Aplicaciones hidrogeológicas del 222Rn

[SPA] Esta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones. La gestión y protección de los recursos de aguas subterráneas requiere una comprensión cuantitativa de varios procesos hidrogeológicos en diferentes escalas temporales y espaciales. Sin embargo, la identificación y cuantificación de los procesos hidrogeológicos son difíciles de evaluar utilizando únicamente herramientas convencionales. Los trazadores ambientales, como los isótopos, a menudo brindan una visión más profunda de los procesos hidrogeológicos, especialmente cuando se combinan con otros trazadores y herramientas convencionales. El 222Rn (radón), un gas noble radiactivo de origen litológico, se ha revelado como un trazador útil en hidrología. Dadas sus características químicas que evitan la precipitación, la adsorción o el intercambio, su potencial como trazador litológico en sistemas acuíferos heterogéneos es considerable. Durante varias décadas, el uso de radón para identificar la descarga de aguas subterráneas y la estimación de la tasa de flujo requería mucho trabajo, era costoso y limitado. Sin embargo, gracias a las nuevas técnicas analíticas, las mediciones de radón ahora se realizan fácilmente con detectores portátiles. El objetivo general de la tesis es evaluar la idoneidad del radón como herramienta principal para obtener información científica valiosa sobre procesos hidrogeológicos clave que ocurren en sistemas hidrológicos grandes y complejos, ampliando su uso como herramienta hidrogeológica cualitativa y cuantitativa singular. Específicamente, los objetivos de esta tesis son (1) evaluar la utilidad del radón para identificar las interacciones agua subterránea-agua superficial entre diferentes entornos hidrogeológicos y diferentes cuerpos de agua superficial, (2) identificar fuentes de agua subterránea y patrones de flujo en diferentes acuíferos multicapa complejos, y (3) establecer una metodología sólida para cuantificar la descarga de agua subterránea a los ríos utilizando un modelo de balance de masa de radón. Para cumplir con estos objetivos, esta tesis presenta i) una revisión del estado del arte de las técnicas contemporáneas de muestreo y análisis y el progreso científico sobre el uso del radón en aplicaciones hidrogeológicas, que se complementa con una síntesis de los procesos y factores controlando los niveles de radón en aguas subterráneas, y ii) tres aplicaciones hidrogeológicas del radón cuidadosamente diseñadas para cumplir con cada uno de los objetivos específicos de la tesis, cuyos resultados dieron origen a los tres artículos publicados en revistas internacionales de primer orden incluidos en esta disertación. Esta investigación se originó en el proyecto financiado por España REDESAC (CGL2009-12910-C03-03) y continuó en el marco de varios proyectos de investigación financiados por la Agencia Internacional de Energía Atómica en Argentina. La revisión del estado del arte mostró que las mejoras recientes en las mediciones de radón in situ en el agua han aumentado las aplicaciones de este trazador geoquímico en estudios hidrogeológicos en todo el mundo en los últimos 15 años. La mayor parte de la literatura científica publicada que utiliza este trazador se centró en la identificación de áreas de descarga de aguas subterráneas; algunos sobre su cuantificación, que requiere variables complementarias que a menudo son difíciles de medir o estimar, y unos pocos sobre el uso de radón para rastrear la procedencia de las fuentes de agua. Además, el análisis integral de los métodos actuales de muestreo y medición de radón brindó información valiosa para los profesionales interesados en usar este trazador en el campo, incluidos los diferentes tipos de equipos disponibles para medir las actividades de radón en el agua, así como los factores que afectan la precisión analítica. Las tres aplicaciones del radón diseñadas para cumplir con los objetivos específicos y los principales resultados son los siguientes: El río Mundo (SE de España) fue seleccionado para probar la aplicabilidad del radón para identificar y cuantificar la descarga de aguas subterráneas al río, ya que estos eran poco conocidos debido a la compleja geología del área. Los aumentos observados en la actividad del radón en el agua del río apuntaron a una importante descarga difusa de aguas subterráneas en cuatro tramos del tramo del río estudiado. La caracterización de la actividad del radón en las aguas subterráneas mediante la medición de pozos y manantiales nos permitió evaluar cuantitativamente la descarga de aguas subterráneas al río. El radón fue clave para rastrear la descarga de agua subterránea, especialmente en