Caracterización

Hidrogeológica de Karst

Karst

Un acuífero cárstico puede ser conceptualizado como un sistema hidrológico abierto que cuenta con una variedad de flujos de entrada, salida y a través de la capa superficial y subsuperficial.

Las fronteras del sistema están definidas por los límites de captación y la geometría de los conductos. (Ford, Williams, 1989).

La distribución espacial de los sistemas de flujo subterráneo de las rocas carstificadas varía de un lugar a otro y viene controlada por la variación constante de la evolución geológica y morfológica.

El flujo subterráneo se da en forma de grandes ríos y manantiales subterráneos.

Estos proporcionan, por un lado, excelentes condiciones para la explotación de agua subterránea y por otro lado generan cavidades con una permeabilidad elevada que constituyen una zona con alto riesgo de contaminación desde la superficie.

Karst

En ingeniería hidráulica, los sistemas kársticos ocasionan a menudo problemas de fugas.

El flujo subterráneo responde rápidamente a la precipitación.

La velocidad de flujo del componente a corto plazo es elevada (dentro el rango de los cientos de metros por día), de manera que el tiempo de residencia del agua subterránea del sistema kárstico es normalmente pequeño.

No obstante, el flujo base puede presentar tiempos de residencia del orden de años o incluso décadas.

Karst

En los sistemas de agua subterránea poco profundos, las fluctuaciones de la recarga por la precipitación se propagan a través del sistema; mientras que en los sistemas más grandes y profundos éstas se igualan.

La evolución geológica y morfológica del ambiente rocoso en el pasado determina el estadio y la profundidad de karstificación del sistema de flujo presente. La karstificación de las rocas carbonatadas comienza generalmente en la superficie y se propaga hacia el interior. Una red de drenaje profunda puede haberse desarrollado de forma similar a una red fluvial superficial.

En las estructuras del tipo cuenca que se dan debajo de flujos volcánicos importantes o a lo largo de fallas de gran profundidad se pueden confinar rocas carbonatadas karstificadas.

Karst

Karst es la única unidad hidrogeológica que presenta regímenes de agua superficial y subterránea altamente interconectadas y usualmente constituyen un sistema único y dinámico. Las carácteristicas hidrológicas asociadas a la presencia de Karst incluye: • Drenaje interno de corrientes de aguas superficiales por

dolinas. • Desviación de flujos subterráneos. • Almacenamiento temporal de agua subterránea en la zona

epikarstica colgada, poco profunda. • Flujo rápido, turbulento a través de aberturas subsuperficiales,

que son una especie de tuberías o canales , llamados conductos.

• Descarga de agua subsuperficial de los conductos hacia uno o más fuentes perennes.

Karst

Karst

Caracterización de un Karst

En terrenos kársticos se hace énfasis en la identificación de los límites hidrológicos y los patrones de flujo subsuperficial, la contribución de varias fuentes de recarga y las propiedades estructurales e hidráulicas de los conductos. La adquisición de esta información requiere un estudio multidisciplinario que incluye ensayos de trazadores y análisis en la variación en la descarga de fuentes de agua y la química del agua.

Características Tipo de Acuífero

Granular Roca Fracturada Karst

Porosidad Efectiva Mayormente primaria, a

través de poros intergranulares

Mayormente secundaria, a través de juntas, fracturas.

Mayormente terciaria (porosidad secundaria modificada por

disolución) a través de poros, planos de estratificación, fracturas,

conductos y cuevas.

Isotropía Más isotrópico Probablemente anisotrópico Altamente anisotrópico

Homogeneidad Más homogéneo Menos homogéneo Heterogéneo

Flujo Lento, laminar Posiblemente rápido y

turbulento Probablemente rápido y turbulento

Predicción del Flujo Aplica la ley de Darcy Puede o no aplicar la ley de

Darcy Raramente aplica la ley de Darcy

Almacenamiento En la zona saturada En la zona saturada En la zona saturada y en la zona

epikarst

Recarga Dispersa Principalmente dispersa con algunos puntos de recarga

Algunos tienen recarga casi completamente dispersa y otros

tienen principalmente un punto de recarga.

