Notas
 
Instituto Mexicano del Transporte
Publicación mensual de divulgación externa

NOTAS núm. 82, abril 2004, artículo 2
La permeabilidad de los suelos en los problemas de transporte de contaminantes. Aplicación en la infraestructura del transporte
 

Referencia

Introducción

Una afectación ambiental importante en la etapa de operación de una obra lineal, además del ruido y la contaminación del aire, son los daños provocados al suelo producto de un derrame o fuga durante el trasporte de materiales peligrosos.

Algunos procesos mediante los cuáles las sustancias tóxicas llegan al suelo son la aplicación de pesticidas en la agricultura, fugas por corrosión; tanto en tanques como en ductos, fuga de lixiviados de algún confinamiento, o por la mezcla de algún elemento y el agua.

La lluvia y la permeabilidad intrínseca del suelo, permiten a los contaminantes llegar hasta los acuíferos, más aún si éstos están cercanos a la superficie, como sería el caso en las costas o Valle de México.

Este artículo presenta algunas estadísticas de emergencias ambientales y describe los procesos de contaminación de los suelos por derrames, fugas y otros, así como la permeabilidad de los suelos cuando estos suceden.

Se presenta, también, de manera simplificada, el desarrollo de una metodología para medir la permeabilidad del suelo, realizando pruebas de campo y laboratorio. Para estas últimas, se diseñó un permeámetro que permite tomar una muestra inalterada en campo y probarla en el laboratorio.

Para el estudio de permeabilidad ante las sustancias tóxicas, los suelos del Valle y Zona Metropolitana de Querétaro fueron seleccionados por su accesibilidad.

De los resultados de las pruebas de laboratorio y de campo se llegó a la conclusión de que el fenómeno de transporte se da en tres etapas: Etapa 1, Procesos de Humedecimiento; Etapa 2, Tiempo de Saturación y Etapa 3, Transporte.

Los países desarrollados como el Reino Unido, Francia, Canadá, etc., cuentan con un sistema de administración de riesgos químicos, que les permite dar respuesta inmediata a un accidente durante el transporte de materiales peligrosos. Este trabajo es un preámbulo para proveer de fundamentos técnicos a instituciones como la Secretaría de Comunicaciones y Transportes (SCT), Procuraduría Federal de Protección al Ambiente (PROFEPA), Secretaría del Medio Ambiente y Recursos Naturales (SEMARNAT) y Protección Civil, con la intención de concientizarlos para que tengan listos sus tiempos de respuesta ante siniestros que pudieran ocurrir en las carreteras o calles del País.

De ninguna manera, este trabajo pretende hacer una caracterización completa de la permeabilidad de los suelos existentes. Sin embargo, se plantea la metodología para poder realizar las mediciones de permeabilidad en cualquier lugar, de una manera práctica y económica.

Estadísticas de emergencias ambientales relacionadas con el transporte terrestre de materiales peligrosos en México

La Tabla 1 muestra algunas estadísticas de emergencias ambientales y su lugar de ocurrencia durante el período 1993-2001. Se puede observar que el 70.2% de dichas emergencias suceden durante el transporte.

Las principales causas de accidentes se muestran en la Figura 1, donde se observa que la falla humana es la responsable en la mayoría de los casos.

Tabla 1

Lugar de ocurrencia de emergencias ambientales (PROFEPA 1993-2001)

Contaminación de suelos

La contaminación del suelo no sólo se presenta durante el transporte de las sustancias, sino también en los accidentes durante la carga y descarga de los materiales. Aunque, la mayor afectación al mismo se debe a la cantidad de las sustancias manejadas durante el traslado.

Figura 1

Causas principales de accidentes (PROFEPA 1999-2001)

Causas de contaminación

Derrames: Las fuentes potenciales de derrames que contaminan el suelo son los accidentes que ocurren cuando estas sustancias son transportadas a sus centros de consumo, ya que por las carreteras y las vías férreas, se mueven gran parte de productos peligrosos.

Las causas atribuibles de un accidente giran en torno a los siguientes aspectos:

·        El camino

·        El conductor

·        El vehículo

·        Los factores climáticos

Fugas: La contaminación de suelos por fugas tiene su principal ocurrencia en el transporte de hidrocarburos a través de la red de ductos con la que cuenta actualmente PEMEX. Otra fuente de importancia, que ha causado muchos problemas, es el flujo de gasolina hacia el suelo aledaño de los tanques de almacenamiento en gasolineras.

