Ingeniero Civil / El presente trabajo muestra el estudio conceptual realizado sobre cambios en el nivel freático, el impacto que esto tiene sobre la zona no saturada y la vegetación en la superficie. Además, se modeló numéricamente casos de estudio para los cuales se cuenta con la información necesaria y se concluyó a partir de los resultados obtenidos de este proceso. En primer lugar, se hace una revisión conceptual de todos los aspectos involucrados en el desarrollo de la memoria, partiendo por la zona no saturada, pasando por la ecuación de Richards y el software HYDRUS entre otros temas, terminando con una exhaustiva revisión bibliográfica de los impactos sobre la vegetación de las variaciones del nivel freático. Luego, se hace la formulación teórica del modelo numérico, su validación con casos de artículos académicos y una aplicación de éste a un caso real, para el cual se cuenta con la información. Después, se modeló una situación con variaciones del nivel freático para ver cuál es la consecuencia en la zona no saturada y, con la información con la que se cuenta de las plantas del lugar modelado, ver el impacto de estas variaciones sobre las formaciones vegetales de la superficie. Finalmente, se concluye a partir del trabajo realizado y los resultados generados con el modelo para los diferentes casos.

El crecimiento de las actividades industriales en el área costera del Estuario de Bahía Blanca ha provocado consecuencias negativas relacionadas con la contaminación de los recursos suelo y agua superficial y subterránea. La investigación de la zona no saturada (ZNS) del sitio comprende una herramienta fundamental en el diseño de políticas de protección de los recursos hídricos, ya que ésta conforma una barrera natural contra las sustancias potencialmente contaminantes que son transportadas hacia el acuífero freático. La presente tesis tiene como finalidad contribuir a la comprensión del transporte de sustancias potencialmente contaminantes como metales pesados y compuestos de nitrógeno (amonio, nitritos y nitratos), dentro del ámbito de la ZNS, haciendo hincapié en los procesos físicos y químicos que ocurren en dicha zona. La metodología se basó en recopilación bibliográfica y antecedentes del área de estudio y diversas tareas de campo, laboratorio y gabinete. Para los trabajos de campo se acondicionó una parcela experimental, equipada con dos juegos de tensiómetros y un pozo somero con una sonda freatimétrica de registro continuo. En la misma se relevaron datos hidrológicos, muestreo de material sedimentario, determinación de la conductividad hidráulica saturada y no saturada, y ensayos de transporte de compuestos de nitrógeno. En laboratorio, se caracterizaron los materiales recolectados mediante análisis granulométricos, mineralógicos, determinación de la humedad volumétrica, densidad aparente y porosidad y caracterización química (contenido de carbonato de calcio, carbono orgánico total, hierro total y pH). Para estudiar el transporte de sustancias se realizaron ensayos in situ con aplicación de fertilizante urea y agua amoniacal y ensayos de laboratorio en batch de cinética e isotermas de adsorción-desorción de cadmio (Cd). En gabinete, se analizaron las características hidrometeorológicas e hidrodinámicas de la ZNS y su relación con la zona saturada (ZS). Sobre la base del modelo conceptual de funcionamiento del sistema no saturado se construyó un modelo numérico y se simuló el transporte de sustancias en el medio poroso estudiado. La ZNS, en la parcela experimental, presentó un espesor variable de aproximadamente 2 m±20 cm. Aunque el balance hidrológico para el área de estudio es deficitario (serie 2010-2019), el registro piezométrico evidencia la ocurrencia del proceso de recarga durante todo el año. Las tasas de recarga se estiman en el rango del 12% al 18% de las precipitaciones, aunque pueden superar el 20% durante años lluviosos o tornarse mínimas en años secos. Los flujos hídricos verticales en la ZNS son mayormente en sentido ascendente, predominando fuerzas capilares sobre la componente gravitatoria. El flujo de agua se torna descendente luego de precipitaciones de gran cuantía. Según los datos de infiltrometria, los mesoporos y los microporos del suelo canalizan la mayor proporción de agua infiltrada. Los macroporos sólo participan en el 15,9% del flujo total de agua. La calibración de un modelo numérico (HYDRUS 2D/3D) permitió representar correctamente el comportamiento hidrodinámico de la ZNS. Se cuantificó la retención de cadmio (Cd) en tres niveles del subsuelo de la parcela experimental. La afinidad del Cd por los niveles analizados fue en el orden: franco limoso (220 cm) > franco arenoso (30 cm) > arena (150 cm). La desorción de Cd alcanzó el 52%, 76% y 5% del metal