Tema Tentativo: “Distribución, concentración y origen de hierro y

DISTRIBUCIÓN, CONCENTRACIÓN Y ORIGEN DE HIERRO Y MANGANESO
EN LAS AGUAS SUPERFICIALES Y SUBTERRÁNEAS DE LA CUENCA ALTA
Y MEDIA DEL RÍO SONORA, NOROESTE DE MÉXICO
Janeth RUELAS GONZÁLEZ y Rodrigo GONZÁLEZ ENRÍQUEZ
Instituto Tecnológico de Sonora.
Dpto. Ciencias del Agua y Medio Ambiente.5 de Febrero 818 Sur, C.P. 85000 Cd. Obregón,
Sonora. Tel/Fax: (644)4100923. E-mail: [email protected]; [email protected]
Palabras clave: Metales pesados, actividades mineras, calidad del agua.
RESUMEN
En el Noroeste de México, la cuenca del río Sonora es de gran importancia para el
estado de Sonora, ya que se concentra la mayor parte de la población, hay un
mayor desarrollo industrial y crecimiento económico de la región. Lo anterior
ejerce una fuerte presión sobre los recursos naturales, principalmente el agua,
cuya demanda está aumentando. El río Sonora tiene como destino final las presas
El Molinito y La Abelardo L. Rodríguez, esta última cuando dispone de
almacenamientos apropiados ha sido utilizada para abastecer dos plantas
potabilizadoras de la ciudad de Hermosillo, además de la recarga de los pozos
que están en el acuífero.
La principal fuente de abastecimiento de agua para las poblaciones en la cuenca
es el mismo río Sonora y sus afluentes, permitiendo que se desarrollen las
actividades agropecuarias, industriales y urbanas, para esto es necesario contar
con efluentes que no representen un riesgo para la salud, sin embargo, estudios
reportan la presencia de metales pesados en estas aguas, siendo una de las
principales causas las actividades mineras que se desarrollan en la región de
Cananea, explotando metales como el Cu y Mo, así como la recuperación de
ciertos minerales como sulfuros de cobre, molibdeno, calcosita, calcopirita y
molibdenita generando desechos industriales que contaminan aguas y sedimentos
de los ríos, así como zonas aledañas. Es por ello que se han encontrado
concentraciones de metales pesados como Cu, Fe, Mn, Pb y Zn en los sedimentos
del Río Sonora obteniéndose altas concentraciones de cobre, hierro y manganeso.
INTRODUCCIÓN
El agua es el solvente más abundante, y es capaz de incorporar una gran cantidad
de sustancias al estar en contacto con los terrenos por los cuales circula; es por
eso que debido a las prácticas del uso de la tierra tienen impactos importantes,
tanto en la disponibilidad como en la calidad de los recursos hídricos. Kiersch
(2000) reporta que indirectamente, el uso de la tierra podría afectar las
concentraciones de metales pesados, en las aguas superficiales y subterráneas,
incrementando la movilidad de los metales de origen humano o geológico en el
suelo, además que podrían ser transferidos a las masas de agua mediante
1
procesos erosivos. Navarro y Sabater (2004) comentan que los metales llegan a
los cursos de agua a través de múltiples vías. Mientras que una fracción se retiene
en suelos y sedimentos. Otra circula libremente por el agua de los ríos, embalses
y lagunas. Estudios de contaminación por metales pesados que se realizan en
cuerpos de agua, ya sean de origen natural o artificial, se considera
prioritariamente el contenido de estos contaminantes en la fase acuosa. Los
contaminantes inorgánicos que se detectan comúnmente incluyen nitrato, sulfato
cloro, hierro y manganeso, los cuales se pueden originar de muchas fuentes
especialmente de las derivadas de la actividad minera (McQuillan et al., 2000). La
exposición de los minerales sulfurosos al aire, agua, procesos microbianos y
oxidación produce drenaje ácido de mina, caracterizado por su alta acidez y a la
alta cantidad de metales pesados disueltos, principalmente hierro, manganeso y
aluminio (Gamonal, 2003).
El 4.7% de la corteza terrestre está compuesta de hierro (Alonso et al. 2004). La
concentración de hierro en mantos acuíferos puede variar de 1 µg/L a 2 mg/L y
puede tener su origen en minerales ferrosos de rocas y suelos; en cambio el
manganeso se encuentra abundantemente en rocas metamórficas, sedimentarias
y en una cantidad muy pequeña de rocas ígneas (Valdivia, 1997).
