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Volumen 111 - Número 4 (Especial) - Año 2000
Revista trimestral de Ciencias de la Tierra - Fundada en 1874 - 5ª serie

 

SUMARIO

J. TÓTH: Las aguas subterráneas como agente geológico: causas, procesos y manifestaciones. [Abrir PDF]

J. MOLINERO HUGUET y F. J. SAMPER CALVETE: Coherencia de los modelos de flujo subterráneo y los modelos hidroquímicos de mezcla de aguas: aplicación a la Isla de Äspö (Suecia). [Abrir PDF]

E. CUSTODIO y C. HERRERA: Utilización de la relación Cl/Br como trazador hidroquímico en hidrología subterránea. [Abrir PDF]

X. SÁNCHEZVILA, J. CARRERA y P. M. MEIER: Sobre la interpretación de ensayos hidráulicos en acuíferos no homogéneos. [Abrir PDF]

D. E. MARTÍNEZ, E. M. BOCANEGRA y M. MANZANO: La modelación hidrogeoquímica como herramienta en estudios hidrogeológicos. [Abrir PDF]

 

 

 

 

Las aguas subterráneas como agente geológico: causas, procesos y manifestaciones.

J. Tóth(1)

(1) Department of Earth and Atmospheric Sciences, University of Alberta, Canadá


RESUMEN

El agua subterránea es un agente geológico de carácter general. Esta percepción no se pudo desarrollar hasta los años 60-70, cuando se empezó a reconocer la naturaleza de sistema del flujo de las aguas subterráneas en cuenca, sus propiedades, geometría y factores de control.

Las dos causas fundamentales para el papel activo de las aguas subterráneas en la naturaleza son su capacidad para interactuar con el medio ambiente y la distribución espacial del flujo subterráneo. Ambas tienen lugar simultáneamente y a cualquier escala de espacial o temporal. Así, el flujo subterráneo tiene lugar desde la superficie hasta a grandes profundidades, y desde escalas de un día hasta tiempos geológicos. En este artículo se identifican tres tipos principales de interacciones entre aguas subterráneas y medio ambiente, con ciertos procesos particulares para cada tipo de interacción: (1) Interacción química, con los procesos de disolución, hidratación, hidrólisis, oxidación-reducción, ataque químico, precipitación, intercambio iónico, reducción de sulfatos, concentración, y ultrafiltración u ósmosis; (2) interacción física, con los procesos de lubricación y modificación de presiones intersticiales; y (3) interacción cinética, con los procesos de transporte de agua, de materia acuosa y no acuosa y de calor. Dadas las características especiales del flujo en cuencas sedimentarias, los efectos de interacción son acumulativos en el tiempo y se distribuyen espacialmente de acuerdo con la geometría de los sistemas de flujo.

El número y la diversidad de los fenómenos naturales que se generan por flujo subterráneo son prácticamente ilimitados, ya que los tipos básicos se pueden modificar por una o varias de las componentes del medio hidrogeológico: topografía, geología y clima. Los seis grupos básicos en los que se han dividido las manifestaciones de flujo subterráneo son: (1) Hidrología e hidráulica, (2) química y mineralogía, (3) vegetación, (4) mecánica del suelo y de las rocas, (5) geomorfología y (6) transporte y acumulación. En consecuencia, dada la gran diversidad de efectos y manifestaciones en los que interviene, se concluye la importancia de las aguas subterráneas como agente geológico.

Palabras clave: Hidrogeología general, Flujo de cuenca, Agente geológico, Hidrogeoquímica, Medio ambiente.

Groundwater as a geological agent: causes, processes and manifestations.

ABSTRACT

Groundwater is a general geologic agent. This perception could not evolve until the 1960s and 1970s, when the system nature of basinal groundwater flow and its properties, geometries, and controlling factors became recognized and understood.

