ERIS: METODO PARA DETERMINAR EL RIESGO DE CONTAMINACIÓN DE UN SISTEMA ACUÍFERO. CASO VALLE DE ZAACHILA, OAXACA. Belmonte-Jiménez Salvador I.(1,2)., Aragón-Sulik Manuel(1 , Navarro-Mendoza Susana.(1) y Herrera-Barrientos Jaime(3) Centro Interdisciplinario de Investigación para el Desarrollo Integral Regional, (CIIDIROAXACA-IPN); (2) Instituto de Geofísica, UNAM, (3) Centro de Investigación Científica y Educación Superior de Ensenada (CICESE). Tel. 01-951-5171199. Email:
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RESUMEN El aprovechamiento de los recursos hídricos subterráneos implica la evaluación de las condiciones en que se encuentran para garantizar un manejo racional y eficiente. Un aspecto que cada día cobra mayor importancia es el riesgo de un acuífero a ser contaminado por fuentes naturales pero principalmente por aquellas inducidas por el hombre. El riesgo de contaminación de un acuífero se integra por el binomio: vulnerabilidad de la unidad hidrogeológica y el potencial de la carga contaminante en la superficie del terreno. En este trabajo se presenta la metodología adaptada para determinar el riesgo de contaminación del valle de Zaachila de donde se abastece en parte la ciudad de Oaxaca y varios municipios conurbados. Para determinar la vulnerabilidad se usaron los métodos DRASTIC, AVI y GOD. La carga contaminante se determino en tres puntos sobre el Río Atoyac y en 10 pozos de monitoreo. El mapa de riesgo indica mayores efectos negativos en las inmediaciones del aeropuerto internacional y San agustín de las Juntas.
INTRODUCCIÓN En cualquier programa de aprovechamiento de los recursos hídricos subterráneos, es indispensable realizar la evaluación de las condiciones de las fuentes de aguas subterráneas en una región con el fin de garantizar su desarrollo sustentable y manejo eficiente. Dentro de dichas evaluaciones, un aspecto que cada día cobra mayor importancia corresponde a precisar el riesgo del acuífero a ser contaminado. Aller(1987) indica que el valor relativo de un acuífero adquiere una atención importante cuando se evalúan los factores que influyen en la contaminación potencial, como es el caso del acuífero estudiado donde el agua subterránea es la principal fuente de aprovechamiento hídrico para la Ciudad de Oaxaca y sus zonas conurbadas. En general, los principales impactos negativos que se originan por una deficiente planeación de acuíferos, se tienen identificados los siguientes:
Ø Disminución en los niveles estáticos del acuífero, debido a la extracción excesiva del agua que es mayor a la recarga. Ø Deterioro en la calidad del agua subterránea, debido a la intrusión salina o por otros agentes geológicos que afectan dicha calidad. Ø Contaminación del agua en acuíferos someros por lixiviados de actividades agrícolas, comerciales, industriales y de servicios Ø Fenómenos de hundimientos de suelo debido a las extracciones del agua y su consiguiente consolidación del terreno. Para el área en estudio se han detectado los tres primeros problemas, haciéndose notorio en algunas zonas perfectamente definidas. En la actualidad existen antecedentes que en muchas partes del orbe se han presentado problemas de contaminación de acuíferos y en ocasiones los alcances para realizar la remediación de éstos resultan muy costosos y limitados; para ejemplificar, el fenómeno de la desorpción puede requerir de semanas a años para alcanzar el equilibrio debido al lento proceso cinético de transferencia de masas entre las fases absorbidas y acuosas, y en cuanto a costos se cita que en los próximos 30 años, los Estados Unidos pueden llegar a gastar $400 billones a 1.7 trillones de dólares en remediar sitios contaminados (Page GW, 1997). Por lo cual, considerando el carácter socioeconómico de esta zona, la mejor alternativa para la protección del acuífero estudiado es tomar acciones preventivas