34sso4 de las aguas subterráneas.

Isótopos y aguas subterráneas
APLICACIÓN DE LA GEOQUÍMICA ISOTÓPICA DEL AZUFRE PARA LA
DETERMINACION DEL ORIGEN DE LA RECARGA EN LOS ACUIFEROS DEL
LLANO DE BARCELONA
*
E. Vàzquez-Suñé(1), E. Custodio(1) (3), A. Soler(2) y J. Carrera(1)
(1) Grupo de hidrogeología, Dept. de Ingeniería del Terreno. UPC
(2) Dep. Cristal·lografia, Mineralogia i Dipòsits Minerals. Univ. Barcelona.
(3) Instituto Geológico y Minero de España (IGME)
Resumen: Para poder determinar el origen del agua subterránea en los acuíferos del Llano de Barcelona se han
determinado, entre otros parámetros, las variaciones isotópicas del S, tanto en los pozos del Llano de Barcelona y
Delta del Besòs, como en las posibles fuentes de recarga. Con esta técnica y el apoyo de información hidrogeológica
adicional, se pretende analizar cuales son las principales fuentes de recarga a los acuíferos en cada zona de la ciudad,
y si es posible cuantificarla.
Palabras clave: Isótopos del S, 34S, sulfato, Hidrología urbana, recarga
INTRODUCCION
O
ZO
IC
O
SI
ER
RA
DE
CO
LL
CE
RO
LA
El presente trabajo se enmarca dentro de una línea de trabajo de hidrogeología urbana, y en concreto en un amplio
estudio para la caracterización hidrogeológica en la ciudad de Barcelona. Durante los últimos años se ha venido
observando un progresivo incremento de las filtraciones de agua en las diversas infraestructuras urbanas
subterráneas, públicas o privadas (red de Metro,
sótanos,
alcantarillado,
estacionamientos
subterráneos, etc.). Estas filtraciones están
asociadas al aumento de los niveles freáticos en
4588000
RÍ
los acuíferos. (Custodio y Bayó, 1986;
O
BE
SÓ
Vázquez-Suñé, 1998).
S
UTM
PA
LE
CALLES PRINCIPALES
ÁN
EO
4582000
ED
IT
ER
R
CUATERNARIO DEL
LLANO DE BARCELONA
M
AR
M
TERCIARIO
CUATERNARIO
DELTÁICO
4576000
422000
428000
434000
UTM
Figura 1. Esquema hidrogeológico del llano de Barcelona
La ciudad de Barcelona se localiza en el NE de
España. Geográficamente, se enmarca entre la
Sierra de Collserola (máxima elevación 512
m.s.n.m.), el mar Mediterráneo y dos ríos, el
Besós y el Llobregat. Bajo la ciudad existen
diversos acuíferos, constituidos por formaciones
geológicas de diferente composición litológica y
edad (ver Figura 1). El acuífero paleozoico está
compuesto por esquistos y granitos. Los
acuíferos cuaternarios corresponden a los
sedimentos aluviales y deltaicos asociados a los
ríos Besós y Llobregat; en las zonas intermedias
(llano de Barcelona) existe un recubrimiento de
sedimentos asociados a conos de derrubios y de
deyección
provenientes de la sierra. Las
formaciones miocenas y pliocenas son en general poco permeables.
El objetivo de este trabajo es llegar a conocer cuales son las causas de este aumento de niveles para poder aplicar las
medidas correctoras más adecuadas. La metodología general seguida ha sido la definición de un modelo conceptual
en el cual se incide sobre los aspectos de geometría y definición de acuíferos, evolución piezométrica, extracciones,
parámetros hidrogeológicos, hidroquímica y cuantificación del balance y modelación numérica (Vázquez-Suñé,
1998).
Uno de los puntos de mayor dificultad ha sido la cuantificación de la recarga. En este sentido y de forma conjunta
con otras técnicas se ha estudiado la composición isotópica del azufre del sulfato disuelto en las aguas subterráneas
que subyacen Barcelona con el fin de evaluar cualitativa y, si es posible cuantitativamente, la magnitud ó proporción
que representan las diversas fuentes de recarga existentes respecto al flujo subterráneo general.
