AGUA .­ SUBTERRANEA PDF

Preview

Summary

AGUA.- SUBTERRANEA Michael Price The University of Reading, UK "nd Brilish Geological SUNey Pr61ogo por William Back US Geological Survey ｾｬｉｍｕｓａ NORIEGA EDITORES M£XICO • Espana. Venezuela. Colombia CONTENIDO Pr6logo x Prefacio ... xii Agradecimientos xiii 1. Introduccion 1 2. Agua subterranea...

Description

Accelerat ing t he world's research.

AGUA . SUBTERRANEA Malia Acg

Related papers

Download a PDF Pack of t he best relat ed papers 

Aguas subt erraneas Liz Nava Rdz

Universidad Aut oioinálfe Nuevo León alejanro Quint ero Universidad Aut oioinálfe Nuevo León Facult ad de Ciencias de ia T ierra Jhoan Crhist ian HC

AGUA.SUBTERRANEA

Michael Price The University of Reading, UK

"nd Brilish Geological SUNey

Pr61ogo por William Back US Geological Survey

ｾｬｉｍｕｓａ NORIEGA EDITORES M£XICO • Espana. Venezuela. Colombia

CONTENIDO

Pr6logo Prefacio Agradecimientos

x

...

1. Introduccion 2. Agua subterranea Referencias seleccionadas

xii xiii

1 3

12

3. Agua en movimiento Referencias seleccionadas

13

4. Cavemas y capilaridades Referencias seleccionadas

20 29

5. EI agua del suelo Referencias seleccionadas

30 38

6. EI agua subterranea en movimiento EI movimiento del agua Perdidas de carga . Ley de Darcy Aplicaciones de la ley de Darcy Flujo a un pozo Resumen Referencias seleccionadas

40 40 46 49

7. Mas acerca de los acuiferos Acuiferos colgados Acuiferos confinados: conceptos y errores Almacenamiento ehistico

19

55 58

68 69 71 71 71 75

viii -

II

C_O_NI'EN_I_D_O __

--'

Fluctuaciones del nivel estatico Tipos de roca como acuiferos Acuiferos de Gran Bretafta Acuiferos de America del Norte Otros acuiferos, sedimentos no consolidados No acuiferos Rocas fgneas y metam6rficas Referencias seleccionadas

76 82 84 88 96 97 98 99

8. Manantiales y nos, desiertos y sequias Descarga de los acuiferos lPor que los rios fluyen de manera continua? Medici6n del flujo de los rios Analisis de hidrogramas lOue pasa durante una sequia? Efecto de invernadero Las sequfas perennes y los desiertos Referencias seleccionadas

101

9. Pozos para agua Bombas Disefto de pozos Disefto de un pozo con eficiencia maxima Metodos de perforaci6n Muestras y nucleos Referencias seleccionadas

101 105 107 110 115 116 118 122 124

125 129 132 133 139 141

10. Mediciones y modelos Mediciones hidrol6gicas Mediciones geol6gicas Mediciones hidraulicas Modelos "Artefactos magicos" para encontrar agua subterranea Referencias seleccionadas

142 142 145 150 164 170 171

11. CaUdad del agua Un relato sobre sanidad Ouimica del agua subterranea Origen del agua subterranea Evoluci6n qufmica del agua mete6rica Calidad del agua subterranea en zonas aridas Aguas innatas y salinas Is6topos y trazadores Residentes, inmigrantes y visitantes: el misterioso mundo de los microorganismos

173 173 174 179 180 183 186 188 192

I ｾ

CONTENIDO

i.Que tan segura es la calidad del agua? Agua embotellada Temperatura del agua subteminea Referencias seleccionadas

198 202 204 206

12. Agua subterranea: ;'amiga 0 enemiga? La mejor opci6n Manejo del agua y uso conjuntivo El agua subterranea como un problema El agua subterranea como causa de inestabilidad Control de agua subterranea en las labores de ingenierfa Drenaje de minas Ascenso del nivel freatico Referencias seleccionadas

