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Líneas de Investigación

Salinización

El término salinización puede referirse a diferentes fenómenos:
 
1.      Salinización del suelo se refiere a la precipitación de sales en la superficie del suelo y la zona deraíces. Estas sales sonmuysolubles,lo que reduce la actividad del aguaydificulta su absorción por las plantas,causando pérdidas en la producción agrícola. El problema es de escala mundial;casi el 50 % del en regiones áridas y semiáridas ( FAO - UNESCO , 1992 ),o el30 %deltotal (Oldeman et al.,1991), sufren algún grado de salinización .
2.      Salinización del agua se refiere al aumento de la salinidad del agua por evaporación, disolución de sales o mezcla con agua salina. Los ejemplos incluyen la salinización del lago y la salinización de los acuíferos y, específicamente en los acuíferos costeros, la intrusión de agua de mar.

Salinización de los suelos

La salinización del suelo involucra dos procesos (por ejemplo, Fujimaki, 2006): (1) el agua alcanza la superficie por capilaridad y (2) la evaporación aumenta la salinidad y llegar a precipitar sales que forman una costra, lo que puede reducir aún más la evaporación. En realidad, el proceso se complica por varios factores (Gran et al., 2011a y b). La reducción de la actividad del agua reduce la evaporación. De hecho, ya que la actividad es igual a la humedad relativa del aire, una actividad reducida implica que el vapor tenderá a fluir hacia las zonas salinizadas. La humedad relativa también se ve afectada por la succión, muy alta en la zona de secado. Los gradientes de succión provocan un flujo ascendente de vapor desde las zonas húmedas a las secas. Finalmente, la energía impulsa todo el proceso. Durante el verano, la temperatura disminuye con la profundidad, lo que reduce la presión de vapor por debajo del frente de evaporación, lo que hace que el flujo de vapor sea descente y conduce a que, pese a la sequedad atmosférica, se esté produciendo un flujo neto de agua hacia abajo, como se observa en los suelos del desierto (Scanlon y Milly, 1996).

 

Figura 1: Evaporación a partir de una columna de suelo para simular la salinización (Gran et al, 2011b.). Izquierda, montaje experimental. En medio, modelo conceptual de los flujos de agua líquida (azul oscuro) y vapor (azul claro) y  de los flujos de soluto (rojo). Derecha, flujos de agua calculados. El agua sube por capilaridad hasta el frente de evaporación, una porción del vapor se difunde hacia arriba, lo que lleva a la evaporación neta. El resto se difunde hacia abajo, donde condensa.

 

Por lo tanto, tres mecanismos compiten durante la salinización: (1) flujo líquido en la zona no saturada; (2) efectos de la  salinidad y la succión sobre la actividad de agua y (3) flujo de vapor asociado a los gradientes de temperatura. Por otra parte, las curvas de retención y de permeabilidad relativa convencionales, desarrolladas para suelos agrícolas, no son apropiados para condiciones secas y saladas. Debido a estas complejidades, la salinización del suelo generalmente se estudia por medio de balances de agua y sal, lo que puede ser suficiente para estudios regionales (por ejemplo Milzow et al., 2009), pero no reconoce los procesos a pequeña escala, como el flujo de vapor. La comprensión de estos puede ser esencial para el diseño de estrategias de rehabilitación eficaces y para responder a las cuestiones fundamentales: ¿hasta dónde penetra la salinización? ¿Dónde se produce la evaporación? ¿Es un proceso de superficie o puede ocurrir en profundidad?

 

Experimentos de salinización del suelo

 

Para responder a estas preguntas,  hemos realizado ensayos de evaporación de columnas (Gran et al., 2011b). Colocamos columnas de arena y limo con concentraciones variables de epsomita (MgSO4 · 7H2O) y halita (NaCl) bajo una lámpara, de modo que la radiación superficial del suelo es similar a la radiación en verano en latitudes medias. Controlamos el peso de la columna y atribuimos la pérdida de peso a la evaporación. Esto nos permitió desmontar las columnas para distintos grados de saturación y medir los perfiles de temperatura, salinidad y contenido de agua. Lo más llamativo de estos perfiles es la reducción de la salinidad bajo el frente de evaporación (Figura 2). Estas variables son interesantes, pero no suficientes para una caracterización detallada de los procesos reales, lo que requiere un modelado detallado.

