Exposición de los nitratos en las aguas subterráneas: caso de estudio Vereda Nueva Cuenca Ariguanabo La Habana Cuba

Nuñez Lafitte⁽¹⁾ y Acosta Águila⁽²⁾

⁽¹⁾Departamento de Geofísica,Geología Ambiental y Riesgo, Instituto de Geofísica y Astronomía, AMA-CITMA

⁽²⁾Departamento de Informática, AMA-CITMA mnunez@iga.cu

Resumen: En este trabajo se aborda la contaminación de nitratos en las aguas subterráneas en pozos de abastos en el pueblo Vereda Nueva y alrededores, considerando la ley de Darcy para flujo lineal, analizándose el transporte total del contaminante y su afectación en la calidad del agua. Se ofrecen las recomendaciones validas para evitar la contaminación por nitratos.

Palabras clave: Nitratos/ Ley de Darcy/ Flujo Lineal/ Contaminación

Nitrate expositions in the underground water: study case Vereda Nueva Ariguanabo Basins Havana Cuba

Abstracts: In this paper is analized the transport of nitrate in underground water located Vereda Nueva Province havana, in concentrations more 45 mg/l. The flow across acuifer carst is considered law Darcy. Is analized enviromental impact in the water quality. Is ofered the recomendations true for the pollution nitrate.

Key Words: Nitrate, Law of Darcy, Lineal flow, Pollution

I. INTRODUCCIÓN.

Las fuentes de agua subterráneas deben ser debidamente protegidas de la acción de contaminantes externos así como del posible agotamiento de sus reservas. Esta protección puede ser definida como el conjunto de medidas encaminadas a la preservación del estado cuantitativo y cualitativo de las aguas, que alimentan a una fuente de forma tal que permita utilizarlas de manera racional en beneficio de la economía.

De los fertilizantes el que más nos interesa es el nitrógeno, uno de los nutrientes más importantes como contaminador de las aguas subterráneas. Es aplicado el N₂ en forma de urea o estiércol (NH₂)₂Co, aunque a veces se usa como forma inorgánica como amonio NH₃ o sulfato de amonio (NH₄)₂ Co3 o nitrato de calcio (NO₃)₂Ca [1] [2].

II. DESARROLLO

1. Antecedentes del problema.

En el mes de mayo de 1991 se detecta la presencia de nitratos en las aguas subterráneas del territorio en concentraciones que superaban ampliamente la norma establecida (45mg/l). En un principio las investigaciones indicaban la presencia de un foco de contaminación producto del derrame excesivo de fertilizantes en un almacén perteneciente a la Empresa de Cítricos de Ceiba del Agua situada a una distancia de 200 metros al acueducto de Vereda Nueva y otros pozos de (Fig.1) explotación; por lo que se pensó que la contaminación estaría limitada a un área pequeña y podría extenderse siguiendo el movimiento de las aguas subterráneas, por lo que se concentro el monitoreo a los pozos ubicados en las inmediaciones del foco detectado previamente.

No obstante los resultados obtenidos evidenciaron, que las altas concentraciones de nitratos no solo se encontraban en las inmediaciones del almacén de fertilizantes; sino también bastante alejada del lugar .lo que significo que el foco contaminante no era puntual sino difuso, que existía mala aplicación de abonos nitrogenados en toda el área de la Empresa Citrícola. El ión nitrato es uno de los constituyentes inorgánicos peligrosos a la salud más generalizado y problemático, debido a su alta movilidad y estabilidad en los sistemas aeróbicos de aguas subterráneas. Los impactos a la salud derivados de la exposición a nitratos se manifiesta principalmente por incremento de niveles de meta hemoglobina; dando origen a la Metahemoglinemia (especialmente en lactantes) y por la formación de nitrozaminas y nitros amidas, de las cuales el 75% son consideradas cancerígenas. Los nitratos pueden ser reducidos a nitrito por la microflora intestinal, sobre todo en lactantes pequeños.

