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AIDIS – 24 al 27 de Noviembre de 1998 Página 1

Tema 3. DIAGNOSTICO DE CONTAMINANTES – AREAS A REMEDIAR

Disertante: Lic. Gustavo Maselli

1 Identificación de Contaminantes. Objetivo.

Los derivados del petróleo y el petróleo mismo constituyen uno de los principales contaminantes delsistema ecológico. Estos son distribuidos en la superficie terrestre por los agentes naturales como el viento y elagua, y en una medida importantísima por el hombre.

Los hidrocarburos derivados de la actividad humana en general, y en particular los provenientes de laindustria llegan al medio ambiente tanto como desechos gaseosos, líquidos o semisólidos.

Los elementos contaminantes son incorporados a la biosfera previo paso por la hidrosfera, zona endonde se produce la mayor dispersión de los mismos. Los efluentes gaseosos previamente residen en laatmósfera, donde también son dispersados, para luego incorporarse a la hidrosfera a través de procesosmeteorológicos o directamente a los seres vivos a través de los procesos vitales.

Los efluentes sólidos o líquidos pueden previamente residir en los suelos y luego ser dispersados por elagua llegando a los acuíferos y corrientes superficiales. Sea cual fuere el camino, pronto son incorporados a lasaguas naturales, pasando a acumularse en los sedimentos y cuerpos de agua del nivel de base de la cuenca local obien llegar finalmente al nivel de base general, los océanos.

Se estima que entre 5 y 10 millones de toneladas métricas de petróleo entran por año en los océanos delmundo, contribución debida a los pequeños derrames, continuos y de baja concentración que ingresan por elaporte de los ríos.

Los estudios vinculados con la dinámica de la contaminación de los ecosistemas dulce acuícolas hansido escasos, principalmente los pequeños ecosistemas que reciben el ingreso diario de contaminantes derivadosde la actividad petrolera y petroquímica.

Por otro lado, el ingreso de sustancias antropogénicas a los suelos a través de derrames puntuales oregionales constituye un paso importante en el peregrinar de las moléculas en el ciclo exógeno. La movilizaciónde complejos orgánicos, p/ej, implica varios procesos: por un lado el flujo lateral que facilita la evaporación delas moléculas livianas que de esta manera son incorporadas a la atmósfera, y por otro lado el flujo vertical quelleva la contaminación a las capas del subsuelo contaminando el agua subterránea, debido a la movilización delos componentes más polares.

Es decir, sea cual fuere el origen del desecho, el agua y el aire (en menor medida) interactúan con losdemás agentes naturales como vectores de la dispersión , distribución y concentración de los hidrocarburos en elmedio ambiente.

Si consideramos el tiempo que ha transcurrido desde la revolución industrial hasta nuestros días,veremos que el deterioro del medio ambiente aumenta en forma geométrica conforme pasa el tiempo. Pero siconsideramos la proporción de la magnitud de la agresión respecto al deterioro, éste no fue tan significativo, esdecir que de una u otra forma la naturaleza se autocompensa. La evidencia de esto reside en el mantenimientoque ha experimentado la biosfera a lo largo del tiempo geológico, donde la efectividad de los procesosbiológicos y geoquímicos dio lugar a la degradación de sustancias cada vez más complejas a lo largo de laevolución. Por esto es que la remediación de un ambiente estresado es posible desde la intervención apropiadaen los procesos naturales.

Es así que el presente trabajo intentará entender el ciclo de los hidrocarburos derivados comosubproductos de la actividad humana o de los derivados de procesos naturales espontáneos en el ciclo exógeno.Las barreras geoquímicas y biogeoquímicas que actúan regulando el proceso de movilización, concentración ydegradación. La importancia de los sistemas hídricos en estos procesos, el agua y el aire como agentesinvolucrados en la dinámica del hidrocarburo, como así también su geoquímica particular y sus implicancias enel balance ecológico de una región.


Lámina 1

Cuando se produce un vuelco de productos contaminantes, ya sea como consecuencia de una actividadoperativa o accidental, comienzan a desarrollarse una sucesión de fenómenos que van a afectar en forma directalos cuerpos naturales agua superficial, agua subterránea, suelo y a la atmósfera

El producto es movilizado por los agentes naturales en función de sus propiedades fisicoquímicas. Porlo tanto va a tener principal importancia el "donde" se produce el vertido. En el ámbito terrestre puede ocurrir ensuperficie o subsuperficialmente pudiendo afectar distintos cuerpos naturales de distinta forma, en cambio enámbitos acuáticos siempre resulta afectado directamente el cuerpo de agua.


Lámina 2

Si el derrame o vertido se produce bajo la superficie (subsuperficial) el único agente natural queinterviene en su movilización es el agua la que generando soluciones verdaderas (fase soluble) o dispersionescoloidales (fase dispersa) moviliza las sustancias dentro de la hidrosfera afectando suelos, sedimentos, etc..

Mientras que cuando el derrame o vertido tiene lugar en superficie además del agua, el viento comoagente natural es el encargada de movilizar por voladura de sólidos (polvo) y dispersión de vapores en laatmósfera, que al interactuar con la humedad propia de esta son incorporado al ciclo hidrológico y por lo tanto ala hidrósfera .

