Aspectos hidrogeológicos en el manejo de desechos tóxicos

Aspectos hidrogeológicos en el manejo de desechos tóxicos

Alfonso Rivera

COLENCO Power Consulting Ltd.

La seguridad de la disposición de los desechos peligrosos, radiactivos y otros desechos tóxicos industriales, se ha convertido en uno de los principales objetivos de los estudios hidrogeológicos de hoy en día. El agua es, en efecto, el principal agente en el deterioro a largo plazo de las barreras artificiales y naturales, protectoras tanto de los depósitos someros como de los subterráneos, y el principal agente de transmisión del material dañino almacenado a través del suelo y de la roca matriz. Para proveer un marco completo de los requerimientos de seguridad de un reservo- rio, los siguientes aspectos deben estudiarse cuidadosamente: (1) el flujo del agua subterránea en aquellas rocas que hasta ahora han sido excluidas de la exploración hidrogeológica tradicio- nal para la producción de agua; (2) los intercambios entre la roca y el agua subterránea; y (3) la evolución del flujo, bajo largos periodos que puedan causar alteraciones en las condiciones ini- ciales. Un nuevo campo de investigación, considerando tales responsabilidades, ha sido abierto por lo tanto a los hidrogeólogos, a traves de la búsqueda del sitio más adecuado y de la deman- da sin precedente de resultados confiables en el análisis de tales sitios. Debido a su naturaleza y origen, existen diferencias entre los desechos radiactivos y los desechos tóxicos industriales, así como en los medios y en las metodologías de su manejo y en las perspectivas de los riesgos asociados con las barreras confinantes (naturales y artificiales). Sin embargo, muchos aspectos en el análisis de seguridad y de evaluación de los sitios son comunes a los depósitos de todo tipo de desechos. En este trabajo se hace una revisión general sobre el estado actual en el manejo de desechos tóxicos, basada en la experiencia europea, para beneficio de quienes son respon- sables en la administración de desechos y la protección del medio ambiente en particular y para los hidrogeólogos en general.

Palabras clave: hidrogeología, desechos radiactivos, desechos no-radiactivos, modelación, manejo.

Introducción

Los acuíferos se han convertido en la fuente de abas- tecimiento de agua más importante en muchas partes del mundo; su uso está constantemente sujeto a estudios para definir su potencialidad en función del tiempo y del espacio. Paralelamente, la industria, la explo- tación de hidrocarburos, las centrales generadoras de energía, la explotación de recursos geotérmicos, etc., han estado planteando problemas de contaminación muy diversos que involucran la liberación de desechos en el medio ambiente, y en particular su almacenamiento en el subsuelo.

En efecto, uno de los métodos previstos para la dis- posición de desechos líquidos tóxicos es su inyección

en formaciones hidrogeológicas profundas. Las razones principales para disponer de los desechos (quími- cos o radiactivos) a profundidad son la poca permeabilidad de esos medios y su eventual aislamiento de fuentes de agua subterránea explotadas por el hombre. Dado que en general ese tipo de desechos se mantienen tóxicos durante muy largos periodos (milenios), su movimiento en la geósfera, debido a los diferentes mecanismos de migración, debe ser estudiada con extrema atención.

En los Últimos diez años, varios trabajos de inves- tigación han estudiado la importancia de la tempera- tura de los fluidos, la concentración de sales, la toxicidad de ciertos elementos químicos, y el tiempo de residencia en la hidrodinámica del agua subterránea

en las formaciones profundas previstas para la dispo- sición de desechos peligrosos. La mayor parte de estos trabajos de investigación ha sido realizada en el área de desechos radiactivos. En general, la experiencia adquirida con los resultados de las investigaciones sobre la disposición profunda de desechos radiactivos, puede ser transferida y aplicada al estudio de sitios para el entierro de otros tipos de desechos tóxi- cos. En este artículo presentamos una discusión general sobre este tema, incluyendo:

El estado actual de la disposición de desechos tóxi-

Los procesos físicos del transporte de contaminantes en la geósfera. El manejo de desechos. El análisis para la seguridad de sitios de desechos. Los elementos de análisis en hidrogeología (aspectos de investigación de campo y modelación hidro- dinámica del transporte de contaminantes en las aguas subterráneas).

cos.

Desechos radiactivos

La industria nuclear es la principal generadora de contaminantes radiactivos. Estos se originan en las diferentes etapas del ciclo del combustible nuclear (ilus- tración 1), el cual incluye la minería y la extracción de uranio natural, el enriquecimiento del uranio y la fabri- cación del combustible, la operación de centrales nu- cleoeléctricas, el reprocesamiento del combustible, y la disposición de los desechos nucleares. Los tipos de contaminantes dependen del tipo de reactor y de la escala a la cual se reprocesa el combustible usado. Por ejemplo, en Francia, Alemania, Suiza y Estados Unidos de América, EUA, existen varios reactores de tipo LWR (reactores de agua ligera) que utilizan uranio enriquecido como fuente de combustible predo- minante, y posiblemente los isótopos plutonio y uranio En Canadá, los reactores de agua pesada (HWRs) utilizan el uranio natural o enriquecido como combustible, y agua pesada como refrigerante y moderador. En México, los reactores de agua caliente (BWR) utilizan también uranio enriquecido como combustible.

