8.0 5() 7.1 51,5 11.5 55 M 14.0 2.6 1.5 sellado 5.7 54 6.9 85 6.6 58 1l.0 40 9.0 8.0 4! 5.0 45 sellado 7.6 12.0 45 l.! 47 U 51 6.1 61 65 16.0 67 6.6 Profundidad Pozo Santiago 25 F.-19 9.7 0.06 25 4.0 25 4.7 45 4.8 51 Colina 78 Ni m experimentos preliminares fueron mas bien informativos y destinados el personal en el manejo del aparato y demostrar c6mo calcular e interpretar los resultados. Se estan haciendo nuevos POlOS especiales para este estudio y en los cuales se conocen exactamente sus caracterfsticas tanto de perforaci6n, porcentaje de area perforada, etc. Estos a entrenar Experiencias EI en objetivo la era Laguna de Invemada. medir la velocidad del flujo en los sondajes existentes en el de ubicar los puntos de filtraci6n concentrada. Debido a que tranque y el diametro de dichos sondajes es inferior a 2" las medidas no pudieron efectratar 58- - tuarse con exactitud ya que 5010 datos mas proporciono posterionnente. exaetos puede sobre Ia contador usar un magnitud del Geiger, pero flujo con esto nos que contarfamos Para ello.se us6 un contador Geiger FHZ 23 Y las inyeeciones (100 C 1181) hicieron por medio de un tubo de polivinillo dentro del cual se coloco la solucion del is6topo, tapando el extrema del tuba con un trozo de goma. Des­ pues de ubicar el tuba a la profundidad eonveniente se expulsaba el Isotope se por medio de una pequefta bomba de mano y se media la disminucion de la aetividad en funcion del tiempo (Fig. 5) Los resultados se indican en la tabla II. • La ENDESA perforo pozo de 8" de diametro, con zona de perforacion 10 ranuras de 15 em de longitud y 0,2 em de ancho, un nuevo cada 20 em que consistfa en 10 cual daba un 3,6% de superficie quedaron colocadas en ocho permeables e impermeables. perforada (Fig. 6). sectores de la TABlA Medidt.l de Yelocidt.ld Vf Fecha en • x 23.0 0.15 0.8 5.0 4.2 1.8 2.2 12.8 23.50 28.0 en la zona no Reg. 7.4 no Escal, Reg. 10.8 S.O 1.0 1.0 £Seal. 4.J Reg. Reg. 504 hay flujo. 44.05 155.0 45.95 69.0 46.0 62.0 46.05 46.47 1.0 46.51 74.5 12.9 25.0 46.59 1S.0 46.65 10.6 2.5 46.95 155.0 98.5 5.9 2.5 47.00 45.0 54.0 49.5 19.4 20.5 50.0 17.5 1.4 5S.0 5.7 4.9 12.4 26.5 25,4 l.lJ 5.S 52.5 1.9 55.0 54.75 S.1 4.1 55.0 4.4 1.0 4.4 16.0 20.2 1.3 1.2 10.2 14.3 27.4 7.0 1504 49.0 98.3 52.3 9.2 46.56 1.5 92.8 112.0 1.4 46.55 52.0 £Seal. perforada. 45.0 45.5 1.3 16.0 29.0 54.5 zonas !Ago Invertlada 2J ·23.15 Reg. por 10" 1J Reg. £Seal. £Seal. P01.0 N' 24 £Seal. Pyo/und. pasando 0 an/lei. 25.2 Estas partes ranuradas napa subterranea 59- - Medida de la velocidad de filtracion En visitas anteriores la laguna, se el fondo de la marco un laguna. punto de infiltracion por medio boya. En este punto se hizo una determinacion de la velocidad del flu­ vertical, para estimar la magnitud de la filtracion. de jo a en una La las del agua en ese punto era de 3,5 y la experiencia se hizo lancha. Se coloco un contador de centelleo en el fondo y se hicieron profundidad desde una inyecciones de de isotopos (Rosa Bengala 1131)- a una distancia de 40, 100 Y 60 cm., sobre el contador en ese orden. El efecto era medido por un escali­ metro, tomando lecturas cada 25 seg. Se puede observar que alrededor de los 1,5 min. aparece un maximo mas elevado que el background. Los resultados para las inyecciones de 40 y 60 em, sobre el contador se indican en la figura 8. Medida del caudal Para esta en pequeiios rios. experiencia se el Metodo de Recuento total aplico usando la formula derivada por HULL Q = 0 Integral, (3). AFl/N donde Q = Caudal. A = Actividad F = N inyectada. factor de calibracion, numero de = cuentas La determinacion de F totales durante el paso del se un centelleo una isotope, cantidad determinada del is6- estanque de volumen conocido. Luego se distintos puntos del estanque con los dos contadores de topo (Rosa de Bengala-Jl31) hizo hizo colocando conteo en a usar. Luego se en aplico un la formula F = VC;/A donde V = C = A = volumen del estanque. cuentas por minuto promedio. Actividad total (mC) del is6topo colocado La distancia a la cual se en el estanque. hizo la medida fue determinada de acuerdo a la ecuacicn dada por HULL: LO'OI = 50 Q l/s donde Q = es el gasto aproximado. LO'Ol = es la longitud para que • de (El