II SEMINARIO-TALLER. PROTECCIÓN DE
ACUÍFEROS FRENTE A LA CONTAMINACIÓN: CARACTERIZACIÓN Y
EVALUACIÓN.
Ciudad de La Habana, Cuba. Abril 2002
SUELOS
VOLCÁNICOS Y VULNERABILIDAD DEL ACUÍFERO FREÁTICO.
CUENCA DEL
RIO LAJA, VIII REGION, CHILE.
Por: Liubow Nikolaivna González
Abraham González Martínez
Departamento
de Ciencias de la Tierra, Universidad de Concepción,
Casilla 3-C, Concepción, Chile
liubow@udec.cl
(Chile)
RESUMEN
El trabajo que se presenta evalúa la vulnerabilidad
natural del acuífero freático de la cuenca hidrográfica
del río Laja con suelos derivados de materiales volcánicos
que se extienden en la Plataforma Piedemonte y en la
Depresión Central con el límite que se sitúa al este de la
Cordillera de la Costa, y son suelos estratificados, con
texturas principalmente arenosas y franco-arenosas, cuya
granulometría varía desde gruesas a muy finas.
El principal sustento económico del sistema social
de la cuenca del río Laja, lo brindan las actividades
forestales y agrícolas, que accionan permanentemente sobre
el recurso hídrico subterráneo.
Con los datos de la calidad del agua subterránea,
se realizo un análisis preliminar de las tendencias de
comportamiento de los parámetros de cloruros, sólidos
totales disueltos, fosfatos y nitratos a efecto de establecer
una correlación entre rango de vulnerabilidad natural del
acuífero freático y fuente-contaminación en los suelos de
diferentes características fisico-químicas y en relación
con el uso de suelo.
Los resultados demuestran que el comportamiento de
los solutos en el agua subterránea tienen una tendencia de
incremento desde la Precordillera Andina hacia la Cordillera
de la Costa. Las concentraciones mayores se presentan en el
contacto de la Depresión Central con la Cordillera de la
Costa, donde el riesgo de contaminación, según rango de
vulnerabilidad es moderadamente alto a muy alto. Esto se debe
que los suelos arenosos de textura media-fina con escaso
contenido de material arcilloso proporciona un bajo grado de
protección para el acuífero, puesto que tienen menores
reservas de materia orgánica para sorbción y
denitrificación, además, con los niveles freáticos altos,
lo que evita la capacidad de atenuación propia de dichos
suelos y facilita el transporte de los contaminantes de
origen agrícola hacia las aguas subterráneas. Por el
contrario, los contaminantes agrícolas son menos habituales
en el agua subterránea relacionada con los suelos arenosos
de textura gruesa y media con mayor contenido de material
arcilloso, donde la capacidad para atenuar contaminantes esta
relacionada con los mayores contenidos de materia orgánica
sorbible/lábil, así como por la mayor profundidad del nivel
del agua subterránea.
PALABRAS CLAVES
Vulnerabilidad de agua subterránea, Acuífero
freático, Contaminantes agrícolas.
ABSTRACT
The work that is presented evaluates the natural
vulnerability of the phreatic aquifer of the Río Laja
hydrographic basin with derived floors of volcanic materials
that extend in the Plataforma Piedemonte and the Central
Depression with the limit that is located to the east of the
Cordillera de la Costa, and they are stratified soils, with
mainly sandy and franc-sandy textures whose grain varies from
thick to very fine.
The main economic sustenance of the social system of
the basin of the Río Laja, they offer it the forest and
agricultural activities that work permanently on the
water-resource development.
With the data of groundwater quality, one carries out a
preliminary analysis of the tendencies of behavior of the
parameters of chlorides, dissolved total solids, phosphates
and nitrates to effect of establishing a correlation between
range of natural vulnerability of the phreatic aquifer and
source-contamination in the solis of different
physicochemical characteristic and in connection with the
soil use.
The results demonstrate that the behavior of the
solutes in the groundwater has an increment tendency from the
Precordillera Andina toward the Cordillera de la Costa. The
biggest concentrations are presented in the contact of the
Depresión Central with the Cordillera de la Costa, where the
risk of contamination, according to vulnerability range is
moderately high to very high. This is owed that the sandy
soils of half-fine texture with scarce content of clay
material provide a low protection degree for the aquifer,
since they have smaller reservations of organic matter for
sorption and denitrification, also, with the high table
water, what avoids the attenuation capacity characteristic of
this soils and it facilitates the transport of the pollutants
of agricultural origin toward the groundwater. On the
contrary, the agricultural pollutants are less habitual in
the groundwater related with the sandy solis of thick and
half texture with more content of clay material, where the
capacity to attenuate pollutants this related with the
biggest contents of sorptive/labile organic matter, as well
as for the biggest depth in the water table.
