Guías para Estudios de Línea Base en Hidrogeología

En este texto se presenta una propuesta para el desarrollo de Estudios de Línea Base sobre el componente hidrogeológico integrando herramientas de modelamiento numérico; para ello se presentan las definiciones por cada etapa de la Línea Base en conjunto con los datos generados en estas etapas. Cabe aclarar que lo que a continuación se expone, constituye una referencia que abarca los requisitos establecidos por la legislación peruana en especial en la R.J. N°250-2013 ANA (Autoridad Nacional del Agua - Perú, 2013), sin que ello sea una limitación para la propuesta y, por lo tanto, el ajuste del contenido a las particularidades del contexto en el que se enmarca un proyecto, queda sujeto a la discrecionalidad de quien emplee este material.

Delimitación del área de estudio

Para delimitar el área de estudio se puede tener en cuenta algunas recomendaciones de Knödel, Lange, & Voigt (2007) quienes presentan el concepto de "Entorno Geológico" definiendo este como la zona potencialmente afectable en caso haya alteraciones que puedan deteriorar el ambiente. Este representa una porción del sistema hidrogeológico regional  y su consideración implica la selección de una porción de terreno en superficie y a profundidad que se hace teniendo en cuenta las unidades geológicas de la zona, la geomorfología, la estratigrafía, la tectónica, el fallamiento, entre otros.

El Inventario de fuentes potenciales de sustancias de origen antrópico permite recabar información que condicione el uso de agua en el proyecto

Los autores recomiendan definir el entorno geológico teniendo en cuenta:

• Área superficial: 0.1 Km2 y 1 Km2, aunque en general es recomendable que se cubran distancias longitudinales de 3 Km2 desde el punto en el que se va a instalar el proyecto.
• Profundidad: Entre 50 m y 150 m de profundidad

Los rangos para cada caso dependen de las características de la zona de estudio pues, por ejemplo, pueden presentarse afloramientos rocosos de origen sedimentario y con porosidad primaria, para los que se requeriría ampliar la zona debido a que en este tipo de rocas se ve favorecido el flujo, lo que posiblemente conduzca a que la extensión del área potencialmente afectada sea mayor en comparación a una zona en la que predominen formaciones rocosas de tipo ígneo o metamórfico, o que la primera sea menor si se compara con una zona con roca sedimentaria que además presenta una cantidad importante de fallas, plegamientos, etc. Por su parte, el criterio para definir la profundidad se hace dependiente de la estratigrafía de la zona diagnosticada gracias a métodos geofísicos de percepción remota, entre otros.

Levantamiento de cartografía detallada

La necesidad de desarrollar productos cartográficos detallados parte de considerar la ampliación del nivel de detalle con que esta es construida. Esto, teniendo en cuenta que existen mapas de la zona en cuestión proveídos por organismos gubernamentales con información geológica, geomorfológica, hidrográfica, entre otra, que  por lo general están levantados a escalas con niveles de detalle a los que se asocian altos errores a la hora de medir distancias longitudinales.

Por lo anterior se recomienda:

• Reconstruir mapas temáticos sobre geología, geomorfología, litología, topografía, hidrografía y otros que se consideren necesarios a escalas entre 1:5000 ó 1:20000, dependiendo del nivel de detalle requerido
• Homogenizar los niveles de detalle para el estudio y procurar el manejo de una única base de datos geográficos con las capas de información para el EIA, manteniendo la compatibilidad del Estudio Hidrogeológico de Línea Base con los demás hechos en el proceso de evaluación ambiental.

Inventario de cuerpos de agua superficial posiblemente influenciados por el agua subterránea

En este apartado se recomienda incluir una delimitación georreferenciada de los cuerpos de agua superficial, pues estos pueden estar posiblemente influenciados por el flujo hidrogeológico. Esta suposición sólo será corroborada cuando el modelo de flujo demuestre intersecciones de las líneas piezométricas con la superficie del terreno. Como producto de esta etapa se recomienda complementar el mapa de hidrografía con una capa de información que contenga los cuerpos de agua superficial.

