Bol. Soc. Geol. Mexicana, Tomo XXXIX, No. 2, p.p. 71-76, Septiembre 1978

El Uso y la Aplicación de Trazadores de Agua Subterránea

http://dx.doi.org/10.18268/BSGM1978v39n2a8

Lesser Illades, Juan Manuel*

*Secretaría de Agricultura y Recursos Hidráulicos

Introducción

En determinadas ocasiones es de esencial importancia el conocer con exactitud si existe conexión entre dos puntos de un acuífero. Para ello se han llevado a cabo, desde el siglo pasado, experimentos consistentes en mezclar, en el agua de un aprovechamiento subterráneo localizado aguas arriba, una sal o un tinte, el cual puede ser reconocido en otro aprovechamiento localizado a cierta distancia aguas abajo, determinando asi, la posible conexión entre dichos puntos. A esta técnica se le conoce como trazadores de agua subterránea.

Este método, se ha aplicado principalmente en rocas fracturadas, donde el tiempo de tránsito es corto y en distancias hasta de 40 km (Zotl, 1970). En menor proporción, se ha llevado a cabo en medios granulares, ya que por una parte la velocidad de flujo es relativamente pequeña y por otra, la arcilla produce absorción e intercambio iónico, por lo cual la aplicación en este medio debe ser en distancias cortas.

Los puntos de inyección más comúnes, son ríos suberráneos localizados dentro de cavernas y los principales puntos de muestreo son manantiales, Con algunas limitaciones los puntos de inyección y muestreo de trazadores pueden ser también pozos, norias, galerías filtrantes, drenes, lagos y presas.

En algunas ocasiones, se ha utilizado esta técnica para determinar si el agua de manantiales, ríos o drenes, corressponden a filtraciones de una presa o lago.

Un buen trazador. debe reunir las características siguientes: No ser tóxico, soluble en agua, identificable en pequeñas concentraciones, resistente a cambios químicos, tener poca o nula capacidad de intercambio iónico, no ser absorbido o retenido por suelo o rocas, su determinación debe ser mediante análisis sencillos y su aplicación económica.

Los principales trazadores son fluoriceínas, sales esporas e isótopos.

Fluoriceinas

Son substancias que tienen la propiedad de emitir luz fluorescente. La longitud de onda de esta luz, varía de una substancia a otra, propiedad que se utiliza para identificarlas. Las substancias más comúnes utilizadas como trazadores son: Uranina, Eosina, Amidorhodamina G extra, Rhodamina FB y Tinopal CBS-X. A continuación se describen las características de cada una de estas substancias.

Uranina.- Es la de mayor aplicación, consiste en una fluouoriceína de sodio que presenta un color naranja en soluciones concentradas (más del ppm), cambia a verde-amarilento al ser diluida. La intensidad de fluorescencia depende del pH. Enfa figura 1, se muestra la relación entre el pH y la intendidad de fluorescencia de la uranina. En aguas muy ácidas, pierde su fluorescencia, pero este proceso es reversible. pudiendo recobrarla al añadir un compuesto básico, como KOH ó NH₃. Esta propiedad puede utilizarse para identificar el trazador.

Figura 1

Figura 2.

El poder de la uranina, puede disminuir por medio de procesos fotoquímicos como la luz ultravioleta, por agentes oxidantes como el cloro y el ozono y en algunos casos por procesos biológicos.

Es visible en concentraciones mayores de 0.01 ppm. Antiguamente se utilizaban lámparas de luz ultravioleta para identificarla cuando se encontraba en concentraciones bajas. Actualmente las concentraciones, entre 1x10^-2 y 2x10^-6 ppm, son medidas con espcetrofluorómetro.

La intensidad máxima de tluoresccncia se detecta a una longitud de onda de 515x10^-9 m. A mayor o menor longitud de onda, la intensidad disminuye en forma simétrica (figura 2) y la forma de la curva distingue a la uranina de otra fluoriceína. Para concentraciones menores a 2x10^-6 ppm, se utiliza carbón activado (W.B. White, 1967, F. Baver, 1972) el cual se coloca en el agua durante un tiempo que varía de un día a semanas, donde la uranina es abosorbida y concentrada de 50 a 500 veces por el carbón y su concentración es medida posteriormente.

Para extraer la uranina del carbón, se le agrega a éste, algunas gotas de una de las siguientes preparaciones:

a) Una parte de alcohol etílico al 95%y una parte de hidróxido de potasio diluido al 15% enagua destilada.

b) Ocho partes de N-N Dimetilformadin (DMF), dos partes de agua destilada y una gota de NH3.

