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ANALISIS DE LA SUSCEPTIBILIDAD A LA CONTAMINACIÓN DE LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS, POR EL VERTIMIENTO DE AGUAS RESIDUALES EN DIFERENTES UNIDADES CARTOGRAFICAS DE SUELOS – CASO DE ESTUDIO VEREDA IGUACITOS (MUNICIPIO DE LERIDA) Y BUENAVISTA (MUNICIPIO DE VENADILLO) EN EL DEPARTAMENTO DEL TOLIMA
NELSON ENRIQUE. BAUTISTA PARRA COD. 560187 JORGE ALBERTO SANABRIA MORALES COD. 560184 IRAIDYS SIERRA GARZON COD. 560200
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE ESPECIALIZACIÓN EN RECURSOS HÍDRICOS BOGOTÁ D.C – 2014
ANALISIS DE LA SUSCEPTIBILIDAD A LA CONTAMINACIÓN DE LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS, COMO CONSECUENCIA DEL VERTIMIENTO DE AGUAS RESIDUALES EN DIFERENTES UNIDADES CARTOGRAFICAS DE SUELOS – CASO DE ESTUDIO VEREDA IGUACITOS (MUNICIPIO DE LERIDA) Y BUENAVISTA (MUNICIPIO DE VANADILLO) EN EL DEPARTAMENTO DEL TOLIMA
NELSON ENRIQUE BAUTISTA PARRA COD. 560187 JORGE ALBERTO SANABRIA MORALES COD. 560184 IRAIDYS SIERRA GARZON COD. 560200
Trabajo de grado para obtener el título de especialista en Recursos Hídricos.
ASESOR: ALEX MAURICIO GONZALEZ INGENIERO CIVIL, MSC.
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE ESPECIALIZACIÓN EN RECURSOS HÍDRICOS BOGOTÁ D.C – 2014
Nota de aceptación
______________________________________
______________________________________
______________________________________
______________________________________ Presidente del Jurado
______________________________________ Jurado
______________________________________ Jurado
Bogotá D.C., noviembre de 2014.
Dedicatoria
A nuestras familias por su incondicional apoyo durante este y demás retos importantes en nuestras vidas.
TABLA DE CONTENIDO INTRODUCCIÓN .............................................................................................................................................. 12 1
GENERALIDADES DEL TRABAJO DE GRADO ............................................................................... 13
1.1
LÍNEA DE INVESTIGACIÓN ................................................................................................................................. 13
1.2
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ..................................................................................................................... 13
1.2.1 Pregunta de investigación ................................................................................................................................ 14 1.3
JUSTIFICACIÓN .................................................................................................................................................. 14
1.4
OBJETIVOS ........................................................................................................................................................ 16
1.4.1 Objetivo general ............................................................................................................................................... 16 1.4.2 Objetivos específicos ........................................................................................................................................ 16 2
MARCOS DE REFERENCIA ................................................................................................................ 17
2.1
MARCO CONCEPTUAL........................................................................................................................................ 17
2.1.1 Unidades Cartográficas de suelos.................................................................................................................... 17 2.1.2 Propiedades físicas y químicas de los suelos ................................................................................................... 18 2.1.3 Aguas residuales .............................................................................................................................................. 19 2.1.4 Aguas Subterráneas .......................................................................................................................................... 22 2.2
MARCO TEÓRICO ............................................................................................................................................... 23
2.2.1 Herramientas de simulación............................................................................................................................. 24 2.3
MARCO JURÍDICO .............................................................................................................................................. 26
2.4
MARCO GEOGRÁFICO ........................................................................................................................................ 26
3
METODOLOGÍA .................................................................................................................................... 29
3.1
CARACTERIZACION DEL AREA DE ESTUDIO ....................................................................................................... 29
3.2
CARACTERIZACION DE LAS UNIDADES CARTOGRAFICAS DE SUELOS .................................................................. 30