Inventario de pozos existentes

La red de piezómetros definida para los estudios de línea base se empleará para monitorear los cambios en la calidad del agua durante el proyecto

La información aquí presentada permite reconocer estructuras preexistentes que pueden ser contempladas dentro de la red de monitoreo para el proyecto. Por lo tanto, se hace necesario crear una capa de información que contenga esta información y que para cada entrada almacene información sobre:

• Coordenadas
• Caudal Bombeado
• Uso al que se destina el agua extraída
• Profundidad
• Materiales de construcción
• Observaciones Adicionales

Inventario de fuentes potenciales de sustancias de origen antrópico

Este aspecto permite recabar información que condicione el uso de agua en el proyecto o para establecer condiciones antecedentes de calidad del agua útiles en el caso que se requiera esclarecer responsabilidades jurídicas frente a un posible deterioro de la calidad de agua subterránea. Por lo tanto, se hace necesario generar una nueva capa de información que pueda incluir como campos:

• Coordenadas
• Sustancias que se originan en el punto
• Proceso que origina la sustancia
• Carga aportada por parámetro
• Observaciones Adicionales

Diseño de la red de piezómetros

Es importante tener en cuenta que la red de piezómetros definida para los estudios de línea base posiblemente se empleará para monitorear los cambios en la calidad del agua durante las distintas etapas del proyecto. Por lo anterior, su diseño debe procurar abarcar la totalidad del área de estudio y su localización debe tener en cuenta aspectos como:

• Factibilidad de acceso
• Estabilidad del terreno que asegure su durabilidad
• Precauciones para evitar uso inadecuado
• Versatilidad que asegure la representatividad si se hace Diagnósticos de Alternativas

Para diseñar la red de piezómetros pueden emplearse distribuciones estadísticas, en las que se asegure la representatividad de áreas "homogéneas" por cada uno de los piezómetros; sin embargo, es importante resaltar que aunque en superficie cada uno pueda abarcar un área equivalente, las propiedades hidráulicas del sistema pueden contener variaciones que distorsionan la representatividad aparente obtenida, por lo que su configuración depende del contexto del proyecto y el área de estudio. Los nuevos pozos pueden incluirse en la capa de información de los pozos existentes creando un nuevo campo en el que se especifique que el pozo fue propuesto para la red de monitoreo evitando así la superposición de puntos de información.

Perforación de Pozos y Toma de Muestras

En este aparte se reportan los criterios que se tuvieron en cuenta para la selección de la técnica de perforación de pozos que dependen del tipo de roca y las características de la zona (Knödel, Lange, & Voigt, 2007). Asimismo, en su planeamiento y reporte, es importante hacer explícito que durante la etapa de campo se contempla la recolección de muestras para:

La caracterización del flujo permite establecer los valores para los parámetros que condicionan la dinámica hidráulica del acuífero

• Caracterización del suelo
• Caracterización de la roca,
• Caracterización de la composición mineralógica de la roca
• Valoración geoquímica de la composición del agua
• Valoración de la calidad del agua

En el caso de los parámetros hidráulicos y de calidad del agua, se hace necesario verificar que se dio el proceso de desarrollo de cada pozo, por lo que se recomienda que en los formatos de campo se incluya un espacio en el que el supervisor de estas operaciones asegure que se cumplió con dicho procedimiento. Estos formatos deben archivarse como material probatorio de la calidad del estudio, dado que pueden ser solicitados por la autoridad ambiental que evalúa el estudio.

En los datos reportados sobre las operaciones de desarrollo de los pozos pueden incluirse tres criterios fundamentales expuestos por Barackman & Brusseau (2004), que consisten en:

• Extraer un volumen de agua en distintas etapas garantizando que esta sea renovada por el flujo hidrogeológico.
• Monitorear valores de pH y Conductividad Eléctrica hasta que estos sean estables.
• Calcular el volumen de purga teniendo en cuenta la transmisividad del acuífero y el diámetro del pozo, o como lo sugieren Knödel, Lange, & Voigt (2007) teniendo en cuenta la longitud de la pantalla y la capa de grava instaladas para filtrar el ingreso de material al pozo. Para ello se recomienda tener en cuenta la ecuación:

Donde:             VF:           Volumen de purga

                         LF:            Longitud de la capa de grava y el filtro instalados

                         dBH:         Diámetro del pozo

Para la recolección de muestras de agua con fines de análisis químico se debe:

• Verificar si existen hidrocarburos volátiles u otras sustancias insolubles en agua que puedan afectar los equipos del muestreo.
• Instalar la bomba sumergible 1 m debajo el nivel de la tabla de agua o con la distancia prudente para evitar que la muestra pueda transportar sedimentos del fondo del pozo que alteren la calidad del agua.
• Instalar una barrera que mantenga la presión para evitar la pérdida de VOC’s cuando se presuma su presencia en la muestra.

