II
SEMINARIO-TALLER. PROTECCIÓN DE ACUÍFEROS FRENTE A LA
CONTAMINACIÓN: CARACTERIZACIÓN Y EVALUACIÓN.
Ciudad de
La Habana, Cuba. Abril 2002
EVALUACIÓN DE LA VULNERABILIDAD A LA
CONTAMINACION POR HIDROCARBUROS DE LOS ACUÍFEROS CÁRSICOS
COSTEROS EN UN SECTOR DEL LITORAL NORTE HABANA- MATANZAS, CUBA.
 Por: |
|
Ernesto
Rocamora Alvarez
Leslie
Molerio León
Mario
Guerra Oliva
Julio C. Torres Rodríguez |
Grupo de
Aguas Terrestres del Instituto de Geofísica y Astronomía,
Calle 212 # 2906 e/ 29 y 31,
La Lisa, Ciudad de La Habana, CP 11600, Cuba.
Telef.
(537)2714331, 2710644; FAX (537)339497
Email: rocamora@geoastro.inf.cu
RESUMEN
En los interfluvios de la franja costera entre el
poblado de Boca de Jaruco y la ciudad de Matanzas, se
realizó un análisis de detalle sobre la geología y
geomorfología de las formas superficiales y subterráneas de
los relieves cársicos y no cársicos. Los primeros
resultados permitieron identificar las particularidades de
las circulaciones preferenciales en la zona no saturada y la
dinámica de las aguas subterráneas en la zona saturada. Las
características hidrogeológicas completaron los elementos
para una zonación de acuíferos y acuitardos
interrelacionados, sobre los que se valoraron los elementos
que definen la vulnerabilidad de cada uno de ellos, siguiendo
la metodología de Molerio, (1997).
Como una
segunda fase del análisis se determinaron los tipos de
contaminantes que pueden llegar al macizo, que según las
fuentes locales identificadas, están representados por los
hidrocarburos y gases acompañantes de los procesos de
extracción y disposición, así como de transportación por
medio de un oleoducto que cruza paralelo al eje longitudinal
del territorio y la costa .
La
integración de la dinámica de estos elementos, considerando
los patrones de carsificación y agrietamiento dentro de la
estructura de los macizos, tanto cársicos como no cársicos,
y las características locales de la zona no saturada, se
establecieron niveles de vulnerabilidad de los acuíferos y
acuitardos, diferenciando esta propiedad del macizo según el
tipo de contaminante.
En general
estos resultados son recomendados como una herramienta para
los estudios ambientales aplicados a los proyectos donde
exista la generación de efluentes contaminantes, para
contribuir a la toma de decisiones con respecto al desarrollo
de la industria del petróleo en la región. Asimismo, los
resultados permiten optimizar los planes de contingencias y
enfocar las principales medidas mitigativas a los sitios de
alto riesgo de derrames y alta vulnerabilidad del macizo.
INTRODUCIÓN
La
vulnerabilidad a la contaminación es una propiedad
intrínseca del sistema hidrogeológico y depende de la forma
en que su estructura geológica, relieve y los patrones de
drenaje, están interrelacionados y distribuidos
espacialmente. Ella define su capacidad de reacción ante la
penetración de sustancias nocivas al entorno, entendiendo
por ello la asimilación, transporte y descarga de
contaminantes. Por ello, es una propiedad del medio y resulta
totalmente independiente a la naturaleza de la agresión.
La región de estudio está
representada por una franja costera de un ancho de 3-5 km,
distribuida entre la localidad de Boca de Jaruco, al Este de
provincia La Habana, y el Oeste de la Bahía de Matanzas
(Fig. 1). En esta franja costera se han identificado diversas
características del relieve (cársico y no cársico), que
asociado con la estructura geológica local, van a ser
fundamentales en el análisis de la vulnerabilidad de las
aguas subterráneas de los acuíferos y acuitardos en la
región.
Figura 1 - Ubicación de la región de estudio.
