VULNERABILIDAD DE ACUÍFEROS

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VULNERABILIDAD DE ACUÍFEROS

Luís Filipe Tavares Ribeiro

Investigador Prometeo, Escuela Superior Politécnica del Litoral, Guayaquil, Ecuador

1.

INTRODUCCIÓN

Vrba y Zoporozec (1994) proponen una definición de la vulnerabilidad de las aguas subterráneas como "una propiedad intrínseca de un sistema de agua subterránea que depende de la sensibilidad de ese sistema a los impactos humanos y/o naturales”. Distinguen vulnerabilidad intrínseca de vulnerabilidad específica; el primer término se define únicamente en función de los factores hidrogeológicos y el segundo término es definido por el impacto potencial de usos y contaminantes específicos. En otras palabras, la vulnerabilidad específica integra el riesgo de contaminación puesto sobre acuíferos por las actividades humanas. La necesidad de proporcionar a las autoridades una herramienta útil para apoyar la toma de decisiones en materia de planificación y ordenación del territorio impulsa la necesidad de evaluar el grado de vulnerabilidad de las diferentes formaciones acuíferas.

La vulnerabilidad de contaminación del agua subterránea no es una característica que se puede medir in situ. Esto se debe a que muchos de los factores que influyen son difíciles de medir in situ: i) ciertas áreas son más susceptibles a la contaminación que otros, ii). la magnitud de la eficacia de los procesos de atenuación naturales puede variar drásticamente de un lugar a otro y, iii) el lugar donde es más probable que ocurra la contaminación varía con la litología de las formaciones.

Los primeros intentos para representar la vulnerabilidad de las aguas subterráneas en los mapas fueron hechos por Margat (1968) en Francia. Desde entonces, muchos métodos y técnicas se han desarrollado en relación con su representación gráfica y numérica, que se puede utilizar con fines de gestión o

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de toma de decisiones. Estos métodos se pueden agrupar en tres grupos básicos: métodos hidrogeológicos, métodos paramétricos y modelos numéricos (Vrba y Zoporozec 1994). En general, la evaluación de la vulnerabilidad privilegia métodos mediante la construcción de una jerarquía de clases se calcula de un índice adimensional..

Varios métodos y enfoques para evaluar la vulnerabilidad de los acuíferos están disponibles. Magiera (2000) identificó cerca de 70 técnicas diferentes para su uso a nivel local, regional y nacional con diferentes objetivos, como la planificación del uso del suelo, el establecimiento de zonas de protección y evaluación.

Métodos sencillos, utilizando sólo la información litológica se aplican actualmente para grandes escalas 1:1000000 (Fig. 1). Estos métodos son muy subjetivos ya que tienen que atribuir clases de permeabilidad a los tipos litológicos. Hay otros métodos de evaluación -llamados paramétricos - basado en la selección de un conjunto de parámetros considerados representativos para evaluar el grado de vulnerabilidad. Los métodos paramétricos incluyen DRASTIC (Aller et al.1987) AVI (van Stempvoort et al., 1993, y GOD (Foster, 1987). Ellos definen generalmente intervalos discretos según el cual para cada intervalo se le asigna un valor o tipo de valores que reflejan el grado de contaminación de sensibilidad. Además, se puede utilizar un sistema de ponderación.

Además de estos métodos intrínsecos de evaluación existen métodos para evaluar la vulnerabilidad específica. Estos se pueden dividir en litológicos, tal como el EPIK, desarrollado para acuíferos kársticos (Doerfliger y Zwahlen 1997) u orientados para un contaminante especifico tal como el IS para el nitrato (Ribeiro, 2000).

El factor determinante en la elección de los métodos más apropiados para la evaluación de la vulnerabilidad de los acuíferos es la disponibilidad de datos cuantitativos y cualitativos en número suficiente de las características hidrológicas, hidrogeológicas y geomorfológicas del acuífero.:. El método elegido puede tener una naturaleza más expedita sin la necesidad de generar estimaciones con los niveles de incertidumbre altas o el uso de un gran número de parámetros. La mayoría de los métodos de evaluación de la vulnerabilidad

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Figura 1 Mapa de vulnerabilidad de las aguas subterráneas a la contaminación de Portugal, utilizando un método hidrogeológico ( INAG, 1998)

tienen una naturaleza empírica que resulta en la aparición de una amplia gama diferente interpretaciones por diferentes expertos.

