Diseño de software para la caracterización hidroquímica de acuíferos y otros cuerpos de agua Centro Nacional de Investigaciones Científicas (CNIC)

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1 E. Alvarez, J.R. Fagundo, I. Vinardell. "Diseño de software para la caracterización hidroquímica de acuíferos y otros cuerpos de agua" (MOD-02). En: Memorias del III Taller de la Cátedra de Medio Ambiente. La Habana pp., Diseño de software para la caracterización hidroquímica de acuíferos y otros cuerpos de agua Estrella Alvarez Varela, Juan. R. Fagundo Castillo, Iliana Vinardell Grandal Centro Nacional de Investigaciones Científicas (CNIC) Ave. 25 y 158, Cubanacán, Playa, C.Habana, P.O.Box 6990 RESUMEN Se presenta la generalización de un método de control de la calidad de las aguas basado en varios sistemas de programas que trabajan a partir de datos medidos in situ, así como la aplicación de estos sistemas al estudio de la evolución de la calidad de las aguas en diferentes medios. Los sistemas de programas SAMA, SAPHIQ, GEOQUIM, BATOMET y SIMUCIN han sido implementados sobre MS-DOS y Windows y permiten realizar el procesamiento de datos hidroquímicos e hidrológicos. INTRODUCCION El manejo y control de la calidad de las aguas es uno de los problemas asociados a la contaminación ambiental, que requiere de la utilización de métodos y técnicas de avanzada, que sean capaces de dar una respuesta rápida y eficaz sobre el estado de esos recursos, su posible uso, su evolución al cabo del tiempo, y que permitan tomar medidas para preservar su calidad y evitar su deterioro. Con el objetivo de conocer la calidad de los recursos hídricos y los cambios que experimentan los mismos como resultado de la actividad del hombre, muchos países, entre ellos el nuestro, cuenta con redes de estaciones de monitoreo donde, de manera continua, se registran las condiciones hidrometeorológicas y en forma sistemática se realizan análisis químico-físicos y bactereológicos de las aguas. Esta actividad genera un volumen de información cuyo procesamiento y uso adecuado es de valiosa importancia para la mejor administración y explotación de los recursos hidráulicos. (Fagundo et al, 1995) Para el procesamiento de los datos hidrológicos e hidroquímicos que se crean en las estaciones y redes de monitoreo, se pueden emplear paquetes de programas estadísticos de uso general y software específicos. Las determinaciones analíticas pueden garantizarse empleando equipos electrónicos que dispongan de electrodos selectivos y otros sensores tales como los de ph y conductividad eléctrica. Estos métodos automatizados también se utilizan en las plantas de tratamiento para controlar los indicadores de calidad. Los sistemas automatizados se emplean en el procesamiento de datos hidroquímicos e hidrológicos, y permiten la caracterización de los recursos hídricos en las cuencas y redes de control desde el punto de vista químico-físico. (Fagundo et al, 1992 a; Alvarez et al, 1993; Torres et al, 1992) Vinculacion con programas nacionales e internacionales Una de las aplicaciones previstas para el empleo de los sistemas automatizados de control de la calidad de las aguas, está relacionada con el Programa de los Cambios Globales que dirige el Ministerio de Ciencia, Tecnología y Medio Ambiente. En los acuíferos litorales se debe producir un aumento de la salinidad debido a la penetración marina, y como consecuencia de ello, el escurrimiento subterráneo en condiciones de mezcla debe incrementar la permeabilidad del acuífero, sufriendo la calidad del agua un mayor deterioro. Este proyecto permitirá simular

