Hidrodinámica isotópica de los sistemas acuíferos Jaruco y ... - alhsud

Octubre del 2001INGENIERÍA HIDRÁULICA Y AMBIENTAL, VOL. XXIII, No. 2, 2002Hidrodinámica isotópica de los sistemasacuíferos Jaruco y Aguacate, CubaINTRODUCCIÓNEn Cuba, los acuíferos cársicos ocupan el 65 % delterritorio del país. 1,2 Estos constituyen, aproximadamente,el 85 % de los recursos totales en aguas subterráneas. 3,4Más de la mitad se destinan al abastecimiento poblacional,agrícola e industrial. Uno de los sistemas acuíferos másnotables, por razón del volumen de sus recursos, laimportancia del receptor de su explotación y lassingularidades de su régimen hidrodinámico es la cuencaJaruco-Aguacate, en el Occidente de Cuba (fig. 1). Granparte del abastecimiento urbano e industrial de la Ciudadde La Habana, capital del país, y casi todo el suministrode agua potable de la ciudad de Matanzas, capital de laprovincia de igual nombre, proviene de este sistemaacuífero. Vastas áreas agrícolas y no pocos complejosagroindustriales aprovechan estas aguas subterráneaspara el regadío o la emplean en su proceso industrial;poco más de una decena de poblaciones del territorio sesirven, exclusivamente, de estas fuentes.FIG. 1 Mapa de localización.Resumen / AbstractSe presentan los resultados de la aplicación de un modeloisotópico de las aguas subterráneas de los sistemasacuíferos Jaruco y Aguacate, Cuba. El mejor ajuste delmodelo de dispersión, validado con isótopos estables( 18 0 y 2 H) y radioactivos ( 3 H), mostró una estratificacióndel sistema acuífero en dos niveles básicos. Tales nivelesacuíferos presentan tiempos de renovación de las aguas detres meses para el superior, y de unos 100 años para elinferior. Este último constituye, mayoritariamente, el caudalbase de los manantiales de Ojo de Agua y Bello, y, por ellolos caudales de explotación en estiaje, de los acueductosde El Gato y Bello. Los resultados del modelo introducenuna restricción de consideración en la explotación de lasaguas subterráneas de ambos sistemas acuíferos.Palabras clave: acuíferos cársicos, tritio, oxígeno 18deuterio, modelación matemáticaAn isotopic dispersive model is applied to the Jaruco andAguacate karstic groundwater basins of Western Cuba. Thebest fit of the model was validated with stable ( 18 o and 2 H)and radioactive ( 3 H) isotopes. Modelling shwed an aquiferstratification in two basic levels with turnover times of threemonths to the upper level and close to 100 years to thelower level. The last one mainly supplies the baseflow of theOjo de Agua and Bello springs and therefore, controls thedry season exploitation yields of the aqueducts of El Gatoand Bello. Model results introduces an important constraintin the exploitation of groundwater resources of both aquifersystems.Key words: aquifer karstic, tritium, oxygen 18, deuterium,mathematical modelingL. F. Molerio León, Grupo de Aguas Terrestres, Instituto de Geofísica y Astronomía, Ministerio de Ciencia, Tecnología y MedioAmbiente, CITMA e-mail:lmolerio@hotmail.comP. Maloszewski, GSF, Institut fue Hydrologie, Munich, RFAM. G. Guerra Oliva, Grupo de Aguas Terrestres, Instituto de Geofísica y Astronomía, CITMAD. M. Arellano Acosta, Agencia de Medio Ambiente, CITMA, Ciudad de La Habana e-mail:marell@ama.cuK. del Rosario Rodríguez, Dirección Provincial de Recursos Hidráulicos, Matanzas3

