Determinación de la vulnerabilidad de un acuífero a través del método DRASTIC utilizando ArcGIS 9.3

Feb 13, 2011 11 min read

El término vulnerabilidad a la contaminación de un acuífero o del agua subterránea se aplica para representar las características intrínsecas que determinan su susceptibilidad a ser afectados adversamente por una carga contaminante que produzca cambios químicos, físicos o biológicos que superen los límites máximos establecidos en las normativas que regulan la potabilidad del agua (Foster 1987).

La vulnerabilidad es principalmente función de:

a) La capacidad de la zona saturada para limitar hidráulicamente la penetración de contaminantes;

b) La capacidad de atenuación de los niveles situados sobre la zona saturada del acuífero, como resultado de su retención física y reacción química con los contaminantes.

Existen muchas técnicas para desarrollar una cartografía de la vulnerabilidad de acuíferos. Una de las más conocidas y la utilizada en este trabajo, es la denominada DRASTIC (Aller et al., 1987). DRASTIC es el acrónimo de un índice que  involucra siete parámetros o factores:

D (depth to water): profundidad del nivel del agua;

R (net recharge): recarga neta;

A (aquifer media): formación geológica que constituye el acuífero;

S (soil media): cubierta edáfica bajo la superficie del terreno;

T (topography): pendiente del terreno;

I (impact of vadose zone): tipo de material geológico de la zona no saturada;

C (hydraulic conductivity): conductividad hidráulica del acuífero.

El sistema permite determinar un valor numérico para cada sitio hidrogeológico por medio de un modelo aditivo (de la sumatoria de los valores asignados a cada parámetro). Cada uno de los siete factores recibe un peso ponderado por lo que la vulnerabilidad puede evaluarse a partir de la ecuación:

Contaminación potencial = (Dw·Dr) + (Rw·Rr) + (Aw·Ar) + (Sw·Sr) + (Tw·Tr) + (Iw·Ir) + (Cw·Cr). (Ecuación 1).

Donde:

Dw, Rw, Aw, Sw, Tw, Iw y Cw corresponden a la ponderación de cada uno de parámetros o factores señalados anteriormente.

Dr, Rr, Ar, Sr, Tr, Ir y Cr corresponden a la reclasificación o valoración interna de cada parámetro de acuerdo a la variabilidad de la propiedad.

1. Factores de ponderación

Para el caso de determinación de la vulnerabilidad intrínseca de acuíferos, los factores de ponderación son los consignados en la siguiente tabla.

Tabla 1. Factores de ponderación

Tipo

Variable
Dw
Rw
Aw
Sw
Tw
Iw
Cw
Intrínseca
5
4
3
2
1
5
3

Fuente: http://www.miliarium.com/prontuario/MedioAmbiente/Aguas/VulnerabilidadAcuiferos.htm#DRASTIC.

Reemplazando los valores correspondientes, la ecuación 1 se transforma en:Contaminación potencial = (5Dr) + (4Rr) + (3Ar) + (2Sr) + (1Tr) + (5Ir) + (3Cr). (Ecuación 2)Esta ecuación permite obtener valores de vulnerabilidad que van de 23 a 230 según se muestra en la siguiente tabla.

Tabla 2. Rangos de variación del índice de vulnerabilidad intrínseca
Grado vulnerabilidad
Valor DRASTIC
Calificación
Muy bajo
23-64
1
Bajo
64-105
2
Moderado
105-146
3
Alto
146-187
4
Muy alto
187-230
5

2. Factores de valoración o reclasificación

Los factores de ponderación toman valores de 1 a 10,  se utilizan para reclasificar la variación de las propiedades de cada uno de los parámetros utilizados. Para la elaboración del presente tutorial fueron tomados de los sitios:

http://www.miliarium.com/prontuario/MedioAmbiente/Aguas/VulnerabilidadAcuiferos.htm#DRASTIC.http://proceedings.esri.com/library/userconf/latinproc00/costa_rica/analisis_vulnerabilidad/vulnerabilidad_acuiferoscr.htm

Tabla 3. Profundidad del nivel del agua.
 