CARACTERIZACIÓN
GENERAL DE LA ESTRUCTURA GEOLÓGICA Y GEOMORGOLÓGICA DE LA
REGIÓN
Para
el agrupamiento en tres grandes complejos de las rocas que
yacen en los macizos de la región, se han utilizado patrones
más detallados que los puramente geológicos, integrando
criterios preliminares de estructura y agrietamiento (Fig.
2).
Las litologías carbonatadas, donde
la presencia de formas cársicas superficiales y
subterráneas son un aspecto importante, y en las cuales han
sido intensos los procesos erosivo-corrosivos, se distribuyen
en una franja litoral de ancho irregular no menor de 1 km.
Estas formaciones geológicas están representadas por
calizas organógenas, amarillas, cremas hasta grises claras,
muy fracturadas, de alta porosidad y muy carsificadas, las
cuales han sido agrupados en un complejo carbonatado I.
En esta zona las formas cársicas
superficiales son abiertas debido a la ausencia o poco
espesor de las capas de sedimentos de cobertura y suelos, por
lo cual funcionan como conductores de las aguas superficiales
al acuífero, mientras que por sus dimensiones, condicionan
una hidrodinámica semejante a la de los canales o
conductoras de gran diámetro.
El complejo carbonatado-terrígeno
II, también agrupa a rocas carbonatadas pero con un
considerable contenido de material terrígeno; este criterio
de agrupación establece una alta diversidad de materiales
entre los que predominan las margas arcillosas, aleurolitas y
areniscas calcáreas, con intercalaciones de calizas
arcillosas, todas muy fracturadas. En estas rocas la
carsificación también es un aspecto importante, pero de
menor desarrollo que en el complejo I.
En los macizos de las rocas más
carbonatadas (margas y calizas de la Fm. Cojimar y
Universidad) se observan formas cársicas superficiales
semejantes a las de las rocas calizas. En profundidad este
fenómeno está menos desarrollado, debido a limitaciones en
su distribución espacial por las intercalaciones de rocas no
carsificables, no obstante la hidrodinámica local va a estar
muy condicionada por la relación entre los conductos
cársicos y el agrietamiento.
El complejo de rocas
efusivo-sedimentarias e intrusivas III, es el que agrupa
dos importantes grupos de litologías, una representada por
tobas, andesitas y pedernal, estratificadas, muy fracturadas
en su profunda zona de meteorización; y la otra por
serpentinitas y gabros, muy fracturados y alterados en la
capa de intemperismo con un espesor muy variable localmente.
Por último, las acumulaciones de
sedimentos aluviales asociados a los cauces de las corrientes
fluviales principales de la región, donde predominan las
arenas arcillosas y las gravas con más de un 30% de finos, y
cuyos espesores alcanzan localmente hasta 2 m.
Figura 2 - Distribución de los complejos de las rocas
que yacen en la región
En el
relieve de la región, el rasgo costero geomorfológico más
notable es la presencia de ensenadas, como la de Santa Cruz,
Jibacoa, Canasí, Bacunayagua y las terrazas marinas
desarrolladas en sus interfluvios, aspectos muy relacionados
con la hidrodinámica superficial y subterránea.
En el interfluvio Boca de Jaruco
– Santa Cruz del Norte, las superficies
geomorfológicas y terrazas marinas, se pueden separar en una
baja de un km de ancho y otra alta, separadas por un escarpe
abrupto. La superficie es bastante plana y está diseccionada
solo por la presencia de valles fluviales, estacionales,
estrechos y pocos profundos.
En el interfluvio Santa Cruz del
Norte – Playa Jibacoa, la morfología es de tipo
circular. Las superficies mas altas están ubicadas al norte
y en su centro presenta un valle fluvial estacional, que
drena al río Santa Cruz.
En el interfluvio Playa Jibacoa
– Canasí, las terrazas marinas están mejor
representadas que en los anteriores. Es de destacar que el
relieve es no cársico, muy uniforme, sin complicaciones
estructurales significativas y solo es atravesado por varios
arroyos intermitentes con dirección norte.
