Práctica 5 - Explicación

Asignatura: HIDROLOGÍA SUBTERRÁNEA (ITOP)/HIDROGEOLOGÍA (ITM),
Curso: 2008-2009
Profesora: Marisol Manzano Arellano
UPCT
Fecha: 03/12/2008
Tel. 968.325443
Memoria explicativa de la práctica
Práctica 5.: INTERPRETACIÓN DE DATOS FÍSICO-QUÍMICOS DE AGUAS
SUBTERRÁNEAS: ORIGEN Y MODIFICACIÓN DE LA COMPOSICIÓN DEL AGUA
SUBTERRÁNEA; CÁLCULO DE MEZCLAS Y CUANTIFICACIÓN DE LA RECARGA A
ACUÍFEROS MEDIANTE BALANCES DE MASA DE SOLUTOS
1. Objetivos
- Aprender a usar componentes químicos conservativos del agua subterránea para cuantificar
algunos procesos hidrogeológicos, tales como mezcla de aguas distintas en acuíferos, la recarga
estacionaria a partir de la lluvia y la descarga de agua subterránea a ríos, de forma independiente
a los métodos meteorológicos e hidrodinámicos.
2. Fundamentos del método
La mayoría de los componentes químicos mayoritarios en las aguas subterráneas son altamente
reactivos, es decir, están sometidos a múltiples reacciones químicas entre el agua y el terreno
durante el flujo del agua subterránea por el medio. Esto hace que las concentraciones de los
mismos en solución varíen local y espacialmente debido, por ejemplo, a reacciones de disolución y
precipitación mineral (no son las únicas, pero sí el tipo habitualmente más frecuente). Los
componentes mayoritarios más reactivos son: Na, Ca, Mg, K, HCO3 y SO4. A estos componentes
químicos se les llama “reactivos” o “no conservativos”.
Por otro lado, algunos componentes son muy poco reactivos químicamente y su concentración en el
agua subterránea sólo se modifica a causa de unos pocos procesos físicos, tales como mezclas
entre aguas distintas o evaporación. A estos componentes se les llama “conservativos”. El
componente mayoritario conservativo por excelencia del agua subterránea es el cloruro (Cl-).
Como, además, es fácil de medir, se ha convertido en una herramienta de cuantificación cada vez
más usada en hidrogeología.
Si se conocen razonablemente los procesos físico y químicos que afectan habitualmente tanto a
los componentes reactivos como a los conservativos, las concentraciones de estos se pueden
utilizar para cuantificar esos u otros procesos hidrogeológicos. En esta práctica se verán dos
aplicaciones del uso del cloruro (Cl), uno de los componentes químicos mayoritarios del agua
subterránea que es conservativo, para la cuantificación de procesos hidrogeológicos:
1) Cálculo de la recarga media interanual (recarga estacionaria) a un acuífero
2) Cálculo de mezclas entre aguas subterráneas distintas (por ejemplo, entre agua dulce y
agua salada en un acuífero costero).
3. Aplicaciones
3.1) Estudio del origen y de las modificaciones de la composición del agua subterránea.
Una de las herramientas más tradicionales es el uso de gráficos que permiten relacionar aguas de
un mismo acuífero y deducir posibles reacciones modificadoras de la composición química. Uno de
los gráficos más útiles es el de Piper. El diagrama de Piper consiste en dos diagramas ternarios y
un rombo. Para dibujar cada muestra en los triángulos hay que calcular primero los porcentajes
de concentración catiónica (Ca, Na+K y Mg) y aniónica (Cl, HCO3 y SO4) en cada una de ellas
(Tabla 3).
Tabla 1. Porcentajes catiónicos
y aniónicos en las muestras del
ejemplo de la práctica 4 para el
diagrama de Piper.
Pozo 19 Agua mar
Pozo 5
Pozo 15
10,45
41,67
80,83
% HCO3
34,5
20,0
4,6
0,4
% Cl
38,1
68,7
87,8
90,2
Total aniones meq/L
% SO4
596,82
27,4
11,3
7,6
9,4
10,33
41,49
80,02
642,47
% Na + K
36,7
90,1
59,6
79,4
% Ca
% Mg
33,01
3,49
24,81
3,11
30,25
6,43
15,64
17,51
Total cationes meq/L
Una vez ubicada una muestra en ambos triángulos, su posición en el rombo se localiza
proyectando hacia arriba, desde su ubicación en los triángulos, dos líneas paralelas a los catetos
externos. La intersección de ambas líneas en el rombo determina la posición de la muestra. En la
Figura 1 se muestra la ubicación de las aguas del ejercicio.