The two fundamental causes for groundwater’s active role in nature are its ability to interact with the ambient environment and the systematized spatial distribution of its flow. Interaction and flow occur simultaneously at all scales of space and time. Thus, effects of groundwater flow are created from the land surface to the greatest depths of the porous parts of the Earth’s crust, and from a day’s length through geologic times. Three main types of interaction between groundwater and environment are identified, with several special processes for each one, namely: (1) Chemical interaction, with processes of dissolution, hydration, hydrolysis, oxidation–reduction, attack by acids, chemical precipitation, base exchange, sulphate reduction, concentration, and ultrafiltration or osmosis; (2) Physical interaction, with processes of lubrication and pore–pressure modification; and (3) Kinetic interaction, with the transport processes of water, aqueous and nonaqueous matter, and heat. Owing to the transporting ability and spatial patterns of basinal flow, the effects of interaction are cumulative and distributed according to the geometries of the flow systems.

The number and diversity of natural phenomena that are generated by groundwater flow are almost unlimited, as the relatively few basic types are modified by some or all of the three components of the hydrogeologic environment: topography, geology, and climate. The six basic groups into which manifestations of groundwater flow have been divided are: (1) Hydrology and hydraulics; (2) Chemistry and mineralogy; (3) Vegetation; (4) Soil and rock mechanics; (5) Geomorphology; and (6) Transport and accumulation. Based on such a diversity of effects and manifestations, it is concluded that groundwater is a general geologic agent.

Key words: General hydrogeology, Basinal groundwater flow, Geologic agent, Hydrochemistry, Environment


 

 

 

 

Coherencia de los modelos de flujo subterráneo y los modelos hidroquímicos de mezcla de aguas: aplicación a la Isla de Äspö (Suecia).

J. Molinero Huguet(1) y F. J. Samper Calvete(1)

(1) Grupo de Hidrología Subterránea. E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. Universidad de A Coruña

Campus de Elviña s/n. 15192 A Coruña.

molinero@iccp.udc.es / samper@iccp.udc.es

http://hydra.udc.es


 

RESUMEN

Es una práctica muy extendida en hidrogeología el analizar y estudiar por separado los aspectos hidrodinámicos e hidroquímicos. La información hidrogeológica suele incorporarse de forma cuantitativa en modelos numéricos de flujo subterráneo, mientras que la información hidroquímica se suele interpretar cualitativamente o bien por medio de modelos de equilibrio químico y modelos de mezcla de aguas. En la construcción de modelos de flujo se suele tener en cuenta de forma cualitativa la información hidroquímica. Análogamente, la interpretación de los datos hidroquímicos e isotópicos se suele abordar considerando las líneas generales del flujo en los acuíferos. Sólo en casos muy concretos se ha abordado de forma cuantitativa la consistencia entre los resultados de un modelo de flujo y las conclusiones de la interpretación hidroquímica. En este artículo se presenta una metodología que permite evaluar la coherencia entre un modelo numérico hidrodinámico y un modelo hidroquímico de mezcla de aguas. Esta metodología requiere disponer de un conocimiento hidrogeológico suficiente como para construir un modelo de flujo y transporte de solutos, así como disponer de una base de datos hidroquímicos e isotópicos estadísticamente representativa del sistema. La evaluación de la coherencia se realiza en términos de fracciones de mezcla de distintos tipos de aguas. La metodología propuesta se aplicó para comparar un modelo hidrodinámico y otro hidroquímico que fueron realizados con el objetivo común de evaluar el impacto producido por la construcción de un túnel sobre el sistema hidrogeológico e hidroquímico de la isla de Äspö (Suecia). En el caso de la isla de Äspö se obtiene un elevado grado de coherencia entre los resultados de ambos modelos, lo cual se interpreta como una prueba de validación adicional para los dos modelos. El presente trabajo muestra además el potencial metodológico de la utilización combinada de ambos tipos de modelos. Mediante la incorporación en el modelo hidrodinámico de las fracciones de mezcla deducidas a partir de la hidroquímica, la metodología propuesta permite estudiar cuantitativamente las variaciones que se producen en las facies hidroquímicas cuando se inducen cambios en las condiciones hidrogeológicas.

