EVALUACION DEL RIESGO DE CONTAMINACION DE AGUAS SUBTERRANEAS CON COMPUESTOS ORGANICOS VOLATILES. CASO DE LA CIUDAD DE SANTIAGO DE CHILE Ana María Sancha F. (*) Universidad de Chile Químico, Licenciada en Química. Profesor Asociado de la División de Recursos Hídricos y Medio Ambiente del Departamento de Ingeniería Civil de la Universidad de Chile. Experta en Calidad y Contaminación de Aguas, Impacto de Contaminantes en el Medio Acuático y Tratamiento de Aguas. Numerosas publicaciones de investigación y docencia en estas áreas. Profesora de Calidad de Aguas, Residuos Industriales Líquidos y Manejo de Aguas Residuales en programas de pre y post grado de la Universidad de Chile. Directora de proyectos de investigación en los temas Arsénico y Medio Ambiente, Antecedentes para la Regulación de Tóxicos en Chile, Residuos Industriales Líquidos e Impacto Ambiental de Contaminantes. Carlos Espinoza Universidad de Chile Departamento de Ingeniería Civil Universidad de Chile Casilla 228-3, Santiago, Chile Fono: (56 2) 678 4400 Fax: (56 2) 6894171 [email protected] RESUMEN Este trabajo presenta los resultados más relevantes de un análisis sobre el riesgo potencial de contaminación de las aguas subterráneas de la Región Metropolitana, Chile, debido a la presencia del aditivo MTBE agregado a la gasolina para disminuir las emisiones contaminantes a la atmósfera. Se incluye en este trabajo la comparación entre mapas de vulnerabilidad desarrollados a partir de dos métodos distintos y la evaluación del riesgo potencial de contaminación de las aguas subterráneas. Palabras Claves: agua subterránea, vulnerabilidad, Compuestos Orgánicos Volátiles INTRODUCCION El agua subterránea constituye una importante fuente de abastecimiento de agua potable para la ciudad de Santiago y por tanto debiera ser tarea prioritaria mantener su calidad evitando cualquier riesgo de contaminación. Las especiales condiciones geográficas y meteorológicas de la ciudad de Santiago hacen de ella una metrópolis que experimenta grandes problemas por contaminación atmosférica, especialmente en los meses fríos. Esta situación lleva a la constante búsqueda de soluciones a este importante problema ambiental. Una de las posibles soluciones que se ha planteado podría ser la adición de un oxigenante del tipo MTBE (Metil Ter Butil Eter) a los combustibles a objeto de disminuir las emisiones contaminantes a la atmósfera. A nivel internacional existe experiencia sobre el uso de gasolinas oxigenadas, siendo el éter metil-terciario-butílico (MTBE), el aditivo más ampliamente utilizado por su bajo costo, fácil producción y favorables características de mezcla y transferencia. El MTBE es un compuesto que ha sido utilizado, internacionalmente, con estos fines y que ha mostrado ser un importante agente contaminante de aguas subterráneas. El MTBE es un contaminante preocupante para el abastecimiento de agua potable por sus efectos en sabor y olor, riesgos potenciales a la salud, tendencia a migrar mucho más rápido que otros constituyentes de la gasolina en aguas subterráneas y resistencia a los procesos convencionales de tratamiento de agua potable.

