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ANÁLISIS DE ISÓTOPOS ESTABLES DEL AGUA PARA
DETERMINAR EL BENEFICIO HÍDRICO DEL PÁRAMO DE
SANTURBÁN
Elaborado por: Ev’eaulution, Laboratoire Mutualisé d’Analyse des isotopes stables de l’eau
(Universidad de Montpellier) y GSI-LAC
Septiembre 2018
Un proyecto de:
Apoyado por:
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TABLA DE CONTENIDO
Contexto de proyecto ...................................................................................................... 5
1. Introducción ............................................................................................................. 6
2. Elementos conceptuales para el entendimiento de la hidrología isotópica ............. 7
2.1. Características del Oxígeno 18 .................................................................................... 11
2.2. Características del deuterio. ....................................................................................... 13
3. Metodología implementada ................................................................................... 16
4. Protocolo de monitoreo ......................................................................................... 18
4.1. Monitoreo de la precipitación. .................................................................................... 18
4.2. Monitoreo del agua superficial. .................................................................................. 22
4.3. Monitoreo del agua subsuperficial y subterránea. ..................................................... 24
5. Resultados del seguimiento de la Precipitación y los niveles de las quebradas. .. 27
6. Resultados análisis isotópicos. .............................................................................. 33
6.1. Caracterización isotópica de la precipitación. ............................................................. 33
6.2. Caracterización isotópica del agua superficial y sub-superficial ................................. 37
7. Prospectiva del monitoreo hidrológico e isotópico ................................................ 46
8. Consideraciones Finales ....................................................................................... 47
BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................. 49
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ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Variaciones de 18O/16O en los componentes naturales. ................................ 11
Figura 2. Relación entre la Variación natural de δ18O y δ2H del agua del océano, el
vapor producido por la primera evaporación, y la precipitación. (Mook, 2000). ........... 14
Figura 3. Variaciones isotópicas en el ciclo hidrológico. (Terzer, 2016) ....................... 14
Figura 4. Metodología implementada en el componente técnico de la iniciativa del
Beneficio Hídrico Integral del Páramo. ......................................................................... 16
Figura 5. Estaciones de monitoreo de precipitación diaria. a) Quebrada Valegra B)
Quebrada La Caldera. .................................................................................................. 18
Figura 6. Red de monitoreo para la implementación de cuencas pares en área piloto
del Páramo de Santurbán. ............................................................................................ 26
Figura 7. Variación temporal de la precipitación en la zona. ........................................ 27
Figura 8. Variación temporal de la precipitación y de los niveles en la quebrada
Valegra. ........................................................................................................................ 29
Figura 9. Variación temporal de la precipitación y de los niveles en la quebrada
Caldera. ........................................................................................................................ 30
Figura 10. Comportamiento de los niveles de la quebrada Valegra en los picos más
importantes de precipitación. ........................................................................................ 31
Figura 11. Variación temporal de la composición isotópica de la precipitación. ........... 34
Figura 12. Relación del oxígeno 18 con respecto a la altura. ....................................... 35
Figura 14. Señal isotópica de la precipitación vs señal del manantial SAN_M_2. ...... 42
Figura 16. Comportamiento temporal del oxígeno-18 y deuterio en las quebradas. .... 44
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ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Red de monitoreo para la implementación del área piloto del Páramo de
Santurbán. .................................................................................................................... 24
Tabla 2. Resultados de análisis isotópicos en la precipitación. .................................... 33
Tabla 3. Resultados del 18O y 2H en las quebradas. .................................................... 37
Tabla 4. Resultados análisis 18O manantiales. ............................................................. 39
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Contexto de proyecto
La iniciativa miPáramo se define como una plataforma técnico – financiera que tiene
como objetivo aportar a la conservación del Páramo de Santurbán, generando una
mejora la condición de vida de las comunidades que habitan la zona de alta montaña en
las cuencas proveedoras de agua. Con miPáramo se busca demostrar que la
conservación de los ecosistemas estratégicos para el agua con la participación activa
de las comunidades, puede ser una alternativa, institucionalmente promovida,
socialmente aceptada y económicamente viable.
La iniciativa miPáramo se encuentra siendo operada por el Fondo de Agua de Norte
de Santander – Alianza BioCuenca, que cuenta con el apoyo y participación de los
principales actores regionales: Corporación autónoma regional de la Frontera
Nororiental – CORPONOR y Gobernación de Norte de Santander. Adicionalmente
participan, la empresa BAVARIA, quien ha asumido un decidido liderazgo con
miPáramo para la conservación del Páramo de Santurbán, y adicionalmente participan
la Embajada de Suiza en Colombia – COSUDE, la Cooperación Alemana en Colombia
– GIZ y la empresa consultora especialista en gestión del agua GSI-LAC.
La iniciativa se ha desarrollado desde junio 2016 en 4 líneas estratégicas: 1.- Técnica
Hidrológica, 2.- Armonización Política, 3.- Mercado Ambiental y 4.- Comunicación. Se
presenta a continuación el estudio de análisis de isótopos estables del agua,
correspondientes a uno de los resultados obtenidos en la línea 1. Para el desarrollo del
estudio de isotopía la empresa GSI-LAC SAS, contrató los servicios de la empresa
especializada Ev´eaulution SAS y del Laboratoire Mutualisé d’Analyse des isotopes
stables de l’eau (LAMA), de la Universidad de Montpellier, con recursos provenientes
del convenio suscrito con la Embajada de Suiza en Colombia – COSUDE, para el diseño
de miParamo.
Los resultados de este estudio se encuentran complementados por resultados de
monitoreo y modelización hidrológica que permiten complementar los análisis
orientados a la definición del beneficio de la conservación ambiental del ecosistema del
páramo de Santurbán, los cuales son parte integral de la línea estratégica 1 del diseño
de la iniciativa miPáramo.
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1. Introducción
El estudio del comportamiento y dinámica hidrológica de los sistemas de Páramo y sus
ecosistemas asociados en Colombia, presenta un avance en el monitoreo de variables
hidrometeorológicas como la precipitación y los niveles de algunos ríos o quebradas
importantes. Sin embargo, a la fecha, este monitoreo no ha sido suficiente para
comprender los mecanismos que regulan y aprovisionan el recurso hídrico.
En este sentido, desde el año 2016, la iniciativa del Beneficio Hídrico Integral del
Páramo, ha buscado integrar un conjunto de datos hidrometeorológicos y de isótopos
estables en la zona rural de Mutiscua, Norte de Santander, en las quebradas Valegra y
Caldera, con el objetivo de responder a los siguientes interrogantes: i) ¿cómo es la
composición isotópica de la precipitación en esta zona de Colombia?, ii) ¿cuál es el
aporte real de la precipitación en los niveles de las quebradas?, iii)¿cuál es el
mecanismo preferente para la generación y sostenimiento de los cuales en esta zona?,
iv) se encuentran relacionados la composición isotópica de los manantiales y de las
quebradas?, v) ¿a qué altura se estaría recargando los manantiales, existirían flujos
regionales?, vi) qué cantidad de caudal base se puede inferir en cada quebrada a partir
de un balance de masas isotópico?, vii) ¿existe alguna diferencia entre las dos
quebradas?.
Este informe presenta un marco conceptual elemental para el estudio de la hidrología
isotópica, el protocolo de monitoreo seguido y los resultados hasta abril 2018 para dar
respuesta a las preguntas planteadas y generar insumos técnicos robustos para la toma
de decisiones.
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2. Elementos conceptuales para el entendimiento de la hidrología
isotópica
A continuación, se cita textualmente el concepto de Hidrología Isotópica, utilizado por el
Organismo Internacional de Energía Atómica; “la hidrología isotópica es una técnica
nuclear que utiliza tanto isótopos estables como radiactivos para seguir los movimientos
del agua en el ciclo hidrológico. Los isótopos pueden utilizarse para investigar las
fuentes de aguas subterráneas y determinar su origen, su forma de recarga, si existe
riesgo de intrusión o contaminación por agua salada, y si es posible utilizarlas de manera
sostenible”. (OIEA, SF).
En las fases de evaporación y condensación, la concentración de isótopos de oxígeno
e hidrógeno en una molécula de agua sufre pequeños cambios. Como resultado de ello,
en diferentes etapas del ciclo hidrológico el agua queda marcada, de manera natural,
con huellas isotópicas que varían en función del historial de una masa de agua en
particular y de su recorrido por el ciclo hidrológico. Se denominan isótopos a los átomos
de un elemento que son químicamente idénticos y físicamente diferentes. Las ciencias
nucleares pueden distinguir entre ellos valiéndose de la espectrometría de masas para
“pesarlos”. Ibíd.