Desde principios de la década de 1960, la llamadacuenca Jaruco-Aguacate-M 1 ha recibido una atenciónespecial por parte de las autoridades nacionalesencargadas del manejo de los recursos hidráulicos; sobretodo, desde que S. Gúneva, entre 1966 y 1967, realizarala primera evaluación de sus recursos de agua subterránea.4,5 Hasta la fecha se han realizado no pocosestudios locales y algunas evaluaciones regionales. 4-20 Elsistema acuífero, cuyo eje principal se orienta de Este aOeste, está constituido por dos unidades hidrogeológicasbien definidas. La occidental, Jaruco, es un típico poljecársico con un área cercana a los 300 km² cuya zona dedescarga natural, los manantiales Ojo de Agua seencuentran entre las cotas +70 y +60; el caudal basepromedio es de unos 3,9 m 3 /s. La parte oriental, Aguacate(que incluye la denominada cuenca M 1), es un vallefluviocársico decapitado de unos 400 km² de superficiecuya zona de descarga natural la constituye un conjuntode surgencias de flujo difuso que descargan entre cotas+30 y +10, al este del territorio, con un caudal base promediode 3 m 3 /s.El principal problema hidrogeológico del sistema se pusode manifiesto a principios de los años 70, cuando las aguasde los manantiales Bello, al este del sistema, aparecieroncontaminados por residuales azucareros vertidos en unacaverna unos 20 km al oeste. Como quiera que elvertimiento se producía desde principios de este siglo sinafectaciones trascendentales para las aguas subterráneas,y la divisoria subterránea entre los sistemas Jaruco yAguacate-M 1 se situaba al este del punto de vertimiento,el inesperado resultado elevó a un primer plano lanecesidad de definir, con la mayor precisión, la posiciónde la divisoria hidrogeológica entre ambos sistemas y elrégimen hidrodinámico del acuífero en su conjunto. Lasolución del problema se requería con mayor premura porcuanto el macizo occidental, la cuenca Jaruco,incrementaría la explotación de las aguas subterráneasen 100 millones de metros cúbicos con la construcción,en 1987, del Acueducto El Gato. El sector oriental, lacuenca Aguacate-M 1 también preveía la duplicación desu explotación. Los estudios realizados, 9,11,15-20 lograronprecisar la zona de la divisoria, pero las técnicas empleadasofrecían no pocas limitaciones para definir algunosindicadores hidrodinámicos del acuífero como losparámetros de dispersión, la posición de las zonas dealimentación, la distribución de los sistemas locales eintermedios de flujo, el tiempo de renovación de las aguasy las relaciones hidrodinámicas y geoquímicas agua-roca.En 1989, el Organismo Internacional de EnergíaAtómica, a través del Programa de Arreglos Cooperativospara la Promoción de la Ciencia y la Tecnología Nuclearesen América Latina, ARCAL XIII, patrocinó un conjunto deinvestigaciones de hidrología isotópica destinadas a laaclaración de un conjunto de aspectos básicos de ladinámica del flujo regional.Este trabajo presenta los resultados de la modelaciónmatemática del tritio, destinada a obtener los tiempos deresidencia de las aguas subterráneas y las tasas deinfiltración a fin de precisar el balance hídrico del sistemamediante técnicas isotópicas.HIDRODINÁMICA ISOTÓPICACon la información disponible de la Red de MonitoreoIsotópica diseñada especialmente para este estudio, seelaboró un modelo conceptual de la hidrodinámicaisotópica ambiental de las aguas subterráneas. Lafundamentación matemática ha sido presentada por unode los autores, 21-28 en tanto el modelo conceptual partede asumir todo el sistema como un medio de dobleporosidad donde el agua móvil del acuífero se encuentraen las grietas y la componente inmóvil en la matrizmicroporosa, estimada en un 40 %. La porosidad degrietas, considerada en este caso como porosidad efectiva,se desconoce con precisión y fue estimada en un 5 %para la construcción del modelo. Este valor es más altoque el encontrado en la zona no saturada. Lascaracterísticas de la zona de descarga natural impidieron,en ambos sistemas acuíferos, colectar muestras de losmanantiales cársicos. Por tal motivo, el desarrollo delmodelo conceptual y la aplicación de la simulaciónmatemática fueron solamente posibles a partir deinformación isotópica