Se estima que cerca de 75 radionúclidos pueden ser potencialmente derivados como productos de fi- sión del decaimiento del isótopo uranio o el isó- topo plutonio durante el proceso de operación de los reactores. Afortunadamente, la mayor parte de ellos, exceptuando al tritio permanece en el combustible utilizado o en el reactor y no representan una fuente seria de contaminación en esta etapa del ciclo

Revisión general del estado actual de la disposición de desechos tóxicos

Con el término desecho tóxico definimos al residuo proveniente de cualquier actividad que involucre com- puestos químicos, biológicos o radiactivos, y que una vez que entra en contacto con el organismo humano puede ser nocivo para su salud. Los desechos tóxicos o residuos, son contaminantes que se pueden originar de circunstancias muy numerosas y diversas; tantas que de hecho resulta prácticamente imposible atribuir- las a actitividades específicas. Desde el punto de vista de las investigaciones hidrogeológicas, y para propó- sitos de este artículo, trataremos de agruparlos en dos grandes áreas:

Los desechos radiactivos. Los desechos no-radiactivos.

El nivel de toxicidad de las diferentes fuentes de contaminación sólo se puede relacionar directamente con su uso y su disposición final. El peligro real de con- taminación por un residuo tóxico sólo existe cuando éste entra en contacto con la biósfera en cantidades suficientes, llegando a afectar al ser humano o a los animales por vía de la cadena alimenticia o del agua potable. En este sentido, tanto los desechos tóxicos de origen radioactivo como no-radiactivo deben ser trata- dos en forma similar y deben ser aislados de la biós- fera. del combustible.

Otros desechos radiactivos provienen de las activi- Desechos no-radiactivos dades militares, médicas, industriales y de investiga- ción. Estos puede ser muy heterogéneos y contener Los productores de desechos tóxicos no-radiactivos radionúclidos de vida larga. A continuación se enlistan identificados actualmente son principalmente las in- algunos hechos que deberían ser conocidos acerca dustrias de transformación de los grandes sectores de los desechos radiactivos y de su manejo: clásicos de la actividad industrial como, por ejemplo,

la química o la metalurgia. La eliminación de desechos Las cantidades son mucho más pequeñas que las en general constituye, bajo la forma de cenizas, esco- de otro tipo de desechos (ilustración 2). rias, o Iodos de depuración deshidratados, otra gene- Los desechos de alto nivel son una parte muy pe- ración de desechos industriales. Sin embargo en un queña del total (menos del 2% (cuadro 2). futuro cercano, bajo la presión de la opinión pública La radiactividad puede ser medida con mucha pre- por un lado, y de la reglamentación por otro, esta se- cisión. gunda categoría de desechos industriales sufrirá una La toxicidad de materiales radiactivos disminuye fuerte expansión. En efecto, tan sólo en el caso de de- con el tiempo. sechos municipales, la generalización de los procedi- La mayor parte de la toxicidad de los materiales mientos de separación, de reciciaje y de incineración radiactivos desaparece pronto. conducen a una fase última cuya toxicidad se encuen- Los efectos de la radiactividad en las personas son tra mucho más alta que en el producto inicial. bien conocidos. Los principales parámetros concentrados son entre Existen métodos temporales de almacenamiento otros, ciertos metales pesados (plomo, estaño, mercu- seguro para todos los desechos. rio, cadmio), presentes en cantidades significativas en Existen instalaciones para la disposición final de los desechos actualmente almacenados en descargas desechos de vida corta. conocidas como de tipo II (Europa) pero cuya extin- Se conocen métodos seguros para la disposición ción está prevista por la legislación reciente. final de desechos de alto nivel. Esos productos de orígenes diversos y heterogéne- La información sobre las técnicas del manejo es os en cuanto a sus características físico-químicas tie- transferida en la comunidad internacional. nen en común la necesidad de ser confinados y al- El manejo de los desechos representa sólo una macenados en un contexto geológico de preferencia pequeña cantidad de los costos de producción de subterráneo. En ese sentido estamos obligados a con- la electricidad nuclear. siderarlos como un desecho global genérico en la me-

dida en que representa, en su contexto de enterra- miento, una fuente de contaminación de la geósfera y eventualmente de la biósfera.

Bajo esta óptica, el daño químico potencial inducido por esos desechos no es por demás inferior a aquel que constituyen los desechos de origen nuclear que tienen además, entre otras, la ventaja de su poca solu- bilidad. De ese hecho, los conceptos de confinamien- to de desecho finales, así como la identificación y el análisis de riesgo de los sitios de almacenamiento, no se deberán diferenciar fundamentalmente de aquellos implantados para establecer la seguridad a largo plazo del almacenamiento de desechos radiactivos.

La lista de las actividades potenciales que pueden producir contaminación a las aguas subteráneas es particularmente extensa. El cuadro 1 presenta un resumen de las fuentes de contaminación de agua subte- rránea según la Oficina de Evaluación Tecnológica de la Agencia de Protección al Medio Ambiente de los EUA (OTA, por sus siglas en inglés) (OTA, 1984).

En resumen, la experiencia adquirida en el área nuclear se puede aplicar al manejo de depósitos de desechos convencionales en tres áreas:

Investigación de sitios. Modelación hidrogeológica. Análisis de seguridad/evaluación de riesgos.

de confinamiento. Esta estrategia es posible gracias a diferentes aspectos de la tecnología nuclear: el residuo radiactivo está producido bajo confinamiento, los volúmenes son relativamente pequeños, y los residuos están sujetos al fenómeno del decaimiento radiactivo.

