Piezometría

En primera instancia, se recopiló información desde 1995 a 2019 sobre niveles estáticos diarios medidos en estaciones pertenecientes a la Dirección General de Aguas (Anexo 1). Estos datos fueron comparados con las precipitaciones ocurridas en el mismo periodo (Figura 7y8), obtenidas desde la base de datos CAMELS-CL (^{Alvarez-Garreton, 2018}).

Durante la campaña de terreno se midieron pozos pertenecientes a comités de Agua Potable Rural (APR) y privados, en cada uno se registra la ubicación y altitud utilizando un GPS Garmin eTrex 10X (GCS WGS84) y la profundidad a la que se encuentra el agua empleando un pozómetro Solinist de 50 m (Figura 4). Con estos datos se realizan mapas piezométricos (Figuras 5y6) utilizando la herramienta de ponderación de distancia inversa (IDW, por sus siglas en inglés)de ArcGIS Desktop 10.8.1 interpolando los niveles piezométricos, se corrigen según interpretación propia.

Figura 4 Materiales utilizados en campañas de terreno 

Figura 5 Mapa de isopiezas del sector alto del acuífero de Petorca en base a imagen satelital DEM. 

Figura 6 Mapa de isopiezas en el sector de Hierro Viejo en base a imagen satelital DEM. 

Figura 7 Comparación cronológica entre precipitaciones (azul) y niveles estáticos (naranjo) de las estaciones comprendidas en la subcuenca Río Petorca Oriente. 

Figura 8 Comparación cronológica entre precipitaciones (azul) y niveles estáticos (naranjo) de las estaciones comprendidas en la subcuenca Río Pedernal. 

Hidroquímica

Para estudiar la evolución hidroquímica del agua se recopilan datos a través de la estadística en línea de la Dirección General de Aguas (DGA) en tres estaciones de monitoreo de parámetros fisicoquímicos (Anexo 1). La información de iones mayoritarios comprende entre 1984 y 2006, momento en que se dejó de medir Bicarbonatos en todas ellas. No obstante, existen informes de seguimiento de calidad del agua subterránea en pozos de la APR Valle los Olmos realizado los años 2015, 2016 y 2017 utilizados para analizar la situación más actual de las aguas. Los datos son procesados en el programa gratuito Diagrammes 5.4 (^{SIMLER, 2018}) donde se calcula el error analítico, la matriz de correlación de Pearson (Anexo 2) y se generan diagramas de Piper (Figura 9), Stiff (Figura 11) y binarios (Figura 10) para clasificar los tipos de agua presente.

Figura 9 Diagrama de Piper con datos obtenidos a partir de la DGA 

Figura 10 Gráficos binarios de concentraciones en a) Cl/HCO3 y b) Na/Cl. En triángulos naranjos se representa Rio Pedernal en Tejada, en cuadrados verdes Rio Sobrante en Piñadero, en pentágonos amarillos Rio Petorca en Petorca. 

Figura 11 Distribuciones de los diagramas de Stiff en el sector alto del acuífero de Petorca 

Durante la campaña de terreno se toman muestras de agua desde los pozos a través de un Bailer o utilizando la bomba de extracción instalada. Dicha muestra es analizada con un multiparámetro Hanna HI 9828 (Figura 4), midiendo su pH, Conductividad eléctrica (CE), Total de Sólidos Disueltos (TSD), Temperatura, Potencial de Óxido Reducción (ORP) y Oxígeno disuelto (OD).

Balance hidrometeorológico 2010-2018

Se recopila información disponible sobre las unidades acuíferas presentes en el sector a partir de estudios anteriores y de expedientes de pozos provistos por la DGA obteniendo parámetros hidráulicos como permeabilidad y transmisividad.

Para la recopilación de datos meteorológicos, en el caso de las precipitaciones, se utiliza la red de estaciones DGA vía web de las que se extraen datos de precipitación diarios para los años establecidos y se calcula el promedio. Por otro lado, para la temperatura se combinan datos desde el 2010 hasta el 2016 a partir de CAMELS-CL y para los periodos 2017 y 2018 se utilizan los datos de la estación Chincolco Liceo Agrícola perteneciente a Dirección Meteorológica de Chile y la estación Salamanca ubicada fuera del área de estudio, elegida por presentar el mismo bioclima que el Valle de Petorca (^{Luebert, 2012}). De las estaciones mencionadas (Anexo 1) se obtienen también datos de velocidad del viento, horas de sol, radiación y humedad relativa, los cuales son utilizados para el cálculo de la evapotranspiración (ETP).