La principal causa de contaminación de suelos en el país son las fugas, por la gran cantidad de tomas clandestinas en la red de ductos de PEMEX. La longitud de la red de ductos es de aproximadamente 54 mil kilómetros por donde se transporta petróleo crudo, gas natural, gas amargo, gas dulce, gasolinas, diesel y otros productos refinados.

Otra fuente de contaminación del suelo son las fugas de líquidos contaminantes, producto de la operación del transporte en los paraderos masivos de vehículos de carga, ya que existen zonas principalmente de restaurantes y talleres, donde el suelo no tiene ningún recubrimiento (asfalto o concreto), y el mal estado de los empaques, que produce un goteo de sustancias (principalmente aceites y combustibles) que de manera individual no son significativas. Sin embargo, si se suman esos pequeños derrames por el número de vehículos que usan el paradero, resultan cantidades de importancia que viajan al suelo y producen contaminación.

Factores que influyen en la permeabilidad de los suelos

La permeabilidad se ve afectada por diversos factores inherentes, tanto al suelo como a características del fluido circulante. Los principales son:

°         Las fuerzas de superficie

°         La porosidad

°         La tortuosidad de los vacíos del suelo

°         La relación de vacíos del suelo

°         La temperatura del fluido y suelo

°         La viscosidad del fluido en movimiento

°         La estructuración del suelo

°         La humedad del suelo

La permeabilidad también puede variar por la estructuración del suelo; la estratificación ocasiona que los valores de su permeabilidad sean diferentes en cada estrato, incluso si se trata del mismo suelo con diferente grado de compactación o humedad, la permeabilidad seguramente será diferente.

Métodos de medición de la permeabilidad

Existen varios procedimientos para determinar la permeabilidad de los suelos, y pueden dividirse, básicamente, en dos grupos: los “directos”, por que se basan en pruebas cuyo objetivo fundamental es la medición del coeficiente de permeabilidad, y otros “indirectos”, ya que proporcionan el valor del coeficiente de permeabilidad en forma secundaria, es decir, por medio de pruebas y técnicas diseñadas para otros fines. Los métodos son los siguientes:

a)     Directos:

°         Permeámetro de carga constante

°         Permeámetro de carga variable

°         Prueba directa a los suelos en el lugar

b)     Indirectos:

°         Cálculo a partir de la curva granulométrica

°         Cálculo a partir de la prueba de consolidación

°         Cálculo con la prueba horizontal de capilaridad

Desarrollo experimental

La medición de la permeabilidad se realizó, tanto en campo como en laboratorio, empleando muestras inalteradas de suelo.

Para las pruebas de laboratorio se diseñó y construyó un permeámetro que permite extraer muestras inalteradas de suelo. Los líquidos considerados son los involucrados en los derrames sobre las carreteras y el derecho de vía, pero además también en su transporte por ductos; todos tienen características y propiedades diferentes que hacen variar la permeabilidad del suelo.

Los suelos estudiados corresponden a las unidades geológicas del Valle de Querétaro y zonas aledañas al Instituto Mexicano del Transporte, ubicado en la localidad de Sanfandila, Qro.

Características de los materiales geológicos en estudio

El Valle de Querétaro tiene un origen tectónico y las principales estructuras geológicas corresponden a mesetas, domos de lava y volcanes.

Los eventos principales ocurrieron durante el período Terciario, según lo evidencian los materiales predominantes en la zona.

Descripción geológica y ubicación de los suelos estudiados

En las zonas de estudio se encuentran tobas arcillosas, arenosas, vítreas, de caída libre; correspondientes a las Unidades Geológicas Mompaní y Cuesta China, así como a suelos del tipo lacustre. En la Figura 2, se muestra la ubicación de los sitios mencionados.

a) Banco de materiales, Cuesta China (Tstcch)

La geología del lugar corresponde a tobas de caída libre pseudoestratificada con intercalaciones de arena pómez, cenizas y limos. Ocasionalmente se encuentran horizontes mezclados con vidrio volcánico.

