CALIDAD DE LAS AGUAS SUBTERRANEAS DE
GERONA Y LA FE
Autor: Tamara Mariana Leonarte Pérez
Tutor: Dr. Juan Reynerio Fagundo Castillo
Asesor: Ing. Eugenio Lores.
Maestría en Análisis y Tecnología
Ambintal. ISCTA
Empresa Integral de Recursos Hidráulicos
(Nueva Gerona, Isla de la Juventud)
INDICE
Agradecimientos Introducción
-Antecedentes y estado actual de la temática. -Justificación.
-Relación con Proyectos científicos y Programas. -Hipótesis de trabajo.
-Novedad científica y valor práctico.
-Objetivos General y Específicos.
-Tareas planificadas para satisfacer los objetivos propuestos
Capítulo I. Revisión bibliográfica y fundamentos teóricos. 1.1Propiedades disolventes del agua pura.
1.2 Agua natural 1.3 La calidad del agua
1.4 Tratamiento numérico de la información hidroquímica 1.5 Intrusión salina. Incidencias sobre las aguas subterráneas. 1.5.1. Relación agua dulce- agua salada.
1.6 Análisis químico y calidad de las aguas. 1.7 Comportamiento de los macroconstituyentes.
1.8 Representación gráfica de la composición química de las aguas. 1.9 Empleo de relaciones iónicas.
1.10 Clasificación hidroquímica. Métodos de Clasificación.
1.11. La conductividad eléctrica del agua y su relación con la composición química. 1.12 Modelos hidrogeoquímicos.
1.13 Teoría que fundamenta el empleo de métodos de estimación de la composición química de las aguas mediante mediciones de conductividad eléctrica y el empleo de correlaciones matemáticas. Capítulo II. Características geográficas, geológicas e hidrogeológicas del área de estudio 2.1. Cuenca Hidrogeológica La Fé y Cuenca Hidrogeológica Gerona
2.1.2. Ubicación geográfica. Clima. Características geológicas. Litología y tectónica. Unidades Hidrogeológicas.
2.1.3. Clima
2.1.4. Características geológicas. Litología y tectónica 2.1.4.1. Estratigrafía
2.1.4.2. Litología 2.1.4.3. Metamorfismo 2.1.4.4. Tectónica 2.1.4.5. Hidrogeología
Capítulo III. Materiales y Métodos 3.1 Inventario de datos.
3.2 Determinaciones analíticas.
3.3 Métodos utilizados para crear las Bases de Datos. 3.4 SOFTWARE utilizados.
Capítulo IV. Resultados y discusión. Evaluación de la calidad del agua en los acuíferos subterráneos de La Fè y Gerona.
4.1 Cuenca Hidrogeológica La Fè.
4.1.1 Características generales de la composición química de las aguas. 4.1.2 Clasificación de las aguas según Schchoukarev
4.1.3 Representación gráfica mediante diagramas hidroquímicos. 4.1.3.1 Diagramas de Stiff.
4.1.4 Patrones hidrogeoquímicos.
4.1.5 Variación espacial de la composición química de las aguas. 4.1.6 Relaciones iónicas.
4.1.7 Variación temporal de la composición química de las aguas (análisis de series cronológicas). 4.1.7.1. Variación temporal del ión cloruro.
4.1.8 Estado de las aguas con respecto al estado de equilibrio (mineral calcita). 4.1.9 Procesos geoquímicos y origen de la composición química de las aguas. 4.1. 10 Matriz de correlación de las variables hidroquímicas.
4.1.11 Estimación de la composición química de las aguas mediante mediciones de conductividad eléctrica y modelos de correlación matemática.
4.1.11.1 Obtención de los modelos de correlación matemática. 4.1.12. Índices de similitud para validar los modelos de correlación. 4.2 Cuenca Hidrogeológica Gerona.
4.2.1 Características generales de la composición química de las aguas. 4.2.2 Clasificación de las aguas según Schchoukarev y Kurlov.
4.2.3 Patrones hidrogeoquímicos. Representación gráfica mediante diagramas. 4.2.3.1 Diagramas de Stiff.
4.2.4. Expresión numérica de los patrones hidrogeoquímicos 4.2.5 Variación espacial de la composición química de las aguas.
4.2.6 Relaciones iónicas.
4.2.7 Variación temporal de la composición química de las aguas
4.2.7.1. Variación temporal de la mineralización (TSS) y la dureza (CaCO3) 4.2.7.2. Variación Temporal del ion cloruro
4.2.8 Estado de las aguas con respecto al estado de equilibrio (mineral calcita). 4.2.9 Procesos geoquímicos y origen de la composición química de las aguas. 4.2. 10 Matriz de correlación de las variables hidroquímica.
4.2.11 Estimación de la composición química de las aguas mediante mediciones de conductividad eléctrica y modelos de correlación matemática.
4.2.12 Índices de similitud para validar los modelos de correlación.
4.3 Estudio comparativo de la calidad del agua en las Cuencas Hidrogeológicas La Fè y Gerona. 4.4 Metodología para la evaluación y control de la calidad de las aguas en las Cuencas La Fé y
Gerona Conclusiones. Recomendaciones. Bibliografía.
Difusión de los resultados de la Tesis Anexos.
Anexo 1. Tablas y figuras de los capítulos 1 y 3
Anexo 2 (A). Tablas y figuras del capítulo 4 (Cuenca La Fé) Anexo 2 (B). Tablas y figuras del capítulo 4 (CuencaGerona)
Dedicatoria
A mi niño que tantas fuerzas me ha dado para seguir
luchando aún cuando el cansancio ha querido imponerse.
Por esa inocencia tan espontánea e inigualable que hace
feliz al mundo. Para él, mi razón de vivir, dedico este
modesto pero serio trabajo que resume muchas horas de
entrega y constancia.
Agradecimientos
Al Doctor en Ciencias Juan Reynerio Fagundo Castillo, por su ayuda incondicional y por todo el tiempo que me ha dedicado en el manejo de los software empleados, en la revisión de todos los resultados y por haberme motivado a seguir hasta el final y participar en eventos nacionales e internacionales donde se ha publicado parte de este trabajo.
Al Ingeniero Eugenio Lores, por toda la colaboración prestada en la elaboración de mapas y su interpretación y además por transmitirme conocimientos de la hidrogeología pinera.
A la Msc. Estrella Santa Cruz y al Lic. Angel Luis Bordonado Batista. por la ayuda prestada a través de la UNAICC para el desarrollo de cursos y adiestramientos que contribuyeron al desarrollo de la tesis.
Al Ingeniero Jesús Beaujardín por el apoyo brindado para la participación en eventos nacionales e internacionales donde fue posible la publicación de este trabajo.
Al técnico en informática Yoarsy Valdivia Pérez por su ayuda en la recuperación e impresión de los documentos de la tesis.
Al Ing. Mijail Hernández Pou y al Ing. Jesús María Rivera, por el estímulo y facilidades laborales ofrecidas para llevar a cabo las actividades que fueron ejecutadas para hacer posible el trabajo que he realizado en el marco de la tesis.
A mi esposo por el apoyo para el uso de los medios necesarios, hardware, software y demás que han sido empleados en este trabajo.
A mi mamá y a mi suegra por la ayuda en el cuidado de mi niño siempre que ha sido necesario. A todas las personas que de alguna manera hicieron lo posible para la terminación del trabajo.
INTRODUCCIÓN
La humanidad ha atentado contra el medio ambiente, generando en sus procesos productivos un explosivo deterioro de los recursos naturales y del agua. En particular se ha rebasado su capacidad de dilución y autorecuperación. Es un precio que afecta las posibilidades de vida y de trabajo de las generaciones futuras.
El agua y la salud de la población son dos cosas inseparables. La disponibilidad de un agua con calidad es una condición indispensable para la propia vida, y más que cualquier otro factor, la calidad del agua condiciona la calidad de vida. De ahí podemos deducir que aquellos que son responsables por el abastecimiento de agua son en realidad los responsables por la vida que la población lleva.
Las aguas subterráneas suelen ser más difíciles de contaminar que las superficiales, pero cuando esta contaminación se produce, es más difícil de eliminar. Sucede esto porque las aguas del subsuelo tienen un ritmo de renovación muy lento. Se calcula que mientras el tiempo de permanencia medio del agua en los ríos es de días, en un acuífero es de cientos de años, lo que hace muy difícil su purificación.
