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

Toluca, México. 20-22 de Junio de 2001

ANÁLISIS DE VULNERABILIDAD EN ZONAS ÁRIDAS Y SEMIÁRIDAS CON ÉNFASIS EN LAS CONDICIONES DE MÁTAPE, SONORA, MÉXICO

Por:	Miguel Rangel Medina

 Dpto. de Geología, Universidad de Sonora
 mrangelm@marina.geologia.uson.mx

(México)

RESUMEN

En la cuenca del Río Mátape, Sonora, México, se adaptó el método estandarizado DRASTIC al sistema acuífero regional cuyas condiciones desérticas con baja precipitación de lluvia (250-500 mm/año) y escaso o nulo espesor de suelo lo hacen un medio sensible a la contaminación. Se muestra la vulnerabilidad del acuífero a la contaminación por plaguicidas y a cargas contaminantes al subsuelo como los nitratos, provenientes de fuentes puntuales. A pesar de que se requiere un buen nivel de conocimiento del ambiente hidrogeológico, los resultados pueden ser cuestionables y los mapas de vulnerabilidad resultantes deben tomarse con precaución.

Palabras clave: Vulnerabilidad, contaminación, protección acuíferos, Sonora.

ABSTRACT

The DRASTIC vulnerability assessment procedure has been adapted to the Rio Matape Basin, Sonora, Mexico, where exist a regional aquifer system under desertic conditions. The area shows low precipitation (250-500 mm/year), with scarce or no soils, in this conditions the aquifer is very sensitive to be reached by pollutants. Vulnerability maps derived from spatial models are much easier to develop to pollutants like nitrate wich behave semi-conservatively in soils and groundwaters wich emphasises the need for caution in applying vulnerability maps.

Key words: Vulnerability, contamination, aquifers protection, Sonora.

1.- INTRODUCTION

En  años recientes muchos países han experimentado problemas de contaminación del agua subterránea, con una amplia variedad que va desde fuentes puntuales hasta dispersas. La evaluación de la contaminación se ha expresado a través de tres conceptos: vulnerabilidad, sensibilidad y riesgo. Estos tres factores han mostrado prácticamente igual peso en las determinaciones de una clasificación final, usada para dirigir las actividades de monitoreo del agua subterránea (Foster e Hirata, 1988; Rading, 1994).

Entendiendo por sensibilidad de acuíferos como la relativa facilidad con que un contaminante (en este caso un plaguicida) aplicado sobre o cerca de la superficie, puede migrar hasta el acuífero de interés. La sensibilidad así entendida, depende de los materiales geológicos en cuestión, no de las prácticas agronómicas o las características de los plaguicidas (USEPA, 1993).

Por su parte, la vulnerabilidad del agua subterránea es la relativa facilidad con la cual un contaminante puede migrar al acuífero bajo un grupo de condiciones dadas de prácticas de manejo agrícola, características de plaguicidas y condiciones de sensibilidad del acuífero. Sin que sea necesaria una correlación entre la sensibilidad y la vulnerabilidad (USEPA, 1993).

Las evaluaciones de vulnerabilidad del agua subterránea han sido utilizadas cada vez más a partir de los años noventa como una herramienta para planear y manejar los recursos acuíferos en diferentes partes del mundo. Con la aplicación de estas técnicas se busca desarrollar programas regionales del conocimiento de áreas que necesiten mejorar su protección hidrológica ambiental, diseñar planes de monitoreo e identificar nuevos datos y vulnerabilidades de acuíferos. Se espera que finalmente estas evaluaciones sirvan para enfocar recursos sobre áreas sensibles y/o vulnerables, para que sobre estos datos se pueda apoyar el manejo de la contaminación y remediación del agua subterránea debido a las actividades antropogénicas.

Aller et al. (1987) llevaron a cabo por primera vez un análisis DRASTIC en los Estados Unidos en escala 1:2,000,000. Posteriormente la USEPA (1992) analizó esos resultados al aplicar el National Survey of Pesticides in Drinking Water Wells, sobre los datos cualitativos obtenidos por el DRASTIC en esa escala. Se analizaron los índices DRASTIC a nivel Condado (un nivel jerárquico para cada uno), así como subconteos computados para 90 Condados seleccionados, en los que se realizaron análisis por plaguicidas en muestras de agua de pozos. Los resultados mostraron un DRASTIC muy pobre para esos Condados. Por lo tanto, se concluyó que para implementar un plan de manejo de la calidad del agua más exacto, es necesario incrementar el detalle en los datos de entrada del DRASTIC.

Sin embargo, hablando de la validación de sus resultados en ambos casos como con otros métodos (NRA, SRM, ERIS, AVI, etc.) se puede tener una respuesta mixta. A favor se puede decir que este tipo de investigaciones utilizadas como preventivas ayudan a poner énfasis sobre las estrategias de protección del agua subterránea, con un enfoque sobre la prevención de la contaminación más que por el contenido de la contaminación, que es de facto. Por ello, a favor del uso de los mapas de vulnerabilidad se puede agregar que esta determinación del riesgo de contaminación sirve al menos para identificar los acuíferos, o partes de acuíferos, más vulnerables y determinar las actividades causantes del máximo riesgo de contaminación en estas áreas. La determinación sirve para llamar la atención sobre estas actividades y establecer prioridades en la investigación y el monitoreo de campo. Pero siempre se debe tener en mente que se enfocan más al criterio general que sobre las condiciones específicas de sitios individuales.

En este sentido se debe considerar que existe un grado de especificidad del contaminante (vulnerabilidad específica vs intrínseca), la cual variará considerablemente dadas las condiciones climatológicas (escasa lluvia, alta evaporación), así como  los patrones de entrada del contaminante y las escalas espacial y temporal de la evaluación.

