Movimiento del agua freática y concentración de sales en suelos agrícolas*

Groundwater flow and concentration of salts in agricultural soils

Pablo Miguel Coras Merino¹§, Ronald Ontiveros Capurata¹ y Lamine Diakite Diakite¹

¹ Universidad Autónoma Chapingo. Departamento de Irrigación. Carretera México Texcoco, km 38.5 s/n. C. P. 56230. Chapingo. Estado de México. Tel. 595-9521649. §Autor para correspondencia: mpcoras@correo.chapingo.mx.

Resumen

En periodos de lluvias223.8 ha en San Martín Netzahualcóyotl, Estado de México, presentan problemas de exceso de humedad y altas concentraciones de sales solubles en los estratos del suelo y aguas freáticas, que varían a lo largo del año con el movimiento descendente y ascendente del nivel freático que provoca bajos rendimientos de los cultivos. En éste trabajo se elaboraron planos de isobatas, para ubicar las áreas de exceso de humedad, isohypsas muestran las direcciones y movimiento de los flujos subterráneos e isosalinidad en los perfiles del suelo. Se determinó la oscilación del nivel freático mediante el análisis de 27 muestras de suelo y agua por año durante el periodo de 2006 a 2011. Se encontró que las lluvias de agosto (33 mm) y septiembre (100.5 mm) son las causantes del ascenso del nivel freático y excesos de agua en el suelo en 0.58 ha a 0.65 ha por milímetro de precipitación en 223.8 ha. A niveles freáticos mayores a 1.51 m de profundidad los suelos presentaron baja salinidad y sodicidad (72.36 ha). A niveles freáticos menores a 1.5 mm y aguas freáticas de mediana a alta en sales, se encontraron, suelos salinos y/o sódicos cubriendo 59 ha. (26%) de la superficie total.

Palabras clave: precipitación, salinidad, mantos freáticos.

Abstract

In rainy periods 223.8 ha in San Martín Nezahualcóyotl, Mexico State, have problems with excess moisture and high concentrations of soluble salts in the soil layers and groundwater, which vary throughout the year with fluctuations of the water table res ulting in low crop yields. Isobaths planes were developed in this work, to locate areas of excessive moisture, 1 sohypsess how the di re cti o ns and move me nt o f groundwater flows and isos ali nity in s oil profiles. Water table oscillation was determined by analyzing 27 samples of soil and water per year over the period 2006-2011. It was found that rains in August (33 mm) and September (100.5 mm) cause the rise of the water table and excess water in the soil at 0.58 ha to 0.65 ha per mm of rainfall in 223.8 ha. In water tables over 1.51 m deep, soils had low salinity and sodicity (72.36 ha). In water tables less than 1.5 mm deep and groundwater medium to high in salts, saline soils and / or sodic soils were found, covering 59 ha (26 %) of the total area.

Keywords: rainfall, salinity, water table.

Introducción

Los estudios de fluctuación de los niveles freáticos subterráneos son de mucha importancia ya que el movimiento de los mantos freáticos es la principal causa de los problemas de salinidad y drenaje. En México se estima que existen aproximadamente 1.1 millones de hectáreas afectadas por salinidad y drenaje inapropiado a diferentes grados (SEMARNAT, 2008).

La región del ex-Lago de Texcoco, San Martín Nezahualcóyotl, Montecillos y San Luis Huexotla en el Estado de México se caracterizan principalmente por presentar problemas de salinidad en zonas donde anteriormente existían cultivos agrícolas, desde hace algunos años se han realizado diferentes estudios en esta zona con el fin de recuperar los suelos para la agricultura e incrementar la productividad, éstas investigaciones han sido encaminadas hacia varias temáticas principalmente a evaluar los cambios en las propiedades físicas y químicas de los suelos (Cruickshank, 1995), combinación de láminas de lavado y soluciones ácidas (Arana et al., 2000) y el uso de vegetación tolerante a salinidad para recuperación de los suelos (Anaya, 2004).

