Variaciones longitudinales y temporales en la hidroquímica del río Duero

Longitudinal and temporal hydrochemical variations in the Duero river

Martha A. Velázquez–Machuca¹, José L. Pimentel–Equihua², Manuel Ortega–Escobar²

¹ CIIDIR–IPN Unidad Michoacán. Justo Sierra 28. 59510. Jiquilpan, Michoacán. *Autor responsable: (mvelazquezm@ipn.mx).

² Campus Montecillo, Colegio de Postgraduados. Carretera México–Texcoco km 35.5 Montecillo, Estado de México.

Recibido: Mayo, 2009.
Aprobado: Mayo, 2010.

RESUMEN

El río Duero drena una cuenca de 3 512 km en el noroeste del estado de Michoacán y recibe las aguas residuales generadas por unos 400 mil habitantes y drenajes agrícolas de 20 mil ha, lo que genera un potencial problema de contaminación. Con el objetivo de determinar las variaciones longitudinales y temporales en la hidroquímica del Duero y los factores relacionados, se realizaron análisis físico–químicos (pH, CE, Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺, , Cl^—, , P) en muestras de agua en cuatro y dos (Pb, Cu, Fe, Mn, Zn) fechas de muestreo durante 2006 y 2007 en 12 sitios de la corriente. Las aguas fueron de composición mixta–bicarbonatada y sódico–bicarbonatada, del tipo C1S1 y C2S1, clasificándose como eutrofizadas por su concentración de P. Por concentración de contaminantes, el río mostró dos tramos diferenciados: Carapan–Las Adjuntas y Los Espinos–Ibarra, resultado de la intensidad de las actividades antrópicas sobre la corriente. La concentración media de Pb, Cu, Fe, Mn y Zn fue 52.7, 37.3, 14.2, 24.9 y 16.0 µg L^–1. Los factores asociados con la química del agua fueron: 1) precipitación–caudales del río; 2) drenajes domésticos; 3) drenajes agrícolas; 4) intemperismo de las rocas carbonatadas; 5) intemperismo de rocas basálticas.

Palabras clave: río Duero, eutrofización, metales pesados, aguas residuales.

ABSTRACT

The Duero river drains a basin of 3 512 km in the northwest of the state of Michoacán and receives wastewater from about 400 thousand inhabitants and agricultural drainage of 20 000 ha, thus creating a potential contamination problem. In order to determine the longitudinal and temporary variations in the Duero hydrochemistry and related factors, physical–chemical analyses (pH, CE, Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺, , Cl^—, , P) were carried out in water samples in four and two (Pb, Cu, Fe, Mn, Zn) sampling dates during 2006 and 2007 in 12 sites of the current. The river waters were of mixed–bicarbonate and sodium–bicarbonate composition, of the type C1S1 and C2S1, ranking as eutrophic for their concentration of phosphorus. Due to the concentration of contaminants, the river exhibited two different sections: Carapan–Las Adjuntas and Los Espinos–Ibarra, as a result of intense human activity on the stream. The average concentration of Pb, Cu, Fe, Mn and Zn were 52.7, 37.3, 14.2, 24.9 and 16.0 µg L^–1. The factors associated with water chemistry were: 1) rainfall–river flow; 2) domestic drainage; 3) agricultural drainage; 4) weathering of carbonate rocks; 5) weathering of basaltic rocks.

INTRODUCCIÓN

El río Duero es una de las corrientes tributarias del río Lerma y la principal fuente de agua superficial en la cuenca del mismo nombre. El Duero nace en el poblado de Carapan, municipio de Chilchota, estado de Michoacán, drena una superficie de 3512 km^2[*] y hay una población cercana a los 400 mil habitantes. Las aguas residuales de dos terceras partes de esta población son vertidas al río. La incorporación de aguas residuales a los cuerpos de agua causa un fuerte problema de contaminación (Welch, 1992).

Un aspecto básico en el diseño de medidas para el uso sostenible de los recursos hídricos es el estudio de su composición química, sus variaciones espacio–temporales y su relación con factores ambientales (Vidana, 2008). También son la base para el desarrollo de nuevos modelos de impacto ambiental de los contaminantes (Shea, 2001). Los factores asociados con la hidroquímica de las aguas superficiales son la precipitación, geología subyaciente, materia orgánica y actividades antropocéntricas: agricultura, aguas residuales y minería (Wit y Bendoricchio, 2001; Bowes et al., 2003). En el río Duero se han realizado algunos trabajos sobre calidad del agua^[**], pero a la fecha se desconocen las variaciones espacio–temporales de la composición química y los factores asociados. Así, el objetivo de este trabajo fue determinar las variaciones longitudinales y temporales en la hidroquímica del Duero y los factores que influyen en esta variación.