Hasta aquí todo iría bien, puesto que una sustancia mas, de las miles ya existentes, se esta incorporandoa un sistema multifase y multicomponente, pero este "extraño" componente interfiere con el equilibriotermodinámico natural, variando la calidad de las fases y afectado finalmente a los seres vivos, a la Biosfera yconsecuentemente al hombre.


Lámina 3

El ciclo hidrológico nos proporciona una aproximación a la magnitud que puede alcanzar la emisión desustancias contaminantes al medio. Como ejercicio incorporemos una sustancia X en cualquier parte del ciclo ysigamos su derrotero. ¿De que depende que X se movilice? ¿Cómo se moviliza X? ¿Qué elementos naturalescontrolan o condicionan las vías de migración?


2 Estudio de sitioCuando se ha producido un vertido o derrame de un producto contaminante se ha afectado uno a mas

cuerpos naturales. De acuerdo a las propiedades fisicoquímicas del contaminante, las características texturalesdel suelo, las propiedades mecánicas y físicas , las condiciones climáticas y la actividad biológica, el medio seráAFECTADO y en consecuencia será afectada la actividad normal del hombre (recreativa o económica) y por supuesto, su SALUD.

Uno de los objetivos mas importantes de los ESTUDIO DE SITIO involucra delimitar el alcance de lacontaminación, caracterizar el comportamiento químico del o los compuestos intervinientes, su toxicidad ymovilidad, caracterizar el entorno geológico, biológico y su dinámica natural. Los pasos que involucra el estudiose puede resumir en lámina 3:

Lámina 4


2.1 Diseño del Programa de Estudio Ambiental.

2.1.1 Evaluación preliminarEn esta etapa se procede a reconocer rápidamente el área bajo estudio, observándose su entorno,

características geomorfológicas, topográficas, fisiográficas, biológicas, entorno sociocultural y actividadantrópica directa o indirectamente vinculadas con el problema a analizar.

En esta etapa se procede a tomar muestras al azar para caracterizar tanto el contaminante como elmedio, se realizan ensayos de campo con propósito de obtener en forma grosera el background de la zona, serealizan tomas fotográficas y se recaba información histórica con los habitantes de las inmediaciones del sitioevaluado.

En gabinete se procede a recopilar información de base: plancheta topográfica, fotografía aérea,planificación territorial, planos de uso del suelo, información meteorológica, estudios geológicos ehidrogeológicos locales y regionales, información poblacional actualizada, etc.

Como resultado de esta evaluación deberemos tener una composición de lugar que nos permitavisualizar el problema en el plano de su interacción con el mundo circundante en el concepto de A.F.Thienemann (Vida y mundo circundante, EUDEBA, 1965, Buenos Aires). Comprendiendo por ambiente elconjunto de los objetos y fenómenos activos sobre el mundo circundante inmediatamente percibidos por unaespecie, por medio de sus órganos de los sentidos.

2.1.2 Levantamiento planialtimetricoDimensionar la dispersión del contaminante implica delimitar el área afectada. Esta tarea implica

colocar puntos georeferenciados en el sitio y a partir de esta articular una base topográfica que permita estimardirección y sentido, extensión areal y volumétrica de los sedimentos comprometidos.

Para su posicionamiento siempre es necesario contar con fotografías áreas de la zona o planchetageodésica del sitio. Si no se cuenta con esto, se puede colocar la referencias con respecto a las obras civilesexistentes, como por ejemplo un camino o ruta. A parir de esta se puede referenciar el resto de nuestra red debase.

Otra alternativa lo constituye el GPS, mediante el cual podemos colocar con suficiente exactitud unmojón de referencia, a partir de este articular nuestra poligonal y determinar los puntos poligonométricos debase.

La base de levantamiento puede ser construida con un simple Nivel óptico con alidada distanciométricay mira (regla). También se puede emplear un Teodolito y una mira. Más modernamente se suele emplear unaEstación Total, este equipo es básicamente un teodolito que posee un haz láser y miras dotadas de espejos. Lainformación es registrada por un microprocesador y puede ser volcada directamente a un software de aplicación.

MIRAS NIVEL OPTICO


La base de levantamiento constituye una serie de puntos con coordenadas X e Y , cota Z. Esta va ha sernuestra referencia para cualquiera de los cálculos y modelos que apliquemos para evaluar la contaminaciónrelevada.

Otro instrumento de fácil empleo lo constituye la plancheta dotada de una alidada distanciometrica. Estaestá constituida por un tablero, un trípode y una alidada con regla. Los puntos observados son volcados al papela la escala del trabajo a medida que la obra avanza, brindándonos al momento un plano al que podemos iragregando las anotaciones y referencia planimétricas que creamos convenientes.

2.1.3 Toma de muestrasEn este punto nos vamos a detener un poco mas, aquí abordaremos dos aspectos una referido a la

manera de tomar muestras es decir las maniobras necesarias para obtener en el campo una muestra lo masrepresentativa del material investigado, y otro como realizar el muestreo, es decir cuantas muestras tomar ydonde tomarlas.

