Resumen de El nitrógeno en las aguas subterráneas de la Comunidad de Madrid: descripción de los procesos de contaminación y desarrollo de herramientas para la designación de zonas vulnerables

J.J. Martínez Bastida

• español

  Los modelos de agricultura intensiva, desarrollados con el fin de resolver la creciente demanda de alimentos en un escenario de incremento progresivo de la población mundial, han desencadenado una serie de procesos nocivos para el medio ambiente, cuyos efectos se manifiestan a escala local, regional, nacional y global. Uno de los procesos más comunes de degradación ambiental derivados de las malas prácticas agrícolas es la contaminación difusa por nitrato de los recursos hídricos subterráneos. En la actualidad, esta problemática está despertando una creciente preocupación en gran parte de la población mundial, por cuanto afecta a la calidad de las aguas para el consumo humano, contribuye a la degradación de los ecosistemas acuáticos (las aguas subterráneas constituyen el caudal de base de muchos ríos, favoreciendo el desarrollo de procesos de eutrofización), e implica una difícil recuperación de los acuíferos una vez han sido contaminados. En Europa, la norma que regula la reducción y prevención de los procesos de contaminación por nitrato de origen agrario de las masas de agua es la Directiva de Nitratos (Directiva 91/676/CEE), si bien la Directiva Marco del Agua y la Directiva de Aguas Subterráneas la complementan y desarrollan. En la Directiva de Nitratos se define como Zona Vulnerable aquella superficie donde se dan procesos de escorrentía o filtración que pueden originar contaminación de las aguas por nitrato, fijándose en 50 mg L-1 de nitrato el límite admisible. Si bien es pronto para determinar si las medidas en curso cumplen con el efecto deseado, por el momento, la aplicación de la Directiva de Nitratos ha dado lugar a unos resultados muy limitados debido, entre otras cosas, a la dificultad para abordar los procesos de contaminación difusa, a la carencia de criterios comunes para abordar las directrices que establece la Directiva, a la escasa coordinación entre las distintas administraciones competentes en la gestión de los recursos hídricos y a la frecuente falta de eficiencia en la trasferencia tecnológica en el ámbito agrario. La descripción de los procesos de contaminación por nitrógeno en las aguas subterráneas de la Comunidad de Madrid constituye un reto importante, dado el alto grado de complejidad que implica abordar el estudio de una región tan altamente antropizada, con una intensa actividad urbana e industrial, e importantes áreas de su territorio dedicadas a la agricultura de regadío y secano. Así, los objetivos principales de esta Tesis Doctoral se centran en describir los procesos de contaminación difusa por nitrógeno en los recursos hídricos subterráneos de la Comunidad de Madrid y su entorno (acuíferos del Cretácico, del Terciario y del Cuaternario), y evaluar metodologías que permitan una identificación y designación más precisa de Zonas Vulnerables a la contaminación por nitrato en la Comunidad de Madrid, a escala regional. Para ello, se ha evaluado la idoneidad de algunos índices paramétricos ya existentes, como los de vulnerabilidad intrínseca y vulnerabilidad específica de las aguas subterráneas a la contaminación por nitrato (DRASTIC, GOD y CD), y se ha desarrollado un nuevo índice de vulnerabilidad específica (índice NV), con la intención de mejorar los resultados de los anteriores. La aproximación multidisciplinar basada en los índices de vulnerabilidad se ha complementado con la aplicación de métodos estadísticos multivariantes. Se han utilizado como unidades básicas de análisis la cuenca hidrológica y la totalidad de cada masa de agua, con independencia de las fronteras administrativas entre territorios. Otro de los objetivos de esta Tesis Doctoral ha sido la validación de la tecnología del Lisímetro Capilar Pasivo de Gee para la medida directa y en continuo del drenaje y para la cuantificación de los procesos de lixiviación de nitrógeno en condiciones reales de campo. Se trata de una contribución con la que se pretende abrir paso a la implantación de instrumentación de campo novedosa que nos permitan interpretar con mayor precisión las interacciones entre la zona no saturada y la zona saturada en los proceso de lixiciación, a escala local. Para ello, se ha evaluado la idoneidad del Lisímetro Capilar Pasivo de Gee en diferentes suelos aluviales (territorios intrínsicamente muy vulnerables), evaluando