La mejor estrategia en el manejo de desechos pro- ducidos por la civilización humana es el de minimizar la cantidad y la toxicidad de los mismos y disponer los residuos que resultan, de tal manera que estos sean innocuos al medio ambiente.

Existen básicamente dos opciones para disponer materiales de desechos que no son factibles de ser re- ciclados (por ejemplo por incineración) o transforma- dos en substancias menos tóxicas:

Los desechos pueden ser diluídos y dispersados en la atmósfera o en el agua hasta que alcancen concentraciones que no sean dañinas para el hombre y su medio ambiente estrategia de dilución.

* Los desechos pueden ser colectados, concentrados y aislados permanentemente de la biósfera por medio de la utilización efectiva de medidas de con- tención estrategia de confinamiento.

En el capítulo Elementos de análisis en hidrogeolo- gía se presentan varios que pueden ser directamente aplicados al estudio de sitios para la disposición de desechos convencionales (no-radiactivos).

El manejo de desechos

La disposición de desechos cubre varios aspectos. Cuando quemamos combustibles fósiles introducien- do substancias tóxicas en la atmósfera, las desecha- mos por medio de dilución. Por otro lado cuando utili- zamos energía nuclear, aislamos del medio ambiente los desechos resultantes por medio de un confinamiento seguro.

En la práctica, la mayor parte de los residuos generados por nuestra sociedad industrial son desechados por medio de la dilución en la atmósfera o en el agua, mientras que los desechos generados por la produc- ción de energía nuclear están sujetos a una estrategia

Los desechos no-radiactivos tienen una composi- ción mucho más compleja que los desechos radiactivos y aparecen en cantidades mucho más grandes. Sin embargo, los dos tipos de desechos tienen algunas propiedades en común respecto a su impacto, a largo plazo, sobre la salud y el medio ambiente. La ca- pacidad de ambos en generar substancias que pueden durar por generaciones y producir cáncer, es un claro ejemplo de ello.

En la sociedad actual, ambos tipos de desechos siempre están presentes. Por ello, actualmente se pro- pone que los mismos principios básicos sean aplicados en el manejo de desechos radiactivos y no-radiactivos. Los objetivos en el manejo de desechos son:

Reducir la cantidad de desechos tanto como sea posible en el lugar donde están generados, espe- cialmente los desechos que son peligrosos o difíci- les de tratar y de condicionar. Manipular los desechos de tal forma que los riesgos para la salud humana y el medio ambiente se man- tengan a niveles tolerables. humanas. Ser autosuficientes en la disposición de desechos, es decir, no depender de países extranjeros.

Las técnicas para el manejo de desechos se pue-

Finlandia (cuadro 2). La eficiencia de tales rellenos se determina esencialmente por las barreras hechas por el hombre y por los equipos utilizados, ésta debe ser efectiva por un periodo relativamente limitado. La su- pervisión humana en estos casos debe asegurar la in- tegridad de tales barreras y equipos sobre ese mismo periodo. En estos casos, la construcción, operación y supervisión de un sitio puramente técnico es posible y es por lo tanto muy similar a aquellos de uso común en la centrales nucleoeléctricas convencionales.

Todos. los otros desechos nucleares requieren un aislamiento seguro sobre muy largos periodos, milenios o más, por lo que cualquier concepto de seguridad basado en la supervisión humana esta totalmente descartado. Nunca antes en la historia de la huma- nidad había sido necesario para los ingenieros y cien- tíficos proveer análisis de seguridad por lapsos tan largos como en este caso. La seguridad de la eficiencia de un depósito de ese tipo tiene que estar basada en barreras técnicas y geólogicas y deben resistir a la evolución futura, independientemente de las acciones

En este último caso, desde hace varios años se han venido estudiando sitios potenciales para la disposi- ción final de desechos nucleares, de vida media y larga, en formaciones geológicas profundas susceptibles de contener el transporte de radionúclidos dentro de la geósfera y evitar así una liberación eventual de éstos dentro de la biósfera.

La inyección de desechos tóxicos en formaciones geológicas profundas es un concepto general adopta- do por varios países donde todavía se encuentran en proceso de evaluación. El cuadro 2 presenta un resumen del estado actual de depósitos en varios países de Europa. Hasta la fecha (1995), con excepción de Finlandia, ningún otro país opera aún un depósito final de este tipo. Las razones principales por las cuales se consideran este tipo de formaciones geológicas profundas son: su poca permeabilidad y su aislamiento de las fuentes de agua subterránea. Es por ello que la hidrogeología juega un papel fundamental en el estudio de los sitios seleccionados para los depósitos.

Dado que los desechos radiactivos se mantienen tó- xicos durante miles de años, resulta de primordial importancia efectuar un reconocimineto muy detallado y riguroso del sitio potencial bajo estudio.

Cuando se trata de evaluar los elementos de un análisis de seguridad para ese tipo de depósitos finales, la hidrogeología juega un papel primordial (ilustra- ción 3). Los mecanismos de transporte de material tóxico (radionúclidos, metales pesados, etc.) están principalmente gobernados por la convección natural de la formación hidrogeológica que los contiene. Sin em-

den resumir en:

La liberación inmediata de los desechos al medio ambiente. Principio de dilución y dispersión. La liberación retardada con la introducción de varias barreras entre el desecho y el medio ambiente. Este es el principio de confinamiento y contención.