2.1.3.1 Toma de muestra de sueloA.- Toma de muestra superficial : Para tomar una muestra superficial sobre un terreno deberemos

emplear una pala de acero inoxidable preferentemente. En el sitio elegido para la toma se delimita un cuadro de1 m por 1 m, se cava y se retira el material hasta una profundidad de 15 cm. El material extraído es colocadosobre una lámina de plástico y cuarteado sucesivamente hasta alcanzar el volumen de material requerido para elanálisis planificado. Se envasa la muestra en bolsa de TEDLAR , frascos de boca ancha de PET o vidrio. Serotula adecuadamente y se preserva. Cuando se desea tomar una muestra de un material anómalo en particular, serealiza la toma con una cuchara de acero inoxidable de la cantidad requerida para el análisis, colocándosela en elrecipiente adecuado.

Otra forma de tomar muestras al azar es hincando un tubo saca muestra. Este dispositivo consta de untubo de acero inoxidable de diámetro y longitud variable, en cuyo interior se dispone una vaina dePOLIPROPILENO. Al avanzar el caño corta la muestra, la que es introducida en la vaina. Cumplido el recorridode hincado el tubo es retirado y abierto, obteniendo un testigo de suelo sedimento.


B.- Toma de muestras pozos (sondeos): Cuando se requiere evaluar el nivel de concentraciónexistente en el subsuelo, o detectar la presencia de enterramientos de residuos o aparición de un fase libresobrenadante no acuosa sobre la tabla de agua del acuífero libre se requiere la perforación de pozos para laobtención de la muestra. Esta construcción puede ser abandonada una vez alcanzado el cometido (Sondeo) o serterminada en forma conveniente y adecuada para constituirse en un pozo de monitoreo (Freatímetro).

Normalmente esta última instalación se realiza cuando se desea monitorear el acuífero objetivo denuestro estudio, mientras que los sondeos puede alcanzar el mismo objetivo y ser abandonado, o simplementeconstituyen una perforación de pocos metros para muestrear la zona no saturada .

El equipamiento de perforación es sumamente variado y la utilidad de los mismos esta directamenterelacionado con los alcances del estudio. El más empleado consiste en la perforación con barreno deaccionamiento manual para perforaciones de hasta 5 metros de profundidad. También puede emplearseperforación por rotación de mechas helicoidales accionadas mecánicamente las que permiten alcanzar unaprofundidad equivalente. Cuando se desea alcanzar objetivos mayores puede emplearse equipos de rotaciónaccionados hidráulicamente, con retorno de recortes por aire comprimido o hincado hidráulico en ariete. Cuandose trata de penetrar arenas sueltas o gravas la técnica de cuchareo resulta la mas adecuada.

En regla general no debe emplearse métodos que empleen lodos de inyección y solo usar agua cuandolas condiciones geológicas lo requieran .

La toma de muestra mas adecuada lo constituye el tubo saca muestra (Therzaghi). Esta herramienta estaconstruida en acero con un borde cortante de aleación dura, de 50 cm de longitud y 5 cm de diámetro externo, encuyo interior lleva una vaina de PVC o POLIPROPILENO dividida en tres tramos de 15 cm.

El proceso de toma de muestra implica alcanzar la profundidad objetivo, levantar las herramientas quese esta usando para la perforación, bajar el tubo muestreador e hincarlo en todo su carrera por medio de ariete degolpe o pistón hidráulico. Terminada esta operación se levanta la herramienta, se retiran las vainas y se descartala superior, puesto que está siempre contiene recortes del tramo superior del pozo. La vaina de la base es la quesiempre se remite al laboratorio para su análisis o a la cual se le extrae una porción para una análisis in side.


Cuando se requiere tomar una muestra de agua se deberá construir un pozo de monitoreo. Estainstalación consiste en un encamisado del pozo con caño de PVC o POLIPROPILENO. En el proceso deconstrucción se instala en la zona saturada (se debe considerar la fluctuación del acuífero) un tramo de cañoranurado que constituye conjuntamente con agregado de grava seleccionada el tramo filtrante. Por encima deeste se dispone un cuello de bentonita alrededor de un tramo de caño ciego. Se completa el espacio anular delpozo con cemento o cemento -- bentonita. El pozo se termina con una tapa a rosca o presión, expuesta oencerrada en una caja metálica.

La muestra de agua se toma con dispositivos de lo mas variados, acorde a cada una de las situacionesque el estudio demande. El más empleado en nuestro medio es el bailer, el de construcción standard accionadopor válvula a bola o el que permite accionar la apertura de las mismas a una profundidad deseada desde lasuperficie por el operario. La muestra en comúnmente envasada en frasco de vidrio de color caramelo yacondicionada para su preservación.

TUBOS SACA MUESTRAS NORMAL Y A PISTÓN


2.1.3.2 Toma de muestras de aguaLa toma de muestra de agua en superficie o en pozos determina el método a emplear, en superficie

existen numerosos métodos desde el uso de extensible en cuya punta llevan adosados un recipiente osimplemente la botella de muestreo. Hasta sistema de muestreo bajo la superficie accionados con arrestos para laapertura de tapas o válvulas a una determinada profundidad.

En el caso de los pozos de monitoreo el método más empleado corresponde al empleo del bailer. Deacuerdo al objetivo de nuestro análisis deberá ser tipo de material con que este construido.