Figura 1. Diagrama de Piper de las aguas del ejercicio.
Información que se deduce del diagrama de Piper:
- Agua del Pozo 5: es la más dulce y de distinto tipo químico (bicarbonatada-clorurada-sódicacálcica) a las otras tres (cloruradas-sódicas).
- Agua del Pozo 19: es mezcla entre la del Pozo 5 y la del mar. No es una mezcla simple, pues en
este caso la muestra estaría sobre la línea de mezcla teórica, sino modificada de la siguiente
forma: en el triángulo aniónico este agua está muy cerca de la de mar, indicando que no ha
experimentado reacciones que modifiquen las concentraciones aniónicas de forma significativa.
En el triángulo catiónico el agua se aleja de la de mar, indicando que ha perdido Na y ha ganado Ca
(el Mg no parece haberse modificado). La hipótesis que se propone es que se trata de un agua
mezcla modificada fundamentalmente por intercambio iónico de endurecimiento (adsorción de Na
y desadsorción de Ca y Mg). Este proceso es siempre indicador de que en la ubicación del pozo
muestreado (el 19) se está produciendo un avance del frente de intrusión marina.
-Agua del Pozo 15: también parece una mezcla, modificada por reacciones, entre agua dulce
típica de la zona y el agua de mar. En el triángulo aniónico la muestra se ubica por debajo de la
línea de mezcla teórica. Como el Cl es conservativo, el agua ha debido ganar algo de HCO3 y ha
perdido SO4, lo cual apunta a un proceso de reducción de sulfatos acompañado de generación de
bicarbonatos. En el triángulo catiónico esta agua tiene más Na (en términos relativos) que el agua
marina, por tanto, ha ganado Na respecto a la mezcla simple. Como está por debajo de la línea de
mezcla teórica, ha perdido Mg y también Ca. La hipótesis es que se trata de un agua mezcla
modificada, fundamentalmente, por reducción de sulfatos a expensas de la materia orgánica
existente y por intercambio iónico de ablandameinto (adsorción de Ca y Mg y desadsorción de
Na). Este proceso es característico del lavado por agua dulce de terrenos que contienen agua
salina, e indica que en la ubicación del pozo 15 se está produciendo un retroceso del agua salina a
expensas del agua dulce.
3.2) Recarga media interanual a un acuífero
El balance de masas de componentes conservativos entre el agua de lluvia y el agua que se
encuentra por debajo de la zona radicular (habitualmente, el agua freática) puede utilizarse, bajo
ciertas condiciones, para cuantificar la recarga estacionaria (es decir, recarga representativa de
un año típico o medio) a un acuífero.
El balance de agua en la zona de recarga de un acuífero para un tiempo dado (habitualmente el
balance se realiza para un año) puede escribirse así (Figura 1):
P = ETR + R + Es
P (mm/año)
ClP mg/L/año
ETR (mm/año)
av g/m2/año
a’v g/m2/año
Es (mm/año)
ClEs mg/L/año
as g/m2/año
Cl
...
R mg/L/año
R (mm/año)
Donde:
P = precipitación anual, en mm/año, medida durante un
número suficiente de años como para evitar sesgos
húmedos/secos y en estaciones pluviométricas locales o
bien cercanas a la zona de estudio pero con características
orográficas y climáticas similares a las locales.
ETR = evapotranspiración real anual, en mm/año, calculada
también para un número suficiente de años.
Es = escorrentía superficial anual, en mm/año, medida en
estaciones de aforo representativas de la zona de estudio.
R = recarga anual, en mm/año, en situación estacionaria (es
decir, independientemente de las características
climáticas de cada año particular).
La evapotranspiración elimina agua (H2O) pero no las sales disueltas en ella, por tanto el balance
de masas de un soluto conservativo (tal como el cloruro, Cl) entre el agua de lluvia y el agua
freática (de recarga) es:
P · ClP ≈ R · ClR + Es · ClEs
Donde:
ClP =
concentración característica de cloruro en la lluvia de la zona de recarga del acuífero.
ClR = idem en el agua de recarga (agua que excede la profundidad de la zona radicular,
habitualmente se toma agua freática).
ClEs = idem en el agua de escorrentía superficial.
Si se pueden aceptar razonablemente las siguientes simplificaciones:
1) Que no hay aportes litológicos de Cl al agua de recarga (no hay minerales que tengan Cl ni
tampoco aportes por actividades antrópicas –agricultura, industria,...-).
