CONTAMINACIÓN DEL AGUA SUBTERRÁNEA DEL ACUÍFERO DE HUAMANTLA POR NITRATO HIPÓLITO MUÑOZ NAVA

Transcripción

1 CONTAMINACIÓN DEL AGUA SUBTERRÁNEA DEL ACUÍFERO DE HUAMANTLA POR NITRATO HIPÓLITO MUÑOZ NAVA

2 CONTENIDO DE LA PRESENTACIÓN I. INTRODUCCIÓN II. ACUÍFERO DE HUAMANTLA III. CONDUCTIVIDAD HIDRÁULICA IV. PRUEBA EN COLUMNAS V. MODELO DE SIMULACIÓN VI. RESULTADOS VII. CONCLUSIÓN PARCIAL

3 I. INTRODUCCIÓN Población en el Valle de Huamantla Municipio Altzayanca Tequexquitla Cuapiaxtla Huamantla Ixtenco Grajales Zitlaltepec Total * 94244* La tasa de crecimiento poblacional municipal fue de 3.24% en el lapso de 2000 a 2005 y 1.88% de 2005 a El aumento de habitantes fue de 3394 por año de 2000 a Tabla y estimación elaborada con datos de INEGI

4 Producción agrícola en el Valle de Huamantla Ejemplo Municipio de Huamantla Durante el ciclo agrícola 2009 en el municipio se sembraron y en hectáreas. (COPLADET, Gobierno del Estado de Tlaxcala). INEGI (2013) Las superficies cultivas se fertilizan generalmente con fertilizantes químicos como urea, sulfato de amonio, nitrato de amonio, superfosfato de calcio triple.

5 En el Valle de Huamantla, la agricultura es de temporal y riego. De las hectáreas sembradas, en 2011, (78%) corresponden a temporal y has (22%) a riego (INEGI, 2013). Sin embargo, en estas últimas se practica una agricultura intensiva y tecnificada, con aplicación de cantidades de fertilizantes y agroquímicos.

6 Producción ganadera en el Valle de Huamantla Ejemplo Municipio de Huamantla, datos de 2011 (INEGI, 2014). En este municipio la producción ganadera fue de 6209 toneladas de carne en canal, de los cuales el 29% corresponde a bovino y 64% a porcino. Respecto a la producción de leche, se produjeron x10 7 litros de leche, de los cuales 96.1% corresponden a leche de bovino y 3.95 a leche de caprino.

7 Volumen concesionado de agua superficial y subterráneo en el acuífero HLOP El volumen total concesionado es de Hm3/año, de los cuales el 84.2% es de tipo subterráneo y el 15.8% es superficial SUPERFICAL 46.3 Hm3/año 15.8% PUBLICO URBANO 94.6% VOLUMEN SUPERFICIAL Otros 0.7% PECUARIO 0.2% DOMESTICO 0.1% SUBTERRANEO Hm3/año 84.2% AGRICOLA 4.8% MULTIPLE 0.4% AGRICOLA 85.02% VOLUMEN SUBTERRANEO PUBLICO URBANO 9.97% INDUSTRIAL 4.41% ACUACULTURA 0.00% PECUARIO 0.39% Otros 0.60% SERVICIOS 0.10% DOMESTICO 0.00% MULTIPLE 0.10% CONAGUA (2014) Comunicación personal.

8 Aprovechamientos titulados superficiales y subterráneos en el acuífero HLOP 1, , ACUACULTU RA APROVECHAMIENTOS SUPERFICIAL Y SUBTERRANEO AGRICOLA PUBLICO URBANO INDUSTRIA L PECUARIO SERVICIOS DOMESTIC O MULTIPLE SUBTERRANEO 1.0 1, SUPERFICIAL Existen en total 1,826 aprovechamientos titulados, de los cuales el 1,442 (79.0%) son subterráneos y 384 (21.0%) son superficiales. De los 1,442 aprovechamientos subterráneos, el 78.2% (1,128) son de uso agrícola. De los 384 aprovechamientos subterráneos, el 89.6% (344) son de uso público urbano. CONAGUA (2014) Comunicación personal.

9 Pozos de agua en el Valle de Huamantla En el Valle de Huamantla hay 218 pozos. Las profundidades van de 30 a 280 m. Con niveles estáticos de hasta 148 m. Pozo La Malinche Sierra de Tlaxco Elaborado con datos de CONAGAUA

10 Precipitación pluvial anual registradas, de 2000 a 2013, en el Observatorio Climatológico Tlaxcala. Con excepción del año 2011, el cual tuvo una ligera disminución, desde 2008 a 2013 se ha mantenido un aumento de la precipitación pluvial anual.

