I SEMINARIO-TALLER. PROTECCIÓN DE ACUÍFEROS FRENTE A LA CONTAMINACIÓN: METOLODOGÍA.
Toluca, México. 20-22 de Junio de 2001

APORTACIÓN DE LOS SISTEMAS DE INFORMACIÓN GEOGRAFICOS A LA PROTECCION DE ACUÍFEROS. USO DE UN SISTEMA DE INFORMACIÓN GEOGRAFICO PARA DETERMINAR LA VULNERABILIDAD DE UN ACUÍFERO ANDINO DE ORIGEN VOLCÁNICO

Por: Ing. Giovanni Taco y Dr. Ing. Remigio H. Galárraga

Escuela Politécnica Nacional. Departamento de Ciencias del Agua.
Apartado Postal 17-01-2759. Quito-Ecuador.
Tel. (5932) 228113 / 238033
Fax. (5932) 563077 / 567848
remigala@server.epn.edu.ec

(Ecuador)

RESUMEN

En este trabajo se presentan modernas técnicas de Sistemas de Información Geográfica, para representar información espacial y no espacial de aguas subterráneas, y en especial para determinar la vulnerabilidad de un área andina de origen volcánico. Se cuenta al momento con información hidrometeorológica, geológica, topográfica como mapas digitales de elevación, suelos, hidrogeológica, levantada en la cuenca del río Cutuchi, ubicada en el Callejón Interandino, entre la Cordillera Occidental y la Cordillera Central de los Andes, entre elevaciones que fluctúan entre los 2.700 y 3.200 msnm.

En base a las características físicas de la cuenca que influyen en el flujo de las aguas subterráneas y que tienen una incidencia fundamental en el transporte de contaminantes y su dispersión, se determina la zonificación de la contaminación potencial del agua subterránea en esta cuenca. El índice DRASTIC, desarrollado en el SIG de trabajo, se base en las condiciones físicas imperantes en la zona de estudio y toma en cuenta, la profundidad del nivel freático, el tipo de recarga, el medio acuífero imperante, el tipo de suelo, la topografía, el impacto de la zona vadosa y la conductividad hidráulica.

Los resultados identifican las zonas mas propensas a contaminación, las cuales están ubicadas en la parte alta de la Cordillera Occidental, pero también identifican las zonas mas aptas para explotación, las cuales están generalmente ubicadas en las zonas planas del callejón interandino. Con información de calidad de agua recopilada de toda la cuenca, se puede determinar que esta ayuda a mejorar en forma puntual, la ubicación de las zonas mas vulnerables.

ABSTRACT

Modern geographical information systems techniques used to represent spatial and non spatial groundwater information, but mainly in order to determine aquifer vulnerability in an Andean volcanic aquifer is presented. Up to date, hydrometeorological, geological, topography as digital elevation models, soils, and hydrogeology data from the Cutuchi river basin, located in the interandean zone between the Western and Eastern Cordillera of the Andes has been found. The study area is located between 2.700 and 3.2000 meters above sea level.

Based on the basin physical characteristics that drive groundwater flow and that has a predominant incidence in its transport and dispersion, potential groundwater pollution zoning in this basin is determined. The DRASTIC index, developed by DEA using a GIS package is based on the physical characteristics of the study area and it takes into account: groundwater level, recharge, aquifer media, soil type, topography, impact of the vadose zone, and hydraulic conductivity.

Outcomes identified areas prompt to distributed pollution which are mainly located in the upper part of the Western Cordillera of the Andes but it also identified areas that are capable for exploitation, which are generally located in the flatter areas of the interandean valleys. With water quality information compiled around the basin, it can be determined that this data may help to better identified vulnerable areas to pollution.

INTRODUCCIÓN

El crecimiento poblacional y de industrias de variada especialidad en la provincia de Cotopaxi, en la República del Ecuador en América del Sur, ha creado la necesidad de establecer nuevos estudios de abastecimiento de agua, y profundizar el estudio del acuífero existente en la zona, así como la necesidad de conducir un monitoreo permanente para identificar los posibles focos de contaminación.

El análisis de este acuífero toma particular importancia por no tener el área de influencia una precipitación suficiente para recolectar suficiente agua superficial que sirva de fuentes de abastecimientos a los centros poblados y a las industrias, que en muchos de los casos necesitan cantidades importantes del líquido vital. Existen poblaciones aisladas, a las cuales llevar agua potable representa un alto costo. La red hidrográfica es escasa y el agua subterránea llega a ser la única fuente segura de agua.

El estudio de la vulnerabilidad en este caso servirá para establecer una nueva política de manejo del acuífero con respecto al gran crecimiento que se está dando en este sector. El crecimiento más grande que se ha observado en el sector es el de la producción de rosas para exportación.

ÁREA DE ESTUDIO

El acuífero se encuentra dentro de la cuenca hidrográfica del río Cutuchi (Figura 1), cuyos bordes oeste y este son las primeras elevaciones de la Cordillera Occidental y Cordillera Oriental del Ecuador, respectivamente. El río principal es el Cutuchi, que atraviesa por la mitad de la cuenca de norte a sur y ha sido estudiada hidrológica y meteorológicamente para establecer algunas propiedades del acuífero.

