Crnicas

Tcnicas nucleares para investigar la migracin de contaminantes en las aguas subterrneas Informe sobre algunas aplicaciones prcticas para prevenir la contaminacin de los recursos hdricos

por V.T. Dubinchuk, A. Plata-Bedmar y K. Froehlich

.L^a proteccin contra la contaminacin de los recursos hdricos ha sido un tema prioritario en los ltimos aos.

Las aguas subterrneas, por lo general ms puras y limpias que las superficiales, estn protegidas naturalmente por un excelente sistema de filtracin formado por el suelo, arcillas y otras formaciones rocosas que eliminan algunos componentes solubles, partculas en suspensin, bacterias y la mayor parte de los virus.

No obstante, si este sistema de filtracin se sobrecarga o se elude, el acufero puede contaminarse. El mismo tipo de con-taminantes que afecta a las aguas superficiales incluidos desechos domsticos e industriales, filtraciones procedentes de fosas spticas, vertidos de minas, vertederos de basuras y productos qumicos de uso agrcola puede tener mayores repercusiones y un efecto ms prolongado sobre las aguas sub-terrneas. En los acuferos, la contaminacin se mantiene por perodos que van de cientos a decenas de miles de aos, poniendo en peligro el abastecimiento de agua de las genera-ciones futuras.

En algunas zonas, los acuferos estn menos expuestos a la contaminacin que en otras, ya que las condiciones geolgicas e hidroqumicas reducen el riesgo. La sensibilidad de la calidad de las aguas subterrneas a las actividades del hombre que producen su contaminacin se designa como "vulne-rabilidad de los acuferos a la contaminacin". La vulne-rabilidad de los acuferos se ve afectada por diversos procesos, como asimismo por sus propias propiedades y las del suelo. Es esencial definir qu parmetros caracterizan estos procesos para elaborar modelos y predecir la migracin de con-taminantes en los sistemas de aguas subterrneas. Los princi-pales objetivos son impedir la contaminacin y la degradacin de los recursos hdricos subterrneos o, si ya estn contami-nados, identificar su origen para poder proponer las medidas correctivas.

El OIEA ha prestado especial a tencin a las aplicaciones prcticas de las tcnicas nucleares e isotpicas vinculadas directa o indirectamente a la solucin de los problemas de la contaminacin de las aguas subterrneas. En este artculo se expone cmo se han aplicado algunas de estas tcnicas.

Los Sres. Dubinchuk, Plata Bedmar y Froehlich son funcionarios de la Divisin de Ciencias Fsicas y Qumicas del OIEA.

Migracin de contaminantes La zona no saturada o de aireacin es una formacin

geolgica de escaso espesor a travs de la cual los con-taminantes se desplazan desde la superficie terrestre hasta los acuferos ms superficiales. Para estudiar la velocidad con que se mueven las aguas subterrneas y los contaminantes a travs del suelo se necesitan instrumentos especiales. En el marco de algunos programas nacionales e internacionales, incluidos los auspiciados por el Organismo, se han realizado, o se estn realizando, investigaciones en las que se utilizan esos instrumentos y trazadores isotpicos.

Por ejemplo, en 1985 y 1986, en la regin de Crimea se efectuaron investigaciones sobre la salinizacin de las aguas subterrneas. En la zona de Chernobil se est estudiando la migracin de los radionucleidos liberados por el accidente de la central nuclear en 1986.*

En ambos casos se defini una serie de zonas para llevar a cabo complejas investigaciones con trazadores isotpicos. En dichas zonas se inyect agua tritiada en el suelo para estudiar su redistribucin en tiempo y espacio. El propsito era medir la velocidad del flujo de las aguas subterrneas en la zona no saturada y evaluar el tiempo de permanencia (o edad) de las aguas subterrneas y su tasa de recarga en los acuferos poco profundos. Simultneamente, en los mismos emplazamientos se inyectaron contaminantes marcados con istopos y se obser-varon sus movimientos.