Tabla 4. Recarga neta.
Profundidad
(m)
Valoración
Dr
0 - 1,5
10
1,5 - 4,6
9
4,6 - 9,1
7
9,1 - 15,2
5
15,2 - 22,9
3
22,9 - 30,5
2
> 30,5
1
Recarga (mm)
Valoración Rr
0 - 50
1
50 - 103
3
103 - 178
6
178 - 254
8
> 254
9
 
Tabla 5. Formación geológica que constituye
el acuífero.
 
Litología del acuífero
Valoración
Ar
Valor
Típico Ar
Lutita masiva
1 - 3
2
Metamórfica/Ígnea
2 - 5
3
Metamórfica/Ígnea meteorizada
3 - 5
4
Till glacial
4 - 6
5
Secuencias de arenisca, caliza y lutitas
5-9
6
Arenisca masiva
4-9
6
Caliza masiva
4-9
6
Arena o grava
4-9
8
Basaltos
2-10
9
Caliza kárstica
9-10
10
 
Tabla 6. Cubierta edáfica bajo la superficie del terreno.
 
Tipo de suelo
Valoración Sr
Delgado o ausente
10
Grava
10
Arena
9
Agregado arcilloso o compactado
7
Arenisca margosa
6
Marga
5
Limo margoso
4
Arcilla margosa
3
Estiércol-cieno
2
Arcilla no compactada y no agregada
1
Tabla 7. Tipo de material geológico de la zona no saturada.
 
Naturaleza de la zona no saturada
Valoración
Ir
Valor típico
Ir
Capa confinante
1
1
Cieno-arcilla
2-6
3
Lutita
2-5
3
Caliza
2-7
6
Arenisca
4-8
6
Secuencias de arenisca, caliza y lutita
4-8
6
Arena o grava con contenido de cieno y arcilla significativo
4-8
6
Metamórfica/Ígnea
2-8
4
Grava y arena
6-9
8
Basalto
2-10
9
Caliza kárstica
8-10
10
 
Tabla 8. Pendiente del terreno
Pendiente (%)
Valoración Tr
0-2
10
2-6
9
6-12
5
12-18
3
> 18
1
 
Tabla 9. Conductividad hidráulica del acuífero.
Conductividad hidráulica
(m/día)
Valoración
Cr
0,04 - 4,08
1
4,08 - 12,22
2
12,22 - 28,55
3
28,55 - 40,75
6
40,75 - 81,49
8
> 81,49
10

3. Trabajo con ArcGis

Para calcular el índice de vulnerabilidad con ArcGIS se deben seguir 3 pasos en los que se utilizará análisis de superficie (slope),  interpolación, reclasificación y álgebra de mapas, funciones de la herramienta Spatial Analyst vistas anteriormente. Por ello recomiendo revisar los artículos relacionados.

Paso 1. Construir los mapas que representan la distribución espacial de cada una de las variables, para ello se puede utilizar ya sea métodos determinanticos (IDW, Spline) o geoestadisticos (Krigin), particularmente recomiendo que se utilice geoestadistica, pero para ilustrar la potencialidad de ArcGIS y dado que no he abordado la herramientas Goestatiastic Analyst trabajaremos con IDW ya visto anteriormente.

Paso 2. Consiste en Reclasificar los mapas obtenidos para cada una de las variables de acuerdo a los datos consignados en las tablas de la 3 a la 9. Esto se realiza por medio de la función Reclassify… de la extensión Spatial Analyst. Para ello se recomienda ver Reclasificar un Raster. Para los datos no numéricos como Formación geológica que constituye el acuífero, Cubierta edáfica bajo la superficie del terreno y Tipo de material geológico de la zona no saturada, simplemente se le da una valoración al tipo de material de acuerdo a las tablas anteriores para construir el raster correspondiente.

Paso 3. Algebra de mapas. Con los mapas ya reclasificados de acuerdo al paso anterior, lo que sigue es  realizar la suma ponderada de cada uno de ellos. Para ello ArcGis cuenta con la herramienta Raster Calculator de la extensión Spatial Analyst. Para ver como se utiliza esta herramienta recomiendo ver los artículos “Tutorial de álgebra de mapas” y “Algebra de mapas y las operaciones con imágenes de satélites”.