La necesidad para desarrollos futuros relacionados con el manejo de desechos tóxicos resulta evidente:

La investigación intensa concerniente a desechos radiactivos continuará a niveles nacional e internacional. Para los desechos no radiactivos, existe una muy fuerte necesidad de modelos y bases de datos para estimar la dispersión de substancias tóxicas desde los sitios de desechos y sus efectos. Se requiere poner más atención a la perspectiva del manejo de desechos a largo plazo. Los métodos del manejo de desechos necesitan una mejor comprensión y desarrollo.

Análisis para la seguridad de sitios de desechos

Los desechos radiactivos de vida corta pueden ser depositados en rellenos someros, como en el caso de

bargo, otros mecanismos pueden también jugar un papel importante en el movimiento de materiales tóxi- cos. Es por ello, que en primer lugar se debe analizar con mucho cuidado lo que se llama el campo cercano (ilustración 3) . En este, ciertos mecanismos son importantes: difusión molecular, dispersión, retención, ab- sorción.

Otros mecanismos de transporte tales como la con- vección térmica o la concentración de solutos (densidad variable del fluido), acoplada a la advección natural (flujo darciano) suceden en el campo lejano o geós- fera (ilustración 3).

La evaluación del transporte en la biósfera es de extrema importancia puesto que finalmente es ahí donde los desechos tóxicos tienen un impacto sobre los seres vivientes así como su medio ambiente. Por ello, el estudio de la interface geósfera/biósfera representa Absorción reversible de los radionúclidos (v.gr. por un elemento muy importante en el análisis de segu- intercambio iónico) ya sea en los minerales que ridad. rellenan las fracturas o en las superficies granulares

Dado que los desechos dispuestos en los depósitos de la matriz rocosa. se mantienen tóxicos durante milenios, otros procesos Absorción irreversibe y precipitación de substancias naturales deben también ser evaluados: erosión (ilus- disueltas a lo largo de rutas preferenciales a través tración 3) , glaciación, vulcanismo, sismisidad. La ocu- de la formación. rrencia de uno o más de estos fenómenos puede tener efectos importantes en el patrón de flujo de agua sub- Los mecanismos del tercero al quinto dependen terránea y necesariamente deben ser incluidos en el fuertemente de los factores hidrogeoquímicos y pue- modelo conceptual, como procesos termo-mecánicos, den conducir a un retardo considerable del transporte geoquímicos o geotérmicos. Finalmente un elemento de la materia en solución, comparado con el transpor- que no se debe menospreciar, es el aspecto de la te simplemente convectivo del agua. Todos los proce- intrusión humana (ilustración 3) . sos descritos antes trabajan conjuntamente en el con-

trol de la dispersión de los contaminantes. El lugar ini- Procesos físicos del transporte de cial natural del transporte se realiza dentro de los pro- contaminantes en la geósfera cesos del transporte de masa dado que éstos deter-

minan la extensión máxima de la pluma contaminante La distribución de contaminantes en el subsuelo es y el carácter geométrico de la distribución de la con- una manifestación del transporte de masa y de los pro- centración. cesos de transferencia en las formaciones subterrá- Los procesos químicos, nucleares y biológicos ate- neas. Los siguientes mecanismos o procesos deberán núan principalmente la dispersión de los contaminan- ser considerados en la descripción de materiales tes, reduciendo el tamaño de la zona contaminada a transportados en rocas fracturadas o medios porosos una fracción del transporte de masa. La advección re- heterogéneos. presenta el transporte de masa dominante en la dis-

tribución y extención de la pluma. La dispersión hidro- Transporte advectivo. El transporte con velocidad dinámica es usualmente un proceso de segundo

orden, excepto en algunos casos que involucran rocas fracturadas. La magnitud y dirección del transporte

media en las zonas de flujo (poros en medio poroso, y fracturas en medio fisurado).

la acción simultánea de dos fenómenos: mecánico y físico-químico. La distribución de la conductividad hidráulica den- Difusión de materiales contenidos en el agua subte- tro del campo de flujo. rránea dentro de las zonas con movimiento de agua * La configración del nivel freático o superficie piezo- prácticamente nulo que pueden tener una función métrica. de almacenamiento efectivo -es la dispersión pura- La presencia de fuentes o sumideros (v.gr. los

Dispersión hidrodinámica. Como consecuencia de advectivo están controladas por:

mente físico-química o difusión molecular. pozos).

La forma del campo de flujo. Todos estos paráme- tros son importantes en el control de la velocidad del agua subterránea, la cual controla el transporte advectivo.

Con el propósito de ilustrar la complejidad de los procesos de transporte, en la ilustración 4 se muestra esquemáticamente el concepto de transporte acuoso en una roca fracturada (v.gr., granito) (Frick et al., 1988),

Elementos de análisis en hidrogeología

La hidrogeología es tal vez la rama científica más ade- cuada para evaluar un sitio donde se pretenda disponer desechos tóxicos (radiactivos o no-radiactivos). De hecho, debido a las investigaciones hidrogeológicas de los últimos diez años en el área de desechos radiactivos, ésta ha recibido una atención internacional considerable. Varias técnicas nuevas de medición y de análisis han surgido de las investigaciones de campo y de laboratorio así como de la modelación hidrodiná- mica del transporte de masa en medios porosos y fracturados. En esta sección presentamos brevemente varios aspectos relevantes relacionados con estas téc- nicas.