1

Este trabajo presenta los resultados más relevantes de un estudio en el que se evaluó el riesgo potencial de contaminación de las aguas subterráneas del sistema acuífero de la ciudad de Santiago que se produciría si se agrega un aditivo, como el MTBE, al combustible utilizado en la Región Metropolitana. ANTECEDENTES GENERALES El Plan de Descontaminación Ambiental de la Región Metropolitana contempla entre sus muchas acciones la adición de un oxigenante a la gasolina a objeto de reducir las emisiones de monóxido de carbono (CO) y compuestos orgánicos volátiles (VOCs) a la atmósfera. A nivel internacional existe experiencia sobre el uso de gasolinas oxigenadas, siendo el eter metil-terciario-butílico (MTBE), de fórmula estructural CH3OC(CH3)3, el aditivo más ampliamente utilizado por su bajo costo, fácil producción y favorables características de mezcla y transferencia. El MTBE es un compuesto volátil, altamente soluble en agua, con bajo coeficiente de partición agua-suelo (log Kow 0.94-1.30) por lo que se adsorbe solo muy débilmente al suelo y al material del acuífero. Por esto la pluma del MTBE no se retarda por adsorción en el suelo y se mueve a la misma velocidad que lo hace el agua subterránea. Las especiales características químicas del MTBE hacen que sea posible encontrarlo en la atmósfera y el agua, situación que para Santiago podría revistir especial gravedad. En Estados Unidos se ha añadido MTBE a la gasolina en concentraciones de hasta 17% en volumen y en Canadá, en concentraciones de 15%. En la gasolina no oxigenada los compuestos orgánicos volátiles: benceno, tolueno, etilbenceno y xileno, más conocidos como grupo BTEX, son los componentes más solubles y más móviles. En la gasolina oxigenada el MTBE es aún más soluble y móvil que cualquiera de ellos. La experiencia internacional también indica que en los países que han estado utilizando MTBE, en general, éste se ha detectado en aguas subterráneas poco profundas de áreas urbanas donde este compuesto se usa intensivamente y no así en aguas subterráneas, tanto superficiales como profundas, de áreas agrícolas. También se han encontrado trazas de MTBE en muestras de sedimentos adyacentes a carreteras y centros urbanos de alta densidad de tráfico y en las cercanías de estaciones de distribución de combustibles. Los factores que afectan el transporte de MTBE a través de la zona no saturada son la profundidad del agua, tasas de recarga, permeabilidad de la zona no-saturada y otras características hidrogeológicas. Como el MTBE es móvil y persistente en el agua subterránea, es razonable esperar que se moverá de aguas poco profundas a profundas con el tiempo, pero no se sabe con que rapidez y a que concentración. El MTBE puede entrar al ambiente desde una variedad de fuentes, algunas de tipo puntual como descargas industriales y otras de tipo no puntual como las emisiones originadas en distintas etapas del ciclo de los combustibles: pérdidas por evaporación desde estaciones de servicio sin sistemas de recuperación de vapores, filtraciones de estanques de almacenamiento, fugas de tuberías del sistema de distribución y otros derrames accidentales, emisiones de vehículos en vías y túneles, motores de embarcaciones en aguas recreacionales, etc. Las fugas y filtraciones desde estanques de almacenamiento pueden contaminar suelos y aguas subterráneas. El potencial uso de este compuesto plantea la necesidad de evaluar el riesgo de contaminación del agua subterránea derivado de fugas desde estanques enterrados de almacenamiento de combustibles que se expenden en las estaciones de servicios diseminadas en toda la ciudad, así como el riesgo derivado de la infiltración de aguas lluvias y escorrentías urbanas contaminadas con este compuesto orgánico, situación especialmente grave en la ciudad de Santiago por la magnitud que puede llegar a alcanzar la contaminación atmosférica. Un catastro realizado en la ciudad de Santiago durante el año 2000 arrojó un total de 467 estaciones de servicio, con un conjunto de 8 comunas en las que sitúan más del 50% de ellas. Para el desarrollo de este estudio de riesgo potencial de contaminación de las aguas subterráneas del acuífero de la ciudad de Santiago se consideró una primera etapa que incluyó la revisión de información existente en estudios previos realizados en la Región Metropolitana. Como resultado de esta revisión se elaboraron planos de ubicación con las captaciones subterráneas (pozos de bombeo y norias) existentes en la Región Metropolitana y el uso de cada una de ellas (Agua Potable, Riego, o Industrial). Simultáneamente se realizó una evaluación del potencial impacto del aditivo MTBE (Metil Ter Butil Eter) sobre las aguas subterráneas, así como una evaluación general de la vulnerabilidad de los sistemas acuíferos de la Región Metropolitana. Finalmente se realizó un análisis del riesgo a la contaminación, por

2

estaciones de servicio, que presentan las formaciones acuíferas de la Región Metropolitana. La Figura 1 muestra dos mapas que ilustran parte de la información existente en la zona de estudio, en lo que respecta a las captaciones subterráneas, profundidad del nivel piezométrico o freático durante el segundo semestre de 1998, y la distribución espacial del tipo de acuífero (confinado o libre) que se encuentra en la zona de estudio.

