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La hidrogeología ( hidro- significa agua y -geología significa el estudio de la Tierra ) es el área de la geología que se ocupa de la distribución y el movimiento del agua subterránea en el suelo y las rocas de la corteza terrestre (comúnmente en los acuíferos ). Los términos hidrología de aguas subterráneas , geohidrología e hidrogeología se usan a menudo indistintamente, aunque hidrogeología es el más comúnmente usado.
La hidrogeología es el estudio de las leyes que rigen el movimiento del agua subterránea, la interacción mecánica, química y térmica de esta agua con el sólido poroso y el transporte de energía, componentes químicos y partículas por flujo (Domenico y Schwartz, 1998).
La ingeniería de aguas subterráneas , otro nombre para la hidrogeología, es una rama de la ingeniería que se ocupa del movimiento de las aguas subterráneas y el diseño de pozos , bombas y desagües. [1] Las principales preocupaciones en la ingeniería de aguas subterráneas incluyen la contaminación de las aguas subterráneas , la conservación de los suministros y la calidad del agua . [2]
Los pozos se construyen para su uso en países en desarrollo, así como en países desarrollados en lugares que no están conectados a un sistema de agua de la ciudad. Los pozos están diseñados y mantenidos para mantener la integridad del acuífero y evitar que los contaminantes lleguen al agua subterránea. Surge controversia en el uso del agua subterránea cuando su uso afecta los sistemas de agua superficial o cuando la actividad humana amenaza la integridad del sistema acuífero local.
La hidrogeología es una disciplina interdisciplinaria ; puede resultar difícil explicar en su totalidad las interacciones químicas , físicas , biológicas e incluso legales entre el suelo , el agua , la naturaleza y la sociedad . El estudio de la interacción entre el movimiento de las aguas subterráneas y la geología puede ser bastante complejo. Las aguas subterráneas no siempre siguen la topografía de la superficie ; siguen gradientes de presión (flujo de alta presión a baja), a menudo a través de fracturas y conductos en caminos tortuosos. Tener en cuenta la interacción de las diferentes facetas de un sistema multicomponente a menudo requiere conocimientos en varios campos diversos, tanto a nivel experimental como teórico . A continuación se presenta una introducción más tradicional a los métodos y la nomenclatura de la hidrología subterránea saturada.
La hidrogeología, como se indicó anteriormente, es una rama de las ciencias de la tierra que se ocupa del flujo de agua a través de acuíferos y otros medios porosos poco profundos (normalmente a menos de 450 metros por debajo de la superficie terrestre). El flujo muy superficial de agua en el subsuelo (los 3 m superiores) es pertinente para los campos de la ciencia del suelo , la agricultura y la ingeniería civil , así como para la hidrogeología. El flujo general de fluidos (agua, hidrocarburos , fluidos geotérmicos , etc.) en formaciones más profundas también es una preocupación de geólogos, geofísicos y geólogos petroleros . El agua subterránea es un fluido viscoso de movimiento lento (con un número de Reynolds menor que la unidad); muchas de las leyes derivadas empíricamente del flujo de agua subterránea pueden derivarse alternativamente en mecánica de fluidos a partir del caso especial del flujo de Stokes (términos de viscosidad y presión , pero ningún término inercial).
Las relaciones matemáticas utilizadas para describir el flujo de agua a través de medios porosos son la ley de Darcy , la ecuación de difusión y las ecuaciones de Laplace , que tienen aplicaciones en muchos campos diversos. El flujo constante de agua subterránea (ecuación de Laplace) se ha simulado utilizando analogías eléctricas , elásticas y de conducción de calor . El flujo transitorio de agua subterránea es análogo a la difusión de calor en un sólido, por lo tanto, se han adaptado algunas soluciones a problemas hidrológicos de la literatura sobre transferencia de calor .
Tradicionalmente, el movimiento de las aguas subterráneas se ha estudiado por separado de las aguas superficiales, la climatología e incluso los aspectos químicos y microbiológicos de la hidrogeología (los procesos están desacoplados). A medida que el campo de la hidrogeología madura, las fuertes interacciones entre las aguas subterráneas, las aguas superficiales , la química del agua , la humedad del suelo e incluso el clima se están volviendo más claras.
Tanto California como Washington exigen una certificación especial a los hidrogeólogos para que puedan ofrecer servicios profesionales al público. Veintinueve estados exigen una licencia profesional a los geólogos para que puedan ofrecer sus servicios al público, lo que a menudo incluye trabajos en los ámbitos del desarrollo, la gestión y/o la remediación de los recursos de aguas subterráneas. [3]
Por ejemplo: la reducción o sobreexplotación de los acuíferos y el bombeo de agua fósil pueden ser factores que contribuyan al aumento del nivel del mar. [4]
Una de las principales tareas que suele realizar un hidrogeólogo es la predicción del comportamiento futuro de un sistema acuífero, basándose en el análisis de observaciones pasadas y presentes. Algunas preguntas hipotéticas, pero características, que se plantearían serían:
La mayoría de estas preguntas se pueden abordar mediante la simulación del sistema hidrológico (utilizando modelos numéricos o ecuaciones analíticas). La simulación precisa del sistema acuífero requiere el conocimiento de las propiedades del acuífero y las condiciones de contorno. Por lo tanto, una tarea común del hidrogeólogo es determinar las propiedades del acuífero mediante pruebas de acuíferos .