Aspectos de investigación de campo y de laboratorio

Los principales objetivos que se persiguen en la inves- tigación de campo y de laboratorio son:

Observar, medir, interpretar y cuantificar las reacciones hidro-mecánico-térmicas de la roca madre. Preparar los parámetros necesarios para modelos conceptuales y numéricos.

Adquirir experiencia práctica en la planificación, desarrollo, muestreo y aplicación de procedimientos de medición. Entrenar personal en el área de investigación de campo.

Dentro de las pruebas más utilizadas se pueden citar las siguientes:

Pruebas hidráulicas: Pruebas de presión de fluido (Packer tests). Registro diagráfico de fluido (Fluid logging).

Experimentos de migración: Pruebas con trazadores. Pruebas de ventilación. Pruebas de inyección de calor.

Pruebas geotécnicas: Mecánica de suelos. Mecánica de rocas. Pruebas de hidrofracturas.

Mediciones geofísicas: Sísmica subterránea.

Investigación de fracturas. Efectos de excavación (campo cercano):

Zona alterada. Sistema de monitoreo a largo plazo.

Dentro de las técnicas citadas, sólo discutiremos aquí la relacionada con el registro diagráfico de fluido, y los experimentos de migración y las pruebas de hidrofracturas, dado que éstas son las menos utilizadas en los estudios hidrogeológicos tradicionales.

Una de las técnicas más avanzadas en la prospec- ción de rutas preferenciales en medios fracturados es el registro diagráfico de fluidos (Guyonnet et al., 1995; Rivera et al . , 1995), el cual es particularmente adecuado para definir fracturas a nivel local. Mientras que los métodos geofísicos convencionales (por ejemplo, sís- mico y radar de penetración del subsuelo) pueden proveer un marco descriptivo en dos o tres dimensio- nes de las heterogeneidades petrofísicas, no proveen una estimación cuantitativa de las características hi- drogeológicas (en particular la permeabilidad) de tales heterogeneidades.

Las rutas preferenciales de flujo y transporte sólo pueden ser claramente identificadas y caracterizadas por medio de pruebas in situ que son capaces de medir el flujo natural del agua subterránea en la geósfera.

Por otro lado, las pruebas hidráulicas estándar (v.gr. pruebas de bombeo) realizadas en pozos o pie- zómetros abiertos no están bien adaptadas para la descripción de la heterogeneidad de la geósfera (en medios fracturados) dado que sólo pueden proporcio-

nar parámetros hidráulicos promediados sobre toda la sección abierta de la perforación. El método dinámico de fluid logging (Tsang et al., 1990) incluye primero el lavado del pozo con agua de salinidad diferente a la de la formación geológica, para luego medir la evolu- ción en el tiempo del perfil de la conductividad eléctri- ca del fluido por medio de una sonda en el pozo mientras que éste es bombeado a gasto pequeño para esti- mular el flujo desde la formación.

La localización de los flujos de la formación resulta en picos de diferente conductividad eléctrica observa- dos en el perfil medido (ilustración 5). Este método puede ser utilizado no sólo para localizar con bastan- te precisión las zonas hidráulicamente activas, sino también para cuantificar estas zonas en términos de: transmisibilidades, cargas hidráulicas con respecto a la profundidad, diferentes salinidades de la formación, y gastos del flujo natural de la formación. Los métodos de análisis en la cuantificación de estas pruebas están basados ya sea en la modelación numérica (Tsang et al., 1990, Rivera et al., 1995) o bien en métodos analí- ticos directos. Modelación hidrodinámica

Los experimentos de migración tienen como objetivos identificar rutas preferenciales en rocas fracturadas o formaciones poco permeables, así como identificar parámetros de transporte (v.gr. coeficientes de dispersión, porosidad cinemática, difusión molecular). Varios de los experimentos se han realizado en los laboratorios subterráneos creados dentro del progra-

ma de la disposición de desechos radiactivos de algunos países, entre ellos, la mina de Stripa en Suecia (Abelin et al., 1987) y el laboratorio subterráneo de Grimsel en los Alpes suizos (Frick et al., 1988). Otros trabajos realizados en esta área pueden ser consultados en Ledoux y Clouet d'Orval (1977), Lallemand- Barrés y Peaudecerf (1978).

Dentro de las pruebas geotécnicas, las pruebas de hidrofracturas revisten una importancia particular en los estudios de medios fracturados. Las pruebas de hidrofracturas consisten en la medición de presiones y deformaciones en fracturas inducidas hidráulicamen- te, ya sea en muestras de roca en el laboratorio o bien directamente in situ. Las presiones así medidas se relacionan luego a la apertura efectiva de la fractura y se establecen relaciones entre leyes hidráulicas y esfuerzos normales. Una descripción más detallada puede ser consultada, entre otros, en Jouanna (1 993) y Cornet (1989).