Un proceso preocupante es el de entrada de agua salada en los acuíferos cuando estos son sobreexplotados, en acuíferos cercanos a la costa (Zhang et al, 2004). Estos acuíferos limitan con aguas subterráneas salinas, situadas bajo el mar, y cuando se retira demasiada agua dulce de ellos, la interfaz se desplaza, penetrando el agua salina en zonas en las que sólo había agua dulce hasta entonces. Cuando pasa esto no sólo se ve amenazado el suministro de agua para las poblaciones y el regadío, sino que también se producen daños en los ecosistemas que dependían de la descarga de aguas de estos acuíferos.
Las principales características de la intrusión marina en los acuíferos costeros pueden resumirse de la manera siguiente: se produce en acuíferos costeros abiertos e islas oceánicas; se presenta en cualquier tipo de acuífero, la frontera entre las aguas dulces del acuífero y las aguas saladas provenientes del mar, es la interfaz; la descarga del acuífero se produce sobre la interfaz (Post, 2005).
Los acuíferos se van cargando de agua a un ritmo relativamente lento y si esta agua se extrae a un ritmo que supera la recarga, el volumen de agua disponible disminuye. Esto es particularmente grave en los lugares en que las precipitaciones son escasas. Sin embargo, el descenso en el nivel freático puede ocurrir aún en zonas tropicales de alta precipitación, en las que los acuíferos están sometidos a un uso intensivo y poco controlado.
La intrusión salina es una grave amenaza para los recursos de agua dulce en los acuíferos costeros. El equilibrio agua dulce - agua salada es siempre muy frágil a causa de la elevada capacidad de mezcla entre las dos aguas, y depende de la relación entre el volumen de recarga y el volumen de agua bombeada. El desarrollo industrial, las actividades agrícolas y el abastecimiento de agua potable en las últimas épocas han provocado, en la mayor parte del litoral norte del municipio Isla de la Juventud, una sobre-explotación de estos acuíferos costeros y, por tanto, un desequilibrio de la interfase agua dulce – agua salada.
La influencia de este fenómeno en el desarrollo socio-económico de las zonas costeras requiere el establecimiento de redes de control que permitan efectuar un seguimiento de la evolución espacial y temporal de la salinidad del agua subterránea. Este control se realiza generalmente analizando la calidad química del agua subterránea en pozos.
En el Municipio Especial Isla de la Juventud se han venido realizando varios estudios sobre las aguas para consumo humano, debido a que las mismas provienen en un 100% de fuentes subterráneas. Para este estudio han sido seleccionadas varias fuentes teniendo en cuenta la variabilidad de sus características hidroquímicas en la cuenca Gerona y fuentes subterráneas de la
cuenca La Fé, por no poseer estas últimas diferencias significativas, sirviendo como cuenca de referencia. Se encuentran con frecuencia pozos de la Cuenca Gerona con contenidos de ion cloruro que sobrepasan la Norma Cubana, 93-02 de 1985 “AGUA POTABLE. Requisitos sanitarios y muestreo” y que con frecuencia exhiben patrones hidrogeoquímicos que muestran la presencia de intrusión marina, de modo que con el presente estudio se pretende realizar una valoración cuantitativa y cualitativa de la calidad de varias fuentes de los acuíferos de Gerona y La Fé.
El objetivo principal de esta tesis es caracterizar desde el punto de vista hidrogeoquímico, mediante un sistema de programas de computación, las principales fuentes de las cuencas hidrogeológicas: Gerona y La Fé con vistas a la toma de decisiones para el mejor manejo y control del recurso agua y una entrega a la población con la calidad requerida. Los objetivos específicos: analizar los fenómenos que afectan las características físico-químicas de las aguas objeto de estudio; estudiar el comportamiento de los parámetros de contaminación para el período de explotación de las fuentes de interés; contribuir al conocimiento de la situación actual de la calidad hidroquímica de dichas fuentes; aplicar los software HIDROQEOQUIM, GEOQUIM, MODELAGUA y SAMA por parte de los especialistas de la Empresa Integral de Recursos Hidráulicos de la Isla de la Juventud para un uso más eficiente del recurso agua.
El Municipio Especial Isla de la Juventud cuenta con una laboratorio de Calidad de las Aguas, en el cual mediante un programa de muestreo se evalúa periódicamente la calidad de las fuentes abastecedoras de agua de consumo a la población.
Antecedentes y estado actual de la Temática
En el Municipio Especial Isla de la Juventud se han venido realizando varios estudios sobre las aguas para consumo humano, debido a que las mismas provienen en un 100% de fuentes subterráneas y algunas de ellas, situadas en la Cuenca Hidrogeológica Gerona, han sufrido variaciones notables en sus características químicas.
Los trabajos de investigación realizados hasta el momento se han desarrollado sobre la base de estudios hidráulicos, hidrogeológicos e hidroquímicos, pero no se ha desarrollado alguno que haya valorado la calidad de esta agua para consumo humano analizando una Base de Datos tan rica en parámetros químico-físicos desde los años 80 para muchas de las fuentes que aparecerán en el presente trabajo y para otras desde los años 90 hasta la actualidad.
Justificación
El control de la calidad de las aguas es de gran importancia económica y social para el abasto a la población, la industria, la agricultura y otros usos. Con vistas a evaluar y proteger la calidad de las mismas, Cuba cuenta con una red de observaciones sistemáticas donde periódicamente se realizan determinaciones químico físicas y bacteriológicas.
Por esta razón en la actualidad se dispone de un gran volumen de datos hidroquímicos cuyo procesamiento estadístico pudiera brindar una valiosa información acerca de las regularidades matemáticas entre las diferentes variables y su relación funcional con otras de tipo hidrogeológico y climático.
Uno de los problemas más importantes que puede ofrecer el procesamiento de datos hidroquímicos, es precisamente el control automatizado de la calidad de las aguas. A partir de los abundantes datos históricos con que se cuenta en muchas estaciones de control, es posible predecir la composición química a partir de los valores de la conductividad eléctrica mediante una previa caracterización de dicha fuente, ya que existen entre estas variables relaciones matemáticas sencillas que tienen sentido físico a partir de los fundamentos teóricos de la Hidroquímica.
Las relaciones matemáticas encontradas y la posibilidad de que los factores involucrados en la adquisición de la composición química de un agua permanezcan constantes en un área con cierta
homogeneidad desde el punto de vista hidrogeológico, permiten diseñar sistemas informáticos que manifiesten estas relaciones, posibilitando así la predicción de la composición de los macrocomponentes iónicos a partir de la conductividad eléctrica.
Estos sistemas deben ser introducidos posteriormente en los laboratorios del INRH para su uso en el control interno facilitando así el trabajo de los analistas y garantizando la calidad de los resultados analíticos.
La justificación esencial del proyecto radica en la situación preocupante que poseen algunas fuentes que abastecen el poblado de Nueva Gerona. Se ilustra y explica el comportamiento de parámetros químicos como es el caso del ion cloruro, el cual desde la década del 90 se han incrementado notablemente llegando a registrarse valores por encima del máximo admisible reportado en la Norma Cubana 93-02 de 1985 “AGUA POTABLE (N.C., 93-02, 1985). Requisitos sanitarios y muestreo”, de modo que con el presente estudio se pretende realizar una valoración cuantitativa y cualitativa de la calidad de las aguas subterráneas de los acuíferos de Gerona y se toma como referencia la CuencaHidrogeológica La Fé.
La zona de estudio fue seleccionada por dos razones fundamentales. La primera se debe a que es la zona de más asentamiento poblacional del territorio y la más industrializada y la segunda, es que se trata de un acuífero extremadamente complejo desde el punto de vista hidrogeológico, el cual no posee apenas intercambio de iones por estar formado por rocas metamórficas, y donde está ocurriendo un progresivo deterioro de la calidad del recurso agua por efecto de la penetración del agua marina al acuífero (intrusión salina), en varios pozos de la red de calidad que abastecen a la capital del Municipio.
Conocer la evolución en el tiempo de los elementos químicos relacionados con la sobreexplotación de los acuíferos del territorio cobra gran interés por los efectos negativos que ocasiona, pudiendo de cierta manera, a partir de los resultados que se obtengan del presente trabajo, concienciar a las Entidades involucradas en un uso más inteligente del recurso agua que implica mejor calidad de vida para los residentes de las actuales y futuras generaciones y para la propia Cuenca.