diferentes sistemas de instalación del dispositivo. Los resultados de los trabajos de investigación revelan la existencia de contaminación difusa por nitrógeno en los acuíferos del Terciario y del Cuaternario de la Comunidad de Madrid. El problema se hace especialmente patente en las zonas medias y bajas del sistema ?río-acuífero aluvial? de la cuenca del Jarama (Acuífero del Cuaternario) y en la subunidad meridional del Acuífero Cárstico de La Alcarria (Acuífero del Terciario), donde el nitrógeno es mayoritariamente de origen agrícola. Estas áreas se corresponden con aquellas que presentaron una mayor vulnerabilidad intrínseca (índices DRASTIC y GOD) y específica (índices CD y NV) en los mapas de vulnerabilidad. Ambas zonas serían susceptibles, por tanto, de ser declaradas Zonas Vulnerables a la contaminación por nitrato en aplicación de la Directiva 91/676/CEE. Los Programas de Acción a desarrollar deberían complementarse, en el ámbito aplicado de la Comunidad de Madrid, con medidas basadas en la depuración terciaria de las aguas residuales urbanas de la cuenca, ya que las aguas fluviales que se utilizan para el riego presentan altos niveles de contaminación de origen urbano. También se observan amplios núcleos de contaminación en la mitad sur del Acuífero Detrítico de Madrid-Talavera, con nitrógeno de origen urbano y mixto, y pequeños enclaves de contaminación variable en el tiempo en el Acuífero Detrítico de Guadalajara. No obstante, el elevado grado de antropización de la región en estas zonas y la gran heterogeneidad, asimetría y espesor de los mismos, hacen necesario el desarrollo de estudios de detalle para determinar con mayor precisión el origen del nitrógeno en los enclaves contaminados afectados por fuentes mixtas de origen incierto. Respecto a la funcionalidad de las herramientas evaluadas para la identificación precisa de las Zonas Vulnerables, los resultados de este estudio confirman la utilidad de los índices de vulnerabilidad intrínseca (DRASTIC y GOD) y de vulnerabilidad específica a la contaminación por nitrato (CD y NV) como herramientas eficaces para evaluar la vulnerabilidad de las aguas subterráneas a escala regional en la Zona Centro de España. La gran similitud entre los mapas de vulnerabilidad intrínseca de la Comunidad de Madrid, elaborados a partir de los índices GOD y DRASTIC, sugiere como más práctico el uso del índice GOD, ya que prescinde de alguno de los parámetros del DRASTIC cuya estimación es dificultosa. El mapa de vulnerabilidad específica basado en el índice NV es el que mostró una mayor correlación con la distribución del nitrato en los acuíferos del área de estudio. El uso de métodos estadísticos multivariantes ha ayudado aidentificar las principales fuentes de contaminación difusa en cada caso, y a valorar el peso y las relaciones entre las variables que se utilizan habitualmente para la elaboración de los índices de vulnerabilidad. Por otra parte, el Lisímetro Capilar Pasivo de Gee ha ofrecido muy buenos resultados como tecnología de campo para determinar el drenaje y el nitrato lixiviado en áreas agrícolas situadas sobre terrenos aluviales (donde se localizan la mayor parte de las Zonas Vulnerables declaradas hasta el momento), por lo que su uso puede permitir orientar con mayor precisión los Programas de Acción a escala local en las Zonas Vulnerables. Hasta ahora no existe ningún criterio común y normalizado para la identificación y designación de las Zonas Vulnerables por parte de las diferentes Adminstraciones de la Unión Europea. Los resultados de este estudio sugieren que la declaración y seguimiento de las Zonas Vulnerables deben plantearse desde un punto de vista multidisplinar y dinámico, considerando las variaciones espacio-temporales en la totalidad de las masas de agua, integrando información sobre la calidad química del agua, el medio físico (hidrología, geología, edafología, etc.) y los usos del territorio a escala de cuenca. La elaboración de mapas de vulnerabilidad, apoyados por la utilización de técnicas de análisis multivariante, ha resultado sumamente útil para abordar con precisión la identificación de las Zonas Vulnerables a escala regional. La aplicación de Programas de Acción en las Zonas Vulnerables requiere, sin embargo, de una aproximación a una escala más local, que debe abordarse mediante estudios más precisos sobre la distribución, la intensidad, la dinámica temporal y las causas concretas de los procesos de lixiviación de nitrógeno desde la zona no saturada hacia las masas de agua subterráneas.

