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La hidrogeología ( hidro- que significa agua, y -geología que significa el estudio de la Tierra ) es el área de la geología que se ocupa de la distribución y movimiento de las aguas subterráneas en el suelo y las rocas de la corteza terrestre (comúnmente en los acuíferos ). Los términos hidrología de aguas subterráneas , geohidrología e hidrogeología suelen utilizarse indistintamente.
La hidrogeología es el estudio de las leyes que gobiernan el movimiento del agua subterránea, la interacción mecánica, química y térmica de esta agua con el sólido poroso y el transporte de energía, constituyentes químicos y partículas por flujo (Domenico y Schwartz, 1998). ).
La ingeniería de aguas subterráneas, otro nombre de la hidrogeología, es una rama de la ingeniería que se ocupa del movimiento del agua subterránea y del diseño de pozos, bombas y drenajes. [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 para su uso en países desarrollados en lugares que no están conectados a un sistema de agua de la ciudad. Los pozos deben diseñarse y mantenerse para mantener la integridad del acuífero y evitar que los contaminantes lleguen al agua subterránea. La controversia surge en el uso de aguas subterráneas cuando su uso impacta los sistemas de aguas superficiales o cuando la actividad humana amenaza la integridad del sistema acuífero local.
La hidrogeología es una materia interdisciplinaria; Puede resultar difícil dar cuenta plenamente de las interacciones químicas , físicas , biológicas e incluso jurídicas 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 resultar bastante complejo. El agua subterránea no siempre sigue la topografía superficial ; El agua subterránea sigue gradientes de presión (fluye de alta presión a baja presión), 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 . La siguiente es 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 m por debajo de la superficie terrestre). El flujo de agua muy poco profundo 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 los geólogos, geofísicos y geólogos del petróleo . El agua subterránea es un fluido viscoso y de movimiento lento (con un número de Reynolds menor que la unidad); Muchas de las leyes derivadas empíricamente del flujo de aguas subterráneas se pueden derivar alternativamente en mecánica de fluidos a partir del caso especial del flujo de Stokes (términos de viscosidad y presión , pero no de inercia).
Las relaciones matemáticas utilizadas para describir el flujo de agua a través de medios porosos son la ley de Darcy , la difusión y las ecuaciones de Laplace , que tienen aplicaciones en muy diversos campos. Se ha simulado el flujo constante de agua subterránea (ecuación de Laplace) 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 que algunas soluciones a los problemas hidrológicos se han adaptado 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 vuelven más claras.
Tanto California como Washington exigen una certificación especial de los hidrogeólogos para ofrecer servicios profesionales al público. Veintinueve estados exigen una licencia profesional para que los geólogos ofrezcan sus servicios al público, lo que a menudo incluye trabajo dentro de los dominios del desarrollo, gestión y/o recuperación de recursos de aguas subterráneas. [3]
Por ejemplo: la reducción o sobreexplotación de los acuíferos y el bombeo de agua fósil pueden ser un factor que contribuya 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, serían:
La mayoría de estas cuestiones pueden abordarse mediante la simulación del sistema hidrológico (utilizando modelos numéricos o ecuaciones analíticas). La simulación precisa del sistema acuífero requiere conocimiento de las propiedades del acuífero y de sus condiciones límite. 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 freáticos ) y saturados o insaturados; el tipo de acuífero afecta qué propiedades 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 los 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 en 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 confinado. [5]
Hay tres aspectos que controlan la naturaleza de los acuíferos: estratigrafía , litología y formaciones y depósitos geológicos. La estratigrafía relaciona la edad y geometría de las numerosas 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 deformaciones después del depósito, como fracturas y 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 altura hidráulica ( h ) hacen que el agua se desplace de un lugar a otro; el agua fluye desde lugares de alta h a lugares de baja h. La cabeza hidráulica se compone de cabeza de presión ( ψ ) y cabeza de elevación ( z ). El gradiente de carga es el cambio en la carga hidráulica por longitud del recorrido del flujo y aparece en la ley de Darcy como proporcional a la descarga.
La altura 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, en succión, pero es positivo en acuíferos saturados), y z se puede medir en relación con un punto de referencia estudiado (normalmente la parte superior del revestimiento del pozo ). Comúnmente, en los pozos que explotan acuíferos no confinados, el nivel del agua en un pozo se utiliza como indicador de la carga hidráulica, asumiendo que no hay un gradiente vertical de presión. A menudo, sólo se necesitan cambios en la altura hidráulica a lo largo del tiempo, por lo que se puede omitir el término de altura de elevación constante ( Δh = Δψ ).
