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Modelos de simulación de la contaminación agrícola y ganadera


Fuentes de contaminación de las aguas subterráneas y superficiales

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Introducción

La contaminación de las aguas causada por una producción agrícola y ganadera intensiva es un fenómeno cada vez más acusado que se manifiesta, especialmente en un aumento de la concentración de nitratos en las aguas superficiales y subterráneas, así como en la eutrofización de embalses, lagos, estuarios, etc. Sin lugar a dudas, son las aguas subterráneas las más afectadas por este tipo de contaminación. Las técnicas isotópicas permiten evaluar el grado de vulnerabilidad de las aguas subterráneas frente a la contaminación originada en la superficie, con el requerimiento básico de que el agua contaminada tenga una composición isotópica diferente de la que tiene sin contaminar. La aplicación conjunta de las técnicas isotópicas y los modelos de simulación a problemas de medioambiente en general y a estudios hidrológicos e hidrogeológicos en particular se prevee como una herramienta de gran proyección y eficacia en el tratamiento de problemas de ingeniería ambiental.

Más de la mitad de la contaminación por nitratos corresponde a fertilizantes nitrogenados, en parte debido a que son los más utilizados, bajo la forma de amoníaco, nitrato amónico, nitrato cálcico y fosfato amónico entre otros, a lo que también se deben añadir los residuos generados en las prácticas de ganadería extensiva. Los nitratos actualmente constituyen las principales fuentes de contaminación difusa de las aguas (superficiales y subterráneas). La contaminación difusa tiende a adquirir cada vez mayor protagonismo en la degradación de los recursos hídricos, ya que cuanto mayor es el grado de depuración y limitación de los vertidos puntuales, mayor es el efecto de este tipo de contaminación, sobre todo si se tiene en cuenta que en determinadas cuencas hidrográficas la aportación de nitrógeno de origen difuso representa más del 50% del total de la cuenca. Y por ello muchos países se han visto obligados a iniciar cambios en su ordenamiento legislativo, configurando normativas que regulen las explotaciones agrícolas y ganaderas, así como la eliminación de los residuos ganaderos. En este sentido el Consejo Europeo aprobó el 30 de junio de 1992 el Reglamento 2078/92 donde se establecen las normas sobre los métodos de producción agrícola compatibles con las exigencias de protección del medio ambiente y la conservación del espacio natural, traspuesto a la legislación española mediante varios Reales Decretos en los que se recoge la aplicación de las medidas contenidas en dicho Reglamento (RD 51/95, de 20 de enero; RD 632/95, de 27 de abril; RD 928/95 de 9 de junio). Además, con el fin de reducir el problema de la contaminación por nitratos y adoptar medidas preventivas que eviten futuras contaminaciones por este origen, el Consejo Europeo aprobó el 12 de diciembre de 1991, la Directiva 91/676/CEE, relativa a la protección de las aguas contra la contaminación producida por nitratos utilizados en la agricultura y traspuesta a la legislación española por el RD 261/96 de 16 de febrero. Dicha directiva tiene por objeto proteger la calidad de las aguas frente a la contaminación difusa derivada del uso de los fertilizantes y el estiércol en las actividades agrícolas. El Anexo I de la Directiva considera como aguas afectadas:

  • Las aguas dulces superficiales, en particular las que se utilicen o vayan a utilizarse para la extracción de agua potable y
  • Todas las aguas subterráneas que presenten o pueden llegar a presentar concentraciones de nitratos superiores a 50 mg/l.
Asimismo, la Directiva impone a los Estados miembros de la Comunidad Europea la obligación de identificar las aguas que se hallen afectadas por contaminación por nitratos de procedencia agrícola, cuyas concentraciones deben ser vigiladas en una serie de estaciones de muestreo, estableciendo además criterios para designar como zonas vulnerables aquellas superficies territoriales cuyo drenaje de lugar a una contaminación por nitratos y una vez determinadas tales zonas se deben realizar y poner en funcionamiento programas de acción, coordinados con técnicas agrícolas, con la finalidad de eliminar, o al menos minimizar, los efectos de los nitratos sobre las aguas. Asimismo, la Directiva establece normas sobre el control y vigilancia de la calidad de las aguas y la obligación de emitir periódicamente informes de situación sobre este tipo de contaminación.