Piña y Ramírez (2001) reportan que en México y en el mundo gran parte de las
fuentes de abastecimiento de agua subterránea se ven afectadas por la presencia
de hierro (Fe) y manganeso (Mn), los cuales se encuentran en forma soluble, que
al oxidarse, ya sea al momento de la cloración o con el oxígeno del aire, se
precipitan generando un color oscuro que provoca un rechazo de los
consumidores, manchan la ropa, obstruyen tuberías, accesorios y bombas. Hasta
el momento no se conocen efectos nocivos para la salud de estos elementos, sin
embargo, las concentraciones elevadas de manganeso pueden acelerar el
crecimiento biológico de ciertas bacterias del género Sphaerotilus y Leptothrix en
los sistemas de distribución y contribuir a los problemas de sabor y olor en el
agua, así mismo aumentan la demanda de cloro u otros oxidantes aplicados en la
desinfección. La presencia de hierro también origina incrustaciones duras -más de
5 ppm pueden ser tóxicas para las plantas y más de 0.5 ppm son nocivas o
molestas-(Custodio y Llamas 1996, Madigan 2004).
Estudios realizados por Alonso et al. (2004) encontraron concentraciones de 2.2
mg/L de hierro en el agua de abastecimiento en un municipio de Oaxaca, México,
los cuales se atribuyen fundamentalmente a la generación de residuos orgánicos
por la actividad agroindustrial de la zona. Además Piña y Ramírez (2001) reportan
la presencia de estos elementos en diferentes partes de México en donde la
concentración, principalmente de manganeso, en el agua cruda ha llegado a ser
de hasta 2.5 mg/L sobrepasando el límite máximo permisible de 0.15 mg/L de
manganeso y 0.3 mg/L de hierro, establecido por la NOM-127-SSA 1-1994 de
agua para uso y consumo humano.
En el Noroeste de México la cuenca del Río Sonora es de gran importancia
estratégica para el estado de Sonora, debido a que en ella se concentra la mayor
2
parte de la población siendo el centro de mayor desarrollo industrial y crecimiento
económico. Lo anterior ejerce una fuerte presión sobre los recursos naturales,
principalmente el agua, cuya demanda va en aumento, a la par del crecimiento
descrito. Debido a lo anterior, la principal fuente de abastecimiento de agua para
las poblaciones en la cuenca es el mismo Río Sonora y sus afluentes, los ríos
Bacanuchi, San Miguel de Horcasitas y El Zanjón, los cuales sirven para que se
desarrollen las actividades agropecuarias, industriales y urbanas (Gómez et al.,
1990). Para satisfacer éstas necesidades es necesario contar con efluentes que
no representen un riesgo para la salud, sin embargo, algunos estudios reportan la
presencia de metales pesados en el agua proveniente de estos ríos, siendo una
de las principales causas las actividades mineras que se desarrollan en la región
de Cananea, explotando principalmente metales como el Cu y Mo, así como la
recuperación de ciertos minerales como sulfuros de cobre, molibdeno, calcosita,
calcopirita y molibdenita los cuales generan desechos industriales que contaminan
aguas y sedimentos de los ríos, así como de las zonas aledañas (SARH,1984
citado por Gómez et al.1990, Pérez,1993). Es por ello, que estudios realizados por
Gómez et al. (1993) han encontrado concentraciones de metales pesados como
Cu, Fe, Mn, Pb y Zn en los sedimentos del Río Sonora obteniéndose altas
concentraciones de cobre, hierro y manganeso.
Actualmente el Río Sonora tiene como destino final la presa Abelardo L.
Rodríguez Luján, la cual es utilizada como abastecimiento de agua de la ciudad de
Hermosillo y alrededores, por un lado por medio de ella se recarga el acuífero de
los pozos de abastecimiento y por otro, se alimenta a dos plantas potabilizadoras
de esta ciudad (Gómez et al., 1990). Por lo antes descrito Gómez et al. (1997) dice
que se han hecho análisis del agua de la presa antes mencionada para conocer la
calidad del agua siendo los elementos encontrados como hierro, níquel y
manganeso excedieron los límites máximos permitidos, por lo que el agua de la
presa no se puede considerar como adecuada para el abastecimiento de agua
potable. Además Villalba et al. (1997) menciona que las zonas de influencia de los
ríos Sonora y San Miguel son las que más influyen en la concentración de todos
los metales pesados estudiados en este cuerpo de agua.
