Práctica 5 - Explicación

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Asignatura: HIDROLOGÍA SUBTERRÁNEA (ITOP)/HIDROGEOLOGÍA (ITM), UPCT Curso: 2008-2009 Fecha: 03/12/2008 Profesora: Marisol Manzano Arellano 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, HCO 3 y SO 4 . 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).

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Asignatura: HIDROLOGÍA SUBTERRÁNEA (ITOP)/HIDROGEOLOGÍA (ITM), UPCT

Curso: 2008-2009 Fecha: 03/12/2008 Profesora: Marisol Manzano Arellano 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).

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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. 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.

Pozo 5 Pozo 15 Pozo 19 Agua marTotal aniones meq/L 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 9,4Total cationes meq/L 10,33 41,49 80,02 642,47% Na + K 36,7 90,1 59,6 79,4% Ca 33,01 3,49 24,81 3,11% Mg 30,25 6,43 15,64 17,51

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Información que se deduce del diagrama de Piper: - Agua del Pozo 5: es la más dulce y de distinto tipo químico (bicarbonatada-clorurada-sódica-cálcica) 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 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).

as g/m2/año

...

P (mm/año)ClP mg/L/año

ClR mg/L/año

Es (mm/año)ClEs mg/L/año

R (mm/año)

av g/m2/añoa’v g/m2/año as g/m2/año

...

P (mm/año)ClP mg/L/año

ClR mg/L/año

Es (mm/año)ClEs mg/L/año

R (mm/año)

av g/m2/añoa’v g/m2/año

ETR (mm/año)

as g/m2/año

...

P (mm/año)ClP mg/L/año

ClR mg/L/año

Es (mm/año)ClEs mg/L/año

R (mm/año)

av g/m2/añoa’v g/m2/año as g/m2/año

...

P (mm/año)ClP mg/L/año

ClR mg/L/año

Es (mm/año)ClEs mg/L/año

R (mm/año)

av g/m2/añoa’v g/m2/año

ETR (mm/año)

Page 4: Práctica 5 - Explicación

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. 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 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:

as g/m2/año

...

P= 550 mm/año)Clp= 0,094 mmol/L

ClF=0,36 mmol/LCO2 , SiO2CaCO3 , CaMg(CO3)2

as g/m2/año

...

P= 350 mm/año)Clp= 30 mg/L

ClR=140 ± 8 mg/L CO2 , SiO2CaCO3 , CaMg(CO3)2

as g/m2/año

...

P= 550 mm/año)Clp= 0,094 mmol/L

ClF=0,36 mmol/LCO2 , SiO2CaCO3 , CaMg(CO3)2

as g/m2/año

...

P= 350 mm/año)Clp= 30 mg/L

ClR=140 ± 8 mg/L CO2 , SiO2CaCO3 , CaMg(CO3)2

Page 5: Práctica 5 - Explicación

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:

Clm = xCls + (1-x)Cld Operando y despejando:

Clm - Cld x = ------------

Cls - Cld Donde: 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: 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

Page 6: Práctica 5 - Explicación

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.

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.

MAR0 msnm

50

25

0 1000 m

Agua salada

Agua dulce

Agua mezcla

DulceCa-HCO3

Ca2+ dominante SaladaNa-Cl

Na+ dominante

MezclaNa, Ca y Mg Modificados respecto a la

mezcla real por intercambio

iónico

MAR0 msnm

50

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0 1000 m

Agua salada

Agua dulce

Agua mezcla

DulceCa-HCO3

Ca2+ dominante SaladaNa-Cl

Na+ dominante

MezclaNa, Ca y Mg Modificados respecto a la

mezcla real por intercambio

iónico

MAR0 msnm

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0 1000 m

Agua salada

Agua dulce

Agua mezcla

DulceCa-HCO3

Ca2+ dominante SaladaNa-Cl

Na+ dominante

MezclaNa, Ca y Mg Modificados respecto a la

mezcla real por intercambio

iónico

D-CaHCO3+

D-MgHCO3+

S-NaCl S-NaHCO3

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 Caque el agua mezcla teórica).

- Prever y cuantificar modificaciones futuras de la calidad y diseñar actuaciones de prevención.