Los estudios realizados en las zonas aledañas al área propuesta cubren parte del problema. La mayor parte de ellos están dirigidos a recuperar las áreas afectadas o a la búsqueda de especies altamente tolerantes. Sin embargo, es necesaria una clasificación de los suelos según el grado de salinidad, identificando el tipo de sales y sodio y su localización en un plano de isosalinidad para planear una recuperación integral y evitar que una vez recuperado el suelo, pudiera hacerse renuente el proceso de su ensalitramiento.

Las causas principales de la salinización de los suelos agrícolas en los distritos de riego son: filtración en la red de canales de tierra, manejo deficiente del riego, conservación deficiente de la red de drenaje, uso de aguas de mala calidad para riego y fluctuación de los mantos freáticos someros (Pizarro, 1985 y Grassi, 1981).

Según el USSL (1954) existen tres categorías de suelos afectados por el alto contenido de sales, en el Cuadro 1 se presentan los límites químicos generalmente aceptables para la clasificación de este tipo de suelos, en función de la conductividad eléctrica (CE), el porcentaje de sodio intercambiable (PSI) y el pH.

En los suelos alcalinos los cationes más abundantes son el calcio, magnesio, potasio y sodio mientras que en los suelos ácidos lo son el aluminio y el hierro; normalmente en suelos con buena fertilidad, Bohn etal. (2001) indican que el orden de la concentración debe de ser de Ca⁺²>Mg⁺²K⁺¹>Na⁺¹, si este orden se altera se pueden presentar problemas para la producción agrícola.

Cuando la concentración de sales solubles en el suelo es alta, ocurren modificaciones en las propiedades físicas de los suelos, estas dependen del tipo de suelo y de sales que se encuentran en solución, por citar un ejemplo, sales como los carbonatos y sulfatos de calcio y magnesio ocasionan agregación y formación de agregados con las partículas finas del suelo (Rhoades, 1990), este proceso se conoce como floculación y permite el mejoramiento de algunas características del suelo para que sean favorables para las plantas, entre estas, mejorar la aireación del suelo y con ello la penetración y crecimiento de raíces; sin embargo, pese a lo positivo de este proceso, esto no implica necesariamente que la adición de sales de cierto tipo sean benéficas para mejorar las características de cualquier suelo, cabe recordar que niveles de salinidad altos pueden ocasionar también toxicidad a las plantas (Horneck et al., 2007).

Si las sales disueltas en el agua contienen altas concentraciones de sodio el proceso puede ser aún más perjudicial que las no sódicas, según lo señalado por Rhoades (1990) los efectos más comunes incluyen la dispersión de partículas y formación de placas impermeables. La dispersión de las partículas ocurre cuando los puentes que unen a las arcillas son reemplazados por iones de sodio que son de mayor tamaño, con esta separación las partículas de arcilla se expanden y se hinchan generando como resultado una desagregación; cuando este proceso ocurre de manera repetitiva alternado con periodos secos y húmedos, el suelo finalmente se convierte en un conglomerado sin estructura que se asemeja a un bloque de cemento con baja infiltración, baja conductividad hidráulica y formación de costras superficiales, en estas condiciones la productividad del suelo se ve seriamente reducida (Ayers y Westcot, 1985; Warrence et al, 2002).

En suelos salinos donde la cantidad elevada de sales disueltas en la zona radicular restringe el desarrollo de las plantas, existen dos tipos dominantes de cationes, los suelos salinos que contienen sodio principalmente en forma de cloruro de sodio y sulfato de sodio y suelos salinos con calcio y magnesio principalmente en forma de sulfatos de calcio y magnesio y cloruros de calcio y magnesio. Por otro lado en suelos sódicos la predominancia del sodio y el pH elevado puede dar lugar a la precipitación del calcio y magnesio como carbonatos y la pérdida de estructura, así mismo los suelos salino sódicos presenta altas cantidades de sales solubles (CE mayor a 4 ds/m) pero el pH no sobrepasa el valor de 8.5 por lo tanto las partículas están floculadas aunque el crecimiento de las plantas se ve seriamente reducido, en estos suelos no es recomendable el lavado de sales ya que el calcio podría ser removido y ser remplazado por el sodio dando características de suelo sódico (Pizarro, 1985).