basándose en las condiciones hidrogeológicas del sitio. No obstante, que se ha manifestado por diversos medios de difusión que el empleo, almacenamiento y disposición de compuestos utilizados en la agricultura, industria y servicios, así como los desechos municipales ponen en riesgo la calidad del agua subterránea; en el Valle de Zaachila, Oax. no se tienen identificadas las áreas acuíferas más sensibles a la contaminación, ni tampoco existen programas que en su caso protejan dichas áreas. Para este acuífero, cuyas características lo hacen más sensible a la acción contaminante ya que se compone principalmente de un medio granular, no confinado y con niveles estáticos relativamente someros, que en algunos sitios se encuentra expuesto a la contaminación, se evaluaron las características más importantes en la atenuación de los contaminante, de tal forma que no se altere la calidad del agua subterránea. Aunada a la necesidad de conocer la fragilidad del medio a la contaminación, es fundamental que a nivel del terreno, se determine la probabilidad de contaminación a que está expuesta la zona derivada de las actividades agrícolas, comerciales, industriales y de servicios que sin ninguna protección derraman sus desechos a la superficie. Por lo cual el riesgo de contaminación de un acuífero se integra por el binomio: vulnerabilidad de la unidad hidrogeológica y el potencial de la carga contaminante en la superficie del terreno. De manera ordenada la evaluación de un sitio a la contaminación sigue un proceso definido por cuatro etapas:
Ø Una descripción del sitio hidrogeológico Ø La vulnerabilidad del acuífero en combinación con la caracterización de los contaminantes Ø El potencial de contaminación natural del sitio. Ø Las acciones de ingeniería que podrían disminuir el potencial Para este estudio se realizaron los tres primeros puntos. Vulnerabilidad Existen diversas acepciones para definir la vulnerabilidad de un acuífero, actualmente este concepto ha sufrido modificaciones de su forma original. En la actualidad la Environmental Protection Agency (USEPA) propone las siguientes definiciones: a) Sensibilidad Esta se refiere a la relativa facilidad en la cual un contaminante aplicado en o cerca de la superficie del terreno puede migrar al acuífero de interés, basado solamente en factores hidrogeológicos. b) Vulnerabilidad Esta combina las características hidrogeológicas determinadas por la sensibilidad con los factores de vulnerabilidad humana, específicamente dirigidas a uso de suelo, prácticas de manejo y/o propiedades contaminantes. Por su parte, la National Research Council (1993) señala que la valoración de la vulnerabilidad corresponde a la tendencia o probabilidad de que los contaminantes alcancen una posición específica en el sistema de agua subterránea. El concepto de vulnerabilidad adoptado en este trabajo se maneja en el sentido de evaluar la posibilidad de que un contaminante arrojado en la superficie del terreno producto de las actividades antropogénicas pueda alcanzar el sistema acuífero y modifique su calidad. Asociado a la vulnerabilidad, la evaluación de la probabilidad de que un contaminante sea derramado en la superficie sin protección alguna se establece bajo el concepto de riesgo. La evaluación de la vulnerabilidad comprende caracterizar el medio ambiente formado por las capas de suelo, zona vadosa y el propio acuífero y su grado natural de atenuación de contaminantes. La vulnerabilidad no puede medirse físicamente, más bien se describe mediante parámetros hidrogeológicos del medio que son determinados en campo o por medio de pruebas indirectas, globalmente se presenta una forma pasiva que difícilmente puede sufrir modificaciones en el tiempo, excepto en eventos extraordinarios, como son fallas geológicas activas, desastres ocurridos por inundaciones, sequías extremas, cambios de uso de suelo.