Un registro de la cabeza hidráulica a través del tiempo en un pozo es un hidrograma o, los cambios en la cabeza hidráulica registrados durante el bombeo de un pozo en una prueba se llaman descenso .
La porosidad ( n ) es una propiedad del acuífero que se puede medir directamente; es una fracción entre 0 y 1 que indica la cantidad de espacio poroso entre partículas de suelo no consolidadas o dentro de una roca fracturada. Normalmente, la mayor parte del agua subterránea (y cualquier cosa disuelta en ella) se mueve a través de la porosidad disponible para fluir (a veces llamada porosidad efectiva ). La permeabilidad es una expresión de la conexión 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 no está fracturada, puede convertirse en 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 del 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 ) también es una propiedad directamente mensurable; es la fracción del total de la roca que está llena de agua líquida. Esta también es 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 del flujo de agua subterránea no saturada.
La conductividad hidráulica ( K ) y la transmisividad ( T ) son propiedades indirectas del acuífero (no se pueden medir directamente). T es el K integrado sobre el espesor vertical ( b ) del acuífero ( T=Kb cuando K es constante en todo el espesor). Estas propiedades son medidas de la capacidad de un acuífero para transmitir agua . La permeabilidad intrínseca ( κ ) es una propiedad secundaria del medio que no depende de la viscosidad y densidad del fluido ( K y T son específicos del agua); se utiliza más en la industria petrolera.
El almacenamiento específico ( S s ) y su equivalente integrado en profundidad, la almacenatividad ( 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 la 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 del descenso del nivel freático en un acuífero no confinado. El valor de rendimiento específico es menor que el valor de porosidad porque algo de agua permanecerá en el medio incluso después del drenaje debido a fuerzas intermoleculares. A menudo, la porosidad o la porosidad efectiva se utiliza como límite superior del rendimiento específico. Normalmente S y es órdenes de magnitud mayor que S s .
La hidrogeología de zonas 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 por 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 aguas subterráneas (aguas dulces y marinas) e hidrocarburos (Petróleo y Gas). [8] Como zona de falla es una zona de debilidad que ayuda a aumentar el espesor de la zona erosionada y por lo tanto la ayuda en la recarga de agua subterránea. [9] Junto con las fallas , las fracturas y foliaciones también facilitan el paso del 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 artificiales (p. ej., productos derivados del petróleo , nitrato , cromo o radionúclidos ) o de origen natural (p. ej., arsénico , salinidad ), pueden transportarse a través de tres mecanismos principales, la 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 (debido a heterogeneidades a microescala presentes en el medio poroso y a la distribución no uniforme de la velocidad en relación con la velocidad de filtración). [10] Además de la necesidad de comprender hacia dónde fluye el agua subterránea, basándose en las otras propiedades hidrológicas analizadas anteriormente, existen propiedades adicionales del acuífero que afectan 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 cuántos contaminantes se desvían del camino del agua subterránea que los transporta. Algunos de los contaminantes estarán "detrás" o "adelante" del agua subterránea media, dando lugar a una dispersividad longitudinal (α L ), y algunos estarán "a los lados" del flujo de agua subterránea advectiva pura, dando lugar a una dispersividad transversal ( αT ) . 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, hacia arriba o hacia abajo, de modo que las "partículas" de agua (y su soluto) se dispersen gradualmente en todas direcciones. alrededor del camino medio. Éste es el mecanismo "microscópico", a escala de las partículas del suelo. Más importante, en distancias largas, pueden ser las faltas de homogeneidad macroscópica 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 propagarse de forma completamente irregular, como en el 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 efectivamente cuando se utiliza un enfoque macroscópico (por ejemplo, pequeños lechos de grava y arcilla en acuíferos de arena); estos se manifiestan como una aparente dispersividad. 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 del 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 pequeñas partículas en gases y líquidos. Es un fenómeno importante para distancias pequeñas (es esencial para lograr equilibrios termodinámicos), pero, como el tiempo necesario para cubrir una distancia por difusión es proporcional al cuadrado de la distancia misma, es ineficaz para esparcir un soluto sobre distancias macroscópicas. El coeficiente de difusión, D, suele ser bastante pequeño y su efecto a menudo puede considerarse insignificante (a menos que las velocidades de flujo del agua subterránea sean extremadamente bajas, como lo son en los acuitardos arcillosos).