Lámina 5


2.1.4 Técnicas Estadísticas de Muestreo

2.1.4.1 . Diseño del plan de muestreo y análisisLos métodos de análisis deben ser uniformes con el muestreo diseñados y los objetivos a alcanzar. Por

ejemplo, datos que se obtienen usando el muestreo estratificado no puede analizarse usando las ecuaciones parael muestreo aleatorio simple. El análisis y diseño del plan de muestreo debe coincidir.

2.1.4.2 Planificación de la toma de muestraLas secciones siguientes proveen la discusión de antecedentes que orientan la elección de plan de

muestreo para cada área. Los diseños considerados son:

v Muestreo aleatorio simple

v Muestreo estratificado aleatorio;

v Muestreo sistemático simple

v Muestreo aleatorio secuencial

Los métodos aleatorios exigen necesariamente hacer declaraciones de confianza o probabilidad sobrelos resultados del muestreo.

Los resultados desde tales muestreos no pueden generalizarse al área entera de muestreo y ningunasdeclaraciones de probabilidad pueden hacerse cuando la toma de muestra emplea el método del mejor juiciotécnico o mejor criterio técnico.

Este tipo de muestreo puede justificarse, por ejemplo, durante la investigación preliminar de sitio y laevaluación se sostiene con conocimiento considerable de las fuentes e historia de contaminación. También sepuede emplear la combinación de los diseños enunciados mas arriba.

2.1.4.3 Azar vs Muestreo SistemáticoLa selección aleatoria de los puntos de control requiere que cada punto se seleccione independiente de

la ubicación de cualquiera de los otros puntos de muestreo. Ver figura en la página siguiente.

Debajo el muestreo aleatorio ningún modelo regula la distribución de los puntos. Sin embargo, esposible (puramente por casualidad) que todos los puntos de muestreo se pueden agrupar en uno o dos decuadrantes del sitio. Esta posibilidad es sumamente pequeña para los muestreo de tamaños más grandes.

Una alternativa al muestreo aleatorio es el muestreo sistemático, que distribuye el muestreo másuniformemente sobre el sitio. Porque los puntos de control siguen un modelo simple y son separados pordistancia fija previamente seleccionada.

Para ubicar los puntos de control en el campo pueden resultar más fáciles si se hace empleo de unmuestreo sistemático que si usa una selección aleatoria de puntos.

2.1.4.4 Simple vs el Muestreo EstratificadoLa precisión de la estimación estadística puede ser mejorada dividiendo un área de muestreo en estratos

más homogéneos, de esta manera, la variabilidad debido al suelo, ubicación, características del terreno, etc.puede controlarse, y por lo tanto resultar en un mejor ajuste en el plano de contaminación.

El muestreo sistemático con la estratificación provee otra manera de minimizar la posibilidad que lasáreas importantes del sitio no se presentarán en el muestreo con pesos diferentes.

La ventaja principal de la estratificación es que puede resultar en una asignación de recursos máseficiente de lo que sería posible con un muestreo aleatorio simple.


Lámina 6


Por ejemplo, suponer que, con base en aspectos físicos, que el sitio puede dividirse en una escarpado yun área plana, que el área escarpada comprende el 75% del área total y es más difícil de muestrear que el áreaplana. Si no hay razón para analizar las dos subáreas separadamente, podríamos considerar seleccionar unmuestreo aleatorio simple de unidades de suelo a través del sitio entero. Sin embargo, con un muestreo aleatoriosimple, sobre el del muestreo estaría en las escarpado, y por lo tanto más dificultoso que otras áreas del sitio.

Con el muestreo estratificado puede destinarse desproporcionadamente a las dos subáreas, es decir,probar menos unidades en áreas escarpadas y más en áreas planas. De esta manera, los ahorros resultantes decosto (sobre un muestreo aleatorio simple) pueden usarse para aumentar el muestreo total clasificado.

La estratificación puede usarse para diseñar un muestreo más eficiente, y es simplemente undispositivo para asegurar representar en el muestreo subáreas o subzonas..

Los factores que pueden usarse para definir estratos son:

v Objeto del muestreso, tipo de contaminante a detectar y cuantificar.

v Tipo de ambiente, relieve topografico, etc.

v Condiciones fisicoquímicas generales.

v Presencia de otros contaminantes que afectan las técnicas analíticas

v La historia y fuentes de contaminación sobre el sitio.

2.1.4.5 Muestreo SecuencialPara la mayoría de los métodos estadísticos, el análisis se desempeña después que se ha completado el

muestreo y los resultados de laboratorio son completos.

En el muestreo aleatorio secuencial, las muestras son analizadas con técnicas rápidas y los resultadosdel análisis son usados para determinar el esquema de otro muestreo mas selectivo y dirigido.

3 Análisis de los Datos.

3.1 Estimaciones y TendenciasLa recuperación de medios contaminados por medio de técnicas de remediación exigen la condición

previa de establecer el límite de clean up para el sitio bajo tratamiento. Tomado este valor es posible evaluarestadísticamente, con el muestreo adecuado el avance de obra y la eficiencia del proceso.