Figura 1 Características Principales Sistema Acuífero Ciudad de Santiago ANALISIS DE VULNERABILIDAD La definición tradicional de Vulnerabilidad de un Acuífero se refiere a la susceptibilidad natural que presenta a la contaminación, y está determinada principalmente por las características intrínsecas del acuífero. De acuerdo al National Academy Council (1993) el concepto de Vulnerabilidad del Agua Subterránea se refiere a la tendencia o probabilidad que un contaminante alcance una posición especificada en el sistema acuífero, después de su introducción en algún punto sobre el terreno. La vulnerabilidad de un acuífero es función de la resistencia de la zona no saturada a la penetración de contaminantes, así como de la capacidad de dicha zona de atenuar o reducir la acción del o los agentes contaminantes. La capacidad de resistencia de la zona no saturada depende de varios factores, entre los cuales destacan: el grado de confinamiento del acuífero, la profundidad del nivel de agua dentro del medio poroso permeable, así como la humedad y permeabilidad vertical en la zona no saturada. Por su parte, la capacidad de atenuación se relaciona con los distintos procesos que tienen lugar dentro de la zona no saturada del suelo, entre los que se cuentan: dispersión, dilución, decaimiento, hidrólisis, adsorción, entre otros. La vulnerabilidad de la formación acuífera definida a partir de los conceptos anteriores no incluye aspectos relacionados con el uso del suelo, el tipo y características químicas de los contaminantes depositados

3

o los usos del recurso hídrico subterráneo. La mejor forma de representar la vulnerabilidad de un acuífero es a través de mapas que permitan visualizar en forma simple aquellos sectores que sean más sensibles. La literatura especializada (National Academy Council, 1993) señala tres enfoques generales que pueden ser utilizados para evaluar la vulnerabilidad de una formación acuífera: • • •

Métodos de índices y superposición Métodos que emplean modelos de simulación Métodos estadísticos

El enfoque utilizado en este artículo corresponde a aquel desarrollado por Foster e Hirata (1988), que se enmarca dentro de las metodologías de índices y superposición. En el caso particular de este estudio se comparó dos metodologías alternativas, ambas derivadas de la idea original del método GOD presentado por Foster e Hirata (1988). Las metodologías utilizadas en este análisis de vulnerabilidad se presentan a continuación. a) Método GOD diseñado por Foster e Hirata (1988). Esta metodología, denominada GOD (Groundwater, Overall and Depth), calcula un índice de vulnerabilidad de acuífero basado en los valores de tres atributos o propiedades de éste: • • •

grado de confinamiento o tipo de acuífero, G. litología y grado de consolidación de los estratos ubicados encima de la zona saturada, O. profundidad de la napa freática, D.

El método GOD estima la vulnerabilidad del acuífero a partir de la multiplicación de valores numéricos para los tres atributos discretos mencionados. En este método se asignan valores numéricos entre 0.0 y 1.0 a los atributos anteriormente descritos. De esta manera, un valor del atributo cercano a 0.0 indica un bajo nivel de vulnerabilidad, mientras que un valor cercano a 1.0 implica que dicho sector es excesivamente vulnerable. La metodología GOD se presenta resumida en la Figura 2.