2 estos procesos, establecer sistemas de monitoreo en áreas experimentales, hacer pronósticos y tomar medidas. Mediante el mismo se podrá contribuir a solucionar problemas relacionados con el medio ambiente, especialmente en las regiones más vulnerables como los acuíferos cársicos; así como las regiones sometidas a la explotación minera y turística por empresas mixtas. En el marco internacional estos programas han sido utilizados para caracterizar los acuíferos cársicos litorales, como parte de un programa de colaboración iberoamericana en el que han participado el CNIC y las Universidades de Castellón, Huelva y Granada en España. Además algunos de estos sistemas han sido aplicados en la Universidad francesa de Bordeaux. (Hoffmann et Pellegrin, 1996) RESULTADOS Y DISCUSION Los sistemas de procesamiento de datos hidroquímicos e hidrológicos han sido implementados en MS-DOS y Windows, con ficheros de datos similares o transformables entre sí a través de los propios sistemas. SAPHIQ: Sistema Automatizado para el Procesamiento de datos hidroquímicos. Su objetivo (Alvarez y Fagundo, 1991) es procesar datos hidroquímicos con vistas a encontrar propiedades químico-físicas de las aguas que permitan su caracterización espacial desde el punto de vista hidroquímico; obtener relaciones o índices geoquímicos que faciliten la interpretación de los procesos de interacción de las aguas con el medio físico-geográfico y geológico por donde se mueven; obtener información de carácter hidrológico e hidrogeológico y por último, evaluar la variación temporal de diferentes variables, lo que brinda información, en forma indirecta, de las características del drenaje en la cuenca. A partir de los valores de los principales parámetros químico-físicos, expresa las concentraciones iónicas en diferentes unidades (meq/l, mg/l, % meq/l), calcula la dureza, la mineralización en diferentes expresiones, determinando en cada caso los principales estadígrafos de los datos. También determina la conductividad eléctrica teórica según los modelos de Dudley y Miller; relaciones iónicas de interés geoquímico; así como los índices de agresividad de las aguas sobre la base de los modelos de Tillman-Trombe (? ph, ph de saturación y CO 2 en equilibrio) y de Back y Cols. (fuerza iónica, relación de saturación de la Calcita (RSC), relación de saturación de la Dolomita (RSD), relación de saturación del yeso (RSY) y CO 2 en equilibrio). Permite además, la representación gráfica de temperatura, ph, CO 2, conductividad eléctrica (CE), mineralización (TSS,? C i,? m ), CaCO 2, RSC, RSD y RSY en función del tiempo y de la dureza. También se representan los valores de ph y dureza en el Diagrama de Tillman-Trombe modificado por Muxart. Las series cronológicas que se muestran en los gráficos pueden ser utilizados para evaluar tendencias y hacer pronósticos sobre la calidad de las aguas de los sitios estudiados. (Alvarez y Fagundo, 1991) GEOQUIM Sistema para el procesamiento de datos Geoquímicos y de calidad de aguas, que tiene como objetivo correlacionar los diferentes indicadores geoquímicos y de calidad de las aguas. (Vinardell et al, 1991) Calcula la matriz de correlación de todos los datos, la frecuencia de distribución y los principales estadígrafos de cada parámetro, así como las ecuaciones de correlación de cada pareja seleccionada. Permite encontrar relaciones recíprocas entre las variables que expresan las propiedades químico-físicas de las aguas (temperatura, ph, conductividad eléctrica, macro y microcomponentes, gases disueltos), así como otros indicadores de calidad de las mismas (turbiedad, color, oxígeno disuelto, demanda química de oxígeno y los componentes del ciclo de nitrógeno). También permite determinar la distribución de frecuencia de esas magnitudes, así como las ecuaciones de regresión correspondientes. El objetivo de este tratamiento estadístico es encontrar asociaciones entre variables que permitan inferir un origen común y el efecto de los diferentes factores que determinan las propiedades químico-físicas y la calidad de las aguas.

