Para llevar a cabo esta actividad se dividió en los componentes principales a buscar su representatividad: suelo y vegetación, ya que la calidad del agua de riego es la misma en él SE y en la UE. En cuanto a las variables meteorológicas se obtuvieron valores en la estación climatológica instalada para monitorear estos parámetros en el período de investigación de un año.
I. Suelo
La caracterización del suelo se llevó primero por el método indirecto, como es la realización de sondeos eléctricos verticales (SEV‟s). Después se correlaciono con el muestreo físico del suelo a diferentes profundidades y el posterior análisis de laboratorio; Los sondeos electicos verticales se correlacionaron con cortes litológicos existentes de pozos cercanos para la interpretación de las unidades geológicas del subsuelo que subyace a los jardines de la PTARN.
Los SEV‟s nos permiten Investigar las características físicas de los materiales que componen el subsuelo en la zona donde se encuentra asentada los jardines de la planta de tratamiento de aguas residuales, mediante la asociando de los valores geoeléctricos obtenidos con las unidades litológicas a las que pueden corresponder.
Con el reconocimiento de la geología superficial, se identificaron las diferentes formaciones rocosas que afloran en la zona de estudio, entre las características más importantes son: su origen, las relaciones de contacto entre ellas, el grado de porosidad y permeabilidad que pueden presentar, así como la influencia que pueden ejercer en la presencia y circulación del agua.
El método geofísico del Sondeo Eléctrico Vertical, consiste en introducir corriente eléctrica al subsuelo a través de los dos electrodos denominados “electrodos de corriente”, estos van clavados en el suelo; y reciben la energía generada desde una fuente de poder
88
integrada en el aparato (que consiste en una batería) conectada a través de cables que unen al aparato con estos electrodos.
Los electrodos de corriente generan un arco eléctrico cuya diferencia de potencial se mide por medio otros dos electrodos llamados “electrodos de potencial” en términos de resistividad, y que van clavados también en el suelo; estos, también se conectan a través de unos cables al aparato central.
Las mediciones se realizan con diferentes separaciones de ambos tipos de electrodos, de tal modo que, a mayor abertura de los electrodos mayor será la penetración en el subsuelo, esto es en forma teórica ya que habrá que tomar en cuenta que la profundidad de penetración también dependerá de las condiciones geológicas; características de porosidad, permeabilidad; espesores de arcillas presentes, así como la posible saturación y calidad del agua que se tenga en los estratos. En el presente estudio los electrodos de corriente tuvieron una separación total de 1000 m. Para la realización de los sondeos eléctricos verticales se realizó una cuadricula o malla de SEV‟s con dos arreglos de electrodos (figura 30).
89
Figura 30. Vista en planta de los Sondeos geoeléctricos realizados en la PTARN.
Dispositivos o arreglos geométricos de los electrodos.- La disposición o forma en que se colocan los electrodos en las mediciones en el suelo constituye el denominado “arreglo” o “dispositivo”, de modo que, para el presente estudio se utilizaron los arreglos Schlumberger (figura 31) y Wenner, los cuales son arreglos tetraelectródico por la utilización de los cuatro electrodos.
Figura 31 Arreglo o Dispositivo Tetraelectródico Schlumberger
En el arreglo Schlumberger, los cuatro electrodos se colocan en una línea en el terreno. Donde se les da el nombre de A y B a los electrodos de corriente o en otras palabras a los responsables de inyectar la corriente al subsuelo; y los electrodos M y N a los que sirven para medir la diferencia de potencial. En este dispositivo se puede observar que la distancia entre A-B es mucho mayor que la distancia existente entre M-N.
En la Figura 32 se puede observar el Dispositivo Wenner, el principio de funcionamiento es el mismo que en el Schlumberger, pues el arreglo utiliza cuatro electrodos, la diferencia estriba en cómo se encuentran dispuestos estos electrodos. En el caso del Arreglo Wenner la distancias entre los cuatro electrodos serán iguales, es decir la distancia entre A-M, M-N y N-B son iguales.
90
Figura 32 Aquí se puede observar el arreglo o Dispositivo Tetraelectródico Wenner.
Actividades de campo.-En la ejecución de los SEV‟s, por las características geo- hidrológicas y de humedad del subsuelo se puede tener la certidumbre de una profundidad de penetración de 362 m en el arreglo Schlumberger y en el Wenner de 162m (figura 33).
