Frankestein

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Transporte de contaminantes en aguas subterráneas
Ricardo Oyarzún L. CEAZA-Chile

1.- Aspectos generales 1.1. Definiciones Existen principalmente dos tipos de procesos físicos por los cuales los elementos químicos son transportados mediante fluidos en el medio ambiente: advección y difusión. 1.1.1. Advección Este proceso se debe al movimiento delfluido, ya sea aire o agua (convección, término similar, normalmente se asocia al movimiento vertical de advección debido a diferencias de densidad). Luego un elemento químico presente en el aire o en el agua será pasivamente llevado por este movimiento advectivo de masas. El movimiento advectivo es descrito matemáticamente por la dirección y la magnitud de su velocidad, dado que a pesar de laocurrencia de dispersión, el centro de masa del elemento químico que es transportado por advección, se mueve a la velocidad promedio del fluido, siempre y cuando no se produzca adsorción y retardo (que será tratado más adelante). La tasa a la cual un elemento químico es transportado por unidad de área (perpendicular a la dirección del movimiento) se expresa generalmente en términos de densidad de flujo(J) de acuerdo a la siguiente expresión: J = C * v, donde J: densidad de flujo [M/L2T] , C: concentración del químico [M/L3] y v: es la velocidad del fluido [L/T]. 1

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1.1.2. Difusión (transporte difusivo o “Fickiano”) En este segundo tipo de proceso, el elemento químico se mueve desde un lugar donde su concentración es relativamente alta hacia otro dondees menor, por efecto de un movimiento aleatorio de las moléculas (difusión molecular), a un movimiento aleatorio del aire o agua que acarrea al elemento químico (difusión turbulenta) o por una combinación de ambos. La primera ley de Fick es usada para describir la densidad de flujo debido a difusión turbulenta (y también para difusión molecular), y se expresa, para una dimensión, como J = -D (dC/dx) , donde J: densidad de flujo [M/L2T], D: coeficiente de transporte de masa de Fick [L2/T], C: concentración del elemento o compuesto químico [M/L3] y x: distancia sobre la cual se consideran cambios en la concentración [L]. La primera ley de Fick puede ser también expresada en 3 dimensiones usando notación vectorial en la forma
→

J = − D∇C , donde ∇es el operador gradiente y D es similaren todas las direcciones

A veces el movimiento del fluido no es enteramente aleatorio, si no que posee un patrón discernible pero complejo de caracterizar. Además, la velocidad de movimiento del fluido es relativamente baja, por lo que no se produce un efecto de remolino que caracteriza la difusión turbulenta. En este caso, típico de las aguas subterráneas, el agua sigue un camino tortuosoalrededor de las partículas del suelo en la medida que se traslada desde un punto a otro, como se esquematiza en la figura 1.

Figura 1. Transporte por dispersión (“Fickiano”) en la medida que el agua fluye por un medio poroso como el suelo.

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Es así como, la tortuosidad provoca una mezcla y en definitiva el transporte del químico desde zonas de altaconcentración a zonas de menor concentración. Este proceso de transporte se denomina dispersión, y a pesar de la diferente causa que origina la mezcla, el transporte neto de masa es análogo a aquel causado por difusión turbulenta, por lo que es tratado comúnmente como un proceso “Fickiano” (expresado por la primera ley de Fick). La diferencia sólo es que D se conoce ahora como coeficiente dedispersión mecánica [L2/T]. En una dimensión, este coeficiente puede ser determinado como D=α*v , donde v: velocidad del flujo, [L/T]. Dado que el agua (fluido) puede moverse libremente alrededor de los granos o partículas del suelo, se reconocen dos tipos de dispersión, representadas en la figura 2: longitudinal (DL), que se produce a lo largo de las líneas de flujo, y transversal (DT), causada por...