Para caracterizar mejor los acuíferos y acuitardos, a continuación se presentan algunas propiedades físicas primarias y derivadas. Los acuíferos se clasifican en términos generales como confinados o no confinados ( acuíferos de nivel freático ) y saturados o no saturados; el tipo de acuífero afecta las propiedades que controlan el flujo de agua en ese medio (por ejemplo, la liberación de agua del almacenamiento para acuíferos confinados está relacionada con la capacidad de almacenamiento , mientras que está relacionada con el rendimiento específico para acuíferos no confinados).
Un acuífero es una acumulación de agua debajo de la superficie, lo suficientemente grande como para ser útil en un manantial o un pozo. Los acuíferos pueden ser libres, donde la parte superior del acuífero está definida por el nivel freático , o confinados, donde el acuífero existe debajo de un lecho confinante. [5]
Hay tres aspectos que controlan la naturaleza de los acuíferos: la estratigrafía , la litología y las formaciones y depósitos geológicos. La estratigrafía relaciona la edad y la geometría de las muchas formaciones que componen el acuífero. La litología se refiere a los componentes físicos de un acuífero, como la composición mineral y el tamaño de grano. Las características estructurales son los elementos que surgen debido a las deformaciones después de la deposición, como las fracturas y los pliegues. Comprender estos aspectos es fundamental para comprender cómo se forma un acuífero y cómo los profesionales pueden utilizarlo para la ingeniería de aguas subterráneas. [6]
Las diferencias en la carga hidráulica ( h ) hacen que el agua se mueva de un lugar a otro; el agua fluye desde lugares de alta h a lugares de baja h. La carga hidráulica se compone de la carga de presión ( ψ ) y la carga de elevación ( z ). El gradiente de carga es el cambio en la carga hidráulica por longitud del trayecto de flujo y aparece en la ley de Darcy como proporcional al caudal.
La carga hidráulica es una propiedad directamente medible que puede tomar cualquier valor (debido al dato arbitrario involucrado en el término z ); ψ se puede medir con un transductor de presión (este valor puede ser negativo, por ejemplo, succión, pero es positivo en acuíferos saturados), y z se puede medir en relación con un dato medido (normalmente la parte superior de la carcasa del pozo ). Comúnmente, en pozos que explotan acuíferos no confinados, el nivel del agua en un pozo se utiliza como un indicador de la carga hidráulica, asumiendo que no hay gradiente vertical de presión. A menudo, solo se necesitan cambios en la carga hidráulica a través del tiempo, por lo que el término de elevación constante se puede omitir ( Δh = Δψ ).
Un registro de la carga hidráulica a través del tiempo en un pozo es un hidrograma o, los cambios en la carga hidráulica registrados durante el bombeo de un pozo en una prueba se denominan caída de presión .
La porosidad ( n ) es una propiedad directamente medible de los acuíferos; es una fracción entre 0 y 1 que indica la cantidad de espacio poroso entre partículas de suelo no consolidado o dentro de una roca fracturada. Normalmente, la mayoría del agua subterránea (y todo lo que está disuelto en ella) se mueve a través de la porosidad disponible para fluir (a veces llamada porosidad efectiva ). La permeabilidad es una expresión de la conectividad de los poros. Por ejemplo, una unidad de roca no fracturada puede tener una alta porosidad (tiene muchos agujeros entre sus granos constituyentes), pero una baja permeabilidad (ninguno de los poros está conectado). Un ejemplo de este fenómeno es la piedra pómez , que, cuando está en su estado no fracturado, puede formar un acuífero pobre.
La porosidad no afecta directamente la distribución de la carga hidráulica en un acuífero, pero tiene un efecto muy fuerte en la migración de contaminantes disueltos, ya que afecta las velocidades de flujo de agua subterránea a través de una relación inversamente proporcional.
La ley de Darcy se aplica comúnmente para estudiar el movimiento del agua u otros fluidos a través de medios porosos y constituye la base de muchos análisis hidrogeológicos.
El contenido de agua ( θ ) es también una propiedad directamente medible; es la fracción de la roca total que está llena de agua líquida. Esta es también una fracción entre 0 y 1, pero también debe ser menor o igual a la porosidad total.
El contenido de agua es muy importante en la hidrología de la zona vadosa , donde la conductividad hidráulica es una función fuertemente no lineal del contenido de agua; esto complica la solución de la ecuación de flujo de agua subterránea no saturada.
La conductividad hidráulica ( K ) es una medida de permeabilidad que es una propiedad tanto del fluido como del medio poroso (es decir, la conductividad hidráulica del agua y del petróleo no será la misma incluso si se encuentran en la misma formación geológica). La transmisividad es el producto de la conductividad hidráulica y el espesor del acuífero (normalmente se utiliza como indicación de la capacidad de un acuífero para suministrar agua a un pozo). La permeabilidad intrínseca ( κ ) es una propiedad únicamente del medio poroso y no cambia con diferentes fluidos (por ejemplo, diferente densidad o viscosidad; se utiliza más en la industria petrolera.
El almacenamiento específico ( S s ) y su equivalente integrado en profundidad, la capacidad de almacenamiento ( S=S s b ), son propiedades indirectas del acuífero (no se pueden medir directamente); indican la cantidad de agua subterránea liberada del almacenamiento debido a una despresurización unitaria de un acuífero confinado. Son fracciones entre 0 y 1.