Caso de mezcla con agua marina

MAR0 msnm

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0 1000 m

Agua salada

Agua dulce

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DulceCa-HCO3

Ca2+ dominante SaladaNa-Cl

Na+ dominante

MezclaNa, Ca y Mg Modificados respecto a la

mezcla real por intercambio

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Agua salada

Agua dulce

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Ca2+ dominante SaladaNa-Cl

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mezcla real por intercambio

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Agua salada

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Ca2+ dominante SaladaNa-Cl

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MezclaNa, Ca y Mg Modificados respecto a la

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S-NaCl S-NaHCO3

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Agua salada

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DulceCa-HCO3

Ca2+ dominante SaladaNa-Cl

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MezclaNa, Ca y Mg Modificados respecto a la

mezcla real por intercambio

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Agua salada

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DulceCa-HCO3

Ca2+ dominante SaladaNa-Cl

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MezclaNa, Ca y Mg Modificados respecto a la

mezcla real por intercambio

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Agua salada

Agua dulce

Agua mezcla

DulceCa-HCO3

Ca2+ dominante SaladaNa-Cl

Na+ dominante

MezclaNa, Ca y Mg Modificados respecto a la

mezcla real por intercambio

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D-CaHCO3+

D-MgHCO3+

S-NaCl S-NaHCO3

D-CaHCO3+

D-MgHCO3+

S-NaCl S-NaHCO3

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 Caque el agua mezcla teórica).

- Prever y cuantificar modificaciones futuras de la calidad y diseñar actuaciones de prevención.

Caso de mezcla con agua marina

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 Caque el agua mezcla teórica).

- Prever y cuantificar modificaciones futuras de la calidad y diseñar actuaciones de prevención.

Caso de mezcla con agua marina

Page 7: Práctica 5 - Explicación

E: evaporación P: precipitación C: polución T: transpiración

1: asimilación selectiva por la vegetación 5: precipitación de minerales2: oxidación/reducción 6: mezcla de distintas aguas3: intercambio catiónico 7: lixiviado de fertilizantes 4: disolución de CO2 y de minerales 8: procesos biológicos

E

T P

E

C

87

EE1,2,3,4,5

5,6

6

3 mar/lago

agua dulc

e

3,6 agua sa

lada

E: evaporación P: precipitación C: polución T: transpiración

1: asimilación selectiva por la vegetación 5: precipitación de minerales2: oxidación/reducción 6: mezcla de distintas aguas3: intercambio catiónico 7: lixiviado de fertilizantes 4: disolución de CO2 y de minerales 8: procesos biológicos

E: evaporación P: precipitación C: polución T: transpiración

1: asimilación selectiva por la vegetación 5: precipitación de minerales2: oxidación/reducción 6: mezcla de distintas aguas3: intercambio catiónico 7: lixiviado de fertilizantes 4: disolución de CO2 y de minerales 8: procesos biológicos

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3,6 agua sa

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EE1,2,3,4,5

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3 mar/lago

agua dulc

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3,6 agua sa

lada

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. Interpretar el origen y las modificaciones de la composición del agua con el apoyo de gráficos.

2. Usar los balances de masa de solutos para cuantificar algunos procesos hidrogeológicos de forma independiente a los métodos convencionales.

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

Page 8: Práctica 5 - Explicación

EJEMPLO DE ESTUDIO HIDROQUÍMICO DE UN ACUÍFERO. 1. ORIGEN Y MODIFICACIONES DE LA COMPOSICIÓN DEL AGUA SUBTERRÁNEA

- Zona en desarrollo turístico y sin fuentes superficiales de agua dulce. Se desea estudiar la posibilidad de abastecimiento con agua subterránea.

-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:

* 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 represen-tativa del agua más dulce del acuífero

* Los minerales más abundantes son calcita (CaCO3), dolomita (CaMg(CO3)2) y yeso (CaSO4 2H2O)

P5P15 P19

Mar

40 30

20

10

Isopiezasmsnm

Líneas de flujo de agua

subterránea

P5P15

P19

Mar

P5P15 P19

Mar

40 30

20

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Isopiezasmsnm

Líneas de flujo de agua

subterránea

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P5P15 P19

Mar

P5P15 P19

Mar

P15 P19Mar

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Líneas de flujo de agua

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Isopiezasmsnm

Líneas de flujo de agua

subterránea

P5P15

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Mar

Page 9: Práctica 5 - Explicación

Con esta información y los datos analíticos de la Tabla 1 se debe averiguar lo siguiente:

Identificación y fecha Pozo 5 Pozo 15 Pozo 19 Agua marParámetro 12/01/01 12/01/01 12/01/01 08/09/98pH campo 7,8 7,9 7,3 7,5T campo ºC 18 18,3 18,2 16CE (20ºC) μS/cm 935 3560 7140 43357Dureza mg/L CaCO3 258 204 1080 8554Alcalinidad campo (mg/L CaCO3) 180,3 416 184 116O2 mg/L 4,2 2,1 1,6 6,5HCO3

