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Configuración de redes de control de calidad de aguas subterráneas

Sobre el blog

Federico J. García Mariana
Federico J. García Mariana es licenciado en CC Geológicas y funcionario del Estado. Jefe de Servicio de Hidrogeología de la Comisaría de Aguas de la CHS. Desde hace más de 30 años trabaja en temas de contaminación de aguas y ecosistemas fluviales.
  • Configuración redes control calidad aguas subterráneas

1. Definición de hidrosectores

La configuración o diseño de las redes de control de calidad de aguas subterráneas debe basarse, fundamentalmente, en un índice de densidad media óptimo de puntos de muestro por superficie de masa de agua subterránea (en adelante MASUBT). Por lo que, desde el punto de vista del Criterio de Experto y, a efectos de considerar un Índice medio de densidad su valor óptimo a considerar puede aceptarse, 1 punto por 50 km2. Basado a su vez en las Conclusiones de la Guía del CEDEX, “Trabajos para la Implementación de la DMA” Red de Calidad de Aguas Subterráneas – Criterios Generales de Diseño. (CEDEX- 2088)

De este modo, podemos definir un “Indice de Densidad de Estaciones Optima para muestreo" (“IDEOM””), pero analizando, a su vez, la relación posible que puede existir entre estos puntos de muestreo, que vamos a denominar “estaciones de control". Por otra parte, existe una diferencia entre “punto de muestreo” y "estación de control": aquella es el punto arbitrario donde puede realizarse un muestro de agua, en general, para obtener un análisis esporádico o discrecional en el tiempo, pero sin periodicidad programada. En cambio, el término “estación de control” o, simplemente "estación",  debe reservarse para los “puntos de muestreos periódicos” dentro de una programación de seguimiento.

Por ello, hablaremos de “estaciones” en sentido estricto, así como de asociaciones de estas estaciones interrelacionadas entre sí por una misma facies y  “cadencia analítica” dentro de una misma porción o sector de formación acuífera..

En consecuencia, a esas posibles asociaciones de estaciones con una misma cadencia analítica, conlleva a considerar  análisis equivalentes vinculados a un mismo  sector o unidad acuífera; como posibles datos de estaciones de control sustitutas históricas que determinan toda una serie de largo periodo, y es lo que vamos a denominar ESTACIONES SECTORIALES, vinculadas entre sí en una unidad de “hidrosector” de unos 50 km2 de referencia, donde vincular  estas  “SECTOSERIES”, a través de su elenco de indiferentes estaciones equivalentes históricas o “sectoriales” (“ES”).

En definitiva, “hidrosectores” de “porciones” de acuíferos teóricamente homogéneos de unos 50 km2 de celdilla en forma hexagonal , ya que las celdillas circulares establecen vértices sin definición de flujo, y para las posibles cuadradas o rectangulares no serían las mejores soluciones de representar un flujo regular interno a pequeña escala a través de una celdilla; por lo que se podría deducir el "Indice de Representatividad de un radio Óptimo"

Según::

Ro (óptimo) = 3,8 a 4,4 Kms (en base al apotema o al radio de un hexágono, respectivamente).

Y como corolario, deducir un Índice de la “Densidad de Estaciones Óptimas de Muestreo”, como:

IDEOM = 1 Estación sectorial / 50 km2 = 0,02 ES / km2

En el gráfico se muestra todos los parámetros de definición de estos hidrosectores hexágonos, de  50 km2.