El objetivo de de este trabajo es determinar la distribución y el origen del hierro y
manganeso en las aguas superficiales y subterráneas de la cuenca alta y media
del Río Sonora. Para ello se llevó a cabo un muestreo distribuido de la calidad de
agua mediante las concentraciones de Fe y Mn, en relación con la geología y con
las actividades antrópicas (principalmente minería).
MATERIAL Y MÉTODOS
Localización del área de estudio
La cuenca del Río Sonora se encuentra situada en la porción centro-septentrional
de Sonora y al oeste en la Región Hidrológica 9 (RHS, 1970); el área total de la
cuenca es de 28,885 km2. La parte alta y media de la cuenca, que corresponde a
3
la superficie de la zona de estudio es de 21,185 km2, abarcando las subcuencas
de los ríos Sonora (12,615 km2, no incluye la parte baja de la cuenca que se
localiza en la Costa de Hermosillo), El Zanjón (4,350 km2) y San Miguel de
Horcasitas (4,220 km2), con una precipitación media anual de 376 mm y una
pendiente general que va, de fuerte en el extremo norte, a baja en el suroeste de
la cuenca (INEGI, 1993). El río Sonora inicia su recorrido en las cercanías de
Cananea con rumbo general al sur hasta terminar en la presa Abelardo Rodríguez
Lujan, al este de Hermosillo (SIGE, 2000). La zona Este del Distrito de Riego No.
51 se ubica en la parte baja de esta cuenca (ver Fig. 1).
Figura 1. Ubicación del Estado de Sonora, México y la cuenca del Río Sonora con
sus principales afluentes los ríos Bacanuchi, San Miguel de Horcasitas y El Zanjón.
El estudio incluye a los diferentes usos con el fin de tener una muestra
representativa para las diferentes demandas, pero con un enfoque mayor para el
consumo humano, debido al impacto que los metales contenidos en el agua
pueden generar a la salud. Para representar a los acuíferos profundos y someros,
el estudio incluye una clasificación de pozos y norias.
Selección de los pozos
El muestreo se realizó en 175 pozos, norias o manantiales. En éstos se incluyeron
a todos los pozos que abastecen de agua potable a las comunidades de la
cuenca. Para asegurar un diseño representativo de todos los aprovechamientos
de la zona de estudio, la muestra se distribuyó espacialmente por toda la cuenca
alta y media, considerando zonas de acuíferos tanto someros como profundos.
4
Toma de muestras
Se establecieron dos períodos de muestreos durante el 2005: el primero antes de
que iniciara el período de lluvias durante los meses de Septiembre-Octubre, y el
segundo después del período de lluvias, el cual corresponde a NoviembreDiciembre; generándose 380 muestras para análisis de metales (ver Fig. 2).
3420000
3400000
3420000
Monitoreo 1
3400000
Monitoreo 2
3380000
Monitoreo 1
Monitoreo 2
Precipitación
3380000
3360000
3360000
3340000
3340000
3320000
3320000
3300000
3300000
3280000
3280000
3260000
3260000
3240000
3240000
3220000
3220000
20 km
480000 500000 520000 540000 560000 580000 600000
a) Sitios de monitoreo de aguas superficiales y lluvias
20 km
480000 500000 520000 540000 560000 580000 600000
b) Sitios de monitoreo de agua subterráneas.
Figura 2. Localización de sitios de monitoreo de aguas superficiales y subterráneas en la
cuenca del río Sonora. El monitoreo 1 corresponde al período de lluvias (sept.-octubre de
2005) y el monitoreo 2 corresponde al período de estiaje (noviembre-diciembre de 2005).