3.3
CARACTERIZACION DE LOS VERTIMIENTOS TIPO .............................................................................. 30
3.4
MODELACIÓN EN HYDRUS 1D ............................................................................................................................ 30
3.5
INSTRUMENTOS O HERRAMIENTAS UTILIZADAS................................................................................................. 34
4
CARACTERIZACION AMBIENTAL DEL AREA DE ESTUDIO ...................................................... 35
4.1
CLIMATOLOGÍA ................................................................................................................................................. 35
4.2
GEOLOGÍA LOCAL ............................................................................................................................................. 37
4.2.1 Abanicos Antiguos – Cono Aluvial de Lérida y/o Abanico de Lérida- (Qca)................................................... 37
4.3
HIDROGEOLOGÍA ............................................................................................................................................... 38
5
CARACTERIZACION DE LAS UNIDADES CARTOGRAFICAS DE SUELO .................................. 40
5.1
UNIDAD PWFB1 (PUNTO DE CARACTERIZACION NUMERO 1) .................................................................. 40
5.1.1 Análisis Físico-Químicos ................................................................................................................................. 42 5.2
UNIDAD DE SUELO LWAD3 (PUNTO DE CARACTERIZACION 2)................................................................. 44
5.2.1 Análisis Físico-Químicos ................................................................................................................................. 46 6
CARACTERIZACION DE LOS VERTIMIENTOS TIPO .................................................................... 49
7
MODELACIÓN HYDRUS 1D ................................................................................................................ 53
7.1
UNIDAD PWFB1 (PUNTO DE CARACTERIZACION NUMERO 1) .................................................................. 53
7.1.1 CONCENTRACIÓN DE SOLUTOS EN LA UNIDAD PWFB1 ........................................................................ 54 7.2
UNIDAD DE SUELO LWAD3 (PUNTO DE CARACTERIZACION 2)................................................................. 57
7.2.1 CONCENTRACIÓN DE SOLUTOS EN LA UNIDAD LWAd3 ........................................................................ 57 8
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ....................................................................................... 60
9
BIBLIOGRAFIA ..................................................................................................................................... 62
ANEXOS ............................................................................................................................................................ 64
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1.
DIAGRAMA DE PRODUCCIÓN DE LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS .................................................................. 23
FIGURA 2.
LOCALIZACIÓN GENERAL DEL ÁREA DE ESTUDIO .................................................................................... 28
FIGURA 3.
ESQUEMA METODOLOGICO. .................................................................................................................... 29
FIGURA 4.
GEOMETRY INFORMATION. ..................................................................................................................... 31
FIGURA 5.
TIME INFORMATION. ............................................................................................................................... 31
FIGURA 6.
WATER FLOW PARAMETERS. ................................................................................................................... 32
FIGURA 7.
TIME VARIABLE BOUNDARY CONDITIONS. .............................................................................................. 33
FIGURA 8.
PERFIL DEL SUELO Y PUNTOS DE OBSERVACIÓN. .................................................................................... 34
FIGURA 9.
INFILTRACIÓN POTENCIAL EN SUPERFICIE DE LA UNIDAD PWFB1 ........................................................... 53
FIGURA 10.
CURVAS DE TRANSPORTE DE NITRATOS (NO3) EN UNIDAD PWFB1 .......................................................... 54
FIGURA 11.
CURVAS DE TRANSPORTE DE AMONIACO (NH3) EN UNIDAD PWFB1 ........................................................ 55
FIGURA 12.
CURVAS DE TRANSPORTE DE SULFATO (SO4-) Y CLORUROS (CL-) EN UNIDAD PWFB1 ............................. 56
FIGURA 13.
INFILTRACION POTENCIAL EN SUPERFICIE DE LA UNIDAD LWAD3........................................................... 57
FIGURA 14.
CURVAS DE TRANSPORTE DE NITRATOS (NO3) EN UNIDAD LWAD3 ......................................................... 58
FIGURA 15.
CURVAS DE TRANSPORTE DE AMONIACO (NH3) EN UNIDAD LWAD3 ....................................................... 58
FIGURA 16.
