I SEMINARIO-TALLER. PROTECCIÓN DE ACUÍFEROS FRENTE A LA CONTAMINACIÓN: METOLODOGÍA.

Toluca, México. 20-22 de Junio de 2001

VULNERABILIDAD DE LOS ACUIFEROS SEMICONFINADOS MULTICAPAS EN EL VALLE CENTRAL, CENTRO SUR, CHILE.

Por:	L. N. Gonzalez. A. E. Gonzalez.

Departamento de Ciencias de La Tierra.
Universidad de Concepción. Casilla 166-C
Concepción.Chile

(Chile)

RESUMEN

Se comparan los resultados de un estudio de calidad de agua subterránea en un sistema de acuíferos semiconfinados multicapas en un área piloto, ubicada en el Valle Central, Centro Sur, Chile, con los grados de vulnerabilidad de estos acuíferos, obtenidos mediante el método G.O.D.S. Los parámetros utilizados para la cuantificación del grado de vulnerabilidad relativa son: tipos de acuíferos (G), carácter litológico y grado de consolidación de los estratos no saturados (O), profundidad del nivel piezométrico (D) y el factor del suelo (S). El área elegida, como área piloto, cuenta con la presencia de un vertedero en explotación.

ABSTRACT

The results are compared of a study of groundwater quality in a system of semiconfined multilayer aquifers with the degrees of vulnerability to grondwater contamination obtained by the G.O.D.S. method. The pilot area is located in the Central Valley in the Center South of Chile. The following parameters have been used to quantify the relative vulnerability: Groundwater ocurrance (G), Overlying lithology (O), Depth to water table (D),ahd Soil factor (S). The selected pilot area includes a sanitary landfill site in use.

INTRODUCCIÓN

El medio ambiente aquí considerado contempla la indisoluble relación entre los componentes naturales y la acción del hombre, estableciendo una dinámica propia de transformación del medio físico.

El medio físico, puede ser entendido, según Fornasari Filho et al. (1992), como “el conjunto de componentes predominantemente abióticos, como los materiales terrestres (suelos, rocas, aguas, aire) y tipos naturales de energía (gravitacional, solar y otras) incluyendo sus modificaciones resultantes de la acción biológica y humana”.

El área de estudio se ubica en la provincia de Ñuble de VIII Región del Biobío, Chile, situada en el Valle Central o Llanura Fluviovolcánica, que se extiende entre los: 36°41’ – 36°42’ latitud sur y los 72°10’ – 72°12’ longitud oeste y corresponde a la cuenca Hidrográfica del río Itata (Figura 1.).

Figura 1: Mapa de ubicación del área de estudio

El objetivo de este trabajo fue confirmar los grados de vulnerabilidad de los acuíferos semiconfinados multicapas, mediante un estudio de la calidad de agua de estos acuíferos. Con esta finalidad se eligió como zona piloto un sector donde, de acuerdo a los parámetros de evaluación de vulnerabilidad según el método de G.O.D. (Foster, 1987) y con la incorporación del factor de suelo (S), el grado de vulnerabilidad obtenido es “bajo” a “despreciable”, sin embargo, los resultados de calidad del agua de los acuíferos existentes en el área de estudio, demostraron contaminación del recurso hídrico subterráneo. Esta contaminación proviene del vertedero en explotación, existente en el área de estudio.

GEOLOGÍA Y GEOMORFOLOGÍA REGIONAL

La geología regional esta representada por afloramiento de rocas metamórficas asignadas al Paleozoico, rocas sedimentarias y volcánicas, marinas y/o continentales, del Mesozoico-Cenozoico y sedimentos inconsolidados del Cenozoico.  (FIG. 2). (Gajardo, 1981, Collao et. Al., 2000)

Figura 2: Mapa Geológico de Octava Región del Biobío.
(Tomada de Gajardo, 1981, Collao et. Al., 2000).

Las principales unidades geomorfológicas son: Cordillera Andina, La Montaña, Valle Central, Cordillera de la Costa y Planicies Litorales.