La geoquímica isotópica del azufre del sulfato disuelto en las aguas ha sido utilizada para identificar las fuentes
naturales en aguas subterráneas (véase por ejemplo Dowuona et al., 1993; van-Doonkeelar et al., 1995; Custodio y
E. Vàzquez-Suñé, E. Custodio, A. Soler y J. Carrera
Manzano, 1992; Herrera y Custodio, 2000). También se ha utilizado para diferenciar entre fuentes naturales y
antrópicas (Grinenko et al., 1994; de Caridad et al., 1997; Robinson y Bottrell, 1997; Barrett et al. 1999; Hughes et
al. 1999; Soler et al., 2001).
Dado que el fraccionamiento en equilibrio requiere largo tiempo o alta temperatura se puede pensar en caracterizar
la 34SSO4 de las aguas de diferente origen y considerar sus proporciones en una mezcla hipotética. Sin embargo es
muy importante considerar las reacciones que involucran al azufre en las aguas subterráneas, debido a pueden
comportar un elevado fraccionamiento cinético.
METODOLOGIA
Para poder llegar a la resolución de los objetivos anteriores se han realizado diversas campañas de muestreo de
aguas, tanto subterráneas como de las posibles fuentes de recarga, para su análisis químico e isotópico,
determinándose los iones básicos, metales pesados, algunos elementos traza, contenido microbiológico y además el
contenido en diversos isótopos (18O y D en aguas y 34S en el sulfato disuelto).
El muestreo se realizó en los pozos, en su mayoría, mediante bombeo directo de estos y cuando fue necesario
mediante un tomamuestras. La 34SSO4 se ha determinado a partir del sulfato precipitado mediante la adición de
BaCl2 y posterior análisis con un analizador elemental acoplado en flujo continuo a un espectrómetro de masas. La
notación se expresa en ‰ respecto al estándar VCDT.
La presencia del azufre (S) en aguas superficiales y subterráneas es normalmente en forma de sulfato o sulfuro
disueltos en forma iónica. En general puede tener un origen tanto natural como antrópico. El origen natural viene
condicionado por la disolución de minerales con azufre como sulfatos y sulfuros. También debe considerarse,
aunque en menor medida, el posible aporte de aerosol marino. El aporte antrópico puede derivar de múltiples
fuentes, como por ejemplo fertilizantes, plaguicidas, residuos sólidos, efluentes líquidos y atmosféricos tanto de
origen urbano como industrial y minería (Barrett et al., 1999), así como de yesos de escombros de edificación.
A partir de los resultados obtenidos se ha establecido la siguiente metodología: 1.- En una primera fase se analizó la
34SSO4 del agua de las posibles fuentes de recarga; 2.-En una segunda fase se analizó la 34SSO4 de las aguas
subterráneas de los acuíferos que yacen bajo la ciudad de Barcelona relacionándose con las características de las
fuentes de recarga; 3.- Se estableció la validez del uso de la geoquímica isotópica del azufre del sulfato disuelto
como indicador de las posibles fuentes de recarga en los acuíferos de Barcelona. 4.- Finalmente se analizaron
conjuntamente el 34S y otros isótopos (18O y D del agua) con el fin de cuantificar la recarga.
34SSO4 DE LAS FUENTES DE RECARGA
Basándose en el modelo conceptual existente se han muestreado todas las posibles fuentes de recarga con el fin de
determinar y caracterizar su contenido en 34S. Dichas fuentes son: a) Aguas de abastecimiento: a1) Agua de origen
Llobregat a2) Agua de origen Ter; b) aguas residuales; c) agua de recarga procedente de Collserola; d) Aguas del
Río Besós; e) agua de escorrentía superficial; f) agua del mar.