Parámetros de Campo
In situ, se midió Conductividad eléctrica, pH, oxígeno disuelto y temperatura de las
muestras de agua con un medidor multiparámetros modelo multi-340i, además
para la toma de las muestras se utilizó una sonda Bailer de PVC doble válvula de
3.5X36 pulgadas. En el muestreo de los aprovechamientos de aguas subterráneas
en donde se contaba con equipo de bombeo se hizo un purgado del triple del
volumen de agua para que pudiera ser contenida en el ademe del pozo o noria y
en los sitos donde no hubo equipo de bombeo se utilizó una bomba sumergible
portátil para el purgado y colecta de las muestras. Esto se hizo para asegurar que
la muestra fuera representativa de los acuíferos. Algunas instancias como USA
EPA (1982), NCASI (1982), Clasasen (1982), Gillham et al (1983); Barcelona et al
(1985); EPRI (1987) Nielsen (1991) citados por Puls and Powel (1993) mencionan
que para obtener una muestra lo más representativa del ambiente subterráneo es
necesario purgar los pozos, en la mayoría de los casos esto con el fin de
estabilizar los parámetros tales como CE y pH principalmente.
5
Se colectó un litro de muestra que fue envasada en botellas de plástico y
preservada con ácido nítrico de alta pureza (HNO3 para análisis de metales) para
mantener la muestra a un pH menor de 2 (AWRRC, 1995). Durante el transporte
las muestras se mantuvieron refrigeradas (4° C).
Análisis de la calidad del agua
La concentración de Fe y Mn fue determinada por técnicas de absorción atómica
mediante un espectrofotómetro SpectrAA 220 modelo Varian, con un límite de
detección de 0.002 ppm para Mn y 0.006 ppm para Fe.
RESULTADOS Y SU DISCUSIÓN
En la Fig. 3 se puede observar que en los muestreos de agua superficial en el
que monitoreo 1 que corresponde al inicio del período de lluvias se observa como
en la parte alta de la cuenca los niveles en el contenido de hierro están dentro de
norma en comparación con la parte baja, la cual corresponde a las presas de El
molinito y La Abelardo L. Rodríguez en donde se aprecia una alta concentración
del metal quedando fuera de norma, la cual establece que la concentración
máxima permitida para hierro es de 0.3 mg/L según la NOM-127-SSA 1-1994 de
agua para uso y consumo humano, y los resultados que se obtuvieron fueron de
1.907 mg/L hasta 235 mg/L, estudios realizados por Villalba et al (1997) que en los
sedimentos de la última presa anteriormente mencionada es esta zona la que más
influye en la concentración de metales pesados, seguida por la desembocadura de
los ríos Sonora y San Miguel y en menor grado por la zona industrial. Además se
observa una tendencia a concentrarse los metales mayormente en meses
correspondientes a cualquiera de los períodos principales de lluvia (verano o
invierno). Una vez que se ha terminado el período de lluvias en el monitoreo dos
se observa la mayor concentración del metal en la parte alta en donde hay un
mayor problema con metales pesados obteniéndose concentraciones de 1.558
mg/L y de hasta 80.525 mg/L estas concentraciones pueden deber a que en la
parte norte de la cuenca se encuentra la mayor concentración de minas y una de
las principales es la Compañía minera de Cananea la cual posee una baja
capacidad de almacenamiento, lo cual ocasiona que rebase su límite de capacidad
al recibir los desechos provenientes de los diferentes procesos de extracción, por
lo que sus excedentes son liberados al cauce del río Sonora y Bacanuchi, así
mismo es importante añadir las precipitaciones pluviales que se presentan en ésta
zona, incluyendo algunas nevadas con sus respectivos deshielos Gómez et
al.(1990).
Los resultados que se aparecen en la Fig. 4 corresponde al muestreo de agua
subterránea, en el monitoreo 1 se puede ver la elevada concentración de hierro en
la parte alta de la cuenca con una concentración de 12.35 mg/L y en la parte baja
de la misma se obtuvo una concentración de 0.423 mg/L. Al finalizar el período de
lluvias se observa una zona más amplia que rebasa los límites permitidos en las
zonas antes mencionadas, si bien las cantidades determinadas no llegan hasta los
valores anteriormente mencionados, estos si rebasan lo establecido siendo estos
valores de 2.797 mg/L.
