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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:

http://www.miparamo.org/

http://www.alianzabiocuenca.org/


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




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




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




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.




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.




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.




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.




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




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:




, 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).




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




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).




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)




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.




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.




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.




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.




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


Vertimiento aguas residuales Mutiscua

Luisa Hernández





ID de la estación

Municipio

Departamento

Coordenadas N




Fecha de inicio

Nombre del predio:




Ubicación


SAN_P_2

Mutiscua

Norte de Santander

Coordenadas E 7,290207°

Totalizador



1 garrafa de 22l

1 tanque de icopor

1 embudo de 22cm


Finca La Chorrera

Marina Pavón

3202704636

-72,754549°

1 tubo pvc de 1,5m





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




Fecha de inicio

Nombre del predio:



Ubicación


1 garrafa de 22l

1 tanque de icopor

1 embudo de 22cm

1 tubo pvc de 1,5m


3152011584-3173306970


SAN_P_3

Mutiscua

Norte de Santander

-72,759575° Coordenadas E 7,30275°

Totalizador



Finca Buenos Aires

Ana Lucía Ortega- Pedro Ortega




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




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




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.




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




Figura 6. Red de monitoreo para la implementación de cuencas pares en

área piloto del Páramo de Santurbán.




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




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.




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.




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.




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




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.




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




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 -




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




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.




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




Fecha



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




Fecha



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




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




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.




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 -




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.




Figura 16. Comportamiento temporal del oxígeno-18 y deuterio en las

quebradas.

Monitoreo intensivo




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.




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




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




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.




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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