91
Se obtuvieron características resistivas similares en los perfiles eléctricos en profundidades someras hasta 100 m donde se observa una respuesta diferente que puede ser debida a la superficie freática, por lo tanto se decidió cambiar el arreglo de los electrodos en la parte central del área verde del SE, a un arreglo de menor penetración pero más rápida respuesta a la inducción de la corriente eléctrica (calicatas o Wenner). Se establecieron límites para el intervalo de confianza de las lecturas con el objeto donde la desviación estándar tuviera una variación solamente de un 2% en las mediciones de campo; disminuyendo así el porcentaje de error al mínimo. Y, en las interpretaciones o proceso de modelado el intervalo de confianza considerado es de 5%, con ello se pretende que el modelo obtenido de la interpretación se ajuste al máximo al modelo originado por el programa Resixp de acuerdo a los datos introducidos
Actividades de gabinete.-Un estudio de este tipo se inicia con una interpretación de fotografías aéreas o una interpretación en forma general principalmente de los aspectos geológico estructural de la zona, por lo que en gabinete y teniendo acceso al programa Google Earth se observó la imagen de satélite y se interpretaron algunos rasgos importantes de la zona. También se realiza la interpretación de cada uno de los sondeos geofísicos y su asociación con la geología existente (figura 34).
92
Figura 34 Interpretación de la geología del subsuelo de los jardines de la PTARN.
De acuerdo con el objetivo de los SEV‟s y en base a la interpretación de los sondeos geofísicos, se puede concluir que el subsuelo en el área donde se encuentra asentada la PTARN, se encuentra compuesto por una serie de unidades granulares, interpretándose como una zona donde correspondió a un antiguo cauce del río Sacramento, en otras épocas; así mismo por los materiales existentes se puede interpretar que son materiales depositados por el río o que corresponden a meandros abandonados (figura 35).
93
Figura 35. Perfiles geo eléctricos de los jardines de la PTARN.
Los muestreos físicos se obtuvieron en 4 puntos del SE y a las profundidades donde los horizontes someros marcaban cambio de material pétreo; los cuales fueron a: 15, 40, 80, 100 y 130 cm. Estas profundidades de exploración física, se seleccionaron para cumplir lo descrito en la NOM-014-CONAGUA-2003 (figura 36). Y con ello la caracterización en términos de granulometría, porosidad, conductividad hidráulica, contenido de nitrógeno en el suelo y de materia orgánica; en un mínimo de 1.0 m de profundidad del suelo.
94
Figura 36. Sondeos Físicos en PTARN
Las muestras de suelo de los distintos horizontes se caracterizaron, tanto física (textural y estructura) como químicamente en el laboratorio especializado de UNIFRUT. Por los resultados obtenidos de los análisis de laboratorio podemos clasificar en dos conjuntos de características de los horizontes muestreados.
El primer conjunto seria de los horizontes de 15 y 40 cm, el segundo conjunto corresponden a los horizontes de: 80, 100 y 130 cm. En la tabla 8 se muestran las propiedades físico químicas del SE.
Tabla 8. Propiedades físico químicas de los horizontes de suelo de la PTARN.
Propiedad Horizontes de suelo (15 y 40 cm) Horizontes de suelo (80,100 y 130 cm) Conductividad eléctrica (mm/cm). 2.16 0.76 NO3 (Kg/Ha). 267.3 23.4 Fosforo (ppm) 54.53 11.15 Materia Orgánica (%) 15.93 1.174 CaCO 3 (%) 0.0 0.0 Humedad (%) 17.17 13.23 p.H 7.4 8.69 Na (ppm) 464 440 K (ppm) 1452 208 Fe (ppm) 7.96 9.36 Nitrógeno Total (ppm) 0.679 0.058 Arena (%) 64.44 42.44
95
Limo (%) 25.84 29.84
Arcilla (%) 9.72 27.72
Conductividad Hidráulica (cm/hr) 13.42 1.25
Textura Franco arenoso Franco arenoso
En el suelo tiene contenidos iniciales de Nitrato, cuya concentración desciende en los horizontes más profundos a partir de los 40 cm, posiblemente debido al poco contenido de materia orgánica. Comportamiento correspondiente con una estratificación típica de llanuras y terrazas aluviales (figura 37).
Figura 37. Estratificación de suelos aluviales (Hürlimann, 2003)
Las muestras de los horizontes de suelo también fueron analizados por las técnicas de: Análisis Termo Gravimétrico (TGA) y difracción de rayos X con la finalidad de corroborar el contenido de materia orgánica y el tipo de mineral de las muestras; con esto se procedió a seleccionar los materiales adecuados para el relleno y empaque posterior de los lisímetros (figuras 38 y 39).
96
Figura 38. Resultados de la muestra del horizonte de suelo de 15 cm con la técnica de TGA.