Palabras clave: Modelos hidrodinámicos, Modelos hidroquímicos, Integración de la hidrogeología y la hidroquímica, Evaluación de la coherencia, Validación de modelos.

Coherence between groundwater flow models and hydrochemical mixing models: application to the Äspö Island (Sweden).

ABSTRACT

Hydrogeologic and hydrochemical data are usually analyzed and interpreted independently. Hydrogeologic information and data are often incorporated into groundwater flow models, while hydrochemical information is usually interpreted qualitatively or in some cases quantitatively by means of chemical equilibrium and/or mixing models. In this paper a methodology is presented to check the consistency between numerical hydrodynamic models and hydrochemical mixing models. Consistency is evaluated in terms of mixing fractions, which are derived from the statistical analysis of hydrochemical data. These mixing fractions are then introduced into the numerical flow and transport model. The ability of the hydrodynamic model to reproduce mixing fractions serves as a measure of the consistency between hydrodynamic and hydrochemical models. The proposed methodology has been used to compare a hydrodynamic model and a hydrochemical model of the Äspö Island (Sweden). These models were performed in order to evaluate the impact of a tunnel construction on the hydrogeology and hydrochemistry of the system. Results of the assessment of consistency show a high level of coherence, which constitutes an additional validation for both models. This paper also shows the potential of this methodology to integrate and combine hydrodynamic and hydrochemical data for regional aquifers. Incorporating hydrochemical model results into hydrodynamic numerical models allows one to study quantitatively the variations in hydrochemical facies induced by changes in flow patterns.

Key words: Hydrodynamic models, Hydrochemical models, Integration of hydrogeology and hydrochemistry, Consistency assessment, Model validation.


 

 

 

 

 

 

Utilización de la relación Cl/Br como trazador hidrogeoquímico en hidrología subterránea.

E. Custodio(1) y C. Herrera(1)

(1) Prof. Dep. Ing. Terreno, Univ. Politécnica de Cataluña, Barcelona. Actualmente en el ITGE, Madrid.

(2) Becario Dep. Ing. Terreno, Univ. Politécnica de Cataluña, Barcelona y Universidad Católica del Norte. Antofagasta, Chile


RESUMEN

El cloruro y el bromuro son dos iones con comportamiento próximo al del trazador ideal. Su origen más frecuente en las aguas subterráneas dulces es común y corresponde al aerosol marino incorporado a la precipitación atmosférica. Pero su presencia no es del todo paralela y por lo tanto pueden ayudar a identificar el origen del agua subterránea en circunstancias apropiadas. Para ello, además de los estudios hidrogeoquímicos a partir de los iones principales, se puede considerar la relación Rº rCl/rBr (r indica concentración en meq L-1 o en mmol L-1). El valor marino es de 655 ± 4. Normalmente es menor en las aguas continentales dulces, que con frecuencia muestran una relación entre 100 y 600, y más comúnmente entre 350 y 500. La incorporación de halita al agua, naturalmente o por procesos antrópicos, incrementa notablemente la relación, mientras que la contaminación por bromo a causa del quemado de gasolinas o por ciertos productos agroquímicos lo pueden hacer disminuir notablemente. En el caso de aguas salinas y salmueras la relación puede indicar el origen de la salinidad o la presencia de mezclas de aguas de diferentes orígenes.

Palabras clave: Agua subterránea, Precipitación, Bromuros, Relación cloruro/bromuro.

Use of the ratio Cl/Br as a hydrogeochemical tracer in groundwater hydrology.

ABSTRACT

Chloride and bromide are two ions which behave close to the ideal tracer. In most cases they have a common origin in fresh groundwater which is the incorporation of marine aerosol to atmospheric precipitation. But their presence is not fully parallel and as a consequence they may help to identify groundwater origin under appropriate circumstances. To do this, besides the hydrogeochemical studies using the major ions, the ratio Rº rCl/rBr (r means concentration in meq L-1 or mmol L-1) can be used. The marine value is 655 ± 4. It decreases in fresh continental waters, which often have a ratio between 100 and 600, and more frequently between 350 and 500. When halite is naturally or anthropically added to water, the ratio greatly increases. Contamination by bromine from burning of automobile fuels or from some agrochemicals may greatly decrease the ratio. In the case of saline waters and brines the ratio may point to the origin of salinity or the existence of mixing processes.