2) Que no hay cultivo intensivo, y que dado un tiempo suficientemente largo, hay un
equilibrio entre la cantidad de Cl que aporta la materia vegetal natural en descomposición
y la cantidad de Cl que la materia vegetal viviente toma del agua.
3) Que Es es mucho menor que P y que R (Es << P y R), de forma que podemos despreciarla.
(Si la escorrentía tiene una magnitud significativa en relación con P y R hay que
cuantificarla e introducirla en la ecuación de balance. La cuantificación se realiza,
preferiblemente, en estaciones de aforo de ríos de la zona; si no es posible, se puede
obtener una idea de la misma con datos de aforo de otras zonas que tengan
características orográficas, litológicas y meteorológicas similares a la de estudio, pero es
importante cuantificar la incertidumbre que esto introduce en el valor final de R).
Entonces se puede establecer que
P · ClP ≈ R · ClR
y
R/P ≈ ClP/ClR
Conociendo el valor (característico de un año medio) de P, ClP y ClR se puede cuantificar P
mediante un método independiente de los climáticos e hidráulicos. P y ClP se miden en estaciones
de muestreo de agua de lluvia y ClR en muestras de agua freática de pozos de la zona.
Ejemplo: Utilizando series temporales de precipitación con 30 años de datos medidos en dos
estaciones meteorológicas de la zona, se ha calculado que la P media anual que cae sobre un
acuífero de la región de Murcia es de 350 mm/año. Durante 3 años se ha muestreado agua de
lluvia para determinar ClP, obteniéndose un valor de 30 mg/L. Tras muestrear varios pozos poco
profundos que interceptan el nivel freático se ha visto que el valor representativo de la
concentración de cloruro en el agua de recarga es 140 ± 8
mg/L.
P= 350
550 mm/año)
Cl p= 30
0,094
mg/Lmmol /L
as g/m 2/año
CO 2 , SiO2
CaCO 3 , CaMg (CO 3)2
Con esta información se obtiene que la recarga al acuífero
es del orden de:
R = 350 · 30 /140 ± 8 ≈ 71 a 79,5 mm/año
Cl
/L
=140 ±mmol
8 mg/L
...RF=0,36
Un concepto muy útil en hidrogeología es el de coeficiente
de recarga, o proporción de la lluvia que se convierte en
recarga a los acuíferos (R/P). En el ejemplo se tiene:
R/P = 0,20 a 0,23
Es decir, alrededor de un 20-23 % de la lluvia local se convierte en recarga al acuífero. El
aumento de concentración de Cl en el agua freática respecto a la lluvia se debe exclusivamente a
evapotranspiración. El factor de concentración fc es:
fc = ClR / ClP = 140 ± 8/30 = 4,4 a 4,9
Observación importante:
El valor de R obtenido mediante balance de masa de Cl debe cotejarse con el obtenido mediante
otros métodos independientes entre sí (balance de agua en el suelo; balance hidráulico en el
acuífero; ensayos de trazador en zona no saturada; modelación numérica del flujo de agua
subterránea,...) para, de esta forma, acotar los errores propios de todos los métodos y obtener
un valor lo más aproximado posible a la realidad.
3.3) Cálculo de mezclas de aguas
La mezcla del agua de recarga típica de una zona con otras aguas de distinto origen o composición
existentes en el acuífero, modifica la composición de la primera. Si se conoce la composición de
las dos aguas que se están mezclando y se conoce la composición (intermedia) de otra agua que es
mezcla de las dos anteriores, usando un componente conservativo (por ejemplo el Cl) presente en
las tres se puede cuantificar los porcentajes de cada una de las dos aguas extremos en el agua
mezcla.