WORD KEYS
Vulnerability of groundwater, phreatic aquifer,
agricultural contamination
INTRODUCCIÓN
La intensidad de la agricultura en el mundo ha
aumentado de forma significativa durante los últimos 30
años, provocando una afección creciente de contaminantes de
origen agrícola en las aguas subterráneas (Keeney 1986;
Melian et al., 1999; Rodvang et al., 2001). Una faceta
principal de cualquier sistema de producción agrícola
implica la gestión de nutrientes, principalmente el
nitrógeno y el fósforo, los cuales son esenciales para
todos los sistemas vivos y son los nutrientes más
fuertemente asociados con la agricultura como contaminantes
del agua y se registran concentraciones en aumento en muchos
países desarrollados (Kiely, 2001). Varios estudios
demostraron que la concentración de nitratos en las aguas
subterráneas es bajo en las áreas de los suelos de textura
fina y la concentración alta es típica para los suelos
arenosos de textura media a gruesa (Kross et al., 1990;
Mueller et al., 1995; Nolan et al., 1997; Tesoriero and Voss,
1997). La lixiviación de fósforo es más alto en los suelos
de textura fina, que en los suelos arenosos, debido a que los
primeros tienen capacidad de infiltración más baja y de
este modo tienen más probabilidad de generar escorrentía
superficial y, además, están relacionados con la dirección
preferencial del flujo de ésta (Culley and Bolton, 1983;
Beauchemin et al., 1998).
La cuenca del río Laja es una de las principales
subcuencas del río Biobío, ubicada en VIII Región,
Centro-Sur Chile y abarca una superficie de aproximadamente
2680 km2, emplaza su cabecera en la Cordillera Andina al Este
del volcán Antuco y al Sur de los Nevados de Chillan, drena
la Laguna de la Laja y, su río principal, luego de atravesar
la Depresión Central confluye en el río Biobío (Fig. 1).
Las condiciones climáticas contrastan de un verano
seco y cálido a un invierno lluvioso y fresco; con
temperaturas medias de 13º a 14º C. Las precipitaciones
ocurren esencialmente como lluvias en la Cordillera de la
Costa y Depresión Central, mientras que en el sector
oriental de la Cordillera Andina corresponden a nevazones
(Dirección General de Aguas, 2000).
Figura.
1 Mapa de ubicación geográfica del área de
estudio y de las unidades geológicas principales.
El patrón climático está condicionado por la
latitud y por la disminución de altura, desde la Cordillera
Andina, hasta el límite occidental de la Depresión Central.
Los montos pluviométricos medios anuales entre el periodo de
1962 hasta 2000, en las estaciones Tucapel y San Rosendo son
de 1628.3 mm/año y de 984,7 mm/año respectivamente.
El principal sustento económico del sistema social
de la cuenca del río Laja, lo brindan las actividades
forestales y agrícolas, que accionan permanentemente sobre
el sistema hídrico subterráneo.
Los subsuelos de la cuenca Hidrográfica del río
Laja, están constituidos por arenas, gravas, depósitos
glaciares, lacustres y aluviones con las características
naturales individuales más importantes que influyen sobre la
vulnerabilidad de aguas subterráneas y la prevención de su
contaminación.
Como las concentraciones normales de los nutrientes
en aguas no contaminadas son bajas, el nitrato y fosfato
puede ser un buen indicador de la contaminación causada por
las actividades antropogénicas (Downing and McCauley, 1992;
Smith et al., 1999).
Este trabajo consiste en la cuantificación del
rango de vulnerabilidad natural del acuífero freático en
relación con el espesor de la zona no saturada,
características físico-químicas de los suelos
sobreyacentes y uso del suelo.
CARACTERÍSTICAS
HIDROGEOLÓGICAS
El agua subterránea obtenida a poca profundidad es
la fuente principal de abastecimiento de agua potable en la
cuenca Hidrográfica del río Laja.
Las unidades de mayor importancia hidrogeológica,
corresponden a depósitos cuaternarios; los cuales conforman
un gran abanico desde el tramo de la Plataforma Piedemonte
hasta el Oeste dentro de la Depresión Central. Estos
depósitos de relleno están representados por depósitos
fluvio-volcanoclásticos, de arenas negras y gravas con los
niveles limo-arcillosos (Thiele et al., 1998) que generan
suelos permeables.