preadsorbido para los sedimentos de 30 cm, 150 cm y 220 cm, respectivamente. Los sedimentos franco limosos (220 cm) presentan mayor capacidad de retención y también los sitios de unión más fuertes. El proceso de quimisorción en este nivel podría explicarse por la interacción del metal con minerales arcillosos como montmorillonita, oxi-hidróxidos de Fe y materia orgánica. En los sedimentos superiores (30 cm), la calcita presenta un papel importancia en la retención del metal, tras reconocerse la presencia de otavita (CdCO3) luego de la exposición de los sedimentos a una solución enriquecida en Cd. Los sedimentos arenosos (150 cm) presentaron una débil unión entre el Cd y las superficies reactivas. Esto es explicado por la interacción del metal con minerales aluminosilicatos. Se aplicó un modelo numérico capaz de simular el transporte de Cd ante un evento hipotético de ingreso del metal por deposición atmosférica. En base al modelo numérico la carga metálica acumulada en los horizontes superficiales del suelo, no representarían un peligro de contaminación potencial para el suelo y agua subterránea. Las experiencias de campo de transporte de compuestos de nitrógeno (N) permitieron identificar los principales impactos producidos por el vertido de soluciones enriquecidas en N amoniacal y urea. La cantidad de soluto afectado por volatilización se encontró en el rango del 7-8% para fuente urea y del 24- 25% para N amoniacal. En la parcela donde se regó con agua amoniacal, el N amoniacal predominó sobre el nitrato. En cambio, un mayor aporte de N en forma de urea condujo a una mayor concentración de nitratos y acidificación en la capa superior del suelo, ambos indicadores del proceso de nitrificación. Se utilizó el código HYDRUS 2D/3D para simular las experiencias de transporte de compuestos de N realizadas en la parcela experimental. Para fuente urea, una vez ocurrido el proceso de hidrólisis, la mayor parte del N amoniacal en el suelo es nitrificado en nitritos, y luego se transforma en nitratos. En el caso de fuente agua amoniacal, el proceso que tiene más relevancia en el destino final del producto es la volatilización. Bajo pH alcalinos, la forma de N amoniacal predominante es el N-NH3, compuesto que es fácilmente volatilizado a la atmósfera en forma gaseosa, aunque en forma soluble (NH4OH) puede presentar gran movilidad en el suelo, debido a la minimización de los efectos de retardo y degradación del compuesto. Si existieran grandes deposiciones de N amoniacal en superficie o aún como perdidas subterráneas en el subsuelo, la peligrosidad de degradación del acuífero freático es sumamente alta. La presencia de carga hidráulica positiva aumenta en gran medida la generación de lixiviados, como así también influencia las especies de N que alcanzarían el agua subterránea. La identificación y cuantificación de los procesos fuente-sumidero que sufren tanto los metales pesados como los compuestos de nitrógeno, resultan fundamentales en la definición de los lineamientos básicos para la ejecución de medidas de protección o remediación adaptadas al suelo y agua subterránea del área de estudio. / The expansion of industrial activities in the coastal area of the Bahía Blanca Estuary has provoked a series of negative consequences related to the contamination of soil and surface and groundwater. The investigation of unsaturated zone (UZ) at this site is a fundamental tool for the design of protection policies for water resources. The UZ is a natural barrier, against potentially polluting substances that are transported to the phreatic aquifer. The aim of this thesis is to contribute to the understanding of potentially polluting substances such as heavy metals and, nitrogen compounds (ammonium, nitrites, and nitrates) transport in the UZ, with emphasis on the physical and chemical processes that occurs in this media. The methodology was based on bibliographic compilation of background antecedents and diverse field, laboratory, and cabinet tasks. For field work, an experimental plot was equipped with two sets of tensiometers, and a shallow well with a continuous phreatimetric recorder. The main field tasks consisted of hydrological data collection, sedimentary material sampling, determination of saturated and unsaturated hydraulic conductivity, and nitrogen compounds transport essays. In laboratory, the sample sediments were characterized by granulometric and mineralogical analyses, determination of volumetric soil moisture, bulk density and porosity, and chemical properties (calcium carbonate, total organic carbon, total iron, and pH). Solute transport was study be means of field tests by application of urea fertilizer and ammonia solutions in experimental plots and laboratory kinetics and isothermal batch tests for cadmium (Cd) adsorption-desorption studies. In cabinet, the hydrometeorological and hydrodynamic characteristics of the UZ were analyzed and its relationship with the saturated zone (SZ). Based on the conceptual model of the unsaturated porous media, a numerical model was built, and the transport of solutes was simulated. The UZ in the experimental plot presented a variable thickness of approximately 2 m±20 cm. Although the hydrological balance for the study area is deficient (2010-2019 series), the piezometric record evidenced the occurrence of recharge throughout the year. Recharge rates were estimated in the range of 12% to 18% of precipitation, although it can exceed 20% during rainy years or become minimal in dry years. Vertical water flows in the UZ were mostly upward, with capillary forces predominating over the gravitational component. Water flow becomes downward only after heavy precipitations. According to infiltrometer essays, soil mesopores and micropores channeled the greatest proportion of water flux. Macropores only participate in 15.9% of total water flux. The calibration of a numerical model (HYDRUS 2D/3D) allowed to correctly represent the hydrodynamic behavior of the UZ. Cadmium (Cd) retention was analyzed in three subsoil layers of the experimental plot. The affinity of Cd for the analyzed sediments was in the order: silt loam (220 cm) > sandy loam (30 cm) > sand (150 cm). Cd desorption reached 52%, 76% and 5% of the pre-adsorbed metal for the 30 cm, 150 cm, and 220 cm depths, respectively. This result confirmed the quality of silt loam for Cd retention, being the layer with the highest retention capacity and the one with the strongest binding sites. Chemisorption process at this layer could be explained by the interaction of cadmium with clay minerals such as montmorillonite, Fe oxy-hydroxides and organic matter. For the upper layer (30 cm), calcite plays an important role in the retention of Cd, as the presence of otavite (CdCO3) was recognized after the exposure of sediments to a Cd enriched solution. The sandy sediments (150 cm) presented the weakest binding between Cd and reactive soil surfaces. This is explained by the interaction of the metal with aluminosilicate minerals. A numerical model was applied to simulate the transport of Cd in the UZ for a hypothetical event of metal input by atmospheric deposition. Based on simulations, the metallic load accumulated in the surface soil would not represent a potential contamination risk for soil and groundwater. Field experiments of nitrogen (N) transport in the UZ were carried out to identify the main effects produced in the soil by discharge of enriched solutions of ammoniacal N and urea fertilizer. The amount of solute affected by volatilization was found to be in the range of 7-8% for urea and 24-25% for ammoniacal N sources. For the ammoniacal N source, ammoniacal N predominated over nitrate. Otherwise, a higher N input in the form of urea led to higher nitrate concentration and acidification in the topsoil, both indicators of nitrification process. The HYDRUS 2D/3D software was used to simulate the transport of N compound in the experimental plot based on field experiments. For urea source, once hydrolysis process has occurred, most of the ammoniacal N is nitrified into nitrites, and then transformed into nitrates. In the case of ammoniacal N source, the process that has more relevance in the fate of the product is volatilization. Under alkaline conditions, the predominant form of ammoniacal N is N-NH3, a compound that is easily volatilized to the atmosphere in gaseous form, although in soluble form (NH4OH) it can be highly mobile in the soil, due to the minimization of retardation and degradation processes. If high amounts of ammoniacal N are discharge on the soil surface or as underground leakages, the risk of degradation of the phreatic aquifer is extremely high. The presence of positive hydraulic load greatly increases leachate generation, as well as influence the type of N species that reach groundwater. The identification and quantification of processes that both heavy metals and nitrogen compounds undergo in the UZ are fundamental for defining the basic guidelines for the implementation of protection or remediation actions adapted to soil and groundwater conditions in the study area