En cada etapa del ciclo hidrológico, se registra un pequeño cambio consistente en una
diferencia en la concentración de isótopos de oxígeno e hidrógeno en el agua que es
tan singular como una huella dactilar. Los isótopos de los contaminantes, como trazas
metálicas o compuestos químicos disueltos en agua, también ofrecen pistas sobre sus
orígenes. Ibíd.
El cuadro resultante permite a los hidrólogos trazar mapas de las fuentes de agua
subterránea; por su parte, los climatólogos pueden reunir datos más fiables sobre la
evolución climática y determinar la repercusión de sucesos futuros cuando se producen
los cambios climáticos. Los isótopos ofrecen la posibilidad de abarcar períodos
prolongados de fenómenos meteorológicos de miles de años de duración. Sus firmas
quedan preservadas dondequiera que se registra el ciclo del agua, en sedimentos de
océanos y lagos, en las incisiones anulares de los árboles, en glaciares y casquetes
polares, en depósitos en cuevas y en aguas subterráneas. Ibíd.
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En este sentido, la hidrología isotópica ofrece un conjunto de funcionalidades para dar
respuestas a interrogantes hidrológicos. Por tal motivo y cómo se ha explicado
anteriormente, se decidió adelantar este estudio de hidrología isotópica en un área piloto
del páramo de Santurbán, como insumo para la definición del beneficio hídrico integral
del Páramo. Específicamente, se realizarán mediciones en la precipitación local,
corrientes y cuerpos de agua superficiales representativos y en las aguas subterráneas,
con el fin de identificar conexiones entre las aguas superficiales, subterráneas y, por
ende, entender el papel regulador del páramo.
Teniendo en cuenta lo anterior y con el fin de comprender el protocolo de monitoreo,
resulta necesario abarcar algunos elementos conceptuales de la hidrología isotópica.
Los isótopos de un elemento químico son átomos en los que el núcleo contiene el mismo
número de protones, pero que difieren en el número de neutrones. Los isótopos pueden
ser estables (no presentan un decaimiento con el tiempo) o radioactivos (se desintegran
con el tiempo para formar otro elemento químico). (Hoefs, 2009)
Los isótopos estables resultan ser unos trazadores ambientales por excelencia y dentro
de los más comunes se encuentran los siguientes:
2H (Deuterio), 18O (oxígeno 18): utilizado frecuentemente para identificar las
trayectorias de flujo, conexión entre aguas subterráneas-aguas superficiales
(ríos, quebradas, humedales, lagunas), mezcla de aguas, intrusión marina,
evaporación en ríos, lagunas.
15N (Nitrógeno 15): es útil para identificar las fuentes de nitrógeno en un cuerpo
de agua superficial o subterráneo. Las fuentes de nitrógeno pueden ser: aportes
de fertilizantes y agroquímicos, nitrificación, desnitrificación, mineralización,
fijación por bacterias en el suelo entre otras. Identificar la fuente de nitrógeno en
los cuerpos de agua es muy importante, dado que, este elemento en cantidades
excesivas puede ser nocivo para la salud y se encuentra asociado a O
Por su parte, los isótopos radioactivos, son empleados para la datación de las aguas
subterráneas. Determinar la edad del agua subterránea o tiempo de residencia, se ha
convertido en un requerimiento esencial para la Gestión Integra del Recurso Hídrico,
puesto que permite identificar qué tan renovable es el recurso hídrico y en ese sentido
planificar de una mejor manera el aprovechamiento para las presentes y futuras
generaciones.
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Los isótopos radioactivos más utilizados, se enuncian a continuación:
3H (tritio): con un período de vida media de 12,32 años, es útil para datar aguas
recientes o jóvenes.
14C (carbono 14): con un período de vida media de 5730 años, es útil para datar
aguas con tiempo de residencia medio.
36Cl (cloruro 36): con un período de vida de media de 301000 años, empleado
para datar aguas ancianas.
En párrafos anteriores se mencionó que los isótopos estables suelen medirse por medio
de espectrómetros de masa y que pueden “pesarse”. Realmente, la expresión “pesar”
se utiliza para simplificar conceptos técnicos que son un poco más complejos. En efecto,
ese peso, es realmente una medida de la abundancia isotópica, R, del isótopo raro
(menos abundante) con respecto al isótopo más abundante:
;16
1818
O
OR ;
12
1313
C
CR
H
HR
1
22 (Mook, 2000)
Sin embargo, estas medidas son demasiado pequeñas y por eso suele utilizarse, la
composición isotópica reportada como una desviación de la abundancia isotópica con
respecto a una muestra de referencia o estándar. En el caso de los isótopos del agua,
el estándar es el SMOW (Standart Mean Ocean Water) y se utiliza la notación δ,
expresada en ‰, sin embargo, cada isótopo estable tiene un standard a nivel nacional,
el cual es definido por el Organismo Internacional de Energía Atómica y cada laboratorio
deberá acogerse a estos estándares. Ibíd.
𝛿 = (𝑅𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎
𝑅𝑆𝑡𝑎𝑛𝑑𝑎𝑟𝑑− 1) ∗ 1000
Por definición el estándar tiene un valor δ igual a 0‰.
De acuerdo con la química clásica, las características químicas de los isótopos, son
idénticas. Esta premisa se cumple hasta cierto punto, ya que, si la medida es
suficientemente precisa, como la que se obtiene con los modernos espectrómetros de
masas y recientemente los espectrómetros láser, se observan pequeñas diferencias en
el comportamiento tanto químico como físico de las llamadas moléculas isotópicas o
compuestos isotópicos. El fenómeno que hace que estas diferencias isotópicas se
produzcan recibe el nombre de fraccionamiento isotópico. Esto puede ocurrir como un
cambio en la composición isotópica mediante la transición de un componente de un
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estado a otro (agua líquida a vapor de agua) o mediante su transformación en otro
compuesto (dióxido de carbono en carbono orgánico de las plantas), o incluso puede
manifestarse como una diferencia en la composición isotópica entre dos componentes
en equilibrio químico (bicarbonato disuelto y dióxido de carbono) o físico (agua líquida a
vapor de agua). Ibíd.
Las diferencias en las propiedades físicas y químicas de los componentes isotópicos se
deben a las diferencias en la masa de los núcleos atómicos y como consecuencia de
esto, las moléculas isotópicas más pesadas tienen una velocidad inferior. Ibíd.
Esta característica es especialmente importante a la hora de comparar la composición
isotópica de un isótopo en dos reservorios del ciclo hidrológico, por ejemplo, entre el
océano y la atmósfera.
Por definición el estándar tiene un valor δ igual a 0‰.
La distribución de los isótopos entre diferentes fases al equilibrio es un caso especial
del equilibrio general químico y puede ser descrito de la siguiente manera:
A* + B ↔ A + B* donde el asterisco indica la presencia del isótopo raro en las fases A
y B.
La constante de equilibrio K(t) para esta reacción química depende de la temperatura y
puede ser expresada en el caso de intercambio isotópico par el factor de
fraccionamiento α :
En el caso de un agua en equilibrio con el vapor, se tendrá que:
v
l
v
l
O
O
O
O
R
R
16
18
16
18
(Coeficiente de fraccionamiento en el equilibrio entre líquido y vapor,
(Mook, 2000)
El coeficiente de fraccionamiento decrece con el aumento de la temperatura.
La diferencia de composición isotópica entre dos fases es llamada enriquecimiento:
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, entonces si >0, existe un enriquecimiento en la fase B con respecto a la
fase A, por el contrario si <0, es un empobrecimiento (AIEA, 2008).
Dado que, en éste estudio, se utilizarán los isótopos estables del agua (18O y 2H), se
presentarán las características de los mismos.
2.1. Características del Oxígeno 18
El elemento químico oxígeno posee tres isótopos estables, 16O, 17O y 18O, con
abundancias de 99,76; 0,035 y 0,2%, respectivamente. (Mook, 2000). Los valores de
18δ muestran variaciones dentro de un rango de casi el 100‰ y por tal motivo es
considerado un excelente trazador. Figura 1.
Figura 1. Variaciones de 18O/16O en los componentes naturales.
(Mook, 2000).
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El Organismo Internacional de Energía Atómica, OIEA (International Atomic Energy
Agency, IAEA), Sección de Hidrología Isotópica, en Viena, Austria, y la oficina Nacional
de Estándares y Tecnología de los Estados Unidos (US National Institute of Standards
and Technology, NIST, el anterior NBS) han proporcionado para su distribución grandes
volúmenes de agua oceánica con una media estándar bien contrastada para que se
utilicen como materiales de referencia, tanto del 18O como del 2H para los análisis en
laboratorio.