La Cordillera Andina esta representada por sus contrafuertes más occidentales, que constituyen un relieve abrupto de difícil acceso.  Sus alturas máximas varían entre 1.800 y 2000 m.s.n.m.; esta disertada por ríos mayores y por causes tributarios, entre ellos, los ríos Longavi, Ñuble, Chillan, Renegado y Diguillin, que han excavado valles de importante desarrollo.

La Montaña constituye una unidad transicional, entre la Cordillera Andina y la Depresión Central. Su altura media varia entre 400 y 500 m s.n.m., y esta profundamente disernada por los ríos que la atraviesan.

El Valle Central constituye una amplia llanura de unos 150 metros de altitud media y con una superficie ondulada hacia el sur, donde los ríos se encauzan con una mayor profundidad. Su máxima amplitud este-oeste, la alcanza en la zona de Chillan, con 40 km. de ancho.

La Cordillera de la Costa tiene las características de un macizo en estado de madurez, disertado por los causes que la atraviesan. La altura de los cerros que dominan el paisaje, varia entre los 500 y 760 m s.n.m.

Las Planicies Litorales, ubicadas al oeste de la Cordillera de la Costa, se distribuyen en forma discontinua de norte a sur, con una altura variable entre 10 y 50 metros.

El área de estudio esta ubicada en la unidad geomorfológica  Valle Central con las altitudes entre 100 y 116 m s.n.m.(Fig. 2)

DRENAJE

La red de drenaje de carácter regional del área de estudio corresponde a la hoya del río Itata, representada por su sector Norte, que abarca la mayor parte del área y esta formada por los ríos Ñuble e Itata, que confluyen antes de penetrar en la Cordillera de la Costa y por sus tributarios más importantes río Ñuble, Diguillin y Chillan (Fig.2)

El área piloto se ubica entre las hoyas hidrográficas del río Chillan  y del Diguillin. La red de drenaje local  corresponde a los esteros Quitasol y Quilimpato que son tributarios del río Larqui afluyente del río Chillan.

CLIMA

Predomina un clima mediterráneo (templado cálido) con algunos sectores con clima templado húmedo, especialmente en la Cordillera de la Costa.  Esta unidad de relieve constituye un elemento de diferenciación de las precipitaciones, presentando en sus sectores altos un dominio húmedo con mas de 2.000 mm por año, y en su vertiente oriental, valores que escasamente superan los 1.000 mm anuales. El Valle Central, gracias a esta barrera climática que detiene las influencias marítimas, presenta rasgos de clima continental, veranos cálidos e inviernos fríos, con precipitaciones de alrededor de 1.000 mm, en años lluviosos. Las precipitaciones medias para la zona de estudio en los últimos tres años son de 862 mm (Boletín Agrometereologico, Chillan, 2000).

Las temperaturas en los últimos tres años en la zona son también variables, presentando una media de 19.6º C en Enero y 8.4º C en Julio de un promedio de 14°C., y con humedad media de 81%.

UNIDADES GEOLOGO-GEOMORFOLÓGICAS DEL ÁREA DE ESTUDIO

El área de estudio esta constituida por tres unidades geomorfológicas: Llanuras fluviales locales, relacionadas con la red hidrográfica, y dos plataformas volcánicas: inferior y superior (Fig. 3). La geología del área esta representada por los depósitos volcano-sedimentarios pertenecientes a la formación La Montaña (Pllm) (Gajardo,1981). La litología de estos depósitos comprende a sedimentos fluvio-volcánicos, representados por Lahar - conglomerados consolidados, areniscas arcillosa y tobáceas de granulometría media a gruesa y arcillolitas de baja consolidación. En el sector del área piloto esta unidad esta cubierta por una capa de suelo arcilloso de una potencia que varia entre 1.00 m y 3.00 m.

HIDROGEOLOGÍA

El conocimiento hidrogeológico de un área o región es un importante subsidio a la gestión de sus recursos hídricos subterráneos y para la planificación de la ocupación sustentada de su territorio, previniendo alteraciones predatarias en las características de los embalses subterráneos y su consecuencia con respecto a usos y ocupaciones del suelo.