Por lo que es conveniente señalar que los mapas de vulnerabilidad generados deben tener la propiedad de ser modificados conforme se alteren las propiedades específicas que dan valor a la vulnerabilidad. Aunque el término vulnerabilidad del acuífero a la contaminación representa en este caso su sensibilidad para ser adversamente afectado por una carga contaminante impuesta, en este caso se ve influenciado por la capacidad de asimilación de contaminantes del cuerpo receptor de agua superficial, por tanto cubierta de substratos que proporciona una protección adicional está relacionada con la capacidad de amortiguación. A mayor capacidad de amortiguación, menor vulnerabilidad. El grado de vulnerabilidad frente a la contaminación depende de la intensidad de afectación, del tiempo que debe transcurrir para que los efectos indeseables se manifiesten en las propiedades físicas y químicas de la velocidad con que se producen los cambios secuenciales en las propiedades del mismo en respuesta al impacto de los contaminantes. (CEPIS-OMS, 1997). De esta manera el riesgo de contaminación se define como la probabilidad de que las aguas subterráneas se contaminen con concentraciones por encima de los valores recomendados por la OMS para la calidad de agua de consumo humano. Foster (1987) lo concibe como la interacción entre la carga contaminante y la vulnerabilidad del acuífero, figura 1. En esta figura se observa que se puede obtener una alta vulnerabilidad sin riesgo de contaminación, por la ausencia de una carga significativa de contaminantes, y viceversa.
I. La carga contaminante que es, será, o pudiera ser aplicada al subsuelo como resultado de actividad humana.
II. La vulnerabilidad del acuífero a la contaminación, debido a las características naturales de los substratos que se cubren y se separan de la superficie.
. Figura 1. Esquema conceptual del riesgo de contaminación de aguas subterráneas, (modificada de Foster, 1987).
Metodos para determinar la vulnerabilidad de acuiferos Los métodos de vulnerabilidad entre otras funciones, intentan precisar una estandarización en la valoración de este concepto no medible físicamente. Actualmente existe una diversidad de métodos para evaluar la vulnerabilidad, entre los cuales se pueden mencionar AVI, GOD, DRASTIC, SINTACS, SEEPAGE, EPIK, ERIS, ETC., donde cada método hace participar a sus propios parámetros hidrogeológicos. Aunque todos tienen el mismo fin teórico, los mapas generados por los diversos métodos pueden no definir las mismas zonas con los diferentes grados de vulnerabilidad, esto por el criterio de selección de los factores que mayor influyen en la atenuación de los contaminantes. Para realizar una clasificación de los métodos existentes, se pueden considerar las propiedades de atenuación de contaminantes que considera cada método en su análisis y que están comprendidas en los tres grupos: propiedades físicas, químicas y biológicas. Vrba y Zaporozec (1994) presentan una clasificación con base a la forma de asignación de índices de vulnerabilidad y proponen los siguientes: a) Métodos de complejos hidrogeológicos b) Métodos de sistemas paramétricos c) Métodos de rangos d) Métodos numéricos y relaciones analógicas En este trabajo se aplicaron tres métodos para evaluar la vulnerabilidad AVI, GOD y DRASTIC , el criterio de selección de esto métodos se basó en la factibilidad en la obtención de los datos y el uso común de estos métodos en el ámbito nacional. Dentro de las ventajas de estos métodos es que permiten el mapeo de los índices de vulnerabilidad, es decir, es posible agrupar zonas con diferentes grado de vulnerabilidad. Los métodos AVI y GOD consideran como formas de atenuación, las propiedades físicas del medio acuífero, por su parte el método DRASTIC adiciona a las propiedades físicas, las químicas de atenuación, del cual sus autores (Aller, 1987) realizan una minuciosa investigación en cuanto a los procesos que ocurren en la zona de atenuación de contaminantes. Los métodos GOD y DRASTIC fueron estructurados como modelos paramétricos, puesto que utilizan para cada propiedad hidrogeológica un valor índice cuyo peso estará en función de la capacidad de atenuación, para posteriormente elaborar la capa correspondiente a cada parámetro hidrogeológico, estas capas se sobreponen para obtener un índice final representativo de la zona estudiada. Por su parte el método AVI se encuentra clasificado dentro de los modelos numéricos y derivado expresamente de la ecuación de Darcy.