Estos materiales geológicos fueron depositados durante el período Terciario Superior, y dado que su exposición aparece en la Cuesta China sobre la autopista México-Querétaro, reciben el mismo nombre y se representan por Tstcch.

b) Toba Mompaní (Titm)

A esta unidad corresponden los siguientes lugares: Colonia Álamos, Sanfandila, El Nuevo Aeropuerto y Arboledas.

Con el nombre de Mompaní se identifica a un paquete de tobas lítico-arcillosas de tono gris y claro que afloran en las proximidades de la ranchería Mompaní, de donde toma su nombre. Las conforman dos miembros: uno lítico y otro arcilloso. El miembro lítico se localiza en la base del paquete y lo conforma pedrería de basalto y pómez principalmente, presenta ligera piroconsolidación, y su espesor en la zona del trabajo midió 7 metros, en promedio. El miembro areno-arcilloso es de color crema, sin piroconsolidación, y su espesor es de 40 metros, en promedio.

c) Los Olivos; suelo del tipo lacustre (Qla)

En esta Unidad Geológica se enmarcan los suelos residuales, arcillas, gravas y boleos, producto de la erosión y alteración de las rocas que conforman las montañas de la periferia del valle. Los depósitos de aluvión alcanzan espesores hasta de 100 metros, en el centro del valle.

Figura 2

Mapa de localización de los suelos estudiados

Propiedades índice de los suelos estudiados

Con la finalidad de identificar y caracterizar los materiales estudiados se determinaron sus propiedades índice, como son: Límites de Atterberg, contenido de Humedad y Granulometría.

Estos datos son necesarios para realizar la clasificación SUCS de los sitios estudiados. La Tabla 2 muestra las propiedades índice de los diferentes suelos.

Características y usos de los líquidos utilizados

Los líquidos usados en este trabajo se encuentran involucrados en los accidentes que suceden durante el transporte terrestre de materiales peligrosos, entre ellos se encuentran: agua destilada, agua potable, sosa líquida, diesel, acetona, ácido acético y ácido sulfúrico.

Medición de parámetros de conductividad hidráulica “in situ

La metodología que se propone para medir la permeabilidad en pruebas de campo tiene los siguientes objetivos:

°         Medir la permeabilidad del suelo en su estado natural

°         Reproducir las condiciones en las que sucede un derrame o una fuga sobre el suelo

°         Ser controlable durante su ejecución y de fácil interpretación

°         Requerir el mínimo de herramientas e instrumentos especiales

°         Ser de bajo riesgo y costo

°         Permitir con facilidad su repetibilidad para obtener valores representativos de la zona en estudio

Tabla 2

Propiedades índice de los suelos en estudio

SITIO

LL

LP

IP

Ss

CLASIFICACIÓN SUCS

ÁLAMOS

36.2

26.9

9.3

2.03

ML

ARBOLEDAS

16.9

NP

NP

2.02

ML

CUESTA CHINA

38.9

25.7

13.2

1.92

ML

AEROPUERTO

50.3

34.3

16.0

2.60

MH

OLIVOS

63.6

32.6

31.0

2.54

MH

SAN FANDILA

40.0

33.0

7.0

2.55

ML

Este procedimiento cubre la determinación de la permeabilidad de un suelo en campo. Se realiza midiendo el abatimiento de un tirante hidráulico sobre un sondeo, realizado directamente en el terreno de prueba.

El equipo necesario para llevar a cabo la prueba es el siguiente: pico, pala, barreta, escoba, brocha, cucharón, reglas metálicas (2 por sondeo), reglas de precisión, termómetro, flexómetro, libreta de registro, bolsas de plástico, etiquetas para identificación, máscara contra gases tóxicos, guantes para ácidos, bata de laboratorio y los fluidos para las pruebas de permeabilidad.

Se nivela y limpia la zona a estudiar, retirando basura y la capa vegetal que se encuentre sobre el estrato de prueba.