208 208 211 214 216 222 226 227 229

13. Lo que se infiltra regresa a la superficie El mito de la pureza Mantener limpia el agua Movimiento de contaminantes i.Quien contamina el agua subterranea? Intrusi6n de agua salada Nitratos Pesticidas Disposici6n de desechos en rellenos controlados Desechos nucleares Hidrocarburos Remoci6n de contaminantes Protecci6n del agua subterranea Referencias seleccionadas

230 230 230 233 237 238 240 245 248 255 259 263 267 272

14. Entorno hidrogeologico de San Luis Potosi Antecedentes Introducci6n El metoda del balance y la evapotranspiraci6n El acuffero y sus definiciones Carga y potencial, correcci6n por temperatura Conductividad hidraulica, transmisividad, perdidas de pozo, velocidad de flujo Consolidaci6n del acuffero y de la lente de material fino Cuenca superficial vs. subterranea. Sistemas de flujo Hidrogeoqufmica, calidad del agua y su control. Geoterm6metros Perforaci6n, disefio, construcci6n y operaci6n de pozos para agua Referencias seleccionadas

274

288 296 297 304 310 318

15. El futuro

320

Indice

323

274 275 281 282 285

Pr61ogo

AI iniciar usted el estudio de las aguas subternineas, esta por emprender un estimulante viaje que incluira visitas a muchos campos de la ciencia. Es usted afortunado al contar con un libro tan facil de entender, que explica los conceptos dificiles de una manera tan sencilla y facil de rete.ner. Pronto entendera las respuestas a muchas preguntas: loDe d6nde viene el agua de los pozos? loSe mueve el agua subterranea como un rfo, 0 acaso mas lento, como el agua de un lago? loEsta el agua de los pozos siempre rna? loEs el agua subterranea mas pura que la de un rio? loC6mo se forman los manantiales? loExistian mas manantiales en la antigiiedad que ahora? Y si es asf, lopor que? loC6mo se forman las grutas? loPor que no estan llenas de agua?, y la lista continua. Las respuestas a esas preguntas han sido deducidas de la aplicaci6n de principios de qufmica, ffsica, biologfa, geomorfologfa y otras ciencias de la Tierra. Ahora mas que nunca es importante para los no cientificos entender los principios de la hidrogeologfa. EI agua subterranea es un recurso tan importante, y su comportamiento y calidad -incluyendo los cambios causados por la contaminaci6n- pueden producir efectos tan profundos en el ambiente, que su comprensi6n es un requisito para la toma de decisiones racionales que permitan su manejo como recurso. Un sistema democratico requiere que un publico informado pueda identificar opciones, escoger alternativas y entender las consecuencias de sus acciones 0 de la falta de acciones. Una reglamentaci6n ambiental eficaz debe tener en cuenta el estudio y difusi6n de conocimientos acerca del agua subterranea y de otras geociencias a efecto de identificar las metas que son deseables y posibles. Los estudiantes que se especialicen para llegar a ser cientfficos expertos en agua subterranea encontraran un trabajo lleno de satisfacciones al afrontar los retos tecnicos y cientfficos que deben solucionarse para mantener un ambiente sustentable. En todo el mundo, estos profesionales trabajan para 1) agencias gubernamentales reguladoras y de investigaci6n, 2) empresas consultoras de ingenierfa y sobre el ambiente, 3) industrias y 4) instituciones de investigaci6n y universidades como profesores e investigadores. La meta principal de los hidroge610gos es mantener ---0 mejorar- la salud del publico y

'--

----'1 ｾ

P_R_6_L_O_G_O

del ambiente. La hidrogeologia es la disciplina con mayor crecimiento entre las ciencias de la Tierra. Esto refleja una mayor conciencia acerca del valor y la fragilidad de los recursos del agua, y de la respuesta y deseos de los gobiernos, el publico y la industria para lograr que su manejo sea inteligente. Paralelamente a este reconocimiento de los problemas ambientales, se identifica la necesidad de realizar trabajos de investigaci6n en hidrogeologfa por parte de universidades y otras instituciones dedicadas a esta actividad. Ellibro esta escrito por un eminente hidroge6logo, cuya amplia experiencia Ie permite explicar los principios basicos y demostrar su importancia con toda claridad. Usted disfrutara de la lectura y el estudio de este libro por el modo en que el autor desarrolla los conceptos, explica la terminologfa y proporciona informaci6n esencial, sin llegar al detalle superfluo que pueda distraerlo del entendimiento basico. Identificara el significado y uso de terminos tales como transmisividad, coeficiente de almacenamiento, caudal especffico y otros que quiza haya encontrado en la literatura relativa a agua subterranea. Ken Howard, profesor de la Universidad de Toronto, indica en una revisi6n de la obra: "Ellibro de Michael Price es mas que una introducci6n al tema del agua subterranea. Es una lecci6n de c6mo escribir textos informativos y convincentes a los que todos deberfamos prestar atenci6n." Sin duda, las horas que ellector invierta en este libro seran de mucho provecho en su trayectoria profesional. William Back Cientffico Investigador US Geological Survey Reston, Virginia, EUA.