En el presente trabajo se realiza además una comparación, de parámetros de contaminación, entre fuentes de abasto de la Cuenca Hidrogeológica La Fé y la Cuenca Hidrogeológica Gerona, y también entre fuentes de la propia Cuenca Gerona, con el fin de corroborar la penetración de agua marina en ellas, algunas de las cuales fueron sobreexplotadas en los últimos años en las que se evidencia un deterioro progresivo como agua de consumo humano.
Relación con Proyectos científicos y programas
Este proyecto de tesis sirve de base para justificar el estudio realizado por la Master en Ciencias Estrella Santa Cruz acerca de la proposición para el diseño de una barrera de infiltración para el control y protección de las zonas vulnerables de la subcuenca El Abra en la Isla de la Juventud.
Mantiene relación con estudios particulares que se han realizado a varias fuentes afectadas por la intrusión marina.
Pertenece al Proyecto ramal de Instituto Nacional de Recursos Hidráulicos, junto a otros proyectos del país donde se evalúan entre otras cosas, la calidad de las aguas subterráneas para el consumo humano, aplicando tecnologías de punta para el procesamiento de la información proveniente de redes de monitoreo.
Mediante la caracterización hidrogeoquímica de los principales acuíferos de Gerona y La Fé,
emplendo SOFTWARES específicos basados en modelos hiedorogeoquímicos, se pueden obtener resultados de carácter aplicado, que permitirán controlar la calidad de las aguas en el territorio y tomar las medidas necesarias para mitigar el deterioro ocasionado en las fuentes intrusionadas.
Novedad científica y valor práctico
Este trabajo de tesis se propone estudiar la explotación óptima de una serie de programas para el procesamiento de datos hidroquímicos y el control de la calidad de las aguas a través del procesamiento de series temporales de datos obtenidos en fuentes de abasto de las Cuenca Hidrogeológicas de Gerona y La Fé.
Como Cuba cuenta con redes de estaciones de monitoreo donde de manera periódica (Beato, 2004), se genera un gran volumen de datos hidroquímicos, estos sistemas ya validados podrán ser utilizados para encontrar relaciones matemáticas entre la conductividad eléctrica y los distintos macrocomponentes en el resto de las cuencas del país y a partir de esas relaciones, estimar la composición química de las aguas mediante simples mediciones de la conductividad eléctrica. (Hernández, 2000)
De manera general, la novedad de este trabajo radica en su contribución al conocimiento de las características de la calidad de las aguas objeto de estudio, con vistas a continuar explotando estas fuentes, utilizadas para el abasto de la población y los planes agroindustriales, mediante mediciones de conductividad eléctrica y análisis en Laboratorio de los parámetros físicos y químicos necesarios para evaluarla como agua de consumo y demás usos. Permitirá, además, la posibilidad de contar con sistemas de programas de computación validados, muy útiles y de fácil utilización por usuarios no especialistas en computación, los cuáles permitirán validar la información existente en cada punto de muestreo, depurarla, procesarla y obtener de forma rápida resultados confiables que incluyen la representación gráfica de la evolución de los distintos parámetros en el tiempo.
La metodología y programas de computación pueden ser aplicados en otros sitios de la provincia y del país con vistas a establecer sistemas de control hidroquímico de la calidad de las aguas de abasto, de carácter provincial y nacional (Hernández, 2000).
Objetivos General y Específicos
Objetivo general: Evaluación de la calidad de las aguas subterráneas de los acuíferos de Gerona y
La Fé.
Objetivos específicos:
1. Análisis causa efecto de los fenómenos que afectan las características físico-químicas de las aguas subterráneas del área objeto de estudio.
2. Estudio del comportamiento de parámetros de contaminación para el período de explotación de las fuentes intrusionadas.
3. Validar el uso de algunos sistemas informáticos para el monitoreo de la calidad de las aguas 4. Elaborar una metodología que permita la generalización de la evaluación de la calidad de
Tareas planificadas para satisfacer los objetivos propuestos.
1. Búsqueda bibliográfica sobre calidad de agua para consumo humano según Norma Cubana “Agua Potable. Requisitos sanitarios y muestreo” (NC 93-02:1985).
2. Revisión bibliográfica y consulta con especialistas sobre las principales características geológicas, geográficas e hidrogeológicas del área objeto de estudio.
3. Revisión bibliográfica sobre contaminación por intrusión salina.
4. Llevar a formato digital los parámetros físico-químicos de las fuentes hidrogeológicas seleccionadas.
5. Análisis del comportamiento espacial y temporal de los elementos mayoritarios y minoritarios.
6. Determinar el tipo de agua según el método de Schoukarov en las cuencas objetos de estudio.
7. Estudiar el estado de las aguas con respecto al equilibrio de los carbonatos. 8. Calcular el grado de salinización de las fuentes estudiadas.
9. Determinar los procesos geoquímicos que explican la composición química del agua en cada fuente.
10. Encontrar relaciones matemáticas que permitan estimar la composición química del agua mediante mediciones de conductividad eléctrica.
CAPÍTULO I. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA Y FUNDAMENTOS TEÓRICOS
1.1. Propiedades disolventes del agua pura
El agua es un disolvente universal de las sustancias inorgánicas. Esa propiedad está relacionada con las características de la molécula de agua, las cuales son muy diferentes a las de otra molécula con un peso atómico semejante.
El agua pura está constituida por moléculas, donde dos átomos de hidrógeno se encuentran unidos a uno de oxígeno (H2O), separados entre sí 105° (Figura 1.1A).
Figura 1.1. Representación de: a) la molécula de agua; b) proceso de disolución de un cristal de NaCl por los dipolos de agua.
Esta distribución hace que parte de la molécula posea una carga parcial positiva y la otra una carga parcial negativa, lo que le confiere propiedades de dipolo. Cuando un mineral se introduce en el agua, los dipolos de ésta tienden a separar los iones de carga contraria, disminuyendo las fuerzas electrostáticas que tienden a unirlas en virtud de las propiedades del enlace iónico. En el caso del cristal de cloruro de sodio (NaCl), por ejemplo, este proceso puede representarse como se indica en la figura 1.1b. Los dipolos se intercalan de tal forma, que las cargas de signo contrario son capaces de atraerse cada vez menos.
En el caso de otros iones más débilmente unidos, mediante enlaces de tipo iónico, como es el caso del cristal de calcita, este proceso es más lento, de ahí su pobre solubilidad en agua pura.
Este proceso de disolución, cuando es llevado a cabo por las aguas naturales sólo con la participación de estas, se denomina físico (Bögli, 1980) y se diferencia del denominado químico, en que este último es más complejo, puesto que intervienen otros factores.
Las bases teóricas que fundamentan el proceso de disolución de los minerales por las aguas naturales, se han desarrollado por diferentes investigadores (Hutchinson, 1957; Roques, 1964; Langmuir, 1971; Garrels y Christ, 1965; Stumm y Morgan, 1970). En este texto se presentan algunos aspectos de esta teoría, por lo que para un conocimiento más amplio remitimos al lector a las obras citadas.
1.2. Agua natural
Antes de abordar las teorías que sustentan los procesos de disolución de los minerales, se debe discutir el concepto de agua natural. Según plantean algunos especialistas (Stumm y Morgan, 1970), se entiende por agua natural un sistema de cierta complejidad, no homogéneo, que puede estar constituido por una fase acuosa, una gaseosa y una o más fases sólidas.
El sistema agua natural puede ser no homogéneo, aunque puede estar constituido por subsistemas homogéneos. De esta manera, el océano posee cuencas profundas y prácticamente aisladas con composición química definidas. En algunos casos, como en los lagos y las presas, las aguas pueden estar estratificadas, en la superficie la temperatura puede ser más elevada y la densidad menor que en la profundidad. En las aguas subterráneas que se encuentran en contacto con el mar, se pueden presentar también apreciables diferencias de acuerdo con la profundidad.
En general, las aguas subterráneas poseen una composición química que es el resultado de un proceso complejo de interacciones, donde primeramente las aguas procedentes de las
precipitaciones (lluvia o nieve) adquieren los gases que se originan en la zona del suelo en el proceso de descomposición y respiración de la materia orgánica y luego, reaccionan con los minerales que subyacen en el medio rocoso.
La composición química de las aguas subterráneas, al cabo de un determinado tiempo, se encuentra en equilibrio químico-físico con el contenido de gases y de fases sólidas disueltas. Estos equilibrios dependen de la temperatura y de la presión del sistema y cualquier cambio en esas condiciones produce una variación en la composición química, dando lugar a una mayor disolución de los minerales o a la precipitación de estos por recombinación iónica.