MATERIALES Y MÉTODOS

Área de estudio

La cuenca del río Duero se ubica al noroeste del estado de Michoacán, 19° 40' 32'' a 20° 20' 42" N y 101° 52' 54'' a 102° 40' 30'' O y cubre una superficie de 3512 km². La corriente principal es el río Duero y las tributarias son el río Tlazazalca, el río Celio y numerosos manantiales localizados en la parte alta de la cuenca^[**].

La cuenca forma parte de la Faja Volcánica Transmexicana y sus cerros se conforman regularmente por una unidad de basalto Cuaternario (Silva, 1988). La temperatura y precipitación media anual oscila de 16 °C a 22 °C y de 200 a 750 mm. La evaporación varía de 1000 a 2300 mm anuales y muestra un gradiente inverso a la precipitación y similar a la temperatura (Garduño et al., 2003).

Con los caudales registrados en el río Duero^[***] en las estaciones de aforo Las Adjuntas y San Cristóbal durante 1973 a 2006 se trazaron los hidrogramas generales del río.

Muestreo y análisis de agua

Se seleccionaron 12 sitios del río Duero: Carapan, Ichán, Huáncito, Chilchota, Etúcuaro, zona de manantiales; Las Adjuntas, Los Espinos, Dren A, San Simón, San Cristóbal, sitios con ingreso de drenajes agrícolas y domésticos; El Capulín e Ibarra, zona del barraje, fin del río (Figura 1). Los muestreos se realizaron en el estiaje (mayo y junio de 2006 y febrero de 2007) y lluvias (septiembre de 2006) para el análisis de las variables físico–químicas (FQ): pH, CE, Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺, , Cl^—, , P. Los muestreos para los análisis de metales pesados (MP) se realizaron en abril de 2005 y febrero de 2007, para iniciar los estudios exploratorios de estos elementos en el río.

Para las determinaciones FQ se usaron botellas de polietileno de 1.0 L, lavadas con agua bidestilada. Para MP se usaron botellas de polietileno de 0.5 L lavadas con agua acidificada y tres enjuagues con agua bidestilada. Las muestras simples se tomaron del agua superficial en el río; no se agregó conservantes. En ambos casos (FQ y MP) las muestras se llevaron al laboratorio donde estuvieron refrigeradas (~4 °C) hasta su análisis. Las determinaciones y las metodologías usadas fueron: pH en potenciómetro Orion; CE en conductímetro Orion (determinados in situ); Cl^—, por precipitación; , y por titulación con ácido; , por precipitación con cloruro de bario; Ca²⁺ y Mg²⁺ por absorción atómica; Na⁺ y K⁺ por emisión de flama; P total, extractado en mezcla de ácidos H₂SO₄— HN₃1:5 y determinado por el método del ácido ascórbico (Eaton et al., 2005); Pb, Cu, Fe, Mn y Zn por espectrometría de plasma acoplado inductivamente (ICP–AES Perkin Elmer 2100), usando agua desionizada para la preparación de patrones.

Análisis de datos

Los datos se compararon con los límites permisibles establecidos por los criterios ecológicos (SEDUE, 1989) y de calidad agrícola del agua (Ayers y Westcot, 1989). Se usó el análisis estadístico multivariado (cluster ascendente jerárquico —CAJ—, prueba de Kruskal–Wallis) y las relaciones iónicas para el estudio de la variación longitudinal y temporal. Para el CAJ se usó el coeficiente de Pearson y el enlace medio. El paquete estadístico utilizado fue XLSTAT (Addinsoft Inc., 2009).

RESULTS Y DISCUSSION

Hidrometría

1) El marcado ciclo anual es menos variable en Las Adjuntas que en San Cristóbal. Los flujos en ambas estaciones de aforo se correlacionaron positivamente (r = 0.84). Los flujos medios anuales fueron 388 y 310 hm³ anuales para las dos estaciones.

2) El fin de la temporada de estiaje se presentó en febrero en Las Adjuntas, con un flujo base medio de 9.3 m³ s^–1, mientras que en San Cristóbal ocurrió en abril con flujo base medio de 1.34 m³ s^–1.

3) La respuesta del flujo base mostró una ancha onda (Figuras 2 y 3) de mayor magnitud en Las Adjuntas que en San Cristóbal, característica de los ríos alimentados por corrientes subterráneas (Cardenal et al., 1992). En San Cristóbal la corriente se comportó como un afluente con baja contribución de aguas subterráneas pero con altos caudales en los periodos de lluvia.

