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 8 REFERENCIAS ALONSO G. Manuel Gerardo, Ma. del R. ARNAUD V., R. ROJAS CH. (2004). Tratamiento alternativo para la remoción de hierro en agua de abastecimiento municipal. Hig. Sanid. Ambient. 4:98-105. ARIZONA WATER RESOURCES RESEARCH CENTER (1995). Manual de campo para el muestreo de la calidad del agua. CUSTODIO, E., M.R. LLAMAS, (1996). 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