MÉXICO

APLICACIÓN DE TRAZADORES

EN ESTUDIOS GEOHIDROLÓGICOS

PROCEDIMIENTO

CFE 10100-72

MARZO 2018 REVISA Y SUSTITUYE A LA

EDICIÓN DE DICIEMBRE 2011

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1 OBJETIVO

Establecer los aspectos técnicos generales para realizar la selección, aplicación e interpretación de una prueba con trazadores, que sirva como instrumento para definir la velocidad de movimiento y dirección del agua subterránea, además de la obtención de parámetros hidráulicos del acuífero tales como porosidad del medio, permeabilidad relativa, anisotropía y heterogeneidad, entre otros.

2 CAMPO DE APLICACIÓN Aplica en trabajos Geohidrológicos que realiza la Comisión Federal de Electricidad (CFE), en el diagnóstico de los problemas que se generan por la presencia de agua durante la construcción y operación de obras civiles subterráneas y en estudios del agua subterránea para abastecimiento a instalaciones de la CFE y sus EPS.

3 DEFINICIONES

3.1 Acuífero Cualquier formación geológica por la que circulan o se almacenan aguas subterráneas que puedan ser extraídas para su explotación, uso o aprovechamiento (Ley de Aguas Nacionales).

3.2 Trazador

Sustancia con características físicas y químicas particulares que le permiten movilizarse a la velocidad de flujo del agua subterránea a la vez que puede ser identificable y medible. Dicha sustancia puede estar presente de manera natural en el agua subterránea, por lo que se le denomina trazador natural o incorporarse al acuífero en cuyo caso se le llama trazador artificial. Los trazadores artificiales se clasifican en: sólidos en suspensión, trazadores químicos solubles, trazadores químicos colorantes, trazadores radioactivos y trazadores isotópicos estables.

3.3 Ion

Es la denominación que se le da a una partícula que no es eléctricamente neutra, puede ser un átomo o una molécula. Si la carga eléctrica es negativa se le denomina anión y si por el contrario, sí la carga eléctrica es positiva se le llama catión.

3.4 Difusión o difusión molecular Es el proceso generado por la agitación molecular de los líquidos a consecuencia de su temperatura. Si existe una diferencia de densidad entre los líquidos que se están combinando se puede establecer un incremento de la mezcla al establecerse un movimiento convectivo, o sea por desplazamiento de masas.

3.5 Dispersión hidrodinámica longitudinal o frontal Es el desplazamiento de una sustancia contenida en el agua subterránea a través de los canalículos del medio, ya sea éste granular o fracturado, en dirección al flujo subterránea.

3.6 Dispersión Transversal o Lateral Este término se utiliza para identificar el movimiento oblicuo a la dirección media del flujo subterráneo de una sustancia contenida en un acuífero de poro, en la mayor a de los casos describe una forma cónica. A este proceso se le adiciona la difusión molecular y termina hasta que el agua alcanza su homogenización.

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3.7 Disolución o solución Se denomina de esta forma a la mezcla homogénea de dos o más sustancias que por sus características químicas y físicas y en las proporciones adecuadas no reaccionan entre sí.

3.8 Elución Es el proceso de liberación del trazador que fue retenido o adsorbido en el medio por donde circuló. El grado en que se presente este proceso depende del tipo de trazador y de la composición litológica del material por el que circuló.

3.9 Adsorción

Proceso de atracción de las moléculas o iones de una sustancia en la superficie de otra, el tipo más frecuente es la adhesión de

líquidos y gases en la superficie de los sólidos.

3.10 Absorción

Es la asimilación que ejerce una sustancia sólida sobre un fluido con el que está en contacto para que las moléculas de éste penetren en su estructura.

