Evaluación de la relación de adsorción de sodio de las aguas de la red hidrográfica del Valle del Mezquital, Hidalgo*

Evaluation of sodium adsorption ratio of the waters of the hydrographic network from the Mezquital Valley, Hidalgo

Edwin Cuellar Carrasco^1§, Manuel Ortega Esccobar¹, Carlos Ramírez Ayala¹ y Edgar Iván Sánchez Bernal¹

¹ Colegio de Postgraduados-Campus Montecillo. Carretera México-Texcoco, km 36.5 Montecillo, Texcoco, Estado de México. C. P. 56230. Tel: 01 595 9520200. Ext. 1167. (manueloe@colpos.mx; cara@colpos.mx; sanchez.edgar@colpos.mx). ^§Autor para correspondencia: cuellar.edwin@colpos.mx.

* Recibido: noviembre de 2014
Aceptado: abril de 2015

Resumen

El Valle del Mezquital en el estado de Hidalgo, México, se encuentra dentro de una zona de volcanismo reciente, caracterizada geológicamente por el predominio de rocas Cenozoicas que datan del Terciario y del Cuaternario. Dado que es una zona volcánica, cuyas rocas, en la mayoría de los casos insolubles, presentan aguas de baja concentración iónica, aumentando su concentración iónica debido a las descargas de las aguas urbano-industriales del valle de México y del Distrito Federal. Se calculó la relación de adsorción de sodio (RAS) de cuatro diferentes formas, este parámetro nos muestra la peligrosidad de las aguas de riego con respecto al sodio, así como las dosificaciones de las enmiendas requeridas con respecto al sodio Se determinó el problema de infiltración mediante la gráfica de infiltración que relaciona la conductividad eléctrica (CE) y la relación de adsorción de sodio (RAS), teniendo como parámetro general una reducción ligera en la infiltración. El Ca²⁺ es importante en la estabilidad de las propiedades físicas del suelo y especialmente de la conductividad hidráulica; su disponibilidad es afectada por la solubilización y la precipitación en presencia de los bicarbonatos.

Palabras clave: aguas urbano-industriales, concentración iónica, infiltración, RAS.

Abstract

The Mezquital Valley in the state of Hidalgo, Mexico, is located within an area of recent volcanic activity, geologically characterized by the predominance of Cenozoic rocks dating from the Tertiary and Quaternary; since it is a volcanic area, whose rocks, in most cases insoluble, present waters with low ionic strength, increasing its ionic strength due to discharges from industrial-urban water systems from the valley of Mexico and the Distrito Federal. The sodium adsorption ratio (SAR) was calculated in four different ways, this parameter shows the danger of irrigation water in relation to sodium, thus dosages required for amendments regarding to sodium. The infiltration problem was determined by infiltration graph that relates electrical conductivity (EC) and sodium adsorption ratio (SAR), having as general parameter a slight reduction in infiltration. Ca²⁺ is important in the stability of soil physical properties and especially hydraulic conductivity; its availability is affected by solubilization and precipitation in the presence of bicarbonate.

Introducción

Como consecuencia de un desarrollo acelerado de la urbanización, el desarrollo industrial, las actividades agrícolas y mineras, debido a esto la competencia por los recursos hídricos es mayor. La mitigación a esto, se dan a expensas de la agricultura

En México desde 1989 en los distritos de riego de Tula (003), y Alfajayucan (100) son el resultado del uso de las aguas residuales sin tratar de Ciudad de México. Alrededor de 90 000 ha de tierras de regadío, anteriormente con suelos muy pobres, ahora dependen casi de 1 500 millones de m³ año^-1 de las aguas residuales sin tratar la Ciudad de México. Sus otras fuentes de agua son parte del caudal del río Tula, una pequeña cantidad de aguas subterráneas y la reutilización de los retornos del riego (el cual a su vez contiene aguas residuales sin tratar).

