ARTÍCULOS ORIGINALES
Determinación de parámetros hidráulicos en columnas experimentales de suelos del sudeste de la provincia de Buenos Aires
Determination of hydraulic parameters in experimental soil columns from the southeast of Buenos Aires province
Sebastián I. Grondona 1, 2, 3, Daniel E. Martínez 1, 2, Miguel Benavente 4, Mariana Gonzalez 2, 3, Héctor E. Massone 1, Karina S. B. Miglioranza 2, 3
1 Instituto de Geología de Costas y del Cuaternario. Universidad Nacional de Mar del Plata (UNMdP).
Funes 3350 Nivel 1. (7600) Mar del Plata. Argentina. sgrondona@mdp.edu.ar
2 Instituto de Investigaciones Marinas y Costeras (CONICET).
3 Laboratorio de Ecotoxicología. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad Nacional de
Mar del Plata (UNMdP).
4 Dpto de Matemática (UNMdP).
Originales: Recepción: 22/06/2012 - Aceptación: 05/07/2013
Resumen
La cuenca del Río Quequén Grande constituye una región representativa de los sistemas agrícolas pampeanos. El acuífero en esta región es la principal fuente de abastecimiento de agua para todos los usos, lo que pone de manifiesto la importancia de desarrollar los elementos necesarios para el estudio de la movilidad de los contaminantes a través de los suelos hacia la zona saturada. El objetivo del presente trabajo fue obtener parámetros hidráulicos bajo condiciones de saturación en columnas intactas de distintos tipos de suelos de la región, contemplando suelos de uso agrícola y natural. Se estudiaron dos series de suelo: Serie Azul y Serie Semillero Buck, con muestras tomadas en dos sectores próximos a las localidades de Lobería y La Dulce, respectivamente. Las columnas fueron eluidas con una solución acuosa de iones cloruro y se midió el incremento progresivo de conductividad. A partir de las curvas de arribo obtenidas, se ajustó la ecuación de transporte, obteniendo los valores de dispersividad y porosidad. Dichos parámetros no presentaron diferencias significativas según el uso para los suelos de Lobería, de textura franco arcillosa, indicando que la labranza no produciría modificaciones evidentes en el perfil del suelo. En La Dulce, donde los suelos poseen una textura más arenosa, los parámetros variaron según el uso del suelo, presentando una mayor dispersividad y menor porosidad del suelo bajo explotación agrícola extensiva.
Palabras clave: Cuenca; Acuífero; Dispersividad; Contaminación
Abstract
The Quequén Grande river basin is representative of the farming systems from the Pampas region. The aquifer is the main source of water supply for all uses, which highlights the importance to study the mobility of contaminants through the soil to the saturated zone. The aim of this study was to obtain hydraulic parameters of different soil types in the region according to land use (agricultural and natural) under saturated conditions. Two study areas were selected close to the cities La Dulce (Azul Series Soil) and Lobería (Semillero Buck Series Soil), as representatives of the dominant soil types in this area. The columns were eluted with an aqueous solution containing chloride ions and the progressive increase was measured at the end of the column. From the experimental data the breakthrough curve was adjusted using MATLAB software while dispersivity and porosity values were determined from modeled data. These parameters did not differ significantly in Lobería, so it is assumed that tillage does not produce significant changes in the soil profile. Conversely, in La Dulce land use affects the hydraulic properties of the soil leading to lower porosity and higher dispersivity values in soils under tillage use.
Keywords: Basin; Aquifer; Dispersivity; Contamination
Introducción
En zonas agrícolas la contaminación de tipo difusa por el uso de plaguicidas hacia
cursos de agua superficiales o hacia acuíferos es una de las problemáticas ambientales
que despierta mayor preocupación. Este tipo de contaminación, a diferencia de la de
tipo puntual (2), se define como la introducción de contaminantes por vías no puntuales
y a través de grandes extensiones de superficie. Cuando se origina desde suelos en
zonas agrícolas, es generalmente del tipo intermitente, ya que está relacionada con
actividades estacionales propias de esta actividad, como la época de aplicación de
plaguicidas (9). Es importante conocer la movilidad y distribución de estos compuestos
cuando son aplicados en el suelo para determinar la posibilidad de contaminación de
aguas subterráneas y superficiales (41).
