Hydrogeology Assessment and Groundwater Risk Analysis of Nitrate Pollution in the Gallocanta Basin (Spain)

La calidad de las aguas subterráneas en una zona depende del equilibrio entrelas potencialidades naturales del sistema acuífero, y las actividades humanas que en ella se desarrollan. En un doble sentido, el modelo territorial de uso del suelo condiciona el estado de las aguas subterráneas y su evolución en el tiempo, a la vez que la calidad del recurso hídrico compromete la actividad humana dependiente del mismo. Para promover una relación sostenible entre lapotencialidad natural y la actividad humana derivada, es necesario aplicar una perspectiva holística de la situación. En esta investigación se parte del conocimiento exhaustivo del funcionamiento hidrogeológico del sistema acuífero, para analizar a continuación cómo ha evolucionado su estado de contaminación hasta la actualidad en distintos escenarios de usos del suelo en el entorno. A partir de estos datos, se analizan y evalúan los factores condicionantes del riesgo de contaminación de aguas subterráneas en la zona, y se propone una metodología revisada para la evaluación y cartografía del riesgo de contaminación de las aguas subterráneas y de las consecuencias de la misma sobre el medio humano que depende del recurso hídrico.El objetivo final de esta tesis es estudiar el funcionamiento hidrogeológico del sistema de Gallocanta, y la evolución espacio-temporal del estado de contaminación de sus aguas subterráneas como punto de partida para proponer un procedimiento de evaluación del riesgo de contaminación, especialmente por nitratos de origen agrario, afín a un modelo territorial rural. Los objetivos específicos son, además de la caracterización hidrogeológica y de la estimación del nivel de contaminación del sistema, el análisis de los distintos componentes del riesgo en la zona (peligrosidad, vulnerabilidad intrínseca, vulnerabilidad del medio humano e impacto socio-económico de la contaminación), y la revisión de sus respectivos sistemas de evaluación y cartografía, para poder aportar una metodología de evaluación del riesgo renovada.Respecto a las fuentes en las que se fundamenta la tesis, la cuenca endorreica de Gallocanta (540 km²) se estudia a partir de datos cuantitativos y cualitativos.La caracterización geológica e hidrogeológica de la zona se basa en trabajos previos elaborados por investigadores y organismos públicos, que se han revisado, completado y actualizado mediante trabajo de campo. Por otra parte, el análisis de cada uno de los componentes del riesgo se basa en datos adquiridos sobre el terreno y en la información disponible en bases de datos locales, regionales y nacionales de distintos organismos oficiales.Los resultados obtenidos se refieren a tres líneas de análisis: aportaciones a la caracterización hidrogeológica del sistema de Gallocanta, evolución espaciotemporal del estado de contaminación de las aguas subterráneas y propuesta de una metodología revisada para la evaluación del riesgo de contaminación de acuíferos por nitratos de origen agrario.En lo que se refiere a la modelización hidrogeológica del sistema, los resultados muestran la transferencia subterránea de la cuenca hidrológica de Gallocanta hacia las vecinas cuencas del río Jiloca, por los Ojos de Caminreal, y del sistema Piedra-Ortiz, al noroeste. Hacia el Jiloca, se han estimado unas transferencias de 1,19 Hm3/año desde la cuenca endorreica de Gallocanta, mientras que las transferencias estimadas hacia el sistema Piedra-Ortiz han sido de 4,05 Hm3/año.En relación al análisis diacrónico del estado cualitativo de las aguas subterráneas en la zona de estudio, en términos globales, para toda el área analizada, se observa que el valor medio de contaminación en los puntos de muestreo pasó de 57,2 mg L-1 en 1999, justo antes de la implementación de los planes de acción basados en la Directiva de Nitratos, a 62,4 mg L-1 en 2017. Sin embargo, si el análisis temporal se realiza a nivel individual, en cada uno de los puntos muestreados, se observa una tendencia decreciente de la concentración de nitratos en un 24 % de ellos, a partir de la implementación de los citados planes. Respecto al análisis del riesgo, se aporta una revisión de los métodos de evaluación de la peligrosidad de contaminación, y se propone un índice propio llamado NIHI (Nitrogen Input Hazard Index) para la evaluación y cartografía de la peligrosidad de contaminación por nitratos de origen agrario. La peligrosidad obtenida para el área de estudio según varios índices de peligrosidad generalistas la clasifican entre baja y moderada en aproximadamente el 64 % dela zona de estudio, hecho que no se corresponde con los datos empíricos de contaminación observados en la zona, que muestran valores elevados de contaminantes como los nitratos. Los valores de peligrosidad obtenidos según el índice NIHI se ajustan en mayor medida al nivel de contaminación real en la zona, ya que un 44 % de ella se clasifica como de peligro alto.En la investigación se propone un procedimiento para la evaluación global del riesgo de contaminación, calculado a partir de los valores de peligrosidad obtenidos mediante el índice NIHI, los valores de vulnerabilidad intrínseca estimados a través del índice DRASTIC Reducido, (que en la zona oscilan entre muy bajo y alto), y los de vulnerabilidad social, que considera la vulnerabilidad en la zona como Moderada. Según esta metodología, se estima que el riesgo de contaminación de las aguas subterráneas es alto en un 23 % de la zona de estudio, mientras que el potencial impacto socioeconómico de dicho riesgo es moderado en