A continuación, se presentan algunos elementos claves para el oxígeno 18 en distintos
reservorios. (Mook, 2000).
Oxígeno 18 en el agua de mar: Los océanos constituyen el mayor reservorio de
agua. El contenido de 18O en la capa superficial es bastante uniforme, variando entre
el +0,5 y el –0,5‰ (Epstein & Mayeda, 1953). Sólo se observan variaciones
importantes en las regiones tropicales y en los polos. En las regiones tropicales se
detectan valores más positivos causados por la intensa evaporación.
Oxígeno 18 en la precipitación: La transformación del vapor de agua atmosférico
en precipitación depende de muchos factores climáticos y locales, ya que las
variaciones del 18δ de la precipitación de todo el globo son muy importantes. Como
regla general se tiene que cuanto más se aleje la lluvia de la fuente principal de
vapor de las regiones ecuatoriales, más negativo se vuelve 18δ.
El oxígeno 18 se encuentra afectado por ciertos efectos que se describen a
continuación:
a) el efecto latitudinal, con valores de 18δ inferiores a medida que aumenta la latitud.
b) el efecto continental, con valores de 18δ más negativos para las precipitaciones que
tengan lugar más al interior del continente
c) el efecto altitud, con valores de 18δ para la precipitación inferiores a medida que
aumenta la altitud
d) el efecto estacional, (en regiones con clima templado), con valores de 18δ más
negativos durante el invierno
e) el efecto intensidad, con valores de 18δ más negativos durante las tormentas
intensas
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Oxígeno 18 en el agua superficial: no suele tener grandes variaciones en el tiempo
y se encuentra normalmente afectado por la evaporación por contacto directo con la
atmósfera, obteniendo valores más negativos del isótopo.
2.2. Características del deuterio.
El elemento químico del hidrógeno consta de dos isótopos estables, el 1H y el 2H (D o
deuterio), con unas abundancias del 99,985 y el 0,015% respectivamente. En (Mook,
2000).
Al igual que con el 18O, también se observan concentraciones elevadas para el 2H en
aguas superficiales con una evaporación intensa, mientras que el hielo de los polos tiene
unos contenidos de 2H muy bajos. Ibíd.
El fraccionamiento isotópico más importante es el que tiene lugar entre las fases líquidas
y de vapor del agua. Bajo condiciones de equilibrio el vapor de agua es isotópicamente
más ligero (contiene menos 2H) que el agua líquida. Ibíd.
De otra parte, existe una relación fuerte entre los efectos de fraccionamiento de 2H y de
18O en los procesos de condensación, esto se traduce a la escala de la circulación global
por las lluvias que se posicionan sobre una línea conocida como la Línea Meteórica
Global (Global Meteoric Water Line o GMWL –Figura 2) en una gráfica que representa
el δ2H en función de δ 18O. Ibíd.
Los diferentes componentes del ciclo hidrológico (i.e. el vapor atmosférico, la
precipitación, la escorrentía y el agua en el suelo) son generalmente empobrecidos en
isótopos pesados (18O, 17O y 2H) con respecto a las aguas oceánicas (fuera de procesos
de re-evaporación). En efecto, las aguas meteóricas provienen esencialmente de la
evaporación de las aguas oceánicas tropicales, procesos fuera de equilibrio a nivel de
los isótopos, generando un vapor más empobrecidos en isotopos que las aguas
oceánicas (Figura 3).
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Figura 2. Relación entre la Variación natural de δ18O y δ2H del agua del
océano, el vapor producido por la primera evaporación, y la precipitación.
(Mook, 2000).
Figura 3. Variaciones isotópicas en el ciclo hidrológico. (Terzer, 2016)
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Una parte del vapor es transportado sobre los continentes, donde el almacenamiento de
vapor va disminuir por vaciados sucesivos (sobre todo en las zonas templadas) trayendo
un empobrecimiento isotópico progresivo de la masa de vapor y por ende de las
precipitaciones (efecto de continentalidad) que alimentan las aguas libres de superficie
y las aguas subterráneas. Se puede reproducir este esquema a la escala global por un
empobrecimiento isotópico progresivo de la humedad del aire, desde la fuente principal
(cinturón ecuatorial) hacia las latitudes más altas. El último vapor marino que precipita
para formar la cobertura de hielo sobre el Ártico o la Antártica es extremadamente
empobrecido (Mook, 2000).
La relación entre 18O y 2H de la Línea meteórica global es igual a:
10*0,8 182 OH
El posicionamiento de la composición isotópica de las muestras de aguas superficiales,
aguas subterráneas y las lagunas permitirán identificar las conexiones entre éstos
reservorios.
El exceso de deuterio, definido como dexc = δ2H – 8*δ18O, es generalmente utilizado
como un marcador de procesos de evaporación. En efecto la evaporación del agua de
superficie tendrá una tendencia a enriquecer isotópicamente el agua restante,
disminuyendo su dexc. Del mismo modo, un dexc notablemente superior a 10 es signo de
procesos de reciclaje de vapor continental a partir de la superficie del agua libre o del
mar cerrado como el Mediterráneo.
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3. Metodología implementada
El alcance de los objetivos del componente técnico en el marco del Beneficio Hídrico
Integral del Páramo para el proyecto miPáramo, operado por la Alianza BioCuenca, se
ha estado desarrollando desde junio de 2016 con el acompañamiento de instituciones
locales y regionales. A continuación, se presenta la metodología desarrollada. Figura 4.
Figura 4. Metodología implementada en el componente técnico de la
iniciativa del Beneficio Hídrico Integral del Páramo.
La recopilación de información ambiental del Páramo de Santurbán en el departamento
de Norte de Santander, se concentró primordialmente en las bases de datos de la
Corporación Autónoma Regional de Norte de Santander - Corponor y en los Planes de
Ordenación y Manejo de las Cuencas de los Ríos Zulia y Pamplonita. Este panorama
general, permitió dar inicio a las reuniones técnicas con personal de Corponor,
Cooperación Alemana-GIZ, Cooperación Suiza-Cosude, donde se establecieron unos
primeros acercamientos al objetivo del componente técnico de la iniciativa.
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Teniendo en cuenta esta información, se realizó la primera visita de campo en el mes
de septiembre de 2016 en inmediaciones del Municipio de Mutiscua, Norte de Santander
–Zona escogida por todo el equipo técnico-, con el objetivo de conocer las dinámicas
ambientales y sociales en una zona piloto del Páramo.
Esta visita permitió identificar un primer programa de monitoreo basado en las
Quebradas Valegra y Chorrerón. Posteriormente, se realizó un encuentro de expertos
en Páramos en las instalaciones de Corponor el 29 de noviembre de 2016. Este taller
tuvo como propósito conocer las experiencias realizadas por expertos en los Páramos
de Colombia, Ecuador y Venezuela y con base en esto, proponer unos indicadores que
dieran cuenta sobre la regulación hídrica en el Páramo.
La instrumentación en campo inició en el mes de noviembre con la instalación de 3
totalizadores con el fin de conocer la composición isotópica mensual de la precipitación
en tres estaciones ubicadas a 2.570, 2815 y 3086m.s.n.m y en la toma de muestra
mensual de las quebradas Valegra, Chorrerón y el Manantial Chorrerón. A partir del 13
de septiembre, se dio inicio al monitoreo intensivo, con toma de muestras semanal en
las quebradas, siendo necesario cambiar la quebrada Chorrerón por la quebrada La
Caldera, debido a que la quebrada Chorrerón presentó sequía total en los meses secos.
A partir de esta fecha se implementa también, el monitoreo participo, con el objetivo de
obtener datos de precipitación diaria cercanas a las quebradas y se instalaron dos
estaciones de registro de nivel de las quebradas en tiempo real.
Se recolectaron los datos hidrometeorológicos y se enviaron las muestras al Laboratorio
de Isótopos Estables LAMA de la Universidad de Montpellier en Francia con una
incertidumbre del 0,08 para el oxígeno 18 y 0,5‰ para deuterio. Adicionalmente, se
consultaron otros laboratorios como el de la Universidad de Waterloo en Canadá, sin
embargo, reportaba una incertidumbre de 1,0‰ para el δ18O. Esta incertidumbre fue
considerada insuficiente para este estudio, dado que se necesitaba la mayor precisión
posible para comparar la composición isotópica de las quebradas y del agua de
manantiales. Posteriormente se realizó el análisis integrado que se presenta en este
informe.