11 Clasificación de eventos pluviales, por lámina de agua, del Observatorio Climatológico Tlaxcala. La mayor parte de los eventos pluviales son menores de 5 mm. No hay relación, por lo menos lineal, entre el número de eventos pluviales y el total de la precipitación. En los años 2005 y 2009 ocurrió un evento mayor de 75 mm.

12 II. ACUÍFERO DE HUAMANTLA, TLAXCALA El Valle de Huamantla se encuentra conformado principalmente de material no diferenciado, principalmente de depósito aluvial. Este material es muy permeable. La posición de los niveles de agua subterránea responde a la época del año y al tipo de año, seco o lluvioso, por lo que el acuífero de Huamantla tiene un comportamiento típico de un acuífero libre. Castro-Govea y Siebe (2007)

13 Estratigrafía de La Malinche por el lado del Valle de Huamantla Castro-Govea y Siebe (2007)

14 LO QUE INTERESA SABER Con base en las condiciones del Valle de Huamantla descritas anteriormente, es interesante saber como se mueven el nitrato a través del suelo y de esta manera contribuir en el conocimiento de la contaminación del acuífero por este compuesto. Para lo cual es necesario cuantificar la conductividad hidráulica, saturada e insaturada del suelo, y la movilidad del nitrato en columnas de suelo inalterado.

15 LO QUE SE HIZO Conductividad hidráulica 1. Cuantificación de conductividad hidráulica saturada (Ks). 2. Textura, Densidad Aparente (Da), y Volumen Total de Poro (VTP). 3. Curva de retención de humedad Prueba en columnas 1. Extracción de núcleos de suelo inalterado. 2. Prueba en columnas 3. Modelo de simulación 4. Conductividad hidráulica insaturada o en función del contenido volumétrico (θ) de agua en el suelo K(θ).

16 III. CONDUCTIVIDAD HIDRÁULICA Conductividad hidráulica saturada (Ks) La cuantificación de conductividad hidráulica saturada (Ks) se realizó empleando un permeámetro de laboratorio de carga constante Eijkelkamp Agrisearch. Este equipo se basa en la ley de Darcy. Para ello se extrajeron muestras de suelo por triplicado en cilindros de 100 cm 3 a cada 5 cm de profundidad. Permeámetro de laboratorio de la marca Eijkelkamp Agrisearch.

17 Textura densidad aparente Densidad aparente (Da) Volumen total de poro Este método se basa en la dispersión de los agregados del suelo en unidades discretas por medios físicos y químicos y en la disminución de la densidad de la solución de acuerdo con la ley de Stockes. Se empleó una solución de hexametafosfato de sodio como defloculante y una batidora para dispersar los agregados. La Densidad aparente (Da) del suelo se cuantificó empleando el método del cilindro. El cual consiste en secar una muestra de suelo de volumen conocido (cilindro) a C. La Da es el cociente de la diferencia de peso y el volumen del cilindro. El volumen total de poro VTP se estimó a partir de la densidad aparente (Da) y de la densidad real (Dr) de las partículas. Se empleó para Dr un valor de 2.65 gcm -3, que es la densidad real del cuarzo, el cual por convención se toma como referencia para suelos volcánicos y en los cuales predomina este mineral. Los suelos del área de estudio son de origen volcánico.

18 Curva de retención de humedad Se extrajeron 142 muestras inalteradas de suelo, 53 de 0 a 40, 53 de 60 a 97 y 36 de 40 a 60 centímetros de profundidad del perfil del suelo. Se emplearon cilindros de acero inoxidable, de igual dimensión a los que se utilizaron para determinar Ks. Se emplearon platos de cerámica con presión de burbuja apropiada a la presión que se somete y ollas de presión 1500 y 1600 construidos por Soilmoisture Equip. Se aplicaron las siguientes presiones (h), 0.25 m de columna de agua (=0.024 bar), 0.6 (0.059), 1 (0.098), 3.4 (0.333), (1), (3), (5), (7), (10) y m (15). Las muestras permanecieron en las ollas de presión hasta que se alcanzó el equilibrio entre la carga h y el potencial matricial del suelo. El contenido volumétrico de agua remanente en el suelo (θ v ) después de la aplicación de la carga se calculó con la siguiente ecuación: θ v = (W w W d ) / (dv c ) Donde: W w = peso húmedo del suelo, W d = peso seco del suelo, d= densidad del agua, V c = volumen del cilindro.

