Modelación matemática de pesticidas en las masas de agua subterránea de la Demarcación Hidrográfica del Júcar

Abstract

[ES] La predicción del comportamiento de los pesticidas liberados en el ambiente es necesaria para anticipar y por ende minimizar sus efectos adversos. La contaminación por pesticidas en las aguas subterráneas puede suceder a través de la deriva, la escorrentía superficial o el flujo subsuperficial. Se han desarrollado varios modelos para predecir el comportamiento, movilidad y persistencia de los pesticidas. Sin embargo, el número de estos modelos aplicados a aguas subterráneas es muy reducido, ya que usualmente solo se aplican a masas de agua superficiales. Además, los pocos estudios realizados en masas de agua subterráneas son limitados y no logran reflejar todas las variables que pueden influir en la contaminación por pesticidas. Es necesario integrar en el modelo procesos clave como el crecimiento de los cultivos, la aplicación de pesticidas, los procesos de transformación y las prácticas de gestión de los campos. Por tanto, la modelación en aguas subterráneas requiere tener en cuenta parámetros como las propiedades del suelo y las características químicas del pesticida (solubilidad, coeficiente de degradación etc.). Además, también debe integrar variables que son cambiantes en el espacio y en el tiempo, como características hidrológicas, fenología de los cultivos y variables climáticas como temperatura, precipitación, evaporación, viento y radiación solar. El movimiento de pesticidas en las aguas superficiales y subterráneas es una preocupación ambiental creciente debido a la contaminación causada por la aplicación intensiva de pesticidas en la agricultura y otras actividades antropogénicas. Estos compuestos reducen la calidad del agua y producen efectos perjudiciales en los ecosistemas y la salud humana, lo que justifica el interés que tiene su modelado en las reservas de agua subterráneas para poder realizar una gestión ambiental adecuada y adoptar medidas preventivas. En esta tesis se aborda la modelación matemática de cinco pesticidas (Bromacil, Terbutilazina, Atrazina, Desetil-Terbutilazina y Terbumeton) en la Demarcación Hidro-gráfica del Júcar (DHJ) que ocupa una superficie de más de 40 000 km2 con una población superior a los cinco millones de personas. Para ello, se utilizó el software PRZM5 (Pesticide Root Zone Model, versión 5) desarrollado por la Agencia Medioambiental de Estados Unidos (EPA). Mediante la aplicación de PRZM5 se simuló el destino y transporte de pesticidas en la zona no saturada de los acuíferos. El modelo se ha utilizado para estimar las concentraciones diarias de pesticidas de 72 pozos de la DHJ. En estas masas de agua subterránea se han encontrado valores de concentración de plaguicidas superiores al valor Máximo de Concentración Permitido (MCP) establecido por la Legislación Española. Estos resultados proporcionan un primer paso crucial para el desarrollo de la evaluación del riesgo de plaguicidas en la DHJ. A partir de estos resultados obtenidos se realizaron un conjunto de mapas de riesgo de contaminación, para tener una mejor perspectiva de la evolución temporal de los pesticidas en las masas de agua subterránea de la DHJ. La distribución espacial de los pesticidas corresponde a zonas mayoritariamente dedicadas a la agricultura de regadío. Por tanto, se puede concluir que la cantidad de pesticida aplicada en los cultivos es el factor más importante que influye en la concentración de pesticida en las masas de agua subterránea. Además, otras variables que afectan son el tipo de suelo, la profundidad del acuífero, características hidro-meteorológicas, y el índice de persistencia de los pesticidas. Este trabajo ejemplifica que la aplicación del modelado matemático es una herramienta válida para el análisis y predicción del destino y transporte de pesticidas en los suelos y en las aguas subterráneas, por lo que su incorporación a la gestión ambiental podría beneficiar a la toma de decisiones sobre los recursos hídricos.