La zona no saturada es considerada de gran importancia al momento de evaluar
la vulnerabilidad de un acuífero (39). Los plaguicidas en su circulación a través de
esta zona pueden sufrir transformaciones físicas, químicas y biológicas. Debido a
estos procesos, el movimiento de estos compuestos es significativamente más lento
que la percolación del agua, por lo que el tiempo de permanencia en el suelo es
generalmente mayor. Este fenómeno asegura la disponibilidad del plaguicida para
ejercer su efecto, aumenta el tiempo de contacto con componentes de la zona no
saturada favoreciendo su degradación y retardando su movilidad. Así, finalmente se
minimiza el riesgo de contaminación del acuífero (15).
Sin embargo, los suelos pueden estar ocasionalmente sujetos a condiciones de
saturación, ya sea en condiciones de lluvias excesivas o áreas bajo riego. En estas
condiciones muchos de los procesos de atenuación se reducen y la percolación
vertical es mayor. Estudios realizados en una cuenca cercana demostraron que la
movilidad de los nitratos hacia la zona saturada se produce casi exclusivamente en
parcelas irrigadas (10).
El transporte de solutos en un medio saturado depende fundamentalmente de
los fenómenos de advección y dispersión. La dispersión es un proceso que distribuye
los contaminantes más allá del área que abarcarían solamente por cuenta de la advección, por lo que este parámetro será el que incide en cuán lejos puede esparcirse
un contaminante con respecto a la fuente de origen. Este fenómeno es producido por
la tortuosidad del medio, que provoca mezcla y transporte del químico desde zonas
de alta concentración a zonas de menor concentración (27).
En una dimensión, el coeficiente de dispersión D puede ser determinado como
El agua puede moverse libremente alrededor de las partículas del suelo, por lo que pueden definirse dos tipos de dispersión: longitudinal (Dl), que se produce a lo largo de las líneas de flujo, y transversal (Dt), causada por el paso hacia líneas de flujo adyacentes como consecuencia de difusión. El modelo más común para describir estos fenómenos es la ecuación de advección-dispersión (13):
De la ecuación [2] de desprende la importancia de conocer la dispersividad para
la modelación del transporte de solutos en condiciones saturadas. Los métodos
empleados para la determinación de la dispersividad varían desde modelos
matemáticos hasta métodos experimentales, a nivel de campo y de laboratorio. La
determinación experimental ha sido estudiada por Batta y Murty (5); Robbins (32) y
Pisani & Tosi (30) entre otros.
La cuenca del Río Quequén Grande es una de las más extensas de la provincia
de Buenos Aires, ubicándose dentro de la llanura pampeana, en la cual la agricultura
extensiva es la actividad predominante. En las últimas décadas, favorecido por
condiciones económico-políticas, se ha producido un importante aumento del área
cultivada, especialmente la dedicada a la soja, y con ello se incrementó el uso del
plaguicida endosulfán y de los piretroides (21).
Por sus características físico-químicas, especialmente baja solubilidad en agua
y alta tasa de adsorción en suelos, es esperable que estos compuestos no afecten la
calidad del agua subterránea y superficial; sin embargo, estudios realizados en esta
zona han detectado la presencia de los mismos en esta matriz (17, 25).
El principal acuífero en esta región está compuesto por sedimentos limo-arcillosos y
limo-arenosos y constituye la única fuente de abastecimiento para todos los usos (8), lo que
pone de manifiesto la necesidad de preservar la calidad del agua subterránea y con ello
desarrollar los elementos necesarios para el estudio de la movilidad de los contaminantes a
través de los suelos hacia la zona saturada. Considerando los riesgos ambientales asociados
al incremento de las zonas agrícolas y al uso intensivo de agroquímicos, caracterizar las
propiedades de los suelos, los mecanismos de transporte y las vías de exposición, constituye
una buena herramienta para la adecuada gestión del uso del suelo y del agua (19).
Objetivo
• Obtener parámetros hidráulicos de distintos tipos de suelos presentes en la cuenca del Río Quequén Grande en condiciones saturadas y determinar el efecto de la labranza sobre los mismos. No se conocen antecedentes de determinación de dispersividad en estos suelos, si bien se han realizado ensayos sobre el material parental del suelo, el loess pampeano, en la zona de Mar del Pata (24).