Variación Temporal de la Carga Hidráulica

Variación mínima Variación moderada Variación moderada a extrema

Variación Temporal de la Química del agua

Variación mínima Variación mínima a

moderada Variación moderada a extrema

Fuente: ASTM (2002)

Caracterización de un Karst

Red de Conductos

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La característica más distintiva del Karst es su estructura dendrítica o ramificada de los conductos, haciendo que el flujo describa un curso serpenteante que incrementa en tamaño y orden en dirección del flujo hacia abajo. Esta red de conductos crece por un camino complejo de alimentadores hidráulicos y químicos, la cual consta de los siguientes pasos básicos: 1. Crecimiento y alargamiento del conducto 2. Incremento de la capacidad hidráulica 3. Incremento de la descarga 4. Aumento en la disolución y corrosión física 5. Ampliación adicional del conducto 6. Exceso en el agua disponible en los conductos pequeños

producto de los conductos grandes.

Diagrama que muestra el crecimiento competitivo de los conductos y la distorsión en el flujo hidráulico

Inicio de la recarga

Cambio en la carga hidráulica producto de crecimiento rápido de conductos primarios y crecimiento lento de los secundarios.

Conductos primarios descargan en los bordes, inhibiendo el crecimiento de conductos secundarios.

Red de Conductos

Secuencia de desarrollo de la red de drenaje integrado debido al crecimiento rápido de los conductos primarios.

Red de Conductos

En este proceso de ocurrencia de Karst, los conductos grandes dominan el drenaje subterráneo, alterando el flujo hidráulico y la captura de agua subterránea de los acuíferos circundantes, fracturas colindantes y los conductos pequeños cercanos.

Dependiendo del tamaño (capacidad hidráulica), organización (interconexión), las redes de conductos son capaces de descargar grandes volúmenes de agua a través del acuífero carstificado. Las velocidades de flujo, en conductos bien desarrollados e integrados, pueden llegar a cientos de metros por día.

Red de Conductos

Manantiales

Los manantiales son las salidas de descarga de esta red de conductos. Estos se desarrollan típicamente en los bordes locales o regionales de descarga de aguas subterráneas. El sistema tributario de conductos de drenaje converge en un conducto troncal que descarga a un sólo manantial. Sin embargo, existen acuíferos cársticos que presentan un patrón de flujo distribuido a través de múltiples manantiales

Tradicionalmente, los manantiales son clasificados en base a la descarga utilizando la escala de Meinzer, la cuál consiste en una escala del 1 al 8, basada en la descarga del manantial. El valor de 1 corresponde descargas de 3 m3/s, el valor de 2 corresponde entre 0.3-3.0 m3/s y así sucesivamente. También se pueden clasificar los manantiales de acuerdo a su apariencia física y si la descarga ocurre bajo un flujo de gravedad o condiciones artesianas. Desde la perspectiva del sistema de flujo de aguas subterráneas, es más útil clasificar los manantiales karst de acuerdo a la función hidrológica como salidas de redes de conductos.

Manantiales

En la mayoría de acuíferos kársticos uno o pocos manantiales perennes, llamados manantiales de flujo subterráneo aportan flujo de descarga de los conductos de karst.

La elevación de los manantiales de flujo subterráneo ejercen control en la elevación de la napa freática en el borde del acuífero kárstico, mientras que la conductividad hidráulica y la capacidad hidráulica de los conductos determinan el gradiente hidráulico del flujo ascendente y su fluctuación bajo diferentes condiciones hidráulicas.

Manantiales

Otros manantiales intermitentes, llamados manantiales de flujo superficial funcionan como afloramientos de excedentes durante periodos de gran descarga. Estos son esencialmente una forma temporal de descarga distribuida.

Manantiales

Modelamiento de Karst

El modelamiento numérico se ha vuelto una importante herramienta aplicativa para investigar y cuantificar muchas relaciones hidrogeológicas complejas. Sin embargo muchas dificultades técnicas y conceptuales se han presentado para: • Discretizar la geometría de

los conductos o los bordes de la cuenca de karst,

• Discretizar los componentes de flujo rápido y lento del karst.

• Simular los cambios temporales y espaciales en condiciones de flujo y saturación.

Gráfica de modelo de descarga del manantial Maramec, Missouri

Sin embargo, se han logrado buenos resultados simulando los efectos del flujo por conductos usando la aproximación de doble porosidad modificada (Teutsch and Sauter, 1991) y con los modelos de diferencias finitas de zonas de alta transmisividad. (Worthington 2003; Kuniansky et al, 2001).