Key words: Groundwater, Precipitation, Bromide, Ratio chloride/bromide.


 

 

 

 

 

Sobre la interpretación de ensayos hidráulicos en acuíferos no homogéneos.

X. Sánchez-Vila(1), J. Carrera y P. M. Meier(2)

(1) Dpto. Ingeniería del Terreno, Cartográfica y Geofísica, Universidad Politécnica de Cataluña, Barcelona.

(2) Dpto. Ingeniería del Terreno, Cartográfica y Geofísica, Universidad Politécnica de Cataluña, Barcelona. 

Actualmente en ANDRA, París.


RESUMEN

La obtención de parámetros hidráulicos de un acuífero suele realizarse a partir de la interpretación de ensayos hidráulicos con condiciones de flujo radial convergente. El objetivo de este artículo es ver como las fórmulas habituales de la hidráulica de pozos se pueden extender para incluir explícitamente la heterogeneidad del medio, y más importante, que los valores que se obtienen de la interpretación de ensayos en medios heterogéneos son valores representativos del medio y con un claro significado e interés hidrogeológico.

Para ello es preciso relacionar la transmisividad deducida de ensayos de bombeo con la heterogeneidad natural. Esto se ha realizado analítica y numéricamente. El resultado, que coincide con las observaciones de campo, es que cuando existen varios puntos de observación, la transmisividad (T) deducida por el método de Jacob tiende a ser la misma para todos los puntos de observación. Más importante, dicha transmisividad es, bajo condiciones muy generales, igual a la T efectiva, es decir, a la que controla el flujo natural bajo condiciones de gradiente uniforme. Esto apoya la metodología que han venido usando tradicionalmente los hidrogeólogos.

Por el contrario, el coeficiente de almacenamiento (S) estimado mediante el método de Jacob refleja el grado de conexión hidráulica entre los puntos de bombeo y observación, y sólo parcialmente el verdadero valor de S en el acuífero.

Palabras clave: Parámetros hidráulicos, Ensayos de bombeo, Medio heterogéneo, Parámetros representativos, Parámetros efectivos.

On the interpretation of pump test in non-homogeneous aquifers

ABSTRACT

Hydraulic parameters are usually obtained from convergent flow pump tests. This paper is devoted to show that the classical well hydraulics formulae can be extended to account explicitly for heterogeneity. Furthermore, it is shown that the values obtained from a classical interpretation of hydraulic tests in heterogeneous media are representative hydraulic values, with a clear physical meaning, and quite useful in hydrogeological studies.

For this purpose, it is necessary to relate the transmissivity values derived from the interpretation of pump tests with the natural aquifer heterogeneity. This has been performed both analytical and numerically. The main result, consistent with field observations, is that when several observation points are available, the transmissivity (T) estimated using Jacob’s method tends to converge to a single value for all points. Moreover, this T value is, under very general conditions, equal to the effective T value, that is, the value controlling the natural flow under uniform gradient conditions. These results support the methodology that has been traditionally used by hydrogeologists.

Contrarily, the storage coefficient (S) estimated from Jacob’s method reflexes the degree of hydraulic connection between the pumping and observation points, and just partially the true S value in the aquifer.

Key words: Hydraulic parameters, Pump tests, Heterogeneous media, Representative parameters, Effective parameters


 

 

 

 

 

La modelación hidrogeoquímica comoherramienta en estudios hidrogeológicos.

D. E. Martínez(1), E. M. Bocanegra(2) y M. Manzano(3)

(1) CONICET – Centro de Geología de Costas y del Cuaternario, Universidad Nacional de Mar del Plata.