El rendimiento específico ( S y ) también es una relación entre 0 y 1 ( S y ≤ porosidad) e indica la cantidad de agua liberada debido al drenaje por la reducción del nivel freático en un acuífero libre. El valor del rendimiento específico es menor que el valor de la porosidad porque algo de agua permanecerá en el medio incluso después del drenaje debido a fuerzas intermoleculares. A menudo, la porosidad o porosidad efectiva se utiliza como límite superior del rendimiento específico. Normalmente, S y es órdenes de magnitud mayor que S s .
La hidrogeología de la zona de falla es el estudio de cómo las rocas frágilmente deformadas alteran los flujos de fluidos en diferentes entornos litológicos , como rocas clásticas , ígneas y carbonatadas . Los movimientos de fluidos, que pueden cuantificarse como permeabilidad , pueden verse facilitados o impedidos debido a la existencia de una zona de falla . [7] Esto se debe a que diferentes mecanismos y rocas deformadas pueden alterar la porosidad y, por lo tanto, la permeabilidad dentro de la zona de falla. Los fluidos involucrados generalmente son agua subterránea (agua dulce y marina) e hidrocarburos (petróleo y gas). [8] Como zona de falla es una zona de debilidad que ayuda a aumentar el espesor de la zona meteorizada y, por lo tanto, ayuda en la recarga de agua subterránea. [9] Junto con las fallas , las fracturas y las foliaciones también facilitan el agua subterránea principalmente en terrenos de roca dura. [9]
A menudo nos interesa saber cómo el agua subterránea en movimiento transportará los contaminantes disueltos (el subcampo de la hidrogeología de contaminantes). Los contaminantes que son artificiales (por ejemplo, productos derivados del petróleo , nitrato , cromo o radionucleidos ) o de origen natural (por ejemplo, arsénico , salinidad ), pueden transportarse a través de tres mecanismos principales: advección (transporte a lo largo de la dirección principal del flujo a velocidad de filtración), difusión (migración del contaminante de áreas de alta a baja concentración) y dispersión hidrodinámica (debido a heterogeneidades a microescala presentes en el medio poroso y distribución de velocidad no uniforme en relación con la velocidad de filtración). [10] Además de la necesidad de comprender hacia dónde fluye el agua subterránea, en función de las otras propiedades hidrológicas analizadas anteriormente, existen propiedades adicionales del acuífero que afectan a la forma en que los contaminantes disueltos se mueven con el agua subterránea.
La dispersividad hidrodinámica (α L , α T ) es un factor empírico que cuantifica cuánto se desvían los contaminantes de la trayectoria del agua subterránea que los transporta. Algunos de los contaminantes estarán "detrás" o "delante" del agua subterránea media, dando lugar a una dispersividad longitudinal (α L ), y algunos estarán "a los lados" del flujo de agua subterránea puramente advectivo, dando lugar a una dispersividad transversal (α T ). La dispersión en el agua subterránea surge porque cada "partícula" de agua, que pasa más allá de una partícula de suelo, debe elegir hacia dónde ir, ya sea hacia la izquierda o hacia la derecha o hacia arriba o hacia abajo, de modo que las "partículas" de agua (y su soluto) se dispersen gradualmente en todas las direcciones alrededor de la trayectoria media. Este es el mecanismo "microscópico", a escala de las partículas del suelo. Más importantes, a lo largo de largas distancias, pueden ser las inhomogeneidades macroscópicas del acuífero, que puede tener regiones de mayor o menor permeabilidad, de modo que una parte del agua puede encontrar un camino preferencial en una dirección, otra en una dirección diferente, de modo que el contaminante puede esparcirse de manera completamente irregular, como en un delta (tridimensional) de un río.
La dispersividad es en realidad un factor que representa nuestra falta de información sobre el sistema que estamos simulando. Hay muchos pequeños detalles sobre el acuífero que se promedian de manera efectiva cuando se utiliza un enfoque macroscópico (por ejemplo, pequeños lechos de grava y arcilla en acuíferos de arena); estos se manifiestan como una dispersividad aparente . Debido a esto, a menudo se afirma que α depende de la escala de longitud del problema: la dispersividad encontrada para el transporte a través de 1 m 3 de acuífero es diferente de la encontrada para el transporte a través de 1 cm 3 del mismo material del acuífero. [11]
La difusión es un fenómeno físico fundamental, que Albert Einstein caracterizó como movimiento browniano , que describe el movimiento térmico aleatorio de moléculas y partículas pequeñas en gases y líquidos. Es un fenómeno importante para distancias pequeñas (es esencial para el logro de equilibrios termodinámicos ), pero, como el tiempo necesario para cubrir una distancia por difusión es proporcional al cuadrado de la distancia misma, es menos eficaz para esparcir un soluto sobre distancias macroscópicas en una escala de tiempo corta. El coeficiente de difusión , D [ aclaración necesaria ] , es típicamente bastante pequeño, y su efecto a menudo puede despreciarse (a menos que las velocidades de flujo de agua subterránea sean extremadamente bajas, como lo son en los acuitardos de arcilla ).
Es importante no confundir la difusión con la dispersión, ya que la primera es un fenómeno físico y la segunda es un factor hidrodinámico empírico que se expresa en una forma similar a la difusión, porque es una forma conveniente de describir y resolver matemáticamente la cuestión.