Las evaluaciones de este tipo, si bien aportan una sustitución de estudios de impacto ambiental del agua subterránea no costosa, su diseño (dada su escala y carácter universal) es sólo para tener una guía (de la vulnerabilidad) y no se debe, ni se puede entender como un reemplazo, su utilidad debe entenderse necesaria para  un marco mas bien operativo. En estas evaluaciones, si no es posible tener el trabajo ideal de investigación e información exhaustiva, se pueden desarrollar mapas con sistemas generalizados y menos refinados de mapeo de la vulnerabilidad de acuíferos, los cuales progresivamente se pueden modificar. Pero, si este es el caso, el mapa debe ser interpretado con precaución. Para disminuir la subjetividad de los mapas, se sugiere aplicar la técnica y escalas adecuadas, para que los trabajos ayuden al menos a enfocar la atención sobre áreas más vulnerables a la contaminación, tratando de que lleguen a tener un carácter semi-cuantitativo, cuando no se logra alcanzar el predictivo. No obstante, siempre se debe tener en cuenta que “la caracterización de la vulnerabilidad de acuíferos a la contaminación y a la carga contaminante al subsuelo, requieren de un buen nivel de conocimiento del ambiente hidrogeológico”.

Finalmente, a pesar de los obstáculos, siempre vale la pena realizar este tipo de evaluaciones, dado su carácter preventivo, y no desmayar por la falta de información. Recordemos que los primeros ensayos de cartografiado de la vulnerabilidad en países desarrollados, utilizaron primero aproximaciones empíricas de amplia escala, con enfoques generales sobre el suelo y condiciones geológicas e hidrogeológicas generalizadas, pero con ellos formaron la base de estudios posteriores.

2.- EVALUCIÓN DE LA VULNERABILIDAD AL SISTEMA ACUÍFERO MATAPE, SONORA, MÉXICO

2.1.- METODOLOGIA

Para el área de estudio del sistema acuífero Mátape, se aplicó el método DRASTIC (Aller y otros, 1987) modificado por el autor para condiciones desérticas y semidesérticas, para regiones carentes de riego y con poco o nulo espesor de suelos. Con el método se evaluó la vulnerabilidad relativa como probabilidad de contaminación por plaguicidas del agua subterránea.

Los resultados que se obtienen por este método, proveen clasificaciones jerárquicas para siete parámetros hidrogeológicos con los cuales se clasifica la vulnerabilidad, o la contaminación potencial de un acuífero. Estos parámetros son pesados con respecto a su importancia relativa a la contaminación potencial del acuífero, para ello, DRASTIC tiene dos tipos de pesos; uno para los contaminantes en general y otro para plaguicidas. Estos y sus pesos relativos se muestran en la tabla 1.

Tabla 1: Parámetros DRASTIC y sus pesos Relativos (W), DRASTIC (Aller, et all.,1987)

PARAMETRO	PESO GENERAL	PESO (W)/PLAGUICIDAS
Profundidad al agua  Recarga  Medio acuífero  Suelo  Topografía (Pendiente en %)  Impacto de la zona vadosa  Conductividad Hidráulica	(DW = 5)  (RW = 4)  (AW = 3)  (SW = 2)  (TW = 1)  ( IW = 5)  (CW = 3)	5 4 3 5 3 4 2

La profundidad al agua y el impacto a la zona vadosa son considerados como los factores más importantes y por ello tienen un peso de 5, mientras que la topografía es la menos importante con peso de 1. Cada parámetro tiene un grado jerárquico entre 1 y 10. Por ejemplo las tasas para el medio acuífero se presentan en la tabla 2.

Tabla 2: Jerarquías y tasas de Medio acuífero en DRASTIC (Aller et all., 1987)

Tipos de Medio acuífero	Tasas	Tasa típica
Lutita masiva	1-3	2
Metamórficas/Rocas ígneas	2-5	3
Metamórficas intemperizadas/rocas ígneas	3-5	4
Depósitos glaciares	4-6	5
Estratos de Arenisca, caliza y secuencias de lutitas	5-9	6
Arenisca masiva	4-9	6
Caliza masiva	4-9	6
Arenas y gravas	4-9	8
Basalto	2-10	9
Caliza cárstica	9-10	10

Los índices del modelo DRASTIC para un área, se calculan con la ecuación:

	Indice DRASTIC = DRDW+RRRW+ARAW+SRSW+TRTW+IRIW+CRCW

Donde:

D =  Profudidad al agua subterránea
R =  Recarga neta
A =  Medio Acuífero
S =   Medio del Suelo
T =  Topografía (pendiente %):
I  =  Impacto de la zona Vadosa
C =  Conductividad Hidráulica del medio del suelo:
W  =  Pesos generales DRASTIC

La ecuación se aplica para cada unidad geográfica o pixel y donde  R = tasa. En el área de estudio se aplicó para cada unidad (pozo de monitoreo), ya que la aplicación por pixeles requiere de un mayor volumen de datos. El resultado propone que el índice DRASTIC más alto representa el mayor potencial de contaminación relativa del agua subterránea.

 Cada área distintiva del índice DRASTIC forma un escenario hidrogeológico. Por ejemplo, los escenarios caracterizados por una infiltración rápida y profundidad somera del agua subterránea son más sensibles que otros. De igual manera, DRASTIC asume que: (1) el contaminante es introducido al agua subterránea  desde la superficie; (2) el contaminante es introducido al agua subterránea por medio de la precipitación; (3) el contaminante tiene la movilidad del agua y (4) el área evaluada usando DRASTIC es de al menos 41,000 m2 o mayor.