El resultado obtenido en el paso anterior se reclasifica de acuerdo a la tabla 2 para finalmente obtener el mapa de variación del índice de vulnerabilidad intrínseca de un acuífero.

4. Vulnerabilidad Paso a Paso

Los paso 1 y 2 se ilustran a continuación.

4.1 Mapa de profundidad del nivel del agua. Se obtiene a partir de la medición de niveles en pozos profundos o piezómetros destinados para ello en un acuífero libre, mientras que en un acuífero confinado se debe realizar un mapa del techo del acuífero utilizando los perfiles litológicos construidos con las perforaciones realizadas.

Paso 1. Obtención del techo del acuífero (acuífero confinado).

Paso 2. Reclasificación del raster del techo del acuífero

Damos clic en Spatial Analyst seguido de Reclassify… se abre la ventana Reclassify, donde damos clic en el botón classify y la parte donde aparece Break Values colocamos los valores correspondientes para construir los rangos consignados en la tabla 3, el resultado es el siguiente.

Pulsamos clic en OK, volvemos nuevamente a la tabla de reclasificación, en ella introducimos la nueva valoración para cada uno de los rangos que aparecen (según datos de la tabla 3), el resultado es el siguiente.

Después de pulsar Ok, obtenemos el nuevo mapa de valoración de la profundidad del techo del acuífero.

4.2 Mapa de Recarga neta. Se desprende de la realización del balance hídrico, para lo cual se debe contar con datos de precipitación, evapotranspiración, tipo de suelos, infiltración, escorrentía.

Paso 1. Construcción del mapa de variación de la recarga en el acuífero 8balance hídrico).

Paso 2. Reclasificación del raster de la recarga

Damos clic en Spatial Analyst seguido de Reclassify… se abre la ventana Reclassify, donde damos clic en el botón classify y la parte donde aparece Break Values colocamos los valores correspondientes para construir los rangos consignados en la tabla 4, el resultado es el siguiente.

Pulsamos clic en OK, volvemos nuevamente a la tabla de reclasificación, en ella introducimos la nueva valoración para cada uno de los rangos que aparecen (según datos de la tabla 4), el resultado es el siguiente.

Después de pulsar Ok, obtenemos el nuevo mapa de valoración de la recarga del acuífero.

4.3 Formación geológica que constituye el acuífero. Este se obtiene a partir del estudio geológico del acuífero, perforaciones, sondeos geofísicos, registros de pozos, etc, lo cual nos va a permitir establecer el tipo de roca que conforman el acuífero.

Paso 1. Se construye el mapa de la litología del acuífero.

Paso 2. Dado que este mapa no representa valor numérico, lo que se realizará es valorar la litología encontrada de acuerdo a la tabla 5. Con ello obtendremos  el nuevo mapa de valoración de la litología del acuífero.

4.4 Cubierta edáfica bajo la superficie del terreno. Se refiere a las características del tipo de suelo más superficial, se puede obtener información a partir de estudios de suelos regionales o locales.

Paso 1. Se construye el mapa de las características de la Cubierta edáfica bajo la superficie del terreno.

Paso 2. Dado que este mapa no representa valor numérico, lo que se realizará es valorar el tipo de suelo de acuerdo a la tabla 6. Con ello obtendremos  el nuevo mapa de valoración de la Cubierta edáfica bajo la superficie del terreno.

4.5 Tipo de material geológico de la zona no saturada. Se refiere al tipo de suelo que compone la zona no saturada, define la facilidad o dificultad con que podría viajar un contaminante por este medio, la información también se obtiene de estudios geológicos del acuífero, perforaciones, sondeos geofísicos, registros de pozos, etc.

Paso 1. Se construye el mapa de las características de la roca que componen la zona no saturada.

Paso 2. Dado que este mapa no representa valor numérico, lo que se realizará es valorar el tipo de suelo de acuerdo a la tabla 7. Con ello obtendremos  el nuevo mapa de valoración del Tipo de material geológico de la zona no saturada.