Por otra parte, el hecho de que estos modelos empíricos no están calibrados en general y rara vez validados con datos reales, puede levantar dudas si los

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mapas de vulnerabilidad proporcionan o no resultados fiables. Algunos estudios de caso muestran exitosos resultados y otros casos muestran una clara discrepancia entre los mapas de vulnerabilidad y las concentraciones de contaminantes observados en las aguas subterráneas.

Sin embargo, los estudios de campo muestran que los métodos que incorporan información sobre el tipo de cobertura de la tierra y / o el tipo de actividades asociadas humanos (por ejemplo, el tipo y la naturaleza de las prácticas agrícolas) y no sólo las características intrínsecas, se desempeñan mejor que los métodos puramente intrínsecos (Stigter et al., 2006). Un aspecto negativo es la arbitrariedad del sistema de ponderación de los parámetros utilizados, ya que los resultados obtenidos por el consenso de un grupo de expertos se han obtenido en un entorno hidroclimático específico, siendo exportado para evaluar la vulnerabilidad en realidades dispares (por ejemplo DRASTIC). Otra de las críticas que a menudo se dio luz verde para el método DRASTIC es la redundancia en los parámetros utilizados para el cálculo del índice. Tal es el caso de los parámetros S y I cuya influencia anula la influencia de la parte de la zona no saturada. El mismo tipo de redundancia existe para el tipo de parámetros del acuífero y conductividad hidráulica.

Aunque los autores (cf. Aller et al., 1987) de pronto han reconocido que existe una clara interacción entre algunos parámetros, comprendieron que la eliminación de algunos de ellos implicaba una pérdida de información valiosa sobre los resultados del índice. La reacción natural fue el desarrollo de métodos que integran un número reducido de parámetros, tales como AVI o GOD, pero sin perder la representatividad de los principales procesos o la integración del uso de la tierra de parámetros y un nuevo sistema de ponderación, como el SI.

Sin embargo, la necesidad de sintetizar las características de vulnerabilidad en un número mínimo de parámetros no está exenta de aspectos perjudiciales. Por ejemplo el uso de AVI es altamente dependiente de si existe en la zona en estudio una serie de registros litológicos importantes con representación espacial, para estimar el espesor y la conductividad hidráulica de las unidades hidro-estratigráficos por encima de la capa freática.

Finalmente, la gran mayoría de los métodos ignoran parámetros que pueden tener un papel importante en la evaluación de la vulnerabilidad en ciertas áreas

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tales como el gradiente hidráulico, la porosidad y el contenido de humedad del suelo y diferentes propiedades reactivas y de absorción / adsorción.

2 METODOS

2.1 DRASTIC

El método DRASTIC que fue desarrollado por National Water Well Association (Aller et al., 1987) en conjunto con a U.S. Environmental Protection Agency (EPA) considera un número de 7 parámetros que contribuyen al cálculo del índice:

Depth to water (D)- profundidad de la capa freática Recharge (R)- recarga

Aquifer media (A) (A) - Material del acuífero Soil media (S) - tipo de suelo

Topografy (T) - topografía

Impact of Vadose Zone (I)- impacto de la zona no saturada Hydraulic Conductivity (C)- conductividad hidráulica

La profundidad del nivel freático (D) indica el espesor de la zona no saturada que es atravesado por la infiltración de agua de lluvia y que arrastra el contaminante hasta alcanzar el acuífero.

Períodos de mayor precipitación se deben utilizar preferiblemente en el cálculo del índice DRASTIC. Cuánto menor la profundidad del agua, más alta es la probabilidad del contaminante alcanzar el acuífero.

La Recarga (R) es la cantidad de agua por unidad de superficie de suelo que contribuye a alimentar el acuífero. Es el vehículo principal que transporta el contaminante. La recarga se debe principalmente a la fracción de precipitación que no es evapotranspirada o que se pierde por escorrentía superficial o sub-superficial.

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El material del acuífero (A) determina la movilidad de los contaminantes. Cuanto mayor sea el tiempo de residencia de los contaminantes en el acuífero, más atenuado será su efecto.

Del suelo (S) corresponde a la parte superior de la zona no saturada caracterizado por una intensa actividad biológica. En combinación con el parámetro A que determinan la cantidad de agua de filtración que llega a la superficie freática. Por ejemplo suelos arcillosos y limosos tienen una mayor capacidad la retención de agua y por lo tanto aumentan el tiempo de residencia del contaminante en la zona no saturada.

