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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