4) Los picos en los flujos son más marcados en San Cristóbal que en Las Adjuntas, aún cuando la precipitación fue menor en la zona de captación de la primera estación. En Las Adjuntas, los suelos altamente porosos y los materiales geológicos fracturados circundantes determinan una alta infiltración del agua de lluvia, en tanto que en San Cristóbal los suelos circundantes presentan altos porcentajes de arcilla y potentes espesores con baja capacidad de infiltración. El flujo en San Cristóbal tiene, por tanto, una rápida respuesta a los escurrimientos generados en la época de lluvias.

Hidroquímica del río Duero

Las aguas del río Duero presentaron dos tipos principales de composición (base equivalente–carga): mixta–bicarbonatada y sódico–bicarbonatada. Otros iones y elementos predominantes fueron Cl^—, y P (Cuadro 1). La composición mixta–bicarbonatada se observó en los 10 primeros sitios estudiados (Carapan a San Cristóbal). En los sitios El Capulín e Ibarra el agua fue sódico–bicarbonatada. El pH fue 6.6 a 7.7 y está dentro del límite máximo permitido para agua de riego (SEDUE, 1989).

La CE indicó una baja (152 µS cm^–1) a moderada (390.0 µS cm^–1) salinidad de las aguas (Ayers y Westcot, 1989). La concentración media de Ca²⁺ , Mg²⁺ y fue 12.2 mg L^–1 (610 µEq L^–1), 9.1 mg L^–1 (750 µEq L^–1) y 112.6 mg L^–1 (1846 µEq L^–1). La concentración media de Na+, Cl y fue 17.9, 10.3 y 7.0 mg L^–1 (779, 290 y 146 µEq L^–1).

La concentración media de P fue 0.4 mg L^–1. En el 95 % de las muestras de agua se detectaron concentraciones de P mayores de 0.1 mg L^–1, valor límite en ríos y arroyos para controlar la eutrofización acelerada (SEDUE, 1989). Sin embargo, con la clasificación de Sharpley y Rekolainen (1997) el estado trófico del río puede considerarse en un estado inicial de eutrofización o índice trófico oligotrófico al no superar en ninguna de las muestras una concentración de P total de 4 mg L^–1.

La concentración media de los metales fue 52.7, 37.3, 24.9, 16.0 y 14.2 µg L^–1 (Pb, Cu, Mn, Zn y Fe) y ninguno de ellos superó el límite máximo permitido para agua de riego (SEDUE, 1989). El orden de concentración media en el río fue: Pb>Cu>Mn>Zn>Fe. La mayor concentración de Pb posiblemente esté asociada al intemperismo de las formaciones basálticas de la zona. Los basaltos contienen en promedio 3 µg g ^–1 de Pb (Shotyk y Le Roux, 2005). Es de notar que la alta toxicidad del Pb, aún en concentraciones relativamente bajas (50 µg L^–1), y su capacidad de acumularse en la cadena trófica lo sitúa como uno de los componentes más peligrosos para la biota en los ambientes acuáticos (Shotyk y Le Roux, 2005), razón suficiente para estudios más detallados de este elemento en el río Duero.

Variaciones longitudinales

Clasificación ascendente jerárquica (CAJ) de sitios

Para el CAJ se usaron los datos de pH, CE, Ca² + , Mg² + , Na+, K+, , Cl^— , y P de los muestreos de mayo, junio y febrero, con 36 observaciones: 1–12: Carapan–Ibarra, muestreo de mayo; 13–24, Carapan–Ibarra en junio; 25–36, Carapan–Ibarra en febrero. Del CAJ resultaron tres grupos (Figura 4): 1) sitios Los Espinos, Dren A, San Simón, San Cristóbal, El Capulín e Ibarra (números 7–12, 20–24 y 32–36); 2) sitios Carapan, Ichán, Huáncito, Chilchota, Etúcuaro y Las Adjuntas (números 13–18 y 25–31); 3) sitio Chilchota, muestreo de febrero. Con los grupos 1) y 2) se delimitaron dos tramos en el río con una concentración diferencial de contaminantes: la parte alta, con los sitios Carapan–Las Adjuntas y la parte baja con los sitios Los Espinos–Ibarra.

La variación de la concentración de P en el río se muestra en la Figura 5, donde se observa la tendencia creciente en la parte baja derivada de los drenajes urbanos y agrícolas. El P es uno de los constituyentes más importantes de las aguas residuales domésticas y de drenajes agrícolas (Welch, 1992; Wit y Bendoricchio, 2001). En el río Duero se vierten los drenajes de los principales centros urbanos de la cuenca, siendo la densidad de población de 76 y 180 hab km^–2 en la parte alta y baja. Además, los drenajes agrícolas de unas 20 000 ha se incorporan en la parte baja del río.