áreas con mínimo contraste químico y otro isotópico. Una contribución novedosa fue la estimación de una incertidumbre integrada asociada con el flujo de descarga de agua subterránea cuantificada por balance de masa de radón, que aumenta la confianza de los resultados. El sistema acuífero Loma de Úbeda se eligió cuidadosamente para probar la utilidad del radón como indicador de la procedencia del agua subterránea en sistemas acuíferos multicapa con litología variada, y como un indicador potencial para complementar los modelos conceptuales derivados de la hidroquímica en las firmas de las aguas fuentes finales. La red de flujo de agua subterránea de este sistema se ve modificada por una intensa explotación y profundas fallas que favorecen la mezcla vertical de aguas de diferentes capas y con distintas composiciones químicas. Esta situación ha inducido al deterioro de la calidad del agua y fomentado el riesgo de restricciones cuantitativas. El radón proporcionó información para identificar y cuantificar las mezclas de múltiples aguas de miembros finales a través de sus diferentes firmas de radón en este sistema a gran escala (102 km2 y pozos de más de 700 m de profundidad), donde los gradientes hidráulicos y las velocidades de flujo en los alrededores de los pozos aumentan debido a la explotación intensiva. El radón fue primordial para discriminar las firmas de dos capas hidrogeológicas químicamente similares y para cuantificar sus proporciones de mezcla en muestras de pozos agrícolas profundos y muy productivos. El área de humedales Esteros del Iberá fue seleccionada para evaluar la aplicabilidad del radón como trazador primario para validar la hipótesis de descarga regional a grandes sistemas de aguas superficiales. Se sospechó que estos humedales eran un área de descarga regional de uno de los acuíferos transfronterizos más grandes del mundo, el Sistema Acuífero Guaraní (SAG). El radón fue clave para identificar la descarga de aguas subterráneas profundas, tanto de las formaciones SAG como Pre-SAG, en capas de aguas subterráneas poco profundas, así como la descarga localizada de esas aguas subterráneas profundas a una laguna y arroyo adyacente, dentro de un área extensa de humedales (37,930 km2). Especialmente novedosa fue la contribución del radón para resaltar el papel de las estructuras geológicas, específicamente las fallas regionales, en el control de las mezclas de aguas subterráneas y la descarga superficial mediante rápidos flujos ascendentes. Esta tesis concluye que: (1) El radón ha demostrado ser un marcador clave y distintivo para i) identificar la descarga de aguas subterráneas a diferentes cuerpos de agua superficiales, especialmente en grandes áreas de humedales, donde muy a menudo la mayoría de las aguas están muy diluidas por la contribución de la lluvia y no hay cambios químicos notables; ii) cuantificar la descarga a los arroyos; y iii) identificar la procedencia hidrogeológica y cuantificar la contribución de diferentes fuentes de agua subterránea en aguas subterráneas mixtas que se encuentran comúnmente en grandes sistemas acuíferos. (2) Las mediciones integradas de radón in situ proporcionaron resultados precisos y exactos con niveles de incertidumbre muy bajos en muestras de agua superficial. La metodología desarrollada y aplicada a diferentes escenarios hidrológicos fue sólida y exitosa. Por el contrario, se demostró que la técnica de muestreo puntual en botella es más adecuada para medir el radón en muestras de agua subterránea, proporcionando resultados muy precisos y exactos con una incertidumbre analítica de ± 2σ, un intervalo de confianza del 95 %. (3) Se recomienda utilizar un enfoque de trazadores múltiples para restringir aún más la identificación de las aguas fuente cuando la variabilidad espacial y temporal del radón en el agua causa una complejidad considerable. (4) Los valores de caudal de agua estimados a través de balances de masa de radón ganarán confianza y utilidad si se les une la estimación de toda la incertidumbre involucrada en el proceso de medición. Entre las preguntas de investigación más relevantes que deben abordarse en el futuro, esta tesis recomienda seguir trabajando en mediciones continuas a largo plazo y de alta resolución de radón en el agua, así como análisis de datos de series temporales de radón en agua y modelado numérico sobre la generación y el transporte de radón en sistemas de aguas subterráneas.

Author

• Ortega Ormaechea, Lucía

• Hidrología
• Aguas subterráneas
• Hidrogeología
• Hidrología kárstica
• Radón
• Radio
• Radon
• Radium
• Water
• Aquifers

Identifier

hdl:10317/12078

OAI identifier oai:identifier

oai:repositorio.upct.es:10317/12078