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4. Protocolo de monitoreo
Las variables ambientales a monitorear comprenden: i) los isótopos estables del agua
(oxígeno 18 y deuterio) como trazadores naturales en la precipitación, aguas
superficiales (quebradas) y en aguas subterráneas (manantiales en este caso), ii) el
monitoreo del caudal a la salida de las cuencas y iii) medida diaria de la precipitación en
cada microcuenca.
4.1. Monitoreo de la precipitación.
Se ha visto la oportunidad de implementar un monitoreo participativo, generando no solo
toma de datos de campo, sino además incentivando la participación y apropiación de la
comunidad, por medio del cual, la comunidad organizada realiza la medición diaria de
la precipitación mediante pluviómetros artesanales de fácil medición. Figura 5.
Figura 5. Estaciones de monitoreo de precipitación diaria. a) Quebrada
Valegra B) Quebrada La Caldera.
El monitoreo isotópico de la precipitación se realizó en tres estaciones por medio de
totalizadores mensuales. Se considera que estas estaciones deben seguir en
funcionamiento y sus resultados pueden ser extrapolados a otras quebradas cercanas,
dado que la altura y la temperatura, son similares. En las fichas 1-3, se presenta la
información referente a cada estación.
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Ficha 1. Estación SAN_P_1
ID de la estación
Municipio
Departamento
Coordenadas N
Altitud (m.s.n.m) 2570 m.s.n.m
Tipo de instalación
Fecha de instalación
Fecha de inicio
Nombre del predio:
Nombre del dueño del predio
Teléfono responsable
Ubicación
ELEMENTOS DE LA ESTACIÓN
1 garrafa de 22l
1 tanque de icopor
1 embudo de 22cm
1 tubo pvc de 1,5m
1 manguera plástica de 1m
3218026513
Monitoreo Isotópico Área Piloto del Páramo de Santurbán
SAN_P_1
Mutiscua
Norte de Santander
-72.746678° Coordenadas E 7,303684°
Totalizador
5 de octubre de 2016
5 de octubre de 2016
Vertimiento aguas residuales Mutiscua
Luisa Hernández
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Ficha 2. Estación SAN_P_2
ID de la estación
Municipio
Departamento
Coordenadas N
Altitud (m.s.n.m) 2815 m.s.n.m
Tipo de instalación
Fecha de instalación
Fecha de inicio
Nombre del predio:
Nombre del dueño del predio
Teléfono responsable
1 manguera plástica de 1m
Ubicación
Monitoreo Isotópico Área Piloto del Páramo de Santurbán
SAN_P_2
Mutiscua
Norte de Santander
Coordenadas E 7,290207°
Totalizador
5 de octubre de 2016
ELEMENTOS DE LA ESTACIÓN
1 garrafa de 22l
1 tanque de icopor
1 embudo de 22cm
5 de octubre de 2016
Finca La Chorrera
Marina Pavón
3202704636
-72,754549°
1 tubo pvc de 1,5m
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Ficha 3. Estación SAN_P_3
El procedimiento que se siguió todos los meses para la recolección de la muestra para
isótopos estables se describe a continuación:
ID de la estación
Municipio
Departamento
Coordenadas N
Altitud (m.s.n.m) 3086 m.s.n.m
Tipo de instalación
Fecha de instalación
Fecha de inicio
Nombre del predio:
Nombre del dueño del predio
Teléfono responsable
Ubicación
ELEMENTOS DE LA ESTACIÓN
1 garrafa de 22l
1 tanque de icopor
1 embudo de 22cm
1 tubo pvc de 1,5m
1 manguera plástica de 1m
3152011584-3173306970
Monitoreo Isotópico Área Piloto del Páramo de Santurbán
SAN_P_3
Mutiscua
Norte de Santander
-72,759575° Coordenadas E 7,30275°
Totalizador
5 de octubre de 2016
5 de octubre de 2016
Finca Buenos Aires
Ana Lucía Ortega- Pedro Ortega
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A. Purga doble de la botella de 30ml donde se recolectará la muestra. Esto aplicó
para todas las muestras, incluyendo las de agua subterránea y superficial para
los isótopos estables del agua (Oxígeno 18 y Deuterio).
B. Llenado completo de la botella de 30ml. Si no hay agua suficiente (20 ml para
isótopos estables) se recolectó la muestra, pero se notificó de la situación.
Tapado de la botella con tapa y contratapa, asegurando de que no existan
burbujas dentro.
C. Marcado de cada muestra con los siguientes datos: código estación, período de
recolección y cantidad de precipitación en mm.
D. Preservación de la muestra en un lugar fresco, donde no se encuentre expuesta
a cambios de temperatura, preferiblemente en un refrigerador o nevera.
E. Medición de la cantidad de volumen de agua encontrado en la garrafa de plástico
con un balde graduado y con una probeta si es necesario.
4.2. Monitoreo del agua superficial.
En aguas superficiales se debe medir el caudal horario y tomar muestras para isótopos
estables semanalmente.
Por lo general, el valor de caudal se expresa en función de la altura de agua en una
estación de aforo, la misma que tiene como propósito llevar registros continuos y
sistemáticos de la altura de agua y el caudal fluvial (OMM, 2011). Por tal razón, estas
estaciones deben contar con limnígrafos (p. e. sensores de nivel automáticos)
encargados de las mediciones de altura de agua y una sección de control (estructura de
medición), misma que, debe tener características geométricas conocidas y estables que
permitan determinar el flujo de agua que pasa través de ella. En (Célleri et al, 2013).
Los caudales son calculados a partir de la relación altura de agua - caudal, lo que es
conocido como curva de descarga o curva de gasto. Gráficamente, los caudales se
Código: SAN_P_1 Período: 5/10/2016 al 05/11/2016 Precipitación: XXmm
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colocan en el eje de las abscisas (x) y la altura correspondiente en el eje de las
ordenadas (y); en coordenadas rectangulares, la gráfica suele tener forma cóncava
invertida ya que el caudal viene frecuentemente descrito por una función de potencial
de la profundidad del flujo (OMM, 2011). La relación altura de agua – caudal, está en
función de la geometría de los elementos del canal o estructura de control (natural o
artificial) aguas abajo. En (Célleri et al, 2013).
En el caso de las microcuencas de la Quebrada Valegrá y la Quebrada La Caldera se
han identificado secciones naturales con curva de gasto conocida o generada, para
instalar dos sensores automáticos que trasmiten los datos de nivel en tiempo real.
Nivel de agua
La altura o nivel de agua, es la elevación de la superficie de una corriente fluvial respecto
de un nivel de referencia. Mediante su correlación con el caudal fluvial constituye el
punto de partida para obtener registros de caudal (OMM, 2011). La medición se debe
realizar de dos formas: (i) la primera de tipo continuo y automático a través de sensores
de presión que pueden ser integrados en un solo equipo que realice medición directa
del nivel de agua, o independientes, instalados en parejas, uno dentro de la corriente
fluvial y otro en la superficie para medir la presión atmosférica y realizar la compensación
respectiva; (ii) la segunda de tipo manual, mediante la instalación de una regleta
graduada milimétricamente (limnímetro), que se instalará en un punto muy cercano al
de los sensores automáticos y que servirá para la validación de estos datos. En (Célleri
et al, 2013).
Aforos manuales y observación de nivel de agua
En la operación del sistema de monitoreo, durante cada descarga de datos, se debe
realizar un aforo manual del caudal que escurre por él. Este aforo permite que la
información registrada por el sensor de nivel sea fácilmente validada con información
real de campo. Para ambas quebradas, se realizará el aforo por medio de un
correntómetro. (Célleri et al, 2013).
El método de recogida de muestras de aguas superficiales para los isótopos estables
del agua supone pocos problemas cuando se recogen cantidades relativamente
pequeñas. Las muestras de agua de ríos y de arroyos han de extraerse de la zona
central del río o de una zona donde fluya el agua. Se debe de evitar tomar agua de las
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márgenes del río ya que allí el agua no está perfectamente mezclada y puede haber
sufrido efectos de evaporación o de contaminación. (Mook, 2002).
Se debe purgar dos veces la muestra y etiquetar con el código según corresponda y la
fecha de la toma de muestra y preservar en un lugar donde no se produzcan cambios
bruscos de temperatura. Se debe tomar el valor del caudal registrado en la toma de
muestra o en su defecto, realizar un aforo manual.
4.3. Monitoreo del agua subsuperficial y subterránea.
Normalmente el muestreo de agua subterránea se ve representado por muestras
tomadas de pozos, aljibes o manantiales. En el caso de los manantiales, se recomienda
tomar la muestra, lo más cercano posible de la surgencia de la roca, purgar y etiquetar
con el código correspondiente y la fecha. Si es posible se deberá de hacer un aforo en
el manantial y anotar las posibles contribuciones a las corrientes superficiales
observadas durante la toma de muestra. Es preferible realizarlo en épocas de sequía.