ambiental derivada del bombeo enlos campos de pozos de El Gato y Bello.Oxígeno-18 y DeuterioDurante 1990, los valores de 18 O y 2 H medidos en ElGato y Bello mostraron el mismo valor medio, -3,18 %para el δ 18 O outy -18,5 % para el δ 2 H out. Las variacionesestacionales resultaron muy pequeñas. El ingreso medioponderado anual de isótopos estables en las aguas delluvia resultó δ 18 O in = -2,74 % y δ 2 Hin = -16,2 %, conamplitudes respectivas de 1,4 % y 19,5 % para el oxígeno-18 y el deuterio. En los meses de verano la concentraciónmedia ponderada de Deuterio es de δ 2 Hs = -20,4 % (mayoa octubre) y en invierno δ 2 Hw = -5,7 % (noviembre a abril).Del mismo modo, la relación entre las cantidades de lluviaen invierno y verano para 1990 es de 5,5:1, en tanto paratodo el período 1989-1991 es de 4:1. La simplecomparación en el contenido de deuterio en los puntos dedescarga, con las medias ponderadas de todo el añomuestra una fuerte influencia de los meses de verano,donde la tasa de infiltración es mayor que 1. Laconcentración en isótopos estables permite estimar la tasade infiltración a de manera que:α = αw/αs, donde, αw = Iw/Pw y αs = Is/Ps:siendo Iw e Is la infiltración media en invierno (w) y verano(s) y αw y αs, las tasas de infiltración para tales períodos.4

A partir de los datos isotópicos, la tasa de infiltración αse calcula según la expresión:α = Pw/Ps = (δ 2 Hw - δ 2 Hout)/(δ 2 Hout -δ 2 Hs) que, para 1990,equivale a 1,25.TritioLas figuras 2 y 3 muestran la concentración de tritiomedida en las aguas de lluvia y subterráneas, para elperíodo 1989-1991 que, como se observa, exhiben clarasdiferencias entre los períodos de invierno y verano. Eninvierno, la concentración media de 3H resulta muy baja,alrededor de 1 UT; en tanto, durante el verano, seincrementa rápidamente, aunque con un retardo entre unoy tres meses (compárense las figuras 2 y 3).Este análisis cualitativo constituyó la base paraasumir que el acuífero consiste de dos capas diferentes;la más profunda, caracterizada por un largo tiempo detránsito y, la superior, con un tiempo muy breve. Durantela época de seca (invierno), solamente se drenan lasaguas del nivel inferior mientras que, en el verano (épocade lluvias) se bombean las aguas mezcladas de lacomponente antigua del nivel inferior y las másrecientes del horizonte superior. Asumiendo que lacomponente más reciente posee una concentración detritio de aguas recién infiltradas, es posible calcular laparte de componente antigua en el volumen que sedescarga del macizo durante el período lluvioso. Loscálculos se realizaron para las tres estaciones húmedasdel período 1989-1991.FIG. 3 Concentración de Tritio en las aguas de lluvia y subterráneasde la cuenca Aguacate.La concentración de tritio en las aguas de infiltraciónpara cada estación húmeda fue tomada como equivalentea la concentración media ponderada de 3 H en la lluvia. Lacomponente antigua se toma con una concentraciónaproximadamente constante durante los últimos años. Deeste modo, asumiendo un modelo de mezcla simple paracada pozo de bombeo, se obtiene que:[( Cout ) s −(Cin)s] /[(Cold ) − ( Cin s]p =)FIG. 2 Concentración de Tritio en las aguas de lluviay subterráneas de la cuenca Jaruco.donde:p: Proporción de componente antigua en el pozo debombeo durante los meses de verano.Cold y (Cout)s: Concentraciones medias de tritio eninvierno y en verano, respectivamente.(Cin)s: Concentración media ponderada de tritio en lasaguas de lluvia durante el verano.En la tabla 1 se muestran los resultados de loscálculos para ambas estaciones de bombeo, Jaruco yAguacate -M1:De igual forma, en la tabla 2, se presentan losvolúmenes medios anuales de cada horizonteacuífero, que fueron bombeados durante el períodode estudio.5