Por último, la uranina es resistente a la absorción por arcillas y su uso no es tóxico para el hombe o animales.

Eosina.- Presenta una fluorescencia naranja-rosa, cuya máxima intensidad se detecta a una longitud de onda de 535 x 10^-9 m.

Cuando se presentan valores mayores de 0.01 ppm, es visible al ojo humano. Entre 0.01 y 50x10^-6 ppm, puede detectarse con espectrofluorómetro. Concentraciones menores se concentran con carbón activado, del cual puede extraerse añadiendo una substancia compuesta por ocho partes N-N Dimetilformadin (DMF) y dos de agua destilada.

Al utilizarse junto con rhodamina FB o uranina, se producen interferencias por lo que su aplicación conjunta es limitada.

Aminorhodamina G Extra.- Conocida anteriormente como sulforhodamina G extra, presenta una fluorecencia naranja-rosa en soluciones concentradas, que cambia a verde al ser diluída. Su mayor intensidad se presenta a una longitud de onda de 554x10^-9 m. Es visible en concentraciones mayores de 0.01 ppm y con espectrofluorómetro pueden detectarse hasta 6x10^-3 ppm. Valores menores pueden concentrarse por medio de carbón activado, del cual puede ser extraída la fluoriceína, por medio de una solución de ocho partes de N-N Dimetilformadin (DMF) y dos de agua destilada.

Esta fluoriceína presenta inconvenientes, ya que es difícil de disolver y fácilmente absorbida por arcillas. En presencia de uranina, rhodamina FB o casina, se producen interferencias.

Rhodamina FB.- Presenta un color púrpura y fluorescencia roja. Su mayor intensidad se detecta a una longitud de onda de 578x10^-9 m. Es visible al ojo humano en concentraciones mayores de 0.01 ppm. Con espectrofluorómetro se detectan hasta 10x10^-3 ppm. Valores menores pueden ser concentrados por medio de carbón activado del cual se extrae por medio de una de las soluciones siguientes:

a) Cinco partes de propanol y 5 partes de hidróxido de amonio.

b) Ocho partes de N-N dimetilformadin (DMF) y dos de agua destilada.

La rhodamina FB, presenta interferencias al combinarse con uranina, eosina o aminorhodamina G extra. Es tóxica cuando se inhala en soluciones concentradas. Por otra parte, en presencia de arcillas es altamente absorbida.

Tinopal CBS-X.- Presenta un color verde con fluorescencia azul. Su mayor intensidad se determina a una longitud de onda de 430x10^-9 m. Es visible solamente en concentraciones mayores de 1 ppm. Con espectrofluorómetro se pueden detectar hasta 440x10^-3 ppm. Valores menores son concentrados por medio de carbón activado del cual la fluoriceina puede extraerse agregando unas gotas de una solución que contenga ocho partes de N-N dimetilformadin (DMF) y dos de agua destilada. Este producto, es absorbido por arcillas.

Ejemplo sobre la apllcacion de fluoriceina

Con el propósito de ilustrar su aplicación, a continuación se presentan los resultados obtenidos en un experimento llevado a cabo en una región cárstica.

Se propuso conocer la conexión entre el agua de un río que se infiltraba dentro de una dolina y dos manantiales situados a 5 kilómetros de la primera. Para ello, se inyectaron 3 kg de uranina en el agua de la dolina y se obtuvieron muestras de agua cada dos horas en los manantiales "H" y "S".

En el manantial "S", no se detectó uranina, por lo que se concluye que éste no tiene conexión con la zona de recarga donde se inyectó el trazador.

En el manantial "H", se empezó a detectar uranina 56 horas después de la inyección, y la concentración del trazador fue aumentando hasta llegar a 32 mg/m³, según muestra en la figura 3.

 
Figura 3.

Tomando en cuenta el tiempo requerido por el trazador para circular entre los puntos de inyección y muestreo, y la distancia entre ellos, se obtuvo la velocidad mínima de circulación, la cual fue de 3.7 km/día.

Otro ejemplo ilustrativo de la aplicación de trazadores, ahora en acuíferos granulares someros es el siguiente:

En un valle aluvial que presenta un acuífero freático a 3 m de profundidad, se perforaron 9 pozos de 3" de diámetro y 5 m de profundidad, distribuidos en la forma como se ilustra en la Figura 4.

En el pozo central, se inyectó uranina y se obtuvieron muestras de agua en el resto de los pozos, cada 20 minutos.