La topografía (T) contribuir al cálculo del índice DRASTIC en función de pendiente mayor es la menos empinada será el potencial de contaminación debido a mayor escorrentía.

El impacto (I) de la zona no saturada determina el tiempo que lo contaminante toma para llegar a la capa freática.

La conductividad hidráulica (C) determina la cantidad de agua que se mueve a través del acuífero por unidad de tiempo y por unidad de área. Materiales muy permeables acortan el tiempo que toma para contaminar el acuífero

Cada parámetro se divide en intervalos de valores o en tipos significativos y clasificados 1 y 10 dependiendo de su impacto en relación al potencial de contaminación. Estas subdivisiones se muestran en las tablas 1, 2 , 3 y 4.

Tabla 1: Clases de Profundidad, Recarga, Topografía, Conductividad Hidráulica sus clasificaciones de acuerdo con el método DRASTIC

P (m) Clas. R (mm) Clas. T (%) Clas. K ( m/s ) Classif

< 1.5 10 < 51 1 < 2 10 0 – 4.1 10 1.5 - 4.6 9 51 - 102 3 2 – 6 9 4,1 -12.2 9 4,6 – 9.1 7 102 - 178 6 6 – 12 5 12.2 – 28.5 7 9.1 – 15.2 5 178 - 254 8 12 – 18 3 28,5 - 40,7 5 15.2 – 22.9 3 >254 9 >18 1 40,7 - 81,5 3 22.9 – 30.5 2 > 81,5 1 >30.5 1

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Tabla 2: Clases del medio acuífero y sus clasificaciones de acuerdo con el método DRASTIC

Medio acuífero clasificación

Esquisto masivo 1 -3 (2) Rocas metamórficas / ígneas 2 – 5 ( 3) Rocas Metamórficas / ígneas alteradas 3 – 5 (4) Glacial till 4 – 6 (5) Arenisca, caliza , secuencias de esquistos 5 – 9 ( 5) Arenisca assiva 4–9 (6) Piedra caliza masiva 4–9 (6)

Arena y grava 4–9 (6)

Basalto 2–10 (9)

Caliza kastificada 9–10 (10)

Tabla 3: Clases de la zona no saturada y sus clasificaciones de acuerdo con el método DRASTIC

Zona No Saturada classificación

Camada confinante 1

Arcilla - silte 2 - 6 (3) Esquisto arciloso 2 - 6 ( 3)

Caliza 2 - 5 ( 3 )

Arenisca 2 – 7 (6)

Arenisca, caliza y argilito estratificado 4 – 8 (6) Arena con percentage significativa de arcila 4 -8 (6)

Arena e balastro 4- 8 (6)

Basalto 2 – 10 (9)

Caliza karstificada 8 – 10 ( 10)

Tabla 4: Clases desuelo y sus clasificaciones de acuerdo con el método DRASTIC Suelo classificación Fino o ausente 10 balastro 10 Arena 9 turba 8

arcilla agregada o expansivo 7

franco arenoso 6

franco 5

Franco siltoso 4

Franco arciloso 3

lodo 2

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El índice final se obtiene por la suma ponderada del número de clasificaciones obtenidas. Los pesos utilizados, que puede asumir los valores de 1 a 5 se determinaron en un panel Delphi de expertos, cuya decisión se basó en su opinión sobre la importancia atribuida a cada uno de los siete parámetros Tabla 5

Tabla 5 – Sistema de ponderadores DRASTIC

parametro D R A S T I C

peso 5 4 3 2 1 5 3

Un mapa DRASTIC se muestra en la figura 2

Figura 2 – Mapa DRASTIC del Acuífero del Tejo-Sado, Portugal ( Paralta et al., 2001)

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El Índice DRASTIC entre 23 y 226 está repartido en 8 clases haciendo corresponden a cada clase de un determinado color. Cuanto mayor sea el índice asignado a un área determinada, mayor es su vulnerabilidad a la contaminación

2.2 AVI

El método AVI (Acuífer Vulnerabilty Index) desarrollado por (Van Stempvoort et al., 1993) estima el grado de vulnerabilidad basado únicamente en dos parámetros:

D j - el espesor de la capa j litológica encima del acuífero superior; K j – la conductividad hidráulica en cada capa j.