Es importante no confundir difusión con dispersión, ya que la primera es un fenómeno físico y la segunda es un factor empírico que se presenta de forma similar a la difusión, porque ya sabemos cómo resolver ese problema.
El factor de retardo es otra característica muy importante que hace que el movimiento del contaminante se desvíe del movimiento promedio 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 progresar hasta que se haya absorbido la cantidad correspondiente al equilibrio químico de adsorción. Este efecto es particularmente importante para los contaminantes menos solubles, que por lo tanto pueden moverse incluso cientos o miles de veces más lento que el agua. El efecto de este fenómeno es que sólo 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 logró 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 fluido 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 a quien a menudo se le llama el "padre de la hidrología moderna de las aguas subterráneas". Estandarizó términos clave en el campo, así como también determinó principios relacionados con la ocurrencia, el movimiento y la descarga. Demostró que el flujo de agua obedece la ley de Darcy. También propuso el uso de métodos y registradores geofísicos en los pozos, así como 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 determinada del acuífero es proporcional al área de la sección transversal del flujo, el gradiente hidráulico y la conductividad hidráulica .
La ecuación del flujo de agua subterránea, en su forma más general, describe el movimiento del agua subterránea en un medio poroso (acuíferos y acuitardos). Se 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 se adaptaron a partir de soluciones de transferencia de calor existentes .
A menudo se deriva de una base física utilizando la ley de Darcy y la conservación de la masa para un volumen de control pequeño. La ecuación se usa a menudo para predecir el flujo hacia pozos , que tienen simetría radial, por lo que la ecuación de flujo comúnmente se resuelve en coordenadas polares o cilíndricas .
La ecuación de Theis es una de las soluciones fundamentales y más comúnmente utilizadas para la ecuación del 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 del flujo de agua subterránea en estado estacionario (ecuación de Laplace) para el flujo hacia un pozo. A menos que haya grandes fuentes de agua cercanas (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 bombas).
La ecuación de Hooghoudt es una ecuación de flujo de agua subterránea aplicada al drenaje subterráneo mediante tuberías, drenajes de tejas o zanjas. [14] Un método alternativo de drenaje subterráneo es el drenaje mediante pozos para los cuales también se encuentran disponibles ecuaciones de flujo de agua subterránea. [15]
Para utilizar la ecuación del flujo de agua subterránea para estimar la distribución de las cabezas hidráulicas, o la dirección y tasa del flujo de agua subterránea, se debe resolver esta ecuación diferencial parcial (PDE). Los medios más comunes para resolver analíticamente la ecuación de difusión en la literatura de hidrogeología son:
No importa qué método usemos para resolver la ecuación del flujo de agua subterránea , necesitamos tanto condiciones iniciales (cargas en el tiempo ( t ) = 0) como 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 proporcionan a una simulación transitoria, mediante una simulación de estado estacionario correspondiente (donde la derivada del tiempo en la ecuación del flujo de agua subterránea se establece en 0).
Hay dos categorías amplias de cómo se resolvería el (PDE); ya sea métodos analíticos , métodos numéricos o algo posiblemente intermedio. Normalmente, los métodos analíticos resuelven exactamente la ecuación del flujo de agua subterránea bajo un conjunto simplificado de condiciones , 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 (que involucra coordenadas no estándar , mapeo conforme , etc.). Las soluciones analíticas normalmente también son simplemente una ecuación que puede dar una respuesta rápida basada en algunos parámetros básicos. La ecuación de Theis es una solución analítica muy simple (pero aún muy útil) a la ecuación del flujo de agua subterránea , que generalmente se usa para analizar los resultados de una prueba de acuífero o prueba de slug .
El tema de los métodos numéricos es bastante amplio y, obviamente, es útil en la mayoría de los campos de la ingeniería y la ciencia en general. Los métodos numéricos han existido durante mucho más tiempo que las computadoras (en la década de 1920, Richardson desarrolló algunos de los esquemas de diferencias finitas que todavía se usan hoy en día, pero fueron calculados a mano, usando papel y lápiz, por "calculadoras" humanas), pero se han convertido en muy importante gracias a la disponibilidad de ordenadores personales rápidos y baratos . A continuación se muestra un resumen rápido 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 .
