Caracterización de la contaminación por metales pesados y reducción de capacidad de almacenamiento hidráulico por azolve de un embalse mexicano

Assessment of pollution by heavy metals and hydraulic storage capacity reduction by sediment filling of a mexican reservoir

Juan Antonio García Aragón¹, Carlos Díaz-Delgado¹, Emmanuelle Quentin¹, Pedro Ávila Pérez², Samuel Tejeda Vega² y Graciela Zarazúa Ortega²

¹ Centro Interamericano de Recursos del Agua, Facultad de Ingeniería, UAEM. Cerro de Coatepec, Ciudad Universitaria, Toluca, Estado de México, C. P. 50130. e-mail: jgarcia@uaemex.mx.

Recibido: 8 de septiembre de 2005
Aceptado: 15 de mayo de 2007

Resumen

El embalse José Antonio Alzate es el primero sobre el curso del río Lerma y acumula los sedimentos erosionados de la cuenca del Curso Alto del río Lerma (CARL), un área densamente urbanizada. Desde el punto de vista hidráulico, dicho embalse cumple la función de control de avenidas y surte de agua a distritos de riego. La realización reciente de un estudio batimétrico del mismo permitió definir el perfil actual de fondo del terreno. Estos niveles se compararon con los originales (antes de su construcción en 1959) efectuando una estimación del volumen de azolve acumulado. Igualmente se llevó a cabo un muestreo de sedimentos de fondo para su posterior análisis por fluorescencia de rayos X con el fin de determinar su posible contaminación por metales pesados. En este artículo se discuten las implicaciones de la pérdida de capacidad de almacenamiento del embalse (cerca del 50%) y de la contaminación de sus sedimentos determinando los riesgos ambientales asociados por su remoción. Teniendo en cuenta los bajos índices de contaminación por metales pesados, los cuales no sobrepasaron los criterios internacionales para uso de sedimentos en agricultura, y del volumen a dragar inferior a los 65 000 m³, se concluyó que es recomendable dragar la zona aledaña a la obra de toma para seguridad en la operación de esa estructura que es indispensable para cumplir con las funciones del embalse.

Palabras clave: Batimetría, contaminación de sedimentos, metales pesados, embalse.

Abstract

Key words: Bathymetry, polluted sediments, heavy metals, reservoir.

Introducción

Es posible constatar que en el país, desde hace algunos años, ha disminuido la frecuencia de medición del transporte de sedimentos en la mayor parte de las estaciones hidrométricas instaladas (IMTA, 2003); más aún, son escasas las batimetrías actualizadas de los embalses. En la mayoría de los casos, la gestión de los niveles de líquido en dichos cuerpos de agua se realiza bajo la consideración de la capacidad de almacenamiento original; situación que dista mucho de la realidad actual y que incrementa el riesgo de inundaciones de las regiones situadas aguas arriba de las cortinas porque equivocadamente se consideran volúmenes de almacenamiento que en realidad ya fueron llenados parcialmente con los azolves de sedimento que se han acumulado a través del tiempo.

La cuenca del Curso Alto del río Lerma comprende la vertiente norte de la sierra Nahuatlaca-Matlatzinca, así como la vertiente nororiental del Nevado de Toluca. En esta área queda contemplado el altiplano más meridional de la cuenca con 2,580 msnm. Aproximadamente 9 km aguas abajo del embalse José Antonio Alzate, y a una altitud de 2,570 msnm, termina el curso alto al descender el escalonamiento tectónico del Valle de Ixtlahuaca (Díaz-Delgado et al., 1999) (Fig.1).

En este trabajo se analizó la acumulación de sedimentos que se presenta en dicho embalse el cual retiene el sedimento de la erosión de la cuenca del Curso Alto del río Lerma (CARL), la cual se encuentra altamente urbanizada, con una población estimada de 1.5 millones de habitantes y un polo industrial importante con más de 2000 empresas. Este cuerpo de agua recibe aguas residuales domésticas e industriales, por ello se han realizado diversos estudios sobre la calidad de su agua y sedimentos (Barceló-Quintal, 2000; Ávila-Pérez, 2001). Igualmente, se pretendió relacionar los aspectos hidrosedimentológicos con los parámetros de contaminación por metales pesados de los sedimentos de fondo con el objetivo de sugerir acciones urgentes que mitiguen la pérdida de funcionalidad del embalse.