Con el propósito de evaluar el riesgo que representan los desechos tóxicos en el medio ambiente, y en particular a través de su transporte por medio del agua subterránea, es esencial estudiar los fenómenos que intervienen en el proceso de solución y transporte en la geósfera. Con ese objetivo, el análisis de riesgos constituye una metodología indispensable para garantizar la seguridad del confinamiento de un almacenamiento de desechos.

En esta área, donde la cuantificación de los procesos se basa en la evaluación de varios parámetros conceptuales (geológicos, hidrológicos y fisicoquími- cos) los modelos matemáticos de flujo y de transporte de materia asociados a los mecanismos de interac- ción, juegan un papel muy importante. A pesar de las limitaciones inherentes a las herramientas de modela- ción (simplificación de conceptos, incertidumbre sobre los parámetros de cuantificación, falta de verificación y validación), los modelos numéricos de transporte de materia en la geósfera son la base de la evaluación cuantitativa de los riesgos, a largo plazo, de un almacenamiento en un medio geológico dado.

Aunque la descripción de los escenarios y los cál- culos correspondientes obtenidos con modelos, con- ciernen a un futuro muy lejano, el objetivo de éstos no es el de predecir el futuro. Más bien se encuentran diseñados para cubrir una amplia gama de posibles evoluciones futuras y para probar que el sitio en estudio cumple con los requerimientos bajo todas las condiciones factibles

La experiencia adquirida en el caso del análisis de modelación hidrodinámica ha visto un avance acelera- seguridad de desechos nucleares, indica que los mo- do de técnicas de solución de problemas cada vez delos de flujo en medios porosos y/o fracturados aco- más complejos, impuestos por las condiciones del plados a los procesos bio-físico-químicos son las he- transporte en los sitios potenciales de disposición de rramientas más adecuadas para el análisis de seguri- desechos tóxicos. Por ello, el número de códigos dad. Para ello, la modelación hidrogeológica debe de cálculo por medio de computadoras disponibles, incluir entre otros, los siguientes tipos de procesos: se ha incrementado enormemente en los últimos diez

a 15 años. Modelos dependientes de la escala del medio en Sin embargo, no basta sólo con disponer de un có- estudio: modelo de medio poroso equivalente, mo- digo de cálculo. La parte más delicada en un estudio delo híbrido, modelo de red de fracturas. de modelación es la definición del modelo conceptual, Modelos determinísticos y estocásticos (geoestadís- el cual debe definir lo más cerca posible tanto a la for- ticos). mación geológica que se desea simular como a los Flujo de gradientes hidraúlicos y/o de densidad va- procesos físicos, químicos, térmicos o mecánicos (o riable (calor y solutos). combinación de varios de ellos) inherentes al flujo de Flujos multifásicos. agua subterránea en contacto con los desechos. La Modelación inversa. modelación hidrogeológica entra en varias etapas de Flujo advectivo, difusivo y dispersivo. la evaluación de un sitio: Difusión de la matriz rocosa. Impacto geoquímico sobre la absorción, impacto Los datos de pruebas de campo y de observacio- sobre agentes de complexación. nes frecuentemente tienen que ser evaluados con la Cálculo de dosis. ayuda, y dentro del contexto, de algunos modelos Impacto de erosión y glaciación (paleohidrogeolo- hidrogeológicos. gía) Los movimientos locales y regionales del agua sub- Evolución de condiciones químicas dentro del terránea son simulados bajo hipótesis muy variadas. depósito. La influencia sobre la formación geológica, del

movimiento del agua subterránea en la construcción Dada la enorme complejidad de los sitios actual- de un depósito, del calor emitido por el desecho, o

mente estudiados para la disposición final de dese- de la extracción de agua para uso doméstico de un chos tóxicos, la única forma de aprovechar totalmente pozo cercano al sitio, es simulada usando la modela información geológica/hidrogeológica recabada en lación hidrogeológica. el campo y/o laboratorio es por medio de la modela- ción matemática del movimiento del agua subterránea. La modelación hidrogeológica es un área que se en- La modelación está basada en un modelo conceptual cuentra también en rápido desarrollo. Nuevos modelos de la formación geológica considerada y en las expre- y aproximaciones cada vez más complejas están sien- siones clásicas para el balance de masa y de energía do desarrolladas y puestas en práctica a medida que del agua que fluye dentro de ella. las herramientas para el cálculo por computadora se

Las principales leyes fenomenológicas utilizadas en desarrollan. los modelos matemáticos incluyen la Ley de Darcy (flu- Existen en la literatura actual una cantidad tan gran- jo advectivo), la Ley de Fick (transporte de soluto) y la de de referencias relacionadas con la modelación de Ley de Fourier (transporte de calor). Para poder solu- procesos acoplados de transporte y de masa en for- cionar las ecuaciones diferenciales que resultan, se maciones hidrogeológicas que resulta prácticamente requiere una base de datos de entrada de las propie- imposible conocerlas todas. Un resumen de ellas está dades de los materiales así como las condiciones ini- fuera del alcance del presente trabajo. Podemos, sin ciales y de frontera. La permeabilidad o conductividad embargo, citar algunas fuentes que pueden ser con- hidráulica de la roca que contiene al agua subterránea sultadas con respecto a la simulación de desechos en es un ejemplo de las propiedades que se requieren la geósfera y a los modelos hidrogeológicos de trans- del material. El nivel freático o piezométrico del agua porte en general: Environmental and Safety Technolo- puede ser una de las condiciones de frontera del gy; GEOCONFINE'93 (1993); HYDROCOIN series, modelo. Journal of Contaminant Hydrology; IAEA Bulletin;

En la mayoría de los casos existen códigos de cóm- NAGRA Bulletin; Journal of Ground Water Monitoring puto con técnicas adaptadas para resolver las ecua- Review; MlGRATlON series; Safety Assessment of Ra- ciones. Igual que en las investigaciones de campo, la dioactive Waste Repositories; Bear et al. (1993). Al-

gunos ejemplos particulares de modelación en el área de desechos pueden ser consultados en Guyonnet y Loew (1991), Rivera et al. (1992), Johns et al. (1994), Rivera y Correa (1994), Voborny et al. (1994), y Nieme- yer et al. (1992).

