Sergio Stangaferro * , Leticia Rodríguez . y Carlos Vionnet .+ *

Universidad Nacional del Comahue, . Universidad Nacional del Litoral

+ Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas

Many towns in the eastern portion of the State of Santa Fe satisfy their water needs from surface water sources. However, nearby the western state boundary, water quality and quantity problems worsen. More than 90 % of the communities that have drinking water services rely entirely on their ground-water resources. Due to several concurrent factors, during the last decade, reverse osmosis plants have bloomed as a means to solve water supply problems.

Sunchales, located 140 km to the northwest of Santa Fe, constitutes a case in point of this situation. Even though these plants became the usual complement to the water supply systems currently in use throughout the State, water desalination brings about the problem of the concentrate disposal. Currently, the concentrate is dumped into drainage canals without any previous analysis of the receiving body and its surroundings. In this work, preliminary results of the impact of the concentrate disposal on the phreatic aquifer in the Sunchales area are presented. Such an analysis is carried out by means of the numerical simulation of the groundwater transport of the saline residue using the finite element computer code SUTRA.

Numerosas localidades del este santafesino satisfacen su demanda de agua potable a partir de fuentes superficiales. Sin embargo, en las proximidades del oeste provincial, los inconvenientes asociados a la cantidad y a la calidad del agua se agudizan. Más del 90 % de las comunidades que cuentan con servicio de agua potable tienen como única alternativa disponible al recurso hídrico subterráneo. Debido a varios factores concomitantes, en la última década han prosperado las plantas desalinizadoras como una alternativa para solucionar el problema del abastecimiento de agua. Sunchales, ubicada 140 km al noroeste de Santa Fe, constituye un ejemplo de esta problemática. Si bien estas plantas se transformaron en el complemento usual de los sistemas de captación tradicionalmente utilizados en la provincia, la desalinización del agua trae consigo el problema de la disposición del concentrado. Hasta el presente, el rechazo salino es arrojado a canales pluviales sin estudios previos del cuerpo receptor y de su entorno. En este trabajo se presentan los resultados parciales del análisis del impacto de la disposición del residuo sobre el acuífero freático en la zona de Sunchales. Dicho análisis se realiza mediante la simulación numérica del transporte subterráneo del rechazo utilizando el código computacional en elementos finitos SUTRA.

Dentro de la provincia de Santa Fe, las obras de captación para el abastecimiento de agua potable generalmente responden a uno de los siguientes diseños: batería de pozos convencionales, o sistema de represas para el almacenamiento de agua de lluvia combinado con pozos de gran diámetro munidos de drenes radiales. En algunos casos, los sistemas de captación diseñados no brindaron todos los resultados esperados, debiéndose recurrir a obras complementarias. A partir de la década de los 80 surge como alternativa el tratamiento del agua subterránea mediante ósmosis inversa (OI). Debido a su alto costo de operación y mantenimiento, este sistema fue inicialmente resistido, sin embargo hoy en día es la solución adoptada en numerosas localidades del interior provincial.

La ciudad de Sunchales, ubicada 140 km al noroeste de la ciudad de Santa Fe (Figura 1), constituye un ejemplo típico de esta problemática. Las obras de captación convencionales fueron inauguradas en el año 1985, y 10 años más tarde fueron reforzadas con la instalación de una planta de OI. El volumen inicial de explotación de la planta se incrementó considerablemente hasta alcanzar la producción actual de 2.900 m ³ /día. Esto se debe, por un lado, a la expansión de la capacidad productiva de la empresa Sancor con asiento en la ciudad, la que requiere mayores volúmenes de agua en sus procesos industriales, y por otro lado, al aumento del consumo por parte de los 18.000 habitantes de la ciudad. Si bien la planta contribuyó notablemente a mejorar el problema del abastecimiento de agua potable, abrió interrogantes en torno al impacto que la disposición final del residuo generado por el proceso de desalinización pueda tener sobre la explotación presente y futura de los recursos hídricos subterráneos de la zona.

En consecuencia, el principal objetivo de este trabajo es analizar el efecto del volcado del residuo salino sobre el ambiente subterráneo en el mediano y en el largo plazo. Dicho análisis se realiza mediante la simulación numérica del transporte del rechazo a través de la zona saturada, utilizando el código computacional en elementos finitos SUTRA. Se presentan aquí los resultados parciales de las simulaciones realizadas, detectándose un significativo avance de la mancha salina en la dirección del flujo regional al cabo de 10 años de simulación.

Dentro del mapa climático de la provincia de Santa Fe, Sunchales se encuentra ubicada bajo el clima subtropical con estación seca. La precipitación media registrada en la estación INTA Rafaela, distante 40 km, es de 935 mm. Las mayores precipitaciones se concentran entre los meses de primavera y verano.