En efecto, la Ciudad de México ha venido utilizando estas áreas para el tratamiento natural y eliminación de sus aguas residuales. El grado de aportación iónica de estos suelos y rocas, a la composición de las aguas, depende de su origen geológico. Con estos antecedentes, se plantea, que la composición iónica de las aguas que circulan desde del valle de México por el gran canal hasta el Valle del Mezquital, varia, desde su origen y por los vertidos de aguas urbanas e industriales

La calidad de las aguas, se refiere a las características que puedan afectar su adaptabilidad a un uso específico, está determinada por sus propiedades físico-químicas y biológicas. La calidad del agua para riego está determinada por la cantidad y tipo de sales que la constituyen las cuales son formadas por iones específicos, Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, y Na⁺ como cationes CO₃^2-, HCO₃^-, So₄^2- y Cl^- como aniones y otros de menor proporción, como B^3-, Si^4-, PO₄^2- y NO₃^-. Este trabajo tuvo como objetivo determinar las concentraciones iónicas del cauce en estudio en diferentes lugares.

Para evaluar el efecto del agua de baja concentración, al ser aplicada al suelo mediante el riego, se usó la gráfica de infiltración propuesta por Ayers y Westcot (1987). Esta gráfica relaciona la salinidad (CE) con la RAS y predice el efecto sobre la infiltración. En el presente trabajo se evaluó la determinación de las variaciones de la RAS bajo diferentes enfoques conceptuales: RAS (Gapón, citado por Richards, 1973, Ecuación 1), RAS corregido (Suárez, 1981, Ecuación 2) (RAS°), RAS ajustado (Bower y Wilcox, 1965; Bower et al, 1965, Ecuación 4) (RASaj) y RAS modificado (Roberto Villafañe, 2011 Ecuación 3) (RAS_villa⁾.

Donde: Na= contenido de sodio en el agua de riego; Ca= contenido de calcio en el agua de riego Mg= contenido de magnesio en el agua de riego; y Ca°=contenido corregido de calcio en el agua de riego. El 8.4 es el pH aproximadamente de un suelo no sódico en equilibrio con carbonato de calcio (CaCO₃). El pHc se define como sigue: pHc= (pK₂ - pKps) + p(Ca+Mg)+p(CO₃+HCO₃), donde: p(Ca+Mg) corresponde al logaritmo negativo de la concentración molar de (Ca+Mg), p(CO₃ + HCO₃), corresponde al logaritmo negativo de la concentración equivalente de CO₃ y HCO₃ y pK₂ y pKps son los logaritmos negativos de la segunda constante de disociación de H₂CO₃ y el producto de la solubilidad del CaCO₃.

El valor de Ca° es el contenido de calcio en el agua de riego, corregido por la salinidad del agua (CEa), por el contenido de iones de bicarbonato con relación a su propio contenido de calcio y por la presión parcial del dióxido de carbono (CO₂), ejercida en los primeros milímetros del suelo (presión igual a 0.0007 atm). Y por último las concentraciones de carbonato y bicarbonato de calcio y magnesio es calculada de acuerdo a la solubilidad de las sales hipotéticas. Todos los datos son expresados en meqL^-1.

Material y métodos

El Valle del Mezquital se ubica dentro del límite sudoeste del estado de Hidalgo (longitud norte 20° 02' y longitud oeste 99° 15'). Está situado en lo alto de la meseta mexicana, a 60 km de la ciudad de México con una altitud entre 1.640 m y 2.400 msnm. Está conformado por 27 municipios de los 84 que conforman el estado de Hidalgo. Presenta condiciones de zona semiárida, clima de semiseco a seco, temperatura mayor de 20 °C y presencia de lluvias menor a 700 mm anuales. La agrupación vegetal más abundante es el matorral xerófilo. Los habitantes del Valle se dedican principalmente a actividades agrícolas, complementándose con la producción ganadera en los denominados Distritos del Riego (DR) 003 Tula y DR 100 Alfajayucán.