Hay dos categorías amplias de métodos numéricos: métodos cuadriculados o discretizados y métodos no cuadriculados o sin malla. En el método común de diferencias finitas y el método de elementos finitos (FEM), el dominio está completamente cuadriculado ("cortado" en una cuadrícula o malla de elementos pequeños). El método de elementos analíticos (AEM) y el método de ecuación integral de frontera (BIEM, a veces también llamado BEM o método de elementos de frontera) solo se discretizan en las fronteras o a lo largo de elementos de flujo (sumideros de líneas, fuentes de área, etc.), la mayoría de los cuales El dominio no tiene malla.
Los métodos cuadriculados, 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 (todos). las propiedades del material se suponen constantes o posiblemente linealmente variables dentro de un elemento), luego uniendo todos los elementos usando la conservación de la 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 del flujo de agua subterránea, pero coincide exactamente con las condiciones de contorno (la altura o flujo se especifica en los elementos que cruzan 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 directa, donde los subíndices indican una ubicación temporal discreta,
La aproximación directa en diferencias finitas 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 sólo condicionalmente estable, pero es explícita y puede usarse 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 sólo 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 utiliza a menudo en ingeniería estructural ) y las diferencias finitas todavía se utilizan en el tiempo.
MODFLOW es un ejemplo bien conocido de un modelo general de flujo de agua subterránea en diferencias finitas. Fue desarrollado por el Servicio Geológico de EE. UU . como una herramienta de simulación modular y extensible para modelar el flujo de agua subterránea. Es un software gratuito desarrollado, documentado y distribuido por el USGS. Muchos productos comerciales han crecido a su alrededor, proporcionando interfaces gráficas de usuario para su interfaz basada en archivos de entrada y, por lo general, incorporando procesamiento previo y posterior de datos de usuario. Se han desarrollado muchos otros modelos para trabajar con la entrada y salida de MODFLOW, haciendo posibles modelos vinculados que simulan varios procesos hidrológicos (modelos de flujo y transporte, modelos de agua superficial y subterránea y modelos de reacción química), debido a la naturaleza simple y bien documentada de MODFLOW. .
Los programas de elementos finitos tienen un diseño más flexible (elementos triangulares frente a los elementos de bloque que usan la mayoría de los modelos de diferencias finitas) y hay algunos programas disponibles (SUTRA, un modelo de flujo dependiente de la densidad 2D o 3D del USGS; Hydrus , un modelo de flujo no saturado comercial modelo; FEFLOW , un entorno de modelado comercial para procesos de flujo subterráneo, solutos 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 comercial de modelado general), FEATool Multiphysics, una caja de herramientas de simulación MATLAB fácil de usar, y Integrated Water Flow Model (IWFM), pero todavía no son tan populares entre los hidrogeólogos practicantes como lo es MODFLOW. Los modelos de elementos finitos son más populares en entornos universitarios y de laboratorio , donde modelos especializados resuelven formas no estándar de la ecuación de flujo ( flujo no saturado , 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 ] Similar al método de diferencias finitas, los valores se calculan en lugares discretos en una geometría mallada. "Volumen finito" se refiere al pequeño volumen que rodea cada punto de nodo en una malla. En el método de 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. Luego, estos términos se evalúan como flujos en las superficies de cada volumen finito. Debido a que el flujo que entra en un volumen dado es idéntico al que sale del volumen adyacente, estos métodos son conservadores. Otra ventaja del método de volúmenes finitos 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 agua subterránea y la gestión de desechos nucleares desarrollado por Analytic & Computational Research, Inc., ACRI.
El paquete de software FEHM está disponible de forma gratuita en el Laboratorio Nacional de Los Alamos . Este versátil simulador de flujo poroso incluye capacidades para modelar química reactiva multifase, térmica, de estrés 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 .
Estos incluyen métodos sin malla como el Método de Elementos Analíticos (AEM) y el Método de Elementos Límites (BEM), que están más cerca de las soluciones analíticas, pero se aproximan de alguna manera a la ecuación del flujo de agua subterránea. El BEM y el AEM resuelven exactamente la ecuación del flujo de agua subterránea (equilibrio de masa perfecto), al tiempo que aproximan las condiciones límite. Estos métodos son más exactos y pueden ser soluciones mucho más elegantes (como lo son los métodos analíticos), pero aún no se han visto un uso generalizado fuera de los grupos académicos y de investigación.