Figura 1: Cuenca hidrográfica y acuífero estudiado

Figura 2: Unidades Morfológicas del Ecuador

El acuífero estudiado esta ubicado dentro de una unidad morfológica importante del Ecuador conocida como Callejón Interandino o Depresión Interandina (Figura 2). Esta depresión es un relleno de origen volcánico que se ha desarrollado durante gran parte de la actividad volcánica desde el pre-mioceno hasta el cuaternario.

GEOLOGÍA DEL ÁREA

El terreno tiene origen volcánico producto de un volcanismo que ha ocurrido desde el pre-mioceno hasta el cuaternario. Dávila (1990) lo ha dividido en diferentes unidades bien diferenciadas, las mismas que han sido consideradas en este trabajo. Del mapa geológico del Ecuador (BGS-CODIGEM, 1993), del trabajo de Dávila (1990) y del Mapa Geológico de la Cordillera Occidental del Ecuador, entre 0º- 1º Sur (BGS-CODIGEM, sin publicar) se ha resumido la geología en un esquema como se muestra en la Figura 3.

Figura 3: Esquema geológico del área

En la Figura 4 se presenta el corte realizado por Dávila (1990) y representa aproximadamente un corte oeste-este en la línea de la coordenada norte 9880000 de la Figura 3.

En este corte (Figura 4) se muestran las unidades identificadas dentro de la cuenca y del acuífero. Se han identificado también la porosidad relativa del medio a través del cual se produce el movimiento del agua, esta clasificación identificada por unidades, espesor aproximado y edad se encuentra en el Cuadro 1.

Figura 4: Corte Geológico

Cuadro 1: Unidades Litológicas e Hidrogeológicas

HIDROMETEOROLOGÍA

La información meteorológica utilizada proviene de los anuarios del INAMHI (Instituto Nacional de Meteorología e Hidrología del Ecuador). La información considerada completa y útil proviene desde 1964 hasta 1990.

Los meses de junio, julio y agosto presentan un déficit de agua dentro del año hidrológico (Figura 5) en toda la cuenca, considerados los valores medios mensuales de precipitación y evapotranspiración.

Figura 5: Precipitación y evapotranspiración potencial mensual

A partir del balance hídrico se llegó a determinar que la cuenca tiene una precipitación media anual de 730 mm, la evapotranspiración potencial es 646 mm y la evapotranspiración real es 579 mm.

El caudal mínimo medido en el río Cutuchi es 1,61 m3/s, el caudal medio máximo medido es 62,6 m3/s  y se ha encontrado un caudal medio de 9,4 m3/s.

El balance hídrico se lo realizó subdividiendo la cuenca en polígonos de Thiessen. El número de polígonos que se construyeron con este objetivo fue un total de 42, resultado de una combinación de polígonos de precipitación y de evapotranspiración real.

Con los resultados se llegó a construir un modelo del acuífero dentro del programa G.M.S (Groundwater Modeling System) que permite utilizar los algoritmos de modelación de Modflow (Three-Difference Ground-Water Flow Model) y Femwater (Three-Dimensional Finite Element Computer Model for Simulating Density-Dependent Flow and Transport in Variable Saturated Media). Para este caso se utilizó Modflow.  A partir del modelo se inició el estudio de vulnerabilidad dentro de un SIG, para este caso ArcView por medio de la metodología conocida como Indice DRASTIC.

INDICE DRASTIC

Para el estudio de vulnerabilidad se ha utilizado un modelo elaborado por la EPA de los Estados Unidos (Environmental Protection Agency, USA, 1980) para evaluación de polución potencial llamado “Índice DRASTIC”.

DRASTIC proviene de las siglas en inglés D (Depth to water table), R (Recharge), A (Aquifer media), S (Soil media), T (Topography), I (Impact vasose zone), C (Conductivity).

Estas son propiedades del acuífero que se ingresan dentro de un SIG (para este caso ArcView), para lo cual cada una representa una cubierta. Luego se ha clasificado cada una según los pesos y tazas que nos indica el Indice DRASTIC, de esta manera se obtiene de cada una de estas propiedades dos cubiertas, que serán combinadas según la ecuación.

Indice DRASTIC =  DrDw + RrRw + ArAw + SrSw + TrTw + IrIw +CrCw

Los subíndices r representan tasas y los subíndices w representan rangos, por lo que Dr y Dw son dos cubiertas dentro del SIG obtenidas a partir de la cubierta de la profundidad de agua del acuífero (D), correspondiendo para cada propiedad del acuífero de la siguiente forma:

  Dr =  Tasa asignada a la profundidad de la tabla de agua (D)
  Dw = Peso de la profundidad de la tabla de agua (D)
  Rr = Tasa asignado para rangos de recarga del acuífero (R)
  Rw = Peso para la recarga del acuífero (R)
  Ar = Tasa asignada al medio del acuífero (A)
  Aw = Peso asignado al medio del acuífero (A)
  Sr = Tasa para el suelo (S)
  Sw = Peso para el suelo (S)
  Tr = Tasa para la pendiente (T)
  Tw = Peso asignado a la topografía (T)
  Ir = Tasa asignada a la zona vadosa (I)
  Iw = Peso asignado a la zona vadosa (I)
  Cr = Tasa de rangos de conductividad hidráulica (C)
  Cw = Peso de conductividad hidráulica (C)