La localidad de Sunchales está comprendida dentro de la faja de cañadas paralelas que se extiende al este del área elevada de Tostado (Pcia. de Santa Fe), desde esta localidad hasta Rafaela (Iriondo 1987), mientras que su relieve se caracteriza por las suaves pendientes. El perfil litológico responde al perfil típico de la región. A unos 104 m de profundidad puede identificarse la formación Paraná, constituida por arenas arcillosas y arcillas muy plásticas (GEOSER 1997).

Entre los 73 m y los 105 m, suprayacente al estrato sedimentario anterior, se ubica la formación Puelches, compuesta por arenas cuarzosas finas a medianas de color amarillento, con intercalaciones de gravilla en sus niveles inferiores. Esta formación constituye un acuífero de carácter semiconfinado, con aguas muy mineralizadas. El sistema eólico pampeano ocupa el resto del perfil hasta la superficie. Dentro del mismo pueden identificarse las facies eólica, palustre y limo arcillosa. La facie eólica, formada por un loess castaño amarillento, compuesto fundamentalmente por limos finos a gruesos, carentes de estratificación y muy friables, es la facie más permeable y alberga el acuífero superficial. El espesor del Pampeano varía en función de la profundidad del techo de la Formación Puelches. Sus valores típicos de conductividad hidráulica rondan los 10 m/día, mientras que el coeficiente de almacenamiento es del orden de los 10 ^-3 .

En lo referente a las obras de captación, en 1985 comenzó a funcionar el sistema de represas-pozos de gran diámetro. El mismo consiste de dos represas que almacenan el agua de lluvia proveniente de la cuenca de aporte, más 9 pozos Ranney de 6 metros de diámetro y una profundidad máxima de 16 m, con 20 drenes radiales horizontales cada uno.

Debido a la combinación de varios factores, entre ellos la dependencia del régimen pluviométrico y de temperaturas de la zona, el sistema no brindó un servicio eficiente y debió ser reforzado con nuevas perforaciones. Hace poco más de 4 años se instaló una planta de ósmosis inversa, cuya capacidad de producción inicial fue incrementándose paulatinamente hasta llegar actualmente a los 2.900 m ³ /día. El agua cruda que ingresa a la planta proviene del acuífero profundo, en tanto que el agua extraída del acuífero freático es mezclada con el agua ya desmineralizada en una proporción de aproximadamente 25% / 75% . El rendimiento de la instalación es de alrededor del 61%, lo que equivale a un volumen de rechazo mensual de unos 53.900 m ³ , es decir, aproximadamente 1.800 m ³ /día para las condiciones de operación actuales.

Inicialmente, dicho efluente se volcaba en un canal pluvial, a escasos metros de la planta de ósmosis inversa, las represas y los pozos de captación. Sin embargo, a partir de febrero de 1997, el punto de volcado se trasladó unos 600 metros aguas abajo, sobre el mismo canal. Es de hacer notar que el volumen actual del rechazo quintuplica el volumen inicial del mismo.

Finalmente, se debe aclarar que la empresa Sancor instalada en la localidad posee una planta de ósmosis inversa dentro de sus instalaciones, de la cual se desconocen las características de operación.

El análisis de la información antecedente incluyó el procesamiento de los datos disponibles en el estudio de fuente (CEA 1976) y en el estudio de los recursos de agua subterránea y su aprovechamiento en la Llanura Pampeana y el Valle del Conlara (CAAAS 1976), así como también los datos relevados por el INCYTH (1981) y por la Cooperatica de Provisión de Agua Potable y otros Servicios de Sunchales (CPAP 1998). La Tabla 1 resume la cantidad de datos analizados, incluyéndose asimismo el número de datos incluidos dentro del área cubierta por el modelo (ver Sección 4).

Luego de una exhaustiva valoración de la calidad de los datos, se decidió utilizar los de la CEA, debido a que los mismos proveen mayor densidad de información dentro del área de estudio. Se construyó así el mapa de equipotenciales ilustrado en la Figura 2, donde se incluyó la ubicación de los pozos de observación. En él se observa que la zona de mayores niveles freáticos se encuentra al noroeste de la ciudad de Sunchales y la zona de descarga se localiza al este de la misma. Esto motoriza un flujo regional en dirección aproximadamente noroeste-sudeste. Con respecto al gradiente hidráulico, pueden identificarse tres áreas bien diferenciadas. La primera de ellas está ubicada al oeste de Sunchales con valores promedio de 40 (cm/km), la segunda ocupa la zona central con gradientes del orden de 100 (cm/km) , y la tercera se halla al sudeste con gradientes del orden de 70 (cm/km). Este patrón regional fue tenido especialmente en cuenta durante la etapa de calibración del modelo numérico.