3 SAMA Sistema Automatizado para el Monitoreo de las aguas, determina ecuaciones de dependencia matemática entre la concentración iónica y la conductividad eléctrica según un modelo de regresión matemática de 1 ro a 5 to grado que pasa por el origen de coordenadas. Las ecuaciones de mejor ajuste pueden ser calculadas por tanteo o en forma automática sobre la base de la prueba de Fisher. Se calcula la composición química a partir de valores de conductividad, comparándose los resultados reales con los obtenidos por correlación matemática mediante un índice de similitud y diagramas hidroquímicos de Stiff. (Alvarez et al, 1990 a y b) Utilizando las ecuaciones determinadas por este sistema es posible controlar la composición química y la mineralización de dichas aguas mediante simples mediciones de conductividad eléctrica. BATOMET Sistema para el Control de las aguas afectadas por la intrusión salina mediante reconocimiento de patrones. Clasifica los datos sobre la base de una relación iónica seleccionada por el usuario, para ello utiliza técnicas de reconocimiento de patrones. Puede crear hasta 11 subficheros donde los datos corresponden a un mismo tipo de agua caracterizada por una relación estequeométrica similar entre sus iones. Luego calcula las correspondientes ecuaciones lineales de correlación. Para el control de la calidad se requiere la programación de los intervalos de conductividad en que cada pozo aprecia los diferentes patrones hidrogeoquímicos. Finalmente el sistema ofrece la posibilidad de estudiar cómo varía la salinidad en términos de concentración de cloruro, total de sólidos solubles y conductividad eléctrica en relación a la profundidad. Esto resulta muy útil para determinar el nivel estático y la profundidad a que se encuentra el agua dulce y el agua de mar; así como los indicadores de salinidad. (Vinardell et al, 1995) SIMUCIN Sistema automatizado para la Simulación de los procesos Cinéticos de disolución de minerales y para la simulación matemática,: ha sido diseñado para realizar los cálculos que requiere la cinética de los procesos de interacción agua-roca en experimentos de laboratorio, así como la simulación matemática de los mismos, relaciones matemáticas entre parámetros; valor de la constante de velocidad k y el exponente empírico n; determinación de la concentración de los iones involucrados en la reacción cinética y la conductividad eléctrica al cabo del tiempo según los modelos teóricos. Mediante varias opciones gráficas, el sistema representa la evolución temporal de la composición química de las aguas, la variación en el tiempo de la constante de velocidad y los resultados de la simulación matemática de los experimentos cinéticos. Utilizando este sistema se puede evaluar con rigor científico el papel del medio rocoso del acuífero en la calidad de las aguas. (Fagundo et al, 1992 b; Alvarez y Fagundo, 1995) En la figura 1 se muestra el comportamiento de la CE en un pozo de abasto a la población en la provincia de Pinar del Río durante el período En ese intervalo la CE varió entre 360 y 526?S/cm y su composición química relativa (patrón hidrogeoquímico) apenas varia. En la figura 2 se muestra el comportamiento de la CE en las aguas de un pozo destinado al riego agrícola, ubicado en una zona costera de la provincia de Pinar del Río, donde se aprecia una variación desde 549 a 1112?S/cm en el intervalo comprendido entre 1978 y 1988, fecha a partir de la cual se tomaron medidas para detener la tendencia ascendente en la salinización del acuífero. En la misma figura se muestran los patrones hidrogeoquímicos que reflejan el cambio de la calidad de las aguas en el período estudiado. CONCLUSIONES Estos sistemas ofrecen ventajas en la caracterización hidrogeoquímica de cuencas y redes de control de calidad. Permiten evaluar los diferentes tipos de aguas, su variación estacional en diferentes intervalos de

4 tiempo y su grado de agresividad y saturación respecto a los minerales constituyentes de las rocas por donde discurren dichas aguas. El sistema SAPHIQ permite hacer estudios hidrogeoquímicos, chequear la precisión de los datos, corregir valores defectuosos, obtener los estadígrafos más usuales de la estadística descriptiva. Permite hacer correlaciones gráficas en función del tiempo de muchas variables hidroquímicas, obteniéndose el coeficiente de variación de esas magnitudes, lo que permite interpretar el comportamiento de las aguas en relación a los efectos externos (régimen de lluvia, temperatura, etc.). El sistema GEOQUIM está orientado al procesamiento estadístico de datos hidroquímicos caracterizados por presentar un número apreciable de parámetros (macro y micro constituyentes así como índices de calidad). Una vez caracterizadas hidroquímicamente estas cuencas o redes, el empleo del SAMA brinda la posibilidad de controlar la calidad de esas aguas con simples mediciones de conductividad eléctrica, utilizando para ello relaciones de dependencia matemática entre esta magnitud y la concentración iónica. El sistema BATOMET se utiliza para caracterizar y controlar la calidad de las aguas cársicas litorales afectadas por la intrusión marina. Su empleo es de gran utilidad para determinar las propiedades geoquímicas de las aguas, interpretar su movimiento en el acuífero, reconocer sus patrones hidrogeoquímicos naturales y los cambios debido a la acción del hombre. Puede emplearse tanto para el control de la composición química de las aguas en condiciones dinámicas como estáticas. El sistema SIMUCIN es de gran utilidad para estudiar los procesos cinéticos de interacción aguaroca a escala de laboratorio, con el objetivo de simular los procesos naturales en cuencas subterráneas o redes hidrológicas. Los sistemas de programas constituyen una herramienta muy útil para la caracterización, monitoreo y control automatizado de la calidad de las aguas naturales y minerales. Son novedosos y eficientes, se basan en sólidos principios químico-físico e hidrogeológicos. Los resultados del trabajo en que han sido aplicados ha recibido una gran acogida en la comunidad científica nacional y extranjera, resolviendo problemas de carácter práctico. Su introducción en el país ha sido generalizada en el Instituto Nacional de Recursos Hidráulicos y ha comenzado a emplearse en el campo del Termalismo y la docencia y por especialistas de España y Francia. BIBLIOGRAFIA Alvarez E., Vinardell I., Fagundo J.R., Reguera E. y Cardoso M.E., (1990 a). Evolución química y relaciones empíricas en aguas naturales. II- Sistema Automatizado para el Monitoreo de las Aguas. Voluntad Hidráulica, 83: Alvarez E., Vinardell I., Fagundo J.R., Vega J. y Reguera E., (1990 b) Sistema automatizado de tratamiento de datos hidroquímicos para el chequeo de la calidad de las aguas. Estudios Geológicos (Madrid), 45 (5-6): Alvarez E. y Fagundo J.R., (1991). SAPHIQ, un sistema para el procesamiento automatizado de datos hidroquímicos. Revista CENIC Ciencias Químicas, Vol 22 (1): Alvarez E, I. Vinardell, J.R. Fagundo y J.E. Rodríguez., (1993). Sistemas para el procesamiento de datos hidroquímicos: SAPHIQ, GEOQUIM, SAMA y BATOMET. En: Cuencas Experimentales en el Karst. Ed. Univ. Jaume I, Castellón, España, Alvarez E. y Fagundo J.R. (1995). SIMUCIN: Sistema para el estudio cinético y la modelación de las reacciones de disolución de minerales. En: "El Karst y los acuíferos Kársticos, ejemplos y métodos de estudio". Ed. J. Fagundo, A. Pulido Bosch, J. Rodríguez, I. Morell (Univ. Granada):