En cuanto a la información agraria, para calcular el espesor radicular promedio de los cultivos presentes en el sector se consideran los paltos, nogales y cítricos como principales cultivos (^{Richard, 1998}), para calcular la dotación de riego requerida en el total de los cultivos se valora la proporción de estos según el ^{CIREN (2017)}.

El área de plantaciones varía considerablemente durante los años que abarca el balance hidrometeorológico, debido a esto y con el fin de comprobar la cantidad de hectáreas plantadas por año se realiza una clasificación de cultivos a través de un análisis de imágenes satelitales en el programa ENVI 5.6.1 En primer lugar, se descargaron imágenes de la plataforma USGS, luego se les realiza corrección atmosférica y una calibración radiométrica con el módulo matemática de bandas, hecho esto se ejecutaron distintas combinaciones de bandas para distinguir plantaciones agrícolas de la vegetación natural con tal de llevar a cabo una clasificación supervisada para lograr contabilizar el área de cultivos agrícolas presentes para cada año. Debido a que no distingue entre tipo de árbol, se utiliza la proporción de cultivos obtenido de la encuesta del ^{CIREN 2017}, donde paltos representan un 64.56%, cítricos un 22.64% y nogales un 11.30% sumando en total un 98.5% del área total cultivada. Finalmente, esta información se cruza con los requerimientos hídricos mensuales de paltos (^{Ovalle J. M, 2012}), de cítricos (^{Castillo, 2008}) y de nogales (^{Lobos G, 2017}).

A partir del balance hidrometeorológico se estima el caudal de agua proveniente de la precipitación y del retorno de riego que se recarga efectivamente por año en el sistema. Para su cálculo se ha utilizado el programa gratuito EASYBAL (^{Vazquez & Serrano, 2013}) registrando los datos diarios antes mencionados. Además, se deben ingresar los valores de capacidad de campo, punto de marchitez y laminación los cuales se estimaron según el tipo de suelo realizando una clasificación textural (Schroeder 1994). El programa entrega valores anuales de recarga efectiva en [mm/año] sin considerar el área de estudio, para incluirla se debe multiplicar la recarga por la cantidad de hectáreas, utilizando la superficie de las tres subcuencas (101.857 ha) suponiendo que las precipitaciones en toda la hoya orográfica escurrirían hacia los depósitos del valle.

Balance hídrico 2010-2018

Para efectos del Balance Hídrico se asume que las laderas son impermeables de manera que se descartan entradas de agua laterales. Además, al estar el río en su mayor parte seco, se omite una relación río-acuífero. Por otro lado, para poder hacer una comparación entre los caudales de entrada y de salida en la zona de estudio se utilizan datos de estaciones fluviométricas pertenecientes a la DGA. Los parámetros considerados para este Balance Hídrico serán:

Entradas: Recarga obtenida a partir del balance hidrometeorológico; pérdidas por abastecimiento y alcantarillado.

Salidas: Extracciones (bombeos); salidas de agua subterránea por el límite suroeste de la zona de estudio.

Para calcular las pérdidas por abastecimiento y alcantarillado, se obtiene la cantidad de habitantes en el área de estudio (^{Censo, 2017}) y considerando que según la Superintendencia de Servicios Sanitarios (2008) el requerimiento de agua para una persona es de 150 L/día, se calcula la cantidad de agua requerida anualmente por los habitantes del sector. Finalmente, se realiza el cálculo total considerando que las pérdidas que ocurren a partir de esta dotación han sido fijadas en un 15% por abastecimiento y de un 5% por alcantarillado (^{Girardi & Recio, 2015}).

Las extracciones se obtuvieron a partir de los Derechos de Agua otorgados en la zona de estudio disponibles en la Dirección General de Aguas. El valor de extracciones para los años que considera el balance hídrico se calcula sumando los caudales promedio anual de cada propietario en [hm3/año].

El cálculo de la salida de agua subterránea por el límite suroeste implica utilizar la fórmula del caudal en una sección de paso (^{Custodio & Llamas, 1996}):

Q = K * i * b * L (1)

Siendo: K, la conductividad hidráulica i, el gradiente hidráulico

b, el espesor saturado

L, la longitud transversal conformada por los depósitos fluvio-aluviales.