Un pozo de agua es un mecanismo para sacar agua subterránea a la superficie mediante perforación o excavación y llevarla a la superficie con una bomba o manualmente mediante baldes o dispositivos similares. El primer ejemplo histórico de pozos de agua data del siglo 52 a. C. en la actual Austria . [20] Hoy en día, los pozos se utilizan en todo el mundo, desde países en desarrollo hasta suburbios de los Estados Unidos.
Hay tres tipos principales de pozos: superficiales, profundos y artesianos. Los pozos poco profundos aprovechan acuíferos libres y, por lo general, son poco profundos, de menos de 15 metros de profundidad. Los pozos poco profundos tienen un diámetro pequeño, normalmente menos de 15 centímetros. [21] Los pozos profundos acceden a acuíferos confinados y siempre se perforan con máquinas. 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 está ubicada debajo del nivel freático. [22]
Uno de los aspectos más importantes de la ingeniería y la hidrogeología de las aguas subterráneas es el diseño y la construcción de pozos de agua. El diseño y la construcción adecuados del pozo son importantes para mantener la salud del agua subterránea y de las personas que utilizarán el pozo. Los factores que se deben considerar en el diseño de un pozo son:
Hay cinco áreas principales que se deben considerar al planificar y construir un nuevo pozo de agua, junto con los factores anteriores. Ellos son:
La idoneidad del acuífero comienza con la determinación de posibles ubicaciones para el pozo utilizando " informes, registros de pozos y secciones transversales del USGS " del acuífero. Esta información debe usarse para determinar las propiedades del acuífero, como la profundidad, el espesor, la transmisividad y el rendimiento del pozo. En esta etapa, también se debe determinar la calidad del agua en el acuífero y se deben realizar pruebas 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 enfoque 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 del pozo, las carcasas o revestimientos, las zapatas impulsoras, los conjuntos de rejilla del pozo y un paquete de arena o grava (opcional). Cada uno de estos componentes garantiza que el pozo solo extraiga 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. Incluyen: técnicas de perforación de "herramienta de cable, rotativa de aire, rotativa de lodo y rotativa dual de circulación inversa inundada". [24] La perforación con herramienta con cable es económica y se puede utilizar para todo tipo de pozos, pero la alineación debe verificarse constantemente y tiene un ritmo de avance lento. No es una técnica de perforación eficaz para formaciones consolidadas, pero proporciona una huella de perforación pequeña. La perforación rotatoria por aire 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 huella más grande. Tiene una tasa de avance muy rápida. La perforación rotativa dual con circulación inversa inundada es más cara, pero buena para diseños de pozos grandes. Es versátil y mantiene la alineación. Tiene una tasa de avance rápida. [24]
Las rejillas de pozo garantizan que sólo el agua llegue a la superficie y que los sedimentos permanezcan debajo de la superficie de la Tierra. Se colocan pantallas a lo largo del pozo del pozo para filtrar los sedimentos a medida que el agua se bombea hacia la superficie. El diseño de la criba puede verse afectado por la naturaleza del suelo y se pueden utilizar diseños de paquetes naturales 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 completar varias pruebas diferentes en el pozo para probar todas las cualidades relevantes del pozo. [24]
La contaminación del agua subterránea ocurre cuando otros fluidos se filtran en el acuífero y se mezclan con el agua subterránea existente. Los pesticidas, fertilizantes y gasolina son contaminantes comunes de los acuíferos. Los tanques de almacenamiento subterráneos de 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 el agua subterránea cercana. En el caso de edificios que no están conectados a un sistema de tratamiento de aguas residuales , se pueden utilizar fosas sépticas para eliminar los residuos de forma segura. Si los tanques sépticos no se construyen o no se mantienen adecuadamente, pueden filtrar bacterias, virus y otros químicos al agua subterránea circundante. Los vertederos son otra fuente potencial de contaminación de las aguas subterráneas. A medida que se entierra la basura, los productos químicos nocivos pueden migrar de la basura al agua subterránea circundante si la capa base protectora se agrieta o se daña de otro modo. Otros productos químicos, como las sales para caminos y los químicos utilizados en céspedes y granjas, pueden escurrirse hacia los embalses locales y, eventualmente, 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]