CURVAS DE TRANSPORTE DE SULFATO (SO4-) Y CLORUROS (CL-) EN UNIDAD LWAD3 ............................ 59
LISTA DE TABLAS
TABLA 1
NOMENCLATURA PARA UNIDADES CARTOGRÁFICAS DE SUELO ................................................................... 18
TABLA 2
LOCALIZACIÓN DEL ÁREA DE ESTUDIO ........................................................................................................ 27
TABLA 3
LOCALIZACIÓN ESTACIÓN VENADILLO Y ESTACIÓN ARMERO ...................................................................... 35
TABLA 4
CARACTERÍSTICAS CLIMÁTICAS DEL ÁREA DE ESTUDIO ............................................................................... 36
TABLA 5
REGISTROS MULTIANUALES DE PRECIPITACIÓN DIARIA .............................................................................. 36
TABLA 6
DESCRIPCIÓN DE LA UNIDAD HIDROGEOLÓGICA ......................................................................................... 39
TABLA 7
CLASIFICACIÓN DE SUELOS UNIDAD PWFB1 ................................................................................................ 40
TABLA 8
DESCRIPCIÓN DEL PERFIL DE SUELO UNIDAD PWFB1 ................................................................................... 41
TABLA 9
RESULTADOS DE DETERMINACIONES QUÍMICAS DEL PERFIL DE SUELO PRESENTE EN PUNTO NÚMERO 1 .... 42
TABLA 10
CRITERIOS DE CALIDAD DE LOS SEDIMENTOS, LÍMITES ESTABLECIDOS POR EPA ........................................ 44
TABLA 11
CLASIFICACIÓN DE LA UNIDAD DE SUELOS LWAD3 .................................................................................... 44
TABLA 12
DESCRIPCIÓN DEL PERFIL DE SUELO PARA EL PUNTO NÚMERO 2 ................................................................ 45
TABLA 13
RESULTADOS DE DETERMINACIONES QUÍMICAS DEL PERFIL DE SUELO PRESENTE EN PUNTO NÚMERO 2 .... 47
TABLA 14
CARACTERIZACIÓN DE LOS VERTIMIENTOS TIPO A MODELAR
.................................................................... 49
RESUMEN
Este proyecto tiene como fin analizar la susceptibilidad a la contaminación de las aguas subterráneas en diferentes unidades cartográficas de suelos, debido al vertimiento de aguas residuales que cumplen con unos parámetros mínimos de calidad del vertimiento, establecidos en el Decreto 1594 de 1984 respecto a la destinación del recurso hídrico en usos para consumo humano, doméstico y agrícola.
El estudio se desarrolla sobre las unidades de suelo PWFb1 y LWAd3 ubicadas en los municipios de Lérida y Venadillo respectivamente, en el departamento del Tolima. Para ello se contó con unos análisis de laboratorio que establecen las propiedades físico químicas del suelo, además de las características climáticas de la zona de estudio a partir de registros históricos de las estaciones meteorológicas Armero Granja y Venadillo, así como la concentración permitida para los solutos correspondientes a Amoniaco, Cloruros, Nitratos y Sulfatos, establecidos en el Artículo 38 del Decreto 1594 de 1984.
A partir de esta información se desarrolló una modelación de flujo del agua a través de la zona no saturada, para las unidades cartográficas de suelo mencionadas anteriormente, haciendo uso del programa de modelación numérica HYDRUS 1D, que permite estimar la concentración de los solutos a través del tiempo e identificar la posible profundidad que alcanzarían dichos solutos en el suelo y a partir de este único criterio finalmente evaluar la susceptibilidad a la contaminación de aguas subterráneas para las diferentes unidades de suelo.
Producto de este estudio, se pudo determinar que la unidad LWAd3 por sus características fisicoquímicas es un mejor filtro para el acuífero libre ya que demora más el transporte de los solutos contaminantes por el perfil del suelo y hace menos susceptibles las aguas subterráneas estabilizando los niveles de concentración con el paso del tiempo.
Palabras
clave:
susceptibilidad,
contaminación,
cartográficas de suelos, vertimiento.
10
aguas
subterráneas,
unidades
ABSTRACT The objective of this project is to analyze the susceptibility with groundwater contamination in different soil mapping units, which is due to dumping of wastewater that meet minimum quality parameters shedding and which are established in Decree 1594 of 1984, regarding the destination of water resources in applications for human, domestic and agricultural consumption.
The study is developed on the soil units LWAd3 and PWFb1, located in the municipalities of Lérida and Venadillo respectively, in the department of Tolima. For this it was necessary to have a lab test that establishes the physical and chemical properties of soil, plus the climatic characteristics of the study area from historical records Weather Stations Armero Farm and Venadillo and the allowable concentration for solutes corresponding to Ammonia, Chloride, Nitrate and Sulfate, established in Article 38 of Decree 1594 of 1984.
On the basis of this information, a water flow modeling was developed through the unsaturated zone to the soil mapping units mentioned above, using the program HYDRUS 1D numerical modeling, which allows to estimate the concentration of solutes over time and identify possible depth that could achieve these solutes in the soil and from this single criterion finally evaluate the susceptibility to groundwater contamination for different soil units. As a result of this study, it was determined that the LWAd3 unit is a better filter for the unconfined aquifer due to their physicochemical characteristics as this takes longer transport of pollutants solutes through the soil profile and which makes groundwater are less susceptible stabilizing concentration levels over time. Keywords: susceptibility, water pollution, groundwater, soil mapping units, shedding.
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INTRODUCCIÓN
El vertimiento en suelos, es una de las alternativas más utilizadas para la disposición de aguas residuales en áreas rurales que no cuentan con infraestructura de alcantarillado ni tratamiento de aguas residuales; sin embargo, para poder realizar vertimientos de manera legal, tal y como lo establece la legislación colombiana, se debe tramitar un permiso de vertimientos, en los términos establecidos por el Decreto 3930 de 2010 en su Capítulo VII.