La presentación de los resultados numéricos de la ecuación, obtenidos para cada escenario, se realiza en forma de mapas que muestran los factores hidrogeológicos divididos en subáreas con características intrínsecas. La matriz de todos ellos caracteriza los diferentes escenarios hidrogeológicos con un índice de vulnerabilidad. En este caso, aplicando los pesos de plaguicidas, se interpreta como una aproximación de la predicción del comportamiento y/o de las concentraciones de plaguicidas. Es decir, en una subárea con los mayores índices por plaguicidas, indicará la probabilidad de que tal escenario tenga potencialmente la mayor sensibilidad para su lixiviación.

Finalmente esos índices numéricos, se jerarquizan con grados de vulnerabilidad alta, media y baja y se vacían sobre una base cartográfica georeferenciada de la región de estudio, su distribución espacial representa la probabilidad relativa de que el agua subterránea sea contaminada por plaguicidas. Espacialmente se muestran los resultados en un mapa, como subáreas de la vulnerabilidad de acuíferos.

Bajo esta premisa, la aplicación del sistema estandarizado DRASTIC en el área de estudio se realizó bajo los siguientes pasos:

1.- Se determinó la disponibilidad de datos para cada factor
2.- Se seleccionó el número de clases de sensibilidad de acuíferos (escenarios)
3.- Se asignaron valores frontera
4.- Se definieron las reglas para aplicar las tasas en cada jerarquía (luego de que cada factor fue tasado).

2.2.- DEFINICIÓN DE LOS PARÁMETROS DRASTIC

DRASTIC es definido como una unidad cartografiable con características hidrogeológicas comunes, debido a que el método emplea el sistema de jerarquías numéricas, a las que se les asigna un peso relativo para los diferentes parámetros que ayudan en la evaluación de la contaminación (de aquí que sea relativa) a la vulnerabilidad del agua subterránea, las cuales se aplican como parámetro de un GIS.

De acuerdo con Civita y otros (1991) el DRASTIC fue diseñado como un modelo con sistema de conteo de puntos paramétricos y por lo tanto, apropiado para el GRID del módulo ARC/INFO, SURFER y otros SIG con los cuales se procesan los datos como herramienta espacial. Esta misma experiencia se utilizó en el trazo del acuífero Mátape. El resultado es el mapa de evaluación de la vulnerabilidad del agua subterránea a la contaminación por plaguicidas, cuyo fin es establecer la probabilidad de que los escenarios hidrogeológicos (subáreas de acuíferos) definidos sean impactados por plauicidas. La validez de los resultados del método, es la correspondiente a una aproximación relativa, y por lo tanto se depende del manejo experto de la hidrogeología del área evaluada. De cualquier forma existe la incertidumbre, como en todo modelo, sobre la probabilidad de que el comportamiento del agua subterránea corresponda con la obtenida en el mapa.

Los parámetros que forman el acróstico DRASTIC  quedando definidos como:

(D) Profudidad al agua subterránea: Las aguas someras tienen una mayor oportunidad para que el contaminante alcance al agua subterránea que en pozos de niveles profundos. Para el área de estudio este parámetro se ajustó de acuerdo a las características de la región, ya que los rangos son muy someros y cortos entre sí para los cuatro primeros intervalos, esto no permite definir con claridad las condiciones para la región, tomándose intervalos de 5 m hasta la profundidad máxima de 30 m.

Tabla 3: Profundidad al agua (DRASTIC/DRASTIC MODIFICADO)

CATEGORIAS (m)	CLASE	PESOS	CONTEO      (W)	PLAGUICIDAS = 5
0 – 1.5 (+) /   0 – 5 (*)   1.5 – 4.6   /    5 – 10       4.6 – 9.1   /  10 – 15       9.1 – 15.2 /  15 – 20     15.2 – 22.9 /  20 – 25     22.9 – 30.5 /       > 25     > 30.5	10  /  10 9    /    9  7   /    7  5   /    5 3   /    3 2   /    1 1	5  4  3 2 1  0	50 36 21 10 3 0	250 180 105 50 15 0

(+) DRASTIC
(*) Modificada

(R) Recarga neta: La recarga neta es la cantidad de agua por unidad de área del suelo que percola al acuífero. Este es el principal vehículo que transporta al contaminante al agua subterránea. A mayor recarga habrá más oportunidad de que el contaminante sea transportado al agua subterránea Para el área se modificaron las categorías (rangos) de recarga netas de acuerdo con las características de la región, obtenidas a partir del cálculo de la evapotranspiración por el método de Le Turc, ya que para regiones áridas el método por definición la considera despreciable. En consecuencia el método estima (“a priori”) la vulnerabilidad DRASTIC para la región como baja. Es decir, prácticamente sólo habría una categoría para la recarga neta, puesto que todas las tasas de recarga en la región de estudio son menores a 50 mm.

Tabla 4: Recarga neta (DRASTIC/ DRASTIC MODIFICADO)

CATEGORIAS (mm/año)	CLASE	PESO	CONTEO	(W) PLAGUICIDAS = 4
0 - 50 (+)     0 – 4 (*)             50 - 102        5 – 15             102 - 178      15 – 30              178 - 254        > 30                 > 254	1   /   1 3   /   3 6   /   5 8   /   7 9   /	4 4 4 4	4  12   20   28	16  48  80 112

(+) DRASTIC
(*) Modificada

(A) Medio Acuífero: El material del acuífero determina la movilidad del contaminante a través de él. Un incremento en el tiempo de viaje del contaminante a través del acuífero resulta en mayor atenuación. Para este parámetro se utilizaron los escenarios hidrogeológicos existentes en la región de estudio, asignando el número de clase apropiado para la zona, luego de tomar valores típicos de Cooper y otros (1994) y realizar tanteos con ellos para los diferentes escenarios, hasta que el modelo espacial en su distribución era más ajustada a la real.