Prefacio

Aunque existen Iibros excelentes acerca del tema, para mucha gente el agua subterninea sigue siendo una sustancia que ha sido comprendida erroneamente, e incluso permanece con un halo de misterio. Quiza esto se debe a que todos los Iibros de texto sobre la materia estan dirigidos a gente que es, 0 intenta ser, especialista en agua subterranea; de hecho, los libros estan dirigidos a quienes ya comprenden y aprecian este recurso. Por otro lado, muchos de los libros introductorios mas atraetivos sobre agua mencionan 8610 brevemente al agua subterranea. Cualquiera que sea la razon, existe una desafortunada falta de comprension de la materia, incluso entre geologos, geografos e ingenieros civiles. Este libro pone ala disposici6n del no especialista una introducci6n comprensible sobre la materia. EI uso de terminos tecnicos es minimo, y donde estos aparecen se explica el porque de su uso. El enfasis es en los principios mas que en el detalle. En un libro de esta clase poco 0 nada es original. Sin embargo, supongo que los lectores no desean ver cada frase especifica respaldada por una referenda; tambien supongo que cualquiera que desee mas informacion acudira a un libro mas avanzado y no a los articulos de revistas academicas. Por 10 tanto, hago referencia a libros, y solo he consultado aquellos articulos que son muy recientes como para estar incorporados en libros, 0 aquellos que son "clasicos" y que por esa razon vale la pena estudiarlos, asi como articulos cuyo contenido no se ha mencionado en los libros existentes. Para no alterar la continuidad de cada capitulo, simplemente se presenta una lista de las referencias seleccionadas al final de cada uno de ellos. EI objetivo dellibro es la simplicidad, y el uso de formulas matemobre conceptos especializados fueron proporcionados por Southern Water Authority, Failing Supply Limited y Sigmund Pulsometer Pumps. Estoy particularmente agradecido con Graham Daw y Cementation Specialists Holdings Limited por su asesoria sobre problemas de geotecnia. Vaya un agradecimiento especial para Dick Downing cuyo (al parecer) inagotable conocimiento en hidrogeologia fue aprovechado ampliamente en este libro. Una parte de los primeros borradores del manuscrito fue revisada por B.P. J. Williams y M.S. Money, quienes hicieron criticas utiles. El manuscritocompleto fue revisado por Dick Downing, Chris Wilson y Brian Knapp. Tambien estoy agradecido con Roger Jones y sus colegas en George Allen and Unwin, por su guia para terminar ellibro. Ademas de las personas y organizaciones antes mencionadas, muchas otras contribuyeron a preparar la revisi6n de esta edici6n. Estoy agradecido con quienes revisaron ellibro y enviaron comentarios 0 criticas constructivas. Me gustaria dar gracias a mis colegas del British Geological Survey (BGS), del Instituto de Hidrologia, de la Universidad de Readingy a mis amigos de la industria del agua, por ayudarme a seguir aprendiendo y actualizar mis conocimientos. Agradezco en especial a Lester Simmonds, del Departamento de