Uno de los requisitos que debe cumplir el vertimiento, está relacionado con la calidad de las aguas residuales a verter; es decir la concentración de contaminantes máxima permitida conforme el uso final del recurso; los cuales son definidos mediante el Decreto 3930 de 2010 y el Decreto 1594 de 1984; bajo estas concentraciones, se asume que no existen mayores riesgos de contaminación del recurso hídrico, que comprometan el uso final del mismo.
El suelo como cuerpo receptor, actúa como un filtro entre la superficie y el subsuelo; sin embargo la variación de las propiedades físicoquímicas de las diferentes unidades cartográficas de suelos, pueden inferir sobre la capacidad de dilución de los contaminantes; para ello, se requirió de una caracterización físicoquímica de los perfiles de las unidades de suelo, un análisis de los parámetros climatológicos del área, además del uso del programa Hydrus 1D, como herramienta de simulación de la dispersión de solutos a través de la zona no saturada del suelo; para posteriormente a partir de la descripción de las características geológicas e hidrogeológicas del área de estudio y analizar la susceptibilidad a la contaminación de las aguas subterráneas, como consecuencia del vertimiento de aguas residuales en diferentes unidades cartográficas de suelo.
Producto de este estudio, se pudo determinar que la unidad LWAd3 por sus características fisicoquímicas es un mejor filtro para el acuífero libre ya que demora más el transporte de los solutos contaminantes por el perfil del suelo y hace menos susceptibles las aguas subterráneas estabilizando los niveles de concentración con el paso del tiempo.
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1
1.1
GENERALIDADES DEL TRABAJO DE GRADO
LÍNEA DE INVESTIGACIÓN
El presente trabajo de grado corresponde a la línea de investigación de Saneamiento básico ya que trata temas relacionados con vertimiento de aguas residuales y la susceptibilidad a la contaminación de las aguas subterráneas.
1.2
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La legislación Colombiana mediante el Decreto 3930 de 2010, reglamenta los usos del agua y los residuos líquidos y establece en su Capítulo VII el procedimiento y requisitos para la obtención de los permisos de vertimiento, el cual debe ser tramitado por los generadores de vertimientos a cuerpos de agua o al suelo que desarrollen actividades industriales, comerciales, de servicios y provenientes de conjuntos residenciales.
Una de las alternativas más frecuentes para el vertimiento de aguas residuales, corresponde a la disposición sobre suelos mediante campos de aspersión o ZODAR (zona de disposición de aguas residuales), previo tratamiento de las aguas a verter y cumpliendo unos parámetros mínimos de calidad, según el uso final del recurso hídrico y que se definen en el Decreto 1594 de 1984.
Sin embargo, dichos vertimientos pueden llegar a alterar las características físicoquímicas del suelo como cuerpo receptor; así como de las aguas superficiales y subterráneas mediante procesos de filtración y escorrentía. Es así que para determinar la susceptibilidad de las aguas subterráneas a la contaminación, es necesario evaluar tanto la concentración de contaminantes del vertimiento, como la variabilidad de parámetros fisicoquímicos de las diferentes unidades cartográficas de suelos, la topografía del área y su climatología entre otros.
Aunque el movimiento de un fluido puede tardar días o décadas a través del suelo, es posible que ciertos contaminantes del vertimiento, puedan alcanzar la zona saturada del suelo y
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poner en riesgo la calidad de las aguas subterráneas; las cuales se constituyen en una reserva importante para el país como fuente principal de abastecimiento para el consumo humano y el desarrollo económico de las regiones.
1.2.1 Pregunta de investigación
¿Es posible que la disposición de aguas residuales sobre diferentes unidades cartográficas de suelo, pueda llegar a contaminar las aguas subterráneas?
1.3
JUSTIFICACIÓN
Colombia, por su localización geográfica y regímenes de precipitación, es considerado como uno de los países con mayor oferta hídrica a nivel mundial; sin embargo la oferta hídrica natural no se distribuye homogéneamente y existen necesidades hídricas insatisfechas en algunas regiones; lo cual sumado a un creciente número de impactos de origen antrópico sobre el recurso hídrico, deriva en que la disponibilidad del recurso sea cada vez menor. (Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial, 2010).