Tabla 5: Medio Acuífero (DRASTIC/ DRASTIC MODIFICADO)

(+)DRASTIC típico
(*) Modificado

(S) Medio del Suelo: El medio del suelo es la parte más alta de la zona no saturada/zona vadosa, caracterizada por actividad biológica significativa. Esto junto con el medio acuífero determinan la cantidad de agua percolada que alcance la superficie del agua subterránea. Los intervalos y clases empleados en este factor se ajustaron dependiendo de las características de cada escenario, utilizando los empleados en el método DRASTIC, excepto para el caso del estiércol, el cual se ajustó de Cooper y otros (1994), tomando en cuenta su ubicación como fuentes puntuales  en potreros. El patrón se ajustó resultando muy similar a la distribución real.

Tabla 6: Medio de suelo (DRASTIC/ DRASTIC MODIFICADO)

* valor de Cooper  y otros, 1994

(T) Topografía (pendiente %): A mayor pendiente, menor potencial de contaminación debido a un más alto coeficiente de escurrimiento y tasas de erosión. En este caso los valores del modelo se conservaron por estar apegados a las características de los escenarios.

Tabla 7: Topografía (DRASTIC)

CATEGORIAS (%)          TASA       PESO        CONTEO       (W) PLAGUICIDAS = 3

0 – 2                                  10              10              100                      300     2 – 6                                   9               9                 81                       243     6 – 12                                 5               5                 25                       75     12 – 18                               3               3                  9                        27     > 18                                    1               1                  1                        3

(I) Impacto de la zona Vadosa: La zona no saturada sobre el agua subterránea es conocida como zona vadosa. La textura de la zona vadosa determina que tiempo el contaminante viajará a través de él. El estrato que más restringe el flujo de agua será usado. En este parámetro se utilizó el valor típico recomendado por Cooper y otros (1994) para escenarios con características similares a las del área de estudio. El valor cae dentro del rango establecido por el método DRASTIC.

Tabla 8: Impacto zona vadosa (DRASTIC/ DRASTIC MODIFICADO)

CATEGORIAS                                 CLASE      PESO        CONTEO          (W) PESTICIDAS = 5

Presencia de estrato confinante              1 /   1            5                5                          25 Limo/arcilla                                      2-6  /   3             5                15                        75 Lutita – Caliza estratificada              2-5 /   6*             5                30                       150 Caliza estratificada -Arenisca           2-7 /   6               5                30                       150 Ignea/metamórfica                           2-8 / Arena/Grava c/limo y arcilla                   /    6*            5                30                        150 Arena/Grava                                  6-9 /   8*              5                40                        200 Basalto                                        2-10 /   9*              5                45                        225 Caliza cárstica                             8-10 /

*valor típico. Cooper y otros, 1994

(C) Conductividad Hidráulica del medio del suelo: Determina la cantidad de agua que percola al agua subterránea a través del acuífero. Para suelos altamente permeables el tiempo de viaje del contaminante crecerá dentro del acuífero. Los valores de los intervalos utilizados en el acuífero Mátape corresponden prácticamente a los del modelo DRASTIC, excepto un intervalo que se ajustó a los resultados de dos pruebas de bombeo realizadas en los acuíferos en cuarcitas y en andesitas, con las cuales se obtuvo el valor de la conductividad hidráulica correspondiente.

Tabla 9: Conductividad Hidráulica(DRASTIC/ DRASTIC MODIFICADO)

CATEGORIAS               CLASE           PESO        CONTEO   (W) PLAGUICIDAS = 2

0.04075 – 4.075                  1                      3                 3                      9 4.075 – 14.11                      2                      3                 6                      18 14.11 – 28.525 (*)              4                      3                 12                     36 28.525 – 40.75                    6                      3                 18                    54 40.75 – 81.5                        8                      3                 24                    72 81.75 +                               10                     3                 30                    90

(*) Valor  de prueba de bombeo

2.3.- EL AREA DE ESTUDIO

El área de estudio está ubicada en la porción noroeste de la cuenca del Río Mátape, Municipio de La Colorada, Sonora (Figura 1).
 

Figura 1: Localización del área de estudio.

La región del acuífero Mátape es un área rural próxima al poblado La Colorada. Está situada al centro sureste de Hermosillo capital del Estado de Sonora y comparte porciones de las cuencas de los ríos Sonora y Mátape. Los principales usos del suelo son la ganadería intensiva y extensiva con aprovechamiento de praderas cultivadas de pastizales y en forma localizada la minería por oro y grafito.

La precipitación media anual de entre 250-500 mm, distribuidos en forma gruesa de suroeste a noreste sobre 1,000 km2 de la porción sureste de la cuenca del Río Sonora y noroeste de la cuenca del Río Mátape (Figura 2). Dada esta precipitación, su clima se clasifica como árido a semiárido (Bull, 1991). El volumen de precipitación está muy por debajo del promedio mundial de 860 mm, por lo que el agua subterránea juega un papel muy importante en el abastecimiento a toda la región. La topografía varía con elevaciones de entre 300 msnm en las partes bajas a poco mas de 750 m en la Sierra de San Antonio al suroeste del área.

La geología de la región es compleja, se estima una sucesión sedimentaria de no menos de 2,200 m de espesor (Rangel, 1997), varios conjuntos de rocas intrusivas y al menos uno de rocas volcánicas más jóvenes. La sucesión sedimentaria comprende hacia la base estratos paleozoicos clásticos ricos en carbonatos, estratos sedimentarios y volcanoclásticos mesozoicos, separados por una disconformidad o discordancia angular.

Las unidades mencionadas fueron intrusionadas y mineralizadas por plutones intermedios a graníticos durante el Paleoceno, los cuales varían composicionalmente de cuarzo-monzonita y monzonita a diorita. Regionalmente, intrusiones equivalentes son consideradas de edad cretácica-terciaria (90-40 Ma.; Damon y otros, 1983).