[CA] La predicció del comportament dels pesticides alliberats a l'ambient és necessària per anticipar i per tant minimitzar-ne els efectes adversos. La contaminació per pesticides a les aigües subterrànies pot succeir a través de la deriva, l'escorriment superficial o el flux subsuperficial. S'han desenvolupat diversos models per predir el comportament, la mobilitat i la persistència dels pesticides. Tot i això, el nombre d'aquests models aplicats a aigües subterrànies és molt reduït, ja que usualment només s'apliquen a masses d'aigua superficials. A més, els pocs estudis realitzats en masses d"aigua subterrànies són limitats i no aconsegueixen reflectir totes les variables que poden influir en la contaminació per pesticides. És necessari integrar al model processos clau com el creixement dels cultius, l'aplicació de pesticides, els processos de transformació i les pràctiques de gestió dels camps. Per tant, la modelació en aigües subterrànies requereix tenir en compte paràmetres com les propietats del sòl i les característiques químiques del pesticida (solubilitat, coeficient de degradació, etc.). A més, també ha d'integrar variables que són canviants a l'espai i en el temps, com característiques hidrològiques, fenologia dels cultius i variables climàtiques com temperatura, precipitació, evaporació, vent i radiació solar. El moviment de pesticides a les aigües superficials i subterrànies és una preocupació ambiental creixent a causa de la contaminació causada per l'aplicació intensiva de pesticides a l'agricultura i altres activitats antropogèniques. Aquests compostos redueixen la qualitat de l'aigua i produeixen efectes perjudicials en els ecosistemes i la salut humana, cosa que justifica l'interès que té el modelat a les reserves d'aigua subterrànies per poder fer una gestió ambiental adequada i adoptar mesures preventives. En aquesta tesi s'aborda la modelació matemàtica de cinc pesticides (Bromacil, Terbutilazina, Atrazina, Desetil-Terbutilazina i Terbumeton) a la Demarcació Hidrogràfica del Xúquer (DHJ) que ocupa una superfície de més de 40 000 km2 amb una població superior als cinc milions de persones. Per fer-ho, es va utilitzar el programa PRZM5 (Pesticide Root Zone Model versió 5) desenvolupat per l'Agència Mediambiental dels Estats Units (EPA). Mitjançant l'aplicació de PRZM5 es va simular la destinació i el transport de pesticides a la zona no saturada dels aqüífers. El model s'ha fet servir per estimar les concentracions diàries de pesticides de 72 pous de la DHJ. En aquestes masses d"aigua subterrània s"han trobat valors de concentració de plaguicides superiors al valor Màxim de Concentració Permès (MCP) establert per la Legislació Espanyola. Aquests resultats proporcionen un primer pas crucial per al desenvolupament de l'avaluació del risc de plaguicides a la DHJ. A partir d'aquests resultats obtinguts es van fer un conjunt de mapes de risc de contaminació, per tenir una perspectiva millor de l'evolució temporal dels pesticides en les masses d'aigua subterrània de la DHJ. La distribució espacial dels pesticides correspon a zones dedicades majoritàriament a l'agricultura de regadiu. Per tant, es pot concloure que la quantitat de pesticida aplicada als cultius és el factor més important que influeix en la concentració de pesticida a les masses d'aigua subterrània. A més, altres variables que afecten són el tipus de sòl, la profunditat de l'aqüífer, les característiques hidrometeorològiques i l'índex de persistència dels pesticides. Aquest treball exemplifica que l'aplicació del modelatge matemàtic és una eina vàlida per a l'anàlisi i la predicció de la destinació i el transport de pesticides als sòls i a les aigües subterrànies, per la qual cosa la seua incorporació a la gestió ambiental podria beneficiar la presa de decisions sobre els recursos hídrics.

[EN] Predicting the behaviour of pesticides released into the environment is necessary to anticipate and thus minimise their adverse effects. Pesticide contamination in groundwater can occur through drift, surface runoff or subsurface flow. Several models have been developed to predict the behaviour, mobility and persistence of pesticides. However, the number of these models applied to groundwater is very small, as they are usually only applied to surface water bodies. Moreover, the few studies carried out on groundwater bodies are limited and fail to reflect all variables that may influence pesticide contamination. Key processes such as crop growth, pesticide application, transformation processes and field management practices need to be integrated into the model. Groundwater modelling therefore requires taking into account parameters such as soil properties and chemical characteristics of the pesticide (solubility, degradation coefficient, etc.). In addition, it must also integrate variables that are changeable in space and time, such as hydrological characteristics, crop phenology and climatic variables such as temperature, precipitation, evaporation, wind and solar radiation. The movement of pesticides to groundwater bodies is a growing environmental concern due to pollution caused by intensive pesticide application in agriculture and other anthropogenic activities. These compounds reduce water quality and produce detrimental effects on ecosystems and human health, which justifies the interest of modelling them in groundwater reservoirs for proper environmental management and preventive measures. This thesis deals with the mathematical modelling of five pesticides (Bromacil, Terbuthylazine, Atrazine, Desethyl-Terbuthylazine and Terbumeton) in the Júcar River Basin District (DHJ), which covers an area of more than 40,000 km2 with a population of more than five million people. For this purpose, the PRZM5 software (Pesticide Root Zone Model version 5) developed by the US Environmental Protection Agency (EPA) was used. The application of PRZM5 was used to simulate the fate and transport of pesticides in the unsaturated zone of aquifers. The model was used to estimate daily pesticide concentrations from 72 wells in the DHJ. In these groundwater bodies, pesticide concentration values higher than the Maximum Allowable Concentration (MCP) value established by the Spanish Legislation have been found. These results provide a crucial first step for the development of the pesticide risk assessment in the DHJ. Based on these results, a set of contamination risk maps were made, in order to have a better perspective of the temporal evolution of pesticides in the groundwater bodies of the DHJ. The spatial distribution of pesticides corresponds to areas mainly dedicated to irrigated agriculture. It can therefore be concluded that the amount of pesticide applied on crops is the most important factor influencing pesticide concentration in groundwater bodies. In addition, other affecting variables are soil type, aquifer depth, hydro-meteorological characteristics, and the persistence rate of pesticides. This work exemplifies that the application of mathematical modelling is a valid tool for the analysis and prediction of the fate and transport of pesticides in soils and groundwater. Therefore, its incorporation into environmental management could benefit decision-making on water resources.