Una primera etapa comprendió el análisis de los caudales influentes al embalse. La información de las estaciones hidrométricas que se utilizaron en el estudio (La Y, Las Trojes y Calixtlahuaca) (Fig. 1) registran sólo parcialmente los caudales de las subcuencas que contribuyen directamente al volumen de agua que llega al embalse. Además de éstas existe un área de drenaje perteneciente a la cuenca que no cuenta con estaciones de aforo. Por tal razón, teniendo en consideración las características fisiográficas y el régimen pluviométrico de la zonas no aforadas, se procedió a la estimación de los caudales sin registro hidrométrico por la técnica de ponderación hidrológica de regiones homogéneas, que consiste en incrementar el valor del caudal registrado, en una o más estaciones de aforo, aguas arriba del punto donde se desea estimar el valor de caudal utilizando la proporción de superficies drenadas. Es decir, se multiplica el resultado de la relación de superficies hidrológicamente homogéneas por el valor del caudal registrado aguas arriba, tal como se muestra en la siguiente ecuación:

En el caso del CARL, se consideró que la superficie no aforada del margen derecho debía ser ponderada con la información correspondiente a la subcuenca adyacente y que la superficie no aforada del margen izquierdo debía ser ponderada con el empleo de los registros de caudal de la suma de las dos estaciones de aforo aguas arriba; es decir, las estaciones del río Tejalpa y del río Lerma en La Y.

Posteriormente se efectuó un estudio de azolve del embalse por medio de mediciones de campo, que se describe en las secciones siguientes y donde se explica, igualmente, el análisis de metales pesados en sedimentos de fondo para determinar si existía, o no, riesgo para su posible remoción y disposición.

Determinación del azolve de sedimentos del embalse.

Debido a los significativos aportes de sedimentos en suspensión presentes en el río Lerma, mismos que pueden ser observados a simple vista, se realizó un estudio batimétrico de la morfología del fondo actual del embalse Alzate efectuado con una estación total de topografía durante el periodo de abril a junio de 2004, cuando éste se encontraba en sus niveles más bajos. La cuadrilla topográfica que realizó la batimetría utilizó la técnica de la poligonal abierta geográficamente referenciada y la toma de puntos aleatorios que cubrieran satisfactoriamente todo el cuerpo del mismo. Para cubrir correctamente todas las zonas, en las partes en donde aún se encontraba agua fue necesario utilizar embarcaciones pequeñas.

Para el análisis también se contó con la topografía original del año 1959 utilizada para la definición del sitio de construcción de la cortina del embalse Alzate. El análisis de los conjuntos de información batimétrica se realizó con el paquete de sistema de información geográfica (SIG) Idrisi (Eastman, 2003). El plano topográfico de 1959 a escala 1:20 000 fue digitalizado y procesado en el sistema de información geográfica Idrisi con la finalidad de obtener las curvas de capacidad de almacenamiento versus los niveles de inundación y del área inundada versus la elevación del nivel de agua.

La batimetría actual fue directamente estimada por interpolación lineal con base en las curvas de nivel obtenidas por la cuadrilla de ingenieros que realizó el trabajo de campo.