Un conjunto heterogéneo de flujos de rocas volcánicas y depósitos piroclásticos cubre en discordancia a las unidades sedimentarias e intrusivas. A este conjunto de riolita a andesita/basalto se le ha asignado igualmente una edad terciaria (Rangel, 1997). Tanto los conjuntos de rocas sedimentarias como intrusivas; han estado sujetas a varios grados de fallamiento, metamorfismo y alteración; porciones de fallas están parcialmente colmatadas por arcillas y otras conforman un medio fracturado que permite el almacenamiento y transmisión de agua subterránea. Las rocas volcánicas más jóvenes están generalmente menos alteradas y deformadas, pero todos los contactos entre unidades estratigráficas son planos de fallas; ya sean normales o inversas.

Como consecuencia de este marco, las rocas varían en permeabilidad, control hidrodinámico e hidroquímica definiendo a los principales acuíferos y fronteras impermeables de la región. En la cuenca del Río Mátape se definen dos sistemas acuíferos formados por un conglomerado volcánico terciario-cuaternario mal consolidado y pobremente cementado, cubierto por depósitos fluvio-aluviales de grava/arena/limo al Este, identificado con el mismo nombre de la subcuenca Mátape-Punta de Agua. Por el Oeste existe poco espesor de aluvión y se encuentra aleatoriamente distribuido cubriendo escasamente algunas zonas. Forma un sistema acuífero, con cuarcitas ordovícicas, andesitas cretácicas y rocas granitoides terciarias fracturadas denominado también con el mismo nombre de su subcuenca, Mátape-Empalme.
 

Figura 2: Localización del área de estudio en las cuencas de los ríos Sonora y Mátape
 

El acuífero en cuarcitas es el que tiene mejor rendimiento hidráulico con hasta 6.5 lps, seguido por los conglomerados y aluviones con rendimientos menores a 5 l/s y los granitos con  menos de 2 l/s. Por su distribución espacial los conglomerados y aluviones son explotados en la mayoría de los ranchos. Con las cuarcitas se abastece de agua potable al poblado de La Colorada y las rocas graníticas, restringidas espacialmente, se utilizan en abastecimientos domésticos rurales.

2.4.- MAPA DE VULNERABILIDAD POR PESO DE EVIDENCIAS POR NITRATOS

El segundo mapa de la vulnerabilidad DRASTIC modificado, se realizó utilizando información de 26 pozos de monitoreo ubicados en la región del acuífero Mátape con resultados de análisis de nitratos (NO3), así como los parámetros de la evaluación de vulnerabilidad descrita. Esta evaluación toma en cuenta que los escenarios están influidos por el uso de la tierra en la vecindad de los pozos muestreados. De esta forma, en los escenarios se incluyeron las categorías que representan el uso, por ejemplo, limo fangoso, arena fangosa y estiércol, los cuales son fuentes puntuales, contra la consideración principal de la evaluación por plaguicidas, que evalúa condiciones de fuentes dispersas o difusas. Estas fuentes corresponden con potreros, granjas domésticas y centros de engorda o distribución de ganado. La evaluación se define en tres amplias categorías de la vulnerabilidad (alta, media y baja).

La evaluación se basa en los trabajos de Bates y otros (1997), quienes modificaron el patrón original del modelo DRASTIC, buscando eliminar la incertidumbre de los índices  DRASTIC y los modelos espaciales. Es decir, con el método original se determina una vulnerabilidad universal (intrínseca) con la que no se podrá dar un seguimiento detallado por contaminantes específicos (contaminante individual/vulnerabilidad específica). Los sistemas DRASTIC estandarizado y el modelado espacial, por ejemplo el AVI (Aquifer Vulnerability Index) desarrollado por Van Stempvoort y otros (1992) producen mapas de vulnerabilidad similar, sin embargo, ambos subestiman por ejemplo la vulnerabilidad específica, que utilizan Barber y otros, 1996, en este caso nitratos. Con este cambio es posible elaborar una serie de mapas por contaminantes específicos, los cuales podrían ser compilados en un atlas de vulnerabilidad de acuíferos, ya que como sugieren Foster e Hirata, científicamente el concepto generalizado de “Vulnerabilidad General a un Contaminante Universal en un Escenario Típico de Contaminación” no tiene validez (Foster e Hirata,1987).

Consecuentemente en términos absolutos la clasificación de baja, media y alta vulnerabilidad pueden brindar un mensaje equivocado para contaminantes como el nitrato. Este elemento aparece en todas las muestras de la región, con un comportamiento heterogéneo en el acuífero Mátape (concentración mínima de 0.1 y máxima de 21 mg/l).

El nitrato en el agua subterránea es considerado un contaminante común en todos los usos de suelos, y en la región no es la excepción, de aquí que se haya considerado adecuada su selección para evaluar o validar el mapa de vulnerabilidad. El método aporta una muestra comparativa con la evaluación de la vulnerabilidad espacial, y la evidencia de datos existentes convertidos en pesos.

En esta modificación del DRASTIC utilizando como peso de evidencias la presencia de nitratos, se consideró un atributo para aplicarse en la región del Mátape, a pesar de que el patrón original lo ajustaron Bates y otros (1997) para obtener el mapa de vulnerabilidad regional por nitratos (NO3+ N), para valles agrícolas, donde las concentraciones en algunos sitios eran mayores a 40 mg/l. Para obtener los objetivos y parámetros DRASTIC del estudio, se utilizaron análisis fisico-químicos de una investigación hidrogeoambiental existente (Rangel, 1997).

La evaluación de la vulnerabilidad regional toma inicialmente el sistema estandarizado DRASTIC de Aller y otros (1985; 1987 y 1992) como la base para su definición, a partir de ella, Barber y otros (1996) y Bates y otros (1997) obtuvieron mapas de vulnerabilidad regional por técnicas de pesos para modelación espacial estableciendo la relación entre variables predictoras binarias y una respuesta binaria variable, la cual puede ser relacionada con la propiedad que se quiere definir, en este caso la vulnerabilidad. Cada variable es “pesada” para producir la puntuación de pesos que se añaden a las variables que definen los índices de vulnerabilidad DRASTIC en el área de interés (Tabla 3).