En el presente trabajo, los valores K y b tienen orígenes bibliográficos, mientras que i es calculado con datos obtenidos en terreno y L fue medido remotamente a partir de ArcGis.

Modelo Conceptual

A partir de la recopilación y unificación de datos geofísicos (perfiles gravimétricos), estratigráficos (columnas de pozos), estructurales e hidrogeológicos se genera un modelo conceptual que incorpora las distintasvariables tratando de acercarse a la geometría y dinámica real del acuífero de Petorca en el sector de estudio.

Piezometría

El flujo del agua subterránea es paralelo a la línea de río (Figura 5) debido a que las laderas de los cerros adyacentes fueron consideradas impermeables.

Las aguas superficiales se ubican principalmente en las partes más altas del acuífero en los ríos Pedernal y Sobrante, esto puede deberse a que los depósitos fluvio- aluviales en estas zonas poseen un espesor mucho menor al promedio, además, hay menos captaciones de agua ya que vive menos gente y no hay grandes plantaciones. Entre La Ñipa y Hierro Viejo es el único lugar aguas abajo donde se encontró agua superficial, lo que indicaría un comportamiento local efluente por parte del río en este sector.

En el área de Hierro Viejo, se obtuvo mayor detalle en cuanto a la piezometría, en la Figura 6 es posible notar un aumento del gradiente hidráulico, además, se aprecia una vertiente subterránea en el borde sur de los depósitos fluvio-aluviales, esto podría deberse a estructuras internas del cerro como fracturamiento de las rocas que generen reservorios de agua. Estudiar estos sistemas puede ser de gran ayuda en el futuro, como lo hizo Taucare et al (2021) en la zona central de Chile y los distintos trabajos impulsados por Linda Daniele recientemente.

Al comparar las precipitaciones anuales con los niveles estáticos de los pozos en el sector de Petorca Oriente (Figura 7), se puede notar que existe una correlación entre los niveles en los pozos y la cantidad de precipitaciones, aumentando considerablemente en años lluviosos y disminuyendo cuando las precipitaciones van a la baja. Sin embargo, hay ciertas variaciones que son difícilmente asociables a precipitaciones y que podrían estar relacionadas a grandes bombeos cercanos al pozo de monitoreo, como podría ser el caso de la estación de Agua Potable Polcura en el año 2017.

En el sector de Pedernal (Figura 8), específicamente en Los Olmos Chalaco se puede observar claramente una ciclicidad estacional, donde, en periodos secos la piezometría baja y en periodos de lluvia y derretimiento de la nieve acumulada el nivel del agua subterránea aumenta. Al igual que en A.P. Polcura en 2017, en Escuela Chalaco en octubre de 1999 hay una disminución del nivel estático que no es asociable a una baja de precipitaciones.

En el caso de Sobrante, no es posible hacer un buen análisis debido a la baja cantidad de datos.

En cuanto a la variación de almacenamiento, al observar sólo los últimos 5 años en los pozos de monitoreo se tiene que el nivel piezométrico ha aumentado, mostrando una variación positiva, sin embargo, esto es un aumento relativo ya que si consideramos desde el año 1995 hasta la actualidad la variación es negativa, es decir, la cantidad de agua almacenada ha disminuido.

Hidroquímica

La temperatura varía entre 16.86 y 21.54 °C siendo los pozos más superficiales los que poseen aguas con temperaturas más elevadas. El pHvaría entre 7.02 y 7.72 con una distribución bastante homogénea dentro de la zona de estudio. El potencialoxido-reductor (ORP), tiene en promedio 203.74 mV, siendo Hierro viejo el sector que presenta valores más bajos con 187 mV, mientras que en el Valle de Pedernal los valores alcanzan los 293 mV, al ser todas las mediciones positivas podría indicar un ambiente oxidante. La conductividad eléctrica (CE), presenta un mínimo de 239 uS/cm en el sector de Pedegua y un máximo de 770 uS/cm en la localidad de Hierro Viejo, a partir de la junta de los ríos Pedernal y Sobrante los valores de CE aumentan considerablemente, esto puede deberse a la mayor área de plantaciones, las cuales al ocupar fertilizantes y pesticidas constituyen una gran fuente de sales minerales, o bien, por la actividad minera que se mantiene activa en la zona pudiendo aportar otro tipo de elementos.