Ejemplo: La mezcla del agua dulce típica de la recarga en un acuífero costero (con una
concentración de cloruro = Cld) y el agua de mar local (con una concentración de cloruro = Cls)
origina un agua que tiene una concentración de cloruro = Clm. Una vez conocidos Cld, = Cls y Clm
(mediante análisis químico), los porcentajes de agua dulce y agua de mar en dicha agua mezcla se
pueden calcular mediante el siguiente balance de masas:
Operando y despejando:
Donde:
Clm = xCls + (1-x)Cld
Clm - Cld
x = -----------Cls - Cld
x = proporción de agua de mar en el agua mezcla
1-x = proporción del agua dulce en el agua mezcla
Habitualmente x y 1-x se expresan en tanto por ciento (%)
Las aguas de los pozos 15 y 19 del ejercicio son mezclas, en distinta proporción, del agua dulce de
recarga en esa zona (razonablemente representada por el pozo 5, que es la muestra más dulce) y
de agua de mar. Usando las concentraciones de cloruro en esas aguas (ver datos de la práctica 4)
se obtienen las proporciones de agua dulce y agua salada en los pozos 15 y 19:
Pozo 15:
Pozo 19:
x =
1-x
x =
1-x
100 • (1011-140,5)/(19000 -140,5) = 4,6 % de agua de mar
= 100 – 4,6 = 95,4 % de agua dulce
100 • (2506-140,5)/(19000 -140,5) = 12,5 % de agua de mar
= 100 – 12,5 = 87,5 % de agua dulce
Una vez conocidas, a partir de un componente conservativo, las proporciones de agua dulce y agua
marina en un agua mezcla cualquiera, se puede calcular la concentración “teórica” de cada
componente no conservativo que debería tener esa agua mezcla si estos componentes no hubiesen
sido modificados por reacciones químicas entre el agua y el terreno. Comparando la composición
“real” que tiene el agua en el terreno y la composición “teórica” que debería tener, y conociendo
los minerales que forman el medio sólido del acuífero, se puede deducir qué reacciones químicas
han modificado la composición química del agua mezcla y en qué cantidad. Es decir, se obtiene
información acerca de los procesos responsables de la modificación de la calidad del agua
subterránea debido a la mezcla con agua de mar y a las reacciones químicas de la mezcla
resultante con los minerales y gases del terreno.
Caso de mezcla con agua marina
Dulce
Ca-HCO3
dominante
¾ El cálculo de la mezcla teórica y su
comparación con la real permite:
- Conocer si la mezcla obedece a un
proceso de salinización actual (el
agua mezcla real tiene menos Na y
más Ca que el agua mezcla teórica)
o antiguo en retroceso (el agua
mezcla real tiene más Na menos Ca
que el agua mezcla teórica).
- Prever y cuantificar modificaciones
futuras de la calidad y diseñar
actuaciones de prevención.
Ca2+
Mezcla
Na, Ca y Mg
Modificados
respecto a la
mezcla real por
intercambio
iónico
Na+
MAR
Agua dulce
ezcla
a m
Agu
0
Agua salada
Salada
Na-Cl
dominante
0 msnm
25
50
1000 m
D-CaHCO3+
D-MgHCO3+
S-NaHCO3
S-NaCl
Otras utilidades del cálculo de mezclas y del estudio de las diferencias entre mnezclas reales y
teóricas:
- Cuantificar la cantidad de solutos que entran/salen del agua subterránea (transferencia de
masa) durante las reacciones químicas agua-aire-terreno a lo largo de una línea de flujo en una
cuenca.
- Prever (cuantitativamente) cómo cambiaría la calidad del agua de un acuífero si se importa agua
para riego de otra cuenca.
- Cuantificar la meteorización de una cuenca.
- Conocer qué nivel acuífero, y cuánto de cada uno, proporciona mineralización al agua de un
manantial.
- Ayudar a establecer la red de flujo de un acuífero, contrastando hipótesis y validando o
descartando las reacciones que pueden o no tener lugar en un medio dado (p. ej.: minerales que
NO están en un acuífero no pueden disolverse!).
4. Bibliografía recomendada
Custodio, E. y Llamas, M.R. (editores). 1983. Hidrología Subterránea. Volumen 1, Capítulo 10.
HIDROLOGÍA SUBTERRÁNEA, ITOP/ITM, UPCT
Práctica 5: Interpretación de datos químicos de agua subterráneas. Origen y
modificación de la composición del agua subterránea; cuantificación de mezclas y
de la recarga a acuíferos mediante balances de masa de solutos
Objetivos y relación de esta práctica con la anterior
En la Práctica 4 se vió cómo establecer la calidad del agua subterránea para uso
humano y agrícola y se introdujeron los fundamentos físico-químicos de la
incorporación de solutos al agua subterránea.
En esta práctica se aprenderá a:
1.
2.
Interpretar el origen y las
modificaciones de la
composición del agua con el
apoyo de gráficos.
Usar los balances de masa de
solutos para cuantificar algunos
procesos hidrogeológicos de
forma independiente a los
métodos convencionales.
C
P
T
E
1,2,3,4,5
E
E
3
5,6
6
ag
ua
3,6
E: evaporación
1:
2:
3:
4:
P: precipitación
7
8
du
lc
ag
e
ua
sa
C: polución
asimilación selectiva por la vegetación
oxidación/reducción
intercambio catiónico
disolución de CO 2 y de minerales
5:
6:
7:
8:
la
E
mar/lago
da
T: transpiración
precipitación de minerales
mezcla de distintas aguas
lixiviado de fertilizantes
procesos biológicos
EJEMPLO DE ESTUDIO HIDROQUÍMICO DE UN ACUÍFERO.