Fue necesario llevar a cabo un arduo trabajo de georeferenciación y de acoplamiento de capas entre las dos temporalidades de información batimétrica porque el primer plano no contaba con coordenadas geográficas, sino geométricas, el cual fue realizado con el paquete IDRISI con base en el proceso de remuestreo y considerando la esperanza matemática de la ubicación del cuerpo del embalse en función de los ejes principales de los rasgos morfológicos de las dos batimetrías disponibles, además se consideró la cartografía digital del INEGI (1970) con escala 1:50000 y una imagen de satélite del embalse del año 2000. Es importante mencionar que en el proceso de remuestreo se realiza una restauración geométrica de las imágenes, especialmente en el caso de las imágenes captadas por sensores remotos, las cuales en su estado original, se encuentran sin coordenadas reales. El remuestreo se utiliza para georegistrar una imagen o archivo vectorial en un sistema de referencia o en otro archivo. Así pues, esta operación utiliza las coordenadas de una serie de puntos de control en un archivo existente y en el nuevo sistema de referencia deseado convirtiendo el archivo al nuevo sistema de referencia por medio de una función cartográfica polinomial lineal, cuadrática o cúbica. En el caso de imágenes satelitales, es suficiente un remuestreo simple lineal en la mayoría de las instancias. Con las imágenes teselares, las celdas de la nueva retícula rara vez coinciden de forma alguna con la retícula original. Por lo tanto, los nuevos valores de las celdas se estiman al remuestrear la retícula anterior (Eastman, 2003).

Tratamiento y análisis de metales en los sedimentos. Las fracciones de sedimento fueron separadas a través de un proceso de tamizado, las retenidas mediante los tamices números 50 (Φ50=0.297 mm), 100 (Φ100=0.149 mm), 200 (Φ200=0.073 mm), 400 (Φ400=0.037 mm) y la menor a 400 fueron molidas en un mortero de ágata y homogeneizadas en una mezcladora automática por 30 minutos. Posteriormente se prepararon pastillas de 3.1 cm de diámetro usando 2 g de muestra y aplicando una presión de 5 toneladas durante 1 minuto (Rodríguez & Ávila-Pérez, 1997), las cuales se analizaron por triplicado mediante la técnica de Espectrometría de Fluorescencia de Rayos X Dispersiva en Energía (Bertini, 1970). Dicha técnica consta de un detector de Si-Li y de un preamplificador integrado con una resolución en energía de 185 eV, medida en función de la máxima amplitud del pico a una altura media (Full Width at Half Maximum, FWHM) a una energía de 5.9 KeV. Como sistema de excitación se utilizaron dos fuentes radiactivas de 238Pu con una energía 13.612 KeV y un tiempo de conteo de 1,000 s (Ávila-Pérez et al., 1999). Las áreas de cada elemento fueron obtenidas mediante el programa AXIL (van Espen et al., 1993) y la concentración de cada metal fue determinada con el programa SAX (Valdés & Jaramillo, 1994) utilizando el método de corrección por compton (Ávila-Pérez & Zarazúa-Ortega, 1993). Todos los elementos se cuantificaron por medio de una curva de estándar externo. Con el objeto de garantizar los resultados analíticos en este trabajo, se analizaron los metales de interés en los materiales certificados de referencia CRM-277 y Soil-7, los cuales presentaron una variación entre el valor medido y el valor de referencia menor al 10% procesándolos mediante el programa SAX (Valdés & Jaramillo, 1994) con objeto de obtener la media, la desviación estándar y el intervalo de confianza. Para los diferentes métodos estadísticos utilizados se consideró un nivel de confianza del 95% (a = 0.05).

Factores de enriquecimiento. Con el objeto de determinar las contribuciones naturales y antropogénicas de los elementos en los sedimentos del embalse Alzate, se determinaron los factores de enriquecimiento. El cálculo de los factores se llevó a cabo mediante la siguiente ecuación (Lawson & Winchester, 1979; Poissant et al., 1994):

Donde:

FE: Factor de enriquecimiento del elemento analizado (adimensional)

CA_muestra: Concentración del elemento X en la muestra (mg/kg).

CR_muestra: Concentración del elemento de referencia en la muestra (mg/kg).

ARS: Abundancia del elemento de referencia (Ti) en sedimentos derivados de rocas ígneas (mg/kg).

Como elemento de referencia en el embalse se utilizó al Ti, debido a que es un elemento típicamente conservativo (Bowen, 1979; Dekov et al., 1998) y porque en otros trabajos han determinado que dicho elemento tiene un origen mayoritariamente natural en el embalse (Ávila-Pérez, 1995; Ávila-Pérez et al., 1999; Barceló-Quintal, 2000). Los valores de referencia de la composición típica de un sedimento derivado de una roca ígnea (Mason & Moore, 1982) sobre el contenido de los metales considerados en este trabajo son: Mn (950 mg/kg), Fe (50 000 mg/kg), Cu (55 mg/kg), Zn (70 mg/kg), Pb (13 mg/kg) y Ti (4 400 mg/kg).