Procedimiento de prueba “in situ”

a)     Se realiza un sondeo cúbico o circular sobre el estrato limpio y nivelado, de 12 cm de profundidad por 12 cm de diámetro.

b)     Se corta una bolsa plástica en su extremo inferior y se dobla. Posteriormente, el extremo doblado se coloca al interior del sondeo, con el fin de proteger las paredes y fondo del sondeo. Esto evita que el líquido entre en contacto con el suelo antes de hacer las mediciones del abatimiento.

c)      Se vierte el líquido dentro de la bolsa plástica, llenando totalmente el sondeo.

d)     Se extrae con cuidado la bolsa, permitiendo que el líquido quede expuesto directamente a las paredes y fondo del sondeo de forma repentina.

e)     Se activa el cronómetro y se coloca una regla metálica, que sirve de referencia de las lecturas de abatimiento del líquido sobre el sondeo.

f)        Se toman las lecturas de los abatimientos a diferentes tiempos, hasta el primer minuto. Posteriormente, se tomarán a cada minuto o dependiendo de la evolución del abatimiento. Hay líquidos que no se infiltran rápidamente, lo que permite tomar lecturas en intervalos de tiempo mayores. En cambio, hay líquidos como la gasolina en que la prueba dura de 15 a 30 minutos, lo que hace indispensable registrar las variaciones en intervalos menores.

Interpretación de la prueba “in situ”

Después de realizar el análisis de la información obtenida en campo, se observó un comportamiento característico en todas las pruebas realizadas. En la Figura 3 se presenta la gráfica patrón que resulta de representar en el eje “y” el valor de cada abatimiento (S) y en el eje “x” el tiempo correspondiente (t). La función que obedece a este comportamiento es de la forma:

Los coeficientes que definen el modelo teórico propuesto son r  y w, los cuales determinan el comportamiento del líquido sobre el suelo. Estos coeficientes tomaron rangos muy variables en todas las pruebas, y su valor se atribuye principalmente a las características del suelo y del líquido involucrado. La variación de los coeficientes ?r y w para los suelos estudiados es:

r

w

5.248 a 0.189

0.883 a 0.196

En la Tabla 3 se observa el rango de variación obtenido por tipo de líquido.

El modelo teórico propuesto (ver Figura 3) presenta 3 zonas diferenciadas:

Etapa de Humedecimiento: corresponde a la etapa en la que el suelo absorbe a gran velocidad el líquido. Las partículas de suelo son humedecidas a gran velocidad.

Etapa de Saturación: el suelo satura sus vacíos con el liquido y se encuentra listo para iniciar el flujo establecido.

Etapa de Transporte: el fluido viaja libremente hasta donde está el frente húmedo. El promedio de las velocidades obtenidas en esta etapa es el valor de la permeabilidad media “km” del suelo buscada.

Figura 3

Modelo de comportamiento teórico de los abatimientos en el sondeo de prueba

Tabla 3

Variación de los coeficientes  r w por tipo de líquido

Líquido

r

Máximo

r

Mínimo

w

Máximo

w

Mínimo

Agua Destilada

Agua Potable

Sosa Líquida

Diesel

Ácido Sulfúrico

Ácido Acético

Gasolina

Acetona

4.452

5.019

3.540

3.537

4.237

5.248

4.214

2.618

0.806

0.635

0.189

1.152

0.738

1.436

1.132

1.085

0.574

0.644

0.660

0.498

0.523

0.637

0.883

0.706

0.419

0.402

0.211

0.397

0.376

0.196

0.389

0.394

Los pasos se van repitiendo hasta que toda la masa del suelo involucrada se ha humedecido, saturado, o bien el fluido ha cesado de viajar.

Prueba de permeabilidad en laboratorio

La prueba consiste en medir la cantidad de líquido que atraviesa la muestra de suelo en un tiempo determinado. En la Figura 4 aparece el diagrama del dispositivo utilizado.

Al ejecutar la prueba se llena de líquido el tubo vertical de lucita, observándose su descenso a medida que el fluido atraviesa la muestra.

Con referencia a la Figura 4, se tiene que: “a” Área del tubo vertical, “A” Área de la muestra, “L” Longitud de la muestra, “h1” Carga hidráulica al principio de la prueba, “h2” Carga hidráulica al final de la prueba, “t” Tiempo requerido para que la carga hidráulica pase de h1 a h2.

Figura 4

Colocación de la muestra y líquido en el permeámetro

Resultados de las pruebas “in situ”

En cada uno de los sitios de estudio se probaron ocho líquidos. Por cuestiones de espacio, únicamente se muestran los resultados para uno de ellos (Colonia Arboledas del Parque). Es importante recordar que las pruebas “in situ” presentan tres velocidades diferentes, que son: Velocidad de humedecimiento (Vh), Velocidad de saturación (Vs) y Velocidad de transporte (Vt).