Tradicionalmente el agua superficial ha sido la principal fuente de abastecimiento; sin embargo la mayor parte de los recursos hídricos utilizables en el planeta se encuentran en el subsuelo y Colombia presenta similares condiciones con un gran potencial de aguas subterráneas, donde aproximadamente el 75% del territorio cuenta con condiciones favorables para el almacenamiento de aguas subterráneas (Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial, 2010); sin embargo “el aprovechamiento de las aguas subterráneas en la mayor parte del territorio colombiano, es todavía muy incipiente, entre otras cosas, por desconocimiento del potencial de tales recursos, tano a nivel regional como local” (IDEAM, 2010, pág. 112).
Para acotar dicha oferta al área de interés del presente proyecto, es pertinente relacionar el convenio interinstitucional realizado entre INGEOMINAS y CORTOLIMA en el año de 1990, el cual consistió en estimar la oferta del recurso hídrico subterráneo en la zona Norte del departamento del Tolima y comprendió el área ubicada entre el río Guarinó al Norte y el río
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Venadillo al sur y entre la falla de mulato y el río Magdalena al oriente, donde se encuentran rocas sedimentarias del terciario superior y cuaternario, representadas estas últimas entre otros por los conos o abanicos fluvio volcánicos Armero, Lérida, La Sierra y Venadillo (CORTOLIMA, 2013, pág. 53).
De acuerdo a la información obtenida, son de gran interés hidrogeológico los sedimentos de carácter arenoso que conforman los abanicos de Lérida y La sierra; ya que las aguas obtenidas de dichas unidades son aptas para uso doméstico, aunque poseen algo de turbiedad, contenido de hierro y color (CORTOLIMA, 2013, pág. 53).
Aunque la demanda hídrica en el departamento del Tolima aún es baja; efectos tales como el cambio climático, el consumo insostenible del agua superficial, el crecimiento poblacional y económico de la región, aumenta las prioridades sobre el recurso hídrico subterráneo como una alternativa de abastecimiento hídrico durante los próximos años.
El escaso conocimiento, la falta de planificación y gestión para el manejo de los recursos naturales y en particular de los acuíferos y las aguas subterráneas, están causando limitaciones de uso por disponibilidad y deterioro de la calidad, como consecuencia del desarrollo de actividades industriales, domésticas y agropecuarias, cuyo principal factor lo constituye el vertimiento de aguas residuales; ya que tan solo el 8% de estas son tratadas, disminuyendo la productividad y aumentando los costos de tratamiento del recurso. (INGEOMINAS, 2004, pág. 5).
Es así como la legislación Colombiana mediante el Decreto 3930 de 2010, reglamenta los usos del agua y los residuos líquidos y establece en su Capítulo VII el procedimiento y requisitos para la obtención de los permisos de vertimiento, el cual debe ser tramitado por los generadores de vertimientos a cuerpos de agua o al suelo que desarrollen diferentes actividades.
Razón por la cual es importante determinar la susceptibilidad de las aguas subterráneas a la contaminación la cual puede variar a partir de parámetros físicoquímicos de las diferentes unidades cartográficas de suelos, la topografía del área y su climatología entre otros.
15
1.4
OBJETIVOS
1.4.1 Objetivo general
Analizar la susceptibilidad a la contaminación de las aguas subterráneas, como consecuencia del vertimiento de aguas residuales en diferentes unidades cartográficas de suelos de los municipios de Lérida y Venadillo en el departamento del Tolima.
1.4.2 Objetivos específicos
Caracterizar las condiciones climáticas, litológicas e hidrogeológicas del área de estudio.
Realizar una caracterización de las unidades cartográficas de suelo frente al potencial de contaminación de estas por las actividades de vertimiento de aguas residuales.
Analizar la susceptibilidad a la contaminación de las aguas subterráneas en el área de estudio, mediante la implementación de herramientas de modelación.
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2
2.1
MARCOS DE REFERENCIA
MARCO CONCEPTUAL
La susceptibilidad a la contaminación de las aguas subterráneas, hace referencia al riesgo previsible de la alteración de la calidad del agua, como consecuencia de actividades y/o generadores de sustancias y agentes contaminantes. Para evaluar la susceptibilidad a la contaminación de las aguas subterráneas derivada del vertimiento de aguas residuales, es necesario conocer los siguientes conceptos.
2.1.1 Unidades Cartográficas de suelos Las unidades cartográficas de suelos, se definen como “el conjunto de todas las delineaciones o polígonos de suelos que están identificados por un mismo símbolo, cuya nomenclatura ha sido previamente establecida” USDA, 1985, citado por (Instituto Geográfico Agustín Codazzi - IGAC, 2009)
Según el Estudio General de Suelos, ejecutado por el Instituto Geográfico Agustín Codazzi (IGAC, 1997); las unidades cartográficas de suelo se encuentran definidas por símbolos que están compuestos por tres letras mayúsculas, una o más minúsculas y un número arábigo como subíndice.