Resultados

En la figura 3 se presentan los hidrogramas promedio interanual de caudales ponderados hasta la cortina del embalse Alzate. El coeficiente de ponderación para los caudales de la estación las Trojes fue de 2.19 y para la suma de caudales de las estaciones La Y y Calixtlahuaca fue de 1.082, tal como se muestra en la expresión siguiente (Hunt et al., 2002).

Q_{diario CARL}= 2.19 (Q_{diario Trojes}) + 1.082 (Q_{diario La Y} + Q_{diario Calixtlahuaca})

Una vez que se logró el acoplamiento de las dos batimetrías del embalse se llevó a cabo la estimación de las curvas de capacidad de almacenamiento vs niveles de agua (Fig. 4) y área inundada vs elevación del agua (Fig. 5).

Posteriormente se realizó una sustracción matricial entre las dos capas batimétricas para obtener la columna de sedimentos acumulados para todos los puntos circunscritos en el embalse (Fig. 6). Con los resultados, se construyó la tabla 1 que resume las características originales y actuales del embalse. Los datos demuestran una reducción significativa del volumen regulador del embalse lo cual le impide cumplir adecuadamente sus funciones de control de inundaciones y suministro de agua para riego aguas abajo. Para cuantificar esa deficiencia se compararon los volúmenes de salida del embalse estimados por la Comisión Nacional del Agua (CNA) con base en la capacidad original del embalse (Fig. 7) y los volúmenes actuales de acuerdo con la curva de capacidad revisada (Fig.8). Se comprobó que para los meses críticos de irrigación comprendidos entre marzo y julio actualmente el embalse no alcanza a suministrar en un año promedio los 70.7 hm³ que se estimaban con la curva de capacidad original sino tan sólo 47.3 hm³, es decir 23.4 hm³ menos de lo previsto tal como se presenta en la tabla 2.

Por otro lado, la tabla 3 muestra la concentración en mg/kg de Fe, Cu, Zn, Ti, Mn y Pb en las diferentes zonas del cuerpo de agua. Los resultados mostraron una considerable variación en la concentración de tales elementos en las diferentes zonas del embalse. La mayor concentración de Cu se encontró en las zonas 5 y 8 y los mayores niveles de Zn y Pb en las zonas 2 y 6, ambos en la fracción más fina del azolve. El Fe, Mn y Ti presentan las mayores concentraciones en la zona 2 en las fracciones de tamaño de grano intermedio.

Discusión

La mayor concentración de Cu fue detectada en los brazos del embalse (zonas 5 y 8), las mayores concentraciones de Zn y Pb en la entrada del embalse (zona 2) y entre los poblados de Tlachaloya 1 y Tlachaloya 2 (zona 6). La disminución en la concentración de Zn y Pb desde la entrada hasta la salida del embalse ha sido analizada y discutida con mayor detalle en el trabajo de Ávila-Pérez et al. (1999). Sin embargo, es importante señalar que la concentración relativamente alta de Zn y Pb de la zona 6 puede estar asociada con el tráfico de lanchas de motor de gasolina y con las descargas de agua residual doméstica de los habitantes de Tlachaloya (Barceló-Quintal, 2000; Ávila-Pérez, 2001).

Las mayores concentraciones de zinc y plomo se obtuvieron en las zonas de deposición de finos, lo cual puede estar relacionado con las contribuciones naturales de rocas y suelos de la cuenca o con las prácticas de agricultura de las áreas aledañas al embalse que incrementan la concentración de esos metales en las zonas menos influenciadas por las condiciones hidrodinámicas dominantes de deposición en el cuerpo de agua (Barceló-Quintal, 2000).