Los valores de sólidos totales disueltos (SDT) , fluctúan entre 132 y 496 ppm siendo el sector de Sobrante el que posee menores valores y Calle Larga los mayores. Finalmente, el oxígeno disuelto (OD) va desde 1.03 a 6.91 ppm, disminuyendo a medida que se avanza por el acuífero, el oxígeno se consume con facilidad si existen sustancias oxidantes tales como materia orgánica, Fe⁺², NH₄⁺, NO₂⁻, de manera que se infiere que la disminución en este parámetro puede deberse a mayores concentraciones urbanas y plantaciones agrícolas que aportan en sustancias oxidantes que consuman el oxígeno en diferentes reacciones.

Por otro lado, a partir de los iones mayoritarios, se elabora un diagrama de Piper (Figura 9), donde se reconocen aguas principalmente Bicarbonatadas Cálcicas en río Sobrante, aguas bicarbonatadas-sulfatadas cálcicas en río Pedernal y, por último, aguas Bicarbonatadas calcio-magnésicas en río Petorca. Estas clasificaciones concuerdan con la geología del sector, compuesta principalmente por rocas volcano- sedimentarias y por cuerpos intrusivos graníticos de composición intermedia, además las aguas bicarbonatadas son representativas de zonas de recarga por precipitación.

De acuerdo con la relación rCl⁻/HCO₃⁻ (Figura 10a), el gráfico indica la presencia de aguas poco evolucionadas, ubicándose las más jóvenes en los sectores de Sobrante y Pedernales, mientras que las del río Petorca tienen valores más altos indicando aguas más evolucionadas, esto concuerda con la geografía ya que las dos primeras son afluentes del río Petorca. Por otra parte, los resultados de la relación rNa⁺/Cl⁻ (Figura 10b) y la matriz de correlación de Pearson (Anexo 2) sugieren que los procesos hidrogeoquímicos dominantes en la zona de estudio son el resultado de la meteorización de silicatos y feldespatos lo cual coincidecon la geología del sector, ya que los materiales que conforman el acuífero se constituyen de las rocas adyacentes,compuestas en sumayoría por rocas volcanoclásticas e intrusivos de composiciones intermedias, es decir, que poseen una considerable proporción de los minerales mencionados.

La baja correlación del ion NO₃⁻ con la gran mayoría de los elementos analizados en la matriz de Pearson, sugiere que la fuente de origen de esta sustancia no sería el medio geológico, más bien podría estar relacionada al uso de fertilizantes que contienen nitrógeno en su composición y a la descomposición de materia orgánica proveniente de aguas residuales domésticas tanto por fosas sépticas como por fugas en el sistema de alcantarillado y/o plantas de tratamiento (^{Custodio & Llamas, 1996}, v2).

El análisis de los diagramas de Stiff en los tres sectores del acuífero (Figura 11) muestra que los afluentes Pedernal y Sobrante tienen menores concentraciones de iones mayoritarios respecto a la estación Petorca, en la cual, los valores especialmente de calcio y bicarbonatos presentan un valor considerable, esto puede ser asociado a un mayor tiempo de circulación de las aguas en contacto con las litologías de los depósitos fluvio-aluviales, sin embargo, debido a su alta concentración es posible que también haya influencia de factores antrópicos quegeneran el aumento de dichas concentraciones pudiendo tener relación a la actividad agrícola que aporta sales a través del uso de pesticidas y fertilizantes, y a descomposición de materia orgánica proveniente de aguas residuales tanto de vertederos como domésticas (^{FCIHS, 2009}).

Modelo Conceptual

El modelo conceptual de funcionamiento del sistema acuífero (Figura 12) considera los siguientes factores:

Figura 12 Modelo conceptual del funcionamiento hidrogeológico del acuífero fluvio-aluvial de Petorca entre Chincolco y Manuel Montt. Periodo considerado: enero 2010 - diciembre 2018. 

El modelo conceptual se realizó hasta la localidad de Chincolco debido a que para los sectores de Pedernal y Sobrante los datos son insuficientes.