En Crimea, los resultados obtenidos cerca de Djankov demuestran que la sal es acarreada en sentido ascendente debido al alto grado de evapotranspiracin y a la poca profun-didad del nivel hidrosttico. (Vase la figura I.) El experi-mento se realiz utilizando el mtodo de trazadores triples (solucin de cloruro de sodio en agua tritiada marcada adems con sodio 22 y cloro 36).

No obstante, en otros emplazamientos prximos a una zona de intensa aireacin, experimentos similares revelaron un movimiento descendente de la sal. La investigacin propor-cion informacin muy til sobre el transporte in situ del agua

* Ambos estudios fueron realizados por los investigadores V.T. Dubinchuk, Yu. A. Tsapenko, A.V. Borodin y A.V. Gladkov, del Instituto de Investigaciones Cientficas de Hidrogeologa e Ingeniera Geolgica de todas las Repblicas de la Unin situado en Mosc.

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Figura 1. Experimento de triple trazado realizado en Crimea

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44 200

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Movimiento del agua y de la sal

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Protundidad (centimetros)

3100

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Cloro 36

10,86

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w 20 30 40 50

vlida con fines de pronstico. (Vase la figura 2.) Los resul-tados mostraron, de forma explcita, el retardo y la dispersin del cesio con relacin al agua, permitiendo una mejor evalua-cin del riesgo de contaminacin de las aguas subterrneas por este radionucleido.

Intrusin de aguas contaminadas Un problema caracterstico de manejo del agua es la intru-

sin en las aguas subterrneas de aguas contaminadas proce-dentes de lagos, ros, o embalses naturales o artificiales.

En Managua (Nicaragua), se realizaron estudios de intru-sin en el contexto de un proyecto de cooperacin tcnica del OIEA.

Las investigaciones se basaron en la aplicacin combinada de istopos ambientales (radiactivos y estables) y trazadores artificiales.

La laguna de Asososca es una de las cuatro principales esta-ciones de bombeo de Managua, que suministra aproxi-madamente el 60% del agua que consume la poblacin local. Las aguas de un gran lago cercano, el lago Managua, estn altamente contaminadas. (Vase la figura 3.)

La laguna de Asososca, enclavada en el crter de un antiguo volcn, tiene una profundidad mxima de 90 metros y un dimetro de un kilmetro aproximadamente. Sus aguas pro-vienen del flujo subterrneo que descarga en el lago Managua. Los niveles hidrostticos de la laguna, as como de las otras tres estaciones de bombeo estn por debajo del nivel del agua del lago Managua debido al intenso bombeo de los ltimos decenios. Esto hace posible la intrusin de agua contaminada procedente del lago Managua en las aguas subterrneas y en la laguna de Asososca.

as como de los iones de sodio y cloro. Tales resultados ayudan a comprender mejor los mecanismos y la dinmica de la salinizacin de los suelos, cuestin particularmente importante para la agricultura de esta regin.

En la zona de Chernobil, se llev a cabo un experimento de doble trazado (agua tritiada y una solucin de cesio y cloro marcada con cesio 137). Las inyecciones se realizaron simul-tneamente a distintas profundidades para obtener informacin

Figura 2. Experimento de doble trazado en zonas aledaas a Chernobil

i ? 3 0 0

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3

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Tritio Cesio 137

i 09,86

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50 150 250 Profundidad (centmetros)

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Tcnicas nucleares e isotpicas

Hay toda una gama de tcnicas nucleares e isot-picas que puede ayudar a responder determinadas cues-tiones asociadas con el flujo de las aguas subterrneas y la migracin de los contaminantes.

