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CONTAMINACIÓN DEL AGUA SUBTERRÁNEA DEL ACUÍFERO DE
HUAMANTLA POR NITRATO
HIPÓLITO MUÑOZ NAVA
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
Población en el Valle de Huamantla
Municipio 2010 2005 2000 1995 1990
Altzayanca 15 935 14 333 13 122 12 294 11 686
Tequexquitla 15 386 13 926 12 412 11 817 9 749
Cuapiaxtla 13 671 12 601 10 964 9 768 8 454
Huamantla 84 979 77 076 66 561 58 320 51 152
Ixtenco 6 791 6 279 5 840 5 681 5 356
Grajales 14 052 12 945 8 240 ------- -------
Zitlaltepec 8 224 8 229 7 959 8 076 7 847
Total 159 038 145 389 125 098 105 956* 94244*
La tasa de crecimiento poblacional municipal fue de 3.24% en el lapso de 2000 a 2005 y 1.88% de 2005 a 2010. El aumento de habitantes fue de 3394 por año de 2000 a 2010.
Tabla y estimación elaborada con datos de INEGI
I. INTRODUCCIÓN
Producción agrícola en el Valle de Huamantla Ejemplo Municipio de Huamantla Durante el ciclo agrícola 2009 en el municipio se sembraron 24 424 y en 2011 26 551 hectáreas. (COPLADET, Gobierno del Estado de Tlaxcala). Las superficies cultivas se fertilizan generalmente con fertilizantes químicos como urea, sulfato de amonio, nitrato de amonio, superfosfato de calcio triple.
INEGI (2013)
En el Valle de Huamantla, la agricultura es de temporal y riego. De las 26 551 hectáreas sembradas, en 2011, 20 757 (78%) corresponden a temporal y 5 794 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.
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 3.2515 x107 litros de leche, de los cuales 96.1% corresponden a leche de bovino y 3.95 a leche de caprino.
Volumen concesionado de agua superficial y subterráneo en el acuífero HLOP
SUPERFICAL 46.3 Hm3/año
15.8%
SUBTERRANEO 246.3 Hm3/año
84.2%
El volumen total concesionado es de 292.6 Hm3/año, de los cuales el 84.2% es
de tipo subterráneo y el 15.8% es superficial
AGRICOLA 4.8%
PUBLICO URBANO
94.6%
PECUARIO 0.2%
DOMESTICO 0.1%
MULTIPLE 0.4%
Otros 0.7%
VOLUMEN SUPERFICIAL
ACUACULTURA 0.00%
AGRICOLA 85.02%
PUBLICO URBANO
9.97%
INDUSTRIAL 4.41%
PECUARIO 0.39%
SERVICIOS 0.10%
DOMESTICO 0.00%
MULTIPLE 0.10%
Otros 0.60%
VOLUMEN SUBTERRANEO
CONAGUA (2014) Comunicación personal.
Aprovechamientos titulados superficiales y subterráneos en el acuífero HLOP
Existen en total 1,826 aprovechamientos titulados, de los cuales el 1,442 (79.0%) son subterráneos y 384 (21.0%) son superficiales.
ACUACULTURA
AGRICOLAPUBLICOURBANO
INDUSTRIAL
PECUARIO SERVICIOSDOMESTIC
OMULTIPLE
SUBTERRANEO 1.0 1,128.0 224.0 46.0 15.0 9.0 13.0 6.0
SUPERFICIAL 0.0 26.0 344.0 0.0 4.0 0.0 2.0 8.0
0.0
200.0
400.0
600.0
800.0
1,000.0
1,200.0
APROVECHAMIENTOS SUPERFICIAL Y SUBTERRANEO
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.
Pozos de agua en el Valle de Huamantla
Pozo
En el Valle de Huamantla hay 218 pozos. Las profundidades van de 30 a 280 m. Con niveles estáticos de hasta 148 m.
Elaborado con datos de CONAGAUA
La Malinche Sierra de Tlaxco
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.
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.
