ANÁLISIS DE VULNERABILIDAD DE LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS DE LA CUENCA DEL RÍO CHILLÁN MEDIANTE UN MODELO SIG.
José Luis Arumí1, Ana Cortés1, Luis Salgado1y Marco Sandoval2
1: Facultad. de Ingeniería Agrícola, Universidad de Concepción, jarumi@udec.cl, 2: Facultad de Agronomía, Universidad de Concepción,
Abstract:
This document presents the develop of a methodology to asses the vulnerability of a shallow unconfined aquifer located beneath the lower part of the Chillán River Watershed. The methodology is based on the use of mathematical indexes created using a lineal combination of variables relates to the processes of pollutant recharge and transport that had been evaluated in the area of the study.
The results are presented in thematic charts using a geographic information system (GIS), allowing the identification of areas with lower or high vulnerability to pollution and areas with different levels of pollution risk associated to agricultural activities.
A contrast between estimated values of the vulnerability index and values of nitrate concentration measured in shallow wells showed that exist a significant relationship between the index and the measured nitrate concentration
RESUMEN
Este estudio presenta una metodología para la evaluación de vulnerabilidad de un acuífero superficial, no confinado, ubicado en la zona baja de la cuenca del río Chillán. La metodología está basada en el uso de índices desarrollados usando una combinación lineal de las variables que gobiernan el proceso de recarga y transporte de contaminantes en un sistema de aguas subterráneas y considerando a la disponibilidad de datos de la zona en estudio.
Los resultados se presentan a la forma de cartas temáticas mediante un sistema de información geográfica (SIG), permitiendo identificar áreas de mayor o menor susceptibilidad a la contaminación. También se identificaron las áreas con mayor riesgo de contaminación de origen agropecuaria.
Se contrastaron los resultados obtenidos con valores de concentración de nitratos medidos en norias y se determinó que existe una relación significativa entre los valores de índice calculados y los valores de concentración medidos.
INTRODUCCIÓN
El trabajo que se presenta en este documento corresponde al desarrollo de una metodología simple para la evaluación de la vulnerabilidad de un sistema de aguas subterráneas y el riesgo de que este se contamine por percolación de contaminantes de origen agropecuarios. Esta investigación es parte del proyecto “Desarrollo de una Metodología para la Evaluación y Mitigación de la Contaminación de Aguas y Suelos. Aplicación a la Cuenca del Río Chillán”, realizado por el Centro EULA Chile de la Universidad de Concepción y el Servicio Agrícola y Ganadero de Chile.
Los resultados presentados en este trabajo son preliminares y resultan de un trabajo consistente en la creación de índices de vulnerabilidad, riesgo y potencial de contaminación para el acuífero superficial de la Cuenca del Río Chillán (Figura 1). La segunda etapa de este proyecto consistirá en la validación de la metodología contrastando los valores de índices obtenidos con indicadores de calidad de aguas subterráneas. Para ello, se realizará una campaña de terreno en noviembre de este año.
Figura 1, Cuenca del Río Chillán
METODOLOGÍA
La vulnerabilidad de un acuífero frente a contaminación difusa de origen agropecuario puede ser definida como la facilidad con la cual un contaminante, aplicado en o cerca de la superficie del suelo, puede migrar al acuífero. Por otro lado, El riesgo puede ser definido como la posibilidad de que ocurra un evento indeseado, en este caso que un contaminante de origen agropecuario lixivie hasta el nivel freático.
La vulnerabilidad depende de la capacidad de atenuación natural que exista entre las fuentes de polución y el sistema hidrogeológico. A su vez, esta capacidad depende de las propiedades del acuífero, del suelo y del manejo agrícola que se efectúan sobre él. El riesgo depende de las actividades que se realicen sobre el acuífero.
El análisis de vulnerabilidad de un sistema de aguas subterráneas es útil para evaluar el riesgo de contaminación asociado a las prácticas agrícolas que se realizan en una determinada región, desarrollar estrategias de protección de los recursos naturales (suelo y agua) y elaborar planes de monitoreo y control.
La metodología que aquí se presenta esta basada en el desarrollo de un índice de vulnerabilidad que es presentado en la forma de cartas temáticas a través de un sistema de información geográfica (SIG). El desarrollo del índice de vulnerabilidad esta adaptado a la disponibilidad de datos en la cuenca en estudio. La idea central de este trabajo fue definir un índice de vulnerabilidad usando una combinación lineal de las variables que caracterizan los procesos de recarga y transporte de contaminantes a un sistema de aguas subterráneas.
Area de estudio
La Cuenca del Río Chillán incluye dos sectores, la parte alta de la cuenca, que corresponde a la Pre-Cordillera de los Andes y la parte baja que corresponde al Valle Central y es donde se centra este estudio. La parte baja se inicia en la localidad de Esperanza, donde la cuenca tiene un estrechamiento muy particular, y termina en la confluencia del río Chillán con el río Ñuble (figura 3). La superficie total del área de estudio, que alcanza una superficie aproximada de 561 km2 , está destinada a la realización de actividades agropecuarias.