Entre las tcnicas nucleares, el perfilado nuclear de pozos desempea una importante funcin y se basa en la utilizacin de la radiacin nuclear (rayos gamma, neu-trones, etc.) para determinar in situ las propiedades fsico-qumicas de los suelos y las rocas. El perfilado gamma natural se basa en la medida de la emisin natural de rayos gamma del suelo, a travs de la cual se puede determinar su contenido de arcilla y, de forma indirecta, la permeabilidad. El perfilado gamma-gamma se basa en la dispersin de la radiacin gamma emitida por una fuente artificial. La medicin de la radiacin dis-persada en los materiales que rodean el pozo propor-ciona informacin sobre la densidad aparente de los suelos. El perfilado con neutrones informa sobre el con-tenido de agua del suelo. La combinacin del perfilado gamma-gamma y neutrn-neutrn permite evaluar varias caractersticas, entre ellas, la porosidad (en suelos saturados), la densidad de la matriz del suelo y al grado de saturacin (en suelos no saturados). A veces permite la identificacin de fracturas en rocas compactas.

Las tcnicas isotpicas consisten en la inyeccin de trazadores artificiales o en el uso de istopos naturales para estudiar el movimiento del agua y de sus componentes.

El uso de los trazadores tiene una larga historia. Los ms sencillos, tales como hojas de rboles y fragmentos de madera y paja, han sido utilizados para observar la direccin y velocidad del agua, as como la interconexin entre las corrientes y los embalses. Ms tarde se emplearon diferentes pigmentos y colorantes naturales y artificiales, que todava se utilizan con este fin.

A fines del siglo XIX y principios del XX, se alcanz un impresionante desarrollo de las tcnicas de traza-dores tras el descubrimiento de la conductometra y la colorimetra, las cuales hicieron posible la medicin con instrumentos de sales y colorantes utilizados como traza-dores del agua en el terreno. Los experimentos hidro-lgicos con trazadores realizados en la zona en que confluyen el Danubio y el Rin, en Crimea y en el sistema crstico de Dinar, y en otras regiones, son ejemplos del uso que hace esta generacin de hidrlogos de esas sales y colorantes.

Pero el verdadero punto culminante del desarrollo de las tcnicas de trazadores se alcanz con el descubri-miento de los istopos y el desarrollo de los equipos para su medida.

Los istopos sirven para estudiar la mayora de los tipos de contaminacin, en parte porque pueden prepararse en diferentes formas. A veces son un instrumento singular que ofrece marcadas ventajas en comparacin con otros trazadores.

El marcado isotpico es posible tanto para las mol-culas de agua como para los productos contaminantes, o para ambos. Los ensayos de migracin pueden realizarse a un nivel microscpico y macroscpico, en el plano local, regional e incluso a nivel mundial. El agua y los contaminantes se pueden marcar sin alterar las con-diciones y procesos que se investigan. Los experimentos basados en el uso de trazadores isotpicos se pueden

llevar a efecto en condiciones extremas gran disolu-cin, alto grado de mineralizacin, turbidez, turbulencia, temperaturas altas y bajas en que no se puedan apli-car otros trazadores. Adems, existe una gran variedad de istopos naturales en la geosfera y la hidrosfera que pueden utilizarse con xito para estudiar los procesos de transporte ambiental.

Una ventaja importante de las tcnicas isotpicas es que permiten calcular, cualitativa y cuantitativamente, los llamados "parmetros de retardo" del medio geolgico en relacin con el movimiento de los con-taminantes. Por retardo se entiende bsicamente las demoras en el transporte de contaminantes en relacin con el movimiento del agua; se trata de un fenmeno muy complejo que incluye la absorcin/desorcin, la difusin/dispersin, la solucin/precipitacin y muchos otros procesos.

Para ayudar a evaluar el retardo se pueden combinar istopos diferentes. En las tcnicas de "doble trazado" se puede utilizar el tritio (istopo radiactivo de hidrgeno) como trazador del movimiento del agua y otro istopo como trazador de un contaminante especfico. Las tcnicas suministran informacin valiosa para evaluar los efectos del retardo.