II. ACUÍFERO DE HUAMANTLA, TLAXCALA
Castro-Govea y Siebe (2007)
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.
Estratigrafía de La Malinche por el lado del Valle de Huamantla
Castro-Govea y Siebe (2007)
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.
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 4. Conductividad hidráulica insaturada o en función del contenido volumétrico (θ) de agua en el suelo K(θ).
Prueba en columnas 1. Extracción de núcleos de suelo inalterado. 2. Prueba en columnas 3. Modelo de simulación
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 cm3 a cada 5 cm de profundidad.
Permeámetro de laboratorio de la marca Eijkelkamp Agrisearch.
III. CONDUCTIVIDAD HIDRÁULICA
Textura densidad aparente
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.
Densidad aparente (Da)
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 105 0C. La Da es el cociente de la diferencia de peso y el volumen del cilindro.
Volumen total de poro
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.
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), 10.197 (1), 30.592 (3), 50.987 (5), 71.382 (7), 101.974 (10) y 152.961 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 (θv) después de la aplicación de la carga se calculó con la siguiente ecuación:
θv = (Ww – Wd) / (dVc)
Donde: Ww = peso húmedo del suelo, Wd = peso seco del suelo, d= densidad del agua, Vc = volumen del cilindro.
Se empleó el modelo paramétrico propuesto por van Gencuhten (1980) que relaciona θ y h.
θ h = θr + (θs − θr)1
1 + αhmn
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 θs ,θr, 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. 1.0.
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 = 𝐾𝑠Θ𝐿 1 − 1 − Θ1 𝑚 𝑚 2
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 − 𝜃𝑟𝜃𝑠 − 𝜃𝑟
Conductividad hidráulica insaturada o en función del contenido volumétrico (θ) de agua en el suelo K(θ).
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.
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 31456.4 cm3, Ø 20.32 cm y 97 cm de altura- con una retroexcavadora. Los tubos se hincaron a presión constante sin golpear para que la estructura del suelo no se alterara por la fuerza aplicada.
Sistema para la aplicación de riego a las columnas
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, 1.272 md-1).
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.
• Dos columnas se les aplicó 1.67
g de urea (NH4)2CO a cada una.
A otras dos 3.67 g de sulfato de
amonio (NH4)2SO4. Dos
columnas se utilizaron como
testigo.
• Aleatoriamente se distribuyeron
los tratamientos de fertilización
en las seis columnas.
Fertilización
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.
V. MODELO DE SIMULACIÓN
Para la simulación del flujo de agua en suelo
insaturado se utilizaron
El programa stella 7.0.2 y el modelo
K(θ)= Ks*ΘL*[1-(1-Θ1/m)m]2
La altura de la columna se dividió en tres capas,
con base en los horizontes del suelo
CHIn
CA1,0-40cm
CA2,40-60cm
CA3,60-97cm
0
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01
0.012
0.014
0 20 40 60 80 100
Profundidad del perfil del suelo (cm)
Co
nd