En España, país con una gran tradición agrícola y ganadera, las aguas contienen, cada vez mayores niveles de contaminación por nitratos debido, esencialmente, al abuso de fertilizantes y a una mala gestión de los residuos ganaderos, aunque también, en menor medida, a los vertidos líquidos urbanos. Destaca el litoral mediterráneo, siendo especialmente grave la situación en comunidades como la de Cataluña (comarcas del Maresme, Alt y Baix Empurdà, Osma, Segarra, Noguera). En los acuíferos de las cuencas del Júcar y Segura la concentración por nitratos procedentes de fertilizantes agrícolas se ha incrementado notablemente, especialmente en las zonas de mayor actividad agrícola. En extensas áreas en la desembocadura del Júcar se superaron los 100 mg/l, llegándose a crear en algunos momentos situaciones alarmantes como el caso del río Vinalopo (Alicante) en el año 1994 (El País, 3 de marzo de 1994). En la cuenca del Guadiana el uso abusivo de compuestos químicos contaminantes como pesticidas y abonos está haciendo que el Guadiana se coloque entre los ríos españoles más contaminados, siendo su situación contaminante actual, alta y severa. En el centro peninsular existen también zonas afectadas por este tipo de contaminación, como son el valle del río Ebro (con niveles de nitratos entre 50-100 mg/l), diversas áreas de la cuenca del Tajo (La Alcarria, Tiétar y Ocaña) y la cuenca del Duero (región central del Duero, Esla-Valderaduey y Arenales), incluso también en la demarcación hidrográfica del Sur (Campo de Níjar, Dalías y Fuente Piedra). En Castilla-La Mancha, la comarca de la Mancha Occidental y el Campo de Montiel fue declarada en 1998 como zona vulnerable a la contaminación de nitratos procedentes de purines. En Castilla y León la contaminación por nitratos ha afectado a importantes áreas de la provincia de Valladolid. Concretamente en el año 2001 se han superado los 50 mg/l en 36 municipios, destacando Villanubla (134 mg/l) Villarmentero de Esgueva (115 mg/l), Viloria del Henar (114 mg/l) y Castroverde de Cerrato, (108 m/l) medidos en 2001. El mayor problema estriba en el incremento en los valores de concentración de nitratos que se han detectado desde el año 2000 al 2001,como es el caso de Villanubla donde se ha pasado de 98 mg/l a los 134 mg/l (Regional de Castilla y León, 9 de marzo de 2002).

Isótopos

Las técnicas basadas en isótopos estables medioambientales se pueden aplicar en estudios de contaminación de aguas ya que el uso de la composición isotópica de los contaminantes permite:

  • Identificar el origen y los procesos geoquímicos que han sufrido las aguas
  • Identificar el origen de la contaminación
  • Obtener información sobre la emigración y destino de los contaminantes dentro de los sistemas acuáticos
  • Identificar las vías potenciales de infiltración preferentes de contaminación
  • Identificar las fuentes de contaminación
  • Valorar la exposición potencial de los cuerpos acuosos ante la contaminación antes de que ésta pueda tener lugar

El nitrógeno tiene dos isótopos estables naturales: 14N (99,634%) y 15N (0,366%) Para los contaminantes del nitrógeno disueltos en agua la variación de las relación isotópica 15N/14N es una herramienta geoquímica, al igual que un trazador de la contaminación muy eficiente. Es por ello que el potencial que ofrecen estos isótopos es muy grande para los iones nitrato junto con la determinación paralela de la relación isotópica 18O/16O. Ya que las relaciones isotópicas 15N/14N y 18O/16O son diferentes en nitratos que proceden de fertilizantes químicos que en nitratos de origen biológico, el contenido en 15N de los compuestos nitrogenados permite identificar su origen (desechos animales, materia orgánica presente en el suelo, estiércol, fertilizantes químicos, basuras de sistemas sépticos o nitrógeno atmosférico).

El uso de fertilizantes nitrogenados en actividades agrícolas ha provocado cambios en los valores de δ15N de los nitratos de las aguas superficiales, subterráneas y de los suelos agrícolas. Los fertilizantes inorgánicos tienen unos valores de δ15N bajos, generalmente en el rango de –4 a +4‰, aunque algunos abonos han dado valores de - 8 y +7‰. Los fertilizantes orgánicos (que incluye a los fertilizantes "verdes" tales como abonos vegetales y los residuos animales líquidos y sólidos) tienen valores de δ15N más altos, entre +2 y +30‰. Esto se debe a los diferentes orígenes que pueden tener este tipo de fertilizantes (restos de plantas y materia orgánica en general, estiércol, etc.). No se deben confundir los valores de δ15N que presentan los fertilizantes o abonos con los valores de δ15N que presentan los suelos abonados con esos fertilizantes. El abuso de los fertilizantes ha dado lugar a altas concentraciones de nitrato, y cambios significativos en los valores de δ15N del nitrato en las aguas superficiales y en las aguas subterráneas cercanas a los suelos de las tierras de cultivo. Los fertilizantes inorgánicos tienen valores de δ15N uniformemente bajos reflejando así su procedencia atmosférica. Generalmente están en el rango de -4 a +4‰. Sin embargo, algunas muestras del fertilizante pueden mostrar un rango total de -8 a +7‰.


