Simposio Isótopos y Aguas Subterráneas Interacción entre las lagunas freáticas de Doñana (SO España) y el acuífero según los isótopos ambientales Edurne Lozano(1), Felipe Delgado(1), Marisol Manzano(1,2) y Emilio Custodio(1,3) (1) Dpto. Ingeniería del Terreno. Universidad Politécnica de Cataluña, Barcelona. (2) Institut Jaume Almera. Consejo Superior de Investigaciones Científicas, Barcelona. (3)Temporalmente, Instituto Geológico y Minero de España, Madrid. Resumen Se han estudiado las relaciones entre las aguas subterráneas y superficiales del entorno de las lagunas peridunares de Doñana mediante datos hidrogeoquímicos y de isótopos ambientales (18O, 2H y 3H). Los resultados preliminares indican que la mayor parte de las aguas subterráneas (hasta 45 m de profundidad) proceden de la recarga de la lluvia local sin experimentar procesos significativos de evaporación durante la infiltración, mientras que un buen número de aguas subterráneas son mezcla en distinta proporción de las aguas anteriores y de aguas enriquecidas isotópicamente por evaporación en las lagunas. Los cambios isotópicos que ocurren en las lagunas se conservan en el acuífero aguas abajo de las mismas, lo que permite utilizarlos como trazadores del flujo en el acuífero. Palabras clave: Doñana, agua subterránea, laguna freática, isótopos ambientales. 1.– Introducción El área de estudio está localizada en la zona costera del Parque Nacional de Doñana (PND), al SO de España. Las lagunas estudiadas (Ojillo, Navazo del Toro, Charco del Toro, Zahillo, Taraje, Dulce, Santa Olalla, Las Pajas, Sopetón y charca de Manuela) son freáticas y no tienen descarga superficial. Están situadas a lo largo del borde interno del cordón dunar paralelo a la costa (Fig. 1.A). B) A) MIOCENO MA- Margas azules PLIO - QUATERNARIO (ACUÍFERO DE DOÑANA) UM- Unidad de Marismas. Arcilla UE- Unidad eólica. Arena UA- Unidad aluvial. Arena, limo y grava UD- Unidad deltaica. Arena y limo C) Fig. 1. A)- Mapa de situación de las lagunas estudiadas y piezometría representativa. B)- Geología del sistema acuífero de Doñana. C)- Corte geológico de la zona de estudio. A comienzo de la década de 1980 se iniciaron los estudios de los sistemas lagunares (Montes et al., 1982; Pérez-Cabrera y Toja, 1989; Serrano y Toja, 1995), caracterizándose química y biológicamente e identificando la existencia de conexión hidráulica entre las lagunas a través del flujo subterráneo. Estudios hidrogeológicos llevados a cabo en la década de 1990 establecieron un modelo de flujo que será tomado como punto de partida en este estudio (Vela et al., 1987; Sacks et al., 1992). El objetivo del trabajo es realizar una primera aproximación a los procesos físicos y químicos que tienen lugar en las lagunas y ver su influencia en la química de las aguas subterráneas del acuífero libre del entorno. Para ello durante dos años y medio (1998-2000) se han realizado muestreos y análisis químicos e isotópicos de aguas superficiales (lagunas) y subterráneas a distintas profundidades y se ha medido la evolución piezométrica de los puntos muestreados. 2.- Geología La zona de estudio forma parte del sistema acuífero de Doñana. Se sitúa dentro de la Unidad Eólica (Salvany y Custodio, 1995), que está constituida por una gruesa capa (50-80 m) de arenas litorales y eólicas de naturaleza silícea (Iglesias, 1999) con intercalaciones de arenas finas y limos. Hacia el E pasa lateralmente a las arcillas cuaternarias que forman la Unidad de Marisma (Fig. 1. B y C). E. Lozano, F. Delgado, M. Manzano y E. Custodio. La hidrogeología de la zona se expone con detalle en Delgado et al. (2001), razón por la cual no se repite aquí. 3.- Materiales y métodos Durante el periodo 1998-2000 se han tomado muestras de agua, en diferentes épocas, de las lagunas, de aguas freáticas (1-2 m de profundidad) y de aguas subterráneas a diferentes profundidades (hasta los 45 m) para analizar los iones mayoritarios (ver Delgado et al., 2001) y los isótopos ambientales 18O, 2H y 3H. Los muestreos han sido aproximadamente estacionales. Las muestras de agua subterránea entre 10 y 45 m de profundidad se tomaron en sondeos con rejilla corta y las muestras de agua freática (<2 m) se tomaron de sondeos manuales destructivos. Los análisis de 18O y el 2H se realizaron en el laboratorio GGA (Institut für Geowissenschftliche Gemeinschaftsaufgaben, Hannover), con errores analíticos de 0.1 ‰ para el 18O y de 1 ‰ para el 2H. El tritio fue analizado en la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB). 4.