Las aguas subterráneas aun que se encuentra en relativa mayor protección que las aguas superficiales, exigen también el adecuado uso y ocupación del medio físico que las encierra.

Figura 3: Mapa Geomorfológico

El estudio hidrogeológico en el área de estudio y su estado actual consistió en la identificación y clasificación de los acuíferos, su forma de ocurrencia, distribución espacial, dinámica del agua, interconexiones con los medios adyacentes y su calidad.

En el área de estudio se perforaron cuatro pozos con el objetivo de reconocer la composición litológica del subsuelo,  ubicación y calidad del agua subterránea de los acuíferos.

Según la información, obtenida mediante las perforaciones, se detectaron tres acuíferos semiconfinados (Fig. 5, Tabla 1), los cuales estan ubicados en estratos de arenisca media a gruesa de baja consolidación. Estos acuíferos estan separados entre sí por capas de material de textura Franco arcillosa.

Los estratos que sobreyacen al acuífero superior estan representados por suelo de material Franco arcilloso de una potencia variable entre 1 y 3,0 m, y una capa de Lahar, que es un conglomerado consolidado de una potencia media de 2.0 m.

Los niveles piezométricos de los acuíferos semiconfinados (superior I, intermedio II e inferior III)  se encuentran a 4,8 m., 6,5m., y 8,5 m de profundidad respectivamente.

Figura 4: Perfil Litológico del área de estudio.

Tabla 1:  Características hidrogeológicas del perfil.

EVALUACIÓN DE LA VULNERABILIDAD DE LOS ACUÍFEROS SEMICONFINADOS

Existen una serie de metodoligías para la evaluación de la vulnerabilidad, que investigan diversas variables adjudicándole diferente peso en la evaluación. Para el área de estudio se aplicó el método de G.O.D., desarrollado por Foster (1987).

El método G.O.D. estima la vulnerabilidad de un acuífero, multiplicando tres parámetros que representan tres tipos de información espacial con el rango de índice determinado (Verba.J & Zaporozec.A., 1994).

G (Groungwater ocurrance) – tipo de acuífero (de 0 a 1,0)
O (Overlying lithology) – litología de la zona no saturada (de 0,4 a 1,0)
D (Depth to Groundwater) – profundidad del agua subterránea (de 0,4 a 1,0).

El producto de estos tres componentes arroja un índice de vulnerabilidad que puede variar entre 0 y 1, indicando vulnerabilidad desde despreciable a extrema.

El factor de suelo es un parámetro esencial que considera la capacidad de atenuación y el grado de fisuración del suelo (Custodio, 1995). Para la evaluación de este parámetro se considero principalmente la textura del suelo:

Textura Franco arcillosa (FA) con factor del suelo (S) 0,6
Textura Franco arcillosa arenosa (FAa) con factor del suelo (S) 0,7
Textura Franco arenosa (Fa) con factor del suelo (S) 0,8

Los índices de vulnerabilidad de los acuíferos semiconfinados multicapas en el área de estudio se determinaron incorporando el  factor suelo: G * O * D * S

Los resultados de la evaluación de vulnerabilidad de los acuíferos semiconfinados en el área de estudio, se presentan en la Tabla 2.

Tabla 1: Los índices y grados de vulnerabilidad, considerando las combinaciones existentes
en el área de estudio, de los parámetros G.O.D.S.

Los índices de vulnerabilidad determinados varían entre 0,13 para el acuífero superior y 0,096 para los dos acuíferos subyacentes, dando como resultado de rango de vulnerabilidad desde baja hasta despreciable respectivamente.

Recarga efectiva

La infiltración es el proceso mediante el cual el agua penetra desde la superficie del terreno hacia el suelo.  Muchos factores influyen en la tasa de infiltración, incluyendo la condición de la superficie del suelo, su cubierta vegetal y las propiedades físicas e hidráulicas del suelo.