Zona de estudio
La cuenca del Río Quequén Grande ocupa un área de aproximadamente 9.990 km2 y se ubica entre las sierras de Tandilia (36) y Ventania (22). El relleno se conforma por
sedimentos cenozoicos, principalmente arenosos y limosos de origen fluvio-eólico, que
constituyen un acuífero multicapa no confinado conocido como Pampeano. Este es el
más importante y el más explotado en el sudeste de la provincia de Buenos Aires, con un
espesor que puede llegar a 290 m, determinado a partir de perforaciones en las que se
detectó el basamento hidrogeológico de esta cuenca (22). La composición mineralógica
del acuífero es mayoritariamente cuarzo, plagioclasas, feldespato potásico y cantidades
variables de sílice amorfa en la forma de vidrio volcánico (35). La recarga proviene de los
excesos de precipitación por infiltración, del orden de los 150 mm/año en promedio (31) y la descarga es principalmente hacia cursos de agua superficiales. El Río Quequén
Grande constituye la principal descarga de agua subterránea al Océano Atlántico (23).
El acuífero Pampeano presenta propiedades hidrogeológicas homogéneas, con pocas
variaciones a lo largo de su perfil, con valores de conductividad hidráulica que oscilan entre
1 y 10 m/día y valores de porosidad efectiva de entre 5 y 10% (4). La trasmisividad medida
en ensayos de bombeos en la ciudad de Mar del Plata oscila entre 600 y 1200 m2/día (7)
Los suelos predominantes en la cuenca del Río Quequén Grande son Argiudoles
Típicos y Argiudoles Típicos Someros según la carta de suelos elaborada por el Instituto
Nacional de Tecnología Agropecuaria (INTA) para la provincia de Buenos Aires. Estos
suelos son el resultado de la acción de un clima subhúmedo sobre materiales loéssicos
y poseen un importante enriquecimiento de materia orgánica en el horizonte A y de
arcillas en el B (20). Son suelos bien desarrollados y con buena distribución areal,
presentan colores oscuros y elevados contenidos de materia orgánica y de nutrientes.
Esta particularidad los define como los suelos más fértiles del país, por lo que son
utilizados casi exclusivamente para la producción hortícola y agrícola extensiva (3).
Metodología
Mediante ensayos en columnas de suelos no disturbados, utilizando un trazador
conservativo (Cl-), método simplificado del diseñado por Robbins (32) para establecer
coeficientes de dispersión, es posible determinar los parámetros porosidad y
dispersividad, a partir de la derivación de la ecuación [2] (pág. 117). La elección de
este tipo de ensayo se debe a que la información que provee el uso de columnas
intactas es más detallada y cercana a las condiciones de campo, asemejando mejor
las condiciones reales del suelo (6). Sin embargo, dada la reducción de escala que se
produce con el uso de columnas en laboratorio, los coeficientes de dispersión que se
obtienen son inferiores en al menos un orden de magnitud respecto de los reales (34).
Del análisis de la carta de suelos, escala 1:500.000 (20), se seleccionaron las series
de suelos más representativas para cada uno de los grupos definidos: Serie Semillero
Buck y Serie Azul. Para la recolección de columnas intactas de suelos de cada una de
estas series se tomaron las siguientes localizaciones (figura 1): Lobería (38°6'56.76"S,
58°51'6.77"W, Serie Semillero Buck) y La Dulce (38°14'30.77"S, 59°7'5.83"W Serie Azul),
diferenciándose suelos bajo uso agrícola extensivo (cultivos soja-trigo-girasol) y suelos
aledaños con vegetación natural. Los suelos de ambos sitios se clasifican como
Argiudoles típicos finos, diferenciándose en que los suelos de la serie Azul se ubican en
zonas con menor pendiente y se apoyan sobre una costra calcárea. Además, poseen
un horizonte b2t levemente más desarrollado a pesar del menor espesor y se ubican
en zonas aledañas al Río Quequén Grande, por lo que suelen estar afectados por
inundaciones por crecidas de este río. No obstante, los suelos de la serie Semillero
Buck ocupan una posición en el paisaje más elevada, generalmente del tipo de loma.