En forma global, no existe un método estandarizado que permita definir cuales son los parámetros más relevantes en la determinación de la vulnerabilidad, tampoco se define la terminología, lo que genera resultados diferentes al aplicar los diferentes métodos de vulnerabilidad, y por lo tanto no son totalmente comparables los resultados debido al carácter subjetivo del término (Vrba, 1997). Un mapa de vulnerabilidad de acuíferos a la contaminación muestra una descripción objetiva de la susceptibilidad específica del sistema acuífero, agrupando las zonas con diferentes niveles de vulnerabilidad a la contaminación superficial dependiendo de la capacidad de atenuación de los medios hidrogeológicos de cada sitio espacial (Civita, 1987). Riesgo de contaminación El método ERIS dentro de su análisis involucra varias características (Precipitación, pendiente del terreno, aguas superficiales, estado del suelo, profundidad de pozos, precipitación neta, conductividad hidráulica), y las interactúa con la carga contaminante (distancia de pozos a fuente contaminante, cantidad y tipo de sustancia peligrosa, biodegradabilidad, probabilidad de uso y toxicidad) entorno al mismo (Wilson, 1991). El método ERIS se lo dan las siglas en inglés; un Sistema de Inventario de Riesgo Ambiental, que una vez que en el sistema que se esté analizando se produzca una falla y la sustancia contaminante ha salido de control pueda constituir una fuente de riesgo. Al utilizar este método es posible evaluar sus efectos a los seres humanos y al objeto de estudio. El método ERIS se caracteriza por tomar una fuente contaminante y con referencia a ésta se hace la evaluación de riesgo del sistema en estudio. Para este caso, aún cuando se trata de agua subterránea se consideró como fuente de contaminación al Rió Atoyác que tiene una función dual respecto al acuífero, afectado grandemente por la situación estacional en donde la inversión por bombeo lo convierte en fuente contaminante principalmente por ser cuerpo receptor de aguas residuales municipales e industriales a través de los colectores de los sistemas de drenaje así como por medio de descargas directas, en cuyas márgenes se ubican pozos que alimentan a las plantas potabilizadoras, y a norias que se utilizan para riego de algunas áreas de cultivo. Para este caso Foster e Hirata (1991) proponen que para determinar el riesgo de contaminación de las aguas subterráneas por cursos de agua superficiales, es necesario estimar la cantidad y calidad del agua infiltrada por los lechos de los ríos, la cual será controlada por la permeabilidad del cauce del río involucrado y por los niveles relativos del agua en el río y acuífero
METODOLOGÍA El valle de Zaachila se ubica al sur de la ciudad de Oaxaca y abarca un área de 242 km2 Como se mencionó anteriormente para la evaluación del riesgo es necesario la recopilación de datos hidrogeológicos, hidroquímicos y de contaminación y los tipos y ubicaciones de las fuentes de contaminación potencial. Existen diversas formas de recolectar estos datos, dependerán de la extensión del área en estudio, y que finalmente influyen en la calidad de los resultados. Los parámetros que se obtuvieron a través de métodos directos como indirectos (usando la geofísica) son la profundidad al nivel freático, recarga neta, características litológicas del acuífero, tipo de suelo, topografía, impacto en la zona vadosa, conductividad hidráulica. Proceso de realización de los métodos de vulnerabilidad Existen en la zona dificultades para determinar un conjunto de parámetros representativos para cada celda. Algunos parámetros se determinaron en campo como son la conductividad hidráulica, la litología de la región y el tipo de suelo. Dada la magnitud de la zona propuesta para su estudio, los muestreos de los parámetros se realizaron estratégicamente con el fin de optimizar los recursos aportados por las fuentes de financiamiento. Una vez realizada la determinación en campo de los parámetros hidrogeológicos requeridos por los métodos de vulnerabilidad, se procedió a la aplicación de los tres métodos antes mencionados. Para la discretización de la zona se procedió a utilizar celdas de un km2 , esto permitió la asignación de valores representativos para cada parámetro al centro de cada celda. Aquí cabe señalar que este criterio limita la utilización de los mapas a una escala pequeña, de forma que los mapas no se pueden emplear para estudios específicos o locales. La ventaja de los métodos que se utilizaron en este estudio es que éstos utilizan parámetros que se repiten en otros métodos. Para el caso del método DRASTIC el cual corresponde a una sumatoria de los índices representativos de cada método, se utilizó su traslape para obtener un valor índice final. Con la ayuda de los rangos propuestos por Aller et al (1987) se logró la agrupación de áreas con igual nivel de vulnerabilidad. Al aplicar los métodos de vulnerabilidad, se encontró que en la zona solamente existen dos tipos de vulnerabilidad en la zona alta y media.