El factor de retardo es otra característica muy importante que hace que el movimiento del contaminante se desvíe del movimiento medio del agua subterránea. Es análogo al factor de retardo de la cromatografía . A diferencia de la difusión y la dispersión, que simplemente esparcen el contaminante, el factor de retardo cambia su velocidad media global , de modo que puede ser mucho más lenta que la del agua. Esto se debe a un efecto químico-físico: la adsorción al suelo, que retiene el contaminante y no le permite avanzar hasta que se haya adsorbido la cantidad correspondiente al equilibrio de adsorción química. Este efecto es particularmente importante para los contaminantes menos solubles, que pueden moverse incluso cientos o miles de veces más lento que el agua. El efecto de este fenómeno es que solo las especies más solubles pueden cubrir largas distancias. El factor de retardo depende de la naturaleza química tanto del contaminante como del acuífero.
Henry Darcy fue un científico francés que realizó avances en el flujo de fluidos a través de materiales porosos. Realizó experimentos que estudiaron el movimiento de fluidos a través de columnas de arena. Estos experimentos llevaron a la determinación de la ley de Darcy , que describe el flujo de fluidos a través de un medio con altos niveles de porosidad. El trabajo de Darcy se considera el comienzo de la hidrogeología cuantitativa. [12]
Oscar Edward Meinzer fue un científico estadounidense al que se le suele llamar el "padre de la hidrología moderna de las aguas subterráneas". Estandarizó términos clave en el campo, así como también determinó principios sobre la ocurrencia, el movimiento y la descarga. Demostró que el flujo de agua obedece la ley de Darcy. También propuso el uso de métodos geofísicos y registradores en pozos, así como también sugirió pruebas de bombeo para recopilar información cuantitativa sobre las propiedades de los acuíferos. Meinzer también destacó la importancia de estudiar la geoquímica del agua, así como el impacto de los altos niveles de salinidad en los acuíferos. [13]
La ley de Darcy es una ecuación constitutiva , derivada empíricamente por Henry Darcy en 1856, que establece que la cantidad de agua subterránea que se descarga a través de una porción dada de acuífero es proporcional al área de la sección transversal del flujo, el gradiente hidráulico y la conductividad hidráulica .
La ecuación de flujo de agua subterránea, en su forma más general, describe el movimiento del agua subterránea en un medio poroso (acuíferos y acuitardos). Se la conoce en matemáticas como ecuación de difusión y tiene muchos análogos en otros campos. Muchas soluciones para los problemas de flujo de agua subterránea se tomaron prestadas o adaptaron de soluciones de transferencia de calor existentes.
A menudo se deriva de una base física utilizando la ley de Darcy y una conservación de masa para un volumen de control pequeño. La ecuación se utiliza a menudo para predecir el flujo hacia pozos , que tienen simetría radial, por lo que la ecuación de flujo se resuelve comúnmente en coordenadas polares o cilíndricas .
La ecuación de Theis es una de las soluciones más utilizadas y fundamentales para la ecuación de flujo de agua subterránea; se puede utilizar para predecir la evolución transitoria de la altura debido a los efectos del bombeo de uno o varios pozos de bombeo.
La ecuación de Thiem es una solución a la ecuación de flujo de agua subterránea en estado estacionario (ecuación de Laplace) para el flujo hacia un pozo. A menos que haya grandes fuentes de agua cerca (un río o un lago), en la realidad rara vez se logra un verdadero estado estacionario.
Ambas ecuaciones anteriores se utilizan en pruebas de acuíferos (pruebas de bombeo).
La ecuación de Hooghoudt es una ecuación de flujo de agua subterránea aplicada al drenaje subterráneo por tuberías, desagües de tejas o zanjas. [14] Un método alternativo de drenaje subterráneo es el drenaje por pozos para el cual también existen ecuaciones de flujo de agua subterránea. [15]
Para utilizar la ecuación de flujo de agua subterránea para estimar la distribución de cargas hidráulicas, o la dirección y la velocidad del flujo de agua subterránea, se debe resolver esta ecuación diferencial parcial (EDP). Los medios más comunes para resolver analíticamente la ecuación de difusión en la literatura sobre hidrogeología son:
Independientemente del método que utilicemos para resolver la ecuación de flujo de agua subterránea , necesitamos tanto las condiciones iniciales (cargas en el tiempo ( t ) = 0) como las condiciones de contorno (que representan los límites físicos del dominio o una aproximación del dominio más allá de ese punto). A menudo, las condiciones iniciales se suministran a una simulación transitoria, mediante una simulación de estado estable correspondiente (donde la derivada temporal en la ecuación de flujo de agua subterránea se establece igual a 0).
Existen dos grandes categorías de cómo se resolvería la ecuación de flujo de agua subterránea: métodos analíticos , métodos numéricos o algo posiblemente intermedio. Por lo general, los métodos analíticos resuelven la ecuación de flujo de agua subterránea bajo un conjunto simplificado de condiciones exactamente , mientras que los métodos numéricos la resuelven bajo condiciones más generales con una aproximación .