En los problemas de drenaje subterráneo se debe tener en cuenta la profundidad mínima a la cual se debe ubicar el nivel freático para que no cause disminución en la producción de los cultivos y se genere una salinización del suelo, por lo que los esquemas de riego para el suministro de agua a los cultivos y control de la salinidad del suelo deben ser adecuados para un descenso de los niveles freáticos someros a fin de incrementar la producción. Una vez que se logra el descenso de los niveles a umbrales adecuados, la operación del drenaje necesita ser optimizada de acuerdo con la dinámica de las variaciones espacio-temporales (Hornbuckle et al, 2007; Rana et al, 2008; Ritzema et al, 2008).

En los estudios de freatimetría es necesario instalar una red de pozos de observación para obtener una representación de fluctuación media del nivel freático en su área de influencia, De Ridder (1978) indica que la presentación de las lecturas del nivel freático con respecto al tiempo se denominan hidrogramas de pozos de observación, los cuales son importantes para evaluar las condiciones del agua subsuperficial y proporciona información referida a: a) la velocidad de ascenso y descenso del nivel del agua; b) la profundidad de la capa de agua por debaj o de la superficie del terreno, lo cual revela períodos del año crítico; c) en combinación con los componentes del balance del agua (precipitación, riego, bombeo de pozos, evaporación, etc.), ayuda a comprender la causa de las variaciones de la capa de agua; d) hidrogramas que cubren varios años, indican la tendencia del comportamiento del agua subsuperficial. La distribución de una red de observación debe estar planificada en base, en una adecuada información topográfica, geológica, hidrológica y de suelos.

Al respecto De Ridder (1978) indica que los pozos deben ubicarse de considerando los siguientes aspectos: a) a lo largo y perpendicularmente a las líneas del flujo del agua subsuperficial; b) en los emplazamientos donde puedan esperarse cambios en la pendiente de la capa de agua; c) en zonas donde es probable que sucedan cambios significativos en la elevación de la capa de agua; d) en las máigenes de los ríos y a lo largo de líneas perpendiculares a ellos, para determinar la curvatura de la carga freática cerca de estos cursos de agua; y e) en zonas donde existan cargas freáticas superficiales o puedan esperarse en el futuro (por ejemplo en zonas con una intensidad de riego relativamente alta, o en zonas de filtración).

Según De Ridder (1978) y Dieleman y Trafford (1978), una vez establecida una red de pozos de observación, las medidas de nivel freático deben realizar durante algunos años, incluyendo secos y húmedos. La comparación de los hidrogramas de los pozos de observación permite distinguir diferentes grupos que muestran una respuesta similar al modelo de recarga y descarga de la zona.

Es así que un pozo ubicado en un área de recarga muy localizada, no representa la situación promedio de una fracción de campo y sus datos no deben usarse, salvo para investigaciones especiales. Para obtener una mejor representación del gradiente hidráulico, sobre una línea normal al canal, se instalan pozos con espaciamiento decreciente a medida que nos aproximamos al mismo.

La zona de recarga se puede definir como la entrada de agua dentro de la zona saturada donde comienza a hacer parte de las reservas subterráneas, esta entrada puede darse de dos maneras, por un movimiento descendente del agua debido a las fuerzas de gravedad y luego de presentarse un movimiento horizontal del flujo debido a las diferentes condiciones hidráulicas de las capas que constituyen el perfil del suelo (Balek, 1988). Es importante prestar atención en la estimación de las zonas de descarga y recarga de los acuíferos, ya que es necesario determinar la cantidad de agua que llega a ellos, su calidad y procedencia (Isaar y Passchier, 1990).

pretende determinar las líneas equipotenciales y direccionales de movimiento de los flujos subterráneos para localizar las áreas de recarga y descarga de los mantos acuíferos a partir del registro de las profundidades del nivel freático en tiempo y espacio y elaborar planos de isosalinidad y calidad química agronómica de los mantos freáticos para cuantificar por estratos las superficies afectadas por sales y sodio.