Conductividad eléctrica (CE) e iones mayores

La CE y la concentración de los iones mayores mostraron una tendencia creciente en la parte baja (Figura 5). En la parte alta las aguas se clasificaron como clase C1 (agua de baja salinidad) y en la parte baja como C2. El incremento en la CE y la concentración de iones mayores en la parte baja (Figura 5), se deriva de procesos naturales de acarreo de las soluciones y del mezclado de las aguas con drenajes domésticos y agrícolas.

El aumento del Ca²⁺ puede estar asociado, además, a la disolución de carbonatos que afloran en los suelos circundantes al río. El índice de saturación (IS=pHa—pHc) (Ayers y Westcot, 1989) de la calcita en las aguas del Duero fue de 0.74 a 1.63, indicando una subsaturación del Ca²⁺ y posibles procesos de disolución de los materiales calcáreos. En el caso del , puede estar influyendo además la descomposición bacteriana del carbono orgánico (Neal et al., 2004), derivado de los drenajes domésticos que se vierten al río.

Las correlaciones positivas P CE (r= 0.63), P—Na+ (r = 0.59) y P—(r = 0.61) y los interceptos cercanos a cero (–0.38, –0.10 y 0.15) apoyan la hipótesis de un origen común de estas variables, principalmente doméstico y agrícola.

Relaciones iónicas y enriquecimiento de iones en el río

El Cl^— se ha usado como ion conservativo (Kim et al., 2002) en el estudio de la variación en la hidroquímica de los cuerpos de agua. En el río Duero, las relaciones Cl^— / y Cl^— /K⁺ disminuyeron en la parte baja (Figura 6), mientras que Na⁺/Ca²+ y Na⁺/Mg²⁺ aumentaron. Este comportamiento de los iones refleja la influencia de las distintas fuentes de contaminantes en la hidroquímica de este cuerpo de agua. En la parte alta del río (Carapan–Las Adjuntas), dominan los procesos de intemperismo como fuente de estos iones mientras que los drenajes domésticos y agrícolas ocupan un lugar secundario. En la parte baja del río (Los Espinos–Ibarra) dominan los procesos de mezclado de soluciones de los drenajes domésticos y agrícolas.

Variaciones temporales

Los cambios en las variables analizadas en cuatro fechas de muestreo no fueron significativos para P total, CE, Ca²+, Mg² + , Na+, y ; caso contrario del Cl y K⁺ (prueba de Kruskal Wallis). La concentración de Cl^— y K⁺ fue menor en la temporada lluviosa, asociada a procesos de dilución. Para Pb, Cu, Fe y Mn, en dos fechas de muestreo, las diferencias fueron significativas, pero para Zn no fueron significativas (prueba de Kruskal Wallis). La concentración de estos metales fue mayor en febrero, respecto a abril.

El mayor flujo, y por tanto mayor escorrentía, registrado en el río durante febrero en relación con abril (ver apartado de hidrometría), podría explicar estas diferencias. Sin embargo, se requieren estudios más detallados para determinar el comportamiento de los metales pesados en la corriente.

CONCLUSIONES

Las aguas del Duero fueron de composición mixta–bicarbonatada y sódico–bicarbonatada, de salinidad C1S1 y C2S1 y eutrofizadas por su concentración de P. Por concentración de contaminantes, el río mostró dos tramos diferenciados: Carapan–Las Adjuntas y Los Espinos–Ibarra, debido a la intensidad de las actividades antropocéntricas sobre la corriente. Todas las variables analizadas estuvieron dentro de los límites máximos permitidos para agua de riego. Los factores asociados con la química del agua fueron: 1) precipitación–caudales del río; 2) drenajes domésticos; 3) drenajes agrícolas; 4) intemperismo de las rocas carbonatadas; 5) intemperismo de rocas basálticas.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen el apoyo financiero otorgado por el IPN y El Colegio de Michoacán, A. C. para realizar este trabajo.

LITERATURA CITADA

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Notas

^* Velázquez, M. 2005.Diagnóstico para el saneamiento del río Duero. Informe técnico. SAGARPA–COEFREM, A. C. Zamora, Michoacán, México. 201 p.

^** CONAGUA (Comisión Nacional del Agua). 2004. Informe de calidad de agua suministrada al distrito de riego 061, "Zamora". Zamora, Michoacán, México. Informe Técnico. 45 p.

^*** CONAGUA, 2007. Registro de aforo de las estaciones hidrométricas "Las Adjuntas" y "San Cristóbal". Hojas mimeografiadas.