Asimismo,  al hablar de un Índice de “Densidad de Estaciones Óptimas de Muestreo”, de la MASUBT, se puede considerar (a modo de síntesis y representación) el conjunto de dichas asociciones estaciones equivalentes o sectoriales (“ES”) ubicadas dentro del mismo sector de 50 km2 , como una sola estación teórica virtual de control en el centro del hidrosector , que denominaremos "Estación Sectorial Base”

Evidentemente, el concepto de estación sectorial base (“ESB”), se define a efectos de la definición del “Ro”, pero el número final de hidrosectores y de estaciones ”ES” por hidrosector, según el mismo argumento que lo desarrolla, vendrá en función de la heterogeneidad y/o anisotropía existente del acuífero ( al menos un hidrosector por acuífero), pero también, al menos 1 punto de muestreo por cada hidrosector definido dentro de la MASUBT ;  y no se debe contemplar si estos acuíferos son menores del 20% de la superficie de la MASUBT como “no representativo”, porque se puede producir entonces un sesgo importante en los Programas de Seguimiento de calidad de dicha MASUBT, así como en los algoritmos de evaluación de estado.

Y en consecuencia:

a) Por un lado se puede definir un índice para el Número Óptimo de Estaciones Extrínsecas (“NOEX”) , esto es: sin considerar las formaciones permeables o niveles acuíferos en la vertical del terreno de la MASUBT

NOEX = IDEOM x Superficie de la MASUBT

b) Por otro lado, se puede definir un índice para el "Número Óptimo de Estaciones Intrínsecas" (“NOIN”) , esto es: considerando las formaciones permeables o niveles acuíferos en la vertical del terreno de la MASUBT

NOIN = i = 1∑i =Tr (Talla o Numero Máximo de niveles acuíferos (i) x Area Acuifero (i) ) / 50 (redondeado al máximo entero)

Donde “Tr” es el Número Máximo de acuíferos que comprende la MASUBT (lo que se puede denominar “Tara”).

Y por otro lado, se pude definir la “Talla” como el número de niveles o formaciones captados dentro de un acuífero anisótropo.

Y en definitiva, puede deducirse que : NOEX = NOIN cuando se cumple que la Talla = 1 y la Tara =1 ; condiciones que pueden considerarse las estándar para el control de una MASUBT.

2. Frecuencia de muestreo de los programas de seguimiento. Redes de control

Para las frecuencias de muestreo de los programas de seguimiento , se debería considerar la frecuencia mínima TRIMESTRAL, considerando que se sujeta mejor a los posibles cambios en el régimen estacional del flujo hidrogeológico; tomando en consideración tanto la inercia hidrodinámica del agua subterránea como la rentabilidad y/o eficacia de la gestión estándar en el seguimiento periódico de los trabajos de muestreo y análisis. Es decir, en general, realizar menos de 4 análisis anuales podría suponer un sesgo de información de los registros de la calidad del agua como, por otra, realizar un número mayor de 4 muestreos anuales, podría aportar mucha más información que no compensara los costos de los trabajos.

Por todo ello, en principio, la frecuencia de los programas de seguimiento de las MASUBT deben basarse en las características intrínsecas de sus acuíferos (modelos DRASTIC, COP, etc), así como del mapeo piezométrico en que puedan definirse sus hidrosectores; pero también es necesario tener en cuenta el factor “permeabilidad” de la capa más superficial del suelo, entre otros factores posibles (grado relación rio-acuífero, etc…)

De este modo, el Criterio de Experto, una vez más, puede proponer las siguientes frecuencias de los programas de seguimiento en función de las redes de control estándar que se establecen en las MASUBT, según:

  • En general, en los Programas de Control Operativo se deben analizar los parámetros específicos para los que se dan los impactos; considerando así, incluso, a la red de Nitratos “neta” (Nitranet), ya que el nitrato se analiza en toda las redes como ión fundamental  por lo que se trata de una red o subred específica operativa,  con una programación y vinculación diferente. Y donde la frecuencia para los programas de muestreo de la red básica operativa debería ser cada 3 meses, en desfase trimestral con los programas de la Nitranet. Pero si se trata de redes aplicadas a MASUBT diferentes, ambos programas pueden ir en sintonía cada 3 meses.
  • No obstante, el Programa de Control Operativo debe centrarse sólo en las masas que se declaran en riesgo y/o en mal estado, y dentro de éstas, en referencia a sus baterías de muestreo, donde se debe diferenciar: a) las MASUBT que son afectadas de riesgo difuso exclusivamente (Red Nitranet: nitratos y/o plaguicidas); b) las MASUBT exclusivamente afectadas por riesgo difuso y/o puntual (Red Operativa SORDIP: COV´s y Metales peligrosos); y c) las MASUBT exclusivamente afectadas por riesgo de intrusión salina, incluidas las de tipo marino (Red Operativa SORI: cloruros y sulfatos).
  • La Red Nitranet, por tanto, aunque no deja de ser una red específica de la red operativa básica, se considera con una programación propia diferenciada, ya que algunas de sus estaciones no se ubican en MASUBT, sino en terrenos con formaciones semipermeables no integradas en aquellas, pero que presentan impactos de nitratos (zonas vulnerables no acuíferas).
  • Respecto a la Red de Vigilancia debe establecerse principalmente en las MASUBT o acuíferos sin riesgo químico, como mínimo con programas de muestreo de periodicidad anual; y con analíticas de parámetros básicos, porque es característico que un aumento en las concentraciones de nitrato, cloruro, sulfato, etc, (parámetros fundamentales o básicos), nos puede inducir que la unidad permeable  se está empezando a deteriorar, aunque no se realicen los otros tipos de análisis específicos; y porque la afección antrópica, por lo general, se inicia con estos parámetros fundamentales, salvo la excepción puntual de los casos de impacto local en las estaciones de abastecimiento público.
  • En referencia a la Red de control de abastecimiento de pre-potables, Como se ha comentado, al tratarse, por lo general, de captaciones con impactos puntuales se debe muestrear como mínimo semestralmente; y eludiendo los parámetros de tipo microbiológico (de control higiénico-sanitario), pues no son registros de aguas potables de abastecimiento en sentido estricto. Y se considera que son captaciones de impacto puntual, porque si fuera su impacto de tipo difuso o extendido a toda la masa, suponemos que dichas captaciones de abastecimiento público serían, por lo general, anuladas de dicho servicio y serían sustituidas por otras de otras masas de agua no afectadas.

Respecto a los parámetros muestreados del tipo “orgánicos”, se debe establecer un listado de los compuestos orgánicos bajo la definición estándar de “PLAGUICIDA”, para diferenciarlos del resto de los Compuestos Orgánicos Volátiles (COV´s), aunque muchos de ellos estén vinculados. En este caso los COV´s que fueren equivalentes a Plaguicidas, o sus componentes activos, deberían considerarse como estos últimos.

3. Características de los puntos de muestreo. Puntos significativos

Los muestreos de los Programas de Seguimiento deben contar con ciertos protocolos de diagnóstico para el reconocimiento de garantía de las tomas de muestras, y descartar los puntos de muestreo que no son representativos de un sector o de un acuífero concreto; por lo que se han de poner en conocimiento de las asistencias técnicas contratadas y en los protocolos de laboratorio; basado en : a) aspectos logísticos; y en: b) aspectos del carácter físico-químico:

A) Aspectos logísticos:

  • La toma de muestra se realizará SIEMPRE en el punto más cercano a la captación/surgencia de la estación de control.
  • Se EVITARÁN las estructuras o paredes rezumantes, que pudieran producir contaminaciones “colaterales” en el origen de las muestras.
  • En la toma de pozos, obligatoriamente se extraerá la muestra por bombeo de agua, con un MINIMO DE 5 a 10 MINUTOS DE BOMBEO PREVIO, para mitigar los efectos “colaterales” del almacenamiento del pozo.
  • Se EVITARÁN LAS AGUAS ESTANCADAS Y/O DE MEZCLA (incluida la lluvia), en todas sus modalidades.
  • Las muestras se extraerán SIEMPRE CON BOMBEO; sólo caso excepcionales cuando se busca un control de vertido puntual, podría ser eficaz el sistema de extracción con cazo o “bayler”. Pero no para el protocolo del seguimiento de control calidad de los acuíferos o masas de agua subterránea.