Materiales y métodos

El ejido de San Martín Nezahualcóyotl pertenece al municipio de Texcoco, Estado de México; se encuentra dentro del Valle de México y ocupa la parte Sur de la Mesa Central de la República Mexicana en una planicie cuya altitud es de 2 265 msnm; queda comprendida dentro de las coordenadas geográficas: 19° 28' y 19° 30' latitud norte y 98° 53' y 98° 55' longitud oeste. La temperatura media anual es de 15.3 °C mientras que la precipitación media anual alcanza 644.8 mm y la evaporación media 1 743 mm (IMTA, 2009).

Una red de puntos de observación espaciados aproximadamente a 500 m ubicados en los perímetros de las parcelas en total 27 pozos para observar el nivel freático, suministra datos sobre la elevación y variación de la capa freática, los cuales fueron utilizados para determinar la configuración de la capa freática, la dirección del movimiento del agua subsuperficial y el emplazamiento de las zonas de recarga y descarga.

Las medidas del nivel de agua se tomaron con un sonador mecánico, consistente en una pequeña pieza de tubo de acero o cobre que se cierra en su extremo superior y se conecta a una cinta de acero calibrada o una cadena. Cuando se baja el sonador produce un sonido característico al chocar con el agua. La profundidad del nivel del agua puede leerse directamente de la cinta de acero o medirse después a lo largo de la cadena (De Ridder, 1978).

La frecuencia del nivel estático de la profundidad del agua fue de una vez por mes para obtener las isobatas (y de la superficie potenciométrica isohypsas) de la zona en estudio, una comparación de los hidrogramas mensuales en los diferentes años permitió distinguir diferentes grupos de pozos y piezómetros, cada pozo o piezómetro que pertenece a un cierto grupo, muestro una respuesta similar al modelo de recarga y descarga de la zona, por una respue sta similar se entiende que el nivel del agua en estos pozos y piezómetros empieza a elevarse al mismo tiempo, alcanza su máximo valor al mismo tiempo y después del inicio de la recesión, alcanza su valor mínimo al mismo tiempo.

Asimismo se realizó el procesamiento de los datos según la metodología propuesta por De Ridder (1978) el cual comprende, la compilación de los datos en modelos espaciales, representación de los niveles de agua con respecto al tiempo (hidrogramas de pozos) y presentación de los datos del nivel de agua y calidad del agua en forma de mapas.

Las lecturas de cada punto de observación se introdujeron en un modelo de registro del nivel de agua, para cada observación se registra la siguiente información: fecha, profundidad observada del nivel del agua por debajo del punto de referencia (lectura), profundidad calculada por debajo de la superficie del terreno (únicamente para nivel freáticos) y elevación calculada del nivel del agua.

Para la clasificación de los suelos se utilizaron como la salinidad efectiva y salinidad potencial propuesta por Doneen (1961), y la cantidad de sales solubles determinado a partir de la siguiente relación propuesta por el USSL (1954).

SS= CE*640

Donde: CE es la conductividad eléctrica expresada en dS/m, asimismo el efecto probable de sodio sobre las características físicas del suelo fue determinado a partir de la relación de adsorción de sodio (RAS) (USSL, 1954), carbonato de sodio residual, cantidad de sodio posible (Eaton, 1950 y Wilcox, 1958) y toxicidad por boro y Cloruros. Se elaboraron los planos de Isobatas, Isohypsas e Isosalinidad, para las profundidades 0-30 cm, 30-60 cm, 90-120 cm y 120-150 cm y la clasificación freática de acuerdo a su contenido de sales y sodio.

Para determinar las superficies afectadas por exceso de agua en el mes crítico, se obtuvo de los planos de isobatas las superficies menores y mayores a un metro de profundidad del nivel freático y se relaciono con las precipitaciones registradas, encontrándose hectáreas por milímetros de precipitación afectadas.

Resultados y discusiones

Las Figuras 1 y 2 corresponden a las isobatas de agosto (2004) y septiembre (2006), y la Figura 3 presenta la isobata de 2011 en su forma de grafica-área-tiempo observándose las semanas del mes de septiembre, considerados los críticos de ocho planos analizados. Los planos de isobatas permiten delimitar de manera estacional las áreas con mantos freáticos someros.