1. ORIGEN Y MODIFICACIONES DE LA COMPOSICIÓN DEL AGUA SUBTERRÁNEA
40
30
P5
-Para conocer la calidad del agua, el origen de la
salinidad y prever su evolución futura en caso de
explotación del acuífero, se ha realizado un
muestreo en 3 pozos:
Líneas de flujo
* Los pozos 5 y 19 están sobre una línea de
flujo que termina en el mar
* El pozo 15 está sobre otra línea de flujo que
también termina en el mar
* El agua del pozo 5 se considera representativa del agua más dulce del acuífero
* Los minerales más abundantes son calcita
(CaCO3), dolomita (CaMg(CO3)2) y yeso
(CaSO4 2H2O)
Isopiezas
msnm
P15
20
10
P19
de agua
subterránea
Ma
r
- Zona en desarrollo turístico y sin fuentes
superficiales de agua dulce. Se desea estudiar
la posibilidad de abastecimiento con agua
subterránea.
P5
P15
P19
Mar
Con esta información y los datos analíticos de la Tabla 1 se debe
averiguar lo siguiente:
1) La idoneidad del agua
para abastecimiento
humano y para regadío.
(VISTO EN PRÁCTICA 4)
PRÁCTICA 5:
•
•
•
•
El tipo químico de las
distintas aguas;
El origen de la
composición química del
agua.
Si alguna muestra es
mezcla de agua dulce y
agua de mar.
La recarga al acuífero
Identificación y fecha
Pozo 5
Pozo 15
Pozo 19
Agua mar
Parámetro
12/01/01
12/01/01
12/01/01
08/09/98
pH campo
7,8
7,9
7,3
7,5
T campo ºC
CE (20ºC) μS/cm
18
18,3
18,2
16
935
3560
7140
43357
Dureza mg/L CaCO3
258
204
1080
8554
180,3
416
184
116
O2 mg/L
4,2
2,1
1,6
6,5
HCO3-
220
507,6
224,5
141,52
Cl mg/L
140,5
1011
2506
19000
SO42- mg/L
137,3
226
295
2700
NO3- mg/L
0,4
0,2
0,8
0,6
Na+ mg/L
82
839
1085
11500
Alcalinidad campo (mg/L CaCO3)
mg/L
+
K mg/L
9
35
18,9
390
2+
68,2
29
397
400
2+
37,5
32
150,2
1350
Ca mg/L
Mg mg/L
Origen y modificación de la composición del agua con apoyo del diagrama de Piper
Muestra
Parámetro
Pozo 5
Pozo 15
Pozo 19
Agua mar
12/01/01
12/01/01
12/01/01
08/09/98
HCO3- meq/L
3,61
8,32
3,68
2,32
Cl- meq/L
3,98
28,64
70,99
538,24
SO42- meq/L
2,86
4,71
6,15
56,25
NO3- meq/L
0,01
0,00
0,01
0,01
Pozo 15
10,45
41,67
80,83
596,82
Pozo 19
3,57
36,48
47,17
500,00
0,23
0,90
0,48
9,97
total aniones
Na+ meq/L
K+ meq/L
2+
Ca meq/L
3,41
1,45
19,85
20,00
Mg2+ meq/L
3,13
2,67
12,52
112,50
total cationes
10,33
41,49
80,02
642,47
error balance
-0,6
-0,2
-0,5
3,7
Total aniones meq/L
Pozo 5
Pozo 15
Mar
Línea de mezcla
teórica entre agua
dulce y agua de mar
Pozo 19 Agua mar
10,45
41,67
80,83
596,82
% HCO3
34,5
20,0
4,6
0,4
% Cl
38,1
68,7
87,8
90,2
% SO4
27,4
11,3
7,6
9,4
Total cationes meq/L
Pozo 5
10,33
41,49
80,02
642,47
% Na + K
36,7
90,1
59,6
79,4
% Ca
% Mg
33,01
3,49
24,81
3,11
30,25
6,43
15,64
17,51
Sentido del flujo de
agua subterránea
Información que proporciona el diagrama de Piper
Pozo 5: es la más dulce y de tipo químico bicarbonatado-cloruradosódico-cálcico, mientras que las otras tres son de tipo clorurado-sódico.