Figura 3. Area de estudio
Variables consideradas
Para definir un índice de vulnerabilidad de un acuífero no confinado y superficial se definieron 10 variables agrupadas en cuatro conjuntos. Cada uno de estos conjuntos explica
un proceso que caracteriza la oportunidad de arribo de un contaminante al nivel freático o la capacidad de atenuación del acuífero:
1. Oportunidad que infiltre un contaminante
• Pendiente del suelo
• Velocidad de infiltración básica del suelo
2. Tiempo de residencia en el suelo no saturado
• Textura del primer horizonte de suelo
• Profundidad del primer horizonte de suelo
• Conductividad hidráulica del suelo no saturado
• Profundidad del nivel freático
3. Capacidad de dilució n en el acuífero
• Precipitación
• Proximidad a fuente de recarga (canales de riego)
4. Capacidad de evacuación de un contaminante.
• Cercanía a ríos que descargan el acuífero
• Tipo de formación geológica
Para definir el riesgo de contaminación del acuífero frente a contaminantes de origen agropecuario, Por falta de mayor información, sólo se pudo utilizar como variable el uso del suelo, que refleja la existencia de actividades productivas y de algunas prácticas agrícolas (riego y fertilización).
Creación de Indices
Los índices de vulnerabilidad y de riesgo se determinaron usando las siguientes relaciones, respectivamente: (1)
Donde
I: es el índice definido
Ri : valor de la variable dentro de un rango previamente definido
Pj : ponderación de la variable con respecto a las otras variables consideradas
Para crear el índice de vulnerabilidad se predefinieron rangos de variación para cada variable. A cada rango se le asignaron valores del 1 al 10, donde el 10 representa el valor de la variable que tiene un mayor efecto sobre la vulnerabilidad del acuífero y 1 el valor que tiene el menor.
En el caso de las variables que representan protecció n al acuífero se asignaron valores negativos, donde–1 representa el menor efecto de protección y el -10 representa el mayor efecto de protección. La ponderación de cada variable se realizó de acuerdo a la
importancia que se estima que ella tenga en la vulnerabilidad. Se asignaron “pesos” de 1 a 5, donde 5 fue asignado a las variables de mayor importancia
Cartas temáticas
Las cartas temáticas utilizadas para el análisis fueron producidas por el Centro EULA o por el Departamento de Riego y Drenaje de la Universidad de Concepción. Cada carta presenta la distribución de una variable en el área de análisis. El análisis fue realizado usando el software ARCVIEW. Algunos de las cartas temáticas utilizadas se presentan a continuación (figuras 4 a 9):
Figura 4. Textura de suelos
Figura 5. Profundidad del suelo.
Figura 6. Velocidad de Infiltración Básica del suelo.
Figura 7. Profundidad del nivel freático.
Figura 9. Posibilidad de recarga por cercanías a un canal.
Para crear los índices usando ARCVIEW se definió sobre el área de estudio una malla rectangular con celdas de 250 por 250 metros cuadrados. En el centro de cada celda se definió un nodo (Esto fue en equivalente a crear un formato Raster). A cada nodo se le asignaron los valores medios de la variables en la celda. Con esto se generó una base de datos tabular en la cual fue posible realizar las operaciones matemáticas para crear los índices.
Sobreponiendo las cartas de vulnerabilidad con la de riesgo se crea una carta que índica el potencial de contaminación del acuífero en estudio.
Los valores obtenidos de los índices fueron llevados a una escala normalizada, de 1 a 100, donde 1 corresponde al mínimo valor posible de calcular para el índice y 100 el máximo. Esta escala fue dividida en seis rangos o categorías que se presentan en la tabla 1:
Tabla1. Categorías de índices. Categorías de índices Muy Baja 0-16 Baja 17-33 Moderada 34-50 Alta 51-67 Muy Alta 68-84 Extrema 85-100
Contrastación con datos reales
Como existen algunos datos de concentración de nitratos medidos en norias de la cuenca del Río Chillán se exploro la existencia de alguna relación entre los valores de índice
calculados y los valores de concentración de nitratos calculados. Para ello, se realizó un ajuste lineal de mínimos cuadrados entre el índice potencial de contaminación y la concentración de nitratos de muestras obtenidas en pozos norias ubicadas en la cuenca del río Chillán.
La figura 13, muestra el ajuste lineal de los datos considerados, donde los límites superior e inferior corresponden al intervalo de confianza, que de acuerdo a observaciones futuras de muestras, representaría el valor esperado de índice potencial. La correlación obtenida fue significativa, lo cual indica que existe una relación entre el índice y los datos de terreno.
Figura 13. Gráfico de ajuste lineal de concentración de nitratos v/s índice potencial de contaminación
CONCLUS IONES
La metodología desarrollada permite discriminar sectores con distintos niveles de vulnerabilidad de acuerdo a las características del acuífero.
Las principales variables que afectan la vulnerabilidad del acuífero superficial son textura y profundidad del primer horizonte del suelo, velocidad de infiltración, conductividad hidráulica del suelo no saturado y profundidad del nivel freático.
El sector que presenta un mayor riesgo potencial de contaminación corresponde al área localizada alrededor de la ciudad de Chillán. Se recomienda considerar medidas de protección para el acuífero superficial esa área.
La zona de elevada vulnerabilidad natural se encuentra al sur de la ciudad y sectores con alta vulnerabilidad se encuentran inmediatamente al este y nor-oeste de dicha ciudad.
Para validar esta metodología se deberá realizar un monitoreo más extenso de control de la calidad de agua presente en el acuífero superficial de la zona baja de la cuenca del río Chillán.
El uso de índices es una herramienta robusta que permite conceptualizar problemas complejos identificando las principales variables o parámetros que afectan el problema en estudio y establecer relaciones simples entre ellas.
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