Durante mucho tiempo se ha debatido la contaminación de las aguas subterráneas debido al fracking. Dado que los productos químicos comúnmente utilizados en la fractura hidráulica no son probados 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 , o 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 estar contaminada por el fracking. Esto fue una reversión 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 vive algunas de las mayores controversias en el uso del agua subterránea debido a las condiciones secas que enfrenta California, 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 malas regulaciones sobre las aguas subterráneas han permitido que el bombeo disminuya los caudales en el río Scott y hayan perturbado el hábitat natural del salmón. En Owens Valley , en el centro de California, se bombearon aguas subterráneas para su uso en piscifactorías, lo que provocó la muerte de las praderas locales y otros ecosistemas. Esto resultó en una demanda y un acuerdo contra las empresas pesqueras. El desarrollo en el sur de California está amenazando los acuíferos locales, contaminando el agua subterránea 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 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 respecto a 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 aguas subterráneas en Colorado se remonta a antes del siglo XX. Diecinueve de los 63 condados de Colorado dependen principalmente del agua subterránea para suministros y usos domésticos. El Servicio Geológico de Colorado tiene tres informes importantes sobre el agua subterránea 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, estructura y mapas isópacos del lecho rocoso de los estratos del Cretácico superior al Paleógeno entre Greeley y Colorado Springs, La tercera publicación Secciones transversales del agua dulce Estratos de rodamiento de la cuenca de Denver entre Greeley y Colorado Springs. [29] [30]
Desde que se hicieron los primeros pozos hace miles de años, la actividad humana ha modificado los sistemas de aguas subterráneas. Hace cincuenta años comenzó a tomarse en consideración la sostenibilidad de estos sistemas a mayor escala, convirtiéndose en uno de los principales focos 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. El mapeo topográfico se ha actualizado para incluir un radar, que puede penetrar el suelo para ayudar a identificar áreas de interés. Además, grandes cálculos pueden utilizar datos recopilados de mapas para ampliar el conocimiento de los acuíferos subterráneos en los últimos años. Esto ha hecho posible modelos del 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]
Las mejoras tecnológicas han avanzado en la cartografía topográfica y también han mejorado la calidad de las simulaciones de litosfera, hidrosfera, biosfera y atmósfera. Estas simulaciones son útiles por sí solas; sin embargo, cuando se utilizan juntos, ayudan a dar una predicción aún más precisa de la sostenibilidad futura de un área y de los cambios que se pueden realizar para garantizar la estabilidad en el área. Esto no sería posible sin el avance de la tecnología. A medida que la tecnología siga avanzando, las simulaciones aumentarán en precisión y permitirán estudios y proyectos más complejos en ingeniería de aguas subterráneas. [31]
A medida que las poblaciones continúan creciendo, las áreas que utilizaban agua subterránea a un ritmo sostenible ahora están comenzando a enfrentar problemas de sostenibilidad para el futuro. Poblaciones del tamaño que se observa actualmente 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 ejercer presión sobre el suministro de agua subterránea. Esto ha llevado a la necesidad de nuevas políticas en algunas zonas urbanas. Estos se conocen como gestión proactiva del uso de la tierra, donde las ciudades pueden actuar de manera proactiva para conservar el agua subterránea.
En Brasil, la sobrepoblación provocó que el agua suministrada por los municipios se agotara. Debido a la escasez de agua, la gente comenzó a perforar pozos dentro del alcance normal del 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 el lujo de perforar sus propios pozos. Debido a que la ciudad está a cargo de perforar los nuevos pozos, pueden planificar mejor la sostenibilidad futura del agua subterránea en la región, colocando cuidadosamente los pozos y teniendo en cuenta el crecimiento de las poblaciones. [32]
En Estados Unidos , el 51% del agua potable proviene de suministros de agua subterránea. Alrededor del 99% de la población rural depende del agua subterránea. Además, el 64% del agua subterránea total del país se utiliza para riego, y una parte se utiliza para procesos industriales y recarga de lagos y ríos. En 2010, el 22 por ciento del agua dulce utilizada en EE. UU. provino de aguas subterráneas y el otro 78 por ciento provino de aguas superficiales. El agua subterránea es importante para algunos estados que no tienen acceso a agua dulce. La mayor parte del agua dulce subterránea (65 por ciento) se utiliza para riego y el 21 por ciento se utiliza para fines públicos para beber principalmente. [33] [34]