A los depósitos de arenas negras subyace una unidad
de tobas brechosas y brechas volcánicas consolidadas
reconocidas como Formación Banco del Laja (Brüggen, 1914),
una morrena (Muñoz-Cristi, 1960), un gran lahar (MacPhail,
1966), un depósito de flujo de escorias incandescentes
(Varela y Moreno, 1982) o ignimbritas escoriáceas
consolidadas de la unidad inferior, o secuencia basal del
Cono de Quilleco (Thiele et al., 1998). Esto favorece la
acumulación de aguas infiltradas por las precipitaciones
generando importantes recursos de agua subterránea.
La Cordillera de la Costa, constituida por rocas
graníticas, actúa como una barrera natural para el
flujo regional del agua subterránea. Los intensos procesos
de meteorización química, que han actuado sobre estas rocas
graníticas, han permitido la formación in situ de un suelo
residual profundo de espesor variable; compuesto por material
arenoso-arcilloso con presencia de gravilla, arcillas y limos
(CIREN, 1992). Estos suelos permiten la infiltración y
formación del flujo local de agua subterránea dirigido
hacia la Depresión Central (González, et al., 1999).
La profundidad del nivel estático del acuífero
freático varia entre 1 y 30 m. Los niveles más profundos,
entre 10 y 30 m, son característicos para la Plataforma
Piedemonte, mientras que en la Depresión Central estos se
encuentran en general entre 1 y 10 m (González, et al.,
2001).
La principal fuente de recarga del acuífero es la
infiltración de la precipitación directa caída sobre los
materiales permeables presentes en el área de estudio, la
cual disminuye desde la Precordillera Andina (233,03 mm/año)
hacia la Cordillera de la Costa (101,13 mm/año) (González,
et al., 2001).
El flujo regional de agua subterránea coincide con
la escorrentía superficial en dirección E-W, descargando
las aguas subterráneas hacia el río Laja en dirección
ortogonal, al curso de éste.
CARACTERÍSTICAS
FÍSICO-QUIMICAS DEL SUELO
La mayor parte del aporte que tiene el agua dulce de
la materia disuelta tanto orgánica como inorgánica tiene
lugar en el paso del agua por estratos del subsuelo. Como
tal, la naturaleza química de los sistemas de agua dulce
refleja fuertemente los tipos de suelo que se drenan y los
usos del mismo.
Los suelos de la cuenca Hidrográfica del río Laja
derivados de materiales volcánicos se extienden en la
Plataforma Piedemonte y en la Depresión Central con el
límite que se sitúa al este de la Cordillera de la Costa, y
son suelos estratificados, con texturas principalmente
arenosas y franco-arenosas, cuya granulometría varía desde
gruesas a muy finas.
El contenido de materia orgánica esta relacionado
con la presencia de alofán, con el pH bajo y,
consecuentemente, con altos niveles de hidrógeno
intercambiable; con alta capacidad de fijación de fosfato
que determina baja disponibilidad de fósforo; alta capacidad
total de cambio de cationes y bajas densidades aparentes de
los suelos. Los componentes activos en suelos con alofán se
encuentran estrechamente interrelacionados entre sí, de tal
manera que como consecuencia existe un complejo coloidal
humus-alofán de gran estabilidad que da origen, entre otros
factores, a un nivel alto de carbono orgánico (Zunino, et
al., 1982). Los suelos de la Plataforma Piedemonte contienen
componente alofán, mientras que los suelos de la Depresión
Central, generalmente, carecen de éste.
En la Figura 2 se observa claramente que el
porcentaje del contenido de materia orgánica en los suelos
estudiados desminuye desde la Precordillera Andina hacia la
Cordillera de la Costa, mientras que el contenido de nitratos
y fosfatos tienen la tendencia inversa en mismo sentido.
Figura.
2 Variación de la concentración de elementos
en los suelos de la cuenca del río Laja
CONDUCTIVIDAD
HIDRÁULICA VERTICAL
La infiltración de agua de lluvia tiene relación
con la conductividad hidráulica vertical de los suelos
sobreyacentes al acuífero y depende de la textura y espesor
de estos. De acuerdo a los resultados obtenidos mediante los
ensayos de permeabilidad (Permeameter KL 2800), realizados
durante la campaña de terreno, y según los datos de
composición granulométrica, la conductividad hidráulica
vertical de suelos en el tramo Precordillera
Andina-Cordillera de la Costa varia entre 0,24 y 14,33 cm/h
(Tabla 1). La circulación del agua por el interior del suelo
condiciona los procesos más importantes de la pedogénesis.