Tomemos como ejemplo el valor hidrocarburos totales en suelo y su evolución conforme pasa eltiempo. Como se puede observar en los gráficos el valor MEDIO de HTP disminuye (línea gruesa central) yacompañando este proceso también disminuye la dispersión (DESVIACION STANDARD).

El primer parámetro estadístico media mide la tendencia del valor medio hacia el límite de clean uppropuesto, mientras que la desviación standard no esta mostrando la homogeneidad del sistema. En el caso 1 elsistema es inmaduro e heterogéneo (alta dispersión) y el caso 4 el sistema ha alcanzado un alto grado de madurezcomposicional.


Lámina 7


Lámina 8

MONITOREO 1: 1/02/98HTP (mg/Kg)

0%

20%

40%

60%

80%

100%

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000


0%

20%

40%

60%

80%

100%

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000


0%

20%

40%

60%

80%

100%

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000


0%

20%

40%

60%

80%

100%

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000


Si los valore anteriores los ploteamos en forma conjunta en función del tiempo obtendremos lavariación de la concentración y su tendencia.

La línea de tendencia muestra la extrapolación hasta interceptar el valor de 500 mg/Kg tomados a modode ejemplo como clean up

3.2 Planos temáticosDe todos modos los resultados analíticos puede volcarse en un plano de manera de colocar la

información de forma en forma interpretable o modelable.

Las concentraciones de cada estación de muestreo al ser volcadas al plano e interpoladas, nos da comoresultado un plano temático denominado de isococentración, los que convenientemente interpretados nos da muybuena información del sistema, su composición espacial y evolución en el tiempo.

En esquema siguiente muestra un sencillo ejemplo de plano de isoconcentración de HTP

Ejemplo de un muestreo incompleto o confinado:

Ejemplo de una muestreo completo o extendido:

y = 8E+153e- 0 . 0 0 9 7 x

R 2 = 0.9406

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

25-Ene 14-Feb 6-Mar 26-Mar 15-Abr 5-May 25-May 14-Jun 4-Jul

Tiempo

m í n imo

med ia

máx imo

Exponenc ia l (med ia )


Lámina 9


4 Conceptos de geomorfologia e hidrogeologiaLa geomorfología dentro de las ciencias geológicas que comprende el estudio de las formas del relieve

terrestre, tanto desde el punto de vista de la arquitectura como de su origen.

Esta disciplina conjuntamente con la edafología o pedología, ciencia que estudia la génesis de lossuelos, son dos herramientas muy valiosas a la hora de evaluar la sensibilidad de los ambientes naturales anteeventos de contaminación. Además son una importante fuente de información para la elaboración de planes decontingencia y evaluación de riesgo ambiental.

La hidrogeología por su parte, encara el estudio del ciclo de agua y su interacción en el ciclo exógeno.Los estudios ambientales tiene esta una herramienta para evaluar la evolución y alcance de las plumas decontaminación. Comprender su ciclo y aportar información para la elaboración de planes de contingencia comoevaluar el riesgo ambiental tanto en un sistema local como regional.

4.1 Propiedades petrofísicas de los materiales sedimentariosDos de las propiedades físicas de los sedimentos que más afectan el movimiento de fluidos son la

porosidad y la permeabilidad.

4.1.1 PorosidadLa porosidad de un terreno se define como la relación del volumen de huecos al volumen total de

terreno que los contiene. La Porosidad depende de un gran número de factores, tales como naturalezafisicoquímica del terreno, granulometría de sus componentes, grado de cementación o compactación de losmismos, efectos de disolución, de meteorización, fisuración, etc.

Se dice que un terreno está saturado cuando el volumen de sus huecos está totalmente lleno de agua. Eneste caso, la porosidad coincidirá prácticamente con el porcentaje del volumen de agua que contiene el terreno.

La porosidad de un terreno puede variar entre márgenes muy amplios, de 80 a 90 por ciento enmateriales muy finos, como en la base de depósitos recientes en los deltas, hasta menos del 1% en las rocascompactadas. En depósitos de materiales sueltos, que constituyen la fuente más importante de aguassubterráneas, las porosidades pueden oscilar de 5 a 40%. La Porosidad se considera pequeña si es menor del 5%,entre 5 y 20%, media, y grande si se eleva por encima del 20%.

En la siguiente tabla se brinda un clasificación equivalente a mezclas de materiales sueltos de diferentestexturas:

POROSIDAD > 20% >5% y < 20% <5%

CALIFICACIÓN ALTA MODERADA BAJA

TEXTURA SEDIMENTARIAarcilla y limos arena muy fina a

finaarena media a muy

gruesao gravas.

La cantidad total de agua almacenada en un suelo permeable es el producto del volumen de suelosaturado por su porosidad. Sin embargo, si se intenta drenar por gravedad este terreno permeable, se observaráque el volumen de agua que puede extraerse es muy inferior al del total de agua almacenada en la formación. Elresto queda retenido en forma de partículas líquidas adheridas por atracción molecular a las partículas delterreno. Esta agua remanente no es aprovechable, pues, mediante una capitación subterránea, ocupa un espaciode almacén disponible, pero no puede extraerse de él.