4.6 Pendiente. Se obtiene a partir de un modelo digital del terreno o curvas de nivel.

Paso 1. A un modelo digital de elevación (MDE) del área del acuífero, le aplicamos la función Slope del la herramienta Spatial Analyst y obtenemos lo siguiente.

Paso 2. Reclasificación del raster

Damos clic en Spatial Analyst seguido de Reclassify… se abre la ventana Reclassify, donde damos clic en el botón classify y la parte donde aparece Break Values colocamos los valores correspondientes para construir los rangos consignados en la tabla 8, el resultado es el siguiente.

Pulsamos clic en OK, volvemos nuevamente a la tabla de reclasificación, en ella introducimos la nueva valoración para cada uno de los rangos que aparecen (según datos de la tabla 8), el resultado es el siguiente.

Después de pulsar Ok, obtenemos el nuevo mapa de valoración de la pendiente del terreno.

4.7 Conductividad hidráulica del acuífero. Esta información se obtiene a partir de pruebas de bombeo realizadas en los distintos piezómetros o pozos de explotación existentes en el acuífero.

Paso 1. Se construye el mapa de variación de la conductividad hidráulica partir de los resultados de interpretación de las pruebas de bombeo realizadas como se muestra a continuación.

Paso 2. Reclasificación del raster

Damos clic en Spatial Analyst seguido de Reclassify… se abre la ventana Reclassify, donde damos clic en el botón classify y la parte donde aparece Break Values colocamos los valores correspondientes para construir los rangos consignados en la tabla 9, el resultado es el siguiente.

Pulsamos clic en OK, volvemos nuevamente a la tabla de reclasificación, en ella introducimos la nueva valoración para cada uno de los rangos que aparecen (según datos de la tabla 9), el resultado es el siguiente.

Después de pulsar Ok, obtenemos el nuevo mapa de valoración de la condutividad hidráulica.

4.8 Algebra de mapas. Corresponde al paso 3 descrito anteriormente. En primer lugar, se realiza la suma ponderada de todos los parámetros o mapas obtenidos utilizando la Calculadora Raster; luego se reclasifica el resultado o raster obtenido de acuerdo a los rangos que aparecen en la tabla 2.

Los raster reclasificados en los pasos 1 y 2 se muestran en la siguiente figura.

Se abreviaron los nombres para facilitar los cálculos, el significado de cada abreviatura se muestra a continuación.

Dr = (depth to water): profundidad del nivel del agua;

Rr = (net recharge): recarga neta;

Ar = (aquifer media): formación geológica que constituye el acuífero;

Sr = (soil media): cubierta edáfica bajo la superficie del terreno;

Tr = (topography): pendiente del terreno;

Ir = (impact of vadose zone): tipo de material geológico de la zona no saturada;

Cr = (hydraulic conductivity): conductividad hidráulica del acuífero.

Para aplicar algebra de mapas procedemos se la siguiente forma: Clic en Spatial Analyst, seguido de Raster Calculator, en la ventana que aparece, escribimos la siguiente ecuación.

Vulnerab = 5 * [Dr]+ 4 * [Rr] + 3 * [Ar] + 2 * [Sr] + 1 * [Tr] + 5 * [Ir] + 3 * [Cr]

El resultado es el siguiente:

Finalmente este mapa se reclasifica como sigue. Clic en Spatial Analyst seguido de Reclassify… se abre la ventana Reclassify, donde damos clic en el botón classify y la parte donde aparece Break Values colocamos los valores correspondientes para construir los rangos consignados en la tabla 2, el resultado es el siguiente.

Pulsamos clic en OK, volvemos nuevamente a la tabla de reclasificación, en ella introducimos la nueva valoración para cada uno de los rangos que aparecen (según datos de la tabla 2), el resultado es el siguiente.

Se obtiene lo siguiente.

De acuerdo a la tabla 2, “1 corresponde a vulnerabilidad muy baja, 2 a baja, 3 moderada y 4 a alta”, por lo tanto nuestro mapa de vulnerabilidad se transforma en el siguiente.

Pedro Villegas

Ingeniero Civil, Master en Ingeniería con énfasis en hidrogeología