 

Figura 2: Análisis de sensibilidad de las variables de estado simuladas (y cuando es apropiado, medirlas)  la transferencia de calor durante la evaporación y la formación de una corteza salina sobre una columna inicialmente saturada con una solución diluida de epsomita. La saturación, la temperatura y la concentración se muestran arriba. A continuación se muestran los flujos de vapor y líquido y las tasas de condensación (positiva) o de evaporación. (Gran et al., 20).

Modelado de la salinización del suelo

Hemos desarrollado un modelo de flujo multifase no isotérmico acoplado al transporte reactivo para estudiar cómo los gradientes térmicos, de succión y osmóticos interactúan durante la evaporación en un suelo arenoso (Gran et al., 2011a). Bajo condiciones muy secas, los flujos de vapor se convierten en el principal mecanismo de flujo de agua. El modelo se calibró manualmente con el contenido de agua, temperatura y datos de concentración del experimento de evaporación de Gran et al. (2011b). La curva de retención y las funciones de permeabilidad relativa se modificaron para simular condiciones secas. El modelo reproduce con precisión observaciones experimentales de naturaleza variada (temperatura, contenido de agua y concentración de sal) (Figura 2). La mayoría de los parámetros del modelo fueron medidos (curva de retención) o derivados de la literatura (leyes constitutivas). La fiabilidad de los parámetros del modelo y el buen ajuste cualitativo entre las observaciones y los resultados del modelo apoyan la validez del modelo, lo que nos permitió analizar y cuantificar los procesos que están teniendo lugar (Figura 2).

Los resultados muestran que, desde un punto de vista mecanicista, la evaporación divide el suelo en dos zonas marcadamente diferentes. Por encima del frente de evaporación, el suelo está seco, contiene sales y el flujo de agua se limita a la difusión de vapor. Por debajo del frente, el suelo está relativamente húmedo (por encima del contenido irreducible de agua), el agua fluye hacia arriba en forma líquida por capilaridad y hacia abajo en forma de vapor, causando que la salinidad caiga por debajo del frente. El mecanismo muestra retroalimentación positiva, ya que la condensación será más intensa en áreas de mayor salinidad, diluyendo así el agua salina que puede haberse infiltrado.

La evaporación aumenta la presión de vapor en el frente de evaporación, de modo que el vapor fluye hacia arriba y hacia abajo. Ambos flujos se producen a lo largo del experimento, pero la importancia relativa del flujo descendente aumenta con el tiempo. En nuestro modelo, el flujo descendente es la mitad del ascendente al final del experimento. Como resultado, la convección de calor latente se convierte en un mecanismo de transporte de calor significativo.

El frente de evaporación es muy estrecho, lo que contradice creencias anteriores. La mayor parte de la evaporación se concentra en menos de 1 cm (Figura 2). Por encima del frente se observa algo de evaporación, pero la condensación comienza inmediatamente debajo.

 

Modelización de la salinización del lago


Una extensión natural de nuestro trabajo es la salinización de lagos, donde el enfoque es similar al de suelos, excepto que el lago es se puede ver como un sistema bien mezclado. Dado que la salinización reduce la actividad del agua y, por tanto, la humedad relativa en la superficie del agua, la evaporación se reduce en los lagos salinos. En los casos en que la salinización provoca la precipitación de sales higroscópicas, aparecen puntos invariantes, en los que la tasa de evaporación es controlada efectivamente por la geoquímica del sistema (Figura 3; Gamazo et al., 2011).