La primera letra mayúscula identifica el paisaje, la segunda el clima y la tercera el contenido pedológico de la unidad de mapeo; las letras minúsculas indican fases por pendiente, pedregosidad e inundación y el número arábigo determina el grado de erosión como se observa a continuación. En la Tabla 1, se presenta las siglas utilizadas para realizar la nomenclatura de las unidades de suelo.
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Tabla 1
Nomenclatura para unidades cartográficas de suelo
ATRIBUTO
PAISAJE
CLIMA
PENDIENTE
EROSIÓN
SÍMBOLO
DESCRIPCIÓN
M
Paisaje de montaña
L
Paisaje de lomerío
P
Paisaje de piedemonte
V
Paisaje de valle
N
Clima nival
A
Clima subnival pluvial
D
Clima extremadamente frío muy húmedo
G
Clima muy frío y muy húmedo
K
Clima frío húmedo y muy húmedo
Q
Clima medio húmedo y muy húmedo
R
Clima medio seco
V
Clima cálido húmedo
W
Clima cálido seco
a
Con pendientes que van de 0 a 3 %
b
Con pendientes que van de 3 a 7 %
c
Con pendientes que van de 7 a 12 %
d
Con pendientes que van de 12 a 25 %
e
Con pendientes que van de 25 a 50 %
f
Con pendientes que van de 50 a 75 %
g
Con pendientes mayores a 75 % 1
Erosión ligera
2
Erosión moderada
3
Erosión severa Fuente: IGAC. 1997
2.1.2 Propiedades físicas y químicas de los suelos La definición del suelo corresponde a “los cuerpos naturales, compuestos por material orgánico y mineral, que cubren la mayoría de la superficie terrestre, contienen materia viva y que sostienen vegetación en campo abierto y en lugares transformados por la actividad humana. El suelo consiste de los horizontes cercanos a la superficie terrestre los cuales, en contraste con el material rocoso subyacente, han sido alterados por las interacciones, a través del tiempo, entre
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clima, relieve, material parental y organismos vivos”. (Sistema de Información Ambiental de Colombia, 2014)
La textura del suelo definida por la FAO (Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura- FAO, 2014) como la proporción de componentes inorgánicos de diferentes formas y tamaños, como arena, limo y arcilla, influye sobre la fertilidad, el movimiento del agua en el suelo y su capacidad para retener agua, la conducción térmica, el crecimiento radicular y la resistencia a la erosión la aireación y el contenido de materia orgánica entre otras propiedades; es otro de los conceptos importantes a la hora de abordar este estudio.
El movimiento del agua en el suelo nos introduce al concepto de flujo saturado y no saturado; el primero de ellos se presenta cuando los espacios porosos del suelo se encuentran ocupados por agua; mientras que en el segundo, el contenido de agua en el suelo es menor a la porosidad del mismo. Allí encontramos la zona no saturada, que comprende la sección del suelo situada entre la superficie del mismo y la zona saturada, donde se producen flujos de materia y energía, adsorción, transformación y cambios de fase, procesos biológicos etc. (Universidad de Santiago de Compostela, 2013, pág. 5).
El transporte de contaminantes en la zona no saturada, se caracteriza por estar ligado a la velocidad de percolación del fluido desde la superficie; por tanto el transporte es unidimensional en la dirección descendente (Martin).
2.1.3 Aguas residuales El Reglamento técnico del sector de agua potable y saneamiento básico RAS – 2000, define las aguas residuales como aquellas aguas que contienen material disuelto y en suspensión, después de ser usadas por una comunidad o industria (Ministerio de Desarrollo Económico, 2000). Después de su uso, las aguas residuales deben ser vertidas o entregadas al medio; para ello existen diferentes alternativas de disposición como el vertimiento directo a cuerpos de agua superficiales o marinos, alcantarillado público, disposición en suelos y la reinyección de aguas
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provenientes del subsuelo durante las actividades de extracción de hidrocarburos y recursos geotérmicos.
Las aguas residuales poseen compuestos de origen orgánico, inorgánico y mineral que bajo cierta concentración pueden llegar a ser tóxicos o perjudiciales para un uso determinado del recurso; ya que la calidad del agua es un concepto directamente ligado al uso final de la misma; más aún si o se tiene control sobre la calidad del vertimiento de la misma.
La organización mundial de la salud, así como los gobiernos de diferentes países, han determinado unos niveles máximos de contaminantes admisibles respecto a la calidad de las aguas residuales.