4 CARACTERÍSTICAS Y CONDICIONES GENERALES

4.1 Requisitos Previos Para el uso de trazadores en un estudio geohidrológico se requiere contar con la siguiente información:

a) Conocimiento del flujo preferencial del agua subterránea.

b) Composición litológica del acuífero.

c) Características químicas del agua subterranea.

d) Disponibilidad de Infraestructura hidráulica (pozos o norias) apta para la aplicación del trazador.

e) Disponibilidad de equipo o laboratorios para la detección del trazador.

f) Disponibilidad de agua o vehiculo de dilución

4.2 Descripción del Procedimiento

La Gerencia de Estudios de Ingeniería Civil (GEIC), a través de la Subgerencia de Estudios Geohidrológicos (SEGH), realiza estudios con diferentes objetivos. Uno de ellos es determinar la dinámica del agua subterránea para lo cual se efectúa el registro y proceso de los niveles freáticos y piezométricos del acuífero en estudio, si por su naturaleza se requiere determinar con mayor precisión la dirección de flujo, velocidad y origen del agua subterránea, entonces se utiliza una prueba con algún tipo de trazador, ya sea artificial o natural. La metodología para la aplicación de la técnica de trazadores se describe de manera general a continuación.

4.2.1 Selección de trazador

Para la selección de un trazador es necesario considerar los siguientes aspectos: litología del acuífero, condiciones estructurales, distancia a recorrer, el tiempo estimado de residencia del trazador, características químicas del agua subterránea, el uso y disponibilidad del agua en las cercanías a la zona de estudio, interacciones trazador-roca-agua, la disponibilidad de sitios de aplicación, medición y la disponibilidad de equipo de detección.

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En el caso de que no sea posible utilizar un trazador natural se requiere que el trazador artificial cumpla con los atributos que indica referencia [1] Custodio 1996 y que a continuación se enumeran:

4.2.1.1 Selección en función de las características del trazador

a) Que no este presente en el agua que se va a trazar y que tampoco lo aporte el acuífero y por otro lado, que no interaccione con el medio, es decir, que no sea absorbido ni adsorbido y que tampoco genere procesos de intercambio iónico o isotópico.

b) Que no se separe del agua por precipitación o por filtración mecánica.

c) Que sea estable químicamente y biológicamente.

d) Que no cause alteraciones a las propiedades físicas y químicas del agua subterránea.

e) Que no altere la permeabilidad y porosidad del acuífero.

f) Que no contamine por un periodo prolongado de tiempo el acuífero.

g) Que tenga alta solubilidad o miscibilidad según sea el caso.

h) Que sea detectable aún en pequeñas concentraciones y que por lo tanto se requieran volúmenes bajos para el estudio.

i) Que sea económico, facil de obtener, de manejo sencillo y que carezca de efectos tóxicos.

j) Todo lo anterior de acuerdo a la referencia [6] del capitulo 7 Bibliografía.

4.2.1.2 Selección de trazadores artificiales en función del medio de aplicación

a) Trazadores sólidos en suspensión Sólo son aplicables cuando el agua subterránea circula por grietas como es el caso de acuíferos en

terrenos kársticos, ya que en medios granulares el trazador es filtrado por el medio. Ejemplos de este tipo de trazadores son granos de almidón, aserrín, polén coloreado, esporas, entre otros. Se debe tener cuidado en que el trazador que se utilice tenga una densidad similar a la del agua para que se mantenga en suspensión y adquiera la velocidad del flujo.

Su detección es por inspección ocular o por medición de su concentración. Para el polen y las

esporas se efectúa un recuento en microscopio.

b) Trazadores químicos solubles Son aquellos que se vierten al acuífero en solución y forman una “nube” fácilmente identificable por

sus características químicas. Dentro de este grupo se puede hacer una subdivisión; los aniónicos (Cl-, Cr2O7

=, I-, entre otros.) y los catiónicos (Li+, NH4

+, Na+, Ca++, entre otros.). Se considera que los aniónicos son mejores que los catiónicos ya que éstos últimos interaccionan

fácilmente con el medio. Dentro de los aniónicos el ion Cl es el más utilizado ya que cumple con la mayoría de las

condiciones enumeradas anteriormente y es aplicado como: NaCl, NH4Cl, o CaCl2, de los cuales el primero es el más utilizado. Sin embargo, cuando existe el riesgo de que la permeabilidad del

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medio sea modificada por los efectos que causa el NaCl sobre las arcillas, se recomienda utilizar alguno de los otros dos compuestos.

Existen otros compuestos químicos utilizables tales como H3BO3, Na2B4O7, bromoformo, azúcares,

complejos cianurados, detergentes, entre otros, cuya selección depende de las circunstancias particulares del sitio en donde se va a utilizar. Cuando existe una afectación antropogénica del agua subterránea es común seleccionar alguno de los compuestos contaminantes presentes.