Pozo 5
Pozo 15
Pozo 19
Mar
Línea de mezcla
teórica entre agua
dulce y agua de mar
Sentido del flujo de
agua subterránea
Pozo 19: mezcla entre la del Pozo 5
y la del mar. No es una mezcla
simple sino modificada de la
siguiente forma:
- Triángulo aniónico: está muy cerca
del agua de mar; no ha
experimentado reacciones que
modifiquen las concentraciones
aniónicas de forma significativa.
- Triángulo catiónico: se aleja de la
de mar; indica que ha perdido Na y
ha ganado Ca (el Mg no parece
haber variado mucho).
Hipótesis: se trata de un agua
mezcla modificada por intercambio
iónico de endurecimiento
(desadsorción de Ca y quizás Mg y
adsorción de Na).
Pozo 5
Pozo 15
Pozo 19
Mar
Línea de mezcla
teórica entre agua
dulce y agua de mar
Sentido del flujo de
agua subterránea
Pozo 15: mezcla, modificada por
reacciones, entre agua dulce típica de
la zona (P5) y el agua de mar.
- Triángulo aniónico: la muestra está
por debajo de la línea de mezcla
teórica. Como el Cl es conservativo, el
agua ha debido ganar algo de HCO3 y
ha perdido SO4, lo cual apunta a un
proceso de reducción de sulfatos
acompañado de generación de
bicarbonatos.
- Triángulo catiónico: el agua tiene
mayor proporción de Na que el agua
marina, ha ganado Na respecto a la
mezcla teórica. Como está por debajo
de la línea de mezcla teórica, ha
perdido Mg y quizás también Ca.
Hipótesis: es un agua mezcla modificada
por reducción de sulfatos (a expensas
de la materia orgánica existente) y por
intercambio iónico de ablandamiento
(adsorción de Ca y Mg y desadsorción
de Na).
Conclusiones
El agua del pozo 5 es muy poco salina. Parece agua de recarga no
modificada químicamente de forma significativa, salvo la disolución de
CaCO3 y quizá CaMg(C03)2.
La zona es buena para explotar el acuífero sin riesgo de
salinización.
El agua del pozo 15 es mezcla del agua de recarga y agua de mar.
La mezcla está modificada por ablandamiento, proceso característico
del lavado de terrenos salinos por agua dulce.
En la ubicación del pozo 15 se está produciendo un retroceso del agua
salina.
Si se bombea en esta zona la situación podría revertirse. Se
recomienda controlar la evolución química del agua durante un tiempo.
El agua del pozo 19 es mezcla del agua dulce de recarga y agua de
mar. La mezcla está modificada por endurecimiento, proceso
indicador de que en la ubicación el pozo 19 se está produciendo un
avance del frente de intrusión marina.
Si se bombea en esta zona se acelerará la salinización del
acuífero.
EJEMPLO DE ESTUDIO HIDROQUÍMICO DE UN ACUÍFERO.
1. ORIGEN Y MODIFICACIONES DE LA COMPOSICIÓN DEL AGUA SUBTERRÁNEA
Objetivos
Utilizar componentes químicos conservativos del agua subterránea para
cuantificar algunos procesos hidrogeológicos de gran interés y utilidad
tales como:
1. Cuantía de la recarga a un acuífero
2. Mezcla de distintas aguas y sus proporciones
3. Caudales de descarga a ríos, lagunas,..
Solutos conservativos
• Intervienen en muy pocas
el medio.
• Concentración en el agua:
físicos tales como mezcla
evaporación.
• Típicamente: Cl, Br, 18O,
o ninguna reacción química con
sólo cambia por procesos
con otras aguas o
2H..
CUANTIFICACIÓN DE MEZCLAS DE DISTINTAS AGUAS
Aplicación
¾ Las aguas de los pozos 15 y 19 del ejercicio de la práctica 4 son mezclas,
en distinta proporción, del agua dulce de recarga en esa zona
(razonablemente representada por el pozo 5) y de agua de mar.
¾ Usando las concentraciones de Cl en esas aguas se obtienen las
proporciones de agua dulce y agua salada en los pozos 15 y 19:
Identificación y fecha
Pozo 5
Pozo 15
Pozo 19
Agua mar
Parámetro
12/01/01
12/01/01
12/01/01
08/09/98
pH campo
7,8
7,9
7,3
7,5
T campo ºC
CE (20ºC) μS/cm
18
18,3
18,2
16
935
3560
7140
43357
Dureza mg/L CaCO3
258
204
1080
8554
180,3
416
184
116
O2 mg/L
4,2
2,1
1,6
6,5
HCO3-
220
507,6
224,5
141,52
Cl mg/L
140,5
1011
2506
19000
SO42- mg/L
137,3
226
295
2700
NO3- mg/L
0,4
0,2
0,8
0,6
82
839
1085
11500
Alcalinidad campo (mg/L CaCO3)
mg/L
+
Na mg/L
+
K mg/L
9
35
18,9
390
2+
68,2
29
397
400
2+
37,5
32
150,2
1350
Ca mg/L
Mg mg/L
Motivación
¾ Con frecuencia los cambios espaciales y temporales de composición química
observados en el agua de un acuífero son principalmente resultado de
mezcla entre dos (o más) aguas de origen y composición diferente.