En 2004 las profundidades del nivel freático menores a 1 m, se localizaron en el suroeste y noreste cubriendo 19.25 ha y de 1 a 1.5 m en el norte, centro y sur (111.32 ha) y los mayores a 1.5 m en el noreste y sureste (93.28 ha).

En 2006 niveles freáticos menores a 1 m de profundidad correspondieron al área del pozo 1 (suroeste) con 2.84 ha y de 1-1.5 m pozos 11, 12 y 13 (Suroeste) y pozos 20, 23 y 24 (norte y noreste) y pozos 3 y 4 (Sur) 55.38 ha y de 1.5-2 m cubrieron gran parte del área en estudio (139.80 ha).

En 2011 las profundidades del nivel freático menores a 1m., se localizaron en el sureste, pozos 1, 2, 3, 12, 13, sureste pozos 6, 7 y 15 y noreste pozos 24 26 cubriendo 65.73 ha. De 1-1.5 m de profundidad pozos 4, 5, 9, 14, 17, 16, 20, 21, 23 y 27 representan 104.81 ha, y mayores a 2 m en el noroeste pozos 18, 19, 22. 25 con una superficie de 62.47 ha.

Para el periodo de 2004 a 2006 las áreas con niveles freáticos menores a 1 m de profundidad disminuyeron en 16.9 ha, de 1-1.5 m en 55.94 ha y mayores a 2 m se incrementaron en 72.36 ha.

Para el periodo de 2006 a 2011 las áreas con niveles freáticos menores a 1m de profundidad se incrementaron en 62.89 ha, de 1-1.5 m en 49.43 ha y mayor a 2 m disminuyeron en 13.33 ha. Estas diferencias encontradas en los tres años considerando los meses críticos analizados, se pueden atribuir principalmente a la precipitación y evaporación. En agosto de 2004 la precipitación fue de 33 mm, y la evaporación 34 mm, en septiembre de 2006, 9 mm de precipitación y 28 mm de evaporación y en septiembre 2011, 100.5 mm de precipitación y 93.1 mm de evaporación. Al comparar los datos climáticos con los niveles freáticos se observa que en periodos de precipitación predomina un ascenso del nivel freático e incremento de las superficies afectadas por exceso que representan entre 0.58 a 0.65 ha, por milímetro de precipitación, por otra parte la evaporación influye en el abatimiento del nivel freático aproximadamente en 0.55 a 0.70 ha, por milímetro de evaporación.

En el sureste y suroeste del río San Bernardino, por estar revestido no permite una descarga natural del agua subterránea ocasionando elevación del nivel freático. De acuerdo a los análisis químicos del agua freática (Figura 4) en las áreas de recarga (R) la calidad química del agua varia de altos valores de salinidad y bajo en sodio (C₃S₁) a media en sales y baja en sodio (C₂S₁); asimismo, en éstas áreas los suelos fueron clasificados como salinos, con problemas de sales principalmente en los estratos 0-30, 30-60 cm y 60-90 cm. Por otro lado en las áreas de descarga (D) se encontró problemas de salinidad en los estratos 0-30, 30-60 y 60-90, según USSL (1954) estos corresponden a suelos que oscilan entre mediana a fuertemente salinos (CE de 5.80 a 6 dsm^-1 a 25 °C y pH 7.3 a 8) y fuertemente sódicos (PSI de 24.80 a 35.26).

En las parcelas 1 y 2 Cieneguilla y Sauce, las zonas de recargas (R) y afluente (A) del acuífero se ubican a lo largo del río Chapingo conformado por los pozos 13, 14 y 15 (sureste y suroeste) y pozos 21,22, 23 y 24 (Noreste) y las áreas de descarga (D) pozos 25 (norte) 19, 22 y 16 (noroeste), los movimientos de agua del manto freático se realizan de las áreas de recarga a las áreas de descarga. En las áreas de descarga pozo 17 y 16 se encontró en los estratos 0-30, 3060, 60-90 y 90-120 cm, suelos clasificados como sódicos a extremadamente sódicos (PSI= 40.14) y aguas freáticas menores a un metro de profundidad clasificados en muy alta y excesivas en sales y sodio (C₄S₄). En el noroeste pozos 22 y 19 se encontró suelos sódicos y medianamente sódicos (PSI, 4.13%) y en el pozo 18 suelos salinos siendo su calidad química del agua del manto freático, medianamente salino y bajo en sodio (C₂S₁).