En vista de que en la zona no se encuentran aljibes y pozos, se georeferenciaron
algunos manantiales, sin embargo, sólo se encontraron manantiales, en la zona media-
alta de ambas cuencas, por lo tanto se necesitará un inventario de manantiales en las
dos microcuencas para referenciarlas y así poder caracterizar los flujos subsuperficiales.
En caso de no encontrarse manantiales a la misma altura de la salida de las cuencas,
se recomienda: i) perforar piezómetros no profundos (<5m) a 20, 30m de la salida de
cada cuenca, con el objetivo de encontrar el agua subsuperficial y poder tomar las
muestras y así calcular la proporción de caudal base, ii) tomar agua del subsuelo por
medio de lisímetros.
En la Figura 6 y Tabla 1, se presentan los puntos de monitoreo en la zona del proyecto.
Tabla 1. Red de monitoreo para la implementación del área piloto del Páramo de
Santurbán.
Código Nombre X (m) Y (m) Z
(m.s.n.m) Tipo de Punto Frecuencia
SAN_Q_1 Valegra 1146677,5 1301883,1 2448
Superficial_
quebrada La
Valegra
Horario para niveles y
semanal para tomar
análisis isótopos
estables.
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Código Nombre X (m) Y (m) Z
(m.s.n.m) Tipo de Punto Frecuencia
SAN_Q_2 Chorrerón 1145806,0 1298890,0 2800
Superficial_
quebrada
Chorrerón
Mensual para isótopos
estables
SAN_Q_3 Caldera 1148248,5 1302577,6 2620
Superficial_
quebrada La
Caldera
Horario para niveles y
semanal para tomar
análisis isótopos
estables.
SAN_P_1 Hogar Mutiscua 1146956,0 1299629,0 2570 Precipitación
Mensual para isótopos
estables SAN_P_2
Predio El
Arrayán 1146095,0 1298102,0 2815 Precipitación
SAN_P_3 Predio Doña
Ana 1145541,0 1299520,0 3086 Precipitación
SAN_M_2 Manantial
Arranyán 1146140,0 1298903,0 2815 Manantial
Isótopos
SAN_M_3 Manantial
Mutiscua 1146920,0 1299328,0
2516 Manantial
SAN_M_4 Manantial La
Concordia 1147665,0 1304849,0
2691 Manantial
SAN_M_5 Manantial
Totumito 1147841,0 1300127,0 2724 Manantial
SAN_M_6 Manantial La
Hoyada 1 1148437,0 1304111,0
2825 Manantial
SAN_M_7 Manantial El
Milagro 1 1150930,0 1305634,0 2814 Manantial
SAN_M_8 La Aurora 1143141,6 1303565,4 2852 Manantial
SAN_M_9 El Alisal 1146081,8 1302751,8 2517 Manantial
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Figura 6. Red de monitoreo para la implementación de cuencas pares en
área piloto del Páramo de Santurbán.
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5. Resultados del seguimiento de la Precipitación y los niveles de las
quebradas.
El estudio isotópico en esta zona del Páramo de Santurbán ha estado apoyándose en
la medición de la precipitación mensual a diferentes altitudes, precipitación diaria a la
altura de la zona de las cuencas de las quebradas Caldera y Valegra y los niveles con
frecuencia intensa en ambas quebradas.
En la Figura 7 se muestra la variación de la precipitación mensual en las tres estaciones.
Figura 7. Variación temporal de la precipitación en la zona.
A partir de este monitoreo, se evidencia que las tres estaciones presentan globalmente
la misma tendencia en el comportamiento temporal de la precipitación. Se registra una
época seca entre el mes de enero a marzo con precipitaciones entre 100 y 150mm,
aunque en el 2018 se presenta un aumento de la precipitación en el mes de enero. En
los meses de abril, mayo y junio se presenta las mayores precipitaciones y a partir del
mes de julio, agosto se presenta un descenso menos pronunciado que en los primeros
meses del año. Posteriormente, se registran leves incrementos en la precipitación
durante los meses de octubre a diciembre.
Con respecto a la cantidad de precipitación registrada en cada estación, se observa una
mayor cantidad en la estación ubicada a mayor altura SAN_P_3 (3087m.s.n.m), lo cual
coincide con lo esperado. Sin embargo, la estación SAN_P_2 ubicada a 2815 m.s.n.m
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registra menor precipitación que la ubicada a una menor altitud SAN_P_1 a 2570
m.s.n.m en la mayoría de los meses. Este patrón puede obedecer a fenómenos
climatológicos internos de la zona y será necesario continuar el monitoreo para
precisarlos. Llama la atención el dato de precipitación registrado en el mes de mayo
2017 para la estación SAN_P_2 con 780mm.
La precipitación diaria registra valores entre 0 y 50mm con un promedio de 2,60mm
entre septiembre de 2017 y febrero 2018 para la quebrada Valegra. La Quebrada
Caldera presenta un comportamiento similar, reportando entre 0 y 58mm diario con un
promedio de 2,72mm. Con el monitoreo que se tiene a la fecha de este informe, se
evidencia que la época de mayor pluviosidad corresponde a los meses de septiembre a
diciembre y los meses de enero a febrero corresponden a una época seca. Los primeros
días de enero registran precipitaciones anómalas entre los 11 y 17mm para la quebrada
Valegra y de 14 y 22mm para la quebrada Caldera, como producto de un fenómeno
climático que tuvo lugar en todo el territorio nacional. Asimismo, se compararon los datos
de precipitación diaria en ambas cuencas, donde se observa que en términos generales,
el comportamiento es similar, en especial cuando no se registra precipitación. Sólo se
evidencian 5 eventos de precipitación en los cuales se encuentran más de 10mm de
diferencia entre una estación y la otra.
Para el análisis de la variación de los niveles, se eliminaron aquellos datos producto de
fallas en las estaciones u obstáculos en el lecho de la quebrada. La quebrada Valegra
presenta niveles entre 0,06 a 0,46m con un promedio de 0,20m y desviación estándar
de 0,029. La quebrada Caldera registra niveles entre 0 y 0,92m con un promedio de 0,29
y desviación estándar de 0,09. Este último parámetro estadístico, permite sugerir poca
variación en los datos de la quebrada Valegra, mientas que se podría pensar que los
niveles de la quebrada Caldera se encuentran más dispersos.
Para el análisis de la correlación entre la precipitación y los niveles de las quebradas,
se utilizó el nivel promedio diario de cada quebrada. En este sentido, la quebrada
Valegra presenta niveles diarios promedios entre 0,15 y 0,28m con un promedio de
0,20m. Por su parte la quebrada Caldera registra niveles diarios promedios entre 0,13 y
0,45m con promedio de 0,29m.
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En la Figura 8 se puede observar una buena correlación entre los niveles de la Quebrada
Valegra y la precipitación, soportado por un coeficiente de correlación alto de 0,65 entre
ambas series. Sin embargo, se puede observar que para aquellos períodos en los cuales
existe ausencia de la precipitación, el nivel de la quebrada se mantiene alrededor de
0,20m durante los meses de septiembre a diciembre.
Por el contrario, a partir del 18 de enero de 2018, los niveles descienden levemente
hasta alcanzar los 0,16m en promedio a finales de febrero. Este patrón es indicador de
una buena regulación de la cuenca, puesto que se mantienen los niveles en ausencia
de precipitación.
Figura 8. Variación temporal de la precipitación y de los niveles en la
quebrada Valegra.
En la Figura 9 se observa un comportamiento similar al de la quebrada Valegra, aunque
se aprecia una aparente menor capacidad para sostener los niveles en épocas de poca
precipitación entre los meses de septiembre y noviembre, comportamiento que difiere
en el mes de enero a marzo 2018. Se observa un aumento de alrededor de 15cm a partir
del mes de enero de 2018.
Asimismo, se observa un aumento levemente mayor en los picos de los caudales en la
quebrada Caldera, lo cual indicaría una menor capacidad de regulación para atenuar
estos valores.
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Figura 9. Variación temporal de la precipitación y de los niveles en la
quebrada Caldera.
Con el fin de analizar, el comportamiento del nivel en las quebradas en los días de mayor
precipitación, se han escogido los picos del 10 de octubre, 15 de noviembre de 2017 y
10 de enero. Figura 10.
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Figura 10. Comportamiento de los niveles de la quebrada Valegra en los
picos más importantes de precipitación.