Análisis de incertidumbres y sensibilidad de los resultados de la modelación

En al sección anterior hemos visto la utilización y el beneficio de la modelos de agua subterránea como herramientas de análisis en el estudio de sitios potenciales para la disposición de desechos. Sin embargo es importante reconocer que dados los muy largos periodos de tiempo involucrados en el análisis de seguridad y de riesgo de éstos, así como la serie de datos utilizados, las predicciones de los modelos pueden contener un alto grado de incertidumbre. Esto es debido a las incertidumbres en el futuro y a las tensiones o esfuerzos antropogénicos, a los valores de los pará- metros y a los modelos conceptuales.

Las incertidumbres en los resultados de los modelos de agua subterránea en este contexto han sido reco- nocidas ampliamente por la comunidad científica sobre todo en el área de los desechos radiactivos. Los organismos reguladores para la disposición de desechos estipulan en sus procedimientos de licenciamien- to la necesidad del tratamiento de incertidumbres en el análisis que se realiza como soporte en la aplicación de una licencia para un depósito.

Dada la importancia de este tema, los últimos años han visto aparecer una enorme cantidad de investigaciones dedicadas tan solo a la validez y análisis de incertidumbres en las predicciones de los modelos de agua subterránea. Así, en esta era moderna las incertidumbres y sensibilidad de los modelos es un campo en sí mismo, que generalmente requiere un alto grado de especialización.

En esta revisión, sólo presentaremos un breve análi- sis de este campo e invitamos al lector a consultar entre otros: Freeze et al. (1 987); Peck et al. (1988); Zim- merman et al. (1991); Konikow y Bredehoeft (1 992); Carrera (1 993); Oreskes et al. (1 994).

Es muy común escuchar hoy en día el dicho garbage in gives garbage out en relación a la modelación cuantitativa. O sea que los errores en los datos de entrada o en los parámetros del modelo, dan lugar necesariamente a errores en la salida del mismo. Si consi- deramos que cada modelo representa una versión simplificada de la realidad, es muy factible que por lo mismo se desprecien uno o algunos de los fenómenos inherentes a la simplificación del modelo. Sin embargo, no es tarea fácil relacionar errores de entrada con

errores de salida para los modelos de agua subterrá- nea, ni el de diseñar esquemas para minimizar los errores. La fidelidad de los resultados de un modelo de agua subterránea depende de varios factores, éstos se pueden agrupar en tres tipos:

La representación de los procesos (o modelo conceptual). Los valores de los parámetros. Los métodos numéricos.

Los problemas con los valores de los parámetros pueden ser evaluados por medio de métodos sistemá- ticos (análisis de sensibilidad, técnicas de transmisión de errores, algoritmos de calibración automática, etc.), dentro de los más efectivos mencionaremos el método de Monte Carlo que se utiliza para cuantificar la pro- pagación de los errores o incertidumbres por medio de una gran serie de realizaciones. El análisis de sensibilidad puede ser realizado ya sea por métodos deter- minísticos o estocásticos; éstos pueden aplicarse para evaluar, por ejemplo, la sensibilidad del tiempo de transporte del agua o de un contaminante, con respecto a los cambios de la conductividad hidráulica o transmisibidad.

Los métodos numéricos ulizados en la solución de las ecuaciones determinísticas pueden introducir errores de truncación, oscilaciones, inestabilidades, dis- persión numérica, minimización, excesos, etc. Las dificultades numéricas pueden ser afinadas a expensas de los recursos de computo disponibles. El impresio- nante avance en computadores rápidas y eficientes en los años recientes, ha reducido la importancia relativa de este tipo de dificultades.

De los tres tipos de factores mencionados arriba el que más introduce incertidumbre en la modelación es el de la representación de los procesos o modelo conceptual. Las anomalías más comúnmente reportadas como las más importantes en este caso, son las cau- sadas por la heterogeneidad. Los métodos actuales que tratan con la heterogeneidad pueden ser divididos en determinísticos y estocásticos.

Los métodos estocásticos han tenido éxito en la ex- plicación cualitativa de algunas anomalías, por ejemplo del transporte de solutos, pero al parecer se encuentran aún lejos de alcanzar un etapa en la que puedan ser utilizados de manera rutinaria para resolver problemas reales de campo.

Por otro lado, se ha probado que cuando los méto- dos determinísticos son aplicados con diligencia pueden ser utilizados con éxito en problemas reales. Sin embargo se puede discutir, por ejemplo, que fallan en la predicción a pequeña escala de la variabilidad

espacial de las concentraciones, de manera que no son efectivos cuando se trata de procesos no lineales tales como las reacciones químicas.