uctivid
ad
hid
ráu
lica
en
co
nd
icio
ne
s s
atu
rad
as K
s (
cm
s-1
)
Conductividad hidráulica en condiciones saturadas KS
VI. RESULTADOS
Profundidad
(cm)
Textura
% Arena
% Limo
% Arcilla
0-40
76.7
11.5
11.8
40-60
71.1
16.9
12.0
60-97
70.9
15.2
13.9
Textura del suelo
Profundidad (cm)
5
1
0
1
5
2
0
2
5
3
0
3
5
4
0
4
5
5
0
5
5
6
0
6
5
7
0
7
5
8
0
8
5
9
0
9
5
1
0
0
VTP
(%)
52.8
46.9
54.78
54.41
DA
(gcm-3)
1.27
1.42
1.3
1.29
Volumen total de poro VTP y Densidad aparente del perfil del suelo
Potencial matricial y contenido volumétrico de agua medidos en laboratorio
Potencial
matricial h (m)
Contenido volumétrico de agua θ (m3 m-3)
0 – 40 cm 40 – 60 cm 60 – 97 cm
0.250 0.3488 0.3513 0.3679
0.600 0.2315 0.2832 0.3183
1.000 0.1574 0.2088 0.2288
3.400 0.1201 0.1769 0.1663
10.197 0.1013 0.1636 0.1473
30.592 0.0875 0.1409 0.1148
50.987 0.0902 0.1309 0.1093
71.382 0.0857 0.1223 0.1017
101.974 0.1019 0.1353 0.1154
152.961 0.1038 0.1246 0.1209
Curva de retención de agua del suelo
0.1
1
10
100
1000
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4
Contenido volumétrico de agua θ (m3m-3)
Pote
ncia
l matr
icia
l h (
m)
0-40 40-60 60-97 cm
θr(cm3cm
-3) θS(cm3cm
-3) α(m-1) n m** l KS(cms-1)
Parámetros de entrada calculados con RETC*
Para las tres profundidades
0.065 0.41 7.5 1.89 0.4709 0.5 2.9X10-4
Profundidad Parámetros de salida en RETC
0-40 cm 0.0955 0.4049 2.7424 2.4113 0.585 0.5 2.9X10-4
40-60 0.1230 0.5655 10.744 1.5920 0.372 0.5 2.8X10-4
60-97 0.0000 0.2804 1.3576 1.2061 0.171 0.5 1.9X10-4
Parámetros de entrada en RosettaLite v.1.0 (1999)
Arena (%) Limo(%) Arcilla(%)
0-40cm 76.71 11.5 11.79
40-60 71.1 16.9 12.0
60-97 70.9 15.16 13.94
Parámetros de salida en RosettaLite v.1.0 (1999)
θr(cm3cm
-3) θS(cm3cm
-3) α(m-1) n m** L KS(cms-1)
0-40cm 0.0493 0.379 0.034 1.504 0.335 - 6.4X10-4
40-60 0.0467 0.382 0.034 1.424 0.298 - 4.9X10-4
60-97 0.0501 0.381 0.033 1.4092 0.290 - 4.3X10-4
Parámetros del modelo de Van Genuchten (1980) calculados con RETC y RosettaLite
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 (m3 m-3)
0 - 40 40 - 60 60 – 97
Obs. Cal. Obs. Cal. Obs. Cal.
0.250 0.3488 0.3493 0.3513 0.3529 0.3679 0.2691
0.600 0.2315 0.2268 0.2832 0.2671 0.3183 0.2540
1.000 0.1574 0.1664 0.2088 0.2306 0.2288 0.2406
3.400 0.1201 0.1087 0.1769 0.1755 0.1663 0.1995
10.197 0.1013 0.0983 0.1636 0.1505 0.1473 0.2716
30.592 0.0875 0.0961 0.1409 0.1373 0.1148 0.1298
50.987 0.0902 0.0958 0.1309 0.1336 0.1093 0.1170
71.382 0.0857 0.0957 0.1223 0.1317 0.1017 0.1092
101.974 0.1019 0.0956 0.1353 0.1300 0.1154 0.1015
152.961 0.1038 0.0955 0.1246 0.1285 0.1209 0.0933
R2 0.9915 0.9800 0.6069
-5
-3
-1
1
3
5
7
9
11
13
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
Contenido volumétrico de agua (m3m
-3)
log
Po
ten
cia
l
ma
tric
ial(
m)
0-40vG 0-40Obs 40-60vG 0-40Obs 60-97vG 60-97Obs
Curvas de retención observada(Obs.) y estimada (vG) con el modelo RETC
Para 0 – 40 cm
K(θ) = 0.2494*(309.0
θ-0.308)
0.5 * [1 - (1- (
309.0
θ-0.308)
1.7)
0.585]
2
Para 40 – 60 cm
K(θ) = 0.2397*(442.0
θ-0.278)
0.5 * [1 - (1- (
442.0
θ-0.278)
2.7)
0.372]
2
Para 60 – 97 cm
K(θ) = 0.1639*(28.0
θ)0.5 * [1 - (1- (
28.0