El drenaje vertical del suelo es el proceso al que
se debe, en buena parte, la constitución de los horizontes
edáficos; sólo puede iniciarse si existe macroporosidad
importante
Los suelos de la cuenca del río Laja presentan una
capacidad de infiltración variable según los datos
obtenidos y se pueden clasificarse en tres grupos:
a) En la
Plataforma Piedemonte los suelos están representados por
la textura franco-limosa con una infiltración baja,
que varia entre 0,6 y
2,0 cm/h y, además, por suelos con acumulación de
fracción arenosa en el horizonte superior, presentan una
infiltración mayor entre 3,0 y 4,0 cm/h.
b) En la
Depresión Central los suelos están representados,
principalmente, por la textura arenosa con una
infiltración elevada que varia entre 5 y 14,0 cm/h y,
localmente, por la textura franca y franco-limosa con una
infiltración menor que oscila entre 2,0 y 4,0 cm/h.
c) Los suelos
de textura fina y muy fina (arcillosas y limosas), con
una infiltración muy baja alrededor de 0,2-0,5 cm/h son
característicos para la Cordillera de la Costa.
Se ha comprobado experimentalmente la relación
existente entre la textura y la infiltración, donde la
fracción más fina es la que regula el comportamiento
hidráulico del suelo.
Los suelos ligeros (pobres en arcilla) que registran
mayores tasas de infiltración, y los compactos o pesados
(ricos en arcilla) los que más la dificultan, si bien pueden
ser capaces de almacenar mayores cantidades de agua, siempre
que ésta se mantenga en la superficie el tiempo suficiente
para que pueda percolar.
TABLA
1 Rango de vulnerabilidad natural del acuífero
freático.
VULNERABILIDAD
NATURAL
Vulnerabilidad es un termino utilizado para
representar las características geológicas e
hidrogeológicas intrínsecas que determinan la facilidad con
la que el agua subterránea puede contaminarse por la
actividad humana (Daly and Warren, 1994).
Al disponer del mapa de vulnerabilidad, es posible
distinguir las características naturales del terreno para
proteger al acuífero de contaminantes que pueden infiltrarse
desde la superficie. Esto debe contribuir a realizar una
ocupación del suelo ambientalmente responsable, lo que
significa establecer una actividad humana en función de la
capacidad del medio de atenuar la carga contaminante que la
misma genera. Esta es la única forma de lograr realmente la
convergencia de desarrollo humano y medio ambiental en lo que
se ha denominado desarrollo sustentable o sostenible.
Las características físico-químicas de los
suelos, su espesor, el uso y la cubierta vegetal juegan un
papel fundamental en la conservación del suelo y del agua.
En la cuenca Hidrográfica del río Laja alrededor de 40% del
área esta ocupada por actividades agrícolas y alrededor de
32% por industria forestal, de cuyas formaciones vegetales
primitivas quedan solo algunos retazos aislados.
En base de los resultados de la conductividad
hidráulica vertical de los suelos y su espesor, se
calcularon el tiempo relativo de infiltración y se elaboro
el mapa de vulnerabilidad natural del acuífero freático en
la cuenca del río Laja (Fig.3).
En términos generales se puede concluir que el
acuífero freático de la cuenca Hidrográfica del río Laja,
constituido por suelos principalmente de textura arenosa,
ubicado en la Depresión Central, presenta un rango de
vulnerabilidad natural elevado con tiempos de infiltración
menores a 1,5 días (Tabla 1).
CALIDAD
DEL AGUA SUBTERRÁNEA
Al considerar el impacto de la actividad humana
sobre el agua subterránea, es necesario tener en cuenta
primeramente la calidad del agua natural como base. Se suele
considerar que el agua subterránea es pura y segura para
beber ya que sufre un proceso de infiltración y limpieza a
través de la cubierta de subsuelo que no tienen las aguas
superficiales. La química natural del agua subterránea
varía dependiendo de la naturaleza del subsuelo y de las
rocas a las que atraviesa (Daly and Warren, 1994).
Sin embargo, esto no garantiza la pureza del agua
subterránea. Pueden surgir problemas debido a las
condiciones naturales del terreno o la contaminación por las
actividades humanas.
El agua subterránea de la cuenca del río Laja es
bicarbonatada, se presenta el cambio de tipo cálcico por
tipo mixto y magnésico desde la Precordillera Andina hacia
el contacto de la Depresión Central con la Cordillera de la
Costa (González, et al., 2001).