Para entender el próximo concepto de debe recordar que existen dos fuerzas actuantes sobre las aguassubterráneas: la fuerza de gravedad y las fuerzas de atracción molecular. Las fuerzas de gravedad determinan elmovimiento del agua. El segundo tipo son las fuerzas de capilaridad o atracción molecular, siendo esta laatracción que ejerce la superficie de las partículas del terreno sobre las moléculas de agua o líquido que lasembeba. Son estas últimas fuerzas las predominantes y las que definen el comportamiento del agua en el interiorde los espacios porales.

Por lo expuesto, si se satura un volumen determinado de terreno con agua, para luego dejarlo liberarnaturalmente el agua adsorbida, existirá un momento en que no se purgará más, quedando un volumen retenidoen el material. La relación entre el volumen de agua drenable por gravedad de un terreno y el volumen total deéste se llama porosidad eficaz. La cantidad de agua retenida por el material contra las fuerzas de gravedad,dividida por el volumen total de terreno, se llama retención específica. Cuanto mayor sea la granulometría de losgranos comprometidos en la textura de los terrenos, más se aproxima a la porosidad total. Por lo contrario enmateriales finamente divididos, como arenas muy finas o arcillas, la porosidad eficaz puede ser muy baja.

Puesto que la retención específica depende de los fenómenos de atracción superficial, en aquellosmateriales que por tener grano fino presentan mayor superficie específica, la retención será proporcionalmentemayor. Materiales como limos y arcillas, que poseen una porosidad muy grande, alcanzan una retenciónespecífica muy alta y por lo tanto estos terrenos presentan un estado saturado permanente.

Esta característica hace que, para movilizar la fase líquida adsorbida en las partículas, se requiera muchaenergía, es decir de un gran gradiente hidráulico, y de todas maneras la movilización no será más allá de losvalores de la retención específica, aún cuando la diferencia de presión sea de una atmósfera. Esto lleva a otroconcepto: la permeabilidad.

4.1.2 PermeabilidadLa capacidad de un terreno de permitir el paso del agua a su través se llama coeficiente de

permeabilidad, o permeabilidad. Se define como el caudal de agua que se filtra a través de una sección de áreade terreno unidad bajo la carga producida por un gradiente hidráulico unitario, estando el agua a una temperaturafija determinada, siendo sus unidades m/s ó m/d.

Es decir, las mismas dimensiones de una velocidad. Este hecho no debe confundirse con velocidadmedia del agua en los intersticios del terreno, con la cual no está relacionada más que indirectamente, ya que elárea de la sección transversal considerada es la total de la formación permeable y no sólo el área que correspondea los canalículos o intersticios llenos de agua.

La que normalmente se suele medir es la permeabilidad media considerando una sección del terreno enun plano vertical, siendo horizontal la velocidad del agua, y variando con la granulometría de los materiales, conla naturaleza y rugosidad. Siendo una propiedad fundamentalmente anisótropa, la permeabilidad será, en su valorabsoluto, dependiente de la dirección en que se mida.

4.1.3 TransmisibilidadEl concepto de coeficiente de transmisibilidad se define como el caudal que se filtra a través de una faja

vertical de terreno, de un ancho unitario y de altura igual a la del manto permeable saturado, bajo un gradientehidráulico unidad, a una temperatura fija determinada, siendo las unidades m2/s ó m2/d

Unidades y órdenes de magnitud de permeabilidades

En el sistema métrico suele emplearse como medida de permeabilidad la cantidad de centímetroscúbicos de agua, a 10 ºC, que pasan en un segundo, a través de un área transversal de 1 centímetro cuadrado,bajo un gradiente de un centímetro por centímetro; en definitiva, la permeabilidad se mide en cm/s a 10 ºC. Encorrespondencia con la conveniencia o comodidad pueden usarse m/hora o m/día.

Con el objeto de proporcionar un orden de magnitud de las permeabilidades se adjunta la siguientetabla, que también se usará para catalogar el acuífero en estudio.

También se puede medir la permeabilidad en Darcy. Siendo un Darcy el caudal de un fluido de 1 cp deviscosidad, que atraviesa un área de 1 cm2 y recorre 1 cm longitud, bajo una diferencia de presión de 1 atm.

Para propósitos ingenieriles se puede asumir que un Darcy es igual a un micrómetro cuadrado y unmilidarcy es igual a 10-3 micrómetros cuadrados.


PERMEABILIDADEN m / día

104 103 102 10 1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5

PERMEABILIDADEN cm / s

102 10 1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8

TIPODEMATERIALES

grava limpia arena limpia mezclaarena grava

arena fina, arena arcillosa,limo arcilla. arcillas

CALIFICACIÓN buenos acuíferos acuíferos pobres impermeable

CAPACIDADDEDRENAJE

drenan bien drenan mal no drenan

4.2 Distribución del aire y agua en el subsuelo

En el subsuelo se puede distinguir la zona saturada que se extiende desde la superficie terrestre hasta eltecho de la faja capilar y contiene aire del suelo y una pequeña cantidad de agua. La zona saturada se extiendehacia abajo desde el techo de la faja capilar hasta la base del sistema de flujo subterráneo. Los intersticiosintergranulares en la zona saturada están llenos de fluidos. La faja capilar, denominada así por la fuerzascapilares (debidas a la tensión superficial y la atracción molecular) que hace que el agua subterránea se muevahacia arriba desde la capa freática, está prácticamente saturada. La altura de la faja o zona capilar puede oscilarentre 2,5 cm a 100 cm de grano muy fino como las arcillas.