¾ Si se conoce la composición química de las distintas aguas (llamadas
miembros extremos) que se están mezclando y la composición (intermedia)
de otra agua que es mezcla de las anteriores, usando un componente
químico conservativo (Cl) presente en todas ellas se puede cuantificar la
proporción de cada agua extrema en la mezcla de la siguiente forma:
Clm = xCl1 + (1-x)Cl2
Clm - Cl2
x = ---------Cl1 - Cl2
Clm = Cl (mg/L) en el agua mezcla
Cl1 = Cl (mg/L) en el agua extremo 1
Cl2 = Cl (mg/L) en el agua extremo 2
x = proporción del agua 1 en la mezcla
1-x = proporción del agua 2 en la mezcla
(a veces x y 1-x se manejan en %)
Aplicación
¾ Usando las concentraciones de Cl en esas aguas se obtienen las
proporciones de agua dulce y agua salada en los pozos 15 y 19:
ClP5= 140,5 mg/L
ClP19= 2506 mg/L
ClMar= 19000 mg/L
ClP15= 1011 mg/L
Pozo 15:
ClP15 = xClmar + (1-x)Cldulce ; x = (ClP15 – Cldulce) / (Clmar – Cldulce) x 100
x = 100 (1011-140,5)/(19000 -140,5) = 4,6 % de agua de mar
1-x = 100 – 4,6 = 95,4 % de agua dulce
Pozo 19:
x = 100 (2506-140,5)/(19000 -140,5) = 12,5 % de agua de mar
1-x = 100 – 12,5 = 87,5 % de agua dulce
Utilidades de la cuantificación de mezclas de distintas aguas
Caso de mezcla con agua marina
Dulce
Ca-HCO3
Ca2+ dominante
¾ El cálculo de la mezcla teórica y su
comparación con la real permite:
- Conocer si la mezcla obedece a un
proceso de salinización actual (el
agua mezcla real tiene menos Na y
más Ca que el agua mezcla teórica)
o antiguo en retroceso (el agua
mezcla real tiene más Na menos Ca
que el agua mezcla teórica).
- Prever y cuantificar modificaciones
futuras de la calidad y diseñar
actuaciones de prevención.
Mezcla
Na, Ca y Mg
Modificados
respecto a la
mezcla real por
intercambio
iónico
Salada
Na-Cl
+
Na dominante
MAR
Agua dulce
a
ezcl
m
a
Agu
0
25
50
1000 m
D-CaHCO3+
D-MgHCO3+
S-NaHCO3
Agua salada
0 msnm
S-NaCl
Otras utilidades de la cuantificación de mezclas de distintas aguas
¾ Cuantificar la cantidad de solutos que entran/salen del agua
subterránea (transferencia de masa) durante las reacciones químicas
agua-aire-terreno a lo largo de una línea de flujo en una cuenca.
¾ Prever (cuantitativamente) cómo cambiaría la calidad del agua de un
acuífero si se importa agua para riego de otra cuenca.
¾ Cuantificar la meteorización de una cuenca
¾ Conocer qué nivel acuífero, y cuánto de cada uno, proporciona
mineralización al agua de un manantial; ...
¾ Ayudar a establecer la red de flujo de un acuífero, contrastando
hipótesis y validando o descartando las reacciones que pueden o no
tener lugar en un medio dado (p. ej.: minerales que NO están en un
acuífero no pueden disolverse!).
CUANTIFICACIÓN DE LA RECARGA A UN ACUÍFERO CALCULANDO EL BALANCE DE
MASAS DE Cl ENTRE LA LLUVIA Y EL AGUA FREÁTICA EN LA ZONA DE RECARGA
Motivación
¾ Conocer con precisión la recarga (R) a acuíferos es fundamental para la
correcta gestión de los mismos.
¾ Todos los métodos de cuantificación de R (climáticos, hidráulicos,
numéricos..) tienen un margen de incertidumbre no despreciable, por lo que
siempre que se pueda se deben utilizar varios (independientes entre sí)
como herramienta de contraste.