En el interfluvio Canasí –
Puerto Escondido-Bacunayagua, las terrazas marinas bajas
no tienen prácticamente ningún desarrollo espacial,
formadas por una estrecha franja, próxima a la costa, e
inmediatamente después se encuentra el escarpe abrupto de
las elevaciones cársicas costeras. Hacia el Sur de estas
elevaciones, se ubican un conjunto de valles fluviales y
colinas bajas, que como un gran "vaciado" aportan
sus materiales y aguas superficiales hacia el norte a través
de las corrientes fluviales locales, las que han cortado a
las elevaciones cársicas con valles estrechos y profundos.
Hacia el Este, después de la
ensenada de Bacunayagua, la costa se redondea, por constituir
la terminación periclinal del bloque horst anticlinal
neotectónico de Matanzas. Su punto extremo septentrional
esta determinado por Punta Seboruco y más al Este comienza a
producirse la inflexión paulatina que conduce a la amplia
boca de la Bahía de Matanzas, de origen estructural.
CARACTERÍSTICAS
HIDROGEOLÓGICAS Y REGIONALIZACIÓN DE ACUIFEROS
En la región de estudio, las
características hidrogeológicas van a ser muy
heterogéneas, dadas por la capacidad de almacenaje de las
rocas, la hidrodinámica de las aguas subterráneas y los
elementos de flujos preferenciales condicionados por los
patrones de circulación en cada acuífero.
Tabla 1 - Propiedades hidrogeológicas de
los complejos de rocas en la región
Complejo de rocas
|
Acuosidad relativa
|
Condiciones hidrogeológicas
|
Propiedades físicas
|
Kf (m/d)
|
n (%)
|
Hns (m)
|
Carbonatado I
|
Acuífera
|
Acuíferos poco desarrollados,
libres,
Patrón
carsificación+poros +agrietamiento
|
> 3000
|
25
|
4-20
|
Carbonatado-terrígeno
II
|
Acuitardo
|
Acuítardos poco desarrollados,
Patrón
estratificación+ agrietamiento+poros
|
< 1300
|
n=5-2
e = 1
|
> 18
|
Complejo efusivo-sedimentario e
intrusivo III
|
Rocas de baja permeabilidad
(RBP)
|
Aguas subterráneas en grietas,
Patrón agrietamiento+morfológico
|
< 100
|
-
|
6-7
|
Sedimentos aluviales
|
Acuífera (estacional)
|
Aguas subterráneas, Patrón
poros
|
400-100
|
e = 2
|
-
|
Kf- Coeficiente de
filtración, n- Porosidad, e- Coeficiente de porosidad, Hns-
Espesor de la zona no saturada
Es de destacar que en general, la
fuente de recarga de estos macizos son las precipitaciones,
que por la infiltración llegan a formar parte de las aguas
subterráneas. Este proceso está muy dependiente de la
capacidad de infiltración de cada macizo, a partir de su
permeabilidad, fracturación y litología.
De acuerdo a
los patrones que van a condicionar la hidrodinámica en cada
complejo de rocas, el patrón
fracturación–carsificación es uno de los que más se
destaca (Fig. 3), teniendo en cuenta su papel hegemónico
dentro de los acuíferos cársicos. Este patrón ha sido
estudiado (Rocamora, et al. 1997, Rocamora y Portuondo, 1997)
para la interpretación de la dinámica de las aguas en
acuíferos cársicos de montañas y de llanuras.
Figura 3 - Distribución
espacial del agrietamiento-carsificación en el complejo I
En la región
este patrón sigue un comportamiento definido por cinco
familias de grietas, que a su vez han condicionado la
dirección de los principales conductos cársicos en los
macizos carsificables. Para el complejo II, el agrietamiento
y la escasa carsificación establecen una relación como se
muestra en la figura 4, definido por cinco familias de
grietas, donde se incluye la estratificación como un
elemento importante, y con un comportamiento general
semejante al complejo I. En los macizos terrígenos este
agrietamiento también establece patrones de circulación de
las aguas subterráneas.