En este sentido, la legislación colombiana mediante el Decreto 1594 de 1984 y el Decreto 3930 de 2010, estableció la norma de vertimiento, la cual se define como el conjunto de parámetros y valores que debe cumplir el vertimiento en el momento de la descarga. Dentro de esta, existen variaciones en cuanto a la calidad del vertimiento, dependiendo de la destinación del recurso hídrico en el área donde se realice el vertimiento, tales como uso para consumo humano y doméstico, agrícola, pecuario, recreativo e industrial entre otros.
En consecuencia, se considera que existe cierta concentración admisible de una sustancia, elemento o compuesto en un líquido (agua) que en las proporciones establecidas en la norma y dependiendo de la destinación del recurso, no pondrían en riesgo la calidad de este para un uso específico.
Dentro del concepto de aguas residuales, es importante hablar de la forma de transporte de los contaminantes o solutos dentro del sistema; la cual se encuentra relacionada con la facilidad de un soluto (que para nuestro caso se refiere a las sustancias contaminantes) para moverse en un disolvente determinado (el agua).
Las sustancias contaminantes pueden ser transportadas por difusión molecular y por dispersión mecánica; la difusión molecular se refiere al movimiento del agua de los puntos de
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mayor concentración a los de menor concentración. El flujo de masa por difusión está regido por la primera ley de Fick (EC1); sin embargo, cuando se trata de difusión en un medio poroso (suelo), la facilidad de movimiento de los solutos se dificulta y se hace necesario considerar las características del medio; principalmente la porosidad eficaz y la tortuosidad; simplificando así la ecuación (EC1) en función de la porosidad eficaz como se aprecia en la ecuación EC2. (Sánchez, 2012):
(EC1), dónde: F= Flujo de masa por unidad de tiempo y por unidad de sección perpendicular al flujo (M/T), Dm= Coeficiente de difusión (L2/T)1, C= Concentración (M/L3), dC/dX= gradiente de concentraciones; es decir entre dos puntos situados a una distancia dx, existe una diferencia de concentraciones dC.
(EC2), dónde: me= porosidad eficaz, c=coeficiente (1,8 a 2,0 para materiales consolidados y 1,3 para arenas no consolidadas.
La dispersión mecánica se refiere al arrastre de una sustancia contaminante por el agua y es provocada por el movimiento del fluido a través del medio poroso; esta puede darse en sentido del flujo (longitudinal) y lateralmente (transversal). La dispersión longitudinal (αl), siempre es mayor que la transversal (αt), por tanto la mancha contaminante adquirirá una forma alargada en el sentido de flujo. Además de las variables relacionadas con el medio poroso, la dispersión mecánica considera la velocidad del fluido; por cuanto la dispersión mecánica es igual al producto de este coeficiente por la velocidad lineal media (EC3) (Sánchez, 2012).
(EC3), donde:
1
El valor del coeficiente de difusión Dm oscila entre 1x10-9 y 9x10-9 m2/seg, para los iones comunes en el
agua y entre 1x10-10 y 9x10-9 m2/seg para compuestos orgánicos volátiles.
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α= dispersividad dinámica (L), y v= velocidad lineal media (L/T)
2.1.4 Aguas Subterráneas
Se pueden definir las aguas subterráneas, como aquellas aguas que se encuentran bajo la superficie del terreno, dentro de los poros o fracturas de las rocas o dentro de las masas de regolitos (Gonzalo, 2013, pág. 399). Existen diferentes tipos de cuerpos rocosos que se clasifican de acuerdo a la capacidad de almacenamiento y trasmisión de agua y se clasifican en acuíferos y acuitardos; los primeros corresponden a rocas permeables que permiten la entrada de agua y su movimiento con relativa facilidad; mientras que los segundos son rocas que pueden contener agua, pero su baja permeabilidad no permite el flujo del agua subterránea. (Instituto de Investigación de RecursosBbiológicos Alexander Von Humboldt, 2008).
Las aguas subterráneas se almacenan naturalmente en áreas denominadas acuíferos, los cuales se clasifican dependiendo factores como la porosidad, permeabilidad, transmisibilidad específica y coeficiente de almacenamiento (Julio, 2011). Estos factores, se encuentran igualmente relacionados con la determinación del riesgo a la contaminación de las aguas subterráneas; es decir la "vulnerabilidad del agua subterránea a la contaminación”, la cual puede variar por las condiciones climatológicas específicas, los patrones de entrada del contaminante y las escalas espacial y temporal de la evaluación.