- Relación lagunas-acuífero según los isótopos ambientales Los contenidos en tritio en el agua subterránea de la zona ponen de manifiesto que existe una gradación de edades con la profundidad (Baonza et al., 1984; Poncela et al., 1992; Custodio, 1994; Iglesias, 1999) desde aguas jóvenes (<8 años) a profundidades de menos de 20 metros a aguas prenucleares a profundidades de 70-80 m. Estudios previos (Baonza et al., 1984; Vela et al., 1987; Manzano et al., 1991; Manzano et al., 2001; Iglesias, 1999) ponen de manifiesto que el agua subterránea en el área no confinada posee la marca isotópica de la lluvia local: 18O = 4,7 a -5,0 ‰ SMOW; 2H = -28 a -30 ‰ SMOW. La mayoría de los datos de 18O y 2H del agua subterránea del presente estudio se agrupan en torno a los valores 18O = -50,3 ‰ SMOW y 2H = -303 ‰ SMOW (Fig. 2), A) RE Agua subterránea Lagunas Agua freática Lluvia local, oct 99 Lluvia local 1990 Agua de mar local Recta meteórica mundial Recta de evaporación de aguas de lagunas 40 30 H 20 =8 O +1 0‰ RE 10 O ‰ SMOW 0 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 -20 -30 -40 -50 H ‰ SMOW -10 B) -60 -70 Fig. 2.-Diagrama 18O-2H: A)- Aguas subterráneas (2-45 m), aguas freáticas y aguas de lagunas en el área de estudio; muchas de estas aguas se agrupan en torno a una recta de evaporación de pendiente 4,4; B)- En la ampliación se observan dos procesos de evaporación: uno en superficie definido por la recta RE y otro quizá en el terreno definido por las muestras dentro de la elipse . indicando una recarga por lluvia sin evaporación previa. El exceso de deuterio es aproximadamente +10 ‰. Las muestras de agua de las lagunas siguen una línea de evaporación con pendiente 4,4, que es un valor característico de la evaporación en superficie (línea RE en Fig. 2. A). Algunas muestras de agua subterránea también se sitúan sobre esa línea, lo que sugiere que han sido muestreadas sobre una línea de flujo procedente de las lagunas y aguas abajo de éstas. Las aguas freáticas situadas por debajo de la línea de evaporación RE (Fig. 2. B) se ajustan mejor a otra línea de pendiente entre 2 y 3, lo cual sugiere un fraccionamiento por evaporación en el suelo durante la infiltración del agua de lluvia a causa de procesos difusivos. No obstante, la existencia de una cobertura vegetal continua y el hecho de que sólo unas pocas aguas muestren esta tendencia hacen que este fenómeno sea poco probable, excepto en la zona de dunas. Observando la relación Cl-18O, la mayoría de las muestras de agua subterránea y agua freática siguen una tendencia de salinización sin enriquecimiento isotópico (marcada por la flecha en la Fig. 3. A) por disolución de la deposición seca sobre el terreno (principalmente sales del aerosol marino, aunque probablemente también partículas procedentes de las emisiones del polígono industrial de Huelva) y por concentración por evaporación. Todas las aguas de las lagunas E. Lozano, F. Delgado, M. Manzano y E. Custodio. muestran el efecto del fraccionamiento isotópico por evaporación en diferentes grados, resultando un amplio rango de contenidos de Cl y 18O (puntos englobados por la línea discontinua en Fig. 3. A). A) 18O ‰ SMOW 10 10 8 8 6 6 4 4 2 2 0 0 -2 -2 -4 -4 -6 1 10 100 1000 Cl (mg/L) -6 10000 1 Agua freática Resto de aguas subterráneas Lagunas Agua de lluvia local B) 10 100 1000 SO4 (mg/L) Fig. 3.- A)- Cl vs. 18O en agua freática, agua subterránea más profunda y agua de laguna evaporada en superficie. B)- SO4 vs. 18O en los mismos tipos de agua. La flecha en ambas figuras indica la incorporación creciente de solutos en las aguas por disolución de la deposición seca, que incluye las sales del aerosol marino y probablemente también partículas emitidas por el polígono industrial de Huelva, y por concentración de las aguas por evaporación. La relación SO4-18O muestra el mismo proceso para el caso del S (Fig. 3. B). La posible incorporación al agua subterránea de la zona de S procedente de la industria de Huelva es mencionada por Iglesias et al. (1996) y se va a estudiar en detalle en próximos trabajos. Por otro lado, se ha observado que los valores más pesados de 18O y los contenidos menores de SO42- (30-50 mg/L) en el agua de las lagunas coinciden con los niveles bajos de inundación, mientras que los valores más ligeros de 18O y un amplio rango de contenido en SO42- (10-1000 mg/L) corresponden a niveles más altos de inundación. Estos datos están en concordancia con la evolución química de algunas lagunas (Charco del Toro, charca Manuela, ver Delgado et al., 2001), que muestra un incremento significativo de la concentración de SO42- tras las primeras lluvias de otoño. Las hipótesis más plausibles (aunque aún no comprobadas) para explicar este incremento de SO4 son la oxidación de sulfuros acumulados en los