DV

I IL-

A_G_RAD __E_C_IM_IE_NT_O_S

_

Ciencias del Suelo de la Universidad de Reading, por su revisi6n de los capitulos 4 y 5; a Martin Wood, del mismo departamento, y Julie West, del BGS,  por su ayuda en aspectos de microbiologia, asi como a John Chilton (BGS) y  Kevin Wilson de Ready Mixed Concrete (GB) Ltd por su ayuda con el capitulo  13.  Asimismo,  agradezco  la  colaboraci6n  de  los  ingenieros  Joel  Carrillo­Rivera  (UNAM)  y Antonio  Cardona  (UASLP),  quienes  escribieron  el  capitulo 14 para tratar el tema en el contexto de un pais latinoamericano.  Debo mencionar que  cualquier falla  que pudiera existir a  10 largo  de  la  obra es por no haber aceptado el consejo de quienes me brindaron tan desinteresada ayuda, no porque ellos no se hubieran percatado de la misma.  Dominic Recaldin y Una­Jane  Winfield  me alentaron e  insistieron para  que continuara con la tarea, y fueron pacientes con los atrasos en el aspecto  editorial causados por mi cambio de residencia a Reading.  Finalmente, estoy en deuda con Mary, Susan elan por su paciencia y tolerancia durante mis prolongadas ausencias de la vida familiar.  Michael Price 

,' .;' Ｇｾｩ

 

f§f:;;  i' \

ＧｨＩｾｲｩ

';"s,

. ·h"g·  

'!:,fHti'"j. Ｂｈ［ｪｾｖＧ

  .•,.

ｾ 

  ｩＧ［ ｄ ｽＱＨＡﾷＬ ｾｉＮＡＧｊｲＺ Ｑｨ

ＮＺ､ｩ｜ ｯＬＡ Ｇ＿ｬｩ ｦ ＧＮｋＺｩＦＡＱｊｾ ﾷ ｮ G

• ｾ  

 . ,

...-------

---J

Figura 13.5. Concentraciones de nitnto en la zona no saturada. Evolucion de la concentraci6n de nitrato en el agua de los poros de la zona no saturada en el Chalk bajo tierra de cultivo en Cambridgeshire, Inglaterra. Los tres perfiles demuestran como se incrementola concentracion de nitrato en la recarga (ocasionando eI "pico" observado a 2.5 metros de profundidad en mayo de 1979) y su posterior disminucion paulatina. EI valor maximo se desplaza hacia abajo a medida que una nueva infiltracion se presenta y 10 "empuja" hacia abajo; el "pico" se suaviza debido a los efectos de la dispersion y posiblemente por denitrificacion localizada. EI incremento en los valores de nitrato puede ser ocasionado por las elevadas cantidades de fertilizante aplicadas al suelo, combinadas con la sequia de 1975-1976. La disminucion posterior del nitrato a cualquier profundidad probablemente es resultado de la tendencia de cultivar los cereales en otofto, de tal manera que el nitrato residual es tornado por las plantas evitando su lixiviacion posterior hacia la zona saturada. (Basado en informacion del Servicio Geologico Britanico)