Las variables predictoras de mayor relevancia son: la profundidad al agua subterránea y las características de la zona vadosa que afectan la conductividad hidráulica. Las variaciones espaciales en este factor se relacionaron con el contenido de arcilla en los depósitos aluviales y si el acuífero es confinado, libre o en medio fracturado. En este caso se empleo la información disponible de barrenos, pozos y norias existentes, la experiencia sobre la geología de la región y se obtuvieron mapas de suelos verificadas en catas exploratorias y zanjas.

La lista de variables predictoras se asoció con las categorías DRASTIC (modificadas para las condiciones locales) y con los pesos calculados para referencia. Así, quedaron patrones de predicción separados para cada variable predictora. Por ejemplo, para la profundidad el primer patrón es para profundidades mayores a 15 m, o no; la segunda para profundidades entre 5 y 15 m, o no; y la tercera para profundidades menores a 5 m, o no Tabla 3.

Variable                                 Categoría                                                                Pesos relativos    Predictora            Clase         DRASTIC              Descripción                                W+          W-

d1               1 – 3                      > 15 m                                  - 0.456      0.232   Profundidad          d2               5 – 7                      5 – 15 m                                  0.006     -0. 004   al agua                  d3               9 – 10                      0< 5 m                                      0.543     -0.210                                v1               1 – 3            Confinado o arcilla presente             - 0.792      0-306  Zona Vadosa         v2               4 – 5            Semi-confinado, parcialm.frac-                                                                      turado o grava/arena con arcilla         -0.374       0.292                                v3               6 - 8            Libre o granito fracturado                  1.713      -0. 533   Litología                  l1                                   sedimentarias fracturadas                   -0.599        0.689                                 l2                                   aluviones                                            0.237      -0.130                                l3                                   granitos fracturados                            3.079      -0.25

Tabla 3. Variables predictoras usadas en el peso de evidencias de la vulnerabilidad regional del agua subterránea (adaptado de Barber y otros, 1996).
 

Además el método pide detallar los análisis de calidad del agua en el área de estudio, particularmente nitratos y conductividad eléctrica (CE), con base en que el nitrato es considerado un contaminante común de la agricultura (en este caso por actividades pecuarias y fuentes rurales domésticas).

En teoría, la concentración de nitrato y los índices DRASTIC deberán ser positivamente correlacionados en áreas donde la fuente de nitrógeno es razonablemente constante y uniformemente distribuida. Por su parte, la CE del agua subterránea es considerada como un indicador potencial del tiempo de residencia ( Lawrence, 1983; Wenland y otros, 1994). Cuando existe recarga rápida y corto tiempo de residencia en la zona vadosa, la CE tenderá a ser más baja y habrá probabilidad de que los niveles de bióxido de carbón sean más bajos en el agua de los poros y menos intemperismo de minerales, en este caso de los nitratos. Por lo tanto, se propone una relación inversa entre la CE y la vulnerabilidad.

El umbral para la CE se colocó en 750 mS/cm de acuerdo con la experiencia en la región. Un tiempo corto de residencia indicaría alta vulnerabilidad, y en teoría se deberá correlacionarse con los niveles más bajos de CE en el agua subterránea (menor percolación). Deberá por lo tanto haber una correlación negativa entre el índice DRASTIC y la CE de agua somera cercana al nivel freático. El cálculo definió 26 condiciones de índices de probabilidad con las que se determinó la distribución espacial y la representación para siete escenarios hidrogeológicos (Tabla 4).
 
 

Tabla 4. Características para cada escenario hidrogeológico con relación al NO3 y CE

En el área de estudio las evidencias dejan ver que en mayor o menor grado, toda el agua subterránea es vulnerable al nitrato ya que ha sido alcanzada por el contaminante, sobretodo en el acuífero Mátape. Los resultados indican que las áreas con niveles bajos de nitrato corresponden con fuentes difusas, niveles profundos y una capa confinante. Las zonas con cargas altas corresponden con fuentes puntuales (próximas a potreros, granjas, bordos con agua, etc.).

El modelo de la distribución espacial es bastante consistente con relación al conocimiento de uso del suelo en la región y coincide en forma gruesa con el mapa de la distribución hidroquímica simple de los nitratos y con el mapa basado en los índices DRASTIC variando ligeramente por la mayor amplitud de las áreas susceptibles de contaminación (Figura 5). El área altamente vulnerable es la que corresponde a la parte baja y llanura aluvial del arroyo El Sarpullido caracterizado por suelos arenosos y gravosos, que tiene pendientes de medianas a suaves, y la fuente de nitratos se encuentra en el rancho El Represito (un estanque de abrevadero).  Pero las profundidades intermedias al agua subterránea resultan espacialmente las más vulnerables (Este y Oeste del área), correspondiendo con zonas de pendientes de medianas a fuertes, con suelos delgados  distribuidos en llanuras fluvio-aluviales o granitos altamente fracturados.

Figura 5: Mapa de vulnerabilidad basado en los indices DRASTIC

La mayor parte del área tiene baja vulnerabilidad donde los niveles freáticos son menores a 10 m, esto es posible dado que la desnitrificación es variable en zonas con agua subterránea somera, la cual consecuentemente tiene vulnerabilidad baja al nitrato y a pesar de que en la mayoría de esas zonas se encuentran fuentes puntuales (potreros de engorda). Es decir son subáreas de acuíferos donde el medio tiene capacidad de autodepuración aún a pesar de las descargas existentes. El patrón descrito yuxtapone áreas de altas y bajas vulnerabilidades en la proximidad de las áreas con agua subterránea cercana a la superficie, debido probablemente a los cambios de litología y pendiente principalmente (Figura 6 ).