Los métodos analíticos suelen utilizar la estructura de las matemáticas para llegar a una solución simple y elegante, pero la derivación requerida para todas las geometrías de dominio, excepto las más simples, puede ser bastante compleja (involucrando coordenadas no estándar , mapeo conforme , etc.). Las soluciones analíticas normalmente también son simplemente una ecuación que puede dar una respuesta rápida basada en unos pocos parámetros básicos. La ecuación de Theis es una solución analítica muy simple (pero aún muy útil) para la ecuación de flujo de agua subterránea , que se usa típicamente para analizar los resultados de una prueba de acuífero o prueba de slug .
El tema de los métodos numéricos es bastante amplio y, obviamente, resulta de utilidad en la mayoría de los campos de la ingeniería y la ciencia en general. Los métodos numéricos existen desde hace mucho más tiempo que las computadoras (en la década de 1920, Richardson desarrolló algunos de los esquemas de diferencias finitas que todavía se utilizan hoy en día [ ¿cuándo? ], pero se calculaban a mano, con papel y lápiz, mediante "calculadoras" humanas), pero han adquirido gran importancia gracias a la disponibilidad de computadoras personales rápidas y baratas . A continuación se muestra un breve resumen de los principales métodos numéricos utilizados en hidrogeología y algunos de los principios más básicos, que se analizan con más detalle en el artículo sobre el modelo de aguas subterráneas .
Existen dos grandes categorías de métodos numéricos: métodos en cuadrícula o discretizados y métodos sin cuadrícula o sin malla. En el método de diferencias finitas común y el método de elementos finitos (FEM), el dominio está completamente en cuadrícula ("cortado" en una cuadrícula o malla de elementos pequeños). El método de elementos analíticos (AEM) y el método de ecuaciones integrales de contorno (BIEM, a veces también llamado BEM o método de elementos de contorno) solo se discretizan en los límites o a lo largo de elementos de flujo (sumideros de línea, fuentes de área, etc.), la mayor parte del dominio está sin malla.
Los métodos en cuadrícula, como los métodos de diferencias finitas y de elementos finitos , resuelven la ecuación de flujo de agua subterránea dividiendo el área del problema (dominio) en muchos elementos pequeños (cuadrados, rectángulos, triángulos, bloques, tetraedros , etc.) y resolviendo la ecuación de flujo para cada elemento (se supone que todas las propiedades del material son constantes o posiblemente variables linealmente dentro de un elemento), y luego uniendo todos los elementos utilizando la conservación de masa a través de los límites entre los elementos (similar al teorema de divergencia ). Esto da como resultado un sistema que en general se aproxima a la ecuación de flujo de agua subterránea, pero coincide exactamente con las condiciones de contorno (la carga o flujo se especifica en los elementos que intersecan los límites).
Las diferencias finitas son una forma de representar operadores diferenciales continuos utilizando intervalos discretos ( Δx y Δt ), y los métodos de diferencias finitas se basan en estos (se derivan de una serie de Taylor ). Por ejemplo, la derivada temporal de primer orden a menudo se aproxima utilizando la siguiente diferencia finita hacia delante, donde los subíndices indican una ubicación temporal discreta,
La aproximación de diferencias finitas hacia adelante es incondicionalmente estable, pero conduce a un conjunto implícito de ecuaciones (que deben resolverse utilizando métodos matriciales, por ejemplo, LU o descomposición de Cholesky ). La diferencia hacia atrás similar es solo condicionalmente estable, pero es explícita y se puede utilizar para "marchar" hacia adelante en la dirección del tiempo, resolviendo un nodo de la cuadrícula a la vez (o posiblemente en paralelo , ya que un nodo depende solo de sus vecinos inmediatos). En lugar del método de diferencias finitas, a veces se utiliza la aproximación FEM de Galerkin en el espacio (esto es diferente del tipo de FEM que se usa a menudo en ingeniería estructural ) con diferencias finitas aún utilizadas en el tiempo.
MODFLOW es un ejemplo bien conocido de un modelo general de flujo de aguas subterráneas por diferencias finitas. Fue desarrollado por el Servicio Geológico de Estados Unidos como una herramienta de simulación modular y extensible para modelar el flujo de aguas subterráneas. Es un software libre desarrollado, documentado y distribuido por el USGS. Muchos productos comerciales han surgido a su alrededor, proporcionando interfaces gráficas de usuario para su interfaz basada en archivos de entrada y, por lo general, incorporando un procesamiento previo y posterior de los datos del usuario. Se han desarrollado muchos otros modelos para trabajar con la entrada y salida de MODFLOW, lo que hace posible los modelos vinculados que simulan varios procesos hidrológicos (modelos de flujo y transporte, modelos de aguas superficiales y subterráneas y modelos de reacciones químicas), debido a la naturaleza simple y bien documentada de MODFLOW.
Los programas de elementos finitos son más flexibles en diseño (elementos triangulares vs. los elementos de bloque que la mayoría de los modelos de diferencias finitas usan) y hay algunos programas disponibles (SUTRA, un modelo de flujo dependiente de la densidad 2D o 3D del USGS; Hydrus , un modelo de flujo insaturado comercial; FEFLOW , un entorno de modelado comercial para procesos de flujo subterráneo, soluto y transporte de calor; OpenGeoSys, un proyecto científico de código abierto para procesos termo-hidro-mecánicos-químicos (THMC) en medios porosos y fracturados; [16] [17] COMSOL Multiphysics (un entorno de modelado general comercial), FEATool Multiphysics una caja de herramientas de simulación MATLAB fácil de usar, y Integrated Water Flow Model (IWFM), pero aún no son tan populares entre los hidrogeólogos en ejercicio como lo es MODFLOW. Los modelos de elementos finitos son más populares en entornos universitarios y de laboratorio , donde los modelos especializados resuelven formas no estándar de la ecuación de flujo ( flujo insaturado , flujo dependiente de la densidad , flujo acoplado de calor y agua subterránea, etc.).