Ingeniero Civil / La zona no saturada está implicada en una serie de procesos hidrológicos relevante en el transporte de contaminantes: infiltración, recarga de aguas subterráneas, etc. Por ello, es de suma importancia analizar los flujos subsuperficiales de esta zona, en lugares donde la minería es una actividad relevante, pues dicha actividad está asociada a problemas de contaminación, como lo es el drenaje ácido. En el presente trabajo, se evalúa el movimiento y generación de estos flujos en la base de una columna de material homogéneo, bajo distintos escenarios hidrológicos, mediante el modelo computacional HYDRUS-1D. Más específicamente, se simulan tres materiales distintos: muy grueso (GRV), grueso (SBL) y fino (SLT); sobre ellos se aplican cuatro condiciones hidrológicas distintas. En la cuenca del río Mapocho en los Almendros se tienen a escala de sitio: Manto de nieve estacional (condición A) y solo precipitación líquida (condición B). De la cuenca alta del río Copiapó se tiene, también a escala de sitio: un manto de nieve efímero (condición C) y solo precipitación líquida (condición D). Cada condición cuenta con la información de un año completo (detalle horario), para la simulación y obtención de resultados se reitera el registro durante un periodo de 40 años. Sumado a lo anterior, se realiza un análisis de sensibilidad al variar la profundidad del material (H=30, 60 y 90 m) y se evalúa el efecto del cambio climático en los sitios de estudio. En consecuencia, se tiene un total de 60 simulaciones. Como principales resultados se obtiene que la condición que más percolación en la base genera, es A, seguida por B, D y luego C. En cuanto a los materiales, SBL resulta ser el que más rápido transporta el fluido, seguido por GRV, mientras que SLT tiende a acumular mayor volumen de agua en su interior. En general, el cambio climático implica una disminución en las tasas de percolación en la base del sustrato. El efecto del aumento en la profundidad del sustrato, es la tendencia disminuir las variaciones extremas a lo largo del año, logrando un caudal más estable. Otro efecto al variar H, es el impacto sobre los tiempos de inicio de percolación en la base, donde un aumento de H al doble o triple, significa poco más del doble o triple de tiempo con respecto al caso H=30 m. Las numerosas simulaciones llevadas a cabo son de gran utilidad como un primer paso para comprender el complejo comportamiento de los flujos subsuperficiales en la zona no saturada de botaderos o suelos naturales. La investigación elaborada puede ser aprovechada para evaluar en una primera instancia y sin información detallada del terreno, el posible rango de valores alcanzados por los caudales generados, los valores mínimos o bases, los máximos, su duración y las variaciones durante el año.

El uso de agua desalada en agricultura es una actividad cada vez más extendida, debido a la disminución de los recursos convencionales y al aumento de eficiencia de los procesos de desalación. La desalación no se limita ya únicamente al agua de mar, en los últimos tiempos está aumentando la desalación de agua procedente de acuíferos salinos continentales. El objetivo principal de esta tesis es evaluar el impacto que el uso prolongado de esta agua puede tener sobre la zona no saturada del terreno y sus propiedades hidráulicas. En el marco de este trabajo se ha establecido una parcela experimental en el campus de la Universidad de Alicante donde se han cultivado especies cespitosas regadas con agua desalada procedente del acuífero salobre continental de San Vicente del Raspeig. La gestión de la parcela se ha realizado según prácticas habituales realizadas en la zona. Se ha llevado un control del contenido de agua y succión del terreno durante un periodo de 20 meses, bajo dos sistemas de monitorización alternativos: uno manual y otro automático. La experiencia ha sido completada con un ensayo de trazador mediante el empleo de BrLi controlado durante un periodo de 160 días. Asimismo, se ha realizado en laboratorio la caracterización hidráulica de muestras extraídas de la propia parcela experimental. A partir de los datos adquiridos, de manera manual y automática, se ha elaborado un modelo de flujo con el programa HYDRUS 1D para cada una de los sets de datos, el cual se ha calibrado y validado para diferentes periodos. Por otro lado, el ensayo de trazador (transporte conservativo), también simulado mediante HYDRUS 1D, además de validar el modelo de flujo, ha permitido derivar parámetros de transporte (dispersividad) a escala de campo. Finalmente, se ha creado un modelo predictivo de transporte de masa reactivo que implementa procesos geoquímicos y cambios asociados en los parámetros hidráulicos de la zona no saturada, para largos periodos de tiempo (30 años). Este último modelo se elaboró mediante la aplicación HP1, que combina los códigos HYDRUS 1D y PHREEQC. Además del modelo predictivo bajo las condiciones actuales, otros tres escenarios, según varios criterios, han sido considerados. Los dos modelos de flujo resultantes, a partir de datos adquiridos manualmente y automáticamente, han descrito adecuadamente la dinámica del flujo en la zona no saturada, concluyendo que ambas estrategias