Figura 4 - Distribución
espacial del agrietamiento en el complejo II
Por otro lado,
el complejo de rocas de baja permeabilidad presenta un
patrón definido por el agrietamiento de las rocas y la
distribución espacial de los elementos morfológicos del
relieve (Fig.5). Los patrones de circulación de las aguas
subterráneas se diferencian de los complejos anteriores, en
términos de geometría de las estructuras y se incorporan
elementos morfológicos del relieve, dados por los escarpes
erosivos, las discontinuidades tectónicas y los paleocauces.
En los trabajos
de prospección hidrogeológica en rocas de baja
permeabilidad, realizados por Molerio, et al. (1997),
Rocamora, et al. (1998), Molerio, et al. (1998), se demuestra
como estos elementos estructurales de los macizos, tienen un
nivel de importancia considerable en la acuosidad de estas
rocas, a la vez que establecen los criterios principales para
el dimensionamiento de la zona de protección sanitaria de
las fuentes de abasto y las zonas de alimentación de los
acuíferos.
En este
complejo III, un análisis muy general deja ver cuatro
familias de grietas que resumen la distribución de estos
elementos, sin embargo, un estudio de detalle aportaría otro
significado al clasificar estos alineamientos.
Figura 5 - Distribución espacial del patrón
agrietamiento-morfología del relieve,
en los macizos de rocas del complejo III
OTROS
INDICADORES DE LA EVALUACIÓN DE LA VULNERABILIDAD DE LAS AGUAS
SUBTERRÁNEAS
La vulnerabilidad, como propiedad intrínseca del
sistema hidrogeológico, que depende de todos los elementos
naturales descritos para los macizos de la región, define su
capacidad de reacción ante la penetración de sustancias
nocivas al entorno, entendiendo por ello la asimilación,
transporte y descarga de los contaminantes.
En 1997, especialistas del Centro de Hidrología y
Calidad de las Aguas de Cuba, establecieron una aproximación
a la sistematización de una serie de indicadores (Molerio,
1997), los cuales cuantifican el grado de vulnerabilidad de
un determinado sistema, que se completa con la
caracterización del contaminante. Esta metodología ha
venido siendo aplicada a proyectos de obras con efluentes
residuales tóxicos o que pudieran generarse por accidentes,
y es el caso que se presenta en esta contribución.
A partir de estos criterios, para la región de
estudio se completó la caracterización de los indicadores
del Sistema en cuanto a la yacencia de capas de sedimentos de
cobertura y génesis de estos sedimentos, además de otros
aspectos sobre fluctuaciones de las aguas subterráneas y
tipos de flujos (Torres, et al. 1999, Rocamora, et al. 1999a
y Rocamora, et al. 1999b). Asimismo, las pendientes
generalizadas de la superficie son hacia el mar (norte) con
ángulos entre 15-20º para el sector más al sur y menores
de 10º para la franja costera.
Sin embargo, es importante en estos estudios y la
caracterización del propio contaminante a partir de sus
propiedades físico-químicas. Un estudio de vulnerabilidad
general es aplicable a investigaciones regionales
geoambientales, sin embargo a partir de conocer las
propiedades del contaminante se hace más efectivo el estudio
de vulnerabilidad y su alcance es más objetivo en cuanto a
llegar a identificar las soluciones locales.
Considerando el desarrollo de las industrias
locales, se han identificado dos elementos fundamentales como
agentes contaminantes de las aguas subterráneas, los
hidrocarburos y los gases, los cuales estarán almacenados en
varios sectores de la región y además serán transportados
por oleoductos y gasoductos en distancias superiores a los 15
km.
El hidrocarburo transportado tendrá
una densidad de 0.98 g/cm3, un API de 12.4 y un
contenido de azufre de 6.36%. En el caso de la viscosidad, es
una propiedad variable de acuerdo con la temperatura:
| a 20º C |
viscosidad
de 16998.3 |
| a 50º C |
viscosidad
de 1217.7 |
| a 80º C |
viscosidad
de 279.9 |
Es importante considerar que la
temperatura inicial de bombeo desde los puntos de almacenaje
será entre 75 y 85º C, con una caída de temperatura de
12º C hasta el punto de recepción, es decir, que la
temperatura del hidrocarburo en el sistema será de entre 65
y 85º C.