19 Conductividad hidráulica insaturada o en función del contenido volumétrico (θ) de agua en el suelo K(θ). Se empleó el modelo paramétrico propuesto por van Gencuhten (1980) que relaciona θ y h. θ h = θ r + (θ s θ r ) αh m n m donde α, n y m son parámetros que dependen directamente de la forma de la curva θ(h) y m=1-1/n. Para estimar los parámetros θ s,θ r, α y n se utilizan los programas RETC v. 6.0 desarrollado por M.Th. van Genuchten, J. Simunek, F.J. Leij y M. Sejna (IGWMC 2000) y RosettaLite v Estos parámetros se emplean para estimar la conductividad hidráulica K en función del contenido volumétrico de agua en el suelo, mediante el siguiente modelo: K θ = K s Θ L 1 m m Θ donde L es un parámetro que toma en cuenta la tortuosidad y la conectividad de los poros. Y Θ es el grado de saturación: Θ = θ θ r θ s θ r El modelo de la conductividad hidráulica en función del contenido volumétrico de agua en el suelo se empleó en el modelo para simular el flujo de agua en columnas.

20 IV. PRUEBA EN COLUMNAS Se realizaron pruebas en columnas, para medir la lixiviación de nitrato a partir de fertilizantes, en suelo del Valle de Huamantla. Para ello, se extrajeron núcleos de suelo, se construyó un sistema para la aplicación de riego a las columnas y elaboró un modelo para el flujo de agua y la movilidad de nitrato. Extracción de núcleos de suelo La extracción se realizó hincando tubos de PVC calibre R25 (9 mm de espesor) de cm 3, Ø cm y 97 cm de alturacon una retroexcavadora. Los tubos se hincaron a presión constante sin golpear para que la estructura del suelo no se alterara por la fuerza aplicada.

21 Sistema para la aplicación de riego a las columnas

22 Riego Se aplicó una la lámina total de agua de 642 mm. Duración del experimento 189 días. La lámina total de agua se distribuyó en el tiempo de duración del experimento. Se aplicaron 44 riegos de 14.6 mm. El riego se aplicó a una intensidad controlada de 53 mmh -1 (1.472x10-3 cms -1, md -1 ).

23 Dispositivo para aplicar riego a intensidad controlada. 1= Agujas, 2= Depósito para riego, 3=Nivelador de altura de agua, 4=Bomba, 5= Depósito para reflujo.

24 Fertilización Dos columnas se les aplicó 1.67 g de urea (NH 4 ) 2 CO a cada una. A otras dos 3.67 g de sulfato de amonio (NH 4 ) 2 SO 4. Dos columnas se utilizaron como testigo. Aleatoriamente se distribuyeron los tratamientos de fertilización en las seis columnas. Muestreo del lixiviado El volumen de lixiviado se midió diariamente. Inmediatamente se media la concentración de nitrato. Los frascos receptores de lixiviado se protegieron de la luz solar.

25 V. MODELO DE SIMULACIÓN Para la simulación del flujo de agua en suelo insaturado se utilizaron El programa stella y el modelo K(θ)= Ks*Θ L *[1-(1-Θ 1/m ) m ] 2 CHIn La altura de la columna se dividió en tres capas, con base en los horizontes del suelo CA1,0-40cm CA2,40-60cm CA3,60-97cm

26 Conductividad hidráulica en condiciones saturadas Ks (cms -1 ) VI. RESULTADOS Conductividad hidráulica en condiciones saturadas K S Profundidad del perfil del suelo (cm)

27 Textura del suelo Profundidad (cm) Textura % Arena % Limo % Arcilla

28 Profundidad (cm) VTP (%) DA (gcm -3 ) Volumen total de poro VTP y Densidad aparente del perfil del suelo

29 Potencial matricial y contenido volumétrico de agua medidos en laboratorio Potencial matricial h (m) Contenido volumétrico de agua θ (m 3 m -3 ) 0 40 cm cm cm

30 Potencial matricial h (m) Curva de retención de agua del suelo Contenido volumétrico de agua θ (m 3 m -3 ) cm

31 Parámetros del modelo de Van Genuchten (1980) calculados con RETC y RosettaLite θ r (cm 3 cm -3 ) θ S (cm 3 cm -3 ) α(m -1 ) n m** l K S (cms -1 ) Parámetros de entrada calculados con RETC* Para las tres profundidades X10-4 Profundidad Parámetros de salida en RETC 0-40 cm X X X10-4 Parámetros de entrada en RosettaLite v.1.0 (1999) Arena (%) Limo(%) Arcilla(%) 0-40cm Parámetros de salida en RosettaLite v.1.0 (1999) θ r (cm 3 cm -3 ) θ S (cm 3 cm -3 ) α(m -1 ) n m** L K S (cms -1 ) 0-40cm X X X10-4

