Fuga y Desplazamiento de Contaminantes en Sistemas Sanitarios Zona No Saturada
En Costa Rica, el uso de tanques sépticos es común en áreas rurales y en algunas zonas suburbanas donde no hay acceso a sistemas de alcantarillado. Sin embargo, en áreas urbanas más desarrolladas, es más probable que las viviendas estén conectadas a sistemas de alcantarillado municipales.
El porcentaje exacto de hogares que utilizan tanques sépticos en Costa Rica puede variar según la región y las políticas locales de desarrollo urbano y rural. De acuerdo al último censo de 2011, un 78.4% de las viviendas del país emplea el tratamiento de aguas residuales tipo “tanques sépticos”, por lo que se convierte un problema grave de contaminación de los suelos, pudiendo este agravarse al tomar contacto con los sistemas acuíferos.
Dicho trasiego de cargas contaminantes empiezan su recorrido por la Zona No Saturada (ZNS), y es en esta donde se desarrolla todo el proceso de biodegradación y retardación, adoptando trayectorias en función del Potencial de agua en el suelo, el cual expresa el grado de retención del agua por el suelo, y cuya magnitud es siempre negativa (succión); y está determinada por las fuerzas que enlazan al agua con los elementos de la fase sólida del suelo. Estas fuerzas se manifiestan principalmente en una retención del agua por el suelo (pues el suelo succiona agua) que depende del nivel de humedad.
Cuando una fuerza de succión actúa en el suelo, extrae agua de éste, disminuyendo consecuentemente su contenido de humedad. Es decir, existe una relación inversa entre la tensión del agua en el suelo o estado energético o potencial del agua y la cantidad de agua existente en éste.
La relación existente entre el contenido de humedad del suelo y sus correspondientes estados energéticos se representan en una curva que se llama curva de retención.
Los principales componentes del potencial o tensión del agua en el suelo son: El potencial de presión (YP), el potencial mátrico (Ym) y el potencial osmótico (YO). Para determinar el potencial total del agua, se considera además de los anteriores, el potencial gravitacional (YZ).
La curva característica de humedad, curva de retención de humedad o curva pF del suelo representa la relación existente entre el contenido de humedad del suelo y su correspondiente estado energético o potencial con que el agua está retenida en el suelo. El potencial indica la energía o el trabajo que debe gastarse para extraer una unidad de agua del suelo a ese correspondiente nivel de humedad.
De esta curva se aprecia el efecto de variación entre la curva de secamiento y la curva de humedecimiento designándose con el nombre de “histéresis”. Significa que la tensión de la humedad del suelo no es una función de valor único de la humedad del suelo. Por lo tanto, las curvas de humedecimiento y de secamiento constituyen los rangos extremos de contenidos posibles de agua que puedan ser asociados con cualquier potencial matriz particular de dicho suelo
Como puede entenderse, el movimiento del agua en suelos no saturados se encuentra sometidos a una succión, tensión, presión negativa o potencial negativo. La presión negativa o potencial negativo del agua en el suelo se mide directamente mediante tensiómetros, hasta 0.8 bares u otros dispositivos.
El gradiente hidráulico en suelos no saturados es igual a la diferencia de presión hidráulica negativa entre dos puntos, dividida entre la distancia que los separa. Los valores de i pueden alcanzar hasta valores muy elevados (> 1,000); mientras que en suelos saturados, los gradientes son pequeños y generalmente menores de “1”. Una gradiente de valor “1” es el causado por la gravedad.
En tal sentido, la presencia de fugas en los Sistemas Sépticos de disposición de aguas negras se pueden estudiar a partir de modelos hidrológicos hidrodinámicos en la Zona No Saturada, empleando para ello sistemas computacionales o modelos numéricos Hydrus 3D.
Hydrus 3D, puede analizar el movimiento de agua y solutos en medios porosos insaturados, parcialmente saturados o totalmente saturados. El programa puede manejar regiones de flujo delineadas por límites irregulares. La propia región de flujo puede estar compuesta de suelos no uniformes que tienen un grado arbitrario de anisotropía local. El flujo y el transporte pueden ocurrir en el perfil unidimensional (vertical, horizontal o en una dirección general), en un plano bidimensional vertical u horizontal, en una región tridimensional que exhibe simetría radial alrededor del eje vertical, o en un plano completamente tridimensional. El programa también incluye un algoritmo de optimización de parámetros tipo Marquardt-Levenberg para la estimación inversa de los parámetros hidráulicos y/o de reacción y transporte de solutos del suelo a partir de datos medidos transitorios o de estado estacionario para problemas bidimensionales.
Hydrus 3D usa la ecuación de Richard para simular el flujo unidimensional en un medio saturado de forma variable y permite cambios en las propiedades hidráulicas del medio con respecto a la ubicación en la simulación, lo que significa que se pueden simular múltiples capas discretas, cada una de un tipo de suelo diferente (Simunek et al., 2009).
Ejemplo del resultado del modelo: 3D Streamlines
Ejemplo del resultado de animación de partículas (Particle Animation)
Ejemplo del resultado mostrando 3D Clipping.
Ejemplo del resultado mostrando 3D Slicing.
Ejemplo del resultado mostrando el transporte a través de “concentraciones”.
A partir de una variación en la Ecuación de Darcy, se obtiene la descarga específica qz que depende de K(q) y Y, la cual puede ser re – escrita como una función del contenido de humedad q en una forma llamada Ecuación De Richard.
La ecuación se divide en dos partes. El lado derecho describe la conductividad hidráulica (K) en términos de contenido de humedad y la descrita carga de presión capilar Y. Usando la ecuación de Richard, el flujo de la zona no saturada puede ser resumido afirmando que la conductividad hidráulica depende del grado de saturación y de los cambios en la presión capilar.
De las curvas de retención, se extraen las dos expresiones más ampliamente usadas en la estimación de la retención del agua en el suelo, las cuales son las funciones de Brooks-Corey y Van Genuchten.
q es el contenido de humedad, Y es el potencial mátrico, a, n y m son parámetros empíricos derivados de la curva de humedad del suelo y por lo tanto único para un suelo en particular (Ghanbarian – Alavijeh, et al., 2010).
Dado un contenido de humedad conocido 𝜃, la conductividad hidráulica relativa del suelo parcialmente saturado se puede encontrar con la ecuación (Van Genuchten, 1980)
Solucionando la Ecuación de Richard, y empleando los parámetros de Van Genuchten, se puede elaborar un modelo numérico en 3D bajo régimen transitorio, que permitirá determinar la dirección del contenido de humedad en la ZNS, a través de las líneas equipotenciales de las presiones o tensiones negativas de succión, así como el tiempo que empleará la humedad No Saturada en salir de la FUENTE, y alcanzar EL SUMIDERO O LUGAR CONCENTRADO DE CONTAMINACIÓN.
Algunos ejemplos de aforo con trazadores
Algunos ejemplos de trazadores en manantiales (aguas subterráneas)