Durante los bombeos menores a  90 minutos, la lista siguiente de parámetros debe ser medida cada cinco minutos, y si estos son mayores a 90 minutos, estos deben ser medidos cada 10 minutos (Knödel, Lange, & Voigt, 2007):

• Profundidad de la tabla de agua en el pozo
• Tasa de bombeo
• Temperatura del agua
• pH
• Conductividad eléctrica
• Contenido de oxígeno disuelto
• Potencial de óxido-reducción (pE)

Otro factor de consideración para asegurar la calidad de los muestreos es el valor de oxígeno dado que si el contenido excede 1 mg/L, aún cuando el potencial de óxido-reducción es negativo, se puede estar presentando inyección de oxígeno en el agua debido a fugas en la cubierta del pozo, en la manguera o en la tubería de la bomba, situación que altera la composición química del agua que se va a recolectar.

Se recomienda que las muestras se recolecten a la misma tasa de bombeo que la tasa de purga y que en el momento del muestreo se tengan presentes los siguientes rangos máximos de variación para los parámetros indicados:

Las muestras recolectadas deben almacenarse en botellas de 1 L y 2.5 L y estas deben ser enjuagadas con el agua extraída del bombeo. Para el almacenamiento se recomienda generar controles sobre las siguientes situaciones:

• Muestras a las que se les va a practicar análisis de sulfatos y carbono inorgánico total, las muestras deben ser almacenadas sin burbujas de aire.
• Adicionar los preservantes adecuados para los análisis y recolectar muestras de igual volumen, filtradas y sin filtrar.
• Las muestras deben trasladarse refrigeradas hasta el laboratorio y durante todo el proceso deben mantenerse las correspondientes cadenas de custodia.

Para ampliar la referencia sobre los métodos, se pueden consultar el texto de Trick, Stuart, & Reeder (2004) o la norma EN ISO 22475-1 en la que se especifican las condiciones técnicas para la exploración por excavación, perforación y muestreo, así como para las mediciones hidrogeológicas (Stölben & Eitner, 2004).

Los análisis químicos detallados debieran incluir pruebas de especiación de las sustancias presentes en el agua

Caracterización del Flujo

La caracterización del flujo permite establecer los valores para los parámetros que condicionan la dinámica hidráulica del acuífero, parte de los fenómenos que deben ser reportados incluyen:

• Aporte de la dinámica hidrogeológica dentro del balance hídrico de la zona.
• Áreas que pueden definir condiciones de borde para el sistema (Zonas de Recarga, Cuerpos de agua superficial).
• Volúmenes de almacenamiento.
• Variación espacial de las líneas de flujo.
• Niveles freáticos.
• Zonas de confluencia.
• Afloramientos superficiales.

Cada uno de estos parámetros requiere de cálculos especiales derivados de los valores obtenidos en las pruebas de bombeo que se desarrollan en la etapa de perforación de pozos y sus resultados son necesarios para estructurar el modelo numérico de flujo. La información consolidada puede ser representada en un juego de capas con información hidrogeológica en las que se ilustren las líneas de flujo y las líneas equipotenciales. Asimismo, la información sobre los parámetros hidráulicos propios de la roca deberían ser incluidos como atributos en la capa de información sobre geología.

Desarrollo del Modelo Numérico de Flujo y transporte de partículas

Se construye empleando software especializado que inicialmente brinda la posibilidad de representar las condiciones bajo las que se da la dinámica de flujo en la zona estudiada, teniendo en cuenta los elementos expuestos en el aparte de Modelamiento Numérico en la Elaboración de Línea Base Ambiental sobre el recurso hidrogeológico de este texto. En este aparte debe incluirse la memoria técnica de la formulación del modelo como de su calibración.

Para este último procedimiento, es importante definir pozos de observación en la red piezométrica, lo que contribuirá a ajustar el nivel de confiabilidad sobre las representaciones que brinda el modelo, garantizando que las predicciones hechas con él más adelante, tengan un nivel de aproximación frente a la situación que puede desarrollarse en la realidad. Una vez se haya verificado la efectividad del modelo de flujo, es posible simular el transporte advectivo de partículas en un período de tiempo determinado, lo que conduciría a la delimitación de un área aproximada para aumentar el nivel de detalle con que se realiza el estudio, lo que definiría un área de influencia directa preliminar.