Otra aplicación satisfactoria de modelamiento numérico en Karst ha sido la simulación de descarga de manantiales (Scanlon, 2003) que evaluaba las aproximaciones de dos medios con diferente porosidad .

El Modelo de Hammerstein funciona para desarrollar un parámetro global para una cuenca Karst. El modelo usa una aproximación de mínimos cuadrados para resolver por coeficientes en una regresión y se puede simular la descarga de manantiales.

Conductancia específica de la descarga

Modelamiento de Karst

Trazadores con Tintes Fluorescentes

Los tintes fluorescentes son una herramienta útil para investigar el flujo en Karst porque estos test suelen obtener información directa de dirección, velocidad y otras características hidráulicas de los conductos, en puntos específicos entre la recarga y descarga. Los tintes fluorescentes son químicos orgánicos que absorben la luz del espectro ultravioleta, que están molecularmente energizados y emiten luz en onda larga. • Inyección de sodio

fluorescente en dolina formada en una laguna

Los tintes fluorescentes ideales tienen las siguientes características:

1. Fácil de introducir en el acuífero o sistema de flujo.

2. Presenta la misma o próxima velocidad del agua que discurrre.

3. Relativamente conservativa, es decir, no se pierde fácilmente por absorción.

4. Es estable con respecto a la química del agua.

5. Fácil de detectar a bajas concentraciones.

6. Tiene baja o ninguna toxicidad a los humanos u organismos acuáticos y no es una amenaza para el ambiente.

• Inyección de Rodamina WT en un arroyo sumidero

Trazadores con Tintes Fluorescentes

Tipos de tintes fluorescentes comúnmente usados:

Los tintes de xanteno son una familia grande que exhiben fluorescencia en la longitud de onda visible del verde al naranja. Este grupo incluye los muy conocidos trazadores de sodio fluorescente (llamados uranina) que fluoresce en la longitud de onda verde (500-570 nm) y los tintes de Rodamina WT que fluorescen en el rango del amarillo-naranja (570-590 nm).

Trazadores con Tintes Fluorescentes

Espectros de emisión y límites de detección

1 Valores aproximados 2 Valores típicos de detección para agua limpia 3 Para pH mayor o igual que 10 4 Para pH menor o igual que 4.5

Trazadores con Tintes Fluorescentes

Los test con tintes fluorescentes requieren estudios de las propiedades físicas y químicas de los mismos, y sus condiciones y limitaciones de uso. Por ejemplo, la fluorescencia es sensible al pH y temperatura, sin embargo, cada tinte tiene diferentes rangos de sensibilidad a estas propiedades: el tinte de sodio fluorescente es fotosensible, mientras que la Rodamina WT, no.

• Inyección de Rodamina WT en pozo de observación

Trazadores con Tintes Fluorescentes

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Adicionalmente, los tintes fluorescentes tienen algunos rangos de reactividad con materiales geológicos como las arcillas y silicatos. Estas y otras características físico-químicas tienen que ser siempre consideradas previamente. Trazadores Cuantitativos: En la práctica estos trazadores requieren mediciones precisas de la cantidad (masa) de trazador inyectado, la descarga del manantial o acuífero durante el test, y la concentración del trazador que surge del acuífero. Los trazadores cuantitativos proveen información del tiempo de viaje y las características de paso. Son útiles para investigar la estructura de conductos en karst y las propiedades de flujo. Como la descarga es medida simultáneamente con la concentración del trazador en todos los puntos de surgimiento, la masa de trazador presente en cada uno permite estimar propiedades hidráulicas de los conductos incluyendo tiempo promedio de residencia, velocidad promedio de flujo, dispersión longitudinal y almacenamiento.

Trazadores con Tintes Fluorescentes

Trazadores Cualitativos:

Estos test solo requieren determinar si existe surgimiento del trazador inyectado en los puntos de monitoreo.

Los trazadores cualitativos son usados para identificar conexiones de flujo por ejemplo, entre una dolina y un manantial o para delinear las trayectorias del flujo subsuperficial.

El monitoreo de este tipo de trazadores se hace mediante detectores pasivos hechos de material de adsorción como carbón activado granular que atrapa el tinte trazador.

Trazadores con Tintes Fluorescentes

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