6
3220000 3240000 3260000 3280000 3300000 3320000 3340000 3360000 3380000 3400000 3420000
3220000 3240000 3260000 3280000 3300000 3320000 3340000 3360000 3380000 3400000 3420000
SIMBOLOGÍA
Cuenca hidrológica RH9 D
Parte aguas subcuencas
Corrientes superficiales
Monitoreo de hierro
Dentro de norma
Límite permisible
Fuera de norma
Datum NAD 27 - UTM
20 km
480000
500000
520000
540000
560000
580000
600000
a) Monitoreo 1 al inicio del período de lluvias
SIMBOLOGÍA
Cuenca hidrológica RH9 D
Parte aguas subcuencas
Corrientes superficiales
Monitoreo de hierro
Dentro de norma
Límite permisible
Fuera de norma
Datum NAD 27 - UTM
20 km
480000
500000
520000
540000
560000
580000
600000
b) Monitoreo 2 al término del período de lluvias
3220000 3240000 3260000 3280000 3300000 3320000 3340000 3360000 3380000 3400000 3420000
3220000 3240000 3260000 3280000 3300000 3320000 3340000 3360000 3380000 3400000 3420000
Figura 3. Hierro, Fe mg/L en agua superficial.
SIMBOLOGÍA
Cuenca hidrológica RH9 D
Parte aguas subcuencas
Corrientes superficiales
Monitoreo de hierro
Dentro de norma
Límite permisible
Fuera de norma
Datum NAD 27 - UTM
20 km
480000
500000
520000
540000
560000
580000
600000
a) Monitoreo 1 al inicio del período de lluvias
SIMBOLOGÍA
Cuenca hidrológica RH9 D
Parte aguas subcuencas
Corrientes superficiales
Monitoreo de hierro
Dentro de norma
Límite permisible
Fuera de norma
Datum NAD 27 - UTM
20 km
480000
500000
520000
540000
560000
580000
600000
b) Monitoreo 2 al término del período de lluvias
Figura 4. Hierro, Fe mg/L en agua subterránea
En la Fig. 5 el comportamiento del manganeso es parecido al del hierro, ya que se
sobrepasa el límite de 0.15 mg/L según la NOM-127-SSA 1-1994 de agua para
uso y consumo humano, este límite se rebasó al obtenerse valores de 1.413 mg/L.
En el monitoreo 2 al concluir el período de lluvias la concentración de manganes
7
neso se excede en la parte alta obteniéndose valores desde 0.596mg/l que a
pesas sobre pasan la norma hasta 42.910 mg/L.
3220000 3240000 3260000 3280000 3300000 3320000 3340000 3360000 3380000 3400000 3420000
3220000 3240000 3260000 3280000 3300000 3320000 3340000 3360000 3380000 3400000 3420000
En la Fig. 6 el contenido de Mn en el período del monitoreo 1 los valores
alcanzados fueron desde 0.146 mg/L (sobre pasa ligeramente la norma) hasta
0.41 mg/L. En comparación con el monitoreo 2 al finalizar el período de lluvias el
cual registró una expansión de la mancha contaminante con registro de 5.80 mg/L.
SIMBOLOGÍA
Cuenca hidrológica RH9 D
Parte aguas subcuencas
Corrientes superficiales
Monitoreo de Manganeso
Dentro de norma
Límite permisible
Fuera de norma
Datum NAD 27 - UTM
20 km
480000
500000
520000
540000
560000
580000
600000
a) Monitoreo 1 al inicio del período de lluvias
SIMBOLOGÍA
Cuenca hidrológica RH9 D
Parte aguas subcuencas
Corrientes superficiales
Monitoreo de Manganeso
Dentro de norma
Límite permisible
Fuera de norma
Datum NAD 27 - UTM
20 km
480000
500000
520000
540000
560000
580000
600000
b) Monitoreo 2 al término del período de lluvias
3220000 3240000 3260000 3280000 3300000 3320000 3340000 3360000 3380000 3400000 3420000
3220000 3240000 3260000 3280000 3300000 3320000 3340000 3360000 3380000 3400000 3420000
Figura 5. Manganeso, Mn mg/L agua superficial
SIMBOLOGÍA
Cuenca hidrológica RH9 D
Parte aguas subcuencas
Corrientes superficiales
Monitoreo de Manganeso
Dentro de norma
Límite permisible
Fuera de norma
Datum NAD 27 - UTM
20 km
480000
500000
520000
540000
560000
580000
600000
a) Monitoreo 1 al inicio del período de lluvias
SIMBOLOGÍA
Cuenca hidrológica RH9 D
Parte aguas subcuencas
Corrientes superficiales
Monitoreo de Manganeso
Dentro de norma
Límite permisible
Fuera de norma
Datum NAD 27 - UTM
20 km
480000
500000
520000
540000
560000
580000
600000
b) Monitoreo 2 al término del período de lluvias
Figura 6. Manganeso, Mn mg/L agua subterránea
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10