Determinación del riesgo de contaminación con el método ERIS Antes de obtener el mapa de riesgo, se determinaron e interpretaron los resultados de la carga contaminante medida en tres puntos de muestreo sobre diferentes puntos del Río Atoyac así como en 10 pozos de monitoreo. Los parámetros analizados fueron turbiedad, color, SST, fósforo R., SAAM, fenoles, Cr, Cd y Pb. El método utilizado fue de acuerdo a lo propuesto por Foster (1991).
RESULTADOS Método DRASTIC La aplicación de este método presenta una gran dispersión de áreas, que es el reflejo del mayor número de parámetros hidrogeológicos en inspección, los valores oscilan de media a alta vulnerabilidad. Para el caso del Valle de Zaachila, las zonas de vulnerabilidad alta se encontraron en las poblaciones de San Lorenzo Cacaotepec, San Jacinto Amilpas, la parte norte de Santa María Atzompa, San Pedro Ixtlahuaca, San Andrés Ixtlahuaca, Montoya, Tlalixtac de Cabrera, Santa Lucía del Camino, San Juan Bautista la Raya, San Pedro la Reforma, Zaachila, San Bartolo Coyotepec, Colonia Emiliano Zapata, Santa María Roaló, La Trinidad Zaachila, el Basurero Municipal y Reyes Mantecón, véase figura 2. En total el área de vulnerabilidad alta es de 125 km2 y la parte restante de 117 km2 es de vulnerabilidad media. De los mapas de vulnerabilidad obtenidos, se observa que para un mismo acuífero las áreas con igual nivel de vulnerabilidad no son totalmente coincidentes entre los diferentes métodos utilizados, esto como consecuencia del criterio que utiliza cada método en definir los diferentes niveles de vulnerabilidad. Sin embargo, existen algunas zonas con el mismo nivel de vulnerabilidad determinado por los tres métodos. Método AVI Esencialmente, para la zona del Valle de Zaachila, Oax., se determinó una zona de vulnerabilidad media, existiendo zonas aisladas de vulnerabilidad alta, correspondientes a las poblaciones de Colonia Vicente Guerrero, la parte este de San Bartolo Coyotepec, San Antonio Arrazola, Tiracoz, la parte norte de Santa María Atzompa, Sta. Cruz Amilpas y Santa Lucía del Camino.
Metodo GOD Para el acuífero del Valle de Zaachila, al igual que los resultados obtenidos del Método AVI predomina una vulnerabilidad media en la zona, las poblaciones que presentan una vulnerabilidad alta son las poblaciones de Santa María Roaló, La Trinidad Zaachila, Reyes Mantecón, la parte este de San Miguel Tlanichico, San Juan Bautista la Raya, Nazareno Xoxocotlán, la zona del aeropuerto, la parte oeste de San Agustín de las Juntas, Santa Lucía del Camino, Sta. Cruz Amilpas, Tlalixtac de Cabrera, San Lorenzo Cacaotepec, Santa María Atzompa, San Pedro Ixtlahuaca y San Antonio Arrazola, siendo en total 125 km2 de área de vulnerabilidad alta. Mapeo e identificación de zonas de riesgo con método ERIS La información determinada en campo parámetros hidrogeológicos) y en laboratorio (análisis de la carga contaminante) permitió la asignación de valores en cada parámetro para este método, por lo que a partir de la discretización de la zona de estudio y considerando como eje al río Atoyac, se elaboró la base de datos y los mapas de riesgo correspondientes. El mapa para ERIS agua subterranea (el riesgo del agua subterránea de ser contaminada por el río atoyac). De acuerdo a los niveles ilustrados en los mapas se identifican tres zonas con riesgo; bajo, medio , y alto . Aunque no existan límites marcados, es evidente que el riesgo mas alto se da sobre la sección que ocupa el río Atoyac, principalmente porque es donde tanto la litología, la profundidad a la que es extraída el agua, el estado de la zona no saturada, y la distancia de los pozos de abastecimiento de agua a los sistemas de agua potable se hace más crítica; si se considera el papel que adquiere el río en épocas de lluvia y estiáje. La probabilidad de que ocurra un evento adverso al humano o a algún elemento del ambiente ( suelo ) es más alto hacia el sur ( San Juan Bautista la Raya, Animas Trujáno entre otros), es claro que el efluente que conduce el río Salado y que es aportado al Atoyac en este tramo influye grandemente por lo que se presenta un riesgo de 60 – 80, evidenciado además por los perfiles de concentración obtenidos en las muestras colectadas en pozos y puntos sobre río y las sustancia potencialmente descargadas por el tipo de actividad económica realizada.