Figura 1. Cuenca del Río Quequén Grande y sitios de tomas de muestras.
Figure 1. Quequén Grande river watershed and sampling sites.
Las columnas de suelo se extrajeron utilizando tubos de aluminio de 13 cm
de diámetro y 60 cm de longitud. Se utilizaron 4 columnas correspondientes a los
siguientes suelos: serie Azul Natural (AN), serie Azul Cultivado (AC), serie Semillero
Buck Natural (SBN) y serie Semillero Buck Cultivado (SBC). El acondicionamiento
de las columnas se realizó por inmersión en agua destilada, para lograr la saturación
por capilaridad seguida de riego por goteo en la superficie hasta lograr la saturación
completa de la columna. El volumen de poros de cada columna se estimó inicialmente
calculando la cantidad de agua absorbida por inmersión más riego y el valor fue
ajustado posteriormente en base a los resultados obtenidos.
En cada uno de los sitios se tomaron muestras de suelos (entre 5 y 7 testigos)
de los cuales uno de cada lugar fue utilizado para determinar los parámetros de
dispersividad y porosidad, datos fundamentales para realizar otros ensayos. La
homogeneidad observada en los perfiles de suelo, una vez finalizados los distintos
ensayos, permitió asumir que los datos determinados en este trabajo pueden ser
válidos y representativos de los suelos de la zona. Un tratamiento estadístico hubiera
sido deseable, pero el obtener este número de columnas de las dimensiones utilizadas
demandó un esfuerzo que no hizo posible alcanzar un número mayor. Sobre la base de
este diseño experimental e incluso con la limitación de representatividad que implicó un valor único, se determinaron parámetros muy importantes para estos suelos, de
los cuales no existían datos previos en la región y que permiten explicar distintos
procesos y fenómenos, por lo cual se considera que su análisis es de interés y sobre
la base de las observaciones efectuadas, poseen representatividad preliminar.
El ensayo consistió en la inyección de una solución de cloruro de sodio en la parte
superior de la columna (figura 2), utilizando el cloruro como trazador. El incremento progresivo
de la conductividad de la elución se midió al final de la columna mediante conductivímetro.
El intervalo de muestreo se estableció en función del volumen de poros del suelo de cada
columna, recolectándose seis muestras por cada volumen de poros. Además se almacenaron
muestras en botellas para la determinación del ion cloruro (Cl-) en laboratorio por el método
de Mhor. La elección del Cl- como trazador se debe a sus características conservativas, es
decir, de no reacción con el medio poroso y por la facilidad de análisis en laboratorio.
Figura 2. Diseño de elución de las columnas de suelo.
Figure 2. Scheme of soil columns elution.
El ensayo finalizó cuando la conductividad medida en la elución se asemejó a la
conductividad de la solución de cloruro de sodio inicial. Posteriormente las columnas
fueron abiertas y submuestreadas en función del análisis del perfil del suelo, con el fin de
determinar capacidad de intercambio catiónico (Saturación con NH4+, Saturación con Na+),
materia orgánica (40) y granulometría -método del pipeteo (14)-. Dichas determinaciones
se llevaron a cabo en el Laboratorio de Física de Suelos de INTA Balcarce.
Los valores de concentraciones de Cl- en el agua de elución fueron corregidos
posteriormente por el valor correspondiente de conductividad, cuyas mediciones
ofrecen valores más continuos, ya que el método de Mhor posee errores analíticos
variables al aumentar las concentraciones. Dado que existe una relación lineal entre
ambas variables, se hallaron los coeficientes de regresión a partir de las parejas de
valores más representativos (tabla 1). Luego todos los valores de concentraciones
de Cl- fueron determinados por intermedio de las conductividades y la ecuación de
regresión correspondiente.
Tabla 1. Correlación entre datos de cloruros y conductividad.
Table 1. Correlation between conductivity and chloride ions data.