Valores de δ15N frente a los valores de δ18O (en ‰) para las distintas fuentes de contaminación por nitratos. Tomados de Kendall y McDonnell (1998).

Por otra parte, cada vez resulta más extendido el uso de δ18O del oxígeno del nitrato (Amberger y Schmidt, 1987; Revesz et al., 1997) para la identificación de las fuentes y estudios de las transformaciones del nitrato. Los δ18O presentan una amplia gama de valores, extendiéndose desde –10 a +80‰. Algunas fuentes de nitrato tienen valores de δ18O y δ 15N distintivos; en particular, el nitrato derivado del N atmosférico o el nitrato procedente de fertilizantes se distingue fácilmente del amonio nitrificado y de la urea. Estudios con este par de isótopos δ 18O y δ15N son útiles para la determinaciones de las contribuciones relativas de las fuentes atmosférica y derivadas del suelo de nitratos en aguas subterráneas poco profundas. Este problema es insuperable simplemente con el 15N debido a las composiciones trasladas del suelo y del nitrato derivado del N atmosférico.

La aplicación de modelos de simulación de tecnología más avanzada a estudios de hidrología subterránea utilizando conjuntamente los principales parámetros que interviene en los sistemas hidrogeológicos y los datos de la composición isotópica del N y O en nitratos nitratos resultan una de las herramientas más eficaces en estudios relacionados con la calidad de los recursos hídricos, especialmente de las aguas subterráneas, ya que permiten determinar la presencia de contaminantes de tipo nitrogenado así como el flujo de los mismos al igual que el de los sistemas hidrogeológicos contaminados.

Metodología propuesta

La metodología para aplicar los modelos matemáticos de simulación en la identificación de fuentes de contaminación por nitrato a partir de datos isotópicos implica:

  1. La identificación y proposición de las herramientas de modelización más adecuada para identificar las fuentes de contaminación, que permita además la integración de los datos isotópicos.
  2. Elaboración de la metodología de actuación para la modelización de los isótopos de N con las herramientas seleccionadas.
  3. La selección de un entorno SIG adecuado de cara a la integración de los modelos de simulación propuestos.

Conclusiones

Existe una creciente concienciación social y por parte de las distintas administraciones relacionada con la problemática de la contaminación por nitratos que afecta amplias zonas de la geografía española.

Como existen numerosas fuentes potenciales de contaminación de nitratos se hace muy difícil aplicar el criterio de "quien contamina paga" en aquellos casos en los que se produce una contaminación de tipo no puntual. No obstante existen actualmente herramientas como son los modelos matemáticos de simulación que permiten abordar esta problemática desde una nueva perspectiva. Además, los modelos pueden ampliar su utilidad si se utilizan en colaboración con otras tecnologías, también emergentes, como son los análisis isotópicos aplicados a nitratos. Por su parte la Unión Europea se hace cargo de la importancia de esta nueva herramienta, así como también las diferentes administraciones nacionales, autonómicas y locales, y así aparece recogido en las diferentes Directivas (especialmente en la Directiva Marco del Agua, Directiva 2000/60/CE). Además, en el Plan Nacional de Investigación Científica, Desarrollo e Innovación Tecnológica (2000-2003), Área de Medio Ambiente, acción estratégica sobre instrumentos, técnicas y métodos de seguimiento de variables medioambientales, se menciona expresamente que "uno de los puntos más débiles tanto de conocimiento científico-técnico, como de la gestión y de la administración medioambiental, lo constituye la frecuente falta de métodos normalizados, experiencia, instrumentación y sistemas adecuados de tratamiento de datos en relación con la observación y el control de datos medio ambientales (aire, agua superficial, agua subterránea, agua marina, suelo, terreno, cubierta vegetal, paisaje, etc.)"



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