Inoperatividad de los sistemas de monitorización del control de calidad en sondeo

  Se puede demostrar que los sistemas instalados para la monitorización de la calidad de los acuíferos en sondeos, sin renovación de agua, y sobre la base del seguimiento del parámetro (p.ej.- ) conductividad, no sería suficiente, ya que este parámetro permanece bastante inalterable durante largos periodos de tiempo

Ello debido, en parte a la inercia del acuífero, y en parte al sistema conservativo del flujo hidrogeológico dentro de las tuberías de los pozos (prácticamente estático); si contar con las “contaminaciones” y reacciones electroquímicas propias dentro del agua estancada de los pozos que no son drenados, capaces de alterar sus concentraciones iónicas del nitrógeno, carbono, y calcio, fundamentalmente. En cambio, sí podría resultar eficaz la monitorización del control de calidad en manantiales.

B) Aspectos físico-químicos:

  • Las concentraciones de DQO resultantes de cada muestreo deberá estar por debajo del valor de 30 mg/l; en caso de valores superiores se analizará la concentración del resto de componentes amoniacales (sólidos en suspensión, amonio y nitrito, fundamentalmente).
  • Caracteres organolépticos: El agua de la muestra debe de ser de color claro, inodora, y sin aparentes sólidos en suspensión (“a visu”).

4. Concepto de estación sectorial base / sectoseries

Desde siempre (y hasta ahora), las estaciones de control periódico de calidad de aguas subterráneas se han basado en la concepción de ser puntos (en principio aleatorios)  de mediciones fijas desde el punto de vista espacial, y permanentes desde el punto de vista temporal. Sin reflexionar que el problema de la gestión de dichos trabajos de muestreos periódicos son muchas veces los casos reales tan alejados de las condiciones teóricas que pocas veces se podría tomar de base en modelos conceptuales de partida, pues se consideran de antemano a las estaciones como puntos "perpetuos" o "sempiternos" (según los sabios de la UE), que deben elegirse como inamovibles y no sujetos a factores logísticos o particulares (como el albedrío de los propietarios, las barreras accidentales infranqueables, las roturas o averías  de instalaciones, etc..). Por ello:

Se debe de replantear el problema de los muestreos periódicos del control de calidad de las aguas subterráneas desde el punto de vista de grupos o asociaciones de estaciones equivalentes para un sector acuífero de condiciones “quasi-homogéneas” o interpolables, con una misma "cadencia analítica"; que es lo que nos daría la definición de las estaciones sectoriales equivalentes y el de su representación  por la estación sectorial básica “ESB”

Estación sectorial base (“ESB”): Estación teórica o virtual, representante de la asociación de estaciones sectoriales equivalentes, centrada en el perímetro hexagonal de 50 kilómetros cuadrados, que ya denominábamos “hidrosector” con condiciones homogéneas desde el punto de vista de la calidad y de la piezometría regional (principalmente para las zonas de tránsito hidrogeológico). Considerando que en los sectores donde predomina la recarga o la descarga de flujo va a existir una mayor variabilidad de facies y una mayor variabilidad en los resultados de la acción antrópica a la calidad del agua subterránea.

Ya vimos que las dimensiones del hidrosector, fijada en 50 km2, procede del estándar fijado en la obra Guía del CEDEX, (obra ya citada), y por definición de las "ESB", se interpreta que las secuencias de series de datos periódicas obtenidas, ya no tienen por qué corresponder a datos de series aisladas de estaciones discrecionales con medidas de seguimiento sin vinculación, sino que dichas series podrían ser continuada a través de "solapamientos" o "encadenanamientos" series analíticas de cada una de las estaciones equivalentes, definibles y representativas dentro del mismo hidrosector de 50 km2 y en función del tiempo, para la obtención de las "sectoseries" (series solapadas y/o encadenadas).