97
Características hidráulicas del suelo.- Entre las características más importantes, se encuentran la conductividad hidráulica (k) y la capacidad de infiltración (v). La conductividad hidráulica del suelo es una función de las características intrínsecas de la matriz del suelo y de las propiedades del fluido contenido en dicho suelo. El valor de k decrece de manera exponencial a medida que disminuye el valor de la humedad y esta disminución es tanto más brusca cuando más gruesa es la textura del medio sólido. En cuanto la capacidad de infiltración, se refiere a la infiltración el flujo de agua desde el suelo hacia las zonas no saturada y saturada; por lo tanto es el flujo de agua por unidad de tiempo y de área total. Los factores que afectan a la infiltración son:
o tipo de cubierta vegetal
o características hidráulicas del suelo
o estado de humedad del suelo
o intensidad de la lluvia o cantidad de agua de riego
o calidad del agua
o formación de costras superficiales
o trabajos agrícolas
El agua penetra en el suelo creándose dos zonas:
a) Zona de transmisión, en la que el suelo se halla próximo a la saturación y sólo transmite el agua
b) El frente húmedo o frente de humectación, que es la zona donde la humedad varía rápidamente y que avanza, al tiempo que su amplitud aumenta.
El cálculo de la infiltración se puede efectuar rigurosamente mediante la integración numérica de la ecuación de Richards, que tiene en cuenta las variaciones de humedad, tensión y conductividad hidráulica. También se puede calcular mediante fórmulas empíricas, entre las que una de las más utilizadas es la ecuación de Horton (Ballesteros et al., 1991; Custodio y Llamas, 1983).
Experimentalmente, se puede determinar mediante los infiltrómetros, que miden más bien la capacidad de un suelo para infiltrar el fluido y es directamente en el campo; otro método experimental es por medio de lisímetros, los cuales han sido aceptados ampliamente por su bien probada representatividad, y flujos preferenciales
98
Estas características del suelo fueron obtenidas en el SE de forma directa (infiltrómetros), ya que permiten identificar la conductividad hidráulica a través de la excavación de los horizontes de suelo en los cuales se efectúan pruebas de agotamiento y recuperación, denominadas pruebas de infiltración. La conductividad hidráulica) puede ser estimada a partir de la velocidad de infiltración del agua en el suelo. (Martínez y López, 1996)
Si asumimos que la infiltración ocurre bajo condiciones de saturación, y de forma preferencial en un flujo vertical; entonces la velocidad de infiltración es totalmente controlada por la conductividad hidráulica y la expresión se reduce a: v = k
El procedimiento inicia con el llenado con un volumen conocido de agua hacia el agujero, se toma el tiempo al momento del vaciado y cubierta con agua en la totalidad del agujero. Después se toma el tiempo a ciertos intervalos, en los cuales se va midiendo los descensos de la superficie del agua.
La capacidad de infiltración se deduce de lo que tardan en infiltrarse estos volúmenes de agua, se obtuvieron valores similares para los horizontes de 15 y 40 cm de 2.1 y 2.2 cm/hr respectivamente. En cambio para los horizontes de 80, 100 y 130 cm se obtuvieron los valores de: 2.8, 2.0 y 0.8 cm/hr respectivamente que se clasifican a los siguientes suelos de acuerdo a los valores definidos en la tabla 9. (EPA, 1981)
Tabla 9 Valores típicos de tasas de infiltración (EPA, 1981) .
Tipo de suelo Tasa de Infiltración (cm/hora)
Arena Menor de 3.0 Arena limosa 2.0-3.0 Limo 1.0-2.0 Arcilla limosa 0.5-1.0 Arcilla 0.1-0.5
Por lo cual podemos definir un comportamiento mayormente arenoso.
II. Vegetación
La muestra para la representación se obtiene realizando un conjunto de 4 tomas individuales, que luego se juntarán en una sola muestra compuesta en el SE (Brady y
99
Weil, 1998) (figura 40), la cual fue enviada a su análisis al laboratorio especializado en edafología de la institución UNIFRUT y los resultados se muestran en la tabla 10.
Figura 40. Muestreo edafológico en la PTARN
Tabla 10. Resultados del muestreo edafológico del zacate de la PTARN.
Muestra zacate y raíz de la PTARN
% Nitrógeno 2.488 % Fosforo 0.0342 % Potasio 1 %Calcio 0.965 $Magnesio 0.145 %Sodio 10.500 ppm Zinc 72 ppm Fierro 225 ppm Cobre 11,5 ppm Manganeso 168
Las UE o unidades experimentales seleccionadas fueron los prototipos denominados lisímetros, (Kitching et. Al 1977; Allen et al, 1991), estos son ampliamente utilizados en los estudios medioambientales (Meissner et. al. 1998). Son prototipos que se elaboran para contener columnas de suelo con el objetivo de reproducir en ellas, las características y condiciones de los horizontes de suelo identificados en el sitio real, en este caso los jardines de la PTARN. (Marcano, 2000).
100
Los lisímetros frecuentemente son utilizados para medir propiedades hidráulicas de los suelo, flujo y balance de agua y movimientos de solutos, pues ofrecen una buena alternativa para determinar la cantidad y calidad del ART lixiviada en el suelo (Goulding & Webster 1992; Casanova, 1995). También los lisímetros ofrecen una buena alternativa para cuantificar por área, la captación del gas emitido en forma de óxido nitroso, producido por la calidad del ART.