La zona de estudio se encuentra entre las coordenadas planas 335 - 345 norte y 330 - 340 este a escala 1:50000 las rocas son carbonatadas y el relieve de llanura con pendientes de 0 - 1 grado, el acuífero es libre con transmisividad promedio de 6000 m² / d, conductividad hidráulica promedio de de 100-250 m / d, espesor del acuífero promedio de 10-20m, gradiente hidráulico promedio de 0.007 y dirección de flujo de las aguas subterráneas sureste - suroeste. El suelo es del tipo ferralítico con espesores promedios de 0.20 m. Las serie de precipitaciones son tomadas del Telecorreo Vereda Nueva para el mes de junio (húmedo) años 1991 - 2001con histórico de 252 mm y real de 228 mm, para el mes de diciembre (seco) años 1991-200 histórico de 58 mm y real de 39 mm., la población promedio del pueblo Vereda Nueva es de aproximadamente 3192 habitantes El área se encuentra ubicado en la Cuenca Subterránea Ariguanabo (Figura 1).

2. Característica de la fuente de abasto y del foco contaminante.

La fuente de abasto lo constituye el pozo Vereda Nueva situado en las coordenadas planas 351050 norte y 334505 este con diámetro del pozo 0.500m caudal de extracción 108m³/h. El foco contaminante lo constituye un almacén de fertilizante en el cual se encuentran depósitos en sacos de abonos nitrogenados los cuales son utilizados para la fertilización de las áreas de cultivos de cítricos. La carga contaminante calculada es de 1200 tn y se aplica en la relación de 100-160 kg/ha, se calculo la dirección del contaminante en 120-140 grados. En la figura 2 se observa el esquema del transporte del contaminante nitrato a partir del almacén de fertilizantes a los distintos cuerpos receptores, dolina, pozo de abasto y escuela con sus respectivas distancias.

3. Influencia de las precipitaciones en la concentración del nitrato.

La lluvia es un fenómeno natural importante en el desarrollo de la nitrificación, ya que mediante la lixiviación de los suelos transporta los nitratos.

El mes de junio en la provincial La Habana es el más lluvioso y el que más incide en la lixiviación del suelo y el mes de diciembre el más seco. La concentración del nitrato ocurre principalmente en el mes de junio independientemente a la serie de años, aunque en diciembre la concentración de nitratos se mantiene por encima de la norma de admisión del nitrato(45 mg/l) (Figura. 4). El comportamiento de los nitratos es alta en las fuentes y puntos de muestreos analizado (Figura 3).

Las medias mas alta, considerando junio de los años 2003, 2004 y 2005 son campamento plaza, pozo vereda, San Francisco, Granja Michuri, Campamento Michuri, Base Transporte, Finca Anita y en menor concentración pueblo nuevo Ceiba. En la figura 3 se observan las diferentes concentraciones de nitratos en la serie de años 1990-2004 en diferentes fuentes de abasto de la Cuenca Ariguanabo.

Se observa la gran difusión del contaminante al sur de Vereda nueva hasta las coordenadas este: 331.338 y norte 336-342, por lo que caracterizamos esta zona de área contaminada de tipo agrícola con dirección del contaminante 120-140 grados.[Núñez, 2004] 5.

4. Materiales y Métodos.

Para la elaboración de este trabajo se tomo como base el Mapa del Plano Variantes Propuesta para el Acueducto Vereda, Ceiba del Agua y comunidades agrícolas vinculadas, Estudios Hidrológicos a escala 1: 50000, diciembre 1991.y el informe Un análisis de los Riesgos de Contaminación por Nitratos en las Aguas Subterráneas. Caso de Estudio. Acueducto Vereda Nueva. de la Empresa de Aprovechamiento Hidráulico Provincia La Habana [Núñez, 2004] 5.