Los mejores resultados se obtienen combinando mtodos de laboratorio (muestras sueltas, columna y radiografa) con experimentos de trazadores de campo, incluidos los trazadores isotpicos artificiales y ambien-tales. Los experimentos de muestras sueltas (en ingls, batch experiments) comprenden el estudio de la redistri-bucin de los componentes marcados entre una solucin modelo y una muestra de suelo o roca en condiciones hidrulicas estticas. De esta forma se pueden estudiar las isotermas de la absorcin-desorcin, asi como los coeficientes de distribucin y su dependencia de la hidrogeoqumica del tipo de contaminante y de las propiedades del suelo. Cabe sealar que la mayor can-tidad de datos sobre la absorcin de radionucleidos y la absorcin inica de los metales se han obtenido en los ltimos tiempos mediante los experimentos de muestras sueltas con trazadores.

Las tcnicas de columna se basan en la medicin de las distribuciones espacio-tiempo de los componentes marcados que fluyen a travs de una columna de suelo o roca, lo que posibilita la evaluacin simultnea de los parmetros de transporte hidrulico, tales como absor-cin/desorcin y difusin/dispersin, en condiciones hidrulicas dinmicas. En comparacin con las tcnicas de muestras sueltas, los datos obtenidos con los experimentos de columna se asemejan mucho ms a los sistemas naturales.

Los experimentos de campo son las tcnicas ms convenientes. Para evaluar los parmetros de retardo en condiciones de campo se suelen realizar experimentos de trazado mltiple, en los que se utiliza tritio artificial como trazador del agua junto con sustancias reactivas disueltas (contaminantes) marcadas con otro istopo. Por lo regular las concentraciones de tritio que se necesi-tan para esos experimentos son del orden de varias centenas de becquerelios por litro (Bq/L).

En general, los experimentos de campo basados en el uso de istopos artificiales como trazadores pueden ayudar a abordar problemas locales como son:

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La proleccin de determinadas zonas en las que se extrae agua para el consumo humano. El principal objetivo que se persigue es predecir el tiempo de trnsito del contaminante desde la fuente donde se origina;

La investigacin y el pronstico de la contamina-cin de las aguas subterrneas en zonas aledaas a los

emplazamientos de evacuacin de desechos y grandes complejos industriales;

La evaluacin de la dinmica del agua en los sis-temas de recarga artificial;

El estudio y el pronstico del movimiento y el com-portamiento de la sal y los productos qumicos agrcolas en el suelo y en las aguas subterrneas.

Figura 5. Estrategia para la aplicacin de tcnicas de trazadores en estudios de contaminacin

OBSERVACIN Y MEDICIN DE TRAZADORES ISOTPICOS PERFILADO NUCLEAR DE POZOS

VELOCIDAD DEL AGUA

VELOCIDAD DEL CON-

TAMINANTE

DIFUSIN, DISPERSION

ABSORCIN, DESORCIN

TRANS-FORMACIN

DENSIDAD, HUMEDAD,

POROSIDAD Y CONTENIDO DE ARCILLA

DEL SUELO Y LA ROCA

HIPTESIS SOBRE LOS

EFECTOS DEL CON-

TAMINANTE OBSERVADOS O SUPUESTOS

DATOS BSICOS

DEL SISTEMA

RETARDO / FACTOR DE RETENCIN DE LOS CONTAMINANTES EN EL MEDIO GEOLGICO

MODELO MATEMTICO DE COMPORTAMIENTO DE LOS

CONTAMINANTES EN EL SISTEMA

PREDICCIN DEL COMPORTAMIENTO DE LOS CONTAMINANTES EN EL SISTEMA

MEDIDAS PREVENTIVAS YO CORRECTIVAS MTODOS Y MODELOS DE MEJORAMIENTO UTILIZADOS PLANIFICACIN DE UNA NUEVA ETAPA DE ESTUDIOS

DEL TRANSPORTE DE LOS CONTAMINANTES

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Para comprobar esta posibilidad, se emprendi una investigacin a fin de medir la velocidad del flujo sub-terrneo y las caractersticas qumicas del agua. Los estudios incluyeron el anlisis de los istopos ambientales tritio, deuterio y oxgeno 18 y de la composicin qumica del agua, as como experimentos con trazadores artificiales.

