Estimación del riesgo hidrogeológico a la contaminación a partir de un modelo de relación de parámetros e indicadores de calidad de las aguas subterráneas

Abstract

La prevención de la contaminación de las aguas subterráneas es la estrategia más efectiva para evitar el deterioro de su calidad. Por ello, la estimación del riesgo a la contaminación es una herramienta eficaz para su apropiada gestión. El objetivo principal de esta tesis es evaluar el riesgo a la contaminación de acuíferos a través de una nueva metodología que relaciona parámetros involucrados en la vulnerabilidad del acuífero, la peligrosidad de los contaminantes y el impacto en las actividades humanas y ambientales, a través de técnicas de análisis de los datos basadas en la estadística y de herramientas de inteligencia artificial, validando su efectividad con un indicador de contaminación de agua subterránea. Así, se ha aplicado la técnica de procesamiento de datos de K-medias a la evaluación del riesgo de contaminación de un acuífero detrítico en un área agrícola localizada en el sureste de la Comunidad de Madrid, en el centro de España. Debido a las características de uso agrícola de esta zona, se consideró el nitrato como potencial contaminante, realizando un análisis probabilístico de la concentración en 23 muestras de aguas subterráneas obtenidas en el periodo 2015-2017 con el fin de determinar su rango de fondo natural (N) y el rango de contaminación antropogénica (A). El análisis indicó que las concentraciones de nitrato de origen natural están por debajo de 14.9 mg/L, y las concentraciones por encima de ese umbral tienen un origen antropogénico, principalmente asociado al uso de fertilizantes en cultivos, validando su uso como indicador de contaminación en las aguas subterráneas. La estimación de la vulnerabilidad del acuífero a la contaminación se basó en la selección de variables condicionantes, a partir de un análisis de componentes principales (ACP), obteniendo como resultado tres variables relevantes: la profundidad del nivel freático (D), la recarga del acuífero (recarga neta, R) y el uso del suelo (L). El análisis de K-medias sobre estas variables dio tres como número de clústeres óptimo, correspondientes a tres niveles de vulnerabilidad: alto, moderado y bajo. Con la finalidad de validar los resultados se realizó una evaluación de la vulnerabilidad del acuífero por las metodologías DRASTIC, GOD y AVI. Todos los resultados fueron correlacionados estadísticamente con las concentraciones de nitrato, como indicador de la contaminación. El agrupamiento de K-medias obtuvo la mejor correlación (48%). La evaluación de la peligrosidad de la contaminación del acuífero se basó igualmente en el agrupamiento de K-medias de aquellas variables que se han considerado como factores de la peligrosidad. Las variables seleccionadas fueron: proporción del área afectada por un vertido contaminante (A), concentración del contaminante lixiviado (L), tiempo de aplicación del contaminante (T) y la recarga neta (R). El análisis de los datos generó un agrupamiento de los datos en tres clústeres con tres niveles de peligrosidad: bajo, moderado y alto. La mayor peligrosidad se localizó sur del área de estudio, influenciada principalmente por la recarga de retornos de riego. La validación de técnica de K-medias, se realizó mediante la comparación de los valores de peligrosidad obtenidos por esta técnica con los obtenidos por la metodología clásica de Índice de contaminación de Acuífero (ICC) al correlacionarlos estadísticamente con las concentraciones de nitrato en el agua subterránea, obteniendo el método de K-medias la correlación más alta (53%). El impacto sobre las actividades humanas y ambientales se valoró a través de la vulnerabilidad social, considerando que en ella intervienen tres parámetros: la vulnerabilidad de los recursos de aguas subterráneas (VGR), la vulnerabilidad de la población afectada (Vp) y la vulnerabilidad económica-social (VS-E). Los datos fueron agrupados mediante K-media en cinco grupos o clústeres, que representan tres niveles de vulnerabilidad social: baja, moderada y alta. Los resultados indican una alta vulnerabilidad social en el sector sur del área de estudio, debido al desarrollo agrícola, que implica un mayor impacto en actividades socioeconómicas y demanda de recursos hídricos subterráneos. Finalmente, el riesgo a la contaminación del acuífero fue evaluada a través del agrupamiento de K-medias considerando todos los parámetros implícitos en la vulnerabilidad, la peligrosidad y la vulnerabilidad social. El análisis generó tres clústeres, clasificados en tres niveles de riesgo (bajo, medio, alto).. El uso de la del agrupamiento de datos por el algoritmo de K-medias demostró la validez de esta técnica aplicada a la estimación de la vulnerabilidad a la contaminación del acuífero, la peligrosidad de los contaminantes, la vulnerabilidad social y finalmente el riesgo a la contaminación de un acuífero emergiendo como un método objetivo y confiable.