Casilla de Correo 722 (7600) Mar del Plata, Argentina. demarti@mdp.edu.ar

(2) Centro de Geología de Costas y del Cuaternario, Universidad Nacional de Mar del Plata – CIC.

Casilla de Correo 722 (7600) Mar del Plata, Argentina. ebocaneg@mdp.edu.ar

(3) Unidad Asociada de Hidrología Subterránea, Consejo Superior de Investigaciones Científicas y Universidad Politécnica de Cataluña. Jordi Girona 1-3, edificio D", 08034 Barcelona, España. marisol.manzano@upc.es


RESUMEN

La teoría termodinámica permite predecir cómo reaccionarán los componentes en sistemas de diferente complejidad, aún los multifases y multicomponentes, y cuál será el estado final (estado de equilibrio) del sistema una vez finalizadas las reacciones. La aplicación de estos conceptos es de gran utilidad en aguas subterráneas, permitiendo comprender el origen de la composición de las mismas y la causa de sus variaciones espaciales y temporales.

La complejidad de los cálculos que requieren los modelos de equilibrio, consecuencia de la complejidad de los sistemas hidrogeo-químicas reales y de la necesidad de utilizar procedimientos iterativos, se ve superada gracias a la ayuda de códigos de computación diseñados a tal efecto. Los códigos de computación existentes hoy en día resuelven dos tipos de modelos: modelos directos y modelos inversos. Los modelos directos son aquellos en los cuales conocida la composición inicial de una solución y establecidas las reacciones hidrogeoquímicas que se piensa tienen o tendrán lugar en el sistema, se obtiene como resultado una solución final que es el producto de la esas reacciones. Permiten hacer predicciones acerca del funcionamiento de un sistema y son especialmente útiles en el caso de situaciones hipotéticas o con un elevado nivel de incertidumbre respecto a las características reales del medio. Los modelos inversos son aquellos en que, conocidas la composición inicial y final de una solución caracterizada a lo largo de una línea de flujo, y los minerales y gases presentes en el medio, calculan mediante balance de masas cuáles son las reacciones que pueden explicar los cambios de composición observados entre los dos puntos extremos y en qué magnitud pueden ocurrir (transferencia de masa entre las distintas fases). Son de especial utilidad para identificar los conjuntos de procesos plausibles en el medio estudiado.

En este trabajo se discute la utilidad de usar modelos hidrogeoquímicos sencillos, tanto directos como inversos, para contrastar hipótesis hidrogeológicas. La discusión se ilustra con cuatro ejemplos de aplicación de modelos hidrogeoquímicos a sistemas naturales. Se discuten las limitaciones de los modelos aplicados en cada caso y la utilidad de los resultados obtenidos.

Palabras clave: Hidrogeoquímica, Modelación, Equilibrio químico, Soluciones

The hydrogeochemical modeling as a tool for hydrogeological studies.

ABSTRACT

By means of the thermodynamic theory the final state, referred to as equilibrium state, of systems with many phases and components can be predicted. The chemical equilibrium concept can be successfuly applied to many groundwater systems in order to predict the natural changes in complex cases.

The complexity of the calculations involved in equilibrium models, resulting from the complexity of the systems themselves and from the need to use iterative procedures, was significatively simplified by the development of computer programmes. The hydrogeochemical modeling codes solve basically two types of models: forward and inverse (or balance) models. In forward models, given the initial composition of a solution, and a set of proposed chemical reactions, the ultimate solution resulting from such reactions is obtained. Inverse models are those in which, given an initial and a final solution, and solid and gaseous phases present in the system, several sets of chemical processes that can explain the observed differences between the initial and the final water composition are obtained by means of mass balance calculations. Assumed certain hypothesis. Some of these sets are discarded and some other selected as plausible. Four examples are used to illustrate the application of hydrogeochemical models to field studies. A discussion on its limitations and usefulness in terms of hydrogeological studies is performed.

Key words: Hydrogeochemistry, Modeling, Thermodynamics, Equilibria, Solutions

 

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