Los resultados indicaron que no haba intrusin de agua contaminada en cantidades que pudieran detectarse. Se encon-tr una gran diferencia entre el agua del lago Managua y las aguas subterrneas en cuanto a su composicin isotpica. Adems, se observ que el agua que se extrae de la laguna de Asososca es relativamente antigua, basndose en la ausencia de tritio en cantidad mensurable (durante el perodo 1952-1962 se liber tritio a la atmsfera a travs de los ensayos de armamentos nucleares, el cual es utilizado para determinar la edad de los recursos hdricos y la recarga que ha tenido lugar en los ltimos tiempos por infiltracin de agua de lluvia). Adems, el agua de la laguna de Asososca tiene la misma com-posicin isotpica que las aguas subterrneas profundas y es muy diferente de la del lago Managua. La informacin obtenida con los istopos permite afirmar que se podr detectar con mucha antelacin cualquier posible intrusin de agua con-

Figura 3. Estudio isotpico de la intrusin de contaminantes realizado en Nicaragua

Nota: Los datos representan valores de la desviacin isotpica del oxigeno 18 con respecto al patrn Viena-SMOW expresados en tantos por mil.

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taminada procedente del lago Managua que pueda ocurrir en el futuro a consecuencia del cambio de las condiciones hidrodinmicas.

Recarga artificial de aguas residuales En Tnez se puso en prctica un proyecto para estudiar la

recarga artificial de las aguas residuales en el acufero costero aluvial de Nabeul-Hammamed. Este acufero est prc-ticamente agotado e inservible por el intenso bombeo y la salinizacin. El agua recargada fue marcada con tritio para investigar la capacidad de autodepuracin del acufero durante un perodo prolongado (14 meses) y estudiar los procesos de mezcla de los recursos hdricos ms antiguos con dicha agua.

En el curso de los estudios se marcaron unos 32 000 metros cbicos de aguas residuales con una concentracin media de 1,2 kilobecquerelios por litro (kBq/L) mediante la inyeccin continua del trazador durante 42 das. La distribucin espacial del agua marcada proporcion una informacin sobre la dinmica del flujo subterrneo. (Vase la Figura 4.) La infor-macin permitir planificar mejor cualquier proyecto futuro a gran escala de recarga artificial de las aguas residuales con el

Figura 4. Estudio isotpico de la recarga de aguas residuales en Tnez (isolneas de concentracin de tritio)

Nota: Los isogramas del tritio se dan en /iCi/m3.

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fin de utilizarlas para el riego. Los principales cultivos de esta zona son los ctricos, el arroz y las legumbres. Se lleg a la conclusin de que las aguas residuales deben mezclarse con otras aguas menos mineralizadas para poder utilizar el agua recargada en el riego.

Ventajas e inconvenientes Los trazadores isotpicos permiten conocer lo que ocurre

con los contaminantes marcados (y con cualquier otro com-ponente hdrico marcado) cuando entran en contacto con la matriz slida del suelo y roca o con sedimentos depositados en el fondo o transportados en suspensin. El estudio se puede realizar en cualquier fase del movimiento, del proceso trans-formador o de interaccin del contaminante con el medio geolgico.

Adems, desde el punto de vista qumico los trazadores isotpicos se pueden utilizar en concentraciones muy bajas sin alterar, por lo tanto, las condiciones fisicoqumicas y termo-dinmicas del sistema que se estudia. Son mensurables en cantidades tan pequeas que los instrumentos convencionales no pueden detectarlos.

Por ltimo, los experimentos con trazadores pueden realizarse de forma no destructiva. Por ejemplo, la difusin y la absorcin pueden estudiarse mediante experimentos de columna en un laboratorio sin destruir las muestras de suelo y roca. Sobre el terreno, es fcil efectuar ensayos similares utilizando emisores gamma como trazadores gamma y el per-filado gamma natural.