Los métodos utilizados para la zona de protección sanitaria (DPS) es definida por [Monteagudo, 1995)] 6, [Menéndez, 1997] 7, [Garfias et al ,2008] 8 y en la cual establece la zona I (DPS I) y la Zona II (DPS II). Se calcula el abatimiento real del pozo por la expresión abatimiento del pozo principal (Sp), el cálculo del radio de influencia del pozo, la infiltración del suelo o zona no saturada (If) por balance hídrico, considerando la evapotranspiración, el limite lateral frente al pozo (yo) y el limite neutro aguas abajo del pozo (Xo) y finalmente el transporte del contaminante por la vertical y el transporte del contaminante en la dirección horizontal en la zona saturada. Las expresiones utilizadas son mostradas a continuación.

Zona I.- Zona de extracción o de régimen estricto, que comprende el área donde se realizan las extracciones.

Zona II.- Zona intermedia o de régimen de limitaciones grandes. Fundamentalmente su finalidad es proteger a la fuente de la contaminación bacteriológica, por lo que sus límites están determinados por el tiempo de supervivencia de las bacterias consideradas dañinas para la salud (td); generalmente se toma el tiempo de vida de la Salmonella o del bacilo Colí.

Para el caso de la Zona II para un pozo aislado, se establece en nuestro caso un tiempo de permanencia del contaminante en función del desarrollo del Carso de 50 a 75 días para Carso poco desarrollado y de 75 a 100 días para Carso desarrollado de escasa cobertura en las condiciones de Cuba. Las ecuaciones al respecto son las siguientes:

A través de la ecuación (1 y 2) se puede calcular la velocidad de las aguas subterráneas de forma muy simple la variación de velocidades con la distancia al pozo y el valor DPS [Dixon, 2009] 9.

Para el cálculo del radio de influencia del pozo se utiliza la relación:

El abatimiento en el pozo de bombeo:

R_o = 1.5 [KD Ho T / μ] ½    (3)

Sp = Q / 4 x 3.14 Td ln 2.246 Td t / rp² / μ    (4)

La infilltración en la zona no saturada por:

If = (P- ETP)     (5)

El límite lateral frente al pozo:

Y_o= +- Q / 2 kd Ho I    (6)

El límite neutro aguas abajo del pozo:

X_o = Q / 2 (3.14) Ho I    (7)

El tiempo de transito en la zona no saturada (Zns):

Tns =Re / If     (8)

El tiempo de transito en la zona saturada (Zs):

T_S = (tdp + talp)    (9)

El tiempo total de transporte (Zns+ Zs) por:

Tt= Tns + T S    (10)

En la Tabla I se muestra la simbología empleada.

III. Resultados y Discusión.

La infiltración se determino para la zona no saturada utilizando el balance hídrico, para el mes de junio de 22mm con precipitación media hiperanual de 228.mm y evapotranspiración de 250mm, para el mes de diciembre de 4mm con precipitación media hiperanual de 39mm y evapotranspiración de 43mm. El radio de influencia del pozo en 300m, el abatimiento del pozo vereda nueva en 0.56m , la distancia sanitaria I en 11m, la distancia sanitaria II en 256.90m., el limite lateral frente al pozo (y_o) en 30 m y el limite neutro aguas abajo del pozo (x_o) en 11m, la velocidad de las aguas subterráneas y del contaminante en 0.95 m/d.. La zona II quedo establecida agua arriba en 334m y agua abajo (1.3X_o) en 12.76 m Con respecto al suelo los resultados son los siguientes, infiltración de 42-64mm, Capacidad de retención de humedad del suelo. en 37mm, capacidad de campo en 32mm, coeficiente de marchites en 18mm y el peso volumétrico en 1.32g/ cm³. Con respecto al foco contaminante se preciso que el almacén de fertilizantes es el foco único y que su contaminación es difusa con plumaje en la dirección de 120-140 grados sureste- suroeste, el tiempo de transito en el suelo o zona no saturada se determino en 3.2 hr, el transporte en la zona saturada vertical o del acuífero es de 21hr, el tiempo de transito en la horizontal dolina -pozo es de 21 días y el tiempo de transito almacén- pozo es de 210 días.