sedimentos del fondo de las lagunas y/o la disolución, con las primeras lluvias de la estación húmeda, de sales sulfatadas precipitadas en la zona encharcable externa de algunas lagunas durante la estación seca. Las muestras dentro de la línea discontinua corresponden a aguas superficiales con distinto grado de evaporación/dilución, las cuales se van enriqueciendo en 18O por evaporación mientras que el SO42- va desapareciendo por alguno (o los dos) procesos antes propuestos (Fig. 3.B). Se han utilizado los valores de 2H y 18O de las aguas freáticas tomadas en mayo y noviembre del 2000 para comprobar el modelo de flujo entre las lagunas Dulce y Santa Olalla propuesto por Vela et al. (1987) y Sacks et al. (1992), que indica un flujo preferente de sentido SE. Los valores obtenidos para ambas campañas son muy semejantes, con un rango de variación para el 18O de ± 0.3‰ y para el 2H de ± 3‰ en la mayor parte de las muestras. Por este motivo se han utilizado los valores de muestreo de mayo de 2000 como representativos de la situación de la laguna durante el periodo estudiado. De acuerdo con los valores de 18O, 2H y de exceso de deuterio (d, cuyo valor es menor que el de la lluvia local cuando el agua sufre procesos de evaporación ) (Fig. 4), en el momento del muestreo los d lluvia local = +6 a +15 ‰ Punto de muestreo 6.26 Exceso de deuterio (d) Sentido del flujo subterráneo Fig. 4.- Valores de exceso de deuterio en las aguas freáticas del entorno de las lagunas Dulce y Santa Olalla y posibles puntos de recarga y descarga de la laguna en el momento de muestreo (mayo de 2000). E. Lozano, F. Delgado, M. Manzano y E. Custodio. márgenes N, O y SE de la laguna actuaban como áreas de entrada de agua del acuífero a la laguna, ya que las aguas muestran una composición isotópica con valores de d entre +12 y +6,5 ‰, muy cercana a la de la lluvia local (d lluvia +6 y +15 ‰). Respecto al borde S, aunque el valor de d por si solo (entre +6,3 y +4,48 ‰) no lo muestra claramente, combinándolo con la CE del agua (ver Delgado et al., 2001) se ve que actuaba como una zona de descarga de la laguna. Los valores de conductividad eléctrica (CE) de las aguas freáticas (superiores a 4500 S/cm), así como la composición isotópica más pesada de estas aguas (d menores de +6,3 ‰), indican que también había descarga por una estrecha franja de la esquina E-SE. Estos resultados están en concordancia con el modelo propuesto por los autores antes mencionados, si bien no pueden descartarse cambios estacionales los cuales no han sido estudiados en este trabajo. 5.- Conclusiones La composición isotópica del agua de las lagunas y su evolución temporal está controlada por la lluvia, la evaporación en superficie y las entradas y salidas de agua subterránea. Asimismo depende del nivel de inundación: durante los periodos de estiaje la laguna se va secando y el agua va concentrándose progresivamente, aumentando los contenidos en 18O y 2H. Al aumentar la inundación con las siguientes lluvias se produce una dilución que aligera isotópicamente las aguas de la laguna, a la vez que se incrementa el contenido en SO42-, probablemente por la oxidación de sulfuros acumulados en el fondo y/o por la disolución de yeso precipitado en la zona inundable estacionalmente, si bien estos procesos están por comprobar y serán objeto de próximos estudios en la zona (ver Delgado et al., 2001). Los cambios químicos ocurridos en el agua de la laguna se conservan en el agua del acuífero aguas abajo en el sentido del flujo, lo cual permite utilizarlos como trazadores del flujo (dirección y sentido) en el acuífero. Agradecimientos Este trabajo se ha realizado en el marco del proyecto MADRE (CICYT HID7-0321-002), desarrollado conjuntamente por la Universidad Autónoma de Madrid y la Universidad Politécnica de Cataluña. También forma parte de los estudios de base para el proyecto BASELINE (EUK1-CT1999-0006) actualmente en fase de desarrollo. Los autores agradecen a C.Coleto la cesión de algunos datos analíticos, a la CHG el extraordinario apoyo de campo prestado y al IGME los análisis de iones mayoritarios. Asímismo se agradecen los comentarios realizados por los dos revisores del Simposio. Referencias Baonza, E., Plata, A., Silgado, A. 1984. Hidrología isotópica de las aguas subterráneas del Parque Nacional de Doñana y zona de influencia. Cuadernos de Investigaciones, C7, CEDEX. Madrid. 139 pp. Custodio, E. 1994. Posibles procesos de contaminación agrícola de aguas subterráneas en el área de Doñana (Huelva). Análisis y evolución de la contaminación de las aguas subterráneas en España. Asoc. Inter. 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