Figura 2 Método GOD para Evaluación de Vulnerabilidad

4

b) Método basado en la profundidad de la napa subterránea. En el marco específico de este estudio es necesario recordar que compuestos que presentan una alta solubilidad en agua y no son afectados por degradación natural representan un peligro latente para sistemas acuíferos. Lo anterior se ve agravado por el hecho de que estos compuestos no presentan una atenuación natural en la zona no saturada del suelo con lo cual en el caso de su incorporación al suelo se moverán verticalmente hasta alcanzar el nivel freático. Lo anterior lleva a considerar una definición alternativa de vulnerabilidad a la contaminación de la formación acuífera, la que se basa en el concepto de vulnerabilidad asociada a tiempo de viaje o tránsito a través de la zona no saturada del suelo. En este nuevo esquema se considera que un acuífero es altamente vulnerable si presenta su nivel freático muy superficial con lo cual el tiempo de tránsito de un compuesto contaminante sería más reducido que en el caso de un acuífero más profundo. Para la definición de zonas de vulnerabilidad se considera la discretización entregada por Foster e Hirata (1991) para el atributo profundidad del acuífero, con lo cual se tiene la información indicada en la Tabla 1. TABLA 1: Indice de Vulnerabilidad basado en Profundidad del Acuífero Profundidad (m) Categoría de Símbolo Vulnerabilidad Despreciable D >100 Baja B 20 - 100 Moderada M 5 - 20 Alta A 21 3 Alto Para evaluar el Riesgo de Contaminación se diseñó una matriz de transformación, la que permite cruzar los atributos de Vulnerabilidad del Acuífero y Estaciones de Servicio (NIEst) para las distintas comunas de la Región Metropolitana. La matriz de transformación se presenta en la Tabla 3. TABLA 3: Matriz de Transformaciones

NIEst

Vulnerabilidad del Acuífero 3 2 1

Alta Alta Media Media

Media Media Media Baja

Baja Baja Baja Baja

A partir de la información de la Tabla 3 se identificó los niveles de riesgo para cada una de las comunas de la Región Metropolitana, para lo cual se ha considerado la vulnerabilidad de la formación acuífera junto al indicador de Estaciones de Servicio. Como resultado de este análisis se obtuvo las comunas con riesgo alto, medio y bajo. El análisis de riesgo realizado con la información disponible de Vulnerabilidad y Estaciones de Servicio permitió identificar en forma preliminar las zonas con mayor impacto potencial o Riesgo de Contaminación. En efecto, la alta movilidad y solubilidad del compuesto MTBE permite advertir un potencial problema de contaminación de las napas subterráneas debido a la posible fuga o escape de combustible almacenado en estanques enterrados. Este análisis muestra que un especial énfasis debe ser puesto en el estudio de la comuna de Maipú, la que está densamente poblada y que se abastece, principalmente, de aguas subterráneas. En un segundo plano se encuentran aquellas comunas con un nivel de riesgo medio, entre las cuales se destacan Pudahuel, Las Condes, Santiago, Ñuñoa, Providencia, entre otras. La información de pozos de bombeo destinados al uso en agua potable se utilizó para afinar el análisis realizado en los párrafos anteriores. De esta manera, se puede indicar que aquellas zonas descritas previamente como de alto y medio Riesgo de Contaminación (Maipú y Pudahuel) presentan un elevado número de pozos de bombeo destinados al abastecimiento de agua potable. La vulnerabilidad de la formación acuífera indica que dichos pozos podrían ser potencialmente contaminados por fugas de MTBE y de paso trasladar dicho compuesto hacia las redes de distribución de agua potable con el consiguiente riesgo a la población abastecida por dichos pozos, aún cuando se reconoce que es dudoso que la población llegue a consumir el agua contaminada con MTBE por el desagradable olor que presentaría. Otras comunas que presentan un elevado número de pozos de bombeo y de Estaciones de Servicio (Las Condes y Santiago, por ejemplo) poseen acuíferos de baja o media vulnerabilidad por lo que no revisten un riesgo muy significativo de contaminación en el corto y mediano plazo. Los resultados anteriores permiten identificar preliminarmente una zona del acuífero que presenta un elevado índice de vulnerabilidad. Dadas las características particulares del componente MTBE se prevé que una potencial fuga o escape de combustible almacenado en estanques enterrados puede provocar la contaminación de las napas subterráneas cercanas a dichas instalaciones. La superposición de los pozos de bombeo actualmente en uso agrega una dimensión extra a este