¾ R varía espacial y temporalmente en función de la pluviometría,
características del suelo y de la vegetación, pero una buena estimación del
valor medio multianual* de R se puede obtener comparando la aportación por
la lluvia de un componente conservativo (ej. Cl) y la concentración del mismo
en el agua de recarga al nivel freático.
* Recarga en estado estacionario, representativa de un año típico
Fundamento
1. Si el balance multianual de agua a través de la zona no saturada es:
P = ETR + R + Es
2. El balance multianual
de masa de Cl es:
P (mm/año)
ClP mg/L/año
ETR (mm/año)
av g/m2/año
a’v g/m2/año
Es (mm/año)
ClEs mg/L/año
as g/m2/año
Cl
...
R mg/L/año
R (mm/año)
y
R = P-ETR-Es
x Cl
RClR = PClP – EsClEs – ETR + as - av + a’v
R = recarga media (mm/año)
P = precipitación media (mm/año)
Es = escorrentía superficial media (mm/año)
ETR = evapotranspiración (en mm/año). Sólo
elimina agua, no sales
CP = contenido medio de Cl en la precipitación
(mg/L)
CR = contenido medio de Cl en la recarga (agua
freática) (mg/L)
as = aporte de Cl al agua desde los minerales del suelo
(si los hay) o artificialmente (adición de NaCl)
(g/m2/año)
av = retención de Cl tomado del agua por la
vegetación (g/m2/año)
a’v = aporte de Cl al agua al morir la vegetación
(g/m2/año)
Para aplicarlo es necesario que estas condiciones se cumpla (razonablemente):
1) Todo el Cl del agua freática (ClR) procede de la lluvia, no hay minerales con Cl en
el suelo, ni aportes antrópicos de Cl.
2) La vegetación es natural (no hay cultivos) y la asimilación de Cl por la vegetación
es, a largo plazo, igual a la liberación de Cl al suelo por la vegetación muerta.
3) No hay escorrentía superficial significativa o es despreciable (Es << P y R).
¾ En ausencia de acumulación de
Cl en el suelo y en las plantas:
RClR ≈ PClP
y
R/P ≈ ClP/ClR
Aplicación
¾ Con:
Pmedia = 350 mm/año
ClP = 30 mg/L
ClR = 140 ± 8 mg/L
¾ Aumento de concentración de
Cl en el agua freática respecto a
la lluvia: por evapotranspiración.
Factor de concentración fc:
Recarga media interanual:
R =350x30 / 140±8 = 71 a 79,5 mm/año
Coeficiente de recarga R/P =0,20 a 0,23
Un 20-23% de la lluvia se convierte en recarga
fc = ClR / ClP = 140±8 / 30 = 4,4 a 4,9
CUANTIFICACIÓN DE LA DESCARGA DE AGUA SUBTERRÁNEA A RÍOS
Motivación
¾ Otro proceso hidrogeológico de gran interés desde el punto de vista de la
gestión de recursos hídricos (que INCLUYE necesariamente los usos
medioambientales),especialmente en climas templados, es la descarga de
agua subterránea a cauces, lagunas, lagos,...
¾ El estudio de hidrogramas (cuando
existen) para cuantificar los aportes
subterráneos no siempre es inmediato.
¾ El uso de balances de masas de solutos
conservativos entre el acuífero y dos
puntos del cauce, cuyo caudal y
concentración de soluto son conocidos,
permite –bajo ciertas condicionescuantificar el caudal de agua
subterránea aportada entre ambos puntos.
Fundamento
¾ Si entre los dos puntos de medida A y B no existe descarga de agua
almacenada en las riberas durante una crecida anterior del río, ni otros
aportes superficiales (arroyos, efluentes urbanos, industriales o agrícolas),
entonces el balance de masas de cloruro en el punto B es:
QB . ClB ≈ QA . ClA + Qsubt . Clsubt
Aplicación:
QA conocido
ClA conocido
Clacuífero: conocido
¿Qacuífero entre A y B?
QB conocido
ClB conocido
Si se conocen los valores de QB, QA, ClB ,
ClA y Clsubt (concentración media de cloruro
en el agua subterránea medida en pozos
del entorno del río), entonces se puede
estimar el valor de Qsubt
QB = 310 L/s
A
150 m
100 m
B
50 m
ClB = 100 mg/L
entonces:
QA = 250 L/s
Qsubt= 310.100 – 250.80
ClA = 80 mg/L
Clsubt = 150 mg/L
150
Qsubt ≈ 73 L/s