La resistencia hidráulica de esta capa está dada por

= para todas las capas 1 a n

El parámetro RH tiene dimensiones [T], que representa la resistencia de las capas al pasaje de un contaminante por advección.

En la tabla 6 se presenta las clases de vulnerabilidad de acuerdo con los intervalos de log RH y en la figura 3 un ejemplo de aplicación del método AVI.

Tabla 6– Clases de vulnerabilidad AVI log RH (años) VULNERABILIDAD

< 1 muy alta

1 -2 alta

2 – 3 media

3 -4 baja

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Figura 3 – Mapa AVI

2.3 GOD

En el método GOD desarrollado por Foster (Foster, 1987) se consideran 3 parámetros:

Groundwater occurrence - Ocurrencia aguas subterráneas

Lithology of the Overlying layers- Litología de capas superiores

Depth of groundwater- la profundidad de la capa freática

El cálculo del valor se realiza a partir de un conjunto de operaciones secuenciales que se muestra en la figura

Primero se elige el valor del parámetro G, multiplicando entonces el valor asignado al parámetro O. El resultado de esta operación será finalmente multiplica por el valor asignado a D.

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Figura 4 – Secuencia para el cálculo del índice GOD

Estos valores se dividirán en cinco clases correspondientes a diferentes grados de vulnerabilidad (Tabla 7).

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Tabla 7 – Clases de vulnerabilidad de acuerdo con el índice GOD Indice GOD Vulnerabilidad

0.7 – 1 muy alta 0.5 – 0.7 alta 0.3 – 0.5 moderada 0.1 – 0.3 baja

0 – 0.1 muy baja

En la figura 5 se muestra un resultado de aplicación del método GOD

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2.4 EPIK

El método EPIK fue desarrollado específicamente para la evaluación de la vulnerabilidad de acuíferos kársticos (Doerfliger y Zwahlen 1997).

El índice es construido sobre la base de los cuatro parámetros siguientes: E - Epicarso

P - Cubierta de protección

I - Condiciones para la infiltración K - Desarrollo de la red kárstica

A cada parámetro se le asigna un valor de acuerdo con una clasificación que tuvo en cuenta el posible impacto de la contaminación (ver Tablas 8 a 11). Tabla 8 – Clases del epicarso

Epicarso Aspectos de la geomorfología kárstica Clasificación E1 Sumideros, dolinas afloramientos muy

fracturados

1 E2 Zonas intermediarias en alineamiento de

dolinas, vales secos, afloramientos con fracturación media

3

E3 Ausencia 4

Tabla 9 – Clases del cobertura de protección Cobertura de

protección

Espesor del suelo por encima del acuífero kárstico Clasificación P1 0 – 20 cm 1 P2 20- 100 cm 2 P3 1 -8 m 3 P4 >8 m 4

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Tabla 10 – Clases de condiciones de infiltración Condiciones

de infiltración

Tipo Clasificación I1 Cursos de agua de carácter perene o

temporario que alimentan sumideros y dolinas

1

I2 Áreas de cuenca hidrográfica con pendientes > 10% en áreas de cultivo y >

25% en prados y pastajes

2

I3 Áreas de cuenca hidrográfica con pendientes < 10% en áreas de cultivo y <

25% en prados y pastajes

3

I4 La restante área de la cuenca hidrográfica 4 Tabla 11 – Clases de la red kárstica

Red kárstica Grado de desarrollo Clasificación E1 Moderado a muy desarrollado 1

E2 Débil 3

E3 Acuíferos sin karst 4

El factor de protección F se calcula a partir de la siguiente expresión F = 3 x Ei + Pj + 2 x Ik + 2 x Kl

F puede tener valores entre 9 y 34. Los grados de vulnerabilidad se asignan de acuerdo con la tabla 12

Tabla 12 – Clases de vulnerabilidad del índice EPIK Índice EPIK Vulnerabilidad

<= 19 Muy alta 19 < F <= 25 Alta

F > 25 Moderada F > 25, P=P4, I = I3 o I = I4 Baja

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En la figura 6 se puede ver un ejemplo de aplicación del índice EPIK

Figura 9 Mapa EPIK del acuífero Querença – Silves, Portugal ( Amaro et al., 2006)