La detección de este tipo de trazadores es por medio del análisis químico del agua y en el caso del

ion Cl puede determinarse por medición de conductividad eléctrica o titulación argentometrica, lo cual es una ventaja ya que se puede medir en sitio.

c) Trazadores químicos colorantes Son trazadores comúnmente utilizados ya que por lo general las aguas subterráneas son incoloras.

Presentan el inconveniente de que, debido a su estructura molecular, pueden ser retenidos. Los más utilizados son la fluoresceína, la rhodamina y la sulforhodamina.

Son ideales para acuíferos kársticos y en menor grado para acuíferos con fracturamiento poco

abierto, mientras que para medios granulares con presencia de arcillas son poco funcionales. Su determinación se realiza en laboratorio por medio de fluorómetros y fotocolorímetros

d) Trazadores radioactivos

El uso de trazadores radioactivos presenta enormes ventajas entre las que destacan: cantidades bajas de trazador para el estudio debido a su alta detectabilidad aún en cantidades ínfimas, posibilidad de realizar mediciones en campo y baja afectación debido a su rápida desintegración. Por otra parte, también presentan grandes desventajas tales como alto costo para su detección, requerimiento de permisos para su adquisición, contratación de personal especializado y acreditado para su manejo y tiempo limitado de su aplicación debido a la rápida desintegración, entre otras. Por lo anterior se puede deducir que su uso requiere un gran conocimiento del tema y dado que su aplicación la realiza personal especializado solo se debe mencionar los aspectos que se debe tener en cuenta para la selección del mejor trazador radioactivo de acuerdo a las caracteristicas del sitio y del estudio: - Aspectos químicos. Estudio de las caracteristicas del acuífero y la respuesta a la aplicación

del trazador. - Periodo radioactivo del trazador. Debido a la rápida desintegración se debe calcular la

duración de la prueba a fin de que ésta no quede trunca. - Facilidad para su detección y medición en campo. - Afectación al acuífero y manejo sanitario. Se debe de calcular de manera precisa la cantidad

que se va a aplicar y el periodo de decaimiento, tanto para no prolongar innecesariamente su estancia en el acuífero así como para facilitar su transporte y manejo con lo cual se reducen riesgos.

- Costo. Se debe definir con exactitud el alcance del estudio, ya que en función de esto se

debe poder realizar un análisis costo-beneficio, considerando el pago de permisos y de personal especializado para el manejo y aplicación del trazador, el costo por los instrumentos o laboratorios para su detección y medición.

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Entre los trazadores radioactivos de uso más frecuente se encuentran: Tritio, Yodo-131, Bromo-82 y Cromo-51. Otros menos utilizados son Azufre-35, Sodio-24, Oro-198 y Rutenio-106.

Su detección puede ser efectuada en laboratorio con equipo especializado de acuerdo a la emisión que se trate. Para emisores gamma se utiliza un contador Geiger-Müller, en tanto que para emisores beta de baja energía se utiliza un detector de centelleo. En laboratorios especializados se emplean sistemas de recuento automático con cambio de muestras programado.

En campo las emisiones gamma se miden por centelleo con cristales de InA, tambien es utilizado el contador Geiger-Müller. En tanto que para la actividad beta de baja energía se utiliza un equipo portátil de centelleo líquido.

e) Trazadores isotópicos estables

Un isótopo es una variedad de elemento o compuesto químico cuya diferencia reside en un número

diferente de neutrones. Esta condición los hace susceptibles de utilizarse como trazador, sin embargo, su difícil detección, elevado costo de análisis y las alteraciones por cambios isotópicos, son motivo de que sean utilizados escasamente.

Un uso más común que se les da a los isótopos es para la datación del agua subterránea midiendo

el decaimiento del T y 14C.

4.2.2 Cantidad del trazador a emplear La cantidad se estima en función de la dispersividad del acuífero, el volumen de influencia o la distancia estimada de tránsito, la difusión del trazador y la sensibilidad del equipo de medición y la posible toxicidad. El cálculo conlleva un amplio conocimiento en la determinación de los coeficientes de difusión y dispersión, ya sea de manera analítica o experimental. De acuerdo a lo establecido en la Referencia [1] el capitulo 7 bibliografía de este procedimiento, Custodio, refiere esta metodología.