Los resultados obtenidos se muestran en la tabla I. En esta se aprecia que la composición isotópica del azufre del
sulfato disuelto es característica de cada fuente. En concreto las aguas procedentes de las fuentes de Collserola
muestran los valores de 34SSO4 más bajos, coherentes con un sulfato procedente de la oxidación de los sulfuros
presentes de forma diseminada en la serie Paleozoica. El sulfato disuelto de las aguas del río Ter, de forma análoga
muestra valores bajos de 34SSO4 de acuerdo con la geología de la parte alta de la cuenca de este río. Los valores de
la 34S del sulfato disuelto de las aguas procedentes del Llobregat, muestran valores comprendidos entre 8 y 10‰,
estos valores más pesados son coincidentes con los valores encontrados por Soler et al. (2001) en las aguas
superficiales del río, en su tramo bajo. Estos autores, interpretan el origen del sulfato disuelto en las aguas del río
Llobregat, mediante la geoquímica isotópica de S y Sr como procedente de un origen mixto natural/antrópico en el
que las fuentes naturales están controladas por la disolución de los materiales evaporíticos, mientras que los sulfatos
de origen antrópico proceden principalmente de los fertilizantes agrícolas, lixiviados de la minería de potasa y
detergentes domésticos asociados a las aguas residuales urbanas, entre otros. La variabilidad estacional de la 34SSO4
en el río Llobregat, y concretamente en su tramo bajo donde se recogen las aguas que abastecen la planta
potabilizadora de Aguas de Barcelona, se encuentra dentro del rango de variación definido para las aguas
La composición isotópica del azufre del sulfato disuelto de las aguas residuales estudiadas, muestra valores más
elevados que las aguas de suministro de las que proceden, ello es debido a la contribución del sulfato asociado a los
detergentes domésticos, los cuales presentan altos contenidos en sulfato con una 34S comprendida entre 10 y 12‰
(Soler et al., 2001).
E. Vàzquez-Suñé, E. Custodio, A. Soler y J. Carrera
Las muestras correspondientes a aguas procedentes del río Besos muestran una 34S con valores comprendidos entre
5 y 8‰. Estos valores son coincidentes con los encontrados por Soler et al. (1998) en las aguas superficiales del río.
Las muestras de escorrentía se caracterizan por presentar muy bajos contenidos de sulfato, generalmente por debajo
de los 100 mgL-1. La 34SSO4 de estas muestras presenta valores comprendidos entre 10 y 14 ‰. Si bien esta
composición isotópica del azufre es coherente con la de los detergentes utilizados en la limpieza, también podría
corresponder a los yesos y escayolas utilizados en la construcción. Tampoco puede ser descartada la contribución de
sulfato procedente tanto de la oxidación abiotica del SO32- atmosférico como del aerosol marino.
Fuentes de Recarga
Procedente de la Sierra
Del Río Besós
Abastecimiento origen TER
Abastecimiento origen LLOBREGAT (LLOB)
Aguas residuales origen TER (DEPU TER)
Escorrentía urbana (ESCO)
Agua marina
Aguas residuales origen Llobregat (DEPU LLOB)
SO4 mg/l
34S ‰
18O ‰
 D‰
109.90
244.38
78.23
195.23
218.76
101.05
2910.00
335.76
2.9
7.2
4.9
8.6
8.0
10.7
20.0
11.7
-6.46
-5.77
-7.18
-6.93
-6.91
-5.10
1.50
-6.66
-38.50
-41.20
-49.93
-49.25
-46.75
-48.00
8.20
-46.07
Tabla I.- Concentración en sulfatos y composición isotópica de las aguas de recarga.
Existen solapes en fuentes de agua cuya contribución a la recarga es presumiblemente importante, como son el agua
del Llobregat y el agua residual de origen Ter, con un valor de 34SSO4 = 8 a 10 ‰ , y también el agua de escorrentía
y el agua residual de origen Llobregat, con un valor de 34SSO4 superior a 10 ‰. Este solape hace que por si solo el
contenido 34Sde las aguas no permita poder cuantificar con suficiente precisión los porcentajes de mezcla que se
observan en las aguas subterráneas. Para ello es necesario combinar los datos obtenidos con los de otros isótopos
estables (18O y D del agua).