Se determinaron 125 puntos de muestreo, iniciando en el gran canal en el valle de México, posteriormente se siguió el cauce del mismo hasta llegar al valle del mezquital en el estado de Hidalgo, ahí se siguió el cauce del rio Tula, se consideraron los afluentes que desembocan en el cauce principal, pozos, lagunas, nacimientos y presas que se encuentra dentro de la red hidrográfica del valle del Mezquital. Éstos son estratégicos para conocer el carácter químico dominante de las aguas de la zona en estudio. Para que la muestra sea representativa, se recolectaron dos muestras de cada estación de muestreo; los sitios se ubicaron con un GPS Garmin Etrex utilizando el datum WGS84.

Las determinaciones físicas y químicas de los sitios de muestreo para determinar la composición cuantitativa y cualitativa de las aguas de riego se muestran en el Cuadro 1.

Para la verificación la exactitud de los valores analíticos usando métodos de comprobación recomendados por Richard (1962) Eaton (1995), como: balance anión-catión; total de sólidos disueltos medidos, (TSD) medidos= TSD calculados; CE medida y la suma de aniones; TSD medidos a un intervalo de CE; TSD calculados a un intervalo de CE.

Resultados y discusión

La fuente principal de abastecimiento de agua para uso agrícola, en la zona de estudio del valle del Mezquital, son los vertidos urbano industriales del valle de México y el distrito federal, así como corrientes superficiales, presas dentro de la red hidrográfica, las lagunas, los nacimientos. La composición iónica de la zona de estudio debería ser de baja concentración debido a que es una zona volcánica y los suelos tiene bajo contenido mineral soluble, pero los resultados expone que la composición iónica se ve afectada con los vertidos urbano industriales del valle de México y noreste del DF.

Comprobación, de los valores obtenidos, indica que los análisis se han realizado correctamente. Balance anión-catión cationes= 13.92 aniones= 13.58, de acuerdo a la neutralidad de las sales, los valores son similares teniendo un error promedio del muestreo de 1.36 y lo aceptado es de ±2; total de sólidos disueltos medidos, (TSD) medidos = TSD calculados TSDmed=1013.04 TSDcal= 986.85 siendo su relación aproximadamente 1.02, sus intervalos de aceptación son de 0.9-1.2; CE medida y la suma de aniones CE= 1.4 aniones= 13.58 siendo su rango ΣA≈10xCE.

De acuerdo a su clasificación debido a su CE. estas aguas en su mayoría no pueden usarse en suelos con deficiencia de drenaje y se deben hacer prácticas de control y usar cultivos tolerantes a la salinidad.

Clasificación de las aguas con base en la RAS

Los resultados de calcular el RAS en diferentes enfoques se muestra en la Cuadro 2.

De acuerdo a los datos mostrados en el Cuadro 2 la clasificación de las aguas con el RAS_orig, solo 2 muestras difirieron de las demás una fue clasificada como S3, este tipo de agua puede producir niveles tóxicos de sodio intercambiable en la mayor parte de los suelos, por lo que necesitará un manejo especial. La otra fue clasificada como S2 este tipo de aguas depende mucho del tipo de la textura del suelo, en texturas finas el sodio representa un peligro considerable, más aun si dichos suelos poseen un alta capacidad de intercambio catiónico. Las otras aguas fueron clasificadas como S1, esta agua se pueden usar para riego en la mayoría de los suelos con pocos problemas de sodicidad, solo en algunos cultivos que sean sensibles a las acumulaciones de sodio, ya que se pueden acumular cantidades considerables para este tipo de cultivos.

El RAS°, 93.6% de los puntos de muestreo son aguas de baja probabilidad que exista sodio intercambiable, 5.6% son aguas de media en sodio por lo cual solo presentarían problemas si no hay lavados y solo una muestra que representa 0.8% como agua alta en sodio, pero debido a que esta agua fue tomada de un dren de la zona no hay problema, ya que no se utilizará para riego.