Los picos registran precipitaciones de 21 y 17mm (10 de octubre de 2017); 50 y 59mm
(15 de noviembre de 2017); 10 y 8mm (10 de enero de 2018) respectivamente para las
11 horas
13 horas
12 horas
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estaciones cerca a la quebrada Valegra y Caldera. En la figura anterior se puede
observar el aumento instantáneo de los niveles cuando se registra la precipitación.
Posterior a este aumento se registra una recuperación del nivel promedio antes del pico
de 10 y 12 horas aproximadamente para los picos de octubre y enero respectivamente
en la quebrada Valegra. Asimismo, se presenta una recuperación del nivel promedio
antes del pico de 11, 13 y 10 horas aproximadamente para los picos de octubre,
noviembre y enero respectivamente en la quebrada Caldera.
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6. Resultados análisis isotópicos.
A continuación, se presentan los resultados de los análisis del δ18O y δ2H realizados en
el laboratorio de la Universidad de Montpellier con sus respectivas interpretaciones.
6.1. Caracterización isotópica de la precipitación.
En la Tabla 2 se presentan los datos del 18O y 2H para las tres estaciones de
precipitación consideradas y en la Figura 11 se muestra su variación temporal.
Tabla 2. Resultados de análisis isotópicos en la precipitación.
Fecha
SAN_P_1 SAN_P_2 SAN_P_3
δ18O
(‰)
δ2H
(‰)
dexc
(‰)
δ18O
(‰)
δ2H
(‰)
dexc
(‰)
δ18O
(‰)
δ2H
(‰)
dexc
(‰)
10-16 -9,06 -60,5 12,0 -9,11 -61,1 11,8 -9,45 -63,1 12,5
11-16 -8,38 -55,9 11,1 -8,87 -59,8 11,2 -9,29 -62,2 12,1
12-16 -5,82 -37,0 9,6 -6,84 -44,0 10,7 -7,34 -48,6 10,1
01-17 -1,94 -4,9 10,6 -3,35 -11,0 15,8
02-17 -1,23 5,4 15,2 -1,49 5,3 17,3
03-17 -7,20 -48,1 9,5 -6,27 -38,5 11,7 -7,80 -50,0 12,4
04-17 -10,05 -71,4 9,0 -10,57 -75,7 8,8 -11,02 -76,4 11,7
05-17 -10,87 -76,5 10,4 -11,39 -82,1 9,0 -12,02 -85,2 11,0
06-17 -14,90 -112,0 7,1 -15,62 -116,1 8,8 -15,99 -117,5 10,4
07-17 -10,81 -76,3 10,2 -10,12 -71,5 9,4 -11,15 -77,3 11,9
08-17 -7,04 -44,0 12,3 -7,33 -44,7 14,0 -7,59 -47,6 13,1
09-17 -7,87 -50,6 12,4 -8,35 -55,0 11,8 -8,79 -56,6 13,7
10-17 -5,67 -33,6 11,8 -6,81 -39,0 15,4
11-17 -8,64 -55,4 13,7 -9,34 -60,5 14,2 -9,33 -60,6 14,1
12-17 -6,88 -42,0 13,0 -7,16 -44,0 13,2 -7,37 -43,7 15,2
01-18 -3,15 -10,5 14,7 -3,31 -12,0 14,5 -3,66 -12,3 16,9
02-18 -2,76
-7,2 14,9 -3,32
-11,9 14,6 -3,43
-10,0 17,4
03-18 -5,01
-26,8 13,3 -4,94 -24,73 14,8 -5,57
-29,2 15,3
Ponderada Anual -8,55 -57,18 -8,47 -56,1 -9,10 -59,92
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Figura 11. Variación temporal de la composición isotópica de la
precipitación.
La composición isotópica de la precipitación presenta una variación entre -2,76‰ a -
14,90‰ para SAN_P_1; -1,23‰ a -15,62‰ para SAN_P_2; -1,49‰ a -15,99 ‰ de δ18O.
Asimismo se observa una variación de -7,22‰ a -112,0‰ para SAN_P_1; 5,4‰ a -
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116,1‰ para SAN_P_2; 5,3‰ a -117,5‰ para SAN_P_3 de δ2H. El exceso en deuterio
presenta variaciones entre 7,1‰ y 17,4‰, de lo cual se concluye la idoneidad de las
muestras dado que ninguna muestra ha estado sometida a evaporación y que el proceso
de reciclaje se encuentra presente en algunas muestras.
El comportamiento temporal de esta composición se encuentra correlacionado con la
variación temporal de la precipitación, encontrando valores más empobrecidos en los
meses más lluviosos y valores más enriquecidos en los meses más secos (febrero,
marzo). Asimismo, en la Figura 11 se puede observar un desfase en las señales de las
estaciones, presentando valores ligeramente más empobrecidos para la estación
SAN_P_3, como producto de una mayor altitud.
Con el objetivo de calcular un gradiente altitudinal isotópico, se han calculado las medias
ponderadas para cada estación, obteniendo valores de -8,55‰ -8,47‰ y -9,10‰ 18O
para las estaciones SAN_P_1, SAN_P_2, SAN_P_3 respectivamente. Los valores
encontrados en SAN_P_3 corresponden al valor más empobrecido, debido a que se
encuentra a una mayor altura de 3086m.s.n.m. Los valores de SAN_P_1 se encuentran
un poco más empobrecidos que SAN_P_2, debido posiblemente a que no se tienen los
valores de los meses de febrero y marzo 2017 (más enriquecidos) por robo de la
estación.
Con el fin de evaluar el gradiente altitudinal, se construyó el gráfico 18O con las medias
ponderadas vs la Altitud de las estaciones con respecto al nivel del mar. Figura 12.
Figura 12. Relación del oxígeno 18 con respecto a la altura.
En la anterior figura se presentan los gradientes calculados con las tres estaciones
(gráfica izquierda) y con sólo dos estaciones (gráfica derecha). La estación SAN_P_2
ubicada a 2815m.s.n.m presenta una composición isotópica menos empobrecida, lo que
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coincide también con una menor cantidad de precipitación registrada como se evidenció
en el numeral anterior. En ambos casos el gradiente isotópico altitudinal resultante es
de 0,11‰ por cada 100m. Este gradiente se encuentra en el mismo orden de magnitud
del gradiente reportado en el Páramo de Santurbán en el departamento de Santander
con -0,16‰ por cada 100m. (Gómez et al 2015). Adicionalmente, se ha calculado el
gradiente altitudinal para cada mes, registrando valores entre -0,009 y -0,22‰ por cada
100m con R2 mayor a 0,72. En este sentido, se ha decidido tomar el promedio de estos
gradientes 0,15‰ por cada 100m para la zona de interés.
La caracterización isotópica de la precipitación en este trabajo, culmina con la obtención
de la Línea Meteórica Regional presentada en la Figura 13.
Figura 13. Línea Meteórica Regional.
La Línea Meteórica Regional presenta una pendiente de 8,49, similar a la línea
Meteórica Mundial. El intercepto resultante es de 16,2, el cual se encuentra por encima
del intercepto de la Línea Meteórica Mundial -10-. De lo anterior se concluye que las
muestras de agua meteórica no presentan evaporación y que por el contrario, podrían
estar sometidas a un importante proceso de reciclaje.
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6.2. Caracterización isotópica del agua superficial y sub-superficial
En las Tabla 3 y Tabla 4, se presentan los resultados de los análisis de 18O y 2H de las
quebradas y manantiales respectivamente a la fecha de este informe.
Tabla 3. Resultados del 18O y 2H en las quebradas.