1.3. La calidad del agua
El agua natural es un sistema de cierta complejidad, no homogéneo, que puede estar constituido por una fase acuosa, una gaseosa y una o más fases sólidas (Stumm y Morgan, 1970).
La composición química de este sistema en función del uso que se le da, recibe el nombre de calidad del agua. Existe una serie de normas que regulan las concentraciones permisibles que debe poseer cada elemento o indicador de calidad según los diferentes usos. Por ejemplo, las normas establecidas para que un agua pueda utilizarse en el abasto a la población exigen un contenido despreciable de los elementos relacionado con ciclos del nitrógeno y el fósforo (NC 93-02,1985); sin embargo para el riego de cultivos, las aguas deben poseer un alto contenido de los mismos.
Por tanto, como en dependencia de la composición química de un agua esta podrá encontrar distintos usos, se hace necesario tener en cuenta algunos aspectos a la hora de la toma, conservación y análisis de la muestra, los cuales podrían alterar el resultado dado.
La composición química de las aguas naturales está controlada por los equilibrios químicos de los carbonatos y otros minerales constitutivos de los acuíferos y es variable en el tiempo. Por esta razón los análisis de alcalinidad y las mediciones de temperatura, pH y otros parámetros químico-físicos inestables deben hacerse "in situ”.
Los primeros métodos empleados en el campo para la caracterización de las aguas naturales consistían en el uso de tabletas, las cuales añadidas al agua cambiaban el color (Smith, 1965). La mayoría de los carsólogos norteamericanos y algunos europeos han utilizado hasta años recientes algunas mediciones de campo, principalmente la temperatura y el pH y la conductividad eléctrica, así como mediciones de HCO3-, Ca2+ y Mg2+ por análisis volumétrico (Ek, 1973). Los cálculos de
grado de agresividad del agua se han realizado por medio de computación (Wigley, 1977), empleando los índices de saturación de la calcita, la dolomita y la p CO2 en equilibrio.
Las sustancias en disolución aportadas por las aguas subterráneas tienen orígenes diversos, parte de ellas son cedidas por el agua de lluvia que recarga los sistemas acuíferos; otras son debidas a la entrada en disolución de sales, tanto de la cobertura superficial de las zonas de recarga, como del propio material acuífero, a favor de aguas que fluyen a través de ellos. Además procesos diagéneticos y procesos de hidratación, hidrólisis, oxidación - reducción y cambio iónico pueden favorecer la liberación o retención de los distintos elementos. Por último, mezclas de agua de distinta salinidad y cambios en los contenidos en gas disuelto pueden variar las condiciones de equilibrio del agua.
El agua de lluvia constituye, de forma general, la principal fuente de entrada de información química en los sistemas acuíferos. El cálculo de parámetros como: media, desviación típica y coeficiente de variación permiten conocer la heterogeneidad del quimismo de las aguas. (Morales, 1991)
La composición química de las aguas subterráneas, al cabo de un determinado tiempo, se encuentra en un equilibrio químico- físico con el contenido de gases y de fases sólidas disueltas. Estos equilibrios dependen de la temperatura y de la presión del sistema y cualquier cambio en
esas condiciones produce una variación en la composición química, dando lugar a una mayor disolución o a la precipitación de estos por recombinación iónica.
1.4. Tratamiento numérico de la información hidroquímica
El Manejo y control de la calidad de las aguas es uno de los problemas asociados a la contaminación ambiental, que requiere la utilización de métodos y técnicas de avanzada, que sean capaces de dar una respuesta rápida y eficaz sobre el estado de los recursos, su posible uso, su evolución al cabo del tiempo, y que permitan tomar medidas para preservar su calidad y evitar su deterioro.
Con el objetivo de conocer la calidad de los recursos hídricos y los cambios que experimentan los mismos como resultado de la actividad del hombre, muchos países entre ellos el nuestro, cuentan con redes de estaciones de monitoreo donde de manera periódica, se registran las condiciones hidrometeorológicas y en forma sistemática se realizan análisis químicos, físicos y bacteriológicos de las aguas.
Esta actividad genera un gran volumen de datos hidroquímicos, hidrológicos y climáticos cuyo procesamiento y uso adecuado es de valiosa importancia para la mejor administración y explotación de los recursos hídricos (Fagundo et al, 1995).
El procesamiento estadístico de estos datos puede brindar información acerca de las regularidades matemáticas entre las diferentes variables. Así por ejemplo, es posible encontrar algunas relaciones simples, al menos para determinados intervalos, que se aproximen a las funciones reales y permitan estimar unas variables en función de otras de más fácil medición. (Güerón et al, 1993)
Los métodos matemáticos y estadísticos matemáticos, en particular, dan la posibilidad de expresar en forma compacta el objeto en relación con sus atributos. Los métodos de la Estadística Clásica o Descriptiva han sido los más empleados por los investigadores, tanto en el campo de las geociencias como en los otras ciencias. Su uso ha sido especialmente adecuado en el tratamiento de las grandes bases de datos originadas en los programas de monitoreo de calidad del agua (Ponce, 1980; Machkova et al, 1993)
Entre las estimaciones estadísticas más empleadas para caracterizar los fenómenos naturales se encuentran: Las medias aritmética y geométrica, valores máximos y mínimos, media y moda, varianza, desviación estándar, intervalos de confianza, modelos de distribución de datos, prueba de hipótesis, dependencia matemática entre atributos cualitativos (regresión y correlación matemática, series cronológicas y otras).
El desarrollo de la electrónica ha permitido la fabricación de computadoras personales y esto ha estimulado la creación y uso de software, que en forma sencilla ofrecen a los especialistas la posibilidad de procesar grandes volúmenes de datos de medición obtenidos en las redes de observación y control sistemático.
En los últimos años se han desarrollado una serie de métodos analíticos y equipos electrónicos novedosos con vistas al monitoreo de las aguas naturales en lugares de interés económico tales como ríos superficiales, embalses pozos, y otras fuentes donde se controla la calidad química y bacteriológica de las aguas, la salinidad, la mineralización y otros indicadores.
Existe como tendencia actual la introducción de métodos de análisis químico de campo a base de maletas pequeñas que contienen los reactivos y accesorios necesarios para realizar ¨in situ¨ las determinaciones de los macroconstituyentes, así como el desarrollo de equipos electrónicos portátiles (sondas multiparamétricas) para determinar parámetros inestables tales como oxigeno disuelto, potencial de oxidación reducción, temperatura, pH, conductividad eléctrica y turbidez. También se desarrollan potenciómetros provistos de electrodos selectivos para la medición de
algunos iones tales como el NO3-, Cl-, Na+, CN-, etcétera. Más recientemente se han diseñado
algunos equipos que simultáneamente determinan varios indicadores de calidad mediante electrodos acoplados y sistema de registro automático por vía analógica o digital.
La problemática del monitoreo y el control de la calidad de las aguas ha impulsado la búsqueda y explotación de software y programas específicos con el objetivo de crear ficheros de datos, procesar y validar los datos hidroquímicos, estudiar en el tiempo los distintos parámetros, clasificar las aguas desde el punto de vista hidroquímico, analizar la calidad de las mismas, representar gráficamente los resultados alcanzados, determinar la precisión de los análisis químicos y analizar tendencias entre otros.
1.5. Intrusión salina. Incidencia sobre las aguas subterráneas
El proceso de intrusión salina en acuíferos costeros e islas oceánicas puede ilustrarse mediante la figura 1.2.
Figura 1.2. Características de la intrusión salina
Se produce en acuíferos costeros abiertos e islas oceánicas. Se presenta en cualquier tipo de acuíferos.
La frontera entre las aguas dulces del acuífero y las aguas saladas provenientes del mar, es la interfaz.
Característica de la interfaz (ELIMINAR).
La descarga del acuífero se produce sobre la interfaz.
1.5.1. Relación agua dulce- agua salada
En presencia de dos líquidos miscibles en contacto tales como el agua dulce y el agua salada, no existe una interfaz brusca sino que se pasa de un fluído a otro a través de una zona de mezcla, también llamada zona de transición que refleja con intensidad variable las propiedades químicas e hidráulicas de cada uno de los líquidos originales.
El peso específico del agua marina es mayor que el del agua dulce, así mismo, la viscosidad del agua marina es del orden de un 30 % mayor que la del agua dulce a igual temperatura.