Caracterización Preliminar de la Calidad del Agua Subterránea

Para el caso peruano la norma exige una caracterización preliminar compuesta por 3 parámetros siendo estos:

• pH
• Conductividad Eléctrica
• TDS

Los últimos pueden ser calculados de forma indirecta a través de una fórmula matemática que requiere como dato de entrada el valor de la conductividad. No obstante se recomienda que se incluyan como parte de esta caracterización preliminar las lecturas de:

• Temperatura
• Oxígeno disuelto
• pE

A la par, teniendo en cuenta que el análisis se realiza sobre agua subterránea se recomienda incluir la lectura de:

• Cl-
• HCO3-
• CO32-
• SO42-
• K+
• Na+
• Ca2+
• Mg2+

Estos últimos están incluidos dentro del análisis detallado que exige la norma peruana, no obstante, cabe aclarar que una lectura temprana permitiría dar cuenta de la influencia de la matriz rocosa sobre el agua y anticipar una idea básica sobre el tipo de análisis que debieran hacerse para establecer los posibles contaminantes presentes o la vulnerabilidad del sistema en el caso de que se presenten cambios en el entorno químico. Como resultado, se recomienda almacenar la lectura por parámetro en tablas para cada pozo identificándole de manera tal que la información pueda ser cargada para cada punto cuando se requiera realizar consultas. Asimismo, se recomienda elaborar y presentar los correspondientes diagramas de Stiff, Pipper y otros que permitan visualizar e interpretar de forma sencilla los datos.

Selección de Puntos para Análisis Químico Detallado

Con los datos recopilados en todas las etapas del estudio de línea base puede consolidarse un Modelo Hidrogeológico Conceptual que sintetice la dinámica estudiada

El Análisis detallado tiene como objetivo detectar concentraciones de algunas especies particulares que pueden condicionar la calidad del agua en la zona de estudio, por lo tanto, abarca una gran cantidad de parámetros, lo que eleva sus costos. Debido a lo anterior, se sugiere que las muestras provengan del mismo muestreo en el que se hicieron las lecturas de la caracterización preliminar, por lo que en la recolección se debe procurar tomar volúmenes adicionales, que garanticen la homogeneidad de las condiciones, medidas, la comparabilidad de los resultados y consecuentemente su validación.

Los análisis químicos detallados debieran incluir pruebas de especiación de las sustancias presentes en el agua, pues ellas pueden orientar la selección de alternativas para el tratamiento de las sustancias con miras al cumplimiento de la calidad del agua conforme a los estándares de calidad del agua. En este aparte podrían incluirse modelos de especiación que, a partir de las composiciones totales, den cuenta de la posible presencia de especies de un elemento apoyando la decisión de hacer o no su análisis, ello sin dejar de lado que este tipo de predicciones requieren también de validación y calibración. En este caso, se recomienda generar capas de información con isolíneas de concentración para sustancias de interés según los resultados obtenidos.

Una amplia lista de sustancias y la referencia del método estandarizado por la ISO para su lectura puede ser encontrado en Knödel, Lange, & Voigt (2007).

Consolidación del Modelo Hidrogeológico Conceptual

Con los datos recopilados en todas las etapas del estudio de línea base, finalmente, puede consolidarse un Modelo Hidrogeológico Conceptual que sintetice la dinámica hasta ahora estudiada. En este debieran nombrarse las principales condiciones naturales de la zona de estudio indicando las características de:

Dinámica de flujo expresada a través de los parámetros hidráulicos.
Composición química del agua subterránea estableciendo nexos con las dinámicas tanto naturales como humanas.
Relaciones ambientales relevantes que se presentan en la zona.

Estas últimas son de especial importancia teniendo en cuenta que se hará énfasis sobre ella en etapas posteriores para las que la línea base sirva como punto de partida.

Bibliografía

• Autoridad Nacional del Agua - Perú. (13 de 06 de 2013). R.J. N° 250-2013-ANA. Términos de Referencia Comunes al Contenido Hídrico para la elaboración de los Estudios Ambientales. Lima, Región de Lima, Perú: --.
• Barackman, M., & Brusseau, M. L. (2004). Groundwater Sampling. En J. F. Artiola, I. L. Pepper, & M. L. Brusseau, Environmental Monitoring and Characterization (págs. 121-139). Tucson: Elsevier Inc.
• Knödel, K., Lange, G., & Voigt, H.-J. (2007). Environmental Geology: Handbook of Field Methods and Case Studies. Berlin: Springer.
• Stölben, F., & Eitner, V. (2004). Standardised Methods for Sampling by Drilling and Excavation and for Groundwater Measurements. En R. Hack, R. Azzam, & C. Robert, Engineering Geology for Infrastructure Planning in Europe (págs. 101-109). Berlin: Springer.
• Trick, J. K., Stuart, M., & Reeder, S. (2004). Contaminated Groundwater Sampling and Quality Control of Water Analyses. En J. F. Artiola, I. L. Pepper, & M. L. Brusseau, Environmental Monitoring and Characterization (págs. 121-139). Tucson: Elsevier Inc.