7

problema, al indicar la existencia de pozos utilizados para consumo de agua potable y de riego que se ubican en una zona de alta vulnerabilidad. Los resultados anteriores, derivados del “screening” y cruce de la información disponible, deben ser vistos como preliminares, por cuanto un análisis más detallado debiera considerar otros aspectos no incluidos en este artículo. Entre estos datos se incluye la ubicación precisa de las estaciones de servicio, el estado de los estanques de almacenamiento y su capacidad, así como la identificación de los pozos de bombeo localizados en las cercanías de estaciones de servicio a los cuales se debiera verificar sus propiedades más relevantes: profundidad de la rejilla de captación, volumen de extracción mensual, propiedades hidrogeológicas de la zona cercana, entre otras características. CONCLUSIONES Los resultados del estudio de vulnerabilidad del acuífero de la Región Metropolitana muestran que las formaciones acuíferas presentan distinto grado de vulnerabilidad a la contaminación. La zona de mayor vulnerabilidad se ubica principalmente en la zona de desembocadura de la cuenca, aguas abajo de la confluencia de los ríos Mapocho y Maipo, en la zona de influencia del estero Lampa y del río Clarillo, y en las zonas de Quilicura, Renca, Cerro Navia, Quinta Normal, Pudahuel, Maipú, Peñaflor, Talagante, Isla de Maipo y Paine. La utilización de dos métodos alternativos para determinar la vulnerabilidad del acuífero permitió identificar un total de 10 comunas, en las cuales la formación acuífera sería vulnerable. El método GOD - Foster e Hirata muestra una situación en la cual no existen zonas de alta o extrema vulnerabilidad. No obstante esto, es necesario tener presente que uno de los principios básicos en que se funda este método, capacidad natural de atenuación de contaminantes, no se cumpliría en el caso específico del compuesto MTBE dadas sus características persistentes. El análisis de riesgo realizado, con la información disponible de vulnerabilidad y emplazamiento y número de Estaciones de Servicio, señala que la comuna que presenta el mayor riesgo de contaminación es Maipú por estar densamente poblada y abastecerse, principalmente, de aguas subterráneas. En un segundo nivel de riesgo se encuentran las comunas de Pudahuel, Las Condes, Santiago, Ñuñoa y Providencia, entre otras. Al afinar el análisis de riesgo realizado, con la información de pozos de bombeo destinados al uso en agua potable y riego, se puede observar que comunas descritas previamente como de alto y medio riesgo de contaminación, Maipú y Pudahuel, respectivamente, presentan además un elevado número de pozos de bombeo destinados al abastecimiento de agua potable y riego. La alta movilidad y solubilidad del compuesto MTBE podría representar, para estas comunas, un problema potencial de contaminación de las napas subterráneas debido a posibles fugas o escapes de combustible almacenado en estanques enterrados. REFERENCIAS Breton W. Bruce, Peter B. Mc Mahou. "Shallow ground-water quality beneath a major urban center: Denver, Colorado, USA". Journal of Hydrology 186 (1996) 129-151. Comisión Nacional de Riego. 1984. Proyecto Maipo. Estudio Hidrológico e Hidrogeológico. Preparado por IPLA Ingenieros Consultores. Volúmenes III, IV, V y VIl. Dirección General de Aguas. 1993. Bases para la Modelación de Recursos Hídricos de la Cuenca de Santiago. Bf Ingenieros Civiles. Informe final y Documentos de trabajo. Comisión Nacional del Medio Ambiente. 1999. Análisis de la Contaminación de Aguas Subterráneas en la Región Metropolitana por Aguas Servidas. Ayala, Cabrera y Asociados Ltda. Ingenieros Consultores. Foster, S.S.D e Hirata R., 1988. "Determinación del riesgo de contaminaci6n de aguas subterráneas, una metodología basada en datos existentes". Lima, CEPIS, 1991, 81 p. National Academy Press, "Groundwater vulnerability assessmen.: contamination potential under conditions of uncertainnty." 1993, 204p. P.J. Squillace, J.S. Zogorshi. W.G. Willer, and C.V. Price. "A preliminary Assessment of the Occurrence and Possible Sources of MTBE in Ground Water of the United States", 1993-94. Environ. Sci. Technol. 1996, 30, 1721-1730.

8