34SSO4 DE LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS.
Con respecto al 34S se aprecia muy bien como, aparte de las aguas de las posibles fuentes de recarga, en la zona
urbanizada existe una clara zonificación:
a)
En la zona SW, que corresponde más o menos a la zona abastecida con agua del Llobregat, los valores de 34S
están comprendidos en su mayoría entre 9 y 10 ‰.
b) En la zona NE, correspondiente a la zona abastecida con agua del Ter, los valores suelen oscilar entre 8 y 9 ‰,
que se podrían correlacionar bien con agua residual de origen Ter.
c)
Existe una zona central en la ciudad donde se observan valores entre 10 y 12 ‰, que mostrarían una clara
influencia de aguas residuales y/o aguas de escorrentía superficial. Si bien la baja concentración en sulfato de
estas últimas, hace pensar más en una influencia de aguas residuales.
Cualitativamente parece que el 34SSO4 es un buen indicador del origen de la recarga en los acuíferos que subyacen
Barcelona, permitiendo identificar cuales son las zonas recargadas por aguas de origen Ter y Llobregat. Pese a ello
existe un cierto solape entre las concentraciones de aguas residuales de origen Ter y aguas de abastecimiento y
residual de origen Llobregat que hacen difícil una mayor definición de cuales son las fuentes exactas de recarga y en
que proporción. También se observan valores anómalos en pozos afectados por fenómenos de reducción bacteriana
del sulfato (Clark y Fritz, 1997) o afectados por yesos aplicados en la construcción.
CUANTIFICACIÓN DE LA RECARGA
Considerando que el agua de los pozos es una mezcla determinada entre las posibles aguas extremo (fuentes de
recarga), la cuantificación de la recarga se reduce a determinar cual es el porcentaje de mezcla de dichas fuentes en
cada pozo. La limitación estriba en los posibles solapes entre las composiciones isotópicas de diversas fuentes.
Para aplicar este método la ciudad se ha dividido en diversas zonas en las que se ha considerado que sus fuentes de
recarga son homogéneas. En el cálculo de los porcentajes de mezcla del agua de los pozos ubicados en cada una de
estas zonas sólo se ha tenido en cuenta sus posibles fuentes de recarga. Se han calculado los porcentajes de mezcla
de las fuentes para cada pozo considerado, buscando la menor diferencia (en valor absoluto) entre los valores
calculados y los valores medidos en los pozos.
E. Vàzquez-Suñé, E. Custodio, A. Soler y J. Carrera
Esta metodología es de difícil implementación cuando se aplica a sistemas complejos, donde se dan solapes en la
concentración de las fuentes de recarga. Los errores de muestreo, analíticos y de manipulación de las muestras, y los
de falta de representatividad debido a las posibles variaciones temporales (incluso espaciales) también incrementan
esta dificultad. También hay que tener en cuenta otro error asociado al desconocimiento de cuales son los procesos
que estas aguas han sufrido desde su infiltración hasta su muestreo en el pozo.
En la mayoría de pozos se consigue un buen ajuste, lo cual sugiere que se ha conseguido una aceptable
aproximación. La tabla II muestra los porcentajes de mezcla en cada pozo. Existe una buena correlación según las
fuentes de recarga existentes en cada zona de la ciudad. Las diferencias en las proporciones en cada pozo, aun dentro
de la misma zona, pueden ser importantes debido a los múltiples mecanismos de recarga y a su gran heterogeneidad.