• English

  The model of intensive agriculture developed in order to meet the growing demand for food in a context of progressively increasing world population has had an adverse impact on the natural environment at the local, regional, national and global scales. Diffuse nitrate pollution affecting groundwater resources and resulting from poor agricultural practices is one of most common causes of environmental degradation. This problem is causing growing concern amongst a large proportion of the world’s population as it affects the quality of human drinking water supplies and favours the degradation of surface waters (groundwater pollution could cause the eutrophication of aquatic ecosystems as it is the main source of the water flowing in many rivers). Moreover, restoring polluted aquifers is a very difficult task. In Europe, the Nitrate Directive (Directive 91/676/EEC), which is complemented and further developed by the Water Framework Directive and Groundwater Directive, is the main instrument designed to reduce, and if possible prevent, the diffuse pollution of groundwater resources by nitrates from agricultural sources. The Nitrate Directive defines a Nitrate Vulnerable Zone as an area of land which drains (whether through run off or leaching processes) into the body of water that is, or could be, affected by nitrate pollution and establishes 50 mg L-1 as the permitted limit for nitrate concentrations in water bodies. However, for the moment, it is still too soon to know whether the measures adopted will produce the desired effect. To date, the Nitrate Directive has produced few tangible results, due to such factors as: the difficulty in addressing the processes responsible for diffuse pollution; the lack of common criteria with which to implement the regulations established by the Directive; poor coordination between the different authorities responsible for monitoring water resources; and the frequent lack of efficient means of carrying out technology transfer in agriculture. Describing the nitrogen pollution processes affecting the groundwaters of the Comunidad de Madrid is a major challenge given the tremendous complexity inherent in conducting this kind of study in an area subject to such a degree of anthropogenic influence, in which there is a high level of urban and industrial activity and where large areas are destined to irrigated and non-irrigated land uses. The main objectives of this Doctoral Thesis were to describe the processes responsible for diffuse nitrogen pollution affecting the water resources of the Comunidad de Madrid and the surrounding area (including the Cretaceous, Tertiary and Quaternary Aquifers) and to evaluate the different methodologies that could be employed to improve the accuracy of identifying Nitrate Vulnerable Zones at the regional scale, within the Comunidad de Madrid. With this objective in mind, this work sought to evaluate some of the most commonly used parametric indexes, including intrinsic and specific vulnerability indexes to groundwater pollution by nitrate (such as DRASTIC, GOD and CD). This study also developed a new specific vulnerability index (NV index) in order to help achieve even better results. This multidisplinary approach based on vulnerability indexes was also supplemented with multivariate statistical methods. The basic units of analysis used were catchment areas and whole water bodies, regardless of administrative borders between different areas. Another objective of this Doctoral Thesis was to validate the use of the Gee Passive Capillary Lysimeter as a tool for measuring drainage in a direct and continuous way, and for estimating nitrogen leaching under field conditions. This is a contribution that should help to open the way for the introduction of new field instrumentation which will foster a more accurate interpretation of the processes that govern interactions between unsaturated and saturated zones at the local scale. With this objective in mind, its utility was evaluated in different types of alluvial soils (areas of high intrinsic vulnerability) and using different installation systems. The results obtained present evidence of diffuse nitrogen pollution in the Tertiary and Quaternary aquifers of the Comunidad de Madrid. This was particularly evident in the mid and lower parts of the “river-alluvial aquifer system” of the Jarama Catchment (Quaternary Aquifer) and in the lower subunit of the Moor Limestone Aquifer (Tertiary Aquifer). In these areas, nitrogen mainly comes from agricultural sources. These areas are consistent with the higher intrinsic (DRASTIC and GOD indexes) and specific (CD and NV) vulnerability zones identified by vulnerability maps. Both zones could therefore be designated as possible Nitrate Vulnerable Zones within the Comunidad de Madrid, as defined by EU Directive 91/676/EEC. In the case of the Comunidad de Madrid, Action Programmes should be accompanied by other corrective measures based on the tertiary treatment of urban waste waters in the catchment area, as fluvial waters used for irrigation show high levels of pollution from urban sources. There are also extensive areas in the southern half of the MadridTalavera Detrital Aquifer that have been polluted by nitrogen from urban and mixed sources, and small - and temporally variable - polluted sites corresponding to the Guadalajara Detrital Aquifer.

  However, further studies will be necessary to establish the precise sources of nitrogen in these zones which are affected by pollution from mixed land uses, particularly considering the high anthropogenic influence in this region and the considerable thickness, asymmetry and heterogeneity of some of these aquifers. With respect to the evaluation of the tools used to delimit Nitrate Vulnerable Zones, the results of this study confirmed the utility of indexes showing intrinsic vulnerability (DRASTIC and GOD) and specific vulnerability to nitrate pollution (CD and NV) for evaluating the vulnerability of the groundwaters of Central Spain on a regional scale. The high degree of similarity observed between maps based on the GOD and DRASTIC indexes would seem to indicate the usefulness of applying a simple model, such as the GOD method to evaluate intrinsic vulnerability on a regional scale, without having to resort to parameters that are difficult to estimate. The map of specific vulnerability based on the NV index proved to be the most consistent with respect to the real distribution of nitrate in groundwater within the study area. Using multivariate analysis (PCA), it was possible to identify the main sources of diffuse nitrate pollution in each case and to evaluate the respective weights of the parameters commonly used in the construction of vulnerability indexes. Moreover, the use of Gee Passive Capillary Lysimeters provided very good results when used to estimate drainage and nitrate leaching in agricultural alluvial soils (high intrinsic vulnerability areas which usually correspond to the locations of designated Nitrate Vulnerable Zones). The application of this tool could therefore help to improve the orientation of Action Programmes for Nitrate Vulnerable Zones at the local scale. To date, no common, generally applicable criteria for identifying and designating Nitrate Vulnerable Zones has been established by the different administrations of the European Union. The results of this study suggest that the designation and monitoring of Nitrate Vulnerable Zones should be approached from a multidisplinary and dynamic perspective, considering spatio-temporal variations affecting the whole water body, and incorporating information about water quality, the physical environment (hydrology, geology, edaphology, etc.) and land uses, at the catchment area scale. Vulnerability maps in combination with multivariate statistical analysis have been very useful for accurately identifying Nitrate Vulnerable Zones at the regional scale. However, the application of Action Programmes in Nitrate Vulnerable Zones requires an approach based on the local scale. Such an approach must be based on detailed studies of the distribution, intensity, temporal trends and causes of nitrogen leaching from unsaturated zones to water bodies