La clasificación del RAS_Villa. Como se mencionó anteriormente, esta clasificación se realizó de acuerdo a la solubilidad de las sales hipotéticas, de acuerdo a la Cuadro 2 solo 8 muestras son clasificadas como S3, estas solo representan 6.4% las cuales hay que tener cuidado en suelos con alto potencial de intercambio catiónico, en caso de ser así se recomiendan lavados frecuentes. 116 aguas fueron clasificadas como S1, lo cual son aptas para el riego, para casi todo tipo de suelos y solo hay que tener cuidado con los cultivos que sean sensibles al sodio como es el caso de algunos frutales.

La infiltración está relacionada con la cantidad de sales totales y su relación con las concentraciones de sodio, calcio y magnesio. La infiltración aumenta con la salinidad y disminuye con las concentraciones sódicas; es decir, que la infiltración es proporcional a las concentraciones salinas e inversamente proporcional a las concentraciones de sodio. Independientemente del valor de la RAS, las aguas de muy baja salinidad (conductividad por debajo de 0.2 dS m^-1, según McNeal etal. (1968) y Ayers y Westcot (1987), invariablemente causan problemas de infiltración. Suárez (1981).

Estos efectos son similares a los provocados por las aguas de lluvia, que son de muy baja conductividad y pueden, por lo tanto, provocar excesos de escorrentía en las áreas regadas. El Cuadro 2 se muestra los resultados del RAS calculado por sus diferentes enfoques conceptuales.

La infiltración se refieren a la facilidad con que el agua atraviesa la superficie del suelo y ésta se mide en términos de velocidad; debido a esto vemos en la Figura 3 como los problemas de infiltración se ven afectados por el RAS_adj, ya que esta forma de calcular la relación de adsorción de sodio, sobre estima los problemas de sodicidad teniendo más problemas de infiltración con 120 puntos de muestreo del sitio de muestreo con un ligero problema de infiltración y 5 con problemas severos de infiltración.

En la Figura 2 se presentan los problemas de infiltración que pueden ocasionar, en relación con su CE y el RAS° teniendo 54% existe un problema ligero de reducción de la infiltración, 44% de los puntos de no observa ninguna reducción de infiltración y el resto (2%) muestra un severo problema en la infiltración.

En la Figura 4, con el RAS_villa relacionándolo con la conductividad eléctrica se obtuvo los problemas de infiltración de la zona de estudio, demostrando que los problemas de infiltración son inversamente proporcionales a las conductividad eléctrica; esto quiere decir, que entre más elevada sea la conductividad eléctrica menor será el problema de infiltración. Se puede observar bien esta relación con las 2 muestras que tienen problemas de infiltración severo, 65 muestras tienen problemas de infiltración ligero y 58 no muestran ninguna reducción de su infiltración.

Conclusiones

Las aguas que se utilizan para riego en los distritos de riego 003 y 100 del valle del Mezquital, estado de Hidalgo, se ven afectadas por los vertidos urbano-industriales de la ciudad de México y el Valle de México.

El sistema de drenaje de aguas residuales de la ciudad de México es llevada al valle del Mezquital, estado de Hidalgo y utilizada para el riego de diferentes cultivos, por lo que el presente trabajo clasifico esta agua con el RAS y los problemas de infiltración que pueden ocasionar, tomando en cuenta que la mayoría de esta agua son utilizada para el riego las clasificaciones aquí expuestas son dirigidas para ese fin. Se calculó la relación de adsorción de sodio (RAS) de cuatro diferentes formas, este parámetro nos muestra la peligrosidad de las aguas de riego con respecto al sodio, así como las dosificaciones de las enmiendas requeridas con respecto al sodio. También se observó que las tres formas de calcular el RAS (RAS°, RAS_orig, y RAS_villa) los valores son muy similares.

El Ca²⁺ es importante en la estabilidad de las propiedades físicas del suelo y especialmente de la conductividad hidráulica; su disponibilidad es afectada por la solubilización y la precipitación en presencia de los bicarbonatos.

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