El movimiento del agua en la zona de mezcla y su posición es inducido por el movimiento del agua dulce, a semejanza de lo que sucede con la interfaz. El movimiento en las proximidades de la interfaz es tanto más rápido cuanto más próximo esté al área de afloramiento (en las proximidades del pie de la cuña el arrastre es menor)
Este fenómeno sucede de forma similar en estuarios y desembocaduras de los ríos, con la diferencia de que los caudales por unidad de longitud de costa son mucho mayores, y la influencia de cambio de posición del plano de agua dulce o salada son muy sensibles. Algo similar sucede cuando se trata de descarga de agua subterránea al mar a través de grietas o cavernas.
En acuíferos semiconfinados, todo o parte del escape de agua dulce al mar puede hacerse a través del lecho semipermeable.
Es posible que los limos y arcillas de los acuitardos puedan actuar como membrana osmótica y faciliten la salida del agua dulce. En caso de intrusión actuaría en sentido contrario, limitando la intrusión del agua salada. En realidad las formaciones semipermeables distan mucho de ser una membrana osmótica en la posición de los pozos y solo es de esperar que el fenómeno se desarrolle con débil eficacia.
El resultado final depende del flujo de agua dulce, que es el que provoca el arrastre de las sales hacia el mar. Cerca de la costa la dispersividad es grande, pero el lavado es intenso, mientras que cerca del pie de la cuña salina la dispersiviadd puede ser muy pequeña, pero el lavado poco
efectivo. Así pues el ancho de la zona de mezcla puede variar dependiendo de la heterogeneidad y permeabilidad del medio, del flujo de agua dulce, del espesor del acuífero y de la magnitud de las fluctuaciones piezométricas.
1.6. Análisis químico y calidad de las aguas
La determinación de las propiedades químico-físicas de un agua constituye una herramienta imprescindible para los hidrólogos, hidrogeólogos, karstólogos, geomorfólogos, ingenieros sanitarios y otros especialistas relacionados con el agua.
La primera fase de todo trabajo hidrogeoquímico, comprende el estudio bibliográfico y visitas de reconocimiento en el área objeto de estudio. En esta etapa también se toman muestras, las cuales se analizan con fines de orientación.
Para la aplicación de los métodos hidrogeoquímicos en el estudio es necesario tomar en cuenta el balance hídrico y parámetros geoquímicos que caractericen a cada sistema, relacionando el volumen de infiltración y circulación del agua con la composición química de la misma en el área de descarga del acuífero (Garay y Morell, 1989). Con ese objetivo, en la segunda fase del trabajo se seleccionan los puntos o estaciones de observación sistemática y se instalan los equipos de registro o medición necesarios para el control de las precipitaciones, los caudales y el quimismo de las aguas.
El agua subterránea no posee una composición uniforme, esta varía con la profundidad de manera que, de acuerdo a los objetivos del trabajo hidrogeológico, el muestreo debe hacerse en condiciones estáticas a través de un perfil de pozos, presas u otro tipo de embalse, o en condiciones dinámicas en pozos de explotación. Como la composición químico-física depende además del ciclo hidrológico y de la actividad del hombre, la frecuencia del muestreo debe establecerse de manera tal, que se reflejen esos efectos sobre la cálidad de las aguas.
En las regiones costeras la intrusión marina en el acuífero determina la ocurrencia de tres zonas hidrogeológicas: una superior que refleja las propiedades del material acuífero, otra inferior ocupada por el agua de mar, y una intermedia o de mezcla, donde el agua presenta iones que proceden del agua dulce y del mar, los cuales arriban allí en virtud de los procesos de difusión y de interacción en esas condiciones de mezcla. La calidad del agua en un momento dado en las zonas superior e intermedia, estarán controladas por el régimen de precipitación, las condiciones de alimentación, las mareas y la explotación. Si se monitorean estas zonas con una sonda de CE, se observará que en la capa superior del pozo este parámetro varía lentamente con la profundidad, en la zona de la interfase entre el agua dulce y el agua de mar, la CE sufre una gran variación estabilizándose, finalmente en la zona del agua marina en que alcanza su máximo valor.
En condiciones estáticas, las muestras deben ser tomadas a diferentes profundidades con un batímetro (hidromuestreador vertical), y luego se enviarán a los laboratorios para su análisis. Además se deberán realizar “in situ”, sondeos de conductividad o salinidad y mediciones de temperatura, pH, potencial redox y O2 disuelto.
El empleo de marchas analíticas de campo, se lleva a cabo desde hace muchos años por investigadores polacos y de otras nacionalidades (Markowicz y Pulina, 1979; Aminot, 1974, Krawczyk, 1992), incluyendo a los de Cuba (Pulina et al, 1984; Fagundo et al, 1986; Rodríguez et al, 1989). Las mediciones que se hacen más comúnmente en condiciones de campo son: la temperatura, el pH, la conductividad eléctrica; así como los análisis químicos de CO2 disuelto,
HCO3-, CO32-, Cl-, SO42-, Ca2+ y Mg2+. Los elementos alcalinos se suelen reportar como Na+ +
En el Laboratorio de Calidad de las Aguas del territorio pinero se toman las muestras en el campo y se realizan los análisis en el propio Laboratorio, siempre tomando en cuenta el tiempo en que deben realizarse las determinaciones de los parámetros químicos, físicos y bacteriológicos de manera que no se alteren los resultados correspondientes.
La precisión de los análisis químicos se controla mediante diferentes métodos, entre estos la diferencia entre aniones y cationes que no debe exceder de un cierto valor. También se suele emplear la ecuación de balance:
e cat an cat an = − +
∑
∑
∑
∑
200 (1.6.1) Donde: e: Error, en %.Σ cat: Suma de cationes, en meq/L. Σ an: Suma de aniones, en meq/L.
En aquellos casos en que el error calculado por la ecuación 1.6.1 sea superior a 10 %, se debe repetir el análisis o desechar la muestra.
1.7. Comportamiento de los macroconstituyentes
Los iones HCO3-, Ca2+ y Mg2+ están asociados a los procesos de disolución de las rocas
carbonatadas y se rigen por el sistema de equilibrios químicos de los carbonatos (Garrels y Christ, 1965)
El ion Cl- está asociado, fundamentalmente a las precipitaciones y su contenido depende de la altura y la distancia del punto muestreado al mar; así como del tipo de evento lluvioso. En los procesos de evapotranspiración el contenido de este ion puede sufrir una reconcentración, especialmente en la zona epicársica (Bakalowicz, 1979). En los pozos ubicados en las llanuras litorales, un alto contenido de Cl- puede estar asociados a la intrusión salina o a los aportes de fuentes contaminantes.
Debido a que el Cl- y los iones asociados al ciclo del nitrógeno son aportados desde el exterior del sistema, su evolución temporal en las surgencias permite obtener información sobre las modalidades de infiltración del agua en el mismo y la existencia o no de elementos que favorezcan la homogeneización del quimismo del agua que entra al sistema. Además su correlación con otros elementos puede ofrecer información sobre el origen del mismo, así como establecer o delimitar zonas de alimentación del sistema (Morales, 1991).
El contenido del ion SO4 2- en las aguas también pudiera ser aportado por la actividad
agrícola, y en ocasiones por la propia industria. En la zona del suelo, las aguas pueden adquirir considerables contenidos de este ion por disolución de sales solubles como yeso o anhidrita. La oxidación de las piritas, comúnmente asociadas a los carbonatos, también puede enriquecer el contenido de SO4 2- en el agua.
El contenido de NO3- en las aguas depende, fundamentalmente de la actividad antrópica. El
SiO2, por su parte está asociado a la presencia de silicio, más abundante en las regiones no
carbonatadas.
El ion Na+ puede tener un mismo origen que el Cl-, aunque debido a la capacidad de intercambio iónico de las arcillas, estas pueden provocar diferencias significativas en las aguas
respecto al contenido de aquel. El ion K+ puede sufrir grandes variaciones como resultado de las labores agrícolas a partir de los fertilizantes y de la capacidad de las raíces de las plantas de absorber este ion.
1.8. Representación gráfica de la composición química de las aguas
La representación gráfica de los datos hidroquímicos constituye una herramienta de trabajo muy eficiente en la interpretación de las propiedades de un agua, así como para hacer comparaciones. También permite ver con facilidad el comportamiento y evolución de un agua en un territorio determinado y a través del tiempo. Entre los métodos gráficos más utilizados se destacan los siguientes: diagrama de barra, diagrama circular, diagrama de Stiff, diagrama triangular, diagrama vertical.