Son entonces total 14 cubiertas que se forman dentro del SIG donde cada una representa una clasificación de las propiedades anteriores. Esta clasificación se obtiene de los siguientes cuadros:

Cuadro 2: Clasificación para la cubierta D (profundidad de agua)

Cuadro 3: Clasificación para la cubierta R (recarga)

Cuadro 4: Clasificación para la cubierta A (medio del acuífero)

Cuadro 5: Clasificación para la cubierta S (suelo)

Cuadro 6: Clasificación para la cubierta T (topografía)

Cuadro 7: Clasificación para la cubierta I (zona badosa)

Cuadro 8: Clasificación para la cubierta C (conductividad hidráulica)

Para realizar todos estos cálculos primero se introducen todas las cubiertas dentro de un mismo sistema de coordenadas geográficas, se los georeferencia, y las convierte a formato raster con celdas de 50x50 metros cuadrados. El resultado final del cálculo es una cubierta que contiene un valor numérico en cada celda.

Para identificar las zonas vulnerables dentro de la cubierta resultante, se divide estadísticamente en ocho clases a todos los valores encontrados. De esta manera se pueden definir algunas clases intermedias entre las zonas de mayor y menor vulnerabilidad.

El Índice DRASTIC es un resultado cualitativo dentro de las clases y de ninguna manera excluye el factor vulnerabilidad dentro de las zonas. Esto quiere decir que una zona de baja vulnerabilidad es menos vulnerable que una zona de alta vulnerabilidad, sin embargo no deja de ser vulnerable. Por lo tanto a partir de esta zonificación de vulnerabilidad (Figura 6) se pueden crear otros criterios para establecer puntos críticos de vulnerabilidad dentro de una misma clase.

Por ejemplo, dentro de una misma clase se hacen análisis químicos del agua en dos pozos y se obtiene un punto con mejor calidad que otro. Puede ser entonces que el pozo de calidad baja sea más vulnerable que el otro. De esta manera se pueden manejar mejores criterios para el uso del  agua.

Figura 6: Mapa de vulnerabilidad

CONCLUSIONES

Se ha realizado un primer intento por definir el grado de sensibilidad de un acuífero de origen volcánico a contaminación, en una zona de un crecimiento poblacional acelerado y de uso del suelo con fines agroindustriales (floricultoras) e industrias de papel, mediante un índice de vulnerabilidad denominado DRASTIC, el cual toma en cuenta características físicas del acuífero. El método claramente identifica las zonas de mayor vulnerabilidad, en aquellas zonas donde la recarga es mas importante, lo cual fue deducido del análisis del balance hídrico regional.

RECOMENDACIONES

Si bien el método identifica una buena relación entre vulnerabilidad y recarga, esta debe ser comprobada mediante el uso de otros métodos de análisis y mas trabajo de campo, en cuanto a la identificación de contaminantes.

Es necesario ampliar las campañas de monitoreo de varios de los parámetros utilizados en el índice DRASTIC a fin de reducir las incertidumbres que se producen al momento de aplicar una relación lineal entre estos varios parámetros.

Se hace necesario la comparación de los resultados obtenidos mediante el índice DRASTIC, con otros métodos quizá mas expeditivos, pero que permitan determinar el grado de coincidencia de los mismos.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ALLER, L, BENNET, T, LEHR, JH, PETTY RJ & HACKET, G (1987)- DRASTIC: A standardized system for evaluating groundwater pollution using hydrological settings. Prepared by the National Water Well Association for the US EPA Office of Research and Development, Ada, USA.

DÁVILA F. (1990)- Geodinamica Plio-Cuaternaria de la cuenca de Latacunga-Ambato, Callejón Interandino: sector entre Salcedo y Pillaro., Tesis Ing. Geolog., EPN, 192 pp.

LIN H., RICHARDS D. & TALBOT C. (1997)- FEMWATER: A Three-Dimensional Finite Element Computer Model for Simulating Density-Dependent Flow and Transport in Variable Saturated Media. Technical Report CHL-97-12 July, 1997. Department of civil and environmental engineering. Pennsylvania State University.

McDONALD M & HARBAUGH A. (1988)- A Modular Three-Dimensional Finite-Difference Ground-Water Flow Model. Techniques of Water-Resources Investigations of the United States Geological Survey. Department of Interior, U.S Geological Survey.

BGS-CODIGEM (1993)- Mapa Geológico del Ecuador Esc 1: 1000000

BGS-CODIGEM (1999)- Mapa Geológico de la Cordillera Occidental del Ecuador, Entre 0º- 1º Sur, Sin Publicar.

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Ultima actualización: 28 Diciembre de 2003.©
Pagina actualizada y corregida por A. Pelayo Martínez