NITRATOS 

para que las bacterias mciden el nitrogeno org{mico en nitrato soluble. Diversas pnicticas agricolas incrementan la incorporacion de oxigeno al suelo, situacion que colabora al desarrollo bacteriano. Si el suelo no se siembra durante el invierno no existinin plantas que tomen eI nitrato, y este sera 100viado por las lluvias. Una solucion parcial para este problema es la siembra de plantas durante el invierno, de tal modo que una buena cantidad de nitrato sea aprovechada por las mismas. Esto se logra cultivando cereales como trigo 0 avena en otofio en lugar de en la primavera, 0 cultivando plantas alimenticias verdes para que tomen el nitrogeno del suelo. El evitar el arado de grandes cantidades de terreno justo despues de la cosecha tambien colabora en la disminucion del problema. Muchas personas sefialan que el problema es el exceso de alimentos producidos en Europa Occidental, Estados Unidos de America y Canada por medio de la aplicacion de practicas agrfcolas intensivas, y sugieren que una manera obvia de disminuirlo es cultivar la tierra con menor intensidad, y hacerlo por medio de metodos organicos. Sin importar los argumentos economicos y" politicos a favor 0 en contra de esta sugerencia, es importante reconocer que la utilizacion de abonos derivados de animales, en lugar de fertilizantes, puede ocasionar una mayor cantidad de nitrato, debido principalmente a que es mas complicado controlar la cantidad precisa de nitrogeno necesario en cada aplicacion. La Comunidad Europea ataco el problema del nitrato en eI agua con la aprobacion de una directiva del Consejo (diciembre de 1991) sobre el control de la polucion causada por nitrato derivado de fuentes agricolas. La Directiva (que de acuerdo con los reglamentos de la Comunidad Europea debe ser aplicada por los pafses miembros) tiene vigencia sobre aguas superficiales y subterraneas. Para el caso de agua subterranea, se requiere que los miembros identifiquen donde la concentracion de nitrato sobrepasa el limite de 50 mg/l especificadoen la Directiva de Agua Potable, 0 donde se alcanzara en un futuro cercano a menos que se realice una accion directa para evitarlo. Los pafses miembros tuvieron hasta finales de 1993 para designar las areas que presentaban este tipo de problema como "zonas vulnerables". Posteriormente, a finales de 1995, los pafses miembros tuvieron que establecer un programa de acciones concretas para reducir la contaminacion, con una fecha limite de finales de 1999 para instrumentar efectivamente dichos programas. Gran Bretafia respondio a una version preliminar instituyendo en 1991 un esquema experimental denominado Areas Sensibles al Nitrato (ASN). Fueron seleccionadas 10 areas, cada una de las cuales representa una region que contribuye agua a un pozo de abasto a la poblacion, asf como diversos tipos de acuffero en diferentes partes del pafs. En estas regiones, se invito a los agricultores a seguir una serie de lineamientos establecidos para reducir la cantidad de nitrato que puede ser IOOviado del suelo. Las practicas propuestas incluyeron no dejar la tierra sin cultivar durante el invierno, y restringir las cantidades y tiempos de aplicacion de fertilizantes y estiercol. EI 87% de las tierras propuestas se incorporo al programa; los granjeros que adoptaran los lineamientos sedan compensados por la disminucion de la

LO QUE SE INFILTRA REGRESA A LA SUPERFICIE 

producci6n que se estimara fuera resultado de la aplicaci6n de las recomendaciones. Un pago adicional se entreg6 a los granjeros que convirtieron sus tierras de cultivo en zonas agrfcolas de baja intensidad sembradas con pastos; este esquema incorpor6 a 14% del area total de las ASN. Los primeros resultados obtenidos con base en muestras de la zona no saturada sugieren que, efectivamente, las recomendaciones producen una menor concentraci6n de nitrato en el agua de recarga que se infiltra hacia el nivel freatico, pero las concentraciones aun exceden los 50 mg/I. Sin embargo, estos resultados pueden estar distorsionados por la sequfa de 1988-1992, que pudo haber dejado un exceso de nitrato en el suelo en espera de ser lixiviado. Aunque las recomendaciones produjeron que los cultivos tomaran una mayor cantidad de nitr6geno del suelo, y existiera menos nitr6geno disponible para ser llevado al agua subternlnea, una de las medidas necesarias para lograr la reducci6n neta fue la exportaci6n del estiercol producido por las engordas de ganado ubicadas dentro de las ASN. Esto significa que el nitr6geno fue exportado de la cuenca de aporte a los pozos que mostraban contaminaci6n, por 10 que potencialmente se espera ocasionar un incremento de es.tiercol, y en consecuencia de nitrato, en la cuota asignada en otra regi6n. En 1994 fue definido un segundo tipo de ASN que incorpora pozos de abasto publico ubicados en el acuffero Chalk, areniscas permotriasicas y calizas jurasicas. AI igual que en el programa original, la incorporaci6n es voluntaria y los granjeros que se incorporen reciben una compensaci6n. Sin embargo, cuando las Zonas Vulnerables al Nitrato (ZVN) que solicita la Comunidad Europea sean definidas, no se otorgara subsidio a los granjeros afectados. En la mayorfa de los pafses europeos hay la tendencia a crear ZVN de grandes dimensiones que quiza cubran la mayor parte del afloramiento de un acuffero especffico 0 la totalidad del pafs, pero con la salvedad de que las restricciones a los granjeros ubicados dentro de dicha demarcaci6n seran mfnimas. En contraste, en Gran Bretafia se tiene la idea de crear zonas de pequefias dimensiones alrededor de pozos de abasto domestico, pero con restricciones estrictas para la aplicaci6n de nitr6geno dentro de esas regiones. Esto puede considerarse injusto para una pequefia proporci6n de granjeros...