Fecha
SAN_Q_1 SAN_Q_2 SAN_Q_3
Valegra Chorrerón Caldera
δ18O
(‰)
δ2H
(‰)
d
(‰)
δ18O
(‰)
δ2H
(‰)
d
(‰)
δ18O
(‰)
δ2H
(‰)
d
(‰)
03/11/2016 -9,58 -66,1 10,5 -9,50 -67,8 8,1
06/12/2016 -9,36 -63,2 11,7 -9,49 -67,2 8,7
10/01/2017 -9,43 -65,6 9,9
07/02/2017 -9,32 -64,4 10,2 -9,72 -67,0 10,8
08/03/2017 -9,25 -62,4 11,5 -9,63 -67,4 9,6
06/04/2017 -9,30 -63,0 11,4 -9,38 -65,1 9,9
05/05/2017 -10,00 -68,4 11,5 -10,67 -73,8 11,5
09/06/2017 -10,49 -73,5 10,4 -9,91 -67,9 11,4
11/07/2017 -10,31 -71,1 11,3 -10,4 -70,4 12,8
26/07/2017 -9,98 -69,3 10,5 -9,97 -69,5 10,3
14/08/2017 -9,73 -67,8 10,0 -9,73 -67,2 10,6
13/09/2017 -8,66 -58,8 10,4 -10,04 -66,4 13,9
20/09/2017 -9,80 -66,1 12,3 -9,88 -69,6 9,5
27/09/2017 -9,84 -69,4 9,7 -9,89 -68,2 10,9
04/10/2017 -9,83 69,7 8,9 -9,94 -71,2 8,4
11/10/2017 -9,76 -68,4 9,7 -9,31 -64,5 10
18/10/2017 -9,95 -67,6 12,0 -9,81 -67,3 11,2
25/10/2017 -9,79 -66,4 11,9 -9,89 -68,3 10,8
01/11/2017 -9,84 -69,4 9,3 -9,58 -68,3 8,3
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Fecha
SAN_Q_1 SAN_Q_2 SAN_Q_3
Valegra Chorrerón Caldera
δ18O
(‰)
δ2H
(‰)
d
(‰)
δ18O
(‰)
δ2H
(‰)
d
(‰)
δ18O
(‰)
δ2H
(‰)
d
(‰)
08/11/2017 -9,86 -66,1 12,8 -9,73 -64,1 12,4
15/11/2017 -8,92 -61,1 10,2 -8,55 -57,3 11,1
22/11/2017 -9,82 -68,2 10,3 -9,55 -65,5 10,9
29/11/2017 -9,70 -67,8 9,8 -9,58 -67 9,6
06/12/2017 -9,70 -68,2 9,4 -9,69 -68 9,6
13/12/2017 -9,65 -65,7 11,5 -9,52 -65,9 10,2
20/12/2017 -9,63 -68,0 9,1 -9,66 -66,3 10,9
27/12/2017 -9,56 -67,2 9,3 -9,66 -69,1 8,2
03/01/2018 -10,22 -72,6 9,2 -9,73 -68,1 9,7
10/01/2018 -9,53 -64,8 11,2 -9,36 -65,13 9,7
17/01/2018 -9,77 -66,1 12,0 -9,81 -68,66 9,8
24/01/2018 -9,57 -68,1 8,5 -9,58 -64,4 12,3
31/01/2018 -9,59 -66,58 10,2 -9,71 -68,3 9,5
07/02/2018 -9,66 -65,5 11,8 -9,65 -67,9 9,3
14/02/2018 -9,55 -64,0 12,4 -9,55 -64,7 11,7
21/02/2018 -9,61 -64,3 12,5 -9,73 -66,2 11,6
28/02/2018 -9,57 -65,4 11,2 -9,72 -68,2 9,6
07/03/2018 -9,53 -65,3 11,0 -9,37 -64,9 10
14/03/2018 -9,48 -64,2 11,7 -9,63 -66 11
21/03/2018 -9,44 -64,1 11,4 -9,88 -67,2 11,9
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Fecha
SAN_Q_1 SAN_Q_2 SAN_Q_3
Valegra Chorrerón Caldera
δ18O
(‰)
δ2H
(‰)
d
(‰)
δ18O
(‰)
δ2H
(‰)
d
(‰)
δ18O
(‰)
δ2H
(‰)
d
(‰)
28/03/2018 -9,38 -64,7 10,4 -9,57 -67,3 9,3
04/04/2018 -8,39 -57,1 10 -8,63 -56,1 12,9
11/04/2018 -9,34 -60,1 14,6 -8,6 -56,8 12,1
18/04/2018 -9,23 -60,8 13,0 -9,37 -61,2 13,8
25/04/2018 -9,70 -64,7 13,0 -9,72 -64,7 13
02/05/2018 antes evento -9,72 -65,9 11,8 -9,86 -67,3 11,6
04/05/2018 10:00 -10,98
-74,4 13,4
-11,31 -79,5 11
04/05/2018 11:00 -11,02 -74,3
13,8
-11,11 -75,4 13,5
04/05/2018 12:00 -11,01 -76,6
11,5
-10,79 -75,6 10,7
04/05/2018 13:00 -11,01 -77,8
10,3
-10,56 -72,3 11,9
04/05/2018 14:00 -10,94 -76,9
10,6
-10,44 -73,3 10,2
04/05/2018 15:00 -10,88 -75,9
11,1
-10,63 -73,8 11,3
04/05/2018 16:00 -10,76 -73,9
12,2
-10,42 -72,4 10,9
Tabla 4. Resultados análisis 18O manantiales.
Código Código
WBC Fecha
Altura
(m.s.n.m) δ18O (‰)
δ2H
(‰) d (‰)
SAN_M_2
WBC 004 03/11/2016
2871
-9,59 -69,1 7,6
WBC 010 06/12/2016 -9,59 -66,8 9,9
WBC 016 10/01/2017 -9,66 -68,7 8,6
WBC 020 07/02/2017 -9,64 -67,3 9,8
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Código Código
WBC Fecha
Altura
(m.s.n.m) δ18O (‰)
δ2H
(‰) d (‰)
WBC 025 08/03/2017 -9,68 -68,2 9,2
WBC 031 06/04/2017 -9,73 -68,3 9,6
WBC 037 05/05/2017 -9,78 -69,0 9,3
WBC 043 09/06/2017 -9,82 -67,4 11,2
WBC 132 18/10/2017 -9,94 -71,2 8,3
SAN_M_3 WBC 136 24/01/2018 2577 -9,66 -65,5 11,8
Nacimiento La
Hoyada 1 WBC 126 21/02/2018 2825 -9,49
-65,5 10,4
Nacimiento
Totumito WBC 127 21/02/2018 2724 -8,97
-62,7 9,1
Nacimiento El
Milagro 1 WBC 128 24/02/2018 2814 -9,47
-64,7 11,1
Nacimiento la
concordia WBC 129 21/02/2018 2691 -8,97
-63,1 8,6
Nacimiento La
Aurora WBC 172 01/03/2018 2517
0-9,17 -60,9 12,4
Nacimiento el
Alisal WBC 173 27/02/2018 2852
-9,50 -64,4 11,6
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El manantial SAN_M_2 monitoreado mensualmente entre noviembre de 2016 y octubre
de 2017, registra una señal isotópica estable en el tiempo entre -9,59‰ a -9,94‰ del
18O con una desviación estándar de 0,12. En la Figura 14 yFigura 15 se comparan la
señal isotópica de este manantial con la señal isotópica de las tres estaciones de
precipitación. Se evidencia que la señal del manantial está más empobrecida que la
precipitación de la estación con mayor altitud-SAN_P_3. Lo anterior permite determinar
que este manantial no se encuentra afectado por la precipitación directamente y que el
agua se ha infiltrado a una altura superior a los 3.100 m.s.n.m.
Estos resultados, coinciden con lo encontrado en el Páramo húmedo del río Zhurucay
en Ecuador, donde se sugiere que esta señal diferente del manantial, indica que éste
no reacciona a la entrada de precipitación. Por lo tanto, se infiere que estos flujos en los
manantiales poseen altos tiempos de residencia en el sistema hidrológico. (Mosquera
et al 2012). A partir de este resultado, se deduce que el páramo tiene una alta capacidad
de regulación de flujos, al permitir la entrada y circulación de flujos desde la zona alta
hacia la zona media-baja por medio de manantiales, que posteriormente alimentan
quebradas. Esta hipótesis se refuerza con el hecho de que los pobladores aseguran que
este manantial jamás se ha secado, por lo tanto, existe un flujo subsuperficial-
subterráneo que lo alimenta constantemente. Teniendo en cuenta esta información y la
composición isotópica de los otros manantiales, se puede establecer que el agua se ha
infiltrado en el agua de la altitud de las estaciones de precipitación: entre 2815 y
3100m.s.n.m.
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Figura 14. Señal isotópica de la precipitación vs señal del manantial
SAN_M_2.
Figura 15. Línea Meteórica local junto con las diferentes muestras tomadas en la zona.
Los otros manantiales presentan menos de 1‰ de diferencia con respecto al SAN_M_2
indicando que el mecanismo de procedencia del agua podría ser igual al SAM_2.
La señal isotópica de las quebradas presenta una variación de 18O entre -8,39‰ a -
11,02‰ con promedio de -9,80‰ para la quebrada Valegra; de -9,38 a -10,67 con
promedio de -9,73‰ para la quebrada Chorrerón y de -8,55‰ a -11,31‰ con promedio
de -9,8‰ para la quebrada La Caldera. Por su parte el δ2H registra variaciones entre -
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57,1‰ y -77,80 ‰ con promedio de -67,2‰ para la quebrada Valegra hasta el 2 de
mayo de 2018. Asimismo, se presentan variaciones entre -56,1‰ y -79,1‰ con
promedio de -67,5‰ de δ2H para la quebrada La Caldera. Figura 16.