Los diagramas de barras o de columna se han empleado ampliamente por su sencillez. La composición química se puede expresar en mg/L, meq/L o % meq/L. La forma más común consiste en presentar en la columna de la derecha los tantos por ciento de los miliequivalentes de aniones en el orden rCl-, rSO42-, rHCO3- de arriba hacia abajo y en la columna de a izquierda, rNa+, rMg2+, rCa2+. En la figura 3.1 (Anexo 1) se ilustra este método en la representación de algunos datos hidroquímicos.
El diagrama circular expresa la composición mediante un círculo, cuyos ángulos son proporcionales a las concentraciones y sus radios o diámetros al total de sólidos disueltos, la suma de los aniones y de los cationes es igual a 180°. Constituye uno de los métodos más útiles para expresar la composición química en el mapa de una zona.
Los mapas hidrogeoquímicos ofrecen una valiosa información sobre las relaciones existentes entre el quimismo de las aguas y las condiciones geológicas, así como físicogeográficas, cuando se superponen en el mismo, la litología presente, la red de drenaje y los diagramas circulares con la composición química de las aguas.
El diagrama de Stiff (1951) emplea un sistema de ejes horizontales paralelos y un eje vertical. En cada uno de estos se coloca un ion determinado. Una forma adecuada consiste en colocar en los ejes de la izquierda las concentraciones (meq/L) de los iones Na+ + K+, Ca2+ y Mg2+ de arriba hacia abajo y, en el mismo orden, en los ejes de la derecha, los iones Cl-, HCO3- + CO32-, así como SO42-. En España se suele tomar como segundo eje el constituido por los iones Mg2+ (izquierda) y SO42- (derecha).
Este método permite apreciar y comparar en forma rápida los diferentes tipos de aguas cuando éstas se encuentran en cantidades limitadas. Es especialmente útil cuando se quieren apreciar cambios en el comportamiento de un agua en determinado tiempo, por características climáticas, hidrogeológicas o efectos antrópicos
Otro método gráfico utilizado para la representación de la composición química de un agua es el de tipo triangular. El más sencillo consiste en el empleo de dos triángulos equiláteros, uno para los aniones y otro para los cationes, donde cada vértice representa 100 % de un ion particular.
Schoeller (1962) ha propuesto el uso de un triángulo único, en el cual sobre los ejes se representa la concentración (% meq/L) de rCl- y rNa-; rHCO3- + rCO32- y rCa2+;rSO42- y rMg2+. Las concentraciones aniónicas determinan un punto y las catiónicas otro. El agua queda definida por el eje que une ambos puntos.
Los diagramas triangulares de Hill y Piper tienen como ventaja en relación a los anteriores, que permiten representar un gran número de muestras en un sólo gráfico. En éstos, los triángulos de aniones y cationes ocupan los ángulos inferiores izquierdo y derecho con sus bases alineadas. La parte central del diagrama posee forma de rombo y sobre éste se proyectan los puntos de cada uno de los triángulos por medio de una recta paralela al borde superior del rombo. La intersección de estas dos rectas representa la composición del agua con respecto a una determinada agrupación de aniones y cationes Por último, se debe destacar las posibilidades que ofrecen los diagramas de tipo vertical en la representación gráfica de la composición química de un grupo numeroso de muestras. En estos diagramas se coloca en el eje de ordenadas la concentración (en mg/L, meq/L o % meq/L) y en el eje de las abscisas los distintos iones presentes. El más usado de estos es la variante propuesta por Schoeller, en la cual la composición química se expresa en unidades logarítmicas (Fagundo, 1996)
Para este trabajo se han escogido los Diagramas de Stiff para la representación gráfica de la composición química de las aguas, los cuales han sido uno de los resultados obtenidos a partir del programa MODELAGUA.
1.9. Empleo de relaciones iónicas
El uso de relaciones iónicas en la caracterización de las aguas naturales, también aparece reportado con frecuencia en las revistas y libros sobre el karst. Estas relaciones se expresan en miliequivalente por litro (meq/L) y van precedidas de la letra r, que significa relación, las cuales reflejan las diferentes propiedades de interacción con el medio. Entre las principales relaciones empleadas se destacan las siguientes:
rMg Ca
2 2
+
+ : Refleja la relación entre la calcita y la dolomita en las aguas naturales que se
mueven por silicatos, es una expresión del grado de acidez de estas rocas.
rCa Na
2+
+ : Relación entre la calcita y la halita u otras fuentes de Na+. En las aguas kársticas
esta magnitud es muy superior a 1, excepto en aquellas que alcanzan grandes profundidades o participan en el proceso de mezcla con el agua de mar. En esos casos pueden tomar valores muy inferiores a la unidad.
r K Na
+
+: Está relacionada con el intercambio iónico que experimentan las aguas subterráneas,
en la zona del suelo, con las arcillas y otros tipos de rocas. Se ha empleado para distinguir diferencias entre aguas superficiales (Christopher, 1975) y para interpretar el drenaje en diferentes regiones kársticas (Christopher, 1977).
rHCO Cl
3−
− : Explica la relación entre los minerales calcita y halita disueltos en el agua, así
como el grado de intrusión de las aguas marinas en los karsts litorales.
rSO Cl
42−
− : Relación entre el yeso y la halita u otros agentes ajenos al karst. rCl Na K
Cl − − + + +
−
( ): Esta relación se utiliza para determinar el denominado índice de cambio
de base, el cual relaciona los iones cambiados en una reacción de intercambio iónico y los iones previamente existentes en el medio.
r Cl Na K SO HCO NO − − + + + − + − + − ( ) 42 3 3
: Esta relación se denomina índice de desequilibrio y se ha utilizado
también por los hidrogeólogos.
Con el objetivo de caracterizar las aguas naturales con fines geológicos, también se suelen emplear otras relaciones iónicas tales como:
r Li Na ,r Fe Cl ,r Br Cl ,r I Cl 2 + + + − − − − −
Además se emplean en la caracterización hidrogeoquímica, los contenidos de SiO2, CO2, algunos elementos minoritarios y otros parámetros químico-físicos e hidrológicos. Algunas de estas relaciones y otras similares son utilizadas también con el objetivo de caracterizar sistemas geotérmicos (Urbani, 1991).
Algunos kárstologos españoles han empleado las relaciones iónicas señaladas anteriormente para describir las propiedades de las aguas kársticas de una cuenca determinada (Fernández Rubio y Eraso, 1975; Castillo y Eraso, 1975), así como otras adicionales:
rCl Na Cl Ca Mg Na Ca Na Na K − + − + + + + + + + − + + + , 2 2 , 2
El estudio de las modificaciones producidas por las aguas marinas en los karst costeros, se ha abordado mediante la utilización de algunas relaciones iónicas (Morell et al, 1986; 1988). Todas estas expresiones de relación iónica se han implementado en el algoritmo denominado Agmar (Fagundo et al, 1986); así como en el sistema computarizado SAPHIQ (Alvarez y Fagundo, 1991; Alvarez et al, 1993).
1.10. Clasificación hidroquímica. Métodos de Clasificación
Los criterios químico–físicos de la clasificación de las aguas se basan en el contenido de los iones más abundantes. En general no se distinguen de los utilizados para las aguas naturales.
En la literatura aparecen numerosas clasificaciones que responden a diferentes objetivos (García, 1988; Catalán, 1988). De su análisis se puede considerar como más ventajosas las siguientes:
Clasificación de Alekine Clasificación de Shchoukarev Clasificación de Kurlov
El método de clasificación de Alekine toma en cuenta los tres aniones más importantes: HCO3 - + CO
32-, Cl- y SO42-. A su vez cada clase se divide en tres grupos, según el catión que predomine
(Ca2+, Mg2+ o Na+). De esta forma, las aguas se clasifican en: Tipo:
I. Aguas bicarbonatadas (predominio de HCO3-)
II. Aguas sulfatadas (predominio de SO42-)
III. Aguas Cloruradas (predominio de Cl-) Clases:
b. Aguas magnésicas (predominio de Mg2+) c. Aguas sódicas (predominio de Na+) Grupos: 1. r HCO 3- > r Ca2+ + r Mg2+ 2. r HCO 3-< r Ca2+ + r Mg2+ <r HCO3- + r SO42- 3. r HCO 3- + r SO42- < r Ca2+ + r Mg2+, es decir, rCl- > r Na+
4. r HCO3- = 0 . Este grupo no existe en el grupo I
Donde r representa relación iónica y se expresa en meq/l
Gutiérrez presenta una modificación del método de Alekine, mediante el cuál se comparan los pesos equivalentes (en % meq/l) de un agua dada. Cuando un catión o un anión presenta más del 50 % meq/l, el tipo de agua recibe el nombre del ion, por ejemplo bicarbonatada cálcica. Cuando un catión o anión no alcanza 50%, pero su contenido es mayor de 33 meq/l, el tipo de agua corresponde a un nombre combinado, por ejemplo bicarbonatada cálcico- magnesiana.