Para el caso de los sedimentos de Loma La Lata, esta zona está muy restringida, debido a la abundanciade sedimentos areno-gravosos, que determinan que los fenómenos de capilaridad se limiten a pocos centímetros.

Si se considera un perfil del subsuelo en el sector impactado se podrán distinguir las siguientes zonas: lazona saturada con agua, la zona saturada con hidrocarburo, la zona de “vadosa” o de transición de hidrocarburosy la zona no saturada.

La zona saturada con agua (freática) se diferencia por estar el espacio poral completamente ocupado conagua, donde el hidrocarburo solamente ha invadido unos pocos centímetros superiores caracterizados, a su vez,por una emulsión de hidrocarburos en agua que constituye la interfaces agua gasolina. Hacia abajo y con pocodesarrollo, se halla una fase acuosa con hidrocarburos disueltos del grupo aromático (BTEX). Los movimientosverticales de flujo y reflujo del agua a nivel del cuerpo freático aumentarán el espesor de agua contaminada conhidrocarburos disueltos, pero este tipo de circulación es poco frecuente y generalmente predominan losmovimientos paralelos o subparalelos a la superficie.

La zona saturada con hidrocarburo (fase libre) se caracteriza porque el espacio poral estácompletamente ocupado por gasolina, aunque en una muy baja proporción puedan existir espacios ocupados poragua o aún por gases. El grado de saturación será variable y estará en función de las propiedades físicas delcombustible alojado, especialmente de su viscosidad.

La zona “vadosa” comprende la franja de comportamiento capilar. Se compone de una mezcla dehidrocarburo líquido y en estado de vapor o gas, siendo predominante la fase líquida en la parte inferior de estazona, y la de vapores en la parte superior, pasando gradualmente a totalmente gaseosa.

La zona no saturada se caracteriza por la presencia de una fase gaseosa rica en hidrocarburos volátiles yse extenderá en la columna sedimentaria tanto en función de la permeabilidad o estructuras que faciliten oimpidan su avance, como de la volatilidad de los mismos. Se tendrá así que, en el caso de sedimentos arenogravosos, estos vapores orgánicos llegarán hasta el nivel de las raíces de las plantas.


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NOTA

El agua freática: La definición técnica de capa freática es la superficie a lo largo de lacual la presión del agua en los intersticios es igual a la presión atmosférica local. En la práctica,la capa freática es equivalente al nivel al cual el agua ingresa por primera vez y permanece en unpozo, perforación o excavación somera.

El nivel freático es una superficie continua que tiene una pendiente desde el área derecarga hasta el área de descarga (desde una zona de mayor energía potencial a una de menorenergía potencial). Las capas freáticas someras generalmente siguen la configuración de latopografía superficial. La cota de capa fluctúa naturalmente a lo largo del año como parte delciclo hidrológico.

Este tipo de acuífero se conoce como no confinado. Está constituido por cuerpos de aguageneralmente cercanos a la superficie terrestre, constituyéndose en los cuerpos de mayor riesgode impacto por derrames superficiales.

Si ahora tenemos un sistema multicomponente, nos encontraremos que la distribución de fase sigue unesquema como el de la figura siguiente


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4.3 Dinámica y movimiento de los hidrocarburosLa movilización de la mezcla orgánica derramada implica varios procesos por los cuales es incorporada

al ciclo exógeno: por un lado el flujo lateral que es responsable de la dispersión areal, y por otro lado el flujovertical que lleva la contaminación a las capas inferiores del subsuelo contaminando el agua subterránea, debidoa la movilización de los componentes más polares.

El hidrocarburo penetra en el subsuelo, pasando primero por la zona no saturada, donde el movimientodescendente se efectúa por infiltración y ocurre hasta llegar al primer nivel de agua subterránea (nivel freático),donde se transforma en un movimiento subhorizontal llamado percolación. En la zona no saturada prevalecen losfenómenos de oxidación, degradación y diferenciación, separándose los compuestos que forman parte de lamezcla de hidrocarburos en función de su reactividad frente al oxígeno y solubilidad en agua. Cuando lapermeabilidad es alta en la zona no saturada las sustancias orgánicas avanzan también como dispersión coloidal,la que al llegar al nivel freático se separan en fases dando lugar a la aparición de “sobrenadante” que flota en lainterface de la zona saturada/no saturada.


El producto en contacto con el agua se disuelve en una pequeña proporción, mientras que otra partequeda emulsionada (dispersión coloidal). Esto dependerá de la presencia en el agua de sustancias con efectosemulsificantes. De todas maneras la cantidad de hidrocarburo que se disuelve es muy pequeña, siendo lassustancias aromáticas las que presentan la mayor solubilidad, mientras que los hidrocarburos nafténicos yparafínico tiene una solubilidad mucho menor.