Los suelos de la cuenca son apropiados para la
agricultura. Los nutrientes que proceden de los fertilizantes
o derivados de la materia orgánica de los suelos o de los
residuos no utilizados por las plantas pueden fugarse de los
sistemas agrícolas hacia las aguas subterráneas o hacia las
aguas superficiales ((Kiely, 2001). Los dos nutrientes el
nitrógeno y fósforo son los contaminantes más comunes
identificados en el agua subterránea y se registran
concentraciones en aumento en muchos países desarrollados
(McLaughlin, et al., 1985; Hall, et al., 1996; Zhang, et al.,
1996).
Para determinar la influencia de las actividades
agrícolas sobre la calidad del recurso hídrico subterráneo
en la cuenca del río Laja, con los datos de la calidad del
agua subterránea, se realizó un análisis preliminar de las
tendencias de comportamiento de los parámetros de cloruros,
sólidos totales disueltos, fosfatos y nitratos, los cuales
son indicadores de contaminación, a efecto de establecer una
correlación entre el rango de vulnerabilidad natural y
fuente-contaminación acuífera en las áreas de diferente
uso del suelo.
Las isolíneas de las concentraciones de cloruros,
sólidos totales disueltos, fosfatos y nitratos demuestran
una tendencia de incremento de estos elementos desde la
Precordillera Andina hacia el oeste de la Depresión Central
(Fig. 4). Las mayores concentraciones fueron
detectadas en la zona del contacto de la Depresión Central
con la Cordillera de la Costa.
Figura. 3
Mapa de vulnerabilidad natural del acuífero
freático
a) Cloruros. |
b) Fosfatos. |
c) Sólidos totales disueltos |
d) Nitratos. |
Figura.
4 Isolíneas de concentraciones: a)
Cloruros, b) Fosfatos, c) Sólidos totales disueltos y d)
Nitratos.
DISCUSIÓN
Y CONCLUSIONES
Una faceta principal de cualquier sistema de
producción agrícola implica la gestión de nutrientes,
principalmente el nitrógeno y el fósforo, los cuales son
esenciales para todos los sistemas vivos y están fuertemente
asociados con la agricultura como contaminantes del agua y se
registran concentraciones en aumento en muchos países
desarrollados.
Los suelos derivados de materiales volcánicos en
la cuenca Hidrográfica del río Laja se extienden en la
Plataforma Piedemonte y en la Depresión Central con el
límite que se sitúa al este de la Cordillera de la Costa y
son suelos estratificados, con texturas principalmente
arenosas y franco-arenosas, cuya granulometría varía desde
gruesa de mala selección a muy fina de buena selección. Los
resultados de los análisis realizados detectaron una mayor
concentración de nutrientes en los suelos de granulometría
fina (Depresión Central) que en los de textura gruesa
(Plataforma Piedemonte).
Esto se debe que los suelos constituidos por
material mas fino contienen un bajo porcentaje de arcilla y
por lo tanto la conductividad hidráulica vertical elevada,
lo que proporciona un menor grado de protección al acuífero
subyacente, además, contienen menores reservas de materia
orgánica para sorbción y denitrificación y escasa
profundidad a que se encuentra el nivel freático. Por el
contrario, los suelos de granulometría gruesa contienen un
elevado porcentaje de arcilla y baja conductividad
hidráulica vertical, lo que le proporciona un grado mayor de
protección al acuífero subyacente, además, presenta un
alto contenido de materia orgánica y el nivel freático a
mayor profundidad.
Si bien las concentraciones normales de los
nutrientes en aguas no contaminadas son bajas (Downing and
McCauley, 1992; Smith, et al., 1999), el aumento reconocido
en el área analizada se relaciona puntualmente con la
actividad agrícola de la zona.
Por lo tanto los factores más importantes que
influyen en la vulnerabilidad de los acuíferos relacionados
con sedimentos fluvio-volcanoclásticos son: textura,
composición granulométrica, conductividad hidráulica
vertical, porcentaje de materia orgánica, profundidad del
nivel freático y uso de suelo.
AGRADECIMIENTOS
Este trabajo fue realizado en el marco del Proyecto
DIUC N° 99.25.13-1 y Proyecto FONDECYT N°1.000.526.
Los autores agradecen, de manera especial, a la Dirección
General de Aguas, ESSBIO y Centro EULA-Chile, Universidad de
Concepción, por su colaboración y haber facilitado el
acceso a sus archivos y datos.
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