El método de clasificación de Shchoukarev emplea como índice de clasificación los iones que se encuentran en un porcentaje superior a 25% del total de miliequivalentes de aniones o de cationes:
1. Con relación a los aniones:
Aguas bicarbonatadas Aguas sulfatadas Aguas cloruradas
Aguas bicarbonatadas sulfatadas Aguas bicarbonatadas cloruradas aguas sulfatocloruradas
Aguas sulfatocloruradas bicarbonatadas
2. Con relación a los cationes:
Aguas cálcicas Aguas magnésicas Aguas sódicas Aguas calcicomagnesianas Aguas calsicosódicas Aguas magnesicosódicas
Aguas cálcico- magnésico- sódicas
Método de clasificación de Kurlov
Este método es similar al anterior, pero toma en cuenta para la clasificación los iones que se encuentran en un porcentaje superior al 20 % en lugar del 25 %, del total de miliequivalentes de aniones o cationes.
Una variante de los métodos de Kurlov se ha propuesto por Fagundo (1998) sobre la base de las relaciones estequiométricas Na++K+:Ca2+:Mg2+:Cl-:HCO3-:SO42-. Por ejemplo, un agua del tipo bicarbonatada cálcica (HCO3-Ca) posee una relación estequeométrica 1:8:1:1:8:1. En total, todas las aguas naturales se pueden caracterizar mediante este método, a través de 28 X 28 = 784 combinaciones numéricas o tipos de aguas, tal como se relaciona en la tabla A3.2 (Anexo 2). Estos tipos de aguas se pueden representar gráficamente mediante diagramas de Stiff para facilitar su comprensión, y corresponden a patrones hidrogeoquímicos determinados por factores geológicos, hidrogeológicos y ambientales.
En la tabla A 1.1 del Anexo 2 se muestra las relaciones estequiométrica entre aniones y cationes correspondientes a los 28 x 28 =784 patrones hidrogeoquímicos de las aguas naturales.
1.11. La conductividad eléctrica del agua y su relación con la composición química.
La conductividad eléctrica es uno de los parámetros más frecuentemente empleados para el control de la calidad de la aguas. Esta correlaciona con la sumatoria de la concentración de los iones mayoritarios disueltos en aguas, y a menudo, con la concentración de algún simple ion. También han sido encontradas relaciones empíricas entre la conductividad eléctrica y un aserie de parámetros químicos- físicos característicos de las aguas naturales, mineralización en términos de residuo seco, de sólidos solubles totales, suma de aniones y cationes, salinidad, fuerza iónica, dureza, etc. Sin embargo, debido a las variaciones de composición, no existe una relación estrecha entre la conductividad iónica y el residuo seco o contenido iónico. Con respecto a la concentración iónica, solo se han encontrado correlaciones altamente significativas con los iones más abundantes, lo que ha limitado aparentemente el uso de ecuaciones de regresión en el control de las aguas en forma extensiva.
Fagundo y otros autores han estudiado la relación entre la litología (así como otros factores) y la naturaleza de las ecuaciones de dependencia matemática entre la concentración iónica y la conductividad eléctrica, demostrando que en una región determinada donde muchos de los factores que determinan el modo de adquisición de la composición química de las aguas se hacen constantes, es posible controlar la composición química mediante mediciones de conductividad eléctrica, lo cual ha permitido la creación de algoritmos y sistemas de computación con estos objetivos.
En general, la conductividad eléctrica depende de la temperatura. Los equipos electrónicos modernos, tanto de laboratorio como de campo, miden la conductividad a la temperatura del agua y mediante una compensación interna expresan el valor de esa magnitud a 25°C. El hecho de que la conductividad eléctrica de un agua natural pueda expresarse a una temperatura constante, hace posible la determinación de relaciones matemáticas fijas con la concentración y la mineralización para un mismo tipo de agua.
1.12. Modelos Hidrogeoquímicos
Cuando las aguas son de origen natural adquieren su composición química mediante un complejo proceso donde intervienen factores químico-físicos, geológicos, hidrogeológicos, geomorfológicos, edafológicos, climáticos, microbiológicos y ambientales. Por tanto el agua ya no es la misma en cada momento y varía su a través de su trayectoria. En los casos en que se producen cambios de tipo cuantitativo como ocurre con las aguas subterráneas, estas variaciones en la
composición pueden ser caracterizadas a través de determinadas relaciones iónicas o patrones hidrogeoquímicos.
Los patrones hidrogeoquímicos consisten en relaciones estequiométricas del tipo Na++ K+: Ca2+: Mg2+: Cl-: SO42- donde la facies hidroquímica predominante depende fundamentalmente de la
litología y el patrón de agrietamiento local, las condiciones de circulación hídrica, la geomorfología del terreno, el tipo de suelo, así como de factores de tipo ambiental. Estos patrones pueden representarse mediante diagramas, expresándose la concentración iónica en forma absoluta (meq/l) o relativa (porcentaje meq/l).
1.13. Teoría que fundamenta el empleo de métodos de estimación de la composición química de las aguas mediante mediciones de conductividad eléctrica y el empleo de correlaciones matemáticas
El uso de relaciones matemáticas entre la concentración iónica y la conductividad eléctrica de las aguas naturales, se ha propuesto sobre la base de un modelo de adquisición de la composición química, similar al que ocurre en un reactor de laboratorio donde se hace pasar una corriente de CO2 a un agua y se coloca un mineral carbonatado (Fagundo, 1985, 1990 a; Fagundo y Pajón, 1987;
Fagundo, 1996).
En este proceso cinético, la velocidad de disolución del mineral depende de su composición en la roca (litología). La concentración de los principales iones que resultan de este proceso se incrementa en el tiempo y sigue una función exponencial. Una función matemática similar presenta la conductividad eléctrica.
Si se grafica la relación entre la concentración de cada ion y la conductividad eléctrica se obtiene una línea recta que pasa por el origen de coordenadas, cuya pendiente depende de la litología (Fagundo, 1990 b). Por ejemplo, en el caso de una caliza pura constituida prácticamente por mineral calcita, la pendiente correspondiente a los iones HCO3- y Ca2+ son similares entre sí y
sus magnitudes son mucho más grandes que las del ion Mg2+. En una dolomía constituida por cantidades más o menos similares de calcita y dolomita, la pendiente correspondiente al ion HCO3
-es del mismo orden que en el caso anterior, sin embargo, las pendient-es corr-espondient-es a los ion-es Ca2+ y Mg2+ son en este caso similares entre sí y mucho menor que la del HCO3-.
Si se determinan las concentraciones iónicas al multiplicar las conductividades eléctricas, en cada momento en que se hizo el experimento, por las correspondientes relaciones matemáticas obtenidas, se encuentra que no existen grandes diferencias entre la composición química real y la obtenida por estos modelos matemáticos.
Basado en estos principios se elaboró un sistema automatizado (Alvarez et al, 1990; 1999) capaz de determinar en forma rápida los modelos de correlación matemática entre la concentración iónica y la conductividad eléctrica, con el objetivo del ulterior control de la composición química de las aguas mediante mediciones en el campo con conductímetros portátiles. En general, cuando uno de los factores es dominante en el modo de adquisición de la composición química de las aguas, las relaciones entre las concentraciones iónicas y la conductividad eléctrica son de tipo lineal. Si más de un factor posee un peso semejante en este proceso, las ecuaciones de segundo grado ajustan mejor. En este último caso se observa, por lo general, más de un patrón hidrogeoquímico.