En cuanto a las unidades hidrogeológicas se pudo diferenciar principalmente tres tipos de composiciones: la más abundante, con tamaños muy variados, está conformada por arenas, gravas y bolones con una conductividad hidráulica de entre 1 a 100 [m/d] y una porosidad eficaz media de un 25%. La segunda unidad estaría conformada por arenas, gravas y arcillas con una conductividad hidráulica entre 0.01 a 1 [m/d], debido principalmente al contenido de arcillas este tipo dedepósitos son considerados comoacuíferos. La última unidad corresponde a lentes de arenas limo- arcillosas con conductividades hidráulicas entre 10^-2 a 10^-4 [m/d] siendo considerados acuitardos, sectores de muy baja permeabilidad que forman barreras hidráulicas.

La geometría del acuífero presenta una gran variabilidad en el espesor de los depósitos fluvio-aluviales, alcanzando su máximo entre los sectores de La Ñipa y Petorca con 135 metros, el mínimo se ubica entre los sectores de Hierro Viejo y La Ñipa con aproximadamente 1 metro de espesor (afloramiento de agua). Además, de este a oeste el espesor tiende a aumentar para luego disminuir drásticamente en dos oportunidades. Acudiendo a la geología, se advierte que la zona de estudio está controlada por estructuras regionales de rumbo NS a NW (Figura 13). Al este se ubica el sistema de fallas Quebrada Castro con un rumbo de N22°W y que comprende una serie de fallas subparalelas dextrales con menor componente transpresivo, donde el bloque occidental desciende (^{Camus et al, 1991}); al oeste se encuentra un sistema de fallas subparalelas, con orientación promedio N20°W y sin información cinemática (^{Vicencio V. et al., 2017}), cabe destacar también que entre las localidades de La Ñipa y Hierro Viejo es posible notar como el lecho del río se encuentra dislocado (Figura 5) un indicador clave de control estructural. Los sectores por donde cruzan estas fallas son justamente donde los espesores de los depósitos fluvio- aluviales son menores, es más, al oeste del sistema de fallas Quebrada Castro es donde se presenta el mayor de los espesores y justamente, según ^{Camus (1991)}, este bloque desciende.

Figura 13 Perfil del acuífero con la ubicación de las estructuras que controlarían su geometría. 

Dichas estructuras podrían estar relacionadas a sistemas de fallas direccionales con componentes de cizalla simple. De esta manera podría explicarse el relieve que presenta el basamento rocoso, con sus drásticos cambios de pendiente y de profundidad, así como también, la curvatura que presenta el río. Sin embargo, para afirmar esta proposición es necesario realizar un levantamiento de información estructural detallado.

Balance Hídrico 2010 - 2018

El balance hidrometeorológico (Tabla 1) entrega como promedio anual de las recargas un valor de 38.39 hm³/año. Mientras que la entrada por pérdidas por abastecimiento y alcantarillado tiene como resultado total 0.088 hm3/año.

Tabla 1 Resultados obtenidos del balance meteorológico realizado en el programa EASY BAL. 

Las extracciones promedio correspondientes a los derechos de agua otorgados se estimaron en 64.31 hm³/año. Mientras que, en el límite oeste de la zona de estudio, se considera una salida de 8.83 hm³/año.

Finalmente, se calcula el balance hídrico suponiendo una relación río-acuífero nula obteniéndose el siguiente cálculo:

Entradas - Salidas = Variación de almacenamiento

38.48 hm³/a - 73.14 hm³/a = 34.66 hm³/a

En estudios anteriores los balances se realizan desde la cabecera hasta la desembocadura en el mar, en ^{GCF Ingenieros Ltda. (2013)} el balance realizado entre los años 1950 - 2010 entrega entradas de 683 l/s (21.46 hm³/año) y salidas de 684 l/s (21.49 hm³/año) mientras que el realizado entre 2000 - 2004 tiene entradas de

571.7 l/s (18.05 hm³/año) y 570.8 l/s (18.02 hm³/año) de salida. Por otro lado, el más similar a la presente investigación, ^{Álvarez et al. (2015)} realiza un balance entre los años 1981- 2010 estimando una entrada de 56,510,604 MMm³ (56.51 hm³/año) y una salida de 70,810,334 MMm³ (70.81 hm³/año).

Al comparar los resultados de los distintos balances hídricos se advierte un comportamiento similar, siendo las salidas mayores que las entradas. Sin embargo, en el presente, la variación de almacenamiento es mucho mayor que en los casos anteriores. Esto puede deberse a que la cantidad de derechos de agua inscritos no implica que estos sean extraídos efectivamente (así como también hay extracción ilegal), lo que genera que el valor de las extracciones sea muy difícil de calcular.