toda la zona.Se concluye que el nivel de afección por la contaminación del sistema acuífero de Gallocanta es elevado, como también lo es el nivel de riesgo potencial. Se observa igualmente que el actual sistema de evaluación de la calidad, y las estrategias aplicadas para el control de la contaminación en la zona requieren cambios importantes a distintos niveles, desde la profundización en el conocimiento hidrogeológico del sistema, hasta la reconceptualización de los métodos de evaluación de los componentes del riesgo, así como del término “zona vulnerable”, su delimitación, y sus implicaciones territoriales y sociales.Groundwater quality depends on the balance among natural characteristics of the aquifer system and the anthropogenic activities carried out in the area. The territorial land use model determines the groundwater quality status and its temporal evolution, whereas, on the contrary, groundwater quality may affect dependent human activities. In order to enhance a sustainable relationship between the natural potentiality of the system and the human activities, a holistic approach must be followed. This work is based on a deep knowledge of the hydrogeological functioning of the aquifers, with the aim of analysing its quality for the last forty years, under several changes in land uses. Based on this information, the determining factors of groundwater risk to pollution in the area are analysed, a methodology is proposed to assess and map this type of risk, and the effects of pollution over socio-economic activities that depends on groundwater are estimated. The ultimate objective of this PhD Thesis was to study the hydrogeological functioning of the Gallocanta Lake System, and the spatial-temporal evolution of groundwater quality as the starting point to develop a method for assessing groundwater risk to pollution, especially nitrates, that fits to a rural territorial model. The partial objectives were the hydrogeological characterization of the basin, the evaluation of groundwater pollution under European Union’s Directives, the analysis of the components of risk in the area (hazard, intrinsic vulnerability, social vulnerability and socio-economic impact), as well as the review of its usual methods of analysis and mapping in order to provide a new and better risk assessment method. Regarding the sources of information used in this work, the endorheic Gallocanta Basin (540 km²) has been analysed based on qualitative and quantitative data. The geological and hydrogeological framework of the study have been based on previous studies and reports published by public administrations and researchers, which have been updated and reviewed by fieldwork. Additionally, the risk assessment has been carried out according to data obtained from national, regional and local official databases, as well as fieldwork. The results could be separated in three research lines: contribution to the hydrogeological characterization of the Gallocanta System, spatial-temporal evolution of groundwater quality, and proposal of a method to assess groundwater risk to pollution by nitrates from agricultural sources. According to the hydrogeological modelling, it has been proven the discharge of the Gallocanta Basin to the Piedra Basin and the Ortiz Basin (NO), and to the Jiloca Basin (SE), at the Ojos de Caminreal Springs. The estimated flow to the Piedra and Ortiz rivers was 4.77 Hm3/y, whereas the flow to the Jiloca River was 1.85 Hm3/y. In relation to the diachronic analysis of the qualitative status at the Gallocanta Groundwater Body, overall, the average nitrate concentration within the whole study area increased from 57.2 mg L-1 in 1999, before the implementation of the action programmes related to the Nitrate Directive, to 62.4 mg L-1 in 2017. However, individually, after the implementation of the programmes, 24 % of the sampling points showed decreasing trends after the implementation of the action programmes. Regarding to the risk analysis, a review of the hazard assessment methods to pollution is provided, and a new index is proposed to assess and map groundwater hazard to pollution by nitrates from agricultural sources, the so-called NIHI (Nitrogen Input Hazard Index). The hazard to groundwater pollution was low and moderate in 64 % of the study area according to several generic hazard indexes, whereas according to the NIHI specific hazard index, a 44 % of the area was classified as high hazard. The hazard classification proposed by the NIHI fits better to the real groundwater pollution status in the area. The study also proposes a method to assess risk of pollution, which is based on the NIHI, the intrinsic vulnerability classification calculated by the modified DRASTIC index, which ranges between very low and high in the area, and a social vulnerability index that estimates a moderate vulnerability of the whole study area. According to this method, the risk level to groundwater pollution was high in 23 % of the study area, whereas the potential socioeconomic impact of that risk is moderate. Thus, it is estimated a moderate and high potential risk level in 47 % of the study area. It is highlighted that the current quality control system and the strategies implemented to mitigate pollution in the area requires substantial changes and improvements at different levels. Starting from a deeper comprehension of the hydrogeology, to the rethinking of the methods used to assess risk components, as well as the effectiveness of the Nitrate Vulnerable Zone concept, the delimitation of those areas, and the territorial and social consequences of its implementation.