En el área de investigación a la profundidad de 0-90 cm, se estimó en 2004 suelos sin problemas de sales 148.71 ha (66%), suelos sódicos 60.08ha (26.8%) y salino sódicos 15.07 ha (6.73%), en 2006 suelos sin problemas de sales: 170.14 ha (76%) siendo mayor en 2 146 ha al 2004, suelos salinos 22.5 ha y sódicos 25.84 ha; menor en 34.34 ha; 2004 y salino sódicos 5.31ha, menor en 9.76 ha a 2004.

En 2011, suelos sin problemas de sales 104.95 ha (62.96%), menor en 29.19 ha, para 2006 suelos salinos 490.75 ha (22.3%), mayor en 270.17ha a 2006; sódicos 24.87 ha menor en 0.97 ha a 2006 y salinos-sódico 8.29 ha, mayor en 2.98 ha comparada en 2006.

Considerando la calidad química de las aguas del manto freático, según el manual 60 del Laboratorio de Salinidad del USDA (USSL, 1954), se encontró que las áreas de descargas presentan aguas muy altas en sales y sodio (C₄S₄) encontrándose los niveles freáticos a menor de un metro de profundidad (Figuras 2, 4 y 5) y aguas medianas en sales y baj a en sodio (C₂S₁) en áreas de recarga para alturas mayores de un metro de profundidad. De acuerdo con la solución descrita por Boulding (1994) y Arar et al. (1972) la relación entre la profundidad del nivel freático y la tasa de flujo ascendente diario y las texturas (arcillosa) predominante en los suelos de las áreas estudiadas, se estimó que cuando el nivel freático fluctúa entre 0.5 y 1 m puede alcanzar en promedio un ascenso capilar diario de alrededor de 4mm día^-1 y de 2 a 3 mm día^-1 para profundidades de niveles freáticos los niveles mayores a 1 m.

Al relacionar las distribuciones de sales y sodio en los estratos del suelo, la profundidad del nivel freático y la calidad química del manto freático. En las áreas de recarga se encontró niveles bajos de salinidad y sodicidad en el perfil del suelo (0-90 cm) esto coincide con aguas freáticas de concentraciones mediana de sales y baja en sodio y profundidades del nivel freático mayores a un metro. En las áreas de descargas donde las profundidades del nivel freático fluctúan entre 0.5 a 1 m, las concentraciones de sales y sodio son mayores en el perfil de suelo (suelos sódicos, salino-sódico) y la calidad química de agua freático (muy alto y alto en sales y sodio). Se determinó que el causante del ascenso de nivel freático son las precipitaciones como ocurrió en 2006 (9 mm) y 2011 (100.5 mm) y del descenso de la evaporación (28 mm y 93.1 mm respectivamente) y transpiración. En épocas de lluvias las sales solubles se mueven de las áreas de recarga a la descarga como se aprecia en los planos de isohypsas.

Conclusiones

En los meses críticos agosto y septiembre, las lluvias provocaron el ascenso del nivel freático y exceso de agua en el suelo en 0.58 ha a 0.65 ha por milímetro de precipitación según la relación de los planos isobatas y las precipitaciones registradas, la evaporación favoreció el ascenso de sales a la superficie por capilaridad.

A niveles freáticos menores a 1.50 m de profundidad y aguas freáticas de mediana a alta, en sales (CE .25 -2.2 ds/m) y sodio (12 a 20 RAS), se localizaron suelos, salinos y sódicos (CE mayor a 4 ds/m; PSI mayor a 15 y pH 8.5) en 59.18 ha (26% de la superficie total).

Los planos de isohypsas muestran el movimiento del flujo subterráneo de las áreas de recarga a las de descarga, encontrándose suelos sin problemas de sales en las áreas de recarga y suelos salinos, salinos-sódicos y sódicos en áreas de descarga, en los terrenos ejidales de San Martín Nezahualcóyotl.

Literatura citada

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