El método del volumen finito es un método para representar y evaluar ecuaciones diferenciales parciales como ecuaciones algebraicas. [18] [19] [ cita completa necesaria ] De manera similar al método de diferencias finitas, los valores se calculan en lugares discretos en una geometría en malla. "Volumen finito" se refiere al pequeño volumen que rodea cada punto de nodo en una malla. En el método del volumen finito, las integrales de volumen en una ecuación diferencial parcial que contienen un término de divergencia se convierten en integrales de superficie, utilizando el teorema de divergencia. Estos términos luego se evalúan como flujos en las superficies de cada volumen finito. Debido a que el flujo que ingresa a un volumen dado es idéntico al que sale del volumen adyacente, estos métodos son conservadores. Otra ventaja del método del volumen finito es que se formula fácilmente para permitir mallas no estructuradas. El método se utiliza en muchos paquetes de dinámica de fluidos computacional.
El paquete de software PORFLOW es un modelo matemático integral para la simulación del flujo de aguas subterráneas y la gestión de residuos nucleares desarrollado por Analytic & Computational Research, Inc., ACRi.
El paquete de software FEHM está disponible de forma gratuita en el Laboratorio Nacional de Los Álamos . Este simulador de flujo poroso versátil incluye capacidades para modelar la química reactiva multifásica, térmica, de tensión y multicomponente. El trabajo actual que utiliza este código incluye la simulación de la formación de hidratos de metano , el secuestro de CO2 , la extracción de esquisto bituminoso , la migración de contaminantes nucleares y químicos, la migración de isótopos ambientales en la zona no saturada y la formación de karst .
Entre ellos se incluyen métodos sin malla, como el método de elementos analíticos (AEM) y el método de elementos de contorno (BEM), que están más cerca de las soluciones analíticas, pero que se aproximan de alguna manera a la ecuación de flujo de agua subterránea. El BEM y el AEM resuelven exactamente la ecuación de flujo de agua subterránea (balance de masa perfecto), al tiempo que se aproximan a las condiciones de contorno. Estos métodos son más exactos y pueden ser soluciones mucho más elegantes (como lo son los métodos analíticos), pero aún no se han utilizado de forma generalizada fuera de los grupos académicos y de investigación.
Un pozo de agua es un mecanismo para sacar agua subterránea a la superficie mediante una perforación o excavación y sacarla a la superficie con una bomba o a mano utilizando baldes o dispositivos similares. El primer ejemplo histórico de pozos de agua fue en el siglo 52 a. C. en la actual Austria . [20] Hoy en día, [ ¿cuándo? ] los pozos se utilizan en todo el mundo, desde países en desarrollo hasta suburbios de los Estados Unidos.
Existen tres tipos principales de pozos: superficiales, profundos y artesianos. Los pozos superficiales acceden a acuíferos no confinados y, por lo general, son poco profundos, de menos de 15 metros de profundidad. Los pozos superficiales tienen un diámetro pequeño, por lo general menos de 15 centímetros. [21] Los pozos profundos acceden a acuíferos confinados y siempre se perforan a máquina. Todos los pozos profundos llevan agua a la superficie mediante bombas mecánicas. En los pozos artesianos, el agua fluye naturalmente sin el uso de una bomba o algún otro dispositivo mecánico. Esto se debe a que la parte superior del pozo se encuentra debajo del nivel freático. [22]
Uno de los aspectos más importantes de la ingeniería de aguas subterráneas y la hidrogeología es el diseño y la construcción de pozos de agua. El diseño y la construcción adecuados de los pozos son importantes para mantener la salud de las aguas subterráneas y de las personas que los utilizarán. Los factores que se deben tener en cuenta en el diseño de pozos son:
Hay cinco aspectos principales que se deben tener en cuenta al planificar y construir un nuevo pozo de agua, además de los factores mencionados anteriormente. Son los siguientes:
La idoneidad de un acuífero comienza con la determinación de posibles ubicaciones para el pozo utilizando " informes del Servicio Geológico de los Estados Unidos , registros de pozos y secciones transversales" del acuífero. Esta información debe utilizarse para determinar las propiedades del acuífero, como la profundidad, el espesor, la transmisividad y el rendimiento del pozo. En esta etapa, también debe determinarse la calidad del agua del acuífero y debe realizarse un análisis para detectar contaminantes. [24]
Una vez determinados factores como la profundidad y el rendimiento del pozo, se debe establecer el diseño del pozo y el método de perforación. El método de perforación se selecciona en función de las "condiciones del suelo, la profundidad del pozo, el diseño y los costos". [24] En esta etapa, se preparan estimaciones de costos y se ajustan los planes para satisfacer las necesidades presupuestarias.