2.5 IS

El Índice de Susceptibilidad (IS), una adaptación del método DRASTIC, fue desarrollado Ribeiro (Ribeiro 2000), para evaluar la vulnerabilidad de acuíferos a gran escala (1: 50,000 a 1:200.000) con respecto a la contaminación difusa agrícola. La adaptación principal es la adición de un parámetro LU (Land Use) uso del sueleo abandonando así el concepto de un método puramente intrínseco. El nombre del índice está en armonía con la definición de la susceptibilidad, es decir, la falta de capacidad para resistir el impacto de los contaminantes en la calidad de las aguas subterráneas, proporcionado por Vrba y Zoporozec (1994). Los principales tipos de uso de suelo y sus calificaciones asignadas proporcionados por un equipo de expertos portugueses (Ribeiro 2000) se muestran en la Tabla 1

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Tabla 13 – Usos del suelo y su clasificación

Uso del suelo Clasificación

Perímetros de riego (cultivos anuales), campos de arroz 90

Cultivos permanentes (huertos, viñedos, ..) 70

Áreas agrícolas heterogéneas 50

Pastos y zonas forestales 50

Zonas artificiales, descargas de residuos industriales, vertederos 100

Canteras, astilleros, minas a cielo abierto 80

Áreas continuas urbanas, aeropuertos, puertos, ferrocarriles, carreteras, zonas de actividad industrial o comercial 75

Áreas continuas urbanas 70

Espacios naturales ambientes acuáticos (marismas, salinas, zonas intermareales) 50

Forestas y zonas semi-naturales 0

Cuerpos de agua 0

Hay tres parámetros DRASTIC que se dejaron deliberadamente de fuera de la construcción del IS. Dos de estos incluyen el suelo (S) y el impacto de la zona no saturada (I), lo que sugiere que su influencia directa sobre la contaminación relacionada con prácticas agrícolas es de poca importancia.

El tipo de suelo está representada indirectamente por el uso del suelo, a pesar de que muchos autores -, incluyendo Foster (1987) y Vrba y Zoporozec (1994) - haber reconocido que el suelo puede tener un gran potencial de atenuación, especialmente cuando es rico rica en minerales de arcilla y materia orgánica. La zona no saturada puede tener también una alta capacidad de atenuación y evitar la lixiviación del contaminante a las aguas subterráneas. Sin embargo, en el caso de contaminante persistente y móvil, el proceso de atenuación es insignificante (Foster 1987). El nitrato es extremadamente móvil, ya que no forman minerales insolubles que podrían precipitar y no se adsorbe significativamente bajo las condiciones presentes en el acuífero. Sólo en condiciones anaeróbicas y en presencia de materia orgánica (o cualquier otro material que contenga potencial de reducción) puede tener lugar el proceso de de-nitrificación.

El último parámetro DRASTIC no incorporado en IS es la conductividad hidráulica del acuífero (C). Este parámetro es muy difícil de evaluar espacialmente porque raramente hay suficientes datos para proporcionar una

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imagen precisa. Por otra parte, la conductividad hidráulica está ya cualitativamente representada por el parámetro A, resultando en un exceso de peso de este factor en comparación con los otros.

El resto de parámetros son:

- Profundidad de aguas subterráneas (D), en relación con un corto tiempo de viaje del contaminante en la zona no saturada y por lo tanto pocas posibilidades de atenuación

Las calificaciones asignadas a las clases desde D, R, A y T son los mismos de DRASTIC (tablas 2 y 3) y son multiplicados por 10

El sistema de ponderadores de IS también se determinó con base en un equipo de expertos portugueses (Ribeiro 2000) y se indica en la Tabla 4.

Tabla 5 – Sistema de ponderadores IS parametro D R A T LU peso 0.186 0,212 0,259 0,121 0,222 En la figura 10 se puede visualizar un mapa IS.

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Figura 10 – Mapa IS del acuífero del Tejo-Sado, Portugal ( Paralta et al., 2001)

AGRADECIMIENTO

El presente trabajo fue patrocinado por el proyecto PROMETEO de la Secretaria de Educación, Ciencia, Tecnología e Innovación de la República del Ecuador en el marco del Proyecto: Fortalecimiento de las capacidades nacionales en HIDROGEOLOGÍA CUANTITATIVA: conceptos, métodos y técnicas, que se realiza en CADS-ESPOL

REFERENCIAS

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MAGIERA (2000)- "Methoden zur Abschatzung der Verschmutzungsempfindlichkeit des Grundwassers" – Grundwasswer 3/2000: 103-114

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