Figura 6: Mapa de Vulnerabilidad usando modelación espacial de peso de evidencias.

3.- DISCUSION Y CONCLUSIONES

La determinación de la evaluación de la vulnerabilidad regional  va en aumento en todo el mundo con el objeto de planear el uso del suelo y enfocar los programas de monitoreo de la calidad del agua subterránea y la evolución espacial y temporal de las cargas de contaminantes. La mayoría de las aproximaciones (empíricas, determinísticas-probabilísticas, o cualitativas y cuantitativas), necesitan mayor refinamiento o métodos alternativos dada su escasez de objetividad o requerimiento de datos.

DRASTIC (Aller, 1987) es probablemente el método más ampliamente usado. En este método los escenarios hidrogeológicos son primero identificados y la vulnerabilidad determinada asignando conteos de clases jerárquicas de la profundidad al agua subterránea, recarga neta, medio del suelo, topografía, impacto de la zona vadosa y conductividad hidráulica.

Las aproximaciones estocásticas tales como modelación con peso de evidencias ofrecen una mejor alternativa usando datos espaciales hidrogeológicos disponibles y variables específicas de contaminantes, aún cuando tienen como base el DRASTIC. Para facilitar la aplicabilidad este tipo de vulnerabilidad utiliza un pequeño número de variables espaciales críticas.

La metodología del DRASTIC recibe críticas a favor y en contra con la descripción de variables  de escenarios hidrogeológicos, los cuales se basan en estimaciones subjetivas sobre experiencias pasadas del evaluador. Los mapas no son solamente resultado de datos duros (existentes), sino basados en modelos conceptuales de la hidrogeología de la región. Esto implica que el DRASTIC requiera de estimaciones subjetivas basadas en juicios profesionales (Figura 4; Rosen, 1993).

Figura 4: Esquema de análisis de la vulnerabilidad (Rosen, 1993)

Como opinan diversos autores, aún existe mucho por investigar en este tipo de estudios, ya que a pesar de los esfuerzos existentes sobre la evaluación de la vulnerabilidad, aún está por verse si los resultados son lo suficientemente buenos para mejorar lo que se tiene. Es claro que para hacer efectivas las metodologías de evaluación, se necesita utilizar datos fácilmente disponibles, para hacer objetiva la aproximación y relativamente simple y fácil de aplicar. Desde el punto de vista científico, es necesario considerar lo incierto que pueden resultar los mapas de vulnerabilidad, ya que dependen en gran medida de la disponibilidad de información, por ello se deben tomar como MODELOS DE APROXIMACION. La confiabilidad dependerá de la calidad de los datos duros, que sean utilizados y el uso de una escala adecuada, generalmente no mayor a 1:100,000 para trabajo regional.

Dado que la certidumbre que se logra con los mapas dependerá de la cantidad y calidad de la información hidrogeológica, se discute aún sobre la precisión de los mapas, la cual aún siendo baja, es preferible, ya que siendo investigaciones preventivas, ayudan a contrarrestar la filosofía de “esperar y ver que pasa”, la cual es simplemente peligrosa porque el inminente desastre ambiental podría llegar a ubicarse más allá de nuestros medios para remediarlo. Las características del método DRASTIC originalmente aplicado por Aller y otros (1987, 1992), no permiten su aplicación directa en el área de estudio, ya que existen diferencias tales como; (a) condiciones climáticas desérticas con tasas bajas de recarga local, (b) grandes extensiones con pequeños o nulos espesores de suelos arenosos y gravosos, (c) zonas de uso pecuario concentrado con suelos arenoso-fangosos, (d) medio acuífero fracturado, (e) ausencia de riego agrícola y cultivos.

La tendencia de las evaluaciones de la vulnerabilidad es hacia el tratamiento específico por elementos individuales, ya que la vulnerabilidad intrínseca, relacionada exclusivamente con la sensibilidad de los escenarios depende de: (1) La subjetividad del término vulnerabilidad, el cual no tiene un significado físico, lo que quiere decir que no hay información acerca de las consecuencias de un índice específico, (2) Los resultados son relativos, pues no dan información en términos absolutos sobre cuanto es más o, menos vulnerable un área específica, en comparación con las áreas circundantes.

No existe una técnica estándar para evaluar la vulnerabilidad del agua subterránea y probablemente no será posible desarrollarla, considerando la amplia variedad de condiciones y necesidades entre diferentes países. Probablemente esto sea igualmente reflejo de que el término vulnerabilidad del agua subterránea no tiene una definición estándar concisa. Como consecuencia, muchas técnicas de evaluación resultan poco claras en su significado.

Con los resultados obtenidos en la vulnerabilidad DRASTIC se confirma la Primera Ley de la Vulnerabilidad del agua subterránea (“Toda agua subterránea es vulnerable”), en la que una primera consecuencia es que el tiempo de viaje de un contaminante potencial significaría una parte implícita o explícita para identificar áreas vulnerables en un sistema de agua subterránea. Un tiempo largo por sí mismo, sin embargo, no garantiza que un acuífero tendrá baja vulnerabilidad.

Es decir, dependerán del grado que alcancen factores claves de retardo como la dispersión, absorción, y transformaciones bioquímicas, que son las que reducen probablemente las concentraciones de contaminantes y/o los transforman en productos benignos. Dependerá entonces de la naturaleza de los materiales de la zona no saturada y si los contaminantes son suficientemente persistentes y móviles para alcanzar la zona saturada. Por ejemplo Pratt y otros (1972) han mostrado que los nitratos pueden tomar décadas para alcanzar el agua subterránea. Por extensión, los plaguicidas que son persistentes, pero menos móviles que el nitrato debido a la absorción, podrían tomar largos tiempos también.