La solución analítica de la ecuación [1] (pág. 117) que describe las curvas de corte a la salida de una columna de laboratorio, teniendo la solución una concentración constante en la entrada de la columna C(0,t) = C0 (condición de contorno), viene dada por la expresión (38):
Esta última afirmación es compatible con la lectura de los datos registrados y no
tiene un efecto significativo sobre los valores obtenidos de los parámetros. Los valores
óptimos de porosidad y dispersividad que mejor ajustaron la ecuación [3] a los datos
experimentales se determinaron mediante el método de mínimos cuadrados, donde Ci también fue introducida como parámetro, tomando como función objetivo la distancia
euclídea entre la ecuación [3] y los datos experimentales. Esto se llevó a cabo mediante
un programa confeccionado con el software MATLAB.
En algunos casos resulta más adecuado modelar el transporte de solutos en
suelos con la Ecuación de Advección-Dispersión Fraccional. De esta forma, los efectos
de escala son absorbidos por el orden de la derivada fraccional, y los parámetros que
se obtienen como resultado de ensayos en columnas de laboratorio son independientes
de la escala. Sin embargo, las ventajas de esta última ecuación con respecto a la
ecuación clásica no son evidentes en sustratos arenosos saturados, como es el caso
de los suelos de la Serie Azul (28).
Resultados y discusión
Las curvas de elución obtenidas del experimento en las que se representa la concentración relativa del soluto respecto del volumen de poros (parámetro adimensional) se muestran en la figura 3.
Figura 3. Curvas de elución para las distintas columnas.
Figure 3. Elution curves for the different columns.
De la forma de estas y su pendiente se puede determinar el tiempo tomado
por el soluto para avanzar a través del medio, cómo se difunde, dispersa y entra en
equilibrio con el medio sólido (11).
A partir del ajuste entre las curvas generadas con valores experimentales y
calculados mediante MATLAB, se obtuvieron los parámetros porosidad y dispersividad (tabla 2).
Tabla 2. Parámetros hidráulicos determinados por modelación.
Table 2. Hydraulic parameters determined by modeling.
Las características físico-químicas de cada suelo estudiado se presentan en la tabla 3. Los suelos de la serie Semillero Buck presentaron una textura fina, siendo clasificados como franco arcilloso arenosos. Los suelos de la Serie Azul presentaron una textura más gruesa (franco a franco arenosos), lo que estaría en estrecha relación con los valores modelados para dispersividad y porosidad y los determinados para materia orgánica y capacidad de intercambio catiónico. Comparando los perfiles de las muestras con los modales, la principal similitud que muestran es la presencia de un horizonte B1 rico en arcilla hacia el final del perfil muestreado, rico en estructuras, tales como barnices.
Tabla 3. Variables físico-químicas de los suelos estudiados.
Table 3. Physico-chemical variables of studied soils.
Para ambos suelos el contenido de materia orgánica fue superior en los suelos
naturales. Los menores valores en los suelos agrícolas son atribuibles a la pérdida por
el uso de la tierra para labranza a lo largo de un período considerablemente largo (37).
Se determinó un mayor contenido de MO en niveles inferiores que en el superficial en
los suelos Azul Cultivado y Semillero Buck Natural. Este comportamiento es similar al
mostrado en estudios previos en la misma zona sobre columnas de suelos cultivados,
que mostraron un incremento de MO a partir de los 15 cm y relacionado con el mayor
contenido de arcillas (18). En suelos con uso agrícola intensivo del sudeste de la
provincia de Buenos Aires se observó un comportamiento similar (26).
Los valores de porosidad oscilaron entre 23 y 47%, siendo mayor en aquellos
suelos con mayor contenido de arcillas (Serie Semillero Buck). Estos datos son
semejantes a los del material parental de este tipo de suelo (loess) que puede llegar
a poseer hasta un 30% de porosidad (24, 33). Los valores de dispersividad calculados
variaron entre 0,048 m y 0,006 m. Estos datos son, en magnitud, similares a los
obtenidos por Perfect et al. (29), quienes determinaron en experimentos de columnas
de suelos no disturbados, valores de entre 0,001 m y 0,192 m. Valores comparables
fueron descriptos en trabajos con columnas rellenas con loess (24), con rangos de
dispersividad de entre 0,001 m y 0,05 m.