Después de 3 horas 20 minutos de la inyección, se detectó uranina solamente en los pozos 4 y 5, de donde se puede obtener que el agua subterránea fluye en dirección sureste, a una velocidad de 1.5 m/hr.

Este método es utilizado en zonas sin información y su aplicación queda limitada por la profundidad a que se encuentre el nivel estático, ya que mientras mayor es ésta, mayor es el costo de los pozos de muestreo e inyección. 

Figura 4.

Sales

Las sales son el trazador artificial de agua subterránea más antiguo que se conoce se haya aplicado con éxito. Los productos utilizados más comúnes son, sal de cloruro de sodio y sal de cloruro de potasio.

La sal es disuelta en agua y posteriormente in carporada al acuífero. Una de las desventajas que presenta este método, es que requiere que en la zona de inyección el caudal de agua que entre el acuífero sea grande. Por otra parte se necesita una gran cantidad de sales en cada experimento.

En zonas cársticas, para distancias entre 3 y 5 km se requiere inyectar un mínimo de 500 kg de sal (zotl, 1975). La cantidad más grande que se ha llegado a inyectar en un experimento de trazadores, fue de 50 toneladas de NaCI, (W. Kass. en H. Batsche et al., 1970). donde después de 4 días, se encontró en uno de los manantiales de observación un incremento de cloruros de sólo 39 ppm.

Los grandes volúmenes de trazador requeridos mediante este método, hacen que su uso sea limitado. La ventaja consiste en que pueden efectuarse determinaciones cuantilativas.

Ejemplo sobre la apllcacion de sales

Durante los trabajos realizados para conocer la posible conexión entre el agua de un río que se infiltraba en una dolina y dos manantiales localizados a 5 kilómetros de ésta, como se mencionó en párrafos anteriores, se inyectaron 600 kg de cloruro de sodio y 400 kg de cloruro de potasio.

Posterionnente se obtuvieron muestras de agua con intervalos de dos horas cada una, tanto en el manantial "H" como en el "S", las cuales se analizaron químicamente determinándose el contenido de cloruros, sodio y potasio.

Al igual que en los resultados obtenidos para la fluoriceína (párrafos anteriores), en el manantial "S", no se detectó incremento alguno en su contenido salino, por lo cual se concluyó que este manantial no tiene conexión con el agua de infiltración de la dolina.

Por lo que se refiere al manantial "H", los resultados de los análisis se graficaron en la figura 5, donde se observa que 56 horas después de la inyección de las sales, se detectó un incremento en los iónes determinados, ratificando la comunicación entre la dolina y el manantial.

Considerando el tiempo que tardó en aparecer el trazador en el manantial y la distancia entre éste y la dolina, se obtuvo la velocidad de flujo del agua de este acuífero.

Por otra parte, con estos resultados y los de los análisis químicos y volúmenes aforados, es factible determinar el volumen mínimo de agua almacenado, así como el conocer en qué proporción el agua del manantial, proviene de la que se infiltra en la dolina.

Figura 5.

Esporas

Las esporas utilizadas como trazadores corresponden al tipo Lycopodiun clavatum. Tienen un diámetro de 30-55 micras y un color amarillo pálido (1micra = 10^-4 cm).

Su forma es similar a la de un triángulo isóseles con lados convexos. Sus orillas forman cadenas de semicírculos cóncavos (Figura 6). Están cubiertas por una fina membrana insoluble por lo que, al ser incorporadas al agua, son transportadas en suspensión. No se sedimentan y tienen la propiedad de no ser absorbidas o intercambiadas con el suelo o rocas.

En el año de 1953, A. Mayr, trató de emplear las esporas como trazador debido a las propiedades que se presentan pero su identificación resultó problemática. J. Zotl y V. Maurin, idearon teñir las esporas de diferentes colores para facilitar su identificación lo cual resultó exitoso. De esta manera pueden mezclarse en agua, esporas de diferentes colores y posteriormente detectarse en cierta zona de muestreo identificándose por el color, con cuáles sitios tiene conexión.

El muestreo de esporas se lleva a cabo instalando redes para plancton, las cuales se pueden dejar por liempo indefinido en el lugar de muestreo. Al preparar la muestra para observarla en el microscopio, se ha visto que se obtienen resultados satisfactorios, si se lleva a cabo lo siguiente:

A las muestras de campo se le agregan 3 gotas de hidróxido de potasio al 10%, 3 gotas de formol al 35% y una pisca de urea; posteriormente se calienta en baño de María por tres minutos, Se centrifuga y el sedimento se concentra en un tubo al que se le agrega una gota de ácido etílico, Se coloca una pequeña parte de la preparación en una lámina delgada para su análisis al microscopio.