El caudal de hidrocarburo en el
oleoducto será de 100 m3/h, a través de
tuberías de 14’’ que irán enterradas a una
profundidad de 1.5 m y en el caso del cruce de ríos, la
profundidad será de 2.0 m por debajo del lecho del cauce de
los mismos.
VULNERABILIDAD
DEL SISTEMA
Para detallar la vulnerabilidad del
Sistema ante contaminación por hidrocarburos, se
consideraron los componentes de la porosidad de grietas (ng)
y a partir de ella la permeabilidad relativa (kr) para
mezclas de hidrocarburo-agua (caso crítico). Por otra parte,
se calculó el Espesor de la zona no saturada (Hnsm) que se
requiere para retener el volumen de contaminante y sus
derivadas en el ancho máximo de grietas crítico (f mc) por
el cual puede fluir este tipo de contaminante.
Considerando los resultados de estas
primeras estimaciones y analizándolos en el Sistema real, se
obtuvo que en el caso de los complejo I y II, la zona no
saturada tenía un espesor suficiente para retener los
hidrocarburos que se derramaran directamente sobre la
superficie, en un macizo con grietas de f mc < 1 mm. Sin
embargo, en estos macizos carsificados, muy heterogéneos,
difícilmente pueden encontrarse sectores con un
dimensionamiento de grietas homogéneos, pues contrariamente
existe una gran diversidad de conductos.
Figura 6 - Mapa de vulnerabilidad de las aguas
subterráneas ante la contaminación por hidrocarburos.
Teniendo en cuenta estos criterios,
se determinó que las zonas de yacencia de las rocas del
complejo I (Fig. 6), son de vulnerabilidad muy alta,
con puntos críticos representados por dolinas cársicas que
como sumideros absorben las aguas superficiales, que por
amplios conductos llegan al acuífero y de luego al mar.
En esta zona los niveles de
retención del contaminante son bajos, y durante los ciclos
de saturación se lava el contaminante residual por efecto de
la humectabilidad de las sustancias.
Siguiendo este criterio, dentro del
complejo II de rocas carbonatado-terrígenas se han
identificado dos zonas de diferente vulnerabilidad (Fig. 6).
Una zona de vulnerabilidad alta, distribuida
inmediatamente al sur del complejo I, paralela a este, donde
a pesar de yacer rocas con una cierta componente terrígena,
están carsificadas y estos conductos hidráulicamente se
conectan a los de las rocas cársicas del complejo. Por otra
parte, existen en esta zona formas cársicas superficiales,
con funcionamiento similar a los descritos.
Este análisis, se deriva de
observaciones de detalle, pues a la vez que se discuten estos
elementos del Sistema, también se consideran que existen
macizos con grietas de f mc < 1 mm. Otros autores han
propuesto que estas zonas se clasifiquen como de
vulnerabilidad moderada con puntos de alta, pero consideramos
que a esta escala de trabajo no representan todos los
elementos necesarios.
La otra zona dentro del mismo
complejo II es hacia la parte sur, donde las rocas tienen una
componente terrígena mayor, aquí la vulnerabilidad es
baja, a pesar de considerar que las superficies son
más inclinadas y hacia zonas al norte.
Para la zona de yacencia de las rocas
del complejo III la vulnerabilidad es baja con
tendencia a moderada, debido a el poco espesor de la zona no
saturada y el poco desarrollo de sedimentos de cobertura
(Fig. 6). En estas zonas es común encontrar canteras de
extracción de materiales de construcción, lo que aumenta la
vulnerabilidad local de estos Sistemas.
El tratamiento integral de todos los
indicadores y elementos que influyen en el grado de
vulnerabilidad de las aguas subterráneas, es un aspecto muy
dependiente de la capacidad de interpretación de los
especialistas y el correcto tratamiento que le den a la
información base. En la figura 7 se muestra de manera
general la curva de retención de los hidrocarburos en la
zona no saturada de los macizos de rocas del complejo I y II,
considerando que el avance del frente de contaminación no se
produce por conductos cársicos de amplio diámetro, sino por
el agrietamiento del macizo. Este gráfico demuestra la
importancia de un análisis integral, con observaciones de
detalle en el levantamiento de campo, para evitar una mala
interpretación de las vías de circulación del Sistema,
aspecto muy frecuente en zonas cársicas.