Según estudios previos, sobre todo en épocas de lluvias y en la entrada del embalse, existen contribuciones importantes de materia suspendida en el agua producto de la erosión de suelos de la cuenca (Tejeda et al., 2006). Vaca (1996) y Balderas (1998) reportaron para esta región la presencia de rocas formadas por derrames piroclásticos y en menor proporción por derrames continentales, representadas por andesitas, basaltos, lahares, y pequeños lentes de materiales aluviales. Los suelos que predominan son el andosol, que sustenta la vegetación de los bosques templados, litosol que sostiene matorrales, histosoles en áreas inundables, feozem que domina parte del valle y vertisoles, de buen uso agrícola, alrededor del embalse Alzate. Las concentraciones promedio reportadas para suelos de la cuenca son: Zn = 53 mg/kg, Ni = 40 mg/kg, Cu = 19 mg/kg, Cr = 27 mg/kg y Pb = 67 mg/kg (Vaca, 1996; Balderas, 1998).

La fluctuación en el contenido elemental de los sedimentos a través del embalse (zonas 1-10, Tabla 3) puede indicar una variabilidad natural y/o una contribución antropogénica. Ciertamente, son necesarios más estudios para clarificar si es una variable natural o antropogénica y estimar sus contribuciones relativas. Sin embargo, con base en trabajos previos (Rodríguez & Ávila-Pérez, 1997; Ávila-Pérez et al., 1999; Barceló-Quintal et al., 2001), es posible considerar en el caso de Cu, Zn y Pb, que el impacto humano es mayor al natural en el proceso de formación y distribución de los sedimentos.

Los resultados obtenidos de los cálculos de los factores de enriquecimiento (FE) se muestran en la tabla 4. Estos valores, indican que la mayoría de los elementos, no demostraron enriquecimientos por contribuciones naturales y antropogénicas a los sedimentos del embalse Alzate; únicamente el Cu y el Zn en la fracción menor a malla 400 presentaron un FE promedio ligeramente alto (Cu = 1.98 y Zn = 2.37), mientras que todos los metales para el material retenido en las mallas 50 a 400 presentaron, en promedio, FE bajos (Mn = 0.49, Fe = 0.63, Cu = 0.69, Zn = 1.35, Pb = 0.61).

Los elementos con los mayores valores de FE, de manera individual, fueron: Cu = 2.80, 2.52 y 2.37 y el Zn = 3.17, 2.85 y 2.64, ambos en la malla menor a 400. Lo anterior permite concluir que para el caso de los metales Cu y Zn, existe alguna contribución por fuentes naturales y/o antropogénicas hacia el embalse.

Evaluación del grado de contaminación por metales pesados.

Al comparar los valores de las tablas 3 y 5 se pudo comprobar que para ningún diámetro analizado se sobrepasan los valores de las normas de sedimentos dragados para uso agrícola para Cu, Zn y Pb, lo cual permite su eventual uso en suelos agrícolas de la cuenca.

Así pues, a través del presente estudio se comprobó con mediciones de terreno que ha ocurrido una reducción altamente significativa, cerca del 50%, del volumen útil del embalse Alzate durante la operación de tan sólo 42 años.

Los resultados ponen en entredicho la política de gestión de los volúmenes de agua del embalse Alzate, ya que su estimación es inapropiada y actualmente se distribuye a los distritos de riego 23.4 hm³ menos de lo estimado originalmente para los meses de mayor demanda, es decir, durante el periodo marzo-julio.

Con relación a la contaminación por metales pesados en los sedimentos, se puede concluir que sólo se presenta un posible riesgo de contaminación por Cu y Zn, pero no es significativo y los sedimentos podrían utilizarse para uso agrícola según las normas, francesas, canadienses y de Estados Unidos de Norteamérica. Por otro lado, se sugiere un estudio complementario de las condiciones vigentes de contaminación de tipo orgánico de los sedimentos por dragar y del costo del dragado.

Finalmente, desde el punto de vista hidrológico-hidráulico, se recomienda una labor de dragado de la zona aledaña a la obra de toma del embalse para evitar que la acumulación de sedimentos pueda afectar la operación de esta estructura, la cual es vital para el cumplimiento de las funciones de control de avenidas y seguridad del embalse José Antonio Alzate.

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