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Espesor de hidrocarburo sobrenadante

En equilibrio estático, el espesor de los hidrocarburos líquidos que flotan en un pozo es normalmentemayor que el espesor fuera del pozo en los materiales sedimentarios. La diferencia de espesores puede variarconsiderablemente según el peso específico del hidrocarburo y la conductividad hidráulica y porosidad. Ensuelos de grano fino y conductividad baja, como las arcillas o limos arcillosos, la extensión vertical de la franjacapilar puede ser significativa y los espesores de hidrocarburos libres en los pozos, puede superar varias veces alos espesores reales en los materiales sedimentarios. Por otra parte, en materiales de grano grueso, arena agravas, el efecto de la faja capilar se minimiza y los espesores de los hidrocarburos en el pozo y en los materialespueden ser similares. Los controles estructurales subterráneos también pueden afectar los espesores de loshidrocarburos y también puede hacerlo una capa freática fluctuante.

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El espesor medido de los hidrocarburos debe ajustarse a un espesor de agua equivalente para determinarla carga hidráulica total (cota de la napa freática). Esto se hace multiplicando el espesor de los hidrocarburosmedidos, por la densidad relativa de los mismos respecto del agua.

El espesor de hidrocarburos libres en realidad corresponde o equivale al espesor de la zona saturada conhidrocarburos, a la cual le alcanza las mismas leyes físicas que a la zona saturada con agua.

Existen diversos métodos para medir el espesor de la fase libre:


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Por lo tanto el concepto de espesor de fase libre debe tomarse con recaudo, ya que el espesor aparentemedido en un pozo variará de acuerdo al diámetro del pozo de observación y a la textura granulométrica delsedimento portante.

Este concepto nos lleva a otro sumamente importante, el espesor de la zona saturada cambiará con eltiempo influenciado por le movimiento vertical del nivel freático. Cuando el hidrocarburo se moviliza y atraviesaun nivel sedimentario parte del mismo queda retenido como fase residual, por lo tanto cuando se restablecen lascondiciones iniciales el espesor de la zona saturada y por ende de la fase libre es menor. En la figura siguiente seejemplifica este movimiento de oscilación.


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Z o n a S a t u r a d a

Z o n a N O S a t u r a d a

F a s e l i b r e s o b r e n a d a n t e

N i v e l P i e z o m e t r i c o





F a s e r e s i d u a l d e H C B

















Variación delnivel piezometr ico

Variación delespesor de la fase

libre

Variación del espesor de la fase

residual

Fig 1

Fig 2

Fig 3

Fig 4

Fig 5


5 CALCULO DE VOLUMENES

5.1 Cubicación del volumen de suelo contaminadoEste proceso parte necesariamente de la definición planimétrica de la pluma de dispersión del

contaminante y caracterización de la contaminación, y por supuesto del mejor diseño de muestreo pasible de seraplicado en nuestro sitio problema.

Realizados los ensayos on side, es decir durante la prospección de la pluma de contaminación, ycorroborados por los ensayos en laboratorio es necesario definir el área y la poligonal de referencia que laencierra.

De la misma manera se procede para definir el límite inferior y superior de la pluma, es decir el piso(concentración cero o nivel tomado de referencia, valor guía) y el techo (ídem anterior). En el caso de vertidossuperficiales el techo esta dado por la superficie del terreno.

Supongamos que empleamos el dato de HTP y hemos medido su concentración en suelo en los puntosde control que se señalan en la figura siguiente

El valor de concentración de HTP correspondiente a un promedio de varias muestras del perfil o a eldeterminado en una muestra integrada a lo largo del perfil entre la cota del piso y la cota del techo, es ploteadoen el plano para obtener las curvas de isoconcentración , como el de la figura siguiente:


Suponiendo que se ha elegido la curva de 500 mg/Kg de HTP como valor guía, por ser considerado esteun límite de limpieza, se construye la poligonal de referencia.


Esta poligonal define un contorno que engloba un área de, por ejemplo, 22000 m2 de suelo contaminadoen un espesor definido de 1m. Este método se basa en un modelo tabular de la pluma de dispersión. Por lo tantoel volumen comprometido corresponde a 22.000 m3 .

Hasta aquí hemos contabilizado el volumen de suelo incluidos los espacios porales (porosidad), si serequiere obtener la masa de suelo deberemos conocer la porosidad de los materiales y su densidad real. Restandoel volumen poral obtenemos el volumen real de matriz mineral, y si ahora se multiplica por la densidad seobtendrá la masa de suelo comprometido.

Un modelo equivalente puede ser empleado para la cuantificación del volumen de fase libresobrenadante existente, o lo que es lo mismo el volumen de hidrocarburo que esta saturando el espaciointergranular. Uno de las metodologías consiste en medir el espesor aparente de la fase libre y reducirlo alespesor real. Una forma practica de obtener el factor de conversión resulta de medir el espesor acumulado en unacalicata realizada próxima a un pozo de monitoreo. El espesor medido en esta se aproxima al real.

Cuando los valores de espesor son volcados en un plano de referencia e interpolados se obtiene el planode isoespesor o "isopáquico" de la fase libre. Empleando un software adecuado obtendremos el volumen de suelosaturado con hidrocarburo, el cual comprende el volumen total: matiz mineral + espacio poral. Si este es afectadopor la porosidad, el volumen ahora resultante comprende a todo el hidrocarburo yacente en el subsuelo.

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