Figura 6.

Isótopos

Los principales isótopos utilizados corno trazadores en agua subterránea, se dividen en estables (Deuterio y Oxígeno 18) y radioactivos (Tritio y Carbono 14). A continuación se describen sus principales características.

Deuterio y Oxígeno 18.- Son identificados con las siglas D ¹⁸O. Se encuentran en el agua de mar en promedio de 320 y 2000 ppm respectivamente. Sus concentraciones son representadas mediante las relaciones D/H y ¹⁸O/¹⁶O y expresadas en unidades como sigue:

* Standard Mean Ocean Water.

La evaporación produce un fraccionamiento isotópico y en el agua de lluvia de zonas con climas moderados es lineal y en la proporción siguiente:

D=8¹⁸O+10

El fraccionamiento isotópico, está en relación con la temperatura y altitud.

Tomando en cuenta los procesos y propiedades de estos isótopos, es posible diferenciar agua superficial sujeta a evaporación  de agua de lluvia, o de agua infiltrada a diferentes alturas.

Tritio. Tiene una vida media de 12.26 años. Antes del año 1953, cuando se efectuaron las primeras pruebas con bombas atómicas, el agua de lluvia, contenía entre 5 y 10 unidades de tritio (U.T.). Como resultado de dichas explosione, el contenido de tritio en la atmósfera se incrementó, llegando a medirse hasta 800 U. T. en algunos lugares. La concentración de este isótopo en el agua, varía con la latitud y los cambios estacionales.

Tomando en cuenta lo anterior se puede decir que el agua con contenidos bajos de tritio, menores de 1 U.T, corresponden a agua infiltrada hace más de 50 años. Si tiene concentraciones entre 10 y 20 U.T., indica que el agua es de lluvia o de reciente infiltración y si tiene más de 20 U.T. corresponde a agua que tiene entre 10 y 50 años de infiltrada.

Carbono 14. Este isótopo junto con los de mayor aplicación en hidrología y tiene una vida media de 5730 años. El carbono 14 contenido en el agua, comienza a desintegrarse al incorporarse al acuífero, por lo cual al medir su contenido en algún punto, es posible determinar el tiempo que ha permanecido en el acuífero. Pueden detectarse edades hasta de 30,000 años.

La edad del agua, por medio del carbono 14, se complementa con la del tritio, debido a los diferentes rangos que abarcan. Cuando la concentración de tritio es menor de 2 U.T. o sea infiltrada antes de 1954, se dice que es negativa y para valores mayores, o sea posteriores a 1954 se dice que es positiva. Respecto al carbono 14, si se detecta alguna concentración, significa que el agua tiene menos de 30,000 anos y se dice ser positiva, pero si no se detecta entonces tiene más de 30,000 anos y es negativa.

Combinando a estos isótopos, tenemos que si ambos son positivos, el agua es posterior a 1954; si son negativos es que tiene más de 30,000 años y si el tritio es negativo y el carbono 14 positivo, el agua se infiltró entre 1954 y hace 20,000 años.

Conclusiones y recomendaciones

Los trazadores de agua subterránea más comúnes son: fluoriceínas, sales, esporas e isótopos.

Este método es de mayor aplicación, en rocas fracturadas, donde el tiempo de tránsito es corto. En medios granulares, ya que por una parte la velocidad de flujo es relativamente pequeña y por otra, la arcilla producen absorción e intercambio iónico, se utiliza para distancias cortas.

Dentro de las fluoriceínas, la que ha reportado mejores resultados es la uranina. Su utilización permite determinar, principalmente, la conexión entre dos puntos de un acuífero pero es también posible, conocer velocidades y direcciones del flujo de agua subterránea.

El uso de sales es restringido debido a la gran cantidad de trazador que se necesita utilizar en cada experimento. Es recomendable para distancias cortas.

Las esporas son el trazador más nuevo que se haya aplicado con éxito. Su manejo es sencillo, económico y puede utilizarse para distancias hasta de 40 kilómetros.

Por las características que presentan el deuterip y el oxígeno 18, es factible a partir de su determinación, diferenciar aguas superficiales sujetas a evaporación, de agua de lluvia o de agua infiltrada a diferentes alturas.

Los isótopos tritio y carbono 14, son utilizados para datar el agua, abarcando un rango de practicamente cero a 30,000 años.

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