Los autores Antigüedad, I, Ibarra, V y Morales, T, indican que varios autores han propuesto diversas fórmulas, con parámetros variables, para la realización del cálculo estimativo sobre la cantidad de trazador que se puede utilizar en un ensayo. En forma general, sólo se pueden aplicar en acuíferos carbonatados y con permeabilidad secundaria (por fracturación y karstificación). RAVIER, HOURS y SCHEEBELI (en Schoeller, 1962) establecieron para sistemas carbonatados y para dicromato potásico las siguientes fórmulas:

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y para la fluoresceína,

NOTA:

En los cuales:

P = Cantidad de trazador en kg.

Q = Caudal de los manantiales de descarga en m3/s

A = Velocidad real del agua subterránea, en m/día.

L = Distancia desde el punto de inyección al punto de muestreo, en m.

V = volumen de reservas de agua subterránea en 103 m3.

K = 0.5 para circulación por fisuras o canales.

K = 3 en formaciones porosas.

Por otro lado, BEKTCHOURINE (en Salbidegoitia,1970) estimó la cantidad en gramos de fluoresceína, que se debe utilizar por cada 10 m

de recorrido, es de:

a) a 20 g en rocas arcillosas.

b) 2 a 10 g en arenas.

c) 2 a 20 g en rocas fisuradas.

d) 2 a 10 g en rocas kársticas.

También estableció que, para otros colorantes pueden precisarse cantidades hasta 5 veces mayor.

MARTEL (en Milanovic, 1981) utilizó una fórmula práctica y sencilla:

NOTA:

Donde:

P = peso en kg de fluoresceína.

Q = caudal en m3/s de las surgencias.

N = número de kilómetros en línea recta que hay desde el punto de inyección del trazador hasta el manantial más lejano.

FILIP calculó que se deben utilizar 40 kg de fluoresceína sódica para trazar 1 Hm3 de agua; sin embargo DREW y SMITH (1969) recomiendan 60 g por kilómetro de recorrido por 5 veces la descarga del manantial más alejado en m3/s. La aplicación de las formulás antes mencionada permiten determinar la cantidad estimada del trazador que se debe utilizar en un ensayo en condiciones específicas.

4.2.3 Inyección del trazador y muestreo del trazador La aplicación del trazador se realiza en solución, la mezcla del trazador y agua se prepara en superficie y se introduce al acuífero utilizando un pozo o una noria, previo acondicionamiento que consiste en colocar un ducto en el interior de la obra hidráulica y en la parte superior un embudo para facilitar el vertido. Con esta implementación se evita que el trazador quede retenido en las paredes del pozo o noria. El diámetro del ducto debe ser el mayor posible con el objeto de que el vertido sea rápido y se logre constituir una “nube” lo más compacta posible, para que su detección sea fácil de realizar. La aplicación se realiza por gravedad.

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En el caso que se desee inyectar el trazador a presión o con un gasto controlado se debe acondicionar el sitio con un depósito y una bomba con la cual se controle el caudal de inyección. Cabe mencionar que entre mayor sea el volumen a inyectar la operación es más compleja ya que se requiere de contenedores y un sistema que facilite la elaboración de la mezcla. Por el contrario, si se desea realizar una inyección instantánea es necesario el uso de un recipiente con aire a presión para efectuar la descarga. Es importante resaltar que durante la aplicación del trazador es necesario conocer la cantidad que se inyecta si van a realizar un estudio cuantitativo y en caso de que se trate de una inyección continua es necesario controlar la concentración de la mezcla. Los trazadores radioactivos, como se mencionó anteriormente, por su naturaleza son aplicados por personal especializado en su manejo.

Previamente a la aplicación del trazador y de acuerdo al conocimiento general del comportamiento del acuífero, se selecciona aguas abajo del punto de inyección, los sitios en donde se espera arribe el trazador. Estos sitios generalmente corresponden a pozos y norias los cuales deben encontrarse libre de equipamiento para facilitar la toma de muestras de agua o en el mejor de los casos, la colocación de los instrumentos de detección. La duración de la prueba es variable ya que depende de muchos factores, entre los que destacan la velocidad de flujo del agua subterránea y la distancia entre el punto de inyección y los de detección, lo común es que la prueba se lleve a cabo en semanas o meses.