Estas variaciones se consideran homogéneas en las quebradas Valegra, La Caldera-
las cuales presentan la crónica de serie de tiempo más extensa- y su variación se
encuentra atenuada con respecto a la precipitación. Este mismo efecto ha sido
observado en Zhuracay, Ecuador, (Mosquera et al 2012), “donde las variaciones
isotópicas de los caudales y manantiales son menores a las observadas en la
precipitación, lo cual sugiere que el agua lluvia no influencia de manera directa a la
generación de caudal, sino más bien actúa como fuente de recarga de agua en los
suelos”. Sólo se presentan unas muestras con una tendencia diferente para las fechas
de 13 septiembre de 2017, 15 de noviembre de 2017 y 4 de abril de 2018 con valores
más enriquecidos que el promedio, lo cual podría ser el resultado de lluvias igualmente
enriquecidas. Por el contrario, para el 3 de enero de 2018 se presentan composición
isotópica más enriquecida con cerca 1‰ de diferencia.
En paralelo se tomaron dos muestras a la salida cada microcuenca con la ayuda de un
lisímetro. Los resultados para la quebrada Valegra reflejan una composición isotópica
de -9,21‰ y -62,60‰ para el 18O y 2H respectivamente para el día 31/10/2017. Mientras
que la muestra tomada el día 6 de diciembre de 2017 presenta señal isotópica más
enriquecida con -7,47‰ y -48,5‰ para el 18O y 2H respectivamente. El valor tomado en
la quebrada para este día se encuentra más empobrecido. Por otra parte, el día 29 de
noviembre de 2017 se tomó la muestra en la quebrada La Caldera con datos más
empobrecidos de -8,85‰ y 62,1‰ para el 18O y 2H respectivamente. Este último valor
está más enriquecido que la muestra tomada en la quebrada.
El día 4 de mayo se realizó el monitoreo de alta frecuencia posterior a una precipitación
que tuvo lugar entre la noche y la madrugada del 3 de mayo.
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Figura 16. Comportamiento temporal del oxígeno-18 y deuterio en las
quebradas.
Monitoreo intensivo
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Este monitoreo horario, ha permitido evidenciar un empobrecido de alrededor de hasta
-1,26‰ para el δ18O y de -8‰ y hasta de -11‰ de δ2H con respecto a la composición
isotópica de las quebradas antes del evento de precipitación. Por su parte, la quebrada
Caldera registra empobrecimiento de -12‰ con respecto a la composición isotópica
antes del evento y posteriormente comienza a enriquecerse en el transcurso de las
horas siguientes. Es de notar que la composición isotópica de las quebradas antes del
evento es similar a la composición isotópica promedio de las quebradas y de la muestra
tomada el 28 de febrero de 2018, en la cual se registraron 14 días sin precipitación.
Lo anterior se considera como argumento para establecer que esta composición
isotópica promedio corresponde a la composición isotópica del caudal base,
responsable de regular el caudal en las quebradas. Este hecho se refuerza con el
monitoreo horario, puesto que se presenta un empobrecimiento producto de
precipitaciones isotópicamente empobrecidas que provienen de una altura mayor a la
de la salida de la cuenca.
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7. Prospectiva del monitoreo hidrológico e isotópico
El monitoreo hidrológico e isotópico realizado en el marco de este proyecto ha permitido
identificar comportamientos y patrones de cada uno de los elementos del ciclo
hidrológico en esta región de Colombia que permitirá orientar decisiones acertadas a
nivel regional y nacional. Es necesario garantizar la continuidad en el tiempo del
monitoreo de los niveles hidrológicos en cada una de las quebradas instrumentadas,
con el fin de refinar los resultados encontrados en este proyecto. Para esto se debe
garantizar personal capacitado para realizar las labores de mantenimiento en campo y
el análisis y divulgación de los datos de acuerdo con el esquema de la Figura 17.
Figura 17. Esquema de mantenimiento de monitoreo.
Verificación en campo
Limpieza de las
secciones naturales
Descarga semanal de
datos
Verificación de datos
Comparación con datos de precipitación
Divulgación de
resultados
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8. Consideraciones Finales
Se presentan a continuación las principales conclusiones extraídas del estudio:
A partir de los datos hidrológicos, se ha observado una buena correlación entre los
niveles de la Quebrada Valegra y Caldera y la precipitación. Se puede observar que
para aquellos períodos en los cuales existe ausencia de la precipitación, los niveles
de las quebradas se mantienen. Asimismo, se registra un aumento instantáneo de
los niveles posterior a eventos de precipitación. Seguidamente, se registra una
recuperación del nivel promedio antes del pico entre 10 y 13 horas, lo cual está
relacionado con una regulación propia de la microcuenca, representado en el caudal
base proveniente del flujo subsuperficial.
Dado que la señal isotópica promedio del manantial se encuentra más empobrecida
que la estación ubicada a 3100 m.s.n.m. se concluye que el manantial se está
recargando de una fuente con una altura mayor o igual a 3.100 m.s.n.m,.
Asimismo, a partir de la composición isotópica de los otros manantiales se puede
establecer que el agua se ha infiltrado en el rango de la altitud de las estaciones de
precipitación: entre 2570 y por encima de los 3100m.s.n.m.
La homogeneidad de la señal isotópica del Manantial El Arrayán a lo largo de los
meses, sugiere que no se encuentra afectado por la precipitación directamente,
puesto que la señal de la precipitación presenta hasta 14‰ de diferencia entre los
meses secos y lluviosos, mientras que el manantial presenta menos de 0,3‰ de
variabilidad. Este comportamiento permite establecer un tiempo de residencia
superior a 1 año en la fuente que alimenta el manantial, de esta forma, el agua
almacenada en el ecosistema de alta montaña sería capaz de aportar agua y
sostener el caudal base, aunque exista una disminución en las precipitaciones,
incluso superior a un año.
Las variaciones isotópicas de las quebradas se consideran homogéneas en el
tiempo y se encuentra atenuada con respecto a la precipitación, lo cual permite
concluir que el mecanismo hidrológico preferencial, por el cual se mantienen
los caudales base, no es la precipitación directa, la cual actúa como fuente de
recarga de agua en los suelos, sino la regulación de agua que se presenta en
el ecosistema de alta montaña, ubicado sobre los 3100 m.s.n.m. Este argumento
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se refuerza con los resultados del monitoreo horario donde se registra un
empobrecimiento importante a nivel horario después de la precipitación.
A partir de estos resultados se considera que existen suficientes evidencias para
demostrar que existe una conexión clara entre los flujos subsuperficiales infiltrados y
retenidos en el ecosistema de alta montaña (ecosistema de páramo y bosque alto
andino) y los flujos superficiales asociados a nacimientos de agua y quebradas de alta
montaña.
El agua proveniente de los manantiales en la parte alta aporta al sostenimiento del
caudal base de las aguas superficiales en ambas microcuencas, lo cual implica una
relación clara entre las acciones para la protección de los ecosistemas reguladores de
agua en la alta montaña y la sostenibilidad del recurso hídrico superficial para presentes
y futuras generaciones.
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BIBLIOGRAFÍA
Célleri, R., De Bièvre, B., Ochoa, B., & Villacís, B. (2013). Guía Metodológica para el
Monitoreo Hidrológico de Ecosistemas Andinos- iMHEA.
Gómez, S., Taupin, J., & Rueda, J. (2015). Estudio hidrodinámico, geoquímico e
isotópico de las formaciones acuíferas de la región de Bucaramanga (Colombia).
4, 44-61.
Mosquera G., Lazo P., Cárdenas I. & Crespo P- (2012). Identificación de las principales
fuentes de agua que aportan a la generación de agua de escorrentía en zonas
andinas de páramo húmedo: mediante el uso de isotópos estables deuterio (δ2H)
y oxígeno-18 (δ18O). Revista MASKANA. Vol. 3: 87-105pp.
Mook, W. (2000). Isótopos ambientales en el ciclo hidrológico. Viena.
OIEA. (SF). Gestión de los recursos hídricos mediante la hidrología isotópica.
Colección de Información del Organismo Internacional de Energía Atómica
División de Información Pública 02-01581/FS Series 2/03/S.
OMM. (2011). Guía de prácticas hidrológicas. Organización Meteorológica Mundial.
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