El suelo esta constituido por material arcilloso de rango 6, por debajo del estrato de suelo se dispone una capa de Lahar – material volcanopiroclástico consolidado. Los rangos de la recarga  efectiva se obtuvieron evaluando el potencial de escorrentía a través del método SCS (Soil Conservation Service, 1972). Para los cálculos de retención del terrenos y rango de drenaje se utilizaron las curvas para superficies naturales CN < 100, para diferentes condiciones de humedad: AMC-I secas, AMC-II normales y AMC-III húmedas (Tabla 3), obteniendo el rango bajo de capacidad de drenaje, según la clasificación SCS, representada en la Tabla 4.

Tabla 3:  Potencial de retención del terreno en relación con las condiciones de humedad

  Tabla 4: Rango de capacidad de drenaje por el método SCS.

La tasa, profundidad de infiltración y tiempo de encharcamiento para el área de estudio, se calculó mediante la metodología De Green-Ampt ( en Ven Te Chow, 1994). La aplicación del modelo de Green-Ampt requiere estimación de la conductividad hidráulica K, de la porosidad  h y de la capacidad de succión del suelo y.

El suelo en el área de estudio tiene la conductividad hidráulica de 0,005 m/día (0,021cm/h), saturación efectiva de 0,27 y capacidad de succión 29,22 cm.

La infiltración acumulada durante una hora de lluvia se determino empleando el método de las sustituciones sucesivas y por la ecuación de Green-Ampt:

F = K + yDq ln[ 1 + (K/yDq)] = 0,021 x 7,89 ln [ 1 + (0,021/7,89)] = 0,6 mm

La tasa de infiltración: f =K  [ (yDq/ F) + 1] = 0,021 [ (7,89/0,05404) + 1] = 3,3 mm/h

El tiempo de encharcamiento para una lluvia de intensidad i = 18,45 mm/h es:

t = ( K x yDq )  /  ( i x ( i - K)) = (0,021 x 7,89) / (1,85 x (1,85-0,021)) = 3,31 h

La profundidad de infiltración: Fp =i x t = 18,45 x 3,31 = 61,20 mm

Las precipitaciones de exceso, de acuerdo a los cálculos, se forman después de 3,31 horas de lluvia uniforme.

Los cálculos del potencial de la escorrentía superficial para el suelo constituido por  dos estratos de litología diferente  se presentan en la Tabla 5.

  Tabla 5:  Escorrentía potencial e infiltración en el área de estudio

Desde el punto de vista hidrológico, la evapotranspiración es parte del balance hídrico (Tabla 6) y se considera como  pérdidas. Los montos totales anuales evapotranspirados desde el área de estudio se determinaron analíticamente, utilizando el método de Turc (Custodio y Llamas, 1983):

EVT = P/Ö 0,9 + (P/L)2 = 535 mm/año

Donde: P – precipitaciones medias ( 862mm/año)
                L = 300+25T+0,05T2
                T – temperatura media (14°C)

  Tabla 6:  Balance Hídrico del área de estudio

La recarga efectiva en el área de estudio se clasificó como de bajo grado con el índice 3 dentro del rango de 1 a 5, de acuerdo a la escorrentía superficial:

Recarga alta para escorrentía de 0 a 15% - de rango 5
Recarga moderada para la escorrentía de 15 a 25% - de rango 4
Recarga baja para la escorrentía de 25 a 30% - de rango 3
Recarga muy baja para la escorrentía > a 30% - de rango 2

Si consideramos el factor de recarga efectiva en el método G.O.D.S., el índice de vulnerabilidad resultante seria del rango moderado.

Recarga a los acuíferos semiconfinados.

El caudal de paso de los acuíferos semiconfinados se calculó de acuerdo a la ley de Darcy (Tabla 7):

Q = k’ * A * i

Siendo:    k’ – Permeabilidad vertical de los paquetes semiconfinantes
                    A – Area del contacto
                     i – Gradiente
                    Q – Recarga para los acuíferos semiconfinados:

  Tabla 7: Cálculos de la recarga

De acuerdo a los resultados obtenidos se supone una recarga anual de 2,50 Hm3 para el acuífero superior, 0,93 Hm3 para intermedio y 0,58 Hm3 para inferior.