Tabla 1Proporción de componente antigua en las aguassubterráneas durante la estación húmedaAño(Cout )sUTParte occidental (Jaruco)(Cin)sUT(Cold )UTp (%)p media(%)1989 5,33 5,9 1,2 17 341990 2,3 3,68 1,2 551991 3,2 4,17 1,2 32Año(Cout )s(UT)Parte oriental (Aguacate-M1)(Cin )s(UT)(Cold )(UT)p(%)p media(%)1989 3,9 5,9 0,75 39 401990 5,2 7,25 0,8 321991 3,12 8,22 0,82 59Tabla 2Volúmenes bombeados en cada horizonte acuíferoasumiendo caudal constante de extracción (m 3 /s)Año Parte occidental Parte orientalHorizontesuperiorHorizonteinferiorHorizontesuperiorHorizonteinferior1998 0,46 2,24 0,78 1,221990 1,49 1,22 0,64 1,361991 0,86 1,84 1,18 0,82de ajuste: el tiempo medio de tránsito del agua o deltrazador en dependencia del tipo de acuífero que seconsidere.En los acuíferos agrietados, parte del agua seconcentra inmóvil en la matriz microporosa y seconsidera estática, mientras que otra parte fluyedirectamente por las grietas (agua móvil). El trazadorse difunde entre las dos fases, la móvil y la estática,lo que provoca un cierto retardo en el transporte deltrazador en comparación con el flujo en el agua móvil.Una vez que el trazador dispone de tiempo suficientepara penetrar toda la matriz microporosa, el transportepuede considerarse similar al que ocurre en un medioporoso (utilizando modelos de caja negra). No obstante,en tal caso, el modelo matemático suministra el tiempode tránsito del trazador; este es Rp veces mayor queel tiempo medio de tránsito del agua tw. El parámetrott equivale a la relación entre el volumen total de aguaen el sistema V, y la tasa de flujo volumétrico Q, através del sistema. El volumen de agua móvil (V m),igual a la relación V/Rp, requiere del conocimiento delfactor de retardo Rp que, a su vez, representa larelación entre la porosidad total nt, y la porosidad defisuras, nf. En el área considerada para el modelo,ambas porosidades se asumieron, respectivamente, del40 y el 5 %, lo que resulta en un valor Rp = 8.Al aplicar el modelo de dispersión (DM ) se requiere deun parámetro adicional de ajuste; este es el llamadoparámetro de dispersión (D/vx)*. En sistemas de dobleporosidad, del tipo grieta-poro, el parámetro (D/vx) describela variación de los tiempos de tránsito del trazador a travésde las grietas y resulta de la dispersión en las fisuras(o su distribución) y de la difusión entre el agua móvil y laestática. En el sistema Jaruco-Aguacate se aplicó elmodelo de dispersión (DM ) para determinar los tiemposde tránsito del tritio a través del acuífero. En condicionesde régimen permanente, la relación entre lasconcentraciones de entrada, Cin(t) y salida Cout(t) deltrazador en el sistema hidrogeológico, se describenmediante la integral de convolución:MODELACIÓN MATEMÁTICA:FUNDAMENTACIÓN Y RESULTADOSPara la interpretación de los datos de isótoposambientales se emplean modelos de caja negra o del tipode parámetros aglutinados. Todos ellos se basan en laforma que se asume para la función de distribución deltiempo de tránsito, que es la función de ponderación. Talfunción describe el tiempo de tránsito del trazador entre laentrada y la salida del sistema. En la mayor parte de loscasos se emplea el modelo de dispersión (DM) o elexponencial (EM) y ambas poseen el mismo parámetroCout ( t)=∫Cin(t − τ)g(τ)exp(−λt) d...(1)en la que:Cin: Constante de decaimiento radioactivo para el tritio(cero para isótopos estables).g(τ): Función de ponderación que, en el modelo dedispersión, se define como:{ Pd / 4 π/tt} 0.5exp[ − Pd(1−τ / tt )2 /(4τ/ ] τg(τ ) =tt /...(2)6