- mg/L 220 507,6 224,5 141,52Cl- mg/L 140,5 1011 2506 19000SO4

2- mg/L 137,3 226 295 2700NO3

- mg/L 0,4 0,2 0,8 0,6Na+ mg/L 82 839 1085 11500K+ mg/L 9 35 18,9 390Ca2+ mg/L 68,2 29 397 400Mg2+ mg/L 37,5 32 150,2 1350

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

Page 10: Práctica 5 - Explicación

Pozo 5

Pozo 15

Pozo 19

Mar

Línea de mezclateórica entre agua dulce y agua de mar

Sentido del flujo deagua subterránea

Origen y modificación de la composición del agua con apoyo del diagrama de PiperMuestra Pozo 5 Pozo 15 Pozo 19 Agua marParámetro 12/01/01 12/01/01 12/01/01 08/09/98HCO3

- meq/L 3,61 8,32 3,68 2,32Cl- meq/L 3,98 28,64 70,99 538,24SO4

2- meq/L 2,86 4,71 6,15 56,25NO3

- meq/L 0,01 0,00 0,01 0,01

total aniones 10,45 41,67 80,83 596,82Na+ meq/L 3,57 36,48 47,17 500,00K+ meq/L 0,23 0,90 0,48 9,97Ca2+ meq/L 3,41 1,45 19,85 20,00Mg2+ meq/L 3,13 2,67 12,52 112,50total cationes 10,33 41,49 80,02 642,47error balance -0,6 -0,2 -0,5 3,7

Pozo 5 Pozo 15 Pozo 19 Agua marTotal aniones meq/L 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 9,4Total cationes meq/L 10,33 41,49 80,02 642,47% Na + K 36,7 90,1 59,6 79,4% Ca 33,01 3,49 24,81 3,11% Mg 30,25 6,43 15,64 17,51

Page 11: Práctica 5 - Explicación

Pozo 5

Pozo 15

Pozo 19

Mar

Línea de mezclateórica entre agua dulce y agua de mar

Sentido del flujo deagua 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: es la más dulce y de tipo químico bicarbonatado-clorurado-sódico-cálcico, mientras que las otras tres son de tipo clorurado-sódico.

Información que proporciona el diagrama de Piper

Page 12: Práctica 5 - Explicación

Pozo 15: mezcla, modificada por reacciones, entre agua dulce típica de la zona (P5) y el agua de mar. - Triángulo aniónico: la muestra estápor 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 desadsorciónde Na).

Pozo 5

Pozo 15

Pozo 19

Mar

Línea de mezclateórica entre agua dulce y agua de mar

Sentido del flujo deagua subterránea

Pozo 5

Pozo 15

Pozo 19

Mar

Línea de mezclateórica entre agua dulce y agua de mar

Sentido del flujo deagua subterránea

Pozo 5

Pozo 15

Pozo 19

Mar

Línea de mezclateórica entre agua dulce y agua de mar

Sentido del flujo deagua subterránea

Page 13: Práctica 5 - Explicación

Conclusiones

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 5 es muy poco salina. Parece agua de recarga nomodificada 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 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.

Page 14: Práctica 5 - Explicación

Solutos conservativos

• Intervienen en muy pocas o ninguna reacción química con el medio.

• Concentración en el agua: sólo cambia por procesos físicos tales como mezcla con otras aguas o evaporación.

• Típicamente: Cl, Br, 18O, 2H..

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 acuífero2. Mezcla de distintas aguas y sus proporciones 3. Caudales de descarga a ríos, lagunas,..

Objetivos

EJEMPLO DE ESTUDIO HIDROQUÍMICO DE UN ACUÍFERO. 1. ORIGEN Y MODIFICACIONES DE LA COMPOSICIÓN DEL AGUA SUBTERRÁNEA

Page 15: Práctica 5 - Explicación

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.

Usando las concentraciones de Cl en esas aguas se obtienen las proporciones de agua dulce y agua salada en los pozos 15 y 19:

CUANTIFICACIÓN DE MEZCLAS DE DISTINTAS AGUAS

Aplicación

Identificación y fecha Pozo 5 Pozo 15 Pozo 19 Agua marParámetro 12/01/01 12/01/01 12/01/01 08/09/98pH campo 7,8 7,9 7,3 7,5T campo ºC 18 18,3 18,2 16CE (20ºC) μS/cm 935 3560 7140 43357Dureza mg/L CaCO3 258 204 1080 8554Alcalinidad campo (mg/L CaCO3) 180,3 416 184 116O2 mg/L 4,2 2,1 1,6 6,5HCO3

- mg/L 220 507,6 224,5 141,52Cl- mg/L 140,5 1011 2506 19000SO4

2- mg/L 137,3 226 295 2700NO3

- mg/L 0,4 0,2 0,8 0,6Na+ mg/L 82 839 1085 11500K+ mg/L 9 35 18,9 390Ca2+ mg/L 68,2 29 397 400Mg2+ mg/L 37,5 32 150,2 1350

Page 16: Práctica 5 - Explicación

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.