Arboledas corresponde a un suelo tipo ML (Limo de baja plasticidad) donde se realizaron ocho pruebas “in situ”. Las velocidades obtenidas en cada etapa de las pruebas se presentan en la Figura 5.

Resultados de las pruebas en el laboratorio

La Figura 6 muestra la variación de los valores en la permeabilidad vertical “kv” de los diferentes líquidos. Se observa que el valor más bajo fue para el Ácido Acético y el más alto para el Agua.

Figura 5

Permeabilidad en la Colonia Arboledas del Parque

Figura 6

Comparación de resultados de las pruebas de permeabilidad en laboratorio (Arboledas del Parque)

Conclusiones

Caracterizar, desde el punto de vista hidráulico los suelos de una región, permite estimar el tiempo de tránsito de diversas sustancias hacia el subsuelo y acuífero.

La permeabilidad que los suelos ofrecen a diversas sustancias son indicativos de las dimensiones que puede alcanzar un derrame en regiones donde hay tráfico considerable de autotanques.

Los tiempos de tránsito, deducidos de la permeabilidad, marcan que tan rápido las autoridades de Protección Civil deben atender un evento antes de que las sustancias puedan alcanzar el acuífero.

La permeabilidad de los suelos varía de acuerdo a la naturaleza del mismo, a su granulometría, ambiente de depósito, humedad volumétrica, succión, y de acuerdo al tipo de fluido.

Mediante la interpretación de las pruebas de campo y de laboratorio se establece que, independientemente del tipo de fluido y del suelo, existen tres velocidades de flujo en un medio:

°         Humedecimiento

°         Saturación

°         Transporte

El permeámetro diseñado es de bajo costo y puede ser utilizado en cualquier área para conocer las velocidades antes mencionadas.

La metodología propuesta para el campo es de fácil acción y reproducción, por lo que constituye otra forma económica y rápida de caracterizar un suelo desde el punto de vista hidráulico.

La “capilaridad” constituye otro factor para el flujo en un medio poroso, tanto vertical como horizontalmente, por lo que el permeámetro se puede modificar para realizar las pruebas horizontales de capilaridad.

Con base en los resultados obtenidos, se puede afirmar que la gasolina presentó, en la mayoría de los casos, la velocidad de transporte mayor y la sosa líquida la menor.

Recomendaciones

Para realizar la correcta caracterización de un suelo contaminado por un hidrocarburo, además de conocer sus propiedades índice, se requiere hacer pruebas de permeabilidad que den una idea más clara sobre el comportamiento del contaminante en el suelo. Esto será de gran ayuda para delimitar la zona afectada, sobre todo a profundidades de difícil detección del contaminante.

Es importante distinguir cuál es la utilidad que se le dará al valor de permeabilidad que se obtenga. De esto depende la elección del método adecuado para su determinación.

Se recomienda utilizar el método propuesto en este trabajo para medir la permeabilidad del suelo en campo y, en el laboratorio se puede efectuar con el permeámetro diseñado, usando muestras inalteradas de suelo.

Es necesario implantar, para la República Mexicana, un sistema de administración de riesgos químicos, basado en la velocidad de transporte o permeabilidad que permita dar respuesta inmediata a un evento y que logre mitigar el daño ecológico.

Alfonso ALVAREZ-MANILLA
Juan VALADÉZ
Paul GARNICA
Guadalupe MARTÍNEZ
Síntesis de la Publicación Técnica No. 195, “La permeabilidad de los suelos en los problemas de transporte de contaminantes. Aplicación en la infraestructura del transporte”, elaborada por los mismos autores; el segundo, Tesista de la Maestría en Vías Terrestres de la Universidad Autónoma de Chihuahua y, los demás, investigadores del Instituto Mexicano del Transporte. La edición del presente artículo fue elaborada por
José Antonio ARROYO
y Alejandra GUTIÉRREZ
investigadores del mismo instituto



* Síntesis del documento: ALVAREZ-MANILLA, Alfonso; Juan VALADÉZ; Paul GARNICA y Guadalupe MARTÍNEZ, “La permeabilidad de los suelos en los problemas de transporte de contaminantes. Aplicación en la infraestructura del transporte”, Publicación Técnica No. 195, Instituto Mexicano del Transporte, Sanfandila, Qro., 2002.

 
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