Sin embargo, las tcnicas de trazadores isotpicos tienen algunos problemas y limitaciones. De ah que en los estudios sobre la migracin de la contaminacin, el inters de los cient-ficos se est desplazando del desarrollo y mejoramiento de las tcnicas de trazadores isotpicos a su compleja utilizacin en combinacin con los mtodos tradicionales a fin de obtener la informacin necesaria para realizar los pronsticos pertinentes y proponer medidas preventivas.

El desarrollo futuro de las tcnicas nucleares en esta esfera deber orientarse hacia la elaboracin de un sistema de algoritmos que sirva para transferir los datos de laboratorio y de campo a los sistemas ambientales. Es preciso elaborar modelos de interpretacin y de pronstico ms adecuados y crear bases de datos sobre los rasgos caractersticos de la migracin de contaminantes en condiciones geolgicas y termodinmicas tpicas.

A menudo se afirma que una de las desventajas de que suele adolecer la aplicacin de los istopos radiactivos es la exigen-cia de hacer una declaracin sobre su impacto ambiental cuando los investigadores solicitan la licencia para utilizarlos. Esta exigencia puede dar lugar a malentendidos en el pblico y, incluso, entre las autoridades. En la mayora de las investi-

gaciones hidrolgicas e hidrogeolgicas, los istopos artifi-ciales se usan en concentraciones bajas, las cuales no represen-tan ningn riesgo para los operadores, para el pblico, ni para el medio ambiente cuando se adoptan medidas de seguridad bien conocidas y concebidas. La utilizacin de istopos radiac-tivos naturales no plantea ningn problema especial de seguridad.

En estos momentos el OIEA est preparando una gua sobre la manipulacin segura de los trazadores radiactivos artifi-ciales en hidrologa que servir de apoyo a los investigadores y a las autoridades gubernamentales.

Otras actividades del OIEA El OIEA desarrolla otras actividades en la esfera de la

migracin de contaminantes, entre ellas varios proyectos que incluyen estudios sobre hidrologa y geoqumica isotpicas de las aguas superficiales y subterrneas.

Adems, se han convocado varios grupos consultivos de expertos para examinar la utilidad, fiabilidad y aplicabilidad de las tcnicas nucleares en la evaluacin de las aguas sub-terrneas. Entre los temas especficos abordados figuran las tcnicas de trazadores isotpicos en hidrologa, la vulnera-bilidad de los acuferos de aguas subterrneas, el uso de istopos de gases raros y nobles en el estudio de los procesos atmosfricos y de la hidrosfera y la elaboracin de modelos interpretativos en hidrologa isotpica.

Se estn llevando a cabo varios programas coordinados de investigaciones (PCI) sobre estos temas, que incluyen un PCI sobre la elaboracin de modelos de transporte de los istopos en los sistemas hidrogeolgicos y un PCI sobre la elaboracin y evaluacin de las tcnicas nucleares en los estudios de trans-porte de contaminantes. En este ltimo PCI intervienen grupos cientficos procedentes de Alemania, Australia, Brasil, Checoslovaquia, Dinamarca, Estados Unidos, Finlandia, Francia, Mxico y la URSS.

Tambin reciben apoyo varios proyectos de cooperacin tcnica regional en el campo de la hidrologa y la hidrogeologa de Amrica Latina, Oriente Medio, Africa y Asia. El OIEA ofrece tambin cursos peridicos de capacitacin para el per-feccionamiento de especialistas de distintos pases sobre metodologas y aplicaciones de tcnicas isotpicas, incluyendo las aplicaciones y los mtodos de mayor inters en relacin con la proteccin de los recursos hdricos.

El OIEA ha convocado un Simposio Internacional sobre hidrologa isotpica en marzo de 1991 en el que se debatir, entre otros temas, el uso de las tcnicas isotpicas en los estu-dios sobre contaminacin y proteccin de las aguas subte-rrneas. Este ser el octavo simposio sobre hidrologa iso-tpica celebrado desde 1963.

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