5 Fagundo J.R., Alvarez E., Vinardell I. y Vega J. (1992 a). Control automatizado de la calidad de las aguas. Proceeding. del XXIII Congreso Interamericano de Ingeniería Sanitaria y Ambiental. C. Habana 1992, Parte I: Fagundo J.R., Alvarez E., Benítez G., Ferrera V., y Vega J. (1992 b). Simulación química y matemática de la disolución de rocas carbonatadas por las aguas naturales. Proceeding. del XXIII Congreso Interamericano de Ingeniería Sanitaria y Ambiental. C. Habana 1992, Parte I: Fagundo J.R., Ferrera V., Alvarez E., Vinardell I., Torres A. Y Alvarez J. (1995). Control automatizado de la calidad de las aguas mediante patrones hidrogeoquímico y mediciones de conductividad eléctrica en el ejemplo de la cuenca del Cauto. Proceeding del II Congreso de AIDIS de Norteamérica y el Caribe y IV Congreso de la Asociación de Ingeniería Sanitaria y Ambiental. Santiago de Cuba Tomo I, Hoffmann F. et J.C. Pellegrin. Travaux du Laboratoire de Geographie Physique Appliquée - Bordeaux, fév. 1996, no. 14, pp Torres A., J Gutiérrez, J. Alvarez y E. Hernández, (1992). Experiencias en la operación de la Red de Control de la Calidad de las Aguas. Proceeding del XXIII Congreso de Ingeniería Sanitaria y Ambiental, Cuba, 118 pp. Vinardell I., Alvarez E., Iturralde-Vinent M. y Fagundo J.R., (1991) Aplicación del sistema de programas GEOQUIM a la obtención de criterios para la prospección geoquímica. Revista CENIC Ciencias Químicas, Vol. 22 (1), Vinardell I., E. Alvarez y J.R. Fagundo, (1995). Sistema automatizado para el control de las aguas cársicas afectadas por la intrusión marina mediante reconocimiento de patrones, BATOMET. En: "El Karst y los acuíferos Kársticos, ejemplos y métodos de estudio". Ed. J. Fagundo, A. Pulido Bosch, J. Rodríguez, I. Morell (Univ.Granada):

6 Figura 1: Variación temporal de la conductividad eléctrica y patrón hidrogeoquímico correspondiente, en las aguas de un pozo de abasto a la población en la provincia de Pinar del Río.

7 Figura 2: Variación temporal de la conductividad eléctrica y patrón hidrogeoquímico correspondiente, en las aguas de un pozo utilizado para el regadío en la provincia de Pinar del Río.