Es decir:

Sectoserie: Serie de datos periódicos encadenados o solapados de control de calidad de aguas para un acuífero o nivel acuífero homogéneo e isótropo en el tiempo, asignada a un sector de forma hexagonal de 50 hm2, denominada hidrosector, y que puede ser asignada a una Estación Sectorial Base

La forma de hexágono de este hidrosector también es determinante, considerando que no se acepta la forma circular ya que esto induce espacios marginales donde queda excluido el flujo subterráneo dentro del entramado de los sectores (ver imagen 1); y por otra parte, aunque por lo general se ha considerado siempre retículas de cuadrados o paralelepípedos en os modelos, los flujos hidrogeológicos presentan muchas mayores indeterminaciones reales en los vértices si se modela a pequeña escala; sobre todo en los aspectos de la calidad del agua subterránea, donde existe una gran variabilidad del factor infiltración de contaminantes  en vertical .

5. Muestreos con superaciones de las estaciones afectadas

El concepto de “superación” de la Norma de Calidad de Aguas (NCA), se identifica con el mismo concepto de “impacto de concentración” para un parámetro químico determinado (que supera la concentración de las normas de calidad de aguas).

Para ello, en principio, también puede definirse un:

 “Índice General de Afecciones” (IGA), que representa el tanto por ciento del número de superaciones “S” que se producen en las muestras de agua de todas las estaciones afectadas (que presentan superaciones) de una MASUBT, respecto al número total de muestreos “N” realizados en todas esas estaciones para un periodo (t)

Es decir: % IGA = S / N(t)

Con el índice IGA, podemos tener una primera clasificación de las MASUBT (diagnóstico preliminar), en referencia a 3 categorías:

La importancia de este índice es que nos puede hacer deducir el diagnóstico preliminar de cada masa de agua subterránea de una demarcación, para aplicarle o no los diferentes algoritmos para la evaluación de “bueno o de mal “ estado; es decir, conocer los aspectos preliminares para aplicarle o no los tediosos tests de las guías oficiales, o los simples algoritmos estadísticos basados en el "Modelo de los 3 Niveles" ( ya publicado en IAGUA, por este mismo autor).

A modo de ejemplo, en la demarcación hidrográfica del Segura se obtiene los siguientes IGA para algunas de las MASUBT; cómputo basado en  aquellas estaciones afectadas que aparecen con superaciones de la concentración de nitrato (NCA > 50 mg/l)”, para el periodo de inspección 2005-2019.

Para este diagnóstico preliminar de las MASUBT que presentan estaciones con superaciones en sus muestreos para el periodo 2005-2019, se deduce que el índice IGA verifica un modelo que se amolda bien a lo que se ha reconocido hasta el momento en los respectivos Planes de cuenca de la demarcación hidrográfica del Segura, aplicado a aquellas masas de agua subterráneas consideradas como “de riesgo químico cualitativo”, es decir, aquellas que presentan de modo preliminar, un “mal estado“ (ininterrumpidamente) , o aquellas otras que están sólo “en riesgo” porque pueden variar de un año para otro su “mal estado”. Ejemplo de estas éstas últimas obtenemos en: Moratilla, Vega Alta, Terciario de Torrevieja y Mazarrón, precisamente porque son MASUBT más afectadas por el factor de riesgo de intrusión salina/marina que por nitratos.

Por otra parte, aquellas que reflejan el 100 % para una sola superación y para una sola muestra , se debe considerar dudosa su adjudicación al “mal estado”, pues deberán confirmarse posteriormente su verdadero estado por los algoritmos de evaluación.

Y por último, el índice IGA nos fija las MASUBT que, de antemano, establecemos o no para realizar la evaluación de estado de la manera metódica.