Para cerrar esta sección mencionaremos que una de las técnicas cada vez más utilizadas en hidrogeo- logía dentro del marco de la evaluación de depósitos para desechos radiactivos, es la simulación condicional, originalmente aplicada en la minería y la industria del petróleo. Se le considera como el método geoesta- dístico del estado-del-arte para la modelación de va- riables con distribución espacial importante.

Como ejemplo citaremos el problema de la permeabilidad (o transmisibidad) que en muchas ocasiones presenta un comportamiento espacial y que no puede ser fácilmente descrito por modelos determinísticos. La simulación condicional, como método geoestadísti- co, tiene la ventaja de generar imágenes o campos de las propiedades hidráulicas de la roca madre bajo estudio. Esas imágenes presentan características esta- dísticas de los campos de permeabilidad que son las mismas que las estimadas por los datos disponibles; en ese caso, las imágenes de la permeabilidad son condicionales, es decir, respetan completamente los datos colectados.

La comparación de varias imágenes permite la vi- sualización del grado de variabilidad dentro del medio simulado, la cual está relacionada con la cantidad y las características de los datos disponibles. Combinada con el método de Monte Carlo, puede cuantificar el impacto de la incertidumbre en los resultados de la modelación numérica.

Por otro lado, la protección, la explotación sosteni- ble y la remediación de los acuíferos representan problemas muy complejos que sólo pueden ser resueltos sobre la base de una comunicación multidisciplinaria. Aunque se ha realizado un progreso notorio a este respecto, aún quedan un gran número de preguntas sin contestar.

El esquema estocástico para la descripción de flujo y transporte en acuíferos heterogéneos, por ejemplo, ha avanzado considerablemente; sin embargo las téc- nicas de prospección correspondientes, capaces de proporcionar información de campo detallada para un uso eficiente de las teorías, se encuentran aún en desarrollo. El poder creciente de las computadoras abre nuevas perspectivas en la modelación numérica de los procesos de flujo y transporte en formaciones hetero- géneas, porosas o fracturadas, así como en la incor- poración de procesos reactivos en tales modelos. La complejidad de estos procesos en un ambiente que no está aún completamente entendido es un reto formida- ble para los científicos e ingenieros.

A pesar de los avances en métodos numéricos y el advenimiento de computadoras cada vez más rápidas y eficientes, la predicción a largo plazo por medio de la modelación, se encuentra aún en su infancia. La próxima década experimentará un avance acelerado en la investigación, tanto con modelos estocásticos como determinísticos, de las incertidumbres relacionadas con los resultados de modelos de agua subterrá- nea en un esfuerzo para validar a éstos. La hidrogeo- logía seguirá siendo una de las herramientas científi- cas más importantes en la evaluación de la disposi- ción de desechos tóxicos en la geósfera.

Conclusiones Recibido: octubre, 1995

Aprobado: abril, 1996 Los estudios para la disposición de desechos tóxicos en el mundo son actualmente objeto de un avance acelerado. A medida que los países desarrollados y en desarrollo aumenten el uso de combustibles fósiles, expandan sus industrias, Y aumenten el consumo de bienes y servicios para asegurar un estándar de vida más elevado, la disposición de residuos en la geósfe- ra continuará siendo un aspecto muy importante en el manejo de desechos tóxicos.

Debido a que el agua subterránea es el principal agente de transmisión de contaminantes en la geósfe- ra, el estudio del flujo de agua en formaciones acuífe- ras profundas representa un área de investigación prioritaria. La investigación de las formaciones profundas, no incluídas en los estudios hidrogeológicos convencionales, es actualmente esencial en la búsqueda del sitio más adecuado para el almacenamiento final de desechos tóxicos.

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Abstract

Rivera, A. "Hydrological Aspects of Toxic Wastes Management". Hydraulic Engineering in Mexico (in Spanish). Vol. XII Num. 1, pages 77-90, January-April, 1997.

The safety of the disposal of toxic wastes, radioactive and other industrial wastes, has become one of the main preoccupation of hydrogeological studies today Water is, indeed, the main agent in the long-term dete- rioration of artificial and/or natural protective barriers of both shallow and deep repositories, and the major carrier of the stored harmful material through the soil and the bedrock. In order to provide a complete picture for the required safety assessment of a site, the following must be carefuly investigated: (1) groundwater flow in those rocks which up to now have been excluded from hydrogeological exploration aimed at water produc- tion; (2) groundwater-rock exchanges; and (3) evolution over a long period of time causing alterations in the inital conditions. A new field of research, with its attending responsabilities, has been opened up to hydrogeologists through the search for the most suitable site and the unprecedented demands for reliable results in the analysis of these sites. Although there are differences in the nature, origin and means and methods of managernent between radioactive waste and toxic industrial waste as well as in the views taken of the risks associated with the failure of confinig barriers (natural and artificial), there are, nevertheless, many aspects of the safety analysis and assessment of the sites that are common to repositories of all types. ln this work a general review is perforrned on the current state of the managernent of toxic wastes, based on the European expe- rienced, for the benefit of people in charge of waste managemen and environmental protection in particulal; and for the hydrogeologists in general.

Key words: Hydrogeology wastes radioactive, wastes non-radioactive, modeling, management.

Documents

Aspectos hidrogeológicos en el manejo de desechos tóxicos