son válidas para obtener tendencias generales del flujo. No obstante, la estrategia automática es más adecuada para detectar posibles cambios en las propiedades hidráulicas debido a su mayor sensibilidad y frecuencia en la toma de datos. Para la obtención de parámetros de transporte, la combinación en el ensayo de trazador de la determinación de Br total mediante rayos X, junto con la parametrización por método inverso, ha resultado ser un método rápido y fiable. Los modelos predictivos han puesto de manifiesto un proceso de disolución continuo del yeso contenido en el suelo, así como procesos de disolución (en la zona radicular) y posterior precipitación (bajo ésta) de la calcita en el terreno. Los resultados de la simulación indican cambios en la porosidad que supondrán cambios de conductividad hidráulica en un factor mayor de 2. Finalmente, el estudio de los diferentes escenarios resalta que: la ausencia de riego reduce los cambios esperados en el terreno; la ausencia de yeso en el terreno producirá una reducción de la conductividad hidráulica bajo la zona radicular; y la disminución de la presión parcial de CO2 en la zona radicular disminuye drásticamente las disoluciones de las especies carbonatadas participantes.

La forma más habitual de modelar el transporte de solutos en la zona no saturada es considerar que se comportan de manera pasiva y utilizar la solución del movimiento de las fases fluidas como información de entrada. La presencia de algunas sustancias químicas puede afectar a las propiedades físicas de los fluidos, originando así procesos de transporte no pasivos. El objetivo principal de esta tesis ha sido formular un modelo detallado que describa el transporte no pasivo en la zona no saturada y en condiciones isotérmicas de compuestos orgánicos volátiles solubles en agua. El modelo propuesto incluye las dependencias de la densidad, la viscosidad, la tensión interfacial, el coeficiente de difusión molecular en fase líquida, y los coeficientes de distribución gas-líquido, con la composición de la mezcla acuosa. También se ha tenido en cuenta la reducción de los coeficientes de distribución gas-líquido debida a presiones capilares elevadas, de acuerdo a la ecuación de Kelvin válida para mezclas multicomponentes.Se ha implementado el modelo en dos códigos de simulación numérica: 1D y 2D con simetría cilíndrica. En 1D se ilustra la infiltración y redistribución de mezclas acuosas de alcoholes. La simulación de la infiltración de mezclas acuosas de butanol en arena estuvo de acuerdo con las simulaciones y datos experimentales que se reportan en la literatura. La simulación de la infiltración, redistribución y volatilización de mezclas acuosas de metanol en dos suelos diferentes, mostró que la composición afecta significativamente los perfiles de contenido volumétrico de líquido y concentración, al igual que los flujos normalizados de volatilización y evaporación. La dispersión en fase líquida fue el mecanismo de transporte predominante para una dispersividad longitudinal a saturación de 7.8 cm. El flujo de líquido estuvo gobernado principalmente por gradientes de presión capilar inducidos por cambios en el contenido de líquido. Sin embargo, considerando una dispersividad longitudinal a saturación de 0.2 cm, los cambios de la tensión interfacial debidos a variaciones en la composición indujeron un flujo importante de líquido, y la convección en fase líquida fue el mecanismo de transporte más activo. Al ignorar el efecto Kelvin dentro del suelo, la difusión en fase gaseosa se redujo significativamente, resultando en menores flujos de evaporación de agua y mayores contenidos volumétricos de líquido cerca de la superficie del suelo.En 2D, el modelo se aplicó a la simulación de la infiltración bidimensional de mezclas acuosas de metanol desde una fuente con forma de disco, su redistribución y volatilización, en suelo homogéneo y heterogéneo. Las simulaciones mostraron que para suelos homogéneos se obtienen resultados y conclusiones análogas que en 1D. La dependencia de la viscosidad con la concentración tuvo el impacto mayor sobre el flujo de líquido, actuando en el mismo sentido o contrarrestando los efectos de la tensión interfacial, dependiendo de la composición y de la magnitud de los gradientes de concentración desarrollados en el suelo. La heterogeneidad del suelo favoreció que se manifestaran los efectos no pasivos.Finalmente, se ha propuesto una función de retención capaz de describir coherentemente el movimiento del agua y la adsorción de solutos en condiciones de sequedad. Para ello, se utiliza la isoterma BET para describir la curva de retención de agua en la región más seca. Para cubrir todo el rango de contenidos de agua, se considera la función clásica de Brooks-Corey en el