Los resultados de la vulnerabilidad espacial por plaguicidas en el área de estudio muestran que en general, la vulnerabilidad alta se presenta predominantemente en las zonas con profundidades someras (Este del área; Figura 5). Con relación a la recarga DRASTIC, las zonas con mayor precipitación efectiva coinciden igualmente con la distribución de la vulnerabilidad alta y en contraposición con las áreas de baja recarga neta donde la vulnerabilidad varía de baja a media. Igualmente el medio acuífero DRASTIC muestra su correlación con el escenario conglomerado-aluvión que muestra la mayor correlación con la vulnerabilidad alta. Sin embargo, la mejor correlación paramétrica se aprecia con los tipos de suelos DRASTIC, donde la porción Este del área de estudio predomina en arena, grava y suelo delgado o ausente, ello confirma la mayor sensibilidad del medio y susceptibilidad del agua para ser contaminada. El impacto a la zona vadosa DRASTIC, se correlaciona con el área donde existe arena/grava con áreas de acuífero de alta vulnerabilidad en el Este y aparece baja vulnerabilidad en las áreas con limo/arcilla, donde la retención se supone mayor.

Respecto a la vulnerabilidad por peso de evidencias, se puede decir que los argumentos de la utilidad del nitrógeno para distinguir la vulnerabilidad del agua subterránea, en algunos casos se contraponen, ya que como se observa en el mapa resultante, mientras en algunos casos aparece correlacionable con la CE (tiempo de residencia), en otras no existe tal acierto (Figura 6). Por ejemplo, donde el agua subterránea tiene una conductividad eléctrica por encima 3,000 mS/cm, muestra vulnerabilidad media y alta, igual que donde la conductividad eléctrica es de 720 mS/cm. Esto permite igualmente observar que la distribución de vulnerabilidad al nitrógeno, en este caso, puede estar respondiendo más a la alta concentración de descargas puntuales, que a la vulnerabilidad del medio. De aquí que la respuesta sea muy diferente a la de vulnerabilidad por plaguicidas. Daly (1994) definió que una granja produce desechos equivalentes a 10 personas, así que una granja modesta de 40 ha con ganado vacuno puede producir igual cantidad de desechos que un pequeño poblado. Esto rompería cualquier expectativa de distribución del modelo. Los resultados sirven para confirmar que:

1)  El uso del nitrato como variable de respuesta, no es de aceptación universal en la evaluación de la vulnerabilidad, al no ser correlacionable con la CE, mientras que el suelo arenoso refleja su sensibilidad al definir una vulnerabilidad media que permite el paso de contaminantes, situación que es prácticamente similar a la alta vulnerabilidad por plaguicidas.

2)  La CE es representativa del tiempo de residencia del agua subterránea. Es decir, donde el tiempo de residencia es bajo (tránsito rápido), la CE tiende a ser más baja, debido a que son más bajos los niveles de bióxido de carbono en los poros con agua y existe menos intemperismo de minerales, lo que igualmente mostraría que existe buena capacidad de autodepuración por nitrógeno en gran parte del área.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Aller, L., T., J.H. Lerh,, R.J. Petty, and G. Hackett. (1987). DRASTIC: A Standardized System for Evaluating Dround Water  Pollution Potential Using Hydrogeologic Settings. U.S. Environmental Protection Agency, 600/2-87/035, Ada, OK, 622 pp.

Barber, C., L.E., Bates, R. Barron and H. Allison (1996). Comparison od standardised and region-specific  methods for assessment of the vulnerability of groundwater to pollution: a case study in an agricultural cachtment. Shallow Groundwater Systems, vol. 18, International contributions to Hydrogeology, Verlag Heinz Heise, Hannover.

Civita, M., Forti P., Meccheri l., Piccini L., Panzini G.,(1991) Pollution vulnerability map for the aquifers of the Apuan Alps (Tuscany-Italu) National Research Group for the Defense against Hydrogeological Disasters Firenze, Italy.

Cooper, B.S., Navulur, C.S., Engel, B., Hahn, L. Groundwater vulnerability evaluation to pesticide and nitrate pollution on a regional scale usin GIS, Department of Agricultural and Biological Engineering, Purdue University, Lafayette, USA.

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Damon, P.E., Shaffiqulah, M., Roldan, J., Cocheme, J.J.(1983), El batolito Laramide (90-40 M.a.)de Sonora, Mem XV Conv. Nal., Asoc. Ing. Min. Geol. y Met.de Mex., Guadalajara,  Mex.

Foster, S., Hirata, R., (1988), Determinación del riesgo de contaminación de aguas subterráneas, una metodología basada en datos existentes, Organización Panamericana de la Salud, (OMS), 74 pp.

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Pratt, P.F., W.W. Jones. And V.E. Hunsaker (1972) Nitrate in deep soil profiles in relation to fertilizer rates and leaching volume. Journal of Environmental Quality 1 (1):97-102.

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Rangel, M (1997) Hidrogeología ambiental aplicada a los sistemas acuíferos La Colorada y Matape-Empalme: implicaciones sobre la vulnerabilidad a la contaminación  del agua subterránea. Tesis Msc. Universidad de Sonora.

Rosen, L (1993) A study of the DRASTIC Methodology with emphasis on Swedish Conditions. Department of Geology, Chalmers University of Technology, S-41296 Gothenburg, Sweden.

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Van Ert, M. and Sullivan, J.B.  1992.  Organochlorine Pesticides In Sullivan, J.B. and Krieger, G.R., Hazardous Materials Toxicology, Clinical Principles of Environmental Health.Williams & Wilkins, Baltimore, MD.

Wenland, F., Albert H., Bach, M., and Schmidt R. (1994) Potential nitrate pollution of groundwater in Germany: Supraregional differentiated model, Environmental Geology, 24, 1-6

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