Rosa de Quimica. Bengala se fue sintetlzado produzca en una buena mezcla el Laboratorio de con una flue- Radioqulmica. Departamento Chile) Facultad de Cien.cias Fisicas y Matemiticas. Universidad de • -'60- luad6n de menor El resultado obtenido da 1%. una distanda de aproximada­ mente 60 m. La determinaci6n misma puntual, en una mas lugar este se hizo inyectando la soluci6n del is6topo en forma parte del rio que ofreda buenas condiciones de mezcla. Ade­ vertedero que esta tarado por 10 cual es un se podian comparar ambos metodos, La mediei6n se hizo en dos puntos situados a 41 m. y 9S m. del punto de inyecei6n (Fig. 9). Los resultados de esta experiencia fueron: Q. = 0.89 ma/seg. para el punto B situado a 41 Q. = 1.02 mVseg. para el punto situado a 9S m. Este ultimo valor de acuerdo con EI valor de fluviom�trica es el mas correcto debido se que Ia distaneia de medida eSla Ia ecuaei6n 6. Q obtenido a partir de Ia altura Iimnimetrica para esta estaei6n era: Q Como a m. = 1.1 ma/aeg. puede observar hay una buena experieneia nos sirvi6 para Esta misma concordaneia entre ambos valores. determinar la velocidad del caudal la f6rmula: legtin v=L/T donde L = T = los puntos de inyecei6n y medida. que corresponde al maximo, de la ,curva cuentasymin. distaneia entre tiempo del tiempo (fig. 10). EI resultado de este en funci6n calculo fue: V = 0,5 mJseg. Medidas de Direcci6n de Flujo. Esta determinaci6n forma se bas6 en la hip6tesis que dice que muestras inyectadas arrastradas por Ia corriente de la napa sub­ en el material del pozo en los puntos de salida puntual pozo, terranea y fijadas en mayor grado del flujo. La inyecci6n se haee usando una en en un son sonda inyectora a control remoto que lleva molecula radiaetiva que se fije fuertemente en el mate­ rial del pozo, y las medidas se efectuaron por medio de un contador de eentelleo colimado unido a un euadrante en Ia superficie por medio de variIlas de acero. una soluci6n de inyectado el Isotopo se determina la zona de mayor contaminacion aproximaci6n de 600• Debido a que la sonda inyectora de ,que se disponia tenia un largo maximo de 80 m. 1610 se hicieron medidas hasta esa profundidad. Luego de una con una 61- - CoNCLUSIONES. Las experiencias realizadas en los distintos aspectos relacionados con el estu­ dio de aguas subterraneas, si bien, en muchos casos no han dado los resultados esperados nos confirman que el metodo de diluci6n puntual se puede aplicar satisfactoriamente cuando se las condiciones de medida, vale decir, dis­ mejoren de pozos de diametro especial en los cuales las condiciones de perforaci6n, el porcentaje de area poniendo se conozcan exactamente perforada (no menor de 10%) y que la calidad de las perforaciones sea tal, que no rompan las gomas de sellado. La Corporaci6n de Fomento de Ia Produccion (CORFo), ha perforado dos pozos para este efecto tomando en cuenta todas las caracteristicas anteriores y en los cuales se had una estimaci6n de los coeficientes del metoda de diluci6n puntual con la medici6n la en prueba de Thais y dos pozos situados otro que aplican el la direcci6n del en uso de trazadores haciendo flujo. AGRADECIMIENTOS. Debemos agradecer al personal de ENDESA, CORFO, e Instituto de Investigacio­ nes Geol6gicas que directa 0 indirectamente colaboraron en el desarrollo del presente trabajo. BIBLIOGRAFIA I. OGILVI, N. A. "Electric method for neau 2. of the filtration measurement waters". Bulletin for the Scientific and Technical News NLA velocity of sub terra­ (1958). Informe sobre "La determinaci6n de la direcci6n y velocidad de aguas subteml.neas en und solo pozo y desarrollo del equipo conveniente". Presentado al Bundesversuhs un 3. - Forschungsanstal Arsenal, Viena, Austria HULL, D. E. "The total technique: J. Applied 4. Radiation and G. GRANDCLtMENT. que". L'eau, 5. 50 count (1964). J. a new Mairhoffer. principle in flow measurement". InL Isotopes is, 63, (1962). "L'enploi des radioelements traceur en hydrologie et en hydrauIi­ (5), 293-300 (1963). "Application of isotope Techniques in (1962). AGENCY. "Isotope Technique for Hydrology" INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY. Hydrology". 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