En todas las curvas, el arribo del soluto se da antes de que circule un volumen
de poros completo a través de la columna, lo que se traduce en la inexistencia del
fenómeno de efecto pistón puro. En este caso la dispersividad del medio es igual a
cero, por lo que el arribo del soluto se da en un único instante y sin mezcla con el fluido
que contiene previamente la columna (15). En ambos suelos naturales el valor del
Coeficiente de Dispersión (D) fue similar, a pesar de que la dispersividad y la velocidad
de flujo fue muy distinta; esto se debe a que según la ecuación [1] (pág. 117) estos
parámetros tienen una relación directa.
Los valores de dispersividad y porosidad obtenidos para los suelos de la
Serie Semillero Buck no presentaron diferencias notorias según el uso del suelo.
El valor de dispersividad fue levemente mayor en el suelo natural, mientras que el
menor valor en el suelo cultivado puede ser causado por la presencia de macroporos,
observados durante la apertura de la columna. Además, el cambio de labranza
tradicional al modelo de labranza actual (siembra directa), favorece que este tipo de
suelo posea mayor compactación, lo que dificultaría la migración vertical de la solución.
Este tipo de ensayo, en el cual el suelo utilizado no sufre ningún tipo de
tratamiento previo, es recomendado para la determinación de parámetros hidráulicos
de dicha matriz, los cuales son de gran importancia para predecir el movimiento de
contaminantes a través de la zona no saturada y el posible impacto de estos en el agua
subterránea. Si bien existen modelos generales para determinar la vulnerabilidad a la
contaminación de los acuíferos, como por ejemplo DRASTIC (1) o GOD (12), a partir
de los datos obtenidos las predicciones acerca del movimiento del contaminante hacia
la zona saturada pueden ser más precisas, pudiendo cuantificar la carga contamínate
que podría alcanzar el acuífero.
Conclusiones
Los suelos de la serie Azul son de textura arenosa como consecuencia de su
proximidad al Río Quequén Grande, que en ocasiones de desborde deposita arenas
en sus márgenes y llanura aluvial, a la vez que arrastra las partículas más finas
y coloidales que posee el suelo. El laboreo agrícola en estos suelos, favorece el
lavado de los materiales cohesivos, lo que se observa en los menores contenidos
de MO y arcillas en superficie. Asimismo, el comportamiento según el uso de suelo
fue distinto, presentándose variaciones en ambos parámetros. La dispersividad en el
suelo cultivado fue mayor que en el natural, por lo que los contaminantes que puedan
ingresar a través de la zona no saturada presentarán un mayor área de impacto,
pero la profundidad a la que pueden llegar es menor. Esta característica, junto con
la presencia de un horizonte profundo rico en arcillas y con capacidad de retener
contaminantes orgánicos, permite disminuir la peligrosidad de contaminación del
acuífero Pampeano. La modificación de la estructura del suelo por el laboreo afecta
las propiedades hidráulicas del mismo, incrementando la dispersividad.
En el caso de los suelos de Semillero Buck, por su posición geomorfológica
en interfluvios de pequeños arroyos o lomas no estarían expuestos a crecidas con
importante efecto erosivo/deposicional presentando una textura más fina. En los suelos
de esta serie los parámetros analizados no variaron significativamente según el uso del
suelo, por lo que se puede considerar que la labranza no produce efectos negativos
en las propiedades físicas e hidráulicas del suelo. Sin embargo, los suelos naturales
están en posiciones topográficas relativamente menores que los cultivados, siendo
afectados por excesos hídricos. Por lo tanto, el laboreo en los suelos de cultivo y la
posición topográfica en los naturales, afectarían de un modo similar los parámetros
hidráulicos, resultando en valores similares de dispersividad para ambos usos del
suelo. Si bien no puede descartarse un menor impacto de la actividad agrícola por
un uso menos intensivo en esta área.
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Agradecimientos
A la Agencia Nacional de Promoción Científica y Tecnológica (ANPCyT)
que permitió mediante el PICT 2007 0390 la realización del muestreo y
los ensayos que condujeron a la realización del presente trabajo.
Al Técnico Químico Gustavo Bernava
quien realizó las determinaciones de concentración del ion Clen
el Laboratorio de Hidrogeología de la UNMdP.