CONCLUSIONES La metodología empleada en este acuífero puede extrapolarse a otros sistemas acuíferos ya que permiten de manera objetiva conocer que parámetros dado las características específicas del medio y las condiciones ambientales tienen una mayor influencia en permitir que el acuífero sea más susceptible de ser contaminado. Aunque el método DRASTIC asigna un peso alto de vulnerabilidad a la recarga, este parámetro es un medio poco propicio para que el acuífero se contamine; sin embargo, la topografía y la litología del medio muestran condiciones más adecuadas para la contaminación, ya que se observan índices superiores a los teóricos. El parámetro que mayor importancia tiene en aumentar la probabilidad de ser contaminado el acuífero, al influir más que otros parámetros en el valor del índice de vulnerabilidad son la profundidad al nivel freático, como consecuencia de que los acuíferos están relativamente someros, seguido en importancia el impacto en la zona vadosa, el tipo de suelo y la topografía. Cabe señalar que si bien la profundidad al nivel freático es el parámetro que mayor influye en la vulnerabilidad del medio, no se desea que el nivel estático se profundice con el fin de disminuir dicha vulnerabilidad, e incluso realizar la modificación de los otros parámetros ya sea mejorando las condiciones del suelo, construcción de barreras impermeables, etc., resulta excesivamente costoso. Es más viable y recomendable que en las zonas definidas como de alta vulnerabilidad sean protegidas a nivel del terreno ya sea reordenando las actividades o limitando las zonas como de protección. Por la importancia del recurso agua, se debe vigilar de manera permanente por lo que se recomienda instalar una red de monitoreo que incluya medir variación de niveles piezométricos y calidad del agua, en los valles de Etla y Zaachila, particularmente en el tramo Pueblo Nuevo-Zimatlan que es donde se concentra las obras de abastecimiento y la actividad industrial y agrícola. Se debe actualizar los mapas de vulnerabilidad usando principalmente el método DRASTIC y los mapas de riesgo cuando menos cada 2 años. También se debe monitorear de manera permanente la carga contaminante para conocer los puntos de alerta y tomar las medidas pertinentes. Se debe continuar con estudios a detalle de hidrología para caracterizar propiedades del acuífero; estudios geofísicos y geológicos para definir la geometría y estratigrafía del subsuelo; así como trabajos de modelado matemático para continuar con las etapas de simulación, predicción y manejo del recurso. Estos resultados proporcionaran alternativas de solución a la problemática del agua que seguramente en un futuro no muy lejano, se agudizara.
AGRADECIMIENTOS Parte del trabajo aquí presentado se desarrollo gracias al apoyo financiero del SIBEJCONACyT, la Coordinación General de Posgrado e Investigación (CGPI) del IPN.
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Figura 2.- Mapa de vulnerabilidad del valle de Zaachila, Oaxaca utilizando el método DRASTIC.