Como lo cita (Martínez, 1998), Foster (1987), la vulnerabilidad de los acuíferos a la contaminación, corresponde a aquellas características intrínsecas de los estratos que separan la zona saturada de la superficie del terreno, que determinan su sensibilidad a ser adversamente afectado por un contaminante externo. La vulnerabilidad puede ser intrínseca (condicionada por las características hidrogeológicas del terreno) y específica cuando se consideran factores externos como la climatología y el mismo contaminante. (Martínez, 1998, pág. 414).
Respecto a la zona saturada de las aguas subterráneas, esta se localiza justo debajo de la zona no saturada de los suelos y donde los poros de la roca se encuentran totalmente llenos de agua como se representa en la Figura 1. La zona no saturada de los suelos es la conexión
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hidrológica entre los componentes del agua superficial del ciclo hidrológico y los componentes de las aguas subterráneas (Jacques, 2007)
Superficie de la tierra
Zona no saturada
Nivel freático Zona Saturada Agua subterránea Agua (no subterránea) que se mantiene unida a la superficie de los huecos por atracción capilar
Aire
Aire
Nivel freático Todos los huecos por debajo del nivel freático se encuentran llenos de agua subterránea
Figura 1. Diagrama de producción de las aguas subterráneas Fuente: Adaptado de Water.usgs.gov
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MARCO TEÓRICO
Las metodologías más usadas y reportadas en la literatura para el análisis y cuantificación de la vulnerabilidad de acuíferos son las denominadas “de índice” y “superposición”, las cuales asumen que algunos parámetros influyen más que otros en la determinación de la vulnerabilidad del acuífero. Los métodos de índice como son GOD y DRASTIC, consideran las características físicas propias del marco hidrogeológico que afecta el potencial de contaminación del agua. Una limitación de estos métodos es la subjetividad al valorar los parámetros por ello es necesario utilizar criterios homogéneos. (Martínez, 1998).
Existen además métodos estadísticos que relacionan la vulnerabilidad con la probabilidad que un contaminante alcance el nivel freático y los modelos de simulación que estiman los tiempos de viaje del contaminante a través de la zona no saturada (ZNS). (Ríos L, 2007).
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2.2.1 Herramientas de simulación
La utilización de modelos para la predicción de variables o simulación de procesos en la ZNS es una práctica usual y cada vez más extendida, pero previamente requiere la calibración y verificación de dichos modelos (Ritter A, 2009). La modelación de la zona no saturada, se suele realizar con base en una discretización espacial unidimensional en la dirección vertical (Martin)
El modelo HYDRUS-1D corresponde a un paquete de software que permite simular el movimiento del agua y múltiples solutos en medios de saturación variable (Simunek, 2013). El programa HYDRUS, resuelve numéricamente la ecuación de Richards (Ec1) por variabilidad del flujo de agua y ecuaciones de tipo advección-dispersión para calor y transporte de solutos, mediante la técnica de elementos finitos.
La ecuación que describe el transporte advectivo-dispersivo de un soluto no reactivo en un medio poroso homogéneo bajo condiciones de flujo estacionario en el agua es (Alvarez):
(EC4), donde: C= concentración del soluto en la disolución (ML-3), X = distancia, V= promedio de la velocidad instersticial del agua (Ll-1), T = tiempo y D= coeficiente de dispersión axial (L2t-1)
Para la estimación de D, es necesario considerar elementos de naturaleza físico química y mecánica del medio, los cuales se encuentran en función de la composición del mismo y sus propiedades tales como la porosidad y la tortuosidad del medio.
Entre otras aplicaciones, el programa puede simular el movimiento del agua y solutos (sustancia contaminante) en medios porosos con saturación variables (no saturados, parcialmente saturados y totalmente saturados). Aunque el software contempla ecuaciones para la regulación del flujo de agua, ecuaciones para determinar el tiempo de absorción del agua por las raíces de las plantas, de propiedades hidráulicas del suelo no saturado y de dependencia de la temperatura de las funciones hidráulicas del suelo entre otras aplicaciones, aquellas que le atañen al presente
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proyecto, están relacionadas con las dos primeras para un flujo de agua uniforme; por tanto la ecuación base de nuestro análisis corresponde a:
(Ec1)
Donde h es la cabeza presión [L], θ es el contenido volumétrico de humedad [L3 L-3], t es el tiempo [T], x es la coordenada espacial [L] (positiva hacia arriba), S explica la absorción de agua por las raíces de las plantas (Feddes et. al., 1978) [L3 L3T1]α, es el ángulo entre la dirección del flujo y el eje vertical (α= 0° para flujo vertical, 90° para flujo horizontal, y 0° < α