Hemos utilizado el mismo enfoque para modelar el depósito de Flix durante las operaciones de limpieza

 

Figura 3: Resultados de Gamazo et al. (2011): (izquierda) evolución de minerales precipitados y (derecha) zoom de especies disueltas. Obsérvese que la actividad acuática reproduce los datos de Sánchez-Moral et al. (2002) y que la actividad del agua permanece constante durante períodos significativos de tiempo (regiones sombreadas en el gráfico de la derecha).

Trabajos adicionales y aplicaciones


Hemos seguido trabajando en la salinización en varias direcciones. Por un lado, hemos utilizado este entendimiento para obtener información sobre los mecanismos de generación del drenaje ácido de las minas, lo que ha llevado al diseño de métodos para controlarlo (Acero et al., 2009; Bea et al., 2010a). Paralelamente, hemos desarrollado métodos para simular con precisión el transporte reactivo en condiciones extremadamente secas y salinas (Bea et al., 2010b, Gamazo et al., 2012).


Las implicaciones para el manejo de la sal son claras. La salinización se produce únicamente en la superficie y puede controlarse reduciendo la evaporación (por ejemplo, mediante el acolchado del suelo) o forzándola a que se produzca lejos de la zona de la raíz (por ejemplo por irrigación por goteo). El punto importante, sin embargo, es que, aceptando que la salinización es un proceso esencialmente superficial, sugiere métodos de corrección.

 

Líneas asociadas

  • Transporte Reactivo
  • Multiphase Flow

 

Proyectos

Flix

DRAMA,

PAROXIS

 

Referencias

Acero, P.; Ayora, C.; Carrera, J.; Saaltink, M.W.; Olivella, S., 2009, Multiphase flow and reactive transport model in vadose tailings, Applied Geochemistry, 24 (7), 1238-1250.

Bea, S.A.; Ayora, C.; Carrera, J.; Saaltink, M.W.; Dold, B, 2010, Geochemical and environmental controls on the genesis of soluble efflorescent salts in Coastal Mine Tailings Deposits: A discussion based on reactive transport modeling, Journal of Contaminant Hydrology, 111 (1-4), 65-82.

Bea, S.A.; Carrera, J.; Ayora, C.; Batlle, F., 2010, Modeling of concentrated aqueous solutions: Efficient implementation of Pitzer equations in geochemical and reactive transport models, Computers & Geosciences, 36 (4), 526-538.

FAO-UNESCO, June 1992, World Soil Res, Report 67 (2-7), Release 1.1, FAO-Rome

Fujimaki, H.; Shimano, T.; Inoue, M.; Nekane, K., 2006, Effect of a salt crust on evaporation from a bare saline soil, Vadose Zone J, 5, 1246-1256

Gamazo, P. ; Bea, S.A. ; Saaltink, MW. ; Carrera, J. ; Ayora, C., 2011, Modeling the interaction between evaporation and chemical composition in a natural saline system, Journal of Hydrology,  401 (3-4),  154-164,  doi: 10.1016/j.jhydrol.2011.02.018

Gamazo, P. ; Saaltink, M. W. ; Carrera, J. ; Slooten, L. J. ; Bea, S., 2012, A consistent compositional formulation for multiphase reactive transport where chemistry affects hydrodynamics, Advances in Water Resources, 35, 83-93.

Gran, M., Carrera, J., Olivella, S., & Saaltink, M. W., 2011a, Modeling evaporation processes in a saline soil from saturation to oven dry conditions. Hydrology and Earth System Sciences, 15(7), 2077-2089.

Gran, M.; Carrera, J.; Massana, J.; Saaltink, M. W.; Olivella, S.; Ayora, C.; Lloret, A., 2011, Dynamics of water vapor flux and water separation processes during evaporation from a salty dry soil, Journal of Hydrology, 396(3), 215-220.

Oldeman, L.R.; Hakkeling, R.T.A.; Sombroek, W.G., 1991, Int. Soil Ref. and Inf. Centre.

Scanlon, B. R.; Milly, P.C.D., 1994, Water and heat fluxes in desert soils 2, Numerical Simulations, Water Resour Res, 30(3), 721-733.

 

 

 

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