horizontes acuíferos, las descargas conocidas y lassuposiciones acerca de las porosidades y espesor delhorizonte inferior. Adicionalmente se asume que eltiempo medio de tránsito del agua a través del horizontesuperior es de unos tres meses. Este valor se toma apartir del retardo en el incremento de la concentraciónde tritio en las aguas bombeadas en Bello y El Gato,luego del inicio de la temporada húmeda. Suponiendopara Bello la misma relación entre las componentestomadas de ambos horizontes acuíferos que fueradeducida para la parte occidental (Jaruco), puedenestimarse las tasas de flujo volumétrico. El volumende agua móvil es el mismo, para el horizonte inferior,que en condiciones de régimen permanente y, tomandotw = 3 meses para el horizonte superior, el volumen deagua móvil en él Vm = I . S . tw = 53 . 106 m 3 y lapotencia actual, de 1,5 m. Del mismo modo, conociendolas tasas de flujo y los volúmenes en el horizonteinferior, fueron estimados los tiempos actuales detránsito del agua y el trazador a través de ese horizonte.La composición isotópica estable de las aguassubterráneas en diferentes puntos del sistema acuífero ydistinta época del año muestran, indirectamente, lapresencia de aguas que pueden interpretarse como dediferentes horizontes acuíferos, de acuerdo con losresultados del modelo. Así, por ejemplo, los pozosmuestreados en el sistema durante la época de lluvias(fig. 5) se ajustan sobre, o muy cerca de las rectasmeteóricas (K4, GAT9, Mudo, K5, HMA-120, K1, K18,K27, El Coronel), mientras que, durante el período secose ajustan a una recta de mayor pendiente. Tal es el caso,Fig. 5 Recta meteórica local.por ejemplo, del LSC 1, Bello, Nudo, Catalina, Ojo de Agua,K23, K24) y resulta significativo que las muestras de Bello,Catalina y Ojo de Agua corresponden a puntos en, o muycerca de la zona de descarga. En este caso pudierapensarse, incluso, en cierto intercambio con el macizocarbonatado promovido por un mayor tiempo de tránsitode las aguas en el sistema. 29CONCLUSIONESEl balance de masas mostró que el acuífero seencuentra sobreexplotado con un déficit volumétrico de1,5 m 3 /s, lo que corresponde a un déficit de la lámina deinfiltración de 70 mm/a. La porosidad de fisuras asumida(5 %) representa un descenso del nivel de las aguassubterráneas de 1,4 m/a, bajo el supuesto caso que latasa de infiltración permaneciese constante. No obstante,en 1992, la lámina de lluvia resultó casi un 33 % menor y,en consecuencia, también disminuyó la tasa de infiltración.La diferencia entre el espesor saturado del acuífero encondiciones de régimen permanente y el estado actual esde unos 8,1 m, y se corresponde con un período de cincoaños de déficit de agua, tomando en consideración elpropio déficit de 1992. Ello muestra, claramente, que elbalance del sistema fue completamente alterado porel campo de pozos de El Gato. Desde el inicio de lasoperaciones de ese sistema de bombeo, el nivel de lasaguas subterráneas ha decrecido unos 10 m, lo que estáen conformidad con los resultados de la aplicación conjuntadel modelo matemático y las investigaciones hidrológicas.REFERENCIAS1. MOLERIO LEÓN, LESLIE F.: "Fundamentos del mapahidrogeológico de Cuba", Voluntad Hidráulica(47-48):50-54, 1978.2. ______ : Esquema geoespeleológico preliminar de Cuba,Simp. XXXV Aniversario Sociedad Espeleológica deCuba, Ciudad de La Habana, 1975.3. DORTICÓS, PEDRO L.: "Aprovechamiento de losrecursos hidráulicos",Voluntad Hidráulica, Vol. XIX,Número Especial, pp. 6-19,Ciudad de La Habana, 1982.4. GENORGUIEV, M.: El aprovechamiento de las aguassubterráneas en Cuba, Conferencias, p. 35, Institutode Hidroeconomía, Ciudad de La Habana, 1980.5. GÚNEVA, T.: Estudio hidrogeológico de la cuencaJaruco-Aguacate, Habana, Archivo, Instituto Nacionalde Recursos Hidráulicos, La Habana,1967.6. ______: Estudio hidrogeológico de los manantiales Bello,p. 110, 1967.7. MOLERIO LEÓN, LESLIE F.: Notas sobre el desarrollodel carso en el área de embalse de la presa Pedroso,p. 40, Archivo, Instituto Nacional de RecursosHidraúlicos, La Habana, 1970.8