Por otra parte, los escasos datos del INCYTH, al igual que los de la CPAP, no permiten construir un nuevo mapa de la superficie freática. No obstante estos últimos datos pueden utilizarse para reconstruir la evolución temporal de los niveles en el predio de la Cooperativa (Stangaferro 1999).

Dadas las características del estudio, la descripción de la calidad del agua adquiere una especial relevancia. Casi toda la parte central de la región pampeana, donde está situada Sunchales, posee aguas muy salinizadas tanto en su acuífero superior como inferior. Localmente se encuentran bolsones de agua de menor mineralización, en coincidencia con áreas de bajos que favorecen la infiltración del agua de lluvia. El ion que existe en abundancia en grandes zonas de la provincia es el sulfato, mientras que en zonas de alta salinización están presentes las aguas cloruradas. El catión dominante es el sodio, contabilizando aproximadamente el 80% de los cationes, le siguen el Ca y el Mg. A su vez, los sulfatos y los cloruros conforman el 80% de los aniones, mientras que los iones carbónicos importan el 19% (CAAAS 1976). En la región de Sunchales, y de acuerdo a la clasificación de STIFF (CEA 1976, CAAAS 1976), las aguas son catalogadas como bicarbonatadas sódicas, y en otros casos cloruradas sódicas o sulfatadas sódicas.

Por otra parte, el rechazo salino proveniente de la planta de osmosis inversa contiene cantidades significativas de cloruros y sulfatos. Es sabido que los cloruros constituyen una sal muy estable en disolución y muy difícilmente precipitable, no se oxida ni reduce en aguas naturales, lo que permite un seguimiento espacio-temporal de la misma sin alteración. En general va asociado al ion Na ⁺ , en especial en aguas salinas, no obstante el número de miliequivalentes de ambos iones no siempre es igual (Custodio y Llamas, 1976). Teniendo en cuenta estas consideraciones y su abundancia en la zona estudiada, el cloruro es la sustancia que se utilizó en el modelo de transporte.

Generalmente, el parámetro hidroquímico que se mide con mayor facilidad y frecuencia es la conductividad eléctrica (CE) conjuntamente con la carga hidráulica. Se establecieron regresiones lineales entre el contenido de cloruros (ppm) y la CE (mS/cm) (mS/cm=mmho/cm), para los distintos juegos de datos disponibles con el fin de poder transformar los numerosos valores de CE en cloruros y así obtener una estimación de la distribución espacial de cloruros (Tabla 2).

De las tres expresiones incluidas en la Tabla 2 se adoptó la tercera de ellas para convertir los valores de CE a Cl ^- . La elección se basa en la cantidad de datos involucrados y a la procedencia, ya que los mismos provienen de la zona de mayor interés en este estudio. Se generó así un mapa de la distribución espacial de cloruros, el que se utilizó como condición inicial para el problema de transporte investigado.

A partir del análisis de la información disponible y a las premisas anteriormente expuestas, se ha elaborado un modelo conceptual del subsuelo considerando sólo el acuífero superior. La representación del sistema mediante un solo acuífero se basa en el hecho de que, a pesar de que la explotación del acuífero profundo es significativa, el impacto ambiental del volcado del rechazo salino es absorbido íntegramente por el acuífero freático. Además, la conexión hidráulica entre ambos acuíferos aún no se ha establecido fehacientemente.

El modelo SUTRA implementado en el presente trabajo, es un programa computacional que simula el movimiento del fluido y el transporte de energía o solutos tanto en la zona saturada como en la zona no saturada (Voss 1984). Su aplicación se restringe a problemas bidimensionales tanto en planta como en secciones transversales. Una de sus mayores virtudes es su capacidad para simular procesos de transporte de fluidos de densidad variable. En la sección siguiente se describen las características de las simulaciones realizadas.

Primeramente se construyó un modelo regional con el fin de calibrar los parámetros hidrogeológicos y obtener una condición inicial para las corridas subsiguientes en estado transitorio. El mismo consistió en una malla de 1.271 nodos y 1.200 elementos finitos regulares de 300 m de lado, que ocupa el sector sudeste de la carta topográfica Sunchales (Figura 3) y engloba un área de 12Km X 9Km. En cuanto a las condiciones de borde, se adoptaron condiciones de tipo Dirichlet a largo de todo el perímetro de la región simulada. Como se ilustra en la Figura 4, se obtuvo una muy buena comparación entre los valores de carga hidráulica simulados y los generados a partir de datos observados, sobre todo en los alrededores de la zona de mayor interés. La calibración arrojó un rango de conductividad hidráulica de 1 a 20 m/día, y un coeficiente de almacenamiento de 3x10 ^-2 .