Ésta dependerá en muchos casos del estado de conservación de las diferentes conducciones en el subsuelo de la
ciudad.
pozos
% aguas de recarga
AGUA DE
SIERRA
AGUA DEL
BESOS
AGUA DEL
TER
AGUA DEL
LLOB
AGUA DE
DEPU TER
AGUA DE
ESCORREN
AGUA DE
MAR
AGUA DE
DEPU LLOB
PUIG
SCO_IND
SCO_REG
0.0
58.1
57.9
36.3
40.5
43.7
55.5
1.2
0.0
0.0
0.0
0.0
1.1
0.0
-1.5
7.1
0.2
-0.1
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
COLA
COVA
FRIGO
TITN
10.8
0.0
0.0
10.8
9.7
0.0
0.0
0.0
10.4
39.9
35.9
42.6
0.0
0.0
0.0
0.0
51.0
60.1
63.2
21.7
18.1
0.0
0.9
22.2
0.0
0.0
0.1
2.7
0.0
0.0
0.0
0.0
DANO
GELA
HIEL
RINM
36.8
0.0
12.8
32.9
0.0
0.0
0.0
0.0
31.8
6.6
29.4
60.4
0.0
0.0
0.0
0.0
9.6
16.5
34.9
3.4
21.8
77.0
22.9
3.4
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
DBNK
PEDRALBES
SALLE
TAIG
TENB
TXAL
0.0
0.0
3.6
20.7
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
16.7
0.0
25.7
6.3
0.0
24.9
1.9
32.6
30.4
0.6
56.0
14.1
4.2
0.0
15.1
20.9
0.0
5.8
76.7
39.0
7.4
49.7
5.6
51.9
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.5
28.3
17.8
1.9
38.4
3.3
CINE
EXPO
HOCO
MAGO
MANS
POLO
SANTS
PIUL
3.9
1.9
0.3
13.5
0.0
67.9
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
4.2
78.9
25.1
68.9
10.4
27.0
74.4
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
81.9
52.1
1.4
17.4
14.0
21.2
33.3
3.7
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
14.2
41.8
19.4
44.0
17.1
0.5
39.7
21.9
Tabla II.- % de mezcla de las aguas de recarga
calculado en los pozos de la ciudad.
Existen otras situaciones significativas, aparte de las ya señaladas, pero en conjunto se puede afirmar que los
resultados obtenidos son coherentes con estudios anteriores y que en cada caso hay que determinar el porqué de su
porcentaje de mezcla y cuales pueden ser las causas que lo producen.
Con el promedio de las proporciones obtenidas en los pozos, se obtiene una aproximación general de cuales pueden
ser las magnitudes de las aportaciones de cada fuente de recarga a los acuíferos de Barcelona. Los resultados medios
de los porcentajes de aguas de recarga encontrados en este trabajo son: aguas de abastecimiento 32 %, residuales 24
%, escorrentía urbana 26 %, entradas desde la Sierra 13 % y Río Besós 5 %. Estas magnitudes están totalmente de
acuerdo con el modelo conceptual que se dispone.
CONCLUSIONES
A partir del uso de la geoquímica isotópica del azufre del sulfato disuelto en las aguas subterráneas que subyacen la
ciudad de Barcelona, se ha realizado una aproximación cualitativa y en lo posible cuantitativa de la magnitud ó
proporción que representan la diversas fuentes de recarga de agua.
Las diferentes fuentes de recarga del Llano de Barcelona, muestran una 34SSO4 característica, aunque existe un cierto
solape entre las composiciones de las aguas residuales de origen Ter y aguas de abastecimiento de origen Llobregat.
Para la cuantificación de la recarga se han utilizado los datos isotópicos de 18O, D del agua y 34S del sulfato disuelto,
tanto de las fuentes de recarga como del agua de los pozos. A partir de los resultados isotópicos en cada pozo se ha
realizado un ajuste para cada punto muestreado, a partir de un simple balance de masas. En algunos pozos no se ha
E. Vàzquez-Suñé, E. Custodio, A. Soler y J. Carrera
podido ajustar el balance ya que estos muestran claros fenómenos de reducción en sus aguas y por tanto la 34SSO4 ha
sufrido procesos de fraccionamiento isotópico. Como resultado se ha obtenido que el porcentaje de agua subterránea
procedente de la red abastecimiento es de un 32 %, de aguas residuales de un 24 % y de las aguas de escorrentía
urbana de un 26 %.
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