θ)5.9)0.171]2
Ecuaciones del tipo de Van Genuchten-Mualem para determinar K(θ)
CHIn KS
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
Contenido volumétrico de agua (m3m
-3)
log
Co
nd
uctivid
ad
hid
ráu
lica
K (
md
-1)
0-40 40-60 60-97 cm
Función K(θ) determinada con el programa RETC
0
200
400
600
800
1000
1200
0 50 100 150 200
Tiempo(días)
Vo
lum
en
Rie
go
-Lix
ivia
do
(mL
)
Riego Columna1 Columna2 Columna3 Columna5
Columna5 Columna6
Riego y lixiviado del experimento en columnas
42
18
1081
1428
2438
3707
2879
3395
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
Col1Test igo Col4Test igo Col2Urea Col3Urea Col5Sulf .Amonio Col6Sulf .Amonio
NO
3- (
mg
)
Lixiviación de nitrato en las columnas
FRACCIÓN DEL VOLUMEN DE RIEGO QUE SE LIXIVIÓ
COLUMNA FRACCIÓN
1 0.56
2 0.58
3 0.56
4 0.53
5 0.55
6 0.58
RESULTADOS
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 5 10 15 20 25
Muestreo Lixiviado
Conce
ntr
aci
ón d
e N
itrato
(m
g/L
)
Col1Testigo Col4Testigo Col2Urea
Col3Urea Col5Sulf.Amonio Col6Sulf.Amonio
DISTRIBUCIÓN DE CONCENTRACIÓN DE NITRATO EN EL EXPERIMENTO CON COLUMNAS
Modelo de simulación para la lixiviación de nitrato en la columna de suelo del Valle de Huamantla.
Modelo de simulación
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0 50 100 150 200
Tiempo (días)
Co
nte
nid
o v
olu
mé
tric
o d
e a
gu
a C
VA
(cm
3cm
-3)
CVA1 CVA2 CVA3
Contenido volumétrico de agua en las tres capas de suelo
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 50 100 150 200
Tiempo(días)
Salid
a d
e a
gua S
(m
L)
S1 S2 S3
Salida de agua de las tres capas de suelo
0
200
400
600
800
1000
1200
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
No. de muestreos
Vo
lum
en
de
lix
ivia
do
(m
L)
Medido Simulado
7
Tendencia del volumen de lixiviado del experimento y del modelo
y = 0.9469x - 3.8704
R2 = 0.8458
0
200
400
600
800
1000
1200
0 200 400 600 800 1000 1200
Medido en el experimento (mL)
Sim
ula
do c
on S
tella
(m
L)
Comparación del volumen de lixiviado, experimento vs modelo
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%.
Conclusión parcial
Con base en el resultado que arrojó el modelo de simulación se comenta que:
Infiltrado
43%
Evaporado
36%
Retenido en el
suelo
21%
Balance de agua en la zona vadosa del Valle de Huamantla para un año en particular.
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)
Cálculo de la disponibilidad media anual del Acuífero Huamantla, Tlaxcala. (Disponibilidad administrativa)
(*) 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.
(Disponibilidad técnica)
Disponibilidad en el
acuífero (m³) = 64,300,000 - 13,600,000 (*) - 53,401,466 = -2,701,466
Disponibilidad
media anual de
agua subterránea en
una unidad
hidrogeológica
(DAS)
=
Recarga
total media
anual
(R)
-
Descarga
natural
comprometid
a
(DNCOM)
-
Volumen anual
real que se extrae
de agua
subterránea. 2009
(VEXTET)
Disponibilidad en el
acuífero (m³) = 64,300,000 - 13,600,000 (*) - 99,100,000 = -48,400,000
Disponibilidad en el
acuífero (m³) (DOF
28-ago-2009) = 98,300,000 - 20,500,000 - 51,701,298 = 26,098,702
VEXTET= 58.5 hm³/año
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