32 Contenido de agua observado y calculado, con RETC, en función del potencial matricial y sus coeficientes de determinación. Potencial matricial h(m) Contenido de agua θ (m 3 m -3 ) Obs. Cal. Obs. Cal. Obs. Cal R

33 log Potencial matricial(m) Curvas de retención observada(obs.) y estimada (vg) con el modelo RETC Contenido volumétrico de agua (m 3 m -3 ) 0-40vG 0-40Obs 40-60vG 0-40Obs 60-97vG 60-97Obs

34 Ecuaciones del tipo de Van Genuchten-Mualem para determinar K(θ) Para 0 40 cm θ K(θ) = *( Para cm θ K(θ) = *( Para cm θ K(θ) = *( ) 0.5 θ * [1 - (1- ( ) 0.5 θ * [1 - (1- ( ) 0.5 θ * [1 - (1- ( ) 5.9 ) ] ) 1.7 ) ] ) 2.7 ) ] 2 K S CHIn

35 log Conductividad hidráulica K (md -1 ) Función K(θ) determinada con el programa RETC Contenido volumétrico de agua (m 3 m -3 ) cm

36 Volumen Riego-Lixiviado(mL) Riego y lixiviado del experimento en columnas Tiempo(días) Riego Columna1 Columna2 Columna3 Columna5 Columna5 Columna6

37 NO3 - (mg ) Lixiviación de nitrato en las columnas Col1Testigo Col4Testigo Col2Urea Col3Urea Col5Sulf.Amonio Col6Sulf.Amonio

38 RESULTADOS FRACCIÓN DEL VOLUMEN DE RIEGO QUE SE LIXIVIÓ COLUMNA FRACCIÓN

39 Concentración de Nitrato (mg/l) DISTRIBUCIÓN DE CONCENTRACIÓN DE NITRATO EN EL EXPERIMENTO CON COLUMNAS Muestreo Lixiviado Col1Testigo Col4Testigo Col2Urea Col3Urea Col5Sulf.Amonio Col6Sulf.Amonio

40 Modelo de simulación para la lixiviación de nitrato en la columna de suelo del Valle de Huamantla.

41 Contenido volumétrico de agua CVA (cm 3 cm -3 ) Modelo de simulación Tiempo (días) CVA1 CVA2 CVA3 Contenido volumétrico de agua en las tres capas de suelo

42 Salida de agua S (ml) Tiempo(días) S1 S2 S3 Salida de agua de las tres capas de suelo

43 Volumen de lixiviado (ml) Tendencia del volumen de lixiviado del experimento y del modelo No. de muestreos Medido Simulado

44 Simulado con Stella (ml) Comparación del volumen de lixiviado, experimento vs modelo y = x R 2 = Medido en el experimento (ml)

45 Conclusión parcial Con base en el resultado que arrojó el modelo de simulación se comenta que: En el escenario de un incremento de 10% de precipitación pluvial, la lixiviación de nitrato aumentará 3.7%. En el escenario de una disminución de 10% precipitación pluvial, la lixiviación de nitrato disminuirá 6.7%.

46 Balance de agua en la zona vadosa del Valle de Huamantla para un año en particular. Retenido en el suelo 21% Evaporado 36% Infiltrado 43%

47 Cálculo de la disponibilidad media anual del Acuífero Huamantla, Tlaxcala. (Disponibilidad administrativa) Disponibilidad media anual de agua subterránea en una unidad hidrogeológica (DAS) = Recarga total media anual (R) - Descarga natural comprometid a (DNCOM) - Volumen concesionado de agua subterránea inscrito en el REPDA. 31 de marzo de 2009 (VCAS) Disponibilidad en el acuífero (m³) = 64,300,000-13,600,000 (*) - 53,401,466 = -2,701,466 Disponibilidad en el acuífero (m³) (DOF 28-ago-2009) = 98,300,000-20,500,000-51,701,298 = 26,098,702 Disponibilidad media anual de agua subterránea en una unidad hidrogeológica (DAS) = Recarga total media anual (R) (Disponibilidad técnica) - Descarga natural comprometid a (DNCOM) - Volumen anual real que se extrae de agua subterránea (VEXTET) VEXTET= 58.5 hm³/año Disponibilidad en el acuífero (m³) = 64,300,000-13,600,000 (*) - 99,100,000 = -48,400,000 (*) Para el cálculo de la disponibilidad, se considerará que de las Sh el 100% se considere comprometido para el acuífero Libres Oriental además de contemplar el volumen concesionado en manantiales.

48 GRACIAS