4.3 Procesamiento de los Datos Generados en la Prueba Con los valores de concentraciones registradas en los puntos de observación y el tiempo de monitoreo registrado a partir del momento de la inyección en intervalos previamente definidos se construye una gráfica de concentración-velocidad del trazador. También se incluye una gráfica acumulativa de las concentraciones como se muestra a continuación:

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FIGURA 1. GRÁFICA ACUMULATIVA DE LAS CONCENTRACIONES

NOTA:

Donde:

tmax Tiempo de la primera aparición del trazador.

tCmax Tiempo de paso de máxima concentración (Cmáx).

t0.5 Tiempo de paso del 50% del trazador.

De las gráficas de paso y acumulativa se toma: el tiempo de la aparición del trazador (tmax), el tiempo del paso de la máxima concentración (tCmax) y el tiempo de paso del 50% del trazador de acuerdo a la gráfica acumulativa (t0.5). También se considera la distancia entre el punto de inyección y el de detección. Estos tiempos se relacionan con la velocidad del flujo subterráneo de acuerdo a la tabla 1 tiempo- velocidad.

TABLA 1- Tiempo- velocidad

TIEMPO (T) VELOCIDAD (L/T)

tmáx Vmáx Velocidad máxima

tCmáx Vcmáx Velocidad dominante

t0.5 Vt0.5 Velocidad mediana

Entre tCmáx y t0.5 V Velocidad media de distancia

De acuerdo a lo establecido en la referencia 2 del capítulo 7 de este procedimiento Joerg Werner, hace alusión a la siguiente expresión matemática con la que es posible calcular la velocidad media de distancia analíticamente.

0.5

0.0

1.0

Curva de paso

Curva de acumulativa

Con

ce

ntr

ació

n C

tmax

tcm

ax

T0.5 Tiempo de inyección

Cmax

Lapso de tiempo para el

cálculo de V

_

0.5

0.0

1.0

Curva de paso

Curva de acumulativa

Con

ce

ntr

ació

n C

tmax

tcm

ax

T0.5 Tiempo de inyección

Cmax

Lapso de tiempo para el

cálculo de V

_

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En donde x corresponde a la distancia entre los puntos de inyección y de observación y C es la concentración del trazador. En acuíferos granulares es posible relacionar la velocidad media de distancia con la velocidad efectiva de flujo y a partir de esto determinar parámetros hidráulicos del acuífero tales como la dispersión longitudinal y porosidad efectiva.

5 CONDICIONES DE DESARROLLO SUSTENTABLE Durante la realización de los estudios se deben tomar acciones para prevenir o reducir el impacto al ambiente causadas por las actividades que se ejecutan en campo, laboratorio y gabinete, estas acciones deben alineadas con la NOM ISO 14001, en su versión vigente y en su caso con el sistema de Gestión Ambiental del área responsable de la ejecución de los trabajos, debiendo: identificar los aspectos ambientales, definir los impactos y establecer acciones para su prevención y mitigación.

6 CONDICIONES DE SEGURIDAD INDUSTRIAL Durante las actividades de campo, laboratorio y gabinete se debe contar con el análisis de riesgo para la actividad, la identificación y cumplimiento de la normativa de seguridad e higiene aplicable, así como de la aplicación de medidas preventivas.

7 BIBLIOGRAFÍA

[1] CUSTODIO, E y LLAMAS, M.R. “Hidrología Subterránea” Ed. Omega, Tomos I y II, 1996.

[2] WERNER, JOERG “Introducción a la Hidrogeología”, 1ª edición 1996, Johnson División D.

[3] ANDERSON, M.P., Y WOESSNER, W.W. “Applied Groundwater Modeling Simulation of Flow and Advective Transport”, Ed. Academic Press, 1992.

[4] LOHMAN, S.W. “Hidráulica Subterránea”, Ed. Ariel, 1997.

[5] IMTA Notas de Curso “Trazadores e isótopos en hidrología”, 2009

[6] ANTIGÜEDAD I., IBARRA V. , MORALES T “Los trazadores en la hidrogeología kárstica: Metodología de su uso e interpretación de los ensayos de trazado”, 1988

V=

∫ (x/t)C(t)dt∞

0

∫ C(t)dt∞

0

m/sV=

∫ (x/t)C(t)dt∞

0∫ (x/t)C(t)dt∞

0

∫ C(t)dt∞

0∫ C(t)dt∞

0

m/s