Teniendo en cuenta que la explotación del recurso subterráneo y la descarga del rechazo al canal tienen lugar en un área relativamente reducida, se construyó un modelo de detalle en torno a dichas obras (Figura 3). La nueva malla consistió en 4.717 nodos y 4.576 elementos trapezoidales cuyos lados oscilan entre los 60 metros en la zona central y los 120 metros en la periferia del dominio computacional. Tanto las condiciones de borde como las condiciones iniciales fueron obtenidas a partir del modelo regional.

Se realizó una corrida preliminar en estado transitorio por un lapso de 10 años bajo la hipótesis de equilibrio entre recarga y extracción. El ingreso del rechazo al medio subterráneo se representó mediante una fuente lineal de tasa constante, cuya ubicación es coincidente con la traza del canal pluvial que recibe la descarga. La Figura 5 ilustra la distribución espacial de cloruros obtenida después de 10 años de simulación. Se observa claramente el desplazamiento de la mancha salina en la dirección del flujo regional, abarcando toda la zona ubicada hacia la margen derecha del canal. Las concentraciones máximas alcanzaron valores de más de 1.400 ppm cuando, en promedio, los valores iniciales no superaban los 450 ppm. Se observa un desarrollo de la pluma tanto en la dirección longitudinal a la traza media del canal, como también en la dirección transversal al mismo. La razón entre el coeficiente de dispersividad transversal y longitudinal para esta corrida es de 0,10. A poco de iniciarse la descarga, se observa una zona menos afectada por la mancha, hecho que puede explicarse por la orientación del flujo superficial en el canal con respecto al flujo advectivo en la zona saturada.

Los resultados preliminares aquí presentados ponen de manifiesto la utilidad de la modelación numérica para visualizar situaciones futuras que de otra manera no podrían cuantificarse. Si bien aún resta afinar la calibración de los parámetros químicos, se estima que la distribución de cloruros simulada para las hipótesis de trabajo constituye una primera aproximación al problema. El hecho de haber trasladado la descarga del concentrado 600 metros aguas abajo, sumado a los testimonios orales de algunos dueños de campos aledaños a la planta respecto del posible deterioro de la calidad del agua en los molinos, son indicadores cualitativos de la existencia de una pluma de alta salinidad. Estos indicadores constituyen una prueba indirecta de la versatilidad del código SUTRA para analizar situaciones como la planteada.

Los resultados hasta aquí obtenidos y aquellos que se generen a través de nuevas simulaciones podrán ser verificados a través del monitoreo espacial y temporal del recurso hídrico subterráneo.

Una combinación de subsidios provenientes de diferentes fuentes hicieron posible el desarrollo del presente trabajo. En particular se agradece a la Universidad Nacional del Comahue y a la Universidad Nacional del Litoral, como así también el aporte recibido del CONICET a través del subsidio PIP 0616/98 y al Ing. Erico Pedrotti de la CPAP por los datos aportados, que fueron esenciales para la concreción del trabajo.

Compañía Estudios de Agua, CEA, 1976. Estudio Hidrogeológico. Sunchales Convenio Argentino Alemán de Aguas Subterráneas (CAAAS). 1976. Recursos de agua subterránea y su aprovechamiento en la llanura Pampeana y en el Valle del Conlara. Tomo 8, 102p.

Cooperativa de agua potable y otros servicios Sociedad Ltda.,1998. Comunicación verbal con el Ing. E. Pedrotti.

Custodio, E. y Llamas, M.R., 1976. Hidrología subterránea. Tomo II. Ediciones Omega, Barcelona, España, 2.359p.

GEOSER S.R.L. 1997. Memoria técnica de la perforación No. 7 para abastecimiento a la planta de tratamiento en la localidad de Sunchales. Sunchales, Pcia. De Santa Fe.

Instituto Nacional de Ciencia y Técnica Hídricas (INCyTH), 1981. Información inédita suministrada por la Ing,. Sosa.

Iriondo, M., 1987. Geomorfología y Cuaternario de la Provincia de Santa Fe. D´Orbignyana, 4. pp. 1-54. Corrientes, Argentina.

Stangaferro, S., 1999. Evaluación del impacto ambiental del volcado puntual de residuos salinos.

Tesis de Maestría Facultad de Ingeniería y Ciencias Hídricas, Universidad Nacional del Litoral (en edición).

Voss, C.I., 1984. A finite element simulation model for saturated-unsaturated, fluid-density-dependent ground-water flow with energy transport or chemically-reactive single species solute transport. USGS Water Resources Investigations Report 84-4369, 409p. Reston, Virginia, Estados Unidos.