Las partes importantes de un pozo incluyen los sellos, las carcasas o revestimientos, las zapatas de impulsión, los conjuntos de filtros de pozo y un paquete de arena o grava (opcional). Cada uno de estos componentes garantiza que el pozo solo extraiga agua de un acuífero y que no se produzcan fugas en ninguna etapa del proceso. [24]
Existen varios métodos de perforación que se pueden utilizar al construir un pozo de agua. Entre ellos se incluyen: las técnicas de perforación con "herramienta de cable", perforación rotativa neumática, perforación rotativa con lodo y perforación rotativa dual con circulación inversa inundada". [24] La perforación con herramienta de cable es económica y se puede utilizar para todo tipo de pozos, pero la alineación debe verificarse constantemente y tiene una velocidad de avance lenta. No es una técnica de perforación eficaz para formaciones consolidadas, pero proporciona una pequeña huella de perforación. La perforación rotativa neumática es rentable y funciona bien para formaciones consolidadas. Tiene una velocidad de avance rápida, pero no es adecuada para pozos de gran diámetro. La perforación rotativa con lodo es especialmente rentable para pozos profundos. Mantiene una buena alineación, pero requiere una mayor huella. Tiene una velocidad de avance muy rápida. La perforación rotativa dual con circulación inversa inundada es más cara, pero es buena para diseños de pozos grandes. Es versátil y mantiene la alineación. Tiene una velocidad de avance rápida. [24]
Las pantallas de pozo garantizan que solo el agua llegue a la superficie y que los sedimentos permanezcan debajo de la superficie de la Tierra. Las pantallas se colocan a lo largo del eje del pozo para filtrar los sedimentos a medida que se bombea agua hacia la superficie. El diseño de las pantallas puede verse afectado por la naturaleza del suelo, y se pueden utilizar diseños de empaquetamiento natural para maximizar la eficiencia. [24]
Después de la construcción del pozo, se deben realizar pruebas para evaluar la productividad, la eficiencia y el rendimiento del pozo, así como para determinar los impactos del pozo en el acuífero. Se deben realizar varias pruebas diferentes en el pozo para comprobar todas las cualidades relevantes del mismo. [24]
La contaminación de las aguas subterráneas se produce cuando otros fluidos se filtran en el acuífero y se mezclan con las aguas subterráneas existentes. Los pesticidas, fertilizantes y gasolina son contaminantes comunes de los acuíferos. Los tanques de almacenamiento subterráneos para productos químicos como la gasolina son fuentes especialmente preocupantes de contaminación de las aguas subterráneas. A medida que estos tanques se corroen, pueden tener fugas y su contenido puede contaminar las aguas subterráneas cercanas. En el caso de los edificios que no están conectados a un sistema de tratamiento de aguas residuales , se pueden utilizar fosas sépticas para eliminar los desechos a un ritmo seguro. Si las fosas sépticas no se construyen o mantienen adecuadamente, pueden filtrar bacterias, virus y otras sustancias químicas a las aguas subterráneas circundantes. Los vertederos son otra fuente potencial de contaminación de las aguas subterráneas. A medida que se entierra la basura, las sustancias químicas nocivas pueden migrar de la basura a las aguas subterráneas circundantes si la capa base protectora está agrietada o dañada de alguna otra manera. Otras sustancias químicas, como las sales de las carreteras y las sustancias químicas utilizadas en los céspedes y las granjas, pueden escurrirse hacia los embalses locales y, finalmente, hacia los acuíferos. A medida que el agua pasa por el ciclo del agua, los contaminantes de la atmósfera pueden contaminarla. Esta agua también puede llegar a las aguas subterráneas. [25]
La contaminación de las aguas subterráneas debido al fracking ha sido un tema de debate durante mucho tiempo. Dado que los productos químicos que se utilizan habitualmente en la fracturación hidráulica no son analizados por las agencias gubernamentales responsables de determinar los efectos del fracking en las aguas subterráneas, los laboratorios de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) tienen dificultades para determinar si los productos químicos utilizados en el fracking están presentes en los acuíferos cercanos. [26] En 2016, la EPA publicó un informe que afirma que el agua potable puede contaminarse con el fracking. Esto supuso un cambio de rumbo respecto de sus políticas anteriores después de un estudio de 29 millones de dólares sobre los efectos del fracking en el agua potable local. [27]
California es escenario de algunas de las mayores controversias en el uso de las aguas subterráneas debido a las condiciones secas que enfrenta el estado, la alta población y la agricultura intensiva. Los conflictos generalmente ocurren por el bombeo de aguas subterráneas y su envío fuera del área, el uso injusto del agua por parte de una empresa comercial y la contaminación de las aguas subterráneas por proyectos de desarrollo. En el condado de Siskiyou , en el norte de California, el Tribunal Superior de California dictaminó que las deficientes regulaciones sobre las aguas subterráneas han permitido que el bombeo disminuya los caudales del río Scott y haya perturbado el hábitat natural del salmón. En el valle de Owens , en el centro de California, se bombeó agua subterránea para su uso en piscifactorías, lo que provocó la muerte de praderas locales y otros ecosistemas. Esto dio lugar a una demanda y un acuerdo contra las empresas pesqueras. El desarrollo en el sur de California está amenazando los acuíferos locales, contaminando las aguas subterráneas a través de la construcción y la actividad humana normal. Por ejemplo, un proyecto solar en el condado de San Bernardino supuestamente amenazaría el ecosistema de las especies de aves y vida silvestre debido al uso de hasta 1,3 millones de metros cúbicos de agua subterránea, lo que podría afectar al lago Harper . [28] En septiembre de 2014, California aprobó la Ley de Gestión Sostenible de las Aguas Subterráneas , que exige a los usuarios gestionar las aguas subterráneas de forma adecuada, ya que están conectadas a los sistemas de aguas superficiales. [28]