rango húmedo, mientras que la transición entre los mecanismos de capilaridad y adsorción se obtiene por medio de una generalización de la isoterma de adsorción de Bradley. Se obtuvo un buen ajuste entre el nuevo modelo de retención y sieteconjuntos de datos experimentales. Se evaluó el desempeño de la nueva función de retención dentro de un modelo de transporte de agua, observándose su validez para describir la dinámica de los flujos en todo el rango de condiciones de contenido en agua. Es bien conocido que la adsorción de compuestos orgánicos volátiles en los suelos casi secos se realiza de manera competitiva con el vapor de agua. La presente propuesta permite calcular estos procesos de adsorción competitiva de manera coherente con los procesos de flujo y evaporación de agua. / The presence of some chemicals in the vadose zone can affect the physical properties of the fluid phases leading to transport processes known as non-passive. Common numerical models do not account for the simultaneous interaction of various non-passive effects on unsaturated flow and transport. The main objective of this thesis was to develop a detailed model that describe the isothermal non-passive transport of water-soluble organic compounds in the unsaturated zone. The model includes the dependence of density, viscosity, surface tension, molecular diffusion coefficient in the liquid phase, and gas-liquid partition coefficient on the aqueous mixture composition. It also takes into account the decrease in the gas-liquid partition coefficient at high capillary pressures, in accordance with Kelvin's equation for multi-component mixtures.The model was implemented in two numerical codes: 1D and 2D with cylindrical symmetry. It was used to illustrate the one-dimensional infiltration and redistribution of alcohol-water mixtures. Simulation of butanol-water mixtures infiltration in sand was in agreement with the experimental data and simulations reported in the literature. Simulation of infiltration, redistribution and volatilization of aqueous mixtures of methanol in two different soils showed that composition significantly affects volumetric liquid content and concentration profiles, as well as the normalized volatilization and evaporation fluxes. Dispersion in the liquid-phase was the predominant mechanism in the transport of methanol when dispersivity at saturation was set to 7.8 cm. Liquid flow was mainly due to capillary pressure gradients induced by changes in volumetric liquid content. However, for dispersivity at saturation set to 0.2 cm, changes in surface tension due to variation in composition induced important liquid flow and convection in the liquid-phase was the most active transport mechanism. When the Kelvin effect was ignored within the soil, the gas-phase diffusion was significantly lower, leading to lower evaporation flux of water and higher volumetric liquid contents near the soil surface.The model was also applied to the simulation of two-dimensional infiltration of aqueous mixtures of methanol from a disk source, its redistribution and volatilization in both homogeneous and heterogeneous soils. Simulations showed that, for homogeneous 2D soils, results and conclusions are analogous to those obtained in 1D. Concentration-dependent viscosity had the major impact on the liquid flow, and acted in the same or opposite direction of surface tension effects, depending on the composition and the magnitude of the concentration gradients developed in the soil. Heterogeneity favored the non-passivity.Finally, in this work a full-range water retention function that takes advantage of the physical consistence of BET adsorption to describe the very dry end, and preserves the capillary behavior of the classical Brooks and Corey function in the wet range is proposed. The transition from capillary to adsorption mechanisms is accounted for by a generalization of the Bradley's isotherm. Tests on seven widely studied soil data sets show that the experimental water retention curves are well fitted by the proposed retention model. The proposed soil-water retention function was evaluated in a water transport model. Simulationswere compared to experimental data for water transport under very dry conditions, found in the literature. The comparison shows that the proposed retention model leads to predictions as good as those resulting from previous full-range soil-water retention functions, while using a physical-based description of the process in the dry region. It is well known that chemical sorption on soils is greatly influenced by relative humidity. Therefore, it is expected that a physically accurate description of the moisture behavior in a very dry soil could also help improve chemical transport and volatilization simulations.