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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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Ultima actualización: 03 Marzo de 2003.©
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