Figura 7 - Curva de retención de saturación de
hidrocarburo en la zona no saturada
de los macizos con rocas de los complejos I y II
Otro aspecto muy importante para el
análisis de este tipo de contaminación por hidrocarburos a
elevada temperatura, es la dispersión de los gases
acompañantes que se generen durante el avance de la
contaminación.
Este análisis puede tener muchas
fases de acuerdo a diferentes condiciones de estado, sin
embargo a modo de generalización se puede presentar el caso
más crítico de este proceso, cuando se produzca una mezcla
gas-agua y que por las vías del agrietamiento o conductos
cársicos llegue hasta las aguas subterráneas. Para
cuantificar este proceso, también se utilizan modelos
matemáticos, basados en establecer una curva de retención
trifásica del contaminante (gas-agua-roca), es decir, que se
tienen en cuenta todos los elementos que toman parte en el
proceso.
En la figura 8, se muestra la curva
de retención para las rocas donde las grietas están
colmatadas o el ancho de las fracturas es muy pequeño, caso
de los acuitardos carbonatado-terrígeno y
efusivos-sedimentarios e intrusivos. Como se observa la
retención del gas puede llegar a ser hasta de un 26% de su
volumen inicial, a los 20 m de profundidad, es decir, que en
las zonas con estas características las aguas subterráneas
pueden recibir esta concentración de gases como
contaminantes.
Figura 8 - Curva de retención gas-agua para las rocas
en la región
Asimismo, esta curva para el caso de
los complejos carbonatados cársicos, donde las dimensiones
de los conductos y grietas funcionan como canales y permiten
la liberación libre del gas en el agua que transita por la
zona no saturada, indica que ya a los 4 m de profundidad
(áreas litorales) la retención del gas no alcanza el 4% del
volumen inicial. En las áreas más altas, donde la zona no
saturada llega a los 25 m de espesor, la retención del gas
es solo del 2,5%.
En resumen, para el caso de mezclas
de gas-agua, las zonas de rocas terrígenas con agrietamiento
serán un medio de confinamiento de este contaminante
facilitando su avance relativo por la zona no saturada hacia
las aguas subterráneas. Este proceso tiene otros elementos
de peso relacionados con la litología, estratificación y
buzamiento que pueden condicionar su retardo o acelerarlo.
Asimismo, en las zonas cársicas se establece una dispersión
del gas y su liberación, sin embargo es común encontrar
trampas donde este contaminante queda retenido por largo
tiempo, cambiando las condiciones de intercambio con el agua,
o dando paso a otras formas de contaminación de este medio
cársico.
CONSIDERACIONES FINALES
Es importante destacar que desde el
punto de vista de aprovechamiento de los recursos de aguas
subterráneas en la región, estas no representan interés
regional, solo para consumidores locales. No obstante éstas
son la única fuente de agua potable de la mayor parte del
territorio. Sin embargo, existen muy diversos ecosistemas que
tienen su sustento sobre la presencia y calidad de las aguas
subterráneas, principalmente hacia la franja norte costera.
Por otra parte, el desarrollo
turístico regional es fundamentalmente sobre los elementos
paisaje costero, mar y sus componentes naturales, los cuales
a su vez están muy relacionados al elemento de las aguas
subterráneas y su calidad. Esta relación hace que a partir
de los criterios de vulnerabilidad determinados, se
condicionen una serie de acciones sobre el Sistema regional a
tener en cuenta en el ordenamiento territorial.
La vulnerabilidad del Sistema es
desde baja a muy alta, lo que sugiere acciones dirigidas a
los puntos críticos de dispersión de la contaminación
hacia las aguas subterráneas, e incluso sugiere acciones muy
locales en caso de la franja costera donde abundan las formas
cársicas superficiales.
REFERÊNCIAS
BIBLIOGRÁFICAS - REFERENCIAS
BIBLIOGRÁFICAS
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Jaruco-Puerto Escondido. Informe Técnico, Archivo GAT.
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