CALIDAD DEL AGUA

Se realizó una campaña de muestreo del agua subterránea en el área de estudio, para evaluar su calidad en los tres acuíferos. Los parámetros a determinar en cada punto se seleccionaron, tomando como base lo dispuesto en las Normas Chilenas, que fija los requisitos de agua potable (NCh. 409/1 Of. 84) y  riego ( NCh 133. Of 78). Los resultados de los análisis químicos y bacteriológicos del agua subterránea de los tres acuíferos se presentan en la Tabla 8. Además, se analizaron tres muestras de aguas superficiales, tomadas en el sector noroeste, aguas arriba, según dirección de la escorrentía superficial (Tabla 9).

  Tabla 8: Caracterización de la calidad de las aguas subterráneas.

En las muestras se observa la existencia de parámetros que exceden las normas, los más importantes son: la presencia de coliformes fecales y totales, compuestos fenolicos, detergentes, hierro y manganeso.

  Tabla 8: Caracterización de la calidad de las aguas superficiales.

En las muestras de agua superficiales se observa la existencia de parámetros que exceden las normas Chilenas para regadío, se refiere a la presencia de aceites y grasas, coliformes fecales, nitrógeno total, sodio, hierro y manganeso.
Los contaminantes o parámetros que exceden las normas, pueden provenir del vertedero existente en el área de estudio.

CONCLUSIONES

Los acuíferos se pueden clasificar como semiconfinados, ya que se encuentran encerrados entre las capas de material de textura Franco arcilla de muy baja permeabilidad.

Según la ubicación de los niveles piezométricos, características texturales de los estratos semiconfinantes, y resultados de la calidad de agua subterránea y presencia de contaminación, se pueden concluir que existe relación hidráulica entre los acuíferos.

Las condiciones de semiconfinamiento no confieren una gran protección con respecto a la contaminación a los acuíferos en cuestión.

El índice de vulnerabilidad obtenido mediante el método G.O.D.S., para el área de estudio corresponde al rango bajo - despreciable, sin embargo, los resultados de la calidad del agua subterránea demuestran una presencia de contaminación bacteriológica y de metales en los tres acuíferos semiconfinados.

La incorporación del factor de recarga efectiva al método G.O.D.S., demuestra que es un parámetro muy importante para la evaluación de la vulnerabilidad de los acuíferos semiconfinados.

BIBLIOGRAFÍA

Custodio, E.; Llamas M.R 1983. Hidrología subterránea. Ediciones Omega  2350 pp. Barcelona, España.

Custodio, E.; Lluria M.R 1995. Seminario Internacional de aguas subterráneas, Santiago, Chile180 pp.

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Gajardo A. C. 1981. Mapas geológicos preliminares de Chile. Hoja Concepción – Chillan. Instituto de Investigaciones Geológicas.

Fetter C.W. 1994. Applied Hydrogeology. Third Edition 691 pp., New Jersey USA.

Foster, S.S.D., 1987. Fundamental concepts in aquifer vulnerability, pollution risk and protection strategy. En G.W. van Duijvenbooden and H.G. van Waegeningh, eds. Vulnerability of soil and grounwater to pollutants. TNO, The Hague 69-86 pp.

Monsalve Sáenz G. 1999. Hidrología en la Ingeniería. Alfaomega, 2-a Edición, 358 pp., México.

Ven Te Chow, D.R. Maidment, L.W. Mays, 1994. Hidrología Aplicada. Editorial Nomos S.A. 584 pp. Colombia.

Villanueva M., Iglesias A. 1984. Pozos y Acuíferos. Técnicas de evaluación mediante ensayos de bombeo. Instituto Geológico y Minero de España, 426 pp., Madrid

Verba.J & Zaporozec.A., 1994  Guidebook on Maping Grondwater Vulnerability. Hannover, International Association of Hidrogeologists, 31-38 pp.

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Ultima actualización: 31 Enero de 2004.©
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