En el caso de aguas subterráneas que se encuentran estratificadas como resultado de mezcla con el mar o con otro horizonte acuífero, como sucede en los acuíferos carbonatados litorales y en
aguas de mezcla en general, la evolución ocurre según una serie de patrones hidrogeoquímicos en el que se va incrementando, de manera progresiva, el contenido relativo de los iones Cl-, Na+ y K+ y en menor medida Mg2+ y SO42-, así como decreciendo el de los iones HCO3- y Ca2+. La actividad del
hombre, especialmente la sobreexplotación de los acuíferos para el abasto o el regadío altera los patrones hidrogeoquímicos naturales (Vinardell et al, 1997; Fagundo, Beato y González, 2002)
Para controlar la composición química de estas aguas mediante mediciones de conductividad eléctrica y el empleo de ecuaciones de correlación matemática, es necesario procesar los datos por tipos de patrones hidrogeoquímicos, en base a los cambios en sus relaciones iónicas, para lo cual dan buenos resultados los denominados métodos de reconocimiento de patrones. Estos métodos son especialmente útiles para la comparación y control de la composición química de las aguas minerales, ya que las mismas se caracterizan por presentar un sólo patrón hidrogeoquímico. Si en el procesamiento de los datos hidroquímicos de una fuente de posible origen termal se obtiene más de un patrón, se puede sospechar en un proceso de mezcla y desechar la hipótesis de que el agua es mineral. En las figuras 9 y 10 se presentan las variaciones temporales y patrones hidrogeoquímicos correspondientes a dos fuentes de abasto de la provincia de Pinar del Río.
CAPÍTULO II. CARACTERÍSTICAS GEOGRÁFICAS, GEOLÓGICAS E HIDROGEOLÓGICAS DEL ÁREA DE ESTUDIO
La Isla de la Juventud (Fig. 2.1) pertenece al Archipiélago de los Canarreos, limita al norte con aguas del Golfo de Batabanó en la provincia de La Habana, al este con aguas de la plataforma insular de la provincia de Matanzas, al sur con el Mar Caribe y oeste con aguas de la plataforma insular de la provincia de Pinar del Río. Las coordenadas geográficas lo sitúan entre los 21º 30` y los 21º40`de latitud norte y los 81º 34` y los 82º28` de longitud oeste. El territorio pinero, ocupa un área de 2419km2 y cuenta con una superficie poblacional de 59 km2 y agrícola de 677 km2. La superficie acuosa posee 1309 km2. Sus principales poblados son Gerona y La Fé (Fig. 2.2).
Figura 2.1. Ubicación de la Isla de la Juventud en el contexto del Archipiélago de Cuba. Dicha región abarca un territorio de 2 420 km.,de ellos corresponden a la superficie de tierra firme 2 205 Km y 215 km. de área de cayos.
Figura 2.2. Mapa de la Isla de la
Juventud donde aparece la ubicación de
2.1. Cuenca Hidrogeológica La Fé y Cuenca Hidrogeológica Gerona
2.1.2. Ubicación geográfica. Clima. Características geológicas. Litología y tectónica. Unidades Hidrogeológicas
A pesar que el estudio esta basado en la comparación de las dos cuencas principales Gerona y La Fe, en ambas aparecen formaciones comunes sin diferencia alguna en cuanto a la disponibilidad especial de sus estratos y contenidos (Fig. 2.2). En el área aparecen las siguientes secuencias estratigráficas por orden de formación: Fm. Cañada, de edad Jurásico inferior hasta el Jurásico medio (J1 – J2 cl); 1). Fm. Agua Santa que va desde el Jurásico medio hasta el Jurásico superior. (J2cl – J3 ox) y Fm. Gerona que va desde el Jurásico superior hasta el Cretácico (J3ox - K). La corteza de intemperismo que cubre a estas secuencias es de edad Neógeno–Cuaternario (Ng – Q) y la conforman los materiales de la secuencia de base erosionados (Academia de Ciencias, 1989).
2.1.3. Clima
Los rasgos climáticos del área de estudio están expresados en la baja incidencia de los frentes fríos y la influencia de los vientos del sur en la primavera. La temperatura fluctúa entre 22,3° y 28,9°C. La precipitación anual es del orden de los 1090 mm siendo menor que el promedio del país. Se producen entre 40 y 60 días al año con turbonadas que ocurren fundamentalmente de mayo a octubre mientras que la mayor cantidad de días despejados se manifiestan entre noviembre y abril.
La humedad relativa anual es de 80%.
Predominan los vientos de componente este con una velocidad promedio anual de 10 km/h. Las características del clima se corresponden con las que imperan en casi todo el país. Su tipo es de llanuras y alturas con humedecimiento estacional relativamente estable, alta evaporación y altas temperaturas, resultando dos estaciones bien marcadas: una lluviosa (mayo-octubre) y otra menos lluviosa (noviembre-abril).
Los principales parámetros climáticos de esta región son los siguientes: Temperatura media anual --- 25,4°C
Mes más cálido (julio) --- 27,9°C Temperaturas límites registradas: estación La Fe Temperatura máxima. --- 35,1°C Temperatura mínima: --- 6,1°C
En el período lluvioso ocurren del 80 al 85 % de las precipitaciones anuales La humedad relativa anual oscila alrededor del 80 %. Los vientos predominantes son de componente este exceptuando los meses de abril y mayo en que afectan los vientos locales denominados sures, muy fuertes y secos.
2.1.4. Características geológicas. Litología y tectónica 2.1.4.1. Estratigrafía
En el área de estudio aparecen las siguientes secuencias estratigráficas por orden de formación:
Formación Cañada con su miembro Ceiba de edad Jurásico inferior hasta el Jurásico medio Calloviano. (J1 – J2cl)
Formación Agua Santa que va desde el Jurásico medio Calloviano hasta el Jurásico superior Oxfordiano. (J2cl – J3ox)
Formación Gerona que va desde el Jurásico superior Oxfordiano hasta Cretácico. (J3ox - K)
La corteza de intemperismo que cubre a estas secuencias es de edad mucho más joven, posiblemente Neógeno–Cuaternario (Ng – Q). y la conforman los materiales de la secuencia de base que fueron erosionados.
2.1.4.2. Litología
Formación Gerona: Está compuesta por mármoles con intercalaciones de esquistos sericíticos que aparecen a la profundidad de alrededor de 20 hasta 40 m o más; a esta capa le sobreyace una roca intemperizada, que todavía conserva la estructura de la roca que le da origen, con relictos de esquistos. Sobre esta última aparece un material arcilloso–limoso hasta arcillo–arenoso producto de la intemperización de los mármoles y se extiende hasta la superficie del terreno.
Formación Agua Santa: Está compuesta por esquistos sericíticos y sericíticos cuarcificados con intercalaciones de mármoles y cuarzo que aparecen a profundidad promedio entre 20.00 m y 30.00 m, aunque en ocasiones se pueden encontrar a profundidades desde 11 hasta 60 m; a ésta le sobreyace una capa de roca intemperizada que todavía conserva la estructura de la roca que le da origen con relictos de esquistos y cuarzo, esta capa aparece desde 12.00 m hasta 20.00 m, como promedio, por encima de ésta aparece una capa de roca arcillosa hasta arcillo arenosa que en los primeros 5.00 m puede contener fragmentos de perdigones. En general esta capa se muestra algo caolinizada.
Formación Cañada: Esta formación se encuentra representada por cuarcitas esquistosas, cuarcitas y esquistos, en general presenta mineralización sulfurosa de pirita y calcopirita, la misma aparece a una profundidad entre 20 m y 35 m, y afloran en ocasiones, relacionadas con zonas de relieve alto, a esta capa le sobreyace otra roca intemperizada que todavía conserva la estructura de la roca que le da origen con matriz arcillo arenosa hasta areno arcillosa. En la unión de estas dos capas ocurre un proceso de transición donde se observa la roca fracturada y/o agrietada, esta transición puede alcanzar potencia de hasta 5.00 m
2.1.4.3. Metamorfismo
Las rocas fueron afectadas por el proceso de metamorfismo regional, perteneciente a la Facie de esquistos verdes, ocurrido a finales del Jurásico y principio del Cretácico, con temperatura de formación promedio entre 600 – 750 °C.
2.1.4.4. Tectónica
Las fallas principales tienen rumbo preferencial de 300°-325°, existiendo un gran desorden en el resto de las fallas sin poderse definir dirección de preferencia alguna, donde sólo es posible mapear las fallas principales y secundarias que limitan bloque tectónico que a la vez en la mayoría de los casos se convierten en bloques geológicos; las fallas que se encuentran en el interior de los