IV. Conclusiones.

Mediante la aplicación de las ecuaciones para la velocidad en la dirección principal del flujo hacia el pozo, considerando conductividad hidráulica darciana se determina el tiempo de transporte total del contaminante en la horizontal de 210 días.

1) Se comprobó que el almacén de fertilizantes se construyo dentro de la zona II, DPS2=268 metros considerando un factor de seguridad de 1.3, equivalente a la distancia que existe entre dicho almacén y el acueducto de Vereda Nueva.. la zona II aguas abajo quedo definida en 14.3m.

2) El radio de influencia es mayor que la distancia en la que se encuentra el foco contaminante. por lo que el foco contaminante se encuentra dentro del radio de influencia del pozo.

3) El área de estudio se encuentra en el medio cársico, en los cuales los vertimientos se realizan en Las formas de absorción (dolinas , sumideros) los cuales son formas de conducción emisión y transportan los contaminantes disueltos en el agua.

4) El tiempo total del transporte del contaminante almacén – dolina –pozo es de 231 días.

5) En el mes de junio se comportan las altas concentraciones de nitratos de acuerdo a la estadística de varios años, por lo que la lluvia es el estimulo natural que produce el transporte del contaminante sin eliminar el efecto del riego.

6) La contaminación en el área es difusa y no puntual y se produce siguiendo el movimiento general de las aguas subterráneas.

7) La contaminación por nitratos es permanente en las aguas subterráneas y se intensifica en el mes de junio, mes del periodo húmedo por lo que se decide eliminar el lugar en que se encuentra el almacén de fertilizantes y situarlo más al noroeste en la localidad que ocupa el pueblo de Guayabal, disminuyendo la carga de contaminante a 600tn/año y la tasa de fertilizantes a 50-80 kg/ ha..

V. Referencias Bibliográficas.

1) Jinchao , Ch, Makoto, T,Guanqun,L, Kunihelde, M,Shin, I, Tomochika, T Y Yoshiro, F (2007). Nitrate pollution of goundwater in the Yellow River Delta , China. Hydrogeology Journal, number 8, volume 15, Germany, 1605-1614.        [ Links ]

2) Benson, S,V, Van Leeuwen, A, J, Stryhn, H y Somers, H.(2007). Temporal análisis of groundwater nitrate concentrations from wellls in Prince Edward Island, Canada: application of a linear mixed efects model, Hydrogeology Journal, number 5, volume 15, Germany, 1009-1019.        [ Links ]

3) Jiménez, S, (1991). Evolución temporo -espacial de los nitratos en la zona de Vereda Nueva. (4) Geología y Minería 1998.        [ Links ]

4) Jiménez, I (1998). Estudio de la concentración de nitratos en Las aguas subterráneas de la Provincia de Cienfuegos. (3). Geología y Minería.        [ Links ]

5) Núñez, M (2004). Un análisis de los riesgos de contaminación por nitratos en las aguas subterráneas. Caso de estudio. Acueducto Vereda Nueva. Prov Habana. 1-20.        [ Links ]

6) Monteagudo, F ( 2001) .Consideraciones sobre los métodos de cálculos de Las zonas de protección sanitaria en los acuíferos cársicos cubanos. Evento Provincial de la Asociación cubana de Ingeniería Sanitaria y Ambiental. Ciudad de la Habana.        [ Links ]

7) Menéndez,A y Guerra, M (1997). Zona II de protección sanitaria y las morfoestructuras asociadas en el Acueducto el Gato y Cuenca Sur de La Habana, Cuba, Investigaciones hidrogeológicas en Cuba, 187-196.        [ Links ]

8) Garfias,J, Expósito,J y Llanos, H (2008). Delimitación de las zonas de protección mediante métodos analíticos y un modelo numérico de agua subterránea, acuífero Margarita, Cuba, Boletín Geológico y Minero, 119, (1), Madrid España, 7-20.        [ Links ]

9) Dixon, B (2009). A case study using support vector machines,network and logistic regression a GIS to identify wells contaminated with nitrate-N. Hidrogeology Journal, number 6, volume 16, Germany, 1507-1520.        [ Links ]