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 %)

Motivación

Page 17: Práctica 5 - Explicación

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 ClMar= 19000 mg/LClP19= 2506 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

Aplicación

Page 18: Práctica 5 - Explicación

MAR0 msnm

50

25

0 1000 m

Agua salada

Agua dulce

Agua mezcla

DulceCa-HCO3

Ca2+ dominante SaladaNa-Cl

Na+ dominante

MezclaNa, Ca y Mg Modificados respecto a la

mezcla real por intercambio

iónico

MAR0 msnm

50

25

0 1000 m

Agua salada

Agua dulce

Agua mezcla

DulceCa-HCO3

Ca2+ dominante SaladaNa-Cl

Na+ dominante

MezclaNa, Ca y Mg Modificados respecto a la

mezcla real por intercambio

iónico

MAR0 msnm

50

25

0 1000 m

Agua salada

Agua dulce

Agua mezcla

DulceCa-HCO3

Ca2+ dominante SaladaNa-Cl

Na+ dominante

MezclaNa, Ca y Mg Modificados respecto a la

mezcla real por intercambio

iónico

D-CaHCO3+

D-MgHCO3+

S-NaCl S-NaHCO3

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.

Caso de mezcla con agua marina

Utilidades de la cuantificación de mezclas de distintas aguas

Page 19: Práctica 5 - Explicación

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, contrastandohipótesis 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!).

Otras utilidades de la cuantificación de mezclas de distintas aguas

Page 20: Práctica 5 - Explicación

Conocer con precisión la recarga (R) a acuíferos es fundamental para la correcta gestión de los mismos.

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.

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

Motivación

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

Page 21: Práctica 5 - Explicación

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 salesCP = 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)

1. Si el balance multianual de agua a través de la zona no saturada es:

P = ETR + R + Es y R = P-ETR-Es

Fundamento

2. El balance multianual de masa de Cl es:

as g/m2/año

...

P (mm/año)ClP mg/L/año

ClR mg/L/año

Es (mm/año)ClEs mg/L/año

R (mm/año)

av g/m2/añoa’v g/m2/año as g/m2/año

...

P (mm/año)ClP mg/L/año

ClR mg/L/año

Es (mm/año)ClEs mg/L/año

R (mm/año)

av g/m2/añoa’v g/m2/año

ETR (mm/año)

x Cl

Page 22: Práctica 5 - Explicación

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).

RClR ≈ PClP y R/P ≈ ClP/ClR

Aumento de concentración de Cl en el agua freática respecto a la lluvia: por evapotranspiración. Factor de concentración fc: fc = ClR / ClP = 140±8 / 30 = 4,4 a 4,9

Con: Pmedia = 350 mm/añoClP = 30 mg/LClR = 140 ± 8 mg/L

En ausencia de acumulación de Cl en el suelo y en las plantas:

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

Aplicación

Page 23: Práctica 5 - Explicación

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,...

El estudio de hidrogramas (cuando existen) para cuantificar los aportes subterráneos no siempre es inmediato.

El uso de balances de masas de solutosconservativos entre el acuífero y dos puntos del cauce, cuyo caudal y concentración de soluto son conocidos,permite –bajo ciertas condiciones-cuantificar el caudal de agua subterránea aportada entre ambos puntos.

Motivación

CUANTIFICACIÓN DE LA DESCARGA DE AGUA SUBTERRÁNEA A RÍOS

Page 24: Práctica 5 - Explicación

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

Aplicación:

QB = 310 L/s

ClB = 100 mg/L entonces:

QA = 250 L/s Qsubt= 310.100 – 250.80

ClA = 80 mg/L 150

Clsubt = 150 mg/L Qsubt ≈ 73 L/s

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

Fundamento

QA conocidoClA conocido QB conocido

ClB conocido

150 m 100 m 50 m

A

B

Clacuífero: conocido¿Qacuífero entre A y B?

QA conocidoClA conocido QB conocido

ClB conocido

150 m 100 m 50 m

A

B150 m 100 m 50 m

A

B

Clacuífero: conocido¿Qacuífero entre A y B?