Debido a su clima árido, el estado de Colorado obtiene la mayor parte de su agua del subsuelo. Debido a esto, ha habido problemas con las prácticas de ingeniería de aguas subterráneas. Hasta 65.000 personas se vieron afectadas cuando se encontraron altos niveles de PFC en el acuífero Widefield. El uso de agua subterránea en Colorado se remonta a antes del siglo XX. Diecinueve de los 63 condados de Colorado dependen principalmente de las aguas subterráneas para el suministro y usos domésticos. El Servicio Geológico de Colorado tiene tres informes importantes sobre las aguas subterráneas en la cuenca de Denver. El primer informe Geología de los estratos del Cretácico Superior, Paleoceno y Eoceno en la cuenca suroeste de Denver, el segundo informe Geología de la roca madre, estructura y mapas de isópacas de los estratos del Cretácico Superior al Paleógeno entre Greeley y Colorado Springs, y el tercero Secciones transversales de los estratos portadores de agua dulce de la cuenca de Denver entre Greeley y Colorado Springs. [29] [30]
Desde que se hicieron los primeros pozos hace miles de años, [ ¿cuándo? ] los sistemas de aguas subterráneas han sido modificados por la actividad humana. Hace 50 años, la sostenibilidad de estos sistemas a mayor escala comenzó a tomarse en consideración, convirtiéndose en uno de los principales focos de atención de la ingeniería de aguas subterráneas. Nuevas ideas e investigaciones están haciendo avanzar la ingeniería de aguas subterráneas hacia el siglo XXI, sin dejar de considerar la conservación de las aguas subterráneas. [31]
Han surgido nuevos avances en la cartografía topográfica para mejorar la sostenibilidad. La cartografía topográfica se ha actualizado para incluir radar, que puede penetrar el suelo para ayudar a localizar áreas de interés. Además, en los últimos años, los cálculos a gran escala pueden utilizar los datos recopilados de los mapas para ampliar el conocimiento de los acuíferos subterráneos. [ ¿Cuándo? ] Esto ha hecho posible la creación de modelos de ciclo del agua altamente complejos e individualizados, lo que ha ayudado a que la sostenibilidad de las aguas subterráneas sea más aplicable a situaciones específicas. [31]
Los avances tecnológicos han permitido mejorar la cartografía topográfica y la calidad de las simulaciones de la litosfera, la hidrosfera, la biosfera y la atmósfera. Estas simulaciones son útiles por sí solas, pero cuando se utilizan en conjunto ayudan a ofrecer una predicción aún más precisa de la sostenibilidad futura de una zona y de los cambios que se pueden realizar para garantizar su estabilidad. Esto no sería posible sin el avance de la tecnología. A medida que la tecnología siga avanzando, las simulaciones serán cada vez más precisas y permitirán realizar estudios y proyectos más complejos en el campo de la ingeniería de aguas subterráneas. [31]
A medida que las poblaciones siguen creciendo, las áreas que utilizaban las aguas subterráneas a un ritmo sostenible están empezando a enfrentarse a problemas de sostenibilidad para el futuro. Las poblaciones del tamaño que hoy se ven en las grandes ciudades no se tuvieron en cuenta a la hora de evaluar la sostenibilidad a largo plazo de los acuíferos. Estos grandes tamaños de población están empezando a poner en peligro el suministro de aguas subterráneas. Esto ha llevado a la necesidad de nuevas políticas en algunas áreas urbanas, conocidas como gestión proactiva del uso de la tierra, en las que las ciudades pueden actuar de forma proactiva para conservar las aguas subterráneas.
En Brasil, la superpoblación provocó que el agua suministrada por los municipios escaseara. Debido a la escasez de agua, la gente comenzó a perforar pozos dentro del área que normalmente abastecía el sistema de agua municipal. Esta fue una solución para las personas de alto nivel socioeconómico, pero dejó a gran parte de la población desfavorecida sin acceso al agua. Debido a esto, se creó una nueva política municipal que perforaba pozos para ayudar a quienes no podían permitirse perforar pozos propios. Como la ciudad está a cargo de la perforación de los nuevos pozos, pueden planificar mejor la sostenibilidad futura de las aguas subterráneas en la región, colocando cuidadosamente los pozos y teniendo en cuenta el crecimiento de la población. [32]
En Estados Unidos , el 51% del agua potable proviene de fuentes subterráneas. Alrededor del 99% de la población rural depende de las aguas subterráneas. Además, el 64% del agua subterránea total del país se utiliza para riego, y parte de ella se utiliza para procesos industriales y recarga de lagos y ríos. En 2010, el 22% del agua dulce utilizada en Estados Unidos procedía de aguas subterráneas y el 78% restante procedía de aguas superficiales. Las aguas subterráneas son importantes para algunos estados que no tienen acceso a agua dulce. La mayor parte del agua subterránea dulce (el 65%) se utiliza para riego y el 21% restante se utiliza para fines públicos, principalmente para consumo humano. [33] [34]
